JPH10246729A

JPH10246729A - 微小ティップとこれを用いた微小電流または微小力検出用プローブ、及びこれらの製造方法

Info

Publication number: JPH10246729A
Application number: JP6546697A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Shimada; 康弘島田; Tsutomu Ikeda; 勉池田; Takayuki Yagi; 隆行八木
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-03-04
Filing date: 1997-03-04
Publication date: 1998-09-14

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】走査型トンネル電流顕微鏡、あるいは微小な力
を検出する原子間力顕微鏡に用いられる微小ティップ
（探針）と該ティップを有するプローブ、及びこれらの
製造方法。【解決手段】微小ティップが金属を主材とし、該微小テ
ィップの表面に金属酸化物が形成されている微小ティッ
プと、これを用いた微小電流または微小力検出力プロー
ブを構成する。（ａ）第１基板の表面に凹部を形成し、
（ｂ）凹部を含む第１基板上に剥離層を形成し、（ｃ）
凹部を含む剥離層上に金属が主材の微小ティップを形成
し、（ｄ）第２基板上に接合層を形成し、（ｅ）第１基
板の凹部を含む剥離層上の微小ティップを、第２基板上
の接合層に接合し、（ｆ）剥離層と微小ティップの界面
で剥離を行い、第２基板の接合層上に微小ティップを転
写し、（ｇ）第２基板の接合層上に転写された微小ティ
ップ表面を酸化する諸工程を有する微小ティップまたは
プローブの製造方法。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、走査型トンネル電
流顕微鏡、あるいは微小な力を検出する原子間力顕微鏡
等に用いられる微小ティップ（探針）と該ティップを有
するプローブ、及びこれらの製造方法に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇｅｔａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９
８２））、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解
能をもって測定することができるようになった。しかも
試料に電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利
点も有し、更に大気中でも動作し、種々の材料に対して
用いることができるので、今後広範囲な応用が期待され
ている。かかるＳＴＭは金属のティップと導電性物質間
に電圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネ
ル電流が流れることを利用している。この電流は両者の
距離変化に非常に敏感であり、かつ指数関数的に変化す
るので、トンネル電流を一定に保つようにティップを走
査することにより実空間の表面構造を原子オーダーの分
解能で観察することができる。このＳＴＭを用いた解析
の対象物は導電性材料に限られていたが、導電性材料の
表面に薄く形成された絶縁層の構造解析にも応用され始
めている。更に、上述の装置、手段は微小電流を検知す
る方法を用いているため、媒体に損傷を与えず、かつ低
電力で観測できる利点をも有する。また、大気中での作
動も可能であるため、ＳＴＭの手法を用いて、半導体あ
るいは高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観
察評価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，Ｐｒｏｃ
ｅｅｄｉｎｇｓｏｆ４ｔｈＩｎｔｅｒｎａｔｉｏ
ｎａｌＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅｏｎＳｃａｎｎｉｎ
ｇｔｕｎｎｅｌｉｎｇＭｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓ
ｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，“８９，Ｓ１３−３）、及び
情報記録再生装置等のさまざまな分野への応用が研究さ
れている。また、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略
す）によれば物質の表面に働く斥力、引力を検知するた
め導体、絶縁体を問わず試料表面の凹凸像が測定でき
る。このＡＦＭには片持ち梁（カンチレバー）の自由端
に微小ティップを形成したものが用いられている。さら
に、ＡＦＭプローブの微小ティップに導電性を付与して
ＡＦＭとＳＴＭの機能を同時に併せ持つプローブが作製
され、微小ティップと試料との間に電圧を印加して試料
の導電性と形状に関する情報を同時に得たり、微小ティ
ップと記録媒体を接触させて微小ティップと記録媒体の
間に電圧を印加することにより記録媒体の導電性を変化
させるメモリーの技術などが開発されている。

【０００３】上記プローブに用いられる微小ティップの
作製方法としては、図８（ａ）に示されるように、たと
えば基板２０１上の薄膜層２０２を円形にパターニング
し、それをマスクにして基板２０１をエッチングし、サ
イドエッチングを利用してティップ２０３を形成する方
法（Ｏ．Ｗｏｌｔｅｒ，ｅｔａｌ．，“Ｍｉｃｒｏｍ
ａｃｈｉｎｅｄｓｉｌｉｃｏｎｓｅｎｓｏｒｓｆ
ｏｒｓｃａｎｎｉｎｇｆｏｒｃｅｍｉｃｒｏｓｃ
ｏｐｙ”，Ｊ．Ｖａｃ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂ９
（２），Ｍａｒ／Ａｐｒ，１９９１，ｐｐ１３５３−１
３５７）、さらには図８（ｂ）に示されるように、逆テ
ーパーをつけたレジスト２０５のレジスト開口部２０６
に基板２０４を回転させながら導電性材料２０７を斜め
から蒸着し、リフトオフすることによりティップ２０８
を形成するスピント（Ｓｐｉｎｄｔ）等により提案され
た方法（Ｃ．Ａ．Ｓｐｉｎｄｔ，ｅｔａｌ．，“Ｐｈ
ｙｓｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓｏｆｔｈｉｎ
ｆｉｌｍｆｉｅｌｄｅｍｉｓｓｉｏｎｃａｔｈｏ
ｄｅｗｉｔｈｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｃｏｎｅｓ”
Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．，４７．１９７６，ｐｐ５２
４８−５２６３）等がある。また、半導体製造プロセス
技術を使い単結晶シリコンを用いて異方性エッチングに
より形成した微小ティップが知られている（米国特許第
５，２２１，４１５号明細書）。この微小ティップの形
成方法は、図９に示すように、まず二酸化シリコン５１
０、５１２のマスクを被覆したシリコンウエハ５１４に
異方性エッチングによりピット５１８を設け、二酸化シ
リコン５１０、５１２を除去し、次に全面に窒化シリコ
ン層５２０、５２１を被覆してカンチレバー（片持ち
梁）及び微小ティップとなるピラミッド状ピット５２２
を形成し、カンチレバー形状にパターニングした後、裏
面の窒化シリコン５２１を除去し、ソウカット５３４と
Ｃｒ層５３２を設けたガラス板５３０と窒化シリコン５
２０を接合し、シリコンウエハ５１４をエッチング除去
することによりマウンティングブロック５４０に転写さ
れた窒化シリコンからなるティップとプローブを作製す
るものである。

【０００４】しかし、図８に示したような従来例のもの
においては、ティップを形成する際のシリコンのエッチ
ング条件やレジストのパターニング条件及び導電性材料
の蒸着条件等を一定にするには厳しいプロセス管理が必
要となり、形成される複数の微小ティップの高さや先端
曲率半径等の正確な形状を維持するのが難しい、という
問題点があった。また、図８（ａ）や図９に示したよう
なプローブは、導電性を付与する場合、導電体材料を真
空蒸着法やスパッタリング法によりコーティングするこ
とになるが、導電体膜の粒塊が現れ、再現性良く粒塊の
制御をすることが困難であるという問題点があった。こ
のようなことから、シリコン基板を異方性エッチングし
た凹部を有する雌型基板に金属材料を堆積し、パターニ
ングし、これを任意の基板に転写する方法が開発された
（特開平０６−０８４４５５号公報）（図１０参照）。
この方法は、異方性エッチングにより先端の形状が再現
性良くかつ鋭利に形成され、材料自体が導電性を有する
ため導電性材料を被覆する必要がなく、雌型基板をエッ
チング除去することなくティップを形成できる優れた技
術である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、図１０に示し
たプローブを用いた場合、以下のような課題を有してい
た。すなわち、ティップを試料に接触させ、試料に対し
て荷重を加えながら走査する場合、金属の先端を有する
微小ティップは摩耗しやすく、また、特に、金属の試料
に対して金属の微小ティップを接触させた場合の摩耗が
大きく、たとえば清浄なＡｕ表面をＰｔよりなる微小テ
ィップで観察する場合、荷重が１×１０^-10Ｎ以下であ
っても接触走査により摩耗が起こるという問題が生じ
る。さらに、ティップと試料（記録媒体）との間に高い
電圧を印加する場合、金属の先端を有する微小ティップ
は電界や熱の影響により変形しやすいという課題を有し
ていた。

【０００６】そこで、本発明は、上記した図８、９、１
０に示すような従来技術の有する課題を解決し、導電性
材料のスパッタリング等による導電性付与の必要がな
く、微小ティップを試料に接触させて荷重走査した場合
に摩耗が小さく、高い電圧印加に対して微小ティップ先
端が変形せず、再現性の良い均一な形状が得られ、先端
が鋭利に形成でき、ティップの複数化（マルチ化）が容
易となる微小ティップとこれを用いた微小電流または微
小力検出用プローブ、及びこれらの製造方法を提供する
ことを目的としている。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、微小ティップとこれを用いた微小電流また
は微小力検出用プローブ、及びこれらの製造方法を、つ
ぎのように構成したことを特徴とするものである。すな
わち、本発明の微小ティップは、基板と、該基板上に形
成された金属よりなる接合層と、該接合層上に形成され
た微小ティップ部と、該微小ティップ部と接合層に囲ま
れた中空の領域とを有する微小ティップにおいて、該微
小ティップが金属を主材とし、該微小ティップの表面に
金属酸化物が形成されていることを特徴としている。ま
た、本発明のプローブは、基板と、該基板上に形成され
た弾性体と、該弾性体上に形成された金属よりなる接合
層と、該接合層上に、微小ティップ部と該微小ティップ
部と該接合層に囲まれた中空の領域とを有する微小電流
または微小力検出用の微小ティップが設けられてなるプ
ローブにおいて、該微小ティップが金属を主材とし、そ
の表面に金属酸化物が形成されていることを特徴として
いる。そして、これらの本発明においては、そのティッ
プは、その主材である金属がアルミニウムＡｌ、チタン
Ｔｉ、バナジウムＶ、クロムＣｒ、ニッケルＮｉ、ジル
コニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モリブデンＭｏ、スズＳ
ｎ、ハフニウムＨｆ、タンタルＴａ、タングステンＷ、
レニウムＲｅ、のいずれかであることを特徴としてい
る。また、本発明の微小ティップの製造方法は、（ａ）
第１基板の表面に凹部を形成する工程と、（ｂ）前記凹
部を含む第１基板上に剥離層を形成する工程と、（ｃ）
前記凹部を含む剥離層上に金属が主材の微小ティップを
形成する工程と、（ｄ）第２基板上に接合層を形成する
工程と、（ｅ）前記第１基板の凹部を含む剥離層上の微
小ティップを、前記第２基板上の接合層に接合する工程
と、（ｆ）前記剥離層と微小ティップの界面で剥離を行
い、前記第２基板の接合層上に微小ティップを転写する
工程と、（ｇ）前記第２基板の接合層上に転写された微
小ティップ表面を酸化する工程と、を少なくとも有する
ことを特徴としている。また、本発明のプローブの製造
方法における前記（ｃ）の工程の一つの形態は、剥離層
上に形成されたティップ主材上に、確実に微小ティップ
を圧着するために接合補助層を形成したことを特徴とし
ている。また、本発明の微小ティップの製造方法におけ
る前記（ｃ）の工程の他の形態は、剥離層上にティップ
主材を形成する前に、確実に微小ティップを剥離するた
めに剥離補助層を形成し、かつ前記（ｇ）の工程の前に
前記剥離補助層を除去することを特徴としている。ま
た、本発明の微小ティップの製造方法における前記
（ｃ）の工程のさらに他の形態は、剥離層上にティップ
主材を形成する前に確実に微小ティップを剥離するため
に剥離補助層を形成すると共に、該剥離層上に形成され
たティップ主材上に確実に微小ティップを圧着するため
に接合補助層を形成し、かつ前記（ｇ）の工程の前に前
記剥離補助層を除去することを特徴としている。また、
本発明の微小ティップの製造方法の他の形態は、前記第
１基板の表面に複数の該凹部を形成すると共に、前記第
２基板上に複数の該微小ティップを形成することを特徴
としている。また、本発明の微小電流または微小力検出
用プローブの製造方法は、（ａ）第１基板の表面に凹部
を形成する工程と、（ｂ）前記凹部を含む第１基板上に
剥離層を形成する工程と、（ｃ）前記凹部を含む剥離層
上に微小ティップを形成する工程と、（ｄ）第２基板上
に弾性体材料を形成する工程と、（ｅ）前記第２基板の
弾性体材料上に接合層を形成する工程と、（ｆ）前記第
１基板の凹部を含む剥離層上の微小ティップを、前記第
２基板上の接合層に接合する工程と、（ｇ）前記剥離層
と微小ティップの界面で剥離を行い、前記第２基板にお
ける弾性体材料の接合層上に微小ティップを転写する工
程と、（ｈ）前記第２基板の一部を除去して弾性体材料
から弾性体を形成する工程と、（ｉ）前記第２基板にお
ける弾性体の接合層上に転写された微小ティップ表面を
酸化する工程と、を少なくとも有することを特徴として
いる。また、本発明のプローブの製造方法における前記
（ｃ）の工程の一つの形態は、剥離層上に形成されたテ
ィップ主材上に、確実に微小ティップを圧着するために
接合補助層を形成したことを特徴としている。また、本
発明のプローブの製造方法における前記（ｃ）の工程の
他の形態は、剥離層上にティップ主材を形成する前に確
実に微小ティップを剥離するために剥離補助層を形成
し、かつ前記（ｉ）の工程の前に前記剥離補助層を除去
することを特徴としている。また、本発明のプローブの
製造方法における前記（ｃ）の工程のさらに他の形態
は、剥離層上にティップ主材を形成する前に確実に微小
ティップを剥離するために剥離補助層を形成すると共
に、該剥離層上に形成されたティップ主材上に確実に微
小ティップを圧着するために接合補助層を形成し、かつ
前記（ｉ）の工程の前に前記剥離補助層を除去すること
を特徴としている。また、本発明のプローブの製造方法
の他の形態は、前記第１基板の表面に複数の該凹部を形
成すると共に、前記第２基板上に複数の該微小ティップ
を形成することを特徴としている。そして、本発明のこ
れらの微小ティップの製造方法またはプローブの製造方
法においては、そのティップは、その主材である金属が
アルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、バナジウムＶ、クロム
Ｃｒ、ニッケルＮｉ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、
モリブデンＭｏ、スズＳｎ、ハフニウムＨｆ、タンタル
Ｔａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ、のいずれかであ
ることを特徴としている。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明は、上記したとおり、基板
あるいは弾性体上に形成された接合層、該接合層上に形
成されたティップ、及び該接合層と該ティップとに囲ま
れた中空の領域、を有する微小電流検出用または微小力
検出用のプローブであり、該微小ティップ主材が金属
で、かつ、その表面が金属酸化膜であることを特徴とす
るものであって、これにより前述した本発明の課題を達
成することができるものであるが、以下に、その製造方
法の詳細を図に基づいて説明する。図１はその製造工程
を示す断面図である。第一に、シリコンよりなる第１基
板１の表面に凹部３を形成する。これには、まず第１基
板１に保護層２を形成し、次に、保護層２の所望の箇所
を、フォトリソグラフィとエッチングによりパターニン
グしてシリコンの一部を露出させ、次に、結晶軸異方性
エッチング等を用いてシリコンをエッチングして凹部３
を形成する方法が用いられる。保護層２としては二酸化
シリコンや窒化シリコンを用いることができる。シリコ
ンのエッチングにはティップ先端部を鋭利に形成できる
結晶軸異方性エッチングを用いることが好ましい。エッ
チング液に水酸化カリウム水溶液等を用いることにより
（１１１）面と等価な４つの面で囲まれた逆ピラミッド
状の凹部３を形成することができる（図１（ａ）参
照）。

【０００９】第二に、第１基板１表面の保護層２を除去
し、剥離層４を形成する。この剥離層４形成後の工程
で、剥離層４上に微小ティップ５材料を成膜した後、微
小ティップ５を剥離層４から剥離するため、微小ティッ
プ５材料が剥離しやすい剥離層４材料を選択する必要が
ある。すなわち、剥離層４の材料はティップ５材料との
反応性・密着性が小さいことが必要である。特に、第１
基板１にシリコンを用いる場合は、熱酸化炉をもちいて
シリコン表面を熱酸化することにより再現性・制御性良
く容易に二酸化シリコン（ＳｉＯ₂）よりなる剥離層４
を得ることができ、また、第１基板凹部を尖鋭化するこ
とが可能である。

【００１０】第三に、前記凹部を含む剥離層４上に微小
ティップ５を形成する。微小ティップ５材料の成膜には
既知の薄膜作製技術である真空蒸着法、スパッタリング
法等が用いられる。成膜後既知のフォトリソグラフィー
の手法を用いて微小ティップ５材料をパターニングし、
微小ティップ部とする（図１（ｃ）参照）。微小ティッ
プ５の構成および材料は目的に応じて選択される。本発
明の場合、試料や記録媒体に対して電圧を印加でき、か
つ、接触走査や高電圧印加に対して微小ティップ５先端
の変形が起こりにくい構成及び材料を選択する必要があ
る。すなわち本発明においてはティップ主材５１は導電
性を有する金属であり、かつ、ティップの最表面は表面
酸化膜５４である。表面酸化が容易でかつ表面酸化によ
り硬い安定な酸化物を形成する金属としてはアルミニウ
ムＡｌ、チタンＴｉ、クロムＣｒ、ニッケルＮｉ、スズ
Ｓｎ、タンタルＴａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ等
をあげることができる。また酸化膜の導電性は絶縁体、
半導体、導体と異なり、目的に応じで材料が選択され
る。しかし、これらの金属は比較的剥離層４との接合力
が大きく、後に述べる圧着工程において剥離しにくい性
質がある。そこで、本発明においては微小ティップ形成
プロセスにおいて接合補助層５２および／または剥離補
助層５３を設けることを特徴とする。すなわち、接合補
助層５２はティップ主材を堆積した後、ティップ主材上
に形成するものである。接合補助層５２は、接合層７と
ティップ主材との中間層であり、これら２層との密着力
に優れることにより、確実に微小ティップの圧着を行う
ものである。また、剥離補助層５３はティップ主材を形
成する前に、剥離層４上に形成されるものである。剥離
補助層５３は、ティップ主材５１と剥離層４との中間層
であり、これらのうちいずれかとの剥離性に優れること
により、確実に微小ティップの剥離を行うものである。
剥離補助層５３の材料としては剥離層４との反応性の小
さい材料が望ましい。接合補助層５２の材料としては、
圧着における接合層７との密着性の大きい材料が望まし
い。剥離補助層５３、接合補助層５２のいずれもＡｕが
優れている。

【００１１】第四に、第２基板８または第２基板８上に
形成されたカンチレバー等の弾性体９上に接合層７を形
成する。第２基板８および弾性体９は接合層７を介して
微小ティップ５を支持する部材である。接合層７は圧力
によりティップを接合するためのものであり、微小ティ
ップ５と接合層７に金属を用いれば、圧力で互いに変形
することにより金属結合を得ることができる。そこで、
材料としては金属、特にＡｕ、Ｐｔのような延性・展性
に富んだ金属が望ましい。なお、微小電流を取り出すた
めの配線１０は、接合層７と同一材料で同一層に形成し
ても良い。また、微小ティップを弾性体の先端に配置す
ることにより、ＡＦＭプローブとして使用することが可
能である。弾性体としては、カンチレバー（片持ち梁）
や薄膜平板を２つのねじり梁で支持したトーションレバ
ー等が考えられる。弾性体の材料としては機械特性にす
ぐれ、かつ、薄膜にしたときの残留応力が小さいものが
良い。弾性体はまたアクチュエータの機能を有していて
もよい。

【００１２】第五に、前記凹部３を含む剥離層４上の微
小ティップ５材料を接合層７に接合する。これには、そ
れぞれの基板を真空チャック等により保持できるアライ
メント装置を用い、第１基板１上の微小ティップ５と第
２基板８上の接合層７とを位置合わせして対向・接触さ
せ、更に荷重を加えることにより微小ティップ５と接合
層７の接合（圧着）を行う（図１（ｄ）参照）。

【００１３】第六に、前記剥離層４と微小ティップ５材
料の界面で剥離を行い接合層７上に微小ティップ５材料
を転写する。すなわち、第１基板１と第２基板８を引き
離すことにより、剥離層４と微小ティップ５との界面で
剥離させる。第七に、剥離補助層５３を除去する。これ
は、エッチングにより剥離層全体を除去する方法と、微
小ティップ先端を試料表面に接触させて電圧あるいは荷
重走査等の方法により先端部の剥離補助層のみを除去す
る方法がある。第八に、ティップ主材の表面を酸化する
（図１（ｅ）参照）。これは通常大気中または酸素雰囲
気中で加熱する方法を用いる。この方法により薄い酸化
膜を制御良く確実に形成できる。たとえばスパッタリン
グ法等により表面に酸化膜を堆積する場合はティップ先
端形状がスパッタ粒子の形状に支配されるため、第１基
板の熱酸化により尖鋭化されたティップ先端形状を保存
することができないが、この方法により第１基板凹部の
形状をほぼそのまま微小ティップ先端形状とすることが
できる。また、化学変化に対して安定であり、融点が高
く、摩耗しにくいという特長を有する。また、過剰な電
流がティップと媒体の間に流れるのを抑制する効果も有
する。また、一部の金属には酸化膜との接合により整流
特性を有するものがあり、これを利用することにより逆
バイアスでの過電流を防止し、順バイアスでの微弱電流
検出に有利なプローブを提供することができる。

【００１４】

【実施例】以下に、本発明の実施例について説明する。［実施例１］実施例１は、本発明の第一態様であるＳＴ
Ｍ用プローブ及びその製造方法を構成したものである。
図２にプローブの構成を示す。基板上に形成された接合
層７上に微小ティップ５が接合されている。また、配線
１０が接合層７に接続されている。図１は本実施例のプ
ローブの製造工程を示す断面図である。以下、この図に
従い製造方法を説明する。まず、面方位（１００）の単
結晶シリコンウエハを第１基板１として用意した。次
に、保護層２としてシリコン熱酸化膜を１００ｎｍ形成
した。次に、保護層２の所望の箇所を、フォトリソグラ
フィとエッチングによりパターニングし、４μｍ平方の
シリコンを露出した。次に、水酸化カリウム水溶液を用
いた結晶軸異方性エッチングによりパターニング部のシ
リコンをエッチングした。なお、エッチング条件は、濃
度３０％の水酸化カリウム水溶液を用い、液温９０℃、
エッチング時間は１０分とした。このとき（１１１）面
と等価な４つの面で囲まれた深さ約３μｍの逆ピラミッ
ド状の凹部３が形成された（図１（ａ）参照）。

【００１５】次に、保護層２である熱酸化膜をフッ酸と
フッ化アンモニウムの混合水溶液（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝
１：５）で除去した。次に、１２０℃に加熱した硫酸と
過酸化水素水の混合液、及び、２％フッ酸水溶液を用い
て第１基板１の洗浄を行った。次に、酸化炉をもちいて
第１基板１を酸素及び水素雰囲気中で１０００℃に加熱
し、剥離層４である二酸化シリコンを４００ｎｍ堆積し
た（図１（ｂ）参照）。次に、微小ティップ５となる部
分を作製する。まず、ティップ主材５１としてレニウム
Ｒｅをスパッタリング法により１００ｎｍ堆積した。次
に接合補助層５２として金Ａｕをスパッタリング法によ
り２００ｎｍ堆積した。次に、ティップ主材５１および
接合補助層５２をフォトリソグラフィおよびＳＦ₆ガス
とＢＣｌ₃ガスを用いたドライエッチングによりパター
ニングし、微小ティップ５を形成した。

【００１６】次に第２基板８として表面酸化膜を形成し
たシリコン基板を用意し、この表面にクロムＣｒを５ｎ
ｍ、Ａｕを３００ｎｍ真空蒸着法により、成膜しフォト
リソグラフィとエッチングによりパターン形成を行い、
接合層７及び配線１０とした。次に、第１基板１上の微
小ティップ５と第２基板８上の接合層７とを位置合わせ
して対向・接触させ、更に荷重を加えることにより微小
ティップ５と接合層７の接合（圧着）を行った（図１
（ｄ）参照）。次に、第１基板１と第２基板８を引き離
すことにより、剥離層４と微小ティップ５との界面で剥
離させた。このとき、基板表面からのティップの高さは
約３μｍであった。また、ティップ先端の曲率半径は約
３０ｎｍであった。次に、ティップを酸素雰囲気中２０
０℃でアニールし、ティップ表面に酸化レニウム層を形
成することにより表面酸化膜５４とした（図１（ｅ）参
照）。

【００１７】図３は本実施例の微小ティップを適用した
ＳＴＭ装置のブロック図を示す。図３において、微小テ
ィップ５と試料１１との間にバイアス電圧を印加し、こ
の間を流れるトンネル電流Ｉｔを検出し、Ｉｔが一定と
なるようにフィードバックをかけ、ＸＹＺ駆動ピエゾ素
子１２のＺ方向を駆動しティップ５と試料１１との間隔
を一定に保っている。更に、ＸＹＺ駆動ピエゾ素子１２
のＸＹを駆動することにより試料の２次元像であるＳＴ
Ｍ像が観察される。この装置を用いて本実施例による微
小ティップを試料面内に走査しながら１０Ｖ３μｓのパ
ルス電圧を１０万回印加した後に、先端形状を観察した
ところ、形状の変化は認められなかった。また、この時
形成された導電性変化による記録ビットの形状の、パル
ス印加の回数による変化は認められなかった。これを白
金Ｐｔよりなる表面を有するティップにてパルス印加を
同様に行った実験と比較すると、Ｐｔの場合には先端形
状に明らかな変化が認められる。また、記録ビットの形
状は回数に伴う変化が認められた。

【００１８】［実施例２］実施例２は、本発明による第
２態様であるＡＦＭ／ＳＴＭ用カンチレバー型プローブ
及びその製造方法を構成したものである。図５にプロー
ブの構成を示す。カンチレバー９上に形成された接合層
７上に微小ティップ５が接合されている。図４は本実施
例のプローブの製造工程を示す断面図である。以下、こ
の図に従い製造方法を説明する。まず、面方位（１０
０）の単結晶シリコンウエハを第１基板１として用意し
た。次に、保護層２としてシリコン熱酸化膜を１００ｎ
ｍ形成した。次に、保護層２の所望の箇所を、フォトリ
ソグラフィとエッチングによりパターニングし、４μｍ
平方のシリコシを露出した。次に、水酸化カリウム水溶
液を用いた結晶軸異方性エッチングによりパターニング
部のシリコンをエッチングした。なお、エッチング条件
は、濃度３０％の水酸化カリウム水溶液を用、液温９０
℃、エッチング時間は１０分とした。このとき（１１
１）面と等価な４つの面で囲まれた深さ約３μｍの逆ピ
ラミッド状の凹部３が形成された（図４（ａ）参照）。

【００１９】次に、保護層２である熱酸化膜をフッ酸と
フッ化アンモニウムの混合水溶液（ＨＦ：ＮＨ₄Ｆ＝
１：５）で除去した。次に、１２０℃に加熱した硫酸と
過酸化水素水の混合液、及び、２％フッ酸水溶液を用い
て第１基板１の洗浄を行った。次に、熱酸化炉をもちい
て第１基板１を酸素及び水素雰囲気中で１０００℃に加
熱し、剥離層４である二酸化シリコンを４００ｎｍ堆積
した（図４（ｂ）参照）。次に、微小ティップ５となる
部分を作製する。まず、ティップ主材５１としてレニウ
ムＲｅをスパッタリング法により１００ｎｍ堆積した。
次に接合補助層５２として金Ａｕをスパッタリング法に
より２００ｎｍ堆積した。次に、ティップ主材５１およ
び接合補助層５２をフォトリソグラフィおよびＳＦ₆ガ
スとＢＣｌ₃ガスを用いたドライエッチングによりパタ
ーニングし、微小ティップ５を形成した。

【００２０】次に第２基板８として単結晶シリコン基板
を用意し、第２基板８両面に二酸化シリコン１３を０．
３μｍ、窒化シリコン１４を０．５μｍ成膜した。次に
表面の窒化シリコン１４をフォトリソグラフィとエッチ
ングによりカンチレバー９（片持ち梁）の形状にパター
ニングした。このとき、カンチレバーの寸法は幅５０μ
ｍ、長さ３００μｍとした。次に、裏面の窒化シリコン
１４及び二酸化シリコン１３を同様にエッチングマスク
形状にパターニングした。次に、チタンＴｉを３ｎｍ、
金Ａｕを５０ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィとエッチ
ングによりパターン形成を行い、カンチレバー上に接合
層７及び配線１０を形成した。次に、第１基板１上の微
小ティップ５と第２基板８上の接合層７とを位置合わせ
して対向・接触させ、更に荷重を加えることにより微小
ティップ５と接合層７の接合（圧着）を行った（図４
（ｄ）参照）。次に、第１基板１と第２基板８を引き離
すことに、剥離層４と微小ティップ５との界面で剥離さ
せた（図４（ｅ）参照）。次に、表面保護層１５として
ポリイミド層をスピンコートにより塗布し、ベークして
形成した。次に、裏面の窒化シリコン１４をエッチング
マスクにして、９０℃に加熱した３０％水酸化カリウム
水溶液により裏面からシリコン基板８のエッチングを行
った。次に、フッ酸とフッ化アンモニウム混合水溶液に
より二酸化シリコン層１３を除去した。最後に、酸素プ
ラズマを用いて表面保護層を除去してカンチレバー型プ
ローブを形成した。次に、ティップを酸素雰囲気中２０
０℃でアニールすることによりティップ表面に酸化レニ
ウム層を形成することにより表面酸化膜５４とした（図
４（ｆ）参照）。ティップ先端の曲率半径は約３０ｎｍ
であった。

【００２１】本実施例のプローブを用いた光てこ方式の
ＡＦＭ／ＳＴＭ装置のブロック図を図６に示す。ＡＦＭ
／ＳＴＭ装置はカンチレバー９と接合層７と接合層７に
接合した微小ティップ５からなるプローブと、レーザー
光６１と、カンチレバー自由端の接合層裏面にレーザー
光を集光するためのレンズ６２とカンチレバーのたわみ
変位による光の反射角の変化を検出するポジションセン
サー６３と、ポジションセンサーからの信号により変位
検出を行う変位検出回路６６と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素
子６５と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子をＸＹＺ方向に駆動
するためのＸＹＺ駆動用ドライバー６７とからなる。ま
た、微小ティップ５と試料６４との間に電圧印加回路６
８により電圧を印加し、この間を流れる微小電流Ｉｔを
電流検出回路６９により検出する。この装置を用いて、
ＸＹＺ駆動ピエゾ素子１２のＸＹを駆動しながら変位検
出と電流検出を行うことにより試料の凹凸と導電性の２
次元像を同時に得ることができる。このＡＦＭ／ＳＴＭ
装置を用い、電極上に成膜したポリイミドＬＢ膜からな
る試料６４にプローブを接近させた後に、バイアス電圧
を印加しながらＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６５のＸＹ方向
を駆動することにより試料表面の凹凸と導電性を観察す
ることができた。また、この時５×１０^-8Ｎの荷重を加
えて２μｍ□のエリアで走査周波数１０Ｈｚのラスタス
キャンを繰り返した後に先端形状を観察したところ、形
状の変化は認められなかった。これを白金Ｐｔよりなる
表面を有するティップによる同様の実験と比較すると、
Ｐｔの場合には先端に摩耗の跡が認められた。また、上
記の荷重を加えて微小ティップを試料面内に走査しなが
ら１０Ｖ３μｓのパルス電圧を１０万回印加した後に、
先端形状を観察したところ、形状の変化は認められなか
った。また、この時形成された導電性変化による記録ビ
ットの形状の、パルス印加の回数による変化は認められ
なかった。これを白金Ｐｔよりなる表面を有するティッ
プにてパルス印加を同様に行った実験と比較すると、Ｐ
ｔの場合には先端形状に明らかな変化が認められる。ま
た、記録ビットの形状は回数に伴う変化が認められた。

【００２２】［実施例３］実施例３は、本発明によるＡ
ＦＭ／ＳＴＭ用プローブの実施例２とは別の構成であ
り、またその製造方法である。プローブの構成は実施例
２と同一であり、プローブの製造工程もほぼ同一であ
る。本実施例の製造工程を図７に示す。実施例２と異な
る部分は以下の部分である。第１に、微小ティップ５と
なる部分を作製する工程において、まず、剥離補助層５
３としてＡｕをスパッタリング法により３０ｎｍ成膜
し、次にティップ主材５１としてタングステンＷをスパ
ッタリング法により１００ｎｍ堆積し、次に接合補助層
５２として金Ａｕをスパッタリング法により２００ｎｍ
堆積した。次に、剥離補助層５３・ティップ主材５１お
よび接合補助層５２をフォトリソグラフィおよびＳＦ₆
ガスとＢＣｌ₃ガスを用いたドライエッチングによりパ
ターニングし、微小ティップ５を形成した（図７（ｃ）
参照）。第２に、圧着・剥離工程の後、Ａｕよりなる剥
離補助層５３をヨウ素とヨウ化カリウムの混合水溶液に
よりエッチング除去した図７（ｅ）。第３に、表面酸化
の工程において、ティップを大気中２００℃で１０分間
加熱することにより酸化タングステン層よりなる表面酸
化膜５４を形成した（図７（ｆ）参照）。

【００２３】上記製造方法によりＷＯ₃／Ｗ／Ａｕより
なる微小ティップを有するＡＦＭ／ＳＴＭプローブを提
供することができた。本実施例のプローブを用いて図６
と同様のＡＦＭ／ＳＴＭ装置を作製した。このＡＦＭ／
ＳＴＭ装置を用い、電極上に成膜したポリイミドＬＢ膜
からなる試料６４にプローブを接近させた後に、バイア
ス電圧を印加しながらＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６５のＸ
Ｙ方向を駆動することにより試料表面の凹凸と導電性を
観察することができた。また、この時５×１０^-8Ｎの荷
重を加えて２μｍ□のエリアで走査周波数１０Ｈｚのラ
スタスキャンを繰り返した後に先端形状を観察したとこ
ろ、形状の変化は認められなかった。また、上記の荷重
を加えて微小ティップを試料面内に走査しながら１０Ｖ
３μｓのパルス電圧を１０万回印加した後に、先端形状
を観察したところ、形状の変化は認められなかった。ま
た、この時形成された導電性変化による記録ビットの形
状の、パルス印加の回数による変化は認められなかっ
た。

【００２４】［実施例４］実施例４は本発明によるＡＦ
Ｍ／ＳＴＭ用プローブの実施例２および３とは別の構成
であり、またその製造方法である。プローブの構成は実
施例２および３と同一であり、プローブの製造工程も図
７で示されるものと同一である。実施例３と異なる部分
は以下の部分である。第１に、微小ティップ５となる部
分を作製する工程において、まず、剥離補助層５３とし
てＡｕをスパッタリング法により３０ｎｍ成膜し、次に
ティップ主材５１としてチタンＴｉをスパッタリング法
により１００ｎｍ堆積し、次に接合補助層５２として金
Ａｕをスパッタリング法により２００ｎｍ堆積した。次
に、剥離補助層５３・ティップ主材５１および接合補助
層５２をフォトリソグラフィおよびＣＦ₄ガスとＢＣｌ₃
ガスを用いたドライエッチングによりパターニングし、
微小ティップ５を形成した（図７（ｃ）参照）。第２
に、圧着・剥離工程の後、Ａｕよりなる剥離補助層５３
をヨウ素とヨウ化カリウムの混合水溶液によりエッチン
グ除去した図７（ｅ）。第３に、表面酸化の工程におい
て、ティップを大気中３００℃で１０分間加熱すること
により酸化チタン層よりなる表面酸化膜５４を形成した
（図７（ｆ）参照）。

【００２５】上記製造方法によりＴｉＯ₂／Ｔｉ／Ａｕ
よりなる微小ティップを有するＡＦＭ／ＳＴＭプローブ
を提供することができた。

【００２６】本実施例のプローブを用いて図６と同様の
ＡＦＭ／ＳＴＭ装置を作製した。本実施例のプローブを
情報の記録再生に用いる際に、ＴｉＯ₂／Ｔｉ接合の整
流性を利用することができる。まず情報記録時には微小
ティップと記録媒体の間に逆方向極性のパルス電圧を印
加することにより記録ビット形成時に過剰な電流が流れ
ることを防止できる。また、情報再生時には順方向バイ
アス電圧による電流を観察することにより微弱な電流を
検知できる。このＡＦＭ／ＳＴＭ装置を用い、電極上に
成膜したポリイミドＬＢ膜からなる試料６４にプローブ
を接近させた後に、バイアス電圧を印加しながらＸＹＺ
軸駆動ピエゾ素子６５のＸＹ方向を駆動することにより
試料表面の凹凸と導電性を観察することができた。ま
た、この時５×１０^-8Ｎの荷重を加えて２μｍ□のエリ
アで走査周波数１０Ｈｚのラスタスキャンを繰り返した
後に先端形状を観察したところ、形状の変化は認められ
なかった。また、上記の荷重を加えて微小ティップを試
料面内に走査しながら１０Ｖ３μｓの逆方向極性のパル
ス電圧を１０万回印加した後に、先端形状を観察したと
ころ、形状の変化は認められなかった。また、この時形
成された導電性変化による記録ビットを順方向バイアス
により観察したところ、パルス印加の回数によるビット
の変化は認められなかった。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明により、微
小ティップとしてスパッタリング等による導電性付与の
必要がなく、再現性の良い均一な形状が得られ、かつ第
１基板凹部の尖鋭化された形状をほぼそのまま微小ティ
ップ先端形状とすることができるために先端を鋭利に形
成でき、ティップの複数化（マルチ化）が容易な微小テ
ィップまたはプローブの製造方法を提供することができ
る。また、本発明により、化学的に安定であり、微小テ
ィップを試料に接触させて走査した場合の摩耗が小さ
く、高い電圧印加に対して微小ティップ先端が変形しに
くく、過剰な電流がティップと媒体の間に流れるのを抑
制する効果を有する微小ティップまたはプローブを提供
することができ、また、逆バイアス電圧印加時に過剰な
電流を抑制し順バイアス印加時に微弱な電流を検知でき
る整流特性を有するプローブを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施例１によるプローブの製造方法を示す図で
ある。

【図２】実施例１によるプローブを示す図である。

【図３】実施例１によるプローブを用いたＳＴＭ装置の
ブロック図である。

【図４】実施例２によるプローブの製造方法を示す図で
ある。

【図５】実施例２によるプローブを示す図である。

【図６】実施例２によるプローブを用いたＡＦＭ装置の
ブロック図である。

【図７】実施例３によるプローブの製造方法を示す図で
ある。

【図８】従来例の微小ティップの製造工程断面図であ
る。

【図９】従来例の微小ティップの製造方法の主要工程を
示す断面図である。

【図１０】従来例の微小ティップの製造工程断面図であ
る。

【符号の説明】

１：第１基板２：保護層３：凹部４：剥離層５：微小ティップ７：接合層８：第２基板９：弾性体（カンチレバー）１０：配線１１：試料１２：ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子１３：二酸化シリコン１４：窒化シリコン１５：表面保護層５１：ティップ主材５２：接合補助層５３：剥離補助層５４：表面酸化膜６１：レーザー光６２：レンズ６３：ポジションセンサ６４：試料６５：ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６６：変位検出回路６７：ＸＹＺ駆動用ドライバー６８：電圧印加回路６９：電流検出回路２０１：基板２０２：薄膜層２０３：ティップ２０４：基板２０５：レジスト２０６：レジスト開口部２０７：導電性材料２０８：ティップ５１０、５１２：二酸化シリコン５１４：シリコンウエハ５１８：ピット５２０、５２１：窒化シリコン５２２：ピラミッド状ピット５３２：Ｃｒ層５３４：ソウカット５４０：マウンティングブロック５４２：金属膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、該基板上に形成された金属よりな
る接合層と、該接合層上に形成された微小ティップ部
と、該微小ティップ部と接合層に囲まれた中空の領域と
を有する微小ティップにおいて、該微小ティップが金属
を主材とし、該微小ティップの表面に金属酸化物が形成
されていることを特徴とする微小ティップ。
【請求項２】前記ティップは、その主材である金属がア
ルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、バナジウムＶ、クロムＣ
ｒ、ニッケルＮｉ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モ
リブデンＭｏ、スズＳｎ、ハフニウムＨｆ、タンタルＴ
ａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ、のいずれかである
ことを特徴とする請求項１に記載の微小ティップ。
【請求項３】基板と、該基板上に形成された弾性体と、
該弾性体上に形成された金属よりなる接合層と、該接合
層上に、微小ティップ部と該微小ティップ部と該接合層
に囲まれた中空の領域とを有する微小電流または微小力
検出用の微小ティップが設けられてなるプローブにおい
て、該微小ティップが金属を主材とし、その表面に金属
酸化物が形成されていることを特徴とするプローブ。
【請求項４】前記ティップは、その主材である金属がア
ルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、バナジウムＶ、クロムＣ
ｒ、ニッケルＮｉ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モ
リブデンＭｏ、スズＳｎ、ハフニウムＨｆ、タンタルＴ
ａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ、のいずれかである
ことを特徴とする請求項３に記載のプローブ。
【請求項５】微小ティップの製造方法であって、（ａ）第１基板の表面に凹部を形成する工程と、（ｂ）前記凹部を含む第１基板上に剥離層を形成する工
程と、（ｃ）前記凹部を含む剥離層上に金属が主材の微小ティ
ップを形成する工程と、（ｄ）第２基板上に接合層を形成する工程と、（ｅ）前記第１基板の凹部を含む剥離層上の微小ティッ
プを、前記第２基板上の接合層に接合する工程と、（ｆ）前記剥離層と微小ティップの界面で剥離を行い、
前記第２基板の接合層上に微小ティップを転写する工程
と、（ｇ）前記第２基板の接合層上に転写された微小ティッ
プ表面を酸化する工程と、を少なくとも有することを特徴とする微小ティップの製
造方法。
【請求項６】前記ティップは、その主材である金属がア
ルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、バナジウムＶ、クロムＣ
ｒ、ニッケルＮｉ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、モ
リブデンＭｏ、スズＳｎ、ハフニウムＨｆ、タンタルＴ
ａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ、のいずれかである
ことを特徴とする請求項５に記載の微小ティップの製造
方法。
【請求項７】前記（ｃ）の工程において、剥離層上に形
成されたティップ主材上に、確実に微小ティップを圧着
するために接合補助層を形成したことを特徴とする請求
項５または請求項６に記載の微小ティップの製造方法。
【請求項８】前記（ｃ）の工程において、剥離層上にテ
ィップ主材を形成する前に、確実に微小ティップを剥離
するために剥離補助層を形成し、かつ前記（ｇ）の工程
の前に前記剥離補助層を除去することを特徴とする請求
項５または請求項６に記載の微小ティップの製造方法。
【請求項９】前記（ｃ）の工程において、剥離層上にテ
ィップ主材を形成する前に確実に微小ティップを剥離す
るために剥離補助層を形成すると共に、該剥離層上に形
成されたティップ主材上に確実に微小ティップを圧着す
るために接合補助層を形成し、かつ前記（ｇ）の工程の
前に前記剥離補助層を除去することを特徴とする請求項
５または請求項６に記載の微小ティップの製造方法。
【請求項１０】前記第１基板の表面に複数の該凹部を形
成すると共に、前記第２基板上に複数の該微小ティップ
を形成することを特徴とする請求項５〜請求項９のいず
れか１項に記載の微小ティップの製造方法。
【請求項１１】微小電流または微小力検出用プローブの
製造方法であって、（ａ）第１基板の表面に凹部を形成する工程と、（ｂ）前記凹部を含む第１基板上に剥離層を形成する工
程と、（ｃ）前記凹部を含む剥離層上に微小ティップを形成す
る工程と、（ｄ）第２基板上に弾性体材料を形成する工程と、（ｅ）前記第２基板の弾性体材料上に接合層を形成する
工程と、（ｆ）前記第１基板の凹部を含む剥離層上の微小ティッ
プを、前記第２基板上の接合層に接合する工程と、（ｇ）前記剥離層と微小ティップの界面で剥離を行い、
前記第２基板における弾性体材料の接合層上に微小ティ
ップを転写する工程と、（ｈ）前記第２基板の一部を除去して弾性体材料から弾
性体を形成する工程と、（ｉ）前記第２基板における弾性体の接合層上に転写さ
れた微小ティップ表面を酸化する工程と、を少なくとも有することを特徴とするプローブの製造方
法。
【請求項１２】前記ティップは、その主材である金属が
アルミニウムＡｌ、チタンＴｉ、バナジウムＶ、クロム
Ｃｒ、ニッケルＮｉ、ジルコニウムＺｒ、ニオブＮｂ、
モリブデンＭｏ、スズＳｎ、ハフニウムＨｆ、タンタル
Ｔａ、タングステンＷ、レニウムＲｅ、のいずれかであ
ることを特徴とする請求項５に記載のプローブの製造方
法。
【請求項１３】前記（ｃ）の工程において、剥離層上に
形成されたティップ主材上に、確実に微小ティップを圧
着するために接合補助層を形成したことを特徴とする請
求項１１または請求項１２に記載のプローブの製造方
法。
【請求項１４】前記（ｃ）の工程において、剥離層上に
ティップ主材を形成する前に、確実に微小ティップを剥
離するために剥離補助層を形成し、かつ前記（ｉ）の工
程の前に前記剥離補助層を除去することを特徴とする請
求項１１または請求項１２に記載のプローブの製造方
法。
【請求項１５】前記（ｃ）の工程において、剥離層上に
ティップ主材を形成する前に確実に微小ティップを剥離
するために剥離補助層を形成すると共に、該剥離層上に
形成されたティップ主材上に確実に微小ティップを圧着
するために接合補助層を形成し、かつ前記（ｉ）の工程
の前に前記剥離補助層を除去することを特徴とする請求
項１１または請求項１２に記載のプローブの製造方法。
【請求項１６】前記第１基板の表面に複数の該凹部を形
成すると共に、前記第２基板上に複数の該微小ティップ
を形成することを特徴とする請求項１１〜請求項１５の
いずれか１項に記載の微小ティップの製造方法。