JPH0375501A - 一体型円錐先端部を有する片持ち針及びその製造方法 - Google Patents
一体型円錐先端部を有する片持ち針及びその製造方法Info
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Abstract
め要約のデータは記録されません。
Description
を有し、かつ、ある程度制限された状況下に、海軍省に
より認められた契約(Contract)隘N0001
4−84−に−0327の条件により規定されたような
妥当な条件で、特許権者が第三者にライセンスを許諾す
ることを要求する権利を有する。
造技術を用いて製造した超小型先端部に関する。
roscope )(AFM)は2つの異なる操作方法
により、サンプルの表面上を走査する。
片持ち針の端に取り付けられ、先端部は、およそ10−
%〜l 0−10 N程度の極度に軽い追跡力(tra
cking force)によりサンプルの表面を動く
。
に高い分解能で得られる0個々の原子の位置を示す像が
機械的操作により得られる。
5〜500オングストロ一ム程度の短い距離をおいて保
持され、該先端部はサンプルと先端部との間の種々の力
によって撓む、このような力としては静電力、磁力及び
ファンデルワールス力が含まれる。
る数種の方法が使用可能であり、このような方法は真空
トンネリング(tunneling ) 、光学干渉法
、光学ビーム偏光及び容量的技術を含む。
困難なため、この製造の困難さがAFS及び走査トンネ
リング(tunneling )顕微鏡法等の他の顕微
鏡法を使用する上での限定要因となっている。
因を含む、比較的に小さな屈撓力により妥当な撓み値が
得られるように、片持ち針の低い力の定数が望まれる。
速度を増大させるため及び周囲振動に対する感度を減す
るために、片持ち針の機械的共振振動数が10KHzよ
り大きいことが望ましい。片持ち針の質量を小さくする
ことにより、低い力の定数及び高い共Wl振動数が得ら
れる。
tical beam deflection )を用
いる場合、撓み感度は片持ち針の長さに逆比例する。こ
のため、片持ち針の長さが1fiより短いことが望まし
い。
く、これは片持ち針の製造に非晶質又は単結晶の薄膜を
用いることにより遠戚される。
かつ、高い横方向の剛性を有することが望ましい、これ
は、斜めに伸びた2つのアームを有し、先端部が取り付
けられる点で交わるV型等の形状を用いることにより、
得られる。
することがしばしば要求される。これは、片持ち針を金
属から製造したり、あるいは片持ち針の一定部位上に導
電体又はレフレクタ−として作用する導電体を蒸着する
ことにより、得られる。
ち、500オングストロームより短く、かつ、一つの原
子内で尽きるかもしれない先端部半径を有する突起型先
端部が望ましい。
解能が高くなる。この要求、即ち鋭い先端部を再生産可
能な状態で得るのは、従来量も困難なことの一つである
とされていた。従来技術において典型的には、先端部は
、加工及び接着技術を用いた時間のかかる手作業により
製造されており、その結果として不均一な性能を有する
先端部が製造されていた。
ワイヤ(vA材)からつくられていた、先端部の部分を
得るための1つの方法はワイヤの一点をエツチングして
ワイヤから垂直に伸びるようにその点を曲げることであ
った。先端部を得るための別の方法は、片持ち針の端の
適所に小さなダイヤモンド片を接着することであった。
体的に製造された鋭い突起型先端部を有していなかった
。製造された片持ち針それ自体の角を先端部として用い
ることにより、かなり鈍い先端部が効率的に得られてい
た。あるいは、ダイヤモンド片が手作業によりミクロ製
造された片持ち針の端に接着されていた。AFMの片持
ち針組立体は比較的もろいため、走査される表面からの
物質によって汚染された場合、該組立体を掃除するのは
事実上不可能であった。このため、頻繁に組立体の取替
えが要求されていた。
景インフォメーシッンは以下の参照文献に載っている。
ての一般的なインフォメーシッンはrby K、 E、
Petersen、 Proc、 IEEE70.4
20 (1982)Jに記載されている。 Si及び他
の物質の等方性及び異方性ドライプラズマエツチングは
、「“5ilicon Processing for
theVLSI Era by Wolf and
Tauber Jという本において議論されている。
イオンエツチング(inertion etching
)及び逅クロ製造の多くの他の様子がr ” The
Physics of Microfabricat
ion” byBrodie and MurayJと
いう氷中で議論されている。
子移動現象が「“VLSI FabricationP
rinciples’ by GhandhiJという
氷中で議論されティる。絶縁STM先端部の必要性につ
いてのインフォメーシッンがドベック(M、 ?1.D
ovek )等により1 「“Mo1ecular P
henomena at ElectrodeSurf
aces、” AC9Symposia 5erie
s、 edited byM、P、 Soriga
Jという出版物中で議論されている。
法によって得ることができる。実際、個々の表面原子の
位置を示す倣がAFMを用いることにより機械操作的に
得られる。したがって、再現性のある先端部の製造方法
はAFM技術に大きく貢献する。
法、原子力顕微鏡法における用途及び均一で、鋭く、形
がよく、耐久性があり、かつ、安価な、超小型の鋭い先
端部が必要とされる他の用途に用いられる、片持ち針の
自由端に固定された超小型先端部を有する片持ち針組立
体を提供することである。
製造される超小型先端部を提供することである。
される、AFMに用いる片持ち針組立体を提供すること
である。
体的に製造した円錐先端部を有する片持ち針、及び一体
型円錐先端部を有する片持ち針の製造方法が提供される
。
体的に製造された円錐針を有する片持ちアーム針が提供
される。 Stを異方的にドライエンチングしてStボ
ストを形成し、次いでポストを鋭い先端部となるように
等方性ドライエツチングによって削ることにより、先端
部が形成される。このSi先端部は熱成長5tCh層(
核層から片持ち針が作られるのである)中に組み込まれ
る。 St基板の一部を除去して片持ち針をはずす。あ
るいは、片持ち針及び先端部は、5isL、A l g
os、蒸着SiO2、Aus珪素又はポリ珪素(pol
ysilicon)等の他の物質で製造されてもよい、
また、片持ち針は、先端部の物質と異なる物質からつく
られてもよい。
まれた導電金属先端を有する先端部が製造される。
ー、即ち、基板10から出発する。珪、素つェハーlO
の表面12上に蒸着されているのは適当なマスキング物
質の薄膜14である。このようなマスキングmJi14
の具体例としては熱成長SiO寡の1000人膜が挙げ
られる。
が数ξクロンの小さな、好ましくは円形の、スポット1
6にパターン化されたフォトレジストを示す、フォトレ
ジストスポット16の下の残存領域を除いて、マスキン
グ層14はエツチング除去される。スポットの大きさが
、形成される実質的に円錐の先端部の基部のおよその直
径を定める。フォトレジストスポット及びマスキング層
14の残存部は完全に円形である必要がないことに留意
すべきである。四角形の又は幾分か長方形のパターンの
ような、円形パターンから逸脱したフォトレジストパタ
ーンも概ね円形の片持ち針先端部を製造するのに許容さ
れる。
i20をエツチング除去することによる、ウェハー10
の残存表面上へのStポスト18の形成を示す、ボスト
18の急勾配の側壁を得るために異方性ドライエツチン
グを用いる。フォトレジストスポット16及びマスキン
グ層14の残存部がこのエツチングの異方性を高める。
高さを超えるものでなければならない。
す、はじめにフォトレジストスポット16が除去され、
次いでポスト18の残された部分からマスキング層14
が離れるまで珪素基板の上層22が等方的にドライエツ
チングされる。これにより、実質的に円錐の先端部型2
0が形成される。先端部18の側壁の傾きは、ポスト1
8を形成するのに用いる異方性エツチングの深さとポス
トを先端部型20に削るのに用いる等方性エツチングの
量との比を変えることにより、調節される。これにより
珪素先端部型20の形成が終了する。
が円筒から逸脱した形状を有することができることに留
意すべきである。ボスト14の形状は種々の形を含む。
ハー表面のStからの酸化物を成長させることにより形
成されたstag層、即ち、膜、24を示す、このSi
O2層は熱酸化によりSiから形成され、元のSi表面
及び先端部型20のおおよその形状を保持している。し
たがって、鋭いSt先端部型20はそれと等しく鋭い5
t(h先端部26を形成する役割を果たしている。また
、SiO2は基板10の底側にも形成される。
2膜24から片持ち針が形成されるのかを示す。
の形状にパターン化される0片持ち針30は図面ではV
型であるが、長方形等のいずれの適当な形状であっても
よい。先端部42が片持ち針の端に位置するように、片
持ち針30がパターン化される0次の工程におけるSt
ウェハー10の異方性エツチングが自動的に終了し、か
つ、片持ち針基部のウェハー10の部分を保持するよう
に、底部5iOz膜50がパターン化される。この要求
は、片持ち針30の基部と交差する5i(111)平面
52内に位置するように、底部Sin、膜50膜端0パ
ターン化することにより、満たされる。
ェハー10の残存部分に接着している)の自由端に位置
する鋭い円錐先端部42からなる、完成片持ち針組立体
を示す0片持ち針30の下に位置するウェハー10の部
分を除去するために異方性Stエツチングが用いられる
。このエツチングは5t(111)平面52で自動的に
終了する0片持ち針30の底側及びウェハー10の残存
部に、AFM内での変位を検出するための導電金属被膜
60が塗布される。
0X100ミクロン)ため、優れた再現性及び回分加工
(batch−processing)製造技術から得
られる低い単価を利用して、1つのSiウェハー上に数
百の片持ち針を同時に製造することができる。
とが可能である0例えば、はじめのマスキングSin、
膜14を、Siボスト18を形成するのに用いる異方性
ドライエツチングのためのマスクとして適当ないずれの
物質によっても代えることができる。Si、Nい蒸着S
iO2及びAlが好ましい具体例である。マスキング膜
の厚さはそれほど重要ではない。Siに急勾配の側壁を
形成するのに用いることのできる種々のドライエツチン
グ剤がある。
Fb/ CgCIt Psプラズマである。
わりに不活性イオンミリング(inertton mi
lling )を用いて、Siボスト18を、鋭い先端
部型26に削る。このイオンミリングが、いずれの表面
突出部をも強調し、及び所望によりポスト18を円錐先
端部に削ることは公知である。
示し、片持ち針及びその先端部は熱成長酸化物ではなく
蒸着物質から形成される。 Si先端部型20の形状を
可能な限りにおいて保存するためには、最終の先端部4
2をSi先端部型20の熱酸化により形成する。しかし
、最終の先端部42及び片持ち針30は、例えば5IJ
4 、蒸着stow、Alt’s 、AIまたはAu等
の、この他の適当な蒸着薄膜物質から作ることができる
。蒸着膜を用いる場合、Si先端部型26は、そのまわ
りに蒸着膜が注型されて先端部型26のおよその形状を
作る型として働き、片持ちアーム74と一体的に製造さ
れる片持ち針先端部72を得る。このSt先端部26は
、後に片持ち針の下のSi基板の残存部とともに除去さ
れる。この方法は、St先端部型物質が直接5iO1先
端部に変換される酸化方法と異なる。
大きな強さ及び低い内部応力により、非常に強く耐久性
のある片持ち針が得られるからである。
(scanning)先端部に保持し、Si、N、等の
別の物質からつくられる片持ち針の耐久性を有する、別
の実施態様を示す、この実施態様においては・第5図に
示される構造から出発する。先端部42のまわり及びそ
れを含む小さな領域を除いて、すべての5iO1層24
が除去される0次いで、第11図に示されるように先端
部42を含むつ、エノ\−10の全表面に5lsNa層
80が塗布される。第12図は次の工程を示し、先端部
42の膜80に対する接着性を高めるためにその境界に
おける小さな重複部分を残して、5iJ4膜80が先端
部42上から除去される。残りの工程中に5iOt膜2
4を5ksNa膜80に代える点を除いては、片持ちア
ーム82を有する片持ち針組立体は前述のとおりに仕上
げられる。第13図に示されるように5ift先端部4
2は完成品中にそのまま残る。
と形状、及び先端部のサイズとアスペクト比をより広い
範囲にわたって変えることができる。
する誘電先端部が製造される0円錐先端部構造の先端は
導電性であるが、先端部構造の残りの部分は絶縁性であ
る。電流が先端に流れるように先端部の端を通して導電
体が電子移動することにより、接続(connecti
on)される、この構造は、先端部構造の全てが金属で
あるとするならばイオン電流があまりに大きくなってし
まう、電解賞中で操作される走査トン水リング顕微鏡法
(STM)に用いる先端部のタイプのξクロ製造の変更
例である。先端以外の全てを絶縁することによりイオン
電流を減少せしめる結果、構造の先端からのトンネリン
グ電流(tunneling current )を容
易に検出することができ、かつ、制御することができる
。従来の、この種の先端部の製造方法においては、−度
に1つづつ、ワイヤから製造された先端部にガラス又は
ポリマー塗料を塗布する工程が含まれていた。
に、SiOxの熱成長又は誘電体の蒸着により形成され
た薄い誘電層からつくられている。この誘電膜は、その
厚さが先端部の高さ又は直径よりかなり小さくなるのに
十分なほど薄くなければならない、前述の第1の実施態
様と同様に、片持ち針及び先端部の裏に金属層60が塗
布される。誘電膜を通して円錐先端部の先端に細い金属
線条を引くために、電子移動法が用いられる。これは、
金属11160と、先端部の上方に敵情まで離れて位置
する平面電極との間に高電圧(数KV)をかけることに
より、簡単な方法で達成される。先端部の温度を上げる
とこの工程の速度が増加する。誘電円錐の下方に形成さ
れた金属円錐の鋭さによって、電界が大幅に高められ、
この電界が、路94に沿って誘電体を通して金属を誘電
体表面の先端へ電子移動せしめる。これは、電気化学用
途のSTMに用いるのに適当な絶縁体によって囲まれた
導電先端部を形成する。
その高さとアスペクト比を制御できるからである。
て鋭い円錐先端部を製造せしめる、回分(batch
)製造方法である。この方法により、珪素ウェハー上に
同時に数百の同一構造を製造することが可能であるため
、大量の円錐先端部を有する片持ちアームが容易に再生
産される。
、また、それらのAFMへの用途も新しくない、新規な
ことは、鋭い円錐先端部の製造方法及び円錐先端部の製
造を片持ち針の製造方法の不可欠的一部として含めるこ
とである。
されたものである。これらの記述はw4羅的なものでな
く、又は本発明を開示された形態そのものに限定するわ
けでもなく、前述の記述に基づいて明らかに多くの変更
が可能である0本発明の原理及びその実際的な用途を最
良に説明すべく、これらの実施態様が選択され、記述さ
れたのである。これにより、当業者が、本発明、及び考
えられる実際的用途に合わせて種々の変更及び種々の実
施態様を最良に活用することができる0本発明の範囲は
特許請求の範囲及びそれらと同等の範囲によって限定さ
れる。
端部を形成するための種々の工程の結果を示す断面図で
ある。
を形成するための、珪素ウェハー上にパターン化された
熱成長5totlIlを示す断面図である。
ある。
部が、珪素基板及び円錐珪素先端部型上に蒸着された物
質から形成される、本発明の実施態様の結果を示す断面
図である。
異なる物質から作られる、本発明の別の実施態様の結果
を示す断面図である。
くために電子移動法が用いられ、絶縁体により囲まれた
導電先端を製造する、本発明の変更例を示す。
スポット、18・・・ポスト、20・・・円錐先端部、
26・・・510g先端部。
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 (1)珪素基板の表面の一部に所定のマスキングパター
ンを有するマスキング層を形成し、 該珪素基板を異方的にエッチングして、該マスキングパ
ターンの下方の該珪素基板上に珪素ポストを形成し、 該珪素ポストを等方的にエッチングして、該珪素基板上
に鋭い珪素先端部を形成し、 片持ちアーム及び該片持ちアームに固定された該鋭い珪
素先端部を含む片持ち針を形成し、及び 該珪素基板の選択部分を選択的に除去して、該片持ち針
を、該珪素基板から離す 工程を含む一体型の鋭い先端部を有する片持ち針の製造
方法。 (2)片持ち針の形成工程が、該鋭い珪素先端部及び該
珪素基板のパターン化部分を熱酸化して、二酸化珪素か
らなる片持ち針を形成する工程を含む請求項(1)に記
載の方法。(3)片持ち針の形成工程が、該鋭い珪素先
端部及び該珪素基板のパターン化部分に薄膜物質を蒸着
して、該薄膜物質からなる片持ち針を形成する工程を含
む請求項(1)に記載の方法。 (4)片持ち針の形成工程が、 該鋭い珪素先端部及び該珪素基板の隣接領域上に第1の
物質からなる薄膜を形成して、針先端部を製造し、及び 該珪素基板及び該針先端部に隣接する該珪素基板領域上
にわたって第2の物質からなる薄膜を形成して、片持ち
アームに固定された該針先端部を有する該第2の物質か
らなる片持ちアームを製造する工程を含む請求項(1)
に記載の方法。 (5)該第1の物質が熱成長SiO_2であり、かつ、
該第2の物質がSi_3N_4である請求項(4)に記
載の方法。 (6)珪素基板上にマスキングパターンを形成する工程
が、 珪素基板上にマスキング層を蒸着し、 該マスキング層上にフォトレジスト物質のパターンを形
成し、及び 該マスキング層の一部を除去して、該珪素基板上に該マ
スキングパターンを残す 工程を含む請求項(1)に記載の方法。 (7)該マスキングパターンが円形であり、かつ、その
直径が約1マイクロメーターである請求項(1)に記載
の方法。 (8)珪素基板を異方的にエッチングする工程がドライ
エッチングにより行われる請求項(1)に記載の方法。 (9)珪素基板を異方的にエッチングする工程が珪素基
板を所定の深さにエッチングすることを含む請求項(1
)に記載の方法。 (10)マスキング層が珪素基板から離れるまで該珪素
ポストをエッチング除去する工程を含む請求項(1)に
記載の方法。 (11)珪素ポストを等方的にエッチングする工程が、
珪素ポストの異方性エッチングの深さと珪素ポストを鋭
い珪素先端部にエッチングするのに用いる等方性エッチ
ングの量との比を変化させることにより、及びエッチン
グの異方性を制御することにより、円錐先端部の側壁の
傾きを制御する工程を含む請求項(1)に記載の方法。 (12)珪素ポストを等方的にエッチングする工程が該
ポストを反応性イオンプラズマを用いてエッチングする
ことを含む請求項(1)に記載の方法。 (13)珪素ポストを等方的にエッチングする工程が該
ポストをイオンミリング(ion milling)に
よりエッチングすることを含む請求項(1)に記載の方
法。 (14)該マスキング層が、熱成長二酸化珪素、窒化珪
素、蒸着二酸化珪素、アルミニウム又はフォトレジスト
物質からなる群から選ばれる請求項(1)に記載の方法
。 (15)珪素基板を異方的にエッチングして珪素ポスト
を形成する工程が、SF_6/C_2ClF_5、CF
_4及びSF_6プラズマからなる群から選ばれるエッ
チング剤の使用を含む請求項(1)に記載の方法。 (16)該鋭い珪素先端部及び該珪素基板の一部の上に
薄膜を蒸着して片持ち針を形成する工程が、窒化珪素、
蒸着二酸化珪素、アルミニウム、酸化アルミニウム、金
及びポリ珪素(poly−silicone)からなる
群から選ばれる薄膜物質の使用を含む請求項(3)に記
載の方法。 (17)その高さ及び直径より小さい厚さを有する針先
端部を形成し、 針先端部の裏側に導電体を塗布して導電層を形成し、及
び 導電層と、該針先端部の先端から離れた空間に位置する
電極との間に電圧をかけて、該誘電体を通して該導電体
を該針先端部の先端に電子移動せしめて、導電針先端部
を形成する工程を含む請求項(1)に記載の方法。 (18)該珪素基板の表面の種々の部位上に、一体型先
端部を有する複数の片持ち針を形成する工程を含む請求
項(1)に記載の方法。 (19)マスキングパターンが実質的に円形のパターン
に形作られて、実質的に円筒の珪素ポストを形成し、次
いで該ポストが実質的に円錐の鋭い先端部に加工される
請求項(1)に記載の方法。 (20)珪素基板の表面の一部の上に、所定のマスキン
グパターンを有するマスキング層を形成し、該珪素基板
を異方的にエッチングして、該マスキングパターンの下
方の該珪素基板上に珪素ポストを形成し、及び 該珪素ポストを等方的にエッチングして鋭い珪素先端部
を形成する 工程を含む珪素先端部の製造方法。 (21)支持体アーム要素、及び 円錐シェル状に形作られ、かつ、該支持体アーム要素に
固定された超小型先端部を含む、一体型の実質的に円錐
の先端部を有する片持ち針。 (22)該支持体アーム要素及び該円錐状先端部が、熱
成長二酸化珪素、窒化珪素、蒸着二酸化珪素、アルミニ
ウム、酸化アルミニウム、金、珪素及びポリ珪素(po
lysilicone)からなる群から選ばれる物質か
ら、一体的に製造される請求項(21)に記載の片持ち
針。 (23)該支持体アーム要素及び該円錐先端部が誘電体
から形成され、該円錐先端部がその高さ及び直径より小
さい壁厚を有する円錐シェルとして形成され、該円錐先
端部が該先端部の内側に形成された導電層を含み、及び
該円錐先端部の外側の先端がその上に導電体を有するこ
とにより、導電先端を有する誘電体からなる先端部を有
する誘電体から形成される片持ち針を得る請求項(21
)に記載の片持ち針。
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