JP4257044B2 - 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー - 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：Atomic Force Microscope ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に用いるカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、原子オーダーの測定分解能を有し、試料表面の凹凸形状の計測などに利用される装置であって広く普及している。ＳＰＭは、探針・試料間に生じるトンネル電流や原子間力等の物理量を検出することにより、この測定量が一定となるように探針と試料の間を所定の距離に保持しながら、両者を相対的にＸＹ方向に走査し、試料表面の微細形状の測定を行うものであり、これらの測定には、先端に探針部を備えたカンチレバーが用いられている。
【０００３】
特開平１−２６２４０３号公報には、このような用途のカンチレバーについて開示がなされている。図12の（Ａ）〜（Ｃ）は、該公報に開示されているカンチレバーの主要部を示す斜視図である。図において、101 ，103 及び105 はレバー部、102 ，104 及び106 は探針部である。図12の（Ａ）及び（Ｂ）に示すカンチレバーは、レバー部101 及び103 の自由端近傍に、それぞれ四角錐状の探針部102 及び円錐状の探針部104 を有している。これらはいずれも、探針部102 ，104はレバー部101 ，103 の自由端には形成されず、自由端近傍に形成されている。一方、図12の（Ｃ）に示すカンチレバーは、レバー部105 の自由端に平面形状の探針部106 を有している。
【０００４】
また、上記公報には、レバー部及び探針部の構成材料として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を用いた実施例が開示されている。図12の（Ａ）に示す四角錐状の探針部102 をもつカンチレバーの製造法としては、シリコン基板に溝を形成し、レバー部及び探針部となるシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を、シリコン基板及び溝部分に形成した後、ガラスからなる支持部をレバー部固定端後方部分と接合すると共に、シリコン基板をエッチングにより除去して製造する手法が示されている。この方法は、いわゆるマイクロキャスト法と呼ばれる方法である。
【０００５】
また、図12の（Ｄ）には、シリコンのエッチング加工により探針部を形成したカンチレバーの代表例として、米国特許第5,021,364 号に開示されているカンチレバーを示す。図12の（Ｄ）に示すように、レバー部107 の自由端に探針部108が形成されているが、この探針部108 は薄膜ではなく、シリコンのブロック片で形成されたバルク状探針部が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のカンチレバーには、次のような課題がある。まず、図12の（Ａ）及び（Ｂ）に示したもののように、レバー部101 ，103 の自由端先端に、探針部102 ，104 が形成されていない構成のカンチレバーでは、探針部がレバー部分に覆われているため、カンチレバー上方からは探針部が隠れた状態となり、見えない状態になっている。したがって、これらのカンチレバーをＳＰＭで用いる場合には、試料と探針部の位置合わせ用の光学顕微鏡から、探針先端部と測定対象物の測定箇所を同時に観察することができず、ＳＰＭ装置にカンチレバーをセットしたときに、測定箇所のマイクロメータレベルの位置合わせが困難になる。
【０００７】
また探針位置が確認できないため、必ずしも最初から試料上の所望の部位の測定を開始できず、測定位置を少しづつずらして操作を行うため、その所望の部位を測定するまでに時間がかかり、結果として測定が終了するまでに長い時間を必要とする。あるいはまた、位置合わせの走査中にゴミなどが付着したり、試料との磨耗で探針部が太くなり、分解能を低下させてしまうことがある。
【０００８】
その点、図12の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようなカンチレバーは、探針部がレバー部の自由端先端にあり、探針部を試料の注目する部位に近づけることが容易である。すなわち使い易い。しかしながら、いずれの構成のものも改善すべき課題をかかえている。すなわち、図12の（Ｃ）に示したカンチレバーでは、探針先端の尖鋭度がフォトリソグラフィーの分解能で頭打ちになるので、高分解能のＳＰＭ測定にとって大切な、尖った探針先端を実現することが難しい。具体的には、探針先端の曲率半径を50nm以下にするのは容易ではない。また、探針部が三角形の平板状であるため探針部は剛性に欠け、試料と探針部との間に大きな力をかけると、レバー部分だけでなく探針部を構成する三角形の平板が変形し、測定が不安定になる。カンチレバーを振動させながら行うＳＰＭの測定法で、このようなカンチレバーを使うと、基本周波数の比較的近くの周波数域に、別の振動モードによるピークが出て、測定が不安定になったり感度が落ちたりする。
【０００９】
また、図12の（Ｄ）に示したカンチレバーでは、探針部108 がシリコンからなるバルク探針部であり、図12の（Ａ）〜（Ｃ）に示した他のカンチレバーと比較すると、同じ探針高さとしたときに、探針部が重くなる。これは、カンチレバーの長さが短く共振周波数の高いカンチレバーを作製するときに、障害になる。すなわち、先端が重い構造となって、共振周波数の高いカンチレバーの設計が難しくなる。
【００１０】
また、ＳＰＭ測定では高分解能測定を行うために、カンチレバーの探針部には極めて尖った先端を有していることが求められるが、この点に関して、図12の（Ａ）に示した四角錐状の探針部102 は、その構造の原理上、その先端を一点に終端させるのが難しく、探針部の尖鋭度について課題を抱えている。これは、四角錐では４つの稜線が探針先端に向かってのびており、４本の線分は理論的には一点では交わらないためである。また、図12の（Ｂ）に示した円錐状の探針部についても、四角錐状探針部が多角錐状探針部となったものが円錐状探針部であると見なすと、上記と同様の理由で、一点に終端した探針部を作るのはなかなか難しい。
【００１１】
更に、当初ＳＰＭは、結晶試料の表面や堆積した薄膜の表面を観察するために使用されていたが、近年はＳＰＭにより、例えば100nm から数μｍのより大きな凹凸をもった試料（例えば半導体ＩＣデバイス）の表面形状をも測定したいというニーズが高まり、探針先端だけでなく探針先端からレバー側に離れた位置での探針部の太さも、より細いものが要望されるようになっている。つまりアスペクト比が高い探針部が求められているが、従来のカンチレバーでは実現が困難であった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、ＳＰＭ測定（走査）を行う前に、試料上の注目する部位に探針部を位置合わせすることが容易であって、高い分解能でのＳＰＭ測定が可能であり、更には高速走査測定にも適した走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。
【００１３】
また、ＳＰＭ測定（走査）を行う前に、試料上の注目する部位への探針部の位置合わせを容易にした結果として、探針部の磨耗や異物の付着による探針部の形状変化を低減し、安定してあるいはより長い時間にわたって安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、構造として安定して尖った探針先端形状を得られる構造であって、アスペクト比の高い探針部を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、探針部の剛性が高く安定して動作する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、低共振周波数から高共振周波数にわたって適用が可能な探針部構造を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、高共振周波数を有するものについては、高速走査測定を可能とする長さの短い走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、請求項毎の目的を述べると、次の通りである。すなわち、請求項１に係る発明は、探針部の位置合わせが容易で、共振周波数の低下が少なく安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。請求項２に係る発明は、請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、アスペクト比の高い探針部を提供することを目的とする。請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、アスペクト比が高く、更に位置合わせの容易な探針部を提供することを目的とする。請求項４〜６に係る発明は、請求項１〜３に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、探針部を形成する薄板の具体的な形状を提供することを目的とする。請求項７に係る発明は、請求項１〜６に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、製造方法が容易となる構成を提供することを目的とする。請求項８に係る発明は、請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、導電性を備えている構成を提供することを目的とする。請求項９に係る発明は、請求項１〜６に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、設計の幅を広げることの可能な構成を提供することを目的とする。請求項10に係る発明は、請求項１〜９に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、探針部及びレバー部の特性を容易に変えることの可能な構成を提供することを目的とする。
【００１５】
【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、支持部と、該支持部より延びたレバー部と、該レバー部の自由端に設けた探針部とを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部は、前記レバー部自由端に形成されたＶ字状の切れ込みの異なる辺をそれぞれ一辺とした２つの薄板を対向させ交わった形状で構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性のある探針部が得られ、探針部の位置合わせが容易で、且つ共振周波数の低下が少なく安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、それぞれ対向している側に反って湾曲していることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性があり、且つ先端が安定して尖ったアスペクト比の高い探針部を提供することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部の頂頭部が、前記レバー部の自由端位置もしくは前記レバー部の自由端より突出した位置に配設されるように構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性があり、且つ先端が安定して尖ってアスペクト比が高く、更に位置合わせがより容易な探針部を提供することができる。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、三角形状であることを特徴とするものであり、また請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、四角形状であることを特徴とするものであり、また請求項６に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、扇形状であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部の剛性を確保したまま軽量化が図られ、共振周波数の低下を抑えることが可能な走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部は、同一部材で一体に形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、容易な製造工程で製作することの可能な走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することができる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部とレバー部とを一体に形成する部材は、導電性膜であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、導電性を有するレバー部と探針部とを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００２１】
請求項９に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部は、異なる部材で形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部の剛性とレバー部のバネ定数、共振周波数等の設計範囲を容易に広げることが可能になる。
【００２２】
請求項10に係る発明は、請求項１〜９のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部の表面に、前記探針部及び前記レバー部の構成部材とは異なる部材の膜が形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部及びレバー部の硬度を調整したり、導電性を付加したりすることが可能になる。
【００２３】
【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、本発明の第１の実施の形態について説明する。本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの第１の実施の形態のレバー部と探針部の全体の構造を図１に示す。図２の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に、図１に示したカンチレバーをそれぞれＡ方向（上面図）、Ｂ方向（側面図）及びＣ方向（正面図）からみた構造を示す。図３には下面からみた拡大斜視図を示す。なお、ここではカンチレバーの支持部は省略して示している。この実施の形態で示すように本発明においては、レバー部１の自由端側に探針部２が形成されている。ここで探針部２は、レバー部１の自由端側に形成されたＶ字状の切れ込みの異なる二辺３及び４をそれぞれ一辺とし、他の一辺を共通にする三角形の２つの薄板５及び６からなり、探針部２の頂頭部７はレバー自由端に位置するように構成されている。すなわち、三角錐の底面及び１つの側面がない形状の探針部２が、レバー部１の先端に形成されていることになる。
【００２４】
レバー自由端すなわち先端部は、両角部を切り落とした形状となっている。これは、レバー先端部には探針部２が存在し、カンチレバーの振れを検出する光を反射する部分として用いることができないため、不要な部分を切り落とした形状となっている。これによりレバー先端まわりの質量が軽減され、且つ探針部が実質的に占有する空間の体積が小さい探針部が形成されることによって、試料とレバー部との間の媒質（空気や水）による振動のダンピングも低減されるので、共振周波数の低下が少なく、応答性のよいレバー先端部の形状となっている。
【００２５】
一例として、レバー部１の長さは 100μｍ，幅は30μｍ，厚さは1500Å，探針部２の高さは７μｍ程度で形成されている。また探針先端の曲率半径は、上記のような薄いレバー部であっても、20nm程度である。レバー部１及び探針部２はシリコン窒化膜から構成されているが、これに限定されるものではない。また、上記のカンチレバー寸法は一例であって、これに限定されるものではない。
【００２６】
次に、上記実施の形態で示したカンチレバーの製造工程の例を図４の（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。なお、図４の（Ａ）〜（Ｆ）は全て断面部分の形状を示している。まず、通常の〈０１１〉方向にあるＯＦ（Orientation Flat）ではなく、〈０１１〉方向から45°傾けた方向にＯＦを有する（１００）面のシリコンウェーハを用意し、該シリコンウェーハからなるシリコン基板８に所望のマスクを用いて、ＫＯＨ（水酸化カリウム），ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ水溶液で異方性エッチングを行い、図４の（Ａ）に示すような探針部形成用溝９をシリコン基板８の一面に複数個形成する。溝９は４つのシリコンの（１１１）面で囲まれた逆ピラミッド型となる。
【００２７】
次に、図４の（Ｂ）に示すように、溝９の表面にシリコン酸化膜10を形成し、尖鋭化酸化処理を行う。このときの熱酸化温度は 950℃以下が望ましい。これは、シリコン酸化膜のガラス転移以下の温度で熱酸化処理することにより、溝頂部のシリコン酸化膜厚が薄膜化し、結果的にシリコン酸化膜10を設けた溝９の凹頂部を尖鋭化させることができるからである。
【００２８】
次に、図４の（Ｃ）に示すように、溝９内部以外のシリコン酸化膜10を取り去り、溝９内のみにシリコン酸化膜11を残す。その上に、レバー部及び探針部となるシリコン窒化膜12を、ＬＰ−ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）等により堆積させる。
【００２９】
次に、図４の（Ｄ）に示すように、レバー部及び探針部を形成するために、レジスト13をパターニングする。ここでは、探針部先端は溝９の中心よりレバー側に位置するように、レジスト13のパターニングを行う。このレジスト13のパターニングの様子をウェーハ上面から見ると、図４の（Ｇ）に示すようになる。すなわち、溝９の斜辺の中間部分にレバー部先端が配置されるようにパターニングが行われる。なお、シリコンウェーハ上のレバー部形成用のレジストパターンは、探針部を形成するために作製した溝９の数に対応して複数個形成される。
【００３０】
次に、図４の（Ｅ）に示すように、ドライエッチングを行ってレバー部14ａ及び探針部14ｂからなるカンチレバー14を形成する。ここで、ドライエッチングはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）が適しているが、これに限定されることなく、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching ）を用いてもよい。このようにして探針部14ｂを形成することにより、探針部先端は必ず１点に終端される。
【００３１】
次に、図４の（Ｆ）に示すように、レバー部（固定端延長上）14ａに接合層15を介してガラスからなる支持部16を接合すると共に、シリコン基板８並びに溝内のシリコン酸化膜11をエッチングにより除去することにより、カンチレバー14が完成する。ここで、接合層15としてはシリコン酸化膜が適している。また、支持部16としてはガラスを用いたものを示したが、これに限定されることなく、シリコン等を接合してもかまわない。
【００３２】
上記一連の製造プロセスは、複数個のカンチレバーが一括して作製されるので、いわゆるバッチファブリケーションによるカンチレバー作製方法であって、低コストでカンチレバーを製造することができる。
【００３３】
本実施の形態のカンチレバーでは、探針部がレバー自由端にあり、光学顕微鏡が組み合わされたＳＰＭ装置に取り付けて使用することによって、測定（走査）を行う際、試料上の注目する部位に短時間で探針部を位置合わせすることが容易になり、測定時間の短縮化を図ることかできる。また、探針部先端は、３つの稜線が交わって形成されており、原理的に尖りやすい構造であり、安定して鋭い探針部先端が実現できる。したがって、この構成のカンチレバーを用いれば、高い分解能でのＳＰＭ測定が可能となる。また、探針部は２つの薄板がもたれかかり合った構造となっているので、三次元の構造体として十分な剛性を有している。
【００３４】
それに加え、探針部の重量が小さいので、バネ定数が小さく且つ高い共振周波数用の短いカンチレバーに応用することができ、重量の重い探針部をレバー先端に形成した場合と比べ、より高い共振周波数のカンチレバーとすることが可能になる。例えば、高速走査ＳＰＭ測定に使うカンチレバーとか、低振動ノイズの柔らかく長さの短いカンチレバーなどを構成するときに、本実施の形態の構成は有効である。
【００３５】
なお、本実施の形態では、レバー部及び探針部の材料として絶縁性のシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることなく、シリコン窒化膜以外の膜を用いてもよい。例えば、導電性を有するＤＬＣ（Diamond Like Carbon）を用いてもよい。このようにレバー部及び探針部に導電性を付加することにより、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscope ）のカンチレバーとしても使用可能になり、またレバー部の静電気の帯電も防止することができ、静電気の帯電による測定試料とレバー部の悪影響も低減できることになり、測定精度を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態では、探針部を構成する薄板は三角形とし、探針頂頭部の位置はレバー自由端位置としたものを示したが、図５〜図７に示すような形態にすることも可能である。すなわち、図５の（Ａ），（Ｂ）には探針部を構成する薄板を四角形薄板18としたものを示し、図６の（Ａ），（Ｂ）には薄板を変形の三角形薄板19としたものを示し、図７の（Ａ），（Ｂ）には薄板を扇形薄板20としたものを示しており、更に各探針部の探針頂頭部の位置を、レバー自由端から突出した位置としたものである。このような構造とするとにより、位置合わせの精度が更に向上するものと考えられる。更に上記図５〜図７に示した変形例においては、探針頂頭部の位置をレバー自由端から固定端方向に移動させた位置にした構成としてもかまわない。このような形状にすると、探針部を構成する薄板がより小さくて済むため、探針部の質量を低減させる効果が得られる。
【００３７】
更に、本実施の形態では、レバー自由端の両角部を切り落とした形状としたものを示したが、これに限定されることなく、図８の（Ａ）に示すように角部をそのまま残した長方形角部21をもつレバー自由端、あるいは図８の（Ｂ）に示すように角部に曲率Ｒをもたせ、丸みを帯びた角部22をもつレバー自由端でも良いことは勿論である。レバー自由端を長方形形状にすれば、製法が容易になると共に、角部に曲率Ｒをもたせれば、角部を切り落とした形状と同様な効果が得られる。
【００３８】
更に、本実施の形態に関する製造方法においては、通常の方向よりＯＦを45°傾けたウェーハを用いて説明したが、通常のＯＦを有するウェーハを用いて、レバー部及び探針部の形成時にフォトマスクを45°傾けてフォトリソグラフィを行うことも可能である。また、レバー部をＬＰ−ＣＶＤ等を用いて堆積する方法にすると、シリコン等をエッチングしてレバー部を形成する手法に比べ、薄膜レバー部が容易に安定に作製できる副次的効果も得られる。
【００３９】
次に、第２の実施の形態について、図９を参照しながら説明する。図９に示すように、本実施の形態に係るカンチレバーにおいては、探針部を構成する薄板24が図示のように内側に反って湾曲した構成となっている。これにより、探針部頂角が探針部先端に向けて小さくなり、第１の実施の形態のものに比べ探針部先端のアスペクト比が向上する。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同じである。
【００４０】
この第２の実施の形態に係るカンチレバーの製造方法は、第１の実施の形態に関する製造方法とほぼ同じであるが、図４の（Ｂ）に示す工程において、尖鋭化酸化処理を十分長く行えばよい。このように第２の実施の形態によれば、アスペクト比が向上するため、凸凹の大きな試料を測定するときに有効となる。
【００４１】
次に、第３の実施の形態について、図10の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照しながら説明する。図10の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、26，28，29及び30はシリコン炭化膜からなるレバー部、27はシリコン窒化膜からなる探針部で、上記第１あるいは第２の実施の形態で説明したと同様な形状を有しているが、上記のように、両者はそれぞれ異なる部材で別体に形成されている。図10の（Ａ）及び（Ｂ）に示す構造のものは、レバー部26及び28と探針部27は片面のみで接合されている。この構造では、探針部27がレバー部片面のみでの保持となるので、接合剛性はそれほど強くはない。一方、図10の（Ｃ）に示す構造では、探針部27を２枚のレバー部29及び30の自由端部で挟み込むようにして接合している。この場合は、探針部27をレバー部で両面保持できるため、接合剛性はより強固となる。ここで、レバー部と探針部は、ＬＰ−ＣＶＤ等で形成されている。
【００４２】
このように、レバー部と探針部を異なる部材で形成することにより、カンチレバーの設計の幅が広がる。例えば、探針部に高い硬度を有する材料を、レバー部に低い硬度を有するカンチレバーを用いれば、探針部の磨耗を防ぐことができると共に、バネ定数の低い柔らかいカンチレバーを作製することができる。バネ定数の低い柔らかいカンチレバーでは、破壊されやすい柔らかな試料も測定できる。その他の例としては、蛍光観察とＳＰＭを同時に行う場合、シリコン窒化膜は材料自体が発光してしまい、測定精度が低下する可能性もある。そのような場合、探針部のみをポリシリコンで形成し、レバーをシリコン窒化膜等で形成することが望ましい。
【００４３】
また、本実施の形態では、レバー部にシリコン炭化膜、探針部にシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることなく、レバー部、探針部それぞれにポリシリコン，シリコン炭化膜，シリコン窒化膜，ＤＬＣ等を適宜組み合わせて用いてもよい。更に、図10の（Ｃ）に示す構造に関しては、探針部を挟み込む２枚のレバー部について同一部材を用いたものを示したが、上下のレバー部で異なる部材を用いてもよいことは勿論である。このとき、レバー部の材質としては、熱膨脹率がほぼ等しい材質が望ましい。このような構造とすることにより、レバー部の反りを低減することができるようになる。更に探針部の先端の向きと反対側に配置されるレバー形成膜に反射率の大きな材料を用いれば、測定時のＳ／Ｎ比が向上し、より高精度な測定が可能になる。
【００４４】
また、図10の（Ｃ）に示す構造において、２枚のレバー部として、故意に膨脹率が異なる膜を用いれば、反ったカンチレバーを作製することができ、側壁等の測定に適用することが可能になる。
【００４５】
次に、第４の実施の形態について、図11を参照しながら説明する。図11において、31，32はシリコン窒化膜からなる探針部及びレバー部、33は探針部31及びレバー部32の表面に形成されている例えば導電性を有するコーティング膜，例えばＰt （白金）膜であり、スパッタリング、蒸着などにより形成されている。このように、絶縁体であるシリコン窒化膜からなるカンチレバーの探針部31及びレバー部32を導電性を有するコーティング膜33でコーティングすることにより、カンチレバーに導電性を付加することができる。
【００４６】
ここで、カンチレバーの材質はシリコン窒化膜に限定されず、シリコン炭化膜などでもよい。またコーティング膜も導電性膜の代わりに、探針部の磨耗をしにくくする場合には、硬度が高い材料などでコーティング膜を形成しても構わない。例えば、コーティング膜としてＤＬＣを用いれば、導電性を付加でき、更に探針部の磨耗が生じにくいカンチレバーを構成することも可能である。
【００４７】
この第４の実施の形態の構成を、上記第１，第２，第３のいずれかの実施の形態で説明したカンチレバーに合わせて適用することが可能である。また、この第４の実施の形態ではコーティング膜を有するカンチレバーを、コーティング膜を含めて２層構造に限定した説明をしたが、カンチレバーを３層以上の構成にすることも、勿論可能である。例えば、シリコン窒化膜の上にＡu を蒸着する場合、中間層としてＣr 等を用いてもよい。また、磁性薄膜をコーティングすることにより、磁気力顕微鏡（Magnetic force Microscopy,ＭＦＭ）のカンチレバーとしても使用できる。この場合、磁性薄膜は例えばニッケルをスパッタリッグ又は蒸着して形成する。
【００４８】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１に係る発明によれば、軽くて剛性のある探針部が得られ、位置合わせが容易で安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。また請求項２に係る発明によれば、軽くて剛性があると共に、よりアスペクト比の高い探針部を得ることができる。また請求項３に係る発明によれば、位置合わせがより容易な探針部を有するカンチレバーを実現することができる。また請求項４〜６に係る発明によれば、剛性を確保したまま軽量化を図った簡単な構成の探針部を実現することができる。また請求項７に係る発明によれば、容易な製造工程で製作することの可能なカンチレバーを提供することができる。また請求項８に係る発明によれば、導電性を有するレバー部と探針部を備えたカンチレバーを提供することができる。また請求項９に係る発明によれば、探針部の剛性やレバー部のバネ定数などの設計範囲を容易に広げることの可能なカンチレバーを提供することができる。また請求項10に係る発明によれば、探針部及びレバー部の特性を容易に変えることを可能にしたカンチレバーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの第１の実施の形態の支持部を除いた全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した実施の形態の主要部の上面図、側面図及び正面図である。
【図３】図１に示した実施の形態の探針部の拡大斜視図である。
【図４】図１に示した第１の実施の形態の製造工程の一例を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の探針部の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図６】第１の実施の形態の探針部の他の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図７】第１の実施の形態の探針部の更に他の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図８】第１の実施の形態のレバー部の自由端の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の探針部を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の断面部分を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態を示す正面図である。
【図１２】従来のカンチレバーの構成例の主要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ レバー部
２ 探針部
３，４ Ｖ字状切れ込み辺
５，６ 探針部構成の薄板
７ 探針部頂頭部
８ シリコン基板
９ 探針部形成用溝
10 シリコン酸化膜
11 溝内シリコン酸化膜
12 シリコン窒化膜
13 レバー形状にパターニングされたレジスト
14 カンチレバー
14ａ レバー部
14ｂ 探針部
15 接合層
16 支持部
17 レバー部
18 四角形薄板
19 変形三角形薄板
20 扇形薄板
21 長方形角部
22 丸みを帯びた角部
24 探針部構成湾曲薄板
26，28，29，30 レバー部
27 探針部
31 探針部
32 レバー部
33 コーティング膜
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に用いるカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は、原子オーダーの測定分解能を有し、試料表面の凹凸形状の計測などに利用される装置であって広く普及している。ＳＰＭは、探針・試料間に生じるトンネル電流や原子間力等の物理量を検出することにより、この測定量が一定となるように探針と試料の間を所定の距離に保持しながら、両者を相対的にＸＹ方向に走査し、試料表面の微細形状の測定を行うものであり、これらの測定には、先端に探針部を備えたカンチレバーが用いられている。
【０００３】
特開平１−２６２４０３号公報には、このような用途のカンチレバーについて開示がなされている。図12の（Ａ）〜（Ｃ）は、該公報に開示されているカンチレバーの主要部を示す斜視図である。図において、101 ，103 及び105 はレバー部、102 ，104 及び106 は探針部である。図12の（Ａ）及び（Ｂ）に示すカンチレバーは、レバー部101 及び103 の自由端近傍に、それぞれ四角錐状の探針部102 及び円錐状の探針部104 を有している。これらはいずれも、探針部102 ，104はレバー部101 ，103 の自由端には形成されず、自由端近傍に形成されている。一方、図12の（Ｃ）に示すカンチレバーは、レバー部105 の自由端に平面形状の探針部106 を有している。
【０００４】
また、上記公報には、レバー部及び探針部の構成材料として、シリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を用いた実施例が開示されている。図12の（Ａ）に示す四角錐状の探針部102 をもつカンチレバーの製造法としては、シリコン基板に溝を形成し、レバー部及び探針部となるシリコン酸化膜又はシリコン窒化膜を、シリコン基板及び溝部分に形成した後、ガラスからなる支持部をレバー部固定端後方部分と接合すると共に、シリコン基板をエッチングにより除去して製造する手法が示されている。この方法は、いわゆるマイクロキャスト法と呼ばれる方法である。
【０００５】
また、図12の（Ｄ）には、シリコンのエッチング加工により探針部を形成したカンチレバーの代表例として、米国特許第5,021,364 号に開示されているカンチレバーを示す。図12の（Ｄ）に示すように、レバー部107 の自由端に探針部108が形成されているが、この探針部108 は薄膜ではなく、シリコンのブロック片で形成されたバルク状探針部が設けられている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のカンチレバーには、次のような課題がある。まず、図12の（Ａ）及び（Ｂ）に示したもののように、レバー部101 ，103 の自由端先端に、探針部102 ，104 が形成されていない構成のカンチレバーでは、探針部がレバー部分に覆われているため、カンチレバー上方からは探針部が隠れた状態となり、見えない状態になっている。したがって、これらのカンチレバーをＳＰＭで用いる場合には、試料と探針部の位置合わせ用の光学顕微鏡から、探針先端部と測定対象物の測定箇所を同時に観察することができず、ＳＰＭ装置にカンチレバーをセットしたときに、測定箇所のマイクロメータレベルの位置合わせが困難になる。
【０００７】
また探針位置が確認できないため、必ずしも最初から試料上の所望の部位の測定を開始できず、測定位置を少しづつずらして操作を行うため、その所望の部位を測定するまでに時間がかかり、結果として測定が終了するまでに長い時間を必要とする。あるいはまた、位置合わせの走査中にゴミなどが付着したり、試料との磨耗で探針部が太くなり、分解能を低下させてしまうことがある。
【０００８】
その点、図12の（Ｃ）及び（Ｄ）に示すようなカンチレバーは、探針部がレバー部の自由端先端にあり、探針部を試料の注目する部位に近づけることが容易である。すなわち使い易い。しかしながら、いずれの構成のものも改善すべき課題をかかえている。すなわち、図12の（Ｃ）に示したカンチレバーでは、探針先端の尖鋭度がフォトリソグラフィーの分解能で頭打ちになるので、高分解能のＳＰＭ測定にとって大切な、尖った探針先端を実現することが難しい。具体的には、探針先端の曲率半径を50nm以下にするのは容易ではない。また、探針部が三角形の平板状であるため探針部は剛性に欠け、試料と探針部との間に大きな力をかけると、レバー部分だけでなく探針部を構成する三角形の平板が変形し、測定が不安定になる。カンチレバーを振動させながら行うＳＰＭの測定法で、このようなカンチレバーを使うと、基本周波数の比較的近くの周波数域に、別の振動モードによるピークが出て、測定が不安定になったり感度が落ちたりする。
【０００９】
また、図12の（Ｄ）に示したカンチレバーでは、探針部108 がシリコンからなるバルク探針部であり、図12の（Ａ）〜（Ｃ）に示した他のカンチレバーと比較すると、同じ探針高さとしたときに、探針部が重くなる。これは、カンチレバーの長さが短く共振周波数の高いカンチレバーを作製するときに、障害になる。すなわち、先端が重い構造となって、共振周波数の高いカンチレバーの設計が難しくなる。
【００１０】
また、ＳＰＭ測定では高分解能測定を行うために、カンチレバーの探針部には極めて尖った先端を有していることが求められるが、この点に関して、図12の（Ａ）に示した四角錐状の探針部102 は、その構造の原理上、その先端を一点に終端させるのが難しく、探針部の尖鋭度について課題を抱えている。これは、四角錐では４つの稜線が探針先端に向かってのびており、４本の線分は理論的には一点では交わらないためである。また、図12の（Ｂ）に示した円錐状の探針部についても、四角錐状探針部が多角錐状探針部となったものが円錐状探針部であると見なすと、上記と同様の理由で、一点に終端した探針部を作るのはなかなか難しい。
【００１１】
更に、当初ＳＰＭは、結晶試料の表面や堆積した薄膜の表面を観察するために使用されていたが、近年はＳＰＭにより、例えば100nm から数μｍのより大きな凹凸をもった試料（例えば半導体ＩＣデバイス）の表面形状をも測定したいというニーズが高まり、探針先端だけでなく探針先端からレバー側に離れた位置での探針部の太さも、より細いものが要望されるようになっている。つまりアスペクト比が高い探針部が求められているが、従来のカンチレバーでは実現が困難であった。
【００１２】
本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、ＳＰＭ測定（走査）を行う前に、試料上の注目する部位に探針部を位置合わせすることが容易であって、高い分解能でのＳＰＭ測定が可能であり、更には高速走査測定にも適した走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。
【００１３】
また、ＳＰＭ測定（走査）を行う前に、試料上の注目する部位への探針部の位置合わせを容易にした結果として、探針部の磨耗や異物の付着による探針部の形状変化を低減し、安定してあるいはより長い時間にわたって安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、構造として安定して尖った探針先端形状を得られる構造であって、アスペクト比の高い探針部を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、探針部の剛性が高く安定して動作する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、低共振周波数から高共振周波数にわたって適用が可能な探針部構造を有する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。更にまた、高共振周波数を有するものについては、高速走査測定を可能とする長さの短い走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とするものである。
【００１４】
また、請求項毎の目的を述べると、次の通りである。すなわち、請求項１に係る発明は、探針部の位置合わせが容易で、共振周波数の低下が少なく安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することを目的とする。請求項２に係る発明は、請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、アスペクト比の高い探針部を提供することを目的とする。請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、アスペクト比が高く、更に位置合わせの容易な探針部を提供することを目的とする。請求項４〜６に係る発明は、請求項１〜３に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、探針部を形成する薄板の具体的な形状を提供することを目的とする。請求項７に係る発明は、請求項１〜６に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、製造方法が容易となる構成を提供することを目的とする。請求項８に係る発明は、請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、導電性を備えている構成を提供することを目的とする。請求項９に係る発明は、請求項１〜６に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、設計の幅を広げることの可能な構成を提供することを目的とする。請求項10に係る発明は、請求項１〜９に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、探針部及びレバー部の特性を容易に変えることの可能な構成を提供することを目的とする。
【００１５】
【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、支持部と、該支持部より延びたレバー部と、該レバー部の自由端に設けた探針部とを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部は、前記レバー部自由端に形成されたＶ字状の切れ込みの異なる辺をそれぞれ一辺とした２つの薄板を対向させ交わった形状で構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性のある探針部が得られ、探針部の位置合わせが容易で、且つ共振周波数の低下が少なく安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００１６】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、それぞれ対向している側に反って湾曲していることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性があり、且つ先端が安定して尖ったアスペクト比の高い探針部を提供することができる。
【００１７】
請求項３に係る発明は、請求項１又は２に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部の頂頭部が、前記レバー部の自由端位置もしくは前記レバー部の自由端より突出した位置に配設されるように構成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、軽くて剛性があり、且つ先端が安定して尖ってアスペクト比が高く、更に位置合わせがより容易な探針部を提供することができる。
【００１８】
請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、三角形状であることを特徴とするものであり、また請求項５に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、四角形状であることを特徴とするものであり、また請求項６に係る発明は、請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部を構成する２つの薄板は、扇形状であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部の剛性を確保したまま軽量化が図られ、共振周波数の低下を抑えることが可能な走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００１９】
請求項７に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部は、同一部材で一体に形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、容易な製造工程で製作することの可能な走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することができる。
【００２０】
請求項８に係る発明は、請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部とレバー部とを一体に形成する部材は、導電性膜であることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、導電性を有するレバー部と探針部とを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。
【００２１】
請求項９に係る発明は、請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部は、異なる部材で形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部の剛性とレバー部のバネ定数、共振周波数等の設計範囲を容易に広げることが可能になる。
【００２２】
請求項10に係る発明は、請求項１〜９のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部と前記レバー部の表面に、前記探針部及び前記レバー部の構成部材とは異なる部材の膜が形成されていることを特徴とするものである。このような構成とすることにより、探針部及びレバー部の硬度を調整したり、導電性を付加したりすることが可能になる。
【００２３】
【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、本発明の第１の実施の形態について説明する。本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの第１の実施の形態のレバー部と探針部の全体の構造を図１に示す。図２の（Ａ），（Ｂ）及び（Ｃ）に、図１に示したカンチレバーをそれぞれＡ方向（上面図）、Ｂ方向（側面図）及びＣ方向（正面図）からみた構造を示す。図３には下面からみた拡大斜視図を示す。なお、ここではカンチレバーの支持部は省略して示している。この実施の形態で示すように本発明においては、レバー部１の自由端側に探針部２が形成されている。ここで探針部２は、レバー部１の自由端側に形成されたＶ字状の切れ込みの異なる二辺３及び４をそれぞれ一辺とし、他の一辺を共通にする三角形の２つの薄板５及び６からなり、探針部２の頂頭部７はレバー自由端に位置するように構成されている。すなわち、三角錐の底面及び１つの側面がない形状の探針部２が、レバー部１の先端に形成されていることになる。
【００２４】
レバー自由端すなわち先端部は、両角部を切り落とした形状となっている。これは、レバー先端部には探針部２が存在し、カンチレバーの振れを検出する光を反射する部分として用いることができないため、不要な部分を切り落とした形状となっている。これによりレバー先端まわりの質量が軽減され、且つ探針部が実質的に占有する空間の体積が小さい探針部が形成されることによって、試料とレバー部との間の媒質（空気や水）による振動のダンピングも低減されるので、共振周波数の低下が少なく、応答性のよいレバー先端部の形状となっている。
【００２５】
一例として、レバー部１の長さは 100μｍ，幅は30μｍ，厚さは1500Å，探針部２の高さは７μｍ程度で形成されている。また探針先端の曲率半径は、上記のような薄いレバー部であっても、20nm程度である。レバー部１及び探針部２はシリコン窒化膜から構成されているが、これに限定されるものではない。また、上記のカンチレバー寸法は一例であって、これに限定されるものではない。
【００２６】
次に、上記実施の形態で示したカンチレバーの製造工程の例を図４の（Ａ）〜（Ｇ）に基づいて説明する。なお、図４の（Ａ）〜（Ｆ）は全て断面部分の形状を示している。まず、通常の〈０１１〉方向にあるＯＦ（Orientation Flat）ではなく、〈０１１〉方向から45°傾けた方向にＯＦを有する（１００）面のシリコンウェーハを用意し、該シリコンウェーハからなるシリコン基板８に所望のマスクを用いて、ＫＯＨ（水酸化カリウム），ＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）などのアルカリ水溶液で異方性エッチングを行い、図４の（Ａ）に示すような探針部形成用溝９をシリコン基板８の一面に複数個形成する。溝９は４つのシリコンの（１１１）面で囲まれた逆ピラミッド型となる。
【００２７】
次に、図４の（Ｂ）に示すように、溝９の表面にシリコン酸化膜10を形成し、尖鋭化酸化処理を行う。このときの熱酸化温度は 950℃以下が望ましい。これは、シリコン酸化膜のガラス転移以下の温度で熱酸化処理することにより、溝頂部のシリコン酸化膜厚が薄膜化し、結果的にシリコン酸化膜10を設けた溝９の凹頂部を尖鋭化させることができるからである。
【００２８】
次に、図４の（Ｃ）に示すように、溝９内部以外のシリコン酸化膜10を取り去り、溝９内のみにシリコン酸化膜11を残す。その上に、レバー部及び探針部となるシリコン窒化膜12を、ＬＰ−ＣＶＤ（Low Pressure Chemical Vapor Deposition）等により堆積させる。
【００２９】
次に、図４の（Ｄ）に示すように、レバー部及び探針部を形成するために、レジスト13をパターニングする。ここでは、探針部先端は溝９の中心よりレバー側に位置するように、レジスト13のパターニングを行う。このレジスト13のパターニングの様子をウェーハ上面から見ると、図４の（Ｇ）に示すようになる。すなわち、溝９の斜辺の中間部分にレバー部先端が配置されるようにパターニングが行われる。なお、シリコンウェーハ上のレバー部形成用のレジストパターンは、探針部を形成するために作製した溝９の数に対応して複数個形成される。
【００３０】
次に、図４の（Ｅ）に示すように、ドライエッチングを行ってレバー部14ａ及び探針部14ｂからなるカンチレバー14を形成する。ここで、ドライエッチングはＲＩＥ（Reactive Ion Etching）が適しているが、これに限定されることなく、例えばＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively Coupled Plasma Reactive Ion Etching ）を用いてもよい。このようにして探針部14ｂを形成することにより、探針部先端は必ず１点に終端される。
【００３１】
次に、図４の（Ｆ）に示すように、レバー部（固定端延長上）14ａに接合層15を介してガラスからなる支持部16を接合すると共に、シリコン基板８並びに溝内のシリコン酸化膜11をエッチングにより除去することにより、カンチレバー14が完成する。ここで、接合層15としてはシリコン酸化膜が適している。また、支持部16としてはガラスを用いたものを示したが、これに限定されることなく、シリコン等を接合してもかまわない。
【００３２】
上記一連の製造プロセスは、複数個のカンチレバーが一括して作製されるので、いわゆるバッチファブリケーションによるカンチレバー作製方法であって、低コストでカンチレバーを製造することができる。
【００３３】
本実施の形態のカンチレバーでは、探針部がレバー自由端にあり、光学顕微鏡が組み合わされたＳＰＭ装置に取り付けて使用することによって、測定（走査）を行う際、試料上の注目する部位に短時間で探針部を位置合わせすることが容易になり、測定時間の短縮化を図ることかできる。また、探針部先端は、３つの稜線が交わって形成されており、原理的に尖りやすい構造であり、安定して鋭い探針部先端が実現できる。したがって、この構成のカンチレバーを用いれば、高い分解能でのＳＰＭ測定が可能となる。また、探針部は２つの薄板がもたれかかり合った構造となっているので、三次元の構造体として十分な剛性を有している。
【００３４】
それに加え、探針部の重量が小さいので、バネ定数が小さく且つ高い共振周波数用の短いカンチレバーに応用することができ、重量の重い探針部をレバー先端に形成した場合と比べ、より高い共振周波数のカンチレバーとすることが可能になる。例えば、高速走査ＳＰＭ測定に使うカンチレバーとか、低振動ノイズの柔らかく長さの短いカンチレバーなどを構成するときに、本実施の形態の構成は有効である。
【００３５】
なお、本実施の形態では、レバー部及び探針部の材料として絶縁性のシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることなく、シリコン窒化膜以外の膜を用いてもよい。例えば、導電性を有するＤＬＣ（Diamond Like Carbon）を用いてもよい。このようにレバー部及び探針部に導電性を付加することにより、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscope ）のカンチレバーとしても使用可能になり、またレバー部の静電気の帯電も防止することができ、静電気の帯電による測定試料とレバー部の悪影響も低減できることになり、測定精度を向上させることができる。
【００３６】
また、本実施の形態では、探針部を構成する薄板は三角形とし、探針頂頭部の位置はレバー自由端位置としたものを示したが、図５〜図７に示すような形態にすることも可能である。すなわち、図５の（Ａ），（Ｂ）には探針部を構成する薄板を四角形薄板18としたものを示し、図６の（Ａ），（Ｂ）には薄板を変形の三角形薄板19としたものを示し、図７の（Ａ），（Ｂ）には薄板を扇形薄板20としたものを示しており、更に各探針部の探針頂頭部の位置を、レバー自由端から突出した位置としたものである。このような構造とするとにより、位置合わせの精度が更に向上するものと考えられる。更に上記図５〜図７に示した変形例においては、探針頂頭部の位置をレバー自由端から固定端方向に移動させた位置にした構成としてもかまわない。このような形状にすると、探針部を構成する薄板がより小さくて済むため、探針部の質量を低減させる効果が得られる。
【００３７】
更に、本実施の形態では、レバー自由端の両角部を切り落とした形状としたものを示したが、これに限定されることなく、図８の（Ａ）に示すように角部をそのまま残した長方形角部21をもつレバー自由端、あるいは図８の（Ｂ）に示すように角部に曲率Ｒをもたせ、丸みを帯びた角部22をもつレバー自由端でも良いことは勿論である。レバー自由端を長方形形状にすれば、製法が容易になると共に、角部に曲率Ｒをもたせれば、角部を切り落とした形状と同様な効果が得られる。
【００３８】
更に、本実施の形態に関する製造方法においては、通常の方向よりＯＦを45°傾けたウェーハを用いて説明したが、通常のＯＦを有するウェーハを用いて、レバー部及び探針部の形成時にフォトマスクを45°傾けてフォトリソグラフィを行うことも可能である。また、レバー部をＬＰ−ＣＶＤ等を用いて堆積する方法にすると、シリコン等をエッチングしてレバー部を形成する手法に比べ、薄膜レバー部が容易に安定に作製できる副次的効果も得られる。
【００３９】
次に、第２の実施の形態について、図９を参照しながら説明する。図９に示すように、本実施の形態に係るカンチレバーにおいては、探針部を構成する薄板24が図示のように内側に反って湾曲した構成となっている。これにより、探針部頂角が探針部先端に向けて小さくなり、第１の実施の形態のものに比べ探針部先端のアスペクト比が向上する。その他の構成は、第１の実施の形態とほぼ同じである。
【００４０】
この第２の実施の形態に係るカンチレバーの製造方法は、第１の実施の形態に関する製造方法とほぼ同じであるが、図４の（Ｂ）に示す工程において、尖鋭化酸化処理を十分長く行えばよい。このように第２の実施の形態によれば、アスペクト比が向上するため、凸凹の大きな試料を測定するときに有効となる。
【００４１】
次に、第３の実施の形態について、図10の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）を参照しながら説明する。図10の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）において、26，28，29及び30はシリコン炭化膜からなるレバー部、27はシリコン窒化膜からなる探針部で、上記第１あるいは第２の実施の形態で説明したと同様な形状を有しているが、上記のように、両者はそれぞれ異なる部材で別体に形成されている。図10の（Ａ）及び（Ｂ）に示す構造のものは、レバー部26及び28と探針部27は片面のみで接合されている。この構造では、探針部27がレバー部片面のみでの保持となるので、接合剛性はそれほど強くはない。一方、図10の（Ｃ）に示す構造では、探針部27を２枚のレバー部29及び30の自由端部で挟み込むようにして接合している。この場合は、探針部27をレバー部で両面保持できるため、接合剛性はより強固となる。ここで、レバー部と探針部は、ＬＰ−ＣＶＤ等で形成されている。
【００４２】
このように、レバー部と探針部を異なる部材で形成することにより、カンチレバーの設計の幅が広がる。例えば、探針部に高い硬度を有する材料を、レバー部に低い硬度を有するカンチレバーを用いれば、探針部の磨耗を防ぐことができると共に、バネ定数の低い柔らかいカンチレバーを作製することができる。バネ定数の低い柔らかいカンチレバーでは、破壊されやすい柔らかな試料も測定できる。その他の例としては、蛍光観察とＳＰＭを同時に行う場合、シリコン窒化膜は材料自体が発光してしまい、測定精度が低下する可能性もある。そのような場合、探針部のみをポリシリコンで形成し、レバーをシリコン窒化膜等で形成することが望ましい。
【００４３】
また、本実施の形態では、レバー部にシリコン炭化膜、探針部にシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることなく、レバー部、探針部それぞれにポリシリコン，シリコン炭化膜，シリコン窒化膜，ＤＬＣ等を適宜組み合わせて用いてもよい。更に、図10の（Ｃ）に示す構造に関しては、探針部を挟み込む２枚のレバー部について同一部材を用いたものを示したが、上下のレバー部で異なる部材を用いてもよいことは勿論である。このとき、レバー部の材質としては、熱膨脹率がほぼ等しい材質が望ましい。このような構造とすることにより、レバー部の反りを低減することができるようになる。更に探針部の先端の向きと反対側に配置されるレバー形成膜に反射率の大きな材料を用いれば、測定時のＳ／Ｎ比が向上し、より高精度な測定が可能になる。
【００４４】
また、図10の（Ｃ）に示す構造において、２枚のレバー部として、故意に膨脹率が異なる膜を用いれば、反ったカンチレバーを作製することができ、側壁等の測定に適用することが可能になる。
【００４５】
次に、第４の実施の形態について、図11を参照しながら説明する。図11において、31，32はシリコン窒化膜からなる探針部及びレバー部、33は探針部31及びレバー部32の表面に形成されている例えば導電性を有するコーティング膜，例えばＰt （白金）膜であり、スパッタリング、蒸着などにより形成されている。このように、絶縁体であるシリコン窒化膜からなるカンチレバーの探針部31及びレバー部32を導電性を有するコーティング膜33でコーティングすることにより、カンチレバーに導電性を付加することができる。
【００４６】
ここで、カンチレバーの材質はシリコン窒化膜に限定されず、シリコン炭化膜などでもよい。またコーティング膜も導電性膜の代わりに、探針部の磨耗をしにくくする場合には、硬度が高い材料などでコーティング膜を形成しても構わない。例えば、コーティング膜としてＤＬＣを用いれば、導電性を付加でき、更に探針部の磨耗が生じにくいカンチレバーを構成することも可能である。
【００４７】
この第４の実施の形態の構成を、上記第１，第２，第３のいずれかの実施の形態で説明したカンチレバーに合わせて適用することが可能である。また、この第４の実施の形態ではコーティング膜を有するカンチレバーを、コーティング膜を含めて２層構造に限定した説明をしたが、カンチレバーを３層以上の構成にすることも、勿論可能である。例えば、シリコン窒化膜の上にＡu を蒸着する場合、中間層としてＣr 等を用いてもよい。また、磁性薄膜をコーティングすることにより、磁気力顕微鏡（Magnetic force Microscopy,ＭＦＭ）のカンチレバーとしても使用できる。この場合、磁性薄膜は例えばニッケルをスパッタリッグ又は蒸着して形成する。
【００４８】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、請求項１に係る発明によれば、軽くて剛性のある探針部が得られ、位置合わせが容易で安定して高い分解能での測定を可能とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを実現することができる。また請求項２に係る発明によれば、軽くて剛性があると共に、よりアスペクト比の高い探針部を得ることができる。また請求項３に係る発明によれば、位置合わせがより容易な探針部を有するカンチレバーを実現することができる。また請求項４〜６に係る発明によれば、剛性を確保したまま軽量化を図った簡単な構成の探針部を実現することができる。また請求項７に係る発明によれば、容易な製造工程で製作することの可能なカンチレバーを提供することができる。また請求項８に係る発明によれば、導電性を有するレバー部と探針部を備えたカンチレバーを提供することができる。また請求項９に係る発明によれば、探針部の剛性やレバー部のバネ定数などの設計範囲を容易に広げることの可能なカンチレバーを提供することができる。また請求項10に係る発明によれば、探針部及びレバー部の特性を容易に変えることを可能にしたカンチレバーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの第１の実施の形態の支持部を除いた全体構成を示す斜視図である。
【図２】図１に示した実施の形態の主要部の上面図、側面図及び正面図である。
【図３】図１に示した実施の形態の探針部の拡大斜視図である。
【図４】図１に示した第１の実施の形態の製造工程の一例を示す図である。
【図５】第１の実施の形態の探針部の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図６】第１の実施の形態の探針部の他の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図７】第１の実施の形態の探針部の更に他の変形例を示す上面図及び側面図である。
【図８】第１の実施の形態のレバー部の自由端の変形例を示す図である。
【図９】本発明の第２の実施の形態の探針部を示す斜視図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態の断面部分を示す図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態を示す正面図である。
【図１２】従来のカンチレバーの構成例の主要部を示す斜視図である。
【符号の説明】
１ レバー部
２ 探針部
３，４ Ｖ字状切れ込み辺
５，６ 探針部構成の薄板
７ 探針部頂頭部
８ シリコン基板
９ 探針部形成用溝
10 シリコン酸化膜
11 溝内シリコン酸化膜
12 シリコン窒化膜
13 レバー形状にパターニングされたレジスト
14 カンチレバー
14ａ レバー部
14ｂ 探針部
15 接合層
16 支持部
17 レバー部
18 四角形薄板
19 変形三角形薄板
20 扇形薄板
21 長方形角部
22 丸みを帯びた角部
24 探針部構成湾曲薄板
26，28，29，30 レバー部
27 探針部
31 探針部
32 レバー部
33 コーティング膜
Claims (10)
- 支持部と、該支持部より延びたレバー部と、該レバー部の自由端に設けた探針部とを備えた走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、前記探針部は、前記レバー部自由端に形成されたＶ字状の切れ込みの異なる辺をそれぞれ一辺とした２つの薄板を対向させ交わった形状で構成されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部を構成する２つの薄板は、それぞれ対向している側に反って湾曲していることを特徴とする請求項１に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部の頂頭部が、前記レバー部の自由端位置もしくは前記レバー部の自由端より突出した位置に配設されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部を構成する２つの薄板は、三角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部を構成する２つの薄板は、四角形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部を構成する２つの薄板は、扇形状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部と前記レバー部は、同一部材で一体に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部とレバー部とを一体に形成する部材は、導電性膜であることを特徴とする請求項７に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部と前記レバー部は、異なる部材で形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
- 前記探針部と前記レバー部の表面に、前記探針部及び前記レバー部の構成部材とは異なる部材の膜が形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に係る走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
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