JP3986373B2 - Ｓｐｍカンチレバー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いるＳＰＭカンチレバー、特にレバー長の短いショートレバー型のＳＰＭカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＳＰＭカンチレバーとして、ピラミダル探針部を有するＳＰＭカンチレバーの断面構造を、図10に示す。図10において、101 はガラスを加工して作製したカンチレバー支持部、102 は支持部101 に支持され該支持部101 より伸びるように配置されたレバー部、103 はレバー部102 の自由端側に測定試料表面104 に向かって配置されたピラミダル探針部であり、レバー部102 及び探針部103 は窒化シリコン製である。そして、市販のＳＰＭカンチレバーでは、レバー部102 の支持部101 より伸びている部分の長さであるレバー長は、60μｍ以上であり、一般には 200μｍ程度の長さのカンチレバーが使われている。探針部先端の曲率半径は20nm〜40nm以下で、分解能が高く、高解像度の測定が可能であり、バネ定数も１Ｎ／ｍ以下と低く、測定試料が柔らかい場合も測定が可能であるが、共振周波数は大気中でもせいぜい数十ｋＨz である。
【０００３】
一方、シリコン製のテトラ探針部を有するＳＰＭカンチレバーにおいても、探針部先端の曲率半径は10nm程度以下ではあるが、一般にはレバー部のレバー長は 100μｍから 250μｍと長く、共振周波数は大気中で数百ｋＨz ，液中では高々数十ｋＨz 程度である。また、レバー部の厚さに関しては、厚い方が制御しやすいため製造も容易であるが、極端に硬く、バネ定数の大きな特性のものになってしまい、ＳＰＭ測定の際には、測定試料及び探針部にダメージを与えてしまう。したがって、レバー部の厚さは薄い方が好ましいが、シリコンの薄膜制御は非常に難しいため、２〜５μｍのレバー厚のものが多く利用されている。このようなＳＰＭカンチレバーにおいては、バネ定数は窒化シリコン製のピラミダル探針を有するＳＰＭカンチレバーに比べて高く、数十Ｎ／ｍ程度の特性をもつものもある。
【０００４】
しかしながら、最近はＳＰＭ測定において高速化や高解像度化の要求が高くなっており、そのためには共振周波数が高く、且つ測定試料が柔らかい場合には傷つけずにスキャンさせるために、バネ定数の小さい柔らかなレバーが要求される。従来のＳＰＭカンチレバーでは共振周波数が低いため、高速化の要求を満たすことが困難になったり、比較的共振周波数が高いＳＰＭカンチレバーであると、バネ定数が大きいため、測定試料や探針部にダメージを与えてしまう。更に、ガラス製支持部101 を備えたレバー長が短いＳＰＭカンチレバーの場合は、図11に示すように、レーザー光111 がガラス支持部101 に遮られてしまい、レバー部112 の表面まで届かない問題が生じ、測定自体できないことが発生する。
【０００５】
また、ＥＢＤ（Electron Beam Deposition）で探針部を形成したり、ＣＮＴ（Carbon Nano Tube）を用いて探針部を形成して、ＳＰＭカンチレバーの探針部の質量を軽減し、共振周波数を高くする手法がある。しかし、探針部先端の曲率半径は、50nm〜10nmと大きくなるため、分解能が低下し、高解像度の測定が不可能になってしまうと共に、これらの探針部を精度良く形成するのは、非常に困難である。またＥＢＤ，ＣＮＴ探針部は、その取り付け部の接着強度が弱く、測定中に脱落してしまう問題も発生する。
【０００６】
以上のような不具合を解消するものとして、レバー部のレバー長の短いＳＰＭカンチレバー、いわゆるショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが注目を浴びている。ＳＰＭカンチレバーの共振周波数は、レバー長とレバー厚に依存しており、レバー長をＬ，レバー厚をｔとすれば共振周波数ｆは、ｆ∝（ｔ／Ｌ2 ）のように表すことができる。すなわち、レバー長を短く、レバー厚を厚くすれば共振周波数は高くなるが、レバー長の方が支配的であるため、レバー厚を厚くするよりもレバー長を短くすれば、その効果は顕著になる。
【０００７】
研究あるいは実験レベルのショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、レバー長は10μｍ程度のものが試作されており、共振周波数は大気中では１〜２ＭＨz 以上、液中でも 500ｋＨz 以上が可能である。更に、バネ定数ｋは、レバー厚ｔとレバー長Ｌとの間に、ｋ∝ｔ3 ／Ｌ3 のような関係がある。したがって、窒化シリコン製のレバー部を備えたＳＰＭカンチレバーの場合、薄膜制御が比較的容易であるため、３乗で効いてくるレバー厚を薄くすることができ、共振周波数が高い状態でバネ定数を小さくすることができるので、柔らかなＳＰＭカンチレバーを用いて高速測定が可能になる。勿論、共振周波数やバネ定数以外にも、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーにすることで、レバー部面積が小さくなり、レバー部の揺らぎに起因する測定ノイズも小さくなり、測定精度は向上する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーには、次のような課題がある。まず、支持部を含めた全体の長さが３mm〜４mmのＳＰＭカンチレバーの先端に、10μｍ程度のレバー部を設け、そして該レバー部の先端に探針部を形成する必要があり、このように非常に短いレバー部を精度よく、ばらつきを抑えて形成するのは非常に困難である。
【０００９】
従来のＳＰＭカンチレバーの製造方法では、シリコン基板表面側にレバー部や探針部を形成した後、支持部となる形状を、異方性ウエットエッチングによってシリコン基板の裏面側より形成するため、図12に示すように、レバー部202 の固定端202aの位置が、シリコンウエハ基板の厚さのばらつきや異方性ウエットエッチングばらつきによって、矢印で示すように大きく左右されてしまう。具体的には、支持部201 の厚さが 300μｍ程度のＳＰＭカンチレバーでは、最低でも±10μｍ程度以上のレバー部202 のレバー長のばらつきが発生する。なお、図12において、203 は探針部である。したがって、長さが50μｍ程度以下のレバー部202 を形成する場合、このばらつきは致命的であり、最悪の場合には、設計通りのレバー長を有するレバー部が形成できなくなってしまう。
【００１０】
このようなレバー部のレバー長のばらつきを抑えるには、Ｓi ウエハの厚さのばらつきが小さいものを用い、且つ支持部形成時のエッチングのばらつきを抑える必要があるが、その方法も容易ではない。また、ＳＰＭカンチレバーの製造コストも非常に高くなってしまう。更に、レバー部のレバー長のばらつきにより共振周波数がばらついてしまい、レバー長が短くなった場合は、バネ定数が高くなり測定試料にダメージを与えるだけでなく、探針部の磨耗を促進させることになる。逆にレバー長が長くなった場合は、共振周波数が低下し高速動作ができなくなる。
【００１１】
一方、図13の（Ａ）に示すように、従来の原子間力顕微鏡などのＳＰＭで測定するとき、ＳＰＭカンチレバー301 を試料302 に対して10°程度傾けてホルダー303 に装着している。そのため、ＳＰＭカンチレバー301 の全体の長さ（チップ長）が３mm程度の場合、中心部をホルダー当てつけアーム304 の当てつけ部とすると、ホルダー当てつけアーム304 と試料302 とのギャップは0.25mm程度となり、図示のような測定状態になる。これがショートレバー型のＳＰＭカンチレバー305 の場合、図13の（Ｂ）に示すように、そのギャップが10％以上狭まり、ホルダー当てつけアーム304 が試料302 と接触してしまう問題が発生してしまう。また、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーにより高速動作を行う場合、探針部の質量が大きい場合には共振周波数を低下させる原因になってしまい、高速動作が行えない。
【００１２】
更に、図14の（Ａ），（Ｂ）に示すようにＳＰＭカンチレバー301 ，305 の支持部301a，305aが傾いてホルダー303 にセットされていると、図14の（Ａ）に示すような従来のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部301aと測定試料302 間のギャップが十分あるため、支持部301aの肩部が測定試料302 に接触することはない。それに対し、図14の（Ｂ）に示すようにショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部305aの肩部分が容易に測定試料302 と接触してしまい、取り扱いが難しい。以上のように、精度のよい測定が不可能になるばかりか、測定自体ができなくなる恐れがある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、共振周波数が高く高速測定が可能なショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを簡単に精度良く製造可能とし、ウエハの厚さや異方性ウエットエッチングのばらつきを発生しても、レバー部のレバー長のばらつきを低減して、短いレバー長のレバー部でも精度良く、ばらつきのない安定した高い共振周波数が得られるようにしたＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、単結晶シリコン製支持部と、該支持部に固定され該支持部より伸びるように配置されたシリコン又はシリコン化合膜からなるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に設けられたシリコン又はシリコン化合膜からなる探針部とを備え、前記レバー部のレバー長を50μｍ以下としたＳＰＭカンチレバーにおいて、前記レバー部の固定端部分に、少なくとも一部分が前記支持部内に形成され、アルカリ溶液に対しシリコンとの選択比が50以上あるシリコン化合膜からなるバッファ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
このように構成されたＳＰＭカンチレバーにおいては、レバー部の固定端部分に少なくとも一部分が支持部内に形成されたバッファ部が設けられているので、ウエハの厚さのばらつきあるいは異方性ウエットエッチングのばらつきが発生したとしても、ばらつきはバッファ部で吸収され、レバー部のレバー長のばらつきが抑えられた安定した共振周波数を有するＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。まず最初に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例について説明する。図１は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例を示す断面図である。図１において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１の下面に固定支持され該支持部１より伸びるように配置された窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部である。そして、レバー部の支持部１に対する固定端４に接する支持部１のレバー部伸長方向面５は、（１１１）面からなる後退傾斜面で形成されており、またレバー部２の支持部１から伸びているレバー長は、10μｍに設定されている。
【００１７】
次に、図１に示した第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図２に基づいて説明する。まず図２の（Ａ）に示すように、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ裏面側にパターニングを行って、後述する支持部形成時のエッチングマスクとなる領域の酸化膜を残して不要な酸化膜を除去し、マスク酸化膜13を形成する。このとき、マスク酸化膜13は、レバー部固定端の位置12より若干内側、つまりレバー部自由端側に伸ばして形成される。
【００１８】
次に、図２の（Ｂ）に示すように、減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜14をウエハ11の両面に形成し、ウエハ表面側にパターニングを行い、探針部形成時のマスクとなる領域の窒化シリコン膜を残して表面側の不要な窒化シリコン膜を除去し、マスク窒化シリコン膜15を形成する。
【００１９】
次に、図２の（Ｃ）に示すように、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、ウエハ11の表面側に探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。ここで、エッチングする深さは、探針部の長さにある程度の余裕をもたせた深さとする。例えば、３μｍの探針長の探針部を形成する場合には、５μｍ程度のエッチング深さでよい。
【００２０】
次に、図２の（Ｄ）に示すように、ウエハ11の両面に形成されている窒化シリコン膜14，15を熱リン酸にて除去した後、レバー部及び探針部となる薄膜の窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法で形成する。ここでレバー部及び探針部を形成する窒化シリコン膜としては、一般的な窒化シリコン膜でもよいが、低応力の窒化シリコン膜がより好ましい。具体的には、膜応力としては圧縮応力あるいは引っ張り応力のいずれでもよく、膜応力が 200Ｍpa（パスカル）以下の低応力窒化シリコン膜が好適である。
【００２１】
このような低応力窒化シリコン膜を用いることにより、膜厚が 0.1μｍ程度の非常に薄いレバー部を形成する場合であっても、膜応力を低減でき、下地のシリコン基板（シリコンウエハ11）から離脱してフリーな状態になっても、応力による反りを抑えることができるため、レーザー反射光を感度よくフォトディテクターで検出することができる。なお、低応力窒化シリコン膜は、減圧ＣＶＤの反応ガスであるジクロールシランガスとアンモニアガスの混合比を、ジクロールシランガスを多めにすることにより達成できる。
【００２２】
次に、図２の（Ｅ）に示すように、（１１１）斜面16に探針部18を形成する。ここで、探針部の形成にあたっては２枚のマスクを用いて行う。具体的には、図３の（Ａ）に示すように、第１のマスクパターン25で露光を行い、続いて図３の（Ｂ）に示すように、第２のマスクパターン26を用いて露光を行ってからエッチングを行う。あるいは、図３の（Ａ）に示す第１のマスクパターン25を用いて露光及びエッチングを行い、続いて図３の（Ｂ）に示す第２のマスクパターン26を用いて露光及びエッチングを行う。その結果、先端がよりシャープな探針部18が形成される。これは、２枚のマスクパターン25，26のパターンエッジの交点により探針部が形成されるため、１枚のマスクで探針部を形成する場合に比べて、露光の影響が少なくなり、探針部の頂角がより鋭くなるためである。
【００２３】
次に、図２の（Ｆ）に示すように、表面保護用のＣＶＤ酸化膜19を形成する。次に、図２の（Ｇ）に示すように、ウエハ裏面側の窒化シリコン膜17を除去した後、マスク酸化膜13をマスクとして、裏面側からエッチングを行う。このときのエッチングは、Deep−ＲＩＥ法により垂直に行うもので、マスク酸化膜13がレバー部固定端位置12より内側、つまりレバー部自由端側に伸びて形成されているため、レバー部固定端位置12より内側に垂直孔20を形成する。
【００２４】
次に、図２の（Ｈ）に示すように、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて、Deep−ＲＩＥ法によって形成された垂直孔20の垂直面20ａを、ウエットエッチングすることにより、支持部の（１１１）斜面21の一部である、レバー部に対する固定端21ａが形成される。ここで、ウエットエッチングレートは、（１００）面の方が（１１１）面に対して 100倍程度速いが、（１１１）斜面21もエッチングされ、レバー部に対する固定端21ａが図示のように後退する。そのため、図２の（Ａ）で示したマスク酸化膜13の位置で最終的にレバー部のレバー長を決定することができる。
【００２５】
次に、図２の（Ｉ）に示すように、ウエハ裏面のマスク酸化膜13を除去した後、再度ＫＯＨなどのアルカリ溶液にてエッチングすることにより、ウエハのひさし領域22を除去し、次いで表面酸化膜19をフッ酸系のエッチング液で除去して、支持部23とレバー部24と探針部18とからなるＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００２６】
このような構造及び製造方法により、レバー部のレバー長のばらつきを抑えたショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが実現でき、支持部のレバー部伸長方向面〔（１１１）斜面21〕は後退傾斜面となるため、支持部によるレーザー光のけられもなくなり、高い共振周波数を有して高速スキャンも可能となる。
【００２７】
なお、本参照例では、ウエハ裏面側よりDeep−ＲＩＥ法によって垂直加工してから、アルカリ溶液のウエットエッチングによる垂直面の加工処理を用いているが、これに限定されず、レバー部と支持部を保護して、それ以外のシリコン基板を表面よりDeep−ＲＩＥによって垂直加工してから、アルカリ溶液によるウエットエッチング加工処理を用いてもよいことは言うまでもなく、Deep−ＲＩＥ法の垂直制御性を考慮すると、表面側からのエッチングの方が望ましい。
【００２８】
また、本参照例では、レバー部及び探針部を窒化シリコン膜で形成したものを示したが、レバー部及び探針部はポリシリコンあるいはアモルファスシリコンなどのシリコン膜で形成してもよい。この場合は、図２の（Ｄ）に示した工程において、窒化シリコン膜を形成する代わりに、ポリシリコンあるいはアモルファスシリコン膜をＣＶＤ法等に形成すればよい。
【００２９】
次に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態について説明する。図４は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーのレバー部の固定端付近に、バッファ部を形成したものである。すなわち、図４において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部、６はレバー部２の固定端４の位置を正確に決定するためのバッファ部で、レバー部２の固定端部分に形成されており、そしてレバー部２の固定端４に接する支持部１の傾斜面５は（１１１）面にて形成されている。
【００３０】
次に、本実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図５に基づいて説明する。まず図５の（Ａ）に示すように、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ31の表裏両面に、減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜32を形成し、ウエハ表面側にパターニングを行って、探針部形成時のエッチングマスクとなる領域の窒化シリコン膜を残して不要な窒化シリコン膜を除去し、マスク窒化シリコン膜33を形成した後、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面34を形成する。ここで、エッチングする深さは、探針部の長さにある程度の余裕をもたせた深さとする。例えば、３μｍの探針長の探針部を形成する場合には、５μｍ程度のエッチング深さでよい。
【００３１】
次に、ウエハ面上の窒化シリコン膜32，33を熱リン酸で除去した後、ウエハ両面に酸化膜35を形成し、ウエハ表面においてレバー部の固定端に形成されるバッファ部のパターニングを行う。続いて図５の（Ｂ）に示すように、バッファ部の領域のウエハ表面をDeep−ＲＩＥ法を用いて１μｍ程度エッチングして、凹部36を形成する。更に、ウエハ裏面側の酸化膜にパターニングを行って、支持部のエッチングを行う際のマスク領域となるマスク酸化膜37を形成する。
【００３２】
次に、図５の（Ｃ）に示すように、ウエハ表面に形成されていた酸化膜35をエッチングし、ウエハ両面全面にわたって減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成して、バッファ部形成用凹部36を窒化シリコン膜で埋めてバッファ部38を形成した後、その他の窒化シリコン膜をエッチング除去する。ここで形成される窒化シリコン膜からなるバッファ部38は、ウエハを構成するシリコンとのエッチング時の選択比を、容易に50以上とすることができる。なお、このバッファ部は酸化シリコン膜などでも形成することができる。
【００３３】
次に、図５の（Ｄ）に示すように、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜39を再度減圧ＣＶＤ法にてウエハ31の両面に形成し、次いで、図５の（Ｅ）に示すように、第１の実施の形態と同様に２枚のマスクを用いて、探針部40及びレバー部41を形成する。ここでは第１の参照例と同様に、窒化シリコン膜39としては低応力の窒化シリコン膜が好ましい。次いで、表面保護用のＣＶＤ酸化膜42を形成し、裏面に形成されていた窒化シリコン膜39も除去する。
【００３４】
次に、図５の（Ｆ）に示すように、ウエハ裏面からマスク酸化膜37をマスクとして、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングを行って、支持部43を作製する。このとき、ウエハ裏面から直接エッチングを行うと、ウエハの厚さあるいはエッチングレートなどのばらつきにより、エッチング終点の位置が所望の位置に定まらないことが多々あるが、バッファ部38を設けているため、バッファ部38の領域内にエッチング終点位置が入ればよい。
【００３５】
ここでは、ウエハ裏面から直接異方性エッチングを行って支持部を形成しているが、第１の参照例と同様にして、Deep−ＲＩＥを用いて支持部を作製してもよいことは言うまでもない。
【００３６】
最後に図５の（Ｇ）に示すように、探針部40及びレバー部41の表面の酸化膜42及び裏面のマスク酸化膜37をフッ酸により取り除いて、ＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００３７】
このような構造及び製造方法により、レバー部の固定端部に、レバー部の固有振動数とは測定上問題とならないほど大きな共振周波数を有する厚膜のバッファ部を設けているために、ウエハ厚さのばらつき、あるいは支持部形成時にエッチングのばらつきがあっても、ばらつきはバッファ部により吸収されるため、レバー部のレバー長への影響はなく、レバー長のばらつきを抑えると共に、安定した共振周波数を有するショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを実現することができる。
【００３８】
次に、第２の参照例について説明する。図６は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第２の参照例を示す断面図である。本参照例は、支持部底面の一部に高さ数μｍ〜十数μｍの突出部を長手方向に設け、その突出部にレバー部を固定支持し、その突出部から伸びるように形成するものである。ここでは、第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーに、本参照例の特徴を適用したものについて説明する。
【００３９】
図６の（Ａ）において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した、底面に突出部７を有する支持部、２は支持部１の突出部７の底面より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部であり、レバー部２の固定端４に接する支持部１の傾斜面５は（１１１）面にて形成されている。ここで、図６の（Ｂ）の正面図に示すように、支持部１は通常の支持部とは異なり、底面に突出部７を備えており、レバー部２は突出部７に固定支持され、該突出部７より伸びるように形成されている。
【００４０】
次に、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図７に基づいて説明する。まず図７の（Ａ）に示すように、第１の参照例と同様にして、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ表裏面にパターニングを行って、マスク酸化膜13ａ，13ｂを形成し、次いでウエハ表面をＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。
【００４１】
次に、図７の（Ｂ）に示すように、ウエハ表面のマスク酸化膜13ｂを除去した後、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法にて形成する。続いて、支持部底面となるウエハ表面において、レバー部面に対応する支持部底面を他の支持部底面から突出させるパターニングを行い、ＫＯＨなどのアルカリ溶液の異方性エッチングにより支持部の底面の突出部46を形成する。
【００４２】
以降の工程は、第１の参照例と全く同様にして、図７の（Ｃ）に示すように、支持部23から突出した突出部の表面に、自由端に探針部18を有するレバー部24が伸びるように形成されているＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００４３】
このような構造及び製造方法により、図６の（Ｂ）に示した正面図からもわかるように、突出部７の肩部が支持部１の肩幅と比較して十分小さく、支持部１と測定試料間の間隙が大きくとれるため、突出部７の肩部が試料面と接触する可能性が解消されると共に、ＳＰＭ装置へのＳＰＭカンチレバーの取り付けも容易になる。したがって、精度の良い安定したＳＰＭ測定が可能となる。ここで、支持部に形成される突出部は、その肩部が支持部肩幅と比較して十分小さく、肩部が試料面と接触しなければ、その高さあるいは幅などの大きさは一切問わない。
【００４４】
なお、支持部面にレバー部を支持する突出部を支持部面から突出形成させるパターニングには、ＲＩＥ等のドライエッチングを用いてよいことは言うまでもない。また、レバー部及び探針部には、第１の参照例と同様に、低応力の窒化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。更に、本参照例では、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに、その特徴点を適用した例を示したが、第１の実施の形態のレバー部の固定端付近にバッファ部を設けたＳＰＭカンチレバーに、本参照例の特徴を適用してもよいことは勿論である。
【００４５】
次に、第３の参照例について説明する。この参照例は、第１の実施の形態並びに第１及び第２の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの支持部に、ＳＰＭ装置への装着の際のホルダー当てつけ用凹部を形成するように構成したものである。ここでは、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに本参照例の特徴を適用した場合について説明する。
【００４６】
本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第３の参照例の断面図を図８に示す。図８において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部、レバー部２の固定端４に接する支持部斜面５は（１１１）面にて形成され、支持部１にはＳＰＭ装置への装着に際してのホルダー当てつけ用の凹部８が形成されている。
【００４７】
次に、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図９に基づいて説明する。まず図９の（Ａ）に示すように、第１の参照例と同様にして、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ表裏面にパターニングを行って、マスク酸化膜13ａ，13ｂを形成し、次いでウエハ表面をＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。
【００４８】
次に、図９の（Ｂ）に示すように、ウエハ表面のマスク酸化膜13ｂを除去した後、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法にて形成する。続いて、ウエハ表面をパターニングして、ＫＯＨなどのアルカリ溶液の異方性エッチングにより、ホルダー当てつけ用の凹部51を形成する。
【００４９】
以降の工程は、第１の参照例と全く同様にして、図９の（Ｃ）に示すように、支持部23にホルダー当てつけ用の凹部51を備えたＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００５０】
このような構造及び製造方法により、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部と測定試料間のギャップが小さくなるという課題に対しても、ＳＰＭカンチレバーをＳＰＭ装置のホルダーにセットする際、ホルダーの当てつけ部が、シリコン製支持部１に形成した凹部８に嵌まるため、測定試料とホルダー当てつけ部が接しないようなショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを実現することができる。
【００５１】
ここで、レバー部及び探針部には、第１の参照例と同様に、低応力の窒化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。また、本参照例では、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに、その特徴点を適用した例を示したが、第１の実施の形態あるいは第２の参照例のＳＰＭカンチレバーに適用してもよいことは勿論である。
【００５２】
なお、上記実施の形態及び各参照例では、シリコン化合膜として窒化シリコン膜を用いたものを示したが、これに限定されず、酸化シリコン膜あるいは炭化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、レバー部と同一材料で鋭い先端をもつ探針部を有し、共振周波数が高く高速測定が可能なショートレバー型のＳＰＭカンチレバーを簡単に精度良く製造可能となる。また、レバー部のレバー長のばらつきを低減して、短いレバー長のレバー部を備えている場合でも精度良くばらつきのない安定した高い共振周波数が得られると共に、ウエハの厚さのばらつきやエッチングのばらつきが発生しても、ばらつきを吸収し安定した高い共振周波数が得られるショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例を示す断面図である。
【図２】 図１に示した第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図３】 図２に示した製造方法における探針部の形成方法を示す説明図である。
【図４】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図５】 図４に示した第１の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図６】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第２の参照例を示す断面図及び正面図である。
【図７】 図６に示した第２の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図８】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第３の参照例を示す断面図である。
【図９】 図８に示した第３の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図10】 従来のガラス支持部をもつＳＰＭカンチレバーの構成を示す断面図である。
【図11】 従来のガラス支持部をもつショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの問題点を示す説明図である。
【図12】 ウエハ基板の厚さばらつきや異方性ウエットエッチングのばらつきがレバー部の固定端に与える影響を示す説明図である。
【図13】 ＳＰＭカンチレバーを装置のホルダーに装着したときのホルダー当てつけアームと試料との関係を示す説明図てある。
【図14】 ＳＰＭカンチレバーが装置のホルダーに傾いてセットされた場合における問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１ シリコン製支持部
２ レバー部
３ 探針部
４ レバー部の固定端
５ レバー部の固定端と接する支持部のレバー部伸長方向面
６ バッファ部
７ 突出部
８ ホルダー当てつけ用凹部
11 単結晶シリコンウエハ
12 レバー部の固定端位置
13 マスク酸化膜
14 窒化シリコン膜
15 マスク窒化シリコン膜
16 （１１１）斜面
17 窒化シリコン膜
18 探針部
19 表面保護用ＣＶＤ酸化膜
20 垂直孔
21 （１１１）斜面
22 ひさし領域
23 支持部
24 探針部
25 第１のマスクパターン
26 第２のマスクパターン
31 単結晶シリコンウエハ
32 窒化シリコン膜
33 マスク窒化シリコン膜
34 （１１１）斜面
35 酸化膜
36 バッファ部形成用凹部
37 マスク酸化膜
38 バッファ部
39 窒化シリコン膜
40 探針部
41 レバー部
42 表面保護用ＣＶＤ酸化膜
43 支持部
46 突出部
51 ホルダー当てつけ用凹部
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いるＳＰＭカンチレバー、特にレバー長の短いショートレバー型のＳＰＭカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のＳＰＭカンチレバーとして、ピラミダル探針部を有するＳＰＭカンチレバーの断面構造を、図10に示す。図10において、101 はガラスを加工して作製したカンチレバー支持部、102 は支持部101 に支持され該支持部101 より伸びるように配置されたレバー部、103 はレバー部102 の自由端側に測定試料表面104 に向かって配置されたピラミダル探針部であり、レバー部102 及び探針部103 は窒化シリコン製である。そして、市販のＳＰＭカンチレバーでは、レバー部102 の支持部101 より伸びている部分の長さであるレバー長は、60μｍ以上であり、一般には 200μｍ程度の長さのカンチレバーが使われている。探針部先端の曲率半径は20nm〜40nm以下で、分解能が高く、高解像度の測定が可能であり、バネ定数も１Ｎ／ｍ以下と低く、測定試料が柔らかい場合も測定が可能であるが、共振周波数は大気中でもせいぜい数十ｋＨz である。
【０００３】
一方、シリコン製のテトラ探針部を有するＳＰＭカンチレバーにおいても、探針部先端の曲率半径は10nm程度以下ではあるが、一般にはレバー部のレバー長は 100μｍから 250μｍと長く、共振周波数は大気中で数百ｋＨz ，液中では高々数十ｋＨz 程度である。また、レバー部の厚さに関しては、厚い方が制御しやすいため製造も容易であるが、極端に硬く、バネ定数の大きな特性のものになってしまい、ＳＰＭ測定の際には、測定試料及び探針部にダメージを与えてしまう。したがって、レバー部の厚さは薄い方が好ましいが、シリコンの薄膜制御は非常に難しいため、２〜５μｍのレバー厚のものが多く利用されている。このようなＳＰＭカンチレバーにおいては、バネ定数は窒化シリコン製のピラミダル探針を有するＳＰＭカンチレバーに比べて高く、数十Ｎ／ｍ程度の特性をもつものもある。
【０００４】
しかしながら、最近はＳＰＭ測定において高速化や高解像度化の要求が高くなっており、そのためには共振周波数が高く、且つ測定試料が柔らかい場合には傷つけずにスキャンさせるために、バネ定数の小さい柔らかなレバーが要求される。従来のＳＰＭカンチレバーでは共振周波数が低いため、高速化の要求を満たすことが困難になったり、比較的共振周波数が高いＳＰＭカンチレバーであると、バネ定数が大きいため、測定試料や探針部にダメージを与えてしまう。更に、ガラス製支持部101 を備えたレバー長が短いＳＰＭカンチレバーの場合は、図11に示すように、レーザー光111 がガラス支持部101 に遮られてしまい、レバー部112 の表面まで届かない問題が生じ、測定自体できないことが発生する。
【０００５】
また、ＥＢＤ（Electron Beam Deposition）で探針部を形成したり、ＣＮＴ（Carbon Nano Tube）を用いて探針部を形成して、ＳＰＭカンチレバーの探針部の質量を軽減し、共振周波数を高くする手法がある。しかし、探針部先端の曲率半径は、50nm〜10nmと大きくなるため、分解能が低下し、高解像度の測定が不可能になってしまうと共に、これらの探針部を精度良く形成するのは、非常に困難である。またＥＢＤ，ＣＮＴ探針部は、その取り付け部の接着強度が弱く、測定中に脱落してしまう問題も発生する。
【０００６】
以上のような不具合を解消するものとして、レバー部のレバー長の短いＳＰＭカンチレバー、いわゆるショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが注目を浴びている。ＳＰＭカンチレバーの共振周波数は、レバー長とレバー厚に依存しており、レバー長をＬ，レバー厚をｔとすれば共振周波数ｆは、ｆ∝（ｔ／Ｌ2 ）のように表すことができる。すなわち、レバー長を短く、レバー厚を厚くすれば共振周波数は高くなるが、レバー長の方が支配的であるため、レバー厚を厚くするよりもレバー長を短くすれば、その効果は顕著になる。
【０００７】
研究あるいは実験レベルのショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、レバー長は10μｍ程度のものが試作されており、共振周波数は大気中では１〜２ＭＨz 以上、液中でも 500ｋＨz 以上が可能である。更に、バネ定数ｋは、レバー厚ｔとレバー長Ｌとの間に、ｋ∝ｔ3 ／Ｌ3 のような関係がある。したがって、窒化シリコン製のレバー部を備えたＳＰＭカンチレバーの場合、薄膜制御が比較的容易であるため、３乗で効いてくるレバー厚を薄くすることができ、共振周波数が高い状態でバネ定数を小さくすることができるので、柔らかなＳＰＭカンチレバーを用いて高速測定が可能になる。勿論、共振周波数やバネ定数以外にも、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーにすることで、レバー部面積が小さくなり、レバー部の揺らぎに起因する測定ノイズも小さくなり、測定精度は向上する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーには、次のような課題がある。まず、支持部を含めた全体の長さが３mm〜４mmのＳＰＭカンチレバーの先端に、10μｍ程度のレバー部を設け、そして該レバー部の先端に探針部を形成する必要があり、このように非常に短いレバー部を精度よく、ばらつきを抑えて形成するのは非常に困難である。
【０００９】
従来のＳＰＭカンチレバーの製造方法では、シリコン基板表面側にレバー部や探針部を形成した後、支持部となる形状を、異方性ウエットエッチングによってシリコン基板の裏面側より形成するため、図12に示すように、レバー部202 の固定端202aの位置が、シリコンウエハ基板の厚さのばらつきや異方性ウエットエッチングばらつきによって、矢印で示すように大きく左右されてしまう。具体的には、支持部201 の厚さが 300μｍ程度のＳＰＭカンチレバーでは、最低でも±10μｍ程度以上のレバー部202 のレバー長のばらつきが発生する。なお、図12において、203 は探針部である。したがって、長さが50μｍ程度以下のレバー部202 を形成する場合、このばらつきは致命的であり、最悪の場合には、設計通りのレバー長を有するレバー部が形成できなくなってしまう。
【００１０】
このようなレバー部のレバー長のばらつきを抑えるには、Ｓi ウエハの厚さのばらつきが小さいものを用い、且つ支持部形成時のエッチングのばらつきを抑える必要があるが、その方法も容易ではない。また、ＳＰＭカンチレバーの製造コストも非常に高くなってしまう。更に、レバー部のレバー長のばらつきにより共振周波数がばらついてしまい、レバー長が短くなった場合は、バネ定数が高くなり測定試料にダメージを与えるだけでなく、探針部の磨耗を促進させることになる。逆にレバー長が長くなった場合は、共振周波数が低下し高速動作ができなくなる。
【００１１】
一方、図13の（Ａ）に示すように、従来の原子間力顕微鏡などのＳＰＭで測定するとき、ＳＰＭカンチレバー301 を試料302 に対して10°程度傾けてホルダー303 に装着している。そのため、ＳＰＭカンチレバー301 の全体の長さ（チップ長）が３mm程度の場合、中心部をホルダー当てつけアーム304 の当てつけ部とすると、ホルダー当てつけアーム304 と試料302 とのギャップは0.25mm程度となり、図示のような測定状態になる。これがショートレバー型のＳＰＭカンチレバー305 の場合、図13の（Ｂ）に示すように、そのギャップが10％以上狭まり、ホルダー当てつけアーム304 が試料302 と接触してしまう問題が発生してしまう。また、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーにより高速動作を行う場合、探針部の質量が大きい場合には共振周波数を低下させる原因になってしまい、高速動作が行えない。
【００１２】
更に、図14の（Ａ），（Ｂ）に示すようにＳＰＭカンチレバー301 ，305 の支持部301a，305aが傾いてホルダー303 にセットされていると、図14の（Ａ）に示すような従来のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部301aと測定試料302 間のギャップが十分あるため、支持部301aの肩部が測定試料302 に接触することはない。それに対し、図14の（Ｂ）に示すようにショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部305aの肩部分が容易に測定試料302 と接触してしまい、取り扱いが難しい。以上のように、精度のよい測定が不可能になるばかりか、測定自体ができなくなる恐れがある。
【００１３】
本発明は、上記課題に鑑みなされたもので、共振周波数が高く高速測定が可能なショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを簡単に精度良く製造可能とし、ウエハの厚さや異方性ウエットエッチングのばらつきを発生しても、レバー部のレバー長のばらつきを低減して、短いレバー長のレバー部でも精度良く、ばらつきのない安定した高い共振周波数が得られるようにしたＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、単結晶シリコン製支持部と、該支持部に固定され該支持部より伸びるように配置されたシリコン又はシリコン化合膜からなるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に設けられたシリコン又はシリコン化合膜からなる探針部とを備え、前記レバー部のレバー長を50μｍ以下としたＳＰＭカンチレバーにおいて、前記レバー部の固定端部分に、少なくとも一部分が前記支持部内に形成され、アルカリ溶液に対しシリコンとの選択比が50以上あるシリコン化合膜からなるバッファ部が設けられていることを特徴とするものである。
【００１５】
このように構成されたＳＰＭカンチレバーにおいては、レバー部の固定端部分に少なくとも一部分が支持部内に形成されたバッファ部が設けられているので、ウエハの厚さのばらつきあるいは異方性ウエットエッチングのばらつきが発生したとしても、ばらつきはバッファ部で吸収され、レバー部のレバー長のばらつきが抑えられた安定した共振周波数を有するＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。まず最初に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例について説明する。図１は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例を示す断面図である。図１において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１の下面に固定支持され該支持部１より伸びるように配置された窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部である。そして、レバー部の支持部１に対する固定端４に接する支持部１のレバー部伸長方向面５は、（１１１）面からなる後退傾斜面で形成されており、またレバー部２の支持部１から伸びているレバー長は、10μｍに設定されている。
【００１７】
次に、図１に示した第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図２に基づいて説明する。まず図２の（Ａ）に示すように、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ裏面側にパターニングを行って、後述する支持部形成時のエッチングマスクとなる領域の酸化膜を残して不要な酸化膜を除去し、マスク酸化膜13を形成する。このとき、マスク酸化膜13は、レバー部固定端の位置12より若干内側、つまりレバー部自由端側に伸ばして形成される。
【００１８】
次に、図２の（Ｂ）に示すように、減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜14をウエハ11の両面に形成し、ウエハ表面側にパターニングを行い、探針部形成時のマスクとなる領域の窒化シリコン膜を残して表面側の不要な窒化シリコン膜を除去し、マスク窒化シリコン膜15を形成する。
【００１９】
次に、図２の（Ｃ）に示すように、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、ウエハ11の表面側に探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。ここで、エッチングする深さは、探針部の長さにある程度の余裕をもたせた深さとする。例えば、３μｍの探針長の探針部を形成する場合には、５μｍ程度のエッチング深さでよい。
【００２０】
次に、図２の（Ｄ）に示すように、ウエハ11の両面に形成されている窒化シリコン膜14，15を熱リン酸にて除去した後、レバー部及び探針部となる薄膜の窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法で形成する。ここでレバー部及び探針部を形成する窒化シリコン膜としては、一般的な窒化シリコン膜でもよいが、低応力の窒化シリコン膜がより好ましい。具体的には、膜応力としては圧縮応力あるいは引っ張り応力のいずれでもよく、膜応力が 200Ｍpa（パスカル）以下の低応力窒化シリコン膜が好適である。
【００２１】
このような低応力窒化シリコン膜を用いることにより、膜厚が 0.1μｍ程度の非常に薄いレバー部を形成する場合であっても、膜応力を低減でき、下地のシリコン基板（シリコンウエハ11）から離脱してフリーな状態になっても、応力による反りを抑えることができるため、レーザー反射光を感度よくフォトディテクターで検出することができる。なお、低応力窒化シリコン膜は、減圧ＣＶＤの反応ガスであるジクロールシランガスとアンモニアガスの混合比を、ジクロールシランガスを多めにすることにより達成できる。
【００２２】
次に、図２の（Ｅ）に示すように、（１１１）斜面16に探針部18を形成する。ここで、探針部の形成にあたっては２枚のマスクを用いて行う。具体的には、図３の（Ａ）に示すように、第１のマスクパターン25で露光を行い、続いて図３の（Ｂ）に示すように、第２のマスクパターン26を用いて露光を行ってからエッチングを行う。あるいは、図３の（Ａ）に示す第１のマスクパターン25を用いて露光及びエッチングを行い、続いて図３の（Ｂ）に示す第２のマスクパターン26を用いて露光及びエッチングを行う。その結果、先端がよりシャープな探針部18が形成される。これは、２枚のマスクパターン25，26のパターンエッジの交点により探針部が形成されるため、１枚のマスクで探針部を形成する場合に比べて、露光の影響が少なくなり、探針部の頂角がより鋭くなるためである。
【００２３】
次に、図２の（Ｆ）に示すように、表面保護用のＣＶＤ酸化膜19を形成する。次に、図２の（Ｇ）に示すように、ウエハ裏面側の窒化シリコン膜17を除去した後、マスク酸化膜13をマスクとして、裏面側からエッチングを行う。このときのエッチングは、Deep−ＲＩＥ法により垂直に行うもので、マスク酸化膜13がレバー部固定端位置12より内側、つまりレバー部自由端側に伸びて形成されているため、レバー部固定端位置12より内側に垂直孔20を形成する。
【００２４】
次に、図２の（Ｈ）に示すように、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて、Deep−ＲＩＥ法によって形成された垂直孔20の垂直面20ａを、ウエットエッチングすることにより、支持部の（１１１）斜面21の一部である、レバー部に対する固定端21ａが形成される。ここで、ウエットエッチングレートは、（１００）面の方が（１１１）面に対して 100倍程度速いが、（１１１）斜面21もエッチングされ、レバー部に対する固定端21ａが図示のように後退する。そのため、図２の（Ａ）で示したマスク酸化膜13の位置で最終的にレバー部のレバー長を決定することができる。
【００２５】
次に、図２の（Ｉ）に示すように、ウエハ裏面のマスク酸化膜13を除去した後、再度ＫＯＨなどのアルカリ溶液にてエッチングすることにより、ウエハのひさし領域22を除去し、次いで表面酸化膜19をフッ酸系のエッチング液で除去して、支持部23とレバー部24と探針部18とからなるＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００２６】
このような構造及び製造方法により、レバー部のレバー長のばらつきを抑えたショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが実現でき、支持部のレバー部伸長方向面〔（１１１）斜面21〕は後退傾斜面となるため、支持部によるレーザー光のけられもなくなり、高い共振周波数を有して高速スキャンも可能となる。
【００２７】
なお、本参照例では、ウエハ裏面側よりDeep−ＲＩＥ法によって垂直加工してから、アルカリ溶液のウエットエッチングによる垂直面の加工処理を用いているが、これに限定されず、レバー部と支持部を保護して、それ以外のシリコン基板を表面よりDeep−ＲＩＥによって垂直加工してから、アルカリ溶液によるウエットエッチング加工処理を用いてもよいことは言うまでもなく、Deep−ＲＩＥ法の垂直制御性を考慮すると、表面側からのエッチングの方が望ましい。
【００２８】
また、本参照例では、レバー部及び探針部を窒化シリコン膜で形成したものを示したが、レバー部及び探針部はポリシリコンあるいはアモルファスシリコンなどのシリコン膜で形成してもよい。この場合は、図２の（Ｄ）に示した工程において、窒化シリコン膜を形成する代わりに、ポリシリコンあるいはアモルファスシリコン膜をＣＶＤ法等に形成すればよい。
【００２９】
次に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態について説明する。図４は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を示す断面図である。本実施の形態は、第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーのレバー部の固定端付近に、バッファ部を形成したものである。すなわち、図４において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部、６はレバー部２の固定端４の位置を正確に決定するためのバッファ部で、レバー部２の固定端部分に形成されており、そしてレバー部２の固定端４に接する支持部１の傾斜面５は（１１１）面にて形成されている。
【００３０】
次に、本実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図５に基づいて説明する。まず図５の（Ａ）に示すように、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ31の表裏両面に、減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜32を形成し、ウエハ表面側にパターニングを行って、探針部形成時のエッチングマスクとなる領域の窒化シリコン膜を残して不要な窒化シリコン膜を除去し、マスク窒化シリコン膜33を形成した後、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面34を形成する。ここで、エッチングする深さは、探針部の長さにある程度の余裕をもたせた深さとする。例えば、３μｍの探針長の探針部を形成する場合には、５μｍ程度のエッチング深さでよい。
【００３１】
次に、ウエハ面上の窒化シリコン膜32，33を熱リン酸で除去した後、ウエハ両面に酸化膜35を形成し、ウエハ表面においてレバー部の固定端に形成されるバッファ部のパターニングを行う。続いて図５の（Ｂ）に示すように、バッファ部の領域のウエハ表面をDeep−ＲＩＥ法を用いて１μｍ程度エッチングして、凹部36を形成する。更に、ウエハ裏面側の酸化膜にパターニングを行って、支持部のエッチングを行う際のマスク領域となるマスク酸化膜37を形成する。
【００３２】
次に、図５の（Ｃ）に示すように、ウエハ表面に形成されていた酸化膜35をエッチングし、ウエハ両面全面にわたって減圧ＣＶＤ法により窒化シリコン膜を形成して、バッファ部形成用凹部36を窒化シリコン膜で埋めてバッファ部38を形成した後、その他の窒化シリコン膜をエッチング除去する。ここで形成される窒化シリコン膜からなるバッファ部38は、ウエハを構成するシリコンとのエッチング時の選択比を、容易に50以上とすることができる。なお、このバッファ部は酸化シリコン膜などでも形成することができる。
【００３３】
次に、図５の（Ｄ）に示すように、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜39を再度減圧ＣＶＤ法にてウエハ31の両面に形成し、次いで、図５の（Ｅ）に示すように、第１の実施の形態と同様に２枚のマスクを用いて、探針部40及びレバー部41を形成する。ここでは第１の参照例と同様に、窒化シリコン膜39としては低応力の窒化シリコン膜が好ましい。次いで、表面保護用のＣＶＤ酸化膜42を形成し、裏面に形成されていた窒化シリコン膜39も除去する。
【００３４】
次に、図５の（Ｆ）に示すように、ウエハ裏面からマスク酸化膜37をマスクとして、ＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングを行って、支持部43を作製する。このとき、ウエハ裏面から直接エッチングを行うと、ウエハの厚さあるいはエッチングレートなどのばらつきにより、エッチング終点の位置が所望の位置に定まらないことが多々あるが、バッファ部38を設けているため、バッファ部38の領域内にエッチング終点位置が入ればよい。
【００３５】
ここでは、ウエハ裏面から直接異方性エッチングを行って支持部を形成しているが、第１の参照例と同様にして、Deep−ＲＩＥを用いて支持部を作製してもよいことは言うまでもない。
【００３６】
最後に図５の（Ｇ）に示すように、探針部40及びレバー部41の表面の酸化膜42及び裏面のマスク酸化膜37をフッ酸により取り除いて、ＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００３７】
このような構造及び製造方法により、レバー部の固定端部に、レバー部の固有振動数とは測定上問題とならないほど大きな共振周波数を有する厚膜のバッファ部を設けているために、ウエハ厚さのばらつき、あるいは支持部形成時にエッチングのばらつきがあっても、ばらつきはバッファ部により吸収されるため、レバー部のレバー長への影響はなく、レバー長のばらつきを抑えると共に、安定した共振周波数を有するショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを実現することができる。
【００３８】
次に、第２の参照例について説明する。図６は、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第２の参照例を示す断面図である。本参照例は、支持部底面の一部に高さ数μｍ〜十数μｍの突出部を長手方向に設け、その突出部にレバー部を固定支持し、その突出部から伸びるように形成するものである。ここでは、第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーに、本参照例の特徴を適用したものについて説明する。
【００３９】
図６の（Ａ）において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した、底面に突出部７を有する支持部、２は支持部１の突出部７の底面より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部であり、レバー部２の固定端４に接する支持部１の傾斜面５は（１１１）面にて形成されている。ここで、図６の（Ｂ）の正面図に示すように、支持部１は通常の支持部とは異なり、底面に突出部７を備えており、レバー部２は突出部７に固定支持され、該突出部７より伸びるように形成されている。
【００４０】
次に、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図７に基づいて説明する。まず図７の（Ａ）に示すように、第１の参照例と同様にして、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ表裏面にパターニングを行って、マスク酸化膜13ａ，13ｂを形成し、次いでウエハ表面をＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。
【００４１】
次に、図７の（Ｂ）に示すように、ウエハ表面のマスク酸化膜13ｂを除去した後、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法にて形成する。続いて、支持部底面となるウエハ表面において、レバー部面に対応する支持部底面を他の支持部底面から突出させるパターニングを行い、ＫＯＨなどのアルカリ溶液の異方性エッチングにより支持部の底面の突出部46を形成する。
【００４２】
以降の工程は、第１の参照例と全く同様にして、図７の（Ｃ）に示すように、支持部23から突出した突出部の表面に、自由端に探針部18を有するレバー部24が伸びるように形成されているＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００４３】
このような構造及び製造方法により、図６の（Ｂ）に示した正面図からもわかるように、突出部７の肩部が支持部１の肩幅と比較して十分小さく、支持部１と測定試料間の間隙が大きくとれるため、突出部７の肩部が試料面と接触する可能性が解消されると共に、ＳＰＭ装置へのＳＰＭカンチレバーの取り付けも容易になる。したがって、精度の良い安定したＳＰＭ測定が可能となる。ここで、支持部に形成される突出部は、その肩部が支持部肩幅と比較して十分小さく、肩部が試料面と接触しなければ、その高さあるいは幅などの大きさは一切問わない。
【００４４】
なお、支持部面にレバー部を支持する突出部を支持部面から突出形成させるパターニングには、ＲＩＥ等のドライエッチングを用いてよいことは言うまでもない。また、レバー部及び探針部には、第１の参照例と同様に、低応力の窒化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。更に、本参照例では、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに、その特徴点を適用した例を示したが、第１の実施の形態のレバー部の固定端付近にバッファ部を設けたＳＰＭカンチレバーに、本参照例の特徴を適用してもよいことは勿論である。
【００４５】
次に、第３の参照例について説明する。この参照例は、第１の実施の形態並びに第１及び第２の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの支持部に、ＳＰＭ装置への装着の際のホルダー当てつけ用凹部を形成するように構成したものである。ここでは、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに本参照例の特徴を適用した場合について説明する。
【００４６】
本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第３の参照例の断面図を図８に示す。図８において、１は単結晶シリコン基板を加工して作製した支持部、２は支持部１より伸びた窒化シリコン膜からなるレバー部、３はレバー部２の自由端側に形成された窒化シリコン膜からなる探針部、レバー部２の固定端４に接する支持部斜面５は（１１１）面にて形成され、支持部１にはＳＰＭ装置への装着に際してのホルダー当てつけ用の凹部８が形成されている。
【００４７】
次に、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を、図９に基づいて説明する。まず図９の（Ａ）に示すように、第１の参照例と同様にして、（１００）面を有する単結晶シリコンからなるウエハ11の表裏両面に酸化膜を形成し、ウエハ表裏面にパターニングを行って、マスク酸化膜13ａ，13ｂを形成し、次いでウエハ表面をＫＯＨなどのアルカリ溶液にて異方性エッチングをすることにより、探針部を形成する（１１１）斜面16を形成する。
【００４８】
次に、図９の（Ｂ）に示すように、ウエハ表面のマスク酸化膜13ｂを除去した後、レバー部及び探針部となる窒化シリコン膜17を減圧ＣＶＤ法にて形成する。続いて、ウエハ表面をパターニングして、ＫＯＨなどのアルカリ溶液の異方性エッチングにより、ホルダー当てつけ用の凹部51を形成する。
【００４９】
以降の工程は、第１の参照例と全く同様にして、図９の（Ｃ）に示すように、支持部23にホルダー当てつけ用の凹部51を備えたＳＰＭカンチレバーが完成する。
【００５０】
このような構造及び製造方法により、ショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの場合、支持部と測定試料間のギャップが小さくなるという課題に対しても、ＳＰＭカンチレバーをＳＰＭ装置のホルダーにセットする際、ホルダーの当てつけ部が、シリコン製支持部１に形成した凹部８に嵌まるため、測定試料とホルダー当てつけ部が接しないようなショートレバー型ＳＰＭカンチレバーを実現することができる。
【００５１】
ここで、レバー部及び探針部には、第１の参照例と同様に、低応力の窒化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。また、本参照例では、第１の参照例のＳＰＭカンチレバーに、その特徴点を適用した例を示したが、第１の実施の形態あるいは第２の参照例のＳＰＭカンチレバーに適用してもよいことは勿論である。
【００５２】
なお、上記実施の形態及び各参照例では、シリコン化合膜として窒化シリコン膜を用いたものを示したが、これに限定されず、酸化シリコン膜あるいは炭化シリコン膜を用いてもよいことは言うまでもない。
【００５３】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、レバー部と同一材料で鋭い先端をもつ探針部を有し、共振周波数が高く高速測定が可能なショートレバー型のＳＰＭカンチレバーを簡単に精度良く製造可能となる。また、レバー部のレバー長のばらつきを低減して、短いレバー長のレバー部を備えている場合でも精度良くばらつきのない安定した高い共振周波数が得られると共に、ウエハの厚さのばらつきやエッチングのばらつきが発生しても、ばらつきを吸収し安定した高い共振周波数が得られるショートレバー型のＳＰＭカンチレバーが実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第１の参照例を示す断面図である。
【図２】 図１に示した第１の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図３】 図２に示した製造方法における探針部の形成方法を示す説明図である。
【図４】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を示す断面図である。
【図５】 図４に示した第１の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図６】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第２の参照例を示す断面図及び正面図である。
【図７】 図６に示した第２の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図８】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する第３の参照例を示す断面図である。
【図９】 図８に示した第３の参照例に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図10】 従来のガラス支持部をもつＳＰＭカンチレバーの構成を示す断面図である。
【図11】 従来のガラス支持部をもつショートレバー型のＳＰＭカンチレバーの問題点を示す説明図である。
【図12】 ウエハ基板の厚さばらつきや異方性ウエットエッチングのばらつきがレバー部の固定端に与える影響を示す説明図である。
【図13】 ＳＰＭカンチレバーを装置のホルダーに装着したときのホルダー当てつけアームと試料との関係を示す説明図てある。
【図14】 ＳＰＭカンチレバーが装置のホルダーに傾いてセットされた場合における問題点を示す説明図である。
【符号の説明】
１ シリコン製支持部
２ レバー部
３ 探針部
４ レバー部の固定端
５ レバー部の固定端と接する支持部のレバー部伸長方向面
６ バッファ部
７ 突出部
８ ホルダー当てつけ用凹部
11 単結晶シリコンウエハ
12 レバー部の固定端位置
13 マスク酸化膜
14 窒化シリコン膜
15 マスク窒化シリコン膜
16 （１１１）斜面
17 窒化シリコン膜
18 探針部
19 表面保護用ＣＶＤ酸化膜
20 垂直孔
21 （１１１）斜面
22 ひさし領域
23 支持部
24 探針部
25 第１のマスクパターン
26 第２のマスクパターン
31 単結晶シリコンウエハ
32 窒化シリコン膜
33 マスク窒化シリコン膜
34 （１１１）斜面
35 酸化膜
36 バッファ部形成用凹部
37 マスク酸化膜
38 バッファ部
39 窒化シリコン膜
40 探針部
41 レバー部
42 表面保護用ＣＶＤ酸化膜
43 支持部
46 突出部
51 ホルダー当てつけ用凹部
Claims (1)
- 単結晶シリコン製支持部と、該支持部に固定され該支持部より伸びるように配置されたシリコン又はシリコン化合膜からなるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に設けられたシリコン又はシリコン化合膜からなる探針部とを備え、前記レバー部のレバー長を50μｍ以下としたＳＰＭカンチレバーにおいて、前記レバー部の固定端部分に、少なくとも一部分が前記支持部内に形成され、アルカリ溶液に対しシリコンとの選択比が50以上あるシリコン化合膜からなるバッファ部が設けられていることを特徴とするＳＰＭカンチレバー。
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