(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三角柱部材の稜線の先端を走査型プローブ顕微鏡の探針として使用可能な第１のプローブと、前記第１のプローブに対して開閉自在に設けられた三角柱部材から成る第２のプローブとを、各三角柱部材の所定の周面がほぼ平行状態で対向するように並置し、前記所定の周面により試料を把持するＡＦＭピンセットであって、
前記試料を把持するための前記周面の一部と前記稜線の先端とを含む領域を残しつつ、前記稜線の先端で試料を走査する際の前記試料との干渉を防止するように切り欠かれた切り欠き部を、前記第１のプローブに形成したことを特徴とするＡＦＭピンセット。
【請求項２】
請求項１に記載のＡＦＭピンセットにおいて、
前記稜線の先端に近接する所定稜線領域を除去して、前記稜線の先端を含む部分が稜線方向において楔形状になるように前記切り欠き部を形成したことを特徴とするＡＦＭピンセット。
【請求項３】
請求項１または２に記載のＡＦＭピンセットと、
試料に対して前記ＡＦＭピンセットを相対移動して、前記第１のプローブの前記稜線の先端を試料に対して走査駆動する走査駆動部と、
前記第２のプローブを開閉駆動する開閉駆動部と、
前記走査駆動時の前記第１のプローブの変位を検出する検出部とを備え、
前記検出部で検出した変位に基づいて前記試料の表面形状を測定することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、走査型プローブ顕微鏡の探針として使用可能なプローブを有するＡＦＭピンセット、そのＡＦＭピンセットの製造方法、およびＡＦＭピンセットを備えた走査型プローブ顕微鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型プローブ顕微鏡を用いた試料の操作（マニピュレーション）への応用として、２本のプローブの間に試料を挿入し、試料を把持／解放するＡＦＭピンセットと呼ばれるものが考案されている。
【０００３】
このＡＦＭピンセットとして、走査型プローブ顕微鏡などに用いられるカンチレバーにおいて、（１）シリコンからなるカンチレバーの先端に設けられた探針上に２本のカーボンナノチューブを取り付けたもの（例えば、特許文献１を参照）、（２）カンチレバーとしてのガラスチューブにカーボンナノチューブを取りつけたもの、さらに、（３）シリコン基板よりＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）プロセスを用いてカンチレバー２本を作成したものなどが考案されている。
【０００４】
上記（１）、（２）のピンセットでは、２本のカーボンナノチューブ探針の間に静電気を印加させることで２本のカーボンナノチューブの開閉を行っている。また、（３）のピンセットとしては、カンチレバーの根元に電流を流し発熱によるシリコンの線膨張を拡大し駆動に使用している例が知られている。さらには、２本のカンチレバーで把持するために櫛歯状の静電アクチュエータを構成したものや、カンチレバーの根元に電流を流し発熱によるシリコンの線膨張を拡大し駆動に使用している例が知られている（例えば、非特許文献1を参照）。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−２５２９００号公報
【非特許文献１】武川哲也、橋口原、民谷栄一等、「ナノ物質のマニピュレーシヨンを行う為のＡＦＭピンセットの開発」、電気学会論文誌Ｅ、Ｔｒａｎｓ．ＳＭ，Ｖｏｌ１２５，Ｎｏ．１１，２００５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の装置では、非常に細いカーボンナノチューブにより試料を把持する構成であるため、試料の把持が不安定で把持操作が難しい。また非特許文献１に記載のＡＦＭピンセットはプローブ先端がナイフ状で、ＡＦＭ観測像に探針の形状が反映するために偽像が発生し、把持試料の幅や高さなどの形状情報が得られにくい。本発明は、以上の課題を鑑み把持性能と観察性能の両方に優れたピンセットを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１の発明は、三角柱部材の稜線の先端を走査型プローブ顕微鏡の探針として使用可能な第１のプローブと、第１のプローブに対して開閉自在に設けられた三角柱部材から成る第２のプローブとを、各三角柱部材の所定の周面がほぼ平行状態で対向するように並置し、前記所定の周面により試料を把持するＡＦＭピンセットであって、試料を把持するための周面の一部と稜線の先端とを含む領域を残しつつ、稜線の先端で試料を走査する際の試料との干渉を防止するように切り欠かれた切り欠き部を、第１のプローブに形成し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ＡＦＭピンセットにおいて、第１のプローブに稜線の先端に近接する所定稜線領域を除去して、前記稜線の先端を含む部分が稜線方向において楔形状になるように切り欠き部を形成したものである。
請求項３の発明による走査型プローブ顕微鏡は、請求項１または２に記載のＡＦＭピンセットと、試料に対してＡＦＭピンセットを相対移動して、第１のプローブの稜線の先端を試料に対して走査駆動（ＸＹ走査とＺ駆動）する走査駆動部と、第２のプローブを開閉駆動する開閉駆動部と、走査駆動時の第１のプローブの変位を検出する検出部とを備え、検出部で検出した変位に基づいて試料の表面形状を測定することを特徴とする。例えば、変位量が一定となるようにＺサーボ制御して表面形状を測定する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、ＡＦＭピンセットを用いる走査型プローブ顕微鏡において、高分解能で高精度な観察と、安定した把持とを両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
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、本発明によるＡＦＭピンセットを備える走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）装置の一種である原子間力顕微鏡装置（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope、以下、ＡＦＭ装置と言う）の概略構成を模式的に示す図である。
【００１０】
ＡＦＭ装置は、ＡＦＭピンセット１と、レーザ光源２と、２分割あるいは４分割フォトダイオード３と、制御部４と、励振部５と、静電アクチュエータ６と、３次元ステージ８と、駆動回路部９とを備えている。ＡＦＭピンセット１は、支持体２５に一体に形成された固定アーム１０および可動アーム２０を有し、後述するように、フォトリソグラフィー技術を利用してＳＯＩウェハを加工することにより形成される。
【００１１】
固定アーム１０は、レバー１０Ａと、レバー１０Ａの先端に設けられた観察プローブ１０Ｂとを有している。ＡＦＭピンセット１を用いてＡＦＭ観察を行う際には、この観察プローブ１０Ｂで観察対象の表面を走査して観察する。可動アーム２０は、レバー２０Ａと、レバー２０Ａの先端に設けられた把持プローブ２０Ｂとを有している。ほぼ平行に配置された観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとは、所定間隔を隔てて設けられている。可動アーム２０は、櫛歯型の静電アクチュエータ６により開閉駆動される。
【００１２】
支持体２５は、ＡＦＭ装置に設けられたホルダー（不図示）に着脱可能に保持されている。支持体２５が保持されるホルダーは、ＡＦＭ装置に設けられた３次元ステージ８に固定される。３次元ステージ８を駆動することにより、ＡＦＭピンセット１の全体を、ｘ方向、ｙ方向およびｚ方向のそれぞれの方向に移動させることができる。なお、支持体２５のホルダーへの装着方法としては、例えば、ホルダーに形成された溝部または凹部に支持体２５をスライドさせて嵌め込んだり、ホルダーに取り付けられた板バネで支持体２５を挟持するなど、種々の方法がある。
【００１３】
レーザ光源２のレーザ光は固定アーム１０の上面に照射され、その反射レーザ光が２分割あるいは４分割フォトダイオード３によって検出される。２分割あるいは４分割フォトダイオード３からの検出信号は、装置全体の制御を行う制御部４に入力される。制御部４は、検出信号に基づいて固定アーム１０の変位や振動状態（振幅、周波数、位相）の変化を算出し、変位や振動状態の変化量が一定になるように制御を行い、試料の表面形状を測定する。その測定結果はモニタ等（不図示）に表示される。図示していないが、励振部５には、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動させて固定アーム１０を励振させるためのピエゾ素子と、ピエゾ素子を駆動する駆動部とが設けられている。
【００１４】
図２はＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図であり、ＡＦＭピンセット１を裏面側から（−ｚ方向から）見た斜視図である。静電アクチュエータ６は、支持体２５上に固定された櫛歯形状の固定電極６０と、可動アーム２０に連結される櫛歯形状の可動電極６１とを有している。固定電極６０と可動電極６１との間には、駆動回路部９により直流のアーム開閉電圧が印加される。
【００１５】
可動電極６１は、弾性支持部６２によって支持体２５上に支持されている。弾性支持部６２は、連結部材６３によって可動アーム２０に連結されている。そのため、アーム開閉電圧を制御して可動電極６１をｘ方向に駆動すると、可動アーム２０はＡＦＭピンセット１を閉じる方向に駆動される。それによって、観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとの間に試料を把持することができる。
【００１６】
把持プローブ２０Ｂは、直角三角形の断面形状を有する楔形プローブであって、鋭角部の稜線が−ｚ方向（観察試料方向）に向いている。一方、観察プローブ１０Ｂの形状も、全体的には把持プローブ２０Ｂと同様に直角三角形の断面形状を有する楔型のプローブであるが、−ｚ方向（観察試料方向）に向いている鋭角部の稜線の一部が切り欠かれ、先端部分が探針部１１０になっている。観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとは、楔形プローブの垂直な面がほぼ平行に対向するように並置されている。
【００１７】
図３は観察プローブ１０Ｂの形状を示す図であり、正面図、上面図および側面図を示す。図示下側の稜線の一部に切り欠き部１００が形成され、観察プローブ１０Ｂの先端部分はＡＦＭ観察用の探針部１１０となっている。観察プローブ１０Ｂは観察面に対して斜めにアプローチされ、探針部１１０の稜線の先端（符号Ｐで示す）が探針として用いられる。また、把持プローブ２０Ｂと対向する垂直な面１１２が把持面として用いられる。なお、二点鎖線は、切り欠き部１００を形成したことにより削除されて稜線領域を示す。
【００１８】
《ＡＦＭ観察》
本実施の形態のＡＦＭピンセット１は、観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとの間に試料を把持して搬送するピンセットとしての機能と、試料をＡＦＭ観察する探針プローブとしての機能とを備えている。図４（ａ）に示すように、ＡＦＭピンセット１を用いてＡＦＭ観察を行う場合には、観察プローブ１０Ｂの先端に形成された探針部１１０で観察対象を走査する。
【００１９】
なお、コンタクトモードで観察する場合には、探針部１１０を観察表面に接触させＸＹ走査する。一方、ダイナミックフォースモードで観察する場合には、観察表面に近接させた観察プローブ１０Ｂを図４（ａ）に示すように上下に共振振動させながらＸＹ走査する。
【００２０】
観察対象の表面の凹凸により、探針部１１０の先端と観察対象との距離（ダイナミックフォースモードの場合には平均距離）が変化すると、観察対象の表面と探針部１１０との間の相互作用が変化する。その結果、コンタクトモードの場合にはレーザ光が照射されているレバー１０Ａが上下方向に撓み、ダイナミックモードの場合にはレバー１０Ａの振動状態が変化する。これらの変化は、レーザ光源２と２分割あるいは４分割フォトダイオード３とを利用した光てこ方式の計測方法により測定する。
【００２１】
なお、ダイナミックフォースモードで観察を行う場合には、励振部５に設けられたピエゾ素子を駆動して、ＡＦＭピンセット１の全体をｚ方向に振動することで、図４（ａ）に示すように固定アーム１０のみをｚ方向に大きく共振させる。その場合、固定アーム１０の共振周波数ｆ１を可動アーム２０の共振周波数ｆ２よりも高くなるようにレバー１０Ａ、２０Ａを設計し、励振部５の振動周波数を固定アーム１０の共振周波数ｆ１に設定することで、固定アーム１０のみを大きく振動させることができる。
【００２２】
《試料把持》
図４（ｂ）は、ＡＦＭピンセット１で試料を把持した場合を示す。試料を把持する場合には、上述したように直流のプローブ開閉電圧を印加し、その電圧値を制御することで可動アーム２０を固定アーム１０の方向に閉駆動する。その結果、把持プローブ２０Ｂと観察プローブ１０Ｂとの間に試料が把持される。上述したように観察プローブ１０Ｂも把持プローブ２０Ｂも対向面は垂直になっており、固定アーム１０を閉じることで、試料がこれらの垂直な面の間に把持されることになる。
【００２３】
《観察プローブ１０Ｂの形状に関する説明》
本実施の形態のＡＦＭピンセット１では、試料の把持がより安定して行えるように、楔形状を成す観察プローブ１０Ｂおよび把持プローブ２０Ｂの垂直な面を互いに対向させて、その間に試料を把持するようにしている。そして、ＡＦＭ観察を行う場合には、観察プローブ１０Ｂの下側稜線の先端を観測用探針として用いる。
【００２４】
しかしながら、観察プローブ１０Ｂが把持プローブ２０Ｂと同様の形状であった場合、ＡＦＭ観察時に図５に示すような不都合が生じる。図５に示す観察プローブ１１Ｂは、把持プローブ２０Ｂと同様の楔形状を有している。図５において、（ａ）はＡＦＭ観察時の観察プローブ１１Ｂの先端の軌跡を示し、（ｂ）は観察像を示す。
【００２５】
図５では、観察ステージ３０２上に載置された球形の試料３００を観察する場合を示した。図５（ａ）に示すように、観察プローブ１１Ｂを観察ステージ３０２の載置面に対して斜めに保持し、観察ステージ３０２の表面近傍まで降下させる。その後、観察プローブ１１Ｂを図示左方向に走査する。破線Ｌ１は、観察プローブ１１Ｂの先端の軌跡を表している。ＡＦＭ観察では、観察プローブ１１Ｂの先端の軌跡Ｌ１に基づいて観察対象の表面形状を計測しており、軌跡Ｌ１の集まりを含む曲面の形状が観察対象の表面形状に対応する。
【００２６】
図５（ｂ）は、図５（ａ）の走査により取得される試料３００の観察像３０４の平面図を示したものである。試料３００は球形であるので、円形の観察像が得られるのが望ましい。しかし、図５（ｂ）に示す観察像３０４は左右非対称になっており、観察像３０４の右側（符号３０４ａで示す部分）は尾を引いたような形状になっている。これは、観察プローブ１１Ｂの先端が図５（ａ）のＰ１点に達すると、観察プローブ１１Ｂの下部稜線が試料３００と干渉し始めるためである。その結果、観察プローブ１１Ｂは、先端が軌跡Ｌ１上を斜め左上方向に直線的に移動するように走査され、図５（ｂ）に示すような観察像３０４が得られることになる。
【００２７】
本実施の形態のＡＦＭピンセット１では、図３に示したように、観察プローブ１０Ｂの下部稜線の一部に切り欠き部１００を形成することで、走査時における稜線部分と試料との干渉を低減するようにした。図６は、観察プローブ１０Ｂを用いた場合に得られる観察像を説明する図である。
【００２８】
図６（ａ）は、観察プローブ１０Ｂの先端の軌跡Ｌ２を示したものである。観察プローブ１０Ｂには切り欠き部１００が形成されているため、探針部１１０が試料３００の近傍（点Ｐ２で示す位置）に近付くまでは、観察ステージ３０２の表面形状が観察されることになる。その結果、図６（ｂ）に示す観察像３０４には、尾を引いたような部分３０４ａは僅かになり、実際の試料３００の形状に近い観察像３０４を得ることができる。
【００２９】
図７は観察プローブの形状および寸法と、試料３００の大きさとの関係を説明する図である。上述したように、観察プローブ１０Ｂの稜線の先端でＡＦＭ観察を行うために、ＡＦＭピンセット１は、観察プローブ１０Ｂと観察ステージ３０２との角度がθとなるように保持されている。切り欠き部１００の切り欠き面は、観察ステージ３０２の載置面に対して垂直な切り欠き面１００ａと、載置面に平行な切り欠き面１００ｂとから成る。
【００３０】
ここでは、切り欠き面１００ｂの探針部１１０の下端からの距離をd1とする。観察ステージ３０２上に載置された球形試料３００の直径が距離d1よりも小さい場合には、観察プローブ１０Ｂを図示左方向に走査したときに、試料３００が切り欠き面１００ｂの下側に入り込むため、垂直な切り欠き面１００ａが試料３００にほぼ接する位置まで、探針部１１０を試料３００に近づけることができる。
【００３１】
その結果、図６に示したように、試料３００の形状を従来より正確に計測することが可能となり、ＡＦＭ観察の性能向上を図ることができる。例えば、切り欠き面１００ｂの図示左右方向寸法をｄ２とすれば、観察像３０４の尾の部分の長さを、観察プローブ１１Ｂを用いた場合に比べて［d2−d1／２−（d1／tanθ−D／tanθ）］程度小さくすることができる。なお、Ｄは球形試料３００の直径であり、Ｄ≦ｄ１の場合を考えている。さらに、探針部１１０における稜線の寸法d4をd4＝０とすれば、観察像３０４の尾の部分が殆ど形成されなくなる。
【００３２】
もちろん、試料３００の直径がd1よりも大きくなると、切り欠き面１００ａが試料３００に近接する前に観察プローブ１０Ｂの稜線が試料３００と干渉するため、試料３００の直径がd1よりも小さい場合に比べて、観察像３０４の尾の部分３０４ａが大きくなる。
【００３３】
次に、切り欠き部１００の形成した場合の、ＡＦＭピンセット１の把持性能について説明する。ここでは、説明を簡単にするために、球形試料３００を把持する場合について考える。球形試料３００が直径d1の場合、把持プローブ２０Ｂを閉じたときに試料３００の中心位置がd3で示す部分に入っていれば、観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとの間に試料３００を把持することができる。なお、直線L10は、球形試料３００の中心を通り観察ステージ３０２の表面に平行な直線である。探針部１１０の稜線の長さをd4とすると、探針部１１０の水平方向の寸法d3は、次式（１）で表せる。
d3＝d4cosθ＋(d1／2)tanθ    …（１）
【００３４】
一方、観察プローブ１０Ｂに切り欠き部１００を形成しない場合には、球形試料３００が把持可能な水平寸法d5は、次式（２）のように表せる。なお、二点鎖線は切り欠きを形成しない場合の稜線を示している。すなわち、切り欠き部１００を形成したことにより、試料３００を把持できる許容範囲が次式（３）で示すΔdだけ狭くなる。
d5＝(d1／2)（tanθ＋1／tanθ）    …（２）
Δd＝(d1／2)／tanθ−d4cosθ    …（３）
【００３５】
図７からも分かるように、試料３００の直径がd1よりも小さくなるにつれて、比＝d3／d5は徐々に１に近づき、直径が2d4・sinθより小さい場合には、d3／d5＝１となる。すなわち、切り欠き部１００を形成したことによる把持性能への影響はゼロとなる。また、式（３）においてΔｄ＝０となるように、ｄ４を次式（４）のように設定しても良い。この場合、切り欠き部１００を設けなかった場合と同様の把持性能を維持しつつ、観察像の尾を低減することができる。
d4＝d1／（2sinθ）    …（４）
【００３６】
ところで、より大きな試料３００に対しても精度良く観察できるように切り欠き面１００ｂの高さd1を大きくすると、切り欠き面１００ｂと切り欠き面１００ａとが交差するネック部分の断面積が小さくなりすぎて、観察プローブ１０Ｂの強度が落ちてしまう。そこで、切り欠き面１００ｂの高さd1を大きくする場合には、図８（ａ）に示すようにネック部１２０を斜めの切り欠き面１００ｃとし、ネック部１２０が細くなりすぎないようにする。
【００３７】
すなわち、削除する稜線領域（二点鎖線で示す）の長さに応じて、切り欠き部１００の形状を決定する。切り欠き面１００ｃは観察プローブ１０Ｂの上面と平行な面であり、切り欠き面１００ａと切り欠き面１００ｂとを連結している。図８（ａ）では高さd11の場合を実線で示し、高さd1の場合を破線、高さd12（＞d11）の場合を一点鎖線で示した。
【００３８】
図８（ｂ）は、観察プローブ１０Ｂの他の例を示す図である。図８（ｂ）に示す観察プローブ１０Ｂでは、図７に示す垂直な切り欠き面１００ａに代えて、斜めの切り欠き面１００ｄとした。切り欠き面１００ｄは、垂直に対して角度θ２だけ傾いている。この場合、観察像３０４の尾の部分３０４ａはやや大きくなるが、寸法d3が大きくなるので把持性能の向上を図ることができる。寸法d3は次式（５）で与えられ、図７に示した観察プローブ１０Bの場合よりも右辺第２項の分だけ大きくなる。
d3＝｛d4cosθ＋(d1／2)tanθ｝＋（d1／2−d4・sinθ）tanθ2    …（５）
【００３９】
図８（ｃ）は観察プローブ１０Ｂの第３の変形例を示したものである。第３の変形例では、図８（ｂ）に示す観察プローブ１０Ｂの走査面に平行な切り欠き面１００ｂに代えて、斜めの切り欠き面１００ｅとすることで、より大きな試料３００に対して尾の部分３０４ａを小さくできる。
【００４０】
図９は把持プローブの形状を示す図であり、把持面として機能する垂直な面の形状を示したものである。図９（ａ）は図２に示した把持プローブ２０Ｂを示したものであり、二点鎖線は観察プローブ１０Ｂの把持面の形状を示す。図９（ａ）に示すような試料３００を把持する場合、観察プローブ１０Ｂの把持面の接触面は小さいが、把持プローブ２０Ｂの接触面は大きいので把持の安定感が向上する。
【００４１】
図９（ｂ）では、把持プローブ２０Ｂを観察プローブ１０Ｂと同様の形状とし、観察プローブ１０Ｂの探針部１１０と対向する部分を把持部２００とした。図９（ｃ）では、観察プローブ１０Ｂの探針部１１０と対向する把持部２００の大きさを、図９（ｂ）の場合よりも大きくし、試料３００をより把持しやすくした。
【００４２】
《試料の大きさと把持可能範囲》
ここでは、試料が球形である場合について、把持可能範囲を説明する。まず、切り欠き部１００を形成しなかった場合、観察プローブ１０Ｂと試料表面との角度θを１３度と仮定すると、把持可能範囲は図２１のようになる。また、代表的な試料直径に対する把持可能範囲は以下の表に示したようになる。例えば、試料の直径が１００ｎｍのときそれを把持可能範囲は２００ｎｍである。
【表１】
0004503633.tif 000002
【００４３】
一方、切り欠き部１００を作成した場合、試料直径が2d4・sinθより大きいと把持可能範囲は（３）式だけ小さくなる。よって、観察プローブ１０Ｂおよび把持プローブ２０Ｂの先端形状は、以上のような把持可能範囲と切り欠きの加工精度、両プローブの合わせ精度、３次元ステージの位置合わせ精度、観察プローブ１０Ｂの強度などから総合的に決定されるべきである。
【００４４】
《ＡＦＭピンセット１の製造方法》
次に、ＡＦＭピンセット１の製造方法について説明する。本実施の形態のＡＦＭピンセット１は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウェハから一体で作製される。後述するように、支持体２５は、ＳＯＩウェハを構成する上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層で形成されている。固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６は、上部Ｓｉ層に形成される。本実施の形態では、上部Ｓｉ層、ＳｉＯ２層および下部Ｓｉ層の厚さが順に６μｍ，１μｍ，３００μｍであるＳＯＩウェハが用いられているが、このような寸法組み合わせに限定されるものではない。
【００４５】
図１０〜１６は、本実施の形態のＡＦＭピンセット１の製造工程を示す図であり、工程ａからｇまで順に処理される。図１０の（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ａ１）は斜視図、（ａ２）は断面図である。工程ａでは、上部Ｓｉ層３１、ＳｉＯ２層３２および下部Ｓｉ層３３から成るＳＯＩウェハ３０を用意し、上部Ｓｉ層３１の上に厚さ５０ｎｍの窒化珪素（ＳｉＮ）膜３４を形成する。なお、ＳＯＩウェハ３０の上部Ｓｉ層３１は、表面がＳｉ単結晶の主面Ｓｉ（００１）となるように構成されている。
【００４６】
図１０の（ｂ１）および（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｂ１）は斜視図、（ｂ２）はＲ−Ｒ断面図である。工程ｂでは、図１１に示すマスクＭ１を用いて、Ｃ２Ｆ６によるＲＩＥ(Reactive Ion Etching)でＳｉＮ膜３４を部分的にエッチング除去し、上部Ｓｉ層３１の一部（白抜きの領域Ａ１）を露出させる。ＳｉＮ膜３４がエッチング除去された領域Ａ１は、固定アーム１０、可動アーム２０、静電アクチュエータ６が形成される領域である。これら固定アーム１０、可動アーム２０の先端が延在する方向には、上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向を選んでいる。
【００４７】
なお、図１１に示したマスクＭ１は支持体２５の領域も含めたマスクとなっており、図１０（ｂ１）に示す部分は、図１１のＲ１−Ｒ１線よりも上側の領域が関係している。以下の説明では、Ｒ１−Ｒ１線よりも上側の領域について説明する。 
【００４８】
図１０の（ｃ１），（ｃ２）に示す工程ｃでは、領域Ａ１の上部Ｓｉ層３１の表面に厚さ０．１μｍの酸化膜３５を形成する。酸化方法にはウェット酸化法（水蒸気酸化）を用いている。
【００４９】
図１２の（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ａ２）は（ａ１）のＲ２−Ｒ２断面図である。また、図１２（ａ１）に示した部分は、図１３に示すマスクＭ２のＲ３−Ｒ３線より上部領域に対応している。工程ｄでは、図１３に示すマスクＭ２を用いて、ＡＦＭピンセット１の外形のパターニングを行う。なお、櫛歯形状もここの工程で形成する。パターニング後、ＩＣＰ−ＲＩＥ（Inductively coupledplasma - Reactive Ion Etching）によりＳｉＯ２層３２までエッチングを行う。このエッチングにより、固定アーム１０と可動アーム２０の先端となる箇所に細いスリットＳＬ１（上部Ｓｉ層３１の＜１１０＞方向）が形成される。このスリットＳＬ１は基板面に対して垂直にエッチングされる。
【００５０】
図１２の（ｂ１），（ｂ２），（ｂ３）は工程ｅを説明する図であり、（ｂ２）は（ｂ１）のＲ４−Ｒ４断面図、（ｂ３）は（ｂ１）のＲ５−Ｒ５断面図である。工程ｅでは、露出している上部Ｓｉ層３１をウェット酸化法で酸化する。その後、図１４の（ａ１），（ａ２）に示す工程ｆにおいて、ＳｉＮ膜３４をＣ２Ｆ６によるＲＩＥでエッチング除去し、ＳｉＮ膜３４の下層に残っている上部Ｓｉ層３１を露出させる。なお、図１４（ａ２）はＲ６−Ｒ６断面図である。
【００５１】
なお、ウェット酸化で形成された酸化膜３５は、このエッチングの際の上部Ｓｉ層３１の保護膜として機能する。このときのＲＩＥ条件としてＣ２Ｆ６のガス圧力を高めることで、ＳｉＮ膜３４と酸化膜３５の選択比を調整し、図１４（ａ２）に示すようにＳｉＮ膜３４だけを除去する。その結果、保護のため形成した酸化膜３５は残り、ＳｉＮ膜３４の下の上部Ｓｉ層３１のみが露出される状態になる。
【００５２】
図１４の（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図であり、（ｂ２）はＲ７−Ｒ７断面図である。工程ｇでは、露出した上部Ｓｉ層３１に対して、３０％ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングする。酸化膜で保護された箇所はエッチングされず、上部Ｓｉ層３１のみが異方性エッチングされて斜面３１０が形成される。その結果、三角形の断面形状を有する探針部１０Ｂ，把持部２０Ｂに相当する部分が形成される。前述したように、上部Ｓｉ層３１の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）に選んでいるので、異方性エッチングによって形成される斜面３１０は単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００５３】
次いで、図１５（ａ）に示すマスクＭ３を用いたＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングを行い、不要部を除去する。その後、酸化膜をエッチング除去する。このマスクＭ３を用いたエッチングにより、探針部１０Ｂおよび把持部２０Ｂの長さを調節することができる。その後、図１５（ｂ）に示すマスクＭ４を用いてＳＯＩウェハの裏面から下部Ｓ１層３３側の不要部分をＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチング除去する。このエッチングはＳｉＯ２層３２で停止する。そして、フッ酸溶液によりＳｉＯ２層の不要部分を除去すれば、図１６に示すようなＡＦＭピンセット１の形状（裏面側から見た形状）となる。
【００５４】
この段階では、観察プローブ１０Ｂも把持プローブ２０Ｂも同一の楔形状をしている。そして、集束イオンビーム（ＦＩＢ：Focused Ion Beam）により、観察プローブ１０Ｂの稜線部分を加工することで、図３や図８に示すような形状の切り欠き部１００を形成する。図１７に、集束イオンビーム４００を用いた観察プローブ１０Ｂの加工方法の一例を示す。形成すべき切り欠き面１００ａに対して集束イオンビーム４００の照射方向が平行となるように、ＡＦＭピンセット１を所定の向きにセットする。その上で、照射領域４０１に集束イオンビーム４００を照射してスパッタ加工を行い、加工深さが所望の値に到達したところで照射を終了する。このように、集束イオンビームを用いることにより、切り欠き部分の長さや深さおよび切り欠き面の角度を制御した切り欠き加工を行うことができる。
【００５５】
また、集束イオンビームで切り欠き部１００を加工する代わりに、フォトリソグラフィープロセスにより切り欠き部１００を加工しても良い。図１６に示す状態のＡＦＭピンセット１のＳｉ層表面に、ウェット酸化法により酸化膜６００を形成する。次いで、観察プローブ１０Ｂの切り欠き部１００を形成すべき領域の酸化膜６００を除去して、図２２（ａ）に示すようにＳｉ層（楔形プローブの一部）を露出させる。そして、露出したＳｉ層を３０％ＫＯＨ水溶液により異方性エッチングする。その結果、図２２（ｂ）に示すような切り欠き部１００が観察プローブ１０Ｂに形成される。その後、酸化膜６０を除去する。図２２（ｃ）は、切り欠き部１００が形成された観察プローブ１０Ｂの側面図とＪ−Ｊ断面図である。異方性エッチングにより切り欠き部１００に形成される切り欠き面は単結晶Ｓｉの｛１１１｝面になっている。
【００５６】
また、観察プローブおよび駆動プローブの先端部を除いた一部を露出した後、ICP-RIEなどによるドライエッチングにより任意の深さまでエッチングを行い、図２３に示すような切り欠き部１００を形成する方法もある。ICP-RIEの場合には、図２３のように切り欠き部１００が垂直にエッチングされる。ICP-RIEを利用すると、切り欠き部分の長さや深さを制御した切り欠き加工を行う事ができる。
【００５７】
以上説明したように、本実施の形態のＡＦＭピンセット１では、観察プローブ１０Ｂおよび把持プローブ２０Ｂの互いに平行な把持面により試料を把持するような構成としているので、把持性能の向上を図ることができる。さらに、観察プローブ１０Ｂ下側稜線の部分に切り欠き部１００を形成したので、稜線と試料との干渉によるＡＦＭ観察像の変形を抑えることができる。また、把持プローブ２０Ｂの形状を、図９（ａ）に示す楔形（三角柱）形状としたり、図９（ｃ）のような形状とすることにより、把持性能の低下を抑えつつ観察性能の向上を図ることができる。
【００５８】
（第２の実施形態）
上述したような切り欠き部１００を設けたことにより、把持すべき試料の高さが高くても観察プローブ１０Ｂと干渉せず裾引きの少ない画像が得られる。しかし、観察プローブ１０Ｂの先端は楔形状であるため、より高精度な像観測を行うためには更なる探針の先鋭化が必要である。一方、探針部の先鋭化を進めると、把持部１１０の寸法（ｄ３）が短くなり安定した把持が困難となる。
【００５９】
切り欠き部１００の切り欠き面は、観察ステージの載置面に対して平行な第１の切り欠き面１００ｂと、前記稜線の先端を通るとともに前記載置面に対して垂直な第２の切り欠き面１００ａとから成る。第２の実施の形態では、図１８（ａ）に示すように、この第２の切り欠き面１００ａにカーボンナノチューブ（通常は、マルチウオールカーボンナノチューブ）Ｃ１を観測用探針として取り付けた。カーボンナノチューブＣ１は、試料面に対して垂直に取り付けられ、かつ、カーボンナノチューブＣ１の下端を観察プローブ１０Ｂの最下端よりも試料面側に突出させるようにした。
【００６０】
試料を把持する際には、観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂ（不図示）とを試料面から所定の高さ（通常は把持試料の高さの半分以下）に設定されるので、通常、図１８（ｂ）に示すように、カーボンナノチューブＣ１は弾性的に座屈して曲がった状態となる。この状態で、プローブ先端部による試料の把持が行われる。把持完了後にＡＦＭピンセット１を引き上げると、カーボンナノチューブＣ１はダメージなく元の形状に復帰する。カーボンナノチューブＣ１は数１００回の繰り返し座屈に耐えることができる。
【００６１】
なお、上記観察プローブとして、カーボンナノチューブを例にして説明したが、同様の効果が、窒化ホウ素(BN)系など無機系のナノチューブでも得られる。
【００６２】
（第３の実施形態）
図１９は第３の実施形態を示す図である。観察性能の向上のために、探針Ｔ１は、稜が一点で交わるように幅ｄ４、ｄ３を小さくして細く加工するのが好ましい。しかしながら、探針Ｔ１を細くすると把持性能が低下する。そこで、第３の実施形態では、観察プローブ１０Ｂの先端部分に設けられた探針Ｔ１に対して、その探針Ｔ１よりもプローブ根元側に近い位置に第２の探針Ｔ２を形成した。探針Ｔ１と探針Ｔ２との中心間隔ｄ６は、把持すべき試料の長さ（試料面に沿う方向の寸法）よりも小さく設定する。また、探針Ｔ２は、その下端の位置が探針Ｔ１の下端の位置よりも△ｄだけ高くなるように形成されている。そのため、探針Ｔ２よりも試料面側に突出した探針Ｔ１が、ＡＦＭの探針として働く。ただし、△ｄは、概ね把持する平均的試料の高さの半分以下とする。
【００６３】
このような形状のＡＦＭピンセット１により試料を把持すると、把持プローブ２０Ｂの内面、観察プローブ１０Ｂの探針Ｔ１の内面および探針Ｔ２の内面の三箇所で試料を把持することになり、球形状試料の把持には有利である。この場合、間隔ｄ６は球形状試料の直径程度に設定される。また、２つの探針Ｔ１，Ｔ２の間隔ｄ６を大きく設定すると、長い試料も安定的に把持することができる。ただし、試料の高さが△ｄよりも高い場合には、像が２重に見えるダブルＴｉｐ像の発生は避けられない。この場合、２つの像の間隔はｄ６と等しくなる。そして、ダブルＴｉｐ像の分解能の良いほうが先鋭化した探針Ｔ１によるもので、分解能が悪い方が探針Ｔ２による像である。一方、凹凸高さが△ｄより低い基板からは、ダブルＴｉｐ像は観測されない。従ってダブルＴｉｐ像より、把持する試料の位置と高さと２つの探針Ｔ１，Ｔ２の位置関係が判る。
【００６４】
第２の探針Ｔ２は次のようにして形成される。まず、図１９に示す探針Ｔ２の左側の切り欠き部５００ａを形成する。次いで、探針Ｔ１と第２の探針Ｔ２との間の切り欠き部５００ｂを形成する。最後に、第２の探針Ｔ２の高さ（試料表面からの高さ）が第１の探針Ｔ１の高さよりも△ｄだけ高くなるように、第２の探針Ｔ２の先端部を切り落とす。さらに、必要に応じ、幅ｄ４，ｄ３を小さくして各稜が１点で交わるようにするためにＦＩＢで第１の探針Ｔ１をエッチングし、第１の探針Ｔ１の先鋭化を図る。
【００６５】
上述した説明では、ＦＩＢを用いたエッチングにより第２の探針Ｔ２を形成したが、次のように形成しても良い。まず、ＦＩＢにより切り欠き部１００をエッチングし、観察プローブ１０Ｂの先端部分に探針Ｔ１を形成する。さらに、ＦＩＢ加工により、稜が一点で交わるように幅ｄ４、ｄ３を小さく、探針Ｔ１を細く加工する。その後、試料面に対して垂直になるようにＡＦＭピンセット１の取り付け傾きを調整し、第１の探針Ｔ１からプローブ根元側ｄ６の位置に、ＦＩＢの電流密度を下げて照射する。その際に、ＦＩＢ装置のチャンバ内に有機金属ガスやフェナントレンなどのガスを導入する。そうすると、有機金属ガスあるはフェナントレンが分解して、金属あるいは炭素が照射イオンビームに沿って堆積し、それが円柱状に成長する。この円柱の直径はおよそ１００ｎｍとなり、長さはイオンビームの照射時間で制御可能である。このように形成された円柱を、第２の探針Ｔ２として使用する。
【００６６】
（観測プローブと把持プローブとの合わせ精度の調整）
図２０に示すようなＦＩＢを用いたエッチング加工を施すことにより、観測プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂとの合わせ精度を向上させることができる。図２０では、ＡＦＭピンセットを通常の設置より９０°回転した状態で回転ゴニオステージに載せて、観察プローブ１０Ｂと把持プローブ２０ｂとを閉じた状態にする。ＦＩＢの像取得モードで、２つのプローブ先端部下部の合わせ具合を見やすい方向より観測する。観察プローブと把持プローブとの合わせ具合を観察し、合わさっていない部分（斜線を施した部分）をＦＩＢのエッチングモードで切り落とし、観測プローブ１０Ｂと把持プローブ２０Ｂの長さ及び高さ方向の合わせ具合を調整する。通常は、上記作業で観測プローブ１０Ｂと把持プローブ２０の合わせ精度の調整した後に、前述した切り欠きをＦＩＢで形成する。
【００６７】
上述した実施の形態では、シリコン基板を加工してＡＦＭピンセット１を形成したが、このような形成方法に限らず、種々の形成方法によりＡＦＭピンセット１を形成しても良い。なお、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】
【００６８】
【図１】本発明によるＡＦＭピンセットを備える原子間力顕微鏡装置の概略構成を模式的に示す図である。
【図２】ＡＦＭピンセット１の概略構造を示す図である。
【図３】観察プローブ１０Ｂの形状を示す図であり、正面図、上面図および側面図を示す。
【図４】ＡＦＭピンセット１の機能を示す図であり、（ａ）観察状態を示し、（ｂ）は把持状態を示す。
【図５】観察プローブ１１Ｂが楔形状である場合の観察動作を説明する図であり、（ａ）はＡＦＭ観察時の観察プローブ１１Ｂの先端の軌跡L1を示し、（ｂ）は観察像３０４を示す。
【図６】観察プローブ１０Ｂを用いた場合の観察動作を説明する図であり、（ａ）はＡＦＭ観察時の観察プローブ１０Ｂの先端の軌跡L2を示し、（ｂ）は観察像３０４を示す。
【図７】観察プローブ１０Ｂの形状を説明する図である。
【図８】観察プローブ１０Ｂの変形例を示す図であり、（ａ）は第１の変形例を、（Ｂ）は第２の変形例を、（ｃ）は第３の変形例をそれぞれ示す。
【図９】把持プローブ２０Ｂの形状を示す図であり、（ａ）は第１の例を、（Ｂ）は第２の例を、（ｃ）は第３の例をそれぞれ示す。
【図１０】（ａ１），（ａ２）は工程ａを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｂを説明する図であり、（ｃ１），（ｃ２）は工程ｃを説明する図である。
【図１１】マスクＭ１を示す図である。
【図１２】（ａ１），（ａ２）は工程ｄを説明する図であり、（ｂ１）〜（ｂ３）は工程ｅを説明する図である。
【図１３】マスクＭ２を示す図である。
【図１４】（ａ１），（ａ２）は工程ｆを説明する図であり、（ｂ１），（ｂ２）は工程ｇを説明する図である。
【図１５】（ａ）はマスクＭ３を示す図で、（ｂ）はマスクＭ４を示す図である。
【図１６】ＡＦＭピンセット１を示す図である。
【図１７】観察プローブ１０Ｂの先端を集束イオンビームで加工する工程を示す図である。
【図１８】第２の実施の形態を示す図であり、（ａ）は観察プローブ１０Ｂの先端にカーボンナノチューブを取り付けた図、（ｂ）は把持時におけるＣＮＴの弾性的座屈を示す図である。
【図１９】観察プローブ１０Ｂに形成された第２の探針Ｔ２を示す図である。
【図２０】プローブ１０Ｂ，２０Ｂの長さおよび高さ調整を説明する図である。
【図２１】切り欠き部１００を形成しなかった場合の把持可能範囲の一例を示す図である。
【図２２】異方性エッチングを用いた切り欠き部１００の形成を説明する図である。
【図２３】ICP-RIEによる切り欠き部１００の形成を説明する図である。
【符号の説明】
【００６９】
１：ＡＦＭピンセット、２：レーザ光源、３：２分割あるいは４分割フォトダイオード、４：制御部、５：励振部、６：静電アクチュエータ、８：３次元ステージ、９：駆動回路部、１０：固定アーム、１０Ｂ，１１Ｂ：観察プローブ、２０：可動アーム、２０Ｂ：把持プローブ、１００，５００ａ，５００ｂ：切り欠き部、１００ａ，１００ｂ，１００ｃ，１００ｄ，１００ｅ：切り欠き面、１１０：探針部、２００：把持部、３００：試料、３０４：観察像、４００：集束イオンビーム、４０１：照射領域、Ｔ１，Ｔ２：探針
【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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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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