WO2005020243A1 - 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

走査型プローブ顕微鏡のプローブおよびその製造方法 Download PDF

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Dai Kobayashi
Hideki Kawakatsu
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Japan Science And Technology Agency
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01Q—SCANNING-PROBE TECHNIQUES OR APPARATUS; APPLICATIONS OF SCANNING-PROBE TECHNIQUES, e.g. SCANNING PROBE MICROSCOPY [SPM]
    • G01Q60/00—Particular types of SPM [Scanning Probe Microscopy] or microscopes; Essential components thereof
    • G01Q60/46—SCM [Scanning Capacitance Microscopy] or apparatus therefor, e.g. SCM probes
    • G01Q60/48—Probes, their manufacture, or their related instrumentation, e.g. holders
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    • G01Q70/08—Probe characteristics
    • G01Q70/10—Shape or taper

Definitions

  • the present invention relates to a probe structure of a scanning probe microscope having a small cantilever capable of detecting displacement and velocity from the back surface of a substrate by optical means, and a method of manufacturing the same.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a conventional probe for a scanning probe microscope
  • FIG. 1 (A) is a perspective view showing a structure of a probe for a scanning probe microscope according to a first embodiment
  • FIG. 1 (B) is a perspective view showing a structure of a probe for a scanning probe microscope according to the second embodiment.
  • a single beam-shaped cantilever 102 extending from a base (substrate) 101 is provided, and a probe 103 suitable for a measurement object or a measurement method is attached to the cantilever as necessary. It has it near the tip of 102.
  • the material of the base 101 is generally silicon, and its dimensions are typically about 1.6 mm wide and 3.4 mm long.
  • the material of the cantilever 102 is various such as silicon, silicon nitride, or those obtained by depositing a metal on the material. If necessary, various materials such as a triangular beam-shaped cantilever 104 as shown in FIG. The best shape is applied.
  • a typical length of the cantilever 102 or 104 ranges from 100 micrometers to several hundred micrometers.
  • FIGS. 2 and 3 are views showing a typical use of a probe in a conventional scanning probe microscope.
  • a base 111 is attached to a running device (not shown) made of a piezoelectric element, and runs so that a probe 113 of a cantilever 112 traces the surface of a measurement object 114.
  • the scanning probe microscope detects the deformation of the cantilever 112 caused by the interaction between the probe 113 and the measurement object 114, such as the interatomic force of the atom, and uses computer drapix to determine the unevenness of the measurement object 114.
  • a microscope for visualizing magnetic field, magnetization, etc., and a means for detecting deformation of the cantilever 112 is often an optical means. When an optical lever is used as the optical means as shown in FIG.
  • a laser beam 115 is reflected on the back of the cantilever 112, and the angle of the reflected light 116 is detected by a photodiode.
  • the incident light 122 and the output light 123 pass through the same path.
  • the cantilever 112 in order to prevent light reflected on the back surface of the cantilever 112 from being blocked by the end 111A of the base 111, the cantilever 112 is not located on the base 111, but protrudes out of the base 111. Shape.
  • Patent Document 1 JP-A-5-66127 (Fig. 1 on page 4-5)
  • Patent Document 2 JP-A-9-105755 (FIG. 1 on pages 4-5)
  • Patent Document 3 JP-A-10-90287 (FIG. 1 on page 3-4)
  • Patent document 4 JP-A-10-221354 (Fig. 1 on page 3-5)
  • Miniaturization of the size of the cantilever requires a measurement in an operating mode of a scanning probe microscope called a non-contact mode in which a force acting between a measurement object and the cantilever is obtained from a change in a natural frequency of the cantilever. It is useful for speeding up and detecting smaller forces.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a conventional probe in which only the cantilever is reduced.
  • the base 131 since the base 131 is used for attaching the probe to the microscope main body, its dimensions are almost uniform regardless of the dimensions of the cantilever or the vibrator. It has dimensions from millimeters to several millimeters.
  • the length of the miniaturized cantilever 132 is, for example, 10 ⁇ m, the miniaturization can be achieved if the parallelism between the base 131 and the object 133 is not very strictly controlled. Before the cantilever 132, the angle 131 or 135 at the leading edge of the base 131 is measured. It comes into contact with the fixed object 133.
  • the present invention provides a run that can perform accurate measurement without the base of the cantilever coming into contact with the object to be measured and the object to be measured not being hidden by the base of the cantilever.
  • An object of the present invention is to provide a probe for a type III probe microscope and a method for manufacturing the same.
  • the present invention provides:
  • the base of the probe of the probe microscope In the probe of the scanning probe microscope, the base of the probe of the probe microscope, the supporting cantilever extending horizontally from the base, and the tip of the supporting cantilever having a length of 20 micrometers or less, A measurement cantilever with a thickness of 1 micrometer or less is installed.
  • the base and the supporting cantilever are made of single-crystal silicon
  • the measuring cantilever is made of single-crystal silicon thin film
  • the support is made of single-crystal silicon thin film.
  • the measuring cantilever is joined to the tip of the measuring cantilever.
  • the tip of the support cantilever is formed into a slope, and the tip of the support cantilever optically observes the measurement force cantilever. It is characterized in that it is not hindered.
  • the thickness of the measurement cantilever is made smaller than the thickness of a portion to be joined to the support cantilever, whereby the measurement cantilever is formed. Is characterized in that the length is precisely defined.
  • the width of the measurement cantilever is made smaller than the width of a portion to be joined to the support cantilever, whereby the measurement is performed.
  • the length of the cantilever is precisely defined.
  • the base and the supporting cantilever are manufactured by processing a single crystal silicon substrate, and the measuring cantilever is manufactured. Is a single crystal silicon thin film layer of an SOI substrate different from the single crystal silicon substrate. It is characterized by removing the handling wafer of the SOI substrate and the buried oxide film after joining them.
  • the method for producing a probe of a scanning probe microscope according to the above [6] is characterized in that a probe is formed at the tip of the measurement cantilever by wet etching.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a structure of a conventional probe for a scanning probe microscope.
  • FIG. 2 is a diagram (part 1) showing a typical use of a probe in a conventional scanning probe microscope.
  • FIG. 3 is a diagram (part 2) showing a typical use of a probe in a conventional scanning probe microscope.
  • FIG. 4 is a perspective view showing a case where only a cantilever is reduced in a conventional probe.
  • FIG. 5 is a perspective view of a probe of the scanning probe microscope according to claim 1 of the present invention.
  • FIG. 6 is a perspective view of a probe of the scanning probe microscope according to claim 3 of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the vicinity of a tip of a cantilever for supporting a probe according to a fourth aspect of the present invention.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the vicinity of a tip of a cantilever for supporting a probe according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a view showing an example of a process of manufacturing a probe base and a supporting cantilever of the scanning probe microscope of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a process of manufacturing the measurement cantilever of the present invention.
  • FIG. 11 is a view showing a manufacturing process of the supporting cantilever and the measuring cantilever of the present invention.
  • FIG. 12 is a view showing a probe manufactured by the manufacturing method according to claim 7 of the present invention.
  • FIG. 13 shows a step of manufacturing a probe manufactured by the manufacturing method according to claim 7 of the present invention.
  • the probe according to claim 1 which has a structure in which a miniaturized measurement cantilever is installed at the tip of the supporting cantilever, allows easy observation of the measurement object, and has a base portion of the measurement object. Contact with an object can be effectively prevented.
  • the probe according to claim 2 comprising the base and support cantilever made of single-crystal silicon and the measurement cantilever made of a single-crystal silicon thin film is particularly used by vibrating the measurement cantilever.
  • High Q value vibration can be provided in non-contact mode AFM.
  • the method for manufacturing a probe by wet etching according to claim 7 uses the crystal anisotropy, which has high compatibility with the manufacturing method according to claim 6, to improve the accuracy of lithography.
  • a probe having a small radius of curvature can be provided.
  • the present invention provides a probe base of a probe microscope (21, 31), a support cantilever (23, 33) extending horizontally from the base (21, 31), and a support cantilever (23, 31). At the tip of 33), a cantilever (24, 34) for measurement with a length of 20 micrometers or less and a thickness of 1 micrometer or less should be installed.
  • FIG. 5 is a perspective view of a probe of the probe microscope according to claim 1 of the present invention.
  • FIG. 5 (A) is an overall perspective view of the probe of the probe microscope
  • FIG. 5 (B) is an enlarged view of the tip of the supporting cantilever.
  • a supporting cantilever 2 extends from a base 1, and a measuring cantilever 3 is installed at the tip of the supporting cantilever 2. At the tip of the measurement cantilever 3, a probe 4 is installed as needed.
  • the base 1 and the supporting cantilever 2 are made of single-crystal silicon
  • the measuring cantilever 3 is made of single-crystal silicon thin film.
  • FIG. 6 is a perspective view of a probe of the probe microscope according to claim 3 of the present invention.
  • FIG. 6 (A) is an overall perspective view of the probe of the probe microscope
  • FIG. 6 (B) is an enlarged view of the tip of the supporting cantilever.
  • a support cantilever 12 extends from a base 11, and when the measurement cantilever 13 installed at the tip of the support cantilever 12 is optically observed or observed, a support cantilever 12 is used.
  • a slope 12A is formed at the tip of the support cantilever 12, and the slope 12A of the slope 12A has an acute angle.
  • FIG. 7 is a perspective view showing the vicinity of the tip of the cantilever for supporting the probe according to claim 4 of the present invention
  • FIG. 7 (A) shows a first embodiment in which the measurement cantilever is triangular
  • FIG. 7B is a perspective view showing a second embodiment in which the measurement cantilever is rectangular.
  • reference numeral 21 denotes a supporting cantilever
  • reference numeral 22 denotes a measuring cantilever, which has a triangular planar shape as a whole.
  • 23 is a root portion of the measurement cantilever 22
  • 24 is a front portion of the measurement cantilever
  • 25 is a step in the thickness direction
  • 26 is a probe.
  • the base of the probe of the probe microscope (not shown), the supporting cantilever 21 extending horizontally from the base, and the tip of the supporting cantilever 21 having a length of 20 micrometers or less and a thickness of 1 micrometer.
  • the measurement cantilever 22 of less than one meter is installed.
  • the front portion 24 of the measurement cantilever 22 functions as a measurement portion, and its deformation is observed during running.
  • the boundary between the root portion 23 and the front portion 24 has a step in the thickness direction.
  • a portion 25 is formed such that the thickness of the front portion 24 is smaller than the thickness of the root portion 23.
  • L is the front part 2 of the set measurement cantilever 22.
  • reference numeral 31 denotes a supporting cantilever
  • 32 denotes a measuring cantilever, which has a rectangular planar shape as a whole.
  • Reference numeral 33 denotes a root portion of the measurement cantilever 32
  • reference numeral 34 denotes a front portion of the measurement cantilever 32
  • reference numeral 35 denotes a step in the thickness direction
  • reference numeral 36 denotes a probe.
  • the base of the supporting cantilever 31 is not shown.
  • the front part 34 of the measuring cantilever 32 functions as a measuring part, and its deformation is observed during scanning, and the boundary between the root part 33 and the front part 34 has a step in the thickness direction.
  • a portion 35 is formed such that the thickness of the front portion 34 is smaller than the thickness of the root portion 33.
  • L is the front part 3 of the set measurement cantilever 32.
  • the probe can define the length of the portion where the thickness of the cantilever for measurement is reduced in thickness, so that the probe for the cantilever for measurement and the cantilever for support can be defined.
  • the length of the measurement cantilever can be set with high accuracy without depending on the alignment accuracy between them.
  • FIG. 8 is a perspective view showing the vicinity of the tip of the cantilever for supporting the probe according to claim 5 of the present invention
  • FIG. 8 (A) is a first embodiment in which the front portion of the measurement cantilever is triangular.
  • FIG. 8 (B) is a perspective view showing the measurement cantilever having a rectangular front portion.
  • FIG. 9 is a perspective view showing a certain second mode.
  • reference numeral 41 denotes a support cantilever
  • reference numeral 42 denotes a measurement cantilever
  • reference numeral 43 denotes a root portion of the measurement cantilever 42
  • reference numeral 44 denotes a front portion of the measurement cantilever 42
  • a triangular pointed tip It has a planar shape.
  • Reference numeral 45 denotes a step in the width direction formed at the boundary between the base 43 and the front 44 of the measurement cantilever 42
  • 46 denotes a probe.
  • the base of the supporting cantilever 41 is not shown.
  • a measuring cantilever 42 of 1 micrometer or less is installed.
  • the front portion 44 of the measurement cantilever 42 functions as a measurement portion, and its deformation is observed during running.
  • the boundary between the root portion 43 and the front portion 44 has a step in the width direction. 45 is formed, and the width of the front portion 44 is formed to be smaller than the width of the root portion 43.
  • L is the length of the front part 44 of the set measurement cantilever 42.
  • reference numeral 51 denotes a support cantilever
  • 52 denotes a measurement cantilever
  • 53 denotes a root portion of the measurement cantilever 52
  • 54 denotes a front portion of the measurement cantilever 52, and has a rectangular planar shape.
  • 55 is a step in the width direction
  • 56 is a probe.
  • the base of the supporting cantilever 51 is not shown.
  • a measurement cantilever 52 of 1 micrometer or less is installed.
  • the front portion 54 of the measurement cantilever 52 functions as a measurement portion, and its deformation is observed during running.
  • the boundary between the root portion 53 and the front portion 54 has a step in the width direction. 55 is formed so that the width of the front portion 54 is smaller than the width of the root portion 53.
  • L is the length of the front portion 54 of the set measurement cantilever 52.
  • the probe can define the length of the portion where the width of the cantilever for measurement is narrowed, so that the length of the cantilever for measurement is determined by the length of the cantilever for measurement.
  • the accuracy can be set without depending on the positioning accuracy between the cantilever and the supporting cantilever.
  • the probes shown in FIGS. 7 and 8 are effective when the cantilever for measurement is formed on the support cantilever by bonding, since consideration for the accuracy of the bonding can be reduced.
  • FIG. 9 is a view showing an example of a process of manufacturing the base of the probe and the supporting cantilever of the probe microscope of the present invention.
  • FIG. 9 (A) is an overall perspective view
  • FIG. 9 (B) is
  • FIG. Fig. 9 (C) is an enlarged view of a part A of Fig. 9 (B).
  • the base portion is supported by a frame 62 formed by processing a single crystal silicon substrate 61.
  • FIG. 9 the plurality of bases 63 are supported by the frame 62 of the single-crystal silicon substrate 61.
  • the number of bases 63 and support cantilevers 64 that are processed at once and the style of support are shown in FIG. It is not limited to.
  • FIG. 10 is a diagram showing an example of a manufacturing process of the measuring cantilever of the present invention.
  • FIG. 10 (A) is a perspective view of the whole, and
  • FIG. 10 (B) is an enlarged view of a portion A in FIG. 10 (A).
  • FIG. 10 (A) is a perspective view of the whole
  • FIG. 10 (B) is an enlarged view of a portion A in FIG. 10 (A).
  • a single-crystal silicon thin film layer 75 of an SOI substrate 71 is fabricated to manufacture a measurement force fulcrum 76.
  • the triangular measuring cantilever 76 is shown as an example, but the force measuring cantilever is not limited to this shape.
  • reference numeral 74 denotes an oxide film carried on the S ⁇ I substrate 71
  • reference numeral 73 denotes a handling wafer.
  • FIG. 11 is a view showing a manufacturing process of the supporting cantilever and the measuring cantilever of the present invention.
  • FIG. 11 (A) shows a joining process of the supporting cantilever and the measuring cantilever, and
  • FIG. 11 (B) shows a completed process.
  • FIG. 4 is an enlarged perspective view of a tip portion of the probe.
  • the S ⁇ I substrate 71 on which the measurement cantilever 76 shown in FIG. 10 is formed is turned over (the figure shows (Not responded), and bonded to the silicon substrate 61 on which the base 63 and the supporting cantilever 64 shown in FIG. 9 are formed.
  • the measuring cantilever 76 is joined to the tip of the supporting cantilever 64.
  • Figure 11 (B) shows an enlarged view of the vicinity of the tip of the completed probe cantilever.
  • FIG. 12 is a view showing a probe manufactured by the manufacturing method according to claim 7 of the present invention.
  • FIG. 12 (A) is a perspective view of the vicinity of the tip of the supporting cantilever
  • FIG. 12 (B) is the supporting cantilever.
  • FIG. 4 is a perspective view of the vicinity of the end of the utility cantilever viewed from below.
  • FIG. 13 is a view showing a process of manufacturing a probe manufactured by the manufacturing method.
  • Fig. 13 (A) is a view of the vicinity of the tip of the support cantilever 64 shown in Fig. 11 (B) viewed from the back side
  • Figs. 13 (B) and (D) are enlarged views of the vicinity of the tip of the measurement cantilever 76.
  • FIG. 7 is a view showing a process for manufacturing a probe 79.
  • 64 is a supporting cantilever
  • 76 is a measuring cantilever
  • 77 is a silicon oxide film or silicon nitride film
  • 78 is a slope
  • 79 is a probe.
  • the plane orientation of the measurement cantilever 76 must be the (100) plane, and the longitudinal axis must be 110> orientation.
  • the side surface and the back surface of the measurement cantilever 76 are covered with a silicon oxide film or a silicon nitride film 77.
  • the top surface must not be covered with oxide or nitride 77.
  • the oxide film or the nitride film 77 may be formed by any number of methods. For example, a nitride film is formed on the whole at the stage of FIG. Unless a chemical that invades the nitride film is used when removing the buried oxide film 74, the state is naturally covered with the above-described oxide film or nitride film 77 at the stage of FIG.
  • the measurement cantilever 76 is wet-etched with an alkaline aqueous solution to make it thinner. In particular, from the (111) plane, the etching is very slow starting from the tip. An inclined surface 78 is formed. Finally, when the oxide film or nitride film 77 is removed at the stage of FIG. 13D, the probe 79 is completed.
  • the present invention is capable of precisely measuring the deformation of a cantilever caused by the interaction between an atomic force and a magnetic force acting between a probe and an object to be measured. It is suitable as a probe for a scanning probe microscope.

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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

明 細 書
走査型プローブ顕微鏡のプローブおよびその製造方法
技術分野
[0001] 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查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。
背景技術
[0002] 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。
[0003] 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 10 2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 1 02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 ミリメートノレ X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。
[0004] 図 2および図 3は従来の走查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。
[0005] この図において、基部 111は圧電素子からなる走查装置（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查する。走 查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カゃ磁 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、コンピュータダラ 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、力 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。 [0006] 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。
[0007] 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 111 A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。
[0008] なお、従来のプローブとしては、以下の特許文献 1一 4に開示されるようなものがあ つた。
特許文献 1 :特開平 5—66127号公報 (第 4—5頁 図 1)
特許文献 2 :特開平 9 - 105755号公報 (第 4 - 5頁 図 1)
特許文献 3 :特開平 10 - 90287号公報 (第 3 - 4頁 図 1)
特許文献 4 :特開平 10— 221354号公報 (第 3— 5頁 図 1)
発明の開示
[0009] 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。
[0010] 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查 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。
[0011] 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。
[0012] 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ノレの寸法を有する。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マイクロメートノレであると仮定 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。
[0013] 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。
[0014] 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 なぐ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ぐ的確な測 定を行うことができる走查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。
[0015] 本発明は、上記目的を達成するために、
〔1〕走查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 一の先端に長さ 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。
[0016] 〔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 シリコン薄膜力 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 一が接合されてレ、ることを特徴とする。
[0017] 〔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力 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。
[0018] 〔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。
[0019] 〔5〕上記〔1〕記載の走查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 つて、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。
[0020] 〔6〕上記〔2〕記載の走查型プローブ顕微鏡のプローブの製造方法にぉレ、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 をカ卩ェして製作し、これらを接合した後、 SOI基板のハンドリングウェハ及び坦め込 み酸化膜を除去することを特徴とする。
[0021] 〔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ぉレ、て、ゥェ 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。
図面の簡単な説明
[0022] [図 1]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。
[図 2]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。
[図 3]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。
[図 4]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。
[図 5]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。
[図 6]本発明の請求項 3に記載した走查型プローブ顕微鏡のプローブの斜視図であ る。
[図 7]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。
[図 8]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。
[図 9]本発明の走查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。
[図 10]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。
[図 11]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。
[図 12]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。
[図 13]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。
発明を実施するための最良の形態
[0023] 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。
[0024] (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。
[0025] (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。
[0026] (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。
[0027] (D)請求項 4に記載した、測定用カンチレバーの長さを、厚さが薄くなつている部分 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ぐ精度良く 設定することができる。
[0028] (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つている部分の 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ぐ精度良く設 定すること力 Sできる。
[0029] (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カ卩ェ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。
[0030] (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ぐ結晶異方性を利用することでリソグラフィ一の精度によら ず曲率半径の小さい探針を提供することができる。 [0031] 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マイクロメートノレ以下で、厚さ 1マイクロメートノレ以下の測定用 カンチレバー（24， 34)が設置されるようにする。
実施例 1
[0032] 以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
[0033] 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。
[0034] 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。
[0035] 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。
[0036] 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。
[0037] 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。
[0038] 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。
[0039] 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。 [0040] 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 一トル以下で、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。
[0041] 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、走查時にそ 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 は設定された測定用カンチレバー 22の前方部分 2
1
4の長さである。
[0042] 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。
[0043] 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 は設定された測定用カンチレバー 32の前方部分 3
2
4の長さである。
[0044] 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 くなつ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ぐ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。
[0045] 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。
[0046] 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。
[0047] 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 口メートル以下で、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。
[0048] 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、走查時にそ 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 は設定された測定用カンチレバー 42の前方部分 44の長
3
さである。
[0049] 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。
[0050] 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 口メートル以下で、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。
[0051] 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、走查時にそ 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 は設定された測定用カンチレバー 52の前方部分 54の長
4
さである。 [0052] 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つ 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ぐ 精度良く設定することができる。
[0053] 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 一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。
[0054] 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。
[0055] 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。
[0056] 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力 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。
[0057] 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。
[0058] 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をカ卩ェして測定用力 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 る力 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レ、。また、図 10 (B)に おいて、 74は S〇I基板 71の坦め込み酸化膜、 73はハンドリングウェハを示している
[0059] 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。
[0060] 図 10に示した測定用カンチレバー 76を形成した S〇I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 6 1と接合する。
[0061] 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。
[0062] 続いて、 S〇I基板 71のハンドリングウェハ 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。
[0063] 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)はその支持用力 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。
[0064] 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。
[0065] ここで、測定用カンチレバー 76の面方位は（100)面、長手軸はく 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、 レ、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、 SO I基板 71のハンドリングウェハ 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。
[0066] 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をゥェ ットエッチングして薄くしてレ、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。
[0067] なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなぐ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。
産業上の利用可能性
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 つ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 うための走查型プローブ顕微鏡のプローブとして好適である。

Claims

請求の範囲
[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 一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查型プローブ 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查型プ 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つ 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一 ブ顕微鏡のプローブ。
[5] 請求項 1記載の走查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記載の走查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カ卩ェして製作し、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 ェして製作し、これらを接合した後、 SOI基板のハンドリングウェハ及び坦め込み酸 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、ウエットェ ツ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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