JPH09159677A

JPH09159677A - カンチレバーチップ

Info

Publication number: JPH09159677A
Application number: JP31912495A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Matsuyama; 克宏松山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-12-07
Filing date: 1995-12-07
Publication date: 1997-06-20

Abstract

(57)【要約】【課題】試料の電気的特性の測定の間、探針と試料の相
互間距離を一定に維持できる走査型プローブ顕微鏡を実
現するためのカンチレバーチップを提供する。【解決手段】カンチレバーチップは、二個のカンチレバ
ー１０２と１０４がガラス製の支持部１０６の端から並
んで延出している。二個のカンチレバー１０２と１０４
は共に窒化シリコン膜製で、それぞれ自由端に探針１２
２と１２４を備えており、その両面は金薄膜２１２と２
１４でコートされている。二個のカンチレバー１０２と
１０４は大きさが異なり、例えば、カンチレバー１０２
の長さは２００μｍ、カンチレバー１０４の長さは１０
０μｍである。カンチレバー１０２とカンチレバー１０
４は、支持部１０６に形成された溝１１６によって互い
に分離されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ＩＣ等の電
気的特性を検査する装置に用いられるプローブに関す
る。このような装置としては、例えば、プローバ装置や
走査型プローブ顕微鏡などがあり、いずれも片持ち梁形
状のプローブを用いている。

【０００２】

【従来の技術】ビニッヒ（Binnig）とローラー（Roher
e）等により発明された走査型トンネル顕微鏡（Scannin
g Tunneling Microscope: STM）におけるサーボ技術を
始めとする要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し
難かった絶縁性の試料を原子オーダーの精度で観察する
ことのできる顕微鏡として原子間力顕微鏡（Atomic For
ceMicroscope: AFM）が、例えば特開昭６２−１３０３
０２号において提案されている。

【０００３】ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の一つとして位置づけら
れる。ＡＦＭでは、カンチレバーを、その自由端の鋭い
突起部分（探針部）を試料に近づけて支持し、探針先端
と試料表面の原子間に働く相互作用力により変位するカ
ンチレバーの動きを電気的あるいは光学的にとらえて測
定しながら、試料をＸＹ方向に走査してカンチレバーの
探針部との位置関係を相対的に変化させることによっ
て、試料の凹凸情報などを三次元的にとらえることがで
きる。

【０００４】走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバー
は、アルブレヒト（T.R.Albrecht）等が半導体ＩＣ製造
プロセスを応用して作製するＳｉＯ2 （二酸化シリコ
ン）カンチレバーチップを提案して以来（Thomas R. Al
brecht, Calvin F. Quate: "Atomic resolution Imagin
g of a nonconductor by Atomic force Microscopy",
J.Appl. Phys., 62 (1987) 2599 ）、この半導体ＩＣ製
造プロセスを応用して作製するカンチレバーチップが主
流となっている。半導体ＩＣ製造プロセスを応用する利
点の一つはマイクロメーター（μｍ）の高精度で非常に
再現性良く作製できることであり、また別の利点はバッ
チプロセスにより多数の製品を経済的に作製できること
である。

【０００５】例えば、「J. Vac. Sci. Technol. A8(4)3
386 1990: T. Albrecht, S. Akamine, T. E. Caver and
C. F. Quate」で触れられているような、ＳｉＯ2 膜の
代わりに窒化シリコン膜をカンチレバー構成材料に用い
たカンチレバーチップは既に市場に出回っている。この
カンチレバーの寸法は、長さ約５０〜２００μｍ、厚さ
約０．５〜１μｍ、形状は中抜きの三角形や長方形があ
る。

【０００６】また、単結晶シリコンで形成された探針が
「Appl. Phys. Lett. 57(3)316 1990: Akamine, R. C.
Barrett and C. F. Quate 」で提案されており（U. S.
Patent 5021364）、全部が単結晶シリコンで形成された
カンチレバーがベイヤー（T.Bayer）等により提案され
ている（U. S. Patent 5051379）。

【０００７】加えて、カンチレバー自体に変位を測定す
る機能を付加した集積型ＡＦＭセンサーが、トルトネー
ゼ（M. Tortonese）等により提案されている。この集積
型ＡＦＭセンサーは、例えば、「M. Tortonese, H. Yam
ada, R. C. Barrett and C.F. Quate, "Atomic force m
icroscopy using a piezolesistive cantilever", Tran
sducers and Sensors' 91」やＰＣＴ出願ＷＯ９２／１
２３９８に開示されており、測定原理には歪み抵抗効果
を利用している。

【０００８】ところで、走査型トンネル顕微鏡で検出さ
れるトンネル電流には、探針と試料の相互間距離や、試
料の局所的な電子の状態、試料の局所的な電位が反映さ
れている。このため、通常のＳＴＭ像には、試料表面の
微視的な粗さに関する凹凸情報と、試料表面の局所的な
電位分布に関する情報とが含まれている。この局所的な
電位情報を得る手段として試料表面の電流電圧特性（Ｉ
−Ｖ特性）を測定するトンネル分光法（Scanning Tunne
ling Spectroscopy: STS）や、試料表面の電位特性を測
定するトンネルポテンシオメトリー（Scanning Tunneli
ng Potentiometry: STP ）等がある。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】ＳＴＳ測定やＳＴＰ測
定は、探針と試料の相互間距離が一定に保たれていると
いう前提の基に、ＳＴＭ測定用の探針を用いてＳＴＭ測
定後あるいはＳＴＭ測定中に行なわれる。具体的に説明
すると、ＳＴＭ測定後に行なう場合には、ＳＴＭによる
形状測定から算出された試料の表面形状情報に基づい
て、探針と試料の相互間距離を一定値に保ちながら走査
を行ない、任意の場所の電気的特性を検出する。また、
ＳＴＭ測定中に行なう場合には、走査経路上の多数の点
において探針と試料の相対的移動を一時的に止め、探針
と試料の相互間距離を所定値に固定して、その位置にお
ける電気的特性を検出する。

【００１０】ところで、ＳＴＭによる形状情報には、試
料表面の電気的な物性や、試料を構成している材料の違
いによる表面電位の情報が混入している。従って、ＳＴ
Ｍによる形状情報と実際の表面形状は全く同じではな
い。

【００１１】加えて、探針と試料の相互間距離の制御素
子には圧電体スキャナーを用いているが、圧電体スキャ
ナーはクリープやドリフトを示す性質を有している。こ
のような理由から、ＳＴＳ測定やＳＴＰ測定の間、探針
と試料の相互間距離は厳密には一定に保たれていない。

【００１２】本発明は上述の事情に鑑みてなされたもの
で、その目的はＳＴＳ測定やＳＴＰ測定の間に探針と試
料の相互間距離を一定に保ち、精度の高い測定を行なう
ことができる走査型プローブ顕微鏡を実現するためのカ
ンチレバーチップを提供することである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】

＜手段＞本発明のカンチレバーチップは、支持部と、支
持部から延びた複数の片持ち梁とを有し、各片持ち梁は
自由端に探針を備えており、複数の片持ち梁は互いの探
針が電気的に絶縁された少なくとも二つの片持ち梁を含
むことを特徴とする。

【００１４】また、本発明のカンチレバーチップは、互
いの探針が電気的に絶縁された二つの片持ち梁の少なく
とも一方は、試料表面の電気的特性の測定に用いられる
ことを特徴とする。

【００１５】さらに、本発明のカンチレバーチップは、
互いの探針が電気的に絶縁された二つの片持ち梁の各探
針を結ぶ直線が、片持ち梁の長手軸方向とほぼ一致する
ことを特徴とする。

【００１６】＜作用＞測定の間、互いの探針が電気的に
絶縁された二つの片持ち梁の内の一方は、他方の片持ち
梁の探針と試料との相互間距離を一定に保つように作用
し、その状態で他方の片持ち梁は、試料の電気的特性を
測定する。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。＜第一の実施の形態＞（構成）本実施形態のＳＰＭ用カンチレバーチップにつ
いて図１を用いて説明する。

【００１８】カンチレバーチップは、（Ａ）と（Ｂ）に
示すように、二個のカンチレバー１０２と１０４がガラ
ス製の支持部１０６の端から並んで延出している。二個
のカンチレバー１０２と１０４は共に窒化シリコン膜製
で、それぞれ自由端に探針１２２と１２４を備えてお
り、その両面は金薄膜２１２と２１４でコートされてい
る。二個のカンチレバー１０２と１０４は大きさが異な
り、例えば、カンチレバー１０２の長さは２００μｍ、
カンチレバー１０４の長さは１００μｍである。

【００１９】（Ｂ）に示すように、カンチレバー１０２
とカンチレバー１０４は、支持部１０６に形成された溝
１１６によって互いに分離されている。このため、
（Ｃ）に示すように、探針側にコートされた金薄膜２１
４は、窒化シリコン膜１１２上と溝１１６内と窒化シリ
コン膜１１４上の三つの金薄膜２１４ａ、２１４ｂ、２
１４ｃに分断されていることから、カンチレバー１０２
とカンチレバー１０４（すなわち探針１２２と探針１２
４）は、電気的に絶縁されている。

【００２０】（作製プロセス）次に、本実施形態のＳＰ
Ｍ用カンチレバーチップの作製プロセスについて図２を
用いて説明する。

【００２１】シリコンウェハー２０２に探針の穴２０４
を例えばドライエッチングにより形成する（Ａ）。次
に、シリコンウェハー２０２の穴２０４を形成した面に
窒化シリコン膜（膜厚０．４〜１μｍ）をＣＶＤで形成
し、窒化シリコン膜をフォトリソグラフィとドライエッ
チングによりパターニングする（Ｂ）。パターニング後
の窒化シリコン膜２０８は、図１（Ｂ）に示したカンチ
レバー１０２とカンチレバー１０４に対応した形状とな
っており、Ｌ字状の溝１１６に対応する部分は除去され
ている。

【００２２】パターニング後の窒化シリコン膜２０８を
備えたシリコンウェハー２０２に対して、カンチレバー
２０８の形状パターンに合わせて加工したパイレックス
ガラス２１０を陽極接合する（Ｃ）。次に、シリコンウ
ェハー２０２をＫＯＨの４０％水溶液でエッチングした
後、フッ酸によりカンチレバーに付着しているゴミや酸
化シリコン膜を除去する。このとき、ガラス製の支持部
１０６は、窒化シリコン膜が形成されていないＬ字状の
部分がエッチングされて、溝１１６（図１参照）が形成
される。

【００２３】最後に、カンチレバー２０８の両面に金薄
膜２１２と２１４を蒸着により形成する（Ｄ）。このと
き、金薄膜２１２と２１４のカンチレバーへの密着性を
高めるため、例えばクロムと金をカンチレバーに蒸着し
てもよい。

【００２４】以上のプロセスにより窒化シリコンとパイ
レックスガラスからなるカンチレバーチップが作製され
る。（作用）本実施形態のカンチレバーチップを使用する際
は、短い方のカンチレバー１０４をＳＴＳ測定やＳＴＰ
測定に用い、これと同時に長い方のカンチレバー１０２
を用いてＡＦＭ動作を行なわせる。つまり、窒化シリコ
ン膜１１４上の金薄膜２１４ａに電極を接続し、カンチ
レバー１０４の探針１２４と試料表面の間にバイアス電
圧を印加して、試料表面の電気的特性を検出する。カン
チレバーチップは斜めに支持されるため、短い方のカン
チレバー１０４を試料表面の電気的特性の検出に用いる
状況では、長い方のカンチレバー１０２は探針１２２が
必然的に試料表面に接触するため変位を起こす。この変
位をカンチレバー１０２の背面の金薄膜２１２にレーザ
ー光を照射して光学的に検出し、その変位を一定に保つ
ように、試料に対してカンチレバーチップを上下方向に
移動させる。この制御により、探針１２４の先端と試料
表面の間の距離は、ＳＴＳ測定やＳＴＰ測定の間も常に
一定に保たれる。

【００２５】探針１２２と探針１２４の間の電気的な接
触は溝１１６により分断されているため、探針１２４に
印加しているバイアス電圧がＡＦＭ動作させている探針
１２２に影響を及ぼすことはない。反対に、探針１２２
が試料表面から受けた電気的信号が探針１２４から検出
している電気的特性に混入することもない。

【００２６】（効果）本実施形態のカンチレバーチップ
を用いると、試料表面の局所的な電気的特性を検出する
探針を有するカンチレバーと、探針と試料表面の距離を
一定に保つためのカンチレバーを個別に設けていること
から、探針と試料表面の距離がより正確に設定でき、よ
り正確な試料表面の局所的な電気的特性を検出できる。

【００２７】また、本実施形態のカンチレバーチップ
は、ばね定数が小さい長い方のカンチレバーを探針と試
料表面の距離制御を行なうＡＦＭ動作に用い、ばね定数
が大きい短い方のカンチレバーを試料表面の電気的特性
の検出に用いているため、試料表面を傷つけることな
く、感度良く探針と試料表面の距離制御が行なえる。

【００２８】さらに、本実施形態のカンチレバーチップ
は、従来のカンチレバー作製法に対して、窒化シリコン
膜のカンチレバー形状を変更するだけで作製できること
から、容易に安定して作製できる。

【００２９】加えて、本実施形態のカンチレバーチップ
は、電気的特性検出のために、表面に酸化膜が形成され
ない金をコートして導電体を形成しているため、より高
精度な電気的特性の検出が行なえる。

【００３０】また、本実施形態において、ＡＦＭ動作に
用いるカンチレバーの金薄膜に電極を設けて、そのカン
チレバーの探針と試料との電位を同じにすれば、試料と
探針との間に発生する静電気力がキャンセルできる。従
って、上述の効果の中でも探針と試料表面との距離設定
がより一層正確になり、正確な試料表面の局所的な電気
特性を検出できる。

【００３１】（変形例）なお、カンチレバーの形状は、
本実施形態では三角形であるが、矩形であっても構わな
い。同様に、ＡＦＭ動作のための長い方のカンチレバー
の形状が矩形で、電気的特性検出のための短い方のカン
チレバーの形状が三角形でもよい。

【００３２】また、本実施形態においては、ふたつのカ
ンチレバーのばね定数を使用方法により決定している
が、より明確にするため、距離制御に用いているカンチ
レバーの幅を狭くしてばね定数を小さく（より柔らか
く）し、電気的特性検出に用いるカンチレバーの幅を拡
くしてばね定数を大きく（より硬く）してもよい。

【００３３】＜第二の実施の形態＞本実施形態のカンチ
レバーチップは、第一の実施の形態の作製プロセスに準
じて作製されており、図３に示されるように、長い方の
カンチレバー４０２の中抜きの部分に、短い方のカンチ
レバー４０４が設けられている。二つのカンチレバーの
探針４１２と４１４は、Ｌ字の溝４０６と４０８により
電気的に絶縁されている。

【００３４】カンチレバー４０２を用いてＡＦＭ動作さ
せてカンチレバー４０４の探針４１４と試料間の距離を
制御し、探針４１４を用いて試料表面の電気的特性を検
出する。カンチレバー４０４がカンチレバー４０２の中
に設けられているため、カンチレバーを並列に並べた場
合に比べて、距離制御用の探針４１２と電気的特性検出
用の探針４１４の位置が近くなる。従って、より正確に
探針４１４と試料間の距離の制御が行なえる。

【００３５】また、本実施形態の構成であれば、探針４
１２と探針４１４とを結ぶ直線は、カンチレバー４０２
とカンチレバー４０４の中心を通る長手軸方向とほぼ一
致させることが好ましい。このようにすることで、探針
４１２と探針４１４との位置をより一層近づけることが
可能である。

【００３６】さらに、この探針４１２と探針４１４との
距離は、数百μｍ以下であることが好ましく、このよう
に構成することで、双方の探針は測定試料表面のほぼ同
じ地点を測定することができる。よって、探針と試料表
面の距離を正確に設定でき、高精度な電気的特性を検出
することが可能になる。

【００３７】従って、本実施形態では、第一の実施の形
態の効果に加えて、探針４１２と探針４１４との位置を
より一層近づけることができることから、探針と試料表
面の距離をさらに正確に設定でき、高精度な電気的特性
を検出することが可能になる。

【００３８】なお、本実施形態において、電気的特性の
検出用のカンチレバーの形状が三角形であるが、矩形で
あってもよい。＜第三の実施の形態＞（構成）本実施形態のＳＰＭ用カンチレバーチップにつ
いて図４を用いて説明する。

【００３９】カンチレバーチップは、カンチレバー５０
２を有するシリコン板５１２と、カンチレバー５０４を
有するシリコン板５１４とが、酸化シリコン５２１を介
してシリコン製の支持部５０６に設けてある。カンチレ
バー５０２は相対的に長く、自由端には探針５２２を有
し、カンチレバー５０４は相対的に短く、自由端には探
針５２４を有している。シリコン板５１２とシリコン板
５１４は共に探針側の極表面に導電層５３０が形成され
ている。シリコン板５１２とシリコン板５１４はＬ字状
の溝によって分断されており、従って探針５２２と探針
５２４は電気的に絶縁されている。カンチレバー５０４
側のシリコン板５１４は、支持部のカンチレバーの反対
側まで形成されている（図示せず）。

【００４０】（作製プロセス）次に、本実施形態のＳＰ
Ｍ用カンチレバーの作製プロセスについて図５を用いて
説明する。

【００４１】スタート基板として、面方位（１００）の
シリコン基板６２０の一面に中間酸化シリコン膜５２１
を形成した後、活性層となる同じく面方位（１００）の
シリコン基板６２２を貼り合わせた、いわゆる貼り合わ
せＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いる
（Ａ）。最初に活性層６２２にフォトリソグラフィーと
ドライエッチングもしくは湿式エッチングを組み合わせ
て探針６２４を形成する（Ｂ）。その後、探針６２４を
形成した活性層６２６をフォトリソグラフィーとエッチ
ングによりパターニングする（Ｃ）。パターニング後の
活性層６２８は、図４（Ｂ）に示したカンチレバー５０
２とカンチレバー５０４を有する形状となっている。

【００４２】次に、イオンインプラテーションにより、
パターニング後の活性層６２８の極表面にボロン（Ｂ）
等を注入して導電層５３０を形成する（Ｄ）。その後、
導電層５３０の上に、図４（Ｂ）に示したＬ字状の溝に
対応した部分を除いて、マスクを形成し、導電層５３０
と活性層６２８と酸化シリコン膜５１２をエッチングし
て溝を形成する。続いて、シリコン基板６２０裏面より
湿式異方性エッチングを行ない支持部５０６を形成し、
最後にフッ化水素水溶液等によりカンチレバー周辺の酸
化シリコン膜やプロセス中に付着したゴミを除去する
（Ｅ）。

【００４３】以上のプロセスにより本実施形態のシリコ
ン製のカンチレバーチップが作製される。（作用）本実施形態のカンチレバーチップを使用する際
は、短い方のカンチレバー５０４をＳＴＳ測定やＳＴＰ
測定に用いると同時に、長い方のカンチレバー５０２を
ＡＦＭ動作を行なわせる。つまり、シリコン板５１４の
極表面の導電層に電極を接続し、カンチレバー５０４の
探針５２４と試料表面の間にバイアス電圧を印加して、
試料表面の電気的特性の検出を行なう。カンチレバーチ
ップは斜めに支持されるため、探針５２２は必然的に試
料表面に接触し、長い方のカンチレバー５０２は変位を
生じる。この変位を、例えば光学的手段を用いて検出
し、一定に保つように試料に対してカンチレバーチップ
を上下方向に移動させる。この制御により、探針５２４
の先端と試料表面の間の距離は、ＳＴＳ測定やＳＴＰ測
定の間も常に一定に保たれる。

【００４４】ここで、ＡＦＭ動作用の探針５２２と電気
的特性検出用の探針５２４は、電気的に絶縁されている
ため、探針５２４に印加しているバイアス電圧がＡＦＭ
動作させている探針５２２に影響を及ぼすことはなく、
探針５２２が試料表面から受けた電気的信号が探針５２
４から検出している電気的特性に混入することはない。

【００４５】（効果）本実施形態のカンチレバーチップ
を用いると、試料表面の局所的な電気的特性を検出する
探針を有するカンチレバーと、探針と試料表面の距離を
一定に保つためのカンチレバーを個別に設けていること
から、探針と試料表面の距離がより正確に設定でき、よ
り正確な試料表面の局所的な電気的特性を検出できる。

【００４６】また、本実施形態のカンチレバーチップ
は、ばね定数が小さい長い方のカンチレバーを探針と試
料表面の距離制御を行なうＡＦＭ動作に用い、ばね定数
が大きい短い方のカンチレバーを試料表面の電気的特性
の検出に用いているため、試料表面を傷つけることな
く、感度良く探針と試料表面の距離制御が行なえる。

【００４７】さらに、本実施形態のカンチレバーチップ
は、シリコンにイオンを注入して導電層を形成している
ため、探針先端の曲率半径が探針形成時に比べて鈍くな
ることがないことから、より局所的な電気的特性が検出
でき、探針と試料表面の距離設定もより高精度に行なえ
る。

【００４８】また、本実施形態において、ＡＦＭ動作に
用いるカンチレバーの導電層に電極を設けて、そのカン
チレバーの探針と試料との電位を同じにすれば、試料と
探針との間に発生する静電気力がキャンセルできる。従
って、上述の効果の中でも探針と試料表面との距離設定
がより一層正確になり、正確な試料表面の局所的な電気
特性を検出できる。

【００４９】（変形例）なお、本実施形態においては、
探針の反対側のカンチレバー面に反射膜を形成していな
いが、金属膜等をコーティングして反射膜を形成しても
よい。

【００５０】また、本実施形態において、カンチレバー
と導電層を有する支持部上のシリコン板の形状は図４
（Ｂ）に示した形状であるが、第一の実施の形態と同様
に図１（Ｂ）に示した形状や第二の実施の形態の同様に
図３（Ｂ）に示した形状でもよい。

【００５１】さらに、本実施形態においては、カンチレ
バー形状のパターニングを行なってから導電層を形成す
るためのイオン注入を行なっているが、イオン注入を行
なった後、カンチレバー形状を形成してもよい。

【００５２】また、本実施形態のカンチレバーを作製す
るプロセスは、図５の作製プロセスに限定されるもので
はなく、例えば、シリコンからなるカンチレバーを作製
する他のプロセスに基づいても、本実施形態と同様なカ
ンチレバーを作製することが可能である。なお、以下に
示す第四の実施の形態についても同様のことが言える。

【００５３】＜第四の実施の形態＞本実施形態のカンチ
レバーチップは、第三の実施の形態の作製プロセスに準
じて作製されており、ボロン等をイオン注入する際に、
長い方のカンチレバー５０２を含めたシリコン板５１２
に対応した活性層６２８の一部の領域にフォトリソグラ
フィーによりレジストを形成し、これをマスクにイオン
注入を行なって作製している。このため、本実施形態の
カンチレバーチップは、図６に示されるように、短い方
のカンチレバー５０４を含めたシリコン板５１４は導電
層５３０を有しているが、長い方のカンチレバー５０２
を含めたシリコン板５１２は導電層を有していない。

【００５４】長い方のカンチレバー５０２を用いてＡＦ
Ｍ動作させて、短い方のカンチレバー５０４の探針５２
４と試料間の距離を制御し、短い方のカンチレバー５０
４の探針５２４で試料表面の電気的特性を検出する。こ
のとき、長い方のカンチレバー５０２は、通常のＡＦＭ
測定で使用されるカンチレバーと同様に、導電層を有し
ていないことから、通常行なわれているＡＦＭ測定と同
じ条件で、短い方のカンチレバー５０４の探針５２４と
試料間の距離制御が行なえる。従って、より正確に短い
方のカンチレバー５０４の探針５２４と試料間の距離の
制御が行なえる。

【００５５】本実施形態のカンチレバーチップを用いる
ことにより、探針と試料表面の距離がより正確に設定で
きることから、より高精度な電気的特性を検出すること
が可能になる。

【００５６】＜第五の実施の形態＞本実施形態のＳＰＭ
用カンチレバーチップについて図７を用いて説明する。
カンチレバーチップは、歪み抵抗効果を利用したセンサ
ー機能を備えたＵ字状のカンチレバー７０２を有し、そ
の内側に細長の矩形状のカンチレバー７０４を有してい
る。カンチレバー７０２は内部に歪み抵抗層を有してお
り、この歪み抵抗層は支持部７０６上においてアルミ電
極７０８と７０９に接続されている。カンチレバー７０
４は探針側極表面に導電層が形成されており、この導電
層は支持部７０６上においてアルミ電極７１０に接続さ
れている。カンチレバー７０２の電極７０８には直流定
電圧電源７３２が接続され、電極７０９には電流計測用
のオペアンプ７３３が接続されている。また、カンチレ
バー７０４の電極７１０には試料の電気的特性検出用の
電流検出回路７３５が接続されている。

【００５７】直流定電圧電源７３２よりカンチレバー７
０２の電極７０８と電極７０９の間に数ボルト以下のＤ
Ｃ電圧を印加し、カンチレバー７０２の探針７１２と試
料表面の相互作用力により生じるカンチレバー７０２の
変位に対応した歪み抵抗層の抵抗値変化に基づいて探針
７１２の変位を検出する。歪み抵抗層の抵抗値の変化
は、電流計測用のオペアンプ７３３によって電流信号の
変化として検出される。このようにして、カンチレバー
７０２を用いてＡＦＭ動作させて、カンチレバー７０４
の探針７１４と試料表面の間の距離を一定に制御し、試
料の電気的特性を検出する。

【００５８】本実施形態のカンチレバーチップを用いる
と、第三の実施の形態における効果に加えて、探針と試
料表面の距離制御にカンチレバーチップ内蔵のセンサー
が使用でき、カンチレバーチップ以外のセンサーを用い
ることなく、試料の電気的特性が検出できることから、
カンチレバーチップ自体を測定ポイントに移動させたり
走査することが可能になり、装置構成上の自由度が広く
なる。

【００５９】また、本実施形態の構成であれば、探針７
１２と探針７１４とを結ぶ直線は、カンチレバー７０２
とカンチレバー７０４の中心を通る長手軸方向とほぼ一
致させることが好ましい。このようにすることで、探針
７１２と探針７１４との位置をより一層近づけることが
可能である。

【００６０】さらに、この探針７１２と探針７１４との
距離は、数百μｍ以下であることが好ましく、このよう
に構成することで、双方の探針は測定試料表面のほぼ同
じ地点を測定することができる。

【００６１】従って、本実施形態のカンチレバーチップ
を用いることにより、探針と試料表面の距離がより正確
に設定でき、より高精度な電気的特性を検出することが
可能になる。

【００６２】以上、第一ないし第五の実施の形態につい
て説明してきたが、このようなカンチレバーチップは、
試料表面とＡＦＭ測定用の探針とを近接もしくは接触さ
せた状態で両者を相対的に走査することで試料表面情報
を検出することになる。

【００６３】このような測定の代表的な方法としては、
単に探針と試料とを相対的に走査する測定と、カンチレ
バーチップを所望の周波数で振動させ、ＡＦＭ測定を行
ない試料表面上方を検出する励振モードＡＦＭ測定と呼
ばれるものがある。

【００６４】この励振モードＡＦＭ測定について、図８
を用いて説明する。カンチレバーチップの支持部８０６
の上方には、探針８１２を有する長いカンチレバー８０
２、および、探針８１４を有する短いカンチレバー８０
４を振動させるための圧電体８２１が配置されている。
また、圧電体８２１は、カンチレバーの変位検出のため
のユニットや顕微鏡本体（図示せず）から延びる圧電体
保持部８２０に着脱自在に固定されている。

【００６５】さらに、圧電体８２１には、圧電体に印加
するための配線８２２が施され、この配線は、電源（図
示せず）に接続されている。次に作用について説明す
る。電源からの交流電圧を圧電体８２１に印加し、カン
チレバー８０２、８０４を所望の周波数で励振する。こ
の所望の周波数は、測定者が任意に設定できるものであ
り、複数あるカンチレバーの中で測定者が選択的に選ん
だカンチレバーをこの周波数に合わせることができる。
この状態でカンチレバーを共振周波数のピーク値付近で
励振させてＡＦＭ測定および電気的特性の検出を行な
う。

【００６６】ところで、長さや幅の異なるカンチレバー
８０２、８０４は、異なる振幅となることが知られてい
る。また、この振幅は、カンチレバー８０２、８０４の
長さに比例して大きくなり、幅に比例して小さくなる。

【００６７】従って、本発明における、長いカンチレバ
ー８０２は、短いカンチレバー８０４と比較して振幅を
大きくしやすいことが分かる。そして、この長いカンチ
レバー８０２の振幅を所望の値とすれば、励振モードＡ
ＦＭ測定に適用可能であることが明かである。

【００６８】また、励振モードＡＦＭ測定におけるカン
チレバーの振幅は、５０ナノメーター程度であり、非常
に小さい。すなわち、短いカンチレバーは、この振幅と
比較してさらに小さい振幅となる。もしくは、長さによ
ってはほとんど振動しないと考えられる。よって、この
振幅は、短いカンチレバー８０４による電気的特性の検
出にほとんど影響がないと言える。

【００６９】このようなことから、本発明は、励振モー
ドＡＦＭを用いてもカンチレバーの探針と試料との距離
がより正確に設定でき、高精度な電気的特性を検出する
ことが可能である。

【００７０】さらに、本発明における長いカンチレバー
８０２は、可能であれば２００μｍ程度、もしくは、そ
れ以上であることが好ましい。このようにすることで、
長いカンチレバー８０２のばね定数を小さくし、ＡＦＭ
測定時に試料と探針とが接触した場合、試料および探針
の双方の破損を防止できる。

【００７１】以上、第一ないし第五の実施の形態につい
て説明してきたが、これらの実施の形態の特徴をまとめ
ると以下の様になる。（１）支持部と、支持部から延びた複数の片持ち梁とを
有し、各片持ち梁は自由端に探針を備えており、複数の
片持ち梁は互いの探針が電気的に絶縁された少なくとも
二つの片持ち梁を含むことを特徴とするカンチレバーチ
ップ。

【００７２】（２）上記（１）において、互いの探針が
電気的に絶縁された二つの片持ち梁の少なくとも一方
は、試料表面の電気的特性の測定に用いられることを特
徴とするカンチレバーチップ。

【００７３】（３）上記（１）において、互いの探針が
電気的に絶縁された二つの片持ち梁の各探針を結ぶ直線
が、片持ち梁の長手軸とほぼ一致することを特徴とする
カンチレバーチップ。

【００７４】（４）上記（２）において、互いの探針が
電気的に絶縁された二つの片持ち梁は長さが異なってい
ることを特徴とするカンチレバーチップ。（５）上記（２）において、互いの探針が電気的に絶縁
された二つの片持ち梁はばね定数が異なっており、試料
表面の電気的特性の測定に用いられる片持ち梁の方がば
ね定数が大きいことを特徴とするカンチレバーチップ。

【００７５】（６）上記（１）において、さらに、互い
の探針が電気的に絶縁された二つの片持ち梁の少なくと
も一方を励振する励振機構を有することを特徴とするカ
ンチレバーチップ。

【００７６】

【発明の効果】本発明のカンチレバーチップによれば、
試料表面の局所的な電気的特性を検出するための探針を
備えたカンチレバーに加えて、このカンチレバーの探針
と試料の相互間距離を一定に保つためのカンチレバーを
更に有しているので、電気的特性検出用の探針先端と試
料表面の距離がより正確に設定でき、より正確な試料表
面の局所的な電気的特性を検出できる。また、本発明の
実施の形態ではＳＴＳ測定への適用を中心に説明した
が、本発明のカンチレバーチップはプローバ装置にも適
用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第一の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プを示す図であり、（Ａ）はカンチレバー側から見た斜
視図、（Ｂ）は探針側から見た平面図、（Ｃ）は（Ｂ）
の１Ｃ−１Ｃ線における断面図である。

【図２】第一の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プの作製プロセスを説明するための図である。

【図３】第二の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プを示す図であり、（Ａ）はカンチレバー側から見た斜
視図、（Ｂ）は探針側から見た平面図である。

【図４】第三の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プを示す図であり、（Ａ）はカンチレバー側から見た斜
視図、（Ｂ）は探針側から見た平面図、（Ｃ）は（Ｂ）
の４Ｃ−４Ｃ線における断面図である。

【図５】第三の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プの作製プロセスを説明するための図である。

【図６】第四の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プを示す図であり、（Ａ）は探針側から見た平面図、
（Ｂ）は（Ａ）の６Ｂ−６Ｂ線における断面図である。

【図７】第五の実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーチッ
プを示す図であり、（Ａ）はカンチレバー側から見た斜
視図、（Ｂ）は探針側から見た平面図であり、周辺回路
も示してある。

【図８】励振モードＡＦＭ測定について説明するための
図である。

【符号の説明】

１０２、１０４…カンチレバー、１０６…支持部、１２
２、１２４…探針、１１６…溝、２１４…金薄膜。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部と、支持部から延びた複数の片持ち
梁とを有し、各片持ち梁は自由端に探針を備えており、
複数の片持ち梁は互いの探針が電気的に絶縁された少な
くとも二つの片持ち梁を含むことを特徴とするカンチレ
バーチップ。
【請求項２】請求項１において、互いの探針が電気的に
絶縁された二つの片持ち梁の少なくとも一方は、試料表
面の電気的特性の測定に用いられることを特徴とするカ
ンチレバーチップ。
【請求項３】請求項１において、互いの探針が電気的に
絶縁された二つの片持ち梁の各探針を結ぶ直線が、片持
ち梁の長手軸方向とほぼ一致することを特徴とするカン
チレバーチップ。