JPH11230974A - プローブ及びその作製方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】一点で終端する突起を持ち、長い有効部を持つ
探針として作用するプローブを提供する。 【解決手段】プローブ１００は、平らな支持部１１０
と、この支持部１１０から隆起した凸構造部１２０とを
有している。凸構造部１２０は四つの面１２２，１２
４，１２６，１２８によって定められており、これらに
より形成された五本の稜線１３０，１３２，１３４，１
３６，１３８を有している。凸構造部１２０は、三本の
稜線１３０，１３２，１３８が一点で交わって形成され
た第一の突起部１４０と、三本の稜線１３４，１３６，
１３８が一点で交わって形成された第二の突起部１４２
とを有している。第一の突起部１４０と第二の突起部１
４２は稜線１３８を基準にして測定される高さが異なっ
ており、第一の突起部１４０の高さＡは第二の突起部１
４２の高さＢよりも大きい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ナノインデンテー
ション測定や走査型プローブ顕微鏡に用いられるプロー
ブ及びその作製方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開昭６２−１３０３０２号には、Binn
igとRohrerらにより発明された走査型トンネル顕微鏡
（STM; Scanning Tunneling Microscope）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（AF
M;Atomic Force Microscope）が提案されている。

【０００３】ＡＦＭはＳＴＭに類似した構造を持ち、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられる。ＡＦ
Ｍでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチ
レバーが試料に対向・近接され、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つつ、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ている。

【０００４】また、ＡＦＭと同様の装置構成で、試料の
凹凸情報以外の試料表面情報、例えば試料表面の磁気的
特性や光学的特性をとらえる測定も行われるようになっ
た。前者はＭＦＭ（Magnetic Force Microscopy ）、後
者はＳＮＯＭ（Scanning Near Field Microscopy）と呼
ばれている。ＭＦＭでは、磁気特性を有する材料で作ら
れたカンチレバーを使用し、試料表面からわずか離れた
所でカンチレバーを振動させながら走査し、試料表面の
磁気的特性に応じて生じるカンチレバーの振動状態の変
化を検出することにより、試料表面の磁気的特性とい
う、いわば材料特性をマッピングする。ＳＮＯＭでは、
例えば試料の屈折率などの材料に起因する光学的特性を
マッピングする。

【０００５】さらに、最近では、ナノインデンテーショ
ン測定と称し、ＳＰＭと同様の装置構成にて、梁に形成
された探針を試料に押し込み、そのわずかな凹みのでき
る過程や出来た凹みの形状を測定し、試料の材料硬さな
どを測ることも行われており、試料凹凸などのトポグラ
フィックな情報以外の試料情報を得る為の測定も行われ
るようになってきている。

【０００６】走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーに
は、半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製したカンチ
レバーチップがよく用いられる。例えば、J.vac.Sci.Te
chnol. A8(4)3386 1990: T.Albrecht, S.Akamine, T.E.
Caver and C.F.Quate に紹介されているような、窒化シ
リコン膜をカンチレバー構成材料に使用したカンチレバ
ーチップは既に市場に出回っている。

【０００７】この窒化シリコン製のカンチレバーチップ
では、支持部から延びているカンチレバー（片持ち梁）
の先端近くに、高さ数μｍの正四角錐形状の突出部が形
成されている。カンチレバーの長さは約５０〜２００μ
ｍ、厚さは約０．５〜１μｍであり、また、カンチレバ
ーの形状には中抜きの三角形や長方形などがある。

【０００８】このような四角錐形状の突出部は、シリコ
ンウェハーに四つの（１１１）面で規定される穴を形成
し、その上に窒化シリコン膜を堆積した後、シリコンを
除去して作られる。四つの（１１１）面で規定される穴
は、正方形の開口を通して、シリコンを湿式異方性エッ
チングして形成される。

【０００９】このエッチングの際、四つの（１１１）面
のエッチング速度が厳密に同じであれば穴は一点で終端
する四角錐となるが、実際には、各面のエッチング速度
に多少の違いがあるため、一点で終端することはなく、
二つの頂点を持つ楔に似た形状となってしまう。また、
シリコンウェハー中の欠陥は、エッチング速度に大きく
影響を与えるため、作製する突出部の高さ寸法が大きく
なるほど、二つの頂点の間隔は大きくなる。また一つの
ウェハーより複数のプローブを作製する場合、複数のプ
ローブ間でのばらつきが大きくなる。

【００１０】高さ寸法の小さい突出部では、二つの頂点
の間隔は非常に狭く、実質的に一点と見なせるが、高さ
寸法の大きい突出部では、二つの頂点の間隔は無視でき
ないほど大きくなる。

【００１１】このような二つの頂点を持つプローブ、別
の言い方をすれば、二つの突起部を持つプローブは、ダ
ブルチップ（もしくはツインプローブ）と呼ばれてお
り、高い分解能での測定を妨げる要因のひとつとなって
いる。

【００１２】高さ寸法の大きいプローブの作製では、突
出部がダブルチップとなるのは避けられないという事実
を逆に利用して、四角錐の底面の形状を長四角として、
二つの頂点の間隔が広いダブルチップの突出部を形成し
たプローブが市販されている。このプローブはＡＦＭ等
の装置に傾けて取り付けられ、測定においては、二つの
頂点の一方が試料との相互作用を感知するための探針と
して利用され、他方の頂点はこの探針から比較的遠くに
位置しているので、これが測定結果に与える悪影響は低
減されている。

【００１３】また、特開平６−１５０８０７号には、先
端を安定して尖らせた窒化シリコン製の探針について述
べられている。探針形成のためのモールド（型）となる
シリコンウェハー中の穴の底部を低温熱酸化処理を施す
ことにより尖鋭化し、出来あがる探針先端の尖鋭化を達
成する技術が開示されている。この方法により先端を尖
鋭化した四角錐形状の探針を有する窒化シリコン製のカ
ンチレバーも既に市販されている。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】従って、長四角を底面
形状とした楔型の探針作製時に、低温熱酸化尖鋭化処理
を加えれば、二つの突起部を尖鋭化し、探針の有効部
（測定に寄与する探針先端付近の部分）の形状をより細
く尖らせることができる。つまり、探針有効部のアスペ
クト比（探針高さと探針部底面の代表的長さの比）を高
めることができる。

【００１５】しかし、このように作製された楔型の尖鋭
化探針の有効部の長さは０．２〜０．３μｍ程度であ
り、試料に近い方の探針を測定に用いるとしても、もう
一方のプローブが同等の長さを有するため、測定できる
試料は、その程度の表面粗さのものに限定される。それ
以上の表面粗さを持つ試料に対しては、測定の信頼性の
低いものとなり、安心して使用することはできない。

【００１６】また、さらに凹凸の大きな試料に対して
は、試料から離れた方の突起が試料に当たって測定デー
タに影響を与えることが予想されるため、この場合もや
はり測定の信頼性の低いものとなり、安心して使用でき
ない。

【００１７】本発明の目的は、一点で終端する突起を持
ち、長い有効部を持つ探針として作用するプローブを提
供することであり、また、そのようなプローブを安定に
作製する方法を提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明のプローブは、平
らな支持部と、支持部から隆起した凸構造部とを備えて
おり、凸構造部は四つの面によって定められ、この四つ
の面によって五本の稜線が形成されており、五本の稜線
はそのうちの三本が二カ所において一点で交わるように
延びており、凸構造部は、三本の稜線が実際に交わって
形成された第一の突起部と第二の突起部とを有し、第一
の突起部と第二の突起部は、三本の稜線が交わる二カ所
を結ぶ稜線を基準にして測定される高さが異なってい
る。

【００１９】このプローブを作製するための本発明によ
るプローブの作製方法は、（１００）を主面とするシリ
コン基板を用意する工程と、このシリコン基板に対して
四つの（１１１）面によって形作られる開口形状が長方
形の穴を形成する工程と、穴を形作る四つの（１１１）
面のシリコンを熱酸化して、穴を形作る面を湾曲化させ
る工程と、このシリコン基板上に窒化シリコン膜を堆積
させる工程と、窒化シリコン膜をパターンニングしたの
ちシリコン基板を除去して、穴内に堆積した窒化シリコ
ンから成る二つの突起部を備えた凸構造部を露出させる
工程と、凸構造体の二つの突起部の一方にイオンビーム
を照射して、一方の突起部の高さを低減する工程とを有
している。

【００２０】本発明の別のプローブは、平らな支持部
と、支持部から隆起した凸構造部とを備えており、凸構
造部は四つの面によって定められ、この四つの面によっ
て五本の稜線が形成されており、五本の稜線はそのうち
の三本が二カ所において一点で交わるように延びてお
り、凸構造部は、三本の稜線が実際に交わって形成され
た突起部と、三本の稜線が交わる部分に形成された開口
とを有している。

【００２１】このプローブを作製するための本発明によ
るプローブの作製方法は、（１００）を主面とするシリ
コン基板を用意する工程と、このシリコン基板に対して
四つの（１１１）面によって形作られる開口形状が長方
形の穴を形成する工程と、穴を形作る四つの（１１１）
面のシリコンを熱酸化して、穴を形作る面を湾曲化させ
る工程と、このシリコン基板上に窒化シリコン膜を堆積
させる工程と、堆積した窒化シリコン膜に対して穴の二
つある最深部の一方に相当する箇所に開口を形成する工
程と、窒化シリコン膜をパターンニングしたのちシリコ
ン基板を除去して、穴内に堆積した窒化シリコンから成
る一つの突起部と一つの開口を備えた凸構造部を露出さ
せる工程とを有している。

【００２２】

【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＞第一の実施の形態のプローブにつ
いて図１を用いて説明する。

【００２３】図１に示されるように、プローブ１００
は、平らな支持部１１０と、この支持部１１０から隆起
した凸構造部１２０とを有している。凸構造部１２０は
四つの面１２２，１２４，１２６，１２８によって定め
られており、これらの四つの面１２２，１２４，１２
６，１２８により五本の稜線１３０，１３２，１３４，
１３６，１３８が形成されている。五本の稜線１３０，
１３２，１３４，１３６，１３８は、そのうちの三本が
二カ所において一点で交わるように延びている。

【００２４】凸構造部１２０は、三本の稜線１３０，１
３２，１３８が一点で交わって形成された第一の突起部
１４０と、三本の稜線１３４，１３６，１３８が一点で
交わって形成された第二の突起部１４２とを有してい
る。

【００２５】第一の突起部１４０は、内側に凸の三つの
面で定められ、厳密に一点で終端している。このため、
非常に高いアスペクト比を有している。第一の突起部１
４０と第二の突起部１４２は稜線１３８を基準にして測
定される高さが異なっており、第一の突起部１４０の高
さＡは第二の突起部１４２の高さＢよりも大きい。

【００２６】凸構造部１２０は窒化シリコンで構成され
ており、支持部１１０はガラス１１２とその上に設けら
れた窒化シリコン膜１１４とで構成されている。例え
ば、支持部１１０の表面から凸構造部１２０の突起先端
までの高さは７μｍ、凸構造部１２０の底面の長方形の
短辺の長さは１０μｍ、長辺の長さは１５μｍである。
また、稜線１３８から測った高い方の突起部１４０の高
さは０．３μｍである。

【００２７】本実施形態のプローブの作製方法について
図２を用いて説明する。 図２（ａ）：（１００）面を主面とするシリコンウェハ
ー２０２を用意し、その上に窒化シリコン膜２０４をＬ
Ｐ−ＣＶＤ（低圧化学気相蒸着法）で堆積する。この窒
化シリコン膜２０４にフォトリソグラフィーにより長方
形の開口２０６を形成する。通常、この開口２０６は、
同じ形状のプローブをバッチファブリケーションにより
複数個作製するため、一枚のシリコンウェハー２０２に
複数個作製される。この開口２０６から水酸化カリウム
水溶液によりシリコンウェハー２０２を湿式異方性エッ
チングして、シリコンの四つの（１１１）面で形作られ
た穴２０８を形成する。

【００２８】図２（ｂ）：このように加工されたシリコ
ンウェハー２０２を熱拡散炉の中にいれ、９５０度でシ
リコンの露出した部分を酸化し、酸化シリコン膜２１０
を形成する。この酸化処理により、穴２０８の底の二カ
所に湾曲した特に深い部分が形成される。

【００２９】図２（ｃ）：この後、一度、窒化シリコン
膜２０４を熱リン酸を用いて取り除き、再度、窒化シリ
コン膜２１２をＬＰ−ＣＶＤで堆積する。図２（ｄ）：
窒化シリコン膜２１２を所望の形状にパターンニング
し、ガラス２１４を陽極接合した後、シリコンウェハー
２０２および酸化シリコン膜２１０をそれぞれ水酸化カ
リウム水溶液およびフッ酸で湿式エッチングして除去す
る。

【００３０】この様にして本実施形態のプローブの予備
成型品を得る。この予備成型品は高さが同じ二つの突起
部２１６と２１８を備えている。突起部２１６と２１８
は、穴２０８を形作るシリコンを酸化処理したおかげ
で、図の上方に向かって尖った形状となっている。

【００３１】図２（ｅ）：予備成型品に対して、ＦＩＢ
（集束イオンビーム）加工により一方の突起部２１８を
削り、他方の突起部２１６よりも低くする。 図２（ｆ）：これにより、一方の突起部２１８の高さが
他方の突起部２１６に比較して低減された本実施形態の
プローブを得る。

【００３２】このように作製された本実施形態のプロー
ブ１００では、図１に示されるように、第一の突起部１
４０は、内側に凸の三つの面で定められ、一点で終端し
ているため、非常に高いアスペクト比を持っている。ま
た、第二の突起部１４２の高さＢが第一の突起部１４０
の高さＡよりも小さので、凸構造部１２０は測定におい
ては有効部の長い探針として作用する。

【００３３】以下、本実施形態のプローブ１００を用い
たナノインデンテーション測定の結果について述べる。
図６（ａ）は、ナノインデンテーション測定を行なうた
めの装置構成を示している。

【００３４】図６（ａ）に示されるように、プローブ１
００は、支持部材３０４に支持された面持ち梁３０２に
接着により固定し、ベース３１０に固着された圧電体３
１２の上端に設けた試料台３１４に載せた試料３１６に
対向させる。

【００３５】プローブ１００のガラス面と試料３１６の
表面とを平行に保ったまま、圧電体３１２を徐々に伸ば
し、プローブ１００を試料３１６に押し付けてる。押し
込み量は、変位センサー３２０で圧電体３１２の伸び量
を測定しつつ、変位センサー３２２で面持ち梁３０２の
変形状態を観察することにより加減する。

【００３６】プローブ１００を試料３１６に０．１μｍ
押し込んだ結果、試料表面には、図６（ｂ）に示すよう
に、略三角形の圧痕が形成された。また、試料表面に形
成された三角形の圧痕は一つだけであった。

【００３７】この結果から、本実施形態のプローブ１０
０を用いたナノインデンテーション測定では、一方の突
起部１４０だけが試料と相互作用したと判断できる。ま
た、比較例として、図２（ｄ）の工程直後に得られる予
備成型品を用いたナノインデンテーション測定も行なっ
た。

【００３８】図３は、図２（ｄ）の工程直後に得られる
予備成型品を示している。予備成型品１００’は、僅か
に突起部１４２’が異なるほかは、図１に示される本実
施形態のプローブ１００と同じである。

【００３９】突起部１４２’は、ＦＩＢ加工を施す以前
のもので、突起部１４４と同じく高さＡを有している。
前述したように、この予備成型品１００’に対して、Ｆ
ＩＢ加工により、高さＡの突起部１４２’を高さＢの突
起部１４２に変形して、本実施形態のプローブ１００と
なる。

【００４０】この本実施形態のプローブ１００の予備成
型品１００’を用いて、本実施形態のプローブ１００を
用いた測定と同様にナノインデンテーション測定に行な
った結果、試料表面には、図６（ｄ）に示すように、二
つの略三角形の圧痕が形成された。

【００４１】この結果から、本実施形態のプローブ１０
０の予備成型品１００’を用いたナノインデンテーショ
ン測定では、二つの突起が共に試料と相互作用を起こし
ているのは明白である。このため、それぞれの突起に働
く相互作用の程度を特定することが難しく、ナノインデ
ンテーション測定には適していないことが理解できる。

【００４２】＜第二の実施の形態＞第二の実施の形態の
プローブについて図４を用いて説明する。図４に示され
るように、プローブ４００は、平らな支持部４１０と、
この支持部４１０から隆起した凸構造部４２０とを有し
ている。凸構造部４２０は四つの面４２２，４２４，４
２６，４２８によって定められており、これらの四つの
面４２２，４２４，４２６，４２８により五本の稜線４
３０，４３２，４３４，４３６，４３８が形成されてい
る。五本の稜線４３０，４３２，４３４，４３６，４３
８は、そのうちの三本が二カ所において一点で交わるよ
うに延びている。

【００４３】凸構造部４２０は、三本の稜線４３０，４
３２，４３８が一点で交わって形成された突起部４４０
と、三本の稜線４３４，４３６，４３８が本来ならば交
わる部分に形成された円形の開口４５０とを有してい
る。

【００４４】突起部４４０は、内側に凸の三つの面で定
められ、厳密に一点で終端している。このため、非常に
高いアスペクト比を有している。凸構造部４２０は窒化
シリコンで構成されており、支持部４１０はガラス４１
２とその上に設けられた窒化シリコン膜４１４とで構成
されている。

【００４５】例えば、支持部４１０の表面から凸構造部
４２０の突起先端までの高さは７μｍ、凸構造部４２０
の底面の長方形の短辺の長さは１０μｍ、長辺の長さは
１５μｍである。また、稜線４３８から測った突起部４
４０の高さは０．３μｍである。円形の開口４５０は直
径３μｍである。

【００４６】以下、本実施形態のプローブの作製方法に
ついて図５を用いて説明する。 図５（ａ）：（１００）面を主面とするシリコンウェハ
ー５０２を用意し、その上に窒化シリコン膜５０４をＬ
Ｐ−ＣＶＤ（低圧化学気相蒸着法）で堆積する。この窒
化シリコン膜５０４にフォトリソグラフィーにより長方
形の開口５０６を形成する。通常、この開口５０６は、
同じ形状のプローブをバッチファブリケーションにより
複数個作製するため、一枚のシリコンウェハー５０２に
複数個作製される。この開口５０６から水酸化カリウム
水溶液によりシリコンウェハー５０２を湿式異方性エッ
チングして、シリコンの四つの（１１１）面で形作られ
た穴５０８を形成する。

【００４７】図５（ｂ）：このように加工されたシリコ
ンウェハー５０２を熱拡散炉の中にいれ、９５０度でシ
リコンの露出した部分を酸化し、酸化シリコン膜５１０
を形成する。この酸化処理により、穴５０８の底に、湾
曲した二つの特に深い部分５２２，５２４が形成され
る。

【００４８】図５（ｃ）：この後、一度、窒化シリコン
膜５０４を熱リン酸を用いて取り除き、再度、窒化シリ
コン膜５１２をＬＰ−ＣＶＤで堆積する。 図５（ｄ）：窒化シリコン膜５１２の上にレジスト５２
６を堆積し、穴５０８の底の一方の特に深い部分５２４
に直径３μｍの円形の開口５２８を形成する。この開口
５２８を形成したレジスト５２６をマスクにしてドライ
エッチングを行ない、窒化シリコン膜５１２を貫通する
穴５３０を形成する。

【００４９】図５（ｅ）：再度、熱拡散炉に入れてアニ
ーリング処理を行ない、窒化シリコン膜５１２にガラス
５１４を陽極接合した後、シリコンウェハー５０２およ
び酸化シリコン膜５１０をそれぞれ水酸化カリウム水溶
液およびフッ酸で湿式エッチングして除去する。これに
より、一つの突起部５１８と開口５３２を備えた本実施
形態のプローブを得る。

【００５０】このように作製された本実施形態のプロー
ブ４００では、図４に示されるように、突起部４４０
は、内側に凸の三つの面で定められ、一点で終端してい
るため、非常に高いアスペクト比を持っている。また、
凸構造体４２０は、突起部４４０の他には突起を持たな
いので、測定に対して有効部の長い探針として作用す
る。

【００５１】本実施形態のプローブ４００を用いて、第
一の実施の形態と全く同じ条件で、ナノインデンテーシ
ョン測定を行なった。その結果、試料表面には、図６
（ｃ）に示すように、略三角形の圧痕が形成された。ま
た、試料表面に形成された三角形の圧痕は一つだけであ
った。

【００５２】この結果から、本実施形態のプローブ４０
０は、突起部４４０だけが試料と相互作用していると判
断でき、従って、ナノインデンテーション測定にとって
好ましいプローブであることが分かる。

【００５３】＜第三の実施の形態＞第三の実施の形態に
ついて図７を用いて説明する。本実施形態は、走査型プ
ローブ顕微鏡に適用されるカンチレバーチップである。

【００５４】図７に示されるように、カンチレバーチッ
プ６００は、支持部材６０２によって片持ちに支持され
ているカンチレバー６０４を有している。カンチレバー
６０４と支持部材６０２の上面には金のコーティング６
０６が施されている。

【００５５】カンチレバー６０４の先端近くには、下方
に突出した凸構造部６２０が形成されている。この凸構
造部６２０は、図４に示した第二の実施の形態の凸構造
部４２０と同じ構造を有している。

【００５６】つまり、本実施形態の凸構造部６２０は第
二の実施の形態の凸構造部４２０に対応しており、ま
た、本実施形態のカンチレバー６０２は第二の実施の形
態の支持部４１０に対応している。

【００５７】凸構造部６２０は四つの面によって規定さ
れており、これらの四つの面によって五本の稜線が形成
されている。凸構造部６２０は、そのうちの三本の稜線
が一点で交わって形成された突起部６４０と、三本の稜
線が本来ならば交わる部分に形成された円形の開口６５
０とを有している。

【００５８】突起部６４０は、内側に凸の三つの面で定
められ、一点で終端しているため、非常に高いアスペク
ト比を有している。また、凸構造部６２０は、突起部４
４０の他には突起を持たないので、有効部の長い探針と
して作用する。

【００５９】本実施形態のカンチレバーチップ６０４で
は、カンチレバー６０４の長さは１０８μｍ、幅は５０
μｍ、厚さは１．８μｍである。凸構造部６２０の底面
の長方形の短辺の長さは１０μｍ、長辺の長さは１５μ
ｍであり、凸構造部６２０の全体の高さＣは約７μｍ、
測定に有効な突起部６４０の高さＤは約０．３μｍであ
る。また、開口６５０の直径は３μｍである。

【００６０】次に、本実施形態のプローブの作製方法に
ついて図８を用いて説明する。 図８（ａ）：（１００）面を主面とするシリコンウェハ
ー７０２を用意し、その上に窒化シリコン膜７０４をＬ
Ｐ−ＣＶＤ（低圧化学気相蒸着法）で堆積する。この窒
化シリコン膜７０４にフォトリソグラフィーにより長方
形の開口７０６を形成する。通常、この開口７０６は、
同じ形状のプローブをバッチファブリケーションにより
複数個作製するため、一枚のシリコンウェハー７０２に
複数個作製される。この開口７０６から水酸化カリウム
水溶液によりシリコンウェハー７０２を湿式異方性エッ
チングして、シリコンの四つの（１１１）面で形作られ
た穴７０８を形成する。

【００６１】図８（ｂ）：このように加工されたシリコ
ンウェハー７０２を熱拡散炉の中にいれ、９５０度でシ
リコンの露出した部分を酸化し、酸化シリコン膜７１０
を形成する。この酸化処理により、穴７０８の底に、湾
曲した二つの特に深い部分７２２，７２４が形成され
る。

【００６２】図８（ｃ）：この後、一度、窒化シリコン
膜７０４を熱リン酸を用いて取り除き、再度、窒化シリ
コン膜７１２をＬＰ−ＣＶＤで堆積する。 図８（ｄ）：窒化シリコン膜７１２の上にレジスト７２
６を堆積し、カンチレバー形状にパターンニングする。
その際、穴７０８の底の一方の特に深い部分７２４に直
径３μｍの円形の開口７２８を形成する。このパターン
ニングしたレジスト７２６をマスクにしてドライエッチ
ングを行ない、窒化シリコン膜７１２を貫通する穴７３
０を形成するとともに、窒化シリコン膜７１２をカンチ
レバー形状に成形する。

【００６３】図８（ｅ）：再度、熱拡散炉に入れてアニ
ーリング処理を行ないカンチレバー上に酸化膜を形成さ
せた後に、窒化シリコン膜７１２にパイレックスガラス
７３２を陽極接合する。パイレックスガラス７３２を陽
極接合する位置は、作製するカンチレバーの長さに相当
する距離だけ、穴７０８から離れた位置が選ばれる。

【００６４】図８（ｆ）：シリコンウェハー７０２およ
び酸化シリコン膜７１０をそれぞれ水酸化カリウム水溶
液およびフッ酸で湿式エッチングして除去する。これに
より、一つの突起部７４２と開口７４４を持つ凸構造部
７４０が得られる。

【００６５】図８（ｇ）：最後に、カンチレバー形状の
窒化シリコン膜７１２とパイレックスガラス７３２の上
面に金を真空蒸着して反射膜７３４を形成して、本実施
形態のカンチレバーチップを得る。

【００６６】このように作製した本実施形態のカンチレ
バーチップ６００では、図７に示されるように、突起部
６４０は、内側に凸の三つの面で定められ、従って確実
に一点で終端し、このため非常に高いアスペクト比を持
っている。

【００６７】図９に示すように、本実施形態のプローブ
６００を原子間力顕微鏡装置（ＡＦＭ）に１０度の傾き
角（θ）で取り付けて使用した。図９では、ＡＦＭの基
本的な構成を概略的に描いてあり、コントローラユニッ
トやコンピュータなどの具体的な構成は省略してある。

【００６８】なお、本実施形態のプローブを適用可能な
ＡＦＭの基本的な構成は、例えば、特開平５−３１２５
６４号や特開平６−１８０２２７号に開示されている。
試料８０８は、ベース８０２に固定された圧電体スキャ
ナ８０４の自由端に支持された試料台８０６の上に載置
される。カンチレバーチップ６００は１０度の傾斜角を
もって支持され、凸構造部６２０は試料８０８の表面近
傍に配置される。

【００６９】カンチレバー６０４は突起部６４０と試料
８０８の間に働く相互作用に応じて変位を示し、変位セ
ンサー８１０はこのカンチレバー６０４の変位を検出す
る。制御部８１２は、ＸＹ走査信号を圧電体スキャナ８
０４に供給して突起部６４０に対して試料８０８を相対
的にＸＹ走査するとともに、変位センサー８１０によっ
て得られる情報に基づくＺサーボ信号を圧電体スキャナ
８０４に供給して突起部６４０と試料８０８の間隔を制
御する。

【００７０】本実施形態のプローブ６００では凸構造部
６２０から突出している部分が突起部６４０の一つだけ
なので、表面の凹凸の高低差が大きい試料に対しても高
い分解能で測定することができる。

【００７１】これは、比較例として、図９に破線で描か
れている突起部６４２を更に備えたカンチレバーチップ
を想像することにより容易に理解できる。このようなカ
ンチレバーチップは、図８（ｄ）の工程において、レジ
スト７２６に開口７２８を形成することなく処理を施す
ことにより作製される。このようなカンチレバーチップ
は、当業者の間で、ダブルチップのカンチレバーチップ
と呼ばれ、市場から入手可能である。

【００７２】突起部６４０の先端と仮想の突起部６４２
の先端の間隔を５μｍとすると、カンチレバーチップ６
００を１０度の傾斜角で支持した状態において、突起部
６４０の先端と仮想の突起部６４２の先端の高低差は
０．９μｍ弱となる。従って、０．９μｍ以上の表面高
低差を持つ試料の測定においては、突起部６４２が邪魔
になって、突起部６４０と試料の接触を維持できない事
態が起こり得る。この場合、カンチレバー６０４の変位
は、突起部６４２と試料の間の相互作用に起因している
ため、変位センサー８１０によって得られる情報は不正
確なものとなる。

【００７３】これに対して、本実施形態のプローブ６０
０を用いた測定では、突起部６４０と試料の接触を邪魔
するものは何も存在しないので、上述したような不所望
な事態は起こり得ず、従って、１μｍを越える表面高低
差を持つ試料に対しても、高い分解能の測定を行なうこ
とができる。

【００７４】また、本実施形態の凸構造部６２０を第一
の実施の形態の凸構造部１２０に置き換えても何ら問題
はない。つまり、本実施の形態の凸構造部６２０を第一
の実施の形態の凸構造部１２０と対応するように作製で
きる。この場合、第一の実施の形態の図２（ｄ）におい
て、窒化シリコン膜２１２をカンチレバー形状にパター
ンニングし、ガラス２１４を図８（ｅ）に示したパイレ
ックスガラス７２３と同様な位置に陽極接合すればよ
い。すなわち、ガラス２１４は、作製するカンチレバー
の長さに相当する距離だけ、穴２０８から離れた位置に
陽極接合される。

【００７５】本実施形態では、開口６５０は、円形の形
状を有しているものとしたが、他の形状を有していても
一向に構わない。また、開口６５０は、凸構造部６２０
に留まっている必要はなく、カンチレバー６０４まで延
びていても構わない。さらには、カンチレバー６０４の
根本まで延びていて、その結果、カンチレバー６０４が
Ｕ字形状と成っても構わない。

【００７６】以上、図面を用いながら、本発明のいくつ
かの実施の形態について説明したが、本発明は、これら
の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述
した実施の形態では、ＡＦＭ装置やナノインデンテーシ
ョン測定に用いられるプローブの例を示したが、本発明
のプローブは、ＭＦＭやＳＮＯＭのプローブの本部材と
して使用することも可能である。例えば、ＭＦＭ用のプ
ローブは、第三の実施の形態において、突起側から磁気
特性を有する材料をコーティングすることで簡単に作製
することができる。

【００７７】また、ＳＮＯＭへの応用については、例え
ば、第三の実施の形態のプローブを用い、開口を通して
光を試料に照射したり、試料側から発生する光をその開
口を通して検出するという使い方がされる。

【００７８】また、特開平２−２４７５５７号には、サ
ーマルウェーブを測定し試料の熱伝搬に関連する試料特
性を評価する走査型プローブ顕微鏡を応用した光音響分
光計装置が提案されている。その装置は、集光した光を
試料表面の一部に照射することにより試料を加熱し、サ
ーマルウェーブを発生させ、その光照射位置から離れた
ところの試料表面近くに試料の変位を測定する機構が配
置されている装置であって、プローブにより試料の変位
を測定しサーマルウェーブの伝搬の様子を測定する装置
である。

【００７９】本発明のプローブ、特には第三実施形態で
説明したような開口を有するプローブは、この様な用途
のプローブとしても適している。すなわち、本発明のプ
ローブの上方にサーマルウェーブ励起用光源を配置し、
プローブの貫通開口部分を通して、試料の所望の位置に
光を照射すれば、この開口位置とプローブの突起位置と
はフォトリソグラフィーの非常に高い精度で決定される
ので、光による試料の励起位置とサーマルウェーブの測
定位置の距離が特定できる。特開平２−２４７５５７号
に記載の様に、光照射側のユニットとサーマルウェーブ
検出側のユニットが実質的に別体となっていると、光に
よる試料の励起位置とサーマルウェーブの測定位置間の
距離の同定が必要な場合、両者間の距離を別の手段を追
加して測定する必要があるが、本発明のプローブを用い
れば、その必要がなくなる。

【００８０】例えば、図１０に示すような光音響分光計
に第三実施形態で説明したカンチレバー型のプローブを
取り付ける。説明の為、図中、プローブは開口部で切っ
た断面図で示してある。カンチレバー６０４の上方にサ
ーマルウェーブ励起用光源として半導体レーザ９０４を
配置し、その前方に集光レンズ９０５を配置して、プロ
ーブの開口９０８を通して試料表面９０７に励起光を照
射できるようになっており、サーマルウェーブが試料を
伝搬した時の試料の変位をプローブの突起６４０で検出
し、その変位がカンチレバー６０４を変形させる。カン
チレバー６０４の変形は、光てこ式変位センサーで測定
する。光てこ式変位センサーは、半導体レーザ９０１、
集光レンズ９０２、カンチレバー６０４、四分割のフォ
トダイオード９０３で構成される。光学式のカンチレバ
ー変位センサーに励起用光源の光が迷光となって入射す
るのを防ぐため、ＡＦＭ装置の光学式のカンチレバー変
位センサーの光波長と励起用光源の光波長を異なった波
長に選び、半導体レーザ９０４の波長の光をカットする
光学フィルター９０６がフォトディテクター９０３の前
に配置してある。更に、半導体ＩＣの電気特性の動作確
認に使われるプローバーのプローブに応用することも可
能であり、本発明はその様なプローブヘの応用も含んで
いる。

【００８１】

【発明の効果】本発明によれば、一点で終端する突起を
持ち、長い有効部を持つ探針として作用するプローブが
提供される。このプローブを用いたＡＦＭ測定において
は、さらに高い分解能での測定が行なえるようになり、
また、このプローブを用いたナノインデンテーション測
定においては、安定した信頼性のあるデータを取ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態であるナノインデン
テーション測定に用いるプローブを示している。

【図２】図１のプローブを作製する工程を示している。

【図３】図２（ｄ）の工程の後に得られる図１のプロー
ブの予備成型品を示している。

【図４】本発明の第二の実施の形態であるナノインデン
テーション測定に用いるプローブを示している。

【図５】図４のプローブを作製する工程を示している。

【図６】ナノインデンテーション測定に用いる装置と、
図１のプローブによって試料表面に形成された圧痕と、
図４のプローブによって試料表面に形成された圧痕と、
図３の予備成型品によって試料表面に形成された圧痕と
を示している。

【図７】本発明の第三の実施の形態であるＡＦＭ測定に
用いるカンチレバーチップを示している。

【図８】図７のプローブを作製する工程を示している。

【図９】図７のプローブを用いた原子間力顕微鏡を概略
的に示している。

【図１０】図７のプローブを用いた光音響分光計を概略
的に示している。

【符号の説明】

１００ プローブ １１０ 支持部 １２０ 凸構造部 １４０ 突起部

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 平らな支持部と、 支持部から隆起した凸構造部とを備えるプローブであっ
   て、 凸構造部は四つの面によって定められ、この四つの面に
   よって五本の稜線が形成されており、五本の稜線はその
   うちの三本が二カ所において一点で交わるように延びて
   おり、 凸構造部は、三本の稜線が実際に交わって形成された第
   一の突起部と第二の突起部とを有し、第一の突起部と第
   二の突起部は、三本の稜線が交わる二カ所を結ぶ稜線を
   基準にして測定される高さが異なっている、プローブ。
2. 【請求項２】 平らな支持部と、 支持部から隆起した凸構造部とを備えるプローブであっ
   て、 凸構造部は四つの面によって定められ、この四つの面に
   よって五本の稜線が形成されており、五本の稜線はその
   うちの三本が二カ所において一点で交わるように延びて
   おり、 凸構造部は、三本の稜線が実際に交わって形成された突
   起部と、三本の稜線が交わる部分に形成された開口とを
   有している、プローブ。
3. 【請求項３】 （１００）を主面とするシリコン基板を
   用意する工程と、 このシリコン基板に対して四つの（１１１）面によって
   形作られる開口形状が長方形の穴を形成する工程と、 穴を形作る四つの（１１１）面のシリコンを熱酸化し
   て、穴を形作る面を湾曲化させる工程と、 このシリコン基板上に窒化シリコン膜を堆積させる工程
   と、 窒化シリコン膜をパターンニングしたのちシリコン基板
   を除去して、穴内に堆積した窒化シリコンから成る二つ
   の突起部を備えた凸構造部を露出させる工程と、 凸構造体の二つの突起部の一方にイオンビームを照射し
   て、一方の突起部の高さを低減する工程とを有してい
   る、プローブの作製方法。
4. 【請求項４】 （１００）を主面とするシリコン基板を
   用意する工程と、 このシリコン基板に対して四つの（１１１）面によって
   形作られる開口形状が長方形の穴を形成する工程と、 穴を形作る四つの（１１１）面のシリコンを熱酸化し
   て、穴を形作る面を湾曲化させる工程と、 このシリコン基板上に窒化シリコン膜を堆積させる工程
   と、 堆積した窒化シリコン膜に対して穴の二つある最深部の
   一方に相当する箇所に開口を形成する工程と、 窒化シリコン膜をパターンニングしたのちシリコン基板
   を除去して、穴内に堆積した窒化シリコンから成る一つ
   の突起部と一つの開口を備えた凸構造部を露出させる工
   程とを有している、プローブの作製方法。