JPH11326349A

JPH11326349A - プローブ

Info

Publication number: JPH11326349A
Application number: JP10130164A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiko Suzuki; 美彦鈴木; Katsushi Nakano; 勝志中野
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1998-05-13
Filing date: 1998-05-13
Publication date: 1999-11-26

Abstract

(57)【要約】【課題】高速な計測を可能とするカンチレバーを得
る。【解決手段】原子間力顕微鏡用のプローブにおいて、カ
ンチレバー１１は、支持体１０から探針１２の方向へ向
かって形成されたＶ溝１４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、プローブ、特に原
子間力顕微鏡に用いるプローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体基板や光学素子基板の評価
が原子間力顕微鏡によって行われている。特に、高集積
化する半導体素子に形成した溝（トレンチ）の深さや形
状を測定するために、原子間力顕微鏡が注目されてい
る。この場合、試料形状を忠実にトレースするために
は、プローブ探針の先端半径と、探針の形状、特に、ア
スペクト比（探針の半径と長さの比）が重要になる。

【０００３】従来、高アスペクト比の探針を有するプロ
ーブとして、フォトリソグラフィー法により探針部とカ
ンチレバー部を一括形成し、薄膜の内部応力により探針
をカンチレバー表面に対して垂直な方向に自己変形させ
るプローブが用いられてきた。また多くの場合、観察試
料への損傷を避けるため、探針を試料に接触させない計
測モード（ノンコンタクトモード）が用いられている。
この計測モードでは、薄膜カンチレバーをその共振点近
傍で振動させ、カンチレバーに設けられた探針と試料間
に作用する遠距離引力（主にファンデルワールス力）に
より振動振幅の減少を検出し、この値が一定になるよう
に探針を三次元方向に走査させて、試料表面の凹凸像を
計測する。この観察モードでは、各測定点における振動
振幅の値をロックインアンプを用いて検出する。検出値
としては、誤差を軽減するために、特定周波数で振動す
るカンチレバーの複数の振動振幅の平均値を用いる。一
般に測定時の振動振幅は２０ｎｍ程度で、探針試料間距
離は数ｎｍに保たれており、用いる振動周波数はカンチ
レバーの共振周波数である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
ごとき従来のプローブはその共振周波数が低いため、高
速な計測が出来ないという欠点を有していた。すなわ
ち、従来用いられていたプローブのカンチレバーは、代
表的なもので、断面形状が矩形（長方形）のカンチレバ
ーであり、長さ１００μm、幅４０μm、厚さ０．７μm
の窒化珪素薄膜で形成され、４０ｋHz程度の共振周波数
を有していた。一般に，Ｓ／Ｎ比を向上させて外乱の影
響を避け，良質なイメージを得るためには、測定点１点
あたりに２０００程度の振動を検出しその振動振幅を平
均化する必要がある。従って、４０ｋHzの共振周波数の
場合では、測定点１点あたり５０ｍｓｅｃの時間を有
し、縦２５６点横２５６点の画像を得るためには、３２
７６．８秒即ち５４．６分もの計測時間が必要であっ
た。

【０００５】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
物で、従来より高速な計測を可能とするカンチレバーを
提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決する手段】前記課題を解決するために本発
明では、原子間力顕微鏡用のプローブにおいて、カンチ
レバーの断面を、厚み方向へ屈曲させて剛性を高めた。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態による
プローブを、図面に基づき説明する。図１は、本発明の
一実施形態のプローブを示したもので、図１（ａ）は斜
視図、図１（Ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
図１に示したプローブは、支持体１０とこの支持体１０
から延設されたカンチレバー１１と、引っ張り内部応力
を持つ薄膜１３を含む探針部１２とからなる。カンチレ
バー１１のＡ−Ａ断面形状は、図１（ｂ）に示すよう
に，その延設方向に２つのＶ字状突起１４ａ、１４ｂを
有している。従って、図１のプローブによれば、重量を
増加することなく、カンチレバー１１の曲げ剛性を高め
ることができる。その結果、カンチレバー１１の共振周
波数を高くすることができる。このようなプローブの製
造方法を図２を用いて説明する。この製造方法は、半導
体の製造技術を利用して、一括大量生産が可能な方法で
ある。はじめに厚さ２５０μｍのシリコン基板２１の両
面に酸化珪素膜２２を形成する（ａ）。次に、酸化膜２
２を部分的に除去し開口を設け、露出したシリコンをＫ
ＯＨなどの水溶液によりエッチングして幅１０μｍ、深
さ１０μｍのＶ字状の溝２３を設けた（ｂ）（ｈ）。次
に、基板両表面の酸化膜を除去した後に厚さ０．７μｍ
の窒化珪素膜２４をＬＰＣＶＤ法により成膜した（ｃ）
（ｉ）。次に，ドライエッチング法により、基板２１上
面の窒化珪素膜２４を支持体２６、カンチレバー２８、
探針２７の形状にパターニングした。カンチレバーのサ
イズは、長さ１００μm、幅４０μmとしたが、これに限
定されるものではない。さらに、裏面の窒化珪素膜もド
ライエッチング法により、支持体形状をパターニングし
た（ｄ）（ｊ）。次に，リフトオフ法により、引っ張り
内部応力を持つＮｉＣｒ等の金属膜２５をカンチレバー
の探針付けね領域に成膜した（ｅ）（ｋ）。最後にこの
基板をＴＭＡＨやＫＯＨなどのシリコンのエッチング液
に浸漬して、不要なシリコン部分を溶出させて支持体２
６を得た。このように作製したプローブは、原子間力顕
微鏡に搭載され、試料の計測に用いられる。図３は、プ
ローブを搭載した原子間力顕微鏡の概略構成を示す図で
ある。支持体１０と支持体１０から延設したカンチレバ
ー１１と探針１２とからなるプローブは、加振器を備え
たプローブホルダー３０に固定される。カンチレバー１
１のたわみは光学的たわみ検出手段３１により検出され
る。光学式たわみ検出手段３１は、例えば、光ビームを
カンチレバー１１の表面に投射し、その反射光の位置を
光電検出器等でモニターすることでカンチレバー１１の
たわみ量を検出するものである。すなわち、試料３２の
表面がＺ方向へ移動して、探針１２から所定距離まで接
近すると、探針１２は遠距離引力によって試料３２に引
っ張られ、カンチレバー１１の振動振幅が減少する。光
学的たわみ検出手段３１は、カンチレバー１１からの反
射光の振動振幅を平均化処理しており、平均化処理した
値が所定量以下になったことによって、探針１２と試料
３２表面とが所定距離に接近したことを検出する。さ
て、計測対象である試料３２は、試料を三次元的に走査
するアクチュエータ３３に搭載される。プローブホルダ
ー３０は支持体１０を介してカンチレバー１１をその共
振周波数でＺ方向へ振動させる。試料３２はアクチュエ
ータ３３によって三次元的に移動させられる。すなわ
ち、試料３２はＸ-Ｙ面内で所定間隔毎に位置決めされ
た後、Ｚ方向に移動される。Ｚ方向への移動量は、光学
的たわみ検出手段１１が試料３２と探針１２の間隔が所
定距離に接近したことを検出するまでである。このとき
のＸ、Ｙ、Ｚ座標が測定データとなる。その後、試料３
２はＸ-Ｙ面内をラスタースキャンされ、この時、アク
チュエータ３３は初めに設定した所定距離を保ちながら
Ｚ方向へも動作される。このようにして、探針１２を基
準にして試料３２の表面をトレースする。その結果、試
料３２の凹凸イメージを計測することができる。

【０００８】作製したプローブの、共振周波数は、１２
００ｋHzであり、従来の同様寸法のカンチレバーの３０
倍の共振周波数をもっている。従って、本発明のプロー
ブを用いると、従来の３０倍の早さで計測が終了する。
図４は、カンチレバーの断面形状を説明する図である。
上述の実施の形態では図４（ａ）の様にカンチレバーに
２つのＶ字状突起をもつが、その数には限定されず、図
４（ｄ）のような波状の断面形状としてもよいし、突起
の方向が図面の上面方向に突出しても良い。またカンチ
レバーの断面形状が図４(ｂ)のように台形のもの、図４
(ｃ)のように大きく湾曲したものでもよい。図４（ｂ）
（ｃ）いずれの場合も上下が逆転していても構わない。
本発明のプローブは、半導体の製造技術を利用して一括
大量生産が可能である。図５は、本発明のプローブの第
二の実施の形態として図４(ｂ)に示した断面形状のプロ
ーブの製造方法を示す概略工程図である。はじめに厚さ
２５０μｍのシリコン基板５１の両面に酸化珪素膜５２
を形成する（ａ）（ｇ）。次にこの酸化膜５２を部分的
に除去し開口を形成し、露出したシリコンをＫＯＨなど
の水溶液によりエッチングして幅１００μｍ、深さ３０
μｍの台形状の溝５３を設けた（ｂ）（ｈ）。次に基板
両面の酸化膜を除去したのちに厚さ０．７μｍの窒化珪
素膜５４をＬＰＣＶＤ法により成膜した（ｃ）（ｉ）。
次に該基板の上面の窒化珪素膜をドライエッチング法に
より支持体５６、カンチレバー５８と探針５７の形状に
パターニングした。カンチレバーのサイズは、長さ１０
０μm、幅４０μmとしたが、これに限定されるものでは
ない。さらに、裏面の窒化珪素膜もドライエッチング法
により、支持体形状をパターニングした（ｄ）（ｊ）。
次にリフトオフ法により、引っ張り内部応力を持つＮｉ
Ｃｒ等の金属膜５５をカンチレバーの探針付けね領域に
成膜した（ｅ）（ｋ）。最後にこの基板をＴＭＡＨやＫ
ＯＨなどのシリコンのエッチング液に浸漬して、不要な
シリコン部分を溶出させ、基板５１上に設けた凹凸溝ま
たは曲率形状等の形状を転写して形成された薄膜カンチ
レバーであるプローブを製作出来る。このように作製し
たプローブは、原子間力顕微鏡に搭載され、第一実施例
と同様に試料の計測に用いられる。

【０００９】作製したプローブの、共振周波数は、１６
００ｋHzであり、従来の同様寸法のカンチレバーの４０
倍の共振周波数をもっている。従って、本実施の形態の
プローブを用いると、従来の４０倍の早さで計測が終了
する。

【００１０】

【発明の効果】以上説したように、本発明によれば、計
測時間の大幅な短縮を可能とする効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態のプローブを示す図であ
り、（ａ）は斜視図（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ断面図であ
る。

【図２】図１のプローブの製造方法を示す工程図であ
る。（ｂ）は（ｈ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ｉ）の
Ｃ−Ｃ断面図、（ｄ）は（ｊ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）
は（ｋ）のＥ−Ｅ断面図である。

【図３】図１のプローブを原子間力顕微鏡に取付けて、
試料を測定する様子を示す側面図である。

【図４】本発明に係わるカンチレバーの断面形状の例を
示す図である。

【図５】図４（ｂ）の断面形状のカンチレバーを有する
プローブの製造方法を示す工程図であり、（ｂ）は
（ｈ）のＢ−Ｂ断面図、（ｃ）は（ｉ）のＣ−Ｃ断面
図、（ｄ）は（ｊ）のＤ−Ｄ断面図、（ｅ）は（ｋ）の
Ｅ−Ｅ断面図である。

【符号の説明】

１０・・・支持体１１・・・カンチレバー１２・・・探針部１３・・・金属膜１４・・・Ｖ溝３０・・・プローブホルダー３１・・・光学的たわみ検出手段３２・・・試料３３・・・アクチュエータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】原子間力顕微鏡用のプローブにおいて、カンチレバーを厚み方向へ屈曲させて剛性を高めたこと
を特徴とするプローブ。
【請求項２】支持体と、前記支持体に支持された薄膜
状カンチレバーと、前記薄膜状カンチレバーの先端領域
に設けられた探針とを含むプローブにおいて、前記カンチレバーは、前記支持体から探針の方向へ向か
って形成されたＶ溝を有することを特徴とするプロー
ブ。
【請求項３】先端に探針を形成したカンチレバーを有
するプローブにおいて、前記カンチレバーをその長手方向に直交する方向へ屈曲
させたことを特徴とするプローブ。
【請求項４】支持体と、薄膜状カンチレバーと、前記
カンチレバーの先端領域に設けられた探針とからなるプ
ローブにおいて、前記カンチレバーは、前記カンチレバーの長手方向への
凹凸溝または前記カンチレバーの長手方向へ直交する方
向への曲率形状等を転写して形成されたことを特徴とす
るプローブ。