JPH1078438A

JPH1078438A - カンチレバー

Info

Publication number: JPH1078438A
Application number: JP23307496A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Matsuyama; 克宏松山; Akitoshi Toda; 明敏戸田; Natsue Momiyama; 奈津江籾山; 雅道 ▲ひじ▼野; Masamichi Hijino
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-09-03
Filing date: 1996-09-03
Publication date: 1998-03-24

Abstract

(57)【要約】【課題】少なくとも探針表面に成膜する金属薄膜の耐磨
耗性及び密着性を向上させたカンチレバーを提供する。【解決手段】パイレックスガラス製の支持部２と、この
支持部から延出した窒化シリコン製のレバー部４と、こ
のレバー部の自由端に形成された窒化シリコン製の探針
部６とから成るカンチレバー元部材１８′を備えてお
り、このカンチレバー元部材の両面に導電性の金属薄膜
８ａ，８ｂを形成した後、探針部側からイオン注入処理
を施すことによって、少なくとも探針部の表面に形成さ
れた金属薄膜８ａの物性を変化させている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば走査型トン
ネル顕微鏡（ＳＴＭ）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）に用いられるカンチレ
バーに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、試料を原子オーダーの分解能で観
察するための装置として、走査型プローブ顕微鏡(SPM;S
canning Probe Microscope) が知られている。このよう
なＳＰＭの一例として、ビニッヒ（Binnig）やローラー
（Rohrer）等によって、走査型トンネル顕微鏡（STM;Sc
anning Tunneling Microscope)が発明された。しかし、
このＳＴＭでは、観察できる試料は導電性の試料に限ら
れている。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要
素技術を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能
で観察できる装置として原子間力顕微鏡（AFM;AtomicFo
rce Microscope）が提案された（特開昭６２−１３０３
０２号公報参照）。

【０００３】ＡＦＭ構造は、ＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられており、
自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレバーを備えてい
る。このような構成において、探針を試料に近づける
と、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（原子間力）によって、カンチレバーの自由端が
変位する。そして、この自由端に生じる振動振幅の変化
を電気的あるいは光学的に測定しながら、探針を試料表
面に沿ってＸＹ方向に走査することによって、試料の凹
凸情報等を三次元的にとらえている。

【０００４】ＳＰＭ用カンチレバーは、アルブレヒト
（T.R.Albrecht）等が半導体ＩＣプロセスを応用して作
製した二酸化シリコンカンチレバーを提案して以来（ T
homasR.Albrecht Calvin F.Quate:“Atomic resolution
Imaging of a nonconductorby Atomic force Microsco
py ”,J.Appl.Phys,62(1987)2599 参照）、マイクロメ
ータ（μｍ）の精度で非常に再現性の良いものを作製で
きるようになった。しかも、バッチプロセスを用いるこ
とにより大量に作製することができるため、作製コスト
を低減させることが可能となった。従って、現在、半導
体ＩＣプロセスを応用して作製するカンチレバーチップ
が主流となっている。

【０００５】なお、例えば、「J.Vac.Sci.Technol.A8
(4)3386 1990:T.Albrecht,S.Akamine,T.E.Caver and C.
F.Quate 」に示されているように、二酸化シリコン膜の
代わりに窒化シリコン膜を使用したカンチレバーも知ら
れているが、このカンチレバーの寸法は、長さ約５０〜
２００μｍ、厚さ約０．５〜１μｍであり、その形状
は、中抜き三角形や長方形である。

【０００６】上述したようなカンチレバーには、使用態
様や使用目的に合わせて、種々の処理が施される場合が
ある。例えば、ＡＦＭの光変位センサのセンサー光を効
率良く反射させるためにカンチレバーの背面に金属薄膜
をコーティングする場合や、更に加えてカンチレバーの
探針表面（探針が形成された面）も金属薄膜をコーティ
ングする場合がある。このようなカンチレバーによれ
ば、探針表面に金属薄膜をコーティングすることによっ
て導電性を持たせてあるため、例えば、ＡＦＭ／ＳＴＭ
の同時測定や、ＡＦＭ／ＳＣａＭ (走査型容量顕微鏡(S
canning Capacitance Microscope))の同時測定が可能と
なる。

【０００７】また、探針と試料とが同一材料である場合
には、走査中における探針先端と試料表面との間の吸着
力が大きくなって安定した測定を行うことが困難になる
場合があるが、探針表面に金属薄膜をコーティングする
ことによって、このような不安定性が回避することが可
能となる。例えば、窒化シリコン製探針によって窒化シ
リコン製試料をＡＦＭ測定すると、ＡＦＭ測定像には、
引きずられたような痕が沢山観察されるようになるが、
探針に金属薄膜をコーティングすることによって、この
ような現象を少なくすることが可能となる。

【０００８】なお、金属薄膜は、例えば、真空蒸着法、
プラズマＣＶＤ法、イオンビームスパッタ法、イオンビ
ーム蒸着法、プラズマスパッタ法等によって通常０．０
１〜１μｍ程度の厚さにコーティングされる。また、成
膜する金属としては、例えば、金やニッケル等が良く用
いられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ところで、実際のＡＦ
Ｍ測定では、通常、カンチレバー先端の探針と試料とを
互いに接触させてＡＦＭ走査する場合が殆どである。こ
のため、例えば大気中のＡＦＭ測定では、試料表面に形
成された吸着層によって探針先端にはメニスカスフォー
スと呼ばれる吸着力が作用し、この力によって、探針荷
重値が実質的に決定されることになる。従って、このよ
うな吸着力が作用した探針荷重値でＡＦＭ走査を行う
と、探針先端の耐磨耗性が低下してしまうといった問題
が発生する場合がある。

【００１０】具体的な例として、探針に導電性機能を付
加してＡＦＭ／ＳＴＭ同時測定を行うために、窒化シリ
コン製の探針側表面に金属薄膜をコーティングしたカン
チレバーによって試料を走査する場合を考察する。

【００１１】この場合、金属薄膜の材料自体が柔らかい
ため、測定時間や測定回数が増すに従って、金属薄膜が
磨耗して探針先端の尖鋭度が悪くなってしまうことがあ
る。そうなると、走査感度や分解能が低下するだけでな
く、金属薄膜の厚さの減少によって導電性が低下してし
まうため、測定が不安定となってしまう。そして、探針
にコーティングされた金属薄膜が完全に磨耗して無くな
ってしまったときには、トンネル電流が全く得られ無く
なり、ＳＴＭ測定ができなくなってしまう場合がある。

【００１２】このような問題は、金属薄膜が窒化シリコ
ン等のガラス材料と比べて柔らかいために顕著に現われ
る問題であり、少なくとも探針に対して金属薄膜をコー
ティングしたカンチレバーにおいて共通の問題である。

【００１３】また、ＡＦＭ測定の開始前にフォースカー
ブ測定と呼ばれる探針圧設定作業が行われるが、ＡＦＭ
測定中において、探針は、設定圧以上の圧力で試料に押
し付けられることになる。この場合、柔らかい材料から
成る金属薄膜が押し潰されて探針先端の尖鋭度が悪くな
り、走査感度や分解能が低下してしまう場合がある。更
に、探針にコーティングする金属薄膜は、カンチレバー
元部材を構成する窒化シリコン等のシリコン系化合物に
対する密着性が悪いため、上記フォースカーブ測定の際
に既に剥がれてしまう場合もある。

【００１４】このため、シリコン系化合物から成るカン
チレバー元部材に対する金属薄膜の密着性を向上させる
ために、カンチレバー元部材と金属薄膜との間に、例え
ばチタンやクロム等の中間層を形成する方法が従来から
採られている。

【００１５】ところで、このような中間層を構成する材
料は、膜応力が大きいものが多い。このため、１Ｎ／ｍ
前後のばね定数を有するカンチレバーが、中間層を形成
したことによって反り返ることが無いように、中間層の
膜厚は、例えば鏡等を作製する場合に比べて遥かに薄く
する必要がある。ただし、膜応力を考慮した膜厚制御は
困難であるため、歩留まりが上がらない一因となってい
る。

【００１６】このように、上述したような種々の制約条
件によって、導電性、硬度及び耐久性等に優れたカンチ
レバーは、実現するに至っていない。本発明は、上述し
たような課題等を解決するために成されており、その目
的は、少なくとも探針表面に成膜する金属薄膜の耐磨耗
性及び密着性を向上させたカンチレバーを提供すること
にある。

【００１７】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明のカンチレバーは、支持部と、この支
持部から延出したレバー部と、このレバー部の自由端に
形成された探針部とを備えており、少なくとも前記探針
部側の面には、所定のイオンを注入することによって所
定の物性を有する表面層が形成されている。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の第１の実施の形態
に係るカンチレバーについて、図１〜図３を参照して説
明する。図１（ｄ）に示すように、本実施の形態のカン
チレバーは、例えばパイレックスガラス製の支持部２
と、窒化シリコン製のレバー部４と、レバー部４の自由
端に形成された窒化シリコン製の探針部６とから成るカ
ンチレバー元部材１８′を備えており、このカンチレバ
ー元部材１８′の両面に導電性の金属薄膜８ａ，８ｂを
形成した後、探針部６側からイオン注入処理を施すこと
によって、少なくとも探針部６の表面に形成された金属
薄膜８ａの物性を変化させて耐磨耗性及び密着性を向上
させたことを特徴としている。

【００１９】ここで、“物性を変化させて”とは、金属
薄膜８ａが、アモルファス化、多結晶化、格子欠陥の形
成、化合物の形成等によって、元々の結晶構造を変化さ
せることを示している。

【００２０】次に、本実施の形態のカンチレバーの作製
プロセスについて、図１（ａ）〜（ｄ）を参照して説明
する。まず、図１（ａ）に示すように、シリコンウェハ
１０に対して湿式異方性エッチングを施すことによっ
て、探針部６を形成するための穴１２を形成する（プロ
セス１）。

【００２１】次に、図１（ｂ）に示すように、穴１２が
形成されたシリコンウェハ１０の面上に窒化シリコン膜
１４（膜厚０．４〜１μｍ）をＣＶＤ法によって形成し
た後、フォトリソグラフィとドライエッチングを施すこ
とによって、窒化シリコン膜１４をレバー部４の形状に
パターニングする（プロセス２）。

【００２２】この後、図１（ｃ）に示すように、支持部
２の形状にパターニングされたパイレックスガラス１６
を窒化シリコン膜１４に陽極接合する（プロセス３）。
なお、このプロセス３が終了した時点で、シリコンウェ
ハ１０の面上には、パイレックスガラス１６及び窒化シ
リコン膜１４から成るカンチレバー元部材１８′が形成
されることになる。

【００２３】続いて、４０％ＫＯＨ水溶液中でシリコン
ウェハ１０をエッチングした後、フッ酸によってカンチ
レバー元部材１８′に付着しているゴミや酸化シリコン
膜等を除去する（プロセス４）。

【００２４】次に、図１（ｄ）に示すように、真空蒸着
法によって、カンチレバー元部材１８′の両面に金属薄
膜８ａ，８ｂを成膜する（プロセス５）。なお、このプ
ロセス５において、金属薄膜８ａ，８ｂの材料として
は、例えば、金、銀、白金、パラジウム、ニッケル等の
導電性と耐酸化性とを兼ね備えた金属材料を用いること
が好ましい。また、金属薄膜８ａ，８ｂの膜厚は、１０
〜１００ｎｍに設定することが好ましい。

【００２５】そして、探針部６側に成膜された金属薄膜
８ａに対して、後述するイオン注入装置によって所定の
イオンを注入する（プロセス６）。この結果、本実施の
形態のカンチレバーが形成されることになる。なお、後
述するミキシング効果を向上させるために、イオン注入
中又はイオン注入後、カンチレバーに熱処理を施すこと
が好ましい。

【００２６】図２（ａ）には、上記プロセス６のイオン
注入処理を行うためのイオン注入装置の構成が示されて
いる。図２（ａ）に示すように、イオン注入装置は、所
定の元素をイオン化して真空チャンバ２０内に放出する
イオン放出器２２と、真空チャンバ２０内に設けられ且
つ上記プロセス１〜５を介して作製されたカンチレバー
１８（イオン注入処理が成されていないカンチレバー
（以下、未注入カンチレバーと称する））をセット可能
なホルダ２４と、このホルダ２４を回転させる回転駆動
系２６とを備えている。

【００２７】イオン放出器２２は、所定の元素を取込可
能な取込口２８と、この取込口２８から取り込まれた元
素をプラズマ化した後、所定の電圧を印加するプラズマ
室３０と、印加電圧によって加速されたイオンをプラズ
マ室３０から放出させるタイミング（イオン注入タイミ
ング）を制御するシャッタ３２とを備えている。

【００２８】この場合、ホルダ２４には、探針部６が形
成された面をイオン放出器２２に対向させて未注入カン
チレバー１８がセットされる。なお、図面では、説明の
都合上、１つの未注入カンチレバー１８のみをホルダ２
４にセットしているが、実際は、複数個の未注入カンチ
レバー１８が形成された１枚のウェハ（図示しない）が
ホルダ２４にセットされることになる。

【００２９】また、イオン放出器２２によってイオン化
させる元素としては、例えば、不活性元素や、未注入カ
ンチレバー１８に与える応力の少ないヘリウム、窒素、
炭素、ボロン、アルゴン等のガス体が好ましい。この場
合、特に、比較的原子量が小さいヘリウムや窒素等のガ
ス体は、比較的低エネルギーで注入することができるた
め、装置の製造コストを低減することができると共に、
真空チャンバ２０内に大量に放出しても排気口３４から
外部に簡単に放出することができるため、未注入カンチ
レバー１８に与える応力を押さえることができる点で望
ましい。

【００３０】以下、例えば膜厚５０ｎｍの金属薄膜８
ａ，８ｂが形成された未注入カンチレバー１８に対して
所定の注入量及び注入エネルギで所定のイオンを注入す
る動作について説明する。なお、この注入動作におい
て、探針部６側の金属薄膜８ａに注入するイオンの注入
量は、１×１０¹⁵〜６×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² の範囲
が好ましく、金属薄膜８ａに注入するイオンの注入エネ
ルギは、５〜６０ＫｅＶの範囲が好ましい。

【００３１】このような条件の下、未注入カンチレバー
１８をホルダ２４にセットした後、排気口３４から排気
して真空チャンバ２０内を１０^-6Torrの真空状態にす
る。そして、取込口２８からプラズマ室３０に取り込ま
れた所定元素をプラズマ化した後、所定の電圧を印加す
る。このとき、所定の注入タイミングでシャッタ３２を
開けると、印加電圧によって加速されたイオンは、回転
駆動系２６によって回転しているホルダ２４上の未注入
カンチレバー１８方向（図中矢印Ｄ参照）へ放出され
る。そして、シャッタ３２が開いている間、探針部６側
の金属薄膜８ａに対するイオン注入処理が行われること
になる。

【００３２】従来から、探針部６側の金属薄膜８ａに対
して、ＡＦＭ測定時の耐磨耗性を考慮したイオン注入処
理は行われていない。しかし、本実施の形態のように、
金属薄膜８ａ，８ｂを成膜した後、探針部６側の金属薄
膜８ａにイオン注入処理を施すと、イオンが金属薄膜８
ａの内部に拡散すると同時に、注入エネルギによって金
属薄膜８ａの結晶構造が崩れる。この結果、金属薄膜８
ａの密度が増加して硬度が高められるため、例えばＡＦ
Ｍ／ＳＴＭ同時測定においてＡＦＭ測定時の耐磨耗性と
同時にＳＴＭ測定時の導電性を共に向上させることが可
能となる。

【００３３】また、イオン注入処理を施して探針部６側
の金属薄膜８ａの硬度を高める際に、イオンの注入エネ
ルギを５〜６０ＫｅＶの範囲で増減制御すれば、注入さ
れたイオンが、金属薄膜８ａとカンチレバー元部材の窒
化シリコン膜１４（図１参照）との界面に到達し、イオ
ンの持つ注入エネルギによって界面付近の原子が混合
（ミキシング）されることになる。このようにミキシン
グされると、金属薄膜８ａと窒化シリコン膜１４（即
ち、カンチレバー元部材）との境界が不明瞭になるた
め、窒化シリコン膜１４（カンチレバー元部材）に対す
る金属薄膜８ａの密着性を向上させることが可能とな
る。

【００３４】更に、通常カンチレバーを作製する際に
は、応力に基づくカンチレバーの変形に充分注意を払う
必要がある。これは、カンチレバーのばね定数が非常に
小さいため、応力の僅かな増加によってカンチレバーが
反り返ってしまうからである。この点、本実施の形態に
適用したイオン注入法では、原子レベルのオーダーでイ
オンを金属薄膜８ａに注入させることができるため、カ
ンチレバーに大きな応力を与えることがない。このた
め、大きな応力を与えること無く（即ち、カンチレバー
を大きく反り返らせること無く）、金属薄膜８ａを硬度
化させることが可能となる。

【００３５】以下、このような効果を実証するための種
々の比較試験について、試験データを参考にして説明す
る。なお、後述する比較試験は、その一例として次のよ
うな設定条件の下で行った。

【００３６】即ち、金属薄膜８ａ，８ｂの材料として、
金（以下、金薄膜と称する）を用いると共に、この金薄
膜８ａ，８ｂの膜厚を５０ｎｍに設定した。また、イオ
ン化させる元素として窒素を用いることとし、一定の注
入エネルギ２０ＫｅＶの下、未注入カンチレバー１８に
対して、注入量１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² でイオン注
入処理を施したカンチレバー（以下、注入済カンチレバ
ーと称する）と、注入量５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² で
イオン注入処理を施した注入済カンチレバーを夫々用意
した。そして、これら注入済カンチレバーと未注入カン
チレバー１８との間で以下のような比較試験を行った。

【００３７】まず、注入量１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ²
でイオン注入処理を施した注入済カンチレバーと、未注
入カンチレバー１８とを用いて、ＡＦＭ／ＳＴＭの同時
測定を行って、測定試料（図示しない）に対する絶縁耐
圧測定試験を行った。なお、測定試料として、面方位
（１００）のｎ形シリコン基板（Ｓｉ）を酸化処理した
シリコン酸化膜試料を用いた。

【００３８】この条件の下、探針荷重１ｎＮで測定試料
を１μｍ×１μｍ走査し、トンネル電流が流れなくなる
まで数回の比較試験を行って夫々の試験データをとっ
た。この試験データによれば、未注入カンチレバー１８
は、９回目の走査時にＡＦＭ測定像が不安定になり、Ｓ
ＴＭ電流像が得られなくなった。一方、注入済カンチレ
バーは、２０回以上の走査を行っても、安定したＡＦＭ
測定像及びＳＴＭ電流像を検出することができた。

【００３９】この結果、金薄膜８ａにイオン注入処理を
施すことによって、耐磨耗性と導電性の双方を向上させ
ることができることが確認された。なお、未注入カンチ
レバー１８を用いた場合、ＡＦＭ測定像及びＳＴＭ電流
像が得られなくなるのは、測定中に探針部６側の金薄膜
８ａが早期に磨り減ってしまったためである。この結果
については、探針部６をＳＥＭ観察したところ、探針部
６の先端部分の剥離量が、注入済カンチレバーに比べて
未注入カンチレバー１８の方が大きいことが確認され
た。

【００４０】次に、ＬＢＷＴ(Lunch Box Wear Test) と
呼ばれる引っかき試験法(T.Miyamoto,T.Miyake,R.Kanek
o:“Wear resistance of C⁺ -implanted siliconinvest
igated by scanning probe microscopy”,Wear,vol.162
-164,pt.B,pp.733-738,1993.)を用いて、イオン注入処
理を施した金薄膜８ａとイオン注入処理を施していない
金薄膜８ａの耐磨耗性の評価試験を行った。

【００４１】ＬＢＷＴ法は、ダイヤモンド触針を一定荷
重で評価試料に押し付けた状態でラスター走査した際、
評価試料に形成される磨耗痕の磨耗量を低探針荷重でＡ
ＦＭ測定する方法である。なお、この方法に用いるダイ
ヤモンド触針は、その曲率半径が６０ｎｍ、磨耗痕形成
時の荷重が０．５μＮ前後に設定されている。

【００４２】この場合、探針部６と同一の積層構造（図
１（ｄ）参照）を有しており、且つ、イオン注入処理を
施していない金薄膜８ａを有する評価試料、窒素イオン
（イオン注入量；１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）によっ
てイオン注入処理を施した金薄膜８ａを有する評価試
料、窒素イオン（イオン注入量；５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／
ｃｍ² ）によってイオン注入処理を施した金薄膜８ａを
有する評価試料の３種類の評価試料を用意して試験を行
った（下記の表１参照）。

【００４３】

【表１】

【００４４】表１に示された評価データから明らかなよ
うに、イオン注入処理を施していない金薄膜８ａの磨耗
量（磨耗深さ）に対して、窒素イオン（イオン注入量；
１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）を注入した金薄膜８ａの
磨耗量（磨耗深さ）は、約３０％減少した。更に、イオ
ン注入処理を施していない金薄膜８ａの磨耗量（磨耗深
さ）に対して、窒素イオン（イオン注入量；５×１０¹⁷
ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）を注入した金薄膜８ａの磨耗量（磨
耗深さ）は、約５０分の１程度減少した。

【００４５】この結果、金薄膜８ａにイオン注入処理を
施すことによって、金薄膜８ａの耐磨耗性を向上させる
ことができることが確認された。最後に、探針部６と同
一の積層構造（図１（ｄ）参照）を有するサンプル（１
０ｍｍ×１０ｍｍ）に対するＸＰＳ分析を行った。具体
的には、イオン注入処理を施していないサンプル（未注
入サンプル）とイオン注入処理を施したサンプル（注入
済サンプル）とに対してＸＰＳ分析を行った。なお、こ
のＸＰＳ分析では、金薄膜８ａのエッチングレートを１
５０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化シリコン膜１４（図１（ｄ）参
照）のエッチングレートを１５ｎｍ／ｍｉｎに設定し
た。

【００４６】図２（ｂ），（ｃ）には、このＸＰＳ分析
の分析結果データが示されており、同図（ｂ）は、未注
入サンプルの分析結果データ、同図（ｃ）は、窒素イオ
ン（イオン注入量；１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² 、又
は、５×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）を注入した注入済サ
ンプルの分析結果データである。

【００４７】同図（ｂ）から明らかなように、未注入サ
ンプルでは、窒化シリコン膜１４（カンチレバー元部材
１８′）上に、ほぼ膜厚（５０ｎｍ）設定通りに金薄膜
８ａが分布していることが分かる。即ち、金薄膜８ａと
窒化シリコン膜１４との境界は、明瞭に区別されてい
る。

【００４８】これに対して、同図（ｃ）から明らかなよ
うに、注入済サンプルでは、金薄膜８ａを構成する金の
分布が深さ方向に沿って穏やかに傾斜しており、金薄膜
８ａと窒化シリコン膜１４との境界が傾斜的に分布（境
界部分の膜相互の材料が相互に混じり合って分布）して
不明瞭になっていることが分かる。

【００４９】これは、イオン注入処理によって金薄膜８
ａと窒化シリコン膜１４の境界部分がミキシングされた
ことを示している。なお、イオン注入処理後において、
サンプル表面付近に窒素が殆ど検出されずに硬度が増加
していることも確認されたが、これは、サンプル内に金
の窒化物が形成されたからではなく、イオン注入処理に
よって金薄膜８ａの結晶構造が変化して硬度が増加した
からである。

【００５０】このＸＰＳ分析によれば、金薄膜８ａにイ
オン注入処理を施すことによって、カンチレバー元部材
１８′（窒化シリコン膜１４）に対する金薄膜８ａの密
着性を向上させることができることが確認された。

【００５１】なお、本発明は、上述した第１の実施の形
態に限定されることは無く、新規事項を追加しない範囲
で種々変更することが可能である。例えば、第１の変形
例として、上記第１の実施の形態の設定条件の下、作製
プロセス４（図１（ｃ）参照）において、ダイナミック
イオンミキシング法によって、カンチレバー元部材１
８′の探針部６側の面に直接金属薄膜８ａを成膜しても
良い。

【００５２】ダイナミックイオンミキシング法とは、カ
ンチレバー元部材１８′に金属をコーティングしながら
同時にイオン注入を行う方法であって、比較的低いエネ
ルギでイオン注入処理を行うことができると共に、イオ
ンミキシング層を厚くすることができるという利点を有
している。

【００５３】図３（ａ）には、ダイナミックイオンミキ
シング処理を行うためのイオン注入装置の構成が示され
ている。図３（ａ）に示すように、イオン注入装置は、
真空チャンバ３６内にカンチレバー元部材１８′をセッ
ト可能な試料ホルダ３８と、所定の元素をイオン化して
真空チャンバ３６内に放出するイオン源４０と、このイ
オン源４０からイオンが放出されている間に、少なくと
もカンチレバー元部材１８′の探針部６側の面に所定の
金属を蒸着させる蒸発源４２とを備えている。

【００５４】この場合、試料ホルダ３８には、探針部６
が形成された面をイオン源４０及び蒸発源４２に対抗さ
せてカンチレバー元部材１８′がセットされる。なお、
図面では、説明の都合上、１つのカンチレバー元部材１
８′のみを試料ホルダ３８にセットしているが、実際
は、複数個のカンチレバー元部材１８′が形成された１
枚のウェハ（図示しない）が試料ホルダ３８にセットさ
れることになる。

【００５５】このような装置では、まず、イオン源４０
からイオンをカンチレバー元部材１８′の探針部６側の
面に注入した状態において、所定時間経過後に、蒸発源
４２から金属を蒸発させてカンチレバー元部材１８′の
探針部６側の面に金属を蒸着（成膜）させる。この後、
金属蒸着状態を一定に維持しながらイオン放出量を減少
させて行く。そして、イオン放出を停止させた後、探針
部６側の金属薄膜８ａ（図１（ｄ）参照）の膜厚が５０
ｎｍになるまで蒸発源４２から金属を蒸発させる。な
お、この後、膜厚５０ｎｍの金属薄膜８ａの硬度を更に
向上させるために、金属薄膜８ａにイオンを注入するこ
とも好ましい。

【００５６】この第１の変形例によれば、ダイナミック
イオンミキシング処理によって、カンチレバー元部材１
８′の探針部６側の面に成膜とイオン注入とを同時に行
うことができる。このため、上記第１の実施の形態とは
異なり、膜厚の増加に伴ってイオンの注入エネルギを大
きくする必要がないため、比較的低い注入エネルギでも
膜厚を厚くすることが可能となる。また、低い注入エネ
ルギで足りるため、導電性膜として機能する探針部６側
の金属薄膜８ａに与えるダメージを低減することが可能
となる。

【００５７】また、ダイナミックイオンミキシング処理
中、イオン注入だけを停止すると、その後の処理は通常
の成膜プロセスとなるため、ミキシング層の形成を何時
でも止めることができる。つまり、成膜後にイオン注入
する手法に比べてミキシング層の制御が容易になるた
め、必要に応じてミキシング層を厚くして密着性をより
強固にすることが可能となる。なお、密着性を向上させ
るために例えばチタンやクロム等の中間層を設ける手法
が従来から採られているが、本変形例では、中間層を設
けること無く、充分な密着性を維持確保することができ
る。

【００５８】更に、本変形例によれば、カンチレバー元
部材１８′を形成した後、仕上げまでを１つのプロセス
で行うことができる。この場合、探針部６側の面への金
属成膜とイオン注入とを別々に行っていた手法に比べ
て、作製プロセスを削減することができるため、カンチ
レバー作製コストを低減することが可能となる。

【００５９】以下、第１の変形例の効果を実証するため
の種々の比較試験について、例示的にとった試験データ
を参考にして簡単に説明する。なお、後述する種々の比
較試験は、第１の実施の形態と同一の設定条件の下で行
った。例えば、金属薄膜８ａ，８ｂの材料として、金を
用いると共に、この金薄膜８ａ，８ｂの膜厚を５０ｎｍ
に設定した。そして、第１の実施の形態と同一の注入エ
ネルギ及び注入量で例えば窒素イオンを注入した。

【００６０】まず、ダイナミックイオンミキシング処理
を施した処理済カンチレバーと、処理を施していない未
処理カンチレバーとを用いて、ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測
定を行って、測定試料（図示しない）に対する絶縁耐圧
測定試験を行った。なお、測定試料として、面方位（１
００）のｎ形シリコン基板（Ｓｉ）を酸化処理したシリ
コン酸化膜試料を用いた。

【００６１】この条件の下、探針荷重１ｎＮで測定試料
を１μｍ×１μｍ走査し、トンネル電流が流れなくなる
まで数回の比較試験を行って夫々の試験データをとっ
た。この試験データによれば、未処理カンチレバーは、
９回目の走査時にＡＦＭ測定像が不安定になり、ＳＴＭ
電流像が得られなくなった。一方、処理済カンチレバー
は、２０回以上の走査を行っても、安定したＡＦＭ測定
像及びＳＴＭ電流像を検出することができた。

【００６２】この結果、未処理カンチレバーに比べて処
理済カンチレバーの方が導電性及び耐磨耗性が高くなっ
ていることが確認された。次に、ダイナミックイオンミ
キシング処理を施した探針部６と同一の積層構造を有す
るサンプル（１０ｍｍ×１０ｍｍ）に対するＸＰＳ分析
を行った。なお、このＸＰＳ分析では、金薄膜８ａのエ
ッチングレートを１５０ｎｍ／ｍｉｎ、窒化シリコン膜
１４（図１（ｄ）参照）のエッチングレートを１５ｎｍ
／ｍｉｎに設定した。

【００６３】図３（ｂ）には、このＸＰＳ分析の分析結
果データが示されている。このデータから明らかなよう
に、探針部６側の窒化シリコン膜１４上に、ほぼ膜厚
（５０ｎｍ）設定通りに金薄膜８ａが分布した状態にお
いて、ミキシング層が３０ｎｍ程度あり、図２（ｂ）の
データ（イオン注入処理を施していないサンプルのデー
タ）と比較して境界が不明瞭になっていることが分か
る。

【００６４】このようにダイナミックイオンミキシング
法を適用したことによって、成膜しながら同時にイオン
注入処理を施して境界をミキシングすることができるた
め、カンチレバー元部材１８′（窒化シリコン膜１４）
に対する金薄膜８ａの密着性を向上させることができる
ことが確認された。

【００６５】また、例えば、第２の変形例として、上記
第１の実施の形態の設定条件の下、パイレックスガラス
１６及び窒化シリコン膜１４から成るカンチレバー元部
材１８′の探針部６側の面に金属イオンを注入した後、
その金属と同一元素の金属を成膜しても良い。

【００６６】この第２の変形例によれば、成膜前にイオ
ン注入処理を施しているため、比較的低い注入エネルギ
で短時間に密着性が高く且つ表面が平滑な金属薄膜を形
成することが可能となる。また、最表面に成膜された金
属薄膜が磨耗しても、窒化シリコン膜１４（カンチレバ
ー元部材１８′）に注入された金属元素の効果によって
導電性を一定に維持することが可能となる。

【００６７】また、本変形例に適用する金属イオンとし
ては、導電性を有する金属元素のイオン、或いは、イオ
ン注入後に成膜する導電性膜（金属薄膜）と同一元素の
イオンが好ましい。これは、金属イオンを注入すること
によって、窒化シリコン膜１４（カンチレバー元部材１
８′）と金属薄膜との間の境界が傾斜的に分布して不明
瞭となり、膜相互の密着性を向上させることができるか
らである。従って、注入イオンの種類としては、導電性
が保持され且つ酸化し難い元素（例えば、金、銀、白
金、パラジウム、ニッケル）から成る金属イオンを用い
れば、酸化による導電性の低下を防止することができ
る。

【００６８】以下、第２の変形例の効果を実証するため
の種々の比較試験について、例示的にとった試験データ
を参考にして簡単に説明する。後述する種々の比較試験
は、基本的に第１の実施の形態と同一の設定条件の下で
行ったが、金属イオンとして例えば金元素から成る金イ
オンを用いると共に、金属薄膜８ａ，８ｂ（図１（ｄ）
参照）の材料として同一の金元素を用い、この金薄膜８
ａ，８ｂの膜厚を５０ｎｍに設定した。

【００６９】また、例えば、一定の注入エネルギ５０Ｋ
ｅＶの下、注入量１×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² の条件で
探針部６側の面に金イオンを注入した後、この面上に金
薄膜を５０ｎｍ成膜した注入済カンチレバーを用意し
た。そして、この注入済カンチレバーと、探針部６側の
面に金イオンを注入すること無く金薄膜８ａのみを成膜
した未注入カンチレバーとの間で以下のような比較試験
を行った。

【００７０】まず、注入済カンチレバーと、未注入カン
チレバーとを用いて、ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測定を行っ
て、測定試料（図示しない）に対する絶縁耐圧測定試験
を行った。なお、測定試料として、面方位（１００）の
ｎ形シリコン基板（Ｓｉ）を酸化処理したシリコン酸化
膜試料を用いた。

【００７１】この条件の下、探針荷重１ｎＮで測定試料
を１μｍ×１μｍ走査し、トンネル電流が流れなくなる
まで数回の比較試験を行って夫々の試験データをとっ
た。この試験データによれば、未注入カンチレバーは、
９回目の走査時にＡＦＭ測定像が不安定になり、ＳＴＭ
電流像が得られなくなった。一方、注入済カンチレバー
は、２０回以上の走査を行っても、安定したＡＦＭ測定
像及びＳＴＭ電流像を検出することができた。

【００７２】この結果、未注入カンチレバーに比べて注
入済カンチレバーの方が導電性及び耐磨耗性が高くなっ
ていることが確認された。これは、金薄膜の成膜前に、
探針部６側の面（窒化シリコン膜１４）に金イオンを注
入したことによって、金薄膜の金元素が、先に注入され
た金元素と馴染みながら成膜されるためである。従っ
て、最表面に成膜された金薄膜が磨耗した場合でも、窒
化シリコン膜１４（カンチレバー元部材１８′）に注入
された金元素の効果によって導電性を一定に維持するこ
とが可能となる。

【００７３】次に、注入済カンチレバーの探針部６と同
一の積層構造を有するサンプル（１０ｍｍ×１０ｍｍ）
に対するＸＰＳ分析を行った。なお、このＸＰＳ分析で
は、金薄膜８ａのエッチングレートを１５０ｎｍ／ｍｉ
ｎ、窒化シリコン膜１４（図１（ｄ）参照）のエッチン
グレートを１５ｎｍ／ｍｉｎに設定した。

【００７４】図３（ｃ）には、このＸＰＳ分析の分析結
果データが示されている。このデータから明らかなよう
に、探針部６側の窒化シリコン膜１４上に、ほぼ膜厚
（５０ｎｍ）設定通りに金薄膜８ａが分布した状態にお
いて、図２（ｂ）のデータ（イオン注入処理を施してい
ないサンプルのデータ）と比較して境界が不明瞭になっ
ていることが分かる。

【００７５】この結果、本変形例のイオン注入処理を適
用することによって、カンチレバー元部材１８′（窒化
シリコン膜１４）に対する金薄膜８ａの密着性を向上さ
せることができることが確認された。

【００７６】次に、本発明の第２の実施の形態に係るカ
ンチレバーについて、図４及び図５を参照して説明す
る。なお、本実施の形態の説明に際し、第１の実施の形
態と同一の構成には、同一符号を付して、その説明を省
略する。

【００７７】図４に示すように、本実施の形態のカンチ
レバーは、上記第１の実施の形態と同様の作製プロセス
１〜４（図４（ａ）〜（ｃ）参照）によって形成したカ
ンチレバー元部材１８′の両面に中間層４４ａ，４４ｂ
を介して金属薄膜８ａ，８ｂを成膜した後（図４（ｄ）
参照）、探針部６側からイオン注入処理を施すことによ
って、少なくとも探針部６に積層された中間層４４ａ及
び金属薄膜８ａの物性を変化させて耐磨耗性及び密着性
を向上させたことを特徴としている。

【００７８】ここで、“物性を変化させて”とは、金属
薄膜８ａが、アモルファス化、多結晶化、格子欠陥の形
成、化合物の形成等によって、元々の結晶構造を変化さ
せることを示している。

【００７９】金属薄膜８ａ，８ｂの材料としては、第１
の実施の形態と同様に、例えば、金、銀、白金、パラジ
ウム、ニッケル等の導電性と耐酸化性とを兼ね備えた金
属材料を用いることが好ましく、その膜厚は、１０〜１
００ｎｍに設定することが好ましい。

【００８０】また、中間層４４ａ，４４ｂの材料として
は、例えば、クロム、チタン、タングステン、タンタル
等を適用することが可能である。このような中間層４４
ａ，４４ｂは、金属薄膜８ａ，８ｂの密着性を向上させ
るのに充分な膜厚が必要であるが、その膜応力によって
カンチレバーが大きく反り返ることが無いように、その
膜厚は、約１．５ｎｍ程度に設定することが好ましい。

【００８１】一方、イオン注入処理に際しイオン化させ
る元素としては、第１の実施の形態と同様に、例えば、
不活性元素や、未注入カンチレバー１８（図４（ｄ）参
照）に与える応力の少ないヘリウム、窒素、炭素、ボロ
ン、アルゴン等のガス体が好ましい。

【００８２】なお、イオン注入量及び注入エネルギにつ
いても、第１の実施の形態と同様に、探針部６側の面に
注入するイオン注入量は、１×１０¹⁵〜６×１０¹⁷ｉｏ
ｎｓ／ｃｍ² の範囲が好ましく、また、イオンの注入エ
ネルギは、５〜６０ＫｅＶの範囲が好ましい。

【００８３】ところで、従来技術において説明したよう
に、カンチレバー元部材１８′に対する金属薄膜８ａ，
８ｂの密着性を向上させるために、金属薄膜８ａ，８ｂ
とカンチレバー元部材１８′との間に、ある程度密着性
の良い中間層４４ａ，４４ｂを設ける手法が一般的に採
られている。

【００８４】しかし、特にＳＰＭ用のカンチレバーは、
その厚さが数μｍ以下と非常に薄く且つ繊細であるた
め、カンチレバー元部材１８′上に成膜した中間層４４
ａ，４４ｂの膜厚が大きくなると、膜応力が増加するこ
とによって、カンチレバーが大きく反り返ってしまう場
合がある。

【００８５】このため、中間層４４ａ，４４ｂは、その
機能を失わない範囲で可能な限り薄く成膜することが好
ましいが、この中間層４４ａ，４４ｂを薄くし過ぎると
金属薄膜８ａ，８ｂの密着性を向上させる効果が不十分
となるだけでなく、経時的に剥離等の問題が生じる。

【００８６】そこで、本実施の形態では、中間層４４
ａ，４４ｂの機能を発揮させるのに充分な膜厚として約
１．５ｎｍ程度に設定すると共に、特に探針部６側の金
属薄膜８ａと中間層４４ａとの境界の密着性及び中間層
４４ａとカンチレバー元部材１８′との境界の密着性を
向上させるために、探針部６側からイオン注入処理を施
している。この場合、第１の実施の形態と同様に、イオ
ン注入エネルギを５〜６０ＫｅＶの範囲で増減制御すれ
ば、注入されたイオンが、上記各境界に到達し、イオン
の持つ注入エネルギによって境界付近の原子が混合（ミ
キシング）されることになる。

【００８７】このようなミキシングが成されると、上記
各境界が不明瞭になるため、境界相互の密着性を向上さ
せることができ、耐磨耗性を著しく向上させることが可
能となる。この結果、膜応力の増加に伴うカンチレバー
の反りの問題や経時的な剥離等の問題が解消され、経時
的に常に安定した測定を行うことが可能なカンチレバー
を提供することが可能となる。

【００８８】なお、例えばＡＦＭ測定やＬＦＭ測定時に
おいて、カンチレバーの探針部６先端と試料表面（図示
しない）との間の吸着力を低減させることを目的とする
場合には、導電性は問題では無く耐磨耗性を向上させる
ことが重要となる。この場合には、探針部６の表面に酸
化層が形成されるように、イオン注入量を適宜調節すれ
ば良い。これに対して、ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測定を行
う場合には、導電性の低下は可能な限り少ない方が良
く、表面に酸化層が形成されないように、イオン注入量
を適宜調節することが好ましい。また、ＡＦＭ／ＳＣａ
Ｍの同時測定を行う場合には、ＡＦＭ／ＳＴＭ同時測定
とは多少異なり、表面だけが酸化して導電性が低下して
いる状態であれば、充分に測定可能である。

【００８９】以下、このような効果を実証するための種
々の比較試験について、例示的にとった試験データを参
考にして説明する。なお、後述する種々の比較試験は、
その一例として次のような設定条件の下で行った。

【００９０】即ち、金属薄膜８ａ，８ｂの材料として、
金（以下、金薄膜と称する）を用いると共に、この金薄
膜８ａ，８ｂの膜厚を５０ｎｍに設定し、中間層４４
ａ，４４ｂ（膜厚；約１．５ｎｍ程度）の材料として、
クロム（以下、クロム層と称する）を用いた。また、イ
オン化させる元素として窒素を用いることとし、一定の
注入エネルギ２０ＫｅＶの下、未注入カンチレバー１８
（図４（ｄ）参照）に対して、注入量２×１０¹⁷ｉｏｎ
ｓ／ｃｍ² でイオン注入処理を施したカンチレバー（以
下、注入済カンチレバーと称する）を用意した。そし
て、この注入済カンチレバーと未注入カンチレバー１８
との間で以下のような比較試験を行った。

【００９１】まず、注入済カンチレバーと、未注入カン
チレバー１８とを用いて、ＡＦＭ／ＳＴＭの同時測定を
行って、測定試料（図示しない）に対する絶縁耐圧測定
試験を行った。なお、測定試料として、面方位（１０
０）のｎ形シリコン基板（Ｓｉ）を酸化処理したシリコ
ン酸化膜試料を用いた。

【００９２】この条件の下、探針荷重１ｎＮで測定試料
を１μｍ×１μｍ走査し、トンネル電流が流れなくなる
まで数回の比較試験を行って夫々の試験データをとっ
た。この試験データによれば、未注入カンチレバー１８
は、９回目の走査時にＡＦＭ測定像が不安定になり、Ｓ
ＴＭ電流像が得られなくなった。一方、注入済カンチレ
バーは、２０回以上の走査を行っても、安定したＡＦＭ
測定像及びＳＴＭ電流像を検出することができた。

【００９３】この結果、未注入カンチレバー１８に比べ
て注入済カンチレバーの方が導電性及び耐磨耗性が高く
なっていることが確認された。次に、探針部６と同一の
積層構造（図４（ｄ）参照）を有するサンプル（１０ｍ
ｍ×１０ｍｍ）に対するＸＰＳ分析を行った。具体的に
は、イオン注入処理を施していないサンプル（未注入サ
ンプル）とイオン注入処理を施したサンプル（注入済サ
ンプル）とに対してＸＰＳ分析を行った。なお、このＸ
ＰＳ分析では、金薄膜８ａのエッチングレートを１５０
ｎｍ／ｍｉｎ、窒化シリコン膜１４及びクロム層４４ａ
（図１（ｄ）参照）のエッチングレートを１５ｎｍ／ｍ
ｉｎに設定した。

【００９４】図５（ａ），（ｂ）には、このＸＰＳ分析
の分析結果データが示されており、同図（ａ）は、未注
入サンプルの分析結果データ、同図（ｂ）は、窒素イオ
ン（イオン注入量；２×１０¹⁷ｉｏｎｓ／ｃｍ² ）を注
入した注入済サンプルの分析結果データである。

【００９５】同図（ａ）から明らかなように、イオン注
入処理を施していないサンプルでは、窒化シリコン膜１
４（カンチレバー元部材１８′）上に、ほぼ膜厚設定通
りに金薄膜８ａ及びクロム層４４ａが分布していること
が分かる。即ち、金薄膜８ａとクロム層４４ａとの境界
は、明瞭に区別されている。

【００９６】これに対して、同図（ｂ）から明らかなよ
うに、注入済サンプルでは、金薄膜８ａとクロム層４４
ａとの間の境界及びクロム層４４ａと窒化シリコン膜１
４との間の境界が傾斜的に分布（境界部分の膜相互の材
料が相互に混じり合って分布）して不明瞭になっている
ことが分かる。

【００９７】このＸＰＳ分析によれば、イオン注入処理
によって境界部分がミキシングされて密着性が向上した
ことが確認された。なお、本実施の形態では、第１の実
施の形態で行ったＬＢＷＴ法による耐磨耗性の評価は行
わなかったが、図５（ｂ）から明らかなように、表面の
金薄膜８ａは、イオン注入処理によって耐磨耗性が向上
している層であると考察される。

【００９８】また、本実施の形態のように、イオン注入
処理を施した場合には、クロム層４４ａ上に、このクロ
ム層４４ａよりも硬化した窒化クロムが形成され、その
上に成膜されている金薄膜８ａも硬くなる。この結果、
耐磨耗性を向上させることが可能となる。

【００９９】

【発明の効果】本発明によれば、探針部側の面にイオン
を注入して、この面に成膜された金属薄膜と探針部側の
面との間の境界部分の材料を相互に交じり合わせて分布
させることによって、少なくとも探針部側の金属薄膜の
耐磨耗性及び密着性を向上させたカンチレバーを提供す
ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第１の実施の形態
に係るカンチレバーを作製するプロセスを示す図。

【図２】（ａ）は、図１（ｄ）を介して作製されたカン
チレバーの探針部側にイオン注入処理を行うためのイオ
ン注入装置の構成を示す図、（ｂ）は、未注入サンプル
のＸＰＳ分析結果データを示す図、（ｃ）は、注入済サ
ンプルのＸＰＳ分析結果データを示す図。

【図３】（ａ）は、本発明の第１の変形例に係り、ダイ
ナミックイオンミキシング処理を行うためのイオン注入
装置の構成を示す図、（ｂ）は、第１の変形例に係るＸ
ＰＳ分析の分析結果データを示す図、（ｃ）は、第２の
変形例に係るＸＰＳ分析の分析結果データを示す図。

【図４】（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態
に係るカンチレバーを作製するプロセスを示す図。

【図５】（ａ）は、未注入サンプルの分析結果データを
示す図、（ｂ）は、注入済サンプルの分析結果データを
示す図。

【符号の説明】２支持部４レバー部６探針部８ａ，８ｂ金属薄膜１８′ カンチレバー元部材

フロントページの続き (72)発明者 ▲ひじ▼野雅道東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号オリンパス光学工業株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部と、この支持部から延出したレバー部と、このレバー部の自由端に形成された探針部とを備えてお
り、少なくとも前記探針部側の面には、所定のイオンを注入
することによって所定の物性を有する表面層が形成され
ていることを特徴とするカンチレバー。
【請求項２】前記表面層は、所定の金属材料から成る
金属薄膜であって、この金属薄膜と前記探針部側の面と
の間の境界部分の材料が、相互に混じり合って分布して
いることを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー。