(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、カンチレバーのねじれ発生を防止するように、前記センサへの電源供給及び信号検出用配線をカンチレバー自由端中心から支持部に向かって伸びる中心線に対して対称に配設したことを特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項２】
支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、カンチレバーのセンサ形成面の反対側の面に、センサの形成により生じるカンチレバーの反りを相殺する膜を形成したことを特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項３】
支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、前記カンチレバー上に、センサの形成により生じるカンチレバーの反りを相殺する電歪効果素子を設けたことを特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。
【請求項４】
複数個の電歪効果素子がカンチレバー自由端中心から支持部に向かって伸びる中心線に対して対称に配設され、該複数個の電歪効果素子それぞれに独立に電圧を印加できるように構成したことを特徴とする請求項３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センサ及びその製造方法に関する。
【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、光ファイバーのブ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、ピエゾ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、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、シリコンウェハ112 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、最後にフッ化水素水溶液でカンチレバー部124 下部の分離層112 をエッチングしてカンチレバー部124 を形成して、集積型ＡＦＭセンサが完成する。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。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。
【００１０】
また、図７に図６の集積型ＡＦＭセンサを用いて変位量測定を行うための回路を示す。ピエゾ抵抗層を接続したカンチレバーの電極120 には、直流定電圧電源126 と電流計測用のオペアンプ128 が接続されている。例えば、直流定電圧電源126 の電位を＋５Ｖとすれば、図７の上側のピエゾ抵抗層の一端に接続された電極120 の電位は＋５Ｖに保たれる。下側のピエゾ抵抗層の他端に接続された電極120 は、オペアンプ128 の非反転入力端子（＋）がＧＮＤ電位に保たれていることから、ＧＮＤ電位に保たれている。
【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】
前述したM.Tortonese らにより提案されている集積型ＡＦＭセンサは、カンチレバーに歪みセンサを集積化したものであるが、同様に歪みセンサだけでなく、光検出機能を持つセンサや温度センサ、磁気センサ等を歪みセンサと共にカンチレバー上に複合集積化することは容易に考えられ、またそのようなセンサを用いることにより多種の物理情報を同時に検出できる集積型ＳＰＭセンサを構築することができる。例えば、集積型ＡＦＭセンサに光センサを集積化することにより、ＳＮＯＭ測定に利用することが可能ととなる。このようなセンサとしては、例えばシリコンにて形成されたカンチレバー上に光センサとしてＰＮフォトダイオードを集積化すること等が考えられる。
【００１３】
しかしこのような各種センサをカンチレバー上に複合集積化しようとすると、各センサへの電源供給及び信号検出用配線、あるいは基板と前記配線とを電気的に絶縁する絶縁膜等をカンチレバー上に形成する必要が一般に生ずる。一方、カンチレバー上に異種材料膜が形成されると膜応力によりカンチレバーが反ることはよく知られているが、探針を有するカンチレバーを用いてＳＰＭ測定する場合、カンチレバーの反りがあると探針先端が試料に対して傾いてしまうため、測定分解能が劣化してしまう。まして配線のように特定のパターンがカンチレバー上に形成されると、カンチレバーは単純に反るばかりでなくねじれが生じてしまう。ねじれの生じたカンチレバーでのＳＰＭ測定は極めて困難となる。
【００１４】
本発明は、このようにカンチレバー上にセンサを集積化した集積型センサ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、センサを集積化したカンチレバーのねじれ発生を防止し、良好なＳＰＭ測定を可能にした集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。
【００１５】
また、請求項２記載の発明は、センサを集積化したカンチレバーの反りの発生を防止し、あるいはカンチレバーに発生するレバーの反りを緩和させ、ＳＰＭ測定分解能の劣化を防止できるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。また、請求項３記載の発明は、センサを集積化したカンチレバー形成後に発生したレバーの反りを緩和させ、ＳＰＭ測定分解能の劣化を防止できるようにした集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。また、請求項４記載の発明は、センサを集積化したカンチレバーのねじれの発生を防止すると共に、カンチレバー形成後に発生するレバーの反りを緩和させ、良好なＳＰＭ測定を可能とする集積型ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。
【００１６】
【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、支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、カンチレバーのねじれ発生を防止するように、前記センサへの電源供給及び信号検出用配線をカンチレバー自由端中心から支持部に向かって伸びる中心線に対して対称に配設するものである。
【００１７】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいては、カンチレバーに加わる電源供給及び信号検出用配線による応力は、前記中心線に対して対称となるため、カンチレバーのねじれの発生がなくなる。
【００１８】
また請求項２記載の発明は、支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、カンチレバーのセンサ形成面の反対側の面に、センサの形成により生じるカンチレバーの反りを相殺する膜を形成するものである。
【００１９】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいては、カンチレバー上へのセンサの形成により生ずるカンチレバーの反りは、カンチレバーの前記センサ形成面とは反対面に形成した膜の応力により相殺され、カンチレバーの反りをなくすことが可能となる。なお前記膜の応力は、膜材質及び膜厚を選択して適宜設定される。
【００２０】
また請求項３記載の発明は、支持部より伸びたカンチレバー上にセンサを設けた集積型ＳＰＭセンサにおいて、前記カンチレバー上に、センサの形成により生じるカンチレバーの反りを相殺する電歪効果素子を設けるものである。このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいて、センサの形成により生じるカンチレバーの反りを相殺する電歪効果素子に電力を供給することにより、カンチレバーの反りをなくすことが可能となる。
【００２１】
また請求項４記載の発明は、複数個の電歪効果素子をカンチレバー自由端中心から支持部に向かって伸びる中心線に対して対称に配設し、該複数個の電歪効果素子それぞれに独立に電圧を印加できるように構成するものである。このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいては、前記請求項３記載の発明の作用に加えて、カンチレバーのねじれをもなくすことが可能となる。
【００２２】
【実施例】
〔第１実施例〕
次に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、カンチレバー上面からみた模式図である。図において１はカンチレバー部、２はカンチレバー部の一端に設けられた支持部、３はカンチレバー部の自由端に設けられた探針、４は探針３の近傍に設けられたセンサ（図示せず）用の第１のコンタクトホール、５は同じくセンサ用の第２のコンタクトホール、６はセンサ用の第１の配線、７はセンサ用の第２の配線、８，９は第１及び第２配線のボンディングパッド部である。そして、上記センサ用の第１のコンタクトホール４と第２のコンタクトホール５、並びに上記第１の配線６と第２の配線７とが、カンチレバー部１の自由端中心から支持部２に向かって伸びる中心線10に対して対称になるように配設して、集積型ＳＰＭセンサ11を構成している。
【００２３】
また、カンチレバー部に配置されるセンサの構成によっては、図２に示すようにセンサ用の第１及び第２のコンタクトホール４，５を上記中心線10に対して対称に配設することができない場合も多々生ずるが、そのような場合には、図２に示すように、ダミー配線パターン12を形成することにより、センサ用の第１及び第２の配線６，７が中心線10に対して対称になるように配設する。更に第３のコンタクトホール13及び第３の配線14が図示のように形成される場合は、これに対応してダミー配線パターン15を、中心線10に対して第３の配線14と対称になるように形成すればよい。
【００２４】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいては、センサ用配線による膜応力がカンチレバー部１の前記中心線10に対して対称に働くため、カンチレバー部１が膜応力によってねじれることはなくなる。なお、図１及び図２においては、配線用ボンディングパッド部８，９も前記中心線10に対して対称に配設したものを示したが、支持部２上の配線パターンの配置については、対称に配設する必要はなく、なんら制限はない。
【００２５】
〔第２実施例〕
次に第２実施例について説明する。図３は本実施例の集積型ＳＰＭセンサ20の構成を示す断面図である。図において、21はカンチレバー部、22はカンチレバー部21の一端に設けられた支持部、23はカンチレバー部21の自由端に設けられた探針部、24は探針部23の近傍に形成された光センサ用の第１の不純物拡散層、25は同じく光センサ用の第２の不純物拡散層、26，27は光センサ用の第１及び第２のコンタクトホール、28，29は光センサ用の第１及び第２の配線、30は歪みセンサ用ピエゾ抵抗、31，32は歪みセンサ用の第１及び第２のコンタクトホール、33，34は歪みセンサ用の第１及び第２の配線、35はカンチレバー部21の裏面に形成されたカンチレバー裏面膜である。
【００２６】
このように構成された第２実施例において、カンチレバー裏面膜35の膜応力が、カンチレバー部表面に形成したセンサ用配線あるいは絶縁膜等の膜応力を相殺するように設定することにより、カンチレバー部21の反りをなくすことが可能となる。
【００２７】
カンチレバー裏面膜35としては、金属、絶縁膜、半導体膜、あるいはそれらの複合膜等いずれも使用可能であり、使用する膜材料により形成膜厚を調整する。またカンチレバー裏面膜35の形成方法は、カンチレバー部21の完成後に蒸着法、スパッタ法等により形成してもよいし、あるいは予めカンチレバー部を形成するシリコン層下面に形成しておいてもよい。
【００２８】
〔第３実施例〕
次に第３実施例について説明する。図４は本実施例の集積型ＳＰＭセンサ40の構成を示す断面図である。図において、41はカンチレバー部、42はカンチレバー部41の一端に設けられた支持部、43はカンチレバー部41の自由端に設けられた探針部、44は探針部43の近傍に形成された光センサ用の第１の不純物拡散層、45は同じく光センサ用の第２の不純物拡散層、46，47は光センサ用の第１及び第２のコンタクトホール、48，49は光センサ用の第１及び第２の配線、50は光センサ用の第１及び第２の配線48，49上に形成された配線上絶縁膜、51は配線上絶縁膜50上に形成された電歪効果膜、52，53は電歪効果膜用の配線である。
【００２９】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサ40において、センサ用配線等によりカンチレバー部41に反りが発生しても、電歪効果膜51に電源54より電圧を印加することにより、反りを矯正することができる。なお、ここで言う電歪効果とは広義の意味で用いており、物性論的に言う、歪みが印加電界の２乗に比例する電歪効果のみならず、印加電界に比例する逆圧電効果も含むものとする。また電歪効果膜としてはＰＺＴ〔Pb（Zr，Ti）Ｏ3 〕，ＰＬＺＴ〔（Pb，La）（Zr，Ti）Ｏ3 〕，ＰＭＮ〔Pb（Mg1/3 ，Nb2/3 ）Ｏ3 〕，ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）等が用いられる。
【００３０】
なお、電歪効果膜として逆圧電効果に基づく電歪素子を用いて集積型ＳＰＭセンサを構成した場合には、電歪素子を歪みセンサとしてＡＦＭ測定を行うようにしてもよい。
【００３１】
〔第４実施例〕
次に第４実施例について説明する。図５は本実施例のカンチレバー上面からみた模式図である。この実施例の集積型ＳＰＭセンサ60は、電歪効果膜64，65を、カンチレバー部61の自由端中心から支持部62に向かって伸びる中心線72に対して対称に配設し、それぞれ独立に電圧を印加できるように構成したものである。なお図において、63は探針、66，67，68，69は電歪効果膜64，65用の配線、70，71はセンサ用ボンディングパッド部である。
【００３２】
このように構成した集積型ＳＰＭセンサにおいては、カンチレバー部に反りばかりでなくねじれも生じている場合でも、複数個の電歪効果膜にそれぞれ独立に電圧を印加することにより、カンチレバー部の反りとねじれを相殺することが可能となる。
【００３３】
なお、本実施例においても第３実施例と同様に、電歪効果膜を歪みセンサとして使用し、ＡＦＭ測定を行うようにしてもよい。また本実施例の場合、カンチレバー部のねじれも検出可能となるため、ＬＦＭ（Lateral force microscope）としての使用も可能となる。
【００３４】
【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、カンチレバーに形成されたセンサへの電源供給及び信号検出用配線の膜応力に起因するカンチレバーのねじれの発生を防止し、良好なＳＰＭ測定を可能にする。また請求項２記載の発明によれば、カンチレバー表面に形成されたセンサの配線等の膜応力に起因するカンチレバーの反りを低減し、ＳＰＭ測定の分解能を向上させることができる。また請求項３記載の発明によれば、カンチレバー表面に形成されたセンサの配線等の膜応力に起因して発生したカンチレバーの反りを矯正し、良好なＳＰＭ測定が可能となる。また請求項４記載の発明によれば、カンチレバー表面に形成されたセンサの配線等の膜応力に起因して発生したカンチレバーの反りやねじれを矯正し、良好なＳＰＭ測定が可能となる。
【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実施例のカンチレバー上面からみた模式図である。
【図２】図１に示した第１実施例の変形例を示す模式図である。
【図３】本発明の第２実施例を示す断面図である。
【図４】本発明の第３実施例を示す断面図である。
【図５】本発明の第４実施例のカンチレバー上面からみた模式図である。
【図６】従来の集積型ＡＦＭセンサの製造工程を示す図である。
【図７】図６に示した集積型ＡＦＭセンサを用いて変位量測定を行う回路を示す図である。
【符号の説明】
１  カンチレバー部
２  支持部
３  探針
４  センサ用の第１のコンタクトホール
５  センサ用の第２のコンタクトホール
６  センサ用の第１の配線
７  センサ用の第２の配線
８，９  ボンディングパッド
10  中心線
11  集積型ＳＰＭセンサ
12，15  ダミー配線パターン
13  第３のコンタクトホール
14  第３の配線
20  集積型ＳＰＭセンサ
21  カンチレバー部
22  支持部
23  探針部
24  光センサ用の第１の不純物拡散層
25  光センサ用の第２の不純物拡散層
26  光センサ用の第１のコンタクトホール
27  光センサ用の第２のコンタクトホール
28  光センサ用の第１の配線
29  光センサ用の第２の配線
30  歪みセンサ用ピエゾ抵抗
31  歪みセンサ用の第１のコンタクトホール
32  歪みセンサ用の第２のコンタクトホール
33  歪みセンサ用の第１の配線
34  歪みセンサ用の第２の配線
35  カンチレバー裏面膜
40  集積型ＳＰＭセンサ
41  カンチレバー部
42  支持部
43  探針部
44  光センサ用の第１の不純物拡散層
45  光センサ用の第２の不純物拡散層
46  光センサ用の第１のコンタクトホール
47  光センサ用の第２のコンタクトホール
48  光センサ用の第１の配線
49  光センサ用の第２の配線
50  配線上絶縁膜
51  電歪効果膜
52，53  電歪効果膜用の配線
54  電源
60  集積型ＳＰＭセンサ
61  カンチレバー部
62  支持部
63  探針
64、65  電歪効果膜
66〜69  電歪効果膜用の配線
70，71  センサ用ボンディングパッド
72  中心線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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