JPH0862230A - 集積型spmセンサー - Google Patents
集積型spmセンサーInfo
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- JPH0862230A JPH0862230A JP6199336A JP19933694A JPH0862230A JP H0862230 A JPH0862230 A JP H0862230A JP 6199336 A JP6199336 A JP 6199336A JP 19933694 A JP19933694 A JP 19933694A JP H0862230 A JPH0862230 A JP H0862230A
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- cantilever
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Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
- G01Q20/00—Monitoring the movement or position of the probe
- G01Q20/04—Self-detecting probes, i.e. wherein the probe itself generates a signal representative of its position, e.g. piezoelectric gauge
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
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-
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- Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】歪みセンサーの発熱による先端部のセンサーの
温度上昇の少ない集積型SPMセンサーを提供する。 【構成】支持部14から延びたカンチレバー12には中
央を延びるピエゾ抵抗層16が形成されている。カンチ
レバー12は酸化シリコン膜で覆われ、その上に電極2
0、22、32、38が形成されている。抵抗層16の
自由端側の端部には電極20が、支持部側の端部には電
極24が接続されている。カンチレバー12の自由端部
にはp型シリコン領域26が形成され、その一部は鋭く
尖った探針10となっている。p型シリコン領域26の
一部に形成されたp+ 型シリコン領域28には電極32
が接続され、p型シリコン領域26から10μm以上離
れた位置に形成されたn+ 型シリコン領域34には電極
38が接続されている。抵抗層16と探針周辺部との間
には長方形の穴40が形成されている。
温度上昇の少ない集積型SPMセンサーを提供する。 【構成】支持部14から延びたカンチレバー12には中
央を延びるピエゾ抵抗層16が形成されている。カンチ
レバー12は酸化シリコン膜で覆われ、その上に電極2
0、22、32、38が形成されている。抵抗層16の
自由端側の端部には電極20が、支持部側の端部には電
極24が接続されている。カンチレバー12の自由端部
にはp型シリコン領域26が形成され、その一部は鋭く
尖った探針10となっている。p型シリコン領域26の
一部に形成されたp+ 型シリコン領域28には電極32
が接続され、p型シリコン領域26から10μm以上離
れた位置に形成されたn+ 型シリコン領域34には電極
38が接続されている。抵抗層16と探針周辺部との間
には長方形の穴40が形成されている。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、走査型プローブ顕微鏡
(SPM:Scanning Probe Microscope )において使用
される集積型SPMセンサーに関する。
(SPM:Scanning Probe Microscope )において使用
される集積型SPMセンサーに関する。
【0002】
【従来の技術】1980年代後半以降、走査型プローブ
顕微鏡の一つとして、エバネッセント波を用いて回折限
界を超える分解能で試料を観察し得る光学顕微鏡が提案
されている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡(SNOM:
Scanning Near-field OpticalMicroscope)と呼ばれて
いる。このSNOMは、エバネッセント波が波長より小
さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しないという
特性を利用して、回折限界を超える分解能を達成してい
る。
顕微鏡の一つとして、エバネッセント波を用いて回折限
界を超える分解能で試料を観察し得る光学顕微鏡が提案
されている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡(SNOM:
Scanning Near-field OpticalMicroscope)と呼ばれて
いる。このSNOMは、エバネッセント波が波長より小
さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しないという
特性を利用して、回折限界を超える分解能を達成してい
る。
【0003】SNOMでは、測定試料の表面近傍に波長
程度以下の距離までプローブを近づけて、プローブ先端
の微小開口を通過する光強度の地図を作成することによ
って、測定試料に対する解像が成される。
程度以下の距離までプローブを近づけて、プローブ先端
の微小開口を通過する光強度の地図を作成することによ
って、測定試料に対する解像が成される。
【0004】SNOMとしてはいくつかの方式が提案さ
れており、大まかに二つの方式があり、それぞれコレク
ション方式、エミッション方式と呼ばれている。コレク
ション方式では、試料に下から光を照射することで試料
表面に現れるエバネッセント波をプローブを用いて検出
することによりSNOM像を得ている。エミッション方
式では、プローブの内部からその先端に設けた微小開口
を介して光を射出させた際に発生するエバネッセント波
を試料に照射し、その透過光を試料の下に設置した光検
出器で検出することによりSNOM像を得ている。この
エミッション方式は、たとえば特開平4−291310
に開示されている。
れており、大まかに二つの方式があり、それぞれコレク
ション方式、エミッション方式と呼ばれている。コレク
ション方式では、試料に下から光を照射することで試料
表面に現れるエバネッセント波をプローブを用いて検出
することによりSNOM像を得ている。エミッション方
式では、プローブの内部からその先端に設けた微小開口
を介して光を射出させた際に発生するエバネッセント波
を試料に照射し、その透過光を試料の下に設置した光検
出器で検出することによりSNOM像を得ている。この
エミッション方式は、たとえば特開平4−291310
に開示されている。
【0005】さらに、最近では、光ファイバーのプロー
ブの代わりにカンチレバーを用いてSNOM測定と原子
間力顕微鏡(AFM)測定を同時に行なう方法がファン
フルスト(N. F. van Hulst )らにより提案されてい
る。このSNOMは、たとえば「N. F. van Hulst, M.
H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B.S
egerink and B. Bolger, "Near-field optical microsc
ope using a silicon-nitride probe", Appl. Phys. Le
tt. 62, 461-463, (1993)」に開示されている。
ブの代わりにカンチレバーを用いてSNOM測定と原子
間力顕微鏡(AFM)測定を同時に行なう方法がファン
フルスト(N. F. van Hulst )らにより提案されてい
る。このSNOMは、たとえば「N. F. van Hulst, M.
H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Tack, F. B.S
egerink and B. Bolger, "Near-field optical microsc
ope using a silicon-nitride probe", Appl. Phys. Le
tt. 62, 461-463, (1993)」に開示されている。
【0006】AFMでは、カンチレバーの自由端に設け
た鋭い突起部分(探針部)を試料表面に近づけ、探針先
端の原子と試料表面の原子との間に働く相互作用力によ
り変位するカンチレバーの動きを電気的または光学的に
とらえて測定しつつ、試料をXY方向に走査するなどし
て、試料に対する探針部の位置を相対的に変化させる。
これにより、カンチレバーの動きに基づいて、試料表面
の様々な位置における高さ情報が得られ、この高さ情報
を位置情報と合わせて処理することで、試料の凹凸を表
現した三次元像等を構築することができる。
た鋭い突起部分(探針部)を試料表面に近づけ、探針先
端の原子と試料表面の原子との間に働く相互作用力によ
り変位するカンチレバーの動きを電気的または光学的に
とらえて測定しつつ、試料をXY方向に走査するなどし
て、試料に対する探針部の位置を相対的に変化させる。
これにより、カンチレバーの動きに基づいて、試料表面
の様々な位置における高さ情報が得られ、この高さ情報
を位置情報と合わせて処理することで、試料の凹凸を表
現した三次元像等を構築することができる。
【0007】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
自体に変位を測定する機能を設けた集積型AFMセンサ
ーがトルトネーゼ(M.Tortonese )らにより提案されて
いる。この集積型AFMセンサーは、たとえば「M.Tort
onese, H.Yamada, R.C.Barrett and C.F.Quate, "Atomi
c force microscopy using a piezoresistive cantilev
er", Transducers and Sensors '91」やPCT出願WO
92/12398に開示されている。
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
自体に変位を測定する機能を設けた集積型AFMセンサ
ーがトルトネーゼ(M.Tortonese )らにより提案されて
いる。この集積型AFMセンサーは、たとえば「M.Tort
onese, H.Yamada, R.C.Barrett and C.F.Quate, "Atomi
c force microscopy using a piezoresistive cantilev
er", Transducers and Sensors '91」やPCT出願WO
92/12398に開示されている。
【0008】この集積型AFMセンサーは、測定原理に
圧電抵抗効果を利用しており、カンチレバー部には抵抗
層が設けられていて、この抵抗層には一定の電圧が印加
されている。探針先端が測定試料に近接すると、探針と
試料の間に働く相互作用によりカンチレバー部がたわ
み、カンチレバー部に歪みが生じ、この歪みの大きさに
応じて抵抗層の抵抗値が変化し、その結果として抵抗層
を流れる電流が変化する。つまり、抵抗層を流れる電流
はカンチレバーの歪み量に応じて変化する。したがっ
て、この集積型AFMセンサーでは、抵抗層を流れる電
流の変化を検出することにより、カンチレバー部の変位
量が求められる。
圧電抵抗効果を利用しており、カンチレバー部には抵抗
層が設けられていて、この抵抗層には一定の電圧が印加
されている。探針先端が測定試料に近接すると、探針と
試料の間に働く相互作用によりカンチレバー部がたわ
み、カンチレバー部に歪みが生じ、この歪みの大きさに
応じて抵抗層の抵抗値が変化し、その結果として抵抗層
を流れる電流が変化する。つまり、抵抗層を流れる電流
はカンチレバーの歪み量に応じて変化する。したがっ
て、この集積型AFMセンサーでは、抵抗層を流れる電
流の変化を検出することにより、カンチレバー部の変位
量が求められる。
【0009】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、カンチレバー側を走
査する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。これまでのAFMでは、
試料をXY方向に動かすことによって、カンチレバー先
端の探針の相対位置を変化させているため、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にはこのような制限がなく大きな試料も取り扱え
るという利点がある。
極めて簡単で小型であることから、カンチレバー側を走
査する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。これまでのAFMでは、
試料をXY方向に動かすことによって、カンチレバー先
端の探針の相対位置を変化させているため、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にはこのような制限がなく大きな試料も取り扱え
るという利点がある。
【0010】次に集積型AFMセンサーについて図10
を参照して説明する。まず製造方法について説明する。
スタートウェハー100として、図10(A)に示すよ
うに、シリコンウェハー110の上に酸化シリコンの分
離層112を介してシリコン層114を設けたもの、た
とえば貼り合わせウェハーを用意する。このシリコン層
114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116を形成し、
図10(D)の形状にパターニングした後、表面を酸化
シリコン膜118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をあけ、アルミニウムをスパッ
タリングして電極120を形成する。さらに、シリコン
ウェハー112の下側にレジスト層122を形成し、こ
のレジスト層をパターニングし開口を形成して図10
(B)となる。続いて、オーミ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122をマスクとして
湿式異方性エッチングにより分離層112までエッチン
グし、最後にフッ酸でカンチレバー部124下部の分離
層112をエッチングしてカンチレバー部124を形成
して集積型AFMセンサーが完成する。その側断面図を
図10(C)に、上面図を図10(D)に示す。
を参照して説明する。まず製造方法について説明する。
スタートウェハー100として、図10(A)に示すよ
うに、シリコンウェハー110の上に酸化シリコンの分
離層112を介してシリコン層114を設けたもの、た
とえば貼り合わせウェハーを用意する。このシリコン層
114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116を形成し、
図10(D)の形状にパターニングした後、表面を酸化
シリコン膜118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をあけ、アルミニウムをスパッ
タリングして電極120を形成する。さらに、シリコン
ウェハー112の下側にレジスト層122を形成し、こ
のレジスト層をパターニングし開口を形成して図10
(B)となる。続いて、オーミ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122をマスクとして
湿式異方性エッチングにより分離層112までエッチン
グし、最後にフッ酸でカンチレバー部124下部の分離
層112をエッチングしてカンチレバー部124を形成
して集積型AFMセンサーが完成する。その側断面図を
図10(C)に、上面図を図10(D)に示す。
【0011】この集積型AFMセンサーを用いて変位量
測定を行なうための回路を図11に示す。図11に示す
ように、ピエゾ抵抗カンチレバーの端子120には、直
流定電圧電源126と電流計測用のオペアンプ128が
接続されている。たとえば、直流定電圧電源126の電
位を+5Vとすれば、図の上側のピエゾ抵抗カンチレバ
ーの端子120の電位は+5Vに保たれる。もう一方の
ピエゾ抵抗カンチレバーの端子120は、オペアンプの
非反転入力端子(+)がGND電位に保たれていること
から、GND電位に保たれる。
測定を行なうための回路を図11に示す。図11に示す
ように、ピエゾ抵抗カンチレバーの端子120には、直
流定電圧電源126と電流計測用のオペアンプ128が
接続されている。たとえば、直流定電圧電源126の電
位を+5Vとすれば、図の上側のピエゾ抵抗カンチレバ
ーの端子120の電位は+5Vに保たれる。もう一方の
ピエゾ抵抗カンチレバーの端子120は、オペアンプの
非反転入力端子(+)がGND電位に保たれていること
から、GND電位に保たれる。
【0012】カンチレバー部124の先端が試料に接近
し、カンチレバー部124の先端と試料表面の原子間に
相互作用力が働くと、カンチレバー部124が変位す
る。これに応じてピエゾ抵抗層116の抵抗値が変化す
るため、カンチレバー部124の変位が二つの電極12
0の間に流れる電流信号として得られる。
し、カンチレバー部124の先端と試料表面の原子間に
相互作用力が働くと、カンチレバー部124が変位す
る。これに応じてピエゾ抵抗層116の抵抗値が変化す
るため、カンチレバー部124の変位が二つの電極12
0の間に流れる電流信号として得られる。
【0013】また、最近ではカンチレバーのねじれ量
(LFM信号)を検出する機能も備えた集積型SPMセ
ンサーが提案されている。このような集積型SPMセン
サーは例えば特開平5−63547に開示されている。
(LFM信号)を検出する機能も備えた集積型SPMセ
ンサーが提案されている。このような集積型SPMセン
サーは例えば特開平5−63547に開示されている。
【0014】ところで、ピエゾ抵抗層を用いた歪みセン
サーはシリコンプレナー技術を用いて作製でき、その構
成が簡単なため、小さな形状のカンチレバーに集積化す
ることに非常に適している。しかし、この歪みセンサー
は電流素子であるため、AFM測定中は、カンチレバー
の歪みすなわち変位を検出するために、常に電流を流し
続ける必要がある。このため、ピエゾ抵抗層から熱が発
生し、変位信号であるピエゾ抵抗層の電流信号に熱ノイ
ズが混入し、AFM測定の検出信号のS/N比を劣化さ
せてしまい、その結果としてAFM測定の分解能と信頼
性の低下を招く要因となっている。
サーはシリコンプレナー技術を用いて作製でき、その構
成が簡単なため、小さな形状のカンチレバーに集積化す
ることに非常に適している。しかし、この歪みセンサー
は電流素子であるため、AFM測定中は、カンチレバー
の歪みすなわち変位を検出するために、常に電流を流し
続ける必要がある。このため、ピエゾ抵抗層から熱が発
生し、変位信号であるピエゾ抵抗層の電流信号に熱ノイ
ズが混入し、AFM測定の検出信号のS/N比を劣化さ
せてしまい、その結果としてAFM測定の分解能と信頼
性の低下を招く要因となっている。
【0015】
【発明が解決しようとする課題】前述のトルトネーゼ
(M. Tortonese)らにより提案された集積型AFMセン
サーはカンチレバーに歪みセンサーを集積しているが、
歪みセンサーに加えて他のセンサー、たとえば光検出機
能を持つセンサーや温度センサー、磁気センサー等をカ
ンチレバーに複合集積化する構成が考えられる。しか
し、単に複数のセンサーを複合集積化すると、複数のセ
ンサーの出力信号が混ざり合ったり、互いに影響を及ぼ
し合ったりして、信号検出の感度の低下を招くおそれが
ある。
(M. Tortonese)らにより提案された集積型AFMセン
サーはカンチレバーに歪みセンサーを集積しているが、
歪みセンサーに加えて他のセンサー、たとえば光検出機
能を持つセンサーや温度センサー、磁気センサー等をカ
ンチレバーに複合集積化する構成が考えられる。しか
し、単に複数のセンサーを複合集積化すると、複数のセ
ンサーの出力信号が混ざり合ったり、互いに影響を及ぼ
し合ったりして、信号検出の感度の低下を招くおそれが
ある。
【0016】実際、集積型AFMセンサーにSNOM測
定用の光センサーを設けた場合には、圧電抵抗効果を利
用した歪みセンサーの発熱により、光センサー部の温度
が上昇し、SNOM測定のノイズが増加する。この歪み
センサーは、測定中は常に電流が流されるため発熱し、
この熱が光センサーの暗電流に寄与する。フォトダイオ
ードを光センサーに用いた場合、周辺温度が5〜10℃
上昇すると、暗電流は約二倍増加する。暗電流の増加は
S/N比を低下させ、光センサーの感度を低下させる。
これにより、光センサーで分解できる最小光量が上がる
ため、SNOM測定感度が低下してしまう。
定用の光センサーを設けた場合には、圧電抵抗効果を利
用した歪みセンサーの発熱により、光センサー部の温度
が上昇し、SNOM測定のノイズが増加する。この歪み
センサーは、測定中は常に電流が流されるため発熱し、
この熱が光センサーの暗電流に寄与する。フォトダイオ
ードを光センサーに用いた場合、周辺温度が5〜10℃
上昇すると、暗電流は約二倍増加する。暗電流の増加は
S/N比を低下させ、光センサーの感度を低下させる。
これにより、光センサーで分解できる最小光量が上がる
ため、SNOM測定感度が低下してしまう。
【0017】さらに、一つのカンチレバー上に歪みセン
サーと光センサーを設けると、各々のセンサーに印加さ
れている電圧による電気的な接触が問題になる。具体的
には、歪みセンサーや光センサーにかけている電圧によ
る暗電流が光センサーや歪みセンサーにノイズとして各
々の信号に混入したり、光センサーの基準電位変動が起
こる。このため、感度の良いAFM測定やSNOM測定
が行なえなくなる。本発明の目的は、歪みセンサーの発
熱による先端部のセンサーの温度上昇の少ない集積型S
PMセンサーを提供することにある。
サーと光センサーを設けると、各々のセンサーに印加さ
れている電圧による電気的な接触が問題になる。具体的
には、歪みセンサーや光センサーにかけている電圧によ
る暗電流が光センサーや歪みセンサーにノイズとして各
々の信号に混入したり、光センサーの基準電位変動が起
こる。このため、感度の良いAFM測定やSNOM測定
が行なえなくなる。本発明の目的は、歪みセンサーの発
熱による先端部のセンサーの温度上昇の少ない集積型S
PMセンサーを提供することにある。
【0018】
【課題を解決するための手段】本発明の集積型SPMセ
ンサーは、支持部と、支持部から延びた柔軟なカンチレ
バーとからなり、カンチレバーは、その長手方向に延び
る、歪みに応じて抵抗値が変化する抵抗層と、その先端
部に設けられた、試料表面の局所領域における特定の物
理量を受けるプローブと、プローブが受けた物理量を感
知するセンサーとを有していて、抵抗層とセンサーの間
には穴が形成されている、あるいは、抵抗層とセンサー
の間を横切って延びる伝熱性と導電性の良いストリップ
を更に有している。
ンサーは、支持部と、支持部から延びた柔軟なカンチレ
バーとからなり、カンチレバーは、その長手方向に延び
る、歪みに応じて抵抗値が変化する抵抗層と、その先端
部に設けられた、試料表面の局所領域における特定の物
理量を受けるプローブと、プローブが受けた物理量を感
知するセンサーとを有していて、抵抗層とセンサーの間
には穴が形成されている、あるいは、抵抗層とセンサー
の間を横切って延びる伝熱性と導電性の良いストリップ
を更に有している。
【0019】
【作用】本発明の集積型SPMセンサーでは、歪みセン
サーである抵抗層とセンサーの間に熱を遮断する機構す
なわち穴またはストリップが設けられている。従って、
抵抗層で発生した熱は穴またはストリップで遮断されて
センサーには殆ど伝わらない。これにより、センサーの
温度上昇が防止され、十分な感度が維持される。
サーである抵抗層とセンサーの間に熱を遮断する機構す
なわち穴またはストリップが設けられている。従って、
抵抗層で発生した熱は穴またはストリップで遮断されて
センサーには殆ど伝わらない。これにより、センサーの
温度上昇が防止され、十分な感度が維持される。
【0020】また、ストリップは接地されていると更に
好ましい。ストリップが接地されていると、歪みセンサ
ーと先端部の別のセンサーの間で互いに混入する電気的
なノイズ(暗電流)が除去される。これによりセンサー
の感度が高く維持される。
好ましい。ストリップが接地されていると、歪みセンサ
ーと先端部の別のセンサーの間で互いに混入する電気的
なノイズ(暗電流)が除去される。これによりセンサー
の感度が高く維持される。
【0021】
【実施例】次に図面を参照しながら本発明の実施例につ
いて説明する。 <第一実施例>第一実施例の集積型SPMセンサーを図
1〜図4に示す。これらの図から分かるように、本実施
例の集積型SPMセンサーは、支持部14から延びたカ
ンチレバー12を有し、カンチレバー12の中央部に長
手方向に延びるピエゾ抵抗層16が形成されている。こ
のピエゾ抵抗層16は歪みに応じて抵抗値が変化する性
質を有し、カンチレバー12の歪みセンサーとなってい
る。カンチレバー12のベース50はn型シリコンであ
り、したがってピエゾ抵抗層16はp型シリコンで形成
されている。カンチレバー12のベース50とピエゾ抵
抗層16は表面が酸化シリコン膜42で覆われている。
酸化シリコン膜42の表面には、ピエゾ抵抗層16を覆
うように、カンチレバー12の中央部を長手方向に延び
る電極20が形成されている。この電極20は、自由端
側の端部がコンタクトホール18を介してピエゾ抵抗層
16に接続されている。また、ピエゾ抵抗層16の支持
部側の端部には、コンタクトホール22を介して電極2
4が接続されている。
いて説明する。 <第一実施例>第一実施例の集積型SPMセンサーを図
1〜図4に示す。これらの図から分かるように、本実施
例の集積型SPMセンサーは、支持部14から延びたカ
ンチレバー12を有し、カンチレバー12の中央部に長
手方向に延びるピエゾ抵抗層16が形成されている。こ
のピエゾ抵抗層16は歪みに応じて抵抗値が変化する性
質を有し、カンチレバー12の歪みセンサーとなってい
る。カンチレバー12のベース50はn型シリコンであ
り、したがってピエゾ抵抗層16はp型シリコンで形成
されている。カンチレバー12のベース50とピエゾ抵
抗層16は表面が酸化シリコン膜42で覆われている。
酸化シリコン膜42の表面には、ピエゾ抵抗層16を覆
うように、カンチレバー12の中央部を長手方向に延び
る電極20が形成されている。この電極20は、自由端
側の端部がコンタクトホール18を介してピエゾ抵抗層
16に接続されている。また、ピエゾ抵抗層16の支持
部側の端部には、コンタクトホール22を介して電極2
4が接続されている。
【0022】カンチレバー12の自由端部には、部分的
にp型シリコン領域26が形成されており、その一部は
鋭く尖った突起状に形成されていて探針10となってい
る。p型シリコン領域26の一部にはp+ 型シリコン領
域28が形成されている。このp+ 型シリコン領域28
は、コンタクトホール30を介して、酸化シリコン膜4
2上に形成されたアルミニウム等の電極32に接続され
ている。この電極32は、カンチレバー12の縁部に沿
って延びていて、その先端部分はp型シリコン領域26
を覆っている。電極32の先端部分には円形の開口が形
成されていて、探針10はこの円形の開口の内側から突
出している。
にp型シリコン領域26が形成されており、その一部は
鋭く尖った突起状に形成されていて探針10となってい
る。p型シリコン領域26の一部にはp+ 型シリコン領
域28が形成されている。このp+ 型シリコン領域28
は、コンタクトホール30を介して、酸化シリコン膜4
2上に形成されたアルミニウム等の電極32に接続され
ている。この電極32は、カンチレバー12の縁部に沿
って延びていて、その先端部分はp型シリコン領域26
を覆っている。電極32の先端部分には円形の開口が形
成されていて、探針10はこの円形の開口の内側から突
出している。
【0023】また、p型シリコン領域26から10μm
以上離れた位置に、n+ 型シリコン領域34が形成され
ている。このn+ 型シリコン領域34は、コンタクトホ
ール36を介して、酸化シリコン膜42上に形成された
アルミニウム等の電極38に接続されている。電極38
は、カンチレバー12の縁部に沿って延びていて、その
先端部分はn+ 型シリコン領域34を覆っている。
以上離れた位置に、n+ 型シリコン領域34が形成され
ている。このn+ 型シリコン領域34は、コンタクトホ
ール36を介して、酸化シリコン膜42上に形成された
アルミニウム等の電極38に接続されている。電極38
は、カンチレバー12の縁部に沿って延びていて、その
先端部分はn+ 型シリコン領域34を覆っている。
【0024】p+ 型シリコン領域28はp型シリコン領
域26と電極32のオーミックコンタクトをとるため
に、同様にn+ 型シリコン領域34はn型シリコン50
と電極38のオーミックコンタクトをとるために設けら
れている。n型シリコン50とp型シリコン領域26で
形成されたpn接合は、探針10に入射する光の強度に
応じた信号を出力する光センサーであるpnフォトダイ
オードを構成している。
域26と電極32のオーミックコンタクトをとるため
に、同様にn+ 型シリコン領域34はn型シリコン50
と電極38のオーミックコンタクトをとるために設けら
れている。n型シリコン50とp型シリコン領域26で
形成されたpn接合は、探針10に入射する光の強度に
応じた信号を出力する光センサーであるpnフォトダイ
オードを構成している。
【0025】この光センサーであるフォトダイオードと
歪みセンサーであるピエゾ抵抗層16の間には、カンチ
レバー12を貫通する長方形の穴40が設けられてい
る。この集積型SPMセンサーを用いて測定を行なう
際、電極20と電極24の間に所定の電位差が与えられ
る。その電位差は、ピエゾ抵抗層16の探針10の側の
端部の電位が0Vとなるように与えられることが好まし
く、たとえば、電極20は接続され、電極24に数ボル
トの正電圧が印加される。カンチレバー12がz方向
(図1の紙面に垂直な方向)に反ると、その反り量(変
位量)に応じてピエゾ抵抗層16の抵抗値が変化するた
め、そこを流れる電流の値が変化する。したがって、電
極20と電極24の間において、電流値の変化を調べる
ことにより、カンチレバー12の変位量が求められる。
歪みセンサーであるピエゾ抵抗層16の間には、カンチ
レバー12を貫通する長方形の穴40が設けられてい
る。この集積型SPMセンサーを用いて測定を行なう
際、電極20と電極24の間に所定の電位差が与えられ
る。その電位差は、ピエゾ抵抗層16の探針10の側の
端部の電位が0Vとなるように与えられることが好まし
く、たとえば、電極20は接続され、電極24に数ボル
トの正電圧が印加される。カンチレバー12がz方向
(図1の紙面に垂直な方向)に反ると、その反り量(変
位量)に応じてピエゾ抵抗層16の抵抗値が変化するた
め、そこを流れる電流の値が変化する。したがって、電
極20と電極24の間において、電流値の変化を調べる
ことにより、カンチレバー12の変位量が求められる。
【0026】また、電極32と電極38の間には、図5
に等価回路を示すように、3〜4ボルトの逆バイアスの
電圧が印加される。電極32と電極38の間のp型シリ
コン領域26とn型シリコン領域50はpnフォトダイ
オードを構成しており、探針10のp型シリコン領域2
6に入射した光の強度に比例した信号が発生する。した
がって、この信号を調べることにより探針10に入射し
た光の強度が求められる。
に等価回路を示すように、3〜4ボルトの逆バイアスの
電圧が印加される。電極32と電極38の間のp型シリ
コン領域26とn型シリコン領域50はpnフォトダイ
オードを構成しており、探針10のp型シリコン領域2
6に入射した光の強度に比例した信号が発生する。した
がって、この信号を調べることにより探針10に入射し
た光の強度が求められる。
【0027】AFM測定を行なっている間、ピエゾ抵抗
層16には常に電流が流れているために熱が発生する。
この熱はカンチレバーの表面を伝搬して広がって行く
が、ピエゾ抵抗層16とpnフォトダイオードの間には
穴40が形成されているため、この穴40によってカン
チレバー12の自由端部に向かう熱の伝搬は遮断され
る。従って、ピエゾ抵抗層16から発生する熱によるp
nフォトダイオードの温度上昇が抑制される。このた
め、探針周辺部に形成されているpnフォトダイオード
の暗電流の変化や熱ドリフトは測定時間に関わらず一定
に保たれもしくは低減される。
層16には常に電流が流れているために熱が発生する。
この熱はカンチレバーの表面を伝搬して広がって行く
が、ピエゾ抵抗層16とpnフォトダイオードの間には
穴40が形成されているため、この穴40によってカン
チレバー12の自由端部に向かう熱の伝搬は遮断され
る。従って、ピエゾ抵抗層16から発生する熱によるp
nフォトダイオードの温度上昇が抑制される。このた
め、探針周辺部に形成されているpnフォトダイオード
の暗電流の変化や熱ドリフトは測定時間に関わらず一定
に保たれもしくは低減される。
【0028】さらに、穴40が形成されているため、ピ
エゾ抵抗層16に印加している電圧とpnフォトダイオ
ードに印加している電圧からの漏れ電流は互いに影響を
及ぼし難くなっている。
エゾ抵抗層16に印加している電圧とpnフォトダイオ
ードに印加している電圧からの漏れ電流は互いに影響を
及ぼし難くなっている。
【0029】このように、本実施例の集積型SPMセン
サーによれば、AFM測定とSNOM測定の同時測定に
おいて、AFM測定における熱ドリフトの影響が少な
く、より分解能の高いSNOM測定が行なえる。
サーによれば、AFM測定とSNOM測定の同時測定に
おいて、AFM測定における熱ドリフトの影響が少な
く、より分解能の高いSNOM測定が行なえる。
【0030】上述の実施例では、細長い穴40がカンチ
レバー12の両側近くまで延びているため、カンチレバ
ー12の強度が部分的に低下する虞がある。このような
カンチレバー12の部分的な強度低下を防止する変形例
として、図6に示すように、カンチレバー12の穴40
の両側の部分を広げてもよい。また、別の変形例とし
て、図7の(A)と(B)に示すように穴40の両側部
分の探針10の側を厚くしてもよい。あるいは、探針1
0の側を厚くする代わりに、(C)に示すように、探針
10の反対側を厚くしてもよい。
レバー12の両側近くまで延びているため、カンチレバ
ー12の強度が部分的に低下する虞がある。このような
カンチレバー12の部分的な強度低下を防止する変形例
として、図6に示すように、カンチレバー12の穴40
の両側の部分を広げてもよい。また、別の変形例とし
て、図7の(A)と(B)に示すように穴40の両側部
分の探針10の側を厚くしてもよい。あるいは、探針1
0の側を厚くする代わりに、(C)に示すように、探針
10の反対側を厚くしてもよい。
【0031】また、本実施例では、カンチレバー12に
形成した穴40は長方形であったが、ピエゾ抵抗層とp
nフォトダイオード部を遮断する形状であれば、他の形
状であっても一向に構わない。たとえば、ピエゾ抵抗層
とフォトダイオードの間に小さな多数の穴を設けてメッ
シュ状にしてもよい。この場合、カンチレバーを励振し
て測定を行なうAFM測定においては、空気のダンピン
グ効果による測定感度の低下が少なくなるという二次的
な効果も得られる。
形成した穴40は長方形であったが、ピエゾ抵抗層とp
nフォトダイオード部を遮断する形状であれば、他の形
状であっても一向に構わない。たとえば、ピエゾ抵抗層
とフォトダイオードの間に小さな多数の穴を設けてメッ
シュ状にしてもよい。この場合、カンチレバーを励振し
て測定を行なうAFM測定においては、空気のダンピン
グ効果による測定感度の低下が少なくなるという二次的
な効果も得られる。
【0032】<第二実施例>第二実施例の集積型SPM
センサーを図8と図9に示す。図中、第一実施例と同等
の部材は同じ符号で示してある。また、図8のA−A
線、B−B線における断面構造は、第一実施例と全く同
じであり、それぞれ図3と図4に示される。
センサーを図8と図9に示す。図中、第一実施例と同等
の部材は同じ符号で示してある。また、図8のA−A
線、B−B線における断面構造は、第一実施例と全く同
じであり、それぞれ図3と図4に示される。
【0033】本実施例の集積型SPMセンサーは、第一
実施例のように穴40を設ける代わりに、ピエゾ抵抗層
16の周辺を囲むようにカンチレバー12の支持部14
から自由端部に向けて帯状に延びたアルミニウムの配線
(ストリップ)44が設けられている。この配線44
は、アルミニウムの放熱板46に接続されており、この
放熱板46を介して接地されている。
実施例のように穴40を設ける代わりに、ピエゾ抵抗層
16の周辺を囲むようにカンチレバー12の支持部14
から自由端部に向けて帯状に延びたアルミニウムの配線
(ストリップ)44が設けられている。この配線44
は、アルミニウムの放熱板46に接続されており、この
放熱板46を介して接地されている。
【0034】ピエゾ抵抗層16で発生した熱は、熱電動
率の良いアルミニウムの配線44を通じて放熱板46か
ら放射される。さらに、配線44は接地されているた
め、pnフォトダイオードで発生する暗電流や電極2
0、24、32、38に印加される電圧によってカンチ
レバー表面に発生する漏れ電流は除去される。
率の良いアルミニウムの配線44を通じて放熱板46か
ら放射される。さらに、配線44は接地されているた
め、pnフォトダイオードで発生する暗電流や電極2
0、24、32、38に印加される電圧によってカンチ
レバー表面に発生する漏れ電流は除去される。
【0035】従って、本実施例の集積型SPMセンサー
によれば、AFM測定における熱ドリフトの影響をpn
フォトダイオードに与えることなくSNOM測定が行な
える。
によれば、AFM測定における熱ドリフトの影響をpn
フォトダイオードに与えることなくSNOM測定が行な
える。
【0036】また、放熱板からの熱の放射効率を良くし
たり、あるいは積極的に冷却することによって、ピエゾ
抵抗層の昇温を抑え、熱ドリフトの少ない、より高感度
のAFM測定が行なえる。
たり、あるいは積極的に冷却することによって、ピエゾ
抵抗層の昇温を抑え、熱ドリフトの少ない、より高感度
のAFM測定が行なえる。
【0037】加えて、暗電流や漏れ電流を除去できるた
め、SNOM信号やAFM信号のノイズが小さくなり、
SNOM測定やAFM測定の感度が向上する。上述のい
ずれの実施例においても、カンチレバーの形状は略I字
型であるが、カンチレバーの形状はU字型やE字型であ
っても一向に構わない。
め、SNOM信号やAFM信号のノイズが小さくなり、
SNOM測定やAFM測定の感度が向上する。上述のい
ずれの実施例においても、カンチレバーの形状は略I字
型であるが、カンチレバーの形状はU字型やE字型であ
っても一向に構わない。
【0038】また、n型シリコンをベースにしたが、p
型シリコンをベースにして、p型シリコンとn型シリコ
ン、p+ 型シリコンとn+ 型シリコンをそれぞれ逆に形
成した構成としてもよい。
型シリコンをベースにして、p型シリコンとn型シリコ
ン、p+ 型シリコンとn+ 型シリコンをそれぞれ逆に形
成した構成としてもよい。
【0039】また、上述の実施例においては、PNフォ
トダイオードに逆バイアスをかけているが、入射した光
が検出できれば、特に電圧を印加しなくてもよい。さら
に、カンチレバーの自由端部に設けるセンサーとして光
センサーを示したが、他のセンサーたとえば磁気センサ
ーや温度センサー等であってもよい。シリコンプレナー
技術を用いて作製できる磁気センサーとしては、一例と
してバーチカルnpn磁気トランジスタがあげられる。
同様に、シリコンプレナー技術を用いて作製できる温度
センサーとしては、たとえば、広がり抵抗式温度センサ
ーやバイポーラトランジスタがあげられる。バイポーラ
トランジスタは、ベース・エミッタ間の接合電位が温度
に比例して変化する性質を利用することで、温度センサ
ーとして使用できる。
トダイオードに逆バイアスをかけているが、入射した光
が検出できれば、特に電圧を印加しなくてもよい。さら
に、カンチレバーの自由端部に設けるセンサーとして光
センサーを示したが、他のセンサーたとえば磁気センサ
ーや温度センサー等であってもよい。シリコンプレナー
技術を用いて作製できる磁気センサーとしては、一例と
してバーチカルnpn磁気トランジスタがあげられる。
同様に、シリコンプレナー技術を用いて作製できる温度
センサーとしては、たとえば、広がり抵抗式温度センサ
ーやバイポーラトランジスタがあげられる。バイポーラ
トランジスタは、ベース・エミッタ間の接合電位が温度
に比例して変化する性質を利用することで、温度センサ
ーとして使用できる。
【0040】以上、実施例に沿って本発明について説明
したが、本発明は上述した実施例に限るものではなく、
発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々多くの変形
が可能である。
したが、本発明は上述した実施例に限るものではなく、
発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々多くの変形
が可能である。
【0041】ここで、本発明の要旨をまとめると以下の
ようになる。 1.支持部と、支持部から延びた柔軟なカンチレバーと
からなり、カンチレバーは、その長手方向に延びる、歪
みに応じて抵抗値が変化する抵抗層と、その先端部に形
成された、試料表面の局所領域における特定の物理量を
受けるプローブと、プローブが受けた物理量を感知する
センサーとを有している、集積型SPMセンサー。
ようになる。 1.支持部と、支持部から延びた柔軟なカンチレバーと
からなり、カンチレバーは、その長手方向に延びる、歪
みに応じて抵抗値が変化する抵抗層と、その先端部に形
成された、試料表面の局所領域における特定の物理量を
受けるプローブと、プローブが受けた物理量を感知する
センサーとを有している、集積型SPMセンサー。
【0042】2.前項1において、抵抗層とセンサーの
間に穴が形成されている集積型SPMセンサー。 3.前項2において、穴がカンチレバーの幅方向に細長
い形状をしている集積型SPMセンサー。
間に穴が形成されている集積型SPMセンサー。 3.前項2において、穴がカンチレバーの幅方向に細長
い形状をしている集積型SPMセンサー。
【0043】4.前項3において、カンチレバーの穴の
両側の部分が幅広になっている集積型SPMセンサー。 5.前項3において、カンチレバーの穴の両側の部分が
厚くなっている集積型SPMセンサー。
両側の部分が幅広になっている集積型SPMセンサー。 5.前項3において、カンチレバーの穴の両側の部分が
厚くなっている集積型SPMセンサー。
【0044】6.前項2において、穴は多数形成されて
いて、抵抗層とセンサーの間にメッシュ状の領域が形成
されている集積型SPMセンサー。 7.前項1において、抵抗層とセンサーの間を横切って
延びる伝熱性と導電性の良いストリップを更に有してい
る集積型SPMセンサー。
いて、抵抗層とセンサーの間にメッシュ状の領域が形成
されている集積型SPMセンサー。 7.前項1において、抵抗層とセンサーの間を横切って
延びる伝熱性と導電性の良いストリップを更に有してい
る集積型SPMセンサー。
【0045】8.前項7において、ストリップは抵抗層
の両側にほぼ平行に延びる部分を有している集積型SP
Mセンサー。 9.前項7または前項8において、ストリップに熱的に
接続された放熱板を更に備えている集積型SPMセンサ
ー。 10.前項7ないし前項9において、ストリップが接地
されている集積型SPMセンサー。
の両側にほぼ平行に延びる部分を有している集積型SP
Mセンサー。 9.前項7または前項8において、ストリップに熱的に
接続された放熱板を更に備えている集積型SPMセンサ
ー。 10.前項7ないし前項9において、ストリップが接地
されている集積型SPMセンサー。
【0046】
【発明の効果】本発明によれば、カンチレバーの先端部
に設けられたセンサーが、歪みセンサーである抵抗層の
発熱による影響を受け難いため、先端部のセンサーの感
度が向上する。さらに、暗電流や漏れ電流が少なくなる
ので、二つのセンサーの感度が共に向上する。したがっ
て、各センサーに基づく測定を共に高分解能で行なうこ
とができる。
に設けられたセンサーが、歪みセンサーである抵抗層の
発熱による影響を受け難いため、先端部のセンサーの感
度が向上する。さらに、暗電流や漏れ電流が少なくなる
ので、二つのセンサーの感度が共に向上する。したがっ
て、各センサーに基づく測定を共に高分解能で行なうこ
とができる。
【図1】第一実施例の集積型SPMセンサーを探針の側
から見た平面図である。
から見た平面図である。
【図2】図1の集積型SPMセンサーのII−II線に
おける断面図である。
おける断面図である。
【図3】図1の集積型SPMセンサーのIII−III
線における断面図である。
線における断面図である。
【図4】図1の集積型SPMセンサーのIV−IV線に
おける断面図である。
おける断面図である。
【図5】第一実施例の探針周辺の等価回路を示す図であ
る。
る。
【図6】第一実施例のカンチレバー形状の変形例を示す
図である。
図である。
【図7】第一実施例のカンチレバー形状の別の変形例を
示す図である。
示す図である。
【図8】第二実施例の集積型SPMセンサーを探針の側
から見た平面図である。
から見た平面図である。
【図9】図8の集積型SPMセンサーのIX−IX線に
おける断面図である。
おける断面図である。
【図10】従来の集積型SPMセンサーの製造工程を説
明する図である。
明する図である。
【図11】従来の集積型SPMセンサーにおいて変位を
測定する回路の構成を示す図である。
測定する回路の構成を示す図である。
10…探針、12…カンチレバー、14…支持部、16
…抵抗層、26…p型シリコン領域、40…穴、50…
n型シリコン。
…抵抗層、26…p型シリコン領域、40…穴、50…
n型シリコン。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H01J 37/28 Z
Claims (3)
- 【請求項1】 支持部と、支持部から延びた柔軟なカン
チレバーとからなり、カンチレバーは、その長手方向に
延びる、歪みに応じて抵抗値が変化する抵抗層と、その
先端部に形成された、試料表面の局所領域における特定
の物理量を受けるプローブと、プローブが受けた物理量
を感知するセンサーとを有している、集積型SPMセン
サー。 - 【請求項2】 請求項1において、抵抗層とセンサーの
間に穴が形成されている集積型SPMセンサー。 - 【請求項3】 請求項1において、抵抗層とセンサーの
間を横切って延びる伝熱性と導電性の良いストリップを
更に有している集積型SPMセンサー。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
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