JPH08262039A - 走査型プローブ顕微鏡 - Google Patents
走査型プローブ顕微鏡Info
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- JPH08262039A JPH08262039A JP7063887A JP6388795A JPH08262039A JP H08262039 A JPH08262039 A JP H08262039A JP 7063887 A JP7063887 A JP 7063887A JP 6388795 A JP6388795 A JP 6388795A JP H08262039 A JPH08262039 A JP H08262039A
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- Japan
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- probe
- displacement
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Abstract
(57)【要約】
【目的】 探針の変位を高感度で検出する自己変位検出
機能をもつカンチレバーチップを備えた走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【構成】 探針１ａが試料表面の原子から引力あるいは
斥力を受けてカンチレバー部１ｂが撓むと、カンチレバ
ー部１ｂ上の圧電性高分子膜（ＰＶＤＦ薄膜２）には、
その撓みに応じた起電力が発生する。従ってカンチレバ
ー部１ｂの撓みつまり探針１ａの変位は、圧電性高分子
膜の起電力変化によって検出できる。しかも、ＰＶＤＦ
薄膜などの圧電性高分子膜は電圧出力定数が大きいの
で、高感度の変位検出が可能になる。
機能をもつカンチレバーチップを備えた走査型プローブ
顕微鏡を提供する。 【構成】 探針１ａが試料表面の原子から引力あるいは
斥力を受けてカンチレバー部１ｂが撓むと、カンチレバ
ー部１ｂ上の圧電性高分子膜（ＰＶＤＦ薄膜２）には、
その撓みに応じた起電力が発生する。従ってカンチレバ
ー部１ｂの撓みつまり探針１ａの変位は、圧電性高分子
膜の起電力変化によって検出できる。しかも、ＰＶＤＦ
薄膜などの圧電性高分子膜は電圧出力定数が大きいの
で、高感度の変位検出が可能になる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は走査型プローブ顕微鏡に
関する。
関する。
【０００２】
【従来の技術】図３に、走査型プローブ顕微鏡の一つで
あるＡＦＭ（原子間引力顕微鏡）の構成を示す。このＡ
ＦＭは、先端に曲率半径の小さい探針を備えたカンチレ
バーＬと、このカンチレバーＬの変位を検出する光学系
Ｄによって構成されており、探針を試料Ｓの表面に近づ
けると、試料Ｓと探針との間に働く力によりカンチレバ
ーが撓む点を利用し、そのカンチレバーの撓みを光学系
Ｄによって検出する、いわゆる光てこ方式を採用した顕
微鏡である。
あるＡＦＭ（原子間引力顕微鏡）の構成を示す。このＡ
ＦＭは、先端に曲率半径の小さい探針を備えたカンチレ
バーＬと、このカンチレバーＬの変位を検出する光学系
Ｄによって構成されており、探針を試料Ｓの表面に近づ
けると、試料Ｓと探針との間に働く力によりカンチレバ
ーが撓む点を利用し、そのカンチレバーの撓みを光学系
Ｄによって検出する、いわゆる光てこ方式を採用した顕
微鏡である。
【０００３】また、この種の顕微鏡においては上記した
変位検出方式の他に、カンチレバーと変位検出系とを一
体化することも試みられており、その自己変位検出機能
をもつカンチレバーチップの例として、シリコン製のカ
ンチレバー中にピエゾ抵抗素子を形成し、その抵抗値変
化からカンチレバーの変位を検出するものがある(Inter
national Conference on Solidstate Sensors and Actu
ators,1991,Tech.Dig.pp448-451)。さらに、自己変位検
出機能をもつ他の例として、カンチレバー上に圧電セラ
ミックであるチタン酸ジルコニウム酸鉛薄膜などを形成
したものがある（例えば特開平６−２６８０７号公
報）。
変位検出方式の他に、カンチレバーと変位検出系とを一
体化することも試みられており、その自己変位検出機能
をもつカンチレバーチップの例として、シリコン製のカ
ンチレバー中にピエゾ抵抗素子を形成し、その抵抗値変
化からカンチレバーの変位を検出するものがある(Inter
national Conference on Solidstate Sensors and Actu
ators,1991,Tech.Dig.pp448-451)。さらに、自己変位検
出機能をもつ他の例として、カンチレバー上に圧電セラ
ミックであるチタン酸ジルコニウム酸鉛薄膜などを形成
したものがある（例えば特開平６−２６８０７号公
報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図３に示し
た構造の場合、カンチレバーチップと別に、変位検出用
の光学系が必要で装置が大型になるという問題がある。
また、高真空中で測定を行いたい場合には検出系も真空
槽内に配置する必要があり、構成に制限を受けることに
なる。
た構造の場合、カンチレバーチップと別に、変位検出用
の光学系が必要で装置が大型になるという問題がある。
また、高真空中で測定を行いたい場合には検出系も真空
槽内に配置する必要があり、構成に制限を受けることに
なる。
【０００５】一方、自己変位検出機能をもつカンチレバ
ーチップを使用した場合、上記したような構成上の制限
を受けることはないが、次のような問題が存在する。す
なわち、カンチレバー部に形成したピエゾ抵抗層を用い
たものにおいては、カンチレバーの材料がシリコンなど
の半導体に限定されるという問題があり、また、圧電セ
ラミック薄膜を用いたものにおいては、高い感度が得ら
れないという問題がある。さらに、これらの自己変位検
出機能をもつカンチレバーチップは、ピエゾ抵抗層の形
成あるいはスパッタリングによる圧電セラミック薄膜の
成膜などの工程が必要で、いずれもの場合も製造工程が
複雑となる。
ーチップを使用した場合、上記したような構成上の制限
を受けることはないが、次のような問題が存在する。す
なわち、カンチレバー部に形成したピエゾ抵抗層を用い
たものにおいては、カンチレバーの材料がシリコンなど
の半導体に限定されるという問題があり、また、圧電セ
ラミック薄膜を用いたものにおいては、高い感度が得ら
れないという問題がある。さらに、これらの自己変位検
出機能をもつカンチレバーチップは、ピエゾ抵抗層の形
成あるいはスパッタリングによる圧電セラミック薄膜の
成膜などの工程が必要で、いずれもの場合も製造工程が
複雑となる。
【０００６】本発明は、そのような事情に鑑みてなされ
たもので、探針の変位を高感度で検出する自己変位検出
機能をもち、しかもカンチレバーの材料が限定されない
カンチレバーチップを備えた走査型プローブ顕微鏡を提
供することを目的とする。
たもので、探針の変位を高感度で検出する自己変位検出
機能をもち、しかもカンチレバーの材料が限定されない
カンチレバーチップを備えた走査型プローブ顕微鏡を提
供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、実施例に対応す
る図１に示すように、測定に使用するカンチレバーチッ
プ１が、台座１ｃに一端が支持されたカンチレバー部１
ｂと、このカンチレバー部１ｂの自由端に形成された探
針１ａと、カンチレバー部１ｂ上に形成された圧電性高
分子膜２を備えており、その圧電性高分子膜２の起電力
変化を探針１ａの変位検出信号として用いるように構成
したことによって特徴づけられる。
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、実施例に対応す
る図１に示すように、測定に使用するカンチレバーチッ
プ１が、台座１ｃに一端が支持されたカンチレバー部１
ｂと、このカンチレバー部１ｂの自由端に形成された探
針１ａと、カンチレバー部１ｂ上に形成された圧電性高
分子膜２を備えており、その圧電性高分子膜２の起電力
変化を探針１ａの変位検出信号として用いるように構成
したことによって特徴づけられる。
【０００８】ここで、本発明で用いる圧電性高分子膜と
しては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が圧電率が
大きい点で最も好ましいが、ＰＶＤＦ共重合体またはポ
リ塩化ビニルなどの高分子膜であってもよい。
しては、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）が圧電率が
大きい点で最も好ましいが、ＰＶＤＦ共重合体またはポ
リ塩化ビニルなどの高分子膜であってもよい。
【０００９】
【作用】探針１ａが試料表面の原子から引力あるいは斥
力を受けてカンチレバー部１ｂが撓むと、カンチレバー
部１ｂ上に形成した圧電性高分子膜；ＰＶＤＦ薄膜２に
は、その撓みに応じた起電力が発生する。従って、ＰＶ
ＤＦ薄膜２の起電力変化を検出すれば、その検出値から
カンチレバー部１ｂの撓みつまり探針１ａの変位を知る
ことができる。
力を受けてカンチレバー部１ｂが撓むと、カンチレバー
部１ｂ上に形成した圧電性高分子膜；ＰＶＤＦ薄膜２に
は、その撓みに応じた起電力が発生する。従って、ＰＶ
ＤＦ薄膜２の起電力変化を検出すれば、その検出値から
カンチレバー部１ｂの撓みつまり探針１ａの変位を知る
ことができる。
【００１０】ここで、ＰＶＤＦ薄膜の電圧出力定数は、
代表的な圧電セラミックＰＺＴに比してきわめて大きく
（ＰＶＤＦ：ｇ31＝２１６×１０-3Ｖｍ／Ｎ，ＰＺＴ：
ｇ31＝１０×１０-3Ｖｍ／Ｎ）、従って、ＰＶＤＦ薄膜
をカンチレバー部１ｂに形成することにより、探針１ａ
の変位を高感度で検出することが可能になる。
代表的な圧電セラミックＰＺＴに比してきわめて大きく
（ＰＶＤＦ：ｇ31＝２１６×１０-3Ｖｍ／Ｎ，ＰＺＴ：
ｇ31＝１０×１０-3Ｖｍ／Ｎ）、従って、ＰＶＤＦ薄膜
をカンチレバー部１ｂに形成することにより、探針１ａ
の変位を高感度で検出することが可能になる。
【００１１】
【実施例】この実施例の走査型プローブ顕微鏡は、基本
的には自己変位検出機能をもつカンチレバーチップを備
えた公知の顕微鏡と同様な構造で、試料ステージ、位置
制御回路及び走査制御回路などによって構成されている
が、そのカンチレバーチップの構造が相違する。
的には自己変位検出機能をもつカンチレバーチップを備
えた公知の顕微鏡と同様な構造で、試料ステージ、位置
制御回路及び走査制御回路などによって構成されている
が、そのカンチレバーチップの構造が相違する。
【００１２】すなわち、この例のカンチレバーチップ１
は、図１に示すように、カンチレバー部１ｂとこれを支
持する台座１ｃと、カンチレバー部１ｂの自由端に設け
られた探針１ａを備えたシリコン製のチップで、そのカ
ンチレバー部１ｂの根元付近に、圧電性高分子であるＰ
ＶＤＦ薄膜２が形成されている。
は、図１に示すように、カンチレバー部１ｂとこれを支
持する台座１ｃと、カンチレバー部１ｂの自由端に設け
られた探針１ａを備えたシリコン製のチップで、そのカ
ンチレバー部１ｂの根元付近に、圧電性高分子であるＰ
ＶＤＦ薄膜２が形成されている。
【００１３】また、カンチレバーチップ１には、ＰＶＤ
Ｆ薄膜２の上面と下面にそれぞれ電気的に接触する一対
の電極３ａと３ｂが形成されており、この一対の電極３
ａ，３ｂを利用して、ＰＶＤＦ薄膜２で発生する起電力
を外部へと取り出すことができる。そして、その起電力
検出用の電圧検出回路４が配線を通じて電極３ａ，３ｂ
に接続されている。
Ｆ薄膜２の上面と下面にそれぞれ電気的に接触する一対
の電極３ａと３ｂが形成されており、この一対の電極３
ａ，３ｂを利用して、ＰＶＤＦ薄膜２で発生する起電力
を外部へと取り出すことができる。そして、その起電力
検出用の電圧検出回路４が配線を通じて電極３ａ，３ｂ
に接続されている。
【００１４】以上の構造において、探針１ａが試料の表
面原子から引力あるいは斥力を受けてカンチレバー部１
ｂが撓むと、ＰＶＤＦ薄膜２に撓みに応じた起電力が発
生する。従って、その起電力変化を電圧検出回路４によ
って検出することにより、この検出値をカンチレバー部
１ｂの撓みつまり探針１ａの変位情報として用いること
ができる。
面原子から引力あるいは斥力を受けてカンチレバー部１
ｂが撓むと、ＰＶＤＦ薄膜２に撓みに応じた起電力が発
生する。従って、その起電力変化を電圧検出回路４によ
って検出することにより、この検出値をカンチレバー部
１ｂの撓みつまり探針１ａの変位情報として用いること
ができる。
【００１５】なお、図１の構造において、ＰＶＤＦ薄膜
２の下面と電極３ｂとの電気的な接触は、後述する高濃
度ホウ素拡散層１３を通じて得られる。次に、図１の構
造のカンチレバーチップ１を作製する手順を、以下、図
２に示す工程 (1)〜(7) を参照して説明する。
２の下面と電極３ｂとの電気的な接触は、後述する高濃
度ホウ素拡散層１３を通じて得られる。次に、図１の構
造のカンチレバーチップ１を作製する手順を、以下、図
２に示す工程 (1)〜(7) を参照して説明する。
【００１６】(1)：シリコンウェハ１１の表面に酸化膜
を形成し、これをフォトリソグラフィ技術を用いてパタ
ーニングして、探針１ａの形成部の相応する部分のみに
酸化膜１２を残す。
を形成し、これをフォトリソグラフィ技術を用いてパタ
ーニングして、探針１ａの形成部の相応する部分のみに
酸化膜１２を残す。
【００１７】(2)：パターニングした酸化膜１２をマス
クとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、
シリコンウェハ１１のエッチングを行って探針１ａを形
成する。
クとして、ＲＩＥ（反応性イオンエッチング）により、
シリコンウェハ１１のエッチングを行って探針１ａを形
成する。
【００１８】(3)：シリコンウェハ１１の表面に酸化膜
を形成し、これをパターニングしてカンチレバー形成部
に相応する部分以外を酸化膜（図示せず）で覆った状態
で、ホウ素の拡散を行ってシリコンウェハ１１中に高濃
度ホウ素拡散層１３を形成する。このとき、所望のカン
チレバー厚さでのホウ素濃度が１×１０20cm-3程度とな
るように拡散深さを調節する。
を形成し、これをパターニングしてカンチレバー形成部
に相応する部分以外を酸化膜（図示せず）で覆った状態
で、ホウ素の拡散を行ってシリコンウェハ１１中に高濃
度ホウ素拡散層１３を形成する。このとき、所望のカン
チレバー厚さでのホウ素濃度が１×１０20cm-3程度とな
るように拡散深さを調節する。
【００１９】(4)：高濃度ホウ素拡散層１３上に酸化膜
１４を形成してパターニングする。なお、このパターニ
ングは、後に形成する電極３ｂを高濃度ホウ素拡散層１
３に接触させるための窓明けである。
１４を形成してパターニングする。なお、このパターニ
ングは、後に形成する電極３ｂを高濃度ホウ素拡散層１
３に接触させるための窓明けである。
【００２０】(5)：高濃度ホウ素拡散層１３上で、カン
チレバー部１ｂの根元付近（図１参照）となる部分にＰ
ＶＤＦ薄膜２を形成する。その形成方法としては、例え
ばＰＶＤＦとトリフルオロエチレンの共重合体（液体
状）をシリコンウェハ１１上にスピンコートし、この塗
布膜をレーザアブレーションなどの技術によりパターニ
ングするといった方法を採用する。
チレバー部１ｂの根元付近（図１参照）となる部分にＰ
ＶＤＦ薄膜２を形成する。その形成方法としては、例え
ばＰＶＤＦとトリフルオロエチレンの共重合体（液体
状）をシリコンウェハ１１上にスピンコートし、この塗
布膜をレーザアブレーションなどの技術によりパターニ
ングするといった方法を採用する。
【００２１】(6)：アルミニウムなどの金属を蒸着し、
そのパターニングを行ってＰＶＤＦ薄膜２に接触する電
極３ａ，３ｂを形成する。 (7)：シリコンウェハ１１の裏面側でカンチレバーチッ
プ１の台座１ｃとなる部分のみを酸化膜（図示せず）で
覆った状態でシリコンウェハ１１をエッチングする。こ
のとき、工程(3) においてホウ素拡散を行った領域（高
濃度ホウ素拡散層１３）は、他の領域に比べてエッチン
グ速度が遅いため、その殆どがエッチングされずに残
り、これにより図に示すようなカンチレバー部１ｂが得
られる。
そのパターニングを行ってＰＶＤＦ薄膜２に接触する電
極３ａ，３ｂを形成する。 (7)：シリコンウェハ１１の裏面側でカンチレバーチッ
プ１の台座１ｃとなる部分のみを酸化膜（図示せず）で
覆った状態でシリコンウェハ１１をエッチングする。こ
のとき、工程(3) においてホウ素拡散を行った領域（高
濃度ホウ素拡散層１３）は、他の領域に比べてエッチン
グ速度が遅いため、その殆どがエッチングされずに残
り、これにより図に示すようなカンチレバー部１ｂが得
られる。
【００２２】以上の工程で図１に示した構造のチップ、
すなわち変位検出のためのＰＶＤＦ薄膜２がカンチレバ
ー部１ｂに形成された構造のカンチレバーチップ１が完
成する。この後、電極３ａ，３ｂを利用してＰＶＤＦ薄
膜２のポーリングを行う。
すなわち変位検出のためのＰＶＤＦ薄膜２がカンチレバ
ー部１ｂに形成された構造のカンチレバーチップ１が完
成する。この後、電極３ａ，３ｂを利用してＰＶＤＦ薄
膜２のポーリングを行う。
【００２３】以上の実施例では、カンチレバーの材料が
シリコンの場合の例を示したが、本発明はこれに限定さ
れず、他の半導体材料あるいはシリコン窒化膜またはシ
リコン酸化膜などの絶縁材料、さらには金属などの各種
の材料製のカンチレバーに対しても実施可能である。
シリコンの場合の例を示したが、本発明はこれに限定さ
れず、他の半導体材料あるいはシリコン窒化膜またはシ
リコン酸化膜などの絶縁材料、さらには金属などの各種
の材料製のカンチレバーに対しても実施可能である。
【００２４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明の走査型プ
ローブ顕微鏡によれば、カンチレバーチップのカンチレ
バー部にＰＶＤＦ等の圧電性高分子膜を形成し、この圧
電性高分子膜の起電力変化からカンチレバーの撓みを検
出するように構成したので、試料から探針が受ける引力
あるいは斥力を高感度で検出することができる。しか
も、カンチレバー部の材料がシリコン等の半導体に限ら
れず、絶縁物や金属などの他の材料であって高感度の検
出が可能になる。
ローブ顕微鏡によれば、カンチレバーチップのカンチレ
バー部にＰＶＤＦ等の圧電性高分子膜を形成し、この圧
電性高分子膜の起電力変化からカンチレバーの撓みを検
出するように構成したので、試料から探針が受ける引力
あるいは斥力を高感度で検出することができる。しか
も、カンチレバー部の材料がシリコン等の半導体に限ら
れず、絶縁物や金属などの他の材料であって高感度の検
出が可能になる。
【００２５】また、本発明において自己変位検出機能を
得るための圧電性高分子膜は、例えば高分子液状体をス
ピンコートしてパターニングするいった方法で形成でき
るので、ピエゾ抵抗層を形成したり、あるいはスパッタ
リング法により圧電セラミック薄膜を成膜する等の方法
に比して、簡単な作製プロセスで得ることができる。
得るための圧電性高分子膜は、例えば高分子液状体をス
ピンコートしてパターニングするいった方法で形成でき
るので、ピエゾ抵抗層を形成したり、あるいはスパッタ
リング法により圧電セラミック薄膜を成膜する等の方法
に比して、簡単な作製プロセスで得ることができる。
【図１】本発明実施例の構造図
【図２】その実施例のカンチレバーチップ１の作製方法
の手順を説明する図
の手順を説明する図
【図３】走査型プローブ顕微鏡（ＡＦＭ）の構造例を示
すブロック図
すブロック図
１ カンチレバーチップ １ａ 探針 １ｂ カンチレバー部 １ｃ 台座 ２ ＰＶＤＦ薄膜 ３ａ，３ｂ 電極 ４ 電圧検出回路
Claims (1)
- 【請求項１】 一端が台座に支持されたカンチレバー部
と、このカンチレバー部の自由端に形成された探針と、
カンチレバー部上に形成された圧電性高分子膜を有する
カンチレバーチップを備え、その圧電性高分子膜の起電
力変化を探針の変位検出信号として用いるように構成さ
れてなる走査型プローブ顕微鏡。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7063887A JPH08262039A (ja) | 1995-03-23 | 1995-03-23 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP7063887A JPH08262039A (ja) | 1995-03-23 | 1995-03-23 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH08262039A true JPH08262039A (ja) | 1996-10-11 |
Family
ID=13242258
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP7063887A Pending JPH08262039A (ja) | 1995-03-23 | 1995-03-23 | 走査型プローブ顕微鏡 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH08262039A (ja) |
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005008678A1 (en) * | 2003-07-08 | 2005-01-27 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Micro-force sensing system |
| JP2007532923A (ja) * | 2004-04-15 | 2007-11-15 | カリフォルニア インスティテュート オブ テクノロジー | マイクロメカニクスおよびナノメカニクス装置の金属薄膜ピエゾ抵抗変換および自己感知式ｓｐｍプローブへの応用 |
| US7367242B2 (en) | 2005-03-02 | 2008-05-06 | Board Of Trustees Operating Michigan State University | Active sensor for micro force measurement |
| JP2008122330A (ja) * | 2006-11-15 | 2008-05-29 | Japan Advanced Institute Of Science & Technology Hokuriku | 走査型プローブ顕微鏡用半導体・セラミックス複合カンチレバー |
| JP2008151673A (ja) * | 2006-12-19 | 2008-07-03 | Japan Advanced Institute Of Science & Technology Hokuriku | 走査型プローブ顕微鏡用化合物半導体カンチレバー、及びその製造法 |
| JP2022532365A (ja) * | 2019-05-15 | 2022-07-14 | ティーディーケイ・エレクトロニクス・アクチェンゲゼルシャフト | 強誘電体センサ |
-
1995
- 1995-03-23 JP JP7063887A patent/JPH08262039A/ja active Pending
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| US12209913B2 (en) | 2019-05-15 | 2025-01-28 | Tdk Electronics Ag | Piezoelectric device having a support with a neutral fiber |
| US12436034B2 (en) | 2019-05-15 | 2025-10-07 | Tdk Electronics Ag | Ferroelectric sensor |
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