(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端に探針部を有するカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端を支持する支持部と、光を発生し測定試料に照射する光注入機構と、前記カンチレバー部に設けられた光検出機構とを少なくとも備えた集積型ＳＰＭカンチレバーにおいて、前記光注入機構は前記探針部に設けられていることを特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項２】
前記カンチレバー部に設けられた光検出機構の受光面が、前記探針部に設けられた光注入機構を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１記載の集積型ＳＰＭセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に用いられる集積型ＳＰＭセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
１９８０年代後半以降、エバネッセント波を用いることにより回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡が提案されている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning near field optical microscope）と呼ばれている。このＳＮＯＭは、エバネッセント波が“波長より小さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”という特性を利用したものであり、ＳＰＭの一種とされている。
【０００３】
ＳＮＯＭの測定原理は、まず、測定試料の表面近傍に１波長程度以下の距離までプローブを近づけて、プローブ先端の微小開口を通過する光強度の地図を作成することによって、測定試料に対する解像が成されるものである。ＳＮＯＭとしてはいくつかの方式が提案されているが、大別すると２つの方式が提案されている。その一つはコレクション方式と呼ばれ、試料の下から光を照射した時に、試料を透過し試料表面近傍に局在したエバネッセント波を、プローブを介して検出しＳＮＯＭ像とする方式である。他の方式は、微小開口を持ったプローブから試料に対して光を照射し、試料を透過した光を、試料下に設置された光検出器によって検出するという、いわゆるエミッション方式と呼ばれる方式である。この方式は、例えば特開平４−２９１３１０号（ＡＴ＆Ｔ；R. E. Betzig）に開示されている。
【０００４】
更に、最近では、光ファイバーのプローブの代わりにカンチレバーを用いてＳＮＯＭ測定と原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）測定を同時に行う方法が、N. F. Van Hulst,らにより提案されている。このＳＮＯＭは、例えば、N. F. Van Hulst, M. H. P. Moers, O. F. J. Noordman, R. G. Track, F. B. Stegerink and B. Bolgerの論文“ Near-field optical microscope using a silicon-nitride probe "｛ Appl. Phys. Lett. 62, 461-463（1993）｝に開示されている。
【０００５】
なお、ここでＡＦＭとは、特開昭６２−１３０３０２号（ＩＢＭ，Ｇ．ビニッヒ；サンプル表面の像を形成する方法及び装置）に提案されている装置であり、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレバーを、試料に対向・近接させ、探針部の先端の原子と試料原子との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、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３次元的にとらえることができるようになっているものである。
【０００６】
このＡＦＭにおいては、カンチレバーの変位を測定する変位測定センサは、カンチレバーとは別途に設けるのが一般的である。しかし最近では、カンチレバー自体に変位を測定できる機能を付加した集積型ＡＦＭセンサが、M.Tortonese らにより提案されている。この集積型ＡＦＭセンサは、例えばM.Tortonese,H.Yamada, R.C.Barrett and C.F.Quate の論文“Atomic force microscopy using a piezoresistive cantilever ”（Transducers and Sensors '91 ）や、ＰＣＴ出願ＷＯ９２／１２３９８に開示されている。
【０００７】
ここでカンチレバーの変位測定原理としては、圧電抵抗効果を利用している。すなわち探針先端を測定試料に近接させると、探針と試料間に働く相互作用力によりカンチレバー部がたわみ、歪みを生じる。カンチレバー部には抵抗層が積層されていて、カンチレバーの歪みに応じてその抵抗値が変化する。従って、抵抗層に対して電極部より定電圧を加えておけば、カンチレバーの歪み量に応じて抵抗層を流れる電流が変化し、電流の変化を検出することにより、カンチレバーの変位量を知ることが出来る。
【０００８】
このような集積型ＡＦＭセンサは、構成が極めて簡単で小型であることから、カンチレバー側を走査するいわゆるスタンドアロン型のＡＦＭを構成できるようになると期待されている。従来のＡＦＭでは試料をＸＹ方向に動かしてカンチレバー先端の探針との相対的位置関係を変化させるため、試料の大きさが最大数cm程度に限られるが、スタンドアロン型のＡＦＭは、このような試料の大きさの制限を取り除くことができるという利点がある。
【０００９】
次に、従来の集積型ＡＦＭセンサの構成例を図６を参照して説明する。まず製造工程について説明する。スタートウェハ100 として、図６の（Ａ）に示すように、レバー支持部となるシリコンウェハ110 の上に酸化シリコンの分離層112 を介してＮ型シリコン層114 を設けたもの、例えば貼り合わせＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを用意する。次に、シリコン層114 の表面にイオンインプランテーションによりボロンＢを打ち込んでピエゾ抵抗層116 を形成し、図６の（Ｄ）に図示した形状にパターニングした後、表面を酸化シリコン膜等の絶縁膜118 で覆う。そしてカンチレバーの固定端側にボンディング用の穴をあけ、アルミニウムをスパッタリングして電極120 を形成する。更に、レバー支持部となるシリコンウェハ110 の下側にレジスト層122 を形成し、このレジスト層122 をパターニングし開口を形成して、図６の（Ｂ）に示すような形状とする。続いて、オーミックコンタクトをとるための熱処理をした後、レジスト層122 をマスクとして湿式異方性エッチングにより分離層112 までエッチングし、最後にフッ酸でカンチレバー部124 下部の分離層112 をエッチングしてカンチレバー部124 を形成し、集積型ＡＦＭセンサを完成する。その側断面図を図６の（Ｃ）に、その上面図を図６の（Ｄ）に示す。
【００１０】
このようにして作製した集積型ＡＦＭセンサにおいては、測定の際には、２つの電極120 の間に数ボルト以下のＤＣ電圧を印加し、カンチレバー部124 の先端を試料に接近させる。カンチレバー部124 の先端と試料表面の原子間に相互作用力が働くと、カンチレバー部124 が変位する。これに応じてピエゾ抵抗層116 の抵抗値が変化するため、カンチレバー部124 の変位が２つの電極120 の間に流れる電流信号として得られる。
【００１１】
また更に、近年、カンチレバーのねじれ量（ＬＦＭ信号）が検出できる機能を付加した集積型ＳＰＭセンサが提案されている。かかる機能をもつ集積型ＳＰＭセンサは、例えば特願平５−０６３５４７号に開示されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の光ファイバープローブを使用したＳＮＯＭでは、プローブとは別個に光検出機構を設け、更に光源も別個に設けなければならず、装置の大型化を招いていた。それに伴い、外部の振動の影響を受けやすく、しかも装置の作製も容易ではない。また、プローブと光検出機構との距離が離れているため、その間で光が損失し光検出効率が悪く、感度が悪くなるという問題点があった。更に他のＳＰＭ装置、特にＡＦＭ装置とは装置の構成が全く異なるため、ユーザはＡＦＭ装置とは別に、専用のＳＮＯＭ装置を購入せざるを得ず、ユーザには大きな負担となってしまうという問題点があった。また、プローブが１度に大量に作製できないため、コストが高くなるという問題もあった。
【００１３】
本発明は、従来のＳＮＯＭ等のＳＰＭ装置における上記問題点解消するためになされたもので、請求項１記載の発明は、装置の小型化と光検出効率の向上を図ることができ、且つ他のＳＰＭ装置との互換性のある集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。請求項２記載の発明は、更に高感度化を図ることの可能な集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段及び作用】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、自由端に探針部を有するカンチレバー部と、該カンチレバー部の基端を支持する支持部と、光を発生し測定試料に照射する光注入機構と、前記カンチレバー部に設けられた光検出機構とを少なくとも備えた集積型ＳＰＭカンチレバーにおいて、前記光注入機構は前記探針部に設けて、集積型ＳＰＭセンサを構成するものである。
【００１５】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいて、ＳＮＯＭ測定の際には、探針部の光注入機構から発生した光を測定試料に照射し、測定試料表面で反射した反射光をカンチレバー部に設けた光検出機構により検知する。検知された反射光は光強度信号に変換され、この信号に基づいて信号処理回路において測定試料の表面情報を出力する。これにより従来のＳＰＭ，特にＡＦＭとほぼ同様な構成でＳＮＯＭ測定を可能にする。このように、従来必要とされていた別個の光源と光検出器が必要でなくなり、装置の小型化を図ることができ、また光注入機構がカンチレバー部の自由端の探針部に設けられているため、光軸調整などの操作を省くことができ、より簡単な操作で測定が可能となる。更に、光注入機構及び光検出機構が探針部及びカンチレバー部に設けられているため、カンチレバー自体を操作するスタンドアロンタイプの集積型ＳＰＭセンサが得られ、より高速の操作が可能となる。
【００１６】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の集積型ＳＰＭセンサにおいて、前記カンチレバー部に設けられた光検出機構の受光面を、前記探針部に設けられた光注入機構を囲むように形成するものである。これにより、光検出機構の受光面積が拡大され、反射光をより多く検出することが可能となり、感度を向上させることができる。
【００１７】
【実施例】
〔第１実施例〕
次に、本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの実施例について説明する。図１は、本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例を示す図で、図２は、その断面図であり、図６に示した従来例に準じた工程で作製されている。図１及び図２において、１はレバー支持部で、該レバー支持部１上には酸化シリコン層２を介してＮ型シリコン層３が形成されている。このＮ型シリコン層３は、カンチレバー部４の自由端側の先端部以外の本体部を構成しており、カンチレバー部４の自由端側の先端部には、例えばGaＰ基板５からなる探針部６を設けている。前記カンチレバー部４のＮ型シリコン層３からなる本体部には、Ｎ+ 型シリコン層７，Ｐ型シリコン層８，Ｐ+ 型シリコン層９が形成されており、ＰＮフォトダイオードを構成している。そして、アルミニウム等の電極10，11がＮ型シリコン層３の表面に形成された絶縁層12に設けられたコンタクトホール13，14を介して、それぞれＮ+ 型シリコン層７，Ｐ+ 型シリコン層９に接続されている。
【００１８】
上記絶縁層12は、Ｎ型シリコン層３の表面ばかりでなく、探針部６の先端部とコンタクトホール13，14，15，16を除いて、カンチレバー部４の全面を覆うように形成されている。またカンチレバー部４の本体部を構成するＮ型シリコン層３と、カンチレバー部４の自由端側の探針部６を構成するGaＰ基板５との間も、前記絶縁層12で絶縁されている。また、カンチレバー部４の探針部６には発光ダイオードが形成されており、この発光ダイオードは、例えばGaＰ基板５を基板としてＰ型GaＰ層17とＮ型GaＰ層18を積層した構造となっており、絶縁層12に設けられたコンタクトホール13，14を介して、アルミニウム等の電極19，20がそれぞれＰ型GaＰ層17とＮ型GaＰ層18に接続されている。また、この発光ダイオードが形成されている探針部６の表面には、絶縁層12を介してアルミニウム等からなる遮光膜21が形成されており、そして探針部６の先端においては光を照射するため、前記遮光膜21に対して開口22が設けられている。
【００１９】
そして、このように構成されたカンチレバー部の電極19，20の間には、発光ダイオードを発光させるために所定の電位差が与えられる。例えば、電極20はＧＮＤ電位に保たれており、電極19には直流定電圧電源25が接続されており、正の電圧が数Ｖ印加されている。また電極10，11の間には光を検出するために所定の逆バイアスの電圧が印加される。例えば、電極10には電流検出用のオペアンプ26が接続されＧＮＤ電位に保たれており，電極11には直流定電圧電源27が接続され、負の電圧が数Ｖ印加されている。
【００２０】
以上のように構成された集積型ＳＰＭセンサにおいては、従来、別個に必要とされていた光源と光検出器が必要なくなり、装置の小型化が可能となる。また、光源がカンチレバー部自体に設けられているため、光軸調整などの手間が省け、より簡単な操作で測定が可能となる。更に、光源、光検出器ともカンチレバー部に設けてあるため、カンチレバー自体を走査するスタンドアロンタイプのカンチレバーが提供でき、より高速な走査が可能となる。更にまた、半導体プロセスで作製できるため、バッチ処理が可能となり、コスト低減につながる。そして、更にカンチレバー部の反りを検出する手段、例えばピエゾ抵抗層をカンチレバー部に設け、電気的にカンチレバー部の反りを検出することにより、あるいはカンチレバー部の裏面に反射膜をコーティングし、光学的にカンチレバー部の反りを検出することにより、ＡＦＭ測定も可能となり、ＡＦＭ・ＳＮＯＭ同時測定が可能となる。
【００２１】
なお、上記実施例において、Ｐ型シリコン層とＮ型シリコン層，Ｐ+ 型シリコン層とＮ+ 型シリコン層，またＰ型GaＰ層とＮ型GaＰ層を、それぞれ逆に形成した構成としてもよい。この場合は、各部の印加バイアスの極性も反対とする。また、本実施例では発光ダイオードとしてGaＰを用いて構成したものを示したが、測定試料に吸収されにくい波長の発光ダイオードを用いると、測定試料に吸収される光が少なくなり、反射光の減少が抑えられて更に良好な測定が可能となる。また本実施例ではカンチレバー部を１本で構成したものを示したが、カンチレバー部は何本で構成してもかまわない。
【００２２】
〔第２実施例〕
次に第２実施例について説明する。図３は第２実施例の集積型ＳＰＭセンサの平面図で、図４は、その断面図であり、図１及び図２に示した第１実施例と同一又は対応する部材には同一符号を付して、その説明を省略する。なお、この実施例も図６に示した従来例に準じた工程で作製される。この実施例においては、カンチレバー部４の自由端側の先端部には、絶縁層12によりＮ型シリコン層３と絶縁されてＮ型シリコン層31からなる探針部６が設けられている。探針部６の先端には、Ｎ型シリコン層31を基板として多孔質シリコン層32が形成されており、この多孔質シリコン層32の表面を除いたＮ型シリコン層31の表面は絶縁層12により覆われている。そして、前記多孔質シリコン層32の表面を覆うように透明電極33，例えば、ＥＣＲスパッタによるＩＴＯ膜による透明電極が形成されており、この透明電極33の引き出し部分はＮ型シリコン層31と接触しないように、絶縁層12上に形成されている。そして、これらのＮ型シリコン層31と多孔質シリコン層32と透明電極33とでＥＬ素子を構成しており、絶縁層12に設けられたコンタクトホール34，35を介して、アルミニウム等からなる電極36，37が、それぞれ透明電極33とＮ型シリコン層31に接続されている。
【００２３】
そして、このように構成されたカンチレバー部の電極36，37間には、ＥＬ素子を発光させるために所定の電位が与えられる。例えば、電極36はＧＮＤ電位に保たれており、電極37には直流定電圧電源38が接続されており、正の電圧が数十Ｖ印加されている。また電極10，11間には光を検出するために所定の逆バイアスの電圧が印加される。例えば、電極10には第１実施例と同様に電流検出用のオペアンプ26が接続されＧＮＤ電位に保たれており、電極11には直流定電圧電源27が接続され、負の電圧が数Ｖ印加されている。
【００２４】
以上のように構成された第２実施例においては、第１実施例と同様に従来別個に必要とされていた光源と光検出器が必要なくなり、装置の小型化が可能となる。また、光源がカンチレバー部自体に設けられているため、光軸調整などの手間が省け、より簡単な操作で測定が可能となる。更に、光源，光検出器ともカンチレバー部に設けてあるため、カンチレバー自体を走査するスタンドアロンタイプのカンチレバーが提供でき、より高速な走査が可能となる。更にまた、多孔質シリコン層を探針部の先端にのみ形成してＥＬ素子を構成しているので、発光ダイオードを形成する場合に必要であったＰＮジャンクションを作製するプロセスや遮光膜が必要なくなり、発光素子の作製プロセスが簡略化でき、コストの低減が可能となる。そして、更にカンチレバー部の反りを検出する手段、例えばピエゾ抵抗層をカンチレバー部に設け、電気的にカンチレバー部の反りを検出することにより、あるいはカンチレバー部の裏面に反射膜をコーティングし光学的にカンチレバー部の反りを検出することにより、ＡＦＭ測定も可能となり、ＡＦＭ・ＳＮＯＭ同時測定が可能となる。
【００２５】
なお、上記第２実施例においても、Ｐ型シリコン層とＮ型シリコン層，Ｐ+ 型シリコン層，Ｎ+ 型シリコン層をそれぞれ逆に形成した構成としてもよい。この場合は、各部の印加バイアスの極性も反対とする。また、多孔質シリコン層を形成する基板もＰ型シリコン基板，Ｎ型シリコン基板のどちらでもかまわないが、望ましくは発光強度の高いＮ型シリコン基板を用いた方がよい。更に、多孔質シリコン層を発光させる手段として、本実施例ではＥＬ構成としたものを示したが、光を照射して発光させる手段を用いることも可能である。この場合、光を照射する光源としては、紫外線，Ａr イオンレーザー，Ｈe-Ｃd レーザー等が用いられる。
【００２６】
また、本実施例ではＥＬ素子用の透明電極とアルミニウム等の配線電極とを別々に形成したものを示したが、電極をすべて透明電極で構成してもよい。なお、本実施例ではＥＬ素子として多孔質シリコンを用いたものを示したが、シリコン超微粒子等を用いて構成してもよい。更に、本実施例では多孔質シリコンを用いてＥＬ素子を構成したものを示したが、ＥＬ素子は例えば、〔ZnＳ：Cu，Ｉ〕，〔ZnＳ：Cu，Al〕，〔ZnＳ：Cu，Mn〕等を用いて形成してもよい。また、本実施例でもカンチレバー部を１本で構成したものを示したが、カンチレバー部は何本で構成してもかまわない。
【００２７】
〔第３実施例〕
次に第３実施例について説明する。図５は第３実施例の一部を示す平面図であり、この実施例は、図１及び図２に示した第１実施例とほぼ同様な構成を備えているが、フォトダイオードの形状及びその配置位置を異ならせているものである。すなわち、カンチレバー部４はＮ型シリコン層３で形成され、その自由端側の探針部６における中央先端部分を囲むように、底部まで達する絶縁層41が形成されている。そして、該絶縁層41の外側周囲の表面部にはＰ型シリコン層42が形成されていて、該Ｐ型シリコン層42とＮ型シリコン層３とでフォトダイオードを構成している。
【００２８】
上記絶縁層41の内部には、GaＰを基板としＰ型GaＰ層とＮ型GaＰ層とを積層して構成した発光ダイオードが配置されており、その表面には探針部６の先端部６ａを除いて絶縁層が形成されている。そして絶縁層に設けたコンタクトホール43，44を介して電極45，46が、Ｐ型GaＰ層とＮ型GaＰ層に接続され、更に絶縁層上に遮光膜47が形成されている。また、Ｐ型シリコン層42にはＰ+ 型シリコン層48が接触するように形成され、Ｐ型シリコン層42の外側のＮ型シリコン層３に接触するようにＮ+ 型シリコン層49が形成されており、それぞれ表面形成され絶縁層に設けたコンタクトホール50，51を介して電極52，53が接続されている。
【００２９】
このように構成されたカンチレバー部には、第１実施例と同様に、電極45，46の間に発光ダイオードを発光させるために所定の電位差が与えられる。例えば、電極46はＧＮＤ電位に保たれており、電極45には直流定電圧電源が接続されており、正の電圧が数Ｖ印加されている。また電極52，53の間には光を検出するために所定の逆バイアスの電圧が印加される。例えば、電極52には電流検出用のオペアンプが接続されＧＮＤ電位に保たれており、電極53には直流定電圧電源が接続されており、負の電圧が数Ｖ印加されている。
【００３０】
以上のように構成された第３実施例においては、第１実施例の効果に加えて、フォトダイオードの受光面積が広がることにより、反射光をより多く検出することが可能となり感度が向上する。なお本実施例では、発光素子として第１実施例と同様に発光ダイオードを用いたものを示したが、第２実施例において用いた多孔質シリコンなどからなるＥＬ素子を用いてもよい。なお、上記実施例においても、Ｐ型シリコン層とＮ型シリコン層，Ｐ+ 型シリコン層とＮ+ 型シリコン層を、それぞれ逆に形成した構成としてもよく、この場合には、各部の印加バイアスの極性も反対とする。
【００３１】
【発明の効果】
以上実施例に基づいて説明したように、請求項１記載の発明によれば、従来必要とされた別個の光源と光検出器が不要となり、装置の小型化を図ることができる。また光注入機構をカンチレバー部の自由端の探針部に設けているため、光軸調整などの操作を省くことができ、より簡単な操作で測定が可能となる。更に光注入機構及び光検出機構を探針部及びカンチレバー部に設けているため、カンチレバー自体を走査するスタンドアロンタイプとすることができ、より高速に走査することが可能となる。また、更にカンチレバー部の反りを検出する手段、例えばピエゾ抵抗層をカンチレバー部に設け、電気的にカンチレバー部の反りを検出することにより、あるいはカンチレバー部の裏面に反射膜をコーティングし光学的にカンチレバー部の反りを検出することにより、ＡＦＭ測定も可能となり、ＡＦＭ・ＳＮＯＭ同時測定が可能となる。
【００３２】
また請求項２記載の発明によれば、光検出機構の受光面積を拡大することができ、反射光をより多く検出することが可能となり、更に感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例を示す平面図である。
【図２】図１に示した第１実施例の断面図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す平面図である。
【図４】図３に示した第２実施例の断面図である。
【図５】本発明の第３実施例の一部を示す平面図である。
【図６】従来の集積型ＳＰＭセンサの製造方法を説明するための製造工程図である。
【符号の説明】
１  レバー支持部
２  酸化シリコン層
３  Ｎ型シリコン層
４  カンチレバー部
５  GaＰ基板
６  探針部
７  Ｎ+ 型シリコン層
８  Ｐ型シリコン層
９  Ｐ+ 型シリコン層
10，11  電極
12  絶縁層
13，14  コンタクトホール
15，16  コンタクトホール
17  Ｐ型GaＰ層
18  Ｎ型GaＰ層
19，20  電極
21  遮光膜
22  開口
25，27  直流定電圧電源
26  オペアンプ
31  Ｎ型シリコン層
32  多孔質シリコン層
33  透明電極
34，35  コンタクトホール
36，37  電極
38  直流定電圧電源
41  絶縁層
42  Ｐ型シリコン層
43，44  コンタクトホール
45，46  電極
47  遮光膜
48  Ｐ+ 型シリコン層
49  Ｎ+ 型シリコン層
50，51  コンタクトホール
52，53  電極
【図１】
0003590135.tif 000002
【図２】
0003590135.tif 000003
【図３】
0003590135.tif 000004
【図４】
0003590135.tif 000005
【図５】
0003590135.tif 000006
【図６】
0003590135.tif 000007