(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一端が支持台に固定されている片持ち梁構造のレバーと、該レバーの先端部に電子銃を備えるカンチレバーであって、前記電子銃は、針状のチップと、該レバーの該チップ側に絶縁層を介して配置され電子ビームを放出制御可能な引き出し電極と、該引き出し電極と電気的に絶縁されるとともに、該レバーの該チップ側に配置され前記電子ビームを偏向可能な電極を有することを特徴とするカンチレバー。
【請求項２】
前記電子ビームを偏向可能な電極が複数に分割されている、請求項1に記載のカンチレバー。
【請求項３】
請求項１に記載のカンチレバーを複数備え、該複数のカンチレバーはそれぞれ独立して電子ビーム放出制御が可能であることを特徴とするカンチレバー。
【請求項４】
前記レバーの先端に複数の電子銃を具備し、それぞれの電子銃を独立して駆動制御が可能な構造と制御回路とを有することを特徴とする、請求項１に記載のカンチレバー。
【請求項５】
前記レバーにアレイ状に配置された複数の電子銃をもち、それぞれの電子銃を独立して駆動制御が可能な構造と制御回路を有することを特徴とする、請求項１に記載のカンチレバー。
【請求項６】
前記電子銃の近傍に反射線を検出する検出部を有することを特徴とする、請求項１に記載のカンチレバー。
【請求項７】
前記支持台にボロン等をドーピングしたことを特徴とする、請求項１に記載のカンチレバー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電子ビ−ムを放出することが可能なカンチレバ−に関するものである。また本発明はチップ先端部以外を導電性の電極によって被服し、かつチップと電極を絶縁することによって、原子間力顕微鏡に用いる際に分解能の向上や、原子間力顕微鏡に用いる他に、微細加工、電子ビーム露光、記録装置等に使われる。
【０００２】
【従来の技術】
従来のカンチレバーを図２に示す。レバーの先端にある針状のチップによって試料表面の凹凸や摩擦力などを検出したり、試料表面の電位や磁場などを検出する機能をもっていた。チップはレバーから突起しているだけで電極などの構造物はもっていなかった。また、図２（ｃ）の様にカンチレバーのチップ先端を含む表面全体に金（Au）等の金属薄膜を形成させ、試料とチップ間に数１０Ｖ  から１００Ｖ程度の電圧を印加させることによって、試料を放電加工したり、酸化させる等の方法があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のカンチレバーでは、試料を加工する際にチップと試料間で起こる放電現象を利用していた。このため、チップと試料の間隔によって放電電流が大きく変化し、電流の制御が難しかった。また電流を一定に保つために試料の凹凸に合わせて間隔を一定に保つ高い精度が要求されていた。さらに数ｎｍから１０ｎｍ程まで近づけても数１０Ｖから１００Ｖ程度の電圧を印加する必要があり、チップと試料の間隔をを大きくするには、さらに高電圧が必要であり、チップ先端の破損が起こりやすいという問題があった。また、カンチレバー全体に金（Au）等の金属薄膜を形成するため、チップ先端径が大きくなり、原子間力顕微鏡の分解能が低下するという問題点があった。従来、カンチレバーは一つのチップしかもたないため、加工を行う場合には、効率が悪かった。また電子ビームを用いたレジストへの描画や元素分析は、鏡筒等による加速、絞り、偏向機構等が必要であり、装置が大きなものとなっていた。さらにカンチレバー全体が同電位であるため、静電気等の影響を受けやすく、帯電により分解能が低下するという問題点もあった。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記の問題点を解決するために、本発明は、チップ先端の近傍に引き出し電極や収束電極を設け、電子銃の構造にすることによって、チップ先端から電子ビーム放出を可能にする。本カンチレバーは支持台、レバー、チップと、チップ近傍に引き出し電極や収束電極を設けている。チップと各電極は導電体でできており、各々電気的に接続されたパッド電極を持ち、外部からの電力供給が可能である。また各電極は絶縁膜によって絶縁されている。
【０００５】
引き出し電極を設けたことによって、チップと試料間の距離に関係なくチップから電子ビームを安定に放射することができる。さらにチップ周辺で分割された収束電極を設けたことで、放出された電子ビームを収束したり偏向したりすることが可能となる。その結果、電子ビームで加工等の応用において、チップと試料の間隙を数ｎｍから１０数ｃｍと幅広く設定するとが可能となる。またカンチレバーのチップ周辺に、反射線を検出する検出部を設けることによって、効率のよく反射線を検出できる。さらにチップに金属薄膜等を被覆する必要がないため、チップ先端が大きくなることがなく原子間力顕微鏡観察時の分解能の低下が起こらない。またチップを電子源の構造にすることによって、チップ先端とそれ以外の部分を電気的に絶縁でき、原子間力顕微鏡観察時等に静電気等の影響を最小限にできる。さらに支持台からレバーを複数形成したり、一つのレバーに複数のチップを形成することにより、微細加工等の応用が効率よくできる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明は原子間力顕微鏡や微細加工等に用いられるカンチレバーのチップ部近傍に、効率よく電子ビームを放出させるための引き出し電極を設け、電子銃の構造にしたものである。
【０００７】
また放出した電子ビームを収束させるための収束電極を引き出し電極の上に形成することもできる。
さらに、効率よく二次電子等の反射線を検出するためにカンチレバーのチップ近傍に検出器を内蔵することもできる。
【０００８】
支持台はSiウェハーにＢ（ボロン）等をドーピングした後単結晶Siを結晶成長させたエピタキシャルウェハーや、張り合わせ基板であるSOI ウェハーを用いると、エッチング制御性がよく容易に安定して製作できる。
また、微細加工や記録等の応用の際には、複数のレバーを支持台から出し、個々のレバー先端に電子銃チップを形成しておくと、加工や記録時間の短縮等の効率向上に効果的である。カンチレバーを走査する方向が長手方向である場合には、レバーの長さが同じ方が効率よく加工や記録ができる。走査方向が横方向の場合には、レバーの長さが違う方が加工や記録時間の効率が向上する。そのため走査方向によって個々のレバーの長さを決定することが好ましい。
【０００９】
さらに、加工や記録時間の効率を向上するために、一つのレバーに複数の電子銃を配置したり、アレイ状に電子銃を配置することもできる。
そして、複雑な加工や高速高密度記録を行うために、前記の複数レバー上の個々の電子銃や、レバー上の複数の電子銃を個別に動作させることが効果的である。
【００１０】
また、原子間力顕微鏡観察時の静電気等の影響による分解能低下を防止するために、チップをチップ先端以外を被覆している電極（引き出し電極，収束電極）が絶縁されており、カンチレバー表面にある電極をグランド電位にすると良い。
【００１１】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の実施例を図を使って説明する。図１に本発明のカンチレバーの構造を示す。図１（ａ）が平面図、図１（ｂ）が断面図である。構成は支持台３にレバー２の一端が固定され、レバー２の先端に針状チップ１が設けられている。レバー２の上には絶縁層７があり、その上に引き出し電極4 が設けられている。引き出し電極4 とチップ１にそれぞれ外部回路を接続させるためのパッド５が支持台３の上に設けられている。原子間力顕微鏡に使用する場合には、従来のカンチレバーと同様にチップ１の先端を試料表面に数ｎｍから約１０ｎｍ程度まで近付け、チップ先端と試料表面との間に働く力をレバー２の変位として検出する。変位の検出は、従来からあるレバー先端付近に光を照射して変位を検出する光てこ方式で可能である。
【００１２】
次にチップ先端から電子線を照射する方法について説明する。動作を説明する回路を図４に示す。図４で２１は電流計である。チップ１と引き出し電極４の間に電圧を印加することによって、チップ１先端から電子が放射される。電流値は、引き出し電極４に印加する可変電圧８を数ｍＶから１００Ｖ程度に調整し制御する。この時試料１５はグランド電位にしておいた方が電子ビーム１０を安定に照射できる。またチップ１と試料の間隙は数ｎｍから１０ｎｍ程度に限定する必要はなく、最大１０ｃｍ程度であっても照射可能である。またチップの保護のために１ＭΩ程度の保護抵抗９をいれた方が良い。カンチレバーと配線とのコンタクトはパッド５を介して行われる。チップ１とチップ近傍の引き出し電極４の位置関係はデバイス設計、プロセス設計によって選択することができる。電子ビームの放出効率を上げるには、チップ１先端より数百ｎｍから数μｍほど低い位置に引き出し電極４が位置していることが望ましい。プロセスのちがいによって図３（ａ）や図３（ｂ）の形状が可能である。本カンチレバーを電子ビーム源としてのみを使用し、原子間力顕微鏡のチップとして使用しない場合は、引き出し電極４よりもチップの方が低い位置にあってもなんら問題はない。
【００１３】
（実施例２)
本発明のカンチレバーは、実施例１の構造にさらに絶縁膜を介して収束電極６を設けることで（図５（ａ））、電子ビーム１０を収束することが可能となる。引き出し電極４により放射された電子線は収束電極によって発生した電界によりさらに収束される。収束電極６は図５（ｂ）に示すように、分割することで電子ビーム１０を偏向することも可能である。分割された電極に各々制御電圧を印加して電界に方向性をもたせることで、偏向が可能となる。
【００１４】
（実施例３）
本発明のカンチレバーは、試料表面に電子ビームで感光するレジストをコートした後、試料１５を移動させるかカンチレバーを走査することによって電子ビームの軌跡11による加工パターンや描画に応用することができる。その際、一つのカンチレバーでも可能であるが、複数のレバーを使うことで効率よくできる。図６に示される実施例では、支持台３から複数のレバー２が出ており、それらのレバーの先端にはチップ１が形成されている。各カンチレバーは実施例１，２で説明した構造をもち、電子線を各々放射することが可能である。これらのチップは電気的に独立していて、任意のタイミングで別々に電子ビーム10を放出することができる。このカンチレバーにより電子ビーム露光を短時間に行える。特にＸ−Ｙ方向にラスタスキャンした場合には効果が高い。各レバーの長さは、用途によって同じでも異なっていてもよい。
【００１５】
（実施例４）
図7 に示される実施例では、レバー２先端に複数のチップ１が形成されており個々のチップは電気的に独立していて、任意のタイミングで別々に電子ビーム１０を放射することができる。カンチレバーを走査するか、試料１５を移動させるとともに各電子ビームを任意のタイミングで動作させることにより、複雑な電子ビームの軌跡１１が得られる。実施例３と同様に、このカンチレバー用いて複雑な加工パターンや描画、電子ビーム露光を短時間で行える。特にＸ−Ｙ方向にラスタスキャンした場合には、効果が高い。更に効率を向上させるためには、レバー２先端にアレイ状ににチップ１を配置するとよい。
【００１６】
（実施例５）
図８に示される実施例では、レバー２先端のチップ１付近に、蛍光Ｘ線等の反射線１３の検出が可能な検出部１２を設けてある。図８（ａ）は平面図、図８（ｂ）は断面図である。一般に１０ｐＡ以上の電流の電子ビームを試料１５に照射すると、照射された部分から蛍光Ｘ線や２次電子等の反射線１３が放出される。反射線１３は試料表面の分析や評価にとって重要なものであり、従来からいろいろな分析評価に使われている。この反射線１３をチップ付近に設けた検出部１２で検出すると、非常に高感度な分析や評価が可能となる。この検出部は、代表的なものとして半導体に不純物を拡散して作るＰＮ接合や、トランジスタがある。具体的にはフォトダイオードやアバランシュフォトダイオード（ＡＰＤ）、
フォトトランジスタ等である。またリチウム( Li）をドライブインして形成するSiLi検出器等もある。ただしSiLi検出器の場合は、分解能を向上させるために検出器を冷却する必要がある。冷却手段としてはペルチェ素子や、冷凍機、液体窒素、液体ヘリウム等がある。以上、チップ１の近くに検出部１２を設けることによって（図８（ｂ））従来に比べ、反射線１3を効率よく捕獲でき、高感度な検出や分析ができる。
【００１７】
（実施例６）
図９に示す実施例は、カンチレバーに検出器を内蔵しない場合の構成図である。チップ１から放出された電子ビーム１０は試料１５に照射されると、蛍光Ｘ線等の反射線１３が発生する。発生したこれらの反射線１３を効率よく集めるために、集光ミラー１４を用いる。原子間力顕微鏡の観察時に集光ミラー１４が干渉する場合には、可動機構を設けて干渉しない位置まで待避させれば良い。
【００１８】
本発明のカンチレバーを原子間力顕微鏡のカンチレバーとして使用する場合には、引き出し電極４や、収束電極６の少なくとも一方をグランド電位にしておくことで、チップ先端以外を電気的にシールドすることが可能となる。シールド効果は外側の電極に行った方が効果は大きい。この結果、従来、カンチレバーや、試料１５表面に帯電した静電気の影響で、分解能が低下していた問題点を解決できる。
【００１９】
本発明の微小電子銃付きカンチレバーの製作は、薄膜やバルク材料を用いて、通常使われているカンチレバーの制作方法で可能である。支持台３やレバー２の材料としては、一般的に使われているSi、ガラス等の平坦な基板や圧電体のバルク、セラミック材料等がある。電子源の引き出し電極４及び収束電極６はAl,Au,Pt,Cr,Nb,Ta,Mo,W,Cu 等を含む金属類や、Si等の半導体に P,B等の不純物をドーピングしたもので製作可能である。引き出し電極４及び収束電極６の形成方法としては、スパッタ、蒸着、CVD 等の方法で堆積可能である。絶縁膜はSiO2、SiOxで作製可能である。絶縁膜の形成は酸化、スパッタ、蒸着、CVD 等の堆積方法で行う。薄膜のパターン形成はレジストを使ったフォトグラフィー工程で容易に可能である。
【００２０】
本発明のカンチレバーを加工や電子ビームリソグラフィーの他に、磁性体等の記録媒体をコートした試料１５表面に、電子ビーム１０による書込み・消去を行うことにより、集積度の高い記憶装置の作製が可能である。この場合カンチレバーの駆動には、従来のハードディスクに使われている方式以外に、櫛形静電モーターやPZT を用いることも可能である。
【００２１】
【発明の効果】
本発明はカンチレバーのチップ周辺に電極を設け、微小電子源としての機能を持たせることによって、従来のカンチレバーでは不可能であった制御性のよい電子ビームの放出を可能にする。電子源付きカンチレバー本体が従来の大型の鏡筒を必要としないため、微小な領域への電子ビーム放射が可能であり、微細加工の手段としても活用できる。また、本カンチレバーを用いて試料に電子ビームを照射して得られる蛍光X 線等の反射線を検出することによって、非常に小さい電子顕微鏡や元素分析装置を作製可能である。さらにチップ先端以外をシールドすることによって、原子間力顕微鏡の分解能も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１のカンチレバーを示す図面であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図である。
【図２】  従来のカンチレバーを示す図面であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が断面図、（ｃ）が金属被覆された断面図である。
【図３】  本発明のカンチレバーの実施例１以外のチップ部を示す図面である。
【図４】  本発明実施例１のカンチレバーの動作を示す図面である。
【図５】  本発明の実施例２の収束・偏向機能をもったカンチレバーのチップ部を示す図面であり、（ａ）が断面図、（ｂ）が平面図である。
【図６】  本発明実施例３のレバーの配列を示す図面であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が得られる軌跡を示す図である。
【図７】  本発明実施例４のチップの配列を示す図面であり、（ａ）が一列にチップが配置された平面図、（ｂ）がアレイ状にチップが配列された平面図、（ｃ）が得られる軌跡を示す図である。
【図８】  本発明の実施例５を示す図面であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が検出経路を示す断面図である。
【図９】  本発明の実施例６を示す構成図面である。
【符号の説明】
１  チップ
２  レバー
３  支持台
４  引き出し電極
５  パッド
６  収束電極
７  絶縁層
８  可変電圧
９  保護抵抗
１０  電子ビーム
１１  電子ビームの軌跡
１２  検出部
１３  反射線
１４  集光ミラー
１５  試料
【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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