JPH10500220A - 振れセンサを組み込んだカンチレバー - Google Patents

振れセンサを組み込んだカンチレバー

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Abstract

(57)【要約】 走査型プローブ顕微鏡用の及び他の力又は振れ測定装置用のカンチレバーが開示される。カンチレバーは、くびれ部分(62)内に少なくとも1つの歪み感知素子を組み込まれている。カンチレバーは、そのカンチレバーの振れ全体に対するくびれ部分の関与が小さくなるように、くびれ部分の長さ方向の範囲を小さくするように既知のカンチレバーを改良したものである。カンチレバーの設計は、垂直面、又は水平面、又はその両方の面において実質的に三角形の断面を持つようにビーム(63)を適合させることによって更に改良される。

Description

【発明の詳細な説明】 振れセンサを組み込んだカンチレバー 技術分野 本発明はカンチレバー・ビーム、特に、走査プローブ装置用のカンチレバー・ ビームに関するものである。そのビームは、自らの機械的移動又は変位を、例え ば、走査された表面の構造の特徴を示す電気的信号に変換するための歪み感知素 子を含む。 背景技術 本発明が関連する種類のカンチレバーは、例えば、米国特許第5,345,81 5号に開示されている。その開示された超小型のカンチレバー構造では、少なく とも、カンチレバー・アームの固定端に圧電抵抗性の抵抗器が組み込まれている 。そのカンチレバー・アームの自由端の振れはそのカンチレバーに沿って応力を 生じさせる。その応力は、カンチレバー・アームの振れに比例してそのカンチレ バーの基部における圧電抵抗性抵抗器の抵抗を変化させる。その圧電抵抗性抵抗 器には抵抗測定装置が結合されていてその抵抗器の抵抗を測定し、カンチレバー ・アームの振れに対応した信号を発生させる。その超小型のカンチレバーは半導 体基板上に形成される。カンチレバー・アームの自由端の一部分は、電気的には 別個 のU字型圧電抵抗性抵抗器を形成するようにドープされる。そのU字型の抵抗器 は、非ゼロの圧電抵抗係数を持った半導体基板の軸に平行な向きの2つの脚を有 する。圧電抵抗性抵抗器と抵抗測定回路との間に電気的接続を形成するために、 半導体の表面上には金属層が付着及びパターン化され、その圧電抵抗性抵抗器の 抵抗の測定を可能にする。結局、カンチレバー・アームの下の半導体基板は、浮 動カンチレバー構造を形成するように事実上取り除かれるであろう。走査プロー ブ顕微鏡(SPM)及び関連の適用分野においてカンチレバーを使用するために 、そのカンチレバーの自由端には先端部(tip)が装着される。 米国特許第5,345,815号に開示されたタイプのカンチレバーは本発明に 関する種類のものに密接に関連しているけれども、小型の加速度計の例は数多く 存在し、しかも、カンチレバー構造に類似した圧力計はその分野において知られ ている。しかし、これらの構造を注意深く分析すると、それらは、固い塊りとし て形成される或いは固い塊りを担持する浮動アームの可撓性が不十分であるため に、SPMには適用し得ないことがわかった。そのような加速度計の例は、IEEE Transactions on Electron Devices 誌の Vol.ED-26,No.12,Dec.79 の pp .1911-1917 において L.M.Roylance 及び J.B.Angell 氏によって開示されて いる。 その特定のカンチレバー構造及びそれの応用に関係なく、設計の最適化により 圧電抵抗の歪み測定の感度を改善するた めの試みが知られている。例えば、Sensors and Actuators 17(1989)誌の pp .225-233 において公表された計算及び実験は、カンチレバー上で線形に及び指 数関数的に先細りになった抵抗層を導いている。最適化設計に対するもう1つの 提案が米国特許第4,605,919号に開示され、そこでは、カンチレバーがそ れのベース端において溝を有する。圧電抵抗性センサがその溝をブリッジする。 この設計による感度が他の設計よりも優れていることが主張されているけれども 、その提案された設計は、特に、カンチレバーの厚さが10μm よりも小さい時 、実現化することが困難であることがわかった。 従って、本発明の目的は、振れ測定の感度及び信号対雑音(S/N)比を高め るように既知のカンチレバーを改良することである。 発明の開示 本発明は本願の請求の範囲に示された機構によって特徴付けられる。 本発明のカンチレバーは、特に、小さくされた横方向の寸法又はヤング率を有 する「くびれ(constriction)」部分を有することを特徴とする。 その横方向の寸法とは、矩形の断面を持ったビーム型カンチレバーの場合には厚 さ及び幅であり、円筒型のカンチレバーの場合には直径である。ヤング率は材料 の弾性を定義する。それは、ベース材料 の部品を他の材料と置換することによって、或いはドーピング、イオン注入、又 は高エネルギ放射のような化学的又は物理的プロセス使用して材料の弾性を変え ることによって、局部的に変更することが可能である。 本発明によるカンチレバーのもう1つの重要な特徴は、カンチレバーの振れを 検出する組込型歪みセンサがそのくびれの側にあっても十分にカンチレバーと接 触し或はカンチレバーに組み込まれていることである。これは、感度における大 きな損失を被ることなく実施することが容易であるという理由で、例えば、米国 特許第4,605,919号において提案されたようなブリッジ型歪みセンサより も遥かに有利な点であると考えられる。ブリッジ型センサは、更に、カンチレバ ーの全体の厚さが10μm よりも小さい時、くびれの影響をかなり減少させるで あろう。 本発明の更にもう1つの重要な特徴は、このくびれ部分の長さがカンチレバー の全体の長さよりもかなり小さいことである。両方の長さの比は、満足すべき結 果を与えるためには、少なくとも、1:5、望ましくは、1:10以上、或いは 、更に、1:100以上でなければならないが、その拡大率はくびれの長さの減 少と共に増加するので、対応する上限を与えることはできない。例えば、人工的 に引き起こされた極細の割れ目をくびれとして利用する時、1:10000の比 、更に、1:100000の比さえ達成可能であるように見える。 本発明によるカンチレバーは、別の方法として、超小型圧 力センサ及び加速度計の分野において一般に見られるようなヒンジ部分を持った 既知の電気機械的変換器を参考にすることによって特徴付けることが可能である 。これらの装置は、本発明が関連する種類の応用には適していない。例えば、IE EE Transactions on Electron Devices 誌の Vol.ED-26,No.12,Dec.79,PP .1991-1917 における L.M.Roylance 及び J.B.Angell 氏により開示されてい るような、或いは Wilner 氏に付与された米国特許第4,605,919号に開示 されているような既知の圧力センサ及び加速度計は、通常、固い塊り又はパドル を軟らかいヒンジ部分に取り付けられている。これらの既知の装置が走査型プロ ーブ顕微鏡の分野において適用されないのは、ヒンジ部分の比較的小さいスティ フネス、及び変換器の最先端部分の硬さ及び大きい質量のためである。 従って、本発明の更なる特徴は、既知の変換器とは違って、くびれを持ったカ ンチレバーのコンプライアンスCcとくびれを持たないカンチレバーのコンプラ イアンスCuとの比、即ち、スティフネスの逆数、Cc/Cu=1+nλ/ε が10 よりも小さく、望ましくは、3に近く、しかし0.1より小さくないことことで ある。係数nはカンチレバーの形状によって決定される。即ち、矩形のビームに 対するnの値は3に等しく、三角形のビームに対するnは2まで減少する。文字 λは、くびれの有効長とカンチレバーの残りの長さとの比として定義された長さ 方向のくびれ係数を表し、一方、εは、くびれ 部分及びカンチレバーの残りの部分における厚さの比の3乗、幅の比、及びカン チレバーのヤング率の比の3乗の積によって、横方向のくびれ係数として定義さ れる。従って、係数εは横方向の寸法及びくびれの材料の特性を特徴付ける。 この比 nλ/ε は、前述の Roylance 及び Angell 氏によって開示された加 速度計のような代表的な加速度計に対して、およそ、次のように見積ることがで きる。 上記のようなカンチレバー及びそれのくびれの特徴は、カンチレバー全体が可 撓性であり、軟らかいヒンジに取り付けられた固い塊りに縮小されないことを保 証する。既知の加速度計及び圧力計にはなかったこの可撓性は、大きい帯域幅に おいて必要な感度を得るために、SPM関連の応用では必要である。 カンチレバー構造のくびれ部分の長さを小さくすることとは別に、そのくびれ 部分に組み込まれた振れ感知素子のアクティブ領域の長さ方向の寸法を小さくす ることも本発明の望ましい特徴である。従って、V型の溝に対しては、感知素子 は、その溝に沿って延びるように設計されることが望ましい。 その使用された振れセンサは、カンチレバーが撓められる時に形成される物理 的応力に敏感であるので、本発明の幾つかの好適な実施例は、そのカンチレバー 構造内の応力分布を 最適化することを特徴とする。従って、くびれ領域における振れセンサの感度は 、カンチレバーを長さ方向に三角形に成形することによって、例えば、先端に向 けて先細くすることによって、又は三角形の断面を使用することによって、又は 両方の方法を組み合わせることによって、高めることが可能である。 本発明の更なる好適な実施例では、カンチレバーがそのくびれ部分のすぐ近く にスティフネスを増強した部分を有する。この更なる部分の長さは、そのカンチ レバーの全体の長さを延ばすものではない。それは、カンチレバーの全体の長さ の0.5倍よりも小さく制限されることが望ましい。更に望ましくは、それはく びれ部分とほぼ同じ長さを有する。即ち、両方の長さは精々30パーセントしか 違わない。好適な実施例では、スティフネスを増強された部分は、カンチレバー の断面を拡大することによって実現される。他の可能性は、この部分におけるカ ンチレバーのヤング率の高くすることを含む。 上述のように、本発明によるくびれは横方向の寸法の変更に限定されない。そ れは、カンチレバーのベース材料の部分を更に弾性のある材料、例えば、有機ポ リマに置換することによってくびれ部分における材料の弾性定数を変更すること により達成することができる。ベース材料が空気によって置換されるというその ような弾性くびれの極端な例として、横方向のくびれ、即ち、幾何学的くびれを 考慮ことは有益なことかもしれない。 新しいカンチレバーの可能な用途は走査型プローブ顕微鏡(SPM)関連の応 用に限定されない。その新しいタイプのカンチレバーは如何なる振れの測定に対 しても感度を増強するので、それは種々の超小型の機械的なメータ、例えば、加 速度計又は圧力計において使用可能である。 本発明の特徴と思われるこれらの及び他の新規な特徴は請求の範囲に記述され ている。しかし、本発明自体、望ましい使用モード、及び本発明の更なる目的及 び利点は、添付図面と関連して以下のような実施例の更なる詳細な説明を参照す ることによって最もよく理解されるであろう。 図面の簡単な説明 第1A図及び第1B図は、本発明によるカンチレバーにおける第1のタイプの くびれ部分(厚さくびれ)に関する異なる概念図を示す。 第2A図及び第2B図は、本発明によるカンチレバーにおける第2のタイプの くびれ部分(幅くびれ)に関する異なる概念図を示す。 第3A図及び第3B図は、本発明によるカンチレバーにおける第3のタイプの くびれ部分(対称的厚さくびれ)に関する異なる概念図を示す。 第4A図乃至第4C図は歪み感知素子に対する種々の位置を示す。 第5A図及び第5B図はくびれ部分及びスティフネス増強 部分を持ったカンチレバーに関する異なる概念図を示す。 第6図は本発明による三角形状カンチレバーに傾いた上面図を示す。 発明を実施するための最良の形態 第1A図及び第1B図を参照すると、本発明のよりよい理解及び認識のために 、幾つかの基本的なパラメータが紹介及び定義されている。第1A図及び第1B 図は、それぞれ、くびれを持ったカンチレバーの傾いた上面図及び断面図を示す 。カンチレバー構造全体は3つの部分、即ち、下記のものを固定するように働く 支持構造体11、くびれ部分12、及び先端部(図示されていない)を取り付け られたカンチレバー13自体よりなる。支持構造体11とくびれ部分12との間 のカンチレバーの遷移部分は、これらのタイプのカンチレバーでは、歪みが固定 端或いは支持端からの距離と共に直線的に減少するので、矩形形状のカンチレバ ーに対しては短く保たれている。歪みがビーム全体の長さに沿って一定である三 角形状のカンチレバー(第6図参照)に対しては、くびれ部分は、支持端から更 に大きい距離のところに設置可能である。 特徴的な寸法、即ち、カンチレバーのくびれ部分12の長さL、幅W,及び厚 さTは、以下の説明では、添字「1」を付され、カンチレバー・ビームのそれら は添字「2」を付される。 カンチレバーの振れは、第1B図における矢印によって表 されるように、厚さTの方向であると考えられる。これらの条件の下で、くびれ によって生じる歪み拡大率及びスティフネス減少は「横方向くびれ係数」εによ って支配される。一方、その係数εは次のように定義される。 そして、「長さ方向係数」は次式によって定義される。 λ≡L1/L2 [2] 但し、L1はくびれの有効長であり、幾何学的長さよりも大きいが、通常は、こ の長さの2倍よりも大きく越えることはない。そしてL1+L2=Lcがカンチレ バーの全体の長さである。 懸架されたビームにおける歪み計算の基本的な関係を使用すると、そのビーム の固定端に設けられたくびれの上側又は下側における歪みσcは、一様に矩形の 断面、等しいスティフネス、及び寸法Lu=Lc、Tu=Tc、しかし、Wuu<W22を持ったビームの歪みに等しい。従って、 但し、矩形ビーム(第1A図)に対してはn=3であり、三角形ビーム(第6図 )に対してはn=2である。 等式[3]は、ε及びλ、即ち、横方向くびれ係数及び長さ方向くびれ係数の 両方とも、歪みの拡大率に影響を与える ことを示している。厚さの比τはその3乗をもってεに寄与しているけれども、 それは等式[3]における前因子として線形に歪み拡大率を入れる。τの最適値 、即ち、 は、次の場合の所与のλ、β、及びηに対する歪み拡大率増幅を最大にする。即 ち、 そこで、対応する最適の横方向くびれ係数は次のようになる。即ち、 εopt=nλ/2 {6} 横方向くびれ係数の幅係数β及び弾性係数ηは、厚さくびれのみにより達し得 る最高の拡大率を(βη)-1/3倍だけ増加させる。例えば、カンチレバーがLc =0.1mm、W2=20μm、T2=2μm、及びλ=0.01.η=1を持つも のと見なし、厚さくびれだけ(β=1)があるものと仮定すると、等式[4]、 [6]、及び[5]の結果は、それぞれ、τopt=0.247、(εopt=0.01 5)及びνmax=5.2となる。しかし、更なる幅くびれ(β=0.1)がある 場合、その対応する結果は、τopt=0.53、(εopt=0.015)及びνma x =11.5となる。従って、βを、20μm 以下の一般的な幅を持ったカンチ レバーにおけるλにほぼ等しくすることは困難であることを考慮して、厚さくび れは、主として、 εを最適化するために使用される。βη<(1/2)nλ=εoptの場合、最大の歪 み増幅は、τopt>1によって、即ち、くびれ部分における厚さを拡大すること によってでも得られる。従って、第2のくびれの特徴τ、β、及びηの実際の割 振りに関係なく、等式[6]によって与えられた最適値に近づけることが、本発 明に従ってくびれを設計する時の最も顕著な特徴と考えられる。 前述の基本的な関係は本発明の達成を十分に認識するためには有用であると考 えられると説明したけれども、以下では、本発明の種々の実施例を示す。それぞ れの実施例は種々のタイプのくびれを示す。しかし、それらは、当業者にとって 明らかなすべての変更及び修正を示すものではない。 以下の実施例は、すべて、イオン・ミリング技術を使用して製造される。この 技術では、既製のカンチレバーが、約2.3*10-6mbarの基本圧力におけ る真空室に密閉される。イオン源から、ガリウム(ga)イオンが高電圧(10 乃至30kV)によって加速され、ターゲット上に集中させられる。ターゲット ・スポットにおける材料を浸食するために、12乃至300pAの電流が使用さ れる。塩化物分子のストリームをターゲット領域に向けることによって、そのプ ロセスの効率を高めることが可能である。この方法を適用することによって、溝 、トレンチ、穴、及び他のくびれを都合よく作ることができる。イオン・ミリン グのための装置は商業的に入手可能である。 例えば、Proceedings of the IEEE 誌の Vol.70,No.5, May 1982,pp.421 -457 における K.Pedersen 氏の「機械的材料としてのシリコン "Sillicon as a Mechanical Material"」と題した論文において開示されているような他と方法 が存在し、部分的に使用されている。既製のカンチレバーを製造するために適用 されるようなアンダカット構造は、KOH及びEDPのようなエッチング剤でも ってシリコンをエッチングする異方性効果を活用してエッチング可能である。こ れらのエッチング剤は、シリコンの(100)及び(110)配向の表面に対し て高い異方性エッチング速度を与える。エッチング処理において保持されなけれ ばならない構造は、マスク層、ドーピング、或いはエッチング時間、表面の配向 、及びエッチング剤のようなエッチング・パラメータの適正な選択によって保護 される。圧電抵抗性ソーンは、例えば、保護層の窓を通して注入された砒素を使 用することによって生成及びパターン化される。電気的導通路は、金属のスパッ タリングによって与えられる。これらの製造ステップはすべて周知であり、従っ て、本発明の主要な特徴であるとは考えられない。 次に、第2A図及び第2B図を参照すると、くびれはカンチレバーの垂直方向 の穴22によって得られる。くびれ部分から大量の材料が取り除かれるけれども 、ベース材料の残りのブリッジ221、222は望ましくない横方向の振れに抗 する十分な抵抗を与える。 もう1つのタイプのくびれが第3A図及び第3B図と関連して示される。くび れ部分32は、カンチレバーの表面にエッチングされた2つのプリズム状の溝よ り成る。カンチレバー33の残りと支持部分31との間のブリッジが溝の両側及 び溝相互間に残される。その設計は、熱伝達のための大きな断面及びカンチレバ ーに沿った電気的リードのためのブリッジを残すことを特徴としている。しかし 、ブリッジ材料のほとんどが中立ラインとしても知られている歪みゼロのライン に近接しているので、くびれ部分の歪み増強特性が維持される。 第4A図乃至第4C図における変形は、くびれ部分内の種々の場所に歪みセン サを設けたものを示す。第4A図の実施例では、センサ451が溝421の底に 埋め込まれている。第4B図の実施例では、それが溝422の反対側に設けられ る。第4C図の実施例では、歪みセンサ453は、くびれ部分を定義するプリズ ム状の溝423の両側(長さ方向)のリムに位置づけられる。 第5A図及び第5B図では、くびれ52は拡大断面部分を持った部分55を後 続させている。この部分は、くびれから残りのカンチレバー53への遷移におけ るスティフネス増強領域を与える。この領域は、例えば、2つのブリッジ521 、522の厚さを増加させることによって、くびれ部分52自体まで延びていて もよい。 くびれのタイプに関係なく、歪み増強は残りのカンチレバ ーそのものを成形することによって改良可能である。それの通常の矩形断面を三 角形断面によって置換する時、歪み測定の感度は更に改良可能であることがわか った。三角形に成形されたカンチレバー・ビームは長さ方向において均一の歪み を示すという特別の利点を有し、従って、固定端から大きな距離のところにくび れを設ける可能性を与える。第6図では、カンチレバー63は水平面における三 角形の断面を有する。更に、そのカンチレバーは、第3A図及び第3B図によっ て示されたものと同様に、それの図示の面及び隠れた面におけるプリズム状の溝 62によって形成される。又、そのカンチレバーは拡大断面部分65を示し、そ の部分65はくびれの有効長を減少させる(第5図参照)。AFMタイプの応用 、例えば、表面の点検又は修正において使用するために、カンチレバーの最先端 部分に先端部64が取り付けられる。なお、この図及び他のすべての図が縮尺し て描かれているのではないことに留意すべきである。 更に、くびれを持ったカンチレバーは、既知の超小型の機械的圧力計又は加速 度計の感度を高めるためにも使用可能であるも注目すべきである。これらの計器 は、通常、懸架された固い塊り或いは1つ又は複数のビームによって支持された 隔膜より成り、ほとんどの場合、その隔膜の中に歪みセンサが組み込まれている 。ここに開示したようなくびれ部分を支持ビームに導入することによって、懸架 された塊り又は隔膜の如何なる振れも、高い精度でもって探知することが可能で ある。従って、本発明が教示するところは、ある種の振れ測定を必要と多種類の 超小型機械的装置に転用可能である。 産業上の利用可能性 上述のように、製造プロセスは、異方性エッチングに関して、一括生産又は大 量生産に適用し得るので、本発明は、同等の又はわずかに修正されたカンチレバ ーのアレイに容易に拡張可能である。これらのアレイは、記憶装置、タッチ感応 性スクリーン等のような種々の適用分野において使用可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヴェッテイガー、ペータ スイス国ラングノー、ラングモーゼシュト ラーセ 33

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1.横方向の寸法を小さくされ、又はヤング率を小さくされたくびれ部分(12 、62)有するカンチレバーにして、該カンチレバーと完全に接触し或いは該カ ンチレバーに組み込まれた層を形成する少なくとも1つの歪み感知素子(451 、452、453)を組み込まれたカンチレバーにおいて、 前記くびれ部分の長さ(L1)は前記カンチレバーの全体の長さの1/5よりも 小さく且つその比nλ/εが9よりも小さく、 nは前記カンチレバーの形状に従って1乃至10の範囲における幾何学的係数 であり、 λは前記長さL1と前記くびれ部分の残りの長さとの比として定義された長さ 方向のくびれ係数であり、 εは前記くびれ部分及び前記カンチレバーの残り部分における厚さの比の3乗 、幅の比、及び前記カンチレバーのヤング率の比の積として定義された横方向の くびれ係数である ことを特徴とするカンチレバー。 2.サンプルの表面をプローブするためのチップ(64)を取り付けられたこと を特徴とする請求の範囲第1項に記載のカンチレバー。 3.前記くびれ部分は本質的には横方向に延びる少なくとも1つの溝(12、3 2、62)より成ることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のカンチレバー。 4.スティフネスを増強された部分(55、65)を前記くびれ部分に近接して 有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載のカンチレバー。 5.断面を拡大された部分(55、65)を前記くびれ部分に近接して有するこ とを特徴とする請求の範囲第1項に記載のカンチレバー。 6.前記感知素子(451、452)は本質的にはビーム部分に関して横方向に 延びていることを特徴とする請求の範囲第1項に記載のカンチレバー。 7.前記ビーム部分(63)は水平面、又は垂直面、又は水平面及び垂直面にお いて実質的に三角形の断面を有することを特徴とする請求の範囲第1項に記載の カンチレバー。 8.請求の範囲第1項に記載のカンチレバーを少なくとも1つ含むデータ記憶シ ステム。 9.請求の範囲第1項に記載のカンチレバーを複数個含むアレイ。
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