JPH09166606A

JPH09166606A - 集積化微細装置

Info

Publication number: JPH09166606A
Application number: JP7328707A
Authority: JP
Inventors: Tomihiro Hashizume; 富博橋詰; Seiji Heike; 誠嗣平家; Maaku Ratobitsuchi; ラトビッチ・マーク; Munehisa Mitsuya; 宗久三矢; Tsuneo Ichiguchi; 恒雄市口; Satoshi Watanabe; 聡渡邊; Yasuo Wada; 恭雄和田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-12-18
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 1997-06-24

Abstract

(57)【要約】【課題】分解能を損なわずに単位時間あたりの走査領
域が従来と比して飛躍的に広い表面形状測定装置を提供
すること。【解決手段】集積化静電アクチュエータと該集積化静
電アクチュエータを駆動機構とする走査プローブ顕微鏡
方式の表面形状測定素子を具備し、該表面形状測定素子
を二次元状又は一次元状に多数配列した構造を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超小型の集積化静電
アクチュエータによる形状測定装置あるいは記憶装置と
して有用な集積化微細装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、例えば、高分解能を有する表面形
状測定装置について見ると、近接場原理を利用して高空
間分解能を持たせた光顕微鏡、走査トンネル顕微鏡ある
いは原子間力顕微鏡など走査プローブ顕微鏡が開発され
広く用いられている。この装置の分解能は、一般的に、
試料表面と平行な方向で２０ｎｍ〜０．１ｎｍ程度、試
料表面と垂直な方向で１ｎｍ〜０．０１ｎｍ程度であ
る。しかし、高分解能を有する走査プローブ顕微鏡にお
いては、探針と試料間の距離をサーボ機構を用いて２０
ｎｍ〜０．５ｎｍ程度に制御する必要があるため、走査
速度は１０μｍ／ｓ以上にはできない。また、通常の走
査プローブ顕微鏡の走査機構は、ピエゾ素子、電歪素子
等の電圧−機械歪変換素子を用いるため、走査範囲は素
子の大きさの１／１００を超えない。

【０００３】また、記憶装置について見ると、上記プロ
ーブ顕微鏡を記憶装置に発展させる試みがなされている
が、十分な成果を上げていない。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、走査プロー
ブ顕微鏡の構造を用いた高分解能の集積化微細装置にお
いて、分解能を損なわずに単位時間あたりの走査領域を
従来に比して飛躍的に大きく出来る装置を提供するもの
である。

【０００５】さらに、本発明は、集積化微細装置の各エ
レメントの走査範囲が素子本体の大きさの約１／３に達
する集積化微細装置を提供するものである。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の集積化微細装置
は、半導体微細加工技術により基本となる１枚のウェハ
ー上に走査プローブ顕微鏡構造を一次元状又は二次元状
に多数配列して形成することにより実現される。

【０００７】

【発明の実施の形態】本発明では、走査プローブ顕微鏡
構造を用いており、試料表面に平行な方向、垂直な方向
ともに分解能が極めて高い。

【０００８】また、本発明にかかわる集積化微細装置は
半導体微細加工技術により、高精度に作成でき、基本と
なる１枚のウェハー上に二次元状又は一次元状に多数配
列できるから、走査プローブ顕微鏡の分解能を損なうこ
となく、測定の高速化を達成できる。

【０００９】実施例１本実施例は、本発明を表面形状測定装置に適用した例で
ある。

【００１０】図１は、本実施例にかかわる表面形状測定
装置の構成の概念を示す斜視図である。表面形状測定素
子２は半導体微細加工技術により作成され、一端に探針
が形成された超小型ＳＴＭ要素であり、これが多数２次
元的に配列された構造を持ち表面形状測定装置１を形成
する。半導体微細加工技術により作成される表面形状測
定素子２は、図４で具体的に説明するように、１枚の半
導体ウェハーに１次元状に連続的に形成され、これが何
枚か重ねられて２次元配列の表面形状測定装置１を形成
する。図では、構成を分かりやすくするために、表面形
状測定素子２が独立している形で示したが、これらは、
後述するように、探針部を除き一体的な外見を持つもの
となる。

【００１１】表面形状測定素子２の探針は、したがっ
て、試料３の面に２次元配列された形で対向するものと
なる。これらの探針は、走査プローブ顕微鏡と同様に走
査制御されて、試料３の表面形状を並列に一斉に測定す
る。また表面形状測定素子２の本体部（可動部でない部
分）には、後述するように、探針の走査制御のための回
路を初めとする探針のアクチュエートのために必要な制
御回路を全て構成することが出来る。

【００１２】一般に、走査プローブ顕微鏡は、探針と試
料間の距離を数十ｎｍ以下に保ち、探針と試料間で様々
な媒体を通じて試料表面における物理・化学情報の二次
元マッピングを行う。本実施例の表面形状測定において
も、媒体として、主に、トンネル電子、原子間力、磁気
力、試料表面電圧等を用いることができるが、これに限
定されるわけではなく、その他の静電気力、電荷容量、
光、スピン偏極電子等の媒体も使用できる。走査プロー
ブ顕微鏡の空間分解能は用いる媒体により異なるが、一
般には、試料表面に平行な方向で２０ｎｍ〜０．１ｎｍ
程度、試料表面に垂直な方向で１ｎｍ〜０．０１ｎｍ程
度である。本実施例では、トンネル電子を媒体として用
いて探針と試料間の距離を１ｎｍにした場合について、
試料表面に平行な方向で０．１ｎｍ、試料表面に垂直な
方向で０．０１ｎｍの分解能が得られている。

【００１３】図２は、本実施例の表面形状測定素子２に
おいて駆動機構として用いることが出来る集積化静電ア
クチュエータ部分の構造を示す。図２（ａ）は２電極型
の集積化静電アクチュエータの基本的な構造を示す。多
数の櫛形電極１３と１４がそれぞれ固定電極１１と可動
電極１２に接続されていて、櫛形電極１３と１４は互い
に入れ子状に形成されている。固定電極１１と可動電極
１２間に駆動電圧Ｖ_aを印加すると、両電極間に引っ張
りの駆動力が生じる。この引っ張りの駆動力の方向をＸ
方向と呼ぶ。

【００１４】Ｘ方向の駆動力の大きさＦ（Ｘ）は、櫛形
電極１３、１４の長さや櫛形電極が組み合っている部分
の長さには依存せずに、Ｆ（Ｘ）＝（ＡＨＮ／Ｓ）Ｖ_a ² （数１）で与えられる。ここで、櫛形電極１３、１４の断面をＨ
×Ｗ（ここで、Ｈは高さであり、図の紙面垂直方向、Ｗ
は幅であり、図の紙面と平行方向）の矩型で近似してい
る。また、Ａは集積化静電アクチュエータの形状によら
ない定数、Ｓは電極間距離（櫛形電極１３と１４のすき
間の長さ）である。Ｎは櫛形電極１３と１４で形成され
るコンデンサーの個数で、両電極の総数から１を引いた
数である（図の例では両電極の総数が１９、コンデンサ
ーの個数が１８である）。

【００１５】このとき、集積化静電アクチュエータの幅
Ｌは、Ｌ＝ＮＳ＋（Ｎ＋１）Ｗ（数２）で与えられるので、櫛形電極の幅Ｗと電極間距離Ｓをで
きるだけ小さくすることにより、同じ駆動電圧Ｖ_aによ
り大きな駆動力Ｆ（Ｘ）を得ることができる。これは、
櫛形電極の幅Ｗを小さくすると櫛形電極の数が増え、ま
た、電極間距離Ｓを小さくすると、式（１）により、得
られる力が大きくなると同時に櫛形電極の数も増えるか
らである。ただし、その場合、コンデンサーに充電する
ための消費電力も大きくなるため、必要な駆動力Ｆ
（Ｘ）と消費電力を最適化して幾何学的形状を決定する
ことになる。

【００１６】一般的に、櫛形電極の幅Ｗと電極間距離Ｓ
は０．１μｍ〜１０μｍ、集積化静電アクチュエータの
幅Ｌは３μｍ〜１５００μｍとすることが適当である
が、本実施例においては、櫛形電極の幅Ｗと電極間距離
Ｓは０．２μｍ〜１μｍ、集積化静電アクチュエータの
幅Ｌは１０μｍ〜２００μｍを用いている。集積化静電
アクチュエータは、半導体微細加工技術により容易に実
現できる。本実施例においては、基礎となる１枚のシリ
コンウェハー上に堆積した多結晶シリコンの薄膜を、半
導体微細加工技術によりにより処理して集積化静電アク
チュエータを構成する。したがって、表面形状測定装置
１は表面形状測定素子２を形成したシリコンウェハーを
積み重ねれば良いので、取り扱いは容易である。

【００１７】図２（ａ）の２電極型集積化静電アクチュ
エータにおいては（数１）に示したように駆動力Ｆ
（Ｘ）は駆動電圧Ｖ_aの二乗に比例する。静電アクチュ
エータは、図２（ｂ）に示すように、可動電極１２の両
側に固定電極１１、１５を配置した構造の３電極型集積
化静電アクチュエータとすることができる。この構造に
おいて、固定電極１１及び１５に櫛形電極１６及び櫛形
電極１７が、可動電極１２に櫛形電極１８が、それぞ
れ、接続されている。固定電極１１、１５にそれぞれ定
電圧＋Ｖ_dと定電圧−Ｖ_dを印加しておき、可動電極１２
に駆動電圧Ｖ_aを印加すると、可動電極１２に作用する
力が加算されるように、固定電極と可動電極間に駆動力
が生じる。

【００１８】その大きさＦ（Ｘ）は、Ｆ（Ｘ）＝４（ＡＨＮ／Ｓ）Ｖ_dＶ_a （数３）で与えられる。すなわち３電極型集積化静電アクチュエ
ータでは駆動力Ｆ（Ｘ）は駆動電圧Ｖ_aと定電圧Ｖ_dの積
にに比例する。このとき、固定電極１１及び固定電極１
５に印加する定電圧の組み合わせは、電源電圧の利用で
きる範囲に応じて、０と＋Ｖ_d、−Ｖ_dと０等いくつもの
組み合わせが可能である。また、逆に、電圧Ｖ_aを定電
圧として、電圧＋Ｖ_d（電圧−Ｖ_d）を変化させても同様
の結果が得られる。

【００１９】図２（ｃ）は、可動電極１２にＹ方向の力
を作用させることが出来るように工夫された実施例の電
極部分の断面図である。図２（ｂ）のＡ−Ａの位置で断
面を取り、矢印の方向に見た状態を示す。固定電極１
１、１５および櫛形電極１６、１７を絶縁部１９で仕切
り、櫛形電極１６、１７をその断面方向（図２（ｃ）で
上下方向：Ｙ方向と呼ぶ）にそれぞれＡ、Ｂを付したよ
うに二分することにより、Ｙ方向にも駆動力Ｆ（Ｙ）を
得ることが可能である。この場合、可動電極１２および
櫛形電極１８は、分離された櫛形電極１６、１７に対し
て共通に作用するものとなる。ここで、一例として、可
動電極１２に電圧Ｖ_aを印加して、固定電極１１Ａ、１
１Ｂ、固定電極１５Ａ、１５Ｂにそれぞれ（＋Ｖ_d＋
Ｅ_d）、（＋Ｖ_d−Ｅ_d）、（−Ｖ_d＋Ｅ_d）及び（−Ｖ_d−
Ｅ_d）を印加すると、Ｙ方向の駆動力Ｆ（Ｙ）はＦ（Ｙ）＝４（ＡＨＮ／Ｓ）Ｅ_dＶ_a （数４）で与えられる。

【００２０】したがって、図２（ｃ）に示す様な断面構
造の集積化静電アクチュエータは、一つの素子で二次元
の駆動力を得ることができる。

【００２１】図３は、本実施例の集積化静電アクチュエ
ータを用いた探針駆動機構の模式図である。本実施例で
は、図２（ｂ）、（ｃ）で説明した集積化静電アクチュ
エータ２１の可動電極２１０によって駆動されるＺ駆動
軸部２７に図２（ｂ）で説明したのと実質的に同じ構成
の集積化静電アクチュエータ２５を設け、この可動電極
２５に探針２２を設けた構造としたものである。

【００２２】基部２３の先端部に集積化静電アクチュエ
ータ２１の固定電極２１１が形成され、やはり基部２３
の先端部には板バネ２４１とこれを連結する連結部２４
２よりなるバネ２４が形成される。バネ２４の連結部２
４２には集積化静電アクチュエータ２１の可動電極２１
０が結合される。集積化静電アクチュエータ２１の固定
電極２１１の他端部は基部端部２３２に連結され、ここ
に板バネ２４１’とこれを連結する連結部２４２’より
なるバネ２４’が形成される。バネ２４’の連結部には
集積化静電アクチュエータ２１の可動電極２１０が結合
されるとともにＺ駆動軸部２７が連結される。集積化静
電アクチュエータ２１の固定電極２１１と可動電極２１
０との間に作用する駆動力は、それぞれ、ばね２４、２
４’をたわませるので、Ｚ駆動軸部２７は集積化静電ア
クチュエータ２１による駆動力に応じたＸ方向（紙面と
平行で左右方向）、Ｙ方向（紙面と垂直）の位置を取
る。

【００２３】Ｚ駆動軸部２７を、上述の基部２３とする
形でＺ駆動軸部２７の先端部に集積化静電アクチュエー
タ２５を形成する。すなわち、Ｚ駆動軸部２７と一体構
成の枠部２７、２７’に支持された固定電極２５１が形
成され、同じく枠部２７、２７’を固定部分とする板バ
ネ２６１とこれを連結する連結部２６２よりなるバネ２
６および板バネ２６１’とこれを連結する連結部２６
２’よりなるバネ２６’が形成される。バネ２６の連結
部２６３およびバネ２６’の連結部２６３’には先端に
端子が取り付けられる探針支持部２８が結合されるとと
もに、探針支持部２８に集積化静電アクチュエータ２５
の可動電極２１０が結合される。集積化静電アクチュエ
ータ２５の固定電極２５１と可動電極２５０との間に作
用する駆動力は、それぞれ、ばね２６、２６’をたわま
せるので、探針支持部２８はＺ方向（紙面と平行で上下
方向）の位置を取る。本実施例では、Ｚ駆動軸部２７が
集積化静電アクチュエータ２１によりＸ方向、Ｙ方向の
制御をなされ、この状態で、探針がＺ方向の制御をなさ
れる。

【００２４】図の実施例では、図の表示を簡略化するた
め、各電極への配線および探針に印加するべき電圧の配
線、さらには、図２（ｃ）を除き、絶縁の要否について
の説明を省略したが、これらについては、必要に応じて
任意の構成で実現出来ることであるので、これ以上の説
明は省略する。

【００２５】この図３の実施例では、この構造を、１枚
のウェハーを基礎として半導体微細加工技術により一次
元に並列して配置することが出来、しかも基部２３およ
び基部端部２３２は、基礎となる１枚のウェハー上に直
接付いていて良く、その他の部分が半導体微細加工技術
により処理されウェハーから離された形で集積化静電ア
クチュエータを構成することになる。したがって、一次
元に並列して配置することが容易であるのみならず、こ
の構造を二次元に配置する場合も、このウェハーを複数
枚集積するための基礎とすることが出来、作業を容易な
ものと出来る。

【００２６】図４は、図３に示した探針駆動機構を二次
元配列した場合の模式図を示す。本発明では、探針駆動
機構を半導体微細加工技術により構成するから、当然、
探針駆動機構を構成するウェハー上に一体的に半導体回
路を構成出来るから、探針の制御に必要な回路、あるい
は、得られたデータを一時的に保存するためのメモリー
等を同時に構成出来ることはいうまでもなかろう。この
ようにすれば、探針駆動機構を二次元配列した場合の各
種の配線を少数のものとすることが出来る。

【００２７】図４（ａ）は、図１で示した表面形状測定
装置のＡ−Ａの位置で矢印方向に見た断面の概念図を示
し、図４（ｂ）、図４（ｃ）は、それぞれ、図４（ａ）
のＡ−Ｂの位置、図４（ｂ）のＣ−Ｄの位置での矢印方
向の断面の概念図である。

【００２８】図４（ａ）において、３４、３５は、それ
ぞれ、図３で説明した表面形状測定素子の探針駆動機
構、探針である。この実施例においては、これらの他、
探針高さ調節回路３３と入出力制御回路３２を備えてい
る。さらに、表面形状測定素子集積化制御部３１が、基
礎となる１枚のシリコンウェハー上に一次元に配列、構
成された表面形状測定素子に共通に関連する制御信号の
処理のために設けられる。この集積化制御部３１は、各
素子に適当に配分して配置すれば良く、各素子の入出力
制御回路３２と必要に応じて接続される。探針高さ調節
回路３３は、表面形状測定素子毎に独立に機能するもの
であるから、集積化制御部３１とは本質的には関係しな
い。基礎となる１枚のシリコンウェハー上に堆積した多
結晶シリコンの薄膜から、表面形状測定素子を半導体微
細加工技術によって切り出す過程において、これらの回
路を構成する。基礎となる１枚のシリコンウェハー上に
一次元に配列、構成された表面形状測定素子は、図３で
は省略したが、各素子の区切りとなる部分を連結部とし
て残しており、これが、連結部３６で示される。シリコ
ンウェハー上に一次元に配列、構成された表面形状測定
素子が複数枚積み重ねられ、１枚が今から積まれる形の
模式図を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）、（ｂ）および
（ｃ）において、３７は基礎となる１枚のシリコンウェ
ハーを示す。図から明らかなように、各回路は通常の半
導体装置と同様に、シリコンウェハー上に直接形成さ
れ、図３に示す探針駆動機構３４の駆動部、探針３５が
シリコンウェハーから分離された形となる。もっとも、
図３で説明したように、基部２３および基部端部２３２
はシリコンウェハー上に直接形成されている。

【００２９】本実施例の表面形状測定素子は、探針駆動
機構３４を半導体微細加工技術によりシリコンウェハー
上に集積化して作成するため、探針駆動機構３４、探針
高さ調節回路３３、入出力制御回路３２及び表面形状測
定素子集積化制御部３１等は半導体微細加工技術を用い
て探針駆動機構と一緒にシリコンウェハー上に集積化し
て作成できる。探針高さ調節回路３３は、探針と試料間
のトンネル電子（電流）、原子間力、磁気力、試料表面
電圧、静電気力、電荷容量、光、スピン偏極電子（電
流）等の物理・化学媒体を通じて、探針と試料間の距離
を数十ｎｍ以下に保つためのＺ方向の駆動電圧を探針駆
動機構に供給する回路で、走査プローブ顕微鏡における
いわゆるフィードバックコントロールと駆動機構用高電
圧電源を併せたものである。また、Ｘ方向及びＹ方向の
駆動機構用高電圧電源も有する。入出力制御回路３２は
表面形状測定素子集積化制御部３１からの制御指令によ
りＸ方向及びＹ方向の駆動電圧を設定し、また、Ｚ方向
の駆動電圧を、走査プローブ顕微鏡としての出力情報に
変換して表面形状測定素子集積化制御部３１へ出力す
る。表面形状測定素子集積化制御部３１は、それらの制
御指令及び情報をマイクロプロセッサやバッファーメモ
リー等の外部装置と交換する機能を有する。

【００３０】図３の探針駆動機構の数値例について見る
と、例えば、以下のようである。幅は１００μｍ、厚み
は１０μｍ程度で構成できる。本実施例の表面形状測定
装置を、１ｃｍ矩型で１０⁵個（１インチ矩型で６×１
０⁵個）配列し、走査プローブ顕微鏡の走査速度を１秒
当たり１μｍとして、さらに１０ｎｍに１個の凹凸が存
在するとして、本実施例の表面形状測定装置では、１秒
当たり、１ｃｍ矩型で１０⁷個（１インチ矩型で６×１
０⁷個）の凹凸を測定できる。また、表面形状測定素子
では、図２で示すように、Ｘ方向には探針駆動機構の幅
の約１／３、Ｙ方向には探針駆動機構の厚みの約１／２
の駆動距離が得られるので、図１で示す表面形状測定装
置ではその他の粗動機構なしで試料表面の１／６の面積
を走査できる。その場合、１０ｎｍ矩型に１個の凹凸が
存在するとして、１ｃｍ矩型の場合で２×１０¹¹個（１
インチ矩型で１．２×１０¹²個）の凹凸情報を測定でき
る。

【００３１】本実施例では、粗動機構なしで試料表面の
１／６の面積を計測出来るが、試料全面を計測するため
には、粗動機構を備えることが必要となる。

【００３２】図５は、図４に示すように表面形状測定素
子４２を多数二次元に配置して粗動機構４１により保持
して探針の位置を制御できるようにした構成を示す。４
３は試料である。このようにすれば、探針駆動機構のＸ
方向及びＹ方向の駆動機構だけでは測定できない試料表
面４３の全領域を測定できる。また、Ｚ方向の駆動距離
が不十分な場合にも対応できる。図５の場合も、図１と
同様、各駆動素子間の連結部の表示を省略した。

【００３３】実施例２本実施例では、回転する試料を測定するための表面形状
測定装置を説明する。あるいは、回転する記録ディスク
への本発明の適用を説明する。

【００３４】図６の実施例は、回転する試料５１と、こ
れに対向して一次元配列表面形状測定素子５２群が、素
子の幅の１／３ずつずらして３枚配列されており、さら
にこのセットが４つ回転方向に設けられている状況を示
す。

【００３５】回転する試料５１はそのままで回転による
粗動機構５１となるため、表面形状測定素子５２の探針
のＸ方向とＹ方向駆動機構を用いずに、同一トラック５
４上の凹凸情報は測定できる。試料表面５３全体を走査
するためには、表面形状測定素子５２をＸ方向に駆動す
る。先の実施例で説明したように、個々のＸ方向駆動機
構は、素子の幅のほぼ１／３をカバーするので、３個の
表面形状測定素子５２をＸ方向に１／３ずつずらして配
列すれば、Ｘ方向の粗動機構は実質状不要である。

【００３６】試料５１を凹凸情報を保持したデータ板と
見れば、図６の実施例は、記録ディスクから情報を読み
出す装置ということが出来る。良く知られているよう
に、プローブ顕微鏡の探針を導電性として、試料５１と
の間に所定の電圧を印加すると、いわゆる、電界蒸発に
より試料５１の表面に凹凸を形成出来るから、図６の実
施例は、また、記憶装置ともいえる。また、当然のこと
ながら、表面形状測定素子５２を回転方向にさらに多数
設けることにより、並列処理速度を、より向上させるこ
とが出来る。

【００３７】実施例３図７は、表面形状測定素子自体を情報記録あるいは読み
出し装置とする例である。本実施例では、図３で説明し
た表面形状測定素子を主体とする探針駆動機構６１を、
図７に示すように、外周部６２で囲い、探針駆動機構６
１の探針６４に対向する位置に記録部６３を備える。外
周部６２は、前述した連結部を兼ねるものとしても良
い。探針駆動機構６１は、図３と同様に、探針をＸ方
向、Ｙ方向及びＺ方向に駆動する機構を有している。し
たがって、探針を制御しながら、記録部６３に情報を記
録し、あるいは、記録部６３から情報を読みだすことが
出来る。この場合、一次元状に複数配列された表面形状
測定素子のそれぞれをデータの一つの単位に対応させて
も良いし、複数の表面形状測定素子群をデータの一つの
単位に対応するものとしても良い。

【００３８】本実施例では、Ｘ方向とＹ方向にはそれぞ
れ１００μｍの約１／３と１０μｍの約１／２走査でき
る。したがって、試料表面の１０ｎｍに１個の凹凸が存
在するとして、本実施例では１個の表面形状測定素子に
より１．６×１０⁶個の凹凸情報を得ることができる。
また、粗動機構は不要である。

【００３９】実施例４本実施例では、手動操作が可能な表面形状測定装置の測
定素子を説明する。本実施例では、図３で説明した表面
形状測定素子を主体とする探針駆動機構７１を、図８に
示すように、先端が開放された外周部７２で囲い、探針
駆動機構７１の探針７４が開口部において試料７３に対
向出来るようになされる。探針７４と試料７３との距離
を適当に保った状態で表面形状測定装置を試料表面に接
触させるだけで試料表面の凹凸の情報を得ることができ
る。例えば、表面形状測定装置を試料上に置く場合や、
表面形状測定装置を上に向けて試料を置く場合などが可
能である。本実施例は、図４に示すように、表面形状測
定素子を多数数積化して表面形状測定装置を構成するか
ら、装置自体を比較的強固なものとでき、手動によって
試料に押し当てることことが可能となり、この種の測定
装置の応用範囲を広めることが出来る。

【００４０】探針７４は、実施例１と同様にＸ方向、Ｙ
方向及びＺ方向の駆動機構を有していて、Ｘ方向とＹ方
向にはそれぞれ１００μｍの約１／３と１０μｍの約１
／２走査できる。したがって、試料表面の１０ｎｍに１
個の凹凸が存在するとして、本実施例では１個の表面形
状測定素子により１．６×１０⁶個の凹凸情報を得るこ
とができる。

【００４１】実施例５本実施例は、平面状に集積化した表面形状測定装置の構
成を説明する。図９は１枚のウェハーを上面から見た図
であり、８２が表面形状測定素子を、８３が表面形状測
定素子集積化制御部を、８１が入出力制御部のそれぞれ
の構成部分を示す。本実施例においては、図４で説明し
たのと同様に、１枚のウェハー上の全ての表面形状測定
素子８２は、個々の制御は表面形状測定素子集積化制御
部８３でおこなわれ、総合的には、入出力制御部８１に
より行なわれる。入出力制御部８１は外部装置からの入
出力指令を表面形状測定素子集積化制御部８３に伝え、
また、表面形状測定素子８２により測定された試料表面
の凹凸情報を一時蓄え外部装置に出力するバッファーの
機能を有することもできる。

【００４２】本実施例の表面形状測定装置は、図４で説
明した構成とは異なり、表面形状測定素子８２が１枚の
ウェハー上に並列に２次元状に配列される。したがっ
て、探針は各測定素子８２の探針位置で、紙面の上方に
向いて折り曲げられた形に形成することが必要である。
すなわち、本実施例によれば、１枚のウェハー上に、表
面形状測定素子８２が２次元配列された表面形状測定装
置を実現出来る。しかし一方、各素子の紙面上でＸおよ
びＹ方向のカバーする面積は、素子が占有する面積に較
べて相対的に小さいから、図４で説明した実施例に比
し、粗動機構のカバーする範囲を大きく取る必要があ
る。

【００４３】実施例６本実施例は、表面形状測定素子の構成を電子線源に応用
する例である。本実施例は、二次元に多数配列した素子
を外部装置により制御することにより、例えば、電子線
リソグラフィの実行手段の一つに展開出来る。

【００４４】図１０および図１１はその実施例を示す概
念図である。両者は本質的には同じ構成であるが、図１
０が、表面形状測定素子の構成と収束レンズ用電極を別
体とすることを前提として考えられているのに対し、図
１１は、表面形状測定素子の構成と収束レンズ用電極を
一体としている点を異にする。図１０（ａ）、図１１
（ａ）の表面形状測定素子の構成９１は、いずれの例で
も、図３で説明した構成と同じである。素子９１の探針
９４から放出する電界放射電子、または、トンネル電子
はそのまま電子線源として使用でき、放出された電子
は、収束レンズ用電極９５により試料表面９３に焦点が
合うようになされる。図１０（ｂ）、図１１（ｂ）は、
それぞれ、収束レンズ用電極９５の配置を示す断面図で
ある。図１０（ａ）では、収束レンズ用電極９５は連結
部９２の端部に設けられているから、連結部９２の端部
は探針を取り囲むような位置に電極９５を設けることが
出来るように構成される。図１０（ｂ）では、収束レン
ズ用電極９５はＺ駆動軸部９６の端部に設けられている
から、Ｚ駆動軸部９６の端部は探針を取り囲むような位
置に電極９５を設けることが出来るように構成される。
連結部９２の端部はこれを外から包込むように設けられ
るが、電極９５とは関連がない。

【００４５】本実施例でも、試料表面全域をカバーする
ためには、当然、粗動機構を必要とする。

【００４６】図１２、１３は、図１０、１１と同様、表
面形状測定素子の構成を電子線源に応用する例であり、
二次元に多数配列した素子を外部装置により制御するこ
とにより、例えば、電子線リソグラフィの実行手段の一
つに展開出来る点でも、同じである。しかし、本実施例
は図９の実施例と同様、１枚のウェハー上に二次元展開
をした点において、図１０、１１の場合と異なる。した
がって、電子放出用の探針は、紙面の上方に向いている
ことが必要である。

【００４７】図１２および図１３の実施例では、それぞ
れ図１２（ａ）および図１３（ａ）に示すように、電子
放出用の探針９４は、ともに、図３で説明した表面形状
測定素子の探針支持部２８（または可動電極２５０）に
対応する支持部９７に探針９４として形成される。収束
レンズ用電極９５は、探針９４の部分をＡ−Ｂの位置で
断面をとって図１２（ｂ）、図１３（ｂ）に示すよう
に、これを包込むような形で、支持部９７の中央部の切
欠き部に収束レンズ用電極９５が形成される。ただし、
図１２では図４に符号３６で示した連結部に対応する連
結部９２に収束レンズ用電極９５が形成されるのに対
し、図１３では、図３で説明した表面形状測定素子の探
針支持部２８（または可動電極２５０）に対応する支持
部９７に探針９４として形成される点において異なる。

【００４８】

【発明の効果】以上の実施例に示したように、本発明に
よれば、超小型の集積化微細装置が実現出来るから、走
査プローブ顕微鏡、走査プローブ顕微鏡を用いた情報記
録装置あるいは電子線露光装置に展開出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を表面形状測定装置に応用した実施例の
構成の概念を示す斜視図。

【図２】本発明の駆動機構として用いることができる集
積化静電アクチュエータの構造を示し、（ａ）は２電極
法の構成図、（ｂ）は本実施例の３電極法の構成図、
（ｃ）は（ｂ）の構成の断面図。

【図３】本実施例の集積化静電アクチュエータを用いた
探針駆動機構の模式図。

【図４】図３に示した探針駆動機構を二次元配列した場
合の模式図を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ位置での、
（ｂ）は図４（ａ）のＡ−Ｂ位置での、（ｃ）は図４
（ｂ）のＣ−Ｄ位置での断面構造を示す図。

【図５】粗動機構を備えた表面形状測定装置の構成を示
す斜視図。

【図６】回転型試料に対応する表面形状測定装置の構成
概念図。

【図７】情報記録の担体を備えた表面形状測定素子の構
成概念図。

【図８】手動操作が可能な表面形状測定素子の構成概念
図。

【図９】平面状に集積化した表面形状測定装置の構成概
念図。

【図１０】本発明を電子線源に応用する実施例の構成概
念図で（ａ）は図１０（ｂ）のＣ−Ｄ位置での平面図、
（ｂ）は図１０（ａ）のＡ−Ｂ位置での断面図を示す
図。

【図１１】本発明を電子線源に応用する他の実施例の構
成概念図で（ａ）は図１１（ｂ）のＣ−Ｄ位置での平面
図、（ｂ）は図１１（ａ）のＡ−Ｂ位置での断面図を示
す図。

【図１２】本発明を電子線源に応用する他の実施例の構
成概念図で（ａ）は平面図、（ｂ）は図１２（ａ）のＡ
−Ｂ位置での断面図を示す図。

【図１３】本発明を電子線源に応用する他の実施例の構
成概念図で（ａ）は平面図、（ｂ）は図１３（ａ）のＡ
−Ｂ位置での断面図を示す図。本発明を電子線源に応用
する他の実施例の構成概念図。

【符号の説明】

１：表面形状測定装置、２：表面形状測定素子、３、４
３、５１、６３、７３、９３：試料または試料表面、１
１、１１Ａ、１１Ｂ、１５、１５Ａ、１５Ｂ、２１１：
固定電極、１２、２１０：可動電極、１３、１４、１
６、１６Ａ、１６Ｂ、１７、１７Ａ、１７Ｂ、１８：櫛
形電極、１９：絶縁部、２１、２５、６１、７１、８
２、９１、：集積化静電アクチュエータ、２２、３５、
６４、７４、９４：探針、２３：集積化静電アクチュエ
ータ基部、２３１、２３２：基部端部、２４、２４’、
２６：バネ、２４１、２４１’、２６１’：板バネ、２
４２、２４２’、２６３、２６３’、６２、７２、８
３、９２、：連結部、２７、９６：Ｚ駆動軸部、２８：
探針支持部、３７：ウェハー９５：電極

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三矢宗久埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者市口恒雄埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者渡邊聡埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者和田恭雄埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１枚のウェハー上に半導体微細加工技術に
より形成された複数個の静電アクチュエータを備える集
積化微細装置であって、該アクチュエータのそれぞれが
二つのアクチュエータからなるとともに、該二つのアク
チュエータの一つは他の一つの可動電極に固定電極が形
成されたカスケード構造であるとともに、かつ、該二つ
のアクチュエータの内の一つは、直交する２軸の方向へ
可動電極を駆動できるものであることを特徴とする集積
化微細装置。
【請求項２】前記ウェハー上に複数個の静電アクチュエ
ータを形成したウェハーが複数枚積層された請求項１記
載の集積化微細装置。
【請求項３】前記カスケード構造である二つのアクチュ
エータのうちの一つのアクチュエータの可動電極の自由
端にプローブ顕微鏡の探針が形成されている請求項１ま
たは２記載の集積化微細装置。
【請求項４】１枚のウェハー上に半導体微細加工技術に
より形成された複数個の静電アクチュエータを備える集
積化表面形状測定装置であって、該アクチュエータのそ
れぞれが二つのアクチュエータからなるとともに、該二
つのアクチュエータの一つは他の一つの可動電極に固定
電極が形成されたカスケード構造であるとともに、か
つ、該二つのアクチュエータの内の一つは、直交する２
軸の方向へ可動電極を駆動できるものであり、かつ、前
記カスケード構造である二つのアクチュエータのうちの
一つのアクチュエータの可動電極の自由端にプローブ顕
微鏡の探針が形成されるとともに、前記ウェハー上に複
数個の静電アクチュエータを形成したウェハーが複数枚
積層され、かつ、該複数枚積層されたウェハーに対して
前記アクチュエータの可動電極の可動範囲より大きい動
きが可能な粗動機構が付加されている集積化表面形状測
定装置。
【請求項５】１枚のウェハー上に半導体微細加工技術に
より形成された複数個の静電アクチュエータを備える集
積化微細装置であって、該アクチュエータのそれぞれが
二つのアクチュエータからなるとともに、該二つのアク
チュエータの一つは他の一つの可動電極に固定電極が形
成されたカスケード構造であるとともに、かつ、該二つ
のアクチュエータの内の一つは、直交する２軸の方向へ
可動電極を駆動できるものであり、かつ、前記カスケー
ド構造である二つのアクチュエータのうちの一つのアク
チュエータの可動電極の自由端にプローブ顕微鏡の探針
が形成されるとともに、該探針は前記ウェハーの面と垂
直方向に突出するように形成されていることを特徴とす
る集積化微細装置。
【請求項６】１枚のウェハー上に半導体微細加工技術に
より形成された複数個の静電アクチュエータを備える集
積化微細装置であって、該アクチュエータのそれぞれが
二つのアクチュエータからなるとともに、該二つのアク
チュエータの一つは他の一つの可動電極に固定電極が形
成されたカスケード構造であるとともに、かつ、該二つ
のアクチュエータの内の一つは、直交する２軸の方向へ
可動電極を駆動できるものであり、かつ、前記カスケー
ド構造である二つのアクチュエータのうちの一つのアク
チュエータの可動電極の自由端にプローブ顕微鏡の探針
が形成されるとともに、該探針に対向して前記アクチュ
エータの基部と固有の位置関係を保つ情報記録部を備え
ることを特徴とする集積化微細装置。
【請求項７】前記ウェハー上に複数個の静電アクチュエ
ータを形成したウェハーが複数枚積層された請求項６記
載の集積化微細装置。
【請求項８】前記情報記録部が、前記アクチュエータの
基部との距離を実質的に変更すること無く相対的な位置
関係が変えられるものである請求項６または７記載の集
積化微細装置。
【請求項９】前記探針は前記ウェハーの面と垂直方向に
突出するように形成されている請求項６記載の集積化微
細装置。
【請求項１０】１枚のウェハー上に半導体微細加工技術
により形成された複数個の静電アクチュエータを備える
集積化微細装置であって、該アクチュエータのそれぞれ
が二つのアクチュエータからなるとともに、該二つのア
クチュエータの一つは他の一つの可動電極に固定電極が
形成されたカスケード構造であるとともに、かつ、該二
つのアクチュエータの内の一つは、直交する２軸の方向
へ可動電極を駆動できるものであり、かつ、前記カスケ
ード構造である二つのアクチュエータのうちの一つのア
クチュエータの可動電極の自由端にプローブ顕微鏡の探
針が形成されるとともに、該探針に対向する位置であっ
て、かつ、前記アクチュエータの基部と固有の位置関係
にある場所に、前記探針から放出される電子に作用する
電界を付与するための電極を配置したことを特徴とする
集積化微細装置。
【請求項１１】前記電極が、前記探針と一体に移動する
ものである請求項１０記載の集積化微細装置。
【請求項１２】前記探針は前記ウェハーの面と垂直方向
に突出するように形成されている請求項１０または１１
記載の集積化微細装置。