JP4661523B2 - 計測プローブ及び計測プローブの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、計測プローブ及び計測プローブの製造方法に関する。

半導体等の表面における極微細領域の特性を計測するために使用される走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等における計測プローブには、カンチレバーの自由端となる先端に、試料との間に物理的相互作用を起こさせるための探針が形成されている。

一般的にこのようなカンチレバー及び探針は、シリコン基板の表面を加工して形成される。この際、カンチレバーの面内方向に対して探針を垂直方向に立設させるもの（例えば、特許文献１，２参照。）がある一方、立設された探針の製造の困難さや、形成後の後工程における探針の保護の必要性に伴う制約等を避けるために、カンチレバーの自由端を先鋭化させてそのまま探針とするもの（例えば、特許文献３参照。）も提案されている。

特許文献１，２の場合では、シリコン基板に対して、異方性ウェットエッチングや、反応性イオンエッチングによる等方性ドライエッチングによってシリコン層をエッチングして垂直方向に立設した探針を製造している。
特開平４−２３１８１１号公報 特許第３６００４３３号公報 特開２０００−２６６６５９号公報

しかしながら、上記特許文献３に記載の場合では、カンチレバーの軸線が直線状となっているので、計測プローブによる計測方法によっては、探針が試料となす角度に制約が生じてしまい、十分な物理的相互作用を起こさせられない場合がある。また、特許文献１，２に記載の場合では、探針の高さを、例えば、３０μｍから１００μｍまでの範囲にするためには、異方性ウェットエッチングや反応性ドライエッチングによるエッチングをかなり深く行う必要がある。この際、反応性ドライエッチングでは、エッチングスピードが遅く、プロセス時間が長大になる。これを回避するために高額な高速エッチング装置を導入せざるを得ず、結果的に製造コストが上昇する。さらに、エッチングする際に基板から除去する部分が多く、量産時のプロセス負荷や環境負荷が大きい。また、探針の上述した高さを保持したまま後工程を行うのは、プロセス上の難易度が大きい。

本発明は上記事情に鑑みて成されたものであり、カンチレバーの固定端側の面内方向に対して垂直方向に高い探針を備えることができる計測プローブ及び計測プローブの製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を採用する。
本発明に係る計測プローブの製造方法は、活性層が積層された半導体基板から、探針、カンチレバー、該カンチレバーを片持ち支持する基部をそれぞれ製造する計測プローブの製造方法において、前記半導体基板の積層方向に対して直交する方向に沿って前記探針と、この探針の自由端に前記カンチレバーとを一括形成する形成工程と、前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段を前記カンチレバーに配する工程とを備え、前記形成工程において、前記カンチレバーを直線状に延びるように形成すると共に、前記探針を、この高さ方向が前記カンチレバーの延出方向と交差するように延出形成し、さらに、前記カンチレバーの前記自由端に窓を形成し、前記検知手段を前記カンチレバーに配する工程において、前記窓における前記カンチレバーの延出方向両端に、それぞれ前記検知手段を配することを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブは、自由端に探針が配されたカンチレバーと、該カンチレバーの固定端が接続されて該カンチレバーを片持ち支持する基部とを備えて、複数の層が積層された半導体基板から製造される計測プローブにおいて、前記半導体基板の積層方向に対して直交するように前記カンチレバーと前記探針とが形成され、かつ、前記カンチレバーは、直線状に延びて形成されていると共に、前記自由端に窓が形成され、前記探針は、この高さ方向が前記カンチレバーの延出方向と交差するように形成され、前記カンチレバーの窓には、前記カンチレバーの延出方向両端に、前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段が配されていることを特徴とする。

この発明は、カンチレバーの自由端から延びる探針を半導体基板の面内方向に形成することができ、カンチレバーに対して任意の角度に傾斜した探針を任意の高さで形成することができる。また、探針をカンチレバーから立設させる個別の工程を不要にすることができる。
さらに、カンチレバーの歪みを検知手段によって自己検知することができ、光てこ方式のようにレーザ光を使用しなくてもカンチレバーの撓み量を把握することができる。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項１に記載の計測プローブの製造方法であって、前記形成工程が、前記探針、前記カンチレバー、及び前記基部の元となる部分に対してカンチレバーエッチング用マスクを前記活性層の表面に配置する工程と、
前記活性層を一括してエッチングする工程とを備えていることを特徴とする。

この発明は、探針、カンチレバー、及び基部の元となる部分を一括したエッチングによって形成することができ、製造時間を短縮化することができる。また、探針の高さに対するエッチング時間の変動を少なくでき、高さの高い探針であっても形成時間を従来よりも短縮することができる。

また、本発明に係る計測プローブの製造方法は、請求項１又は２に記載の計測プローブの製造方法であって、前記半導体基板の積層方向に延びる複数の孔を前記探針に形成する工程を備えていることを特徴とする。

また、本発明に係る計測プローブは、請求項４に記載の計測プローブであって、前記半導体基板の積層方向に延びる複数の孔が前記探針に配されていることを特徴とする。

この発明は、探針に複数の孔が設けられるので、探針の質量を軽量化することができる。従って、探針が配された状態のカンチレバーの重心を孔がない状態よりもカンチレバーの固定端側に移動させることができる。

本発明によれば、カンチレバーに対して垂直方向に高い探針を従来よりも容易に形成することができる。

本発明に係る第１の実施形態について、図１から図５を参照して説明する。
本実施形態に係る計測プローブ１は、図１及び図２に示すように、自由端２ａに探針３が配されたカンチレバー２と、カンチレバー２の固定端２ｂが接続されてカンチレバー２を片持ち支持する基部５とを備えている。この計測プローブ１は、図３（ａ）に示すようなＳＯＩ（Silicon on insulator）基板（半導体基板）６から製造されている。

このＳＯＩ基板６は、Ｓｉからなる支持層７に内部酸化層８としてＳｉＯ_２が積層され、さらにＳｉからなる活性層１０が順に積層されており、図１及び図２に示すように、カンチレバー２及び探針３は、活性層１０から形成され、基部５は、支持層７、内部酸化層８、及び活性層１０の三層から形成されている。

カンチレバー２は、軸線Ｃを有して直線状に延びて形成されている。カンチレバー２の自由端２ａ近傍には第一窓１１が、固定端２ｂ近傍には第二窓１２がそれぞれ配されている。第一窓１１は、自由端２ａ側が固定端２ｂ側に対してより屈曲して撓み易いようにするためのもので、第二窓１２は、カンチレバー２が基部５に対してより屈曲して撓み易いようにするために設けられている。なお、第一窓１１、第二窓１２は設けられていなくても構わず、また、三つ以上の窓が設けられていても構わない。

カンチレバー２の軸線Ｃ方向となる第一窓１１の両端面近傍には、カンチレバー２の歪みを検知する第一ピエゾ抵抗体（検知手段）１３がそれぞれ配されている。第一ピエゾ抵抗体１３は、カンチレバー２及び基部５に沿って配された電気配線１５を介して外部接続端子１６に接続されている。

探針３は、ＳＯＩ基板６の積層方向に対して直交する面、即ち、活性層１０に沿う方向を高さ方向として、カンチレバー２の軸線Ｃに対して所定の角度を有してカンチレバー２の自由端２ａから延びて形成されている。探針３は円錐形状又は角錐形状とされ、先端３ａに向って先細状となっている。

基部５には、側面から突出して片持ち状態で支持されるとともに、第三窓１７が形成されたリファレンスバー１８が設けられている。このリファレンスバー１８は、カンチレバー２よりも長さが短く形成され、根元部分となる基部５には、第一ピエゾ抵抗体１３の温度補償用の第二ピエゾ抵抗体２０が配されている。この第二ピエゾ抵抗体２０にも電気配線２１が接続されており、外部接続端子２２と電気的に接続されている。なお、このリファレンスバー１８及び第二ピエゾ抵抗体２０は、計測プローブ１に必須のものではない。

次に、本実施形態に係る計測プローブ１の製造方法について説明する。
この計測プローブ１の製造方法は、図４に示すように、ＳＯＩ基板６の積層方向に対して直交する方向を探針３の高さ方向として、探針３とカンチレバー２とを一括形成する形成工程（Ｓ０１）と、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ０２）とを備えている。

形成工程（Ｓ０１）は、探針３、カンチレバー２、及び基部５の元となる部分に対してカンチレバーエッチング用マスク２３をＳＯＩ基板６の活性層１０の表面に配置する工程（Ｓ１１）と、活性層１０を一括してエッチングする工程（Ｓ１２）とを備えている。
即ち、まず、図３及び図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板６の表面に、カンチレバーエッチング用マスク２３を配する。このカンチレバーエッチング用マスク２３は、ＳＯＩ基板６上にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィによってパターニングを施して形成する。

次に、エッチング工程（Ｓ１２）に移行する。ここでは、カンチレバーエッチング用マスク２３が配されたＳＯＩ基板６の表面に対して、図示しないリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：reactive on Etching）装置を用いてエッチングを行う。こうして、図５（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板６の積層方向に対して直交する方向を探針３の高さ方向として、探針３とカンチレバー２とを一括形成する。

続いて、図５（ｃ）に示すように、カンチレバーエッチング用マスク２３から露出した探針３となる部分の活性層１０をテーパ状にエッチングする。この際、マイクロローディング効果により、面内方向のみならず深さ方向にもエッチングされて探針３として先鋭化される。一方、ＳＯＩ基板６の裏面側となる支持層７の表面に、カンチレバーエッチング用マスク２３と同様の方法によって、基部５を形成するための裏面マスク２５を配する。

この状態で、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ０２）に移行する。
まず、図５（ｄ）に示すように、残された活性層１０の表面の所定の位置にイオン注入法やイオン拡散法等によって不純物をドーピングして第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０を形成する。そして、活性層１０の上面に電気配線１５，２１となる導電膜を形成するとともに、外部接続端子１６，２２を配し、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０のそれぞれと外部接続端子１６，２２とを電気配線１５，２１によって電気的に接続する。

こうして、図５（ｅ）に示すように、支持層７をエッチングして基部５を形成し、さらに、内部酸化層８をエッチングして、図５（ｆ）に示すように、カンチレバー２を片持ち状態とする。
その後、電気配線１５，２１、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０の表面に図示しない絶縁膜を配して外部に対して絶縁させて計測プローブ１を得る。

この計測プローブ１及びその製造方法によれば、カンチレバー２の自由端２ａから延びる探針３を、ＳＯＩ基板６に対して立設させるのではなく、ＳＯＩ基板６の面内方向に形成することができる。この際、カンチレバー２の軸線Ｃに対して任意の角度に傾斜した探針３を任意の高さで形成することができる。また、探針３をカンチレバー２から立設させる際に従来要した個別の工程を不要にすることができる。従って、カンチレバー２に対して垂直方向に高い探針３を従来よりも容易に形成することができる。

さらに、探針３、カンチレバー２、及び基部５の元となる部分を一括したエッチングによって形成することができ、製造時間を短縮化することができる。また、探針３の高さや角度をカンチレバーエッチング用マスク２３の形状によって調整することができ、探針３の形成時におけるエッチング時間の変動を少なくして、高さが高い探針３であっても形成時間を従来よりも短縮することができる。

また、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０が配されているので、これらに所定の電圧を印加して電流を流すとともにこの電流値を検出することによって、カンチレバーの歪みを抵抗値の変化として自己検知することができる。そして、いわゆる光てこ方式のようにレーザ光を使用しなくてもカンチレバーの撓み量を把握することができる。

次に、本発明の第２の実施形態について図６及び図７を参照して説明する。
なお、上述した第１の実施形態と同様の構成要素には同一符号を付すとともに説明を省略する。
第２の実施形態と第１の実施形態との異なる点は、本実施形態に係る計測プローブ３０の探針３１に、図６に示すように、ＳＯＩ基板６の積層方向に延びる複数の孔３２が配されているとした点である。なお、複数の孔３２は、探針３１を貫通していても貫通していなくても構わない。

この計測プローブ３０の製造方法は、図７に示すように、ＳＯＩ基板６の積層方向に対して直交する方向を探針３１の高さ方向として、探針３１とカンチレバー２とを一括形成する形成工程（Ｓ２１）と、複数の孔３２を探針３１に形成する工程（Ｓ２２）と、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ２３）とを備えている。なお、形成工程（Ｓ２１）は、第１の実施形態に係る形成工程（Ｓ０１）と、また、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ２３）は、第１の実施形態に係る第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ０２）とそれぞれ同様の工程であるので、以下、複数の孔３２を探針３１に形成する工程（Ｓ２２）についてのみ説明する。

形成工程（Ｓ２１）にて探針３１の全体形状を形成した後、複数の孔３２を探針３１に形成する工程（Ｓ２２）に移行する。
まず、例えば、複数の孔３２がハニカム形状となるように形成された、第１の実施形態に係るカンチレバーエッチング用マスク２３と同様の図示しない孔用マスクを探針３１の表面に形成する。そして、図示しないＲＩＥ装置を用いてエッチングを行い、複数の孔３２を形成する。

その後、第一ピエゾ抵抗体１３及び第二ピエゾ抵抗体２０をカンチレバー２及び基部５に配する工程（Ｓ２３）に移行して、計測プローブ３０を得る。
この計測プローブ３０及びその製造方法によれば、探針３１に複数の孔３２が設けられるので、探針３１の質量を軽量化することができる。従って、探針３１が配された状態のカンチレバー２の重心を孔３２がない状態よりもカンチレバー２の固定端２ｂ側に移動させることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、試料の表面電位を測定する場合等のために、探針の表面に導電膜を配しても構わない。

本発明の第１の実施形態に係る計測プローブを示す（ａ）平面図、（ｂ）側面図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブを示す斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。 本発明の第１の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示す説明図である。 本発明の第２の実施形態に係る計測プローブの探針を示す（ａ）要部断面図、（ｂ）要部平面図である。 本発明の第２の実施形態に係る計測プローブの製造方法を示すフロー図である。

符号の説明

１，３０ 計測プローブ
２ カンチレバー
２ａ 自由端
３，３１ 探針
５ 基部
６ ＳＯＩ基板（半導体基板）
７ 支持層
８ 内部酸化層
１０ 活性層
１１ 第一窓（窓）
１３ 第一ピエゾ抵抗体（検出手段）
３２ 孔

Claims (5)

1. 活性層が積層された半導体基板から、探針、カンチレバー、該カンチレバーを片持ち支持する基部をそれぞれ製造する計測プローブの製造方法において、
   前記半導体基板の積層方向に対して直交する方向に沿って前記探針と、この探針の自由端に前記カンチレバーとを一括形成する形成工程と、
   前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段を前記カンチレバーに配する工程とを備え、
   前記形成工程において、
   前記カンチレバーを直線状に延びるように形成すると共に、前記探針を、この高さ方向が前記カンチレバーの延出方向と交差するように延出形成し、さらに、前記カンチレバーの前記自由端に窓を形成し、
   前記検知手段を前記カンチレバーに配する工程において、
   前記窓における前記カンチレバーの延出方向両端に、それぞれ前記検知手段を配することを特徴とする計測プローブの製造方法。
2. 前記形成工程が、前記探針、前記カンチレバー、及び前記基部の元となる部分に対してカンチレバーエッチング用マスクを前記活性層の表面に配置する工程と、
   前記活性層を一括してエッチングする工程とを備えていることを特徴とする請求項１に記載の計測プローブの製造方法。
3. 前記半導体基板の積層方向に延びる複数の孔を前記探針に形成する工程を備えていることを特徴とする請求項１又は２に記載の計測プローブの製造方法。
4. 自由端に探針が配されたカンチレバーと、該カンチレバーの固定端が接続されて該カンチレバーを片持ち支持する基部とを備えて、複数の層が積層された半導体基板から製造される計測プローブにおいて、
   前記半導体基板の積層方向に対して直交するように前記カンチレバーと前記探針とが形成され、かつ、
   前記カンチレバーは、直線状に延びて形成されていると共に、前記自由端に窓が形成され、
   前記探針は、この高さ方向が前記カンチレバーの延出方向と交差するように形成され、
   前記カンチレバーの窓には、前記カンチレバーの延出方向両端に、前記カンチレバーの歪みを検知する検知手段が配されていることを特徴とする計測プローブ。
5. 前記半導体基板の積層方向に延びる複数の孔が前記探針に配されていることを特徴とする請求項４に記載の計測プローブ。

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