(57)【要約】シリコンウェハ（９４）に微細加工技術によって構成された、特に原子間力顕微鏡に使用されるプローブチップ（８４）を有するプローブ。チップは好ましくは、シリコンウェハ上に被膜された窒化シリコンの薄膜（８０）内において、写真石版的に画定され、そして、通常２５０ｎｍ未満の厚さを有する。それによって、プローブチップは、一方の側面寸法が薄膜の厚さによって決定され他の側方の寸法が写真石版により又は後続の集束イオンビーム削り工程によって決定される大略矩形の断面を有するように構成することもできる。好ましくはプローブチップがエッチングされる前に、プローブチップ領域の下のシリコンウェハの部分はエチングされて取り除かれるが、しかし、シリコンの他の部分は残っており、プローブチップの基部において支持体として利用される。ヒンジがシリコンウェハに形成されることもでき、堅固な柄と共にプローブチップはウェハ表面に対して垂直方向に回動するように構成されることもできる。
2004500548.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延出する、基材の主要面上に形成された薄膜から形成されるプローブチップであって、２５０ｎｍ未満の厚さと前記基材の厚さを実質的に超えない幅を有する前記薄膜のプローブ先端を有するものであり、前記プローブ先端が基材の一端から前記第１の方向にカンチレバー状に構成されているプローブチップ。
【請求項２】
前記薄膜が、長方形に成形されたプローブ部分と、前記基材の完全に厚い部分を覆う支持部と、前記長方形に成形されたプローブ部分と前記支持部との間のテーパー部分に成形されていることを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項３】
更に、前記基材に形成されたピラミッド型の移行部であって、前記第１の方向に向かって先細であり、前記プローブ先端をそのチップに付けさせるものを有することを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項４】
前記基材がシリコンウェーハから構成されていることを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項５】
前記薄膜が窒化シリコンを有することを特徴とする前記請求項２に記載のプローブチップ。
【請求項６】
前記薄膜が、シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項２に記載のプローブチップ。
【請求項７】
一体のヒンジポストを有する基材及び、
プローブチップと、該プローブチップに一体に接合された柄と、前記柄に一体に形成されたヒンジピンであって前記ヒンジポストによって回転自在に取り付けられたものからなるプローブを具備し、
前記プローブチップと柄が前記基材の平面を中心に回転するプローブチップ。
【請求項８】
前記プローブチップが２５０ｎｍ未満の最小の側面寸法を有することを特徴とする前記請求項７に記載のプローブチップ。
【請求項９】
前記プローブチップが、シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項７に記載のプローブチップ。
【請求項１０】
サンプルの形状特徴の第１の方向における距離を計測するための原子間力顕微鏡であって、前記第１の方向がサンプル表面と直交しているもので、
前記第１の方向における動きを提供するアクチュエータと、
前記サンプル表面に隣接して前記第１の方向に沿って移動するために前記アクチュエータに固定されたプローブであって、前記アクチュエータに固定された基材と、前記基材の主要面上に形成された平坦な薄膜から形成され前記第１の方向に沿って延在するプローブチップであり該プローブチップの末端近傍の前記基材の主要面に平行な方向に沿って実質的に一定の断面を有するものを具備するものからなる原子間力顕微鏡。
【請求項１１】
前記基材が結晶シリコンを有することを特徴とする前記請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１２】
前記薄膜がシリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項１１に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１３】
前記断面が２５０ｎｍにすぎない最大寸法を有することを特徴とする前記請求項１０に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１４】
プローブチップを成形する方法であって、
第１の方向に延在する主要面を有する基材上にある物質の薄膜を被膜する工程と、
第１の幅と第１の長さを有するプローブチップ部と前記第１の幅よりも実質的に大きい第２の幅と前記第１の幅よりも実質的に長い第２の長さを有する支持部と前記プローブチップ部と前記支持部を連結するテーパー部とからなる薄膜形状に前記薄膜をエッチングする工程であって、前記第１と第２の長さが前記第１の方向に沿って延在し、そして、前記第１と第２の幅が前記第１の方向に直交しているものと、
前記プローブチップの下にある前記基材の部分を取り除く工程とからなる方法。
【請求項１５】
前記薄膜の厚さと前記第１の幅が共に２５０ｎｍ未満であることを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記取り除き工程で、前記基材中に、ピラミッド構造であってその先端に隣接してプローブチップ部を有するものを形成することを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記取り除き工程で、前記薄膜中に複数の前記プローブ構造をエッチングして、そして、更に、前記取り除き工程終了後に前記複数の前記プローブ構造を互いに分離する工程を有することを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
選択的に前記薄膜をイオンミリングして、前記プローブ構造において複数の異なる第２の厚さにその厚みを薄くする工程を更に有することを特徴とする前記請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記薄膜をイオンミリングしてその厚さを薄くする工程を具備することを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【請求項２０】
前記エッチング工程が、
前記プローブチップ部の形状を定めて前記第１の幅よりも大きい第３の幅を有するようにする写真石版工程と、
その後に、前記プローブチップ部の両側をイオンミリングして前記第３の幅を前記第１の幅に減少させる工程を具備することを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【請求項２１】
前記エッチング工程で複数の前記薄膜形状に前記薄膜をエッチングすることを特徴とする前記請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の背景
発明の技術分野
本発明は、一般的には、プロフィロメータをスキャンすることに関する。本発明は、特には、マイクロマシーン技術によって製造されたそのようなプロフィロメータのためのプローブに関する。
【０００２】
発明の背景
半導体製造技術及びその関連技術において、基材に形成された物理的な形状特徴の垂直方向又は水平方向の何れかの微小寸法（ＣＤ）を日常的に決定することが必要になってきた。図１において例示された断面図に図示された例は、基材１２内に形成されたトレンチ１０を有しているが、そのトレンチ１０の深さはシリコンウェハ１２の厚さに対して非常に誇張されている。高度なシリコンテクノロジーにおいて、トレンチ１０の典型的な幅は、０．１８μｍであり、その深さは０．７μｍである。トレンチ１０の微小寸法は、トレンチの開口の一番上の幅であってもよいし、又は、トレンチ１０の基部の幅であってもよい。他の条件においては、トレンチ１０の深さは重要な寸法である。上記の各寸法に関して、トレンチ１０は４を越える高アスペクト比を有する。代表的な設計において、トレンチ１０の側壁１４は理想的には９０度の垂直な断面角度を有するが、実際には断面角度は実質的にそれ以下である。８５度を超えてそれどころか８８度から９０度に断面角度を保持する多くの努力が払われてきたが、しかし、トレンチがそのようにシャープにエッチングされることを確実にするためにはシステム動作の一定のモニタリングが必要である。結果として、開発研究機関若しくは製造ラインの何れかにおいて、０．１８μｍ以下の水平方向の解像度でトレンチ１０の形状を測定することが必要となった。状況に応じて、全体形状が決定される必要があり、特に、側壁の角度、又は、一番上と一番下のトレンチの幅を測定する必要がある。中間レベルのビアにとって必要なもののように、より円形の開口も同様の測定を必要とする。同様の必要条件は相互接続部のような垂直に凸である特徴の形状を測定することにまで及んでいる。
【０００３】
これらの必要条件を満足するために、図１に図示されたプローブチップ２０の垂直位置関係に信頼を置いた原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）及び同様の技術を基礎とするプロフィロメータが発展してきた。１９７９年６月１３日に刊行された英国特許出願番号第２００９４０９−Ａ号において、Ｌｅｅ他は、ラスタスキャンを含む動作のジャンピングモードを説明しているが、そこではプローブチップ２０が連続的に水平方向にスキャンされる一方、プローブチップ２０がそれが表面に当たるまで徐々に下降して行きその後再び下降する前に決められた高さにまで上昇する。それによって、複数の高さの決定がスキャンラインに沿ってなされる。そして、他のラインがスキャンされて２次元でトポグラフィーの映像化を可能にする。それとは別に、ピクセルスキャンにおいては、プローブチップ２０が探査されるべき形状特徴の上で水平方向に位置決めをし、そして、プローブチップ２０がその形状特徴の端部、好ましくは先端によって停止されるまでゆっくりと下降し、次いで、以下に簡単に説明される回路がプローブチップ２０が停止する高さを測定する。プローブチップ２０は、そして、チップ２０が探査されるべき次の位置に移動される前に、いかなる中間に介在する形状特徴よりも上の高さに引き取られる。
【０００４】
このような微小寸法測定ツールの例は、米国カリフォルニア州サニーヴェル（Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ）のサーフェース／インタフェース社（Ｓｕｒｆａｃｅ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ， Ｉｎｃ．）から入手可能なモデル３０１０である。それは、Ｇｒｉｆｆｉｔｈ他の米国特許第５，３０７，６９３号及びＢｒｙｓｏｎ他の米国特許第５，７５６，８８７号によって開示された揺動バランスのとれたビームプローブと同様な技術を採用している。それはプローブがラインに沿って断続的にスキャンされるピクセルモードでの使用を意図している。多数の不連続点で、側方移動が停止されて、形状検出する表面に出会うまでプローブが下降する。このツールは図２の側面図に略式に図示されている。なされるウェーハ３０又は他のサンプルは、チルトステージ３４とｘ軸スライド３６とｙ軸スライド３８上に連続的に支持された支持面３２上に支持されているが、それらのすべてはそれらの軸のそれぞれに沿って移動自在であり、ウェーハ３０の水平方向の２次元及び揺動制御を提供する。これらの機械的なステージが比較的に大きな範囲の移動を提供するけれども、それらの解像度はプロービング中に求められる解像度に比べて比較的に荒い。一番下のｙ軸スライド３８は、重量のある花崗岩の平石４０の上に安置され振動安定性を提供している。機枠４２が花崗岩の平石４０上に支持されている。プローブヘッド４４が、中間の圧電作動装置を介して、機枠４２から垂直方向のｚ軸方向に垂設され、圧電チューブの各壁に取り付けられた電極に印加された電圧によって（ｘ、ｙ、ｚ）方向に約１０μｍの移動を提供する。小さな取り付けプローブチップ２０を装備したプローブ４６は、プローブヘッド４４から下方に突出して、プローブチップ２０をウェーハ３０の頂面と選択的に係合し、それによって、その垂直方向と水平方向の寸法を決定する。
【０００５】
図２のプローブヘッド４４の主な部材が、図３と図４において直交的に配設された両側面図に図示されている。圧電駆動装置４５の基部に固着された圧電支持体５０は、図２の面に関連して、その頂部側に磁石５２を有する。圧電支持体５０の基部には、二つの分離した誘電板５４、５６と二つの互いに連結されたパッド５８が配設されている。
【０００６】
ビーム６０は、その両側面側の中央で固定され二つの金属及び強磁性体ボールベアリング６２，６４に電気的に接続されている。ビーム６０は、好ましくは、電気的に導電性を有するように強度にドーピングされたシリコンからなり、銀の薄膜がその上に塗膜されボールベアリングに対して良好な電気的な接触をする。しかし、ビーム６０の上面がボールベアリング６２、６４と誘電板５４、５６の両領域で電気伝導性を有する限り、その構造はより複雑であるかもしれない。ボールベアリング６２、６４は、一般的には誘電板５４と５６の間において接触パッド５８に対して配置され、磁石５２が強磁性体ベアリング６２と６４と取り付けられたビーム５０を誘電支持体５０に保持する。取り付けられたビーム６０は、誘電板５４、５６とビーム６０の間に約２５μｍの垂直方向の釣り合いのとれた間隙を有して、誘電支持体５０に対して略平行な位置に保持されている。垂直方向の間隙において釣り合いのとれないことは、約２５μｍの揺動移動を生じることになる。ビーム６０は、末端に、探査するウェーハ１２の頂部に選択的に係合するため下方に突出したプローブチップ２０を有する針７２が固定されているガラスタブ７０を保持している。ビーム６０のもう一方の端部の図示しないダミー針又は代用のおもりは、中立位置においてビームのおおよその機械的な釣り合いを提供することを可能にする。
【０００７】
二つのコンデンサが各誘電板５４、５６と導電ビーム６０の間に形成される。誘電板５４、５６と、通常は導電ビーム６０と電気的に接続されている接触パッド５８は、図示しない３本の電気ラインによって外部の測定及び制御回路の３つの端子に個別に接続されている。このサーボシステムは、２つの容量を計測すると共に、異なる電圧を２つの誘電板５４，５６に印加してそれらを釣り合いのとれた位置に維持するようにする。圧電駆動装置４５が探針７２を探査されている形状特徴にそれが遭遇する位置に下降したとき、ビーム６０はウェーハ３０との針７２の接触時に揺動する。誘電板５４、５６の間の容量の差異が検出され、サーボ回路が、二つの容量の間に異なる電圧を印加して、ビーム６０を再び釣り合いを取るよう試みるが、これは針７２がウェーハ３０に加えている正味の力に匹敵する。この力が閾値を越えた場合、圧電駆動装置４５の垂直方向の位置が形状特徴の深さ又は高さを表すものとして使用される。
【０００８】
従来、図１のプローブ２０は、実質的に０度を超える大略２αの倍頂角に形成されている傾斜壁７６を具備する円錐形状のプローブチップ７４を有する。すなわち、プローブチップ２０は、鋭く形成された先端部７４を有するが、しかし、限度のある傾斜された側壁７６を有する。
【０００９】
プローブチップ７４の頂角αがあまりにも大きすぎてプローブがトレンチ１０の側壁の角度を探査することができない場合、又は、図１に図示されているように、トレンチ１０の底部の隅７８に達することすらできない場合に、困難が生じる。非常に一般的な観点からして、角度αは側壁の傾斜角度よりも大きい場合には、プローブ２０は側壁１４を計測することができず、実際にトレンチ底部の幅を計測することもできない。もちろん、側壁の形状がその頂部から底部にかけて異なる場合には、プローブチップ２０の角度よりも小さな角度を有するいかなる部分も計測不能である。光ファイバーから円筒形のマイクロプローブを製造するための努力がなされてきた（たとえば、Ｆｉｌａｓ他の米国特許第５，６７６，８５２号と米国特許５，７０３，９７９号を参照）。しかし、この技術は、１８０ｎｍのトレンチを探査するために必要なより小さな直径を確実に作り出すことができない。
【００１０】
シリカの光ファイバーから製造された従来のプローブチップに関する更なる問題は、非常に狭い部分に対して側方の力が加わったとき、たとえば、下動しているプローブチップが傾斜のあるトレンチ側壁に遭遇したときには、それらの部分が著しく撓んでしまい勝ちであることである。この撓みは垂直方向の測定精度を減少し、圧電駆動装置４５の垂直方向と水平方向の両位置によって測定されたときに、妨害する形状特徴の水平方向の位置ではないかと疑ってしまうようになる。
【００１１】
発明の要約
本発明はプローブチップ及び好適な製造方法として要約することができる。
【００１２】
プローブチップは、好適には２５０ｎｍにすぎない厚さを有する大略長方形の断面を有する。プローブチップは、たとえばシリコンウェーハのような基材と一体であり、そして、チップの幅は実質的に基材のそれよりも小さい。テーパー区間がチップを基材に接続している。
【００１３】
プローブは、好適には、シリコン集積回路の製造から派生したマイクロマシーン技術によって製造される。たとえば、所望のプローブの幅の厚さの非シリコン材料の薄膜がシリコンウェーハ上に被膜される。窒化シリコンは被膜された薄膜の最も好適な材料であるが、シリカ、窒化チタン、サファイア、炭化シリコン、ダイヤモンドを含有する他の材料もまた使用可能である。
【００１４】
被膜された薄膜中に所望のプローブ幅に大略対応する幅を有するプローブチップと、プローブチップの基端部により大きな支持構造体の双方を構成するために写真石版技術が用いられる。プローブチップの下にあるシリコンウェーハの後ろ側の部分がエチングによって取り除かれてカンチレバー状のプローブチップを提供するが、それは支持領域においてウェーハに取り付けられることができる。ウェーハは支持領域の周囲でダイスされてフリースタンディングプローブチップと一体の支持体を離す。この方法によって、多くのプローブがウェーハ上で同時に形成される。
【００１５】
プローブチップは、ヒンジを介してウェーハに取り付けてもよい。プローブチップ形成後、それはヒンジの周りを回転してウェーハの平面上に突出する。ウェーハの一部は容易に取り扱える支持構造物として役立つ。
【００１６】
好適な実施の形態の説明
近年、マイクロマシーンニングは、シリコン集積回路の製造において十分発展してきた技術を使用して、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）を製造するために発達してきた。批評記事のなかには、Ｋｏｖａｃｓ他の「シリコンのバルクマイクロマシーンニング」（ＩＥＥＥ会報第６、８６巻第８号、１９９８年８月刊、第１５３６頁乃至第１５５１頁）を含んでいるものがある。「原子間力顕微鏡のためのカンチレバー針の微小製造」（真空科学技術Ａジャーナル第８巻第４号、１９９０年刊第３３８６頁乃至第３３９５頁）においてＡｌｂｒｅｃｈｔ他によって、そして、「直接的に製造されたチップを具備するＡＦＭプローブ」（微小機械とマイクロエンジニアリングジャーナル第６巻、１９９６年刊、第５８頁乃至第６２頁）においてＢｏｉｓｅｎ他によって、更に、「原子間力顕微鏡のためのカンチレバーとチップ」（医療及び生物学におけるＩＥＥＥエンジニアリング１９９７年３月／４月号第２８頁乃至第３３頁）においてＴｏｒｔｏｎｅｓｅによって開示されているように、基材と一体の機械的なプローブチップを製造するためにマイクロマシーンニングが好適に応用されることがある。これらのマイクロプローブの多くは、Ｖ−形状のカンチレバー薄膜若しくはカンチレバー薄膜から突出したピラミッドを有する。Ａｌｂｒｅｃｈｔ他は、矩形のカンチレバーを簡単に検討しているけれども、それらは最低５μｍの幅と最低０．４μｍの厚さと最低１００μｍの長さを有する。これらの寸法は代表的なウェーハの厚さ５００μｍと比較されるべきである。そして、Ａｌｂｒｅｃｈｔ他はカンチレバーのコーナーをチップとして使用することを提案している。このように、それらの寸法は、集積回路内のトレンチ及びビアの探査とは相容れないものである。
【００１７】
本発明の一つの実施の形態においては、図５の断面図に図示されているように、プローブ薄膜８０は結晶シリコンウェーハ８２の上に被膜されている。いくつかの種類のマイクロマシーンニングにとって、シリコン結晶軸に対するシリコンの表面の向きとプローブの向きが重要である。ウェーハは標準の厚さを有するが、しかし、若干薄く、たとえば２００μｍであってもよい。シリコン以外の他の材料も基材に使用でき別の厚い膜が基材上に被膜され、そして、エチングされて比較的に厚い支持膜を残して取り除かれる。しかし、シリコンウェーハ支持体は好適である。
【００１８】
プローブ薄膜８０の厚さは、プローブの所望の幅、たとえば、１６０ｎｍと同じである。プローブ薄膜８０の材料は、強度があると共にシリコンに対して差別的なエッチング性能を有しなくてはならない。この材料の例がシリカ（ＳｉＯ２）と窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）と窒化チタニウム（ＴｉＮ）である。これらの材料のすべては、通常プローブチップの所望の厚さに成長する。シリカはシリコンから加熱酸化されるか、又は、好ましくは、前駆体ガスとして珪酸エチル（ＴＥＯＳ）を使用してプラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）によって被膜される。窒化シリコンは、前駆体としてシラン（ＳｉＨ４）と窒素（Ｎ２）を用いて、ＰＥＣＶＤによって成長され得る。窒化チタニウムは、もし、ＣＶＤ（化学気相成長）が有効であるけれども、窒素プラズマ内のチタンターゲットの反応スパッタリングによって通常形成される。これらの材料のいくつかは、ソルーゲル法のような他の方法によっても薄膜に被膜されることができる。
【００１９】
しかもなお、サファイヤや炭化シリコンやダイヤモンドを含む他の材料がプローブ薄膜に対して選択されてもよい。しかし、窒化シリコンが好適に容易に入手可能な材料でであると確信する。一端をそして固定して他の端部に横方向の力Ｆが加わった半径Ｒで長さがＬの円形のプローブチップの撓みは、以下の式で得られることが知られている。
【００２０】
2004500548.tif 000003
【００２１】
ここでＹはヤング率である。正方形のプローブの関係も、ほとんど同じである。表１は、ＭＥＭＳ製造にとってたやすく手に入れることのできる多くの普通の材料のヤング率の概略値を提供する。
【００２２】
2004500548.tif 000004
【００２３】
これらの材料のうち、窒化シリコンは、従来のシリコン処理方法で容易に融和することができる、最高のヤング率を有する材料である。窒化シリコンは、先行技術のマイクロプローブに使用されているシリカに比べてほとんど４倍のヤング率を提供する。窒化シリコンを堆積しエチングする技術は周知である。
【００２４】
窒化シリコン薄膜８０がウェーハの前面側に被膜された後で、図６の断面図に図示された窪み８３は、目的のプローブチップの下になるようにウェーハの裏側で、写真石版により画定される。窪み８３は図１２に関連して後述される開口１０２に対応している。窪み８３はシリコンウェーハ８２を通じてずっとエチングされるが、側方にまだ不画定の窒化シリコン薄膜８０がエチング停止材として作用して、エッチングの後に、前面側から見て窪み８３の上に薄い窒化シリコン膜が残る。
【００２５】
そして、加工処理が前面側に戻る。図６の断面図と図７の平面図に図示されたように、プローブ薄膜８０は、シリコン集積回路の製造において周知の写真石版処理方法においてパターン化されエチングされ、窪み８３の上に横たわる長くて幅狭のプローブチップ８４のプローブパターンと幅広の支持セクション８６とプローブチップ８４及び支持セクション８６を連結するテーパーセクション８８が残存する。プローブチップ８４は、裏側の窪み８３の上に横たわるように配置され、テーパーセクション８８は窪み８３の傾斜側壁の上に横たわるように配置されている。例示的な寸法は、プローブチップ８４については１．５μｍであり、テーパーセクション８８については１ｍｍの長さであり、支持セクション８６については２００μｍの幅である。プローブパターンのエッチングは、フォトレジストマスクの現像後に、プラズマエッチングによって実施される。
【００２６】
窒化物エッチングは、図８の断面図に図示された構造を生成する。図１０の等測図に最もよく図示されているシリコンウェーハ８２の傾斜壁９０と９２は、Ｐｅｔｅｒｓｏｎ他によって「機能性材料としてのシリコン」（ＩＥＥＥ会報第７０巻第５号、１９８２年５月刊、第４２０頁乃至第４５７頁）に開示されているように、ＫＯＨのようなある種のエッチング液の公知の特性によって窪みのエッチング工程中に形成されて、露光されたシリコンの＜１１１＞配向面を残存するように形成することができる。このことは、約１６０ｎｍの側部寸法と約１．５μｍ延出した大略正方形の独立したプローブチップ８４を残存する。同様の構造物の製造が上記文献においてＢｏｉｓｅｎ他とＫｏｖａｃｓ他によって開示されている。
【００２７】
プローブチップ８４の幅は、窒化物薄膜８０の単独工程の写真石版によって決定され得る。１５０ｎｍの幅が電子ビームリソグラフィーによって達成できる。しかし、フォトレジストのｅ−ビーム画定法は高価な処理法である。それとは別に、たとえば５００ｎｍである明らかに幅広のプローブチップが、従来のリソグラフィーによって容易に画定される。この幅は、幅広の先端部の両側面を集束イオンビーム（ＦＩＢ）による切削によって減少させることができる。ＦＩＢ切削（ミリング）機械は、たとえば、シャープに５ｎｍの縁に切削することができるガリウムイオンの非常に狭いビーム（７ｎｍ）を作り出す。自動化されたＦＩＢ切削機械は、レコーダーヘッドの切削加工のために開発されてきたが、米国オレゴン州ヒルズボロのＦＥＩ社から市販されていて入手可能である。同様の切削加工（ミリング）がプローブ薄膜８０の厚みによって当初決められていたチップの厚さを薄くするために使用されることができる。一つのウェーハから異なるプローブチップの厚さ若しくは他の寸法面の選択的な切削加工（ミリング）は、ダイシング又はソーイングの前かその後の何れかにおいて、均一な厚さのプローブ薄膜８０から始めて一組の写真石版マスクによって作成された同じウェーハから異なる幅や厚さのチップ及び／又はチップの配向性が製造されることを可能にする。
【００２８】
シリコンウェーハ８２は、そして、プローブチップ８４から離間した領域でダイシング又はソーイングされて、図１０に図示されているように、顕微鏡支持体９４を形成するが、それは比較的容易に取り扱い可能である。傾斜壁９０、９２は、顕微鏡支持体９４と顕微鏡プローブチップ８４を連結する傾斜のついたピラミッド形構造を形づくる。長方形の支持体９４は、そのピラミッドの基部から延びて、そして、プローブチップ８４はピラミッドの先端から延びる。プローブ薄膜８０のテーパー部分８８と組み合わせたピラミッド構造は、また、探査されるウェーハ内の微小の表面形状特徴にアクセスすることを可能にする。
【００２９】
厚めの支持体９４は、そして、プロフィロメータに取り付けられたときに下方に突出する本発明の正方形のプローブチップ８４と共に、図３の先行技術のプローブ７２がどのようにして取り付けられたのかと同じ方法で、図３のタブ７０に固定される。図１１に示されているように、幅１５０ｎｍを有する大略正方形のプローブチップ８４は、目下検出中のトレンチの幅１８０ｎｍよりも小さい。結果として、そのチップ８４は、トレンチの基底幅が少なくとも１５０ｎｍである限り、トレンチ１０の内部に完全にその基底にまですっぽりと入る。更に、正方形のプローブチップ８４がほとんど垂直なコーナー９８と垂直なプローブ側壁と共に平坦な基底９６を有するので、プローブチップ８４がトレンチ側壁１４と係合して、したがってそれを感知し、それによって、トレンチ１０のより正確な形状を提供する。もちろん、製造方法は、基底のコーナーを多少丸めることもできるが、それにもかかわらず、シャープに傾斜した側壁１４に対して図１１の略棒状のプローブ８４によってなされる水平方向の精度は、図１の円錐状のプローブ２０によってなされるものよりも大きい。更に、製造方法は、また、円筒状の棒により似るようにプローブ８４の側方のコーナーを丸めることもできる。にもかかわらず、そのように円筒形状に形成されたプローブは、それでもなお上記の利点を供するものである。プローブチップ８４の二つの横方向の寸法が正方形を提供するのと同じようにする必要がないことは更に評価されるべきである。より直角な形状は、探査されている小さな寸法の狭いトレンチがプローブチップ８４の小寸法と調整されていることが想定できる限り、許容できる。
【００３０】
本発明によって製造されたプローブチップは先行技術において知られているいかなる矩形の先端部よりもはるかに小さく、少なくとも一方向においては１μ未満、好ましくは２５０ｎｍ未満の最小の側方寸法を有する。ビア穴を探査するためには、両方の側部寸法は２５０ｎｍ未満にすべきである。構造上完全さは、プローブチップの長さを比較的に短く、たとえば５μｍ未満に維持するが一方プローブチップとシリコン支持体の間のピラミッド状の中間部分が探査されている構造をμｍ以内にその部分の構造を位置決めする問題を軽減することの組み合わせによって維持され得る。ピラミッド構造によって許容された比較的に短いプローブの長さは、また、プローブに対し非常に増大する共振周波数を許容し、その非常に小さな断面積にもかかわらず剛性のあるプローブチップを製造する。
【００３１】
マイクロマシーン化されたプローブチップの重大な利点は、各チップが一つのプローブチップに対して必要なものに比べて複数のプローブチップのために含まれる別途の加工処理や労力を割合かけることなく大量に製造され得ることである。図１２の平面図に図示されているように、多数のプローブ構造１００が、シリコンウェーハ８２を被覆するプローブ薄膜８０内にエッチングされる。プローブ構造１００は、両側の列のプローブチップ８４が対面する状態で両側に一列に配設される。図６の窪み８３に対応する一個の開口１０２がウェーハ８２の後ろ側からエッチングされる。もちろん、プローブとウェーハの相対的な大きさに依存して、多数のプローブがそれぞれの列に画定され。そして、普通のダイシングを可能にするように整列した異なる列の構造１００に平行して別の対の列も形成されることができる。図１２に図示された加工時点までは、ウェーハ上にどれだけ多くのプローブ構造１００が形成されるかは経済的にほとんど問題にならない。一度に１００個は簡単に成型できる。引き続き、個々のプローブ構造１００は、ダイシングによって分離され、劈開又はソーイングのいずれかによって二つの寸法にされる。
【００３２】
上記の実施の形態はシリコンウェーハ上に被膜された窒化シリコンプローブ薄膜を使用しているけれども、他の材料組み合わせも可能である。更に、プローブ薄膜は、たとえば、原子間結合又は溶融結合によって、基材に接着されることができる。比較的に厚い独立プローブ薄膜を基材に結合し、そして、たとえば、化学機械研磨（ＣＭＰ）によってプローブ薄膜を薄くすることも可能である。それとは別に、プローブ薄膜は、たとえば、シリコンの酸化又は窒化によって熱成長され得る。
【００３３】
本発明の製造方法は、一の水平方向の寸法が被覆又は他の方法で接着された平坦な薄膜の厚みによって画定され、そして、他の水平方向の寸法が石版そして多分イオンミリングによって画定される状態で、小さなプローブチップが形成されることを可能にする。更に、この製造技術は複数のチップの同時加工において達成される経済性の対象となる。。
【００３４】
プローブが回転可能なプローブチップによってタブと一体にされた場合には、更なる労力が不要となる。図１３と図１４の側面図と平面図にそれぞれ図示されたように、マイクロマシーン技術は、Ｗｕによって「光学及び光電子システムのためのマイクロマシーンニング」（ＩＥＥＥ会報第８５巻第１１号、１９９７年１１月刊、第１８３３頁乃至第１８５５頁）に開示されたように、カンチレバーヒンジ１１０を形成するために使用される。ヒンジ柄１１２は、基材１１４上に被膜された別の薄膜で構成される。ヒンジ柄１１２は、ある点で、基材１１４から分離される。ヒンジ１１０は、ヒンジ柄１１２と基材１１４の間に形成され、二つのヒンジポスト１１８によって支持されているヒンジピン１１６を有する。プローブ柄１１２の上に、前記のものと同じ構造で同様に製造されたプローブチップ１２０が形成される。
【００３５】
前記のように、多くのそのようなプローブ組立体は、単一の基材上で共通に製造され得る。プローブ組立体が互いにダイシングされた後で、図１５と図１６の側面図と平面図にそれぞれ図示されたように、ヒンジ１１０は下方に回転されてプローブチップ１２０が基材１１４の平面から垂直方向に延在するようにする。最後に、図１７の側面図に図示されたように、エポキシ又は他の接着剤の小滴１２０がヒンジジョイントの領域に垂らされて、ヒンジ１１０と垂直方向を示している取り付けられたプローブチップ１２０が動かないようにする。
【００３６】
基材１１４は、タブ７０に代わって、そして、図３及び図４のビーム６０に直接取り付けられる。それによって、プローブチップをタブに取り付ける冗長の労力と失敗しやすい方法が比較的に単純で非精密なエポキシの適用に代えられる。
【００３７】
本発明のプローブはピクセルサンプリングモードで作動する揺動ビーム原子間力顕微鏡に関連して説明されてきたが、それは微小なプローブチップを必要とする他のプローブやプロフィロメータを具備するジャンピングモードのＡＦＭにも使用され得る。
【００３８】
このように、本発明は微小のプローブチップを提供するものであるが、しかし、比較的に安価に高歩留まりで製造するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】
シリコンウェーハの微小寸法を計測する機器の略式断面図である。
【図２】
微小寸法を計測するための市販のシステムの側面図である。
【図３】
図２のシステムのプローブヘッドの直交する側面図である。
【図４】
図２のシステムのプローブヘッドの直交する側面図である。
【図５】
被膜されてはいるが側方に画定されていないプローブ薄膜を有するシリコンウェーハの断面図である。
【図６】
プローブ薄膜がその最終的な形状にエチングされた状態の図５のウェーハの断面図である。
【図７】
図６のウェーハの平面図である。
【図８】
ウェーハの後ろ側が選択的にエチングされて取り除かれた後の、図５及び図６のウェーハの側断面図である。
【図９】
成長ウェーハから分離後のプローブの端面図である。
【図１０】
図９のプローブの直角に投影された図である。
【図１１】
本発明のプローブチップによって探査されているウェーハの断面図である。
【図１２】
多数のプローブと一緒に製造されたウェーハの平面図である。
【図１３】
マイクロマシーン及びダイスの期間において取られる、ヒンジを用いて蝶着されたプローブ組立体の側面図である。
【図１４】
マイクロマシーン及びダイスの期間において取られる、ヒンジを用いて蝶着されたプローブ組立体の平面図である。
【図１５】
プローブチップがその作動位置に回転した後の図１３及び図１４のプローブの側面図である。
【図１６】
プローブチップがその作動位置に回転した後の図１３及び図１４のプローブの平面図である。
【図１７】
蝶着されたプローブがその作動位置に固定された後のプローブの側面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成13年10月10日(2001.10.10)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延出する、基材の主要面上に形成された薄膜から形成されるプローブチップであって、２５０ｎｍ未満の厚さと前記基材の厚さを実質的に超えない幅を有する前記薄膜のプローブ先端を有するものであり、前記プローブ先端が基材の一端から前記第１の方向にカンチレバー状に構成されているプローブチップ。
【請求項２】
前記薄膜が、長方形に成形されたプローブ部分と、前記基材の完全に厚い部分を覆う支持部と、前記長方形に成形されたプローブ部分と前記支持部との間のテーパー部分に成形されていることを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項３】
更に、前記基材内に形成されたピラミッド型の移行部であって、前記第１の方向に向かって先細であり、前記プローブ先端をそのチップに付けさせるものを有することを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項４】
前記基材がシリコンウェーハから構成されていることを特徴とする前記請求項１に記載のプローブチップ。
【請求項５】
前記薄膜が窒化シリコンを有することを特徴とする前記請求項２に記載のプローブチップ。
【請求項６】
前記薄膜が、シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項２に記載のプローブチップ。
【請求項７】
一体のヒンジポストを有する基材及び、
プローブチップと、該プローブチップに一体に接合された柄と、前記柄に一体に形成されたヒンジピンであって前記ヒンジポストによって回転自在に取り付けられたものを具備するプローブとからなり、
前記プローブチップと柄が前記基材の平面を中心に回転するプローブチップ。
【請求項８】
前記プローブチップが２５０ｎｍ未満の最小の側面寸法を有することを特徴とする前記請求項７に記載のプローブチップ。
【請求項９】
前記プローブチップが、シリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項７に記載のプローブチップ。
【請求項１０】
前記物質が窒化シリコンであることを特徴とする前記請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記柄とプローブチップが、該柄とプローブチップの製造中に、前記基材の主要面と平行に延在し、そして、更に、前記主要面に対して斜めの方向に延出するために前記柄とプローブチップを固定するための固定手段を具備することを特徴とする前記請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
サンプルの形状特徴の第１の方向における距離を計測するための原子間力顕微鏡であって、前記第１の方向がサンプル表面と直交しているもので、
前記第１の方向における動きを提供するアクチュエータと、
前記サンプル表面に隣接して前記第１の方向に沿って移動するために前記アクチュエータに固定されたプローブであって、前記アクチュエータに固定された結晶シリコンを有する基材と、前記基材の主要面上に形成された平坦な薄膜から形成され前記第１の方向に沿って延在するプローブチップであり該プローブチップの末端近傍の前記基材の主要面に平行な方向に沿って実質的に一定の断面を有するものを具備するものからなる原子間力顕微鏡。
【請求項１３】
前記薄膜がシリコン、ポリシリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、窒化チタン、炭化シリコン、サファイヤ、ダイヤモンドからなるグループから選択された物質を有することを特徴とする前記請求項１２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１４】
前記物質が窒化シリコンであることを特徴とする前記請求項１２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１５】
前記断面が２５０ｎｍにすぎない最大寸法を有することを特徴とする前記請求項１２に記載の原子間力顕微鏡。
【請求項１６】
プローブチップを成形する方法であって、
第１の方向に延在する主要面を有する基材上にある物質の薄膜を被膜する工程と、
第１の幅と第１の長さを有するプローブチップ部と前記第１の幅よりも実質的に大きな第２の幅と前記第１の幅よりも実質的に長い第２の長さを有する支持部と前記プローブチップ部と前記支持部を連結するテーパー部とからなる薄膜形状に前記薄膜をエッチングする工程であって、前記第１と第２の長さが前記第１の方向に沿って延在し、そして、前記第１と第２の幅が前記第１の方向に直交しているものと、
前記プローブチップの下にある前記基材の部分を取り除く工程とからなる方法。
【請求項１７】
前記薄膜の厚さと前記第１の幅が共に２５０ｎｍ未満であることを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記取り除き工程で、前記基材中に、ピラミッド構造であってその先端に隣接してプローブチップ部を有するものを形成することを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記取り除き工程で、前記薄膜中に複数の前記プローブ構造をエッチングし、そして、更に、前記取り除き工程終了後に前記複数の前記プローブ構造を互いに分離する工程を有することを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
選択的に前記薄膜をイオンミリングして、前記複数のプローブ構造において複数の異なる第２の厚さにその厚さを薄くする工程を更に有することを特徴とする前記請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記薄膜をイオンミリングしてその厚さを薄くする工程を更に具備することを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【請求項２２】
前記エッチング工程が、
前記プローブチップ部の形状を画定して前記第１の幅よりも大きい第３の幅を有するようにする写真石版工程と、
その後に、前記プローブチップ部の両側をイオンミリングして、前記第３の幅を前記第１の幅に減少する工程を具備することを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【請求項２３】
前記エッチング工程で複数の前記薄膜形状に前記薄膜をエッチングすることを特徴とする前記請求項１６に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１７】
本発明の一つの実施の形態においては、図５の断面図に図示されているように、プローブ薄膜８０は結晶シリコンウェーハ８２の上に被膜されている。いくつかの種類のマイクロマシーンニングにとって、シリコン結晶軸に対するシリコンの表面の向きとプローブの向きが重要である。ウェーハは標準の厚さを有するが、しかし、若干薄く、たとえば２００μｍであってもよい。シリコン以外の他の材料も基材に使用でき、別の材料の厚い膜が基材上に被膜され、そして、エチングされて比較的に厚い支持膜を残して取り除かれる。しかし、シリコンウェーハ支持体は好適である。


【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２６】
窒化物エッチングは、図８の断面図に図示された構造を生成する。図１０の等測図に最もよく図示されているシリコンウェーハ８２の傾斜壁９０と９２は、Ｐｅｔｅｒｓｏｎ他によって「機能性材料としてのシリコン」（ＩＥＥＥ会報第７０巻第５号、１９８２年５月刊、第４２０頁乃至第４５７頁）に開示されているように、ＫＯＨのようなある種のエッチング液の公知の特性によって窪みのエッチング工程中に形成されて、露光されたシリコンの（１１１）配向面を残存するように形成することができる。このことは、約１６０ｎｍの側部寸法と約１．５μｍ延出した大略正方形の独立したプローブチップ８４を残存する。同様の構造物の製造が上記文献においてＢｏｉｓｅｎ他とＫｏｖａｃｓ他によって開示されている。


【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３１】
マイクロマシーン化されたプローブチップの重大な利点は、各チップが一つのプローブチップに対して必要なものに比べて複数のプローブチップのために含まれる別途の加工処理や労力を割合かけることなく大量に製造され得ることである。図１２の平面図に図示されているように、多数のプローブ構造１００が、シリコンウェーハ８２を被覆するプローブ薄膜８０内にエッチングされる。プローブ構造１００は、両側の列のプローブチップ８４が対面する状態で両側に一列に配設される。図６の窪み８３に対応する一個の開口１０２がウェーハ８２の後ろ側からエッチングされる。もちろん、プローブとウェーハの相対的な大きさに依存して、多数のプローブがそれぞれの列に画定され、そして、普通のダイシングを可能にするように整列した異なる列の構造１００に平行して別の対の列も形成されることができる。図１２に図示された加工時点までは、ウェーハ上にどれだけ多くのプローブ構造１００が形成されるかは経済的にほとんど問題にならない。一度に１００個は簡単に成型できる。引き続き、個々のプローブ構造１００は、ダイシングによって分離され、劈開又はソーイングのいずれかによって二つの寸法にされる。


【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３５】
前記のように、多くのそのようなプローブ組立体は、単一の基材上で共通に製造され得る。プローブ組立体が互いにダイシングされた後で、図１５と図１６の側面図と平面図にそれぞれ図示されたように、ヒンジ１１０は下方に回転されてプローブチップ１２０が基材１１４の平面から垂直方向に延在するようにする。最後に、図１７の側面図に図示されたように、エポキシ又は他の接着剤の小滴１２２がヒンジジョイントの領域に垂らされて、ヒンジ１１０と垂直方向を示している取り付けられたプローブチップ１２０が動かないようにする。




【国際調査報告】
2004500548.tif 000032
2004500548.tif 000033
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