JP4264107B2 - 機械的振動子及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、機械的振動子及びその製造方法に係り、特に、機械的振動子からなる走査プローブ顕微鏡のプローブ及び質量または力のセンシング部材に関するものである。

従来の走査プローブ顕微鏡用のプローブの構造を図１に示す。

この図に示すように、基部１６０１から延長したカンチレバー１６０２を有し、必要に応じて測定対象や測定方法に適した探針１６０３をカンチレバー１６０２の先端付近に有する。基部１６０１の材質はシリコンが一般的であり、寸法は１．６ｍｍ×３．４ｍｍ程度が標準的である。カンチレバー１６０２の材質はシリコン、窒化シリコン、またはそれらに金属を蒸着したもの等様々であり、形状は必要に応じて三角形状１６０４等様々なものがある。カンチレバー１６０２の一般的な長さは１００μｍから数１００μｍ程度である。

図２は走査プローブ顕微鏡におけるプローブの代表的な使い方を示す図である。

この図に示すように、基部１７０１は圧電素子から成る走査装置（図示なし）に取り付けられ、探針１７０３が測定対象物１７０４の表面をなぞるように走査される。走査プローブ顕微鏡は、探針１７０３と測定対象物１７０４の間に作用する原子間力や磁力等の相互作用によって生じるカンチレバー１７０２の変形を検出し、コンピュータグラフィックによって測定対象物１７０４の凹凸や磁化等を可視化する顕微鏡であって、カンチレバー１７０２の変形を検出する手段は光学的手段によることが多い。

上記の光学的手段として、図２に示すように光てこを使う場合、レーザー光線１７０５をカンチレバー１７０２の背面に反射させ、反射光１７０６の角度をフォトダイオード（図示なし）で検出する。また、図３に示すように光干渉計を使う場合、入射光と出射光は同じ経路１８０１を通る。いずれの場合もカンチレバーの背面に反射させる光が、基部の端部によって遮られることを防止するため、カンチレバーは基部の外へ突出している。

図４はシリコン製のカンチレバーを有するプローブの一般的な構造を示す断面図である。

この図において、１９０１は基部、１９０２は基部前端、１９０３は埋め込み酸化膜、１９０４はカンチレバー、１９０５は埋め込み酸化膜１９０３の前端、１９０６は探針を示している。

この図に示すように、シリコン製のカンチレバーを有するプローブの一般的な構造は、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜を加工してカンチレバー１９０４に用い、同じＳＯＩウエハの支持基板を加工して基部１９０１に用いる構造になっており、カンチレバー１９０４はＳＯＩウエハの構造に由来する埋め込み酸化膜１９０３を介して基部１９０１に接合している。

一方、カンチレバーの変形のかわりにカンチレバーの共振周波数の変化を検出することによって試料と探針の間に作用する力の距離依存性を知ることもできる。この方法によって原子間力顕微鏡の分解能は個々の原子が識別できるまでに至っている。また、この方法はカンチレバーに付着した分子の質量を知ることにも利用できる。しかし、この方法によって、より小さい質量または力を検出するためには、カンチレバーの機械的振動のＱ値がより高くなければならない。

このような機械的振動子の共振周波数から力や質量を検出する技術は、一般的に力や質量のセンサとして応用できるため、そのようなセンサとプローブ顕微鏡は技術的に近接している。センサに利用する振動子の形状は基部から突出していない両持ち梁であったり、音叉形であってもよい。

図５は図４に示したシリコン製のプローブ顕微鏡のプローブと同様の構造を応用したセンサの振動子の構造を示す断面図である。

この図に示すように、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜を加工して両持ち梁２００２に用い、同じＳＯＩウエハの支持基板を加工して基部２００１に用いる構造になっており、両持ち梁２００２はＳＯＩウエハの構造に由来する埋め込み酸化膜２００３を介して基部２００１に接合している。両持ち梁２００２は基部２００１の開口に張り渡された構造になっていて、両持ち梁２００２の観察は両面から行うことができる。なお、図５において、２００４は両持ち梁２００２の実質的な長さ、２００５は基部２００１の開口の幅を示している。

また、本願発明者らは、微小３次元構造体からなるカンチレバーなどを下記の特許文献１〜４で既に提案している。
特開２００４−０５８２６７号公報 特開２００１−０９１４４１号公報 特開２００１−２８９７６８号公報 特開２００３−１１４１８２号公報

しかし、上記した従来のプローブの構造はカンチレバーまたはセンサの振動子が微小化した場合に以下のような問題を生じる。

〔１〕第１の課題（本発明の請求項１〜２２に関係）
質量を検出するために使用する機械的振動子は、自らの質量が小さい方が感度が高く、また力を検出するために使用する機械的振動子はばね定数が小さい方が感度が高いため、いずれにしても小さい機械的振動子が求められる。しかし、従来の構造では、カンチレバーと基部の間に存在する埋め込み酸化膜を除去する際のサイドエッチングによって、カンチレバーの実質的な長さが長くなってしまう。たとえば、図４のカンチレバー１９０４の実質的な起点は基部前端１９０２ではなく埋め込み酸化膜１９０３の前端１９０５である。カンチレバー１９０４の長さが短い場合には、この誤差は無視できない。

〔２〕第２の課題（本発明の請求項２３〜２６に関係）
また、質量または力のセンサの振動子にも上記〔１〕と同様の問題がある。たとえば、図５において両持ち梁２００２の実質的な長さ２００４は、埋め込み酸化膜２００３を除去する際のサイドエッチングによって基部開口の幅２００５よりも長くなる。両持ち梁の長さが短い場合にはこの誤差は無視できない。

〔３〕第３の課題（本発明の請求項１１〜２０に関係）
従来の製造方法では、走査プローブ顕微鏡のカンチレバーの先端に探針を作り込む工程はカンチレバーが基部から突出した状態になってから行うか、またはカンチレバーおよび探針を作ってから基部を加工する必要があった。しかし、カンチレバーが突出している状態での探針の加工はカンチレバーを損傷する危険性が高く、また探針が完成してから基部を加工する場合は探針の尖端部（ｔｉｐ）を損傷する危険性が高かった。

〔４〕第４の課題（本発明の請求項１〜１１の部分、及び請求項２７〜３３に関係）
従来の製造方法では、カンチレバーまたはセンサの振動子の長さはマスクアライナーの位置合わせ精度に依存しており、カンチレバーまたはセンサの振動子が微小化した場合にはマスクアライナーの位置合わせ誤差は無視できない。

〔５〕第５の課題（本発明の請求項３１〜３４に関係）
レーザドップラー干渉計と組み合わせて使用するセンサの振動子の場合、両持ち梁の共振周波数が高いほどＳ／Ｎ比が向上する。両持ち梁の共振周波数を高くするには梁の厚さを厚くし長さを短くする方法があるが、それを極端に押し進めると両持ち梁の振動エネルギーが基部へ伝達して損失し、機械的Ｑ値が低下する。さらに、別の方法として、両持ち梁に張力をかけると共振周波数が上昇するが、従来の技術では自由な張力をかけることができなかった。

本発明は、上記状況に鑑みて、カンチレバーの起点が基部の前端に明確化され、カンチレバーの長さを位置合わせ精度やエッチング量に依存せずに決定することができる機械的振動子及びその機械的振動子の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するために、
〔１〕ウエハを加工して製造される機械的振動子において、ＳＯＩウエハの支持基板で形成される基部と、前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され、前記基部の先端から水平に突出したカンチレバーと成るべき構造体とを備え、前記基部と前記カンチレバーと成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記埋め込み酸化膜が除去された前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーと成るべき構造体を直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを具備することを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の機械的振動子において、前記カンチレバーが走査プローブ顕微鏡のプローブであることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕又は〔２〕記載の機械的振動子において、この機械的振動子は前記カンチレバーを単一で具備することを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕又は〔２〕記載の機械的振動子において、この機械的振動子は前記カンチレバー複数本からなるカンチレバーアレイを具備することを特徴とする。

〔５〕上記〔４〕記載の機械的振動子において、前記カンチレバーアレイは直線上に配置されることを特徴とする。

〔６〕上記〔４〕記載の機械的振動子において、前記カンチレバーアレイは円周上に配置されることを特徴とする。

〔７〕ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、ＳＯＩウエハの支持基板で基部を形成し、前記基部に固定される埋め込み酸化膜の一部を除去し、残された埋め込み酸化膜に支持されるカンチレバーと成るべき構造体を形成し、前記カンチレバーと成るべき構造体の先端は予め前記基部の先端より突出させておき、その状態で前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーと成るべき構造体を直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを形成することを特徴とする。

〔８〕上記〔７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記直接接合の強化のために熱処理を行うことを特徴とする。

〔９〕上記〔７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする。

〔１０〕上記〔７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする。

〔１１〕ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、ＳＯＩウエハの支持基板で基部を形成し、前記基部に固定される埋め込み酸化膜の一部を除去し、残された埋め込み酸化膜に支持されるカンチレバーと成るべき構造体を形成し、前記カンチレバーと成るべき構造体の先端を最初は前記基部から突出していない状態で加工し、次いで、前記カンチレバーと成るべき構造体の先端を移動手段により前記基部の先端より突出させ、その状態で前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーを直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを形成することを特徴とする。

〔１２〕上記〔１１〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記移動手段にストッパーを付加することを特徴とする。

〔１３〕上記〔１２〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記ストッパーが表面張力によるストッパーであることを特徴とする。

〔１４〕上記〔１１〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする。

〔１５〕上記〔１１〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする。

〔１６〕上記〔１１〕又は〔１２〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、この構造体と同一のシリコン薄膜から形成された水平方向に可撓性を有する機構に連結しており、前記移動手段は、前記カンチレバーと成るべき構造体を外力によって移動させることを特徴とする。

〔１７〕上記〔１１〕又は〔１２〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、この構造体と同一のシリコン薄膜から形成された水平方向に可撓性を有する機構に連結しており、前記移動手段は、前記カンチレバーと成るべき構造体を表面張力によって移動させることを特徴とする。

〔１８〕上記〔１６〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が遠心力によって水平方向に移動することを特徴とする。

〔１９〕上記〔１８〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーを円盤状の基板の円周方向に配置して、この基板の回転により遠心力の付与を行うことを特徴とする。

〔２０〕上記〔１６〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、この構造体と同一のシリコン薄膜から製作された静電マイクロアクチュエータに結合されており、この静電マイクロアクチュエータの駆動により前記カンチレバーと成るべき構造体が水平方向に変形することを特徴とする。

〔２１〕上記〔１〕又は〔２〕記載の機械的振動子において、前記カンチレバーが２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状の細線よりなり、前記カンチレバーの先端が別のシリコン（１１１）面で終端していることを特徴とする。

〔２２〕上記〔２１〕記載の機械的振動子の製造方法において、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜を加工して２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状の形状を有する細線を形成し、前記細線の下にある支持基板および埋め込み酸化膜の一部を支持基板側から除去し、この除去された部分からエッチング液を供給することによって前記細線を異方性エッチングすることによってカンチレバー先端と成るべきシリコン（１１１）面を形成し、しかる後にカンチレバーを前記支持基板および埋め込み酸化膜が除去された部分から突出するまで移動手段によって移動した上で液体の表面張力によって基部に付着させることを特徴とする。

〔２３〕ウエハを加工して製造される機械的振動子において、ＳＯＩウエハの支持基板から形成される基部と、前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され前記基部の開口部に張り渡された両持ち梁と成るべき構造体を有し、前記基部と前記両持ち梁と成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記両持ち梁と成るべき構造体の一部を、前記基部の先端を含む少なくとも一部に直接接合させ、前記基部の開口の縁を起点とした両持ち梁を具備することを特徴とする。

〔２４〕上記〔２３〕記載の機械的振動子において、前記両持ち梁が質量または力を計測するセンサの振動子であることを特徴とする。

〔２５〕上記〔２３〕又は〔２４〕記載の機械的振動子において、この機械的振動子は前記両持ち梁を単一で具備することを特徴とする。

〔２６〕上記〔２３〕又は〔２４〕記載の機械的振動子において、この機械的振動子は前記両持ち梁複数本からなる両持ち梁アレイを具備することを特徴とする。

〔２７〕ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、ＳＯＩウエハの支持基板から形成される基部を形成し、前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され前記基部の開口部に張り渡された両持ち梁と成るべき構造体を形成し、前記基部と前記両持ち梁と成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記両持ち梁と成るべき構造体の一部を、前記基部の先端を含む少なくとも一部に直接接合させ、前記基部の開口の縁を起点とした両持ち梁を形成することを特徴とする。

〔２８〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記直接接合の強化のために、熱処理を行うことを特徴とする。

〔２９〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする。

〔３０〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする。

〔３１〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体に張力を付与しながら前記基部に接合することを特徴とする。

〔３２〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、外部から引っ張り力を加えることによって前記両持ち梁と成るべき構造に張力を残留させることを特徴とする。

〔３３〕上記〔２７〕記載の機械的振動子の製造方法において、熱膨張によって両持ち梁と成るべき構造体の長さを一時的に増加させ、前記基部に接合させた後に常温に戻すことによって、前記両持ち梁と成るべき構造に張力を残留させることを特徴とする。

〔３４〕上記〔２３〕記載の機械的振動子において、前記両持ち梁は２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状であることを特徴とする。

従来の走査プローブ顕微鏡用のプローブの構造を示す図である。 走査プローブ顕微鏡におけるプローブの代表的な使い方を示す図である。 光干渉計を使うカンチレバーの例を示す図である。 シリコン製のカンチレバーを有するプローブの一般的な構造を示す断面図である。 シリコン製のセンサの振動子の構造を示す断面図である。 本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの構造を示す断面図である。 本発明の第１実施例を示す長方形状の基板上の直線上に複数のカンチレバーを配置したカンチレバーアレイの平面模式図である。 本発明の第１実施例を示す円盤状の基板の円周上に複数のカンチレバーを配置するようにしたカンチレバーアレイの平面模式図である。 本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのウエハを加工して製造される工程を示す断面図である。 本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程を示す模式図である。 本発明の第２実施例を示すストッパー付きの走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程を示す模式図である。 本発明の第３実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 図１２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 本発明の第４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第５実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第６実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第７実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第８実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第９実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第１０実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバーアレイの配置を示す平面図である。 本発明の第１１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。 本発明の第１２実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの構造を示す図である。 本発明の第１３実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー部分の斜視図である。 本発明の第１４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その１）を示す図である。 本発明の第１４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その２）を示す図である。 本発明の第１４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その３）を示す図である。 本発明の第１４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その４）を示す図である。 本発明の第１５実施例を示すセンサとしての両持ち梁を示す断面図である。 本発明の第１６実施例を示すセンサとしての両持ち梁の製造工程断面図である。 本発明の第１７実施例を示す両持ち梁に張力を付与するための構造の例を示す斜視図である。 本発明の第１８実施例を示す両持ち梁に張力を付与するための構造の例を示す斜視図である。 本発明の第１９実施例を示す両持ち梁の構造を示す図である。

本発明のウエハを加工して製造される機械的振動子において、ＳＯＩウエハの支持基板で形成される基部と、前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され、前記基部の先端から水平に突出したカンチレバーと成るべき構造体とを備え、前記基部と前記カンチレバーと成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記埋め込み酸化膜が除去された前記基部の先端を含む少なくとも一部に、前記カンチレバーと成るべき構造体を直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを具備する。よって、カンチレバーの起点が基部の前端に明確化され、カンチレバーの長さを位置合わせ精度やエッチング量に依存せずに決定することができる。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図６は本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの構造を示す断面図である（請求項１〜６の発明に対応）。

図６において、基部１０１とカンチレバーと成るべき構造体１０２はそれぞれＳＯＩウエハの支持基板およびシリコン薄膜から成る。これらの間には当初ＳＯＩウエハに由来する埋め込み酸化膜１０３が介在している。

ここでは、埋め込み酸化膜１０３を部分的に除去し、そのカンチレバーと成るべき構造体１０２を基部１０１に直接接合させたカンチレバー１０４を得るようにしている。従って、このカンチレバー１０４は、基部１０１の先端１０５との接合点がカンチレバー１０４の起点となっており、この例では、カンチレバー１０４の先端に探針１０６を形成している。

なお、ここでは、単一のカンチレバー１０４を示したが、複数のカンチレバーから成るカンチレバーアレイを有する走査プローブ顕微鏡のプローブを構成する場合も、個々のカンチレバーに注目すると、上記の実施例と同じ構造とする。

例えば、図７に示すように、長方形状の基板１１１の直線方向に複数のカンチレバー１１２を配置してカンチレバーアレイとしたり（請求項５の発明に対応）、図８に示すように、円状の基板１２１の円周方向に複数のカンチレバー１２２を配置してカンチレバーアレイとすることができる（請求項６の発明に対応）。

図９は本発明の第１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのウエハを加工して製造される工程を示す断面図である（請求項７の発明に対応）。

まず、図９（Ａ）に示すように、基部１０１とカンチレバーと成るべき構造体１０２の間には当初ＳＯＩウエハに由来する埋め込み酸化膜１０３が介在している。つまり、カンチレバーと成るべき構造体１０２はＳＯＩウエハに由来する埋め込み酸化膜１０３を介して基部１０１に接合している。

次に、図９（Ｂ）に示すように、基部１０１とカンチレバーと成るべき構造体１０２の間にある埋め込み酸化膜１０３の一部を除去し、オーバーハング状のカンチレバー１０４′を得る。

次に、図９（Ｃ）に示すように、その埋め込み酸化膜１０３が除去された基部１０１の先端１０５を含む少なくとも一部にそのオーバーハング状のカンチレバー１０４′を直接接合したカンチレバー１０４を形成する。

上記した第１実施例のプローブの製造過程において、カンチレバーと成るべき構造体１０２と基部１０１の間にある埋め込み酸化膜１０３の一部を除去する際、フッ化水素酸溶液等でエッチングし、その後、水で洗浄してから乾燥させる工程が必要である。得られたカンチレバー１０４′の厚さが十分に薄ければ、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力によりカンチレバー１０４′を基部１０１に付着させて、本発明のカンチレバー１０４を得ることができる（請求項９の発明に対応）。その後、カンチレバー１０４と基部１０１の接合強度を強化するため、熱処理を行うと好都合である。その場合には、温度は７００℃〜１３００℃、特に、１１００℃が良好である。また、カンチレバー１０４′を基部１０１に付着させる前にシリコン表面を活性化させるための薬品処理を追加する場合もある。

また、上記実施例では、単一のカンチレバー１０４を示したが、複数のカンチレバーから成るカンチレバーアレイを有する走査プローブ顕微鏡のプローブの場合も、個々のカンチレバーに注目すると、上記と同様に製造することができる。

なお、マイクロマシニング技術においては、通常、上記したような洗浄水の表面張力による付着は避けるべき現象であるが、本発明では、それを敢えて用いることで、カンチレバー１０４′を基部１０１に付着させるようにしている（請求項９の発明に対応）。

また、洗浄工程とは別に、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させて、直接接合を行うようにしてもよい（請求項１０の発明に対応）。

図１０は本発明の第２実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程を示す模式図であり、カンチレバー側から見た概略平面図である（請求項１１の発明に対応）。

まず、図１０（Ａ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体２０２を基部２０１の先端２０４から突出していない状態で加工する。カンチレバーと成るべき構造体２０２の先端には探針を形成する場合もある。カンチレバーと成るべき構造体２０２は、それを水平方向に移動させる移動手段２０３に連結しており、埋め込み酸化膜の一部を除去した後、この移動手段２０３によってカンチレバーと成るべき構造体２０２を左方向に移動させ、図１０（Ｂ）に示すように、基部の先端２０４から突出させた状態で基部２０１と接合する。なお、カンチレバー２０２と移動手段２０３の位置関係は、図１０に示す位置関係に限定されるものではない。

図１１は本発明の第２実施例を示すストッパー付きの走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程を示す模式図であり、カンチレバーの裏側から見た概略平面図である（請求項１３の発明に対応）。

まず、図１１（Ａ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体２１２を基部２１１の先端２１５から突出していない状態で加工する。カンチレバーと成るべき構造体２１２の先端には探針を形成する場合もある。この実施例では、カンチレバーと成るべき構造体２１２の先端部にシリコン薄膜の一部を移動軸に対して直角に張り出したものをストッパーとして設ける。このストッパーは、後述する図１２に示すような固定部に当たって停止するものとは違って、基部の左側との表面張力によって停止するようにしたものである。なお、図１１（Ａ）におけるＤ₁はカンチレバーと成るべき構造体２１２の先端と基部２１１の先端２１５との間の距離である初期ギャップを、図１１（Ｂ）におけるＤ₂はカンチレバーと成るべき構造体２１２の先端部の基部２１１先端２１５からの突出距離をそれぞれ示している。移動機構２１３が発生できる移動距離がＤ₁ ＋Ｄ₂より大きければ、初期ギャップの大きさがばらついても突出距離を一定に保つことができる。カンチレバーと成るべき構造体２１２は、それを水平方向に移動させる移動機構２１３に連結しており、埋め込み酸化膜の一部を除去した後、この移動手段２１３によってカンチレバーと成るべき構造体２１２を左方向に移動させ、図１１（Ｂ）に示すように、基部の先端２１５から突出させた状態で基部２１１と接合する。なお、図１１（Ａ）におけるＤ_１はカンチレバーと成るべき構造体２１２の先端と基部２１１の先端２１５との間の距離である初期ギャップを、図１１（Ｂ）におけるＤ_２はカンチレバーと成るべき構造体２１２の先端部の突出距離をそれぞれ示している。また、カンチレバー２１２と移動機構２１３の位置関係は、図１１に示す位置関係に限定されるものではない。

図１２は本発明の第３実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１２（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１２（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である。図１３は図１２（Ａ）のＡ−Ａ線断面図である（請求項１６の発明に対応）。

図１２において、基部３０１以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体３０２は、可撓性のある支持梁３０４を介して固定部３０３につながっている。

カンチレバーと成るべき構造体３０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部３０３と基部３０１の間には埋め込み酸化膜３０７（図１３参照）が残っているが、その他部分の埋め込み酸化膜は除去されている。

外部からマニュアルプローバー等によって、外力印加部３０５に左向きの力を加えると、カンチレバーと成るべき構造体３０２が左に変位して、カンチレバーと成るべき構造体３０２の先端は基部３０１の先端から突出する（請求項１６の発明に対応）。

これを個々のカンチレバーについて光学顕微鏡を使用してその突出距離を測定しながら行うことによって、０．２μｍ程度の誤差でカンチレバーの長さを決定することができる。

また、カンチレバーとなるべき構造体３０２と同じシリコン薄膜から成るストッパー３０６を設け、そのストッパー３０６が固定部３０３に接触することによってカンチレバーの突出距離を、外力の強さそのもので決定されるのではなく、ストッパー３０６と固定部３０３の初期距離によって決定されるようにすることもできる（請求項１２の発明に対応）。

図１２（Ｂ）に、ストッパー３０６によってカンチレバーとなるべき構造体３０２の移動距離が制限されている状態を示している（請求項１２の発明に対応）。

なお、カンチレバーと成るべき構造体３０２と外力印加部３０５の位置関係は、図１２に示す位置関係に限定されるものではない。
図１４は本発明の第４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１４（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１４（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１７の発明に対応）。

これらの図において、基部４０１と液滴４０７以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から作られている。カンチレバーと成るべき構造体４０２は、可撓性のある支持梁４０４を介して固定部４０３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体４０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部４０３と基部４０１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。カンチレバーと成るべき構造体４０２には突起４０５が付いている。一方、固定部４０３にもこれらの突起４０５の前方で水平方向に対面する位置に突起４０６が付いている。このプローブを水などの液体で濡らした後、その液体を蒸発その他の方法によって徐々に除去すると、突起４０５と突起４０６の間に残った液滴４０７の表面張力によって、図１４（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体４０２は先端が基部４０１の先端から突出するまで変位させられ、しかる後に基部４０１に接合される。

図１５は本発明の第５実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１５（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１５（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１７の発明に対応）。

これらの図において、基部４１１と液滴４１７以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から作られている。カンチレバーと成るべき構造体４１２は、可撓性のある支持梁４１４を介して固定部４１３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体４１２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部４１３と基部４１１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。固定部４１３には、支持梁４１４との対向面に曲面４１５を有する突起４１６が付いている。

このプローブを水などの液体で濡らした後、その液体を蒸発その他の方法によって徐々に除去すると、突起４１６と支持梁４１４の間に残った液滴４１７の表面張力によって、図１５（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体４１２は先端が基部４１１の先端から突出するまで変位させられ、しかる後に基部４１１に接合する。

このように突起４１６に曲面４１５を形成したので、突起４１６に付着した液滴４１７により突起４１６の曲面４１５に沿ってカンチレバーと成るべき構造体４１２を円滑に前方に変位させることができる。

また、図１６は本発明の第６実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１６（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１６（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１７の発明に対応）。

これらの図において、基部５０１と液滴５０７以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体５０２は、可撓性のある支持梁５０４を介して固定部５０３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体５０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部５０３と基部５０１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。カンチレバーと成るべき構造体５０２には突起５０５が付いている。一方、固定部５０３にはこれらの突起５０５の上下方向で対面し、カンチレバーと成るべき構造体５０２の移動方向に少しずれた位置に突起５０６が付いている。このプローブを水などの液体で濡らした後、その液体を蒸発その他の方法によって徐々に除去すると、突起５０５と突起５０６の間に残った液滴５０７の表面張力によって、図１６（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体５０２は先端が基部５０１の先端から突出するまで変位させられ、しかる後に基部５０１に接合される。

また、図１７は本発明の第７実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１７（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１７（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１７の発明に対応）。

これらの図において、基部６０１と液滴６０７以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体６０２は、可撓性のあるベローズ状の支持梁６０４を介して固定部６０３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体６０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部６０３と基部６０１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。このプローブを水などの液体で濡らした後、その液体を蒸発その他の方法によって徐々に除去するとき、可撓性のあるベローズ状の支持梁６０４の折り返しの隙間に残った液滴６０７の表面張力によって、図１７（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体６０２は先端が基部６０１の先端から突出するまで変位させられ、しかる後に基部に接合される。

図１８は本発明の第８実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図１８（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１８（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１９の発明に対応）。

これらの図において、基部６１１と液滴６１９以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体６１２の前方と後方にはそれぞれ可撓性のある支持梁６１４，６１６と、これらの支持梁６１４と６１６の間に、固定部側に形成される第１の櫛歯形状部材６１７とカンチレバーとなる構造体側に形成される第２の櫛歯形状部材６１８とを噛み合わせた櫛歯形状装置６１５が配置される。すなわち、固定部６１３側に第１の櫛歯形状部材６１７が、カンチレバーと成るべき構造体６１２側には第２の櫛歯形状部材６１８が互い違いに噛み合わせて対向するように構成されている。また、カンチレバーと成るべき構造体６１２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部６１３と基部６１１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。このプローブを水などの液体６１９で濡らした後、その液体６１９を蒸発その他の方法によって徐々に除去するとき、可撓性のある櫛歯形状機構６１５の隙間に残った液滴の表面張力によって、図１８（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体６１２は先端が基部６１１の先端から突出するまで変位させられ、しかる後に基部に接合される。

図１９は本発明の第９実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図である。図１９（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図１９（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項１８の発明に対応）。

これらの図に示すように、基部７０１以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体７０２は、可撓性のある支持梁７０４を介して固定部７０３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体７０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部７０３と基部７０１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。錘（慣性体：マス）７０５に開いている穴７０５Ａは埋め込み酸化膜を除去するのにかかる時間を短縮するためのものであり、必ずしも設けなければならないものではない。

このプローブを回転する治具（図示なし）に取り付ける等の方法によって、図１９（Ａ）のプローブに左方向に遠心力を作用させると、錘７０５に作用する力により、図１９（Ｂ）に示すように、カンチレバーと成るべき構造体７０２が左に移動し、その先端が基部７０１の先端より突出する。なお、カンチレバーと成るべき構造体７０２と錘７０５の位置関係は、図１９に示す位置関係に限定されるものではない。

上記したように、カンチレバーの突出距離を遠心力の強さによって調節することもできる。また、カンチレバーとなるべき構造７０２と同じシリコン薄膜から成るストッパー７０６を設け、それが固定部７０３に接触することによって、カンチレバーの突出距離を、外力の強さそのもので決定されるのではなく、ストッパー７０６と固定部７０３の初期距離によって決定されるようにすることもできる。図１９（Ｂ）はストッパー７０６によって移動距離が制限されている状態を示している。

図２０は本発明の第１０実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバーアレイの配置を示す平面図である（請求項１９記載の発明に対応）。

この実施例においては、図２０（Ａ）に示すように、円盤７１１は中央に回転軸７１２を有しており、その円盤７１１の円周上に図１９に示したものと同様の基部７０１を有する、錘７０５付きのカンチレバーと成るべき構造体７０２を形成するようにしている。

そこで、図２０（Ｂ）に示すように、回転軸７１２の駆動により、一斉にカンチレバーと成るべき構造体７０２を円盤７１１の円周部から突出させて固定するようにしている。

図２１は本発明の第１１実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー側から見た平面図であり、図２１（Ａ）はカンチレバーの移動前の状態を示す図、図２１（Ｂ）はカンチレバーの移動後の状態を示す図である（請求項２０の発明に対応）。

これらの図において、基部８０１以外の番号を付した部分はすべてＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成されている。カンチレバーと成るべき構造体８０２は、可撓性のある支持梁８０４を介して固定部８０３につながっている。カンチレバーと成るべき構造体８０２の先端には探針が形成されている場合もある。固定部８０３および後述する静電アクチュエータの固定電極８０５ｂと基部８０１の間には埋め込み酸化膜（図示なし）が残っているが、その他の部分の埋め込み酸化膜は除去されている。カンチレバーと成るべき構造体８０２は静電アクチュエータの可動電極８０５ａにつながっており、それに対向して固定電極８０５ｂが設置されている。

静電アクチュエータの可動電極８０５ａと固定電極８０５ｂの間に電圧を印加すると、可動電極８０５ａに左向きの力が作用し、カンチレバーと成るべき構造体８０２が左側に移動し、図２１（Ｂ）に示すように、その先端が基部８０１の先端より突出する。静電アクチュエータによる移動は空気中、真空中または絶縁性の液体の中で行うことが可能である。

これを個々のカンチレバーについて光学顕微鏡を使用してその突出距離を測定しながら行うことによって、０．２μｍ程度の誤差でカンチレバーの長さを決定することができる。

また、カンチレバーとなるべき構造体８０２と同じシリコン薄膜から成るストッパー８０６を設け、そのストッパー８０６が固定部８０３に接触することによってカンチレバーの突出距離を、静電アクチュエータの電極８０５ａと８０５ｂ間に印加される電圧そのもので決定されるのではなく、ストッパー８０６と固定部８０３の初期距離によって決定されるようにすることもできる。図２１（Ｂ）は、そのストッパー８０６によって移動距離が制限されている状態を示している。

なお、ここでは、櫛歯型の静電アクチュエータを示しているが、他の形式の静電アクチュエータを使用するようにしてもよい。

図２２は本発明の第１２実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの構造を示す図であり、図２２（Ａ）はそのカンチレバーの側面断面図、図２２（Ｂ）は図２２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である（請求項２１の発明に対応）。

これらの図において、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作されたカンチレバーと成るべき構造体９０２と、同じＳＯＩウエハの支持基板から製作された基部９０１の間には一部に埋め込み酸化膜９０３が残されているが、一部では埋め込み酸化膜は除去されており、その部分でカンチレバーと成るべき構造体９０２が基部９０１に直接接合されることによって、カンチレバー９０４となっている。なお、９０５は基部９０１の先端に接合されたカンチレバーの起点を示している。

カンチレバー９０４は一つのシリコン（１００）面〔図２２（Ｂ）の面９ａ〕と二つのシリコン（１１１）面〔図２２（Ｂ）の面９ｂと９ｃ〕を持つ三角柱状の形状になっている。このような形状は、表面にシリコン（１００）面を呈しているＳＯＩウエハを出発材料に使用し、水酸化カリウム水溶液等による異方性エッチングを利用して形成することができる。カンチレバー９０４の先端はシリコン（１１１）面〔図２２（Ａ）の面９ｄ〕になっている。

このように構成することにより、機械的振動子のカンチレバーのシリコン（１１１）面はエッチング速度が非常に遅いために現れる面なので面粗さが低く、シリコン（１００）面はＳＯＩウエハのシリコン薄膜に由来するので非常に平滑に仕上げられており、結果としてこのカンチレバーは表面粗さが低く抑えられる。微小なカンチレバーにおいては、表面粗さが機械振動のＱ値を下げる主要な原因となるので、このプローブのカンチレバーは高いＱ値を持つ。その結果、力に対する共振周波数の変化が鋭敏になり、より力の検出感度の高い走査プローブ顕微鏡が実現できる。

図２３は本発明の第１３実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブのカンチレバー部分の斜視図である。

図２２で形成された、図２３（Ａ）に示す面９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄを有する三角柱状のカンチレバー９０４を、９５０℃程度の比較的低い温度で熱酸化し、酸化された部分をフッ化水素酸で除去する。すると三角柱形状の尖った部分がさらに尖鋭化されて、図２３（Ｂ）に示すような形状になり、そのカンチレバー９１０の先端部を探針９１１として使用することができる。

図２４は本発明の第１４実施例を示す走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その１）を示す図、図２５はその走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その２）を示す図、図２６はその走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その３）を示す図、図２７はその走査プローブ顕微鏡のプローブの製造工程（その４）を示す図である（請求項２３の発明に対応）。

〔１〕まず、ＳＯＩウエハの両面に窒化シリコン膜１００４，１００５を形成する。図２４（Ａ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２４（Ａ−２）は図２４（Ａ−１）中のＣ−Ｃ線の断面図である。シリコン薄膜１００１は（１００）面を表面に呈しているものとする。なお、１００１はシリコン薄膜、１００２は支持基板、１００３は埋め込み酸化膜である。

〔２〕次に、シリコン薄膜１００１側の窒化シリコン膜１００４の一部を除去する。図２４（Ｂ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２４（Ｂ−２）は図２４（Ｂ−１）中のＤ−Ｄ線の断面図である。窒化シリコン膜１００４を除去するパターンはシリコン薄膜１００１の（１１１）面に平行になるようにする。

〔３〕次に、水酸化カリウム水溶液等で異方性エッチングを行うと、窒化シリコン膜１００４が除去された部分のシリコン薄膜１００１は除去されるが、シリコン（１１１）面でできた斜面１００８が残る。図２４（Ｃ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２４（Ｃ−２）は図２４（Ｃ−１）中のＥ−Ｅ線の断面図である。

〔４〕次に、この斜面１００８を熱酸化する。図２４（Ｄ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２４（Ｄ−２）は図２４（Ｄ−１）中のＦ−Ｆ線の断面図である。１００９は熱酸化された部分を示している。

〔５〕次に、残っているシリコン薄膜１００１側の窒化シリコン膜１００４の一部を除去する。図２５（Ｅ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２５（Ｅ−２）は図２５（Ｅ−１）中のＧ−Ｇ線の断面図である。窒化シリコン膜１００４を除去するパターンはシリコン薄膜１００１の（１１１）面に平行になるようにする。

〔６〕次に、水酸化カリウム水溶液等で異方性エッチングを行うと、窒化シリコン膜１００４が除去された部分のシリコン薄膜１００１は除去されるが、シリコン（１１１）面でできた斜面１０１２が残る。図２５（Ｆ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２５（Ｆ−２）は図２５（Ｆ−１）中のＨ−Ｈ線の断面図である。

〔７〕次に、シリコン薄膜１００１側の窒化シリコン膜１００４と熱酸化膜１００９を全部除去すると、一つのシリコン（１００）面と二つのシリコン（１１１）面で囲まれた三角形断面を有する細線１０１３が完成する。図２５（Ｇ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２５（Ｇ−２）は図２５（Ｇ−１）中のＩ−Ｉ線の断面図である。

〔８〕次に、シリコン薄膜１００１を加工して移動手段となる構造体１０１４を作る。図２５（Ｈ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２５（Ｈ−２）は図２５（Ｈ−１）中のＪ−Ｊ線の断面図である。なお、請求項１６〜請求項２０に関する実施例が移動手段１０１４の具体的な構造の例である。

〔９〕次に、シリコン薄膜１００１側全面を窒化シリコン膜１０１５で保護する。図２６（Ｉ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２６（Ｉ−２）は図２６（Ｉ−１）中のＫ−Ｋ線の断面図である。なお、窒化シリコン膜１０１５のかわりに酸化膜を使用する場合もある。

〔１０〕次に、支持基板１００２側の窒化シリコン膜１００５の一部を除去し、水酸化カリウム水溶液等で異方性エッチングを行う。図２６（Ｊ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２６（Ｊ−２）は図２６（Ｊ−１）中のＬ−Ｌ線の断面図である。異方性エッチングの結果、窒化シリコン膜１００５が除去された部分の支持基板１００２が除去されて、シリコン（１１１）面から成る斜面１０１６が形成される。

〔１１〕次に、支持基板１００２を除去した部分に残っている埋め込み酸化膜１００３を除去し、続いて三角形断面を有する細線１０１３を水酸化カリウム水溶液等で異方性エッチングを行うと、その先端にシリコン（１１１）面１０１７が形成される。図２６（Ｋ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２６（Ｋ−２）は図２６（Ｋ−１）中のＭ−Ｍ線の断面図である。

〔１２〕次に、全ての窒化シリコン膜１００５，１０１５を除去する。さらに、三角形断面を有する細線１０１３の下の埋め込み酸化膜１００３の一部を除去する。図２６（Ｌ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２６（Ｌ−２）は図２６（Ｌ−１）中のＮ−Ｎ線の断面図である。この後、支持基板１００２を加工してプローブの基部を形成するが、その工程の説明は省略する。また、その工程をここで説明しているカンチレバーの製作工程の他の部分に挿入するようにしてもよい。

〔１３〕次に、移動手段１０１４を用いて三角形断面を有する細線１０１３を左側に移動させ、その先端を支持基板の先端１０１９（プローブの基部の先端でもある）から突出させる。図２７（Ｍ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２７（Ｍ−２）は図２７（Ｍ−１）中のＯ−Ｏ線の断面図である。

〔１４〕最後に、三角形断面を有する細線１０１３を変形させて支持基板１００２（プローブの基部）に直接接合させ、カンチレバー１０２０が完成する。図２７（Ｎ−１）はこの状態をＳＯＩの薄膜側から見た平面図であり、図２７（Ｎ−２）は図２７（Ｎ−１）中のＰ−Ｐ線の断面図である。ここでの直接接合は、液体の表面張力により行うことができる。

図２８は本発明の第１５実施例を示すセンサとしての両持ち梁を示す断面図である（請求項２３〜２６の発明に対応）。

この図において、ＳＯＩウエハの支持基板から製作された基部１１０１に穿たれた開口１１０４に、前記と同一のＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作された両持ち梁と成るべき構造体１１０２が張り渡されている。両持ち梁と成るべき構造体１１０２の加工後、基部１１０１の周辺にあるＳＯＩウエハに由来する埋め込み酸化膜１１０３は除去され、両持ち梁と成るべき構造体１１０２と基部１１０１が直接接合されている。なお、ここでは、単一の両持ち梁を示しているが、両持ち梁アレイを持つセンサの振動子の場合も、個々の両持ち梁については上記と同じ構造である。

図２９は本発明の第１６実施例を示すセンサとしての両持ち梁の製造工程断面図（請求項２７〜３０の発明に対応）である。

図２９に示すように、両持ち梁と成るべき構造体１２０２と基部１２０１の間にある埋め込み酸化膜１２０３の一部をフッ化水素酸溶液等でエッチングし、その後、水で洗浄してから乾燥させる工程が必要である。両持ち梁と成るべき構造体１２０２の厚さが十分に薄ければ、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により、両持ち梁と成るべき構造体１２０２が基部１２０１に付着する（請求項２９の発明に対応）。その後、両持ち梁と成るべき構造体１２０２と基部１２０１の接合強度を強化するため、熱処理を行う場合もある。その後、カンチレバーと基部の接合強度を強化するため、熱処理を行うと好都合である。その場合には、温度７００℃〜１３００℃、特に、１１００℃が良好である。また、付着させる前にシリコン表面を活性化させるための薬品処理を追加する場合もある。

マイクロマシニング技術においては、通常、上記したような洗浄水の表面張力による付着は避けるべき現象であるが、本発明では、それを敢えて用いることで、両持ち梁と成るべき構造体１２０２の基部１２０１への付着を行うようにする。

なお、洗浄工程とは別に、表面張力の強い液体を介在させて付着させるようにしてもよい（請求項３０の発明に対応）。

より詳細に説明すると、
図２９（Ａ）に示すように、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作される両持ち梁と成るべき構造体１２０２は、基部１２０１には直接接合していない。これらを接合させる工程において、基部１２０１の開口１２０４の周囲において埋め込み酸化膜１２０３の一部を除去し、両持ち梁と成るべき構造体１２０２に力１２０５をかけて基部１２０１の方向へ変形させることで、図２９（Ｂ）に示すように、両持ち梁と成るべき構造体１２０２を基部１２０１に接合させ、その結果として両持ち梁１２０６が得られる。この過程で、両持ち梁と成るべき構造１２０２には張力が与えられる。

また、張力を付与するために特別に用意された構造体を使用する場合もある。

また、接合を行う際に両持ち梁となるべき構造体を加熱して膨張させ、その状態で基部と接合することによって、張力を持った両持ち梁を得ることもできる。

また、張力を付与するための構造を使用する場合もある。

図３０は本発明の第１７実施例を示す両持ち梁に張力を付与するための構造の例を示す斜視図である（請求項３１〜３２の発明に対応）。

この図において、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作される両持ち梁と成るべき構造１３０２が、同じＳＯＩウエハの支持基板から製作された基部１３０１に穿たれた開口１３０５を跨ぐように配置されており、その一端は固定部１３０４に接続しており、他端は力を印加するための構造体１３０６に接続している。固定部１３０４は基部１３０１との間にある埋め込み酸化膜１３０３を介して基部１３０１に固定されており、両持ち梁と成るべき構造体１３０２と力を印加するための構造体１３０６は基部１３０１に固定されていない。力を印加するための構造体１３０６に力１３０７をかけながら、両持ち梁と成るべき構造１３０２を基部１３０１に接合することによって、張力がかかった状態の両持ち梁が得られる。

図３１は本発明の第１８実施例を示す両持ち梁に張力を付与するための構造の例を示す斜視図である（請求項３３の発明に対応）。

この図において、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作される両持ち梁と成るべき構造体１４０２が同じＳＯＩウエハの支持基板から製作された基部１４０１に穿たれた開口１４０５を跨ぐように配置されており、両端が固定部１４０４ａおよび１４０４ｂに接続している。固定部１４０４ａおよび１４０４ｂは基部１４０１との間にある埋め込み酸化膜１４０３を介して基部１４０１に固定されており、両持ち梁と成るべき構造体１４０２は基部１４０１に固定されていない。固定部１４０４ａと固定部１４０４ｂの間に電圧を印加すると両持ち梁と成るべき構造体１４０２に電流が流れ、発熱が起こり、両持ち梁と成るべき構造体１４０２が膨張する。この状態で両持ち梁と成るべき構造体１４０２を基部１４０１に接合すると、張力がかかった両持ち梁が得られる。

図３２は本発明の第１９実施例を示す両持ち梁の構造を示す図であり、図３２（Ａ）はその断面図、図３２（Ｂ）は図３２（Ａ）のＱ−Ｑ線断面図である（請求項３４の発明に対応）。

これらの図に示すように、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から製作された両持ち梁１５０２が同じＳＯＩウエハから製作された基部１５０１の開口に張り渡された形で接合されている。１５０３は埋め込み酸化膜である。両持ち梁１５０２は、図３２（Ｂ）に示すように一つのシリコン（１００）面１５ａと二つのシリコン（１１１）面１５ｂおよび１５ｃで構成される三角柱の形状を呈している。シリコン（１００）面１５ａはＳＯＩウエハのシリコン薄膜がもともと表面に示している方位であり、シリコン（１１１）面１５ｂおよび１５ｃは水酸化カリウム水溶液などを使った異方性エッチングによって得られた面である。

このように構成することにより、両持ち梁のシリコン（１１１）面はエッチング速度が非常に遅いために現れる面なので面粗さが低く、シリコン（１００）面はＳＯＩウエハのシリコン薄膜に由来するので非常に平滑に仕上げられており、結果としてこのカンチレバーは表面粗さが低く抑えられる。微小なカンチレバーにおいては、表面粗さが機械振動のＱ値を下げる主要な原因となるので、このプローブのカンチレバーは高いＱ値を持つ。その結果、外力や質量の付着による共振周波数の変化がより鋭敏になり、より検出感度の高いセンサの振動子が実現できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づき種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
（Ａ）カンチレバーの起点が基部の先端に明確化され、カンチレバーの長さを位置合わせ精度やエッチング量に依存せずに決定することができる。これによって第１の課題を解決することができる（請求項１〜２２参照）。
（Ｂ）表面張力を利用すると、自動的に接合が行われるので工程が簡易になり、歩留まりも向上する（請求項９，１０，１４，１５，１７，２２，２９，３０参照）。
（Ｃ）探針を基部の上で加工し、最後に基部の外へ押し出すので、製造工程で探針を損傷する危険が少なくなる（請求項１１〜２０参照）。
（Ｄ）外力を利用すると強い移動力が得られるので、カンチレバーの突出距離が大きい場合に便利である（請求項１６参照）。
（Ｅ）顕微鏡を使ってカンチレバーの突出距離を制御できる（請求項１１〜２０参照）。
（Ｆ）顕微鏡を使って突出距離を制御する場合、同一の構造からカンチレバーの突出距離の異なる機械的振動子を製造することができる（請求項１１〜２０参照）。
（Ｇ）ストッパーが付いている場合、外力を精密に制御しなくても突出距離が制御できる（請求項１２参照）。
（Ｈ）表面張力を利用するので自動的にカンチレバーの移動が行われ、工程が簡易になり歩留まりも向上する。カンチレバーの突出距離が構造によって制御できる。また、カンチレバーと基板の接合をも表面張力によって行う場合には、二つの工程を同時に進行させることができるので、さらに工程が簡易になる（請求項１４，１５参照）。
（Ｉ）遠心力を利用すると強い移動力が得られるので、カンチレバーの突出距離が大きい場合に便利である。また、遠心力の強弱によって突出距離が制御できる（請求項１８参照）。
（Ｊ）ストッパーが付いている場合、遠心力を精密に制御しなくても突出距離が制御できる（請求項１２参照）。
（Ｋ）カンチレバーと基板の接合を表面張力によって行う場合には、液体の除去を遠心分離の原理で行えば、遠心力による移動と同一の工程にまとめることができ、製造工程が簡単になる（請求項１８参照）。
（Ｌ）静電引力を利用すると、電圧によってカンチレバーの突出距離が制御できる（請求項２０参照）。
（Ｍ）ストッパーが付いている場合、電圧を精密に制御しなくても突出距離が制御できる（請求項１２参照）。
（Ｎ）機械的振動子のカンチレバーのシリコン（１１１）面はエッチング速度が非常に遅いために現れる面なので面粗さが低く、シリコン（１００）面はＳＯＩウエハのシリコン薄膜に由来するので非常に平滑に仕上げられており、結果として本発明のカンチレバーは表面粗さが低く抑えられる。微小なカンチレバーにおいては、表面粗さが機械振動のＱ値を下げる主要な原因となるので、このプローブのカンチレバーは高いＱ値を持つ。その結果、力に対する共振周波数の変化が鋭敏になり、より力の検出感度の高い走査プローブ顕微鏡が実現できる（請求項２１，２２参照）。
（Ｏ）また、容易に探針を形成することができ、原理的にその位置が中心軸上に来るので、走査プローブ顕微鏡のプローブとして理想的な形状が提供できる（請求項２１，２２参照）。
（Ｐ）カンチレバーの長さは原理的に移動手段による移動距離だけで決定され、マスクアライナーの精度やエッチングの過不足の影響を受けない（請求項１１〜２０参照）。
（Ｑ）両持ち梁の起点が明確化され、両持ち梁の長さが位置合わせ精度やエッチング量に依存せずに決定される（請求項２３〜３２参照）。
（Ｒ）両持ち梁の設定において、表面張力を利用すると、自動的に接合が行われるので工程が簡易になり、歩留まりも向上することが期待できる（請求項２９，３０参照）。
（Ｓ）両持ち梁に張力をかけることによってＱ値の低下を抑えながら共振周波数を向上させられる（請求項３１〜３３参照）。
（Ｔ）両持ち梁に張力をかけるための力を調節することによって所望の共振周波数を持つ両持ち梁を得ることができる（請求項３１〜３３参照）。
（Ｕ）材料の自発的な熱膨張は外力による引延しよりも容易に大きい膨張量を得ることができるので、非常に強い張力を持つ両持ち梁も作ることができる（請求項３３参照）。
（Ｖ）両持ち梁のシリコン（１１１）面はエッチング速度が非常に遅いために現れる面なので面粗さが低く、シリコン（１００）面はＳＯＩウエハのシリコン薄膜に由来するので非常に平滑に仕上げられており、結果としてこのカンチレバーは表面粗さが低く抑えられる。微小なカンチレバーにおいては、表面粗さが機械振動のＱ値を下げる主要な原因となるので、このプローブのカンチレバーは高いＱ値を持つ。その結果、外力や質量の付着による共振周波数の変化がより鋭敏になり、より検出感度の高いセンサの振動子が実現できる（請求項３４参照）。

本発明の機械的振動子及びその製造方法は、走査プローブ顕微鏡のプローブ又は質量または力を計測するセンサの振動子として利用可能である。

Claims (34)

1. ウエハを加工して製造される機械的振動子において、
   （ａ）ＳＯＩウエハの支持基板で形成される基部と、
   （ｂ）前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され、前記基部の先端から水平に突出したカンチレバーと成るべき構造体とを備え、
   （ｃ）前記基部と前記カンチレバーと成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記埋め込み酸化膜が除去された前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーと成るべき構造体を直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを具備することを特徴とする機械的振動子。
2. 請求項１記載の機械的振動子において、前記カンチレバーが走査プローブ顕微鏡のプローブであることを特徴とする機械的振動子。
3. 請求項１又は２記載の機械的振動子において、該機械的振動子は前記カンチレバーを単一で具備することを特徴とする機械的振動子。
4. 請求項１又は２記載の機械的振動子において、該機械的振動子は前記カンチレバー複数本からなるカンチレバーアレイを具備することを特徴とする機械的振動子。
5. 請求項４記載の機械的振動子において、前記カンチレバーアレイは直線上に配置されることを特徴とする機械的振動子。
6. 請求項４記載の機械的振動子において、前記カンチレバーアレイは円周上に配置されることを特徴とする機械的振動子。
7. ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、
   （ａ）ＳＯＩウエハの支持基板で基部を形成し、
   （ｂ）前記基部に固定される埋め込み酸化膜の一部を除去し、残された埋め込み酸化膜に支持されるカンチレバーと成るべき構造体を形成し、
   （ｃ）前記カンチレバーと成るべき構造体の先端は予め前記基部の先端より突出させておき、その状態で前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーと成るべき構造体を直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを形成することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
8. 請求項７記載の機械的振動子の製造方法において、前記直接接合の強化のために、熱処理を行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
9. 請求項７記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
10. 請求項７記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
11. ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、
    （ａ）ＳＯＩウエハの支持基板で基部を形成し、
    （ｂ）前記基部に固定される埋め込み酸化膜の一部を除去し、残された埋め込み酸化膜に支持されるカンチレバーと成るべき構造体を形成し、
    （ｃ）前記カンチレバーと成るべき構造体の先端を最初は前記基部から突出していない状態で加工し、次いで、前記カンチレバーと成るべき構造体の先端を移動手段により前記基部の先端より突出させ、その状態で前記基部の先端を含む少なくとも一部に前記カンチレバーを直接接合させ、前記基部の先端を起点としたカンチレバーを形成することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
12. 請求項１１記載の機械的振動子の製造方法において、前記移動手段にストッパーを付加することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
13. 請求項１２記載の機械的振動子の製造方法において、前記ストッパーが表面張力によるストッパーであることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
14. 請求項１１記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
15. 請求項１１記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記カンチレバーと成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
16. 請求項１１又は１２記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、該構造体と同一のシリコン薄膜から形成された水平方向に可撓性を有する機構に連結しており、前記移動手段は、前記カンチレバーと成るべき構造体を外力によって移動させることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
17. 請求項１１又は１２記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、該構造体と同一のシリコン薄膜から形成された水平方向に可撓性を有する機構に連結しており、前記移動手段は、前記カンチレバーと成るべき構造体を表面張力によって移動させることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
18. 請求項１６記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が遠心力によって水平方向に移動することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
19. 請求項１８記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーを円盤状の基板の円周方向に配置して、該基板の回転により遠心力の付与を行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
20. 請求項１６記載の機械的振動子の製造方法において、前記カンチレバーと成るべき構造体が、該構造体と同一のシリコン薄膜から製作された静電マイクロアクチュエータに結合されており、該静電マイクロアクチュエータの駆動により前記カンチレバーと成るべき構造体が水平方向に変形することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
21. 請求項１又は２記載の機械的振動子において、前記カンチレバーが２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状の細線よりなり、前記カンチレバーの先端が別のシリコン（１１１）面で終端していることを特徴とする機械的振動子。
22. 請求項２１記載の機械的振動子の製造方法において、ＳＯＩウエハのシリコン薄膜を加工して２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状の形状を有する細線を形成し、前記細線の下にある支持基板および埋め込み酸化膜の一部を支持基板側から除去し、この除去された部分からエッチング液を供給することによって前記細線を異方性エッチングすることによってカンチレバー先端と成るべきシリコン（１１１）面を形成し、しかる後にカンチレバーを前記支持基板および埋め込み酸化膜が除去された部分から突出するまで移動手段によって移動した上で液体の表面張力によって基部に付着させることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
23. ウエハを加工して製造される機械的振動子において、
    （ａ）ＳＯＩウエハの支持基板から形成される基部と、
    （ｂ）前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され前記基部の開口部に張り渡された両持ち梁と成るべき構造体を有し、
    （ｃ）前記基部と前記両持ち梁と成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記両持ち梁と成るべき構造体の一部を、前記基部の先端を含む少なくとも一部に直接接合させ、前記基部の開口の縁を起点とした両持ち梁を具備することを特徴とする機械的振動子。
24. 請求項２３記載の機械的振動子において、前記両持ち梁が質量または力を計測するセンサの振動子であることを特徴とする機械的振動子。
25. 請求項２３又は２４記載の機械的振動子において、該機械的振動子は前記両持ち梁を単一で具備することを特徴とする機械的振動子。
26. 請求項２３又は２４記載の機械的振動子において、該機械的振動子は前記両持ち梁複数本からなる両持ち梁アレイを具備することを特徴とする機械的振動子。
27. ウエハを加工して製造される機械的振動子の製造方法において、
    （ａ）ＳＯＩウエハの支持基板から形成される基部を形成し、
    （ｂ）前記ＳＯＩウエハのシリコン薄膜から形成され前記基部の開口部に張り渡された両持ち梁と成るべき構造体を形成し、
    （ｃ）前記基部と前記両持ち梁と成るべき構造体の間にある埋め込み酸化膜の一部を除去し、前記両持ち梁と成るべき構造体の一部を、前記基部の先端を含む少なくとも一部に直接接合させ、前記基部の開口の縁を起点とした両持ち梁を形成することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
28. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、前記直接接合の強化のために、熱処理を行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
29. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との直接接合は、洗浄水を乾燥させる過程で洗浄水の表面張力により行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
30. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との直接接合は、前記両持ち梁と成るべき構造体と前記基部との間に表面張力の強い液体を介在させることにより行うことを特徴とする機械的振動子の製造方法。
31. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、前記両持ち梁と成るべき構造体に張力を付与しながら前記基部に接合することを特徴とする機械的振動子の製造方法。
32. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、外部から引っ張り力を加えることによって前記両持ち梁と成るべき構造に張力を残留させることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
33. 請求項２７記載の機械的振動子の製造方法において、熱膨張によって両持ち梁と成るべき構造体の長さを一時的に増加させ、前記基部に接合させた後に常温に戻すことによって、前記両持ち梁と成るべき構造に張力を残留させることを特徴とする機械的振動子の製造方法。
34. 請求項２３記載の機械的振動子において、前記両持ち梁は２つのシリコン（１１１）面と１つのシリコン（１００）面で構成される三角柱状であることを特徴とする機械的振動子。

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