(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶シリコンの表面に形成される異方性エッチング用マスクであって、
正方形の第１マスク部と、
少なくとも、
前記第１マスク部の第１の辺の両端から延伸する一組の第２マスク部及び第３マスク部、又は、前記第１の辺に対向する第２の辺の両端から延伸する一組の第４マスク部及び第５マスク部の何れかの組とを備え、
前記第２マスク部及び前記第３マスク部が、前記第１の辺に直交する方向に沿って、相互に同じ方向に延伸し、
前記第２マスク部の長さ及び第３マスク部の長さが等しく、
前記第２マスク部の幅及び第３マスク部の幅が等しく、
前記第４マスク部及び前記第５マスク部が、前記第２の辺を延長する方向に沿って、相互に逆の方向に延伸し、
前記第４マスク部の長さ及び第５マスク部の長さが等しく、
前記第４マスク部の幅及び第５マスク部の幅が等しいことを特徴とする探針形成用エッチングマスク。
【請求項２】
前記第２〜第５マスク部の全てを備え、
前記第２〜第５マスク部の各々の幅が、全て等しいことを特徴とする請求項１に記載の探針形成用エッチングマスク。
【請求項３】
正方形の第１マスク部と、
少なくとも、
前記第１マスク部の第１の辺の両端から延伸する一組の第２マスク部及び第３マスク部、又は、前記第１の辺に対向する第２の辺の両端から延伸する一組の第４マスク部及び第５マスク部の何れかの組とを備え、
前記第２マスク部及び前記第３マスク部が、前記第１の辺に直交する方向に沿って、相互に同じ方向に延伸し、
前記第２マスク部の長さ及び第３マスク部の長さが等しく、
前記第２マスク部の幅及び第３マスク部の幅が等しく、
前記第４マスク部及び前記第５マスク部が、前記第２の辺を延長する方向に沿って、相互に逆の方向に延伸し、
前記第４マスク部の長さ及び第５マスク部の長さが等しく、
前記第４マスク部の幅及び第５マスク部の幅が等しいことを特徴とする探針形成用エッチングマスクを、単結晶シリコンの表面に形成し、異方性エッチングを行うことを特徴とする探針の製造方法。
【請求項４】
前記探針形成用エッチングマスクを、単結晶シリコンの表面に所定の間隔で複数形成することを特徴とする請求項３に記載の探針の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小寸法のカンチレバーの先端部に形成された探針、探針を形成するための探針形成用エッチングマスク及びそれを用いた探針の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）などで使用される微小な探針（プローブ）を持つカンチレバーを用いて微細な加工を行うナノリソグラフィ技術が知られている。これは、試料のシリコン表面やシリコン原子を含んだ単分子薄膜表面と導電性プローブとの間にバイアス電圧を印加しながら、それらの試料表面上で導電性プローブを走査することによって、空気中の水分子を電気化学反応させ、ナノスケールのＳｉＯ２の線状の隆起パターンや溝パターンを形成する技術である。
【０００３】
導電性プローブとしては、例えば図１３の（ａ）に示したような先端部に探針を備えたカンチレバーが使用される。このとき、試料表面に接する探針が、図１３の（ｂ）に示したように先鋭、即ち曲率半径が小さいほど、より微細な形状の加工が可能となる。
【０００４】
カンチレバーに探針を形成する方法としては、単結晶Ｓｉ基板やＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用い、探針を形成する部分に所定面積のエッチングマスクを形成し、それをエッチング液（ＫＯＨ）中で異方性エッチングする方法が知られている。使用されるエッチングマスクの形状として、正方形や、図１４に示した風車形のような９０度の回転対称な形状（下記非特許文献１参照）が用いられている。これらのエッチングマスクの１辺が結晶方位［１１０］に沿って配置されていれば（図１４では、シリコン表面が［１００］面であり、それに垂直な面が［１１０］面である）、異方性エッチングの結果、エッチングマスクの角部分でのアンダーカット現象によって、傾斜した４面を持った、先鋭なピラミッド形状の探針が形成される（図１３の（ｂ）参照）。
【０００５】
また、下記特許文献１には、探針の形成そのものを示すものではないが、ＫＯＨを用いた異方性エッチングの際に、長方形のエッチングマスクを使用すると、角の部分にアンダーカットが生じること、及び、これを防止するために長方形のエッチングマスクの角に、所定幅のエッチングマスクを放射状に形成することが開示されている。
【特許文献１】米国特許６，０６６，２６５号公報
【非特許文献１】JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL.2, NO.4, DECEMBER 1993, pp 151-159
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
正方形や図１４に示した風車形のエッチングマスクを使用する場合、先鋭な探針を形成するには、エッチングマスクの各辺をＳＯＩ基板の単結晶シリコンの結晶方位［１１０］に精度よく揃えなければならない。即ち、エッチングマスクの配置が結晶方位［１１０］とずれている（マスクパターンのミスアライメント）と、異方性エッチングによって形成される４面の形成速度に差ができ、先端部が尾根状（図１５参照）に形成されてしまう問題がある。
【０００７】
ＳＯＩ基板の結晶方位［１１０］は、ＳＯＩ基板の外周上に形成された直線状の切り欠き（オリエンテーションフラット）によって知ることができるが、通常、所定の精度範囲内でばらつきがある。従って、ＳＯＩ基板のオリエンテーションフラットに沿ってエッチングマスクを精度良く形成できたとしても、エッチングマスクの辺が実際の結晶方位［１１０］と揃っていることは保証されず、先鋭な探針が形成されない場合もある。
【０００８】
本発明の目的は、上記の課題を解決すべく、先鋭な探針、パターニング時のミスアライメントに依存せず先鋭な探針を形成することができる探針形成用エッチングマスク及びそれを用いた探針の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の目的は、以下の手段によって達成される。
【００１０】
即ち、本発明に係る探針形成用エッチングマスク（１）は、単結晶シリコンの表面に形成される異方性エッチング用マスクであって、正方形の第１マスク部と、少なくとも、前記第１マスク部の第１の辺の両端から延伸する一組の第２マスク部及び第３マスク部、又は、前記第１の辺に対向する第２の辺の両端から延伸する一組の第４マスク部及び第５マスク部の何れかの組とを備え、前記第２マスク部及び前記第３マスク部が、前記第１の辺に直交する方向に沿って、相互に同じ方向に延伸し、前記第２マスク部の長さ及び第３マスク部の長さが等しく、前記第２マスク部の幅及び第３マスク部の幅が等しく、前記第４マスク部及び前記第５マスク部が、前記第２の辺を延長する方向に沿って、相互に逆の方向に延伸し、前記第４マスク部の長さ及び第５マスク部の長さが等しく、前記第４マスク部の幅及び第５マスク部の幅が等しいことを特徴としている。
【００１１】
また、本発明に係る探針形成用エッチングマスク（２）は、上記の探針形成用エッチングマスク（１）において、前記第２〜第５マスク部の全てを備え、前記第２〜第５マスク部の各々の幅が、全て等しいことを特徴としている。
【００１２】
また、本発明に係る探針の製造方法（１）は、正方形の第１マスク部と、少なくとも、前記第１マスク部の第１の辺の両端から延伸する一組の第２マスク部及び第３マスク部、又は、前記第１の辺に対向する第２の辺の両端から延伸する一組の第４マスク部及び第５マスク部の何れかの組とを備え、前記第２マスク部及び前記第３マスク部が、前記第１の辺に直交する方向に沿って、相互に同じ方向に延伸し、前記第２マスク部の長さ及び第３マスク部の長さが等しく、前記第２マスク部の幅及び第３マスク部の幅が等しく、前記第４マスク部及び前記第５マスク部が、前記第２の辺を延長する方向に沿って、相互に逆の方向に延伸し、前記第４マスク部の長さ及び第５マスク部の長さが等しく、前記第４マスク部の幅及び第５マスク部の幅が等しいことを特徴とする探針形成用エッチングマスクを、単結晶シリコンの表面に形成し、異方性エッチングを行うことを特徴としている。
【００１３】
また、本発明に係る探針の製造方法（２）は、上記の探針の製造方法（１）において、前記探針形成用エッチングマスクを、単結晶シリコンの表面に一つのあるいは所定の間隔で複数形成することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係るエッチングマスクを使用することによって、単結晶シリコン表面の異方性エッチングにより、表面形状計測あるいはナノリソグラフィなどに適した先鋭な探針を形成することが可能となる。
【００１６】
本発明に係る探針は、先端部が３面で構成されているので、先端が非常に鋭く、表面形状計測やナノリソグラフィに適している。
【００１７】
また、本発明に係るエッチングマスクの配置を単結晶シリコンの方位に高精度に揃える必要がないので、シリコンウエハのオリエンテーションフラットの若干の精度誤差やパターニング時のミスアライメントによらず、先鋭な端子を形成することができる。特に、複数のカンチレバーの先端に同時に先鋭な探針を形成することが容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明に係る実施の形態を、添付した図面に基づいて説明する。図１は、本発明の実施の形態に係る探針形成用エッチングマスクを示す平面図である。
【００１９】
本エッチングマスク１は、正方形の第１マスク部１１と、第１マスク部１１の第１の辺ａ１の両端Ａ、Ｂから延伸する第２マスク部１２及び第３マスク部１３と、第１の辺ａ１に対向する第２の辺ａ２の両端Ｃ、Ｄから延伸する第４マスク部１４及び第５マスク部１５とを備えている。
【００２０】
ここで、第１〜第５マスク部１１〜１５は、エッチング対象である単結晶シリコン表面上に、同じ材料（例えば、シリコン酸化膜）及び所定の厚さで、一体に形成されている。第２マスク部１２及び第３マスク部１３は、第１の辺ａ１に直交し、相互に同じ方向に延伸し、長さＬ１が等しい。また、第４マスク部１４及び第５マスク部１５は、相互に逆方向、即ち、第２の辺ａ２を延長する方向に延伸し、長さＬ２が等しい。また、第２〜第５マスク部１２〜１５の幅Ｗは、全てほぼ等しい。
【００２１】
ここで、本エッチングマスク１は、シリコン基板の結晶方位に沿うように形成することが望ましい。例えば、シリコン基板表面が［１００］面である場合、第１マスク部の１辺が［１１０］面に沿うように形成するのが望ましい。また、単結晶シリコン表面上の本エッチングマスク１以外の所定領域には、エッチングされないように、使用するエッチング液に耐性をもった薄膜（例えば、耐アルカリ性薄膜）がコーティングされている。
【００２２】
図１に示した形状のエッチングマスクを使用して、先鋭な探針を形成するには、カンチレバーを形成する公知の方法（例えば、上記特許文献１参照）において、シリコン表面上の探針を形成する場所に、図１に示した形状のエッチングマスクを形成した後、ＫＯＨ溶液中で異方性エッチングを行えばよい。図２は、図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真（以下、単に写真と記す）の一例を示す平面写真である。図２に示したように、探針は概ね２つの［３１１］面と２つの［４１１］面の４面から構成されている。即ち裾野部分を除いた基部では隣接する２つの［３１１］面と隣接する２つの［４１１］面の４面から構成され、先端部では擬似的に３面、即ち２つの［３１１］面と１つの高次の面とから構成されている。ここで、先端部、基部はそれぞれ、先端から探針の高さの１／１０未満の領域、先端から探針の高さの１／１０〜１／２の領域である。また、高次の面とは、［１００］面に対して［４１１］面よりも大きな角度を成す［ｎ１１］面（ｎは５以上の整数）を意味する。このため、図１５に示したように尾根状になることなく、先鋭な探針が形成されている。実際に、先端の曲率半径を２０ｎｍ以下にすることができた。
【００２３】
また、図３は、図１に示したエッチングマスクを約３０μｍの等間隔に配置して、同時に形成した複数の探針を示す写真である。図３に示したように、エッチングマスクの間隔で先鋭な探針が形成された。従って、図１に示したエッチングマスクを、所望の間隔でシリコン基板表面上に複数配置すれば、１列又はアレイ状に配置された複数本のカンチレバーの各先端に先鋭な探針を有するマルチプローブを形成することができる。マルチプローブ及びその製造方法に関しては、特開２００５−３００５０１号公報などに公知であるので説明を省略する。
【００２４】
後述の実施例として示す実験結果から、先鋭な探針を形成するには、第１マスク部１１の1辺の長さＳに対する、第２マスク部及び第３マスク部１２、１３の長さＬ１の比Ｌ１／Ｓが０より大きく１．８以下であればよい。また、第４マスク部及び第５マスク部１４、１５の長さＬ２に関しては、Ｌ２／Ｓが０より大きく０．８以下であり、第２〜第５マスク部１１〜１５の幅Ｗに関しては、Ｗ／Ｓが０より大きく０．５以下であればよい。
【００２５】
このとき、本探針形成用エッチングマスク１は、第１〜第５マスク部１１〜１５の全てを備えている必要はなく、第１マスク部１１と、第２及び第３マスク部１２、１３の組、又は第４及び第５マスク部１４、１５の組の何れかの組とを備えていればよい。また、幅に関しては、第２及び第３マスク部１２、１３の幅が等しく、且つ第４及び第５マスク部１４、１５の幅が等しければよく、第２〜第５マスク部１２〜１５の幅の全てが等しくなくてもよい。
【００２６】
また、先鋭な探針を形成するためのより望ましい条件は、第１〜第５マスク部１１〜１５の全てを備えていること、Ｌ１／Ｓ＝１〜１．５、Ｌ２／Ｓ＝０．４〜０．６、及びＷ／Ｓ＝０．２〜０．３である。幅に関しては、上記と同様に、第２及び第３マスク１２、１３の幅が等しく、且つ第４及び第５マスク１４、１５の幅が等しければよく、第２〜第５マスク部１２〜１５の幅の全てが等しくなくてもよい。
【実施例】
【００２７】
以下に実施例を示し、本発明の特徴をより明確にし、先鋭な探針を形成するための望ましい条件に関して説明する。
【００２８】
（実験１）
まず予備実験を行った。予備実験では、シリコン基板の表面上に、図１に示した形状のＳｉＯ２のエッチングマスクを形成し、エッチング液ＫＯＨ（濃度３４重量％、温度７０℃）を使用し、探針を形成した。このとき、エッチングマスクの配置をシリコンの結晶方位に合せた。形成したエッチグマスクの各部の寸法を表１、２に示す。第２〜第５マスク部の幅は全て等しくした。表１、２の右端の列には、各々のエッチングマスクを用いて形成した探針の写真から、探針の先鋭さ及び全体形状を目視によって評価した結果を示す。○は良好、△は使用可能、×は不良なものを表す。また、表１、２には、各マスク部の辺の長さを、第１マスク部の１辺Ｓを基準とした割合で示した。
【００２９】
【表１】
0005035797.tif 000002
表１の条件における良好な結果の一例を、図４に示す。図４は、表１のＮｏ．３の条件で形成した探針の写真であり、探針が先鋭に形成されていることが分かる。この良好な条件から外れると、例えば図５に示したように、探針の先端が平坦に形成さるようになった。図５は、表１のＮｏ．８の条件で形成した探針の写真であり、不良と評価された。
【００３０】
【表２】
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表２の条件における良好な結果の一例を、図６に示す。図６は、表２のＮｏ．４の条件で形成した探針の写真であり、探針が先鋭に形成されていることが分かる。この良好な条件から外れると、例えば図７に示したように、探針の先端が平坦に形成さるようになった。図７は、表２のＮｏ．９の条件で形成した探針の写真であり、不良と評価された。
【００３１】
（実験２）
上記の予備実験の後、同様に、種々の形状のエッチングマスクを使用して、エッチング液ＫＯＨ（濃度３４重量％、温度７０℃）を使用して、探針を形成した。実験２では、エッチングマスクの全体の寸法を実験１の場合の約１／１０にした。具体的には、第１マスク部の１辺Ｓを１６μｍとした（実験１では２００μｍ）。このとき、エッチングマスクの配置をシリコンの結晶方位に合せた。第２〜第５マスク部の幅は全て等しくした。形成したエッチグマスクの各部の寸法を表３に示す。表３の右端の列には、表1、２と同様に、形成した探針の形状を評価した結果を示す。記号（○、△、×）の意味は表１、２と同じである。また、表３には、各マスク部の辺の長さを、第１マスク部の１辺Ｓを基準とした割合で示した。
【００３２】
【表３】
0005035797.tif 000004
図８〜１１に、形成された探針の一部の写真を示す。図８は、表３のＮｏ．２の条件で形成した探針の写真である。図８から分かるように、基部から傾斜した４面が立ち上がり、その内の２面は矢印付近から先は擬似的に１面に形成されていた。従って、先端近傍は３面で形成されており、先端は尾根状に形成されることなく、先鋭に形成されていた。このとき、Ｌ１／Ｓ＝１．２５、Ｌ２／Ｓ＝０．５、及びＷ／Ｓ＝０．２５である。
【００３３】
表３のＮｏ．１、３及び４は、Ｎｏ．２と同様にＬ１を２０μｍとし、Ｌ２を変化させた条件である。Ｎｏ．１、３の条件では、良好な探針が形成され、Ｎｏ．４の条件では探針の全体形状が若干悪くなったが、ナノリソグラフィ用の探針として使用可能なものであった。
【００３４】
図９〜１１はそれぞれ、Ｎｏ．６、１２、１５の条件で形成した探針の写真である。これらは、Ｌ２は同じ値（８μｍ）であるが、Ｌ１を変化させた条件である。図９〜１１と図８とを比較すると、基部付近が大きくなり、それに続く２面の大きさが徐々に小さくなっている。図９〜１１においても、先端近傍が３面から形成されており、先鋭な探針となっており、ナノリソグラフィ用の探針として良好であった。実験１、２から、図１に示したエッチングマスクを使用すれば、マスクの寸法に依存せず、第１〜第５マスク部の比率が適切な値であれば、先鋭な探針が形成されるといえる。
【００３５】
実験１、２の他にも種々の条件で探針を形成し、その形状を評価した。図１２には、その評価結果（実験１、２及びその他の実験結果を含む）を示す。図１２では、第２〜第５マスク部の寸法を、第１マスク部の１辺の長さＳを基準とした割合で表示している。即ち、横軸がＬ１／Ｓ、縦軸がＬ２／Ｓである。ここで、第２〜第５マスク部の幅は全て等しくした。図１２に表示した記号（○、△、×）の意味は表１〜３と同じである。
【００３６】
図１２から分かるように、先鋭な探針を形成するには、０＜Ｌ１／Ｓ≦１．８、０＜Ｌ２／Ｓ≦０．８、且つ、０＜Ｗ／Ｓ≦０．５  であればよい。
【００３７】
また、先鋭な探針を形成するためのより望ましい条件は、１．０≦Ｌ１／Ｓ≦１．５、０．４≦Ｌ２／Ｓ≦０．６、及び、０．２≦Ｗ／Ｓ≦０．３である。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の実施の形態に係る探針形成用エッチングマスクを示す平面図である。
【図２】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真の一例を示す平面写真である。
【図３】図１に示したエッチングマスクを等間隔に配置して形成した複数の探針を示す電子顕微鏡写真である。
【図４】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図５】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図６】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図７】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図８】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図９】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図１０】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図１１】図１に示したエッチングマスクを使用して形成した探針の電子顕微鏡写真であり、（ａ）は平面写真、（ｂ）は側面写真である。
【図１２】実験結果全体をプロットした図である。
【図１３】（ａ）は探針が形成されたカンチレバーの先端部を示す斜視図であり、（ｂ）は先鋭な探針を示す斜視図である。
【図１４】従来の探針形成用エッチングマスクを示す平面図である。
【図１５】先端が尾根状に形成された探針を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１    探針形成用エッチングマスク
１１  第１マスク部
１２  第２マスク部
１３  第３マスク部
１４  第４マスク部
１５  第５マスク部
ａ１  第１の辺
ａ２  第２の辺
【図１】
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【図１２】
0005035797.tif 000006
【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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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】
0005035797.tif 000014
【図７】
0005035797.tif 000015
【図８】
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【図９】
0005035797.tif 000017
【図１０】
0005035797.tif 000018
【図１１】
0005035797.tif 000019