JPH0894652A

JPH0894652A - 走査型プローブ顕微鏡用プローブ

Info

Publication number: JPH0894652A
Application number: JP6231440A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Sato; 健一佐藤
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1994-09-27
Filing date: 1994-09-27
Publication date: 1996-04-12

Abstract

(57)【要約】【目的】交換時に精度よく本体に取り付けることのでき
るプローブを提供する。【構成】探針１２と、探針１２が一端に取り付けられた
可撓性のレバー部１１と、レバー部１１の他端を支持す
る支持体１３とを有する。支持体１３には、位置決めの
ための嵌合部１５、１６が設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、試料表面上をプローブ
によって走査することにより、試料表面の物理的特徴を
とらえる走査型プローブ顕微鏡に用いられるプローブに
係る。特に、試料とプローブとの原子間力によって、試
料表面の凹凸を観察する原子間力顕微鏡のプローブに関
する。

【０００２】

【従来の技術】試料表面上をプローブによって走査する
ことにより、試料表面の物理的特徴をとらえる走査型プ
ローブ顕微鏡のひとつとして原子間力顕微鏡が知られて
いる。原子間力顕微鏡（ＡｔｏｍｉｃＦｏｒｃｅＭ
ｉｃｒｏｓｃｏｐｅ：以下ＡＦＭと称す）は、試料表面
に接近して置かれた探針と試料表面との間において、両
者の距離に応じて作用する種々の力（原子間力）を検出
し、この探針を走査することで原子レベルの精度で試料
表面の凹凸像を得る顕微鏡である。

【０００３】ＡＦＭ用プローブは、端部に探針が備えら
れたレバー部分と、レバー部分を片持ち支持する支持部
分とからなる。レバー部分は、探針の先端と試料との間
に働く原子間力によって、撓みが生じる程度に柔軟であ
る。原子間力顕微鏡は、このようなプローブを試料表面
上で走査する系と、レバー部分の撓み変位量を検出する
ことによって、原子間力を検出する変位検出系とを備え
ている。

【０００４】ＡＦＭ用プローブが破損した場合には、交
換する必要があるが、交換後のプローブを、変位検出系
に対して再現性よく正確な位置に取り付けることができ
るかどうかが、顕微鏡の使い勝手と、検出精度とに影響
をおよぼす。しかしながら、プローブの大きさは、レバ
ー部分がミクロンオーダーであり、また、支持部分が数
ミリ角、厚さ１ミリ以下の板状（一例としては、幅１．
５ミリ、長さ３．７ミリ、厚さ０．５ミリ）である。そ
のため、取扱いが非常にむずかしかった。

【０００５】特開平３−２５１７０５号公報では、端部
に探針が備えられたレバー部分と、このレバー部を片持
ち支持するカンチレバー部分と、カンチレバー部分をさ
らに支持する台座とからなるプローブが開示されてい
る。レバー部分とカンチレバー部分は、一体に形成され
ている。カンチレバー部分は、台座とは別体であり、両
者はあらかじめ接着されている。プローブを交換すると
きは、台座ごと、顕微鏡本体にねじ止めする。

【０００６】特開平５−１２６５６１号公報では、複数
のプローブを、アレイ状に連結することにより取扱いを
容易にしたものが開示されている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
３−２５１７０５号公報に記載されているプローブは、
カンチレバー部をレバー台座にあらかじめ接着する工程
が必要である。この接着工程は、作業効率が悪くコスト
高になる。また、プローブを顕微鏡本体に精度よく取り
付けるためには、カンチレバー部とレバー台座との間の
当て付け部分、ならびに、レバー台座と顕微鏡本体との
間の当て付け部分の寸法精度を向上させる必要がある。
従って、製造工程が複雑になるという問題があった。ま
た、レバー台座を顕微鏡本体に取り付ける際の取付け精
度を向上させる必要もある。

【０００８】本発明は、製造工程が単純で、しかも、精
度よく顕微鏡本体に取り付けることのできるプローブを
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のよれば、探針と、前記探針が一端に取り付
けられたレバー部と、前記レバー部の他端を支持する支
持体とを有し、前記支持体には、位置決めのための嵌合
部が設けられていることを特徴とするプローブが提供さ
れる。

【００１０】

【作用】本発明のプローブは、レバー部を支持する支持
体に、位置決めのため嵌合部が設けられている。支持体
は、走査型プローブ顕微鏡本体のプローブ取付けのため
の台座に直接取り付けられる。支持体の大きさは、位置
決めのための嵌合部が設けられる程度に大きくする。プ
ローブの支持体の嵌合部は、本体の台座に設けられてい
る嵌合部と嵌合する。このように嵌合部を設けたことに
より、正確な位置合わせが容易に行われる。また、プロ
ーブの支持体が、直接、台座部に取り付けられる構造で
あるため、従来のように、プローブのレバー部を支持す
る部分を一旦別の部材に取付け、この部材をさらに本体
に取り付ける必要がない。プローブの支持体の嵌合部
は、プローブ製造工程のフォトリソグラフィーの工程に
よって、容易に形成することができる。

【００１１】

【実施例】本発明の一実施例について図面を用いて説明
する。

【００１２】まず、本発明の第１の実施例の原子間力顕
微鏡について説明する。

【００１３】図２のように、本実施例の原子間力顕微鏡
は、鏡脚１０５上に、試料台２０２が備えられ、アーム
１０６に、プローブ台座１０３と、光源１０７と、検出
光学系１０８が取り付けられている。プローブ台座１０
３には、プローブ１０４が取り付けられている。

【００１４】プローブ１０４は、図１（ａ）、（ｂ）に
示すように、三角形状のレバー部１１と、レバー部１１
の一辺を支持する板状の支持体１３と、レバー部１１の
先端に立設する探針１２とにより構成されている。支持
体１３には、２つの凹部１５、１６が形成されている。
凹部１５、１６の内側面は、四角錐の形状である。支持
体１３は、長さ８ミリ、幅１．５ミリ、厚さ０．５ミリ
である。

【００１５】図３に示すように、プローブ台座１０３に
は、板バネ２１がねじ２２によって固定されている。ま
た台座面２３には、２つの凸部２４、２５が形成されて
いる。凸部２４、２５は、円柱の形状である。

【００１６】プローブ１０４は、支持体１３が台座面２
３と板バネ２１とによって挾まれることによって、台座
１０３に取り付けられる。この時、プローブ１０４の支
持体１３の凹部１５、１６は、台座１０３の凸部２４、
２５と嵌合する。これにより、プローブ１０４は、支持
体１３の主平面方向について正確に位置合わせされる。

【００１７】試料台２０２の上には、試料１０１が搭載
される。試料台２０２は、圧電材料で構成された筒体１
０９と、筒体１０９に取り付けられた電極１１０とによ
って構成される。電極１１０には、駆動回路（図示せ
ず）が接続されている。電極１１０から電圧を印加され
た筒体１０９は、ｘｙｚ方向に伸縮する。駆動回路は、
電極１１０に、筒体１０９の伸縮によって、ｘｙｚ方向
に試料１０１を移動させる電圧信号を出力することによ
り、プローブ１０４に対して試料１０１を走査させる。

【００１８】光源１０７は、プローブ１０４のレバー部
１１に対してレーザ光を照射する。検出光学系１０８
は、レバー部１１からの反射光を検出する。この時、検
出光学系１０８に光が入射する位置により、レバー部１
１の変位量を検出する。処理装置（図示せず）は、検出
光学系１０８の検出したレバー１１の変位量をデータ処
理することにより、試料１０１表面の凹凸像を反映した
情報をＣＲＴ（図示せず）に表示させる。

【００１９】プローブ１０４が損傷した場合には、新た
なプローブ１０４に交換する必要がある。この時、プロ
ーブ１０４のレバー１１の位置が、交換前後でずれる
と、光源１０７と検出光学系１０８の光軸合わせを行わ
なければならない。しかしながら、本実施例の原子間力
顕微鏡では、上述したように、プローブ１０４の支持体
１３に凹部１５、１６を設けており、これが本体の台座
１０３に設けられた凸部と嵌合することによって、プロ
ーブを常に同じ位置に正確に取り付けることができる。
よって、本実施例の原子間力顕微鏡では、プローブ交換
後においても、光源１０７と検出光学系１０８の光軸合
わせを行うことなく、観察を続行することができる。

【００２０】また、プローブ１０４を交換する際に、プ
ローブ１０４の支持体１３を台座面２３と板バネ２１と
の間に挾むだけで、プローブ１０４を、台座１０３に取
り付けることができる。よって、本実施例の原子間力顕
微鏡は、プローブ交換時の使い勝手が非常によい。

【００２１】プローブ１０４の支持体１３の凹部１５、
１６は、プローブ１０４の製造時のフォトリソグラフィ
の工程によって、高い精度で容易に形成することができ
る。プローブ１０４の製造工程をさらに説明する。

【００２２】まず、図４（ａ）のように、シリコン基板
３１の両面にシリコン窒化膜３２を形成する。その後、
探針１２を形成する領域３３と、凹部１５、１６を形成
する領域３４について、フォトリソグラフィーにより上
面のシリコン窒化膜３２を除去する。

【００２３】つぎに、ＫＯＨやＴＭＡＨ（テトラメチル
アンモニウムハイドロオキサイド）溶液に、シリコン基
板３１を浸漬し、シリコン基板３１をエッチングする。
シリコン基板３１の結晶の異方性により、シリコン基板
３１には、四角錐型の凹部３５、３６が形成される（図
４（ｂ））。

【００２４】その後、基板３１の両面にさらにシリコン
窒化膜３７を形成することにより、凹部３５、３６の内
壁面をシリコン窒化膜３７で覆う。そして、支持体１３
となる領域以外の部分について、基板３１の下面側のシ
リコン窒化膜３２、３７を除去する（図４（ｃ））。さ
らに、ＫＯＨ溶液や、ＴＭＡＨ溶液に基板３１を浸漬し
て、レバー部１１となる部分のシリコン基板３１を除去
する。これにより、探針１２、レバー部１１、凹部１
５、１６を備えた支持体１３からなるプローブ１０４が
完成する。

【００２５】このように、プローブ１０４の位置合わせ
用の凹部１５、１６は、従来より探針１２を形成するた
めに行われていた工程によって形成することができるた
め、工程を増やす必要がない。そのため、製造コストを
従来と同程度に保ちながら、交換時の位置合わせが容易
なプローブ１０４を提供することができる。

【００２６】また、位置合わせ用の凹部１５、１６を位
置を決める工程は、フォトリソグラフィーの工程である
ので、製品間における凹部１５、１６の位置の誤差を非
常に低く押さえることができる。よって、プローブ１０
４を交換した場合にも、光源１０７、検出光学系１０８
の光軸をほとんど変えることなく、観察を再開すること
ができるため、使い勝手のよい原子間力顕微鏡を提供す
ることができる。

【００２７】さらに、本実施例のプローブ１０４は、支
持体１３を直接、台座１０３と板バネ２１の間に挾む構
成であるので、プローブ交換作業は、簡単で、短時間に
行うことができる。

【００２８】上述のプローブ１０４の製造工程では、プ
ローブ１０４を１個製造する工程を説明したが、シリコ
ン基板３１上に一度に数百個のプローブ１０４を形成す
ることができる。この場合には、プローブを隣接させて
並列に配置し、図４（ａ）、（ｂ）の工程の際に、プロ
ーブとプローブの間に、異方性エッチングによってＶ溝
を形成しておく。このように、Ｖ溝を形成しておくこと
により、Ｖ溝に沿ってシリコン基板をへき開すること
で、隣接するプローブを切り離すことができる。また、
本実施例においては、図３のように支持体１３の上面側
にレバー部１１が取り付けられた構成であるため、探針
１２を試料１０１に接触させるためには、図２のよう
に、プローブ１０４を傾ける必要がある。この場合、探
針１２を試料１０１の表面に垂直に接触させるために、
レバー部１１に反りを持たせることができる。

【００２９】本発明の第２の実施例として、プローブの
別の例について説明する。

【００３０】第２の実施例のプローブ２０４は、図５
（ａ）に示すように、支持体５４が台形の板状部材から
なる。すなわち、支持体５４がレバー部５２と接する辺
５７は、本体の台座に取り付けられる辺５８よりも短く
なっている。また、図５（ｂ）のようにレバー部５２
は、支持体５１の下面側に設けられている。支持体５１
の下面には、位置合わせ用の凹部５９、６０、６１が設
けられている。

【００３１】また、図５のプローブ２０４を搭載する原
子間力顕微鏡は、図６のように、プローブ取付け用の台
座２０５を備えている。台座面６４には、位置合わせ用
の凹部５９、６０、６１とそれぞれ嵌合する３つの円柱
状凸部６２が設けられている。また、台座２０５には、
板バネ２０６がねじ２０７で固定されており、プローブ
２０４の支持体５１は、台座面６４と板バネ２０６とで
挾まれることによって支持される。

【００３２】このように本実施例のプローブ２０４は、
支持体５１のうちレバー部５２を支持する辺５７が短い
台形であるので、図７のように、試料１０１が辺５７の
方向について傾斜している場合であっても、支持体５１
は試料１０１に大接近するのみで、試料と接触しにく
い。これが、図７と同じ条件で辺５７が長い場合には、
図８のように、試料１０１の表面に支持体５１が接触
し、干渉される。

【００３３】このように、プローブ２０４の支持体を図
５のような形状にすることにより、試料１０１と支持体
５１とが接触しにくいという効果が得られる。また、第
１の実施例と同様に、位置決め用の凹部５９、６０、６
１を設けているので、正確な位置にプローブを取り付け
ることができる。

【００３４】つぎに、図５のプローブの製造方法につい
て説明する。

【００３５】まず、２枚のシリコン基板７１、７２を用
意する。

【００３６】シリコン基板７１によって、レバー部５２
となる部分を作製する。この手順を説明する。

【００３７】シリコン基板７１の両面にシリコン窒化膜
を形成する。その後、探針５３を形成する領域につい
て、フォトリソグラフィーにより上面のシリコン窒化膜
を除去する。つぎに、ＫＯＨやＴＭＡＨ溶液に、シリコ
ン基板７１を浸漬し、シリコン基板７１をエッチングす
る。シリコン基板７１の結晶の異方性により、シリコン
基板７１には、四角錐形状の凹部が形成される。その
後、基板７１の両面にさらにシリコン窒化膜を形成する
ことにより、凹部の内壁面をシリコン窒化膜７３で覆う
（図９（ａ））。

【００３８】一方、基板７２によって支持体５１となる
部分を作製する。この手順を説明する。

【００３９】シリコン基板７２の両面にシリコン窒化膜
を形成する。上面のシリコン窒化膜７４は、支持体５１
の形状以外の領域と、位置決め用の凹部５９、６０、６
１の領域をフォトリソグラフィーにより取り除く。その
後、基板７２の下面にパイレックスガラス製の接着層７
５をスパッタリングにより成膜する。さらに、図９
（ｂ）の様に、支持体５１の外側となる領域部分の一部
７６をダイシングによって取り除く。これは、図９
（ｃ）の工程において、基板７１のレバー部５２となる
部分のシリコン窒化膜７３と、基板７２の接着層とを接
触させないためである。

【００４０】つぎに図９（ｃ）のように、シリコン基板
７１と、シリコン基板７２とを、陽極接合法を用いて接
合する。この時、基板７１と基板７２とのアライメント
は、両面アライナーを用いて、または、赤外光によって
基板７１と基板７２とを同時に観察しながら、正確にア
ライメントを行い接合する。

【００４１】その後、基板７１と基板７２とをＫＯＨ溶
液やＴＭＡＨ溶液に浸し、不要なシリコンをエッチング
し、プローブ２０４を完成させる（図９（ｄ））。

【００４２】図９（ｂ）の工程においては、ウエハー状
の１枚の基板７２から複数の支持体５１となる部分を形
成する工程にすることができる。この場合、支持体５１
の配置の一例を図１０に示す。１枚のシリコン基板７２
から、２７個の支持体を形成することができる。支持体
５１の外形は、図９（ｂ）の工程で各層７４、７５を形
成した後、ダイシングによって切り離す。また、図１０
の配置に限らず、図１１のように、台形を交互に配置す
ることもできる。図１１の場合には、図１０の配置より
も、基板７２から多くの支持体５１を形成することがで
きる。

【００４３】上述の第１、第２の実施例では、原子間力
顕微鏡と、そのプローブについて説明したが、本発明の
プローブは、原子間力顕微鏡に限定されるものではな
く、例えば磁気力顕微鏡（ＭＦＭ）等の他の走査型プロ
ーブ顕微鏡に用いることももちろん可能である。

【００４４】図１２に、図５のプローブを磁気力顕微鏡
のプローブに改造した例を示す。レバー部５２上の２ヵ
所に圧電材料からなる層３１を形成する。そして、支持
体５１上に電極３３を配置し、層３１からそれぞれ２本
の配線ケーブル３２を引き出し電極３３と接続する。

【００４５】電極３３を外部の駆動回路と接続し、圧電
材料からなる層３１に電圧を印加することにより、層３
１が伸縮し、これによりレバー５２を振動させる。そし
て、レバー５２を一定の周期振動させた状態で、プロー
ブを試料１０１に接近させると、試料１０１表面の磁気
力の大小に応じて、レバー５２の振動周期に変調が生じ
る。この振動周期の変調を、図２の検出光学系で検出す
ることにより、試料１０１表面の磁気力の大小を調べる
ことができる。このような磁気力顕微鏡においても、支
持体５１上に、図５のように位置決め用の凹部を設ける
ことにより、プローブを精度よく本体の台座に取り付け
ることができ、使い勝手が向上する。

【００４６】

【発明の効果】以上に述べてきたように、本発明によれ
ば、製造工程が単純でありながら、精度よく顕微鏡本体
に取付けることのできるプローブを提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の第１の実施例の原子間力顕微鏡
用プローブの上面図。（ｂ）切欠き断面図。

【図２】本発明の第１の実施例の原子間力顕微鏡の構成
を示す側面図。

【図３】図２の原子間力顕微鏡のプローブと台座部分の
切欠き断面図。

【図４】図１のプローブの製造手順を示す説明図。

【図５】（ａ）本発明の第２の実施例の原子間力顕微鏡
用プローブの上面図。（ｂ）側面図。

【図６】第２の実施例の原子間力顕微鏡のプローブと台
座部分の構成を示す切欠き断面図。

【図７】図５のプローブと試料との位置関係を示す側面
図。

【図８】図５のプローブと試料との位置関係を示す側面
図。

【図９】図５のプローブの製造手順を示す説明図。

【図１０】図５のプローブの支持体の製造方法を示す説
明図。

【図１１】図５のプローブの支持体の製造方法を示す説
明図。

【図１２】図５のプローブを磁気力顕微鏡に改造した場
合の部分上面図。

【符号の説明】

１１…レバー部、１２…探針、１３…支持体、１５、１
６…位置決め用凹部、２４、２５…位置決め用凸部、２
０２…試料台、１０３…台座。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】探針と、前記探針が一端に取り付けられた
可撓性のレバー部と、前記レバー部の他端を支持する支
持体とを有し、前記支持体には、位置決めのための嵌合部が設けられて
いることを特徴とするプローブ。
【請求項２】請求項１において、前記嵌合部は、穴部で
あることを特徴とするプローブ。
【請求項３】請求項２において、前記穴部は、四角錐形
状であることを特徴とするプローブ。
【請求項４】試料台と、プローブと、前記プローブを取
り付けるための台座部と、前記プローブを前記試料台上
の試料に対して相対的に走査させるための走査部と、前
記プローブの変位を検出するための検出部とを有する走
査型プローブ顕微鏡において、前記プローブは、探針と、前記探針が一端に取り付けら
れた可撓性のレバー部と、前記レバー部の他端を支持す
る支持体とを有し、前記支持体には、位置決めのための凹部が設けられ、前
記台座には、支持体の凹部に嵌合する凸部が設けられて
いることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】探針と、前記探針が一端に取り付けられた
可撓性のレバー部と、前記レバー部の他端を支持する支
持体とを有し、前記支持体は、前記レバー部を支持する一辺の長さが、
前記一辺に対向する辺の長さよりも短いことを特徴とす
るプローブ。