JPH04231811A - 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー及びその作製方法 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー及びその作製方法Info
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
用カンチレバーに関し、より具体的には、レバー部及び
その自由端側に配設された探針部を具備するこの種カン
チレバーの構造と作製方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
）はＢｉｎｎｉｎｇ、Ｒｏｈｒｅｒらにより発明され
てから（Ｇ． Ｂｉｎｎｉｎｇ， Ｈ． Ｒｏｈｒｅｒ
，Ｃｈ． Ｇｅｒｂｅｒ ａｎｄ Ｅ．Ｗｅｉｂｅｌ：
Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｂｙ Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．， ４９ （１
９８２） ５７ ）、原子オーダの表面の凹凸を観察で
きる顕微鏡として、各方面での利用が進んでいる。 【０００３】またＳＴＭにおけるサーボ技術を始めとす
る要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定できなかっ
た絶縁性の試料を原子オーダーの精度で観察することの
できる顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍ
ｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ）が提案さ
れている（特開昭６２−１３０３０２；ＩＢＭ、Ｇ．ビ
ニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装置）。 図１５に同公報に開示されるＡＦＭの一例を示す。ＡＦ
Ｍの構造はＳＴＭに類似している。 【０００４】図１５において、鋭い突起部分（第１の探
針部１３）を先端に持つカンチレバー１１が、試料９に
対向、近接して配置されている。ここで探針部１３の先
端を試料に近付けて行くと、探針部１３の先端の原子と
試料原子との間に相互作用が働き、両者の間隔距離に応
じた力が作用する。この状態で試料と探針部とを相対的
にＸＹ方向に走査すれば、試料の凹凸に従ってレバー部
１２が変位する。従って、このレバー部の変位をカンチ
レバーに対して試料９と反対側に配置した第２の探針部
１４を持つＳＴＭ機構を用いて測定することにより、Ｓ
ＴＭでは測定できなかった絶縁性の試料も間接的に測定
することができる。 【０００５】前述のＡＦＭに代表されるようなＦＭ装置
（Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）において、その
センサ部分である探針部の形状は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の分
解能に大きな影響を与えたり、測定可能な試料に制限を
加える為、極めて大切な部分である。 【０００６】従来のカンチレバーとしては、細い金属ワ
イヤの先端を機械研磨や電界研磨などで鋭くし、場合に
応じてそのワイヤをＬ字型に曲げて作製したり、或いは
、金属等の薄い箔をカンチレバーとし、探針部としてダ
イヤモンド片を接着したりして作製したものが用いられ
ていた。 【０００７】ところが、これらのカンチレバーを備えた
ＦＭ装置においては、カンチレバーのレバー部を精度よ
く作製するのが難しく、消耗品であるカンチレバーの交
換によって、測定条件が変わってしまうという問題があ
った。即ち、カンチレバーはレバー部の長さによりその
機械的な共振周波数が決定される為、交換の際、同じ振
動特性を有し、且つその長さが精度よく一定に揃ったカ
ンチレバーが必要となるが、上述の方法ではこのような
高精度のカンチレバーを得るのは難しかった。また、外
部振動に強いカンチレバーとする為には、レバー部は短
いほうが共振周波数を高くできることから望ましいが、
上述の方法では、このような短いレバー部を形成するこ
とも困難であった。 【０００８】一方、Ｔ． Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔらは
、Ｓｉウェハの（１００）面に湿式異方性エッチングを
施し、四角錘型の穴を形成した後、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を
その上に形成し、レバー形状にエッチングして作製した
ピラミッド型の探針部を持つカンチレバーについて報告
している（Ｔｈｏｍａｓ Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ Ｓ
ｈｉｎｙａ Ａｋａｍｉｎｅ， Ｍａｒｃｏ Ｔｏｒｔ
ｏｎｅｓｅ， ａｎｄＣａｌｖｉｎ Ｆ． Ｑｕａｔｅ
： Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒ
ｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ． ＳＴＭ’８９ポスタ
ーセション）。このマイクロカンチレバーは、その作製
に半導体ＩＣを作製するのと同じプロセスを用いている
為、μｍのオーダの高精度で非常に再現性がよいものを
作成することができる。しかしながらこの方法でも、探
針部については必ずしも十分とはいえなかった。 【０００９】即ち、探針部の先端角は測定可能な試料を
限定するので、例えば図１２図示のように探針部１５の
先端角以下の角度の深い穴１７や溝のある試料１６は、
図１３図示のように穴１７において確実な出力信号が得
られず、測定できなくなる。また、急峻なステップ状の
構造は探針角程度にダレてしまうことになる。よって図
１４のように探針部１８の先端角は可能な限り小さいこ
とが求められる。ところが、ピラミッド型の探針部はＳ
ｉのエッチピットのレプリカを取るように作成される為
、Ｓｉの結晶構造により、ピラミッド型探針部の各面は
７２度の角度で交わる。またその探針部先端から伸びる
４本の稜線の内の２本で形成される角度は、最も大きい
もので９０度となる。これらはＳＴＭで使われる電解研
磨した探針の先端角が３０度以下であることと比べると
、かなり先端角が大きく、深い穴や溝のある試料の測定
が難しくなるので、決して望ましい形状とはいえなかっ
た。 【００１０】よって、カンチレバーには、前述のように
半導体プロセスなどを応用して高い精度で作製すると同
時に、先端角の小さな探針部を持ったものとすることが
求められていた。なお、ここでいう先端角とは、図１６
図示のように、探針部１９の先端部の角度θであり、先
端部の半径Ｒとは異なる。 【００１１】また、Ｔ． Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔらは
、先端角の鋭い探針部を持ったカンチレバーを報告して
いる（Ｔｈｏｍａｓ Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ ａｎｄ
Ｃａｌｖｉｎ Ｆ． Ｑｕａｔｅ： Ａｔｏｍｉｃ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｔｏｍ
ｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｎ ｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ｓ．Ｊ． Ｖａｃ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ａ
６（２）， （１９８８） ２７１）。しかしながら、
探針部の長さとして十分な長さは得られておらず、より
長い探針を持ったカンチレバーが求められていた。 【００１２】もしも、探針部の長さが短い場合は、カン
チレバーの探針部以外の部分と試料とが接触しないよう
にする為、ＦＭ装置に取付けて測定をする際、カンチレ
バーを試料面に対して傾けて取付ける必要が有る。この
結果、ＦＭ装置の設計や作製が難しくなるという問題が
発生する。特にカンチレバーの変位を光学的に測定する
構成のＦＭ装置においては、これは大きな問題である。 また更に、カンチレバーを傾けると、探針部の動きが試
料面と垂直方向以外の成分の動きを含むようになり、必
ずしも理想的に試料の凹凸を捕らえられなくなる為、分
解能が劣化するという問題も発生する。よって、鋭い先
端形状を持ちながら、より長い探針長を持った探針部を
作製することが前述の課題と併せて望まれていた。更に
、カンチレバーが消耗品として位置付けられることから
、安定して作成でき、しかも低コストで作成を可能にす
ることも望まれていた。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる観点に
鑑みてなされたものであり、鋭い先端形状、適度な長さ
の探針長の探針部を有するカンチレバーと、これを安定
的に作製できる方法とを提供することを目的とする。具
体的には、半導体プロセスを利用することにより、高い
精度の探針部を有するカンチレバーの作製を実現する。 更には、探針部を更に機能別に分けて作成することによ
って、より理想に近い形状を持った探針部を実現しよう
とするものである。本発明の探針は、好適には、カンチ
レバー長が１ｍｍ以下、特に５００ μｍ以下のカンチ
レバー上に形成される。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点にお
いて、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、レバー
部及びその自由端側に配設された探針部を具備し、上記
探針部は、鋭い先端角を有する先端部分と、上記先端部
分と連なる膨出状基端部分とからなることを特徴とする
。 【００１５】本発明の第２の視点において、レバー部及
びその自由端側に配設された探針部を具備する走査型プ
ローブ顕微鏡用カンチレバーの作製方法は、半導体基板
にエッチング処理により上記探針部用のレプリカ穴を形
成する工程と、上記レプリカ穴を含む上記基板上の領域
に上記レバー部及び上記探針部の母材料を堆積させる工
程と、上記母材料を所定の形状にパターニングする工程
と、上記基板を除去する工程と、を具備する。 【００１６】本発明の第３の視点において、レバー部及
びその自由端側に配設された探針部を具備し、上記探針
部が、鋭い先端角を有する先端部分と、上記先端部分と
連なる膨出状基端部分とからなる走査型プローブ顕微鏡
用カンチレバーの作製方法であって、半導体基板にエッ
チング処理により上記探針部用のレプリカ穴を形成する
工程と、上記レプリカ穴が、上記探針部の基端部分に相
当する第１部分と、上記探針部の先端部分に相当する第
２部分とからなることと、上記レプリカ穴を含む上記基
板上の領域に上記レバー部及び上記探針部の母材料を堆
積させる工程と、上記母材料を所定の形状にパターニン
グする工程と、上記基板を除去する工程と、を具備する
。 【００１７】望ましくは、上記基板がシリコン基板であ
り、上記カンチレバーはＳｉ３ Ｎ４から形成される。 また上記基板を除去する工程の前に、上記レバー部を支
持する支持部材を上記レバー部に接着する工程を更に含
むことが可能である。 【００１８】 【作用】本発明に係るカンチレバーは、細い先端により
サンプル形状をより忠実に再現する。他方、基端部分で
取付強度と探針部全体の長さを稼ぐ為、カンチレバーの
機械的強度が増し、その寿命が長くなる。また、カンチ
レバーとしてＦＭ装置に応用したとき、取付角度を水平
に近づけることができ、分解能の劣化を抑えることがで
きる。本発明に係るカンチレバーの作製方法によれば、
鋭いレプリカ穴により、探針部の根元が太く且つ先端が
細い、高いアスペクト比の探針部が作製される。 【００１９】 【実施例】図１は本発明に係るカンチレバーの第１実施
例を示す斜視図である。このカンチレバー２０は、レバ
ー部２１及び探針部２２を含み、レバー部２１が根元で
支持部材２３に支持される。 【００２０】上記カンチレバー２０は、図２（ａ）乃至
（ｇ）図示の工程に沿って製造される。その詳細は後述
する試作例１の説明において述べるが、その概要は、Ｓ
ｉウェハ３１にエッチングにより穴３４を掘り（図２（
ａ）、（ｂ））、その上からＳｉ３ Ｎ４ 膜３５を成
膜し（図２（ｃ））、カンチレバー形状にパターニング
して（図２（ｄ））、最終的にレバーの台座となる支持
部材３７を接着した後（図２（ｅ））、支持部材を加工
して（図２（ｆ））、探針部作製の型として使ったＳｉ
ウェハ３１を溶かし去り（図２（ｇ））、本発明のカン
チレバーを得る。 【００２１】本発明カンチレバーの作製方法において特
徴的なのは、探針部分の作製方法である。本発明におい
ては、Ｓｉウェハ３１を探針部作製の型として使用する
為エッチングをするが、このエッチングをプラズマエッ
チング装置を使用するドライエッチングにより行う。従
来、Ｔ．Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ 等により提案されて
いた、ＫＯＨ水溶液やＥＰＷ（エチレン・ジアミン・ピ
ロカテコール・水）などを使用した湿式のエッチングで
Ｓｉウェハをエッチングして探針部作製の型の形状を作
るのと比べ、本発明のようにドライエッチングを用いて
作製される穴３４は、はるかに鋭い形状にできるメリッ
トがある。その結果、作製されたカンチレバーの探針部
３９はおおよそ円錐形状となり、極めて先端角の小さな
、鋭い形状になる。即ち、長さ：径の比（アスペクト比
）の大きい探針形状を得る。このような本発明の先端角
の鋭い探針部３９を持ったカンチレバーを用いてＡＦＭ
測定すると、急峻な段差部分を持った試料をより正確に
測定及び再現することができる。 【００２２】図３は本発明に係るカンチレバーの第２実
施例の斜視図、図４はその断面図を示す。このカンチレ
バー４０はレバー部４１、探針部４２及び支持部分４３
よりなり、大まかな構成は第１図に示した第１実施例の
カンチレバーと同じであるが、探針部が更に先端部分４
５とそのレバー部への付け根となる基端部分４４に分け
られる構造をしている。上記カンチレバー４０は、図５
（ａ）乃至（ｈ）図示の工程に沿って製造される。その
詳細は後述する試作例２の説明において述べる。 【００２３】この例では、探針部４２の先端部分４５付
近の形状を鋭く保ったまま、探針部全体の長さを稼ぐ為
に、探針部４２の付け根に先端より太くした基端部分４
４を作製してある。このように作製した本発明に係る探
針長の長いカンチレバー４０は、カンチレバーをＦＭ装
置に取り付けたとき、カンチレバー面を試料と水平に配
置してもカンチレバーの探針部の長くなった基端部分４
４だけ、試料との距離（部分４４と４５の長さの和）を
更に隔てることができる。従って、ＡＦＭに取り付けて
測定をする際、試料の凹凸がカンチレバーに干渉するこ
とがないので、カンチレバーを試料面に対して傾けて取
り付けなくてもよくなったり、あるいは、傾けてもその
角度を小さくすることが可能になって、ＦＭ装置の設計
を簡単にする。またそれと同時に測定分解能をあげるこ
とが可能になる。 【００２４】このような構成は、探針部の機能を複数の
部分で分担していると言うことができる。従来のカンチ
レバーでは機能を分離するという考え方は、カンチレバ
ーのレバー部と探針部とに分けるだけに留まっていた。 例えば、カンチレバーをＳｉ３ Ｎ４ で構成して、探
針部分をタングステンなどの金属材料にて構成する程度
であった。あるいは磁力顕微鏡（ＭＦＭ：Ｍａｇｎｅｔ
ｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）用のカンチ
レバーとする為、ニッケルなどで探針部を構成し、磁力
に感じるようにする程度であった。 【００２５】これに対し、この第２実施例のカンチレバ
ー４０では探針部の機能を更に分け、形状的にも、試料
表面と相互作用する先端部分４５と、探針の長さを稼ぎ
つつ探針部４２をレバー部４１につなぐ基端部分４４と
に分かれて構成されている。すなわち各機能を発揮する
のに好ましい形を探針部の各部分の形に反映させている
ので、従来のカンチレバーと比べて、より優れたものを
構成することができる。 【００２６】上述の如く、本発明によれば、探針部の根
元を太くし先端を細くし、高いアスペクト比の探針部を
作製することができる。そして、本発明の探針部を持つ
カンチレバーを使用したＦＭ装置では、探針部が、試料
と接触しながら走査されるなど、何らかの原因で横方向
に力を受けたときに対し機械的強度を補っているので、
サンプル形状をより忠実に再現することができるように
なる。 【００２７】また、先端部分と基端部分とで機能を分け
た探針部を持つカンチレバーは、先端を細くしてサンプ
ル形状をより忠実に再現できるとともに、基端部分で取
付強度と探針部全体の長さを稼いで、カンチレバーの寿
命を延ばすと共に、カンチレバーとしてＦＭ装置に応用
したとき、取付角度を水平に近づけることができ、分解
能の劣化を抑えることができる。 【００２８】カンチレバーの材質としては、Ｓｉ３ Ｎ
４ の他、ＳｉＯ２ や金属など半導体プロセス中で使
用される膜形成材料は、作製プロセスへの適合性に依存
して基本的に使用可能である。但し、Ｓｉとエッチング
比が大きくとれない材料については、最終プロセスにお
いてＳｉをエッチングするときカンチレバーを形成する
材料までもエッチングされてしまうので不都合が生じる
。そのような材料を使用するときには、カンチレバー形
成材料の層とＳｉとの間に中間層を設ける等して、Ｓｉ
のエッチングによりカンチレバーが侵されないように配
慮する必要がある。ただし、本発明のカンチレバーはカ
ンチレバーの構成材料によっては限定を受けるものでは
ない。 【００２９】カンチレバーの支持部材はガラス、セラミ
ックス、プラスチックス、金属、またはシリコンウェハ
などが用いられる。特には、カンチレバーが組み合わさ
れる走査型プローブ顕微鏡が原子オーダーのサイズを問
題にする装置であって、小さな部品の熱膨張もデータに
影響を与える可能性があることから、材料的には剛性が
高いことと共に、熱膨張係数の小さな材料が選択される
。 【００３０】また、それらの支持部材とカンチレバーと
の接合には、接合面の汚れなどを除去したのち、高温下
で支持部材とカンチレバーとに電圧を印加して行う陽極
接合法や、接着剤を用いる方法などが適用可能である。 ただし、このような接合方法によっても本発明は限定さ
れない。 【００３１】また、ＡＦＭなどの装置においてカンチレ
バーの変位を計る手段に依存して、カンチレバーに金な
どの蒸着により導電性処理を施したり、光の反射率を増
す為のコーティングを施しても良く、それらの処理は本
発明を限定しない。 試作例１ 図１図示の本発明に係るカンチレバーの第１実施例
を図２（ａ）乃至（ｇ）図示の工程に従って作製した。 【００３２】まずＳｉウェハ（（１００）面）３１を洗
浄し、Ｓｉウェハ上にＳｉＯ２ 膜３２を熱酸化により
１μｍ 形成した。次いでレジスト材をコーティングし
、マスクアライナーでドライエッチングの探針部用パタ
ーンを露光した（図２（ａ））。この時のパターニング
による穴３３は直径１．４μｍ の円形をなす。現像処
理後、エッチングしたＳｉＯ２ 膜をマスクとしてＳｉ
ウェハ３１をエッチングした（図２（ｂ））。この時の
エッチングは異方性プラズマエッチングであり、エッチ
ングガスとしてはＣＣｌ４ ＋Ｏ２ ガスを使った。こ
の結果Ｓｉウェハ３１には、表面の直径１．４ μｍ
、深さ３μｍ の穴３４が作製された。 【００３３】この後、一旦ＳｉＯ２ 膜３２を緩衝フッ
酸で取り去り、次に減圧化学的気相成長法（ＬＰＣＶＤ
）によりＳｉ３ Ｎ４ 膜３５を３００ｎｍ堆積した（
図２（ｃ））。更に１１００℃の水蒸気中でアニーリン
グし、僅かにＳｉＯ２ をＳｉ３ Ｎ４ 膜３５上につ
けた後、レジストを再びコートし、マスクアライナーに
よりカンチレバー長さとして１００μｍ となるように
パターンを露光し、ＣＦ４ ＋Ｏ２ プラズマによりＳ
ｉ３ Ｎ４ 膜３５をエッチングし、パターニング３６
した（図２（ｄ））。そしてカンチレバーの支持体とな
る１ｍｍ厚のパイレックスガラス３７（コーニング＃７
７４０）を陽極接合にて接着し（図２（ｅ））、これと
共に同ガラスの不用部分を切り離し（図２（ｆ））、最
後にカンチレバー（レバー部３８及び探針部３９を含む
）となる部分のＳｉ３ Ｎ４ 膜を残し、Ｓｉウェハ３
１をフッ酸＋硝酸＋酢酸でエッチングした（図２（ｇ）
）。 【００３４】このように作製した本発明のカンチレバー
の探針部３９は、異方性プラズマエッチングにより作製
した穴３４の形状を反映して、おおよそ円錐状の形状を
有し、カンチレバーのレバー部３８側の根元において直
径が１．５ μｍ 、そして探針部３９自体の長さは２
．５ μｍ であった。後述の比較例と比べ、探針部３
９の長さはほぼ同じであるが、先端角は遥かに鋭い探針
を作ることができた。 試作例２ 図３図示の本発明に係るカンチレバーの第２実施例
を図５（ａ）乃至（ｈ）図示図示の工程に従って作製し
た。 【００３５】まず、試作例１で使用したものと同様なＳ
ｉウェハ５１の表面に燐を拡散させ（図５（ａ））、燐
拡散層５２を形成した。次に、ＳｉＯ２ 膜５３を熱拡
散で形成し（図５（ｂ））、続いて、レジスト５４を用
いてＳｉＯ２ 膜５３に直径１．４μｍ の円形探針用
のパターン穴５５を開けた（図５（ｃ））。 【００３６】この後、フッ酸＋硝酸＋酢酸で等方性エッ
チングを施し、ＳｉＯ２ 膜５３のマスクの下で燐拡散
層５２をえぐり、およそ半径１．５ μｍ の半球状の
部分５６を形成した（図５（ｄ））。 【００３７】その後は試作例１と同様に、ＣＣｌ４ ＋
Ｏ２ による異方性プラズマエッチングにより、Ｓｉウ
ェハ５１に穴５７を形成した後（図５（ｅ））、Ｓｉ３
Ｎ４ 膜５８を堆積した（図５（ｆ））。そして、Ｓ
ｉ３ Ｎ４ 膜５８をエッチングし、パターニングし（
図５（ｇ））、更に、パイレックスガラス５９接着した
後、Ｓｉウェハ５１をエッチング除去した（図５（ｈ）
）。 こうしてレバー部６１及び探針部６２からなる本発明の
カンチレバーを得た。 【００３８】このように作製したカンチレバーの探針部
分の形状は、半球状の基端部分６４の先に、ほぼ試作例
１で作製したような円錐形状をした鋭い先端部分６５が
形成されていた。基端部分６４の直径に相当する寸法は
４μｍ 、円錐状の部分６５の底面に相当する部分の直
径は１．８ μｍ であり、その長さは２．５ μｍ
であった。また基端部分６４と円錐形状の部分６５を合
わせたトータルの探針部分６２の長さは４．６ μｍ
であった。すなわち後述の比較例のカンチレバーの探針
部より、先端部分の鋭さで優れ、探針部全体の長さで試
作例１より更に長いものとすることができた。 【００３９】形状について更に見ると、異方性プラズマ
エッチングなど試作例１と同じプロセスを用いる所は、
同じ条件で処理したにもかかわらず、ウェハの穴５７の
円錐状の先端部分の形状は試作例１に比べ先端角が多少
大きくなっていた。これにより、この後Ｓｉ３ Ｎ４
を堆積するとき、半球形状の部分６４と円錐形状の部分
６５との境界部分で亀裂等が発生することが、試作例１
に比べ非常に少なくなった。 試作例３ 【００４０】試作例２において、ＳｉＯ２ ５
３に直径１．４μｍ の円形探針用のパターンを開ける
代わりに、４μｍ 平方の正方形状のパターンを開け、
ついでＫＯＨ水溶液による異方性エッチングでＳｉウェ
ハ５１（燐拡散層５２）を堀込んだ。エッチング跡は（
１１１）面と（１００）面とのエッチレートに大きな差
がある為、四角錐を逆さまにエッチングしたような形状
になり、各陵のなす角度は９０度となった。ついでスパ
ッタリングによりＳｉＯ２ を堆積し、レジストをコー
トし、直径１．４ μｍの円形探針用のパターンを露光
して、異方性プラズマエッチングで円錐状の穴を堀込ん
だ。 【００４１】この後、ＳｉＯ２ を取り去り、Ｓｉ３
Ｎ４ の堆積以下は試作例１及び２と同様なプロセスを
施し、図６図示のようなレバー部７１及び探針部７２か
らなる本発明の第３実施例のカンチレバー７０を得た。 【００４２】このように作製したカンチレバー７０の形
状は、試作例２のカンチレバーと同様、基端部分７４と
先端部分７５とからなり、機能を各部分で分担する構成
である。但し基端部分７４の形状は試作例２とは異なり
、四角錐状であった。そして四角錐状の部分は後述の比
較例と同じプロセスにて形成されるので、結果的に探針
全体の長さは比較例と比べて長くなり、先端角も鋭く作
ることができた。 試作例４ 【００４３】試作例１のカンチレバーを作製す
る途中でＳｉウェハ３１に形成する穴３４を、更に鋭く
する為、穴を形成するまでの工程を、図７（ａ）乃至（
ｇ）に示す工程に置き換えて本発明のカンチレバーの第
４実施例を得た。 【００４４】まず、Ｓｉウェハ９１にＳｉ３ Ｎ４ 膜
９２及びＳｉＯ２ 膜９３を成膜し（図７（ａ））、続
いて、ドライエッチングにより十字状のパターン９４を
形成した（図７（ｂ）、図７（ｈ））。次に多結晶Ｓｉ
膜９５を堆積後（図７（ｃ））、エッチバックして多結
晶Ｓｉの側壁９６を形成した（図７（ｄ））。次にこれ
を熱酸化し、ＳｉがＳｉＯ２ に変化するときの体積膨
脹により、パターン９４を小さくし、十字の格子点のみ
に微小穴９７を残した（図７（ｅ）、図７（ｉ））。そ
して、ＳｉＯ２ をマスクとし、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜９２
及びＳｉウェハ９１をドライエッチングし、極めて細く
尖ったレプリカ穴９８を形成した（図７（ｆ）、図７（
ｇ））。上記工程の後は、ＳｉＯ２ 及びＳｉ３ Ｎ４
を一旦除去し、試作例１の手順に従い本発明に係るカ
ンチレバーを作製した。 試作例５ 【００４５】試作例１で使用したものと同様な
Ｓｉウェハ（（１００）面）１０１を洗浄し、熱酸化炉
内でＳｉウェハ上にＳｉＯ２ 膜１０２を７５０ｎｍ形
成した。 次いでＳｉＯ２ 膜１０２をフォトリソグラフィにより
パターニングし、穴１０３を形成した（図８（ａ））。 そしてＳｉＯ２ 膜をマスクとして、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）により、Ｓｉウェハ１０１に穴１０４
を形成した（図８（ｂ））。この時、ＣＣｌ４ （１０
０ｓｃｃｍ）ガスを使用し、４５０Ｗ、真空度４．５
Ｐａで５０分間のドライエッチングを行った。 【００４６】この後、熱酸化炉で９００℃で１００分間
ウエット酸化により酸化を行った（図８（ｃ））。穴１
０４に付いたシリコン酸化膜１１０の厚さは測定できな
かったが、モニター用として熱酸化炉に入れた他のＳｉ
ウェハで測定した酸化膜厚は１７０ｎｍであった。 【００４７】次にＬＰＣＶＤにより、ＳｉＨ２ Ｃｌ２
＋ＮＨ３ ガスで ０．３Ｔｏｒｒ、７８５℃、９０
分間の条件でＳｉ３ Ｎ４ 膜１０５を４００ｎｍ堆積
した（図８（ｄ））。 更に１１００℃の水蒸気中でアニーリングし、その後、
フォトリソグラフィによりカンチレバー形状をパターニ
ングした（図８（ｅ））。 【００４８】この後、他の試作例や比較例と同様に、カ
ンチレバーの支持体となるパイレックスガラス１０７（
コーニング＃７７４０）を陽極接合の技術を使用して接
着し（図８（ｆ））、これと共に同ガラスの不用部分を
切り離した。 【００４９】次に、ＫＯＨ水溶液によりＳｉウェハを裏
面よりエッチングして除去し（図８（ｇ））、更にフッ
酸により酸化膜１１０を除去した（図８（ｈ））。この
ようにして、レバー部１０８及び円錐状の探針部１０９
を有する本発明に係る第５実施例のカンチレバーを作製
した。 【００５０】この方法によれば、熱酸化により穴の内壁
にＳｉＯ２ 膜を形成したとき、穴の先端部分ではＳｉ
がＳｉＯ２ に変わるときに起こる体積膨張の為、穴の
先端部分の内側は一層鋭くなる。その結果、この穴をレ
プリカとして使い作製した探針部８３の先端部分１２５
は、中央近傍部１２６がくびれることにより、基端部分
１２４と比べて非常に鋭いものとすることができる。す
なわち、試作例１と同等の長さをもち、しかも先端角の
更に鋭い探針部を１０９を作製することができる。 試作例６ 【００５１】試作例５において、プラズマ異方
性エッチングで穴を開ける代わりに、ＫＯＨ水溶液を用
いてウエット異方性エッチングにより、四角錘を逆さま
にしたような形状のエッチングを行った。 【００５２】この後、ウェハを熱酸化炉に入れ、９２０
℃で１５０分間ウエット参加で酸化膜を形成し、更に、
ＬＰＣＶＤによりＳｉ３ Ｎ４ を堆積した。その後は
、試作例５と同様のプロセスで、図９及び図１０図示の
ような、レバー部１２１、探針部１２２、及びガラス支
持体１２３を有する本発明の第６実施例のカンチレバー
１２０を作製した。 【００５３】この方法によれば、熱酸化プロセスの効果
により、探針部１２２の先端形状が鋭くなる。また、図
１０中に示すように、探針部全体の形状もピラミッドの
腹部をえぐったような態様になっており、探針部先端近
くのアスペクト比が実質的に向上していた。即ち、探針
部１２２は、先端部分１２５と、これと連なる膨出状基
端部分１２４とから構成された。なお、この方法では、
Ｓｉウェハに開けた穴の開口が大きいため、穴の内面へ
のＳｉ３ Ｎ４ の回り込みは全く問題がなかった。 試作例７ 【００５４】試作例５の本発明のカンチレバーの作製に
おいて、プラズマ異方性エッチングでＳｉウェハ１０１
に穴１０４をあけた後、図１１図示の如く、熱酸化によ
り穴の内壁にＳｉＯ２ 膜１３１を形成し、続いて多結
晶Ｓｉ膜１３２をＬＰＣＶＤで堆積した。多結晶Ｓｉは
Ｓｉ３ Ｎ４ などと比べて、穴を埋めるのに適してお
り、従って、Ｓｉ３ Ｎ４では穴の内壁に膜が形成され
る程度であるのに対し、穴を埋めることができる。この
後、試作例５と同じようにガラスを接合した後、ＨＦ＋
ＮＨ４ Ｆで穴１０４の内壁に形成したＳｉＯ２ 膜１
３１を溶かし多結晶Ｓｉのレバー部及び探針部１３３か
らなる本発明のカンチレバーの変更例を得た。 【００５５】この方法において、カンチレバーをＣＶＤ
法によりＳｉ膜１３２で作製するとき、レプリカとする
穴の内面にＳｉが確実に回り込み、歩どまり良くカンチ
レバーを作製することができる。これに対して、Ｓｉ３
Ｎ４ でカンチレバーを作製するときは、Ｓｉ３ Ｎ
４ がレプリカとする穴の内面に十分回り込まずに、探
針部が所望の形状に形成できないことがある。 比較例 【００５６】まずＳｉウェハ（（１００）面）
を洗浄したのち、Ｓｉウェハ上にＳｉＯ２ を熱酸化に
より１μｍ 形成した。次いでレジスト材をコーティン
グし、マスクアライナでドライエッチングの探針部用パ
ターンを露光した。この時パターンは４μｍ 平方の正
方形状のパターンである。現像処理後、エッチングした
ＳｉＯ２ をマスクとしてＳｉウェハーをＫＯＨ水溶液
によって異方性エッチングした。この結果、Ｓｉウェハ
には四角錐を逆さまにエッチングした様な穴が作製され
た。 【００５７】この後、一旦ＳｉＯ２ を緩衝フッ酸で取
り去り、続いて、ＬＰＣＶＤによりＳｉ３ Ｎ４ を堆
積した。更に１１００℃で水蒸気中でアニーリングし、
僅かにＳｉＯ２ をＳｉ３ Ｎ４ 上につけた後、レジ
ストを再びコートし、マスクアライナーによりカンチレ
バーのパターンを露光して、プラズマエッチングでＳｉ
３ Ｎ４ をパターニングした。そしてパイレックスガ
ラスを陽極接合にて接着し、最後にカンチレバー（探針
部分を含む）となる部分のＳｉ３ Ｎ４ を残し、Ｓｉ
をエッチングした。 【００５８】このように作製された比較用のカンチレバ
ーの探針部分は、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチング
により作製した穴の形状を反映して、四角錐形状をして
おり、各陵線は９０度の角度をなして交わっていた。ま
た探針の長さも２．８ μｍ どまりであった。 【００５９】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、探
針部の先端を細くし、高いアスペクト比の探針部（先端
部分）を作製することができる。そして、本発明の探針
部を持つカンチレバーを使用したＦＭ装置では、サンプ
ル形状をより忠実に実現できるようになる。 【００６０】また、先端部分と基端部分とで機能を分け
た探針部を持つカンチレバーは、取付強度と探針全長を
稼いで、カンチレバーの寿命を延ばすと共にＦＭ装置に
応用した時、取付角度を水平に近づけることができ、分
解能の劣化を抑えることができる。 【００６１】本発明のカンチレバーはＦＭ装置に限らず
、ＳＴＭより派生し、ＳＸＭと呼ばれる原子オーダー前
後の分解能を有する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ーなどにも有効である。また電子顕微鏡などのエミッタ
や、最近、開発が進んできた真空マイクロエレクトロニ
クスディバイスのエミッタ部分の作製にも応用可能であ
る。
用カンチレバーに関し、より具体的には、レバー部及び
その自由端側に配設された探針部を具備するこの種カン
チレバーの構造と作製方法に関する。 【０００２】 【従来の技術】走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ；Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
）はＢｉｎｎｉｎｇ、Ｒｏｈｒｅｒらにより発明され
てから（Ｇ． Ｂｉｎｎｉｎｇ， Ｈ． Ｒｏｈｒｅｒ
，Ｃｈ． Ｇｅｒｂｅｒ ａｎｄ Ｅ．Ｗｅｉｂｅｌ：
Ｓｕｒｆａｃｅ Ｓｔｕｄｉｅｓ ｂｙ Ｓｃａｎ
ｎｉｎｇ Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ
． Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ．， ４９ （１
９８２） ５７ ）、原子オーダの表面の凹凸を観察で
きる顕微鏡として、各方面での利用が進んでいる。 【０００３】またＳＴＭにおけるサーボ技術を始めとす
る要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定できなかっ
た絶縁性の試料を原子オーダーの精度で観察することの
できる顕微鏡として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ；Ａｔｏｍ
ｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ）が提案さ
れている（特開昭６２−１３０３０２；ＩＢＭ、Ｇ．ビ
ニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装置）。 図１５に同公報に開示されるＡＦＭの一例を示す。ＡＦ
Ｍの構造はＳＴＭに類似している。 【０００４】図１５において、鋭い突起部分（第１の探
針部１３）を先端に持つカンチレバー１１が、試料９に
対向、近接して配置されている。ここで探針部１３の先
端を試料に近付けて行くと、探針部１３の先端の原子と
試料原子との間に相互作用が働き、両者の間隔距離に応
じた力が作用する。この状態で試料と探針部とを相対的
にＸＹ方向に走査すれば、試料の凹凸に従ってレバー部
１２が変位する。従って、このレバー部の変位をカンチ
レバーに対して試料９と反対側に配置した第２の探針部
１４を持つＳＴＭ機構を用いて測定することにより、Ｓ
ＴＭでは測定できなかった絶縁性の試料も間接的に測定
することができる。 【０００５】前述のＡＦＭに代表されるようなＦＭ装置
（Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）において、その
センサ部分である探針部の形状は、Ｘ、Ｙ、Ｚ方向の分
解能に大きな影響を与えたり、測定可能な試料に制限を
加える為、極めて大切な部分である。 【０００６】従来のカンチレバーとしては、細い金属ワ
イヤの先端を機械研磨や電界研磨などで鋭くし、場合に
応じてそのワイヤをＬ字型に曲げて作製したり、或いは
、金属等の薄い箔をカンチレバーとし、探針部としてダ
イヤモンド片を接着したりして作製したものが用いられ
ていた。 【０００７】ところが、これらのカンチレバーを備えた
ＦＭ装置においては、カンチレバーのレバー部を精度よ
く作製するのが難しく、消耗品であるカンチレバーの交
換によって、測定条件が変わってしまうという問題があ
った。即ち、カンチレバーはレバー部の長さによりその
機械的な共振周波数が決定される為、交換の際、同じ振
動特性を有し、且つその長さが精度よく一定に揃ったカ
ンチレバーが必要となるが、上述の方法ではこのような
高精度のカンチレバーを得るのは難しかった。また、外
部振動に強いカンチレバーとする為には、レバー部は短
いほうが共振周波数を高くできることから望ましいが、
上述の方法では、このような短いレバー部を形成するこ
とも困難であった。 【０００８】一方、Ｔ． Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔらは
、Ｓｉウェハの（１００）面に湿式異方性エッチングを
施し、四角錘型の穴を形成した後、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜を
その上に形成し、レバー形状にエッチングして作製した
ピラミッド型の探針部を持つカンチレバーについて報告
している（Ｔｈｏｍａｓ Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ Ｓ
ｈｉｎｙａ Ａｋａｍｉｎｅ， Ｍａｒｃｏ Ｔｏｒｔ
ｏｎｅｓｅ， ａｎｄＣａｌｖｉｎ Ｆ． Ｑｕａｔｅ
： Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ ａｔｏｍｉｃ ｆｏｒ
ｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ． ＳＴＭ’８９ポスタ
ーセション）。このマイクロカンチレバーは、その作製
に半導体ＩＣを作製するのと同じプロセスを用いている
為、μｍのオーダの高精度で非常に再現性がよいものを
作成することができる。しかしながらこの方法でも、探
針部については必ずしも十分とはいえなかった。 【０００９】即ち、探針部の先端角は測定可能な試料を
限定するので、例えば図１２図示のように探針部１５の
先端角以下の角度の深い穴１７や溝のある試料１６は、
図１３図示のように穴１７において確実な出力信号が得
られず、測定できなくなる。また、急峻なステップ状の
構造は探針角程度にダレてしまうことになる。よって図
１４のように探針部１８の先端角は可能な限り小さいこ
とが求められる。ところが、ピラミッド型の探針部はＳ
ｉのエッチピットのレプリカを取るように作成される為
、Ｓｉの結晶構造により、ピラミッド型探針部の各面は
７２度の角度で交わる。またその探針部先端から伸びる
４本の稜線の内の２本で形成される角度は、最も大きい
もので９０度となる。これらはＳＴＭで使われる電解研
磨した探針の先端角が３０度以下であることと比べると
、かなり先端角が大きく、深い穴や溝のある試料の測定
が難しくなるので、決して望ましい形状とはいえなかっ
た。 【００１０】よって、カンチレバーには、前述のように
半導体プロセスなどを応用して高い精度で作製すると同
時に、先端角の小さな探針部を持ったものとすることが
求められていた。なお、ここでいう先端角とは、図１６
図示のように、探針部１９の先端部の角度θであり、先
端部の半径Ｒとは異なる。 【００１１】また、Ｔ． Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔらは
、先端角の鋭い探針部を持ったカンチレバーを報告して
いる（Ｔｈｏｍａｓ Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ ａｎｄ
Ｃａｌｖｉｎ Ｆ． Ｑｕａｔｅ： Ａｔｏｍｉｃ
ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ａｔｏｍ
ｉｃ ｆｏｒｃｅ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ ｏｎ ｃｏ
ｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ ｎｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒ
ｓ．Ｊ． Ｖａｃ．Ｓｃｉ． Ｔｅｃｈｎｏｌ． Ａ
６（２）， （１９８８） ２７１）。しかしながら、
探針部の長さとして十分な長さは得られておらず、より
長い探針を持ったカンチレバーが求められていた。 【００１２】もしも、探針部の長さが短い場合は、カン
チレバーの探針部以外の部分と試料とが接触しないよう
にする為、ＦＭ装置に取付けて測定をする際、カンチレ
バーを試料面に対して傾けて取付ける必要が有る。この
結果、ＦＭ装置の設計や作製が難しくなるという問題が
発生する。特にカンチレバーの変位を光学的に測定する
構成のＦＭ装置においては、これは大きな問題である。 また更に、カンチレバーを傾けると、探針部の動きが試
料面と垂直方向以外の成分の動きを含むようになり、必
ずしも理想的に試料の凹凸を捕らえられなくなる為、分
解能が劣化するという問題も発生する。よって、鋭い先
端形状を持ちながら、より長い探針長を持った探針部を
作製することが前述の課題と併せて望まれていた。更に
、カンチレバーが消耗品として位置付けられることから
、安定して作成でき、しかも低コストで作成を可能にす
ることも望まれていた。 【００１３】 【発明が解決しようとする課題】本発明はかかる観点に
鑑みてなされたものであり、鋭い先端形状、適度な長さ
の探針長の探針部を有するカンチレバーと、これを安定
的に作製できる方法とを提供することを目的とする。具
体的には、半導体プロセスを利用することにより、高い
精度の探針部を有するカンチレバーの作製を実現する。 更には、探針部を更に機能別に分けて作成することによ
って、より理想に近い形状を持った探針部を実現しよう
とするものである。本発明の探針は、好適には、カンチ
レバー長が１ｍｍ以下、特に５００ μｍ以下のカンチ
レバー上に形成される。 【００１４】 【課題を解決するための手段】本発明の第１の視点にお
いて、走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、レバー
部及びその自由端側に配設された探針部を具備し、上記
探針部は、鋭い先端角を有する先端部分と、上記先端部
分と連なる膨出状基端部分とからなることを特徴とする
。 【００１５】本発明の第２の視点において、レバー部及
びその自由端側に配設された探針部を具備する走査型プ
ローブ顕微鏡用カンチレバーの作製方法は、半導体基板
にエッチング処理により上記探針部用のレプリカ穴を形
成する工程と、上記レプリカ穴を含む上記基板上の領域
に上記レバー部及び上記探針部の母材料を堆積させる工
程と、上記母材料を所定の形状にパターニングする工程
と、上記基板を除去する工程と、を具備する。 【００１６】本発明の第３の視点において、レバー部及
びその自由端側に配設された探針部を具備し、上記探針
部が、鋭い先端角を有する先端部分と、上記先端部分と
連なる膨出状基端部分とからなる走査型プローブ顕微鏡
用カンチレバーの作製方法であって、半導体基板にエッ
チング処理により上記探針部用のレプリカ穴を形成する
工程と、上記レプリカ穴が、上記探針部の基端部分に相
当する第１部分と、上記探針部の先端部分に相当する第
２部分とからなることと、上記レプリカ穴を含む上記基
板上の領域に上記レバー部及び上記探針部の母材料を堆
積させる工程と、上記母材料を所定の形状にパターニン
グする工程と、上記基板を除去する工程と、を具備する
。 【００１７】望ましくは、上記基板がシリコン基板であ
り、上記カンチレバーはＳｉ３ Ｎ４から形成される。 また上記基板を除去する工程の前に、上記レバー部を支
持する支持部材を上記レバー部に接着する工程を更に含
むことが可能である。 【００１８】 【作用】本発明に係るカンチレバーは、細い先端により
サンプル形状をより忠実に再現する。他方、基端部分で
取付強度と探針部全体の長さを稼ぐ為、カンチレバーの
機械的強度が増し、その寿命が長くなる。また、カンチ
レバーとしてＦＭ装置に応用したとき、取付角度を水平
に近づけることができ、分解能の劣化を抑えることがで
きる。本発明に係るカンチレバーの作製方法によれば、
鋭いレプリカ穴により、探針部の根元が太く且つ先端が
細い、高いアスペクト比の探針部が作製される。 【００１９】 【実施例】図１は本発明に係るカンチレバーの第１実施
例を示す斜視図である。このカンチレバー２０は、レバ
ー部２１及び探針部２２を含み、レバー部２１が根元で
支持部材２３に支持される。 【００２０】上記カンチレバー２０は、図２（ａ）乃至
（ｇ）図示の工程に沿って製造される。その詳細は後述
する試作例１の説明において述べるが、その概要は、Ｓ
ｉウェハ３１にエッチングにより穴３４を掘り（図２（
ａ）、（ｂ））、その上からＳｉ３ Ｎ４ 膜３５を成
膜し（図２（ｃ））、カンチレバー形状にパターニング
して（図２（ｄ））、最終的にレバーの台座となる支持
部材３７を接着した後（図２（ｅ））、支持部材を加工
して（図２（ｆ））、探針部作製の型として使ったＳｉ
ウェハ３１を溶かし去り（図２（ｇ））、本発明のカン
チレバーを得る。 【００２１】本発明カンチレバーの作製方法において特
徴的なのは、探針部分の作製方法である。本発明におい
ては、Ｓｉウェハ３１を探針部作製の型として使用する
為エッチングをするが、このエッチングをプラズマエッ
チング装置を使用するドライエッチングにより行う。従
来、Ｔ．Ｒ． Ａｌｂｒｅｃｈｔ 等により提案されて
いた、ＫＯＨ水溶液やＥＰＷ（エチレン・ジアミン・ピ
ロカテコール・水）などを使用した湿式のエッチングで
Ｓｉウェハをエッチングして探針部作製の型の形状を作
るのと比べ、本発明のようにドライエッチングを用いて
作製される穴３４は、はるかに鋭い形状にできるメリッ
トがある。その結果、作製されたカンチレバーの探針部
３９はおおよそ円錐形状となり、極めて先端角の小さな
、鋭い形状になる。即ち、長さ：径の比（アスペクト比
）の大きい探針形状を得る。このような本発明の先端角
の鋭い探針部３９を持ったカンチレバーを用いてＡＦＭ
測定すると、急峻な段差部分を持った試料をより正確に
測定及び再現することができる。 【００２２】図３は本発明に係るカンチレバーの第２実
施例の斜視図、図４はその断面図を示す。このカンチレ
バー４０はレバー部４１、探針部４２及び支持部分４３
よりなり、大まかな構成は第１図に示した第１実施例の
カンチレバーと同じであるが、探針部が更に先端部分４
５とそのレバー部への付け根となる基端部分４４に分け
られる構造をしている。上記カンチレバー４０は、図５
（ａ）乃至（ｈ）図示の工程に沿って製造される。その
詳細は後述する試作例２の説明において述べる。 【００２３】この例では、探針部４２の先端部分４５付
近の形状を鋭く保ったまま、探針部全体の長さを稼ぐ為
に、探針部４２の付け根に先端より太くした基端部分４
４を作製してある。このように作製した本発明に係る探
針長の長いカンチレバー４０は、カンチレバーをＦＭ装
置に取り付けたとき、カンチレバー面を試料と水平に配
置してもカンチレバーの探針部の長くなった基端部分４
４だけ、試料との距離（部分４４と４５の長さの和）を
更に隔てることができる。従って、ＡＦＭに取り付けて
測定をする際、試料の凹凸がカンチレバーに干渉するこ
とがないので、カンチレバーを試料面に対して傾けて取
り付けなくてもよくなったり、あるいは、傾けてもその
角度を小さくすることが可能になって、ＦＭ装置の設計
を簡単にする。またそれと同時に測定分解能をあげるこ
とが可能になる。 【００２４】このような構成は、探針部の機能を複数の
部分で分担していると言うことができる。従来のカンチ
レバーでは機能を分離するという考え方は、カンチレバ
ーのレバー部と探針部とに分けるだけに留まっていた。 例えば、カンチレバーをＳｉ３ Ｎ４ で構成して、探
針部分をタングステンなどの金属材料にて構成する程度
であった。あるいは磁力顕微鏡（ＭＦＭ：Ｍａｇｎｅｔ
ｉｃ Ｆｏｒｃｅ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）用のカンチ
レバーとする為、ニッケルなどで探針部を構成し、磁力
に感じるようにする程度であった。 【００２５】これに対し、この第２実施例のカンチレバ
ー４０では探針部の機能を更に分け、形状的にも、試料
表面と相互作用する先端部分４５と、探針の長さを稼ぎ
つつ探針部４２をレバー部４１につなぐ基端部分４４と
に分かれて構成されている。すなわち各機能を発揮する
のに好ましい形を探針部の各部分の形に反映させている
ので、従来のカンチレバーと比べて、より優れたものを
構成することができる。 【００２６】上述の如く、本発明によれば、探針部の根
元を太くし先端を細くし、高いアスペクト比の探針部を
作製することができる。そして、本発明の探針部を持つ
カンチレバーを使用したＦＭ装置では、探針部が、試料
と接触しながら走査されるなど、何らかの原因で横方向
に力を受けたときに対し機械的強度を補っているので、
サンプル形状をより忠実に再現することができるように
なる。 【００２７】また、先端部分と基端部分とで機能を分け
た探針部を持つカンチレバーは、先端を細くしてサンプ
ル形状をより忠実に再現できるとともに、基端部分で取
付強度と探針部全体の長さを稼いで、カンチレバーの寿
命を延ばすと共に、カンチレバーとしてＦＭ装置に応用
したとき、取付角度を水平に近づけることができ、分解
能の劣化を抑えることができる。 【００２８】カンチレバーの材質としては、Ｓｉ３ Ｎ
４ の他、ＳｉＯ２ や金属など半導体プロセス中で使
用される膜形成材料は、作製プロセスへの適合性に依存
して基本的に使用可能である。但し、Ｓｉとエッチング
比が大きくとれない材料については、最終プロセスにお
いてＳｉをエッチングするときカンチレバーを形成する
材料までもエッチングされてしまうので不都合が生じる
。そのような材料を使用するときには、カンチレバー形
成材料の層とＳｉとの間に中間層を設ける等して、Ｓｉ
のエッチングによりカンチレバーが侵されないように配
慮する必要がある。ただし、本発明のカンチレバーはカ
ンチレバーの構成材料によっては限定を受けるものでは
ない。 【００２９】カンチレバーの支持部材はガラス、セラミ
ックス、プラスチックス、金属、またはシリコンウェハ
などが用いられる。特には、カンチレバーが組み合わさ
れる走査型プローブ顕微鏡が原子オーダーのサイズを問
題にする装置であって、小さな部品の熱膨張もデータに
影響を与える可能性があることから、材料的には剛性が
高いことと共に、熱膨張係数の小さな材料が選択される
。 【００３０】また、それらの支持部材とカンチレバーと
の接合には、接合面の汚れなどを除去したのち、高温下
で支持部材とカンチレバーとに電圧を印加して行う陽極
接合法や、接着剤を用いる方法などが適用可能である。 ただし、このような接合方法によっても本発明は限定さ
れない。 【００３１】また、ＡＦＭなどの装置においてカンチレ
バーの変位を計る手段に依存して、カンチレバーに金な
どの蒸着により導電性処理を施したり、光の反射率を増
す為のコーティングを施しても良く、それらの処理は本
発明を限定しない。 試作例１ 図１図示の本発明に係るカンチレバーの第１実施例
を図２（ａ）乃至（ｇ）図示の工程に従って作製した。 【００３２】まずＳｉウェハ（（１００）面）３１を洗
浄し、Ｓｉウェハ上にＳｉＯ２ 膜３２を熱酸化により
１μｍ 形成した。次いでレジスト材をコーティングし
、マスクアライナーでドライエッチングの探針部用パタ
ーンを露光した（図２（ａ））。この時のパターニング
による穴３３は直径１．４μｍ の円形をなす。現像処
理後、エッチングしたＳｉＯ２ 膜をマスクとしてＳｉ
ウェハ３１をエッチングした（図２（ｂ））。この時の
エッチングは異方性プラズマエッチングであり、エッチ
ングガスとしてはＣＣｌ４ ＋Ｏ２ ガスを使った。こ
の結果Ｓｉウェハ３１には、表面の直径１．４ μｍ
、深さ３μｍ の穴３４が作製された。 【００３３】この後、一旦ＳｉＯ２ 膜３２を緩衝フッ
酸で取り去り、次に減圧化学的気相成長法（ＬＰＣＶＤ
）によりＳｉ３ Ｎ４ 膜３５を３００ｎｍ堆積した（
図２（ｃ））。更に１１００℃の水蒸気中でアニーリン
グし、僅かにＳｉＯ２ をＳｉ３ Ｎ４ 膜３５上につ
けた後、レジストを再びコートし、マスクアライナーに
よりカンチレバー長さとして１００μｍ となるように
パターンを露光し、ＣＦ４ ＋Ｏ２ プラズマによりＳ
ｉ３ Ｎ４ 膜３５をエッチングし、パターニング３６
した（図２（ｄ））。そしてカンチレバーの支持体とな
る１ｍｍ厚のパイレックスガラス３７（コーニング＃７
７４０）を陽極接合にて接着し（図２（ｅ））、これと
共に同ガラスの不用部分を切り離し（図２（ｆ））、最
後にカンチレバー（レバー部３８及び探針部３９を含む
）となる部分のＳｉ３ Ｎ４ 膜を残し、Ｓｉウェハ３
１をフッ酸＋硝酸＋酢酸でエッチングした（図２（ｇ）
）。 【００３４】このように作製した本発明のカンチレバー
の探針部３９は、異方性プラズマエッチングにより作製
した穴３４の形状を反映して、おおよそ円錐状の形状を
有し、カンチレバーのレバー部３８側の根元において直
径が１．５ μｍ 、そして探針部３９自体の長さは２
．５ μｍ であった。後述の比較例と比べ、探針部３
９の長さはほぼ同じであるが、先端角は遥かに鋭い探針
を作ることができた。 試作例２ 図３図示の本発明に係るカンチレバーの第２実施例
を図５（ａ）乃至（ｈ）図示図示の工程に従って作製し
た。 【００３５】まず、試作例１で使用したものと同様なＳ
ｉウェハ５１の表面に燐を拡散させ（図５（ａ））、燐
拡散層５２を形成した。次に、ＳｉＯ２ 膜５３を熱拡
散で形成し（図５（ｂ））、続いて、レジスト５４を用
いてＳｉＯ２ 膜５３に直径１．４μｍ の円形探針用
のパターン穴５５を開けた（図５（ｃ））。 【００３６】この後、フッ酸＋硝酸＋酢酸で等方性エッ
チングを施し、ＳｉＯ２ 膜５３のマスクの下で燐拡散
層５２をえぐり、およそ半径１．５ μｍ の半球状の
部分５６を形成した（図５（ｄ））。 【００３７】その後は試作例１と同様に、ＣＣｌ４ ＋
Ｏ２ による異方性プラズマエッチングにより、Ｓｉウ
ェハ５１に穴５７を形成した後（図５（ｅ））、Ｓｉ３
Ｎ４ 膜５８を堆積した（図５（ｆ））。そして、Ｓ
ｉ３ Ｎ４ 膜５８をエッチングし、パターニングし（
図５（ｇ））、更に、パイレックスガラス５９接着した
後、Ｓｉウェハ５１をエッチング除去した（図５（ｈ）
）。 こうしてレバー部６１及び探針部６２からなる本発明の
カンチレバーを得た。 【００３８】このように作製したカンチレバーの探針部
分の形状は、半球状の基端部分６４の先に、ほぼ試作例
１で作製したような円錐形状をした鋭い先端部分６５が
形成されていた。基端部分６４の直径に相当する寸法は
４μｍ 、円錐状の部分６５の底面に相当する部分の直
径は１．８ μｍ であり、その長さは２．５ μｍ
であった。また基端部分６４と円錐形状の部分６５を合
わせたトータルの探針部分６２の長さは４．６ μｍ
であった。すなわち後述の比較例のカンチレバーの探針
部より、先端部分の鋭さで優れ、探針部全体の長さで試
作例１より更に長いものとすることができた。 【００３９】形状について更に見ると、異方性プラズマ
エッチングなど試作例１と同じプロセスを用いる所は、
同じ条件で処理したにもかかわらず、ウェハの穴５７の
円錐状の先端部分の形状は試作例１に比べ先端角が多少
大きくなっていた。これにより、この後Ｓｉ３ Ｎ４
を堆積するとき、半球形状の部分６４と円錐形状の部分
６５との境界部分で亀裂等が発生することが、試作例１
に比べ非常に少なくなった。 試作例３ 【００４０】試作例２において、ＳｉＯ２ ５
３に直径１．４μｍ の円形探針用のパターンを開ける
代わりに、４μｍ 平方の正方形状のパターンを開け、
ついでＫＯＨ水溶液による異方性エッチングでＳｉウェ
ハ５１（燐拡散層５２）を堀込んだ。エッチング跡は（
１１１）面と（１００）面とのエッチレートに大きな差
がある為、四角錐を逆さまにエッチングしたような形状
になり、各陵のなす角度は９０度となった。ついでスパ
ッタリングによりＳｉＯ２ を堆積し、レジストをコー
トし、直径１．４ μｍの円形探針用のパターンを露光
して、異方性プラズマエッチングで円錐状の穴を堀込ん
だ。 【００４１】この後、ＳｉＯ２ を取り去り、Ｓｉ３
Ｎ４ の堆積以下は試作例１及び２と同様なプロセスを
施し、図６図示のようなレバー部７１及び探針部７２か
らなる本発明の第３実施例のカンチレバー７０を得た。 【００４２】このように作製したカンチレバー７０の形
状は、試作例２のカンチレバーと同様、基端部分７４と
先端部分７５とからなり、機能を各部分で分担する構成
である。但し基端部分７４の形状は試作例２とは異なり
、四角錐状であった。そして四角錐状の部分は後述の比
較例と同じプロセスにて形成されるので、結果的に探針
全体の長さは比較例と比べて長くなり、先端角も鋭く作
ることができた。 試作例４ 【００４３】試作例１のカンチレバーを作製す
る途中でＳｉウェハ３１に形成する穴３４を、更に鋭く
する為、穴を形成するまでの工程を、図７（ａ）乃至（
ｇ）に示す工程に置き換えて本発明のカンチレバーの第
４実施例を得た。 【００４４】まず、Ｓｉウェハ９１にＳｉ３ Ｎ４ 膜
９２及びＳｉＯ２ 膜９３を成膜し（図７（ａ））、続
いて、ドライエッチングにより十字状のパターン９４を
形成した（図７（ｂ）、図７（ｈ））。次に多結晶Ｓｉ
膜９５を堆積後（図７（ｃ））、エッチバックして多結
晶Ｓｉの側壁９６を形成した（図７（ｄ））。次にこれ
を熱酸化し、ＳｉがＳｉＯ２ に変化するときの体積膨
脹により、パターン９４を小さくし、十字の格子点のみ
に微小穴９７を残した（図７（ｅ）、図７（ｉ））。そ
して、ＳｉＯ２ をマスクとし、Ｓｉ３ Ｎ４ 膜９２
及びＳｉウェハ９１をドライエッチングし、極めて細く
尖ったレプリカ穴９８を形成した（図７（ｆ）、図７（
ｇ））。上記工程の後は、ＳｉＯ２ 及びＳｉ３ Ｎ４
を一旦除去し、試作例１の手順に従い本発明に係るカ
ンチレバーを作製した。 試作例５ 【００４５】試作例１で使用したものと同様な
Ｓｉウェハ（（１００）面）１０１を洗浄し、熱酸化炉
内でＳｉウェハ上にＳｉＯ２ 膜１０２を７５０ｎｍ形
成した。 次いでＳｉＯ２ 膜１０２をフォトリソグラフィにより
パターニングし、穴１０３を形成した（図８（ａ））。 そしてＳｉＯ２ 膜をマスクとして、反応性イオンエッ
チング（ＲＩＥ）により、Ｓｉウェハ１０１に穴１０４
を形成した（図８（ｂ））。この時、ＣＣｌ４ （１０
０ｓｃｃｍ）ガスを使用し、４５０Ｗ、真空度４．５
Ｐａで５０分間のドライエッチングを行った。 【００４６】この後、熱酸化炉で９００℃で１００分間
ウエット酸化により酸化を行った（図８（ｃ））。穴１
０４に付いたシリコン酸化膜１１０の厚さは測定できな
かったが、モニター用として熱酸化炉に入れた他のＳｉ
ウェハで測定した酸化膜厚は１７０ｎｍであった。 【００４７】次にＬＰＣＶＤにより、ＳｉＨ２ Ｃｌ２
＋ＮＨ３ ガスで ０．３Ｔｏｒｒ、７８５℃、９０
分間の条件でＳｉ３ Ｎ４ 膜１０５を４００ｎｍ堆積
した（図８（ｄ））。 更に１１００℃の水蒸気中でアニーリングし、その後、
フォトリソグラフィによりカンチレバー形状をパターニ
ングした（図８（ｅ））。 【００４８】この後、他の試作例や比較例と同様に、カ
ンチレバーの支持体となるパイレックスガラス１０７（
コーニング＃７７４０）を陽極接合の技術を使用して接
着し（図８（ｆ））、これと共に同ガラスの不用部分を
切り離した。 【００４９】次に、ＫＯＨ水溶液によりＳｉウェハを裏
面よりエッチングして除去し（図８（ｇ））、更にフッ
酸により酸化膜１１０を除去した（図８（ｈ））。この
ようにして、レバー部１０８及び円錐状の探針部１０９
を有する本発明に係る第５実施例のカンチレバーを作製
した。 【００５０】この方法によれば、熱酸化により穴の内壁
にＳｉＯ２ 膜を形成したとき、穴の先端部分ではＳｉ
がＳｉＯ２ に変わるときに起こる体積膨張の為、穴の
先端部分の内側は一層鋭くなる。その結果、この穴をレ
プリカとして使い作製した探針部８３の先端部分１２５
は、中央近傍部１２６がくびれることにより、基端部分
１２４と比べて非常に鋭いものとすることができる。す
なわち、試作例１と同等の長さをもち、しかも先端角の
更に鋭い探針部を１０９を作製することができる。 試作例６ 【００５１】試作例５において、プラズマ異方
性エッチングで穴を開ける代わりに、ＫＯＨ水溶液を用
いてウエット異方性エッチングにより、四角錘を逆さま
にしたような形状のエッチングを行った。 【００５２】この後、ウェハを熱酸化炉に入れ、９２０
℃で１５０分間ウエット参加で酸化膜を形成し、更に、
ＬＰＣＶＤによりＳｉ３ Ｎ４ を堆積した。その後は
、試作例５と同様のプロセスで、図９及び図１０図示の
ような、レバー部１２１、探針部１２２、及びガラス支
持体１２３を有する本発明の第６実施例のカンチレバー
１２０を作製した。 【００５３】この方法によれば、熱酸化プロセスの効果
により、探針部１２２の先端形状が鋭くなる。また、図
１０中に示すように、探針部全体の形状もピラミッドの
腹部をえぐったような態様になっており、探針部先端近
くのアスペクト比が実質的に向上していた。即ち、探針
部１２２は、先端部分１２５と、これと連なる膨出状基
端部分１２４とから構成された。なお、この方法では、
Ｓｉウェハに開けた穴の開口が大きいため、穴の内面へ
のＳｉ３ Ｎ４ の回り込みは全く問題がなかった。 試作例７ 【００５４】試作例５の本発明のカンチレバーの作製に
おいて、プラズマ異方性エッチングでＳｉウェハ１０１
に穴１０４をあけた後、図１１図示の如く、熱酸化によ
り穴の内壁にＳｉＯ２ 膜１３１を形成し、続いて多結
晶Ｓｉ膜１３２をＬＰＣＶＤで堆積した。多結晶Ｓｉは
Ｓｉ３ Ｎ４ などと比べて、穴を埋めるのに適してお
り、従って、Ｓｉ３ Ｎ４では穴の内壁に膜が形成され
る程度であるのに対し、穴を埋めることができる。この
後、試作例５と同じようにガラスを接合した後、ＨＦ＋
ＮＨ４ Ｆで穴１０４の内壁に形成したＳｉＯ２ 膜１
３１を溶かし多結晶Ｓｉのレバー部及び探針部１３３か
らなる本発明のカンチレバーの変更例を得た。 【００５５】この方法において、カンチレバーをＣＶＤ
法によりＳｉ膜１３２で作製するとき、レプリカとする
穴の内面にＳｉが確実に回り込み、歩どまり良くカンチ
レバーを作製することができる。これに対して、Ｓｉ３
Ｎ４ でカンチレバーを作製するときは、Ｓｉ３ Ｎ
４ がレプリカとする穴の内面に十分回り込まずに、探
針部が所望の形状に形成できないことがある。 比較例 【００５６】まずＳｉウェハ（（１００）面）
を洗浄したのち、Ｓｉウェハ上にＳｉＯ２ を熱酸化に
より１μｍ 形成した。次いでレジスト材をコーティン
グし、マスクアライナでドライエッチングの探針部用パ
ターンを露光した。この時パターンは４μｍ 平方の正
方形状のパターンである。現像処理後、エッチングした
ＳｉＯ２ をマスクとしてＳｉウェハーをＫＯＨ水溶液
によって異方性エッチングした。この結果、Ｓｉウェハ
には四角錐を逆さまにエッチングした様な穴が作製され
た。 【００５７】この後、一旦ＳｉＯ２ を緩衝フッ酸で取
り去り、続いて、ＬＰＣＶＤによりＳｉ３ Ｎ４ を堆
積した。更に１１００℃で水蒸気中でアニーリングし、
僅かにＳｉＯ２ をＳｉ３ Ｎ４ 上につけた後、レジ
ストを再びコートし、マスクアライナーによりカンチレ
バーのパターンを露光して、プラズマエッチングでＳｉ
３ Ｎ４ をパターニングした。そしてパイレックスガ
ラスを陽極接合にて接着し、最後にカンチレバー（探針
部分を含む）となる部分のＳｉ３ Ｎ４ を残し、Ｓｉ
をエッチングした。 【００５８】このように作製された比較用のカンチレバ
ーの探針部分は、ＫＯＨ水溶液による異方性エッチング
により作製した穴の形状を反映して、四角錐形状をして
おり、各陵線は９０度の角度をなして交わっていた。ま
た探針の長さも２．８ μｍ どまりであった。 【００５９】 【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、探
針部の先端を細くし、高いアスペクト比の探針部（先端
部分）を作製することができる。そして、本発明の探針
部を持つカンチレバーを使用したＦＭ装置では、サンプ
ル形状をより忠実に実現できるようになる。 【００６０】また、先端部分と基端部分とで機能を分け
た探針部を持つカンチレバーは、取付強度と探針全長を
稼いで、カンチレバーの寿命を延ばすと共にＦＭ装置に
応用した時、取付角度を水平に近づけることができ、分
解能の劣化を抑えることができる。 【００６１】本発明のカンチレバーはＦＭ装置に限らず
、ＳＴＭより派生し、ＳＸＭと呼ばれる原子オーダー前
後の分解能を有する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバ
ーなどにも有効である。また電子顕微鏡などのエミッタ
や、最近、開発が進んできた真空マイクロエレクトロニ
クスディバイスのエミッタ部分の作製にも応用可能であ
る。
【図１】本発明の第１実施例のカンチレバーを示す斜視
図。
図。
【図２】図１図示カンチレバーを作製する工程を順に示
す断面図。
す断面図。
【図３】本発明の第２実施例のカンチレバーを示す斜視
図。
図。
【図４】本発明の第２実施例のカンチレバーを示す断面
図。
図。
【図５】図３図示カンチレバーを作製するプロセスを順
に示す断面図。
に示す断面図。
【図６】本発明の第３実施例のカンチレバーを示す断面
図。
図。
【図７】本発明の第４実施例のカンチレバーを作製する
プロセスを順に示す断面図。
プロセスを順に示す断面図。
【図８】本発明の第５実施例のカンチレバーを作製する
プロセスを順に示す断面図。
プロセスを順に示す断面図。
【図９】本発明の第６実施例のカンチレバーを示す斜視
図。
図。
【図１０】本発明の第６実施例のカンチレバーを示す断
面図。
面図。
【図１１】本発明の第７実施例のカンチレバーを作製す
るプロセスを説明するための断面図。
るプロセスを説明するための断面図。
【図１２】先端角の大きな探針による形状再現性を説明
する断面図。
する断面図。
【図１３】先端角の大きな探針による形状再現性を説明
する出力信号図。
する出力信号図。
【図１４】先端角の小さな探針による形状再現性を説明
する断面図。
する断面図。
【図１５】原子間力顕微鏡を示す概略図。
【図１６】先端角を説明する図。
２０、４０、７０、１２０…カンチレバー、２１、４１
、７１、１０８、１２１…レバー部、２２、４２、７２
、１０９、１２２…探針部、２３、４３、１０７、１２
３…支持部材、４４、７４、１１４、１２４…基端部分
、４５、７５、１１５、１２５…先端部分。
、７１、１０８、１２１…レバー部、２２、４２、７２
、１０９、１２２…探針部、２３、４３、１０７、１２
３…支持部材、４４、７４、１１４、１２４…基端部分
、４５、７５、１１５、１２５…先端部分。
Claims (6)
- 【請求項１】 レバー部及びその自由端側に配設され
た探針部を具備する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバ
ーであって、上記探針部は、鋭い先端角を有する先端部
分と、上記先端部分と連なる膨出状基端部分とからなる
ことを特徴とするカンチレバー。 - 【請求項２】 上記基端部分が円錐台状である請求項
１記載のカンチレバー。 - 【請求項３】 上記基端部分が角錐台状である請求項
１記載のカンチレバー。 - 【請求項４】 レバー部及びその自由端側に配設され
た探針部を具備する走査型プローブ顕微鏡用カンチレバ
ーの作製方法であって、半導体基板にエッチング処理に
より上記探針部用のレプリカ穴を形成する工程と、上記
レプリカ穴を含む上記基板上の領域に上記レバー部及び
上記探針部の母材料を堆積させる工程と、上記母材料を
所定の形状にパターニングする工程と、上記基板を除去
する工程と、を具備する方法。 - 【請求項５】 上記基板がシリコン基板であり、上記
母材料を堆積させる工程前に、上記レプリカ穴の内面を
シリコン酸化膜で覆う工程を含み、上記シリコン酸化膜
は上記母材料のパターニング後に除去される請求項４記
載のカンチレバー。 - 【請求項６】 レバー部及びその自由端側に配設され
た探針部を具備し、上記探針部が、鋭い先端角を有する
先端部分と、上記先端部分と連なる膨出状基端部分とか
らなる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの作製方法
であって、半導体基板にエッチング処理により、上記探
針部の基端部分に相当する第１部分と、上記探針部の先
端部分に相当する第２部分とからなる上記探針部用のレ
プリカ穴を形成する工程と、上記レプリカ穴を含む上記
基板上の領域に上記レバー部及び上記探針部の母材料を
堆積させる工程と、上記母材料を所定の形状にパターニ
ングする工程と、上記基板を除去する工程と、を具備す
る方法。
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|---|---|---|---|
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| JPH04231811A true JPH04231811A (ja) | 1992-08-20 |
| JP3053456B2 JP3053456B2 (ja) | 2000-06-19 |
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