JP4535706B2 - Cantilever for scanning probe microscope and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーおよびその製造方法に関する。   The present invention relates to a cantilever for a scanning probe microscope and a manufacturing method thereof.

走査型プローブ顕微鏡(SPM:Scanning Probe Microscope)は、カンチレバーの探針を試料に原子径レベルで近接させ、試料表面を2次元走査することにより、試料と探針との相互作用に基づく力や微小開口を通過する光を検出する装置である。SPMのカンチレバーは、IC製造プロセスを応用してSiウエハから作製されるものが主流となっている。このSi製カンチレバーは、レバー部の長さ方向と厚さ方向がSiウエハの表面と平行に選ばれ、レバー部の幅方向がシリコンウエハの厚さ方向に選ばれ、1枚のSiウエハから多数作製される(例えば、特許文献1参照)。   A scanning probe microscope (SPM) scans the surface of a sample with a cantilever probe close to the sample at an atomic diameter level, and scans the surface of the sample two-dimensionally. It is a device that detects light passing through an opening. SPM cantilevers are mainly manufactured from Si wafers by applying an IC manufacturing process. In this Si cantilever, the length direction and thickness direction of the lever portion are selected in parallel with the surface of the Si wafer, and the width direction of the lever portion is selected in the thickness direction of the silicon wafer. It is manufactured (see, for example, Patent Document 1).

特開平11-337563号公報(第2頁、図8〜10)JP 11-337563 A (second page, FIGS. 8 to 10)

SPMのカンチレバーは、試料表面を走査することで損耗や汚染等が発生することが多いために、通常、ある程度の数のスペアを用意しておき、必要に応じて新品と交換している。すなわち、カンチレバーは消耗品として扱われるので、個々のカンチレバーに寸法上のばらつきがあってはならず、また、1枚の半導体基板からできるだけ多数のカンチレバーを作製することがコスト低減の点から望まれている。上記の従来技術では、レバー部の長さ方向をSiウエハの表面と平行に選ぶので、Siウエハ表面上に高密度にカンチレバーを配する材料取りができず、製造コストの低減は困難であった。   Since the SPM cantilever is often worn or contaminated by scanning the sample surface, a certain number of spares are usually prepared and replaced with new ones as necessary. In other words, since the cantilevers are treated as consumables, there must be no dimensional variation among the individual cantilevers, and it is desirable to produce as many cantilevers as possible from one semiconductor substrate from the viewpoint of cost reduction. ing. In the above prior art, since the length direction of the lever portion is selected to be parallel to the surface of the Si wafer, it is difficult to remove the material for arranging the cantilevers at a high density on the surface of the Si wafer, and it is difficult to reduce the manufacturing cost. .

(1)請求項1の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法は、直線状のレバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを半導体基板から作製する方法であって、探針部の先端に連なる稜線を半導体基板の表面に形成する第1の工程と、半導体基板の厚さ方向にエッチングしてレバー部の長さを規定する第2の工程と、第2の工程により露出したレバー部の側面をエッチングしてレバー部の厚さを規定する第3の工程と、第2の工程により露出したレバー部の先端をエッチングして探針部の長手方向を稜線の方向とするとともに半導体基板の表面に平行とし、探針部の形状を原子稠密面で3面が構成される三角錐状とする第4の工程とを有し、第3の工程は第4の工程とともに行うことを特徴とする。 (1) In the method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1, a cantilever for a scanning probe microscope in which a probe portion is integrally formed at one end of a linear lever portion and a support portion is integrally formed at the other end is provided on a semiconductor substrate. A first step of forming a ridge line connected to the tip of the probe portion on the surface of the semiconductor substrate, and a second step of defining the length of the lever portion by etching in the thickness direction of the semiconductor substrate . and step, a third step of defining the thickness of the lever portion of the side surface of the lever portion exposed by the second step etching, by etching the tip of the lever portion exposed by the second step the probe a longitudinal section is parallel to the surface of the semiconductor substrate with the direction of the ridge, it has a a fourth step of three sides the shape of the probe portion in atomic dense surface is a triangular pyramid shape composed of, first 3 steps this performed with the fourth step The features.

(2)請求項2の発明は、請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、半導体基板の表面を該半導体材料の(001)面に選び、三角錐状の探針部の3面を{111}面で構成することを特徴とする。 (2) The invention of claim 2 is the method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1, wherein the surface of the semiconductor substrate is selected as the (001) plane of the semiconductor material, and a triangular pyramidal probe portion These three surfaces are constituted by {111} surfaces .

(3)請求項1または2の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法では、半導体基板にSOIウエハを用いることができる。この場合、レバー部の長さは、SOIウエハの一方のSi層の厚さに等しくすることが好ましい。
(4)請求項1または2の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法では、半導体基板にSiウエハを用いることができる。この場合、レバー部の長さは、ICP−RIE法によりSiウエハをその厚さ方向に除去した深さに等しくすることが好ましい。
(5)請求項7の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、請求項1〜6のいずれかの製造方法によって作製されたことを特徴とする。
(3) In the method for manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1 or 2, an SOI wafer can be used as a semiconductor substrate. In this case, the length of the lever portion is preferably equal to the thickness of one Si layer of the SOI wafer.
(4) In the method for manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1 or 2, a Si wafer can be used as a semiconductor substrate. In this case, the length of the lever portion is preferably equal to the depth obtained by removing the Si wafer in the thickness direction by the ICP-RIE method.
(5) The cantilever for a scanning probe microscope according to claim 7 is manufactured by the manufacturing method according to any one of claims 1 to 6.

本発明によれば、1枚の半導体基板から寸法上のばらつきがない多数の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを作製することができる。   According to the present invention, a large number of cantilevers for a scanning probe microscope with no dimensional variation can be produced from a single semiconductor substrate.

以下、本発明による走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー(以下、SPM用カンチレバーと言う)について図1〜7を参照しながら説明する。
図1は、本実施の形態のカンチレバーを取り付けたSPMの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。SPM用カンチレバー10は、レバー11、探針12および支持体13を有し、ホルダー14に着脱可能に保持される。すなわち、ホルダー14は、支持体13を着脱可能に保持する構造であり、SPM用カンチレバー10全体を支持する。着脱方法には、支持体13をホルダー14の溝部にスライドさせる方法や支持体13をホルダー14に取り付けられた板バネで押圧する方法などがある。
レバー11は、例えば、長さL=150μm、厚さt=2μm、幅30μmの薄膜状である。探針12は、例えば、長さd=5μmの三角錐である。支持体13は直方体である。
Hereinafter, a cantilever for a scanning probe microscope according to the present invention (hereinafter referred to as an SPM cantilever) will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing the configuration of the main part of the SPM to which the cantilever of the present embodiment is attached. The SPM cantilever 10 includes a lever 11, a probe 12, and a support 13, and is detachably held by a holder 14. That is, the holder 14 has a structure that holds the support 13 in a detachable manner, and supports the entire SPM cantilever 10. Examples of the attaching / detaching method include a method in which the support 13 is slid into the groove portion of the holder 14 and a method in which the support 13 is pressed by a leaf spring attached to the holder 14.
The lever 11 is, for example, a thin film having a length L = 150 μm, a thickness t = 2 μm, and a width 30 μm. The probe 12 is, for example, a triangular pyramid having a length d = 5 μm. The support 13 is a rectangular parallelepiped.

SPMは、次のように試料Sの表面を計測する。探針12を試料Sの表面に原子径レベルで近接させると、探針12の先端と試料Sの表面との相互作用によってレバー11の先端部が変位する。この変位量は、例えば、光てこ方式により測定される。すなわち、光ファイバー15を経由してきたレーザ光をレバー11の背面に入射させ、2分割フォトダイオード16で反射光の入射位置を検出することにより変位量を測定できる。探針12を試料Sの表面に沿って2次元走査すると、相互作用に応じた変位量の分布図が得られる。   The SPM measures the surface of the sample S as follows. When the probe 12 is brought close to the surface of the sample S at the atomic diameter level, the tip of the lever 11 is displaced by the interaction between the tip of the probe 12 and the surface of the sample S. This amount of displacement is measured by, for example, an optical lever method. That is, the amount of displacement can be measured by making the laser light that has passed through the optical fiber 15 incident on the back surface of the lever 11 and detecting the incident position of the reflected light by the two-divided photodiode 16. When the probe 12 is two-dimensionally scanned along the surface of the sample S, a displacement distribution map corresponding to the interaction is obtained.

図2(a)は、本実施の形態によるSPM用カンチレバー10の構造を説明する斜視図である。図2(b)は、X方向から見た側面図、図2(c)は、Y方向から見た正面図である。図3は、図2(a)の主要部の部分拡大図である。図2(a)および図3では、レバー11の長さ方向をZ方向、厚さ方向をY方向、幅方向をX方向にとる直交座標で方位が表わされている。   FIG. 2A is a perspective view illustrating the structure of the SPM cantilever 10 according to the present embodiment. 2B is a side view seen from the X direction, and FIG. 2C is a front view seen from the Y direction. FIG. 3 is a partially enlarged view of the main part of FIG. In FIG. 2A and FIG. 3, the direction of the lever 11 is represented by orthogonal coordinates in which the length direction is the Z direction, the thickness direction is the Y direction, and the width direction is the X direction.

以下、これらの図を参照してSPM用カンチレバー10について詳細に説明する。
図2は、1枚のウエハから多数のカンチレバーを作製する工程にある3個のカンチレバーを示している。図示のように、YZ面に平行な2つの平面29で切断することにより、寸法形状が等しい3個のSPM用カンチレバー10が得られる。SPM用カンチレバーは、SOI(Silicon on Insulator)ウエハ100から一体で作製される。SOIウエハ100は、2枚のSi単結晶板の一方にSiO層を形成し、SiO層を介して張り合わせたものである。
Hereinafter, the SPM cantilever 10 will be described in detail with reference to these drawings.
FIG. 2 shows three cantilevers in the process of making a large number of cantilevers from a single wafer. As shown in the drawing, by cutting along two planes 29 parallel to the YZ plane, three SPM cantilevers 10 having the same size and shape can be obtained. The SPM cantilever is integrally manufactured from an SOI (Silicon on Insulator) wafer 100. The SOI wafer 100 is obtained by forming a SiO 2 layer on one of two Si single crystal plates and bonding them together via the SiO 2 layer.

SPM用カンチレバー10は、レバー11の一端に探針12が形成され、レバー11の他端に支持体13が設けられている。レバー11および探針12は、SOIウエハ100の上部Si層20(2点鎖線で表示)から形成され、支持体13は、SiO層30と下部Si層40から形成される。すなわち、SPM用カンチレバー10は、レバー11と支持体13との結合部のみがSiOであり、その他はすべてSiから成る。レバー11の長さは、上部Si層20の厚さに等しい。 The SPM cantilever 10 has a probe 12 formed at one end of the lever 11 and a support 13 provided at the other end of the lever 11. The lever 11 and the probe 12 are formed from the upper Si layer 20 (indicated by a two-dot chain line) of the SOI wafer 100, and the support 13 is formed from the SiO 2 layer 30 and the lower Si layer 40. That, SPM cantilever 10, only connecting portion between the lever 11 and the support 13 is SiO 2, the other consists of all Si. The length of the lever 11 is equal to the thickness of the upper Si layer 20.

図3は、レバー11と探針12の構造を詳細に示す要部斜視図である。レバー11は、長さL、厚さt、幅wのほぼ四角柱形状をなしている。上部Si層20の表面を主面(001)(ハッチングで表示)にとると、レバー11の長さ方向は、Z方向、すなわち<001>方向である。(001)面は、後述するようにエッチングレートが他の面よりも大きいので、深くエッチングするには好適である。レバー11の長さLは、上部Si層20の厚さに等しいので、上部Si層20の厚さを管理すれば、レバー11の長さを非常に正確に調整することができる。   FIG. 3 is a perspective view of the main part showing the structure of the lever 11 and the probe 12 in detail. The lever 11 has a substantially quadrangular prism shape with a length L, a thickness t, and a width w. When the surface of the upper Si layer 20 is a main surface (001) (indicated by hatching), the length direction of the lever 11 is the Z direction, that is, the <001> direction. As will be described later, the (001) plane has a higher etching rate than the other planes, and is suitable for deep etching. Since the length L of the lever 11 is equal to the thickness of the upper Si layer 20, if the thickness of the upper Si layer 20 is managed, the length of the lever 11 can be adjusted very accurately.

探針12は、Y方向に長手方向をもつ長さdの三角錐である。この三角錐は、三角柱を頂点A,B,Cを結ぶ平面で切り落とした形状であり、頂点Aが探針12の先端である。上部Si層20の表面を主面(001)にとると、探針12の稜線12aで分割される2つの面の方位はいずれも{111}面であり、頂点A,B,Cを結ぶ三角形も{111}面である。{111}面は原子稠密面であり、3つの{111}面が交差する頂点Aは、微視的な強度が大きく化学的安定性が高い。従って、探針12は、耐摩耗性や耐食性が高い。   The probe 12 is a triangular pyramid having a length d having a longitudinal direction in the Y direction. This triangular pyramid has a shape obtained by cutting a triangular prism by a plane connecting vertices A, B, and C, and the vertex A is the tip of the probe 12. When the surface of the upper Si layer 20 is taken as the main surface (001), the orientations of the two surfaces divided by the ridge line 12a of the probe 12 are both {111} planes and are triangles connecting the vertices A, B, and C. Is also the {111} plane. The {111} plane is an atomic dense plane, and the vertex A where the three {111} planes intersect has high microscopic strength and high chemical stability. Therefore, the probe 12 has high wear resistance and corrosion resistance.

探針12は、3つの{111}面で囲まれた形状なので、形状の再現性、安定性に優れている。また、探針12の長さdは、上部Si層20の結晶構造と、稜線12aをもつ稜線構造の高さhによって決まる。Si単結晶の場合、探針12の長さdと稜線構造の高さhとの関係は、d=0.71hである。従って、稜線構造の高さhを正確に作製すれば、探針12の長さdの寸法の再現性や安定性が期待できる。
なお、レバー11の下端には、後述する製造工程に起因する三角柱の突起部14が形成されている。また、仮想線(2点鎖線)で表示する部分は、製造工程により上部Si層20が除去された部分である。
Since the probe 12 has a shape surrounded by three {111} planes, it has excellent shape reproducibility and stability. The length d of the probe 12 is determined by the crystal structure of the upper Si layer 20 and the height h of the ridge line structure having the ridge line 12a. In the case of a Si single crystal, the relationship between the length d of the probe 12 and the height h of the ridge line structure is d = 0.71h. Therefore, if the height h of the ridge line structure is accurately manufactured, reproducibility and stability of the length d of the probe 12 can be expected.
At the lower end of the lever 11, a triangular prism protrusion 14 resulting from a manufacturing process described later is formed. Moreover, the part displayed with a virtual line (two-dot chain line) is a part from which the upper Si layer 20 has been removed by the manufacturing process.

次に、本発明によるSPM用カンチレバー10の製造工程について、図4〜7を参照しながら詳しく説明する。製造工程は、図4〜6の部分斜視図で示されるように、工程(a)〜(l)まで順に進む。   Next, the manufacturing process of the SPM cantilever 10 according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The manufacturing process proceeds in order from process (a) to (l) as shown in the partial perspective views of FIGS.

先ず、図4を参照する。
工程(a)では、SOIウエハ100を準備する。SOIウエハ100は、厚さ150μmの上部Si層20、厚さ1μmのSiO層30、厚さ500μmの下部Si層40の3層構造を有する。上部Si層20の結晶方位は、XY平面が(001)、ZX平面が(110)、Y方向が<110>である。以下、説明の便宜上、SOIウエハ100の表面を<110>に平行に2分割し、面P1,P2とする。
First, referring to FIG.
In step (a), an SOI wafer 100 is prepared. The SOI wafer 100 has a three-layer structure of an upper Si layer 20 having a thickness of 150 μm, an SiO 2 layer 30 having a thickness of 1 μm, and a lower Si layer 40 having a thickness of 500 μm. The crystal orientation of the upper Si layer 20 is (001) in the XY plane, (110) in the ZX plane, and <110> in the Y direction. Hereinafter, for convenience of explanation, the surface of the SOI wafer 100 is divided into two parallel to <110>, which are defined as planes P1 and P2.

工程(b)では、面P2の上部Si層20の上に、スパッタリングにより窒化珪素(SiN)層21を形成する。   In the step (b), a silicon nitride (SiN) layer 21 is formed on the upper Si layer 20 on the surface P2 by sputtering.

工程(c)では、SiN層21をマスクとして、KOH水溶液を用いて面P1の上部Si層20が露出している表面に対して異方性エッチングをする。このとき、SiN層21との境界部分には、{111}面が形成される。   In the step (c), anisotropic etching is performed on the surface of the surface P1 where the upper Si layer 20 is exposed using an aqueous KOH solution using the SiN layer 21 as a mask. At this time, a {111} plane is formed at the boundary with the SiN layer 21.

工程(d)では、面P1の上部Si層20のエッチング面に対して局所酸化により、厚さ200nmの酸化膜22を形成する。酸化方法は、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成する水蒸気を用いた水蒸気酸化である。   In step (d), an oxide film 22 having a thickness of 200 nm is formed by local oxidation on the etching surface of the upper Si layer 20 on the surface P1. The oxidation method is steam oxidation using steam generated by reacting oxygen gas and hydrogen gas at a high temperature.

次に、図5を参照する。
工程(e)では、面P1の酸化膜22をマスクとして、RIEにより面P2のSiN層21を除去する。すなわち、プロセスガスとしてCFを用い、エッチング速度12nm/minのエッチングを行う。
Reference is now made to FIG.
In step (e), the SiN layer 21 on the surface P2 is removed by RIE using the oxide film 22 on the surface P1 as a mask. That is, etching is performed at an etching rate of 12 nm / min using CF 4 as a process gas.

工程(f)では、面P2の露出した上部Si層20の表面に対してKOH水溶液を用いて異方性エッチングをする。   In the step (f), anisotropic etching is performed using a KOH aqueous solution on the surface of the upper Si layer 20 where the surface P2 is exposed.

工程(g)では、50%フッ酸水溶液にて面P1の酸化膜22を除去する。上部Si層20の表面には、面P1とP2の境界部分に断面が三角形の線状の突起(ナノワイヤー)23が形成される。   In the step (g), the oxide film 22 on the surface P1 is removed with a 50% hydrofluoric acid aqueous solution. On the surface of the upper Si layer 20, a linear protrusion (nanowire) 23 having a triangular cross section is formed at the boundary between the surfaces P1 and P2.

工程(h)では、ナノワイヤー23の中央部にパターニングされた厚膜レジスト24を形成する。厚膜レジスト24のパターン形状は、Z方向から見ると、中央部分の幅が狭い矩形状であり、線分25に対して対称である。厚膜レジスト24は、面P1,P2の全面にスピンコーターによりレジストを塗布し、ホットプレート上で110℃でベークし、紫外線露光を行った後に現像することにより形成される。   In the step (h), a patterned thick film resist 24 is formed at the center of the nanowire 23. When viewed from the Z direction, the pattern shape of the thick film resist 24 is a rectangular shape with a narrow central portion and is symmetric with respect to the line segment 25. The thick film resist 24 is formed by applying a resist to the entire surface P1, P2 by a spin coater, baking at 110 ° C. on a hot plate, developing after ultraviolet exposure.

続いて図6を参照する。
工程(i)では、パターニングされた厚膜レジスト24をマスクとして、ICP−RIE(inductively coupled plasma - reactive ion etching)により上部Si層20を深くエッチングし、柱状構造体26を形成する。柱状構造体26は、後工程で作製されるレバー11の原型である。ICP−RIEによるエッチング作用は、SiO層30により停止するので、エッチング深さ、換言すれば柱状構造体26の高さは、上部Si層20の厚さである150μmに等しい。エッチング後には、SiO層30の面が露出する。
Next, referring to FIG.
In step (i), the columnar structure 26 is formed by deeply etching the upper Si layer 20 by ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching) using the patterned thick film resist 24 as a mask. The columnar structure 26 is a prototype of the lever 11 manufactured in a later process. Since the etching action by ICP-RIE is stopped by the SiO 2 layer 30, the etching depth, in other words, the height of the columnar structure 26 is equal to 150 μm which is the thickness of the upper Si layer 20. After the etching, the surface of the SiO 2 layer 30 is exposed.

ICP−RIEは、0.05〜1Paの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、CClあるいはCF等の酸化性ガスが用いられる。Siの場合、主面(001)は、{111}面よりものエッチング速度が大きいので優先的に除去される。 ICP-RIE etches a sample under a relatively low pressure of 0.05 to 1 Pa using a chemical reaction between ions of a process gas in a high-density plasma and the sample surface. High etching processing is possible. As the process gas, an oxidizing gas such as CCl 2 F 2 or CF 4 is used. In the case of Si, the main surface (001) has a higher etching rate than the {111} surface, and is thus removed preferentially.

工程(j)では、RIE、すなわち酸素ガスを用いたアッシング、レジスト専用のリムーバーまたは硫酸過水(硫酸:過酸化水素=3:1)溶液などにより、マスクとして用いた厚膜レジスト24を除去し、その後、柱状構造体26の全面に0.5μm厚の酸化膜を形成し、酸化膜で覆われた柱状構造体27を作製する。   In step (j), the thick film resist 24 used as a mask is removed by RIE, that is, ashing using oxygen gas, a remover dedicated to resist, or a sulfuric acid / hydrogen peroxide solution (sulfuric acid: hydrogen peroxide = 3: 1). Thereafter, an oxide film having a thickness of 0.5 μm is formed on the entire surface of the columnar structure 26 to produce a columnar structure 27 covered with the oxide film.

工程(k)では、線分25上を主面(001)に直角にダイシングする。ダイシングによって柱状構造体27を完全に分離させて、同一の寸法形状をもつ2つの柱状構造体28とするが、下部Si層40は、完全に切り離さずに接続部分41を残す。図6(d)には、ダイシングにより2分割された一方の柱状構造体28について、ダイシングによりSi層が露出した切断面がハッチングで表示されている。この切断面は、(110)面である。   In the step (k), dicing is performed on the line segment 25 at right angles to the main surface (001). The columnar structure 27 is completely separated by dicing to form two columnar structures 28 having the same size and shape, but the lower Si layer 40 leaves the connection portion 41 without being completely separated. In FIG. 6 (d), the cut surface where the Si layer is exposed by dicing is indicated by hatching in one columnar structure 28 divided into two by dicing. This cut surface is the (110) plane.

工程(l)では、KOH水溶液を用いて、ダイシングによる切断面である(110)面に対して異方性エッチングをする。この異方性エッチングのエッチング条件により、レバー11の厚さtを決定する。例えば、70℃、30wt%のKOH水溶液を用いると、Siの(110)面のエッチングレートは、約0.8μm/minであるから、エッチング時間によりレバー11の厚さtを調整できる。実際の作業では、測長顕微鏡を用いてレバー11の厚さを測定しながらエッチングを行い、最終的にt=2μm±0.2μmに調整した。   In step (l), anisotropic etching is performed on the (110) plane, which is a cut plane by dicing, using an aqueous KOH solution. The thickness t of the lever 11 is determined by the etching conditions of this anisotropic etching. For example, when an aqueous KOH solution of 70 ° C. and 30 wt% is used, the etching rate of the (110) plane of Si is about 0.8 μm / min. Therefore, the thickness t of the lever 11 can be adjusted by the etching time. In actual work, etching was performed while measuring the thickness of the lever 11 using a length measuring microscope, and finally t = 2 μm ± 0.2 μm was adjusted.

一方、探針12も、KOH水溶液を用いた異方性エッチングにより形成される。探針12の形状は、前述したように、Si単結晶の3つの{111}面で決まる三角錐であり、異方性エッチングのエッチング条件に多少の誤差があっても、常に同一形状の探針12を作製できる。本実施の形態では、工程(g)で形成されるナノワイヤー23の高さhを所望の高さで形成し、式d=0.71hによって決まる探針12の長さdを5μm±0.2μmに調整した。   On the other hand, the probe 12 is also formed by anisotropic etching using a KOH aqueous solution. As described above, the shape of the probe 12 is a triangular pyramid determined by the three {111} planes of a Si single crystal. Even if there are some errors in the etching conditions for anisotropic etching, the probe 12 always has the same shape. The needle 12 can be made. In the present embodiment, the height h of the nanowire 23 formed in the step (g) is formed at a desired height, and the length d of the probe 12 determined by the formula d = 0.71 h is 5 μm ± 0. Adjusted to 2 μm.

工程(l)の後に、平面29で主面(001)に直角にスライシングすれば、SPM用カンチレバー10が完成する。図1のSPM装置にSPM用カンチレバー10を取り付けて、試料Sの測定を行う。取り付けの際に、レバー11の下端に形成される三角柱の突起部14が試料Sに当接しないように、探針12側を試料Sに近づけるように若干傾斜させるとよい。   After the step (l), the SPM cantilever 10 is completed by slicing the plane 29 at right angles to the main surface (001). The SPM cantilever 10 is attached to the SPM apparatus of FIG. When attaching, the probe 12 side may be slightly inclined so as to approach the sample S so that the projection 14 of the triangular prism formed at the lower end of the lever 11 does not contact the sample S.

以上、1個のSPM用カンチレバーについての一連の製造工程を説明したが、実際の製造工程は、SOIウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。
図7は、1枚のSOIウエハ100上の複数の柱状構造体27の配置を示す上面図である。図7は、上述した工程(i)〜(k)に対応する図として示されている。図7では、図6(a)、(b)の線分25は、X方向に平行な切断面25として表わされ、図6(e)の平面29は、Y方向に平行な切断面29として表わされている。また、柱状構造体27について、レバー11の幅、厚さ、探針12の長さは、それぞれw、t、dで表されている。
Although a series of manufacturing processes for one SPM cantilever has been described above, the actual manufacturing process is a so-called batch process performed in units of SOI wafers.
FIG. 7 is a top view showing the arrangement of a plurality of columnar structures 27 on one SOI wafer 100. FIG. 7 is shown as a diagram corresponding to steps (i) to (k) described above. In FIG. 7, the line segment 25 in FIGS. 6A and 6B is represented as a cut surface 25 parallel to the X direction, and the plane 29 in FIG. 6E is a cut surface 29 parallel to the Y direction. It is expressed as For the columnar structure 27, the width and thickness of the lever 11 and the length of the probe 12 are represented by w, t, and d, respectively.

本実施の形態では、レバー11の長さ方向はZ方向であり、上部Si層20の厚さのみに依存するので、正確な長さのレバー11を作製することができる。また、探針12は、Si単結晶の3つの{111}で決まる三角錐であるので、再現性、安定性に優れる探針12が得られる。さらに、1枚のSOIウエハ100上に多数の柱状構造体27を高密度に配して材料取りができるので、1枚のSOIウエハ100からより多くのSPM用カンチレバー10を作製することができ、その結果、材料のムダがほとんど生じない。このことは、特にバッチ処理では大幅な製造コストの削減をもたらすものである。   In the present embodiment, the length direction of the lever 11 is the Z direction and depends only on the thickness of the upper Si layer 20, so that the lever 11 having an accurate length can be manufactured. Moreover, since the probe 12 is a triangular pyramid determined by three {111} of Si single crystal, the probe 12 having excellent reproducibility and stability can be obtained. Furthermore, since a large number of columnar structures 27 can be arranged at high density on one SOI wafer 100 and the material can be taken, more SPM cantilevers 10 can be produced from one SOI wafer 100, As a result, material waste is hardly generated. This leads to significant manufacturing cost reduction, especially in batch processing.

以下、変形例について説明する。図8は、本実施の形態のSPM用カンチレバーの変形例を説明するための部分断面図である。前述した図5の工程(g)では、面P1とP2の境界部分にナノワイヤー23が形成され、この横断面形状は、図8(a)で示される二等辺三角形である。図8(b)に示されるナノワイヤー23aの横断面形状は、面P2側が主面(001)に垂直な直角三角形であり、図8(c)に示されるナノワイヤー23bの横断面形状は、2つの斜面が曲面であるが、いずれも本発明に適用できる。   Hereinafter, modified examples will be described. FIG. 8 is a partial cross-sectional view for explaining a modification of the SPM cantilever according to the present embodiment. In the step (g) of FIG. 5 described above, the nanowire 23 is formed at the boundary portion between the planes P1 and P2, and this cross-sectional shape is an isosceles triangle shown in FIG. The cross-sectional shape of the nanowire 23a shown in FIG. 8B is a right triangle whose surface P2 side is perpendicular to the main surface (001), and the cross-sectional shape of the nanowire 23b shown in FIG. The two slopes are curved surfaces, both of which can be applied to the present invention.

図8(b)の場合は、工程(d)〜(f)の代わりに、面P1にレジスト層を形成しておき、ICP−RIEにより面P2をエッチングする。図8(c)の場合は、工程(b)〜(f)の代わりに、工程(a)で面P1とP2の境界領域に帯状のレジスト層31を形成しておき、等方性エッチングをする。いずれの変形例も本実施の形態に比べて製造工程は簡略化されている。   In the case of FIG. 8B, instead of steps (d) to (f), a resist layer is formed on the surface P1, and the surface P2 is etched by ICP-RIE. In the case of FIG. 8C, instead of steps (b) to (f), a strip-shaped resist layer 31 is formed in the boundary region between the surfaces P1 and P2 in step (a), and isotropic etching is performed. To do. In any of the modifications, the manufacturing process is simplified as compared with the present embodiment.

本実施の形態では、SOIウエハを用いたが、単結晶のSiウエハを用いることもできる。Siウエハを用いる場合は、上述した工程(i)におけるICP−RIEのエッチング作用を停止させる働きをもつSiO層30が存在しないので、ICP−RIEの条件を制御する必要がある。Siウエハの{100}面に対して、150μmのエッチング深さを得るには、例えば、反応ガスとして(SF+C)混合ガスを用い、高周波出力600Wで約50分の処理を行う。Siウエハは、SOIウエハよりも安価であり、工程(i)のみを変更するだけで、他の総ての工程は本実施の形態と同様であるので、更なる製造コストの削減が可能となる。 Although an SOI wafer is used in this embodiment mode, a single crystal Si wafer can also be used. In the case of using a Si wafer, since there is no SiO 2 layer 30 having a function of stopping the etching action of ICP-RIE in the above-described step (i), it is necessary to control the conditions of ICP-RIE. In order to obtain an etching depth of 150 μm with respect to the {100} surface of the Si wafer, for example, a (SF 6 + C 4 F 8 ) mixed gas is used as a reaction gas, and a process is performed for about 50 minutes at a high frequency output of 600 W. . Since the Si wafer is cheaper than the SOI wafer, and only the process (i) is changed, all other processes are the same as those in the present embodiment, so that the manufacturing cost can be further reduced. .

本発明の実施の形態に係るカンチレバーを取り付けたSPMの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows typically the structure of the principal part of SPM which attached the cantilever which concerns on embodiment of this invention. 図2(a)は、本実施の形態に係るSPM用カンチレバーの構造を示す斜視図であり、図2(b)は、図2(a)のSPM用カンチレバーをX方向から見た側面図、図2(c)は、図2(a)のSPM用カンチレバーをY方向から見た正面図である。FIG. 2A is a perspective view showing the structure of the SPM cantilever according to the present embodiment, and FIG. 2B is a side view of the SPM cantilever in FIG. FIG. 2C is a front view of the SPM cantilever in FIG. 2A viewed from the Y direction. 図2(a)の部分拡大図である。FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 本発明の実施の形態に係るSPM用カンチレバーの製造工程(a〜d)を説明するための部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view for demonstrating the manufacturing process (ad) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るSPM用カンチレバーの製造工程(e〜h)を説明するための部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view for demonstrating the manufacturing process (eh) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るSPM用カンチレバーの製造工程(i〜l)を説明するための部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view for demonstrating the manufacturing process (i-1) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係る複数のSPM用カンチレバーの配置を説明するためのウエハ上面図である。It is a wafer top view for demonstrating arrangement | positioning of the several cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for explaining a modification of an embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

10:SPM用カンチレバー
11:レバー
12:探針
13:支持体
14:ホルダー
20:上部Si層
30:SiO
30:下部Si層
25:線分(切断面)
26,27,28:柱状構造体
29:平面(切断面)
100:SOIウエハ
10: Cantilever for SPM 11: Lever 12: Probe 13: Support 14: Holder 20: Upper Si layer 30: SiO 2 layer 30: Lower Si layer 25: Line segment (cut surface)
26, 27, 28: Columnar structure 29: Plane (cut surface)
100: SOI wafer

Claims (7)

直線状のレバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを半導体基板から作製する方法であって、
前記探針部の先端に連なる稜線を前記半導体基板の表面に形成する第1の工程と、
前記半導体基板の厚さ方向にエッチングして前記レバー部の長さを規定する第2の工程と、
前記第2の工程により露出した前記レバー部の側面をエッチングして前記レバー部の厚さを規定する第3の工程と、
前記第2の工程により露出した前記レバー部の先端をエッチングして前記探針部の長手方向を前記稜線の方向とするとともに前記半導体基板の表面に平行とし、前記探針部の形状を原子稠密面で3面が構成される三角錐状とする第4の工程とを有し、
前記第3の工程は前記第4の工程とともに行う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の製造方法。
A method of producing a cantilever for a scanning probe microscope, in which a probe part is integrally formed at one end of a linear lever part and a support part is integrally formed at the other end, from a semiconductor substrate,
A first step of forming a ridge line connected to the tip of the probe portion on the surface of the semiconductor substrate;
A second step of defining the length of the lever portion by etching in the thickness direction of the semiconductor substrate;
A third step of defining the thickness of the lever portion side of the lever portion exposed by the second step by etching,
The tip of the lever portion exposed in the second step is etched so that the longitudinal direction of the probe portion is the direction of the ridgeline and parallel to the surface of the semiconductor substrate, and the shape of the probe portion is atomically dense. possess a fourth step of three surfaces in face to triangular pyramid shape composed of,
The method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, wherein the third step is performed together with the fourth step .
請求項1に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
前記半導体基板の表面を該半導体材料の(001)面に選び、前記三角錐状の探針部の3面を{111}面で構成す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の製造方法。
In the manufacturing method of the cantilever for scanning probe microscopes of Claim 1,
A method for manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, wherein the surface of the semiconductor substrate is selected as the (001) plane of the semiconductor material, and the three faces of the triangular pyramid-shaped probe portion are constituted by {111} planes .
請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
前記半導体基板は、SOIウエハであ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の製造方法。
In the manufacturing method of the cantilever for scanning probe microscopes of Claim 1 or 2,
The method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, wherein the semiconductor substrate is an SOI wafer.
請求項3に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
前記レバー部の長さは、前記SOIウエハの一方のSi層の厚さに等しい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の製造方法。
In the manufacturing method of the cantilever for scanning probe microscopes of Claim 3,
The method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, wherein the length of the lever portion is equal to the thickness of one Si layer of the SOI wafer.
請求項1または2に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
前記半導体基板は、Siウエハであ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の製造方法。
In the manufacturing method of the cantilever for scanning probe microscopes of Claim 1 or 2,
The method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, wherein the semiconductor substrate is a Si wafer.
請求項5に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
前記レバー部の長さは、ICP−RIE法により前記Siウエハをその厚さ方向に除去した深さに等しい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の製造方法。
In the manufacturing method of the cantilever for scanning probe microscopes of Claim 5,
A length of the lever portion is equal to a depth obtained by removing the Si wafer in the thickness direction by an ICP-RIE method, and a method for manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope.
請求項1〜6のいずれかに記載の製造方法によって作製された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
A cantilever for a scanning probe microscope produced by the production method according to claim 1.
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