JPWO2005020243A1 - 走査型プローブ顕微鏡のプローブおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

カンチレバーの基部が測定対象物に接触することがなく、かつ測定対象物がカンチレバーの基部によって隠されることがなく、的確な測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡のプローブおよびその製造方法を提供する。 走査型プローブ顕微鏡のプローブの基部（２１，３１）と、この基部（２１，３１）から水平方向に伸びた支持用カンチレバー（２３，３３）と、この支持用カンチレバー（２３，３３）の先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバー（２４，３４）が設置されるようにする。

Description

本発明は、基板の裏面から光学的な手段で変位や速度を検出することができる微小なカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡のプローブの構造とその製造方法に関するものである。

図１は従来の走査型プローブ顕微鏡用のプローブの構造を示す斜視図であり、図１（Ａ）はその第１態様の走査型プローブ顕微鏡用のプローブの構造を示す斜視図、図１（Ｂ）はその第２態様の走査型プローブ顕微鏡用のプローブの構造を示す斜視図である。

図１（Ａ）においては、基部（基板）１０１から延長した単一の梁状のカンチレバー１０２を有し、必要に応じて測定対象や測定方法に適した探針１０３をこのカンチレバー１０２の先端付近に有する。基部１０１の材質はシリコンが一般的であり、寸法は横１．６ミリメートル×縦３．４ミリメートル程度が標準的である。カンチレバー１０２の材質はシリコン、窒化シリコン、またはそれらに金属を蒸着したもの等様々であり、必要に応じて、図１（Ｂ）に示すような、三角形状の梁状のカンチレバー１０４等、様々な形状のものが適用される。カンチレバー１０２又は１０４の一般的な長さは１００マイクロメートルから数１００マイクロメートル程度である。

図２および図３は従来の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブの代表的な使い方を示す図である。

この図において、基部１１１は圧電素子からなる走査装置（図示なし）に取付けられ、カンチレバー１１２の探針１１３が測定対象物１１４の表面をなぞるように走査する。走査型プローブ顕微鏡は、探針１１３と測定対象物１１４の間に作用する原子間力や磁力等の相互作用によって生じるカンチレバー１１２の変形を検出し、コンピュータグラフィックスによって測定対象物１１４の凹凸や磁化等を可視化する顕微鏡であって、カンチレバー１１２の変形を検出する手段は光学的手段によることが多い。

上記の光学的手段として、図２に示すように、光てこを使う場合、レーザー光線１１５をカンチレバー１１２の背面に反射させ、反射光１１６の角度をフォトダイオードで検出する。また、図３に示すように、光干渉計を使う場合、入射光１２２と出射光１２３は同じ経路を通る。

いずれの場合もカンチレバー１１２の背面に反射させる光が、基部１１１の端部１１１Ａによって遮られることを防止するため、カンチレバー１１２は基部１１１上に位置せず、基部１１１の外に突き出た形状をしている。

なお、従来のプローブとしては、以下の特許文献１〜４に開示されるようなものがあった。
特開平５−６６１２７号公報（第４−５頁 図１） 特開平９−１０５７５５号公報（第４−５頁 図１） 特開平１０−９０２８７号公報（第３−４頁 図１） 特開平１０−２２１３５４号公報（第３−５頁 図１）

しかし、上記した従来のプローブの構造は、カンチレバーを微小化した場合に問題を生じる。

カンチレバーの寸法を微小化することは、カンチレバーの固有振動数の変化から測定対象物とカンチレバーの間に働く力を求めるノンコンタクトモードと呼ばれる走査型プローブ顕微鏡の動作モードにおいて、測定を高速化し且つより小さい力を検出するために有効である。

図４は、従来のプローブにおいてカンチレバーだけを縮小した場合を示す斜視図である。

この図において、基部１３１は、プローブを顕微鏡本体に取り付けるために使われるので、その寸法はカンチレバーまたは振動子の寸法に依らずほぼ統一されており、上記したように、各辺が１ミリメートルから数ミリメートルの寸法を有する。これに対して、微小化されたカンチレバー１３２の長さが一例として１０マイクロメートルであると仮定すると、基部１３１と測定対象物１３３の平行度が極めて厳密に管理されていなければ、微小化されたカンチレバー１３２よりも先に基部１３１前縁の角１３４または１３５が測定対象物１３３に接触してしまう。

また、測定対象物１３３の大部分が基部１３１によって隠されてしまい観察できないため、カンチレバー１３２を接触させるべき位置を決定するのに不都合である。

本発明は、上記状況に鑑みて、カンチレバーの基部が測定対象物に接触することがなく、かつ測定対象物がカンチレバーの基部によって隠されることがなく、的確な測定を行うことができる走査型プローブ顕微鏡のプローブおよびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、プローブ顕微鏡のプローブの基部と、この基部から水平方向に伸びた支持用カンチレバーと、この支持用カンチレバーの先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバーが設置されていることを特徴とする。

〔２〕上記〔１〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記基部及び支持用カンチレバーは単結晶シリコンから作られ、前記測定用カンチレバーは単結晶シリコン薄膜から作られ、前記支持用カンチレバーの先端に前記測定用カンチレバーが接合されていることを特徴とする。

〔３〕上記〔１〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記支持用カンチレバーの先端を斜面に加工し、前記支持用カンチレバーの先端が前記測定用カンチレバーを光学的に観測する妨げにならないように構成したことを特徴とする。

〔４〕上記〔１〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記測定用カンチレバーの厚さを、前記支持用カンチレバーと接合する部分の厚さより薄く作ることによって、前記測定用カンチレバーの長さを精密に規定することを特徴とする。

〔５〕上記〔１〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記測定用カンチレバーの幅を、前記支持用カンチレバーと接合する部分の幅より狭く作ることによって、前記測定用カンチレバーの長さを精密に規定することを特徴とする。

〔６〕上記〔２〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、前記基部及び支持用カンチレバーを単結晶シリコン基板を加工して製作し、前記測定用カンチレバーを前記単結晶シリコン基板とは別のＳＯＩ基板の単結品シリコン薄膜層を加工して製作し、これらを接合した後、ＳＯＩ基板のハンドリングウエハ及び埋め込み酸化膜を除去することを特徴とする。

〔７〕上記〔６〕記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、ウエットエッチングによって前記測定用カンチレバーの先端に探針を形成することを特徴とする。

従来の走査型プローブ顕微鏡用のプローブの構造を示す斜視図である。 従来の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブの代表的な使い方を示す図（その１）である。 従来の走査型プローブ顕微鏡におけるプローブの代表的な使い方を示す図（その２）である。 従来のプローブにおいてカンチレバーだけを縮小した場合を示す斜視図である。 本発明の請求項１に記載した走査型プローブ顕微鏡のプローブの斜視図である。 本発明の請求項３に記載した走査型プローブ顕微鏡のプローブの斜視図である。 本発明の請求項４に記載したプローブの支持用カンチレバーの先端付近を示す斜視図である。 本発明の請求項５に記載したプローブの支持用カンチレバーの先端付近を示す斜視図である。 本発明の走査型プローブ顕微鏡のプローブの基部及び支持用カンチレバーの製作過程の一例を示す図である。 本発明の測定用カンチレバーの製作過程の一例を示す図である。 本発明の支持用カンチレバーと測定用カンチレバーの製造工程を示す図である。 本発明の請求項７の製造方法により製作されたプローブを示す図である。 本発明の請求項７により製造方法により製作されたプローブの製作工程を示す図である。

本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。

（Ａ）請求項１に記載した、支持用カンチレバーの先端に微小化した測定用カンチレバーが設置された構造のプローブは、測定対象物の観察が容易であり、且つ基部が測定対象物に接触するのを効果的に防止することができる。

（Ｂ）請求項２に記載した、単結晶シリコン製の基部及び支持用カンチレバーと単結晶シリコン薄膜製の測定用カンチレバーから成るプローブは、特に、測定用カンチレバーを振動させて使う非接触モードのＡＦＭにおいて高いＱ値の振動を提供することができる。

（Ｃ）請求項３に記載した、支持用カンチレバーの先端を斜めに加工したプローブは、測定用カンチレバーを光学的に観察あるいは観測する際に、支持用カンチレバーの先端が光を遮ることを防止することができる。

（Ｄ）請求項４に記載した、測定用カンチレバーの長さを、厚さが薄くなっている部分の長さで規定するようにしたプローブは、測定用カンチレバーの長さを、測定用カンチレバーと支持用カンチレバーの間の位置合わせ精度に依存することなく、精度良く設定することができる。

（Ｅ）請求項５に記載した、測定用カンチレバーの長さを幅が狭くなっている部分の長さで規定するようにしたプローブは、測定用カンチレバーの長さを、測定用カンチレバーと支持用カンチレバーの間の位置合わせ精度に依存することなく、精度良く設定することができる。

（Ｆ）請求項６に記載した、支持用カンチレバーと測定用カンチレバーをそれぞれ別の基板から加工して製作した後、それらを接合する製造方法は、接合を用いずに製造する方法に比較して、それぞれの基板に複雑な形状を加工することが容易であり、高い歩留まりで製作することができる。

（Ｇ）請求項７に記載した、ウエットエッチングによる探針の製造方法は、請求項６の製造方法と整合性が高く、結晶異方性を利用することでリソグラフィーの精度によらず曲率半径の小さい探針を提供することができる。

本発明は、プローブ顕微鏡のプローブの基部（２１，３１）と、この基部（２１，３１）から水平方向に伸びた支持用カンチレバー（２３，３３）と、この支持用カンチレバー（２３，３３）の先端に、長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバー（２４，３４）が設置されるようにする。

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図５は本発明の請求項１に記載したプローブ顕微鏡のプローブの斜視図であり、図５（Ａ）はプローブ顕微鏡のプローブの全体斜視図、図５（Ｂ）はその支持用カンチレバーの先端部分の拡大図である。

これらの図において、基部１から支持用カンチレバー２が延び、その支持用カンチレバー２の先端に測定用カンチレバー３が設置されている。測定用カンチレバー３の先端には必要に応じて探針４を設置する。

また、請求項２に記載したプローブは、基部１と支持用カンチレバー２が単結晶シリコン製であり、測定用カンチレバー３が単結晶シリコン薄膜製である。

このような構成とすることにより、測定用カンチレバーを振動させて使う非接触モードのＡＦＭ（原子間力顕微鏡）において高いＱ値の振動を提供させることができる。

図６は本発明の請求項３に記載したプローブ顕微鏡のプローブの斜視図であり、図６（Ａ）はプローブ顕微鏡のプローブの全体斜視図、図６（Ｂ）はその支持用カンチレバーの先端部分の拡大図である。

これらの図において、基部１１から支持用カンチレバー１２が延び、その支持用カンチレバー１２の先端に設置されている測定用カンチレバー１３を光学的に観察あるいは観測する場合に、支持用カンチレバー１２が光を遮ることを防止するために、支持用カンチレバー１２の先端部に傾斜面１２Ａが形成されて、その傾斜面１２Ａの傾斜角度θが鋭角になっている。

図７は本発明の請求項４に記載したプローブの支持用カンチレバーの先端付近を示す斜視図であり、図７（Ａ）は測定用カンチレバーが三角形である第１の態様を示す斜視図であり、図７（Ｂ）は測定用カンチレバーが長方形である第２の態様を示す斜視図である。

図７（Ａ）において、２１は支持用カンチレバー、２２は測定用カンチレバーであり、全体的に三角形の平面形状をしている。２３は測定用カンチレバー２２の根元部分、２４は測定用カンチレバー２２の前方部分、２５は厚さ方向の段部、２６は探針である。ここで、プローブ顕微鏡のプローブの基部（図示なし）と、この基部から水平方向に伸びた支持用カンチレバー２１と、この支持用カンチレバー２１の先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバー２２を設置するようにしている。

そして、測定用カンチレバー２２の前方部分２４は測定部として機能し、走査時にその変形が観察される部分であり、根元部分２３と前方部分２４の境界には厚さ方向の段部２５が形成されて、前方部分２４の厚さが根元部分２３の厚さよりも薄くなるように形成されている。なお、ここで、Ｌ_１は設定された測定用カンチレバー２２の前方部分２４の長さである。

また、図７（Ｂ）において、３１は支持用カンチレバー、３２は測定用カンチレバーであり、全体的に長方形の平面形状をしている。３３は測定用カンチレバー３２の根元部分、３４は測定用カンチレバー３２の前方部分、３５は厚さ方向の段部、３６は探針である。なお、ここでも、支持用カンチレバー３１の基部は図示されていない。

ここで、測定用カンチレバー３２の前方部分３４は測定部として機能し、走査時にその変形が観察される部分であり、根元部分３３と前方部分３４の境界には厚さ方向の段部３５が形成されて、前方部分３４の厚さが根元部分３３の厚さよりも薄くなるように形成されている。また、ここで、Ｌ_２は設定された測定用カンチレバー３２の前方部分３４の長さである。

このように、構成することにより、プローブは、測定用カンチレバーの長さを厚さが薄くなっている部分の長さで規定することができるので、測定用カンチレバーと支持用カンチレバーの間の位置合わせ精度に依存することなく、測定用カンチレバーの長さを精度良く設定することができる。

図８は本発明の請求項５に記載したプローブの支持用カンチレバーの先端付近を示す斜視図であり、図８（Ａ）は測定用カンチレバーの前方部分が三角形である第１の態様を示す斜視図であり、図８（Ｂ）は測定用カンチレバーの前方部分が長方形である第２の態様を示す斜視図である。

図８（Ａ）において、４１は支持用カンチレバー、４２は測定用カンチレバー、４３は測定用カンチレバー４２の根元部分、４４は測定用カンチレバー４２の前方部分であり、先端が尖った三角形の平面形状をしている。４５は測定用カンチレバー４２の根元部分４３と前方部分４４の境界に形成される幅方向の段部、４６は探針である。なお、ここでも、支持用カンチレバー４１の基部は図示されていない。

ここで、プローブ顕微鏡のプローブの基部（図示なし）と、この基部から水平方向に伸びた支持用カンチレバー４１と、この支持用カンチレバー４１の先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバー４２を設置するようにしている。

そして、測定用カンチレバー４２の前方部分４４は測定部として機能し、走査時にその変形が観察される部分であり、根元部分４３と前方部分４４の境界には幅方向の段部４５が形成されて、前方部分４４の幅は根元部分４３の幅よりは狭くなるように形成されている。なお、ここで、Ｌ_３は設定された測定用カンチレバー４２の前方部分４４の長さである。

また、図８（Ｂ）において、５１は支持用カンチレバー、５２は測定用カンチレバー、５３は測定用カンチレバー５２の根元部分、５４は測定用カンチレバー５２の前方部分であり、長方形の平面形状をしている。５５は幅方向の段部、５６は探針である。なお、ここでも、支持用カンチレバー５１の基部は図示されていない。

ここで、プローブ顕微鏡のプローブの基部（図示なし）と、この基部から水平方向に伸びた支持用カンチレバー５１と、この支持用カンチレバー５１の先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバー５２を設置するようにしている。

そして、測定用カンチレバー５２の前方部分５４は測定部として機能し、走査時にその変形が観察される部分であり、根元部分５３と前方部分５４の境界には幅方向の段部５５が形成されて、前方部分５４の幅は根元部分５３の幅よりは狭くなるように形成されている。なお、ここで、Ｌ_４は設定された測定用カンチレバー５２の前方部分５４の長さである。

このように構成することより、プローブは、測定用カンチレバーの長さを幅が狭くなっている部分の長さで規定することができるので、測定用カンチレバーの長さを、測定用カンチレバーと支持用カンチレバーの間の位置合わせ精度に依存することなく、精度良く設定することができる。

特に、図７及び図８に示したプローブは、支持用カンチレバーに測定用カンチレバーを接合によって形成する場合に、その接合の精度に対する配慮が軽減できるので、有効である。

次に、請求項６に記載したプローブの製造方法について図９、図１０及び図１１を参照しながら説明する。

図９は本発明のプローブ顕微鏡のプローブの基部及び支持用カンチレバーの製作過程の一例を示す図であり、図９（Ａ）はその全体斜視図、図９（Ｂ）は図９（Ａ）のＡ部拡大図、図９（Ｃ）は図９（Ｂ）のＢ部拡大図である。

ここで、単結晶シリコン基板６１を加工して作製した枠６２によって支持しながら基部６３及び支持用カンチレバー６４が作られる。図９においては、複数の基部６３が単結晶シリコン基板６１の枠６２によって支持されているが、一度に加工される基部６３及び支持用カンチレバー６４の個数や支持の様式は図９に示したものに限定されるものではない。

図１０は本発明の測定用カンチレバーの製作過程の一例を示す図であり、図１０（Ａ）はその全体の斜視図、図１０（Ｂ）は図１０（Ａ）のＡ部拡大図である。

これらの図において、ＳＯＩ基板７１の単結晶シリコン薄膜層７５を加工して測定用カンチレバー７６を製作する。ここでは三角形の測定用カンチレバー７６を例に示しているが、測定用カンチレバーはこの形状に限定されるものではない。また、図１０（Ｂ）において、７４はＳＯＩ基板７１の埋め込み酸化膜、７３はハンドリングウエハを示している。

図１１は本発明の支持用カンチレバーと測定用カンチレバーの製造工程を示す図であり、図１１（Ａ）は支持用カンチレバーと測定用カンチレバーの接合工程を、図１１（Ｂ）は完成したプローブの先端部分を拡大した斜視図である。

図１０に示した測定用カンチレバー７６を形成したＳＯＩ基板７１を裏返し（図には対応せず）、図９に示した基部６３及び支持用カンチレバー６４を形成したシリコン基板６１と接合する。

すると、図１１（Ａ）に示すように、支持用カンチレバー６４の先端に測定用カンチレバー７６が接合される。

続いて、ＳＯＩ基板７１のハンドリングウエハ７３及び埋め込み酸化膜７４を除去するとプローブが完成する。図１１（Ｂ）に完成したプローブの支持用カンチレバーの先端付近を拡大して示している。

図１２は本発明の請求項７の製造方法により製作されたプローブを示す図であり、図１２（Ａ）はその支持用カンチレバー先端付近の斜視図、図１２（Ｂ）はその支持用カンチレバー先端付近を下方から見た斜視図である。また、図１３はその製造方法により製作されたプローブの製作工程を示す図である。図１３（Ａ）は図１１（Ｂ）に示した支持用カンチレバー６４先端付近を裏側から見た図であり、図１３（Ｂ）〜（Ｄ）は測定用カンチレバー７６の先端付近を拡大し、探針７９の作製工程を示した図である。

これらの図において、６４は支持用カンチレバー、７６は測定用カンチレバー、７７はシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜、７８は斜面、７９は探針である。

ここで、測定用カンチレバー７６の面方位は（１００）面、長手軸は＜１１０＞方位でなければならない。図１３（Ｂ）に示したように、測定用カンチレバー７６の側面及び裏側の面をシリコン酸化膜またはシリコン窒化膜７７でカバーする。上面は酸化膜または窒化膜７７で覆われていてはならない。この酸化膜または窒化膜７７の形成方法は、いくらでもあり得るが、一例を示すと、図１１（Ａ）の段階で全体に窒化膜を形成し、ＳＯＩ基板７１のハンドリングウエハ７３及び埋め込み酸化膜７４を除去する際に窒化膜を侵す薬品を使用しなければ、図１１（Ｂ）の段階で自然に上記した酸化膜または窒化膜７７で覆われた状態になる。

次に、図１３（Ｃ）の段階でアルカリ性水溶液によって測定用カンチレバー７６をウェットエッチングして薄くしていくと、先端を起点にエッチングが非常に遅い（１１１）面から成る斜面７８が形成される。最後に、図１３（Ｄ）の段階で、酸化膜または窒化膜７７を除去すると、探針７９が完成する。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明は、探針と測定対象物の間に作用する原子間力や磁力等の相互作用によって生じるカンチレバーの変形を精密に測定することができ、微小で精密な測定を行うための走査型プローブ顕微鏡のプローブとして好適である。

Claims (7)

1. （ａ）プローブ顕微鏡のプローブの基部と、
   （ｂ）該基部から水平方向に伸びた支持用カンチレバーと、
   （ｃ）該支持用カンチレバーの先端に長さ２０マイクロメートル以下で、厚さ１マイクロメートル以下の測定用カンチレバーが設置されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
2. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記基部及び支持用カンチレバーは単結晶シリコンから作られ、前記測定用カンチレバーは単結晶シリコン薄膜から作られ、前記支持用カンチレバーの先端に前記測定用カンチレバーが接合されていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
3. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記支持用カンチレバーの先端を斜面に加工し、前記支持用カンチレバーの先端が前記測定用カンチレバーを光学的に観測する妨げにならないように構成したことを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
4. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記測定用カンチレバーの厚さを、前記支持用カンチレバーと接合する部分の厚さより薄く作ることによって、前記測定用カンチレバーの長さを精密に規定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
5. 請求項１記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブにおいて、前記測定用カンチレバーの幅を、前記支持用カンチレバーと接合する部分の幅より狭く作ることによって、前記測定用カンチレバーの長さを精密に規定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブ。
6. 請求項２記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、前記基部及び支持用カンチレバーを単結晶シリコン基板を加工して製作し、前記測定用カンチレバーを前記単結晶シリコン基板とは別のＳＯＩ基板の単結晶シリコン薄膜層を加工して製作し、これらを接合した後、ＳＯＩ基板のハンドリングウエハ及び埋め込み酸化膜を除去することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法。
7. 請求項６記載の走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法において、ウエットエッチングによって前記測定用カンチレバーの先端に探針を形成することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法。

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