(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに逆向きに形成された第１および第２の櫛歯電極を有し、ベース部に弾性的に支持されるとともに櫛歯の凹凸方向に振動する振動部と、
前記第１の櫛歯電極と噛合する第３の櫛歯電極を有し、前記ベース部に固定された固定部と、
前記第２の櫛歯電極と噛合する第４の櫛歯電極を有し、前記ベース部に弾性的に支持されて外力の作用により櫛歯の凹凸方向に変位する可動部とを備えたことを特徴とするセンサ素子。
【請求項２】
請求項１に記載のセンサ素子において、
前記固定部、前記振動部および前記可動部を、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハ上に一体に形成したことを特徴とするセンサ素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載のセンサ素子と、
前記振動部を振動駆動するための電圧を、前記第３の櫛歯電極と前記第４の櫛歯電極との間に印加する駆動部と、
前記振動部の振動状態の変化に基づいて前記可動部の変位を検出する検出部とを備えたことを特徴とする物理センサ装置。
【請求項４】
請求項３に記載の物理センサ装置において、
前記検出部は、前記振動状態の変化による前記センサ素子および前記駆動部を含む系のイミタンスの変化に基づいて、前記可動部の変位を検出することを特徴とする物理センサ装置。
【請求項５】
請求項３に記載の物理センサ装置において、
前記駆動部は、前記センサ素子が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により前記振動部を振動させる増幅器を備えることを特徴とする物理センサ装置。
【請求項６】
請求項５に記載の物理センサ装置において、
前記検出部は、前記振動状態の変化としての振動周波数の変化に基づいて、前記可動部の変位を検出することを特徴とする物理センサ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、センサ素子、および、そのセンサ素子を備えた物理センサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の装置としては、探針を有するプローブを櫛歯電極アクチュエータにより振動させ、原子間力を検出する原子間力顕微鏡装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この顕微鏡装置では、櫛歯電極アクチュエータの振動状態が一定に保たれるようにプローブをｚ方向に駆動し、その駆動量データから試料表面の凹凸情報を得るようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−９３２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述した櫛歯電極アクチュエータで振動するプローブで、液中の試料を検出するような使い方をした場合、液体の抵抗によりプローブの振動が制限され、試料に接触したときの検出感度が低下してしまうという欠点があった。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
請求項１の発明によるセンサ素子は、互いに逆向きに形成された第１および第２の櫛歯電極を有し、ベース部に弾性的に支持されるとともに櫛歯の凹凸方向に振動する振動部と、第１の櫛歯電極と噛合する第３の櫛歯電極を有し、ベース部に固定された固定部と、第２の櫛歯電極と噛合する第４の櫛歯電極を有し、ベース部に弾性的に支持されて外力の作用により櫛歯の凹凸方向に変位する可動部とを備えたことを特徴とする。
請求項２の発明は、請求項１に記載のセンサ素子において、固定部、振動部および可動部を、フォトリソグラフィー法によりＳＯＩウエハ上に一体に形成したものである。
請求項３の発明による物理センサ装置は、請求項１または２に記載のセンサ素子と、振動部を振動駆動するための電圧を、第３の櫛歯電極と第４の櫛歯電極との間に印加する駆動部と、振動部の振動状態の変化に基づいて可動部の変位を検出する検出部とを備えたことを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項３に記載の物理センサ装置において、検出部は、振動状態の変化によるセンサ素子および駆動部を含む系のイミタンスの変化に基づいて、可動部の変位を検出するようにしたものである。
請求項５の発明は、請求項３に記載の物理センサ装置において、駆動部は、センサ素子が有する電気的等価回路を帰還回路として用いることにより自励発振させ、その自励発振により振動部を振動させる増幅器を備える。
請求項６の発明は、請求項５に記載の物理センサ装置において、振動状態の変化としての振動周波数の変化に基づいて、可動部の変位を検出するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、可動部の変位を検出する際の検出感度を、より向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、図を参照して本発明を実施するための最良の形態について説明する。図１は本発明に係るセンサ素子を用いた原子間力顕微鏡装置（以下、ＡＦＭ装置と呼ぶ）の概略構成を示す図である。ＡＦＭ装置１００は、センサ１と、センサ１が固定される支持部４と、支持部４をｚ方向に変位させるピエゾアクチュエータ５と、試料Ｓをｘｙ方向に移動するステージ６と、センサ１を振動駆動する駆動部７と、制御装置８と、ステージ駆動制御部９と、モニタ１０とを備えている。駆動部７には、直流電源７１および交流電源７２が設けられている。制御装置８には、アドミッタンス検出器８１と、各種演算を行うとともに装置全体の制御を行う制御演算部８２が設けられている。
【０００８】
図２はセンサ１の構成を示す斜視図である。センサ１は、基台１４と、基台１４上に形成された固定部１１と、第１の可動部１２と、第２の可動部１３とを備えている。可動部１２は、基台１４との間に形成された４本の梁１２１により弾性的に支持されている。同様に、可動部１３は、基台１４との間に形成された４本の梁１３１により弾性的に支持されている。そのため、可動部１２，１３はｚ方向に変位可能な構造となっている。
【０００９】
図２に示すセンサ１は、絶縁層を挟んだ上下２つのシリコン層からなる３層構造の基板、例えばＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハを用いて、半導体微細加工技術により一体で製作される。ＳＯＩウエハは、絶縁層のＳｉＯ２層を２つのＳｉ層で挟んだ３層構造の基板である。センサ１の基台１４は厚く形成された下部Ｓｉ層により形成され、固定部１１、可動部１２，１３、梁１２１，１３１は、下部Ｓｉ層よりも薄い上部Ｓｉ層により形成される。ＳｉＯ２層は、基台１４と固定部１１との間、および、梁１２１，１３１の接続部１２１ａ，１３１ａと基台１４との間に介在するように残存している。
【００１０】
固定部１１および可動部１３の互いに対向する部分は、櫛歯状の凹凸形状をしている。そして、固定部１１および可動部１３の凹凸形状部分は、固定部１１の凸部１１２が可動部１３の凹１３３に入り込むとともに、可動部１３の凸部１３２が固定部１１の凹部１１３に入り込むように、隙間を有して噛合している。同様に、可動部１２および可動部１３の対向部分も櫛歯状の凹凸形状をしており、可動部１２の凸部１２２が可動部１３の凹１３５に入り込むとともに、可動部１３の凸部１３４が可動部１２の凹部１２３に入り込むように、隙間を有して噛合している。可動部１２にはｘ方向に突出したプローブ１２４が形成されており、プローブ１２４の先端には探針１２５が形成されている。この探針で試料Ｓの表面をＡＦＭ観察することで、試料Ｓの表面形状を計測することができる。
【００１１】
駆動部７の直流電源７１および交流電源７２は直列接続されており、固定部１１と可動部１２との間には、直流電圧Ｅ０に交流電圧ｅを重畳した電圧が印加される。そのため、固定部１１と可動部１３との櫛歯形状部の隙間空間および、可動部１２と可動部１３との櫛歯形状部の隙間空間に電界が形成され、交流電圧ｅの角周波数ωに応じて可動部１２，１３が振動することになる。センサ１は印加電圧を変えることで可動部１２，１３を駆動することができる静電アクチュエータを構成しており、可動部１２，１３の質量，バネ定数などの変化、すなわち機械系の変化を、電気的なアドミッタンスの変化として計測することが可能となる。なお、従来の櫛歯アクチュエータと区別するために、本願の静電アクチュエータを連成櫛歯アクチュエータと呼ぶことにする。
【００１２】
本実施の形態では、可動部１２のバネ定数を可動部１３のバネ定数よりも小さく設定し、可動部１３の共振周波数あるいはその近傍で可動部１３を励振する。可動部１３は、直流的にはフローティングの状態になっている。一方、可動部１２は、共振周波数が駆動周波数から離れているので励振されず、外力によって静的あるいは準静的な変位を行う。
【００１３】
図１のアドミッタンス検出器８１は電気・機械結合系のアドミッタンスを検出するものであり、検出データは制御演算部８２へ入力される。探針１２５で試料表面を走査すると、探針１２５と試料表面原子との原子間力により探針１２５が試料表面に引き寄せられ、可動部１２がｘ方向に変位する。この可動部１２の変位は、アドミッタンスの変化としてアドミッタンス検出器８１により検出される。
【００１４】
制御演算部８２は、アドミッタンスの変化がゼロとなるように、すなわち可動部１２の変位がゼロとなるようにピエゾアクチュエータ５をｘ方向に駆動する。そして、このような制御を行いながら、ステージ６により試料Ｓをｘｙ方向に移動する。このときの制御信号は試料Ｓの表面状態（凹凸の様子）を表しており、制御信号に基づいて観察画像をモニタ１０に表示する。
【００１５】
図３は、センサ１の解析モデルを示す図である。上述したように、電圧は固定部１１と可動部１２との間に印加され、可動部１３は直流的にフローティングの状態になっている。なお、図３において、ｍ１，ｍ２はそれぞれ可動部１２，１３の質量であり、ｋ１，ｋ２は可動部１２，１３のバネ定数、ｒ１，ｒ２は可動部１２，１３の機械抵抗（振動に伴う流体抵抗も含む）である。また、Ｘ１は固定部１１と可動部１３との間の櫛歯の初期重なり量であり、Ｘ２は可動部１２と可動部１３との間の櫛歯の初期重なり量である。ωは、交流電圧ｅの角周波数である。
【００１６】
図３に示すような電気・機械結合系のラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆは、それぞれ次式（１），（２）のように表される。式（１）において、x１,x２は可動部１２，１３のｘ方向の変位を表している。Ｃ(x１,x２)は、固定部１１と可動部１３との間の静電容量Ｃ１(x１,x２)と、可動部１２，１３間の静電容量Ｃ２(x１,x２)とを合わせた合成容量であり、式（３）で表される。式（２）のＲは電気系の抵抗である。また、式（３）において、ｎは凸部の総数、ｂは図３に示す櫛歯間のｙ方向隙間寸法、ｄは櫛歯のｚ方向厚さ寸法（図２参照）、ε０は真空の誘電率である。なお、浮遊容量Ｃstrayに関しては、Ｃstray＝０と仮定して説明をする。
【数１】
0004758405.tif 000002
【００１７】
上述したラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆから、（４），（５），（６）に示すような機械系の外力ｆ１，ｆ2および電気系の交流電圧ｅに関するラグランジュ方程式を導出する。式（４），（５）はそれぞれ可動部１２と可動部１３に関する式であり、式（６）は電気回路に関する式である。なお、Ｆ１、Ｆ2は、直流バイアス電圧Ｅ０による力を示す。
【数２】
0004758405.tif 000003
【００１８】
ここで、角周波数ωの交流電圧ｅの大きさがバイアス電圧Ｅ０に対して十分小さく、かつ、Ｒ≒０であると仮定すると、式（４）〜（６）は式（７）で示すような線形近似基本方程式で表される。なお、式（７）では、３つの方程式を行列を用いて表現した。また、Ｃ０，Ｃ１，Ｃ２は、変移量ｘ１、ｘ２がゼロの場合における静電容量であり、次式で表される。破線で囲んだ外力ｆ１の式の第２項および外力ｆ２の式の第１項のいずれにも、（１／Ｃ１−１／Ｃ２）という因数が含まれており、このことから、可動部１２と可動部１３とは電界を介して相互にカップリングしていることがわかる。
【数３】
0004758405.tif 000004
【００１９】
式（７）に関して、外力ｆ１、ｆ２をゼロとし、Ｃｒａｍｅｒの公式を用いて電圧ｅを求めると次式（８）のようになる。なお、式（８）を求める際には、機械抵抗ｒ１，ｒ２をゼロとみなして計算を行っている。この電圧ｅの式を用いることにより、インピーダンスＺは式（９）のように表される。なお、式（８）の分母に現れる｜Ｈ｜は、式（７）の右辺の行列に関する行列式である。
【数４】
0004758405.tif 000005
【００２０】
また、アドミッタンスＹは、式（１０）のように表される。なお、式（８）〜（１０）において、定数Ａ，Ｂ，Ｄ，Ｇは以下の通りであり、ω１２＝ｋ１／ｍ１、ω２２＝ｋ２／ｍ２である。
【数５】
0004758405.tif 000006
【００２１】
このように、センサ１の振動状態の変化、すなわち振動系の変化は電気系のインピーダンスＺまたはアドミッタンスＹの変化（より一般的にはイミタンスの変化）を計測することにより検出することができる。アドミッタンスＹの絶対値は、インピーダンスアナライザーによって直接に計測することができる。なお、アドミッタンスの検出方法については、特開２００７−９３２３１号公報に詳細に記載されており、ここでは説明を省略する。
【００２２】
前述したように、本実施の形態では、可動部１２のバネ定数は可動部１３のバネ定数よりも小さく設定されている。そのため、可動部１３が共振周波数あるいはその近傍で励振されても、可動部１２は可動部１３の振動には追従せず、外力が加わらない限りほぼ静止した状態となる。そして、外力によって可動部１２が変位すると、可動部１２と可動部１３との間のカップリングの強さが変化するので、その変化が電気系の変化として現れる。この電気的な変動を電子回路で例えばアドミッタンス変化として検出することにより、可動部１２の変位を検出することができる。
【００２３】
可動部１２のバネ定数が小さくて可動部１２が振動しない場合、ｖｘ＝０としてラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆを立てる。それぞれ、式（１１），（１２）のようになる。そして、ラグランジアンＬおよび散逸関数Ｆをｘ１，ｖ２，ｅについて解くと、式（１３）で与えられるような可動部１２（ｆ１）、可動部１３（ｆ２）、電気回路系（ｉ）のそれぞれの系に対応した行列が得られる。
【数６】
0004758405.tif 000007
【００２４】
この場合も、前述した場合と同様に、式（１３）に関して、外力ｆ１、ｆ２をゼロとし、Ｃｒａｍｅｒの公式を用いて電圧ｅを求めると次式（１４）のようになる。この電圧ｅの式を用いることにより、インピーダンスＺは式（１５）のように表される。
【数７】
0004758405.tif 000008
【００２５】
図４は実験データを示したものであり、（ａ）は図２の連成櫛歯アクチュエータの部分を従来の櫛歯アクチュエータで置き換えた場合のデータを示し、（ｂ）は連成櫛歯アクチュエータを用いたセンサ１の場合を示す。この実験データは、櫛歯アクチュエータを駆動部７により励振させた状態で、探針１２５をＳｉ基板に接触させない場合と、探針１２５を基板方向に押し込んで可動部１２を変位させた場合とを示す。なお、図４（ａ）に示す従来の櫛歯アクチュエータの場合は、駆動周波数とインピーダンスアナライザーで計測されるアドミッタンス値｜Ｙ｜との関係を示し、図４（ｂ）の場合には、駆動周波数とロックインアンプで計測される電流値との関係を示す。
【００２６】
図４（ａ）に示す従来の櫛歯アクチュエータの場合、探針１２５を接触させないフリー状態（曲線ａ）では、典型的なアドミッタンスカーブが得られるが、探針１２５が基板に接触して可動部１２に変位が生じると、曲線ｂ〜ｄのようにピーク部分の波形が潰れたような形状となる。これは、探針１２５が基板に接触すると櫛歯アクチュエータの可動部の振動が制限されるために生じるものであり、押し込み量が大きくなるほど波形の潰れが顕著になる。そのため、変位測定の感度が低下するという欠点があった。
【００２７】
一方、図４（ｂ）に示す計測結果では、探針１２５が基板に接触して可動部１２が変位した状態（ｂ〜ｄ）でも波形の潰れは計測されず、接触量（＝変位量）を変えたときの容量の変化が波形に明確に現れている。そのため、可動部１３の変位を感度良く計測することができる。なお、接触量は押し込み量と同じ内容のものである。図４（ｂ）に示すデータでは、ｆ＝１０．８kHz〜１１kHzの周波数範囲においては接触量の変化に対して電流値が大きく変化している。そのため、この周波数範囲（例えば、10.9kHz）で可動部１３を励振し、電流値の変化量から可動部１２の変位量を高精度に推定することができる。もちろん、変位量と可動部１２に付加される外力との対応関係を予めテーブルとして用意し、変位量とテーブルとから外力の大きさを求めるようにしても良い。
【００２８】
また、図５はセンサ１をタッチセンサに適用した場合を示す図である。図５（ａ）は従来の櫛歯アクチュエータをタッチセンサに用いた場合を示す図であり、図５（ｂ）はセンサ１を接触検出用センサに適用した場合を示す。図５（ａ）に示す場合には、接触を検出するためのアーム１３８が、振動している可動部１３に形成されている。アーム１３８が試料５０に接触すると可動部１３の振動状態が変化し、その振動状態の変化をアドミタンス変化として計測することにより、試料５０への接触を検出することができる。
【００２９】
一方、図５（ｂ）に示す連成櫛がアクチュエータを用いる場合には、静止状態の可動部１２に接触用のアーム１２８が形成されている。そして、アーム１２８が試料５０に接触して可動部１２が可動部１３方向へ変位すると、電極部のカップリング強度が変化する。その結果、可動部１３の振動状態が変化し、アーム１２８が試料５０に接触したことを検出することができる。
【００３０】
しかしながら、水中にある試料５０を計測する場合、図５（ａ）に示す例では、アーム１３８の一部が水中に侵入したときに水の粘性抵抗により、可動部１３の振動状態が変化する。そのため、アドミッタンス変化が、振動する可動部１３が静的に変位したことに起因するのか、粘性抵抗に起因するのかを判別し難くい。さらに、粘性抵抗により振動が制限されるため、検出感度も低下してしまう。
【００３１】
一方、図５（ｂ）に示す例では、可動部１２は振動していないので、アーム１２８の一部が水中に入った場合でも可動部１３の振動状態は変化しない。そして、アーム１２８が試料５０に接触して可動部１２が図示左側に変位すると、電極部のカップリング強度が変化してアドミッタンス変化として計測される。そのため、アーム１２８が水中にある場合でも大気中にある場合でも、同様の検出精度で接触を検知することができる。
【００３２】
なお、センサ１を物理センサとして用いる他の例としては、メンブレン方式の圧力センサがある。この場合、可動部１２をメンブレンに密着するように設け、圧力によるメンブレンの変形を可動部１２の変位として検出するように構成する。
【００３３】
［変形例］
図６は本実施の形態の変形例を示す図であり、センサ１および駆動部７を示すブロック図である。上述した実施の形態では、駆動部７に交流電源７２を設けて可動部１３を励振させたが、変形例では、センサ１の連成櫛歯アクチュエータ（静電アクチュエータ）を共振回路とし、その出力を増幅器２３を介してフィードバックすることにより、自励発振させるようにした。そして、自励発振するセンサ１の振動状態の変化を、例えば周波数変化として検出することにより、可動部１２の変位を検出することができる。
【００３４】
図６では、センサ１は、それが本来的に有しているＬ，Ｃ，Ｒ共振回路に基づいて描いてある。すなわち、センサ１を受動２端子素子とみなして示した。駆動部７は、センサ１を帰還回路として有する増幅器７３と、センサ１に対して直流バイアス電圧Ｅ０を印加する直流電源７１とを備えている。
【００３５】
なお、直流バイアス電圧Ｅ０を印加する直流電源７１の内部抵抗は非常に小さいので、帰還信号が直流電源７１側を通過しないようにする必要がある。そこで、本実施の形態では、高抵抗Ｒhighを直流電源７１と直列に挿入してある。このことにより、直流電源７１が帰還パスに影響を与えないようにしている。また、直流電源７１が、増幅器７３を含んだ回路系統からＤＣ回路としてフローティング状態とされる同時に、増幅器７３の端子（出力端子＆入力端子）に直流電圧が直接印加されないよう、ブロッキング・コンデンサＣＢを挿入してある。
【００３６】
増幅器７３とセンサ（静電アクチュエータ）１とで発振回路を構成することにより、センサ１に電圧を印加すると、可動部１３は共振周波数で自励振動することになる。外力により可動部１２に変位が生じると、等価回路のＲ，Ｃ，Ｌが変化して振動の振幅および周波数が変化する。増幅器７３からの出力信号は、振動状態の変化を周波数変化として検出する検出部６０に入力される。検出部６０には、例えば、周波数コンパレータが設けられ、増幅器２３から出力される信号の周波数を周波数コンパレータによりモニタする。
【００３７】
なお、上述した実施の形態では、振動状態の変化をアドミッタンスの変化として検出したが、図４（ｂ）で示したように電流値の変化として検出するようにしても良い。以上説明した実施の形態と特許請求の範囲の要素との対応において、可動部１２は可動部を、可動部１３は振動部を、基台１４はベース部をそれぞれ構成する。また、以上の説明はあくまでも一例であり、本発明の特徴を損なわない限り、本発明は上記実施の形態に何ら限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係るセンサ素子を用いた原子間力顕微鏡装置の概略構成を示す図である。
【図２】センサ１の構成を示す斜視図である。
【図３】センサ１（連成櫛歯アクチュエータ）の解析モデルを示す図である。
【図４】実験データを示す図であり、（ａ）は従来の櫛歯アクチュエータを用いたセンサの場合を示し、（ｂ）は連成櫛歯アクチュエータを用いたセンサ１の場合を示す。
【図５】センサ１をタッチセンサに適用した場合を示す図であり、（ａ）は従来の櫛歯アクチュエータを用いた場合を示す、（ｂ）はセンサ１をタッチセンサに適用した場合を示す。
【図６】変形例を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００３９】
１：センサ、５：ピエゾアクチュエータ、６：ステージ、７：駆動部、８：制御部、９：ステージ駆動制御部、１１：固定部、１２，１３：可動部、１４：基台、５０：試料、６０：検出部、７１：直流電源、７２：交流電源、７３増幅器、８１：アドミッタンス検出器、８２：制御演算部、１２１，１３１：梁、１２８，１３８：アーム
【図１】
0004758405.tif 000009
【図２】
0004758405.tif 000010
【図３】
0004758405.tif 000011
【図４】
0004758405.tif 000012
【図５】
0004758405.tif 000013
【図６】
0004758405.tif 000014