JPH04179042A - 走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ この発明は走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーに関す
る。特に原子開力顕微鏡や磁気力顕微鏡に力検出素子と
して用いる微弱な力に対して容易に弾性変形する柔軟な
カンチレバーに関する。

［従来の技術］ ビニッヒ（Ｂｉｎｎｉｇ）やローラー（Ｒｏｈｒｅｒ）
らの発明した走査型トンネル顕微鏡（Ｓｃａｎｎｉｎｇ
　ＴｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（ＳＴＭ）
　）のサーボ技術を始めとする要素技術を利用し、　Ｓ
ＴＭでは測定できなかった絶縁性試料の表面形状を原子
オーダーの精度で観察できる装置として原子開力顕微鏡
（Ａｔｏｍｉｃ　ＦｏｒｃｅＭｉｃｒｏｓｃｏｐｅ（八
ＦＭ）　）が提案されている。　２つの原子（または分
子）を非常に接近させると両者間にはＩＱ−１９〜１０
−１２［Ｎ］程度の力（原子間力）が働く、原子開力顕
微鏡はその名の通り原子間力を利用して試料の表面形状
を観察する装置で、柔軟なカンチレバーで探針を支持し
、探針先端の原子に作用する原子間力によりカンチレバ
ーの先端部がある程度変位するまで探針を試料表面に近
づけ、　この変位量を一定に保ちながら試料表面に沿っ
て探針を走査する。走査の間、試料表面の凹凸に対応し
たカンチレバーの変位量の変化を検出したら、それに応
じた分だけ圧電素子などの微動機構を用いてカンチレバ
ーを試料表面に近づけたり遠ざけたりして初期値に肩す
、この結果、探針先端は試料表面の凹凸を反映した曲面
を描く、シたがって圧電素子に印加した電圧から試料の
表面形状を示す３次元画像を得る二とができる。

［発明が解決しようとする課題］ カンチレバーの変位の検出方法には様々な変位測定法が
適用できる。その一つにヘテロダイン法と呼ばれる光学
式変位測定方法がある。ヘテロダイン法は、光源からの
光ビームをウオーラストンプリズム等を用いて２本の光
ビームに分割し、第１１Ａ図に示すように、一方の光ビ
ーム（測定光ビームＬｍ）をカンチレバー１４の先端部
（測定点）に、他方の光ビーム（基準光ビームＬｒ）を
支持部１６に近いカンチレバー１４の固定端部（基準点
）に照射し、　これらの反射光を干渉させることにより
、基準点に対する相対的な動きとして測定点の動きを測
定する。　このヘテロダイン法は、基準点に対するカン
チレバー部の動きを測定するため、圧電素子などを用い
て探針を加振・変調しながら測定するときに有効である
。

例えば、ヘテロダイン法をカンチレバーの変位測定系に
組み込んだ走査型プローブ顕微鏡の一例が特願平２−１
２８３３２号公報に示される。

一般に走査型プローブ顕微鏡では、機械的共振周波数や
バネ定数の異なるカンチレバーを測定条件や測定試料に
応じて使い分ける。カンチレバーの共振周波数やバネ定
数は、カンチレバーを構成する材料の性質や機械的形状
で決まる。共振周波数やバネ定数の異なるカンチレバー
の作製には、製造工程を変更することなく作製できると
いう利点から、カンチレバーの材質を変えるよりも、機
械的形状を変えることがよく行なわれている。

しかし、機械的形状−特にカンチレバーの長さ−を変え
ることにより特性を変化させたカンチレバーでは、ヘテ
ロダイン法を用いた変位測定の際に次のような不都合が
ある。ヘテロダイン法で使用する２本の光ビームの間隔
はウオーラストンプリズムの特性や集光レンズの開口数
で決まり、カンチレバーの長さに応じてこの間隔を調整
することはできない。

このため、長いカンチレバーを使用した場合、第１１Ｂ
図の示すように測定光ビームがカンチレバー１４の中程
に照射されるためにカンチレバーの先端部の約半分の変
位しか検出できない、逆に短いカンチレバーを使用した
場合、第１１Ｃ図に示すように基準光ビームが支持部１
６に照射されるようになり２本の光ビームの間に光路差
が生じるため設計上このましくない、　さらに支持部は
かなり厚いので測定光ビームの集光位置をカンチレバー
面に合わせると、支持部に照射される基準光ビームが非
合焦状態となり正確な測定ができなくなる。

このように従来はヘテロダイン法による変位検出に適し
たカンチレバーがなかった。

この発明は、ヘテロダイン法により変位を測定する光学
系を備えた走査型プローブ顕微鏡に適したカンチレバー
を提供することを目的とする。

［課題を解決するための手段］ この発明の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、カ
ンチレバー部の先端部と基準部とに光を照射して基準部
に対する先端部の変位を測定する変位測定系を備えた走
査型プローブ顕微鏡に用いるカンチレバーであって、鋭
く尖った探針を先端部に有し、探針が力を受けた際に弾
性変形する柔軟なカンチレバー部と、カンチレバー部を
支持する支持部と、カンチレバー部の先端部から所定の
距離だけ離れた位置に設けられた基準部とを備える。

［作用］ この発明よるカンチレバーでは、カンチレバー部の先端
部の動きを検出する際の基準となる基準部は、カンチレ
バー部の長さとは無関係に先端部から所定の距離に設け
られている。　したがって、ビームの間隔を変更できな
いヘテロダイン法を用いた変位測定系に適用しても、常
に測定光ビーム　　−はカンチレバー部の先端部に、基
準光ビームは基準部に照射される。このため、変位測定
系を調整することなく、長さ（特性）の異なるカンチレ
バー部を使用することができる。

［実施例］ 以下、図面を参照しながら本発明の実施例のカンチレバ
ーについて説明する。

本発明によるカンチレバーの斜視図を第１Ａ図に、その
Ｉ−１断面図を第１Ｂ図に示す、カンチレバーＩＯは、
探針１２を先端に備える３角形状のカンチレバー部１４
と、これを支持する板状の支持部１６とを有する。カン
チレバー部１４は、これと一体的に形成された固定部１
８が支持部１６の底面に固着している。支持部１６には
矩形状の開口部２０が設けられていて、固定部１８の一
部である基準部２２が露出している。この開口部２０は
、カンチレバー部１４の先端部と基準部２２の中心との
間隔がヘテロダイン法を用いた変位測定系のビーム間隔
ｄに等しくなる位置に設けられる。

３種類の異なる長さのカンチレバー部１４を持ったカン
チレバー１０に対して、　テロダイン法を用いた変位測
定系を適用した際の様子を第２八図ないし第２Ｃ図に示
す０本発明のカンチレバー１Ｏでは、カンチレバー部１
４の先端部と基準部２２の中心との間隔がカンチレバー
部１４の長さにかかわらず常に一定間隔ｄであるから、
基準光ビームＬｒを基準部２２に照射したとき、いずれ
の場合にも測定光ビームＬｍが理想的にカンチレバー部
１４の先端部に照射される。　したがってバネ定数等の
異なるカンチレバーを取り替えながら使用する際に変位
測定系に調整を加える必要性が全くない。

このようなカンチレバー１０は半導体ＩＣ製造プロセス
を応用して作製することができる。実際に本発明者らは
第１Ａ図及び第１Ｂ図に示したカンチレバーを作製した
。以下、　その製造方法を第３Ａ図ないし第３Ｄ図を参
照して説明する。まずＳｉウェハー１００　（（１００
）面）を洗浄したのち、熱酸化によりＳｉウェハー１０
０上にｌｏｏ［ｎｍ］の厚さで５ｉｎ２膜１０２を形成
した６次いでレジスト材１０４をコーティングし、マス
クアライナ−で探針用パターンとして５μｍφの円形に
露光した。現像処理後、ＳＦ６とＣＩＦ、をエツチング
ガスとする異方性プラズマエツチングにより、残ったレ
ジスト材１０４をマスクとしてＳ　ｉ０２膜１０２及び
Ｓ１ウエハー１００をエツチングした（第３Ａ図）、残
ったＳｉのポスト１０６はレジスト材１０４の存在のた
めにやや傾いていた。その後、　レジスト材１０４及び
Ｓ　ｔｏ２膜１０２を取り除いて更にプラズマエツチン
グを行なった。　この粘気　第３Ｂ図に示すように鋭く
尖った突起部１０８がＳｉウェハー１００に形成された
９次に第３Ｃ図に示すようにＳｉウェハー１００の上下
面に１．５ｃμｍ］厚の５ｉＱ２１［１１０・１１２を
形成した。つづいて、下面の５ｉｎ２膜１１２にレジス
ト材をコーティングしたのち、フォトリソグラフにより
カンチレバー部や開口部を形成するためのパターンを形
成し、このパターンをマスクとして水酸化カリウム水溶
液を用いたＳｉの異方性エツチングにより上面の５ｉｎ
２膜１１０が露出するまでマスクされていない部分をエ
ツチングした。

二の粘気　第３Ｄ図に示すようにカンチレバー部１０が
作製された。なお開口部は２５０［μｍ］角の大きさに
形成した。

このように作製したカンチレバーｌＯでは、カンチレバ
ー部１４および基準部２２の構成材料が共に５ｉｎ２で
あるから両者の反射帯は等しく、カンチレバー部１４と
基準部２２に照射する光ビームの反射光量に対して補正
を施す必要がなくなるという利点がある。もちろん、変
位測定系のＳ／Ｎ比を向上させるため、金などの光反射
性金属膜をカンチレバー部１４および基準部２２に設け
ることもできる。

上述したように半導体ＩＣプロセスを用いてＳｉウェハ
ーからカンチレバーを作製する場合、　１枚のＳｉウェ
ハーから１種類のカンチレバーを作製しても良いが、第
４図に示すように、　１枚のＳｉウェハー１００に異な
る長さのカンチレバー部１４を持った数種類のカンチレ
バー１０を同時に作製することもできる。この場合、露
光用のマスクをカンチレバー部の長さに応じた数だけ準
備する必要がないという利点がある。同図は、　３種類
の異なる長さのカンチレバー１１４を持ったカンチレバ
ー１０が１８個作製されているＳｉウェハー１００を上
から見た様子を示している９図において、カンチレバー
部１４の長さや基準部２２の位置は実際の寸法を反映し
ていないが、各カンチレバー１０における基準部２２と
カンチレバー部１４の先端部との間隔は常に一定値ｄに
なっている。

次に別のタイプのカンチレバーを第５Ａ図および第５Ｂ
図を参照しながら説明する。第５Ａ図はカンチレバーの
斜視図、第５Ｂ図はそのｖ−■断面図を示す、この例の
カンチレバー１０は、支持部１６に設けた開口部２０の
形状を除けば上述したものと同じである。この例では、
開口部２０が矩形ではなく、カンチレバー部１４に向か
って開放した状態に形成されている。　このため、カン
チレバー部１４の上面に連続した状態に基準部２２が形
成されている。なお、開口部２０の幅は、カンチレバー
部１４の振動モードを可能な限り第１Ａ図のような理想
的な片持ち梁に近づけるため、カンチレバー部１４の固
定端部の幅よりも狭くすることが好ましい。

それぞれが異なる長さのカンチレバー部１４を持った３
種類のカンチレバー１０に対して、ヘテロダイン法を用
いた変位測定系を適用した際の様子を第６Ａ図ないし第
６Ｃ図に示す、上述したタイプのカンチレバーと同様に
、測定光ビームＬＬ１および基準光ビームＬ「が理想的
にカンチレバー部１４の先端部および基準部２２にそれ
ぞれ照射される。　したがって特性の異なるカンチレバ
ーを取り替えながら使用する際に変位測定系を調整する
必要がない。

このようなカンチレバー１０を上述のカンチレバーと同
様の方法を用いて作製した。ただ、最終工程でフォトリ
ングラフでカンチレバー部１４と基準部２２をパターニ
ングする際に基準部２２のマスクとしてカンチレバー側
に開放したものを使用した点だけが異なる。　この結果
、　カンチレバー部１４の固定端部の形状は、水酸化カ
リウム水溶液を用いたＳｉの異方性エツチングのため、
きれいに直角とならず、開口がカンチレバー部１４に向
かって広がる形となった。　しかしカンチレバーは、ヘ
テロダイン法による変位測定系に適したものであった。

さらに別のタイプのカンチレバーを第７図に示す、この
カンチレバー１０では、長さの異なる３本のカンチレバ
ー部１４が１つの支持部１６に設けられている。　１組
のカンチレバー部１４と基準部２２に注目すれば、その
構成は第１Ａ図（二足したカンチレバーと同じであり、
各組のカンチレノく一部１４の先端部と基準部２２の中
心部との間隔はいずれも一定距離ｄである。　したがっ
て第２Ａ図ないし第２Ｃ図に示したように、測定光ビー
ムＬｍおよび基準光ビームＬｒはそれぞれカンチレバ−
部１４の先端部および基準部２２の中心部に照射され、
調整を必要とすることなくヘテロダイン法を用いた変位
測定系に適用できる。なお、測定時には必要なカンチレ
バー部１４以外を取り去って使用する。

長さがそれぞれ８０（：μｍコ・１２０［μｌｌｌ］・
１６０［μａｌ］の３本のカンチレバー部１４を持つこ
のようなカンチレバー１０を第３Ａ図ないし第３Ｄ図に
示したのと同様な方法で作製した。　このとき、カンチ
レバー部１４の先端部から基準部２２の中心部までの距
離ｄは８００［μｍ１　　基準部２２の大きさは２００
［μＩコにした。測定の際、使用しないカンチレバー部
１４は走査の邪魔にならないように折って取り除いた。

このように作製したカンチレバーも、ヘテロダイン法の
変位測定系を組み込んだ走査型プローブ顕微鏡に適した
ものであった。

また更に別のタイプのカンチレバーを第８図に示す、こ
の例では、基準部２２は細長い長方形に形成されていて
、その長辺しは、最も長いカンチレバー１４の長さと最
も短いカンチレバー部１４の長さとの差Ｓよりも長くし
である。　これにより。

どのカンチレバー部１４に対してもその先端部と基準部
２２との間に距離ｄを確保できる。

この発明によるカンチレバーの別の実施例を第９Ａ図に
示す、基準部は、外部からの機械的振動に対して強いこ
とが望ましい、基準部の振動は。

変位測定系の変位検出に影響がでない程度であれば許さ
れるが、少なければ少ないほどよい、このためには、基
準部の厚さを増して機械的共振周波数を高周波数側に設
定することが有効である。この実施例のカンチレバー１
０はこの主旨に沿って作られたもので、カンチレバー部
１４の一部を覆うように支持部１６から一体的に突出し
た基準部２２が設けられている。基準部２２はカンチレ
バー部１４よりも厚く形成されていて、その機械的共振
周波数はカンチレバー部１４のそれよりも高く設定され
ている。これにより基準部２２は上述の条件を満足する
。　しかも基準部２２は、カンチレバー部１４の先端部
から距離ｄだけ離れた位置に設けられている、　これに
より、上述の実施例と同様に測定光ビームＬＩ１１がカ
ンチレバー部１４の先端部に、基準光ビームＬｒが基準
部２２に照射される。　しかも基準部２２は、そこに集
光される基準光ビームのスポット形状がカンチレバー部
１４の先端部に集光される測定光ビームのそれと大きく
異ならないように、支持部１６の上面よりも低い位置に
一体的に形成されている。異なる長さのカンチレバー部
１４を作製する際は、先端から基準部２２までの距離り
は一定にしたまま、基準部２２などに覆われている部分
の長さｋを変えることにより対応する。なお、カンチレ
バー部１４と基準部２２との段差は、測定する試料や走
査型プローブ顕微鏡の測定法により異なるが、　１００
［ｎｍ］ないし数１０［ｎｍ］程度に設定する二とが望
ましｂｓ、Ｌ２！ｌムしながら、　この値は本発明を何
等限定するものではない。

長さの異なる複数のカンチレバー部１４を備えたカンチ
レバー１０の例を第９Ｂ図に示す、どのカンチレバー部
１４に対しても、その先端から基準部２２までの距離は
同じで、基準部２２などで覆われた部分の長さが異なっ
ている。同様な機能を持つカンチレバーを作製するには
、　カンチレバーの付は根を揃えるように支持部側を加
工することも考えられるが、　この図のような構成の方
が。

細かなバターニングを施す部分の体積が少なくて済むな
どの理由から１本発明のカンチレバーを容易に作製する
ことができる。

本発明によるカンチレバーの更に別の実施例を第１０図
に示す、この実施例のカンチレバー１０は、カンチレバ
ー部１４・探針１２・支持部１６などは第５Ｂ図の例に
類似しているが、作製プロセスが異なる。支持部１６は
ガラスを張り付けて作製してあり、カンチレバー部１４
および基準部２２は窒化シリコンで、その下の部分２４
はシリコンで構成されている。支持部１６のガラスは。

陽極接合法によりシリコンあるいは窒化シリコンに接合
されている。この実施例のカンチレバーＩＯは基準部２
２が外部からの振動に対して非常に強いという利点があ
る。なお、支持部１６をシリコンで、基準部２２または
その下の部分２４をガラスで構成してカンチレバー１０
を作製する二ともできる。このようなカンチレバー１０
は、走査型プローブ顕微鏡に取り付けて測定する際には
、基準部２２の下の部分２４が厚いために試料に対して
傾けて取り付けられる。

次に本発明者らが実際に行なった作製方法を説明する。

　まずＳ１ウエハーを洗浄した後、Ｓｉ、Ｎ４をＣＶＤ
により１５０［ｎｍ］堆積し、探針部をＳｉのエツチン
グ跡をレプリカとして作製するため、フォトリソグラフ
によりＳｉ、Ｎ４に５［μｍ］角の穴を開け、次いで水
酸化カリウム水溶液を用いてＳｉを異方性エツチングし
て四角錐型の六をＳｉに開けた６次に、プラズマエツチ
ングにより一度Ｓｊ、Ｎ、を取り去った後、改めてＳｉ
、Ｎ４を四角錐型の穴も含め表面全体にわたりＣＶＤに
より５００［ｎｍ］堆積した。そして、更に１１００℃
の水蒸気中でアニーリングして、わずかに３１０２をＳ
ｉ、Ｎ４上に付けた後、　フォトリソグラフによりカン
チレバー形状などを露光パターニングした。

その一方で、パイレックスガラス（コーニング＄　７７
４０）を上記のＳｉウェハーに陽極接合する前に。

カンチレバーを切り分けるための溝と、カンチレバー部
にパイレックスガラスが付かないようにするための溝と
、基準部の開口部となる溝をダイシングソーにより加工
した３次いで、先はどのＳｉウェハーとパイレックスガ
ラスを陽極接合により接合し、カンチレバーの部分を先
はど付けた溝とは反対側からダイシングソーにより溝を
いれて個々を切り離してカンチレバーを完成した。

このように、　カンチレバーを構成する材料には、半導
体ＩＣ製造プロセスを用いて作製することから、Ｓｉに
代表される半導体材料やそれより派生した化合物などが
よく用いられる。支持部や基準部などは、陽極接合を用
いてガラスなどをＳｉに接合して作製しても良く、本発
明のカンチレバーを構成する材料としてガラスなどもよ
く用いられる。

光学的にカンチレバーや基準部の変位を捕らえることか
ら、各部位における光の反射率は、測定精度を左右する
ことから重要であり、同じ材料で構成して反射率を揃え
たり、構成材料に応じてカンチレバーや基準部に反射コ
ーティングを施したりすることが好ましい。

本発明のカンチレバーは、ヘテロダイン法を用いた変位
測定系を組み込んだ走査型プローブ顕微鏡において好適
に用いられるが、本発明はそのような変位測定系の方式
により限定されない１例えば、　１つの光源より発せら
れた光ビームを複数に分けて作った光ビームや、複数の
光源より発せられた複数の光ビームをカンチレバー部と
基準部にそれぞれ照射して両者の相対的な位置変化を捕
らえる方式ならば、　ヘテロダイン方式に限らず良好に
適用できる。

［発明の効果コ 本発明によれば、ヘテロダイン法を用いた変位計測系を
組み込んだ走査型プローブ顕微鏡に適したカンチレバー
を提供することができる。すなわち、機械的共振周波数
やバネ定数を選んで測定するために、長さの異なるカン
チレバーを使用しても、走査型プローブ顕微鏡側では何
も調整することなく使用することができる。従って、測
定前の装置の調整に必要な時間も極めて短くすることが
でき、短時間で測定データを得ることができるようにな
る。また、本発明のカンチレバーは半導体ＩＣプロセス
を応用して作製するため、　μｍの高精度で非常に再現
性よく作製することができ、バッチプロセスで作製する
ことによりコスト的にも低価格のものを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

第１Ａ図は、本発明の一実施例によるカンチレバーの斜
視図、 第１Ｂ図は、第１Ａ図のカンチレバーのＩ−１断面図、 第２Ａ図ないし第２Ｃ図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示
したカンチレバーに対してテロダイン法を用いた変位測
定系を適用した様子を示す図、第３Ａ図ないし第３Ｄ図
は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示したカンチレバーの作製
方法を説明する図、 第４図は、第１Ａ図及び第１Ｂ図に示したカンチレバー
を１枚の５１ウエハー上に複数形成した様子を示す図、 第５Ａ図は、別のタイプのカンチレバーの斜視図。 第５Ｂ図は、第５Ａ図のカンチレバーのｖ−ｖ断面図、 第６Ａ図ないし第６Ｃ図は、第５Ａ図及び第５Ｂ図に示
したカンチレバーに対してテロダイン法を用いた変位測
定系を適用した様子を示す図、第７図は、　さらに別の
タイプのカンチレバーを示す図、 第８図は、　また更に別のタイプのカンチレバーを示す
図、 第９Ａ図及び第９Ｂ図は、本発明のカンチレバーの別の
実施例を示す図、 第１０図は、本発明のカンチレバーの更に別の実施例を
示す図、 第１１Ａ図ないし第１１Ｃ図は、従来のカンチレバーに
生じる不都合を説明する図である。 なお図において、　１２は探針、　１４はカンチレバー
部、　１６は支持部、　２２は基準部である。 出願人代理人　弁理士　坪　井　　淳 ■ 第１Ａ図 第１８図 第２Ａ図 １２８図 １１１３Ａ図 ７−コ 第３Ｂ図 １３ｃ図 第３Ｄ図 ＊１＋図 ■ 第５Ａ図 第５８ＩＩＡ ６ＡｔＡ １１１６８図 ｌ６ｃ５５ 第７ｕＡ 第８図 ＠９Ａ図 第９８図 １ｉ１０ｔｌＡ 第１１Ａｒｌ！Ｊ Ｊ１１１１８ｒｌＡ Ｉ１１１ＣｔＪＡ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 カンチレバー部の先端部と基準部とに光を照射して基準
   部に対する先端部の変位を測定する変位測定系を備えた
   走査型プローブ顕微鏡に用いるカンチレバーであつて、 鋭く尖った探針を先端部に有し、探針が力を受けた際に
   弾性変形する柔軟なカンチレバー部と、カンチレバー部
   を支持する支持部と、 カンチレバー部の先端部から所定の距離だけ離れた位置
   に設けられた基準部とを備える走査型プローブ顕微鏡用
   カンチレバー。