JP4931708B2 - 顕微鏡用プローブ及び走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents

Description

本発明は、試料表面を観察する顕微鏡用プローブ及び走査型プローブ顕微鏡に関する。

現在、試料表面におけるナノメートルオーダの微小な領域を観察するための顕微鏡は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ ＰｒｏｂｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が使われている。このＳＰＭの中でも、先端部に探針を設けたカンチレバーを走査プローブとして使用する、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が、特に注目されている。この原子間力顕微鏡は、カンチレバーの探針を試料表面に沿って走査し、試料表面と探針との間に発生する原子間力（引力または斥力）をカンチレバーの撓み量として検出することにより、試料表面の形状測定が行われる。カンチレバーには、その撓み量の測定方法の違いから光てこ式と自己検知型のものがある。このような走査型プローブ顕微鏡において、近年、試料表面の凹凸形状とともに試料表面の微小領域での正確な温度分布を測定する方法（例えば、特許文献１参照。）あるいは、試料表面の凹凸形状とともに試料表面の微小領域での表面電位を測定する方法（例えば、特許文献２参照。）が提案されている。
特開平８−１０５８０１号公報 特開２０００−６５７１８号公報

しかし、上述の特許文献１のカンチレバーにおいては、カンチレバー先端に熱電対を形成することで試料表面の凹凸形状と温度分布を分離して観察することを可能としたものであり、特許文献２のＳＰＭプローブにおいてはＳＰＭプローブの探針とその近傍に導電性を付与し、探針から電極配線を形成することで、試料表面の凹凸形状と、試料と探針の間に電圧を印加することで試料表面の表面電位とを測定する事を可能としたものであり、いずれの方法とも、ひとつのカンチレバーで測定できる特性は試料表面の凹凸形状以外に一種類であった。

そのため、例えば、試料の温度分布と表面電位の両特性を測定したい場合には、それぞれの特性に対応したカンチレバーを付けかえて測定しなければならない。つまり、カンチレバーを付替える度に、試料の測定位置合わせを行わなければならないため、試料上の微小部位の測定を行う場合などは、正確に同じ位置の測定を行うといった事が困難であった。また、カンチレバーを付替えて再度位置合わせを行うのに時間を要するため試料特性が経時的に変化してしまう試料などの測定は不可能であった。

また、カンチレバーを複数備えたいわゆるマルチカンチレバーとして、カンチレバーを付替える手間を省略する方法が考えられるが、マルチカンチレバーの場合は、例えば１本目のカンチレバーで測定を行った後、２本目のカンチレバーで測定を行う場合は、１本目のカンチレバーが試料面の別な部位に干渉してしまう課題があった。対策方法として、１本目のカンチレバーを試料面に干渉しないように逃がす方法が提案されているが、カンチレバーをそらすための構造を付与する必要がある。また、プローブ（もしくは試料）測定部位に移動する必要があり、厳密に同じ位置の測定を行うことは困難であった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであって、試料表面の形状、および微小領域での複数の物性を同時測定することが可能である顕微鏡用プローブ及び走査型顕微鏡を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は以下の手段を提案している。

本発明の顕微鏡用プローブは、上面に絶縁層を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第２の端部を有する第２の金属構造体と、前記第１の端部および前記第２の端部が重なることで形成された温度測定素子と、前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、前記カンチレバーの上面に前記第１の金属構造体および前記第２の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第３の金属構造体と、前記導電層および前記第３の金属構造体からなる電気特性検出素子と、を有し、前記カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有し、該応力集中部は、前記カンチレバーの中心軸と直交する面について当該中心軸に対する左右それぞれの断面の形状が異なるように構成することで左右均等のバネ定数を有する構造を備える構成とした。
また、本発明の顕微鏡用プローブは、上面に絶縁層を有するカンチレバーと、前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第２の端部を有する第２の金属構造体と、前記第１の端部および前記第２の端部が重なることで形成された温度測定素子と、前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、前記カンチレバーの上面に前記第１の金属構造体および前記第２の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第３の金属構造体と、前記導電層および前記第３の金属構造体からなる電気特性検出素子と、を有し、前記カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有し、該応力集中部は前記カンチレバーの中心軸に対して左右均等のバネ定数を有する構造であり、前記左右均等のバネ定数を有する構造は、前記第１の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第２の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第４の金属構造体と、前記第２の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第１の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第５の金属構造体と、を有する構成とした。

上記発明に係る顕微鏡用プローブによれば、第１の金属構造体の第１の端部と第２の金属構造体の第２の端部が重なることで形成された温度測定用素子と、探針およびその近傍に形成された導電層と第３の金属構造体からなる電気特性検出素子とにより、試料の表面形状を測定するとともに試料の温度特性および電気特性を正確に測定することができる。

この発明に係る顕微鏡用プローブによれば、カンチレバーの撓み易い応力集中部が、中心軸に対して左右均等のバネ定数を有する構成となっているため、測定時のカンチレバー全体のたわみが均等になり、精度の高い観察が可能となる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、前述した顕微鏡用プローブと、探針部を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する探針の変位データを検出する変位検出手段と、探針部を試料の表面に対して相対的に平行で、互いに直交する二方向の走査及び試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、温度測定用素子の熱起電力を検出する温度特性検出手段と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位を計測する電気特性検出手段を備える構成とした。

この発明に係る走査型プローブ顕微鏡によれば、凹凸を表面に有する試料表面微小領域の形状だけではなく、温度分布や熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に感度良く測定することができる。

また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、探針部を任意の周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、変位検出手段は、探針部の振動状態を検出する振動検出手段である構成とした。

この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、ＤＦＭ（Ｄｙｎａｍｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｏｄｅ）などのカンチレバーを振動させて試料の表面形状を測定する場合において、カンチレバーの共振周波数が高まり、試料との相互作用を感度良く測定することができる。

また、本発明のプローブは、変位検出手段をカンチレバー内に設ける。

また、さらには変位検出手段はピエゾ抵抗素子であることとした。

この発明にかかわるプローブによればカンチレバーにレーザ光を反射させる反射面を設ける必要がないので、カンチレバーの形状に制限を受ける必要がなく、プローブの設計の自由度が向上し、製造し易い。また、レーザ光源等の大がかりな装置が不要なので、装置コスト及び装置スペースの削減を図ることができる。

本発明によれば、試料表面の形状および微小領域での、試料表面の微小領域の形状だけではなく、温度分布、熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に精度よく測定することができる。

以下に本願発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図１から図１１は、この発明に係る第一実施形態を示している。図１に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図２にプローブの斜視図、図３に平面図、図４に断面図を示す。図５から図９にはプローブの製造工程の工程図を示す。また、図１０、図１１には本第一実施形態の変形例を示している。

図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、試料１００を支持する試料支持部９と、試料１００を移動させる試料移動手段３と、試料移動手段３によって試料１００の試料上面Ｓ上を相対的に走査される探針部２１を有するプローブ２０と、プローブ２０の探針部２１をカンチレバー２２が共振または強制振動する周波数で振動させる加振手段５００とを備えている。プローブ２０は、探針部２１が先端部に突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を、該カンチレバー２２の先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。なお、図１では、カンチレバー２２の上面が下向きとなるように図示されている。

試料移動手段３は、試料支持部９を支持し、試料上面Ｓに平行で互いに直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料上面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料移動手段３と、試料移動手段３を駆動させる駆動装置４とを備える。より詳しくは、試料移動手段３は、試料１００をＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構及び微小移動させるＸＹスキャナ、及びＺスキャナとで構成される。粗動機構に対応する駆動装置４としては、例えばステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置４としては、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料１００をＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段５００は、プローブ２０に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０を加振するＰＺＴからなる圧電素子と、圧電素子に電圧を印加して圧電素子を振動させる加振電源５とを備える。

さらに、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、加振手段５００によって加振されたプローブ２０の探針部２１の振動状態を検出する変位検出手段６を備える。変位検出手段６は、探針部２１の裏面に形成された反射面（例えば、金やアルミニウム等の金属材料をコーティングして形成：図示しない）にレーザ光を照射するレーザ光源と、レーザ光源の電源であるレーザ電源と、反射面で反射したレーザ光を検出するフォトダイオードとを備えている。フォトダイオードで検出されるレーザ光は、ＤＩＦ信号として出力され、プリアンプで増幅され、交流−直流変換器によって直流変換され、コンピュータ７に送られる。コンピュータ７には、Ｚ電圧フィードバック回路が備えられており、コンピュータ７に入力されたＤＩＦ信号に基づいて試料移動手段３のＺスキャナに電圧を印加して試料１００をＺ方向に微小移動させる。

また、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ２０に接続され、探針部２１近傍に設置された温度測定用素子で発生する熱起電力を測定する温度特性検出手段８と、探針２１表面およびその近傍に形成された電気特性検出素子に接続され、試料上面Ｓとの間に流れる電流変化や、試料上面Ｓの表面電位を計測する電気特性検出手段１０とを備える。また、コンピュータ７は、前述のように駆動装置４、加振電源５、変位検出手段６、温度特性検出手段８、および電気特性検出手段１０と接続されている。

以上の構成により、走査型プローブ顕微鏡１は、以下に示すように、試料１００の表面形状及び温度特性、電気特性を測定する。まず、コンピュータ７による制御のもとに加振電源５で加振手段５００を振動させるとともに、変位検出手段６からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光を照射させる。カンチレバー２２は加振手段５００から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射され変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光は一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ７による制御のもと、駆動装置４を駆動させて、試料１００をＸ、Ｙ方向に走査させて試料１００の表面形状、温度特性および電気特性を測定する。

プローブ２０の探針部２１が走査された位置に凹凸があると、変位検出手段６のフォトダイオードで検出されるレーザ光の振動振幅が減衰される。この振動振幅は、ＤＩＦ信号としてプリアンプで増幅され、交流−直流変換器によって直流変換され、コンピュータ７に入力される。コンピュータ７には前述のＺ電圧フィードバック回路が備えられており、ＤＩＦ信号化された振動振幅がしきい値を超えた場合、入力されたＤＩＦ信号に基づいて駆動装置４を駆動させ、振動振幅がしきい値内で一定となるように試料移動手段３をＺ方向に移動し、調整する。これを駆動装置４によって試料１００をＸ、Ｙ方向に移動させて、繰り返すことによって試料１００の表面形状の測定を行う。

さらに、試料１００の表面形状の測定と平行して、探針部２１近傍に発生する熱起電力、および電気特性を測定する。これらの試料１００の表面形状、温度特性、および電気特性の測定結果は、試料１００のＸ、Ｙ方向の走査位置とともにコンピュータ７によって表示される。

次に、このような走査型プローブ顕微鏡１に搭載されるプローブ２０の詳細の構成について説明する。

図２はプローブ２０の要部を示す部分斜視図であるが、走査型プローブ顕微鏡１に搭載される向きとは上下逆となるように記載されている。

図２に示すように、プローブ２０は、尖鋭化された探針部２１と、探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３と、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０と、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体３０の第２の端部３０１が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部２１およびその近傍に形成された導電層７０と、この導電層７０に接続された第３の金属構造体８０と、導電層７０および第３の金属構造体８０からなる電気特性検出素子とを備える。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５との間に介装されたＳｉＯ₂からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。

また、図３及び図３の平面図中に記載したカンチレバー２２の中心軸（カンチレバー２２の幅方向中央を通ってカンチレバー２２の長手方向に延びる軸線）をしめすＡ−Ａ´における断面を示した図４のとおり、カンチレバー２２の上面には絶縁層２８が形成され、絶縁層２８上において、先端部から基端部にかけて第１の金属構造体２９、第２の金属構造体３０および第３の金属構造体８０が形成されている。絶縁層２８は、例えばＳｉＯ₂からなるシリコン酸化膜である。また、第１の金属構造体２９はクロム、第２の金属構造体３０はニッケルからなる金属膜である。なお、第１の金属構造体と第２の金属構造体は、それぞれクロム、ニッケルに限ること無く、金、白金、白金ロジウム、ニクロム、クロメル、アルメルなど、熱電対を形成できる材料であれば良い。また、第３の金属構造体は、例えばアルミからなる金属膜で形成されている。探針部２１は、カンチレバー２２の上面の先端部に形成されており、その表面および近傍には白金からなる導電層７０を形成することで導電性を持たせてある。探針部２１および導電層７０、第３の金属構造体８０により電気特性検出素子を構成している。なお、第３の金属構造体および導電層はそれぞれアルミと白金に限ることは無く金属など導電性を有する材料であればよい。

この実施形態のプローブ２０では、温度測定用素子が探針部２１近傍に形成されているため、試料の温度が温度測定用素子にロスが少ない状態で伝わり、熱起電力を発生することから、図１に示す温度特性検出手段８によって試料１００の温度特性を高精度に測定することができる。また、探針部２１近傍に形成された導電層７０および第３の金属構造体８０により構成された電気特性検出素子によって測定された電気的特性、例えば導電層７０と試料１００との間に流れる電流変化や試料１００の表面電位を、図１に示す電気特性検出手段１０によって高精度に、かつ温度特性と同時に測定することが出来る。また、探針２１はその先端が先鋭化されているため、試料１００がアスペクト比の高い凹凸を有する表面形状であったとしても、探針部２１が凹凸に対して正確に追従し、凹凸の深さ、幅を高い精度で測定し、正確な観察像を得ることができる。さらに、凹凸の深い部分の温度特性、および電気特性の測定も追従性良く高精度に行うことが可能となる。

次に、この実施形態のプローブ２０の製造方法について説明する。前述のとおり、プローブ２０のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。

図５から図９は図３のＡ−Ａ´断面におけるプローブ２０の形成工程断面図である。まず、図５（ａ）のように、ＳＯＩ基板２７の表面および裏面を熱酸化することによりシリコン酸化膜３３を形成する。さらに表面側のシリコン酸化膜３３上にエッチングマスクとなるフォトレジスト膜３１を形成する。次にフォトレジスト膜３１をマスクとしてバッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いて表面側のシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図５（ｂ）に示すように探針部２１を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つづいて、パターニングしたシリコン酸化膜３３をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）することで、図５（ｃ）に示すように、マスクであるシリコン酸化膜３３の下に探針２１が形成される。そして、バッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスクであるシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図５（ｄ）に示すとおり、先の先鋭化した探針部２１が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。シリコン活性層２４をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、他にＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチングなどがある。

次に、図６（ａ）に示すように、シリコン活性層２４の探針２１及び探針近傍以外の部分をシリコン酸化膜で被覆することで絶縁層２８を形成する。つづいて、図６（ｂ）に示すように、探針部２１の表面およびその近傍をスパッタリングにより白金などで被覆することで導電層７０を形成する。さらに図６（ｃ）に示すようにアルミなどで導電層７０からカンチレバー２２及び本体部２３にいたる第３の金属構造体８０（導電層７０部分のみを図示）を形成する。

次に、図７（ａ）に示すように探針部２１、導電層７０および第３の金属構造体８０を形成したシリコン活性層２４上の第１の金属構造体２９となる部分以外の部分をフォトレジスト膜３４でパターニングする。次に、図７（ｂ）に示すように、クロム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図７（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３４を除去することによって第１の金属構造体２９が形成される。

なお、第１の金属構造体２９となるクロム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってクロム膜を成膜し、第１の金属構造体２９となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいてフォトレジスト膜が形成されていない部分のクロム膜をエッチングにより除去することで第１の金属構造体２９を形成する方法としても良い。
同様にして、金属構造体３０も形成する。図８（ａ）に示すように探針部２１、導電層７０、第３の金属構造体８０および第１の金属構造体２９を形成したシリコン活性層２４上の第２の金属構造体３０となる部分以外の部分をフォトレジスト膜３５でパターニングする。次に、図８（ｂ）に示すように、ニッケル膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図８（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜３５を除去することによって第２の金属構造体３０が形成される。

なお、第２の金属構造体３０となるニッケル膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってニッケル膜を成膜し、第２の金属構造体３０となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいて、フォトレジスト膜が形成されていない部分のニッケル膜をエッチングにより除去することで、第２の金属構造体３０を形成する方法としても良い。
さらには、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０の形成の順序についてもこの限りではなく、第２の金属構造体を形成した後に第１の金属構造体を形成しても良い。

次に、図９（ａ）から（ｄ）に示すように、本体部２３を形成する。まず、図９（ａ）に示すように、シリコン酸化膜３３をエッチングすることにより本体部２３を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つぎに、図９（ｂ）に示すように、探針部２１、導電層７０、第1の金属構造体２９（２９１）、第２の金属構造体３０（３０１）および第３の金属構造体８０が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜３６を形成する。そして、図９（ｃ）に示すように、酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。さらに、図９（ｄ）に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によってシリコン酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜３６を除去することでプローブ２０が製作される。本実施例においては、探針部の断面形状を円形としたが、これに限られることはなく、四角形や半円形などいずれの形状でも良い。

ここで、本第１実施形態の顕微鏡用プローブの変形例について図１０及び図１１を参照して説明する。図１０は、本発明の第１の実施形態に係るプローブの変形例を示す全体平面図であり、図１１は、図１０における切断線Ｂ−Ｂ´での部分断面図である。ここで、切断線Ｂ−Ｂ´はカンチレバー２２の中心軸（カンチレバー２２の幅方向中央を通ってカンチレバー２２の長手方向に延びる軸線）でもある。

図１０に示す顕微鏡用のプローブ２０においては、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１と第２の金属構造体３０の第２の端部３０１とが重なり合うことで形成された温度測定用素子が、絶縁層９０を介して第３の金属構造体８０上に形成されていることとした。このように温度測定用素子を形成させても、図３に示したプローブ２０と同様の作用・効果を発揮できる。

図１２から図２１は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図１２に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。図１３にプローブの平面図、図１４から図２０にはプローブの製造工程の工程図を示す。図２１は本第２実施形態の変形例を示す全体平面図であり、カンチレバーの基部にスリットを形成した例を示している。この第２実施形態において前述した第１実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。

図１２に示すように、本実施の形態における走査型プローブ顕微鏡２は、主な構成については実施例１の記述した図１の説明と同様であるが、プローブ２０１の探針部２１の変位を測定する手段として、カンチレバー２２の基端部に備えられた、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子を採用し、このピエゾ抵抗素子に接続された変位検出手段６０が検出した抵抗変化に基づいて探針部の変位を測定するものとした。

図１３はプローブ２０１の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡２に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図１３に示すように、プローブ２０１は、尖鋭化された探針部２１と、探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３と、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０と、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体３０の第２の端部３０１が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部２１およびその近傍に形成された導電層７０と、この導電層７０に接続された第３の金属構造体８０と、導電層７０および第３の金属構造体８０からなる電気特性検出素子と、を備える。温度測定用素子と第３の金属構造体８０は絶縁層９０により電気的に絶縁されている。カンチレバー２２の基端部には、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０が形成され、カンチレバー２２の本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０の抵抗変化を検出するためのピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成されている。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５との間に介装されたＳｉＯ₂からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。

次に、この実施形態のプローブ２０１の製造方法について説明する。図１４は、図１３における切断線Ｃ−Ｃ´での部分断面図、図１５及び図１６は、図１３における切断線Ｄ−Ｄ´での部分断面図、図１７及び図１８は、図１４と同じく図１３における切断線Ｃ−Ｃ´での部分断面図である。ここで、切断線Ｃ−Ｃ´はカンチレバー２２の中心軸でもある。

前述のとおり、プローブ２０１のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。

まず、図１４（ａ）のように、ＳＯＩ基板２７の表面および裏面を熱酸化することによりシリコン酸化膜３３を形成する。さらに表面側のシリコン酸化膜３３上にエッチングマスクとなるフォトレジスト膜５０を形成する。次にフォトレジスト膜５０をマスクとしてバッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いて表面側のシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図１４（ｂ）に示すように探針部２１を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つづいて、パターニングしたシリコン酸化膜３３をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）することで、図１４（ｃ）に示すように、マスクであるシリコン酸化膜３３の下に探針２１が形成される。そして、バッファードフッ酸溶液（ＢＨＦ）を用いてマスクであるシリコン酸化膜３３をエッチングすることにより図１４（ｄ）に示すとおり、先の先鋭化した探針部２１が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。シリコン活性層２４をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、他にＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチング等がある。

次に、図１５に示すように、カンチレバー２２の基端部にピエゾ抵抗素子４０を形成する。まず、図１５（ａ）のように、カンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜５１でパターニングする。つぎに図１５（ｂ）に示すようにフォトリソグラフィ技術によって、ピエゾ抵抗素子４０を形成する範囲のフォトレジスト膜５１を除去する。そして、図１５（Ｃ）に示すとおり、フォトレジスト膜５１をマスクとして、シリコン活性層２４にボロンをイオンインプラしてフォトレジスト膜５１を除去することで、図１５（ｄ）に示すようにカンチレバー２２の基端部にピエゾ抵抗素子４０を形成する。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。

つぎに、図示しないが、カンチレバー２２の上面に絶縁層２８を形成する。絶縁層２８は熱酸化法によって形成される。

つづいて、図１６（ａ）から図１６（ｄ）に示すように、ピエゾ抵抗素子４０に電極配線を形成する。まず、図１６（ａ）に示すように、ピエゾ抵抗素子４０とピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２の接続部となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５２でパターニングする。次に、レジストで保護されていない部分の絶縁層２８をフッ酸により除去し、更にレジスト５２を除去する。次に、図１６（ｂ）に示すようにカンチレバー２２のピエゾ抵抗素子を形成した面全体に電極配線材料となるアルミ膜をスパッタリングにより形成し、図１６（ｃ）に示すように、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２となる部分にフォトレジスト膜５３を形成する。図１６（ｄ）に示すようにフォトレジスト５３を形成していない部分のアルミ膜を除去しフォトレジスト膜５３を除去することによってピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成される。

なお、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にフォトレジスト膜５３を形成し、ピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する部分のフォトレジスト膜５３を除去する。つづいて、スパッタリング法あるいは蒸着法によってアルミ膜を成膜し、つづいてフォトレジスト膜５３を除去することでピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２を形成する方法としても良い。

次に、図１７（ａ）に示すように、シリコン活性層２４の探針２１及び探針近傍以外の部分をシリコン酸化膜で被覆することで絶縁層２８を形成する。つづいて、図１７（ｂ）に示すように、探針部２１の表面およびその近傍をスパッタリングにより白金などで被覆することで導電層７０を形成する。さらに図１７（ｃ）に示すようにアルミなどで導電層７０からカンチレバー２２及び本体部２３にいたる第３の金属構造体８０を形成する。
次に、図１８（ａ）から図１８（ｃ）に示すように、金属構造体形成工程において、絶縁層２８上に第1の金属構造体２９を形成する。まず、図１８（ａ）に示すように、第1の金属構造体２９となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５４でパターニングする。次に、図１８（ｂ）に示すように、クロム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図１８（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５４を除去することによって第1の金属構造体２９が形成される。

なお、第１の金属構造体２９となるクロム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってクロム膜を成膜し、第１の金属構造体２９となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいてフォトレジスト膜が形成されていない部分のクロム膜をエッチングにより除去することで第１の金属構造体２９を形成する方法としても良い。
同様にして、金属構造体３０も形成する。図１９（ａ）に示すように探針部２１、導電層７０、第３の金属構造体８０および第１の金属構造体２９を形成したシリコン活性層２４上の第２の金属構造体３０となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５５でパターニングする。次に、図１９（ｂ）に示すように、ニッケル膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図１９（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５５を除去することによって第２の金属構造体３０が形成される。

なお、第２の金属構造体３０となるニッケル膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってニッケル膜を成膜し、第２の金属構造体３０となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいて、フォトレジスト膜が形成されていない部分のニッケル膜をエッチングにより除去することで、第２の金属構造体３０を形成する方法としても良い。さらには、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０の形成の順序についてもこの限りではなく、第２の金属構造体を形成した後に第１の金属構造体を形成しても良い。

次に、図２０（ａ）から（ｄ）に示すように、本体部２３を形成する。まず、図９（ａ）に示すように、シリコン酸化膜３３をエッチングすることにより本体部２３を形成するためのマスクとなるシリコン酸化膜３３をパターニングする。つぎに、図２０（ｂ）に示すように、探針部２１、導電層７０、第１の金属構造体２９（２９１）、第２の金属構造体３０（３０１）および第３の金属構造体８０が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜５６を形成する。そして、図２０（ｃ）に示すように、酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。さらに、図２０（ｄ）に示すように、バッファードフッ酸（ＢＨＦ）によってシリコン酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜５６を除去することでプローブ２０１が製作される。

本実施例においては、探針部の断面形状を円形としたが、これに限られることはなく、四角形や半円形などいずれの形状でも良い。なお、上述の各工程において、フォトレジスト膜を露光させることでパターニングするが、これに限らず、電子ビームなどによる直接描画する方法でも構わない。

また、本実施例においてはその変形例として、図２１に示すようにカンチレバー２２の基端部にはスリット２４Ｓが形成されている構造としてもよい。これによりカンチレバー２２の基端部はたわみやすい応力集中部となり、更に精度の高い測定を可能とする。

なお、このような応力集中部を基端部に形成した自己検知型のカンチレバーの場合には、以下に述べる実施例が有効である。

図２２から図２９は、この発明に係る第３の実施形態を示している。図２２は本第３の実施形態のプローブの全体平面図である。図２３から図２７は、図２２における切断線Ｅ−Ｅ´での部分断面図および切断線Ｆ−Ｆ´での部分断面図であり、図２３は、本第３の実施形態のプローブを説明するための参考部分断面図、図２４から図２７は、本第３の実施形態のプローブの変形例を示している。

この第３実施形態において前述した第１実施形態および第２実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。図２２はプローブ２１１の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図２２に示すように、プローブ２１１は、尖鋭化された探針部２１と、探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３と、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０と、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体３０の第２の端部３０１が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部２１およびその近傍に形成された導電層７０と、この導電層７０に接続された第３の金属構造体８０と、導電層７０および第３の金属構造体８０からなる電気特性検出素子と、を備える。温度測定用素子と第３の金属構造体８０は絶縁層９０により電気的に絶縁されている。カンチレバー２２の基端部には、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０が形成され、カンチレバー２２の本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０の抵抗変化を検出するためのピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成されている。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５との間に介装されたＳｉＯ₂からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。ここで、切断線Ｅ−Ｅ´および切断線Ｆ−Ｆ´は、カンチレバー２２のピエゾ抵抗素子４０が形成された部分の部分断面図であるが、切断線Ｆ−Ｆ´部分は、特にカンチレバー２２の基端部にスリット２４Ｓが形成され、カンチレバー２２の基端部がたわみやすい応力集中部となっている部分である。ここで、スリット２４Ｓは、カンチレバー２２の中心軸と略平行に延びるようにして、第１の金属構造体２９と第３の金属構造体８０との間、第２の金属構造体３０と第３の金属構造体８０との間にそれぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。

本第３の実施形態の製造方法は、上述した第２の実施形態における方法と同様であるが、本第３の実施形態に述べる４種の変形例それぞれにおいて一部製造方法が異なる部分があるので、その部分については個別に記述する。

図２４は第３の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。（ａ）は切断線Ｅ−Ｅ´での部分断面図、（ｂ）は切断線Ｆ−Ｆ´での応力集中部を示す部分断面図である。

上述の製造方法において、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分における第２の金属構造体３０（３０１）の形成厚みを、第１の金属構造体２９（２９１）よりも厚くもしくは薄く形成することで、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第１の金属構造体２９（２９１）及び第２の金属構造体３０（３０１）の互いの形成厚みが調整されている。本実施例においては、第２の金属構造体３０（３０１）の形成厚みを第１の金属構造体２９（２９１）形成厚みよりも相対的に厚くした例を示したが、この限りではなく、逆に第２の金属構造体３０（３０１）の形成厚みを第１の金属構造体２９（２９１）形成厚みよりも相対的に薄くしてもよい。また、図示しないが、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分のみの第２の金属構造体３０（３０１）の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良いし、第２の金属構造体３０（３０１）全体の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良い。

図２５は第３の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。（ａ）は切断線Ｅ−Ｅ´での部分断面図、（ｂ）は切断線Ｆ−Ｆ´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分における第２の金属構造体３０（３０１）の形成幅を、第１の金属構造体２９（２９１）よりも広くもしくは狭く形成することで、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第１の金属構造体２９（２９１）及び第２の金属構造体３０（３０１）の互いの形成幅が調整されている。本実施例においては、第２の金属構造体３０（３０１）の形成幅を第１の金属構造体２９（２９１）形成幅よりも相対的に広くした例を示したが、この限りではなく、逆に第２の金属構造体３０（３０１）の形成幅を第１の金属構造体２９（２９１）形成幅よりも相対的に狭くしてもよい。また、図示しないが、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分のみの第２の金属構造体３０（３０１）の形成幅を広くもしくは狭くしても良いし、第２の金属構造体３０（３０１）全体の形成幅を広くもしくは狭くしても良い。

図２６は第３の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。（ａ）は切断線Ｅ−Ｅ´での部分断面図、（ｂ）は切断線Ｆ−Ｆ´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の一方のシリコン活性層２４ａの厚みを、他方のシリコン活性層２４ｂよりも厚くもしくは薄くなるように形成することで、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー２２の中心を挟んだシリコン活性層２４ａの互いの厚みが調整されている。本実施例においては、一方のシリコン活性層２４ａの厚みを、他方のシリコン活性層２４ｂよりも厚く形成した例を示したがこの限りではなく、逆に一方のシリコン活性層２４ａの厚みを、他方のシリコン活性層２４ｂよりも薄くしても良い。また、図示しないが、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分のシリコン活性層２４ａのみの形成厚みを厚くもしくは薄くしても良いし、応力集中部分を含むカンチレバー２２の一部の形成厚みを厚くもしくは薄くしても良い。

図２７は第３の実施形態におけるプローブのひとつの変形例の断面図である。（ａ）は切断線Ｅ−Ｅ´での部分断面図、（ｂ）は切断線Ｆ−Ｆ´での部分断面図である。上述の製造方法において、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の一方のシリコン活性層２４ａの幅を、他方のシリコン活性層２４ｂよりも広くもしくは狭くなるように形成することで、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。すなわち、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー２２の中心を挟んだシリコン活性層２４ａの互いの幅が調整されている。本実施例においては、一方のシリコン活性層２４ａの幅を、他方のシリコン活性層２４ｂよりも狭く形成した例を示したがこの限りではなく、逆に一方のシリコン活性層２４ａの幅を、他方のシリコン活性層２４ｂよりも狭くしても良い。

また、図２８から図２９は、この発明に係る第３の実施形態の変形例を示している。図２８は本第３の実施形態の変形例を示すプローブの全体平面図である。図２９は、図２８における切断線Ｇ−Ｇ´での部分断面図および切断線Ｈ−Ｈ´での部分断面図である。

この実施形態において前述した第１実施形態、第２実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。図２８はプローブ２１２の全体平面図であるが、走査型プローブ顕微鏡に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。

図２８に示すように、プローブ２１２は、尖鋭化された探針部２１と、探針部２１が先端部に突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部を先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３と、第１の金属構造体２９と、第２の金属構造体３０と、第１の金属構造体２９の第１の端部２９１および第２の金属構造体３０の第２の端部３０１が重なり合うことで形成された温度測定用素子と、探針部２１およびその近傍に形成された導電層７０と、この導電層７０に接続された第３の金属構造体８０と、導電層７０および第３の金属構造体８０からなる電気特性検出素子とを備えている。カンチレバー２２の基端部には、スリット２４Ｓが形成されて、カンチレバー２２の基端部がたわみやすい応力集中部となっている。ここで、スリット２４Ｓは、カンチレバー２２の中心軸と略平行に延びるようにして、第１の金属構造体２９と第３の金属構造体８０との間、第２の金属構造体３０と第３の金属構造体８０との間にそれぞれ１つずつ、合計２つ設けられている。前記カンチレバーの基端部に設けられた撓み易い応力集中部の一方には、前記第１の金属構造体と近接する状態に形成された前記第２の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第４の金属構造体が設けられ、前記カンチレバーの基端部に設けられた撓み易い応力集中部の他方には、前記第２の金属構造体と近接する状態に形成された前記第１の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第５の金属構造体が設けられている。温度測定用素子と第３の金属構造体８０は絶縁層９０により電気的に絶縁されている。カンチレバー２２の基端部には、カンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子４０が形成され、カンチレバー２２の本体部２３にはピエゾ抵抗素子４０の抵抗変化を検出するためのピエゾ抵抗素子用電極配線４１および４２が形成されている。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５との間に介装されたＳｉＯ₂からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。

本実施形態の製造方法については、上述した第２の実施形態における方法と同様の部分については省略する。製造方法が異なる部分については個別に記述する。

この実施形態のプローブ２１２の製造方法について順に説明する。

まず、第２の実施形態の図１４から図１７に説明した順にカンチレバーを作製していく。つづいて、図１８（ａ）から図１８（ｃ）に示すように、金属構造体形成工程において、絶縁層２８上に第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２を形成する。まず、図１８（ａ）に示すように、第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５４でパターニングする。次に、図１８（ｂ）に示すように、クロム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図１８（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５４を除去することによって第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２が形成される。

なお、第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２となるクロム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってクロム膜を成膜し、第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいてフォトレジスト膜が形成されていない部分のクロム膜をエッチングにより除去することで第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２を形成する方法としても良い。

同様にして、金属構造体３０および第４の金属構造体３０２も形成する。図１９（ａ）に示すように探針部２１、導電層７０、第３の金属構造体８０および第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２を形成したシリコン活性層２４上の第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２となる部分以外の部分をフォトレジスト膜５５でパターニングする。次に、図１９（ｂ）に示すように、ニッケル膜をスパッタリング法によって全面に形成する。そして、図１９（ｃ）に示すように、フォトレジスト膜５５を除去することによって第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２が形成される。

なお、第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２となるニッケル膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ全体にスパッタリング法あるいは蒸着法によってニッケル膜を成膜し、第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２となる部分にフォトレジスト膜をパターニングする。つづいて、フォトレジスト膜が形成されていない部分のニッケル膜をエッチングにより除去することで、第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２を形成する方法としても良い。さらには、第１の金属構造体２９および第５の金属構造体２９２と、第２の金属構造体３０および第４の金属構造体３０２の形成の順序についてもこの限りではなく、第２の金属構造体および第４の金属構造体を形成した後に第１の金属構造体および第５の金属構造体２９２を形成しても良い。

つづいて図２０（ａ）から（ｄ）に示すように、本体部２３を形成する。詳細については第２実施形態と同様であるためここでは省略する。

図２９は第４実施形態におけるプローブの断面図である。（ａ）は切断線Ｇ−Ｇ´での部分断面図、（ｂ）は切断線Ｈ−Ｈ´での部分断面図である。

上述の製造方法において、カンチレバー２２の基端部に備えられた応力集中部分の一方には、第１の金属構造体２９（２９１）と近接する状態に形成され第２の金属構造体３０（３０１）と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第４の金属構造体３０２が形成された状態、また、カンチレバー２２の基端部に備えられた応力集中部分の他方には、第２の金属構造体３０（３０１）と近接する状態に形成された第１の金属構造体２９（２９１）と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第５の金属構造体２９２が形成された状態になっている。これにより、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となり、カンチレバー２２の基端部に備えられた、応力集中部分の左右のたわみが同等となるようにするものである。

以上述べたように、本発明によれば、試料表面の形状および微小領域での、試料表面の微小領域の形状だけではなく、温度分布、熱特性と、電気特性検出素子と試料表面との間に流れる電流変化や、試料表面の表面電位とを同時に精度よく測定することができる。

なお、カンチレバー２２の探針部２１探針上に磁性体をコーティングすることで試料表面微小領域の磁気特性を測定することもできる。

また、特に自己検知型のカンチレバーの場合には、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第１の金属構造体２９（２９１）及び第２の金属構造体３０（３０１）の互いの形成厚みを調整してもよい。

あるいは、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、第１の金属構造体２９（２９１）及び第２の金属構造体３０（３０１）の互いの形成幅を調整してもよい。

あるいは、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー２２の中心を挟んだシリコン活性層２４ａの互いの厚みを調整してもよい。

あるいは、カンチレバー２２の中心軸に対する左右のバネ定数が均等となるように、カンチレバー２２の中心を挟んだシリコン活性層２４ａの互いの幅を調整してもよい。

あるいは、カンチレバー２２の基端部に備えられた応力集中部分の一方には、第１の金属構造体２９（２９１）と近接する状態に形成され第２の金属構造体３０（３０１）と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第４の金属構造体３０２が形成された状態、また、カンチレバー２２の基端部に備えられた応力集中部分の他方には、第２の金属構造体３０（３０１）と近接する状態に形成された第１の金属構造体２９（２９１）と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第５の金属構造体２９２が形成された状態としてもよい。

このように構成することで、カンチレバー２２で試料表面を走査する際のカンチレバー２２全体のたわみがカンチレバー２２の基端部に備えられた応力集中部分の左右のバネ定数が異なることによる影響を受けたたわみとなることを排除できるため、たとえば、実施例１に記載のレーザー光の反射を変位検出手段６として用いる場合においても、あるいは実施例２に記載のカンチレバー２２の基端部に備えられカンチレバーの撓みを検出するピエゾ抵抗素子により検出した抵抗変化に基づいて探針部の変位を測定する方法においても真に試料表面の状態によるたわみを検出できることから精度の高い観察が可能となる。

以上、本発明の第１、第２、第３の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこれらの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。

なお、プローブのカンチレバー及び本体部はＳＯＩ基板から形成されるものとしたが、これに限ることは無く、樹脂、半導体、ガラス、あるいは金属に絶縁層をコートしたものなどでも良い。

また、プローブに振動を与えて試料の表面形状を測定するＤＦＭモードの走査型プローブ顕微鏡としたが、これに限ることは無く、探針部の変位を直接測定するＡＦＭモードに使用するものとしても、アスペクト比の高い凹凸を感度良く測定することができる。

また、プローブには、探針部が１つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数の探針部を突出して設けることで、アレイ化したプローブとしても良い。さらに、プローブは走査型プローブ顕微鏡に備えられるものとしたこれに限ることはない。

本発明の第１の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの要部を示す部分斜視図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの全体を示す平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの要部を示す部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの変形例を示す全体平面図である。 本発明の第１の実施形態に係るプローブの変形例の要部を示す部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係る走査型プローブ顕微鏡の構成例を示すブロック図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの全体を示す平面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの形成工程を説明するための部分断面図である。 本発明の第２の実施形態に係るプローブの変形例を示す全体平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの全体を示す平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブを説明するための参考部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を説明するための部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を説明するための部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を説明するための部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を説明するための部分断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を示す全体平面図である。 本発明の第３の実施形態に係るプローブの変形例を説明するための部分断面図である。

符号の説明

１、２ 走査型プローブ顕微鏡
３ 試料移動手段
４ 駆動装置
５ 加振電源
５００ 加振手段
６、６０ 変位検出手段
７ コンピュータ
８ 温度特性検出手段
９ 試料支持部
１０ 電気特性検出手段
２０、２０１、２１１、２１２ プローブ
２１ 探針部
２２ カンチレバー
２３ 本体部
２４、２４ａ、２４ｂ シリコン活性層
２４Ｓ スリット
２５ シリコン支持層
２６ ＢＯＸ層
２７ ＳＯＩ基板（シリコン基板）
２８、９０ 絶縁層
２９ 第１の金属構造体
２９１ 第１の端部
２９２ 第５の金属構造体
３０ 第２の金属構造体
３０１ 第２の端部
３０２ 第４の金属構造体
３３ シリコン酸化膜
３１、３２、３４、３５、３６ フォトレジスト膜
４０ ピエゾ抵抗素子
４１、４２ ピエゾ抵抗素子用電極配線
５０、５１、５２、５３、５４、５５、５６ フォトレジスト膜
７０ 導電層
１００ 試料

Claims (10)

1. 上面に絶縁層を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第２の端部を有する第２の金属構造体と、
   前記第１の端部および前記第２の端部が重なることで形成された温度測定素子と、
   前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、
   前記カンチレバーの上面に前記第１の金属構造体および前記第２の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第３の金属構造体と、
   前記導電層および前記第３の金属構造体からなる電気特性検出素子と、
   を有し、
   前記カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有し、該応力集中部は、前記カンチレバーの中心軸と直交する面について当該中心軸に対する左右それぞれの断面の形状が異なるように構成することで左右均等のバネ定数を有する構造を備えることを特徴とする顕微鏡用プローブ。
2. 前記左右均等のバネ定数を有する構造は、前記第１の金属構造体及び前記第２の金属構造体の互いの厚さが異なって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用プローブ。
3. 前記左右均等のバネ定数を有する構造は、前記第１の金属構造体及び前記第２の金属構造体の互いの幅が異なって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用プローブ。
4. 前記左右均等のバネ定数を有する構造は、前記応力集中部の左右の厚さが異なって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用プローブ。
5. 前記左右均等のバネ定数を有する構造は、前記応力集中部の左右の幅が異なって構成されていることを特徴とする請求項１に記載の顕微鏡用プローブ。
6. 上面に絶縁層を有するカンチレバーと、
   前記カンチレバーの先端に設けられ、先鋭化された探針部と、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第１の端部を有する第１の金属構造体と、
   前記カンチレバーの上面に設けられ、前記カンチレバーの先端部に第２の端部を有する第２の金属構造体と、
   前記第１の端部および前記第２の端部が重なることで形成された温度測定素子と、
   前記探針部およびその近傍に形成された導電層と、
   前記カンチレバーの上面に前記第１の金属構造体および前記第２の金属構造体から離間して設けられ、前記導電層に接続された第３の金属構造体と、
   前記導電層および前記第３の金属構造体からなる電気特性検出素子と、
   を有し、
   前記カンチレバーの基端部に撓み易い応力集中部を有し、該応力集中部は前記カンチレバーの中心軸に対して左右均等のバネ定数を有する構造であり、
   前記左右均等のバネ定数を有する構造は、
   前記第１の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第２の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第４の金属構造体と、
   前記第２の金属構造体に近接する状態に形成された、前記第１の金属構造体と同一の厚み、同一の幅、および同一の材料で形成された第５の金属構造体と、
   を有することを特徴とする顕微鏡用プローブ。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の顕微鏡用プローブと、
   前記探針部を試料の被測定面に接近させて試料表面を走査することにより試料表面形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、
   前記探針部を前記試料の表面に対して相対的に平行で、互いに直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、
   前記温度測定用素子の熱起電力を検出する温度特性検出手段と、
   前記第３の金属構造体に接続された電気特性検出手段と、
   を備える走査型プローブ顕微鏡。
8. 前記探針部を任意の周波数で共振または強制振動させる加振手段をさらに備え、
   前記変位検出手段は、前記探針部の振動状態を検出する振動検出手段である請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
9. 前記変位検出手段を前記カンチレバー内に設けた請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。
10. 前記変位検出手段はピエゾ抵抗素子である請求項７に記載の走査型プローブ顕微鏡。

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