JPH0727559A - 薄膜型変位センサーを設けたカンチレバー - Google Patents

薄膜型変位センサーを設けたカンチレバー

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JPH0727559A
JPH0727559A JP5175368A JP17536893A JPH0727559A JP H0727559 A JPH0727559 A JP H0727559A JP 5175368 A JP5175368 A JP 5175368A JP 17536893 A JP17536893 A JP 17536893A JP H0727559 A JPH0727559 A JP H0727559A
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JP
Japan
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cantilever
silicon nitride
thin film
displacement sensor
actuator
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Application number
JP5175368A
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English (en)
Inventor
Hisamitsu Fujio
尚光 藤生
Shunji Watanabe
俊二 渡辺
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Nikon Corp
Original Assignee
Nikon Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 小型化かつ操作性に優れた、原子間力顕微鏡
等に用いられるカンチレバーを提供する。 【構成】 カンチレバーの可撓性プレート上に、それぞ
れ下部電極、圧電・電歪特性を持つ中間層、上部電極か
らなる薄膜型変位センサー及び薄膜型アクチュエータを
設ける。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、カンチレバーに関する
ものであり、特に原子間力顕微鏡等に用いられるカンチ
レバーに関するものである。
【0002】
【従来の技術】走査型顕微鏡のひとつである原子間力顕
微鏡(Atomic Force Microscope:AFM)は、物質
間に働く力により表面の2次的な観察像を形成するもの
である。AFMは、電気伝導性のない材料表面や有機分
子をナノメートルスケールで観察できることから、広範
な応用が期待されている(山田、応用物理 第59巻第2
号 P191〜192 )。
【0003】図3に、従来のAFMの原理の概念図を示
す。AFMは、先端曲率半径の小さな針状チップと可撓
性プレートとからなるカンチレバーと、可撓性プレート
のたわみ(曲がり)を測定する変位検出系から構成され
る。カンチレバーの先端の針状チップをサンプルに近づ
ける(10nm程度)と、サンプル原子と針状チップとの
間には静電気、磁気及びファンデルワールス力などが働
いて可撓性プレートがたわむ。このたわみの変位量を変
位検出系により検出することによって測定が行われる。
【0004】そして、サンプルを走査することによりサ
ンプル表面の力の2次元的情報が得られる。また、可撓
性プレートのたわみを一定にするように試料の位置を制
御しながらサンプルを走査することにより、表面の微視
的形状を知ることができる。例えば、特開平3−218998
には、シリコン基板およびこれと一体化した尖鋭なシリ
コンチップとからなるカンチレバー、あるいは窒化珪素
基板と尖鋭なシリコンチップとからなるカンチレバーが
記載されている。
【0005】また、特開平1−262403には、上記のカン
チレバーの他、シリコンからなるプレートが回転する構
造のカンチレバーが記載されている。これらのカンチレ
バーのサンプル原子から受ける力によって生ずる変位を
検出する変位検出系には、トンネル検出方式、光波干渉
方式、光てこ方式が用いられていた。
【0006】いずれの方法においても、カンチレバーと
変位検出系との相対変位によって針状チップの動きを測
定するため、カンチレバーに対して変位検出系が固定さ
れないと変位の読み取り誤差が大きくなる。そのため、
従来、カンチレバー、変位検出系を固定し、試料を走査
していた。しかしながら、この方式では、試料が大きく
なると機械的特性が劣化するため試料を薄く小さく加工
する必要があった。それゆえ、大型試料を観察するとき
にはカンチレバーを走査したいが、従来のAFMでは、
上述のようにカンチレバーと重い変位検出系を一体にし
て走査する必要があり、特性を劣化させてしまうことか
ら逃れられなかった。
【0007】また、AFMは、〜 100μmの視野しか持
たず、かつその範囲においては1フレーム数分かかり、
光学顕微鏡や電子顕微鏡のようにスムーズなファインダ
ー機能を持っていない。そして、大きな変位検出系のた
めに、上部からN.Aの大きい光学顕微鏡でカンチレバ
ー、サンプルの位置合わせができないこともAFMの操
作性を悪くしていた。
【0008】そこで、変位検出系とカンチレバーを一体
化する試みがなされている。その有効な方法の一つに、
圧電、電歪効果を利用した変位検出系として鉛系強誘電
薄膜型変位センサーを用い、この薄膜型変位センサーを
カンチレバー上に設けて一体化したカンチレバーが研究
されている(特願平4−180786)。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
たような圧電薄膜型センサーをカンチレバー上に設けた
AFMにおいて実効的な信号を得るためには、カンチレ
バー全体を振動させ交流信号を得る必要がある。このた
めには、一般的に、カンチレバーが固定されている基板
に圧電セラミックアクチュエータを取り付けて振動を励
起する。この場合、変位検出系をいくら小さくしても全
体として大きなものとなり、AFMの特性、操作性とい
う点で問題があった(図3)。
【0010】本発明はこのような従来技術の問題に鑑み
て、カンチレバーと変位検出系が一体化した、より特性
や操作性に優れたAFM用カンチレバーを提供すること
を目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、交流信号
を励起するためのアクチュエータとして、薄膜型変位セ
ンサーと同様に薄膜型の圧電・電歪要素を用いてカンチ
レバー上にアクチュエータを形成することを着想した。
これにより、実質的にカンチレバー自体の大きさでセン
サーとアクチュエータの機能を兼ね備えることが可能と
なった。
【0012】よって、本発明は、可撓性プレートとその
先端付近に固定された針状チップとからなり、前記可撓
性プレート上に、第1の下部電極、圧電または電歪特性
を持つ第1の中間層、及び第1の上部電極からなる薄膜
型変位センサーを取り付けたカンチレバーにおいて、前
記可撓性プレート上に第2の下部電極、圧電または電歪
特性を持つ第2の中間層、及び第2の上部電極からなる
薄膜型アクチュエータを設けることを特徴とするカンチ
レバーを提供するものである。
【0013】
【作用】本発明のカンチレバーは、カンチレバー自体に
アクチュエータ機能及びセンサー機能を持つことを特徴
とする。本発明のカンチレバーにおいては、可撓性プレ
ートの材料の如何によらず、変位センサー及びアクチュ
エータを可撓性プレート上に設けることができる。例え
ば、二酸化珪素、窒化珪素、珪酸塩ガラス、その他金属
等が可撓性プレート材料として用いられる。
【0014】また、変位センサー及びアクチュエータの
能力を最大限に生かすには、高い圧電定数あるいは電歪
定数を持った材料を中間層として使うことが望ましく、
チタン酸ジルコニウム酸塩ー酸化ランタン固溶体、ニオ
ブ酸マグネシウム酸鉛ーチタン酸鉛固溶体は、それぞれ
の代表的材料である。さらに、圧電材料であるチタン酸
バリウムも中間層の材料として優れている。
【0015】下部電極には、薄膜形成時の熱処理に耐え
ること、可撓性プレート材料と強固に結合することなど
が要求されるため、白金を主原料とすることが好まし
い。さらにこれら2つの条件に関して特性を向上させる
ため、チタンあるいはタンタルを白金とともに用いるの
が特に好ましい。図1−4に、本発明のカンチレバーの
構成の一態様を示し、本発明の作用を説明する。励振用
薄膜アクチュエータでカンチレバーを振動させながら、
カンチレバーをアクチュエータの励振周波数より遅い速
度で被測定物表面上をスキャンすれば、レバーの屈曲に
伴い薄膜型変位センサーにより電気的に処理し易い交流
シグナルを得ることが出来る。
【0016】図中2枚の圧電・電歪薄膜(第1及び第2
の中間層に相当)は、機能的には等価であるため、どち
らをアクチュエータあるいはセンサーとして選んでも同
等の結果が得られる。請求項2に記載のカンチレバー
は、上部電極を分割し、一層の中間層の一部を変位セン
サー用、一部をアクチュエータ用としており、基本的に
上述のカンチレバーと同様の作用で機能する。
【0017】また、共振周波数の変化からサンプル表面
の状態を観察する方式のAFM(特開昭63ー3098
02)の場合では、センサーとしての機能を使わなくと
もカンチレバーの振動数の固有の振動数からのシフトで
表面状態が分かる。この場合、2層ある圧電・電歪薄膜
のうち片方あるいは両方を励振用のアクチュエータとし
て使用することが出来る。
【0018】本発明においては、AFMや走査型トンネ
ル顕微鏡(Scanning TunnellingMicroscope :ST
M)に用いられるカンチレバー上に薄膜型変位センサー
/アクチュエータを設けたが、本発明の薄膜型変位セン
サー/アクチュエータは、マイクロマシン等の他の微小
システムにおいても、変位センサー、アクチュエータと
して使用することが可能である。
【0019】以下、実施例を用いて本発明を詳しく説明
する。
【0020】
【実施例1】図1に示すような構成で示す作製プロセス
により可撓性プレートとして窒化珪素、薄膜型変位セン
サー/アクチュエータの中間層としてチタン酸ジルコニ
ウム酸鉛を使って以下のようにカンチレバーを作製し
た。Si(100)上にCVD法により窒化珪素膜1を
0.5μmの厚さに成膜し、この膜の一部に反応性ドライエ
ッチングにより窓を開け、ここから水酸化カリウムを用
いた異方性エッチングによりピットを作りこの部分を酸
化して酸化珪素の針2とし、この窒化珪素膜上にフォト
リソグラフィーにより白金電極3を形成する(図1−
1)。この上に相境界組成のジルコニウム酸チタン酸鉛
(PZT)4をスパッタ法により0.5μmの厚さに成膜
し、PZT上にフォトリソグラフィーで白金電極5を形
成する(図1−2)。さらに、窒化珪素膜をCVD法で
0.5μm形成し、この上に白金電極6を形成する(図1−
3)。もう一度、0.5μmのPZT膜7を形成し、さらに
白金電極8を形成する。最後に、反応性ドライエッチン
グにより裏面の窒化珪素を除き、異方性エッチングによ
り最初に形成した窒化珪素まで除去し、チャッキングの
ためのガラスブロックを静電圧着して完成する(図1−
4)。白金電極はすべて約50nmの厚さとした。カンチレ
バーの形状は20x100μmの矩形とした。
【0021】下部PZT膜をアクチュエータとして使
い、100mV,20KHzの交流電圧を印加して駆動させたとこ
ろ、上部PZT膜を歪センサーとして使い1nmの段差を
約1mvの感度で検出できることが分かった。
【0022】
【実施例2】図2に、請求項2に記載のカンチレバーの
1例を示す。上部電極のうち、励振用電極9で圧電中間
層PZT11を振動させ、針状チップと被検出物との間
の相互作用で起こる振動状態の変化を検出用電極10で
検出する。作成プロセスは実施例と同様であり、検出感
度も実施例1と同様であった。
【0023】
【発明の効果】以上のように、本発明のカンチレバー
は、カンチレバー自体にアクチュエータ機能及びセンサ
ー機能を持っているので、全体として非常に小型で、操
作性に優れた原子間力顕微鏡用カンチレバーを提供する
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 請求項1の発明に係るカンチレバーの作製プ
ロセスの一例である。
【図2】 請求項2の発明に係るカンチレバーの一例の
上面図である。
【図3】 従来のAFMの原理の概念図である。
【符号の説明】
1‥‥可撓性プレート 2‥‥針状チップ 3‥‥第1の下部電極 4‥‥第1の中間層 5‥‥第1の上部電極 6‥‥第2の下部電極 7‥‥第2の中間層 8‥‥第2の上部電極 9‥‥上部電極(励振用電極) 10‥‥上部電極(検出用電極) 11‥‥中間層(PZT)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】可撓性プレートとその先端付近に固定され
    た針状チップとからなり、前記可撓性プレート上に、第
    1の下部電極、圧電または電歪特性を持つ第1の中間
    層、及び第1の上部電極からなる薄膜型変位センサーを
    取り付けたカンチレバーにおいて、前記可撓性プレート
    上に第2の下部電極、圧電または電歪特性を持つ第2の
    中間層、及び第2の上部電極からなる薄膜型アクチュエ
    ータを設けることを特徴とするカンチレバー。
  2. 【請求項2】可撓性プレートとその先端付近に固定され
    た針状チップとからなり、前記可撓性プレート上に、下
    部電極、圧電または電歪特性を持つ中間層、及び上部電
    極とからなる薄膜型変位センサーを取り付けたカンチレ
    バーにおいて、前記上部電極を分割し、一部を変位セン
    サー用、一部をアクチュエータ用上部電極とすることを
    特徴とするカンチレバー。
JP5175368A 1993-07-15 1993-07-15 薄膜型変位センサーを設けたカンチレバー Pending JPH0727559A (ja)

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US08/566,631 US5689063A (en) 1993-07-15 1995-12-04 Atomic force microscope using cantilever attached to optical microscope

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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0921816A (ja) * 1995-07-05 1997-01-21 Nikon Corp 原子間力顕微鏡
KR100439994B1 (ko) * 2001-09-28 2004-07-12 주식회사 대우일렉트로닉스 켄티레버의 듀얼 액츄에이터 구조 및 그 제조방법
KR100479687B1 (ko) * 2002-05-30 2005-03-30 한국과학기술연구원 캔틸레버 센서 및 그 제조 방법
JP2012139923A (ja) * 2010-12-29 2012-07-26 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及びその製造方法、液体噴射装置、並びに圧電素子
CN102642805A (zh) * 2012-04-09 2012-08-22 北京大学 一种制备碳化硅微纳米针尖的方法

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