(57)【要約】【課題】走査型容量顕微鏡（ＳＣＭ）に用いられるカンチレバーにおいて、当該ＳＣＭの面分解能を従来のカンチレバーを用いた場合よりも、さらに向上させることができるカンチレバーを提供することを目的とする。【解決手段】ＳＣＭに取り付けられる本発明に係るカンチレバーとして、当該カンチレバーは試料を走査する探針部１と当該探針部１を支持する電極部２とを有している。また、当該探針部１は、四角錘状の絶縁体１ａと、当該四角錘状の絶縁体１ａの一の面にのみ配設された導電性配線１ｂとを備えている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被観察試料を走査する探針部と前記探針部を支持する電極部とを有するカンチレバーにおいて、
前記探針部は、
錐体形状の絶縁体と、
前記絶縁体の一の面上の一部に配設されており、一端が前記錐体形状の頂点に達しており、他端が前記電極部に達している導電性配線とを、
備えることを特徴とするカンチレバー。
【請求項２】
前記導電性配線は、前記錐体形状の頂点から前記一の面の中央部を通って配設されている、
ことを特徴とする請求項１に記載のカンチレバー。
【請求項３】
（ａ）頂点が基板内部に形成されるように、当該基板の表面内に錐体形状の孔を形成する工程と、
（ｂ）前記基板の表面上および前記錐体形状の孔の側面を覆うように犠牲膜を成膜する工程と、
（ｃ）前記犠牲膜上の、前記錐体形状の孔の側面部分に、一端が前記錐体形状の孔の頂点に達するように導電性配線を形成する工程と、
（ｄ）前記工程（ｃ）後に、前記錐体形状の孔を充填するように、前記犠牲膜に対するエッチング選択比を有する絶縁体を埋設する工程と、
（ｅ）前記絶縁体の上面、前記導電性配線の他端および前記犠牲膜を覆うように電極部を形成する工程と、
（ｆ）前記工程（ｅ）後に、前記犠牲膜をエッチングすることにより、前記基板から前記絶縁体、前記導電性配線および前記電極部を分離する工程とを、
備えることを特徴とするカンチレバーの製造方法。
【請求項４】
前記工程（ｃ）は、
前記錐体形状の孔の頂点から当該錐体形状の孔の一の面の中央部を通るように前記導電性配線を形成する工程である、
ことを特徴とする請求項３に記載のカンチレバーの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、カンチレバーの構造およびその製造方法に係る発明であって、例えば、走査型容量顕微鏡に適するカンチレバーおよびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、探針部を試料表面に接近・走査させ、探針部と試料表面の電荷との間で形成される静電容量を測定することにより、試料表面の静電容量分布を検出する装置として、走査型容量顕微鏡（以下、ＳＣＭと称す）が使われている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＳＣＭによる測定では、導電性のカンチレバーが用いられており、例えば、ノンドープシリコンチップにＰｔ、ＣｏＣｒ等の導電体を全面にコーティングしたカンチレバーが用いられている。
【０００４】
しかし、ＳＣＭは、原子間力に比べて長距離から影響を受ける電気力を用いて測定を行うため、当該ＳＣＭの面分解能は、カンチレバーに取り付けられた探針部のごく先端のミクロな形状だけでなく、当該探針部の先端付近のマクロな形状によっても影響を受ける。
【０００５】
ここで、面分解能とは、顕微鏡等の性能を表す指標であり、空間の異なる２点を分離して識別検出可能な限界能力を示す値のことである。
【０００６】
そこで、長距離力である電気力の観点において（つまり、マクロ的観点において）、カンチレバーの探針部の直接観察に関与しない部分の影響を抑制するために、形状が三角錐である探針部の一面にのみ導電体をコーティングしたものを、ＳＣＭのカンチレバーの探針部として採用することが提案されている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平８−１３６５５５号公報（第２図）
【非特許文献１】
「第４９回応用物理学関係連合講演会  講演予稿集」、２００２．３  東海大学  湘南校舎、Ｐ６８７
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、カンチレバーに取り付けられた三角錐形状の探針部の一面にのみ導電体のコーティングを行った場合では、三角錐の全面に導電体のコーティングを行った場合よりも面分解能は向上するものの、当該面分解能の向上には限度があった。
【０００９】
そこで、この発明は、ＳＣＭ等の顕微鏡の面分解能をさらに向上させることができるカンチレバーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載のカンチレバーは、被観察試料を走査する探針部と前記探針部を支持する電極部とを有するカンチレバーにおいて、前記探針部は、錐体形状の絶縁体と、前記絶縁体の一の面上の一部に配設されており、一端が前記錐体形状の頂点に達しており、他端が前記電極部に達している導電性配線とを、備えている。
【００１１】
また、本発明に係る請求項３に記載のカンチレバーの製造方法は、（ａ）頂点が基板内部に形成されるように、当該基板の表面内に錐体形状の孔を形成する工程と、（ｂ）前記基板の表面上および前記錐体形状の孔の側面を覆うように犠牲膜を成膜する工程と、（ｃ）前記犠牲膜上の、前記錐体形状の孔の側面部分に、一端が前記錐体形状の孔の頂点に達するように導電性配線を形成する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）後に、前記錐体形状の孔を充填するように、前記犠牲膜に対するエッチング選択比を有する絶縁体を埋設する工程と、（ｅ）前記絶縁体の上面、前記導電性配線の他端および前記犠牲膜を覆うように電極部を形成する工程と、（ｆ）前記工程（ｅ）後に、前記犠牲膜をエッチングすることにより、前記基板から前記絶縁体、前記導電性配線および前記電極部を分離する工程とを、備えている。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
【００１３】
図１，２に、本発明に係るカンチレバーの一実施の形態を示す。ここで、図１は、当該カンチレバーの断面図であり、図２は、図１で示した右手座標系のｘ方向から、当該カンチレバーを見たときの図である。
【００１４】
図１，２に示すように、本発明のカンチレバーは、板状の電極部２と、電極部２の端領域に形成され、試料を走査する探針部１とから構成されている。
【００１５】
探針部１は、四角錘形状の絶縁体１ａと、導電性配線１ｂとから構成されている。導電性配線１ｂは、四角錘形状の絶縁体１ａの一の面に配設されており、当該四角錘の頂点から前記一の面の中央部を通って、板状の電極部２に達するように配設されている。つまり、導電性配線１ｂの長さが最短となるように配設されている。
【００１６】
ここで、本実施の形態では、絶縁体１ａとして窒化シリコンを採用しており、導電性配線１ｂとしてタングステンを採用している。また、板状の電極部２として白金を採用している。
【００１７】
次に、図１，２で示したカンチレバーの製造方法の一例について、図３〜１４に基づいて説明する。ここで図３〜１４は、各製造段階における製造途中のカンチレバーの断面図または斜視図を示している。
【００１８】
まずはじめに、（１００）主面の単結晶シリコン基板１１を用意し、当該単結晶シリコン基板１１の主面上にマスクを設ける。次に、マスクの所定の箇所に、所定の大きさの四角形状の開口部（当該開口部から単結晶シリコン基板１１は露出している）を形成する。
【００１９】
当該マスク付きの単結晶シリコン基板１１を、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液等のエッチング液に浸すことにより、結晶異方性エッチング（今、（１００）面の単結晶シリコン基板１１を用いているので、当該エッチングは（１１１）面で自動的に停止する）を行い、深さ約１０μｍの四角錘形状の孔１２を形成する。その後マスクを除去した様子を図３に示す。
【００２０】
次に、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学気相成長）法を用いることにより、図４に示すように、前記四角錘形状の孔１２の側面上、および単結晶シリコン基板１１の主面上を覆うように、犠牲膜としてシリコン酸化膜１３を１００ｎｍ程度成膜する。
【００２１】
次に、ＣＶＤ法を用いることにより、図５に示すように、前記シリコン酸化膜１３を覆うようにタングステン膜１４を、１０ｎｍ程度の膜厚で成膜する。なお、ここで成膜する膜として導電性を有するものであれば、他の物質を用いて成膜処理を施してもかまわない。
【００２２】
次に、タングステン膜１４上にフォトレジスト１５を塗布し、リソグラフィ工程により所定の形状にフォトレジスト１５をパターニングする。このパターニングされたフォトレジスト１５の様子を図６に示す。また図７に、その平面図を示す。
【００２３】
次に、所定の形状にパターニングされたフォトレジスト１５をマスクとして異方性ドライエッチングを施すことにより、図８に示すように、タングステン配線１６を配設する。当該タングステン配線１６は、四角錘形状の孔１２の一の面において、一端が四角錘形状の孔１２の頂点に達しており、当該頂点から前記一の面の中央部を通って、他端部分が当該四角錐形状の孔１２から突出するように配設される。
【００２４】
当該配設により、タングステン配線１６は最短の長さとなる。ここで、タングステン配線１６の線幅は１０ｎｍ程度である。なお、図８はフォトレジスト１５を除去した状態を図示している。
【００２５】
さて次に、ＣＶＤ法を用いることにより、図９に示すように、前記シリコン酸化膜１３およびタングステン配線１６を覆うように、シリコン窒化膜１７を２０μｍ程度成膜する。
【００２６】
ここで、シリコン窒化膜１７を採用したのは、シリコン酸化膜１３に対するエッチング選択比を有するからである。したがって、両者の間でエッチング選択比を有するのであれば、シリコン酸化膜１３、シリコン窒化膜１７の代わりに他の材料を選択することもできる。なお、当該エッチング選択比が高ければ高いほど、完成品となるカンチレバーへの当該エッチングによる損傷を抑制することができる。
【００２７】
次に、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）研磨を用いることにより、図１０に示すように、シリコン酸化膜１３が露出するまでシリコン窒化膜１７およびタングステン配線１６の一部を研磨する。
【００２８】
これにより、犠牲膜１３が形成されている四角錘形状の孔１２内にのみ、シリコン窒化膜１７とタングステン配線１６とが残ることとなる。
【００２９】
次に、真空蒸着により、図１１に示すようにシリコン酸化膜１３、シリコン窒化膜１７およびタングステン配線１６を覆うように、白金膜１８を５μｍ程度形成する。ここで、白金膜１８の代わりに導電性のある他の物質を採用してもかまわない。
【００３０】
次に、白金膜１８上にフォトレジスト１９を塗布し、リソグラフィ工程により所定の形状にフォトレジスト１９をパターニングする。このパターニングされたフォトレジスト１９の様子を図１２に示す。
【００３１】
次に、所定の形状にパターニングされたフォトレジスト１９をマスクとして異方性ドライエッチングを施すことにより、図１３に示すように白金膜１８を、図１で示したカンチレバーの電極部２としての形状となるようにパターニングする。なお、図１３は、フォトレジスト１９を除去した状態を図示している。
【００３２】
最後に、図１３で示した各部材が形成された製造途中の単結晶シリコン基板１１を、フッ酸液に浸しエッチング処理を施すことにより、図１４に示すように、犠牲膜であるシリコン酸化膜１３を除去し、当該除去により、単結晶シリコン基板１１から、上方に形成されている部材（タングステン配線１６、シリコン窒化膜１７および白金膜１８）を分離（リフトオフ）する。
【００３３】
以上までの工程により、図１，２に示す本発明に係るカンチレバーを形成することができる。
【００３４】
本発明に係るカンチレバーの探針部１は、四角錘形状の絶縁体１ａと、当該四角錘形状の絶縁体１ａの一の面のみに配設されている線状の導電性配線１ｂとを備えているので、当該カンチレバーをＳＣＭに採用することにより、四角錘形状の絶縁体の全面に導電体をコーティングしたカンチレバーを採用するときよりも、さらにＳＣＭの面分解能を向上させることができる。
【００３５】
つまり、静電容量は長距離力であるため、ＳＣＭによる静電容量測定では、実際に測定に関与していない部分（探針部１の極先端部以外の部分）の導電体の影響も受ける。また、探針部１の導電体部分と試料との間の静電容量は、相互に対面している面積に比例して変化する。
【００３６】
したがって、直接測定に関与する探針部の極先端部以外の導電体の、試料との対面面積を小さくすることにより、上記静電容量の変化を抑制することができ（つまり、実際に測定に関与していない部分の導電体の影響を抑制することができ）、当該抑制に応じてＳＣＭの面分解能も向上させることができる。
【００３７】
上記の考察を四角錘形状の絶縁体１ａの一の面に測定部となる導電体１ｂを設ける場合に当てはめると、当該絶縁体１ａの一の面の全面に導電体をコーティングする場合よりも、本発明のように、一の面に線状の導電性配線１ｂを配設する場合の方が、実際に測定に関与しない導電体部分と試料との対面面積を減少させることができ、その分、実際に測定に関与しない導電体部分と試料との間の静電容量を減少させることができる。したがって、これに応じてＳＣＭの面分解能も向上させることが可能となる。
【００３８】
また、導電性配線１ｂの一端が四角錘形状の絶縁体１ａの頂点に達しており、他端が電極部２に達しているのであれば、どのような形状で導電性配線１ｂを配設してもよいが、上述のように、四角錘形状の絶縁体１ａの一の面の中央部を通るように配設することにより、導電性配線１ｂの長さを最短とすることができ、よりＳＣＭの面分解能を向上させることができる。
【００３９】
また、導電性配線１ｂは線状であるため、機械的強度は弱くなるが、導電性配線１ｂは四角錘形状の絶縁体１ａの面上に密接して配設されることとなるので、当該導電性配線１ｂの機械的強度が、弱くなることを抑制することもできる。
【００４０】
また、四角錘形状の孔１２が形成された単結晶シリコン基板１１を用意し、当該単結晶シリコン基板１１上に犠牲膜を形成し、当該犠牲膜上にカンチレバーとなる部材（カンチレバーの探針部１の絶縁体１ａは犠牲膜に対するエッチング選択比は大きい）を形成する製造方法を採用しているので、犠牲膜をエッチング処理にて除去することにより、リフトオフによって簡易でかつ、カンチレバーへの損傷を抑制しながら、本発明に係るカンチレバーを形成することができる。
【００４１】
本発明では、探針として四角錘の形状に限定して話を進めたが、これに限るものでなく、任意の錐体状の探針を採用してもよい。この場合、タングステン等の配線は、錐体状の探針表面の任意の一部分に形成されることとなる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の請求項１に記載のカンチレバーは、被観察試料を走査する探針部と前記探針部を支持する電極部とを有するカンチレバーにおいて、前記探針部は、錐体形状の絶縁体と、前記絶縁体の一の面上の一部に配設されており、一端が前記錐体形状の頂点に達しており、他端が前記電極部に達している導電性配線とを、備えているので、例えばＳＣＭ等の顕微鏡に当該カンチレバーを採用することにより、直接測定に関与する探針部の極先端部以外の導電体の、被観察試料との対面面積が小さくなり、実際に測定に関与していない部分の導電体の影響を抑制することができる。したがって、当該抑制に応じてＳＣＭの面分解能も向上させることができる。
【００４３】
本発明の請求項３に記載のカンチレバーの製造方法は、（ａ）頂点が基板内部に形成されるように、当該基板の表面内に錐体形状の孔を形成する工程と、（ｂ）前記基板の表面上および前記錐体形状の孔の側面を覆うように犠牲膜を成膜する工程と、（ｃ）前記犠牲膜上の、前記錐体形状の孔の側面部分に、一端が前記錐体形状の孔の頂点に達するように導電性配線を形成する工程と、（ｄ）前記工程（ｃ）後に、前記錐体形状の孔を充填するように、前記犠牲膜に対するエッチング選択比を有する絶縁体を埋設する工程と、（ｅ）前記絶縁体の上面、前記導電性配線の他端および前記犠牲膜を覆うように電極部を形成する工程と、（ｆ）前記工程（ｅ）後に、前記犠牲膜をエッチングすることにより、前記基板から前記絶縁体、前記導電性配線および前記電極部を分離する工程とを、備えているので、簡単なエッチング（リフトオフ）処理を用いて基板から、導電性配線と絶縁体とからなるカンチレバーの取り出しを可能とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のカンチレバーの断面を示す図である。
【図２】本発明のカンチレバーを他の方向から観察したときの様子を示す図である。
【図３】孔が形成された単結晶シリコン基板の様子を示す斜視図である。
【図４】犠牲膜であるシリコン酸化膜が成膜されている様子を示す図である。
【図５】タングステン膜が成膜されている様子を示す図である。
【図６】タングステン配線形成のためのフォトレジストが形成されている様子を示す断面図である。
【図７】タングステン配線形成のためのフォトレジストが形成されている様子を示す平面図である。
【図８】タングステン配線が配設されている様子を示す斜視図である。
【図９】シリコン窒化膜が孔に充填されている様子を示す図である。
【図１０】余分なシリコン窒化膜を除去した様子を示す図である。
【図１１】白金膜を成膜した様子を示す図である。
【図１２】所定の形状にパターニングされたフォトレジスが形成されている様子を示す図である。
【図１３】所定の形状にパターニングされた白金膜の様子を示す図である。
【図１４】単結晶シリコン基板からカンチレバーを取り出す様子を示す図である。
【符号の説明】
１  探針部、１ａ  絶縁体、１ｂ  導電性配線、２  電極部、１１  単結晶シリコン基板、１２  孔、１３  シリコン酸化膜、１４  タングステン膜、１５，１９  フォトレジスト、１６  タングステン配線、１７  シリコン窒化膜、１８白金膜。
【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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