(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由端を有する第１のレバー部と、先端部において前記第１のレバー部が突出した第２のレバー部と、前記第２のレバー部を支持する支持部と、でカンチレバーを構成したマイクロプローブにおいて、
前記第２のレバー部上に当該第２のレバー部を屈曲させるための第１のピエゾ抵抗体が設けられ、
前記第２のレバー部は、前記第１のレバー部の突出方向に対して略垂直な方向で前記支持部により支持され、
前記第１のピエゾ抵抗体は、前記第２のレバー部と前記支持部との連結部に、前記第１のレバー部の突出方向に前後して少なくとも２つ設けられたマイクロプローブ。
【請求項２】
自由端を有する第１のレバー部と、先端部において前記第１のレバー部が突出した第２のレバー部と、前記第２のレバー部を支持する支持部と、でカンチレバーを構成したマイクロプローブにおいて、
前記第２のレバー部上に当該第２のレバー部を屈曲させるための第１のピエゾ抵抗体が設けられ、
前記第２のレバー部は、先端部において前記第１のレバー部を２つ備え、
２つの前記第１のピエゾ抵抗体が、前記第２のレバー部上に、当該第２のレバー部の長手方向を中心軸として両対称に設けられたマイクロプローブ
【請求項３】
前記第１のレバー部と前記第２のレバー部との連結部に当該前記第１のレバー部の撓み量を検出するための第２のピエゾ抵抗体が設けられた請求項２に記載のマイクロプローブ。
【請求項４】
自由端を有する第１のレバー部と、先端部において前記第１のレバー部が突出した第２のレバー部と、前記第２のレバー部を支持する支持部と、でカンチレバーを構成したマイクロプローブにおいて、
前記第２のレバー部上に当該第２のレバー部を屈曲させるための第１のピエゾ抵抗体が設けられ、
前記第２のレバー部は、前記第１のレバー部の突出方向に対して略垂直な方向で前記支持部により支持され、
前記第１のピエゾ抵抗体は、前記第２のレバー部と前記支持部との連結部に、前記第１のレバー部の突出方向に前後して少なくとも２つ設けられ、
前記第１のレバー部と前記第２のレバー部との連結部に当該前記第１のレバー部の撓み量を検出するための第２のピエゾ抵抗体が設けられたマイクロプローブ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体基板表面にピエゾ抵抗体の設けられたカンチレバーから構成されるマイクロプローブおよびそのマイクロプローブを用いて試料表面の微小領域（ナノメートルオーダ）を観察する試料表面測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、試料表面におけるナノメートルオーダの微小な領域を観察するための顕微鏡として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｐｒｏｂｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）が知られている。その中でも、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Ａｔｏｍｉｃ  Ｆｏｒｃｅ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）は、先端部に探針を設けたカンチレバーにより構成されたマイクロプローブを用いており、そのカンチレバーの探針を観測対象となる試料表面に沿って走査し、試料表面と探針との間に発生する原子間力（引力または斥力）をカンチレバーの撓み量として検出することで試料表面の形状測定を行うものである。
【０００３】
上記したマイクロプローブは、そのカンチレバーの撓み量を検出する方式の違いにより、光てこ式マイクロプローブと自己検知型マイクロプローブに分類されることが知られている。光てこ式マイクロプローブとは、マイクロプローブを構成するカンチレバーの端部にレーザ光を照射し、その反射角の変化を計測することで上記した撓み量を検出する方式、いわゆる光てこ検知方式に使用するマイクロプローブをいう。
【０００４】
この光てこ式マイクロプローブは、自己検知型マイクロプローブと比較して低価格に作成できるという利点がある一方、原子間力顕微鏡に用いる場合に、カンチレバーに向けて照射するレーザ光の照射角度と、カンチレバーからの反射光を検出するフォトダイオードの位置等の微調整が必要であり、特に、頻繁に行われるカンチレバーの交換の際に、その微調整を繰り返し行わなければならない煩雑さが伴うという欠点を有している。
【０００５】
他方、自己検知型マイクロプローブとは、カンチレバー上にピエゾ抵抗体を形成し、その抵抗値の変動を計測することによってカンチレバーの撓み量を検出することのできるマイクロプローブをいう。
【０００６】
この自己検知型マイクロプローブは、原子間力顕微鏡に用いる場合に、マイクロプローブ自体にカンチレバーの撓み量を検出する検出器（ピエゾ抵抗体）が形成されているので、カンチレバーの交換の際に、検出器の位置調整といった煩雑な作業を必要とせず、試料の観察に迅速に取り掛かることができるという利点がある。その反面、光てこ式マイクロプローブと比較して、マイクロプローブの構成が複雑となり、利用者に安価に提供することが困難になるという欠点を有している。
【０００７】
図１０は、マイクロプローブのうち特に上記した自己検知型マイクロプローブを用いた原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。図１０において、原子間力顕微鏡２００は、試料２０３の表面に向けて先端部に先鋭化された探針２０２が設けられたマイクロプローブ２０１（上記した自己検知型マイクロプローブに相当する）と、試料をマイクロプローブ２０１に対して水平方向（ＸＹ方向）および垂直方向（Ｚ方向）に微動させるＸＹＺアクチュエータ２１０と、ＸＹＺアクチュエータ２１０を駆動させるためのＸＹＺ制御信号を生成するアクチュエータ駆動増幅器２１２と、上記したＸＹ方向において所定の範囲に一定の速度で試料２０３を微動させるための信号（走査信号）を発生する走査信号発生部２１４と、マイクロプローブ２０１上の撓み検出部（上記した検出器：ピエゾ抵抗体）から得られる検出信号を取得する測定部２１６と、上記した撓み検出部の定常状態における検出値、すなわち試料２０３の表面の凹凸を検知するための基準値を発生する基準値発生部２１８と、測定部２１６および基準値発生部２１８のそれぞれから得られる信号を比較してマイクロプローブ２０１の実際の撓み量を導出する比較器２２０と、比較器２２０から得られる信号に基づいてＸＹＺアクチュエータ２１０のＺ方向の変位に相当する信号を生成する制御部２２２と、を備えて構成される。
【０００８】
以下に、この原子力顕微鏡２００の動作について簡単に説明する。まず、使用者は、ＸＹＺアクチュエータ２１０上のステージに、観測対象となる試料２０３を固定し、その上方の比較的離れた位置にマイクロプローブ２０１を取り付ける。通常、このマイクロプローブ２０１は、長手方向において探針２０２と反対に位置する端部でかつ反対の面上に、上記した撓み検出部からの信号を取り出すための電極端子が配置されており、通常、この電極端子と測定部２１６との電気的接続と、電極端子側の端部の固定と、が容易に行える着脱可能のカートリッジ式として原子間力顕微鏡とは別途に提供されている。
【０００９】
このように試料の観察を行う前の準備が整った後は、つぎに、マイクロプローブ２０１を、試料２０３に対し、その探針２０２が試料２０３の表面との間で原子間力が生じる程度まで十分に近接させる必要がある。この近接制御は、まず、ＸＹＺアクチュエータ２１０内のＺ軸粗動機構（図示せず）が、試料２０３を探針２０２へと接近させつつ、測定部２１６が上記した撓み検出部から所定量の信号を取得できたか否かを監視することで行う。
【００１０】
ＸＹＺアクチュエータ２１０内のＺ軸粗動機構は、使用者を介してこの原子間力顕微鏡２００の動作を所定条件にて制御するコンピュータ（図示せず）によって指示され、アクチュエータ駆動増幅器２１２を介して生成されたＺ制御信号に基づいて動作する。
【００１１】
また、測定部２１６において取得される上記所定量の信号とは、探針２０２と試料２０３の表面との間の原子間力の検出を示す信号であり、実際には比較器２２０から出力される信号によって知得される。ここで、比較器２２０の比較対象の一方である基準値発生部２１８の基準値は、撓み検出部であるピエゾ抵抗体自体の抵抗値が、温度条件等の撓み以外の条件によって変動するため、その不要な変動情報を撓み検出部において測定される抵抗値の変動から取り除くための参照抵抗値を提供するものである。
【００１２】
上記した近接制御が完了した後は、走査信号発生部２１４において、上記したコンピュータ上で設定された所定範囲、すなわちＸＹＺアクチュエータにおける平面範囲（ＸＹ範囲）の移動を指示する走査信号が生成される。この走査信号は、通常、Ｙ軸点固定してＸ方向の走査が終わった後につぎのＹ軸点に移動して再びＸ方向の走査を行う、いわゆるラスタ走査を実現するための信号である。
【００１３】
この走査信号は、アクチュエータ駆動増幅器２１２に入力され、ＸＹＺアクチュエータ２１０を駆動させるのに十分な電流・電圧へと適切に増幅された後に、ＸＹ制御信号としてＸＹＺアクチュエータ２１０に入力される。ＸＹＺアクチュエータ２１０は、このＸＹ制御信号の入力により、ステージ上の試料２０３をＸＹ方向に実際に移動させる。
【００１４】
上記したＸＹＺアクチュエータ２１０による試料２０３のＸＹ平面の移動が繰り返される間に、測定部２１６は、マイクロプローブ２０１の撓み検出部から常に信号を取得し、比較器２２０から、マイクロプローブ２０１の撓み量に相当する信号が出力される。
【００１５】
ここで、原子間力顕微鏡２００の測定モードには、実際には、近接制御後の探針２０２と試料２０３との間の高さを一定に保ち、マイクロプローブ２０１の撓み量を試料２０３の凹凸信号とみなす高さ一定モードや、マイクロプローブ２０１の撓み量が一定となるようにＸＹＺアクチュエータ２１０のＺ軸微動機構（図示せず）をフィードバック制御して、そのフィードバック制御に要する制御信号を試料２０３の凹凸信号とみなす撓み一定モード等がの種々の測定モードがあるが、ここでは撓み一定モードが選択されているものとする。
【００１６】
よって、試料２０３は、ＸＹ平面上を一定範囲で移動されるとともに、撓み一定モードにおけるＺ軸微動機構のフィードバック制御によりＺ軸方向に微動される。これと同時に、上記したＸＹＺアクチュエータ２１０の動作に伴うＸＹ制御信号とＺ制御信号が表示装置（ＣＲＴ）に入力され、使用者は、試料２０３の表面情報を知得することができる。
【００１７】
ところが、上述したように原子間力顕微鏡２００は、Ｚ軸方向の微動制御を行うために、ＸＹ方向の微動機構に加えてＺ軸方向の微動機構が設けられたＸＹＺアクチュエータが必要となり、この顕微鏡を構成する装置の小型化を妨げる要因となっていた。また、このＸＹＺアクチュエータは、一般に圧電素子で形成されており、必ずしも十分な応答速度を有しているとは言えず、また、それを駆動させるためには大電力が必要であったため、Ｚ軸方向の微動と言えど、消費電力の低減を阻害する要因にもなっていた。
【００１８】
そこで、装置構成において、上記したアクチュエータによるＺ軸微動機構を排除すべく、Ｚ軸微動機能をカンチレバー上に備えたマイクロプローブが知られている。図１１は、そのＺ軸微動機能付きマイクロプローブを示す図である。図１１において、マイクロプローブ３００は、自由端による柔軟な撓みを可能とした第１のレバー部３０２に探針２０１および撓み検出部３１０（ピエゾ抵抗体）が形成されるとともに、第２のレバー部３０４上にアクチュエータ部３２０が形成されている。
【００１９】
アクチュエータ部３２０は、ＺｎＯ等の圧電体からなり、電流が印加されることで、第２のレバー部３０４の長手方向に伸縮可能であり、この伸縮作用によって結果的に第２のレバー部３０４はその平面に垂直な方向に屈曲される。すなわち、マイクロプローブ３００のＺ軸方向における微動が、そのプローブ上のアクチュエータ部３２０によって実現されている。
【００２０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図１１に示したようなＺ軸微動機能付きマイクロプローブは、そのＺ軸微動機能を実現するためのアクチュエータとして、従来のＸＹＺアクチュエータと同様に圧電体を採用しているため、上記した消費電力の低減を可能とするものではない。
【００２１】
また、マイクロプローブは微小であるために、その基体となるシリコン基板上に、撓み検出部となるピエゾ抵抗体に加え、それとは全く異なる材料の圧電体を設けることは、その作成工程を複雑とするだけでなく、カンチレバー部の厚みが大きくなり、十分な応答速度を確保することが困難となるという問題を含んでいる。
【００２２】
本発明は、かかる従来技術の有する不都合に鑑みてなされたもので、カンチレバー上にピエゾ抵抗体を形成することで、そのカンチレバーを微動させることを可能にしたマイクロプローブおよびそのマイクロプローブを用いた試料表面測定装置を提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、請求項１の発明に係るマイクロプローブは、自由端を有する第１のレバー部と、先端部において前記第１のレバー部が突出した第２のレバー部と、前記第２のレバー部を支持する支持部と、でカンチレバーを構成したマイクロプローブにおいて、前記第２のレバー部上に当該第２のレバー部を屈曲させるための第１のピエゾ抵抗体が設けられたことを特徴とする。
【００２４】
この請求項１の発明によれば、第１のピエゾ抵抗体に通電することでその第１のピエゾ抵抗体が形成された領域を加熱することができ、第２のレバー部の表裏の熱膨張率の違いから、マイクロプローブ自体においてその第２のレバー部を屈曲させることができる。
【００２５】
また、請求項２の発明に係るマイクロプローブは、請求項１の発明において、前記第２のレバー部は、前記第１のレバー部の突出方向に対して略垂直な方向で前記支持部により支持され、前記第１のピエゾ抵抗体は、前記第２のレバー部と前記支持部との連結部に、前記第１のレバー部の突出方向に前後して少なくとも２つ設けられたことを特徴とする。
【００２６】
この請求項２の発明によれば、第２のレバー部と前記支持部との連結部に少なくとも２つの第１のピエゾ抵抗体が設けられているので、各第１のピエゾ抵抗体を選択的に通電することで、第２のレバー部の屈曲方向を自在に制御することができる。
【００２７】
また、請求項３の発明に係るマイクロプローブは、請求項１の発明において、前記第２のレバー部は、先端部において前記第１のレバー部を２つ備え、２つの前記第１のピエゾ抵抗体が、前記第２のレバー部上に、当該第２のレバー部の長手方向を中心軸として両対称に設けられたことを特徴とする。
【００２８】
この請求項３の発明によれば、第２のレバー部上に、２つの第１のピエゾ抵抗体が、第２のレバー部の長手方向を中心軸として両対称に設けられいるので、各第１のピエゾ抵抗体を選択的に通電することで、第２のレバー部を両方向に捩れさせることができる。
【００２９】
また、請求項４の発明に係るマイクロプローブは、請求項１〜３のいずれか一つの発明において、前記第１のレバー部と前記第２のレバー部との連結部に当該前記第１のレバー部の撓み量を検出するための第２のピエゾ抵抗体が設けられたことを特徴とする。
【００３０】
この請求項４の発明によれば、第１のレバー部と第２のレバー部との連結部に第１のレバー部の撓み量を検出するための第２のピエゾ抵抗体が設けられているので、第２のレバー部を屈曲させることができるとともに、第１のレバー部の撓み量を検出することができる。
【００３１】
また、請求項５の発明に係るマイクロプローブは、請求項１〜４のいずれか一つの発明において、前記第１のレバー部の自由端部上に、先鋭化された探針が設けられたことを特徴とする。
【００３２】
この請求項５の発明によれば、第１のレバー部の自由端部上に、先鋭化された探針が設けられているので、この探針を介して伝達される第１のレバー部の撓みを検出することができるとともに、この探針を第２のレバー部の屈曲により微動させることができる。
【００３３】
また、請求項６の発明に係る試料表面測定装置は、マイクロプローブに設けられた先鋭化された探針を試料表面に近接させ、前記探針と試料表面との間に生じる原子間力によって、前記マイクロプローブの撓み量を検出することにより前記試料表面の観測を行う試料表面測定装置において、前記マイクロプローブとして請求項５に記載のマイクロプローブを用い、当該マイクロプローブに設けられた前記第１のピエゾ抵抗体を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする。
【００３４】
この請求項６の発明によれば、請求項５に記載のマイクロプローブを用いることで、試料をマイクロプローブの探針に近接させるための微動機構を備えることなく、原子間力顕微鏡のような試料表面の観察を行うことができる。
【００３５】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係るマイクロプローブおよび試料表面測定装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００３６】
（実施の形態１）
まず、実施の形態１に係るマイクロプローブについて説明する。図１は、実施の形態１に係るマイクロプローブを示す斜視図である。図１に示すように、実施の形態１に係るマイクロプローブ１０は、支持部１５に固定されかつ後述するアクチュエータ部により微動される第２のレバー部１８と、第２のレバー部１８の先端から突出して自由端による柔軟な撓みを可能とした第１のレバー部１６と、から構成される。
【００３７】
また、図１において、上記した第１のレバー部１６には、その先端部に先鋭化された探針１１が設けられ、第２のレバー部との連結部近傍に撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体１２が形成されている。一方、上記した第２のレバー部１８には、支持部１５との連結部近傍にアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体１４が形成されており、また、第１のレバー部１６から支持部１５に向けて、ピエゾ抵抗体１２に接続される導電層が配線されている。
【００３８】
なお、図中において穴部２８は、ピエゾ抵抗体１４のアクチュエータ動作が、効果的に第２のレバー部１８に伝達されるように、その動作の障害となる重量および体積とをできるだけ排除するために設けられたものである。
【００３９】
図２は、実施の形態１に係るマイクロプローブの上面図であり、特にピエゾ抵抗体１２および１４の配線構造を示したものである。また、図３は、図２のＡ−Ａ’線における断面図であり、図４は、図２のＢ−Ｂ’線における断面図である。図２に示すように、第１のレバー部１６と第２のレバー部１８との連結部近傍には、ピエゾ抵抗体１２が、マイクロプローブ１０の長手方向に探針１１を通過する線を中心軸としたＵ字状に形成されている。
【００４０】
また、第２のレバー部１８と支持部１５との連結部近傍には、ピエゾ抵抗体１４が、ピエゾ抵抗体１２と同様に、マイクロプローブ１０の長手方向に探針１１を通過する線を中心軸としたＵ字状に形成されている。
【００４１】
そして、探針１１を除く第１のレバー部１６、第２のレバー部１８および支持部１５上であって、かつピエゾ抵抗体１２，１４上には、絶縁層３１が形成されている。なお、図２においては、図を簡略化して理解を容易にするため、この絶縁層を図示していない。
【００４２】
この絶縁層３１上においては、ピエゾ抵抗体１２の配線となる導電層２１が、ピエゾ抵抗体１２の端部であって第２のレバー部１８に位置する部分から、第２のレバー部１８上を介して支持部１５上まで形成されており、ピエゾ抵抗体１４の配線となる導電層２３が、ピエゾ抵抗体１４の端部から支持部１５上まで形成されている。
【００４３】
そして、導電層２１の第２のレバー部１８に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体１２とは、メタルコンタクト部Ｃ１において電気的に接続される。同様に、導電層２３の第２のレバー部１８に位置する一端と、下層のピエゾ抵抗体１４とは、メタルコンタクト部Ｃ３において電気的に接続される。
【００４４】
また、マイクロプローブ１０は、図３および図４に示すように、シリコンから成る半導体基板３７上に埋め込み酸化層（ＳｉＯ2）３５を形成し、さらにその上にシリコン層３３を熱的に貼り合わせたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  Ｉｎｓｕｌａｔｅｒ）技術により形成された基体を用いて作成される。
【００４５】
具体的には、ピエゾ抵抗体１２および１４は、フォトリソグラフィ工程およびエッチング工程によって、シリコン層３３上に上記したＵ字状の窓が形成され、その窓部分に不純物イオンを注入することで形成される。一般的にシリコン層３３とは逆極性のキャリアが注入される。ピエゾ抵抗体１２および１４は、同一工程において同時に作成することが可能となる。なお、上記したＳＯＩによって、ピエゾ抵抗体１２，１４間は、絶縁度の高い素子分離が果たされている。
【００４６】
また、絶縁層３１、導電層２１および２３は、ＣＶＤ（化学気相成長法）等によってそれぞれ順に形成される。この際、上記したように、ピエゾ抵抗体１２，１４は、メタルコンタクト部Ｃ１，Ｃ３においてそれぞれ導電層２１，２３と電気的に接続される。
【００４７】
つぎに、これらピエゾ抵抗体１２，１４の機能について説明する。まず、ピエゾ抵抗体１２は、第１のレバー部１６の撓み量を検出するために機能し、その撓み量は、第１のレバー部１６が撓むことによって変化するピエゾ抵抗体１２の抵抗値変化として得られる。すなわち、この抵抗値変化は、ピエゾ抵抗体１２、メタルコンタクト部Ｃ１および導電層２１を経て、その導電層２１の支持部１５上に位置する両端部から読み出すことができる。
【００４８】
一方、ピエゾ抵抗体１４は、第２のレバー部１８を、その表面に垂直な方向に変位させるためのアクチュエータ部として機能する。その変位は、ピエゾ抵抗体１４、メタルコンタクト部Ｃ３および導電層２３を経て、その導電層２３の支持部１５上に位置する両端部に電流を流すことで、ピエゾ抵抗体１４の温度を上昇させ、ピエゾ抵抗体１４の周辺部分を熱膨張させることで達成される。
【００４９】
すなわち、ピエゾ抵抗体１４をヒータとして使用し、ピエゾ抵抗体１４が設けられた表面（探針１１が形成された面）部分が熱膨張することでその裏面部分に対して伸張し、結果的に第２のレバー部１８がその裏面方向に反りあがることを意味する。
【００５０】
よって、探針１１を試料表面に近接させた状態において、このピエゾ抵抗体１４への通電により、その探針１１を試料表面から離間させることができる。従って、この第２のレバー部１８の屈曲方向は、マイクロプローブ１０の探針１１方向をマイナス方向とし、その反対方向をプラス方向とした場合、Ｚ軸のプラス方向の一方向の微動のみが実現できることになるが、第２のレバー部の表面部と裏面部との熱膨張係数の違いにより、マイナス方向の微動も可能である。
【００５１】
また、撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体１２においても、その抵抗値変化を読み取るために通電することが必要であることから、その通電量によってはピエゾ抵抗体１２がヒータとして機能し、第１のレバー部１６を屈曲させた状態にすることもできる。これは、例えば、図５に示すように、第１のレバー部１６の表面と試料表面とが平行となる状態を維持したまま、観測を行えることを意味する。
【００５２】
これにより、探針１１と試料表面との相互作用をより感度高く検出することができるとともに、マイクロプローブ１０が占有する空間を小さくすることができる。なお、上記した第１のレバー部１６の平行状態の維持は、ピエゾ抵抗体１４によっても実現することができることは言うまでもない。
【００５３】
以上説明したように、実施の形態１に係るマイクロプローブ１０は、第１のレバー部１６と第２のレバー部１８とからなるカンチレバーの同一表面上に、撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体１２に加え、第２のレバー部１８を屈曲させるアクチュエータ部としてピエゾ抵抗体１４を形成することで構成されているので、マイクロプローブ１０のＺ軸の一方向における自己微動を低消費電力でかつ高い応答速度で実現することができ、また、そのピエゾ抵抗体１４は、撓み検出部となるピエゾ抵抗体１２と同一工程で容易に作成できることから、従来のＺ軸微動機能付きマイクロプローブと比較しても厚みが薄くかつ低価格で提供することが可能となる。
【００５４】
（実施の形態２）
つぎに、実施の形態２に係るマイクロプローブについて説明する。図６は、実施の形態２に係るマイクロプローブを示す斜視図である。図６に示すように、実施の形態２に係るマイクロプローブ５０は、支持部５５に固定されかつアクチュエータ部により微動される第２のレバー部６４と、第２のレバー部６４の先端から突出して自由端による柔軟な撓みを可能とした第１のレバー部６２と、から構成される。
【００５５】
また、図６において、上記した第１のレバー部６２には、その先端部に先鋭化された探針５１が設けられ、第２のレバー部との連結部近傍に撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体５２が形成されている。一方、上記した第２のレバー部６４には、支持部５５との連結部近傍に第１のアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体５６と第２のアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体５８とが形成されており、また、第１のレバー部６２から支持部５５に向けて、ピエゾ抵抗体５２に接続される導電層が配線されている。
【００５６】
なお、図中において穴部６５および６７は、ピエゾ抵抗体５６，５８のアクチュエータ動作が、効果的に第２のレバー部６４に伝達されるように、その動作の障害となる重量および体積とをできるだけ排除するために設けられたものである。また、図６に示したピエゾ抵抗体５２，５６および５８の形成は、実施の形態１において説明した作成工程と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００５７】
図６に示すように、マイクロプローブ５０は、第２のレバー部６４上に、その長手方向の前後に二組のピエゾ抵抗体５６，５８を形成しているので、これらピエゾ抵抗体５６，５８のいずれか一方を選択的に通電させることにより、第２のレバー部６４の熱膨張状態により微動を、Ｚ軸方向のプラス方向に加えてマイナス方向にも制御することができる。
【００５８】
なお、図中のピエゾ抵抗体５２は、実施の形態１において説明したピエゾ抵抗体１２と同様に動作し、また、このマイクロプローブ５０は、図５に示したように、ピエゾ抵抗体５２またはピエゾ抵抗体５６，５８への通電量を調節することで、第１のレバー部６２の表面と試料表面とが平行となる状態を維持させることができる。
【００５９】
以上説明したように、実施の形態２に係るマイクロプローブ５０は、第１のレバー部６２と第２のレバー部６４とからなるカンチレバーの同一表面上に、撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体５２に加え、第２のレバー部６４を屈曲させるアクチュエータ部としてピエゾ抵抗体５６，５８を形成することで構成されているので、マイクロプローブ５０のＺ軸の両方向における自己微動を低消費電力でかつ高い応答速度で実現することができ、また、それらピエゾ抵抗体５６，５８は、撓み検出部となるピエゾ抵抗体５２と同一工程で容易に作成できることから、従来のＺ軸微動機能付きマイクロプローブと比較しても厚みが薄くかつ低価格で提供することが可能となる。
【００６０】
（実施の形態３）
つぎに、実施の形態３に係るマイクロプローブについて説明する。図７は、実施の形態３に係るマイクロプローブを示す斜視図である。図７に示すように、実施の形態３に係るマイクロプローブ７０は、支持部７５に固定されかつアクチュエータ部により微動される第２のレバー部８４と、第２のレバー部８４の先端から両脇方向に２つ突出して自由端による柔軟な撓みを可能とした第１のレバー部８２と、から構成される。
【００６１】
また、図７において、上記した２つの第１のレバー部８２には、各先端部に先鋭化された探針７１が設けられ、第２のレバー部８４との連結部近傍に撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体７２が形成されている。一方、上記した第２のレバー部８４には、支持部７５との連結部近傍にアクチュエータ部として機能する２つのピエゾ抵抗体７６が形成されており、また、第１のレバー部８２から支持部７５に向けて、ピエゾ抵抗体７２に接続される導電層が配線されている。
【００６２】
なお、図中において穴部７８は、２つのピエゾ抵抗体７６のアクチュエータ動作が、効果的に第２のレバー部８４に伝達されるように、その動作の障害となる重量および体積とをできるだけ排除するために設けられたものである。また、図７に示したピエゾ抵抗体７２，７６の形成は、実施の形態１において説明した作成工程と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００６３】
図７に示すように、マイクロプローブ７０は、第２のレバー部８４の長手方向に形成された穴部７８を中心軸として両対称に、二組のピエゾ抵抗体７２および７６が形成されている。ここで、各ピエゾ抵抗体７２は、実施の形態１において説明したピエゾ抵抗体１２と同機能を有し、第１のレバー部８２の撓み量を検出するものである。また、各ピエゾ抵抗体７６は、実施の形態１において説明したピエゾ抵抗体１４と同機能を有し、第２のレバー部８４をＺ軸方向に微動させるものである。
【００６４】
このように、撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体７２とアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体７６とからなる組が、左右対称に設けられていることで、これら二組のうちのいずれか一組に属するピエゾ抵抗体７６が動作することにより、図８に示すような捩れた状態が形成され、これにより、一方の探針７１に注目した場合に、その探針１１を試料表面に対してＺ軸のプラス方向およびマイナス方向へと微動させることができる。
【００６５】
以上説明したように、実施の形態３に係るマイクロプローブ７０は、第１のレバー部８２と第２のレバー部８４とからなるカンチレバーの同一表面上に、撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体７２と、第２のレバー部８４を屈曲させるアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体７６と、からなる組を第２のレバー部８４の長手方向に両対称に形成することで構成されているので、例えば、一方の組に属する探針７１を用いて試料の観測を行う場合、同一の組に属するピエゾ抵抗体７６を通電することで、その探針７１を試料表面から離間させることができ、他方の組に属するピエゾ抵抗体７６を通電することで、上記した探針７１を試料表面に近づけること、すなわちマイクロプローブ７０のＺ軸両方向における自己微動を低消費電力でかつ高い応答速度で実現することができ、また、各ピエゾ抵抗体７６は、撓み検出部となるピエゾ抵抗体７２と同一工程で容易に作成できることから、従来のＺ軸微動機能付きマイクロプローブと比較しても厚みが薄くかつ低価格で提供することが可能となる。
【００６６】
（実施の形態４）
つぎに、実施の形態４に係る試料表面測定装置について説明する。図９は、上述した実施の形態１〜３に示したマイクロプローブを用いた原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。図９において、試料表面測定装置１００は、試料１０３の表面に向けて先端部に先鋭化された探針１０２が設けられたマイクロプローブ１０１（上記したマイクロプローブ１０，５０，７０に相当する）と、試料１０３をマイクロプローブ１０１に対して水平方向（ＸＹ方向）に微動させるＸＹアクチュエータ１１０と、ＸＹアクチュエータ１１０を駆動させるためのＸＹ制御信号を生成するアクチュエータ駆動増幅器１１２と、上記したＸＹ方向において所定の範囲に一定の速度で試料１０３を微動させるための信号（走査信号）を発生する走査信号発生部１１４と、マイクロプローブ１０１上の撓み検出部（上記した検出器：ピエゾ抵抗体）から得られる検出信号を取得する測定部１１６と、上記した撓み検出部の定常状態における検出値、すなわち試料１０３の表面の凹凸を検知するための基準値を発生する基準値発生部１１８と、測定部１１６および基準値発生部１１８のそれぞれから得られる信号を比較してマイクロプローブ１０１の実際の撓み量を導出する比較器１２０と、比較器１２０から得られる信号に基づいてＸＹアクチュエータ１１０のＺ方向の変位に相当する信号を生成する制御部１２２と、マイクロプローブ１０１上に設けられたアクチュエータ部を駆動させるためのプローブ駆動部１２４と、を備えて構成される。
【００６７】
以下に、この原子力顕微鏡１００の動作について簡単に説明する。なお、まず、使用者は、ＸＹアクチュエータ１１０上のステージに、観測対象となる試料１０３を固定し、その上方の比較的離れた位置にマイクロプローブ１０１を取り付ける。
【００６８】
こうして試料の観察を行う前の準備が整った後は、つぎに、マイクロプローブ１０１を、試料１０３に対し、その探針２０２が試料２０３の表面との間で原子間力が生じる程度まで十分に近接させる必要がある。この近接制御は、Ｚ軸粗動機構（図示せず）によって行い、測定部１１６が上記した撓み検出部から所定量の信号を取得できた際に終了する。
【００６９】
また、測定部１１６において取得される上記所定量の信号とは、探針１０２と試料１０３の表面との間の原子間力の検出を示す信号であり、実際には比較器１２０から出力される信号によって知得される。ここで、比較器１２０の比較対象の一方である基準値発生部１１８の基準値は、撓み検出部であるピエゾ抵抗体自体の抵抗値が、温度条件等の撓み以外の条件によって変動するため、その不要な変動情報を撓み検出部において測定される抵抗値の変動から取り除くための参照抵抗値を提供するものである。
【００７０】
上記した近接制御が完了した後は、走査信号発生部１１４において、コンピュータ（図示せず）上で設定された所定範囲、すなわちＸＹアクチュエータ１１０における平面範囲（ＸＹ範囲）の移動を指示する走査信号が生成される。この走査信号は、通常、ラスタ走査を実現するための信号である。
【００７１】
そして、この走査信号は、アクチュエータ駆動増幅器１１２に入力され、ＸＹアクチュエータ１１０を駆動させるのに十分な電流・電圧へと適切に増幅された後に、ＸＹ制御信号としてＸＹアクチュエータ１１０に入力される。ＸＹアクチュエータ１１０は、このＸＹ制御信号の入力により、ステージ上の試料１０３をＸＹ方向に実際に移動させる。
【００７２】
上記したＸＹアクチュエータ１１０による試料１０３のＸＹ平面の移動が繰り返される間に、測定部１１６は、マイクロプローブ１０１の撓み検出部から常に信号を取得し、比較器１２０から、マイクロプローブ１０１の撓み量に相当する信号が出力される。
【００７３】
ここで、試料表面測定装置１００の測定モードのうちの上記した撓み一定モードは、マイクロプローブ１０１の撓み量が一定となるようにマイクロプローブ１０１上のアクチュエータ部をプローブ駆動部１２４を介してフィードバック制御し、そのフィードバック制御に要する制御信号を試料１０３の凹凸信号とみなすことで実現される。
【００７４】
よって、試料１０３は、ＸＹ平面上を一定範囲で移動されるとともに、撓み一定モードにおけるマイクロプローブ１０１上のアクチュエータ部のフィードバック制御によりＺ軸方向に微動される。これと同時に、上記したＸＹアクチュエータ１１０の動作に伴うＸＹ制御信号とＺ制御信号が表示装置（ＣＲＴ）に入力され、これにより使用者は、試料１０３の表面情報を知得することができる。
【００７５】
以上説明したように、実施の形態４に係る試料表面測定装置１００は、実施の形態１〜３に示したマイクロプローブ１０，５０，７０を使用することにより、試料１０３をＺ軸方向に微動させるために従来必要であったＺ軸微動機構をその装置構成に含めることなく、従来と同様の試料表面測定を行うことができるので、装置構成が複雑化し高価となることを防ぐとともに、利用に際して必要な電力を低減させることができる。
【００７６】
なお、上述した実施の形態１〜３では、第１のレバー部の先端に探針を設け、また第１のレバー部と第２のレバー部との連結部に撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体を設けることで、原子間力顕微鏡に対して使用できるマイクロプローブを例に挙げたが、これら探針や撓み検出部として機能するピエゾ抵抗体を設けずに、第２のレバー部を屈曲させるためにアクチュエータ部として機能するピエゾ抵抗体のみを設けたマイクロプローブとしても十分な価値を有する。例えば、集積回路等に配置される複数の狭間隔の電極に対して導通テストを行う際に、外部のテスト装置との電気的接続を物理的にオン／オフする場合に有用となる。
【００７７】
【発明の効果】
請求項１に記載の発明によれば、第１のピエゾ抵抗体を第２のレバー部上に形成することで、その通電により第１のピエゾ抵抗体が形成された領域を加熱することができ、第２のレバー部の表裏の熱膨張率の違いから、マイクロプローブ自体においてその第２のレバー部を屈曲させることができるので、従来の圧電体を使用した例と比べて、自己微動機能付きのマイクロプローブを、厚みの薄い構成でかつ低消費電力、高応答速度および低価格により提供することができるという効果を奏する。
【００７８】
また、請求項２に記載の発明によれば、第２のレバー部と前記支持部との連結部に少なくとも２つの第１のピエゾ抵抗体が設けられているので、各第１のピエゾ抵抗体を選択的に通電することで、第２のレバー部の屈曲方向を自在に制御することができるので、従来の圧電体を使用した例と比べて、自己微動機能付きのマイクロプローブを、厚みの薄い構成でかつ低消費電力、高応答速度および低価格により提供することができるという効果を奏する。
【００７９】
また、請求項３に記載の発明によれば、第２のレバー部上に、２つの第１のピエゾ抵抗体が、第２のレバー部の長手方向を中心軸として両対称に設けられいるので、各第１のピエゾ抵抗体を選択的に通電することで、第２のレバー部を両方向に捩れさせることができるので、従来の圧電体を使用した例と比べて、自己微動機能付きのマイクロプローブを、厚みの薄い構成でかつ低消費電力、高応答速度および低価格により提供することができるという効果を奏する。
【００８０】
また、請求項４に記載の発明によれば、第１のレバー部と第２のレバー部との連結部に第１のレバー部の撓み量を検出するための第２のピエゾ抵抗体が設けられているので、第２のレバー部を屈曲させることができるとともに、第１のレバー部の撓み量を検出することができるるので、従来の圧電体を使用した例と比べて、自己微動機能付きのマイクロプローブを、厚みの薄い構成でかつ低消費電力、高応答速度および低価格により提供することができるとともに、第２のピエゾ抵抗体を第１のピエゾ抵抗体と同一工程により容易に作成できるという効果を奏する。
【００８１】
また、請求項５に記載の発明によれば、第１のレバー部の自由端部上に、先鋭化された探針が設けられているので、この探針を介して伝達される第１のレバー部の撓みを検出することができるとともに、この探針を第２のレバー部の屈曲により微動させることができ、原子間力顕微鏡のマイクロプローブとして用いることができるという効果を奏する。
【００８２】
また、請求項６に記載の発明によれば、請求項５に記載のマイクロプローブを用いることで、試料をマイクロプローブの探針に近接させるための微動機構を備えることなく、原子間力顕微鏡のような試料表面の観察を行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係るマイクロプローブを示す斜視図である。
【図２】実施の形態１に係るマイクロプローブの上面図である。
【図３】実施の形態１に係るマイクロプローブにおいて、図２のＡ−Ａ’線における断面図である。
【図４】実施の形態１に係るマイクロプローブにおいて、図２のＢ−Ｂ’線における断面図である。
【図５】実施の形態１に係るマイクロプローブにおいて、原子間力顕微鏡に用いる場合の利用例を説明するための図である。
【図６】実施の形態２に係るマイクロプローブを示す斜視図である。
【図７】実施の形態３に係るマイクロプローブを示す斜視図である。
【図８】実施の形態３に係るマイクロプローブにおいて、原子間力顕微鏡に用いる場合の利用例を説明するための図である。
【図９】実施の形態４に係る試料表面測定装置の概略構成を示すブロック図である。
【図１０】従来の自己検知型マイクロプローブを用いた原子間力顕微鏡の概略構成を示すブロック図である。
【図１１】従来のＺ軸微動機能付きマイクロプローブを示す図である。
【符号の説明】
１０，５０，７０，１０１  マイクロプローブ
１１，５１，７１，１０２  探針
１２，１４，５２，５６，５８，７２，７６  ピエゾ抵抗体
１５，５５，７５  支持部
１６，６２，８２  第１のレバー部
１８，６４．８４  第２のレバー部
２１，２３  導電層
２８，６５，７８  穴部
３１  絶縁層
３３  シリコン層
３７  半導体基板
１００  試料表面測定装置
１０３  試料
１１０  ＸＹアクチュエータ
１１２  アクチュエータ駆動増幅器
１１４  走査信号発生部
１１６  測定部
１１８  基準値発生部
１２０  比較器
１２２  制御部
１２４  プローブ駆動部
Ｃ１，Ｃ３  メタルコンタクト部
【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】
0003892198.tif 000009
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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