JPH05312562A

JPH05312562A - 集積型ａｆｍセンサー

Info

Publication number: JPH05312562A
Application number: JP11589992A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Toda; 明敏戸田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-05-08
Filing date: 1992-05-08
Publication date: 1993-11-22

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明は、カンチレバーのねじれを検出するこ
とによって、試料の表面形状を高い分解能で測定するこ
とができる集積型ＡＦＭセンサーを提供する。【構成】集積型ＡＦＭセンサーには、カンチレバー部２
８のビーム部３０に夫々設けられた複数系統のピエゾ抵
抗層１２の抵抗値の変化をこれらピエゾ抵抗層１２に流
れる電流の変化から検出する複数系統の抵抗変化検出回
路３６、３８と、これら抵抗変化検出回路３６、３８か
ら出力された信号に演算を施してカンチレバー部２８の
“反り”及び“ねじれ”を示す信号を出力する信号処理
回路４０とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば、走査型プロー
ブ顕微鏡に用いる集積型ＡＦＭセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、導電性試料を原子オーダーの分解
能で観察できる装置として、走査型トンネル顕微鏡（Ｓ
ＴＭ;Scanning Tunneling Microscope）がビニッヒ（Bi
nnig）とローラー（Rohrer）らにより発明された。この
ＳＴＭでは、観察できる試料は導電性のものに限られて
いる。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技
術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観
察できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ;Atomic Fo
rce Microsope ）が提案された。このＡＦＭは、例えば
特開昭６２−１３０３０２号公報に開示されている。

【０００３】ＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針部）を
自由端に持つカンチレバーを備えている。この探針部を
試料に近づけると、探針部先端の原子と試料表面の原子
との間に働く相互作用力（原子間力）によってカンチレ
バーの自由端が変位する。この自由端の変位を電気的あ
るいは光学的に測定しながら、探針を試料表面に沿って
走査することにより、試料の三次元的な情報を得てい
る。例えば、カンチレバーの自由端の変位を一定に保つ
ように探針試料間距離を制御しながら探針を走査する
と、探針先端は試料表面の凹凸に沿って移動するので、
探針先端の位置情報から試料の表面形状を示す三次元像
を得ることができる。

【０００４】ＡＦＭにおいて、カンチレバーの変位を測
定する変位測定センサーは、カンチレバーとは別途に設
けるのが一般的である。しかし最近では、カンチレバー
自体に変位を測定できる機能を付加した集積型ＡＦＭセ
ンサーが「M ．Tortonese 」らにより提案されている。
この集積型ＡＦＭセンサーは、例えば「M.Toronese,H.Y
anada, R.C.Barrett and C.F.Quate, Transducers and
Sensors’91:Atomicforce microscopy using a piezore
sistive cantilever」に開示されている。

【０００５】このような集積型ＡＦＭセンサーは、構成
が極めて簡単で小型であることから、カンチレバー側を
動かすいわゆるスタンドアロン型のＡＦＭを構成できる
ようになると期待されている。従来のＡＦＭでは、試料
をＸＹ方向に動かしてカンチレバー先端の探針との相対
的位置関係を変化させるため、試料の大きさが、最大数
ｃｍ程度に限られるが、スタンドアロン型のＡＦＭは、
このような試料の大きさの制限を取り除くことができる
という利点がある。以下、上述した集積型ＡＦＭセンサ
ーの作製方法について図１５を参照して説明する。

【０００６】図１５（ａ）に示すように、スタートウェ
ハー１として、シリコンウェハー３上に酸化シリコンの
分離層５を介してシリコン層７が設けられた例えば貼り
合わせシリコンウェハーを用意する。このシリコン層７
の極表面にイオンインプランテーションによりボロン
（Ｂ）を打ち込んでピエゾ抵抗層９を形成して、図１５
（ｄ）に図示した形状にパターニングした後、表面を酸
化シリコン膜１１で覆う。そしてカンチレバーの固定端
側にボンディング用の穴１３を開け、アルミニウムをス
パッタリングして電極１５を形成する。

【０００７】更に、シリコンウェハー３の下側にレジス
ト層１７を形成し、このレジスト層１７に湿式異方性エ
ッチングによって、図１５（ｂ）に示すような開口を形
成する。続いて、オーミクックコンタクトをとるための
熱処理をした後、レジスト層１７をマスクとして用い、
フッ酸により分離層５までエッチングしてカンチレバー
部１９を形成することによって、図１５（ｃ）に示すよ
うな集積型ＡＦＭセンサーが完成する。なお、図１５
（ｄ）には、かかる集積型ＡＦＭセンサーの上面図が示
されている。

【０００８】このようにして作製した集積型ＡＦＭセン
サーでは、測定の際に、２本の電極１５の間に数ボルト
以下のＤＣ電圧を印加し、カンチレバー部１９の先端を
試料に接近させる。カンチレバー部１９の先端と試料表
面（図示しない）の原子間に原子間力が作用すると、カ
ンチレバー部１９が変位する。これに応じてピエゾ抵抗
層９の抵抗値が変化することによって、カンチレバー部
１９の変位が２本電極１５の間に流れる電流信号として
得られる。

【０００９】実際には、ＸＹ走査中、カンチレバー部１
９の先端と試料表面との間に作用する試料表面に対して
垂直方向の力によって変位するカンチレバー部１９の反
りを検出して、試料表面のトポグラフィックな情報を得
ている。

【００１０】一方、最近では、集積型ではない従来のＡ
ＦＭ装置を用いてカンチレバーの先端と試料表面との間
に作用する試料表面に対して平行な方向の力によって起
こるカンチレバーのねじれを検出して、カンチレバーの
反りを測定して得られる以外の情報を画像化しようとす
る試みがされている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の集積型
ＡＦＭセンサーを用いて試料表面に対して平行な方向の
力を測定しようとしても、カンチレバー部１９の先端ま
でピエゾ抵抗層９が形成されているため、カンチレバー
部１９の反りを検出することしかできない。このため、
試料表面に平行な方向の力によるカンチレバーの変位
と、試料表面に垂直な方向の力によるカンチレバーの変
位とを分離することができない。

【００１２】つまり、カンチレバー部１９は、その先端
を限りなく試料表面に接近させた状態で、試料表面に沿
って走査させるため、その走査の際、先端の原子には、
試料表面の原子によって引力又は斥力が加えられる。こ
のとき加えられた引力又は斥力は、おおよそ試料表面の
凹凸部分の面法線方向に働き、走査時刻々と変化するこ
とから、カンチレバー部１９は、不規則なねじれが生じ
る。

【００１３】このように、カンチレバー部１９にねじれ
が発生すると、前述のように複数の力を分離して測定で
きないことから、そのねじれの程度によっては、試料の
表面形状に対する高精度な三次元像を得ることが困難に
なるという弊害が生じる。

【００１４】本発明は、かかる弊害を除去するためにな
され、その目的は、カンチレバーのねじれを検出するこ
とによって、試料の表面形状を高い分解能で測定するこ
とができる集積型ＡＦＭセンサーを提供することにあ
る。

【００１５】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明の集積型ＡＦＭセンサーは、測定試料
の表面形状に対応して変位するカンチレバー部に設けら
れ、このカンチレバー部の変位に対応して抵抗値が変化
する複数系統のピエゾ抵抗層と、これら複数系統のピエ
ゾ抵抗層の抵抗値変化を検出する検出回路と、この検出
回路から出力された信号に所定の演算を施して、前記カ
ンチレバー部の変位を検出する信号処理回路とを備え
る。

【００１６】

【作用】ＡＦＭ走査時、カンチレバー部に“反り”又は
“ねじれ”が生じ、ピエゾ抵抗層の抵抗値が変化して、
ここに流れる電流に変化が生じた場合、この電流変化
は、検出回路によって、ピエゾ抵抗層の抵抗値変化に対
応した信号に変換され、信号処理回路に出力される。信
号処理回路は、受信した信号の和を演算して、カンチレ
バー部の“反り”を示す信号として出力し、又は、受信
した信号の差を演算して、カンチレバー部の“ねじれ”
を示す信号として出力する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の一実施例に係る集積型ＡＦＭ
センサーについて、添付図面を参照して説明する。

【００１８】図１及び図２に示すように、本実施例に係
る集積型ＡＦＭセンサーは、カンチレバー支持部２６
と、このカンチレバー支持部２６に、その基端部が支持
されたカンチレバー部２８とを備えている。

【００１９】カンチレバー部２８は、カンチレバー支持
部２６から延出した２本のビーム部３０を備えている。
これら２本のビーム部３０は、夫々、その先端部が一体
化されており、かかる部分に三角形状の自由端部３２が
構成されている。

【００２０】このような外形を有するカンチレバー部２
８は、カンチレバー支持部２６にその基端部が支持され
且つビーム部３０及び自由端部３２を構成する第１のシ
リコン層６と、この第１のシリコン層６の上面のうち、
ビーム部３０の部分の上側表面層付近に形成されたピエ
ゾ抵抗層１２と、このピエゾ抵抗層１２が形成されたカ
ンチレバー部２８の上面全体を覆って積層され形成され
たパッシベーション層１８と、このパッシベーション層
１８が積層されたビーム部３０の基端部の上面に積層さ
れ形成された電極即ちアルミニウム層２２とを備えてい
る。

【００２１】パッシベーション層１８には、ビーム部３
０の基端部近傍に、アルミニウム層２２を介してピエゾ
抵抗層１２に電圧を印加させるためのコンタクトホール
２０が穿孔されており、かかるコンタクトホール２０を
介してアルミニウム層２２とピエゾ抵抗層１２とは互い
に電気的に接続されている。図２は、上述したカンチレ
バー部２８の構成を具体的に示した平面図であるが、説
明の都合上、上述したパッシベーション層１８は取り除
いてある。

【００２２】図２に示すように、本実施例に適用された
カンチレバー部２８には、２本のビーム部３０に、夫
々、一対のコンタクトホール２０が設けられており、こ
れらコンタクトホール２０には、夫々、ピエゾ抵抗層１
２に電圧を印加するための電極として機能するアルミニ
ウム層２２が設けられている。

【００２３】また、アルミニウム層２２からコンタクト
ホール２０を介してピエゾ抵抗層１２に供給された電流
が夫々のビーム部３０の自由端部３２側を経由して再び
コンタクトホール２０に戻るように、ピエゾ抵抗層１２
は、夫々のビーム部３０の上面に略Ｕ字状を成して積層
され形成されている。

【００２４】このように、２本のビーム部３０の長手方
向中央部分３４、及び、自由端部３２は、夫々、ピエゾ
抵抗層１２が形成されずに肉薄となっているため、ＡＦ
Ｍ走査時、カンチレバー部２８は、“反り感度”だけで
なく“ねじれ感度”も向上する。かかるＡＦＭ走査時、
上述した自由端部３２の先端部分３２ａが探針として機
能する。次に、上述した集積型ＡＦＭセンサーの作製方
法について、図６ないし図１４を参照して説明する。

【００２５】本実施例の集積型ＡＦＭセンサーでは、ス
タートウェハとしてＳＯＩ(Siliconon Insulator) ウェ
ハの１つであるシリコンの貼り合わせウェハ２が用いら
れている。

【００２６】このウェハ２の酸化シリコン分離層４の上
下に設けられた第１及び第２のシリコン層６、８の面方
位は、共に、（１、０、０）方向である。上側の第１の
シリコン層６は、リン（Ｐ）がドーピングされたｎ型で
あり、その厚みは２０μｍである。このようなウェハ２
は、まず、洗浄された後、第１のシリコン層６に対して
その厚さが５μｍになるまでドライエッチングが施され
る（図６参照）。

【００２７】次に、ウェハ２表面に形成された自然酸化
膜をフッ酸で除去した後、ＳｉＯ₂層１０を第１のシリ
コン層６の上面全体に略１００ｎｍ堆積する。そして、
ＳｉＯ₂層１０の上方からイオンインプランテーション
によって、ボロン（Ｂ）を打ち込み、第１のシリコン層
６の上面に、厚さ１０¹⁵ｉｏｎ／ｃｍのＰ型ピエゾ抵抗
層１２を形成する（図７参照）。

【００２８】次に、このＳｉＯ₂層１０の上面に厚膜レ
ジスト１４（図９参照）を１０μｍだけコートし、カン
チレバー部２８（図２参照）に相当する形状のパターン
を有するマスク（図示しない）を介して、厚膜レジスト
１４を露光・現像し、図８に示すようなパターンニング
を施す。

【００２９】パターンニングされた厚膜レジスト１４
（図８参照）をマスクとして利用して、（ＳＦ₆＋Ｃ₂
ＢｒＦ₅）によって、露出した部分を酸化シリコン分離
層４まで異方性プラズマドライエッチングを施す（図９
参照）。この後、ＳｉＯ₂層１０上面に残った厚膜レジ
スト１４を除去する（図示しない）。

【００３０】次に、レジスト１６を酸化シリコン分離層
４及びＳｉＯ₂層１０の表面全体にコートした後（図示
しない）、一対のビーム部３０（図２参照）に相当する
形状のパターンを有するマスク（図示しない）を介し
て、レジスト１６を露光・現像し、図１０に示すような
パターンニングを施す。

【００３１】パターンニングされたレジスト１６をマス
クとして用い、露出した部分（図１１参照）の上方、具
体的にはＳｉＯ₂層１０上方から異方性エッチングを施
してピエゾ抵抗層１２まで除去する。

【００３２】この結果、カンチレバーの自由端部３２
（図２参照）に相当する部分及びビーム部３０（図２参
照）の長手方向中央部分３４（図２参照）に相当する部
分は、夫々、肉薄に形成される。このため、カンチレバ
ーのバネ定数が小さくなり感度が向上する。この後、レ
ジスト１６を除去する（図示しない）。

【００３３】次に、ＳｉＯ₂のパッシベーション層１８
を酸化シリコン分離層４及びＳｉＯ₂層１０の表面全体
に堆積した後、ピエゾ抵抗層１２に電圧を印加させるた
め、パッシベーション層１８及びこの下層に形成されて
いるＳｉＯ₂層１０にコンタクトホール２０を形成する
（図１２参照）。なお、かかるコンタクトホール２０
は、図１３に示すように（図１３には、構成を明らかに
するため、パッシベーション層１８が除去された状態を
示す）、一対のビーム部３０（図２参照）に相当する部
分の基端部近傍に夫々設けられている。

【００３４】最後に、図１４に示すように、これらコン
タクトホール２０を含む一対のビーム部３０の基端部側
の領域に、アルミニウム層２２をスパッタリングにより
堆積した後、このアルミニウム層２２が堆積された側の
上面をポリイミド（図示しない）によって保護する。こ
の状態で、第２のシリコン層８の下面にパターンニング
されたＳｉＯ₂層２４をマスクとして用い、ＥＤＰ（エ
チレン・ジアミン・ピロカテコール・水）で酸化シリコ
ン分離層４まで異方性エッチングを施して第２のシリコ
ン層８を除去する。そして、酸化シリコン分離層４をバ
ッファードフッ酸でエッチングした後、ポリイミドを除
去することにより、本実施例の集積型ＡＦＭセンサーが
作製される。

【００３５】図３には、カンチレバー部２８の“反り”
及び“ねじれ”を検出するために、本実施例の集積型Ａ
ＦＭセンサーに適用された変位検出回路５６のブロック
図が示されている。なお、同図には、説明の都合上、必
須の構成のみを示す。

【００３６】図３に示すように、本実施例の集積型ＡＦ
Ｍセンサーには、複数系統のピエゾ抵抗層１２の抵抗値
の変化をこれらピエゾ抵抗層１２に流れる電流の変化か
ら検出する複数系統の抵抗変化検出回路３６、３８と、
これら抵抗変化検出回路３６、３８から出力された信号
に演算を施してカンチレバー部２８の“反り”及び“ね
じれ”を示す信号を出力する信号処理回路４０とを備え
ている。

【００３７】ＡＦＭ走査時、カンチレバー部２８に“反
り”又は“ねじれ”が生じ、ピエゾ抵抗層１２の抵抗値
が変化して、ここに流れる電流に変化が生じた場合、こ
の電流変化は、抵抗変化検出回路３６、３８によって、
ピエゾ抵抗層１２の抵抗値変化に対応した信号に変換さ
れ、信号処理回路４０に出力される。信号処理回路４０
は、受信した信号の和を演算して、カンチレバー部２８
の“反り”を示す信号として出力し、又は、受信した信
号の差を演算して、カンチレバー部２８の“ねじれ”を
示す信号として出力する。

【００３８】なお、ピエゾ抵抗層１２の電流変化を検出
する手段としては、オペアンプを用いた電流電圧変換回
路を使う方法が用いられる。また、その他の検出手段も
適用可能であり、例えば、ブリッジ回路（図示しない）
を用いる場合には、ブリッジ回路の抵抗層をカンチレバ
ー支持部２６に設けることも可能である。

【００３９】また、本実施例のピエゾ抵抗層１２のよう
に、ピエゾ抵抗を利用した素子を利用した場合、温度変
化により信号が変化するため、温度補正機構（図示しな
い）を信号処理回路４０に付加することが好ましい。こ
の結果、より安定且つ高精度なＡＦＭ走査が可能とな
る。

【００４０】図４に示すように、上述した集積型ＡＦＭ
センサーは、一般的に、ＡＦＭ装置４２に組み込まれ
る。具体的には、カンチレバー支持部２６をＡＦＭ装置
４２の固定治具４４を介してチューブスキャナー４６に
取り付けられている。

【００４１】ＡＦＭ走査時、カンチレバー部２８の自由
端部３２は、試料台４８に載置された測定試料５０の表
面に極めて接近させる必要がある。このため、チューブ
スキャナー４６は、ＣＰＵ５２によって制御されるスキ
ャナーコントローラ５４を介して印加される電圧に対応
して、ＸＹＺ方向に走査可能に構成されている（図５参
照）。この結果、カンチレバー部２８の自由端部３２を
測定試料５０の表面に極めて接近させた状態で、相対的
位置関係を高精度に制御させることができる。

【００４２】なお、図５に示すように、ＡＦＭ装置４２
にセットされた状態としては、走査周波数の早いＸ走査
方向に対して、カンチレバー部２８の軸２８ａが、略直
交するようにセットされる。この結果、自由端部３２を
測定試料５０の表面に極めて接近させた状態で効率よく
カンチレバー部２８の“ねじれ”及び“反り”を検出す
ることが可能となる。ただ、Ｘ走査方向とカンチレバー
部２８の軸２８ａの方向とを一致させても、測定する試
料によっては、ねじれを生じせしめる力を受ける。従っ
て、本発明は、ＡＦＭ装置のセットする方向によって限
定されない。

【００４３】また、図４に示すように、上述した変位検
出回路５６は、固定治具４４に突設されたターミナル５
８と電気的に接続されており、このターミナル５８と電
極即ちアルミニウム層２２とは、コンタクトワイヤーに
よって電気的に接続されている。このため、変位検出回
路５６からターミナル５８に供給された電流は、コンタ
クトワイヤー及びアルミニウム層２２を介してピエゾ抵
抗層１２に導かれる。この結果、ピエゾ抵抗層１２に
は、所定の電圧が印加される。

【００４４】ＡＦＭ走査が行われ、カンチレバー部２８
が測定試料５０の表面形状に対応して変位し歪を生じた
とき、ピエゾ抵抗層１２の抵抗値が変化するため、流れ
る電流値が変化する。このときの電流変化が、変位検出
回路５６によって検出され、カンチレバー部２８の“ね
じれ”及び“反り”を示す信号が出力される。

【００４５】変位検出回路５６から出力された信号は、
ＣＰＵ５２に入力され、画像処理されてモニター上に表
示されると共に、カンチレバー２８の自由端部３２と測
定試料５０との間を極めて接近させた状態で且つ一定に
維持するように、ＣＰＵ５２を介してディジタルフィー
ドバックを掛ける際の元信号として利用される。

【００４６】なお、アナログフィードバックも適宜選択
できるように、変位検出回路５６とスキャナーコントロ
ーラ５４とは電気的に接続されており、変位検出回路５
６からスキャナーコントローラ５４に信号が出力されて
いる。また、ＣＰＵ５２は、変位検出回路５６から出力
された信号に基づいて、ステージコントローラ６０に信
号を送信して試料台４８の粗動を制御している。

【００４７】このように本実施例の集積型ＡＦＭセンサ
ーは、カンチレバー部２８を構成する一対のビーム部３
０に、夫々、複数系統のピエゾ抵抗層１２を備えたこと
によって、カンチレバー部２８の“ねじれ”あるいは
“反り”によるピエゾ抵抗層１２の抵抗値の変化を、夫
々、独立に検出することができる。この結果、カンチレ
バー部２８の“ねじれ”あるいは“反り”を発生させた
原因である測定試料５０と、探針として機能する自由端
部３２の先端部分３２ａと、の間に作用する力を高精度
に検出することができるため、測定試料５０の表面形状
を高い分解能で測定することができる。

【００４８】

【発明の効果】本発明の集積型ＡＦＭセンサーは、カン
チレバー部に夫々設けられた複数系統のピエゾ抵抗層
と、抵抗値変化を検出する検出回路と、この検出回路か
らの信号に基づいてカンチレバー部の変位を検出する信
号処理回路とを備えたことによって、カンチレバー部の
“ねじれ”あるいは“反り”によるピエゾ抵抗層の抵抗
値の変化を、夫々、独立に検出することができる。この
結果、カンチレバー部の“ねじれ”あるいは“反り”を
発生させた原因である測定試料とカンチレバー部との間
に作用する力を高精度に検出することができるため、測
定試料の表面形状を高い分解能で測定することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係る集積型ＡＦＭセンサー
の横断面図。

【図２】図１に示す集積型ＡＦＭセンサーの平面図。

【図３】図１に示す集積型ＡＦＭセンサーに適用された
変位検出回路のブロック図。

【図４】図１に示す集積型ＡＦＭセンサーがＡＦＭ装置
に組み込まれた状態を示す図。

【図５】図４に示すＡＦＭ装置に組み込まれた集積型Ａ
ＦＭセンサーのカンチレバー部の部分を拡大して示す斜
視図。

【図６】図１に示す集積型ＡＦＭセンサーを作製するた
めに適用されたシリコンの貼り合わせウェハの断面図。

【図７】図６に示すウェハにピエゾ抵抗層が形成された
状態を示す断面図。

【図８】厚膜レジストをカンチレバー部に相当する形状
にパターンニングした状態を示す平面図。

【図９】図８に示す厚膜レジストを用いて、図７に示す
ウェハに異方性プラズマドライエッチングが施された状
態を示す断面図。

【図１０】レジストを一対のビーム部に相当する形状に
パターンニングした状態を示す平面図。

【図１１】図１０に示すレジストが設けられたウェハの
断面図。

【図１２】ピエゾ抵抗層に電圧を印加させるため、積層
されたパッシベーション層及びこの下層に形成されてい
るＳｉＯ₂層にボンディング用のコンタクトホールを形
成した状態を示す断面図。

【図１３】図２に示すウェハの主要な構成のみを示す平
面図。

【図１４】完成した状態の集積型ＡＦＭセンサーの断面
図。

【図１５】（ａ）ないし（ｄ）は、夫々、順に、従来の
集積型ＡＦＭセンサーを作製する工程を示す図。

【符号の説明】

１２…ピエゾ抵抗層、２８…カンチレバー部、３０…ビ
ーム部、３６…抵抗変化検出回路、３８…抵抗変化検出
回路、４０…信号処理回路。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】測定試料の表面形状に対応して変位する
カンチレバー部に設けられ、このカンチレバー部の変位
に対応して抵抗値が変化する複数系統のピエゾ抵抗層
と、これら複数系統のピエゾ抵抗層の抵抗値変化を検出する
検出回路と、この検出回路から出力された信号に所定の演算を施し
て、前記カンチレバー部の変位を検出する信号処理回路
と、を備える集積型ＡＦＭセンサー。