(57)【要約】【課題】  ナノワイヤ成長により形成されるモノリシック高アスペクト比のナノサイズ走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）ティップを提供する。【解決手段】  マイクロマシン加工ピラミッド・ティップが、ティップの頂部からのエピタキシャル・ナノワイヤの成長によって延長された、走査プローブが開示される。金などの金属粒子でナノワイヤを終端させて、無絞り近接場光学顕微鏡プローブを実現することができる。【選択図】      図１
2009532665.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバと、
前記カンチレバ上に形成されたマイクロマシン加工単結晶ピラミッドと、
前記ピラミッドの頂部から延びる単結晶ナノワイヤと
を備え、
前記ナノワイヤは、前記単結晶ピラミッドに関してエピタキシャルである、
走査プローブ。
【請求項２】
前記ナノワイヤは、前記単結晶ピラミッドと継ぎ目のない界面を形成する、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項３】
前記ナノワイヤの先端の金属粒子をさらに含む、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項４】
前記ナノワイヤは、前記単結晶ピラミッドの材料とは異なる少なくとも１つの材料を含む、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項５】
前記ナノワイヤの長さ対直径のアスペクト比は１０よりも大きい、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項６】
前記ナノワイヤは導電性である、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項７】
前記ナノワイヤは絶縁性である、請求項１に記載の走査プローブ。
【請求項８】
カンチレバと、
前記カンチレバ上に形成されたマイクロマシン加工単結晶ピラミッドと、
前記ピラミッドの頂部から延びる高異方性結晶ナノ構造体と
を備え、
前記ナノ構造体と前記ピラミッドの前記頂部との間に継ぎ目のない界面が存在する、
走査プローブ。
【請求項９】
前記ナノ構造体の先端の金属粒子をさらに含む、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１０】
前記ナノ構造体は、前記単結晶ピラミッドの材料とは異なる少なくとも１つの材料を含む、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１１】
前記ナノ構造体は導電性である、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１２】
前記ナノ構造体は絶縁性である、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１３】
前記高異方性結晶ナノ構造体はナノチューブである、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１４】
前記高異方性結晶ナノ構造体は半導体ナノワイヤである、請求項８に記載の走査プローブ。
【請求項１５】
走査プローブを形成する方法であって、
カンチレバのアレイを形成するステップと、
前記カンチレバの各々の上に、異方性エッチングによりシリコン・ピラミッド・ティップを形成するステップと、
前記シリコン・ピラミッド・ティップの頂部の上に触媒を堆積するステップと、
前記シリコン・ピラミッド・ティップの上の前記触媒からナノワイヤを成長させるステップと、
前記シリコン・ピラミッド側面から非垂直ナノワイヤを除去するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記触媒は金属膜を凝集させることによって形成される、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記触媒はメッキによって堆積させられる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記ナノワイヤを成長させるステップはエピタキシによる、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
前記非垂直ナノワイヤは方向性反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）によって除去される、請求項１５に記載の方法。
【請求項２０】
全てが平行のナノワイヤを取得する方法であって、
サブセットが平行である複数のナノワイヤを基板上に成長させるステップと、
平行ナノワイヤの前記サブセットが、反応性イオン・エッチング・ビームに平行となるように、前記基板を位置調整するステップと、
前記イオン・ビームに非平行である少なくとも１つのセグメントを有するナノワイヤをエッチング除去するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査顕微鏡プローブに関し、より具体的には、Ｓｉナノワイヤで延ばされたティップを有する、エッチングされたシリコン・ピラミッドで作られたモノリシック・シリコン・プローブに関する。本発明はまた、シリコン・プローブ及びナノワイヤ延長部を製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び近接場走査光学顕微鏡（ＮＳＯＭ）などの走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）技術は、表面の研究に非常に有用な技術である。取得されるＳＰＭ画像は、ナノメートル・スケールでの表面特性（例えばトポグラフィ又は粗さ）を与える。結果として、ＳＰＭ機器は今日、小さな寸法が関与する工業界において検査のために日常的に使用されている。典型的な例は半導体業界であり、ＡＦＭは、膜堆積又は化学機械研磨（ＣＭＰ）ステップの後に表面の粗さ及びトポグラフィを評価するのに用いられる。半導体業界におけるＡＦＭのもう一つの重要な用途は、非常に高いアスペクト比（高さ対幅の比が１０．０よりも大きい）をもつ深いトレンチの測定である。トレンチは、チップのメモリ・キャッシュを形成するコンデンサを作製するのに用いられる。
【０００３】
殆どのＳＰＭ機器は、カンチレバの先端に作製された鋭いティップを用いて表面の特徴を記録する。一般に、表面画像はティップと表面の特徴（取得を望むデータ）の間の重ね合わせの結果である。それゆえ、ティップが“より鋭く”なれば、空間的デルタ関数をより良く近似して、より正確な表面の画像化をもたらす。
【０００４】
画像化に影響を及ぼすと考えるべきティップの先端の実際の曲率半径は、ティップと表面の間の相互作用のタイプに依存する。多くのティップ−表面相互作用は、ｒを距離として１／ｒｎで減衰し、ここでｎは２から６までの間の数である。具体的にそして一例として、表面と球の間のレナード・ジョーンズ対ポテンシャルに対しては、上式におけるｎは３に等しい。これは長距離相互作用と考えられ、機器の解像度を高めるには高アスペクト比のティップが必要であることを示唆する。言い換えれば、相互作用が長距離であるから、その先端から離れたティップ本体の部分（曲率半径の大きなティップの場合には、必ずしも表面からではない）もまた、測定される相互作用に関与する。長さ対幅のアスペクト比が高いティップは、これらの関与を最小にする。さらに、高アスペクト比のティップは深いトレンチの検査に必要である。
【０００５】
従来のＡＦＭティップは、シリコン、Ｓｉの異方性エッチングによって作製される。これらのティップは、シリコン・カンチレバの先端に形成され、Ｓｉ（１１１）表面によって画定される三角形の側面をもったピラミッドの形状を有する。これらのティップはバッチ・シリコン加工処理技術（マイクロマシン加工とも呼ばれる）によって作製されるので、それらは完全なウェハとして販売され、そしてそれらのコストはドルの程度である。これら従来技術のティップの欠点は不十分な画像化解像度であり、その低アスペクト比及び凡そ５−３０ｎｍ（最良の場合）の大きな曲率半径によるものである。ピラミッド形シリコン・ティップの一例を図１に示す。図２は、表面トポグラフィをマッピングするのにＡＦＭティップをどのように用いるかを図示したものである。この図において、参照番号１０３は分析対象の表面を表し、参照番号１０１はＳｉティップを表し、参照番号１０２はカンチレバを表す。マイクロマシン加工ＡＦＭプローブを有する典型的なシリコン・ウェハを図３に示す。この図において、参照番号２０１はマイクロマシン加工ＡＦＭプローブを有するウェハを表し、参照番号２０３はＳｉティップを示し、参照番号２０２はカンチレバを示す。
【０００６】
解像度を向上させるために、カーボン・ナノチューブ（ＣＮＴ）を通常のＳｉティップの先端に接着することができる（例えば、非特許文献１を参照されたい）。ＣＮＴの使用は、小さな曲率半径だけでなく、高アスペクト比のプローブをもたらす。しかしながら、手作業による作製のために、ＣＮＴティップを取り付けたプローブのコストは、従来のマイクロマシン加工ＡＦＭティップの概ね１０００倍である。
【０００７】
【非特許文献１】Ｊ．Ｍａｒｔｉｎｅｚ他“原子間力顕微鏡カーボン・ナノチューブ・ティップの電子ビーム支援による長さ制御と研磨”、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、１６（２００５）２４９３−２４９６。
【非特許文献２】Ｅ．Ｉ．Ｇｉｖａｒｇｉｚｏｖ、“高異方性結晶”、Ｋｌｕｗｅｒ  Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｕｂｌｉｓｈｅｒｓ、Ｎｏｒｄｗｅｌｌ、ＭＡ、１９８６年。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述を考慮すると、ＣＮＴ類似のＡＦＭティップ（即ち、数ナノメートルの曲率半径と、１００：１のアスペクト比を有する）を、従来のマイクロマシン加工ＡＦＭティップのコストで産出するバッチ製造プロセスに対する必要性がある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、従来のマイクロマシン加工Ｓｉ・ＡＦＭティップの先端からナノワイヤを成長させることによって作製される、高アスペクト比のナノメートル・サイズのティップを提供する。成長したナノワイヤ（又はナノ構造体）はＳｉティップの延長部であり、従来技術のプローブの場合のようにＳｉティップに接着したものではない。従って、本発明の構造体にはＳｉティップとナノワイヤの間の継ぎ目がないが、そのような継ぎ目はＣＮＴがＳｉティップに接着される従来技術の構造体には存在する。
【００１０】
本明細書で説明する本発明の構造体及び方法は、従来技術を超える幾つかの利点を与える。第１に、ティップの製造は、全ステップが従来のシリコン加工処理ステップであるバッチ・プロセスである。それゆえ、図３に示すように、単一のシリコン・ウェハ上に、同時に多くのティップを作製することができる。結果として、製造されるティップのコストは低く、マイクロマシン加工ＡＦＭティップのコストと同様であることが期待される。さらに、本発明において開示されるティップによって実現される性能は、従来のマイクロマシン加工ティップよりも現在のところ１０００倍ものコストがかかる、高アスペクト比ナノメートル・サイズ半径のティップの性能である。
【００１１】
第２に、本発明のシリコン・ナノワイヤは、マイクロマシン加工ＡＦＭティップの先端からエピタキシャルに（即ち同じ結晶構造から）成長する。それゆえ、ＡＦＭティップとナノワイヤの間には継ぎ目のない界面が存在する。このことは、ＣＮＴをＡＦＭティップの先端に接着する従来技術のティップを超える、優れた信頼性及び耐久性を本発明のティップに与える。
第３に、異なる材料のナノワイヤ（例えばＧｅ又はＧｅＡｓ）をシリコンＡＦＭティップ上に容易にエピタキシャル成長させることができ、プローブに対して異なる化学的終端及び異なる機械的特性を可能にする。
【００１２】
第４に、そして無開口近接場光学顕微鏡の用途に関して、本発明のティップ先端の金属（例えば金）粒子は、ティップ先端における電気的レーザ場を強化するのに必要なナノメートル共鳴散乱体を形成する。その金属粒子のサイズは、元の金属粒子がシード層として働くメッキにより大きくすることができる。
【００１３】
本発明の第１の態様において、単結晶ナノワイヤのエピタキシャル成長によって延長されたマイクロマシン加工シリコン・ティップが説明される。本発明のティップは、上にシリコン・ピラミッドがシリコンの異方性エッチングによって形成されるカンチレバを含む。ピラミッドの頂点に、単結晶ナノワイヤがエピタキシャル成長によって形成される。
【００１４】
本発明の幾つかの実施形態において、エピタキシャル・ナノワイヤは、シリコン以外の材料を含むことができる。例えば、ナノワイヤのセグメントは、Ｇｅ、ＩｎＡｓ、ＧａＡｓ、又はＺｎＯ、Ｉｎ２Ｏ３、ＷＯ３といった結晶酸化物など、少なくとも１つの他の半導体で形成することができ、従ってプローブの異なる化学的終端を取得することができる。さらに、本発明のティップの電子的特性、例えば導電性（又は絶縁性）などもまた、異なる材料の選択及び／又はナノワイヤのドーピングによって調整することができる。
【００１５】
本発明の第２の態様において、ナノワイヤ延長部を有するモノリシック・マイクロマシン加工シリコン・ティップを作製する方法が説明される。本発明の方法の１つにおいては、従来のマイクロマシン加工シリコン・ティップのアレイを有するウェハを出発ウェハとして用いる。Ｓｉピラミッドの頂部からのナノワイヤの成長を促進するのに、例えば、金などの触媒を用いる。触媒は、メッキ又は蒸着などの方法によって、シリコン・ピラミッドの上に堆積させる。ナノワイヤの各々の成長は、多くのウェハを同時に処理することができる化学気相堆積（ＣＶＤ）チャンバを用いて実施することが好ましい。最終的に、随意に反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などの方向性エッチングを用いて、シリコン・ピラミッド側面上に核形成したナノワイヤを一掃する。
【００１６】
本発明の方法はナノワイヤを用いて説明されるが、本発明の方法は、カーボン・ナノチューブ、ナノロッド、又は他の類似のナノ構造体など、他の高異方性結晶によって実施することもできる。“高異方性”という用語は、結晶又は構造体の形態を指すものである。例えば、ナノワイヤ又はウイスカは通常、直径ｄに対する長さＬの、非常に大きな（１０より大きな）比をもつフィラメント状結晶と考えられる。本明細書で与えられる実施例においては、ナノワイヤは、典型的には、直径ｄが１０ｎｍに等しく、長さＬが７００ｎｍに等しい単結晶Ｓｉ本体からなる。ナノチューブ成長を促進するのに用いられる触媒（典型的には鉄酸化物）、及び成長温度（典型的には約９００℃）などの成長の仕様は、シリコン・ナノワイヤの場合とは多少異なる。しかし、高異方性結晶のエピタキシャル成長によりマイクロマシン加工シリコン・ティップを延長する原理は、依然として同じである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明は、モノリシック高アスペクト比のナノメートル・サイズ走査プローブ・ティップ及びそれを作製する方法を提供するが、以下の考察を参照することにより、これからより詳細に説明する。この考察において、本発明の実施形態を示す図３乃至図１８を参照する。本発明の実施形態の図面は説明のために与えるものであり、そこに含まれる構造体は必ずしも一定の尺度で描かれてはいない。
【００１８】
ここで再び、本発明の方法はシリコン・ナノワイヤ及びシリコン加工処理法を用いて説明することを強調する。本発明の方法はまた、例えばカーボン・ナノチューブ及び金属−酸化物ウイスカなど、他の高異方性結晶を用いて実施することができる。非Ｓｉナノワイヤ／ナノチューブを使用するとき、本発明の加工処理ステップは、用いる成長温度、前駆物質、及び触媒のタイプが異なり得ることを除いて基本的に同じである。しかしながら、殆どの用途において、良く確立されたシリコン加工処理技術との適合性のためにシリコン・ナノワイヤの使用が好ましいことに留意されたい。
【００１９】
これより本発明を、図３乃至図１８を参照してより詳細に説明する。具体的には、図３は、本発明において出発基板として用いる、マイクロマシン加工ＡＦＭプローブのアレイを有するシリコン・ウェハ２０１を示す。ＡＦＭプローブの各々は、カンチレバ２０２及びピラミッド形シリコン・ティップ２０３を備える。ピラミッド形シリコン・ティップ２０３は、典型的には、シリコンの異方性エッチングにより形成する。例えば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）を用いたシリコンのマスク・エッチングは、Ｓｉ（１１１）平面の非常に遅いエッチングを示す。結果として、側面がＳｉ（１１１）平面であるピラミッドが形成される。
【００２０】
図４を参照すると、カンチレバ３０２の上に位置するシリコン・ティップ３０３の上部分に金属膜３０４を堆積させる。金属膜は、Ａｕ、Ｉｎ、Ｔｉ及びＡｌを含むが、本発明においてはＡｕが特に好ましい。金属膜は、ナノワイヤの成長のための触媒として用いる。金属膜の堆積は、蒸着又はメッキなどの方法によって実施することができる。金属膜を堆積させる領域を画定するのに、典型的にはフォトレジスト・マスクを用いる。
【００２１】
図５を参照すると、ナノワイヤ３０６の成長は金属触媒３０７によって促進され、典型的には、化学気相堆積（ＣＶＤ）又はプラズマ助長化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）によって実行される。本発明のナノワイヤ３０６は、典型的には、１０よりも大きな長さ対直径のアスペクト比を有する。ナノワイヤ成長の前に、アニーリング（典型的には、３７０°−５５０℃）を用いて金属膜３０４を小さな金属―シリコン共晶液滴に凝集させる。次に、液滴はナノワイヤ成長を促進する金属触媒３０７を形成する。
【００２２】
上記の膜凝集手法の１つの欠点は、触媒サイズが比較的大きいばらつきを示すことである。シリコン・ティップの頂部に触媒を導入する別の手法は、金属コロイドのスピン・コーティングによるものである。金属コロイドを用いる利点は、金属粒子の均一なサイズにあり、粒子は普通、８％未満のばらつきで狭いサイズ範囲に入る。
【００２３】
ナノワイヤ成長温度は使用する前駆物質に依存する。例えば、シラン（ＳｉＨ４）を用いてシリコン・ナノワイヤを成長させるとき、成長温度は、典型的には約３７０℃から約５００℃までである。例えば四塩化珪素（ＳｉＣｌ４）など他の前駆物質に対しは、成長温度は、典型的には約８００℃から約９５０℃までである。ＳｉＨ４に塩素を加えることによって、成長温度は６００℃より高くすることができる。ナノワイヤ３０６の成長速度は、成長温度及び成長チャンバ内の気体圧力に依存する。例えば、圧力１トル及び成長温度４５０℃において、Ｈ２で希釈したＳｉＨ４（１：１)により成長するシリコン・ナノワイヤの典型的なＣＶＤ成長速度は約７．６μｍ／時である。
【００２４】
ナノワイヤの異方性成長は、蒸気―液体―固体（ＶＬＳ）機構によって最も良く説明される。例えば、非特許文献２を参照されたい。成長が開始すると、金属―シリコン液体合金が形成される。気相からのＳｉの追加供給（例えばＳｉＨ４）により、金属―シリコン液滴はＳｉで過飽和となり、過剰シリコンは固液界面に堆積する。結果として、液滴は、元の基板表面から成長するナノワイヤ結晶の先端へと上昇する。成長温度が約５００℃より低く保たれる場合（ＳｉＨ４を用いる場合）、又は代替的に塩素添加物を用いる場合には、ピラミッド側面上にシリコンの堆積は起こらない。
【００２５】
マイクロマシン加工シリコン・ティップ３０３のピラミッド側壁は、ピラミッドが典型的にはシリコンの異方性エッチによって作製されるので、Ｓｉ（１１１）面により画定される。ナノワイヤ３０６は、図５に示すように、普通（１１１）面と直角に成長する傾向がある。
【００２６】
図６を参照すると、全ての非直角ナノワイヤの一掃は、反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ）などの方向性エッチングによって実行される。エッチング・プロセスの継続時間は、ｄをナノワイヤ直径、θを基板表面に対するピラミッド側面の角度として、除去されるＳｉの量がｄ／ｓｉｎ（θ）よりも多くなるように時間設定する。近垂直ナノワイヤ３０９だけが、エッチング・プロセスに耐えて残る。殆どのＲＩＥ化学剤に対して、垂直ナノワイヤはエッチング抵抗マスクとして働く金属触媒３０７によって保護されるので、実質的に過度にエッチングすることが可能である。
【００２７】
非垂直ナノワイヤのＲＩＥによる一掃を図７に示す。基板３２０はナノワイヤの２つのグループのホストとなる。第１グループ３２１は、基板表面に直角なナノワイヤ｛ｂ、ｃ、ｄ、ｆ、ｈ、ｉ｝から成る。基板３２０は水平であるから、これらのナノワイヤは垂直と見做される。ナノワイヤの第２グループ３２２｛ａ、ｅ、ｇ｝は、基板３２０に対して９０度以外の角度にある少なくとも１つの部分を有する。従って、これらのナノワイヤは非垂直であると見做される。基板に直角であり、従って垂直ナノワイヤに平行であるイオン・ビームを用いて、基板３２０に方向性ＲＩＥを適用することにより、主に、第２グループのナノワイヤ｛ａ、ｅ、ｇ｝（即ち、非垂直部分を含むナノワイヤ）がエッチングされる。イオン・ビームの方向性のため、垂直ナノワイヤはエッチングされない。さらに、上述のように、垂直ナノワイヤ本体は、ナノワイヤの先端にある金属触媒３２５によって、エッチングからさらに保護される。
【００２８】
図９及び図１０は、部分的にエッチングされた非垂直シリコン・ナノワイヤの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。図８は、ナノワイヤの部分的エッチングの図的記述である。この図において、参照番号３２５は触媒粒子を示し、参照番号３４０は部分的にエッチングされたナノワイヤを示し、点線で境界付けされた領域３４４内部の範囲はエッチングされた元のナノワイヤの部分を示し、及び参照番号３２０は基板を示す。ナノワイヤの成長方向は、Ｓｉ（１１１）面から成るピラミッド側面に直角である。ナノワイヤの元の厚さは約３０ｎｍである。このサンプルに対しては、非垂直ナノワイヤをエッチング除去するのに、ＣＦ４化学剤によるＲＩＥを用いた。このサンプルの殆どのナノワイヤは約１０ｎｍの直径を有するので、全体のエッチング時間は約１２ｎｍのシリコンを除去するように設定した。画像が示すように、成長したときに３０ｎｍ厚さのナノワイヤは、部分的にエッチングされて約１８ｎｍのＳｉが残る。成長したときの直径がＲＩＥによって除去されるシリコンの量を超えるので、このナノワイヤはエッチングに耐えて残る。
【００２９】
ナノワイヤの成長をマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの頂部に限定する幾つかの手法がある。前に検討した１つの手法は、通常のリソグラフィを用いて金属触媒の堆積をＳｉピラミッドの頂部に限定することである。この手法は、マイクロマシン加工シリコンによってもたらされる大きなトポグラフィのために、粗い尺度においてのみ実行可能であることに留意されたい。大きなトポグラフィは、比較的厚いフォトレジストの使用及び限られた焦点深度のため、粗いリソグラフィに至る。これらの問題を考えて、ナノワイヤ成長をマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの先端部分に限定する付加的な方法をここで以下に説明する。
【００３０】
金属膜がある臨界厚を下回る場合、ナノワイヤは核形成しないことが知られている。このことは、ピラミッド・ティップの頂部に側壁上よりも厚い金属膜を堆積することができれば、シリコン・ピラミッドのまさに頂部からのナノワイヤ成長を得るのに利用することができる。側面上の金属膜の厚さは、ナノワイヤ核形成の臨界厚より低く保つ必要がある。臨界厚は成長の詳細に依存する。本明細書で示した成長条件に対しては、堆積金属厚が約１ｎｍ未満であればナノワイヤの核形成は殆ど認められなかった。
【００３１】
図１１及び１２を参照すると、蒸着視線４０６により、金属はＳｉティップ４０３上（カンチレバ４０２上に位置する）に堆積する。結果として、側壁４０４上の金属は、ティップ頂上４０５の上の金属よりも薄くなる。Ｓｉ（１１１）に対しは、側壁上の金属の厚さは、頂上の金属厚の約０．５８である。この比はあまり大きくないが、それでも、ティップ頂上４０５の上の１．５ｎｍの金属を制御可能なように堆積し、そして側面４０４上に０．８６ｎｍだけ得ることが可能である。それゆえ、金属厚が約１ｎｍの臨界厚を下回っているので、側壁上にはナノワイヤの成長は殆ど又は全く得られない。
【００３２】
厚さの差異をもたらす別の方法はメッキである。メッキにより電場（及び従って電流）はティップ先端により強化され、頂上におけるさらに多くの金属堆積がもたらされる。
【００３３】
図１３は、ナノワイヤ５０７及び金属粒子５０８が無開口近接場光学顕微鏡プローブを形成する、別の実施形態を示す。この図において、参照番号５０３はＳｉティップを示し、参照番号５０２はカンチレバを示す。ナノワイヤ・ティップの先端の金属粒子は、非常に効果的なナノメータスケールの共鳴散乱体を形成し、散乱体を励起する光場Ｅを強める。参照番号５０９は、この技術を用いて生成される局所的電場増強を示す。光場はプローブ軸に沿って偏向する必要があり、その周波数は金属粒子のプラズモン共振周波数と一致する必要がある。例えば、小さな球形の金粒子に対しては、凡そ５００ｎｍの波長で表面プラズモン共振を励起することによって、電場をかなり効果的に強めることができる。金属粒子５０８は、成長の際のナノワイヤの直径を画定することに留意されたい（図１４のＳＥＭ画像を参照されたい。参照番号５１１は金属粒子を示し、参照番号５１０はＳｉナノワイヤを示す）。必要であれば、ナノワイヤの成長が完了した後、金属粒子５０８のサイズ及び可能的に形状は、シードとして働く元の金属粒子による化学メッキによって調整することができる。
【００３４】
以下の実施例は、本発明のモノリシック・シリコン・プローブをより詳しく説明するために与えられる。
【実施例１】
【００３５】
この実施例においては、図４−６に概略を示した方法を用いて、シリコン・ナノワイヤによって延長したマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドを与えた。具体的には、シリコン・ウェハをマスクし、ＫＯＨ中でエッチングしてシリコン・ピラミッドを形成した。自然酸化物はＨＦ浸漬によって除去し、２ｎｍ厚の金膜をシリコン・ピラミッド上に蒸着した。次にウェハをＵＨＶ−ＣＶＤ炉内に入れた。１０分間、Ｈ２雰囲気中において５００℃で成長前アニールを行って、Ａｕ膜をＡｕＳｉ共晶液滴に凝集させた。次いで炉温を下げて４２０℃のナノワイヤ成長温度にした。圧力２トルにおいて純シラン（ＳｉＨ４）を前駆物質として用いた。図１５及び１６は、成長後のシリコン・ピラミッドを示すＳＥＭ画像である。シリコン・ナノワイヤの典型的な長さは約７００ｎｍであり、それらの典型的な直径は約１０−１２ｎｍである。
【００３６】
成長後、ウェハは、ＣＦ４化学剤を用いるＲＩＥによりエッチングした。図１７及び１８に見られるように、非垂直ナノワイヤはピラミッド側面からエッチング除去され、垂直ナノワイヤのみが残る。
【００３７】
本発明は、その好ましい実施形態に関して詳しく示し説明したが、当業者であれば、形態及び細部における前述及び他の変更を本発明の趣旨と範囲から逸脱せずに施すことができることを理解するであろう。従って、本発明は、説明し例証した通りの形態及び細部に限られるものではなく、添付の特許請求の範囲に含まれることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】マイクロマシン加工ＡＦＭティップの、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図２】表面トポロジをマッピングするのに、どのようにＡＦＭティップが用いられるかを示す図的記述である。
【図３】マイクロマシン加工ＡＦＭシリコン・ティップのアレイの図的記述である。
【図４】ナノワイヤ延長部を有する走査プローブを作製するための本発明で用いる基本加工処理ステップを示す、第１の実施形態の図的記述である。
【図５】ナノワイヤ延長部を有する走査プローブを作製するための本発明で用いる基本加工処理ステップを示す、第１の実施形態の図的記述である。
【図６】ナノワイヤ延長部を有する走査プローブを作製するための本発明で用いる基本加工処理ステップを示す、第１の実施形態の図的記述である。
【図７】非垂直ナノワイヤを除去するのに用いる、方向性ＲＩＥプロセスの図的記述である。
【図８】ナノワイヤの部分的エッチングを示す図的記述である。
【図９】イオン・ビームと平行でないナノワイヤを除去するのに用いる方向性ＲＩＥの後で、部分的にエッチングされたナノワイヤを示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。成長したときの直径がＲＩＥによって除去されるシリコンの量を超えるために、画像化されたナノワイヤはエッチングに耐えて残る。ＳＥＭ画像は構造体のより多くの部分を示す。
【図１０】イオン・ビームと平行でないナノワイヤを除去するのに用いる方向性ＲＩＥの後で、部分的にエッチングされたナノワイヤを示す、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。成長したときの直径がＲＩＥによって除去されるシリコンの量を超えるために、画像化されたナノワイヤはエッチングに耐えて残る。ＳＥＭ画像は構造体のより多くの部分を示す。ＳＥＭ画像は図９に示した囲み領域内の画像を示す。
【図１１】シリコン・ピラミッドの頂部とその側面における異なる堆積速度を利用してナノワイヤの成長をピラミッドの頂部に限定する、本発明の別の実施形態の図的記述である。
【図１２】シリコン・ピラミッドの頂部とその側面における異なる堆積速度を利用してナノワイヤの成長をピラミッドの頂部に限定する、本発明の別の実施形態の図的記述である。
【図１３】本発明の方法の１つを用いて、シリコン・ピラミッド・ティップの先端からナノワイヤを成長させることにより実現される、無開口近接場光学顕微鏡ティップの図的記述である。ナノワイヤの先端の金属粒子は、光場を強化するのに用いられる共振楕円体を形成する。
【図１４】先端に金属粒子を有する本発明の単結晶シリコン・ナノワイヤの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像である。
【図１５】ＳｉナノワイヤのＣＶＤ成長後のマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの走査型電子顕微鏡画像である。マイクロマシン加工ピラミッドの全体を示す。
【図１６】ＳｉナノワイヤのＣＶＤ成長後のマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの走査型電子顕微鏡画像である。図１５に示した点線囲み部分を表す。
【図１７】非垂直ナノワイヤのＲＩＥによる除去後のマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの走査型電子顕微鏡画像である。
【図１８】非垂直ナノワイヤのＲＩＥによる除去後のマイクロマシン加工シリコン・ピラミッドの走査型電子顕微鏡画像である。
【符号の説明】
【００３９】
１０１、２０３、３０３、４０３、５０３：シリコン・ティップ
１０２、２０２、３０２、４０２、５０２：カンチレバ
１０３：分析表面
２０１：シリコン・ウェハ
３０４：金属膜
３０６、５０７：ナノワイヤ
３０７、３２５：金属触媒
３０９：近垂直ナノワイヤ
３２０：基板
３２１：ナノワイヤの第１グループ
３２２：ナノワイヤの第２グループ
３４０：部分的にエッチングされたナノワイヤ
３４４：領域
４０４：側面
４０５：ティップ頂上
４０６：蒸着視線
５０８、５１１：金属粒子
５０９：局所的電場増強
５１０：シリコン・ナノワイヤ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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