JP3834378B2 - カンチレバーチップ - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面情報を測定する際に、そのチップ先端と試料表面との間の相互作用（原子間力、分子間力、磁気力、摩擦力、粘性力、弾性力等）を検出するために用いられるカンチレバーチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のカンチレバーチップを用いた装置例えば走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）が知られており、特にＳＰＭの一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が発明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試料が導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観察できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号公報参照）。
【０００３】
なお、本明細書中において、カンチレバーチップとは、自由端が変位自在なカンチレバーと、このカンチレバーの自由端に形成された探針と、カンチレバーの基端を支持する支持部とから構成されたものとする。
【０００４】
ＡＦＭ構造は、ＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられており、自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレバーと、探針と試料とを相対的に移動させるスキャナとを備えている。
【０００５】
このような構成において、探針を試料に対向して近接させると、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互作用（原子間力）によって、カンチレバーの自由端が変位する。そして、この自由端に生じる変位量を電気的あるいは光学的に検出しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ方向に相対的に走査することによって、試料の表面情報等（例えば、凹凸情報）が三次元的に測定される。
【０００６】
また、ＡＦＭに用いられるカンチレバーは、アルブレヒト(Albrecht)等が半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製したＳｉＯ2 （二酸化シリコン）製カンチレバーを提案して以来、この半導体ＩＣ製造プロセスによって作製したカンチレバーが主流となっている（Thomas R.Albrecht,Calvin F.Quate:Atomic resolution Imaging of a nonconductor by Atomic force Microscopy J.Appl.Phys,62(1987)2599）。なお、半導体ＩＣ製造プロセスを用いた作製法の利点の１つは、マイクロメータ（μｍ）オーダーの精度で且つ極めて再現性の良いカンチレバーを作製できる点であり、他の利点は、バッチプロセス法を用いることによって、低コストで且つ優れたカンチレバーを作製できる点である。
【０００７】
更に、アルブレヒト等は、二酸化シリコンの代わりに窒化シリコンを探針並びにカンチレバーの構成材料として使用した窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）製カンチレバーを提案している（「J.Vac.Sci.Technol.A8(4)3386 1990:T.Albrecht, S.Akamine,T.E.Caver and C.F.Quate 」以下、文献１という）。この文献１の窒化シリコン製カンチレバーの寸法は、長さ約１００〜２００μｍ、厚さ約０．４〜０．８μｍであり、その形状は、例えば中抜き三角形や長方形である。また、その機械的特性として、バネ定数は、０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度であり、共振周波数は、２０〜９０ｋＨｚ程度である。
【０００８】
このようなカンチレバーを用いたＡＦＭの測定法（ＡＦＭ測定法）としては、探針接触圧設定時のカンチレバーの撓み状態を一定に維持するように、カンチレバーを励振させること無く、探針を試料に沿って走査するスタティックモードＡＦＭ測定法と、所定の共振周波数でカンチレバーを励振させた状態において、振動中心と試料表面との間の距離を一定に維持するように、探針を試料に沿って走査するダイナミックモードＡＦＭ測定法とが知られている。
【０００９】
スタティックモードＡＦＭ測定法は、探針先端を試料に接触させながら走査するコンタクトモードＡＦＭ測定法と、探針先端を試料に接触させること無く走査するノンコンタクトモードＡＦＭ測定法とに大別され、特に、コンタクトモードＡＦＭ測定法には、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下（０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度）で共振周波数が１０〜９０ｋＨｚのカンチレバーが用いられる。
【００１０】
なお、コンタクトモードＡＦＭ測定法は、探針を試料に一定の接触圧で押し付けながら、試料の凹凸情報を測定するコンスタントフォースモードＡＦＭ測定法と、探針の走査面を一定に維持した状態において、試料の凹凸状態に対応して試料に対する探針の接触圧の変化に基づいて、試料の凹凸情報を測定するコンスタントハイトモードＡＦＭ測定法とに大別される。
【００１１】
このようなコンタクトモードＡＦＭ測定法では、探針や試料の損傷を防止する観点から、試料に対する探針の接触圧を如何に小さくするかが重要であり、バネ定数の小さなカンチレバーを用いることが求められる。
【００１２】
一方、ダイナミックモードＡＦＭ測定法には、大きな機械的Ｑ値を有するカンチレバーを用いることが必要である。具体的には、この測定法に用いられるカンチレバーは、コンタクトモードＡＦＭ測定法のカンチレバーと比べて、バネ定数（２〜５０Ｎ／ｍ）が大きく且つ共振周波数（７０〜３００ｋＨｚ）が高くなっている。なお、ＵＳＰ５０５１３７９に示されているように、このような測定法には、通常、単結晶シリコンで形成された探針及びカンチレバーが用いられている。
【００１３】
上述したようなＡＦＭ測定法によれば、絶縁材料から成る試料の測定だけで無く、液体中の試料を測定することもできる。このため、生物試料を生きた状態或いはそれに近い状態で測定することが可能であり、走査型電子顕微鏡に代わる新たな測定及び観察装置として期待されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡＦＭ測定には、ある程度の時間を必要とするため、動かない試料（例えば、金属、非金属の絶縁対試料、加工された生物試料など）を測定することがほとんどであった。しかし、現在、生物試料を生きた状態で測定したいというニーズが高まりつつある。即ち、測定中に動いたり、変化したりするような不安定な試料（例えば、液体中の生物試料）を測定したいという要求である。この要求に応えるため、測定時間を短縮することが課題となっている。
【００１５】
一般的に、コンタクトモードＡＦＭ測定法を用いれば、ダイナミックモードＡＦＭ測定法と比較して、測定に要する時間の短縮化を図ることが可能であるが、数秒以下の短時間に動いたり、反応したりする生きた生物試料を測定するには、コンタクトモードＡＦＭ測定法であっても時間が掛かり過ぎるといった問題がある。
【００１６】
従来、ＡＦＭ測定に要する時間を長引かせる１つの要因として、カンチレバーが、ある一定以上の長さ及び厚さを有することに起因する機械的共振周波数特性が考えられる。ここで、カンチレバーの共振周波数特性は、長さ寸法の２乗に反比例し且つ厚さ寸法に比例して変化する。
【００１７】
前述のコンタクトモードＡＦＭ測定法では、カンチレバー先端に形成された探針の先端と試料とを接触させた状態で、両者を相対的に走査する。このため、探針は、試料の凹凸を追従するように変位し、このとき得られるカンチレバーの変位は、試料の凹凸を反映する。
【００１８】
試料の凹凸情報（空間周波数情報）はＡＦＭ装置により時間軸上の情報に変換される。測定時間を短縮するために走査速度を上げると、単位時間当たりに通過する試料の凹凸が増加し、この時間軸上の周波数は、高周波数側にシフトする。そして、この周波数がカンチレバーの共振周波数に近づくと、カンチレバーは、試料の凹凸に追従せず、発振してしまう。
【００１９】
つまり、同程度の周波数のカンチレバーを使用したのでは、カンチレバーが試料の凹凸に追従できなくなり、時にはその機械的共振周波数で振動してしまうのである。
【００２０】
従って、測定時間を短縮し、安定したＡＦＭ測定を行うには、走査速度に伴い高周波数側にシフトする周波数より充分高い機械的共振周波数を示すカンチレバーを使用する必要がある。言い換えれば、コンタクトモードＡＦＭ用のカンチレバーの機械的共振周波数を高く設定すれば、振動ノイズに強く、高速の走査が可能となる。
【００２１】
そこで、前述の通り、カンチレバーの共振周波数は、カンチレバーの長さの２乗に反比例するので、カンチレバーを短くすれば、カンチレバーの共振周波数は高く設定できる。
【００２２】
しかし、カンチレバーを短くすると、カンチレバーのバネ定数が長さの３乗に比例して大きく（硬く）なるため、探針が試料の凹凸に追従したとしても、カンチレバーの大きな変位量が期待できず、正確な試料の凹凸を検出することが困難になる。
【００２３】
よって、バネ定数が大きくなるのを抑えながら、共振周波数を高く設定するには、短くて薄いカンチレバーとすることが有効である。
しかしながら、カンチレバーの長さ寸法を短くすると、以下のような問題が生じる。
【００２４】
即ち、カンチレバー作製用装置のばらつき精度の影響を受けることによって、作製後のカンチレバーの長さ寸法のばらつきに基づいて、共振周波数やバネ定数のばらつきの度合が大きくなってしまう。
【００２５】
例えば上述した文献１に開示された窒化シリコン製カンチレバーは、その支持部にパイレックスガラスが用いられており、このパイレックスガラスは、陽極接合によって、カンチレバーの基端に接合されている。
【００２６】
このようなカンチレバー作製方法において、陽極接合時のアライメント精度がカンチレバーの長さ寸法のばらつきに影響を与える。なお、このアライメント精度は、約５〜１０μｍ程度である。
【００２７】
更に、パイレックスガラスは、ダイシングソーという円盤状砥石によって加工されるため、ガラスのチッピングがカンチレバーの長さ寸法のばらつきに影響を与える。なお、ガラスのチッピングは、ガラスを機械加工した際に、機械的ストレスが生じるためガラスが欠ける現象を言う。従って、例えば長さ寸法が５０μｍ以下のカンチレバーを作製する場合、共振周波数は、最大で約５倍程度、そして、バネ定数は、最大で約１０倍程度のばらつきが生じてしまうため、歩留まり良くカンチレバーを作製することが困難であった。
【００２８】
また、上述したＡＦＭには、カンチレバーの変位を光学的に測定する光てこ方式の変位センサが設けられている。一般に、光てこ方式の変位センサのセンサー光のスポット径は、３０μｍ程度である。このため、カンチレバーの背面（探針が形成された面とは反対側の面）は、上記スポット径のセンサー光が照射可能な寸法を有していることが必要となる。
【００２９】
更に、精度良くＡＦＭ測定を行うためには、例えば光路のけられ等の光学的影響を受けること無く、カンチレバーの背面にセンサー光を円滑且つ確実に照射させる必要がある。
【００３０】
しかしながら、一般的なＡＦＭにおいて、カンチレバー２は、試料４の表面４ａに対して所定の傾斜角度θ（例えば、約５°〜１５°程度の傾斜角度）で位置決めされている（図４（ａ）参照）。
【００３１】
このため、図４（ａ）に示すように、例えば上述した文献１に開示された窒化シリコン製カンチレバー２をＡＦＭに位置決め配置すると、支持部を成すパイレックスガラス６の端面６ａが、カンチレバー２から垂直に立ち上がった状態となる。このため、端面６ａの高さ寸法が大きい場合、その端面６ａの角部６ｂによってセンサー光Ｒ１の一部がけられてしまう場合があり、この場合には、カンチレバー２の背面にセンサー光Ｒ１を円滑且つ確実に照射させることができなくなってしまう。
【００３２】
この場合、ＡＦＭ測定中において、半導体レーザ８から集光レンズ１０を介して射出されたセンサー光Ｒ１は、角部６ｂによって、その一部がけられた状態でカンチレバー２の背面に照射される。このとき、カンチレバー２の背面から反射した反射光Ｒ２は、上記のけられの光学的影響を受けることによって、その光量が不規則に変化する。この結果、フォトディテクタ１２によって検出される反射光Ｒ２の光強度が不規則に変化するため、ＡＦＭ測定精度が低下してしまう。
【００３３】
このような弊害を解消するために、カンチレバー２の基端近傍に位置するパイレックスガラス６の端面６ａの高さ寸法を低くするように、パイレックスガラス６に機械加工を施すと、前述の機械的ストレスによるガラスのチッピング現象でカンチレバー２の基端近傍に位置するパイレックスガラス６が折れ易くなり、歩留まりが低下してしまうといった新たな問題が生じる。
【００３４】
更に、一般的なＡＦＭにおいて、カンチレバーチップ１４は、カンチレバー２の自由端に設けられた探針のみが試料４の表面４ａに接触するように取り付けられている。
【００３５】
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、カンチレバーチップ１４が、カンチレバー２の長手軸を中心に所定角度だけ傾斜（回転）した際に、支持部を成すパイレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、試料４の表面４ａに接触する場合がある。特に、カンチレバーチップ１４の取付角度を小さくした場合（カンチレバー２が試料４の表面４ａと略平行になる場合）や支持部を成すパイレックスガラス６の寸法を変化させること無く、カンチレバー２の長さ寸法を短くした場合、パイレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、試料４の表面４ａに接触する可能性が高くなる。この場合、ＡＦＭ測定が困難或いは不可能になってしまう。
【００３６】
このような弊害を解消するために、支持部を成すパイレックスガラス６の幅寸法を小さくすることも考えられるが、カンチレバーチップ１４をＡＦＭに取り付けるためには、支持部の幅寸法を一定値以下にすることはできない。現行のＡＦＭ技術において、支持部の幅寸法は、約１．５ｍｍ以下に小さくすることができない。
【００３７】
本発明は、このような課題を解決するために成されており、その目的は、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有するカンチレバーチップを提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のカンチレバーチップは、第１の支持部と、この第１の支持部から延出したカンチレバーと、前記第１の支持部を支持する第２の支持部と、を備えており、前記第１の支持部の幅寸法は前記第２の支持部の幅寸法よりも小さくなっていて、前記第１の支持部は、前記カンチレバーの基端を支持すると共に、前記カンチレバーの長さ寸法を規定するための基準面を有し、前記基準面は前記カンチレバーの長手軸に対して垂直方向に延出しており、前記第２の支持部は、前記第１の支持部の前記基準面に対して所定の傾斜角度で傾斜した側周面を有する、ことを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係るカンチレバーチップについて、添付図面を参照して説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、本実施の形態のカンチレバーチップ１６は、支持部１８と、この支持部１８から延出したカンチレバー２０と、このカンチレバー２０の延出端即ち自由端に形成された探針２２とを備えて構成されている。
【００４０】
本実施の形態に適用したカンチレバー２０は、略三角形状を成しており、窒化シリコンから構成されている。
本実施の形態において、このカンチレバー２０は、その一例として、その長手軸方向に沿った長さ寸法Ｌ即ち基端から自由端までの長さ寸法Ｌが略５０μｍ、基端の幅寸法Ｗが略５０μｍ、厚さ寸法Ｔが略０．２μｍに設定されている（図１（ｂ），（ｃ）参照）。
【００４１】
本実施の形態に適用した探針２２は、略四角錐形状（ピラミッド形状）を成しており、窒化シリコンから構成されている。
本実施の形態において、この探針２２は、その一例として、その高さ寸法Ｈが略３μｍに設定されている（図１（ｂ）参照）。なお、この探針２２は、後述するカンチレバーチップの作製プロセスにおいて、カンチレバー２０の表面（支持部１８に当接した面とは反対側の面）に形成される。従って、以下の説明において、カンチレバー２０の背面とは、探針２２が形成された面（表面）とは反対側の面を言うこととする。
【００４２】
支持部１８は、単結晶シリコンから成る第１の支持部２４及び第２の支持部２６で構成されている。また、これら第１及び第２の支持部２４，２６は、異なる形状をしているが、後述するプロセスを用いて、同一単結晶シリコン基板から成形されている。
【００４３】
第１の支持部２４は、直方体形状を成しており、カンチレバー２０の基端部を支持すると共に、カンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定するための基準面２４ａが形成されている。また、第２の支持部２６には、所定の傾斜角度で傾斜した側周面２６ａが形成されている。
【００４４】
本実施の形態において、第１の支持部２４は、その一例として、長さ寸法Ｄ１が略３．７ｍｍ、幅寸法Ｄ２が略０．５ｍｍ、厚さ寸法Ｄ３が略０．０２ｍｍに設定されている（図１（ａ），（ｂ）参照）。
【００４５】
この第１の支持部２４の基準面２４ａは、カンチレバー２０の長手軸に対して垂直方向に延出しており、後述する作製プロセスにおいて、カンチレバー２０の長さ寸法Ｌのばらつきを最小限に抑えるための機能を有している。
【００４６】
また、後述する作製プロセスによって形成される複数のカンチレバーチップ１６を１枚のウェハ（図示しない）に保持させるために、第１の支持部２４の両側には、夫々、保持部２８が一体的に突設されている。このため、所望のカンチレバーチップ１６をウェハから取り出す場合、カンチレバーチップ１６を把持しながら引っ張る（又は、捻る）等の作業を行って保持部２８を切断することによって、所望のカンチレバーチップ１６を安全（カンチレバーチップ１６を損傷させること無く）且つ簡単に取り出すことができる。なお、本実施の形態に適用した保持部２８は、夫々、単結晶シリコンから構成されており、その一例として、幅寸法Ｆ１が略０．１ｍｍ、厚さ寸法Ｆ２が略０．０２ｍｍに設定されている（図１（ｃ）参照）。
【００４７】
本実施の形態に適用した第２の支持部２６は、第１の支持部２４側に第１面２６ｂ（図１（ｃ）参照）を有し、また、この第１面２６ｂに対向して第２面２６ｃ（図１（ａ）参照）を有している。また、この第２面２６ｃは、カンチレバーチップ１６を所定のＡＦＭ装置（図示しない）に取り付けるための取付面として機能する。
【００４８】
第２面２６ｃの寸法は、第１面２６ｂの寸法よりも縮小されており、第１面２６ｂと第２面２６ｃとの間に形成された側周面２６ａは、第１の支持部２４の基準面２４ａに対して所定の傾斜角度を成して傾斜している。
【００４９】
なお、本実施の形態に適用した第２の支持部２６の第１面２６ｂの寸法は、その一例として、長さ寸法Ｓ１が略３．６５ｍｍ、幅寸法Ｓ２が略１．６ｍｍ、厚さ寸法Ｓ３が略０．５ｍｍに設定されている（図１（ａ），（ｂ）参照）。
【００５０】
このように本実施の形態のカンチレバーチップ１６によれば、第１の支持部２４の厚さ寸法Ｄ３を略０．０２ｍｍと薄くし、且つ、第２の支持部２６の側周面２６ａを傾斜させたことによって、カンチレバー２０の背面上方の空間を広げることができる。この結果、カンチレバーチップ１６をＡＦＭ装置に取り付けてＡＦＭ測定を行う場合、図４（ａ）に示されたようなけられ等の光学的影響を受けること無く、センサー光Ｒ１を円滑且つ確実にカンチレバー２０の背面に照射させることが可能となる。従って、従来技術に比べてＡＦＭ測定精度を向上させることが可能となる。
【００５１】
更に、本実施の形態のカンチレバーチップ１６によれば、第２の支持部２６の幅寸法Ｓ２よりも第１の支持部２４の幅寸法Ｄ２を小さくしたことによって、支持部１８の両端（両肩）に空所（逃げ部）３０を形成することができる。この結果、ＡＦＭ測定中、カンチレバーチップ１６が、カンチレバー２０の長手軸を中心に所定角度だけ傾斜（回転）した場合でも、空所（逃げ部）３０によって、支持部１８の両端（両肩）の一方が試料４の表面４ａに接触すること（図４（ｂ）参照）を防止することが可能となる。また、第２の支持部２６は、ＡＦＭ装置にカンチレバーチップ１６を取り付けるための幅寸法を確保している。なお、この効果は、特に、長さ寸法Ｌの短いカンチレバー２０を用いてＡＦＭ測定を行う場合に非常に有効である。
【００５２】
次に、上述したような構成を有するカンチレバーチップ１６の作製プロセスについて、図２を参照して説明する。
本実施の形態の作製プロセスでは、その一例として、２枚のシリコンウェハ即ち第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４（図２（ａ），（ｄ）参照）をスタートウェハとして用いており、これら第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４によってカンチレバーチップ１６を作製する。
【００５３】
まず、図２（ａ）に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ法（低圧化学蒸着法）によって第１のシリコンウェハ３２の表裏面に窒化シリコン膜３６，３８（膜厚３００ｎｍ）を形成した後、フォトリソグラフィ法によって表面に形成された窒化シリコン膜３６に四角形状の開口３６ａを形成する。続いて、この窒化シリコン膜３６をマスクとして用いながら、開口３６ａを介して露出している第１のシリコンウェハ３２に対して水酸化カリウム水溶液によって湿式異方性エッチングを施す。そして、第１のシリコンウェハ３２に倒立略四角錐形状（倒立ピラミッド形状）の凹部３２ａを形成する（第１のステップ）。
【００５４】
このとき用いられる第１のシリコンウェハ３２の面方位は、（１００）であって、湿式異方性エッチングにより露出する第１のシリコンウェハ３２の面に傾斜する凹部３２ａの４つの面の面方位は、（１１１）である。
【００５５】
次に、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、マスクとして用いた窒化シリコン膜３６を除去した後、再びＬＰ−ＣＶＤ法によって第１のシリコンウェハ３２の表面に窒化シリコン膜４０（膜厚２００ｎｍ）を形成した後、フォトリソグラフィ法によって窒化シリコン膜４０をカンチレバー形状（図１に示されたカンチレバー２０と同一形状）にパターニングする（第２のステップ）。このとき、第１のステップで形成した凹部３２ａにも、窒化シリコン膜４０が形成され、後述するステップを経て探針部となる。なお、同図（ｂ）は、同図（ｃ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【００５６】
続いて、図２（ｄ），（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて第２のシリコンウェハ３４の表面の一部を除去することによって、所定の深さを有する掘り下げ部３４ａを形成する。具体的には、第２のシリコンウェハ３４の掘り下げ部３４ａを除く部分にマスク（例えば、窒化シリコン膜）を形成し、ドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））によって第２のシリコンウェハ３４の表面の一部を掘り下げる。なお、このときのマスク形状に基づいて、第１の支持部２４及び保持部２８の形状が決定される。この後、マスクを除去し、第２のシリコンウェハ３４の表面に酸化シリコン膜４２を形成すると共に、第２のシリコンウェハ３４の裏面に窒化シリコン膜４４を形成する。そして、裏面に形成された窒化シリコン膜４４を所定形状（後述する作製プロセスでマスクとなるような形状）にパターニングする（第３のステップ）。なお、同図（ｄ）は、同図（ｅ）のｄ−ｄ線に沿う断面図である。
【００５７】
次に、図２（ｆ）に示すように、陽極接合法によって、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２のシリコンウェハ３４の表面を貼り合わせる。具体的には、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２のシリコンウェハ３４の表面を重ねた後、加熱しながら第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４に電圧を印加する。この結果、静電引力作用と熱作用によって、カンチレバー形状の窒化シリコン膜４０と酸化シリコン膜４２とが接合される（第４のステップ）。
【００５８】
続いて、図２（ｇ）に示すように、第１のシリコンウェハ３２の裏面に残留している窒化シリコン膜３８を除去した後、この第１のシリコンウェハ３２を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去すると共に、窒化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシリコンウェハ３４の一部を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去する（第５のステップ）。
【００５９】
最後に、図２（ｈ）に示すように、残留している酸化シリコン膜４２をフッ酸でエッチング除去する（第６のステップ）。この結果、図１に示された本実施の形態のカンチレバーチップ１６が作製される。なお、同図（ｈ）では、図１に示されたカンチレバーチップ１６と同一の構成に対応させて符号を付した。
【００６０】
また、同図（ｈ）で示した酸化シリコン膜４２は、作製プロセスで示したが、図１には図示していない。
更に、同図（ｇ），（ｈ）は、同図（ａ），（ｂ），（ｄ）に習いカンチレバー２０を断面図にしたものであり、基準面２４ａを有する第１の支持部２４と側周面２６ａを有する第２の支持部２６とを支持部１８として一体に示している。
【００６１】
また、特に図示しないが、第６のステップ終了後、カンチレバー２０の背面に例えば図４（ａ）に示したセンサー光Ｒ１を反射するための金属等の光反射膜を蒸着させても良い。
【００６２】
このような作製プロセスによれば、第５及び第６のステップを介して第１の支持部２４の基準面２４ａを高精度に（即ち、位置ずれすること無く正確に）形成することができる。この結果、設計通りの長さ寸法Ｌ（図１（ｂ）参照）を有するカンチレバー２０を作製することが可能となる。即ち、共振周波数が高くなるように長さ寸法Ｌを短くする場合でも、基準面２４ａを正確に位置決め形成することができるため、長さ寸法Ｌ（共振周波数）のばらつき度合を縮減させることが可能となる。
【００６３】
このような効果は、第３のステップ（図２（ｄ），（ｅ）参照）において、第１のシリコンウェハ３４に掘り下げ部３４ａを形成したことが要因となる。
ここで、例えば掘り下げ部３４ａを形成すること無く、図２（ｆ）に示すように第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４を接合し（第４のステップ）、図２（ｇ），（ｈ）に示すような湿式異方性エッチングを進める（以下、参考用作製プロセスという）と、エッチングレートのばらつきによって正確にカンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定できなくなってしまう。
【００６４】
具体的には、図３（ａ）に示すように、窒化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシリコンウェハ３４を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去すると、エッチングレートのばらつきによって、第２のシリコンウェハ３４のエッチング面３４ｂ（カンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定する基準面）は、符号Ｐで示すように、カンチレバー２０の長手軸方向に沿って前後する。
【００６５】
そして、この現象は、使用するシリコンウェハの厚さ寸法Ｓ３（図１（ｂ）参照）のばらつき度合によっても生じる。通常、シリコンウェハの厚さ寸法Ｓ３のばらつき度合は、０．０１〜０．０２ｍｍ程度である。従って、上記の参考用作製プロセスを行った場合、基準面のずれ量に対応して長さ寸法Ｌのばらつき度合が大きくなり過ぎる。このため、使用に適した長さ寸法Ｌを有するカンチレバー２０を作製することができなくなってしまう。
【００６６】
しかしながら、本実施の形態に適用した作製プロセスによれば、第１の支持部２４の基準面２４ａ（図１参照）となるべき第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃは、酸化シリコン膜４２によって最終プロセス（第６のステップ）まで保護される。即ち、第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃは、その形成位置が変動すること無く、一定位置に正確に形成される。この結果、基準面２４ａを正確に位置決め形成することができるため、長さ寸法Ｌ（共振周波数）のばらつき度合を縮減させることができる。
【００６７】
更に、第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃ即ち基準面２４ａをカンチレバー２０の長手軸に対して垂直方向に形成することができるため、第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４を接合する行程（第４のステップ）において、基準面２４ａに対するカンチレバー２０のアライメント精度を高くすることが可能となる。そして、このような高いアライメント精度の実現によって、１つのウェハに複数のカンチレバーチップ１６を作製する際の歩留まりを向上させることが可能となる。
【００６８】
このように本実施の形態の作製プロセスによれば、ばらつきの無い長さ寸法Ｌの短いカンチレバー２０を形成できる効果に加えて、ＬＰ−ＣＶＤ法によって厚さ寸法Ｔ（図１（ｂ）参照）の薄い窒化シリコン膜４０（膜厚２００ｎｍ）即ちカンチレバー２０を形成することができる。この結果、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチレバーチップ１６を提供することができるため、従来の技術と比較して走査速度を上げてもカンチレバーが発振せず、ＡＦＭ測定時間を短縮することが可能となる。
【００６９】
また更に、本実施の形態の作製プロセスによれば、図２（ｇ），（ｈ）に示された第５及び第６のステップにおいて、第２のシリコンウェハ３４の一部に湿式異方性エッチング処理を施すことによって、図３（ｂ）に示すように、第２の支持部２６の側周面２６ａ（即ち、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａ）を滑らかにテーパを施すことができると同時に、支持部１８に必要な強度を確保しつつ第１の支持部２４を歩留まり良く形成することができる。
【００７０】
この場合、図３（ｃ）に示すように、例えばガラス製の支持部１８に対してダイシングソー加工法（従来技術の加工法）を施し、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａに階段状の傾斜を付けることによって、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａに沿ったテーパを施すことも想定できる。しかしながら、この従来技術の加工法では、加工時間が長くなると共に加工プロセスが複雑化するだけでなく、更に、厚さ寸法Ｄ３（図１（ｂ）参照）が０．０２ｍｍ程度の第１の支持部２４に機械的なストレスが加えられてしまう。このため、ガラスのチッピング現象等の問題が発生し、歩留まりを高めることができない。
【００７１】
これに対して本実施の形態に適用した作製プロセスによれば、支持部１８をシリコンで形成したことによって、第１の支持部２４に対する機械的なストレスを加えること無く、所望の形状に支持部１８を短時間且つ簡単に加工することができる。
【００７２】
このように上記作製プロセスを適用した本実施の形態によれば、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチレバーチップ１６を提供することが可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有するカンチレバーチップを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーチップの構成を示す図であって、同図（ａ）は、支持部の側から見たカンチレバーチップの斜視図、同図（ｂ）は、カンチレバーチップの側面図、同図（ｃ）は、カンチレバーの側から見たカンチレバーチップの斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｈ）は、カンチレバーチップの作製プロセスを示す図。
【図３】（ａ）は、作製プロセスにおいて、第３のシリコンウェハに対するエッチングレートのばらつき状態を示す図、（ｂ）は、カンチレバー近傍の構成を拡大して示す図、（ｃ）は、従来技術の加工法によって形成した支持部の構成を概略的に示す図。
【図４】（ａ）は、ＡＦＭ測定中において、カンチレバーの背面に照射されるセンサー光が、けられの光学的影響を受けている状態を示す図、（ｂ）は、ＡＦＭ測定中において、カンチレバーチップの支持部の両端（両肩）の一方が、試料表面に接触してしまった状態を示す図。
【符号の説明】
１６ カンチレバーチップ
１８ 支持部
２０ カンチレバー
２２ 探針
２４ 第１の支持部
２４ａ 基準面
２６ 第２の支持部
２６ａ 側周面
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、走査型プローブ顕微鏡によって試料の表面情報を測定する際に、そのチップ先端と試料表面との間の相互作用（原子間力、分子間力、磁気力、摩擦力、粘性力、弾性力等）を検出するために用いられるカンチレバーチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種のカンチレバーチップを用いた装置例えば走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）が知られており、特にＳＰＭの一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー(Rohrer)等によって、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope ）が発明されている。しかし、ＳＴＭでは、観察できる試料が導電性の試料に限られている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観察できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）が提案されている（特開昭６２−１３０３０２号公報参照）。
【０００３】
なお、本明細書中において、カンチレバーチップとは、自由端が変位自在なカンチレバーと、このカンチレバーの自由端に形成された探針と、カンチレバーの基端を支持する支持部とから構成されたものとする。
【０００４】
ＡＦＭ構造は、ＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられており、自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレバーと、探針と試料とを相対的に移動させるスキャナとを備えている。
【０００５】
このような構成において、探針を試料に対向して近接させると、探針先端の原子と試料表面の原子との間に働く相互作用（原子間力）によって、カンチレバーの自由端が変位する。そして、この自由端に生じる変位量を電気的あるいは光学的に検出しながら、探針を試料表面に沿ってＸＹ方向に相対的に走査することによって、試料の表面情報等（例えば、凹凸情報）が三次元的に測定される。
【０００６】
また、ＡＦＭに用いられるカンチレバーは、アルブレヒト(Albrecht)等が半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製したＳｉＯ2 （二酸化シリコン）製カンチレバーを提案して以来、この半導体ＩＣ製造プロセスによって作製したカンチレバーが主流となっている（Thomas R.Albrecht,Calvin F.Quate:Atomic resolution Imaging of a nonconductor by Atomic force Microscopy J.Appl.Phys,62(1987)2599）。なお、半導体ＩＣ製造プロセスを用いた作製法の利点の１つは、マイクロメータ（μｍ）オーダーの精度で且つ極めて再現性の良いカンチレバーを作製できる点であり、他の利点は、バッチプロセス法を用いることによって、低コストで且つ優れたカンチレバーを作製できる点である。
【０００７】
更に、アルブレヒト等は、二酸化シリコンの代わりに窒化シリコンを探針並びにカンチレバーの構成材料として使用した窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）製カンチレバーを提案している（「J.Vac.Sci.Technol.A8(4)3386 1990:T.Albrecht, S.Akamine,T.E.Caver and C.F.Quate 」以下、文献１という）。この文献１の窒化シリコン製カンチレバーの寸法は、長さ約１００〜２００μｍ、厚さ約０．４〜０．８μｍであり、その形状は、例えば中抜き三角形や長方形である。また、その機械的特性として、バネ定数は、０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度であり、共振周波数は、２０〜９０ｋＨｚ程度である。
【０００８】
このようなカンチレバーを用いたＡＦＭの測定法（ＡＦＭ測定法）としては、探針接触圧設定時のカンチレバーの撓み状態を一定に維持するように、カンチレバーを励振させること無く、探針を試料に沿って走査するスタティックモードＡＦＭ測定法と、所定の共振周波数でカンチレバーを励振させた状態において、振動中心と試料表面との間の距離を一定に維持するように、探針を試料に沿って走査するダイナミックモードＡＦＭ測定法とが知られている。
【０００９】
スタティックモードＡＦＭ測定法は、探針先端を試料に接触させながら走査するコンタクトモードＡＦＭ測定法と、探針先端を試料に接触させること無く走査するノンコンタクトモードＡＦＭ測定法とに大別され、特に、コンタクトモードＡＦＭ測定法には、バネ定数が１Ｎ／ｍ以下（０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度）で共振周波数が１０〜９０ｋＨｚのカンチレバーが用いられる。
【００１０】
なお、コンタクトモードＡＦＭ測定法は、探針を試料に一定の接触圧で押し付けながら、試料の凹凸情報を測定するコンスタントフォースモードＡＦＭ測定法と、探針の走査面を一定に維持した状態において、試料の凹凸状態に対応して試料に対する探針の接触圧の変化に基づいて、試料の凹凸情報を測定するコンスタントハイトモードＡＦＭ測定法とに大別される。
【００１１】
このようなコンタクトモードＡＦＭ測定法では、探針や試料の損傷を防止する観点から、試料に対する探針の接触圧を如何に小さくするかが重要であり、バネ定数の小さなカンチレバーを用いることが求められる。
【００１２】
一方、ダイナミックモードＡＦＭ測定法には、大きな機械的Ｑ値を有するカンチレバーを用いることが必要である。具体的には、この測定法に用いられるカンチレバーは、コンタクトモードＡＦＭ測定法のカンチレバーと比べて、バネ定数（２〜５０Ｎ／ｍ）が大きく且つ共振周波数（７０〜３００ｋＨｚ）が高くなっている。なお、ＵＳＰ５０５１３７９に示されているように、このような測定法には、通常、単結晶シリコンで形成された探針及びカンチレバーが用いられている。
【００１３】
上述したようなＡＦＭ測定法によれば、絶縁材料から成る試料の測定だけで無く、液体中の試料を測定することもできる。このため、生物試料を生きた状態或いはそれに近い状態で測定することが可能であり、走査型電子顕微鏡に代わる新たな測定及び観察装置として期待されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＡＦＭ測定には、ある程度の時間を必要とするため、動かない試料（例えば、金属、非金属の絶縁対試料、加工された生物試料など）を測定することがほとんどであった。しかし、現在、生物試料を生きた状態で測定したいというニーズが高まりつつある。即ち、測定中に動いたり、変化したりするような不安定な試料（例えば、液体中の生物試料）を測定したいという要求である。この要求に応えるため、測定時間を短縮することが課題となっている。
【００１５】
一般的に、コンタクトモードＡＦＭ測定法を用いれば、ダイナミックモードＡＦＭ測定法と比較して、測定に要する時間の短縮化を図ることが可能であるが、数秒以下の短時間に動いたり、反応したりする生きた生物試料を測定するには、コンタクトモードＡＦＭ測定法であっても時間が掛かり過ぎるといった問題がある。
【００１６】
従来、ＡＦＭ測定に要する時間を長引かせる１つの要因として、カンチレバーが、ある一定以上の長さ及び厚さを有することに起因する機械的共振周波数特性が考えられる。ここで、カンチレバーの共振周波数特性は、長さ寸法の２乗に反比例し且つ厚さ寸法に比例して変化する。
【００１７】
前述のコンタクトモードＡＦＭ測定法では、カンチレバー先端に形成された探針の先端と試料とを接触させた状態で、両者を相対的に走査する。このため、探針は、試料の凹凸を追従するように変位し、このとき得られるカンチレバーの変位は、試料の凹凸を反映する。
【００１８】
試料の凹凸情報（空間周波数情報）はＡＦＭ装置により時間軸上の情報に変換される。測定時間を短縮するために走査速度を上げると、単位時間当たりに通過する試料の凹凸が増加し、この時間軸上の周波数は、高周波数側にシフトする。そして、この周波数がカンチレバーの共振周波数に近づくと、カンチレバーは、試料の凹凸に追従せず、発振してしまう。
【００１９】
つまり、同程度の周波数のカンチレバーを使用したのでは、カンチレバーが試料の凹凸に追従できなくなり、時にはその機械的共振周波数で振動してしまうのである。
【００２０】
従って、測定時間を短縮し、安定したＡＦＭ測定を行うには、走査速度に伴い高周波数側にシフトする周波数より充分高い機械的共振周波数を示すカンチレバーを使用する必要がある。言い換えれば、コンタクトモードＡＦＭ用のカンチレバーの機械的共振周波数を高く設定すれば、振動ノイズに強く、高速の走査が可能となる。
【００２１】
そこで、前述の通り、カンチレバーの共振周波数は、カンチレバーの長さの２乗に反比例するので、カンチレバーを短くすれば、カンチレバーの共振周波数は高く設定できる。
【００２２】
しかし、カンチレバーを短くすると、カンチレバーのバネ定数が長さの３乗に比例して大きく（硬く）なるため、探針が試料の凹凸に追従したとしても、カンチレバーの大きな変位量が期待できず、正確な試料の凹凸を検出することが困難になる。
【００２３】
よって、バネ定数が大きくなるのを抑えながら、共振周波数を高く設定するには、短くて薄いカンチレバーとすることが有効である。
しかしながら、カンチレバーの長さ寸法を短くすると、以下のような問題が生じる。
【００２４】
即ち、カンチレバー作製用装置のばらつき精度の影響を受けることによって、作製後のカンチレバーの長さ寸法のばらつきに基づいて、共振周波数やバネ定数のばらつきの度合が大きくなってしまう。
【００２５】
例えば上述した文献１に開示された窒化シリコン製カンチレバーは、その支持部にパイレックスガラスが用いられており、このパイレックスガラスは、陽極接合によって、カンチレバーの基端に接合されている。
【００２６】
このようなカンチレバー作製方法において、陽極接合時のアライメント精度がカンチレバーの長さ寸法のばらつきに影響を与える。なお、このアライメント精度は、約５〜１０μｍ程度である。
【００２７】
更に、パイレックスガラスは、ダイシングソーという円盤状砥石によって加工されるため、ガラスのチッピングがカンチレバーの長さ寸法のばらつきに影響を与える。なお、ガラスのチッピングは、ガラスを機械加工した際に、機械的ストレスが生じるためガラスが欠ける現象を言う。従って、例えば長さ寸法が５０μｍ以下のカンチレバーを作製する場合、共振周波数は、最大で約５倍程度、そして、バネ定数は、最大で約１０倍程度のばらつきが生じてしまうため、歩留まり良くカンチレバーを作製することが困難であった。
【００２８】
また、上述したＡＦＭには、カンチレバーの変位を光学的に測定する光てこ方式の変位センサが設けられている。一般に、光てこ方式の変位センサのセンサー光のスポット径は、３０μｍ程度である。このため、カンチレバーの背面（探針が形成された面とは反対側の面）は、上記スポット径のセンサー光が照射可能な寸法を有していることが必要となる。
【００２９】
更に、精度良くＡＦＭ測定を行うためには、例えば光路のけられ等の光学的影響を受けること無く、カンチレバーの背面にセンサー光を円滑且つ確実に照射させる必要がある。
【００３０】
しかしながら、一般的なＡＦＭにおいて、カンチレバー２は、試料４の表面４ａに対して所定の傾斜角度θ（例えば、約５°〜１５°程度の傾斜角度）で位置決めされている（図４（ａ）参照）。
【００３１】
このため、図４（ａ）に示すように、例えば上述した文献１に開示された窒化シリコン製カンチレバー２をＡＦＭに位置決め配置すると、支持部を成すパイレックスガラス６の端面６ａが、カンチレバー２から垂直に立ち上がった状態となる。このため、端面６ａの高さ寸法が大きい場合、その端面６ａの角部６ｂによってセンサー光Ｒ１の一部がけられてしまう場合があり、この場合には、カンチレバー２の背面にセンサー光Ｒ１を円滑且つ確実に照射させることができなくなってしまう。
【００３２】
この場合、ＡＦＭ測定中において、半導体レーザ８から集光レンズ１０を介して射出されたセンサー光Ｒ１は、角部６ｂによって、その一部がけられた状態でカンチレバー２の背面に照射される。このとき、カンチレバー２の背面から反射した反射光Ｒ２は、上記のけられの光学的影響を受けることによって、その光量が不規則に変化する。この結果、フォトディテクタ１２によって検出される反射光Ｒ２の光強度が不規則に変化するため、ＡＦＭ測定精度が低下してしまう。
【００３３】
このような弊害を解消するために、カンチレバー２の基端近傍に位置するパイレックスガラス６の端面６ａの高さ寸法を低くするように、パイレックスガラス６に機械加工を施すと、前述の機械的ストレスによるガラスのチッピング現象でカンチレバー２の基端近傍に位置するパイレックスガラス６が折れ易くなり、歩留まりが低下してしまうといった新たな問題が生じる。
【００３４】
更に、一般的なＡＦＭにおいて、カンチレバーチップ１４は、カンチレバー２の自由端に設けられた探針のみが試料４の表面４ａに接触するように取り付けられている。
【００３５】
しかしながら、図４（ｂ）に示すように、カンチレバーチップ１４が、カンチレバー２の長手軸を中心に所定角度だけ傾斜（回転）した際に、支持部を成すパイレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、試料４の表面４ａに接触する場合がある。特に、カンチレバーチップ１４の取付角度を小さくした場合（カンチレバー２が試料４の表面４ａと略平行になる場合）や支持部を成すパイレックスガラス６の寸法を変化させること無く、カンチレバー２の長さ寸法を短くした場合、パイレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、試料４の表面４ａに接触する可能性が高くなる。この場合、ＡＦＭ測定が困難或いは不可能になってしまう。
【００３６】
このような弊害を解消するために、支持部を成すパイレックスガラス６の幅寸法を小さくすることも考えられるが、カンチレバーチップ１４をＡＦＭに取り付けるためには、支持部の幅寸法を一定値以下にすることはできない。現行のＡＦＭ技術において、支持部の幅寸法は、約１．５ｍｍ以下に小さくすることができない。
【００３７】
本発明は、このような課題を解決するために成されており、その目的は、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有するカンチレバーチップを提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明のカンチレバーチップは、第１の支持部と、この第１の支持部から延出したカンチレバーと、前記第１の支持部を支持する第２の支持部と、を備えており、前記第１の支持部の幅寸法は前記第２の支持部の幅寸法よりも小さくなっていて、前記第１の支持部は、前記カンチレバーの基端を支持すると共に、前記カンチレバーの長さ寸法を規定するための基準面を有し、前記基準面は前記カンチレバーの長手軸に対して垂直方向に延出しており、前記第２の支持部は、前記第１の支持部の前記基準面に対して所定の傾斜角度で傾斜した側周面を有する、ことを特徴としている。
【００３９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態に係るカンチレバーチップについて、添付図面を参照して説明する。
図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、本実施の形態のカンチレバーチップ１６は、支持部１８と、この支持部１８から延出したカンチレバー２０と、このカンチレバー２０の延出端即ち自由端に形成された探針２２とを備えて構成されている。
【００４０】
本実施の形態に適用したカンチレバー２０は、略三角形状を成しており、窒化シリコンから構成されている。
本実施の形態において、このカンチレバー２０は、その一例として、その長手軸方向に沿った長さ寸法Ｌ即ち基端から自由端までの長さ寸法Ｌが略５０μｍ、基端の幅寸法Ｗが略５０μｍ、厚さ寸法Ｔが略０．２μｍに設定されている（図１（ｂ），（ｃ）参照）。
【００４１】
本実施の形態に適用した探針２２は、略四角錐形状（ピラミッド形状）を成しており、窒化シリコンから構成されている。
本実施の形態において、この探針２２は、その一例として、その高さ寸法Ｈが略３μｍに設定されている（図１（ｂ）参照）。なお、この探針２２は、後述するカンチレバーチップの作製プロセスにおいて、カンチレバー２０の表面（支持部１８に当接した面とは反対側の面）に形成される。従って、以下の説明において、カンチレバー２０の背面とは、探針２２が形成された面（表面）とは反対側の面を言うこととする。
【００４２】
支持部１８は、単結晶シリコンから成る第１の支持部２４及び第２の支持部２６で構成されている。また、これら第１及び第２の支持部２４，２６は、異なる形状をしているが、後述するプロセスを用いて、同一単結晶シリコン基板から成形されている。
【００４３】
第１の支持部２４は、直方体形状を成しており、カンチレバー２０の基端部を支持すると共に、カンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定するための基準面２４ａが形成されている。また、第２の支持部２６には、所定の傾斜角度で傾斜した側周面２６ａが形成されている。
【００４４】
本実施の形態において、第１の支持部２４は、その一例として、長さ寸法Ｄ１が略３．７ｍｍ、幅寸法Ｄ２が略０．５ｍｍ、厚さ寸法Ｄ３が略０．０２ｍｍに設定されている（図１（ａ），（ｂ）参照）。
【００４５】
この第１の支持部２４の基準面２４ａは、カンチレバー２０の長手軸に対して垂直方向に延出しており、後述する作製プロセスにおいて、カンチレバー２０の長さ寸法Ｌのばらつきを最小限に抑えるための機能を有している。
【００４６】
また、後述する作製プロセスによって形成される複数のカンチレバーチップ１６を１枚のウェハ（図示しない）に保持させるために、第１の支持部２４の両側には、夫々、保持部２８が一体的に突設されている。このため、所望のカンチレバーチップ１６をウェハから取り出す場合、カンチレバーチップ１６を把持しながら引っ張る（又は、捻る）等の作業を行って保持部２８を切断することによって、所望のカンチレバーチップ１６を安全（カンチレバーチップ１６を損傷させること無く）且つ簡単に取り出すことができる。なお、本実施の形態に適用した保持部２８は、夫々、単結晶シリコンから構成されており、その一例として、幅寸法Ｆ１が略０．１ｍｍ、厚さ寸法Ｆ２が略０．０２ｍｍに設定されている（図１（ｃ）参照）。
【００４７】
本実施の形態に適用した第２の支持部２６は、第１の支持部２４側に第１面２６ｂ（図１（ｃ）参照）を有し、また、この第１面２６ｂに対向して第２面２６ｃ（図１（ａ）参照）を有している。また、この第２面２６ｃは、カンチレバーチップ１６を所定のＡＦＭ装置（図示しない）に取り付けるための取付面として機能する。
【００４８】
第２面２６ｃの寸法は、第１面２６ｂの寸法よりも縮小されており、第１面２６ｂと第２面２６ｃとの間に形成された側周面２６ａは、第１の支持部２４の基準面２４ａに対して所定の傾斜角度を成して傾斜している。
【００４９】
なお、本実施の形態に適用した第２の支持部２６の第１面２６ｂの寸法は、その一例として、長さ寸法Ｓ１が略３．６５ｍｍ、幅寸法Ｓ２が略１．６ｍｍ、厚さ寸法Ｓ３が略０．５ｍｍに設定されている（図１（ａ），（ｂ）参照）。
【００５０】
このように本実施の形態のカンチレバーチップ１６によれば、第１の支持部２４の厚さ寸法Ｄ３を略０．０２ｍｍと薄くし、且つ、第２の支持部２６の側周面２６ａを傾斜させたことによって、カンチレバー２０の背面上方の空間を広げることができる。この結果、カンチレバーチップ１６をＡＦＭ装置に取り付けてＡＦＭ測定を行う場合、図４（ａ）に示されたようなけられ等の光学的影響を受けること無く、センサー光Ｒ１を円滑且つ確実にカンチレバー２０の背面に照射させることが可能となる。従って、従来技術に比べてＡＦＭ測定精度を向上させることが可能となる。
【００５１】
更に、本実施の形態のカンチレバーチップ１６によれば、第２の支持部２６の幅寸法Ｓ２よりも第１の支持部２４の幅寸法Ｄ２を小さくしたことによって、支持部１８の両端（両肩）に空所（逃げ部）３０を形成することができる。この結果、ＡＦＭ測定中、カンチレバーチップ１６が、カンチレバー２０の長手軸を中心に所定角度だけ傾斜（回転）した場合でも、空所（逃げ部）３０によって、支持部１８の両端（両肩）の一方が試料４の表面４ａに接触すること（図４（ｂ）参照）を防止することが可能となる。また、第２の支持部２６は、ＡＦＭ装置にカンチレバーチップ１６を取り付けるための幅寸法を確保している。なお、この効果は、特に、長さ寸法Ｌの短いカンチレバー２０を用いてＡＦＭ測定を行う場合に非常に有効である。
【００５２】
次に、上述したような構成を有するカンチレバーチップ１６の作製プロセスについて、図２を参照して説明する。
本実施の形態の作製プロセスでは、その一例として、２枚のシリコンウェハ即ち第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４（図２（ａ），（ｄ）参照）をスタートウェハとして用いており、これら第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４によってカンチレバーチップ１６を作製する。
【００５３】
まず、図２（ａ）に示すように、ＬＰ−ＣＶＤ法（低圧化学蒸着法）によって第１のシリコンウェハ３２の表裏面に窒化シリコン膜３６，３８（膜厚３００ｎｍ）を形成した後、フォトリソグラフィ法によって表面に形成された窒化シリコン膜３６に四角形状の開口３６ａを形成する。続いて、この窒化シリコン膜３６をマスクとして用いながら、開口３６ａを介して露出している第１のシリコンウェハ３２に対して水酸化カリウム水溶液によって湿式異方性エッチングを施す。そして、第１のシリコンウェハ３２に倒立略四角錐形状（倒立ピラミッド形状）の凹部３２ａを形成する（第１のステップ）。
【００５４】
このとき用いられる第１のシリコンウェハ３２の面方位は、（１００）であって、湿式異方性エッチングにより露出する第１のシリコンウェハ３２の面に傾斜する凹部３２ａの４つの面の面方位は、（１１１）である。
【００５５】
次に、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、マスクとして用いた窒化シリコン膜３６を除去した後、再びＬＰ−ＣＶＤ法によって第１のシリコンウェハ３２の表面に窒化シリコン膜４０（膜厚２００ｎｍ）を形成した後、フォトリソグラフィ法によって窒化シリコン膜４０をカンチレバー形状（図１に示されたカンチレバー２０と同一形状）にパターニングする（第２のステップ）。このとき、第１のステップで形成した凹部３２ａにも、窒化シリコン膜４０が形成され、後述するステップを経て探針部となる。なお、同図（ｂ）は、同図（ｃ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。
【００５６】
続いて、図２（ｄ），（ｅ）に示すように、フォトリソグラフィ法を用いて第２のシリコンウェハ３４の表面の一部を除去することによって、所定の深さを有する掘り下げ部３４ａを形成する。具体的には、第２のシリコンウェハ３４の掘り下げ部３４ａを除く部分にマスク（例えば、窒化シリコン膜）を形成し、ドライエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ））によって第２のシリコンウェハ３４の表面の一部を掘り下げる。なお、このときのマスク形状に基づいて、第１の支持部２４及び保持部２８の形状が決定される。この後、マスクを除去し、第２のシリコンウェハ３４の表面に酸化シリコン膜４２を形成すると共に、第２のシリコンウェハ３４の裏面に窒化シリコン膜４４を形成する。そして、裏面に形成された窒化シリコン膜４４を所定形状（後述する作製プロセスでマスクとなるような形状）にパターニングする（第３のステップ）。なお、同図（ｄ）は、同図（ｅ）のｄ−ｄ線に沿う断面図である。
【００５７】
次に、図２（ｆ）に示すように、陽極接合法によって、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２のシリコンウェハ３４の表面を貼り合わせる。具体的には、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２のシリコンウェハ３４の表面を重ねた後、加熱しながら第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４に電圧を印加する。この結果、静電引力作用と熱作用によって、カンチレバー形状の窒化シリコン膜４０と酸化シリコン膜４２とが接合される（第４のステップ）。
【００５８】
続いて、図２（ｇ）に示すように、第１のシリコンウェハ３２の裏面に残留している窒化シリコン膜３８を除去した後、この第１のシリコンウェハ３２を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去すると共に、窒化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシリコンウェハ３４の一部を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去する（第５のステップ）。
【００５９】
最後に、図２（ｈ）に示すように、残留している酸化シリコン膜４２をフッ酸でエッチング除去する（第６のステップ）。この結果、図１に示された本実施の形態のカンチレバーチップ１６が作製される。なお、同図（ｈ）では、図１に示されたカンチレバーチップ１６と同一の構成に対応させて符号を付した。
【００６０】
また、同図（ｈ）で示した酸化シリコン膜４２は、作製プロセスで示したが、図１には図示していない。
更に、同図（ｇ），（ｈ）は、同図（ａ），（ｂ），（ｄ）に習いカンチレバー２０を断面図にしたものであり、基準面２４ａを有する第１の支持部２４と側周面２６ａを有する第２の支持部２６とを支持部１８として一体に示している。
【００６１】
また、特に図示しないが、第６のステップ終了後、カンチレバー２０の背面に例えば図４（ａ）に示したセンサー光Ｒ１を反射するための金属等の光反射膜を蒸着させても良い。
【００６２】
このような作製プロセスによれば、第５及び第６のステップを介して第１の支持部２４の基準面２４ａを高精度に（即ち、位置ずれすること無く正確に）形成することができる。この結果、設計通りの長さ寸法Ｌ（図１（ｂ）参照）を有するカンチレバー２０を作製することが可能となる。即ち、共振周波数が高くなるように長さ寸法Ｌを短くする場合でも、基準面２４ａを正確に位置決め形成することができるため、長さ寸法Ｌ（共振周波数）のばらつき度合を縮減させることが可能となる。
【００６３】
このような効果は、第３のステップ（図２（ｄ），（ｅ）参照）において、第１のシリコンウェハ３４に掘り下げ部３４ａを形成したことが要因となる。
ここで、例えば掘り下げ部３４ａを形成すること無く、図２（ｆ）に示すように第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４を接合し（第４のステップ）、図２（ｇ），（ｈ）に示すような湿式異方性エッチングを進める（以下、参考用作製プロセスという）と、エッチングレートのばらつきによって正確にカンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定できなくなってしまう。
【００６４】
具体的には、図３（ａ）に示すように、窒化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシリコンウェハ３４を水酸化カリウム水溶液でエッチング除去すると、エッチングレートのばらつきによって、第２のシリコンウェハ３４のエッチング面３４ｂ（カンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定する基準面）は、符号Ｐで示すように、カンチレバー２０の長手軸方向に沿って前後する。
【００６５】
そして、この現象は、使用するシリコンウェハの厚さ寸法Ｓ３（図１（ｂ）参照）のばらつき度合によっても生じる。通常、シリコンウェハの厚さ寸法Ｓ３のばらつき度合は、０．０１〜０．０２ｍｍ程度である。従って、上記の参考用作製プロセスを行った場合、基準面のずれ量に対応して長さ寸法Ｌのばらつき度合が大きくなり過ぎる。このため、使用に適した長さ寸法Ｌを有するカンチレバー２０を作製することができなくなってしまう。
【００６６】
しかしながら、本実施の形態に適用した作製プロセスによれば、第１の支持部２４の基準面２４ａ（図１参照）となるべき第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃは、酸化シリコン膜４２によって最終プロセス（第６のステップ）まで保護される。即ち、第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃは、その形成位置が変動すること無く、一定位置に正確に形成される。この結果、基準面２４ａを正確に位置決め形成することができるため、長さ寸法Ｌ（共振周波数）のばらつき度合を縮減させることができる。
【００６７】
更に、第２のシリコンウェハ３４の端面３４ｃ即ち基準面２４ａをカンチレバー２０の長手軸に対して垂直方向に形成することができるため、第１及び第２のシリコンウェハ３２，３４を接合する行程（第４のステップ）において、基準面２４ａに対するカンチレバー２０のアライメント精度を高くすることが可能となる。そして、このような高いアライメント精度の実現によって、１つのウェハに複数のカンチレバーチップ１６を作製する際の歩留まりを向上させることが可能となる。
【００６８】
このように本実施の形態の作製プロセスによれば、ばらつきの無い長さ寸法Ｌの短いカンチレバー２０を形成できる効果に加えて、ＬＰ−ＣＶＤ法によって厚さ寸法Ｔ（図１（ｂ）参照）の薄い窒化シリコン膜４０（膜厚２００ｎｍ）即ちカンチレバー２０を形成することができる。この結果、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチレバーチップ１６を提供することができるため、従来の技術と比較して走査速度を上げてもカンチレバーが発振せず、ＡＦＭ測定時間を短縮することが可能となる。
【００６９】
また更に、本実施の形態の作製プロセスによれば、図２（ｇ），（ｈ）に示された第５及び第６のステップにおいて、第２のシリコンウェハ３４の一部に湿式異方性エッチング処理を施すことによって、図３（ｂ）に示すように、第２の支持部２６の側周面２６ａ（即ち、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａ）を滑らかにテーパを施すことができると同時に、支持部１８に必要な強度を確保しつつ第１の支持部２４を歩留まり良く形成することができる。
【００７０】
この場合、図３（ｃ）に示すように、例えばガラス製の支持部１８に対してダイシングソー加工法（従来技術の加工法）を施し、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａに階段状の傾斜を付けることによって、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａに沿ったテーパを施すことも想定できる。しかしながら、この従来技術の加工法では、加工時間が長くなると共に加工プロセスが複雑化するだけでなく、更に、厚さ寸法Ｄ３（図１（ｂ）参照）が０．０２ｍｍ程度の第１の支持部２４に機械的なストレスが加えられてしまう。このため、ガラスのチッピング現象等の問題が発生し、歩留まりを高めることができない。
【００７１】
これに対して本実施の形態に適用した作製プロセスによれば、支持部１８をシリコンで形成したことによって、第１の支持部２４に対する機械的なストレスを加えること無く、所望の形状に支持部１８を短時間且つ簡単に加工することができる。
【００７２】
このように上記作製プロセスを適用した本実施の形態によれば、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチレバーチップ１６を提供することが可能となる。
【００７３】
【発明の効果】
本発明によれば、機械的特性のばらつきが少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有するカンチレバーチップを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーチップの構成を示す図であって、同図（ａ）は、支持部の側から見たカンチレバーチップの斜視図、同図（ｂ）は、カンチレバーチップの側面図、同図（ｃ）は、カンチレバーの側から見たカンチレバーチップの斜視図。
【図２】（ａ）〜（ｈ）は、カンチレバーチップの作製プロセスを示す図。
【図３】（ａ）は、作製プロセスにおいて、第３のシリコンウェハに対するエッチングレートのばらつき状態を示す図、（ｂ）は、カンチレバー近傍の構成を拡大して示す図、（ｃ）は、従来技術の加工法によって形成した支持部の構成を概略的に示す図。
【図４】（ａ）は、ＡＦＭ測定中において、カンチレバーの背面に照射されるセンサー光が、けられの光学的影響を受けている状態を示す図、（ｂ）は、ＡＦＭ測定中において、カンチレバーチップの支持部の両端（両肩）の一方が、試料表面に接触してしまった状態を示す図。
【符号の説明】
１６ カンチレバーチップ
１８ 支持部
２０ カンチレバー
２２ 探針
２４ 第１の支持部
２４ａ 基準面
２６ 第２の支持部
２６ａ 側周面
Claims (3)
- 第１の支持部と、
この第１の支持部から延出したカンチレバーと、
前記第１の支持部を支持する第２の支持部と、
を備えており、
前記第１の支持部の幅寸法は前記第２の支持部の幅寸法よりも小さくなっていて、
前記第１の支持部は、前記カンチレバーの基端を支持すると共に、前記カンチレバーの長さ寸法を規定するための基準面を有し、前記基準面は前記カンチレバーの長手軸に対して垂直方向に延出しており、
前記第２の支持部は、前記第１の支持部の前記基準面に対して所定の傾斜角度で傾斜した側周面を有する、
ことを特徴とするカンチレバーチップ。 - 前記カンチレバーの長さが５０μｍ以下である、ことを特徴とする請求項１に記載のカンチレバーチップ。
- 前記第１及び第２の支持部は同一単結晶シリコンから形成されている、ことを特徴とする請求項１又は２に記載のカンチレバーチップ。
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