(57)【要約】【課題】スクイズ効果を抑制し、カンチレバーのＱ値を高くする。【解決手段】走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、一端１２１が基部１１０に固定されている可撓性の可撓梁１２０と、可撓梁１２０の他端１２２の側に設けられている探針１３０と、探針１３０と可撓梁１２０の他端１２２の側とを含む領域に形成されている貫通孔１４０とを備えている。【選択図】    図１
2004198134.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基部と、
一端が基部に固定されている可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端側に設けられている探針と、
探針と可撓梁の他端側とを含む領域に形成されている貫通孔と、
を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【請求項２】
前記探針は、平板状であって、前記可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出していることを特徴とする請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【請求項３】
前記探針は、前記可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向にそれぞれ延び、互いに接近して重なる２つの平板部材を有しており、前記貫通孔は、これら２つの平板部材と可撓梁の他端とで囲まれていることを特徴とする請求項２に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【請求項４】
基部と、
一端が基部に固定されている可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出している平板状の探針と、
可撓梁の他端側と探針とにわたって形成されている補強盛り上がり部と、
を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【請求項５】
基部と、
一端が基部に固定されていて、平板状である可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出している平板状の探針であって、可撓梁の一面と探針の一面とが連続している探針と、
可撓梁の他端側と探針とにわたって形成されており、一面側で窪んでいて、他面側で突出している補強部と、
を備えていることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【請求項６】
前記可撓梁、探針及び補強部は、同じ材料で形成されていることを特徴とする請求項５に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などの走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）に用いるカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）は原子オーダーの測定分解能を有し、表面凹凸形状の計測などに利用される装置であって広く普及している。計測の際、探針と試料の間に流れるトンネル電流やこれらの間に生じる原子間力等の物理量が検出される。この検出量が一定となるように試料に対して探針を走査すると、探針と試料の間の距離が一定に維持されながら走査が行われる。この結果、探針は試料の表面凹凸形状に沿って走査される。ＡＦＭはＳＰＭの中で最も普及している装置であって、その測定には、先端に探針を備えたカンチレバーが用いられる。
【０００３】
特許文献１には３種類のカンチレバーが開示されている。図１４、図１５及び図１６はそれぞれのカンチレバーの斜視図である。図１４及び図１５に示すカンチレバーでは、一端が固定された可撓性の梁１０２０，１１２０の自由端側にそれぞれ中空である四角錐状の探針１０３０、円錐状の探針１１３０が固定されている。図１６のカンチレバーでは、平板状である可撓性の梁１２２０の自由端が折れ曲がっており、自由端の先端は尖っている。この折れ曲がった部分が探針１２３０を形成している。図１６のカンチレバーは鳥のくちばしのような形状を有しており、バーズビーク（Ｂｉｒｄ’ｓ  Ｂｅａｋ）型と称されることもある。梁１２２０と探針１２３０はシリコン酸化膜で形成されている。
【０００４】
梁１２２０の自由端は１２５°程度の角度で折れ曲がっている。梁１２２０及び探針１２３０は半導体製造プロセスを利用して製造される。折れ曲がった部分の角度は、製造に用いられるシリコンウエハの（１００）面と（１１１）面のなす角度に対応している。
【０００５】
図１６のカンチレバーの形状は単純であるので、図１４及び図１５のカンチレバーよりも容易に製造することができる。この形状をもつカンチレバーの探針先端は比較的小さい曲率半径、例えば約５０ｎｍ〜約１００ｎｍの曲率半径をもつことができる。
【０００６】
図１６の探針１２３０は、これと同じ高さをもつ図１４、図１５の探針１０３０，１１３０よりも軽い。梁１０２０，１１２０，１２２０がほぼ同じ形状寸法を有し同じ柔らかさを示すとすれば、図１６のカンチレバーの共振周波数が一番高い。従って、図１６のカンチレバーは試料の表面凹凸形状に最も良く追従することができる。
【０００７】
光学顕微鏡と組み合わされたＡＦＭでは、使用者は光学顕微鏡でカンチレバーを観察しながら試料の測定部位に探針を位置決めする。図１４及び図１５のカンチレバーが用いられる場合には、探針１０３０，１１３０が梁１０２０，１１２０に隠れて直接探針１０３０，１１３０を観察できない場合がある。一方、図１６のカンチレバーが用いられる場合には、探針１２３０を容易に観察できるので、短時間で容易に位置決めを行うことができる。従って、測定の効率が高い。
【０００８】
測定中、探針には極めて小さい力が作用する。この力により可撓性の梁が撓む。この撓みは所定のセンサにより検出される。カンチレバーが試料の表面凹凸形状に正確に追従するには、可撓性の梁がこの極めて小さい力に鋭敏に反応して撓む必要がある。このため、可撓性の梁は十分柔らかいことが求められる。
【０００９】
測定中、可撓性の梁だけでなく、探針も変形することがある。図１４、図１５の探針１０３０，１１３０は３次元構造を有しているので、剛性が高い。従って、探針の変形は無視できる。一方、図１６に示された平板状の探針１２３０の変形は無視できない。探針１２３０の先端に向け探針の延びる方向を探針軸として定義したとき、探針１２３０に作用する力の、探針軸と直交する方向の成分（分力）が大きくなると探針１２３０の変形が生じる。例えば、探針１２３０に試料表面に平行な方向の力が作用する場合には変形が生じやすい。力の作用が探針１２３０の変形と可撓性の梁１２２０の撓みとに分配されると、カンチレバーが試料の表面凹凸形状に正確に追従しなくなるので、表面形状の検出感度が低下する。
【００１０】
図１７には別のバーズビーク型カンチレバーが示されている。このカンチレバーは図１６のものと同様に平板状である梁１３２０を有しているが、梁１３２０は２つの梁１３２１，１３２２により構成されている。梁１３２０の長さ方向にｘ軸を、平板状の梁１３２０に平行でｘ軸と直交する方向にｙ軸をとる。２つの梁１３２１，１３２２はほぼｙ軸方向に離間している。このため、２つの梁１３２１，１３２２の幅を足した梁幅の和が小さなわりに剛性が高い。梁１３２１，１３２２の間には孔１３４０が形成されているので、梁１３２０のバネ定数は図１６の梁１２２０のものと比較して小さくなる。バネ定数が小さいと、カンチレバーは試料を歪ませたり傷つけたりすることなく試料の表面凹凸形状に正確に追従することができる。梁１３２０は酸化シリコンを堆積することにより製造される。この製造方法はより薄い梁１３２０を精度良く製造するのに適している。梁１３２０の薄さはバネ定数の小ささに寄与する。
【００１１】
バネ定数の小さい梁をもつカンチレバーはコンタクトモード測定及び液体中で行うＡＣモード測定に適している。コンタクトモード測定中、探針は常に試料に一定の力で押し付けられる。一方、ＡＣモード測定を行う際には、カンチレバーを試料とともに液体に入れ振動させる。振幅は約２０ｎｍ〜約２００ｎｍである。サーボ機構を用いたＡＣモード測定に際してカンチレバーを共振周波数付近で励振させる場合、カンチレバーのＱ値が高いほど、より鋭敏にカンチレバーの振動変位が試料の表面凹凸形状に順応する。カンチレバーが０．０１Ｎ／ｍ〜１００Ｎ／ｍの典型的なバネ定数を有している場合、Ｑ値はカンチレバーの共振周波数が高い程大きい値を示すことが多い。
【００１２】
ＡＣモード測定中、カンチレバーの周りの空気や液体はカンチレバーの振動を減衰させる抵抗媒体としてふるまう。特に試料とカンチレバーに挟まれる空間に存在する空気や液体はカンチレバーの振動の速度に追従できず、その結果、より大きな抵抗を示す媒体としてふるまう。一般にこれはスクイズ効果と呼ばれる現象である。スクイズ効果が起こると、カンチレバーの振幅は、スクイズ効果が起こらない場合、即ちカンチレバーが試料から十分離れている場合に比べて小さくなる。このとき、Ｑ値は小さくなり、結果カンチレバーは試料の表面凹凸形状に追従しにくくなる。高感度のＡＣモード測定を実現するにはスクイズ効果を抑制する必要がある。
【００１３】
【特許文献１】
特開平１−２６２４０３号公報
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の第１の目的は、探針近傍が高い剛性をもつ走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することである。本発明の第２の目的は、スクイズ効果を抑制することができる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することである。本発明の第３の目的は、高い共振周波数をもち、試料の表面凹凸形状に正確に追従することができる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、
基部と、
一端が基部に固定されている可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端側に設けられている探針と、
探針と可撓梁の他端側とを含む領域に形成されている貫通孔と、
を備えている。
【００１６】
可撓梁が振動する際、探針の周囲にある流体は貫通孔を通過できるので流体の抵抗は小さくなる。このため、カンチレバーは高いＱ値をもつ。貫通孔は探針と可撓梁の他端側とを含む領域に形成されているのでカンチレバーの探針が設けられている側は軽量である。このため、カンチレバーは高い共振周波数をもつ。
【００１７】
本発明の請求項２に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーでは、前記探針は、平板状であって、前記可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出している。
【００１８】
このため、探針は軽量であるので、カンチレバーは高い共振周波数をもつ。
【００１９】
本発明の請求項３に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーでは、前記探針は、前記可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向にそれぞれ延び、互いに接近して重なる２つの平板部材を有しており、
前記貫通孔は、これら２つの平板部材と可撓梁の他端とで囲まれている。
【００２０】
これにより、探針の剛性を確保しつつ、カンチレバーのＱ値及び共振周波数を高くすることができる。
【００２１】
本発明の請求項４に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、
基部と、
一端が基部に固定されている可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出している平板状の探針と、
可撓梁の他端側と探針とにわたって形成されている補強盛り上がり部と、
を備えている。
【００２２】
このため、探針と可撓梁の境界の剛性は高い。
【００２３】
本発明の請求項５に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、
基部と、
一端が基部に固定されていて、平板状である可撓性の可撓梁と、
可撓梁の他端から可撓梁の長さ方向と交差する方向に突出している平板状の探針であって、可撓梁の一面と探針の一面とが連続している探針と、
可撓梁の他端側と探針とにわたって形成されており、一面側で窪んでいて、他面側で突出している補強部と、
を備えている。
【００２４】
このため、探針と可撓梁の境界の剛性は高い。
【００２５】
本発明の請求項６に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーでは、前記可撓梁、探針及び補強部は、同じ材料で形成されている。
【００２６】
このため、探針と可撓梁の境界の剛性はより高い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
図１〜図３を参照して第１の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー１００を説明する。図１はカンチレバー１００の斜視図である。単結晶シリコンで形成されたシリコン基部１１２の一面上に窒化シリコンで形成された窒化シリコン基部１１１が積層されている。これらは基部１１０を構成する。カンチレバー１００が走査型プローブ顕微鏡にて使用されるときには、基部１１０が保持される。窒化シリコン基部１１１には、平板短冊状である可撓性の可撓梁１２０の一端１２１が固定されている。可撓梁１２０の他端１２２の側には探針１３０が設けられている。探針１３０は平板状であって、可撓梁１２０の他端１２２から可撓梁１２０の長さ方向と交差する方向に突出している。探針１３０の外形は三角形であり、先端は尖っている。窒化シリコン基部１１１、可撓梁１２０及び探針１３０は窒化シリコンで一体的に形成されている。窒化シリコン基部１１１、可撓梁１２０は同一平面内で広がっており、可撓梁１２０と探針１３０は一枚の板が折れ曲がるようにつながっている。
【００２８】
探針１３０には貫通孔１４０が形成されている。探針１３０は、可撓梁１２０の他端１２２から可撓梁１２０の長さ方向と交差する方向にそれぞれ延び、互いに接近して重なる２つの平板部材１３１，１３２を有している。貫通孔１４０は２つの平板部材１３１，１３２間にあり、その形状は三角形である。
【００２９】
図２はカンチレバー１００の縦断面図である。断面は可撓梁１２０の長さ方向に広がっていて、貫通孔１４０を横切っている。可撓梁１２０の一面には金属、例えば金のコーティング層１２３が形成されている。金属のコーティング層１２３は光学的に可撓梁１２０の撓みを検出する際に光を反射するために用いられる。
【００３０】
可撓梁１２０の長さは、好ましくは５０μｍ以下であり、より好ましくは約８μｍである。可撓梁１２０の幅は、好ましくは２０μｍ以下であり、より好ましくは約２μｍである。可撓梁１２０の厚さは、好ましくは４００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以下であり、最も好ましくは約１００ｎｍである。探針１３０の長さ、即ち可撓梁１２０の他端１２２と探針１３０の先端との間の距離は約１．５μｍである。図３は探針１３０の平面図である。探針１３０の面上にあり、探針１３０の長さ方向と直交する直線をＬ、平板部材１３１，１３２の幅、即ち平板部材１３１，１３２上にある直線Ｌの部分の長さをそれぞれＷｐ１，Ｗｐ２、貫通孔１４０の幅、即ち貫通孔１４０上にある直線Ｌの部分の長さをＷｈとすると、
Ｗｈ＞Ｗｐ１，  Ｗｈ＞Ｗｐ２
である。
【００３１】
探針１３０の周囲にある空気や液体などの流体は貫通孔１４０を通過することができる。このため、可撓梁１２０が試料近傍で振動したとき、探針１３０は流体から抵抗をほとんど受けなくなるので、振動の減衰が起こりにくい。即ちスクイズ効果が抑制される。これは、カンチレバー１００のＱ値が大きく、カンチレバー１００が試料の表面凹凸形状に正確に追従することを意味する。
【００３２】
貫通孔の形状は三角形に限定されない。例えば円形や四角形でも良い。探針１３０の外形が先端に向かうに従い細くなるような形状、特に略三角形である場合には、貫通孔の形状は本実施の形態のように三角形であるのが好ましい。図３に示されているように、貫通孔の形状が三角形である場合、貫通孔を囲む平板部材１３１，１３２の幅Ｗｐ１，Ｗｐ２は直線Ｌの位置を変えたときにほぼ一定である。一方、貫通孔の形状が四角形であると、貫通孔を囲む探針１３０の部分の幅は一定にならず、部分的に剛性が低くなる。
【００３３】
貫通孔の形状はより好ましくは角に丸みがついた略三角形である。貫通孔の形状が三角形である場合、鋭利な形状をもつ部分、即ち貫通孔の角を囲む部分には応力が集中し易いので、期待しない変形を招く可能性がある。探針が変形すると、試料から探針に及ぼされる力の作用が探針の変形と可撓梁１２０の撓みに分配されるので、カンチレバー１００が試料の表面凹凸形状に正確に追従しなくなる。丸みを帯びさせることにより探針の期待しない変形を抑制できる。
【００３４】
貫通孔１４０は探針１３０に形成されているが、貫通孔が形成される場所は探針１３０に限定されない。貫通孔は探針１３０と可撓梁１２０の他端１２２の側とを含む領域に形成されていても良い。即ち、貫通孔は探針１３０と可撓梁１２０の他端１２２の側にわたって形成されていても良い。また、複数の貫通孔が形成されていても良い。但し、本実施の形態のように探針１３０に形成されているのが好ましい。探針１３０と可撓梁１２０の境界近傍は折れ曲がっており、探針１３０に力が作用したときに変形しやすい。貫通孔が探針１３０と可撓梁１２０にわたって形成されていると、さらに変形しやすい。本実施の形態のように探針１３０に形成されていれば、境界近傍は比較的変形しにくい。
【００３５】
光学顕微鏡と組み合わされたＡＦＭでは、使用者は光学顕微鏡でカンチレバーを観察しながら試料の測定部位に探針を位置決めする。図１６に示された従来のカンチレバーと同様に、探針１３０を容易に観察できるので、短時間で容易に位置決めを行うことができる。従って、測定の効率が高い。
【００３６】
探針１３０は平板状であるので、図１６に示された従来のカンチレバーの探針１２３０と同様に軽量であるので、カンチレバー１００の共振周波数は高い。探針１３０には図１６の探針１２３０とは異なり、貫通孔１４０が形成されているので、さらに軽量である。このため、カンチレバー１００の共振周波数はより高いので、カンチレバー１００は試料の表面凹凸形状に極めて正確に追従することができる。
【００３７】
このような高い共振周波数をもつカンチレバーは、近年研究が行われている１０フレーム／秒程度の高速ＡＦＭ描画に適用できる。特に、カンチレバーを試料とともに水中に入れて振動させる場合、探針の軽量化と高い共振周波数が求められる。カンチレバー１００のバネ定数は約０．２Ｎ／ｍ、大気中での共振周波数は約１ＭＨｚである。このようなカンチレバー１００を用いれば１０フレーム／秒の高速描画が十分可能である。
【００３８】
図４（ａ）〜図４（ｉ）を参照してカンチレバー１００の製造方法を説明する。スタートウエハとして４インチサイズの単結晶シリコンウエハ１０を用意する（図４（ａ））。図４（ａ）〜図４（ｉ）にはウエハ１０の断面が示されている。図を見やすくするため、ウエハ１０には断面を示すハッチングを施していない。カンチレバー１００は同時に複数製造される。図４（ａ）〜図４（ｉ）にはその内の１つが製造される部分が切り出されて示されている。ウエハ１０の上面１１は面方位＜１００＞を向いている。
【００３９】
ウエハ１０を熱酸化炉に入れ、上面１１及び下面１２に酸化シリコン膜を形成した後、図４（ｂ）のように上面１１の側の酸化シリコン膜をパターニングし、マスクパターン２０を形成する。このとき下面１２の側の酸化シリコン膜３０はパターニングしない。
【００４０】
次に、水酸化カリウム水溶液によりウエハ１０の上面１１の露出した部分を湿式異方性エッチングする（図４（ｃ））。これにより、上面１１は均一に掘り下げられ、面方位＜１００＞を向いた上面１３が形成される。マスクパターン２０と上面１３の間には、上面１３と交差する面１４が形成される。面１４は（１１１）面である。
【００４１】
この後、図４（ｄ）のようにマスクパターン２０と酸化シリコン膜３０をフッ酸により溶かし去り、図４（ｅ）のようにＬＰ−ＣＶＤ法（低圧化学気相蒸着法）により上面１３と面１４を含むウエハ１０の上側にある表面に窒化シリコン膜４０を、ウエハ１０の下面１２に窒化シリコン膜５０をそれぞれ成膜する。
【００４２】
次に、レジスト塗布、露光、ドライエッチングを含むフォトリソグラフィープロセスにより、探針１３０、可撓梁１２０及び窒化シリコン基部１１１が形成されるよう窒化シリコン膜４０をパターニングする（図４（ｆ））。このとき、探針１３０には貫通孔１４０が形成される。図４（ｆ）は可撓梁１２０の長さ方向に平行でかつ上下に広がる平面で切断された断面図である。貫通孔１４０は省略されている。
【００４３】
次に、図４（ｇ）のようにウエハ１０の下面１２の側の窒化シリコン膜５０をパターニングし、マスクパターン５１を形成する。マスクパターン５１は窒化シリコン基部１１１よりも小さく、かつ窒化シリコン基部１１１と対向するように形成される。
【００４４】
次に、ウエハ１０の上側を図示しない保護膜にて覆った後、水酸化カリウム水溶液によりウエハ１０を下面１２の側から湿式異方性エッチングする（図４（ｈ））。このエッチングにより、マスクパターン５１と窒化シリコン基部１１１の間にあるウエハ１０の部分は残り、その他の部分、即ち探針１３０と可撓梁１２０の周囲にあるウエハ１０の部分は取り除かれる。残ったウエハ１０の部分はカンチレバー１００のシリコン基部１１２になる。可撓梁１２０と窒化シリコン基部１１１の境界と、この境界と対向するマスクパターン５１の縁との間にはウエハ１０の傾斜面１５が形成される。傾斜面１５は（１１１）面である。エッチング終了後、図示しない保護膜は取り除かれる。
【００４５】
次に、ウエハ１０の下方から金を真空蒸着する。探針１３０に金がほとんど付着せず、可撓梁１２０の下面にコーティング層１２３が形成されるよう斜め蒸着を行う。探針１３０への金の付着がないもしくは可撓梁１２０の下面への付着と比べて付着が少ないので、探針１３０は軽くなる。
【００４６】
この製造方法は微細な構造をもつカンチレバーを精度良く製造するのに適している。高速ＡＦＭ描画を行う際には比較的小さいカンチレバー、例えば長さが約２０μｍ以下、幅が約５μｍ以下、厚さが約１μｍ以下の可撓梁を有するカンチレバーが用いられることが多い。従って、この製造方法は高速ＡＦＭ描画用のカンチレバーに好適である。高速ＡＦＭ描画用のカンチレバーには、比較的小さいものが用いられるとともに、可撓梁が柔らかく、カンチレバーの共振周波数が高く、スクイズ効果が起こりにくいこと求められる。カンチレバー１００はこのような要求を満たすために、平板状の薄い可撓梁１２０と、三角平板状である軽量の探針１３０と、流体を通過させる貫通孔１４０とを有している。上記製造方法を用いれば、極めて薄く、均一な薄さをもった柔らかい可撓梁１２０を精度良く形成できる。また、極めて薄く軽量な探針１３０を容易に形成できる。
【００４７】
貫通孔１４０の形状、位置は試料から探針１３０に力が及ぼされたときに探針１３０が変形しないように決められる。上記製造方法を用いれば、このような形状、位置が実現されるよう貫通孔１４０を精度良く形成できる。
【００４８】
探針１３０、可撓梁１２０及び窒化シリコン基部１１１は窒化シリコンで形成されるが、その他のシリコン化合物で形成しても良い。
【００４９】
可撓梁１２０をシリコン化合物で形成する代わりに、白金、ニッケル、コバルトクロム、窒化チタンなどの金属で形成しても良い。コーティング層１２３は不要となる。この場合、図４（ｉ）を参照して説明したコーティング層１２３を形成する工程は不要である。可撓梁１２０を金属で形成するには、ウエハ１０の上側にある表面に窒化シリコン膜４０を堆積する工程（図４（ｅ））と、窒化シリコン膜４０をパターニングする工程（図４（ｆ））との代わりに、金属膜を成膜する工程と成膜された金属膜をスパッタリングする工程とを行う。
【００５０】
次に、図５を参照して本発明の第２の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを説明する。図５はカンチレバー２００の一部の斜視図である。本実施の形態のカンチレバー２００の構成は基本的に第１の実施の形態のカンチレバー１００と同じである。異なる点は、本実施の形態のカンチレバー２００が三角平板状の探針１３０の代わりに外形が四角錐である探針２３０を有していることである。第１の実施の形態のカンチレバー１００と実質的に同じ構成要素には同一の符号を付してある。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００５１】
可撓梁１２０の一端は固定されている。探針２３０は可撓梁１２０の他端１２２の側にある一面上に設けられている。探針２３０の他面にはコーティング層１２３が積層されている。探針２３０は四角錐の辺に沿って延びている４つの梁を有している。隣り合う梁の間には三角形の孔２４１が形成されている。孔２４１が形成されていない場合に比べて探針２３０は軽い。このため、カンチレバー２００の共振周波数は高い。
【００５２】
探針２３０に形成される孔の形は三角形以外の形状、例えば四角形でも丸でも良いが、孔の形状は本実施の形態のように三角形であることが好ましい。四角形の場合、四角錐の辺に沿って延びる梁の太さが不均一になり、細い部分は変形しやすくなる。三角形の場合は、梁の太さが均一になり、変形しにくい。
【００５３】
探針２３０が設けられている可撓梁１２０の部分には一面から他面まで貫通している孔２４２が形成されている。探針２３０の周辺にある流体は孔２４１と孔２４２を通ることができるので、スクイズ効果が抑制される。孔２４１と孔２４２は貫通孔を構成する。
【００５４】
次に、図６〜図８を参照して本発明の第３の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを説明する。図６はカンチレバー３００の斜視図である。本実施の形態のカンチレバー３００の構成は基本的に第１の実施の形態のカンチレバー１００と同じである。異なる点は、本実施の形態のカンチレバー３００の探針３３０には貫通孔が形成されておらず、補強盛り上がり部３５０が可撓梁１２０と探針３３０とにわたって形成されていることである。第１の実施の形態のカンチレバー１００と実質的に同じ構成要素には同一の符号を付してある。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００５５】
可撓梁１２０の一端１２１は基部１１０に固定されており、可撓梁１２０の他端１２２から三角平板状の探針３３０が突出している。探針３３０は、第１の実施の形態のカンチレバー１００に設けられた探針１３０と同様に、薄く軽量であり、一枚の板が折れ曲がるように可撓梁１２０とつながっている。
【００５６】
図７は可撓梁１２０の他端１２２の側と探針３３０とを拡大して示す斜視図である。補強盛り上がり部３５０は可撓梁１２０の他端１２２の側と探針３３０とにわたって形成されている。補強盛り上がり部３５０は可撓梁１２０の一面上と、この一面と連続する探針３３０の面上にわたって盛られている。図８は可撓梁１２０と探針３３０の側面図である。補強盛り上がり部３５０は可撓梁１２０と探針３３０の境界にある、折れ曲がった部分に盛られている。
【００５７】
補強盛り上がり部３５０は折れ曲がった部分上の２箇所に盛られており、それぞれの箇所において、可撓梁１２０の一面上では可撓梁１２０の長さ方向に延び、探針３３０上では探針３３０の突出する方向に沿って延びている。補強盛り上がり部３５０は炭素系化合物で形成されている。可撓梁１２０の他面には金属のコーティング層１２３が形成されている。
【００５８】
可撓梁１２０と探針３３０の境界にある、折れ曲がった部分は、試料から探針３３０に力が及ぼされると、可撓梁１２０と探針３３０とのなす角度が大きくなるもしくは小さくなるように変形する。折れ曲がった部分には補強盛り上がり部３５０が盛られていて、折れ曲がった部分は厚くされ補強されているので、このような変形は抑制される。従って、試料から探針３３０に及ぼされる力の作用が探針３３０の変形と可撓梁１２０の撓みに分配されないので、カンチレバー３００は試料の表面凹凸形状に正確に追従することができる。
【００５９】
カンチレバー３００の製造方法を説明する。この製造方法は、第１の実施の形態のカンチレバー１００の製造方法と基本的に同じである。異なる点は、この製造方法が補強盛り上がり部３５０を形成する工程をさらに有していることである。補強盛り上がり部３５０を形成する工程はコーティング層１２３を形成する工程（図４（ｉ））の後に行われる。図４（ｆ）を参照して説明した、窒化シリコン膜４０をパターニングして貫通孔１４０を有する探針１３０、可撓梁１２０及び窒化シリコン基部１１１を形成する工程では、貫通孔１４０は形成されない。探針１３０の代わりに貫通孔１４０をもたない探針３３０が形成される。
【００６０】
図９（ａ）及び図９（ｂ）は補強盛り上がり部３５０を形成する工程を説明する図である。図９（ａ）及び図９（ｂ）には、製造中のカンチレバー３００の縦断面が示されている。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、可撓梁１２０の長さ方向に延びる中心線を含む平面で切断された断面が示されている。図を見やすくするため、シリコン基部１１２には断面を示すハッチングを施していない。コーティング層１２３が形成された製造中のカンチレバー３００を電子顕微鏡のチャンバーにいれ、図９（ａ）に示すように、可撓梁１２０と探針３３０の境界にある、折れ曲がった部分に可撓梁１２０の一面側から矢印に沿って電子ビーム（ＥＢ）を照射する。電子ビームは真空ポンプから電子顕微鏡のチャンバー内に漏れ込んだ有機ガスを分解する。分解された有機ガスは炭素化合物となって折れ曲がった部分に堆積する。この結果、図９（ｂ）に示すように、折れ曲がった部分に補強盛り上がり部３５０が形成される。電子ビームは可撓梁１２０の他面側から照射しても良い。この場合、補強盛り上がり部３５０は可撓梁１２０の他面側に形成される。
【００６１】
折れ曲がった部分が変形しないように補強盛り上がり部３５０を形成するには、所定位置に精度良く形成する必要がある。また、形成される補強盛り上がり部３５０の形状の精度も要求される。可撓梁１２０と探針３３０は微細であるので、位置と形状の精度を確保することは難しい。上述の製造方法は補強盛り上がり部３５０の形成のために微細加工に適している電子ビームを利用しているので、位置と形状の精度を容易に確保することができる。
【００６２】
次に、図１０〜図１２を参照して本発明の第４の実施の形態の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーを説明する。本実施の形態のカンチレバー４００の構成は基本的に第３の実施の形態のカンチレバー３００と同じである。異なる点は、本実施の形態のカンチレバー４００が補強盛り上がり部３５０の代わりに可撓梁の一面側で突出していて、他面側で窪んでいる補強部を有していることである。第３の実施の形態のカンチレバー３００と実質的に同じ構成要素には同一の符号を付してある。これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００６３】
図１０はカンチレバー４００の一部の斜視図である。カンチレバー４００の基部に含まれた窒化シリコン基部１１１には平板状の可撓梁４２０の一端４２１が固定されている。可撓梁４２０は第３の実施の形態のカンチレバー３００の可撓梁１２０と同様に薄く柔らかい。可撓梁４２０の他端４２２からは三角平板状の探針４３０が突出している。探針４３０は第３の実施の形態のカンチレバー３００の探針３３０と同様に軽量であり、可撓梁４２０の長さ方向と交差する方向に突出している。可撓梁４２０の一面と探針４３０の一面とは連続している。補強部４５０は可撓梁４２０の他端４２２の側と探針４３０とにわたって形成されている。
【００６４】
図１１は可撓梁４２０の他端４２２の側と探針４３０とを拡大して示す斜視図である。補強部４５０は可撓梁４２０の一面側で窪んでいて、他面側で突出している。補強部４５０は可撓梁４２０と探針４３０の境界にある、折れ曲がった部分に形成されている。補強部４５０は折れ曲がった部分の２箇所に形成されており、それぞれの箇所において、可撓梁４２０の長さ方向に延びている。補強部４５０は、折れ曲がった部分の可撓梁４２０の側で可撓梁４２０の一面に平行に延びている底面４５１を有している。折れ曲がった部分の探針４３０の側では、底面４５１は探針４３０の一面に平行に延びている。底面４５１は、これと直交し互いに対向する２つの側面４５２により挟まれている。図１２は可撓梁４２０と探針４３０との側面図である。可撓梁４２０の他面には金属のコーティング層１２３が形成されている。可撓梁４２０、探針４３０及び補強部４５０は同じ材料で形成されている。例えば、窒化シリコンで形成されている。
【００６５】
折れ曲がった部分は、第３の実施の形態のカンチレバー３００と同様に変形しやすい。補強部４５０の側面４５２が形成された部分はその他の部分よりも厚い。即ちこの部分は補強されている。従って、折れ曲がった部分の変形は抑制される。
【００６６】
カンチレバー４００の製造方法を説明する。この製造方法には第１の実施の形態のカンチレバー１００の製造方法に含まれた工程の一部を利用できる。カンチレバー１００の製造に用いた部材と実質的に同じ部材には同一の符号を付してある。これらの部材の詳細な説明は省略する。図４（ａ）〜図４（ｄ）を参照して説明したカンチレバー１００の製造工程と同様にして、シリコンウエハ１０の上面１１の一部を掘り下げ、ウエハ１０の上側に面方位＜１００＞を向いた上面１３と上面１３と交差する面１４を形成する。面１４は（１１１）面である。
【００６７】
図１３（ａ）〜図１３（ｆ）はその後の製造工程を示すシリコンウエハ１０の縦断面図である。図を見やすくするため、ウエハ１０には断面を示すハッチングを施していない。図１３（ａ）に示すように、上面１３と面１４の境界にウエハ１０の上方から矢印に沿って集束イオンビーム（ＩＢ）を照射し、上面１３と面１４とにわたる穴１６を形成する。形成する穴１６の深さは、製造されるカンチレバー４００の可撓梁４２０の厚さの数倍以下である。
【００６８】
次に、図４（ｅ）の製造工程と同様にして、ＬＰ−ＣＶＤ法（低圧化学気相蒸着法）によりウエハ１０の上側にある表面にわたって窒化シリコン膜４１を、ウエハ１０の下面１２に窒化シリコン膜５０をそれぞれ成膜する。窒化シリコン膜４１は穴１６の壁面に沿って延びている（図１３（ｂ））。
【００６９】
次に、図４（ｆ）の製造工程と同様にして、フォトリソグラフィープロセスにより窒化シリコン膜４１をパターニングし、カンチレバー４００の探針４３０、可撓梁４２０及び窒化シリコン基部１１１を形成する（図１３（ｃ））。このとき、探針４３０と可撓梁４２０の境界には補強部４５０が形成される。探針４３０、可撓梁４２０及び補強部４５０は同じ材料で一体的に形成される。
【００７０】
図４（ｇ）の製造工程と同様に窒化シリコン膜５０をパターニングして窒化シリコン基部１１１に対向するマスクパターン５１を形成した後（図１３（ｄ））、図４（ｈ）の製造工程と同様にウエハ１０を下面１２の側から湿式異方性エッチングして探針４３０、可撓梁４２０及び補強部４５０の周囲にあるウエハ１０の部分を取り除く（図１３（ｅ））。その後、図４（ｉ）の製造工程と同様にして可撓梁４２０の下面にコーティング層１２３を積層する（図１３（ｆ））。
【００７１】
図１３（ａ）を参照して説明した、穴１６を形成する工程では、集束イオンビームを照射することで穴１６の形成を行っている。探針４３０と可撓梁４２０の境界にある、折れ曲がった部分が変形しないように補強部４５０を形成するには、補強部４５０の位置と形状の精度が高いことが要求される。上述の製造方法は補強部４５０の形成のために微細加工に適している集束イオンビームを利用しているので、位置と形状の精度を容易に確保することができる。
【００７２】
比較的大きなカンチレバー４００を形成する場合、穴１６を形成する工程に集束イオンビームを利用する代わりにフォトリソグラフィーを利用し、ドライエッチングによりウエハ１０に穴１６を形成しても良い。
【００７３】
１枚のシリコンウエハから複数のカンチレバーを製造する場合、このウエハ上に複数の穴１６を形成する必要がある。集束イオンビームの場合、逐次的にイオンビームを照射する必要がある。一方、フォトリソグラフィーの場合、同時に複数の穴１６を形成できる。このためバッチファブリケーションを行うことができるので、製造コストを低くすることができる。
【００７４】
探針４３０、可撓梁４２０及び補強部４５０がそれぞれ別々の材料で形成され互いに接合されている場合、それぞれの部材の熱膨張率の違いから接合が剥がれるということが起こり得る。また、試料から探針に力が及ぼされたときにもこのように破損することが起こり得る。上記製造方法では、探針４３０、可撓梁４２０及び補強部４５０は同じ材料で一体的に形成されるので、破損が起こりにくい。
【００７５】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００７６】
【発明の効果】
本発明の一態様に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは探針に形成された貫通孔を有しているので、スクイズ効果が抑制され、カンチレバーは高いＱ値をもつことができる。これにより、ＡＣモード測定、特に液体中で行われるＡＣモード測定の際、カンチレバーは試料の表面凹凸形状に正確に追従できる。
【００７７】
探針は薄い平板状であるので軽量である。探針には貫通孔が形成されているのでより軽量である。このため、カンチレバーは高い共振周波数をもつので、試料の表面凹凸形状に正確に追従できる。また、高速ＳＰＭ描画を行うことができる。
【００７８】
本発明の別の態様に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、可撓梁の他端側と、可撓梁の他端から突出している平板状の探針とにわたって形成されている補強盛り上がり部を有している。このため、探針と可撓梁の境界は変形しにくいので、試料から探針に及ぼされる力の作用の大部分が可撓梁の撓みに向けられる。この結果、カンチレバーは試料の表面凹凸形状に正確に追従できる。
【００７９】
本発明のまた別の態様に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、平板状の可撓梁の他端側と、可撓梁の他端から突出している探針とにわたって形成されている補強部を有している。補強部は可撓梁の一面側で窪んでいて、他面側で突出している。このため、探針と可撓梁の境界は変形しにくいので、カンチレバーは試料の凹凸形状に正確に追従できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【図２】図１のカンチレバーの縦断面図。
【図３】図１のカンチレバーに設けられた探針の平面図。
【図４】（ａ）〜（ｉ）は図１のカンチレバーの各製造工程を説明する図。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの一部の斜視図。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【図７】図６のカンチレバーに設けられた可撓梁の他端側と探針を拡大して示す斜視図。
【図８】図６のカンチレバーに設けられた可撓梁と探針の側面図。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は補強盛り上がり部を形成する工程を説明する図。
【図１０】本発明の第４の実施の形態に係わる走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの一部の斜視図。
【図１１】図１０のカンチレバーに設けられた可撓梁の他端側と探針を拡大して示す斜視図。
【図１２】図１０のカンチレバーに設けられた可撓梁と探針の側面図。
【図１３】（ａ）〜（ｆ）は図１０のカンチレバーの各製造工程を説明する図。
【図１４】従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【図１５】別の従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【図１６】また別の従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【図１７】
さらに別の従来の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの斜視図。
【符号の説明】
１０  単結晶シリコンウエハ
２０  マスクパターン
３０  酸化シリコン膜
４０  窒化シリコン膜
４１  窒化シリコン膜
５０  窒化シリコン膜
５１  マスクパターン
１００  走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー
１１０  基部
１１１  窒化シリコン基部
１１２  シリコン基部
１２０  可撓梁
１２３  コーティング層
１３０  探針
１３１，１３２  平板部材
１４０  貫通孔
２００  走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー
２３０  探針
２４１  孔（貫通孔）
２４２  孔（貫通孔）
３００  走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー
３３０  探針
３５０  補強盛り上がり部
４００  走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー
４２０  可撓梁
４３０  探針
４５０  補強部
【図１】
2004198134.tif 000003
【図２】
2004198134.tif 000004
【図３】
2004198134.tif 000005
【図４】
2004198134.tif 000006
【図５】
2004198134.tif 000007
【図６】
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【図７】
2004198134.tif 000009
【図８】
2004198134.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2004198134.tif 000013
【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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