(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
探針に電圧を印加して試料表面に加工を施す探針装置において、
先端に探針を有し基板上に２次元的に配置された複数個のカンチレバーと、
該複数個のカンチレバーの各々の基端部に設けられた曲げ機構と、
該基板上の少なくとも３か所に設けられた試料面との距離制御手段と、
該基板を試料に対して相対的に平行に走査する走査機構とを具備し、該走査機構により前記基板を前記試料に対し交換前のカンチレバーの探針の位置と交換後のカンチレバーとの位置の差分相対的に移動して使用するカンチレバーを交換することを特徴とする探針装置。
【請求項２】
探針に電圧を印加して試料表面に加工を施す探針装置において、
基板上に２次元的に配置された複数個のカンチレバーと、
該複数個のカンチレバーの各々の基端部に設けられた曲げ機構と、
該基板上の少なくとも３か所に設けられた試料面との距離制御手段とを具備し、
前記複数個のカンチレバーは、先端の径が異なる探針からなることを特徴とする探針装置。
する探針装置。
【請求項３】
請求項２記載の探針装置において、
前記複数個のカンチレバーがマトリックス状に配置されていることを特徴とする探針装置。
【請求項４】
請求項２記載の探針装置において、
前記複数個のカンチレバーが前記基板の周囲に配置されていることを特徴とする探針装置。
【請求項５】
請求項２記載の探針装置において、
前記曲げ機構はバイメタルであることを特徴とする探針装置。
【請求項６】
請求項２から５のいずれかに記載の探針装置において、
前記基板の他方の面側に、該基板と試料面間の距離を可変にし、かつ該基板を試料面と平行にｘ，ｙ走査させる微動機構を設けたことを特徴とする探針装置。
【請求項７】
請求項２または４記載の探針装置において、
前記基板の他方の面側に、該基板と試料面間の距離を可変にし、かつ該基板を所定角度傾斜させる機構を設けたことを特徴とする探針装置。
【請求項８】
請求項６または７記載の探針装置において、
前記基板を試料面と平行にｘ，ｙ粗動させるｘ，ｙ電動ステージをさらに設けたことを特徴とする探針装置。
【請求項９】
基板上に２次元的に配置された複数個のカンチレバーと、該複数個のカンチレバーの各々の基端部に設けられた曲げ機構と、
該基板上の少なくとも３か所に設けられた試料面との距離制御手段と、
該基板を試料に対して相対的に平行に走査する走査機構とを具備した探針装置を用いた加工方法において、
使用するカンチレバーを交換する際に、交換前のカンチレバーの曲げ機構を解除し、交換後のカンチレバーを前記曲げ機構により選択し、前記基板を前記試料に対し交換前のカンチレバーの探針と交換後のカンチレバーの探針との位置の差分相対的に移動することを特徴とする加工方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は探針装置に関し、特に、探針の交換を容易に行うことができる微細加工装置の探針装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、種々の形態の探針装置が提案されていおり、そのうちの代表的なものを図７に示す。同図（ａ）  はピエゾ素子５１の一端に、カンチレバー５２を取付け、試料５３表面と所定の距離で対向させるようにしたものである。
【０００３】
同図（ｂ１）（ｂ２）は、従来の第２の探針装置を示すものであり、それぞれ該探針装置の平面図および側面図である。第１のカンチレバー５５と第２のカンチレバー５６とが部分的に重なるように形成されており、第１、第２のカンチレバー５５、５６には同一の探針、または第１のカンチレバー５５には先の鋭い探針５５ａが取付けられ、第２のカンチレバー５６には先がやや鈍い探針５６ａが取付けられている。また、第２のカンチレバー５６の基部近傍には曲げ機構５７が設けられており、第２のカンチレバー５６を実使用する時には、該カンチレバー５６は該曲げ機構５７を付勢することによって試料表面に近接するように曲げられる。逆に、第１のカンチレバー５５を実使用する時には、曲げ機構５７の付勢が解除される。
【０００４】
この探針装置によれば、例えば、第１のカンチレバー５５の探針が劣化した時には、容易に第２の探針を使用することができるようになり、カンチレバーを交換する手間が省けるというメリットがある。また、試料表面の性質に応じて、適宜第１と第２の探針を切替えて使用することができるようになる。
【０００５】
同図（ｃ１）（ｃ２）は従来の第３の探針装置の平面図と側面図を示し、長尺のカンチレバー６０に、等間隔に切り溝６１ａ，６１ｂ，６１ｃが入れられ、該カンチレバー６０の中心線上であって該切り溝６１ａ，６１ｂ，６１ｃの内側に、探針６２ａ，６２ｂ，…が取付けられている。試料の加工には、まず探針６２ａを使用し、該探針６２ａが先端の汚れ等により劣化し、使用することができなくなった時には、切り溝６１ａから探針６２ａを切り落とす。そして、新しくカンチレバーの先端に位置するようになった探針６２ｂを使用する。このように、使用できなくなった探針を順次切り落とすことにより、カンチレバーの交換を容易にすることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記した従来の探針装置は、それぞれ、次のような問題点があった。前記図（ａ）  の探針装置は、カンチレバー５２の交換が面倒であるという問題があった。図（ｂ１）、（ｂ２）の探針装置は、探針の交換は簡単になるが、探針を切り替えた時の位置合わせが難しいという問題、また探針の寿命は伸びるが、寿命の延びは高々、２倍に過ぎないという問題、および構造が複雑であるという問題があった。さらに、図（ｃ１）、（ｃ２）の探針装置は、劣化した探針のカンチレバーを切り溝で折ることが必要であり、折るための装置を必要とすると共に、折った後に新しい探針を所望の位置に担持するのに、移動機構が必要になるという問題があった。
【０００７】
本発明の目的は、前記した問題点に鑑み、探針の交換が簡単である探針装置を提供することにある。他の目的は、探針を交換した後の位置合わせが簡単な探針装置を提供することにある。さらに他の目的は、探針の寿命を従来の２倍よりもはるかに長くすることのできる探針装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記した目的を達成するために、この発明は、探針に電圧を印加して試料表面に加工を施す加工装置の探針装置において、基板上に２次元的に配置された複数個のカンチレバーと、該複数個のカンチレバーの各々の基端部に設けられた曲げ機構と、該基板上の少なくとも３か所に設けられた試料面との距離制御手段とを具備した点に第１の特徴がある。
【０００９】
また、本発明は、前記基板の他方の面側に、該基板と試料面間の距離を可変にし、かつ該基板を試料面と平行にｘ，ｙ走査させる微動機構を設けた点に第２の特徴がある。
この発明によれば、基板上に複数個のカンチレバーが配置されているので、ある探針が劣化した場合に、他の探針を有するカンチレバーの曲げ機構を付勢するだけで、簡単に探針の交換をすることができるようになる。また、劣化した探針と新たに使用する探針の位置関係は予め分かっているので、交換後の探針を加工位置に簡単かつ正確に担持することができるようになる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に、図面を参照して、本発明を詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態の微細加工装置の探針装置の平面図である。平板状の基板（例えば、Ｓｉ基板）１上に、複数の第１のカンチレバー２ａ、２ｂ、・・・がマトリックス状（総称してカンチレバー２）に配置されている。該基板１の四隅には、第２のカンチレバー３ａ〜３ｄが設けられている。前記第１のカンチレバー２は加工用であり、該第１のカンチレバー２が図示されているように３列あった場合、全てが同じ太さの探針、あるいは左側２列の６個のカンチレバーには第１の太さの探針、右側１列の３個のカンチレバーには第２の太さの探針が取付けられ、あるいは、左、中、右の各一列の各３個のカンチレバーに、それぞれ第１、第２、第３の太さの探針が取付けられている。なお、探針の種類はこれら以外の組み合わせであってもよい。
【００１１】
前記第２のカンチレバー３ａ〜３ｄは探針と試料表面との距離を制御する距離制御用である。該第１および第２のカンチレバー２および３ａ〜３ｄの周囲には、それぞれ、切欠き部４が形成されている。該基板１の一辺にコネクタ部５が設けられ、前記第１のカンチレバー２の各々から該コネクタ部５の各端子に、接続線群１ｃと１ｄが延びている。コネクタ部５の第１の端子群５ａには前記接続線群１ｃが接続され、第２の端子群５ｂには前記接続線群１ｄが接続されている。同図（ｂ）  は、同図（ａ）  のＡ−Ａ´線断面図を示す。Ｓｉ基板１ｂ上には例えばＳｉＯ２  の絶縁層１ａが形成されており、その上面に接続線１ｃと１ｄが形成されている。接続線１ｃは加工用の電圧を前記第１のカンチレバー２の探針に導くものであり、接続線１ｄは後述するヒータ線に電力を供給するために、該ヒータ線と前記コネクタ部５とを結ぶものである。
【００１２】
次に、前記第１のカンチレバー２の構成を同図（ｃ）  、（ｄ）  を用いて、具体的に説明する。該第１のカンチレバー２の各々の構成は、前記したように、探針の先端の太さを除いて同一の構成であるので、カンチレバー２ａを代表に上げて説明する。同図（ｃ）  は側面図、同図（ｄ）  は平面図である。
【００１３】
カンチレバー２ａの基端部には曲げ機構が配置されている。この曲げ機構は、例えばバイメタルから構成することができる。すなわち、図示されているように、Ｓｉによって構成されたカンチレバー２ａの基端部の上面に例えば金属薄膜からなる薄膜２１を形成し、その上に、ヒータ線２２を形成する。今、コネクタ部５から接続線１ｄを介して電力を供給すると、ヒータ線２２は発熱し前記カンチレバー２ａの基端部を加熱する。そうすると、前記金属薄膜２１とＳｉ基体は共に加熱されるが、金属薄膜２１の方がＳｉ基体より熱膨張率が大きいため、カンチレバー２ａは図示の時計方向ａに回動する。この回動角度は、一例として、同図（ｄ）  に示されているように、１５°位にするのがよい。カンチレバー２ａの長さを、例えば約５００μｍとすると、前記の回動により、探針を約１３３μｍだけ下降させることができる。なお、前記複数のヒータ線の一方の側は共通母線に接続し、これを前記コンタクト部５の一個の端子に接続し、これを例えばアース線とすることができる。別方式としては、図１の（ｆ）  に示すようにカンチレバーの基部にＺｎＯ２  の薄膜７１をつけ、電圧を印加することによりＺｎＯ２  の部分が伸び前記バイメタルの時と同様に時計方向ａにカンチレバーを曲げることができる。次に、前記基板１の反対の面には、図２に示されているように、複数個のピエゾ素子１０ａ〜１０ｄが固着されており、それらの各々には、ｚサーボ機構とｘｙ走査機構とが設けられている。図では、ピエゾ素子１０ｂに対するｚサーボ機構とｘｙ走査機構が代表的に示されているが、他の３個のピエゾ素子にも同様のｚサーボ機構とｘｙ走査機構が設けられている。
【００１４】
前記ｚサーボ機構は、カンチレバー３ｂのそり量を表す信号を増幅するｚ検出信号増幅器１１と、該増幅された検出信号とプロセッサ１５によって設定された探針と試料面との距離の設定値との差信号を出力する差動増幅器１２と、該差信号を波形処理する比例・積分回路１３と、該比例・積分回路１３の出力からｚ制御電圧を発生するｚ制御電圧発生回路１４とから構成されている。一方、前記ｘｙ走査機構は、プロセッサ１５によって指示されたタイミングで、ｘ、ｙスキャン信号を生成するｘ、ｙスキャン信号発生回路１６から構成されている。Ａ／Ｄ変換回路１７は前記比例・積分回路１３の出力をディジタル信号に変換し、プロセッサ１５に送出する。プロセッサ１５はこのディジタル信号により、前記基板１の降下状況をモニタすることができる。
【００１５】
したがって、前記ピエゾ素子１０ａ〜１０ｄに対して同一の設定値を差動増幅器１２に与えることにより、前記基板１を試料面に平行に降下させることができる。また、前記設定値を選択することにより、基板１の傾きを補正したり、逆に該基板１を傾斜させることができる。２０は該ピエゾ素子１０ａ〜１０ｄの上端に固着されたｘｙ電動ステージであり、基板１を大きな尺度でｘおよびｙ方向に移動させることができる。
【００１６】
次に、前記した図１（ａ）  の構成の探針装置の動作を説明する。まず、図２で示したｚサーボ機構を用いて、該探針装置を試料表面上の適当な距離まで下降させて、そこで停止させる。続いて、前記基板１上に形成された第１のカンチレバー２の中から、使用するカンチレバーを選択する。この選択は、前記コネクタ部５の第２の端子群５ｂを通して、該使用するカンチレバーに接続されたヒータ線に通電し、前記曲げ機構を作動させることにより行う。このカンチレバーの選択は、１個であってもよいし、複数個であってもよい。
【００１７】
いま、前記第１のカンチレバー２の中のある１個が選択され、試料表面の加工が開始されると、コネクタ部５の前記第１の端子群５ａの中の該当する端子に加工に供する電圧が供給される。そして、前記図２のｘｙ走査機構を作動させて探針装置をスキャンすると、前記選択されたカンチレバーの探針と試料間に電子的な作用が発生し、該試料表面が加工される。この加工作業中に、何らかの理由で該使用中の探針が劣化すると、該加工は一時中断され、他の新しい探針に交換される。
【００１８】
この交換は、次のようにして行うことができる。すなわち、前記の劣化した探針を保持していたカンチレバーの曲げ機構の付勢を解除し、次に使用する新しい探針を、それに対応する曲げ機構を付勢することにより選択する。続いて、図２で説明したｘｙ走査機構またはｘｙ電動ステージを用いて、基板１をｘ方向またはｙ方向に、カンチレバー間の距離δｘまたはδｙだけ移動する。そうすると、新たに使用する探針を、加工を中断した探針位置に正確に担持することができる。続いて、前記第１のコネクタ部５ａを介して、該探針に加工に供する電圧を供給し、かつ前記ｘｙ走査機構を作動させることにより、簡単かつ短時間に探針を交換して加工作業を継続することができるようになる。なお、前記移動距離δｘまたはδｙが約５０μｍ以下の時には前記ｘｙ走査機構を使用し、該δｘまたはδｙが約５０μｍより大きい場合には前記ｘｙ電動ステージを用いるのが好適である。
【００１９】
以上のように、この実施形態によれば、現在使用中の探針が劣化した場合に、簡単に新しい探針と交換することができるというメリットがある。また、劣化した探針とこれと交換される探針との位置関係は予め分かっているので、該交換された探針を作業を中断した加工位置に簡単かつ正確に担持することができるというメリットがある。さらに、劣化した探針を新しい探針と次々に交換できるので、寿命の長い探針装置を提供することができるというメリットがある。
【００２０】
また、本実施形態によれば、劣化した探針の交換ばかりでなく、試料の加工途中で、探針の先の鋭いカンチレバーから探針の先の鈍いカンチレバーに変える操作、あるいはその逆の操作も簡単に行うことができる。このようにすれば、一個の試料に対して、一つの種類の加工だけでなく、多種の加工を施すことができるようになり、多目的な探針装置として有用となる。
【００２１】
次に、本発明の第２実施形態を、図３を参照して説明する。図３は該実施形態の探針装置の平面図である。この実施形態は、基板１の周辺部に、加工用のカンチレバー３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄおよび３４ａ〜３４ｄを設けた点に特徴がある。なお、図中の他の符号は図１および図２と同一または同等物を示す。基板１の４隅の下側には、図１と同様に、距離制御用の第２のカンチレバー３ａ〜３ｄが設けられているが、図では表現されていない。
【００２２】
前記カンチレバー３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄおよび３４ａ〜３４ｄの各々には、第１の実施形態で説明したような曲げ機構が設けられている。したがって、使用に供する探針のカンチレバーには該曲げ機構を働かせて、該探針を選択することができる。この探針装置を使用する時には、基板１を、前記ピエゾ素子１０ａ〜１０ｄおよびｚサーボ機構を用いて、図４に示されているように、基板の一辺が試料面４０に近付くように傾ける。そして、使用するカンチレバー、例えばカンチレバー３４ａの前記曲げ機構を作動させて、該カンチレバー３４ａの探針を試料面４０に近付ける。そして、カンチレバー３４ａに加工用の電圧を供給しかつｘｙ走査機構を働かせて試料面４０上を走査する。これにより、試料面４０を所望の態様で加工することができる。
【００２３】
いま、試料面４０の加工中にカンチレバー３４ａの探針が劣化したとすると、加工作業を一時中断して、例えばカンチレバー３４ｂに曲げ機構を働かせ、これを選択する。そして、前記ｘｙ走査機構を働かせて、探針装置を探針間の距離δｘまたはδｙだけ移動させて、カンチレバー３４ｂが中断位置に正確に来るように制御する。その後、該カンチレバー３４ｂの探針に加工用の電気信号を供給し、かつｘｙスキャンを再開し、加工を継続する。
【００２４】
この装置を用いて、実験的に、探針を交換して元の探針の位置に新しい探針を担持する操作を行ったところ、±５μｍ以内の精度で位置合わせすることができた。また、前記位置合わせのための移動距離δｘまたはδｙが約５０μｍ以下の時には前記ｘｙ走査機構を使用し、該δｘまたはδｙが約５０μｍより大きい場合には前記ｘｙ電動ステージを用いるのが良いことは第１実施形態と同様である。なお、該第２の実施形態では、基板１の周辺にカンチレバーを設けた例であったが、該第２の実施形態に第１実施形態を併用するようにしてもよい。
【００２５】
次に、図５は本発明の第３の実施形態の探針装置を示す図である。この実施形態は、前記第１、第２実施形態のように、カンチレバーが取付けられた基板１をｘ，ｙ，ｚ粗動あるいはｘ，ｙ，ｚ微動させる構成に特徴がある。４１は前記ｚ粗動およびｘ，ｙ，ｚ微動させる走査用スキャナであり、４２はｘ，ｙ粗動させるｘ，ｙ電動ステージである。図６は他の例を示し、４３は試料の一つであるウェハを示している。ウェハ４３のように試料の加工面積が大きい場合には、ｘ，ｙ電動ステージ４２は試料台の方に設けるのがよい。なお、他の符号は、図５と同一または同等物を示す。
【００２６】
前記した実施形態は、加工に供する第１のカンチレバー２をマトリックス状に配置したり、四角形の基板を用いた例であったが、本発明はこれに限定されず、マトリックス状でなくてもよく、また基板は四角形でなくてもよいことは勿論である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、基板に複数個の探針が配置されているので、一つの探針が劣化しても、単にカンチレバーの曲げ手段の付勢を切替えるだけで、次の新しい探針に交換することができる。したがって、探針を、従来のように、付け替える必要がなくなり、その交換が非常に簡単であるという効果がある。また、該基板に配置されている探針の位置関係は予め分かっているので、劣化した探針があった位置に交換した新しい探針を担持する操作が極めて簡単であるという効果がある。
【００２８】
また、該基板に複数個の探針が配置されているので、一つの探針が劣化しても、次々と新しい探針に交換することができる。このため、探針装置の寿命を長くすることができる。さらに、該複数個のカンチレバーに先端の径の異なる探針を取付け、かつ該探針を適当に選択して加工を行うことにより、一つの探針からではできない複雑な加工を簡単に行えるようになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態の探針装置の説明図である。
【図２】基板のｚ軸粗動装置とｘ，ｙ，ｚ微動装置の説明図である。
【図３】本発明の第２の実施形態の探針装置の説明図である。
【図４】該第２の実施形態の一使用例を示す図である。
【図５】本発明の第３の実施形態の斜視図である。
【図６】該第３の実施形態の変形例を示す斜視図である。
【図７】従来の探針装置の説明図である。
【符号の説明】
１  基板
２（２ａ，２ｂ，・・・）  第１のカンチレバー
３ａ〜３ｄ  第２のカンチレバー
４  切欠き部
５  コネクタ部
１０ａ〜１０ｄ  ピエゾ素子
２１  二酸化亜鉛
２２  ヒータ線
３２ａ〜３２ｄ、３３ａ〜３３ｄ、３４ａ〜３４ｄ  カンチレバー
４０  試料面
４１  走査用スキャナ
４２  ｘ，ｙ電動ステージ
４３  ウェハ
【図１】
0003577499.tif 000002
【図２】
0003577499.tif 000003
【図３】
0003577499.tif 000004
【図４】
0003577499.tif 000005
【図５】
0003577499.tif 000006
【図６】
0003577499.tif 000007
【図７】
0003577499.tif 000008