JPH08297129A - 原子間力顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法 - Google Patents
原子間力顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法Info
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-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
- G01Q60/24—AFM [Atomic Force Microscopy] or apparatus therefor, e.g. AFM probes
- G01Q60/38—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y35/00—Methods or apparatus for measurement or analysis of nanostructures
-
- G—PHYSICS
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-
- G—PHYSICS
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- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
- G01Q70/02—Probe holders
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 自己の歪検出機能を損なうことなく、高い分
解能を有するカンチレバーを提供することである。 【構成】 少なくとも、可撓性プレートと、該可撓性プ
レートの一方の面に形成された自己の歪量を検出する手
段と、前記可撓性プレートの他方の面の一端に形成され
た前記可撓性プレートを支持する支持基体と、前記可撓
性プレートの他端付近に形成された探針とからなること
を特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
解能を有するカンチレバーを提供することである。 【構成】 少なくとも、可撓性プレートと、該可撓性プ
レートの一方の面に形成された自己の歪量を検出する手
段と、前記可撓性プレートの他方の面の一端に形成され
た前記可撓性プレートを支持する支持基体と、前記可撓
性プレートの他端付近に形成された探針とからなること
を特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、原子間力顕微鏡用カン
チレバーに関する。
チレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】表面形状測定装置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観察像を形成するもの
であり、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 図８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。
力顕微鏡（Ａtomic Ｆorce Ｍicroscope : ＡＦＭ）
は、物質間に働く力により表面の観察像を形成するもの
であり、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 図８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。
【０００３】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。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。
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。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。
【０００４】また、特開平１−262403には、前記のカン
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、簡便で精度の高い光てこ方式
が広く用いられている。この方法では、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。
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、簡便で精度の高い光てこ方式
が広く用いられている。この方法では、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。
【０００５】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、前記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。
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、前記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。
【０００６】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、
変位検出系として圧電、電歪効果を利用した鉛系強誘電
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提案
されている（特開平４−１８０７８６）。さらにピエゾ
抵抗による変位センサー機能を備えたシリコンでできた
カンチレバーも作製されている（Appl. Phys. Lett. 62
(8), 834, 1993）。
化する試みがなされている。その有効な方法の一つに、
変位検出系として圧電、電歪効果を利用した鉛系強誘電
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提案
されている（特開平４−１８０７８６）。さらにピエゾ
抵抗による変位センサー機能を備えたシリコンでできた
カンチレバーも作製されている（Appl. Phys. Lett. 62
(8), 834, 1993）。
【０００７】図９に代表的な探針付きカンチレバーの作
製方法を示す。まず、シリコン（１００）単結晶基板
（２）をＣＶＤ法により窒化珪素膜（１）で被覆する
（９ー１）。次に、フォトリソグラフィーにより探針を
作製する部位に当たる部分の窒化珪素膜を取り除く（９
ー２）。ここで、水酸化カリウムを用いた異方性エッチ
ングにより窒化珪素膜で保護されていない部分にエッチ
ピットを形成する（９ー３）。さらにシリコン基板の上
面に窒化珪素膜を堆積し、エッチピットの内部に窒化珪
素の針を形成する（９ー４）。シリコン基板の下面の窒
化珪素をドライエッチングにより取り除く（９ー５）。
最後に、基板を５００℃に加熱し、６００Ｖの電圧を加
えながら、カンチレバーの支持基体となるガラスブロッ
クを接合（陽極接合）し、水酸化カリウムによるエッチ
ングでカンチレバー部位の下にあるシリコン部分を全て
取り除いてプロセスを終了する（９ー６）。
製方法を示す。まず、シリコン（１００）単結晶基板
（２）をＣＶＤ法により窒化珪素膜（１）で被覆する
（９ー１）。次に、フォトリソグラフィーにより探針を
作製する部位に当たる部分の窒化珪素膜を取り除く（９
ー２）。ここで、水酸化カリウムを用いた異方性エッチ
ングにより窒化珪素膜で保護されていない部分にエッチ
ピットを形成する（９ー３）。さらにシリコン基板の上
面に窒化珪素膜を堆積し、エッチピットの内部に窒化珪
素の針を形成する（９ー４）。シリコン基板の下面の窒
化珪素をドライエッチングにより取り除く（９ー５）。
最後に、基板を５００℃に加熱し、６００Ｖの電圧を加
えながら、カンチレバーの支持基体となるガラスブロッ
クを接合（陽極接合）し、水酸化カリウムによるエッチ
ングでカンチレバー部位の下にあるシリコン部分を全て
取り除いてプロセスを終了する（９ー６）。
【０００８】現状の原子間力顕微鏡では、高い分解能を
得るためには窒化珪素で構成される探針をカンチレバー
上に形成することが必須となっている。更に、探針の被
測定物表面への接近を容易にするため、カンチレバーの
支持基体は、一方の面の一端に形成され、作り込みの探
針は他方の面の他端付近に形成されている。
得るためには窒化珪素で構成される探針をカンチレバー
上に形成することが必須となっている。更に、探針の被
測定物表面への接近を容易にするため、カンチレバーの
支持基体は、一方の面の一端に形成され、作り込みの探
針は他方の面の他端付近に形成されている。
【０００９】
【発明が解決しよとする課題】しかしながら、従来技術
のカンチレバー及びその製造方法では、圧電あるいはピ
エゾ抵抗を用いた自己の歪を検出する手段を有するカン
チレバーには適用する事はできない。即ち、圧電薄膜上
に設けたリード線及び信号取り出し部分に支持基体を接
合することは困難であり、高温で接合を行うため、圧電
あるいはピエゾ抵抗の機能を損なう可能性が高いからで
ある。
のカンチレバー及びその製造方法では、圧電あるいはピ
エゾ抵抗を用いた自己の歪を検出する手段を有するカン
チレバーには適用する事はできない。即ち、圧電薄膜上
に設けたリード線及び信号取り出し部分に支持基体を接
合することは困難であり、高温で接合を行うため、圧電
あるいはピエゾ抵抗の機能を損なう可能性が高いからで
ある。
【００１０】本発明の目的は、自己の歪検出機能を損な
うことなく、高い分解能を有するカンチレバーを提供す
ることである。
うことなく、高い分解能を有するカンチレバーを提供す
ることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】本発明は第一に「少なく
とも、可撓性プレートと、該可撓性プレートの一方の面
に形成された自己の歪量を検出する手段と、前記可撓性
プレートの他方の面の一端に形成された前記可撓性プレ
ートを支持する支持基体と、前記可撓性プレートの他端
付近に形成された探針とからなることを特徴とする原子
間力顕微鏡用カンチレバー（請求項１）」を提供する。
とも、可撓性プレートと、該可撓性プレートの一方の面
に形成された自己の歪量を検出する手段と、前記可撓性
プレートの他方の面の一端に形成された前記可撓性プレ
ートを支持する支持基体と、前記可撓性プレートの他端
付近に形成された探針とからなることを特徴とする原子
間力顕微鏡用カンチレバー（請求項１）」を提供する。
【００１２】また、本発明は第二に「前記可撓性プレー
トはシリコンプレート上に窒素珪素膜を形成してなり、
前記シリコンプレートは前記支持基体と一体であること
を特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡用カンチレ
バー（請求項２）」を提供する。また、本発明は第三に
「前記カンチレバー長さが前記支持基体の厚さより長い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の原子間力顕微鏡
用カンチレバー（請求項３）」を提供する。
トはシリコンプレート上に窒素珪素膜を形成してなり、
前記シリコンプレートは前記支持基体と一体であること
を特徴とする請求項１記載の原子間力顕微鏡用カンチレ
バー（請求項２）」を提供する。また、本発明は第三に
「前記カンチレバー長さが前記支持基体の厚さより長い
ことを特徴とする請求項１又は２記載の原子間力顕微鏡
用カンチレバー（請求項３）」を提供する。
【００１３】また、本発明は第四に「前記自己の歪量を
検出する手段が、圧電薄膜と、該圧電薄膜上に形成され
た上部電極と、前記圧電薄膜と前記可撓性プレートの間
に形成された下部電極とからなることを特徴とする請求
項１〜３記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー（請求項
４）」を提供する。また、本発明は第五に「前記圧電薄
膜の厚さが0.5μｍ以上２μｍ以下であり、かつ前記圧
電薄膜及び前記電極部分を除いたカンチレバーの厚さが
５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項
４記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー（請求項５）」
を提供する。
検出する手段が、圧電薄膜と、該圧電薄膜上に形成され
た上部電極と、前記圧電薄膜と前記可撓性プレートの間
に形成された下部電極とからなることを特徴とする請求
項１〜３記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー（請求項
４）」を提供する。また、本発明は第五に「前記圧電薄
膜の厚さが0.5μｍ以上２μｍ以下であり、かつ前記圧
電薄膜及び前記電極部分を除いたカンチレバーの厚さが
５μｍ以上３０μｍ以下であることを特徴とする請求項
４記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー（請求項５）」
を提供する。
【００１４】また、本発明は第六に「前記探針を被測定
物に接触させて前記被測定物の形状を測定することを特
徴とする請求項１〜５記載の原子間力顕微鏡用カンチレ
バー（請求項６）」を提供する。また、本発明は第七に
「請求項１〜６項記載のカンチレバーを具備した原子間
力顕微鏡（請求項７）」を提供する。
物に接触させて前記被測定物の形状を測定することを特
徴とする請求項１〜５記載の原子間力顕微鏡用カンチレ
バー（請求項６）」を提供する。また、本発明は第七に
「請求項１〜６項記載のカンチレバーを具備した原子間
力顕微鏡（請求項７）」を提供する。
【００１５】また、本発明は第八に「少なくとも、可撓
性プレートと、該可撓性プレートの一方の面に形成され
た自己の歪量を検出する手段と、前記可撓性プレートの
他方の面の一端に形成された前記可撓性プレートを支持
する基体と、前記可撓性プレートの他端付近に形成され
た探針とからなる原子間力顕微鏡用カンチレバーの製造
方法において、シリコン基板の一方の面に前記探針形状
部位を有する窒化珪素膜を形成する工程と、前記シリコ
ン基板の他方の面をエッチングし、前記支持基体及び前
記可撓性プレートの一部を形成する工程と、前記窒化珪
素膜上に前記自己の歪量を検出する手段を形成する工程
とからなる原子間力顕微鏡用カンチレバーの製造方法
（請求項８）」を提供する。
性プレートと、該可撓性プレートの一方の面に形成され
た自己の歪量を検出する手段と、前記可撓性プレートの
他方の面の一端に形成された前記可撓性プレートを支持
する基体と、前記可撓性プレートの他端付近に形成され
た探針とからなる原子間力顕微鏡用カンチレバーの製造
方法において、シリコン基板の一方の面に前記探針形状
部位を有する窒化珪素膜を形成する工程と、前記シリコ
ン基板の他方の面をエッチングし、前記支持基体及び前
記可撓性プレートの一部を形成する工程と、前記窒化珪
素膜上に前記自己の歪量を検出する手段を形成する工程
とからなる原子間力顕微鏡用カンチレバーの製造方法
（請求項８）」を提供する。
【００１６】
【作用】本発明にかかるカンチレバーは、探針と支持基
体とがカンチレバーの一方の同一面上の一端と他端に形
成され、他方の面に自己の歪を検出する手段を形成し
た。カンチレバーの長さが支持基体の厚さより長いこと
が好ましい。
体とがカンチレバーの一方の同一面上の一端と他端に形
成され、他方の面に自己の歪を検出する手段を形成し
た。カンチレバーの長さが支持基体の厚さより長いこと
が好ましい。
【００１７】探針と支持基体とが同一面上に形成された
カンチレバーは、図１０ー１に示すようにカンチレバー
の長さが支持基体の厚さよりも短いと、探針を凹凸の激
しい被測定物に接近させることが困難になる。例えば、
シリコン基板の一部をエッチングにより支持基体として
形成する、即ち、シリコン基板の厚さが支持基体の厚さ
となる本発明の場合、従来の原子間力顕微鏡用のカンチ
レバーの様に０．１ｍｍ程度の長さしかないと、通常の
（１００）シリコン基板の厚さ（０．３８ｍｍ）よりも
かなり短いのでこの問題は顕著となる。
カンチレバーは、図１０ー１に示すようにカンチレバー
の長さが支持基体の厚さよりも短いと、探針を凹凸の激
しい被測定物に接近させることが困難になる。例えば、
シリコン基板の一部をエッチングにより支持基体として
形成する、即ち、シリコン基板の厚さが支持基体の厚さ
となる本発明の場合、従来の原子間力顕微鏡用のカンチ
レバーの様に０．１ｍｍ程度の長さしかないと、通常の
（１００）シリコン基板の厚さ（０．３８ｍｍ）よりも
かなり短いのでこの問題は顕著となる。
【００１８】図１０ー２に示すようにカンチレバーの長
さが支持基体の厚さとほぼ等しい形状の素子であること
がこの問題解決の一つの目安となる。支持基体は原子間
力顕微鏡への固定部分としての機能も併せ持つため、支
持基体をカンチレバーの厚さに合わせて薄くしていくの
は好ましくない。従って、最も安価にしかも安定して入
手できる０．２ｍｍ以上の厚さのシリコン（１００）単
結晶を出発材料とし、カンチレバーの長さが前記支持基
体の厚さより長くなるように作製すると、カンチレバー
の長さは、従来の原子間力顕微鏡用カンチレバーよりも
数倍程度長くなり、0.4〜0.8ｍｍ程度となる。
さが支持基体の厚さとほぼ等しい形状の素子であること
がこの問題解決の一つの目安となる。支持基体は原子間
力顕微鏡への固定部分としての機能も併せ持つため、支
持基体をカンチレバーの厚さに合わせて薄くしていくの
は好ましくない。従って、最も安価にしかも安定して入
手できる０．２ｍｍ以上の厚さのシリコン（１００）単
結晶を出発材料とし、カンチレバーの長さが前記支持基
体の厚さより長くなるように作製すると、カンチレバー
の長さは、従来の原子間力顕微鏡用カンチレバーよりも
数倍程度長くなり、0.4〜0.8ｍｍ程度となる。
【００１９】カンチレバーの長さが長くなると、従来の
カンチレバーの様に１μｍ程度の厚さであるとカンチレ
バーの共振周波数が音声帯域と重なる３０KHz以下にな
るので、本発明にかかるカンチレバーでは、カンチレバ
ーの長さが0.4ｍｍ程度の場合は、カンチレバーの全体
の厚さは５μｍ以上であること、また、カンチレバーの
長さが0.8ｍｍ程度の場合は、カンチレバーの全体の厚
さは１５μｍ以上であることが好ましい。
カンチレバーの様に１μｍ程度の厚さであるとカンチレ
バーの共振周波数が音声帯域と重なる３０KHz以下にな
るので、本発明にかかるカンチレバーでは、カンチレバ
ーの長さが0.4ｍｍ程度の場合は、カンチレバーの全体
の厚さは５μｍ以上であること、また、カンチレバーの
長さが0.8ｍｍ程度の場合は、カンチレバーの全体の厚
さは１５μｍ以上であることが好ましい。
【００２０】圧電薄膜を歪センサーとして可撓性プレー
ト上に形成する場合には、可撓性プレートと圧電薄膜と
の熱膨張率の差により残留応力が発生する。この残留応
力によりカンチレバーが屈曲し、実際の使用に際し探針
が被測定物表面に接触しにくい等の問題が生じる。圧電
薄膜の厚さと圧電薄膜及び電極部分を除いたカンチレバ
ーの厚さとを適切なものとすれば、厚み方向に歪を緩和
できるため残留歪による屈曲を極めて少なくすることが
できる。
ト上に形成する場合には、可撓性プレートと圧電薄膜と
の熱膨張率の差により残留応力が発生する。この残留応
力によりカンチレバーが屈曲し、実際の使用に際し探針
が被測定物表面に接触しにくい等の問題が生じる。圧電
薄膜の厚さと圧電薄膜及び電極部分を除いたカンチレバ
ーの厚さとを適切なものとすれば、厚み方向に歪を緩和
できるため残留歪による屈曲を極めて少なくすることが
できる。
【００２１】圧電薄膜の厚さが0.5μｍより小さくなる
と圧電信号の読み取りが困難となる。また、圧電薄膜の
厚さが２μｍより大きくなると成膜時間が極めて長くな
り、薄膜内の圧電材料からなる粒子の粒径が大きくなり
膜の機械的強度が低下する。よって、圧電薄膜の厚さが
0.5μｍ以上２μｍ以下であり、圧電薄膜及び電極部分
を除いたカンチレバーの厚さが５μｍ以上３０μｍ以下
であることが好ましい。
と圧電信号の読み取りが困難となる。また、圧電薄膜の
厚さが２μｍより大きくなると成膜時間が極めて長くな
り、薄膜内の圧電材料からなる粒子の粒径が大きくなり
膜の機械的強度が低下する。よって、圧電薄膜の厚さが
0.5μｍ以上２μｍ以下であり、圧電薄膜及び電極部分
を除いたカンチレバーの厚さが５μｍ以上３０μｍ以下
であることが好ましい。
【００２２】圧電薄膜及び電極部分を除いたカンチレバ
ーの厚さを５μｍ以上３０μｍ以下にするために、窒化
珪素膜とシリコン単結晶基板をエッチングすることによ
り製作したシリコンプレートとにより形成する。このシ
リコンプレートは前記シリコン基板の一部をエッチング
により形成された支持基体とは一体であることが好まし
い。
ーの厚さを５μｍ以上３０μｍ以下にするために、窒化
珪素膜とシリコン単結晶基板をエッチングすることによ
り製作したシリコンプレートとにより形成する。このシ
リコンプレートは前記シリコン基板の一部をエッチング
により形成された支持基体とは一体であることが好まし
い。
【００２３】本発明のカンチレバーでは、圧電効果を利
用して自身の歪を検出するが、このためにはカンチレバ
ーに固有の共振状態を励起し交流シグナルを取り出す
（ＡＣモード）必要がある。従来の大きさのカンチレバ
ーを使用する場合には、このモードはいわゆる非接触モ
ードとなり、被測定物表面と探針の間の引力を検出する
ことが可能である。
用して自身の歪を検出するが、このためにはカンチレバ
ーに固有の共振状態を励起し交流シグナルを取り出す
（ＡＣモード）必要がある。従来の大きさのカンチレバ
ーを使用する場合には、このモードはいわゆる非接触モ
ードとなり、被測定物表面と探針の間の引力を検出する
ことが可能である。
【００２４】しかしながら、本発明のカンチレバー程度
の大きさとなると、極微量の引力を検出するよりも、む
しろ探針を被測定物表面に周期的に接触させて、これに
よるカンチレバーの共振状態の変化を圧電薄膜からの圧
電信号を検出して、表面形状の測定をすることが現実的
である。
の大きさとなると、極微量の引力を検出するよりも、む
しろ探針を被測定物表面に周期的に接触させて、これに
よるカンチレバーの共振状態の変化を圧電薄膜からの圧
電信号を検出して、表面形状の測定をすることが現実的
である。
【００２５】
【実施例１】以下に実施例により本発明についてさらに
詳細に説明する。図２、３、４は、本発明にかかる圧電
薄膜歪センサー付きカンチレバーの作製工程の一例であ
る。各組の図で、上側はシリコン基板の一つのカンチレ
バーに対応する部分を基板上方より見た平面図、下側は
同じ部位の断面図である。
詳細に説明する。図２、３、４は、本発明にかかる圧電
薄膜歪センサー付きカンチレバーの作製工程の一例であ
る。各組の図で、上側はシリコン基板の一つのカンチレ
バーに対応する部分を基板上方より見た平面図、下側は
同じ部位の断面図である。
【００２６】５０ｎｍの窒化珪素膜（１）をＣＶＤ法に
より両面に形成した通常のシリコン（１００）単結晶基
板（２）（厚さ0.38ｍｍ）の片面をフォトレジストで覆
い、探針を形成する部位のレジストを取り除く（２ー
１）。レジストを保護膜として反応性イオンエッチング
で探針部分に対応する部位の窒化珪素膜を除去する（２
ー２）。レジストを取り除いた後、水酸化カリウムを用
いた異方性エッチングにより探針部分に対応する部位に
エッチピットを形成する（２ー３）。ここで、シリコン
基板のエッチピットを形成した面にＣＶＤで更に３００
ｎｍ窒化珪素を堆積させ、エッチピット内部にも窒化珪
素膜を形成する（２ー４）。次に、反対の面をフォトレ
ジストで覆い、カンチレバーを形成するための空隙に対
応する部分のレジストを除去する（２ー５）。反応性イ
オンエッチングでレジストがない部分の窒化珪素膜を取
り除く（２ー６）。水酸化カリウムを用い、窒化珪素で
保護されていないシリコン部位を異方性エッチングによ
り除去し、カンチレバー下部の空隙を形成する（３ー
１）。さらに、基板上面にフォトレジストを形成し、カ
ンチレバー周囲の空隙に当たる部分を取り除く（３ー
２）。ついで、この部分の窒化珪素膜を反応性イオンエ
ッチングで除去する（３ー３）。レジストを落とし、水
酸化カリウムで上下両面からエッチングを行い、カンチ
レバーを完成する（３ー４）。ＰＺＴ膜を形成するため
の緩衝層となる酸化マグネシウム膜（４）を２００ｎｍ
の厚さにスパッタ法で窒化珪素膜上に形成する（３ー
５）。このときのカンチレバーの厚さは１５μｍであ
る。カンチレバー上に下部電極（５）、支持体部分にリ
ード及び取り出し部分（６）を白金の蒸着により形成す
る（３ー６）。マスクを用いることにより、カンチレバ
ーとその近傍のみにＰＺＴ膜をスパッタ法により、１μ
ｍの厚さに形成する（４ー１）。最後に上部電極（８）
とリード及び取り出し部（６）を白金の蒸着により形成
する（４ー２）。
より両面に形成した通常のシリコン（１００）単結晶基
板（２）（厚さ0.38ｍｍ）の片面をフォトレジストで覆
い、探針を形成する部位のレジストを取り除く（２ー
１）。レジストを保護膜として反応性イオンエッチング
で探針部分に対応する部位の窒化珪素膜を除去する（２
ー２）。レジストを取り除いた後、水酸化カリウムを用
いた異方性エッチングにより探針部分に対応する部位に
エッチピットを形成する（２ー３）。ここで、シリコン
基板のエッチピットを形成した面にＣＶＤで更に３００
ｎｍ窒化珪素を堆積させ、エッチピット内部にも窒化珪
素膜を形成する（２ー４）。次に、反対の面をフォトレ
ジストで覆い、カンチレバーを形成するための空隙に対
応する部分のレジストを除去する（２ー５）。反応性イ
オンエッチングでレジストがない部分の窒化珪素膜を取
り除く（２ー６）。水酸化カリウムを用い、窒化珪素で
保護されていないシリコン部位を異方性エッチングによ
り除去し、カンチレバー下部の空隙を形成する（３ー
１）。さらに、基板上面にフォトレジストを形成し、カ
ンチレバー周囲の空隙に当たる部分を取り除く（３ー
２）。ついで、この部分の窒化珪素膜を反応性イオンエ
ッチングで除去する（３ー３）。レジストを落とし、水
酸化カリウムで上下両面からエッチングを行い、カンチ
レバーを完成する（３ー４）。ＰＺＴ膜を形成するため
の緩衝層となる酸化マグネシウム膜（４）を２００ｎｍ
の厚さにスパッタ法で窒化珪素膜上に形成する（３ー
５）。このときのカンチレバーの厚さは１５μｍであ
る。カンチレバー上に下部電極（５）、支持体部分にリ
ード及び取り出し部分（６）を白金の蒸着により形成す
る（３ー６）。マスクを用いることにより、カンチレバ
ーとその近傍のみにＰＺＴ膜をスパッタ法により、１μ
ｍの厚さに形成する（４ー１）。最後に上部電極（８）
とリード及び取り出し部（６）を白金の蒸着により形成
する（４ー２）。
【００２７】完成したＰＺＴ膜付きカンチレバーの形状
と寸法を図５に示す。単位はｍｍであり、ＰＺＴ膜が形
成された面から見た平面図（５ー１）とカンチレバーの
中心線で切った断面図（５ー２）を示してある。図５ー
２でシリコン基板の下部に付いている０．３０ｍｍの厚
さの板はカンチレバーに共振を励起するためのＰＺＴセ
ラミックアクチュエータである。この形状のカンチレバ
ーの共振周波数は３８ＫＨｚ、ばね定数は１１２Ｎ／ｍ
である。
と寸法を図５に示す。単位はｍｍであり、ＰＺＴ膜が形
成された面から見た平面図（５ー１）とカンチレバーの
中心線で切った断面図（５ー２）を示してある。図５ー
２でシリコン基板の下部に付いている０．３０ｍｍの厚
さの板はカンチレバーに共振を励起するためのＰＺＴセ
ラミックアクチュエータである。この形状のカンチレバ
ーの共振周波数は３８ＫＨｚ、ばね定数は１１２Ｎ／ｍ
である。
【００２８】図６は３インチウエハー上に複数個のカン
チレバーを形成する場合の構成を示す。個々の長方形で
示された部分が一つのカンチレバーに対応する。この
際、線で示された長方形の境界に当たる部分の窒化珪素
膜をプロセスの途中で取り除き（例えば、図３ー２の工
程）、水酸化カリウムによるエッチングを行って切り込
みを入れれば、カンチレバー完成後、この部分でウエハ
ーを簡単に折ることができ、図５ー１に示す一本毎に単
独に扱うことのできるカンチレバーを提供できる。
チレバーを形成する場合の構成を示す。個々の長方形で
示された部分が一つのカンチレバーに対応する。この
際、線で示された長方形の境界に当たる部分の窒化珪素
膜をプロセスの途中で取り除き（例えば、図３ー２の工
程）、水酸化カリウムによるエッチングを行って切り込
みを入れれば、カンチレバー完成後、この部分でウエハ
ーを簡単に折ることができ、図５ー１に示す一本毎に単
独に扱うことのできるカンチレバーを提供できる。
【００２９】図７に本発明のカンチレバーの顕微鏡とし
ての応用の一例を示す。このタイプではカンチレバーは
走査されず、被測定物がチューブ型アクチュエータによ
り、Ｘ，Ｙ方向に走査される。Ｚ方向への接近は、微調
ネジとチューブアクチュエータにより行われる。探針を
被測定物表面に接触させてカンチレバーの共振状態の変
化を見る測定モードで１０ｎｍ程度の横分解能、０．５
ｎｍ程度の縦分解能を得ることができた。
ての応用の一例を示す。このタイプではカンチレバーは
走査されず、被測定物がチューブ型アクチュエータによ
り、Ｘ，Ｙ方向に走査される。Ｚ方向への接近は、微調
ネジとチューブアクチュエータにより行われる。探針を
被測定物表面に接触させてカンチレバーの共振状態の変
化を見る測定モードで１０ｎｍ程度の横分解能、０．５
ｎｍ程度の縦分解能を得ることができた。
【００３０】
【発明の効果】 以上のように、本発明によれ
ば、自己の歪量の検出手段を損なうことなく、高い分解
能を有する圧電薄膜歪センサー付きカンチレバーを提供
することができる。
ば、自己の歪量の検出手段を損なうことなく、高い分解
能を有する圧電薄膜歪センサー付きカンチレバーを提供
することができる。
【図１】本発明にかかるカンチレバーの一例である。
【図２】本発明にかかる圧電歪センサー付きカンチレバ
ーの作製工程（（２ー１）から（２ー６））の一例であ
る。各組の図で、上側はシリコン基板の一つのカンチレ
バーに対応する部分を基板上方より見たもの、下側は同
じ部位の断面図である。
ーの作製工程（（２ー１）から（２ー６））の一例であ
る。各組の図で、上側はシリコン基板の一つのカンチレ
バーに対応する部分を基板上方より見たもの、下側は同
じ部位の断面図である。
【図３】前記作製工程のうち（３ー１）から（３ー６）
までを示したものである。
までを示したものである。
【図４】前記作製工程のうち（４ー１）から（４ー２）
までを示したものである。
までを示したものである。
【図５】本発明にかかる圧電歪センサ付きカンチレバー
の形状と寸法の一例である。
の形状と寸法の一例である。
【図６】３インチウエハー上に複数個のカンチレバーを
形成する場合の構成である。
形成する場合の構成である。
【図７】本発明にかかるカンチレバーを顕微鏡に応用し
た場合の一例である。
た場合の一例である。
【図８】従来のＡＦＭの原理の概念図である。
【図９】従来のカンチレバーの作製工程図である。
【図１０】カンチレバーの長さが支持基体の厚さより短
い場合とカンチレバーの長さが支持基体の厚さより長い
場合の断面図である。
い場合とカンチレバーの長さが支持基体の厚さより長い
場合の断面図である。
１ フォトレジスト ２ シリコン単結晶（１００） ３ 窒化珪素膜 ４ 酸化マグネシウム膜 ５ 白金下部電極 ６ リード及び信号取り出し部分 ７ ＰＺＴ薄膜 ８ 白金上部電極 ９ カンチレバー部位 １０ 支持用ガラス部
Claims (8)
- 【請求項１】 少なくとも、可撓性プレートと、該可撓
性プレートの一方の面に形成された自己の歪量を検出す
る手段と、前記可撓性プレートの他方の面の一端に形成
された前記可撓性プレートを支持する支持基体と、前記
可撓性プレートの他端付近に形成された探針とからなる
ことを特徴とする原子間力顕微鏡用カンチレバー。 - 【請求項２】 前記可撓性プレートはシリコンプレート
上に窒素珪素膜を形成してなり、前記シリコンプレート
は前記支持基体と一体であることを特徴とする請求項１
記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー。 - 【請求項３】 前記カンチレバー長さが前記支持基体の
厚さより長いことを特徴とする請求項１又は２記載の原
子間力顕微鏡用カンチレバー。 - 【請求項４】 前記自己の歪量を検出する手段が、圧電
薄膜と、該圧電薄膜上に形成された上部電極と、前記圧
電薄膜と前記可撓性プレートの間に形成された下部電極
とからなることを特徴とする請求項１〜３記載の原子間
力顕微鏡用カンチレバー。 - 【請求項５】 前記圧電薄膜の厚さが0.5μｍ以上２μ
ｍ以下であり、かつ前記圧電薄膜及び前記電極部分を除
いたカンチレバーの厚さが５μｍ以上３０μｍ以下であ
ることを特徴とする請求項４記載の原子間力顕微鏡用カ
ンチレバー。 - 【請求項６】 前記探針を被測定物に接触させて前記被
測定物の形状を測定することを特徴とする請求項１〜５
記載の原子間力顕微鏡用カンチレバー。 - 【請求項７】 請求項１〜６項記載のカンチレバーを具
備した原子間力顕微鏡。 - 【請求項８】 少なくとも、可撓性プレートと、該可撓
性プレートの一方の面に形成された自己の歪量を検出す
る手段と、前記可撓性プレートの他方の面の一端に形成
された前記可撓性プレートを支持する基体と、前記可撓
性プレートの他端付近に形成された探針とからなる原子
間力顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、 シリコン基板の一方の面に前記探針形状部位を有する窒
化珪素膜を形成する工程と、前記シリコン基板の他方の
面をエッチングし、前記支持基体及び前記可撓性プレー
トの一部を形成する工程と、前記窒化珪素膜上に前記自
己の歪量を検出する手段を形成する工程とからなる原子
間力顕微鏡用カンチレバーの製造方法。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7102719A JPH08297129A (ja) | 1995-04-26 | 1995-04-26 | 原子間力顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法 |
| US08/637,389 US5717132A (en) | 1995-04-26 | 1996-04-25 | Cantilever and process for fabricating it |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7102719A JPH08297129A (ja) | 1995-04-26 | 1995-04-26 | 原子間力顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08297129A true JPH08297129A (ja) | 1996-11-12 |
Family
ID=14335080
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7102719A Pending JPH08297129A (ja) | 1995-04-26 | 1995-04-26 | 原子間力顕微鏡用カンチレバー及びその製造方法 |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5717132A (ja) |
| JP (1) | JPH08297129A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007510896A (ja) * | 2003-11-04 | 2007-04-26 | スイスプローブ アーゲー | カンチレバー組立品 |
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| JPH09196933A (ja) * | 1996-01-19 | 1997-07-31 | Canon Inc | プローブとプローブの作製方法、及びプローブユニット、並びにこれを用いた情報記録再生装置 |
| US6515381B1 (en) | 2000-09-13 | 2003-02-04 | Nikon Corporation | Cantilever stage |
| US6912893B2 (en) * | 2003-04-17 | 2005-07-05 | Veeco Instruments Inc. | Apparatus and method for improving tuning of a probe-based instrument |
| JP4446929B2 (ja) * | 2004-08-24 | 2010-04-07 | エスアイアイ・ナノテクノロジー株式会社 | 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーホルダおよびそれを用いた走査型プローブ顕微鏡 |
| KR100806781B1 (ko) * | 2006-12-29 | 2008-02-27 | 동부일렉트로닉스 주식회사 | 씨모스 이미지 센서의 제조 방법 |
| US7607344B2 (en) * | 2007-04-23 | 2009-10-27 | Frederick Sachs | Factory-alignable compact cantilever probe |
| US8332961B2 (en) * | 2008-09-22 | 2012-12-11 | International Business Machines Corporation | Platinum silicide tip apices for probe-based technologies |
| FR2951014B1 (fr) * | 2009-10-06 | 2011-11-25 | Commissariat Energie Atomique | Structure d'actionnement piezoelectrique comportant une jauge de contrainte piezoresistive integree et son procede de realisation |
| AT517809B1 (de) | 2015-08-19 | 2017-11-15 | Anton Paar Gmbh | Mit Masterkraft werkzeuglos betätigbarer und eine Messsonde lösbar fixierender Fixiermechanismus für Rastersondenmikroskop |
Family Cites Families (11)
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|---|---|---|---|---|
| JP2656536B2 (ja) * | 1988-04-13 | 1997-09-24 | 株式会社日立製作所 | プローブおよびその製造方法 |
| US5066358A (en) * | 1988-10-27 | 1991-11-19 | Board Of Trustees Of The Leland Stanford Juninor University | Nitride cantilevers with single crystal silicon tips |
| US5021364A (en) * | 1989-10-31 | 1991-06-04 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Microcantilever with integral self-aligned sharp tetrahedral tip |
| JPH03218998A (ja) * | 1989-10-10 | 1991-09-26 | Univ Leland Stanford Jr | 探針付きカンチレバー及びその製造方法 |
| JP3030574B2 (ja) * | 1990-08-16 | 2000-04-10 | キヤノン株式会社 | 微小変位型情報検知探針素子及びこれを用いた走査型トンネル顕微鏡、原子間力顕微鏡、情報処理装置 |
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-
1995
- 1995-04-26 JP JP7102719A patent/JPH08297129A/ja active Pending
-
1996
- 1996-04-25 US US08/637,389 patent/US5717132A/en not_active Expired - Lifetime
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| US5717132A (en) | 1998-02-10 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20040120 |