JPH06150807A

JPH06150807A - 尖鋭超小型チップの製造方法、該方法により製造された超小型チップ、及び該超小型チップを組み込んだ走査プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH06150807A
Application number: JP24149392A
Authority: JP
Inventors: Shinya Akamine; アカミネシンヤ
Original assignee: Leland Stanford Junior University
Current assignee: Leland Stanford Junior University
Priority date: 1991-09-11
Filing date: 1992-09-10
Publication date: 1994-05-31
Anticipated expiration: 2010-07-05
Also published as: JPH0762978B2

Abstract

(57)【要約】【目的】本発明の主目的は、シリコン鋳型内での鋳造
に適したチップ用の任意の材料を用いて、尖鋭端部及び
所望の表面輪郭を備えた超小型チップを製造する方法を
提供することにある。【構成】本発明による超小型チップの製造方法は、超
小型チップに望まれる形状とほぼ均等の雌型である形状
をもつキャビティを単結晶シリコン基板に形成する工程
と、キャビティの一部において、超小型チップに尖鋭端
部を形成するための形状をもつ二酸化ケイ素の層を形成
して鋳型キャビティを形成と、キャビティ内にチップ材
料を堆積させて、二酸化ケイ素の層により形成される尖
鋭端部の形状を超小型チップに鋳造する工程とを有して
いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は超小型チップの製造に関
し、より詳しくは、超小型チップに尖鋭端部及び所望の
表面輪郭を付与できる超小型チップの鋳造方法に関す
る。更に、本発明は、このような方法で鋳造されたチッ
プ及び該チップを組み込んだ走査プローブ顕微鏡に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】超小型チップは、センサ、アクチュエー
タ、真空超小型電子機器、マイクロフルイディクス及び
顕微鏡使用法等に関する科学技術分野において多数応用
されている。超小型チップは、流れを一点に収斂させる
こと又は機械的プローブとしても使用されている。一般
に、このような超小型チップを常に再現可能な方法で製
造することは困難である。なぜならば、多くの状況下で
超小型チップが信頼性ある作動をするには、チップ端を
非常に鋭くすることが重要だからである。

【０００３】如何にすれば鋭いシリコンナイフブレード
を作ることができるかについて論じたMarcus氏の論文
「The Oxidation of Shaped Silicon Surfaces（定形シ
リコン表面の酸化）」（Journal of the Electrochemic
al Society, Solid-state Science and Technology, 19
82年６月、第1,278 〜1,282 頁）がある。超小型チップ
の製造に関する幾つかの背景情報を与える当該技術分野
の幾つかの刊行物がある。その１つがStephani氏の論文
「Fabrication of Densely Packed Sharp Silicon Fiel
d Emitters Using Dry Etching Techniques （ドライエ
ッチング技術を用いた稠密パック形尖鋭シリコン電界エ
ミッタの製造）」（1989年７月開催の真空超小型電子技
術に関する第２回国際会議において頒布）である。他の
論文としてMarcus氏の論文「Formation of Silicon Tip
s with＜1 nm Radius （１nm以下の半径をもつシリコン
チップの形成) 」（" Applied Physics Letter" 、Vol.
５６、第３号、1990年１月１５日、第２３６〜２３８
頁）がある。

【０００４】特に、走査タネリング顕微鏡（scanning t
unnering microscopes、ＳＴＭｓ)のような走査プロー
ブ顕微鏡及び原子力顕微鏡（atomic force microscope
s、ＡＦＭｓ) には、尖鋭チップが必要である。一般的
な走査プローブ顕微鏡の端部は、画像化（イメージン
グ）すべき表面に接触されるか、該表面に近接して配置
される。チップは単に鋭くなくてはならないだけでな
く、走査が容易に行える表面輪郭をもつことが最も望ま
れる。尖鋭度（sharpness)に関する限り、ＳＴＭ（走査
タネリング顕微鏡）又はＡＦＭ（原子力顕微鏡）に組み
込まれるチップのチップ端半径は、５００オングストロ
ーム以下であることが望まれている。すなわち、走査プ
ローブ顕微鏡のチップは単一原子に終端していることが
望まれている。チップの表面輪郭に関しては、高解像度
を得るには、チップの残部がチップの端部の適当な位置
決めを妨げないことが重要である。

【０００５】既成のシリコン（ケイ素）鋳型内で鋳造す
ることによりチップを作る方法として、種々の形式の超
精密製造法（microfabrication processes）がある。そ
の１つの方法が、「Microcasting of Microminiature T
ips （超小型チップの超精密鋳造）」という名称の米国
特許第4,916,002 号に開示されている。この方法は、シ
リコンの異方性エッチングによりシリコンウェーハ内に
角錐状ピット（凹部）を形成することからスタートす
る。次に、ピットに窒化ケイ素又は金属等のチップ材料
を充填する。その後、ウェーハを第２基板に接合し、チ
ップが露出されるまで、鋳型を構成している元の基板を
選択的にエッチングする。この形式の方法では、結果と
して得られるチップの最終的な表面輪郭及び尖鋭度は、
鋳型の表面輪郭及び尖鋭度により最初に決定される。こ
の方法の１つの欠点は、鋳型の輪郭及び尖鋭度に信頼性
がないことであり、他の欠点は、製造環境における自然
の工程振動によりピットに何らかの形状誤差が生じる
と、尖点ではなくブレードに終端するチップが形成さ
れ、このため、チップにより得られる解像度に悪影響を
及ぼす。

【０００６】超小型チップは、カンチレバー（片持ち
梁）を形成する部材の端部にも取り付けられる。このよ
うなカンチレバーを作る１つの方法が、「Microminiatu
re Cantilever Stylus（超小型カンチレバースタイラ
ス）」という名称の米国特許第4,943,719 号に開示され
ている。この方法は、（１００）ケイ素に矩形のシリコ
ンポストを形成する工程と、該シリコンポストの頂部を
エッチングして、シリコンポストの残部のコーナにシリ
コンチップを残す工程とを有している。その後、一体チ
ップを備えた二酸化ケイ素のカンチレバーを、シリコン
ウェーハ及び尖鋭シリコンチップ上に熱的に成長させ
る。この方法の１つの欠点は、得られるチップに設けら
れる幅狭の輪郭を、凹状の表面輪郭の形態にできないこ
とである。

【０００７】本件出願人は、既成のシリコンチップを尖
鋭化する方法に関する係属中の別の米国特許出願を有し
ている。この特許出願は1989年１０月１０日に出願さ
れ、第07/418,663号の出願番号が付与されている。この
特許出願は、シリコンで作られたチップを尖鋭化する方
法のみを教示するものであって、他の材料で作られたチ
ップの尖鋭化方法ではない。また、この特許出願は、最
初から所望の尖鋭端部及び表面輪郭が設けられたチップ
を如何にすれば形成できるかを教示及び示唆するもので
はなく、既成のシリコンチップを如何にして改善するか
を教示しているに過ぎない。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従って本発明の目的
は、シリコン鋳型内での鋳造に適したチップ用の任意の
材料を用いて、尖鋭端部及び所望の表面輪郭を備えた超
小型チップを製造する方法を提供することにある。本発
明の他の目的は、カンチレバーを備えた超小型カンチレ
バー組立体を鋳造することにある。

【０００９】本発明の他の目的は、チップ本体が幅狭の
輪郭を有しており且つ特別鋭い端部が設けられた鋳造超
小型チップを備えた優れた走査プローブ顕微鏡を作るこ
とにある。本発明の他の目的及び特徴は、添付図面に示
す好ましい実施例についての以下の詳細な説明により明
らかになるであろう。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の方法は単結晶シリコン基板にキャビティを
形成する工程を有しており、該キャビティは、超小型チ
ップに望まれる形状とほぼ等しい雌型の形状を有してい
る。次に、異なる厚さ（変化する厚さ）をもつ酸化物層
の形成に適した温度で、酸素又は蒸気等の酸化種にシリ
コンを曝すことにより、キャビティ内で二酸化ケイ素の
層を形成する。前記異なる厚さは、尖鋭端部に通じるキ
ャビティ上に凸状表面輪郭をもつ鋳型キャビティを形成
するように選択される。次に、鋳型キャビティ内に適当
な材料からなるチップを堆積させて、二酸化ケイ素の層
により形成される形状をもつチップを鋳造する。

【００１１】本発明の他の特徴によれば、カンチレバー
の端部にチップが一体取付けされている超小型チップ組
立体の製造方法が提供される。カンチレバーを形成する
材料の層は、最初に単結晶シリコン基板の表面上にコー
ティングされる。次に、この材料の層に開口を形成して
シリコン基板の表面を選択領域を露出させる。次に、チ
ップに望まれる形状とほぼ等しい雌型の形状をもつキャ
ビティを、シリコン基板の選択領域に形成する。次に、
キャビティ内に、チップに尖鋭端部を形成するための二
酸化ケイ素の層を形成する。この二酸化ケイ素の層は、
異なる厚さをもつ酸化物の層を形成（これにより所望の
シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティを形成）する
のに適した温度でシリコンを酸化種に曝すことにより形
成される。その後、鋳型キャビティ内にチップ材料を堆
積させて、前記二酸化ケイ素の層により形成された尖鋭
端部の形状をもつチップを鋳造し、且つ前記材料の層と
チップとの間にパターン状カップリングを形成してチッ
プを備えたカンチレバーを形成する。次に、チップを包
囲している二酸化ケイ素及びシリコン基板を除去し、尖
鋭超小型チップを備えた自立形カンチレバーを残す。

【００１２】また、本発明によれば、走査プローブ顕微
鏡の他の構成部品と組み合わせて、幅狭輪郭をもつ超小
型チップを使用した優れた走査プローブ顕微鏡が提供さ
れる。本発明に従って製造される超小型チップは、走査
プローブ顕微鏡の解像度を向上させる。また、好ましい
凹状表面輪郭により、表面の孔の壁と干渉することのな
い、底部へのチップの優れたアクセス性が得られる。

【００１３】

【実施例】本発明の一部を構成する添付図面は、本発明
の実施例を示すものであり且つ実施例の説明と共に本発
明の原理を示すものである。シリコンの酸化は、酸素、
蒸気又は他の水蒸気等の酸化種の酸素分子がシリコン表
面上のシリコン分子に接触するときに生じる。二酸化ケ
イ素（SiO₂）の初期層が形成された後、付加的な酸化分
子が既存の二酸化ケイ素の層を通って拡散する場合にの
み、更に酸化が生じる。付加的な酸化分子は、二酸化ケ
イ素の層とシリコン自体との境界に拡散して、酸素がシ
リコンと化合する反応の一部を形成しなければならな
い。シリコン表面上に数百オングストロームの初期二酸
化ケイ素が形成された後は、あらゆる付加的な二酸化ケ
イ素の成長速度は、主として、新たな酸化分子が既存の
二酸化ケイ素の層を通って拡散し、シリコンと二酸化ケ
イ素との界面に到達する速度により決定される。酸化反
応が進行すると、二酸化ケイ素の層が非常に厚くなるた
め、温度が上昇してもまた時間が長くなっても、実際に
新たな二酸化ケイ素が形成されることはない。

【００１４】８５０〜1,000 ℃の低温でシリコン上に形
成された二酸化ケイ素は、平らな表面上よりもコーナの
表面上に高い圧縮応力（酸化物の場合）を有することが
知られている。また、酸化物内の圧縮応力が高くなる
と、シリコン内への酸化種の拡散率を抑制する効果が生
じ、このため酸化速度が低下し、従って平らな表面上に
比べてコーナの表面上の酸化物の厚さが減少すると考え
られる。例えば、R.B. Marcus 氏及びT.T. Sheng氏の論
文「The Oxidation of Sharp Silicon Surfaces（尖鋭
シリコン表面の酸化）」（"Journal of the Electro-Ch
emical Society"、1982年６月、第1,278 〜1,282 頁）
を参照されたい。

【００１５】図１には、複数のチップを同時に製造する
ための二酸化ケイ素鋳型キャビティの配列が示されてい
る。この配列は、キャビティを備えたシリコン基板１３
を有しており、各キャビティは、超小型チップに望まれ
る形状とほぼ等しい雌型の形状を有する。二酸化ケイ素
の層１２は、キャビティ壁１１上及びシリコン基板１３
の頂面上で成長される。二酸化ケイ素の層１２は、尖鋭
端部１０に終端する凸状表面輪郭を形成する異なる厚さ
を有している。従って、これらの各鋳型から作られる超
小型チップは、凹状表面輪郭及び鋳型に対応する尖鋭端
部を有する。シリコンと二酸化ケイ素とからなる鋳型キ
ャビティ（「シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビテ
ィ」と呼ぶ）の配列は、同時に複数のチップ及び／又は
カンチレバーチップ組立体を製造するためチップの生産
性を極めて増大でき、大量生産に適している。

【００１６】図２〜図４は、単結晶シリコン鋳型内でチ
ップを鋳造する従来の方法を用いた超小型チップの形成
工程を示すものである。この方法は、シリコンの異方性
エッチングにより、（１００）シリコン基板内に角錐状
ピットを形成することからスタートする。図２は、ピッ
ト１６が形成されたシリコン基板１４を示している。ピ
ット１６は、端部１９に収斂している比較的平らな表面
１７、１８を有している。次に、図３に示すように、ピ
ット１６にチップ材料２１が充填される。次に、シリコ
ン基板１４が第２基板２２に接合される。図４は、元の
シリコン基板１４を選択的にエッチング除去した後、基
部２３が第２基板２２に接合されて、チップ２４が露出
された状態を示すものである。また図４は、側面の輪郭
２６、２７が平らであり、シリコン基板１４の表面１
７、１８の輪郭と一致していることを示している。

【００１７】図５には、従来のシリコン鋳型により鋳造
された角錐状チップ２８が示されている。チップ２８は
四角形の基部２９と、比較的平らな側面３１、３２とを
有しており、これらの側面３１、３２は他の側面と共に
尖点３３に終端している。一点に終端しているチップを
得ることが望まれる。図６は、粗末に形成されたシリコ
ン鋳型内で鋳造されたチップ３４を示している。このよ
うな鋳型は、製造工程時の振動により製造環境において
よく生じ、比較的平らな側面３７、３８をもつチップ３
４が形成される。これらの側面３７、３８は、他の側面
と共にブレード３９として終端している。このようなチ
ップ３４は、点接触を要する適用例においては好ましく
ないものである。

【００１８】図７〜図１０は、本発明による超小型チッ
プの形成工程を示すものである。このチップは鋳造され
たものであるが、従来技術による鋳造チップに比べて尖
鋭化された自由端部が設けられている。また、このチッ
プは、好ましい凹状表面輪郭を有している。図７は、
（１００）単結晶シリコン基板４２上に形成されるチッ
プに望まれる形状とほぼ等しい雌型の形状をもつキャビ
ティ４１を示している。このキャビティ４１は従来の方
法で形成され、キャビティ４１を形成する１つの方法
は、シリコンの異方性エッチングを使用することであ
る。キャビティ４１は、従来のキャビティと同様に、キ
ャビティ底４６に向かって収斂している比較的平らなキ
ャビティ壁４３、４４を有している。本発明によれば、
次に、キャビティ４１の表面上に、５００〜10,000オン
グストロームの厚さをもつ二酸化ケイ素の層４７が成長
される。この層４７は、チップの鋳造に適した所望の形
状をもつ鋳型キャビティを形成するように、厚さを変化
させて形成される。これが図８に示されている。

【００１９】二酸化ケイ素の層４７は、シリコン（シリ
コン基板）４２を、８５０〜1,000℃の範囲内の温度で
酸素又は蒸気等の酸化種に露出することにより形成され
る。上記のような低温ではシリコンが異常酸化し、この
ため、両側面４３、４４に形成される二酸化ケイ素の層
の厚さは、キャビティの底部４６及び該底部４６に近接
した部分に形成される二酸化ケイ素の層より遙かに厚く
なる。この厚さの差により、シリコン／二酸化ケイ素の
鋳型キャビティ５０の表面４９、５１の輪郭は、元のシ
リコンキャビティの表面（例えば、表面４３、４４）の
輪郭に比べて遙かに凸状になる。両表面４９、５１は収
斂して尖鋭端部５２を形成する。図９は、二酸化ケイ素
又は金属等のチップ材料５３が鋳型キャビティ５０内に
堆積されて、尖鋭端部５２の形状を備えたチップ５４が
鋳造されたところを示している。次に、チップ５４の基
部５５に基板５６の第２片５６（ガラス、金属又はシリ
コンを用いることができる）を接合してチップ５４の支
持体を形成する。図１０は、チップ材料５３が硬化した
後に、シリコン基板４２及び二酸化ケイ素の層４７を選
択的にエッチング除去して得られた尖鋭シリコンチップ
を示すものである。図示のように、チップ５４は、収斂
して尖鋭端部５９を形成している凹状の輪郭表面（凹状
表面輪郭）５７、５８を有している。

【００２０】図１１は、本発明を用いて形成した角錐状
チップ６１を示している。該チップ６１は、基板５６上
の正方形の基部６２と、凹状輪郭の側面６３、６４とを
有しており、これらの側面６３、６４は他の側面と共に
尖鋭点６６に終端している。チップ６１の表面輪郭は、
図７及び図８に示すように、チップ材料５３を堆積させ
る前に形成された、シリコンピット（キャビティ）４１
上の二酸化ケイ素の層４７の表面４９、６１と等価の雌
型輪郭である。チップ６１は、尖点に終端するものが望
まれる。図１２は角錐状チップ６１の平面図である。

【００２１】図１３は、本発明を用いて形成されたチッ
プ６７を示している。このチップ６７は、シリコン基板
４２上の長方形の基部６８と、凹状輪郭の側面６９、７
１とを有しており、該側面６９、７１は、他の側面と共
に幾分凹状の選択的にすなわちブレード７２に終端して
いる。ブレード状に終端したチップは、より大きな線接
触が得られ、従って接触インピーダンスを低減できる。
このようなチップは、低接触インピーダンスが要求され
る電気機器並びにこのような構造にすることにより放出
電流のノイズが低減される真空超小型電子機器において
望ましい。

【００２２】図１５〜図１９は、鋳型内でチップを鋳造
し、次にチップに取り付ける部材を形成してカンチレバ
ーを形成する超小型チップ組立体の形成方法を示すもの
である。図１５は、二酸化ケイ素又は金属等の材料から
なるマスキング層７３でコーティングされた単結晶シリ
コン基板４２の所定表面を示している。次に、マスキン
グ層７３に開口を形成して、シリコン基板４２の表面の
選択領域を露出させる。次に、露出領域内のシリコン基
板４２上にキャビティ４１を形成する。該キャビティ４
１は比較的平らなキャビティ壁４３、４４を有してお
り、該壁４３、４４は底部４６に向かって収斂してい
る。本発明によれば、次に、図１６に示すような尖鋭端
部をチップに形成できる形状をもつ部分において、５０
０〜10,000オングストロームの厚さをもつ二酸化ケイ素
の層７４をキャビティ４１上で成長させる。二酸化ケイ
素の層７４は、８５０〜1,000 ℃の範囲の温度で、酸素
又は蒸気等の酸化種にシリコン基板４２を曝すことによ
り形成される。低温でのシリコンの異常酸化により、二
酸化ケイ素の層に厚さの差が生じ、表面（壁）４３、４
４上に形成される二酸化ケイ素の層の厚さは、キャビテ
ィの底部４６上に形成される層の厚さより非常に厚い。
二酸化ケイ素の層のこの厚さの差により、元のシリコン
キャビティの表面（例えば表面４３、４４）の輪郭に比
べて遙かに凸状の輪郭表面７７、７８をもつシリコン／
二酸化ケイ素の鋳型キャビティ７６が二酸化ケイ素の層
に形成される。表面７７、７８は、他の表面と共に収斂
して尖鋭端部７９を形成している。次に、マスク層（マ
スキング層）７３を除去する。次に、図１７に示すよう
に、鋳型キャビティ７６内にチップ材料８０を堆積さ
せ、尖鋭端部７９の形状をもつチップ８１を鋳造する。
チップ材料８０は、カンチレバー８２を形成するように
も堆積される。別の方法として、カンチレバー用のワン
パターン層を堆積し、他の異なる材料をチップ用に堆積
させることもできる。しかしながら、ワンピース構造の
方が強度が大きいと思われる。

【００２３】図１８は、二酸化ケイ素の層７４及びシリ
コン基板４２の選択部分を除去した後に露出される鋭い
チップ端８５を備えた自立形カンチレバー８２を示して
いる。チップ８１は凹状輪郭表面８３、８４を有してお
り、該表面８３、８４は収斂して尖鋭端部８５を形成し
ている。図１９は、二酸化ケイ素の層７４及びシリコン
基板４２に支持体８６をも取り付ける間に、支持体８６
（ガラス、金属又はシリコンで形成できる）をカンチレ
バーに接合することにより自立形カンチレバーを製造す
る別の方法を示すものである。次に、シリコン基板４２
及び二酸化ケイ素の層７４を除去して、一端に支持体８
６が、他端に尖鋭端部８１が設けられた自立形カンチレ
バーが形成する。

【００２４】図２０は、走査プローブ顕微鏡の一形態で
ある原子力顕微鏡（ＡＦＭ）の概念図である。慣用的な
プラクティスによれば、ＡＦＭにより得られる走査はラ
スター走査と同様なものである。Ｘ方向及びＹ方向の走
査は、Ｘ、Ｙ、Ｚ走査段１０４により行われる。試料１
０３は、不動構造体１０８と試料の両端部との間に配置
される１対の管状圧電スキャナ１０６、１０７により支
持される。

【００２５】走査はプログラムされたマイクロコントロ
ーラすなわちコンピュータ１１１により制御される。コ
ンピュータ１１１はまた、測定データを分析し且つ測定
情報をディスプレイ１１２上に表示する。試料の表面
は、或るＡＦＭにおいてはＸ、Ｙ、Ｚ変換器を用いて走
査し、試料を静止状態に維持する間にカンチレバーを移
動させる。また、他のＡＦＭにおいては、Ｘ、Ｙ、Ｚ変
換器段が試料を移動させる間にカンチレバーを静止状態
に維持しておく。

【００２６】本発明によれば、超小型カンチレバーアー
ム１０１の自由端には、試料１０３の表面をプローブ
（探触）するのに使用される突出チップ１０２が設けら
れている。チップ１０２の基部からは本体部分が延びて
おり、該本体部分はその長さ方向に沿って尖点に終端し
ている凹状輪郭をもつ尖鋭端部を形成している。チップ
１０２の凹状輪郭はチップ表面に幅狭輪郭を与え、チッ
プ表面を、走査すべき試料１０３の表面上の孔その他の
凹凸部の壁に接触することなくアクセスするのに適した
ものにし、従って走査の解像度を向上させる。

【００２７】本発明のＡＦＭは、作動の「接触モード」
及び「非接触モード」を有する点で従来と同じである。
作動の接触モードにおいては、チップ１０２は、１０^-5
〜１０^-10Ｎのオーダの極めて小さなトラッキング力で
試料１０３の表面上に載せられる。これにより、非常に
高解像度の表面微細構造（surface topography) が得ら
れる。チップ表面が凹状であることは、このような高解
像度を得る助けをなす。試料の表面における個々の原子
の位置を示す画像を定常的に得ることができる。第２の
作動モードすなわち非接触モードにおいては、チップ１
０２は、試料１０３の表面から短距離（５〜５００オン
グストロームのオーダ）に保持され、試料１０３とチッ
プ１０２との間の種々の力（静電気力、磁気力及びファ
ンデルワールス力等の力）により撓まされる。チップ端
の表面形状は、原子間相互作用を局部化する助けをな
す。いずれの作動モードにおいても、試料の表面微細構
造又は他の特性の測定は、カンチレバー１０１の撓みを
測定することにより得られる。カンチレバー１０１の撓
みは、撓み測定回路１１４に接続される撓みセンサ１１
３（一般的には正確に整合された光学部品を使用する）
を用いて測定されるが、他の技術を用いることもでき
る。

【００２８】原子力顕微鏡（ＡＦＭ）は、原子の分離度
（atomic resolution)を用いて、導電表面及び絶縁表面
の画像化が可能である。一般的なＡＦＭは、0.1 オング
ストロームの変位測定感度を有している。本発明を適用
できる他の形式の走査プローブ顕微鏡として、走査タネ
リング顕微鏡及び近距離場音響顕微鏡がある。図２１
は、従来のシリコン鋳型を用いて鋳造された超小型チッ
プ１２１を用いて、構造体１２４に形成された孔１２５
の底面に到達することを試みている状態を示すものであ
る。チップ端１２２の側面の輪郭が平らであるため、側
面が孔１２５の壁に接触してしまい、従って孔１２５の
壁の近くの底面１２６の部分を走査することはできな
い。

【００２９】図２２は、本発明を用いて鋳造された尖鋭
超小型チップ１２７が、従来のシリコン鋳型で形成され
たチップ１２１では不可能であった孔と同じ孔１２５の
底面１２６上の領域に到達している状態を示している。
本発明に従って形成された超小型チップは、凹状の表面
輪郭のためにかなり幅狭の輪郭を有しており、このた
め、その尖鋭チップ端１２８は、孔１２５の壁に近接し
た底面１２６でも、壁に接触することなく走査すること
ができる。

【００３０】本発明の特定の実施例についての上記説明
は、図示及び説明のためになされたものであって、本発
明を説明に係る正確な形態に限定するものではない。従
って上記開示に基づいて種々の変更が可能である。説明
した実施例は本発明の原理及び実際の適用を最も良く説
明するために選択及び記載されたものであり、従って当
業者ならば、実際に意図する特定の用途に適するように
本発明を最良に使用し且つ種々の変更を施すことが可能
である。本発明の範囲は特許請求の範囲の記載及びその
均等物により限定される。

【図面の簡単な説明】

【図１】二酸化ケイ素の層を備えたシリコン鋳型のキャ
ビティの配列の一部を示す斜視図である。

【図２】従来のシリコン鋳型を用いて超小型チップを製
造する方法の一工程を示す断面図である。

【図３】従来のシリコン鋳型を用いて超小型チップを製
造する方法の一工程を示す断面図である。

【図４】従来のシリコン鋳型を用いて超小型チップを製
造する方法の一工程を示す断面図である。

【図５】尖点に終端している角錐状チップを示す斜視図
である。

【図６】ブレード状に終端している角錐状チップを示す
斜視図である。

【図７】本発明によるシリコン／二酸化ケイ素の鋳型キ
ャビティから超小型チップを製造する方法の一工程を示
す断面図である。

【図８】本発明によるシリコン／二酸化ケイ素の鋳型キ
ャビティから超小型チップを製造する方法の一工程を示
す断面図である。

【図９】本発明によるシリコン／二酸化ケイ素の鋳型キ
ャビティから超小型チップを製造する方法の一工程を示
す断面図である。

【図１０】本発明によるシリコン／二酸化ケイ素の鋳型
キャビティから超小型チップを製造する方法の一工程を
示す断面図である。

【図１１】本発明により製造された尖点に終端する角錐
状チップを示す斜視図である。

【図１２】本発明により製造された尖点に終端する角錐
状チップを示す平面図である。

【図１３】本発明により製造されたブレードに終端する
角錐状チップを示す斜視図である。

【図１４】本発明により製造されたブレードに終端する
角錐状チップを示す平面図である。

【図１５】カンチレバーを備えたチップ組立体を製造す
るときの一加工工程を示す断面図である。

【図１６】カンチレバーを備えたチップ組立体を製造す
るときの一加工工程を示す断面図である。

【図１７】カンチレバーを備えたチップ組立体を製造す
るときの一加工工程を示す断面図である。

【図１８】カンチレバーを備えたチップ組立体を製造す
るときの一加工工程を示す断面図である。

【図１９】カンチレバーを備えたチップ組立体を製造す
るときの一加工工程を示す断面図である。

【図２０】原子力顕微鏡の概略構成を示すブロック図で
ある。

【図２１】従来の超小型チップを用いて孔の表面輪郭を
走査する状態を示す断面図である。

【図２２】本発明の超小型チップを用いて孔の表面輪郭
を走査する状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１０尖鋭端部１１キャビティ壁１２二酸化ケイ素の層１３シリコン基板１４シリコン基板１６ピット１７比較的平らな表面１８比較的平らな表面１９端部２１チップ材料２２第２基板２３基部２４チップ２６側面の輪郭２７側面の輪郭２８角錐状チップ２９基部３１比較的平らな側面３２比較的平らな側面３３尖点３４チップ３７比較的平らな側面３８比較的平らな側面３９ブレード４１キャビティ４２単結晶シリコン基板４３比較的平らなキャビティ壁４４比較的平らなキャビティ壁４６キャビティ底４７二酸化ケイ素の層４９シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティの表面５０シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティ５１シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティの表面５２シリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティの尖鋭
端部５３チップ材料５４チップ５５チップの基部５６基板の第２片５７凹状の輪郭表面５８凹状の輪郭表面５９尖鋭端部６１角錐状チップ６２正方形の基部６３凹状輪郭の側面６４凹状輪郭の側面６６尖鋭点（尖点）６７チップ６８長方形の基部６９凹状輪郭の表面７１凹状輪郭の表面７２ブレード（幾分凹状の線）７３マスク層（マスキング層）７４二酸化ケイ素の層７７凸状の輪郭表面７８凸状の輪郭表面７９尖鋭端部８０チップ材料８１チップ８２カンチレバー８３凹状輪郭表面８４凹状輪郭表面８５尖鋭端部８６支持体１０１超小型カンチレバーアーム１０２突出チップ１０３試料１０４Ｘ、Ｙ、Ｚ走査段１０６管状圧電スキャナ１０７管状圧電スキャナ１０８不動構造体１１１マイクロコントローラ（コンピュータ）１１２ディスプレイ１１３撓みセンサ１１４撓み測定回路１２１従来のシリコン鋳型を用いて鋳造された超小型
チップ１２２チップ端１２４構造体１２５孔１２６孔の底面１２７本発明により形成された超小型チップ１２８チップ端

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【手続補正書】

【提出日】平成５年６月３０日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】鋳型内での鋳造により超小型チップを製
造する方法において、前記超小型チップに望まれる形状とほぼ等しい雌型の形
状をもつキャビティを、単結晶シリコン基板に形成する
工程と、前記キャビティの一部において、前記超小型チップに尖
鋭端部を形成するための形状をもつ二酸化ケイ素の層を
形成して鋳型キャビティを形成する工程と、前記キャビティ内にチップ材料を堆積させて、前記二酸
化ケイ素の層により形成される前記尖鋭端部の形状を前
記超小型チップに鋳造する工程とを有していることを特
徴とする超小型チップの製造方法。
【請求項２】前記超小型チップの鋳造後に、該チップ
に支持体を接合する工程を更に有していることを特徴と
する請求項１に記載の方法。
【請求項３】前記チップ材料が硬化した後に、該チッ
プ材料から前記シリコン及び二酸化ケイ素の層を除去し
て尖鋭超小型チップを露出する工程を更に有しているこ
とを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】前記二酸化ケイ素の層を形成する工程
が、８５０〜1,000 ℃の範囲内の温度でシリコンを酸化
種に曝す工程を有していることを特徴とする請求項１に
記載の方法。
【請求項５】前記酸化種が、酸素及び水蒸気からなる
群から選択されることを特徴とする請求項４に記載の方
法。
【請求項６】前記二酸化ケイ素の層を形成する工程
が、前記層に５００〜10,000オングストロームの範囲の
厚さを付与し、前記超小型チップに尖鋭端部を形成する
ための凸状輪郭をもつ鋳型キャビティを形成することを
特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項７】前記鋳型キャビティの全てのキャビティ
壁が、前記鋳型キャビティの底部に向かって収斂してい
ることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】前記鋳型キャビティを形成する工程が、
前記単結晶シリコン基板を異方性エッチングする工程を
有していることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】前記チップ材料が、窒化ケイ素、ポリシ
リコン、アルミニウム、金、タングステン及びイリジウ
ムからなる群から選択されることを特徴とする請求項１
に記載の方法。
【請求項１０】鋳型内で超小型チップを鋳造すること
により該チップを製造する前記方法が、二酸化ケイ素の
鋳型キャビティの配列をもつ単結晶シリコンからなる単
一ウェーハ上に間隔を隔てて複数の超小型チップを製造
する工程を有していることを特徴とする請求項１に記載
の方法。
【請求項１１】請求項１に記載の方法により製造され
たことを特徴とする超小型チップ。
【請求項１２】自由端が設けられた超小型チップに終
端しているカンチレバーを備えた超小型チップ組立体の
製造方法において、単結晶シリコン基板の所定表面にマスキング材料の層を
コーティングする工程と、前記マスキング材料に開口を形成して前記単結晶シリコ
ン基板の前記表面の選択領域を露出させる工程と、前記超小型チップに望まれる形状とほぼ等しい雌型の形
状をもつキャビティを、前記ウェーハの前記選択領域に
形成する工程と、前記キャビティの一部において、前記超小型チップに尖
鋭端部を形成するための形状をもつ二酸化ケイ素の層を
形成してシリコン／二酸化ケイ素の鋳型キャビティを形
成する工程と、前記基板上にカンチレバー材料の層を堆積させ且つ前記
鋳型キャビティ内にチップ材料を堆積させて、前記二酸
化ケイ素の層により形成された前記尖鋭端部の形状をも
つチップを鋳造し且つ前記カンチレバー材料の層と前記
チップとの間にパターン状カップリングを形成し、前記
チップを備えたカンチレバーを形成する工程とを有して
いることを特徴とする超小型チップ組立体の製造方法。
【請求項１３】前記チップ材料及び前記カンチレバー
材料が同じであることを特徴とする請求項１２に記載の
方法。
【請求項１４】シリコン及び二酸化ケイ素を除去して
尖鋭超小型チップを備えた自立形カンチレバーを形成す
る工程を更に有していることを特徴とする請求項１２に
記載の方法。
【請求項１５】前記カンチレバーを支持体に接合する
工程を更に有していることを特徴とする請求項１２に記
載の方法。
【請求項１６】前記キャビティの全てのキャビティ壁
が前記キャビティの底部に向かって収斂していることを
特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】８５０〜1,000 ℃の範囲内の温度で、
シリコンを、酸素及び蒸気からなる群から選択された酸
化種に曝す工程と、前記二酸化ケイ素の層を５００〜10,000オングストロー
ムの範囲の厚さに形成して、前記チップに尖鋭端部を形
成する凸状輪郭をもつシリコン／二酸化ケイ素の鋳型キ
ャビティを形成する工程とを更に有していることを特徴
とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】前記チップ材料が、窒化ケイ素、ポリ
シリコン、アルミニウム、金、タングステン及びイリジ
ウムからなる群から選択されることを特徴とする請求項
１２に記載の方法。
【請求項１９】前記鋳型内で超小型チップを鋳造する
ことにより該チップを製造する工程が、単結晶シリコン
からなる単一ウェーハ上に間隔を隔てて複数の超小型チ
ップ組立体を製造する工程を有していることを特徴とす
る請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】請求項１２に記載の方法により製造さ
れたことを特徴とする超小型チップ組立体。
【請求項２１】基部と、該基部から突出しており且つ自由端に収斂している本体
部分とを有しており、該本体部分が前記自由端に隣接す
る凹状表面輪郭を備えていることを特徴とする請求項１
２に記載の方法により製造された超小型チップ組立体。
【請求項２２】前記凹状表面輪郭が前記自由端で収斂
し、尖鋭チップ端を形成していることを特徴とする請求
項２１に記載の超小型チップ組立体。
【請求項２３】前記尖鋭チップ端が線であることを特
徴とする請求項２２に記載の超小型チップ組立体。
【請求項２４】前記尖鋭チップ端が尖点であることを
特徴とする請求項２２に記載の超小型チップ組立体。
【請求項２５】走査プローブ顕微鏡において、走査すべき試料を支持する手段と、前記走査を行うプローブとを有しており、該プローブが
基部を備えており、該基部から本体部分が延びていて該
本体部分の長さに沿う凹状輪郭をもつ尖鋭端部を形成し
ており、前記凹状輪郭が、孔の壁に接触することなく孔
内にアクセスするのに適したチップ表面の幅狭輪郭を形
成していることを特徴とする走査プローブ顕微鏡。
【請求項２６】前記尖鋭端部が線であることを特徴と
する請求項２５に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２７】前記尖鋭端部が尖点であることを特徴
とする請求項２５に記載の走査プローブ顕微鏡。
【請求項２８】鋳型内で鋳造することにより超小型チ
ップを製造する方法において、基板にキャビティを形成する工程を有しており、前記キ
ャビティが、前記超小型チップに望まれる形状とほぼ等
しい雌型の形状を有しており、前記キャビティの位置において、前記超小型チップに尖
鋭端部を形成するための形状をもつ材料層を前記キャビ
ティ内に形成して、超小型チップを製造するための鋳型
キャビティを形成する工程と、前記鋳型キャビティ内に
チップ材料を堆積させて、前記材料の層により形成され
た尖鋭端部の形状をもつ超小型チップを鋳造する工程と
を更に有していることを特徴とする超小型チップの製造
方法。
【請求項２９】チップ材料と同じカンチレバー材料の
層を堆積させ、該カンチレバー材料の層をパターニング
して、一体材料からなるカンチレバー及びチップを形成
することを特徴とする請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】前記基板の少なくとも一部を除去し
て、尖鋭超小型チップを備えた自立形カンチレバーを形
成する工程を更に有していることを特徴とする請求項２
９に記載の方法。
【請求項３１】請求項２９に記載の方法により製造さ
れたことを特徴とする超小型チップ。