JPH09502018A - 顕微鏡検査プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ナノメータ寸法の表面微細構造及び他の特性を測定するための汎用の力センサは、中空のマイクロピペット（１．１）を含み、その先端にて約７．５ナノメータの内径を有する。プローブは、曲げるために先端付近を加熱することにより得られる片持ちはり構造を含む。反射コーティング（１．４）がさらにマイクロピペットの外表面に被われる。

Description

【発明の詳細な説明】 顕微鏡検査プローブ発明の分野 本発明は、ナノメータ寸法の表面特性を測定するための汎用装置に関する。上 記装置は、表面の微細構成及び力を測定するための非常に感度の高い力センサか ら一体的になる。上記装置の構造は、また、多くの他の表面特性の監視をも同時 に行う。さらに、上記装置は変更及びナノメータ寸法の解像度にてパターニング するためにも使用可能である。発明の背景 今日の走査（scan）されるプローブ技術は、先端（tip）が表面に非常に近接 して走査するような表面と相互に作用する顕微鏡的に小さな先端に頼っている。 上記先端と試料との間の相互作用は、表面微細構成をたどること及び他の特性を 測定すること、又は、表面微細構成をたどること若しくは他の特性を測定するこ との両方を典型的に使用可能である。利用される上記の２つの最も一般の相互作 用は、電子トンネリング（tunneling）（顕微鏡検査（microscopy）でトンネリ ングを走査する…ＳＴＭ）及び力検出（force sensing）（顕微鏡検査で力を走 査する…ＳＦＭ）である。トンネリングは、導電性のプローブと導電性の試料を 必要とし、よってその適用が制限される。力検出はこの制限を排除する。力検出 は、典型的にピコニュートンの大きさである、先端と表面との間の界面に存在す る小さな力（ファンデルワールス、ニオブ（columbic）、等）を検出するのに十 分な感度を有する構造を必要とする。さらに、上記プローブは、表面を走査する とき表面を変形させないように十分柔軟でなければならない。これは、１ニュー トン／ｍのオーダーの力定数を要求する。 走査される力検出の実際の適用のためプローブの基本的な要求の一つは、表面 のしわ上及びしわ内を正確にたどる、とがった、微細に先細になった先端を有す ることである。もし上記プローブがとがっていない又は急速に（quickly）先細 になった先端を有するならば、上記表面上を一定の高さにて上記先端を走査する ことは、微細構成を正確に表現することはできず上記表面とともに先端構造の湾 曲をもたらす。これは、力を像にて示すこと（force imaging）が計測学の応用 のために使用されるとき、特に重要なことである。そのような応用のため十分に とがった先端を提供するため、優れた電子ビーム蒸着技術を使用して、大きな努 力が現在費やされている［バジル M.J,等（Basile M.J.,et al）による、合焦さ れたイオンビームにより形成された走査されるプローブ先端 ，改訂．科学器具（ Rev.sci.instrm.）62,2167(1991)；カド Ｈ.，ヨコヤマ Ｋ.，トーダ Ｔ．によ る、自動力顕微鏡検査に関する新規なＺｎＯホイスカ先端、超顕微鏡検査（Ultr amicroscopy）（1992）］。 表面力との相互作用により引き起こされたプローブの偏位（deflection）は、 一般的に光学手段により検出される。上記先端の表面の垂直力（normal force） の検出のため、プローブは一端を離した先端を有する片持ちばりからなる。この 先端における力は、プローブの背面における小さなスポット上にレーザビームを 合焦することにより典型的に測定される。上記プローブが曲がったとき、上記ビ ームの小さい角度の偏差が位置受感検出器にて検出される［Ｄ.ラガー （D.Ruga r）及びＰ.Ｋ.ハンスマ（P.K.Hansma）、フィジカル ツゥデー（Phys.Today）， 43,23（1990）；Ｋ.ウィックラマシンゲ（K.Wickramasinghe）、サイエンス ア メリカ（Sci.Am．），26,90（1989）］。あるいはまた、プローブ及びビームの 動作は干渉計的にモニタ可能である［Ｄ.ラガー及びＰ.Ｋ.ハンスマ、フィジカ ル ツゥデー，43,23（1990）；Ｋ.ウィックラマシンゲ、サイエンス アメリカ， 26,90（1989）］。両方の技術は、ビームが当てられる小さな、平らな反射面に おける垂直力検出を必要とする。あるいはまた、横方向の力検出は片持ちばり構 造によらない。従来技術の状態 最初の垂直力片持ちばりは、細い針金をエッチングすることで片持ちばり構造 を作るため先端近くで機械的に曲げることで製造された［Ｄ.ラガー及びＰ.Ｋ. ハンスマ、フィジカル ツゥデー，43,23（1990）；Ｋ.ウィックラマシンゲ、サ イエンス アメリカ，26,90（1989）］。このようなプローブは、過エッチングを コントロールすること及び再生産可能な方法にて先端を機械的に曲げることの困 難さを含む多くの問題を有した。さらに、このようなプローブは、レーザビーム を反射するために使用可能な平らな領域を含まないので、光学的な偏位検出には 十分に適したものではない。 今日普通に使用される力片持ちはりは、従来のマイクロリソグラフィー技術に て典型的に微小製作（microfabricated）される［Ｄ.ラガー及びＰ.Ｋ.ハンスマ 、フィジカル ツゥデー，43,23（1990）；Ｋ.ウィックラマシンゲ、サイエンス アメリカ，26,90（1989）］。このようなプローブは、小さなとがった円錐部が 作られる薄いシリコン膜又は片持ちはりからなる［Ｄ.ラガー及びＰ.Ｋ.ハンス マ、フィジカル ツゥデー，43,23（1990）：Ｋ.ウィックラマシンゲ、サイエン ス アメリカ，26,90（1989）］。上記円錐部の先端にて、よりとがった、かつよ り微細な先細りの先端を作るために、付加したフィラメントがしばしば成長され る。このようなプローブの機械的性質は、使用される材料、先端の質量及び幾何 学的形状により決定される。このような先端に関する典型的な力定数は、０．１ から１０ニュートン／メートルの範囲にある。しかしながら、それらのプローブ は、顕微鏡検査の走査されるプローブの他の形態にはあまり適したものではない 。本発明の概要 本発明は、プローブにより走査されるすべての形態のイメージ（imaging）及 びパターン（patterning）に関して汎用のプローブを製造するための方法と装置 である。この方法にて製造される構造は、今日使用するすべての力の偏位を検出 する技術に直接に適合する。本発明の記述 本装置は、先端にて種々の寸法に引き下げ可能であり今までに達成された最も 小さな外径が１０ナノメータであるガラス又は石英のマイクロピペット又は繊維 に基づくものである。上記マイクロピペットは中空であり、先端にて７．５ナノ メータの内径を有する。それらのプローブは、先端にてほんのわずかな値のテー パ角度を与える非常になだらかなテーパにて引っ張ることができ、又はもし用途 が要求するならばより大きなテーパ角度で先細りとすることができる。 横方向の力検出のためになされることはなにもない。垂直力検出の付加のため 、 上記プローブは、先端付近で局所的に加熱されガラス又は石英が柔らかくなった とき上記先端を曲げるために小さな力を加えることにより、片持ちされた構造が 付与される。これは図１に図式的に示される。局所化された加熱は、上記先端付 近の小さなスポットへＣＯレーザを合焦することによりなされる。上記加熱が行 われる間、先端領域へ空気の流れが向けられる。これは２つの目的に利用できる 。一つ目には、空気は、プローブの先端を溶かすガラスにおける過ぎた熱伝導と ならないように先端を冷やす。二つ目には、空気の流れは、ガラス又は石英が十 分に柔らかくなるとすぐにまさにその先端を曲げるのに十分な力を提供する。曲 げ半径は、レーザ加熱されるスポットの寸法により主に決定される。容易に生成 可能な１０μに限られたスポットへ回折を低くするＣＯ₂レーザの合焦により、 先端から数１０ミクロンの部分が曲げられる。 片持ち構造が得られれば、光学的な偏位検出技術の合体を提供するため、難し い研磨工程を実行する。これは、上記片持ち構造をマイクロマニピュレータ（mi cromanipulator）内に挿入し図２に示すように上記曲げ領域の端部を回転する研 磨表面に接触させることによりなされる。研磨される領域は、直径数ミクロン程 度の小ささとすることができる。これは、上記片持ちはりの偏位を監視するため レーザビームが反射可能な光学的に平らな表面を作成する。この研磨された領域 は、最大偏位感度のため上記先端の曲げ部分のちょうど上方である。 先端が曲げられた後、反射率を増すために反射金属コーティングが上記研磨部 分上に蒸着可能である。金属コーティングは、光の近視野副波長点（near-field subwavelength point）として使用可能な構造を製造するため、さらにマイクロ ピペットプローブのすべての外側領域及び繊維プローブの壁に適用可能である。 そのような曲げられ研磨された構造は、同時に、上述のように、適切な金属コ ーティングにより近視野開口（near-field aperture）へ伝送可能であり、上記 装置を通り光を先端へ通過するために使用可能である。曲げられた繊維において 光は曲がり付近（around）に案内される。ピペットにおいて、高屈折率（high i nxdex）の液体をピペットの空所に満たすことができ、これはまた上記曲がり付 近へ光を伝送しかつ近視野を通り先端にて副波長開口へ光を伝送する。光の副波 長点の結果は、上記表面の微細構成及び力の特性を監視するため垂直又は横方向 のいずれかの力が使用される間、イメージング（imaging）及びパターニング（p atterning）のために使用可能である。さらに、そのような構造において、先端 における金属コーティングは、トンネリング特性を決定するため、同時にトンネ リング電流を測定するために使用可能である。マイクロピペットにて、それらの 同じ構造は、上記の多くの検出可能性を有する光の副波長源を生成するため、光 学的又は電気的に励起された光放出物質にて容易に満たされることができる。上 記ピペットの先端における光放出物質は、また、特定のイオンを監視したり、表 面の電荷を検出するために使用可能である。さらにまた、マイクロピペット構造 は、先端まで内部に延在する中空に沿って金属線を有して作成可能である。もし 内部の金属とは異なる金属を使用して作成されたならば、この構造の外側におけ る金属コーティングは、上述した力及びトンネリング特性とともに熱センサの作 成が可能である。透明なガラスの先端を有するそのような金属が挟まれたガラス 構造は、また、副波長領域にて消えて行く損失なく光を伝えるために使用可能で ある。この構造は、電気的な同軸ケーブルに光学的に類似するものである。別の 態様として、ゾルゲル的な伝導（conducting）ガラスは、また、先端に蒸着可能 であり、このガラスは、表面の光学的、電気的及び伝導性の性質を監視可能な構 造を作成するため光学的に剌激された（optically excited）材料とともに埋め 込まれることができる。ここで特筆したもののように工夫された構成要素は存在 しないことから、これらの構造のすべての本質は、顕微鏡検査の走査されるプロ ーブにおいて明らかに存在しない多重チャンネル検出可能性である。装置の部品 本発明により製造される装置の概要は図３に示される。これは以下の部品から なる： １．先端にて７．５ｎｍの小さなものとできる穴を作成するため先細りとされる ガラス又は石英のマイクロピペット（部分番号１．１）であり、 又は、 １０ナノメータの小ささの外径の先端を作成するため先細りとされガラス又は 石英の光学的繊維（部分番号１．１）であり、 これらは、片持ち構造を作成するために、垂直力の検出のため、先端付近で曲 げられ、光学的に平らな表面（部分番号１．２）を作成するため曲げ部のちょう ど上方が研磨される。 ２．必要ならば、アルミニウム又は金のような材料（部分番号１．３）が、不透 明なコーティングを設けるためにプローブの外側表面に沿って任意に蒸着される 。 ３．アルミニウムのような材料（部分番号１．４）が、反射面を提供するため部 分１．１の傾斜され、研磨された表面上に蒸着される。 ４．材料（部分番号１．５）が、マイクロピペットプローブのまさにその先端に 任意に挿入され、種々の局所の現象に関して特定の化学的な、光学的な、又は熱 的なセンサとして動作する。 ５．上記プローブは、微細位置決め装置（micropositioning instrument）内に 合体される。 ６．曲げられたプローブは、普通の顕微鏡のレンズの下にその微細ポジショナー （micropositioner）とともに挿入可能であり、試料からの光及び試料の照明の 収集のためにもまた使用されるレンズとともにマイクロピペット片持ちばりの偏 位を検出するためこのレンズを介して干渉測定（interferometric measurement ）とともに使用可能である。装置の動作 上記プローブは、曲げられていない構造にて横方向の力を監視するか、又は曲 げられたピペット又は繊維の先端に作用する垂直力により、曲げられた構造にて 片持ちはりの偏位を監視することにより表面の近視野内へ運んでこられる。そし て上記構造は、表面力を監視することにより接触して又はほとんど接触して表面 に沿って走査され、一方、上記先端の他の特質は化学的な、光学的な、電気的な 、又は熱的な表面の特性を同時に監視するために使用される。従来技術を超える有利な点 ここに記載した技術にて生産される上記プローブは、現在の入手可能な走査さ れる力プローブを超える多くの有利な点を有する。第１に、最初の引っ張る技術 は、簡易にかつ正確に力特性及びプローブ自身の定数を制御しかつ調整すること を可能にする。第２に、引っ張る工程は、正確な力の表現（imaging）を要求さ れる非常にとがった、かつ微細に先細りである先端を自然に製造する。従来のよ うに製造された先端は、センサが完成された後、付加的な工程として微小製作さ れた円錐の先端において、電子ビーム蒸着技術の助けにて、複雑で不十分に理解 された微細なフィラメントの成長を必要とする。最後に、マイクロピペット及び 繊維プローブは、非常に多くの他の表面特性を力検出とともに同時に監視可能に する。これは、近視野光学的相互作用を含み、マイクロピペットプローブの場合 、いろいろな特定のセンサが先端内部に配置可能である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．先端の直径が１０ナノメータ以下まで引かれ、横方向の力センサとして使用 可能であり、アルミニウムのような金属にて当該構造の外側をコーティングする ことにより副波長光の点光源を生成するために同時に使用され、かつ、副波長で 先端を通り光を通過させ又は光学的に又は電気的に剌激可能な適切な材料にて先 端において副波長の光を生成し該光が光学的な顕微鏡検査及びリソグラフィーを 走査する近視野に使用可能である、先細りのマイクロピペット又は光学的繊維の ような構造からなる装置。 ２．先端内側の直径が１０ナノメータ以下の小ささとすることができるように引 かれ垂直力検出に適する片持ちはり構造を作成するため上記先端付近で曲げられ 、かつ上記片持ちはりの偏位を監視するのに適した光学的に平らな表面を作成す るために曲がり部分のまさに上方にて研磨される先細りのマイクロピペットのよ うな構造からなる装置。 ３．近視野走査光学的顕微鏡検査及びリソグラフィーに適したプローブを製造す るために外壁に沿って被覆可能な構造からなる請求項２記載の装置。 ４．局所的な環境への特定の化学的、分光、表面電荷又は他のセンサとして作用 する材料が上記先端内へ挿入される、請求項３記載の装置。 ５．金属が上記マイクロピペットの内部空間内に挿入される材料であり、非常に 局所化された熱電対が上記先端に生成されるように適切な異なる金属がマイクロ ピペットの外側を被覆するために選択される、請求項４記載の装置。 ６．先端外径が１０ナノメータ以下の小ささとすることができるように引かれ力 検出に適する片持ちはり構造を作成するため上記先端付近で曲げられ、かつ上記 片持ちはりの偏位を監視するのに適した光学的に平らな表面を作成するために曲 がり部分のまさに上方にて研磨される先細りの光学的繊維のような構造からなる 装置。 ７．曲げられたプローブは、普通の顕微鏡のレンズの下にその微細ポジショナー とともに挿入可能であり、また、試料からの光及び試料の照明の収集のためにこ のレンズを使用する間、同じレンズとともにマイクロピペット片持ちばりの偏位 を検出するためこのレンズを介して干渉測定とともに使用可能である、微細位置 決め装置内へ上記曲げられたプローブを合体する装置。 ８．１０ｎｍ以下の寸法までマイクロピペット又は繊維を引き、そして合焦され た二酸化炭素レーザビームにて先細りの先端から数１０ミクロンにて先端を曲げ ることにより、力検出特性を有し超微細な片持ちのガラス又は石英マイクロピペ ット又は光学的繊維プローブを製造するための方法。 ９．マイクロマニピュレータ内にマイクロピペット又は繊維を適切に保持し、か つ研磨ホイールを使用しマイクロピペット又は繊維の外表面を研磨することによ り、光学的に偏位を検出する技術を使用し片持ちはりの曲がりを監視可能とする ため、片持ちされたマイクロピペット又は繊維プローブの曲がり部分のまさに上 方にて光学的に平らな反射面を製造するための方法。