(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
カンチレバーの先端部に温度を測定するための測定用素子と該測定用素子を加熱するための加熱用素子とを設けて成る温度測定プローブにおいて、
前記カンチレバーの主面上に前記測定用素子と前記加熱用素子とが電気的絶縁層を介して形成され、前記測定用素子が前記加熱用素子を挟むようにして一対設けられていることを特徴とする温度測定プローブ。
【請求項２】
前記一対の測定用素子のそれぞれから前記加熱用素子までの距離が等しくなっている請求項１記載の温度測定プローブ。
【請求項３】
前記加熱用素子が、前記主面上に薄膜金属線として形成されている請求項１記載の温度測定プローブ。
【請求項４】
前記電気的絶縁層が、前記薄膜金属線を覆うようにして前記主面上に形成されている請求項３記載の温度測定プローブ。
【請求項５】
前記測定用素子が、前記電気的絶縁層上に形成された一対の薄膜金属線の先端部を重ね合わせるようにして形成された熱電対である請求項４記載の温度測定プローブ。
【請求項６】
前記カンチレバーのたわみ量を検出するためのたわみ−電気変換素子がプローブ上に形成された自己検知型の温度測定プローブである請求項１乃至５のいずれかに記載の温度測定プローブ。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかに記載した温度測定プローブを有し、該温度測定プローブの先端部を試料の被測定面に接近させて試料表面の微小領域の温度を測定するようにした温度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料表面の微小領域での熱物性を測定するための温度測定プローブおよび温度測定装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、試料表面の微小領域での熱分布マッピングの作成のため、従来においては、ＡＦＭを用いた微小スケールの温度計測が、ＡＦＭ計測用プローブの先端に温度検出用の電気的素子を加工し、その検出出力から温度を計測することによって行われている。
【０００３】
このような目的で使用される温度測定プローブとして、計測用プローブの先端に熱電対素子を形成すると共に、この熱電対素子の近傍に加熱用の抵抗素子を形成して成る構成のものが公知である。この従来の温度測定プローブは、抵抗素子に加熱用の電流を流すことにより熱電対を一定の温度状態に加熱しておき、プローブを試料に接近させることにより生じるプローブと試料との間の熱交換により生じる熱電対の温度変化を電気的に検出し、これにより試料表面の微小領域における温度測定を行うようにしたものである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の温度測定プローブによると、試料の温度測定の応答性を向上させるには、熱電対と加熱用の抵抗素子との間の距離はなるべく近づけることが望まれるが、熱電対の配線パターンに接触しないように抵抗素子の配線パターンを測定用プローブのカンチレバー上に設けなければならないので、両者間の距離を小さくするには限界がある。このように、両者は所定の距離をおいて配線せざるを得ないので、その距離が長くなる場合には熱電対に所要の熱を与えるのに必要な抵抗素子での消費電力が大きくなってしまうという上に、抵抗素子で多量の熱が発生すると、この熱により試料の表面温度が上昇してしまい正確な温度測定が行えなくなるという不具合が生じる。
【０００５】
さらに、熱電対及び加熱用の抵抗素子はプローブのカンチレバー上に配線されるのが一般的であるため、抵抗素子に大きな電流を流すとこれにより生じた熱でカンチレバーに生じるたわみ量が大きくなり、試料の表面からの高さ情報に誤差を生じさせることになるという別の不具合も生じる。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術における上述の問題点を解決することができる温度測定プローブおよび温度測定装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本発明は、温度測定プローブのカンチレバー上の配線部を電気的に相互に絶縁された２層構造とし、熱電対と加熱用の抵抗素子とを別の配線層に形成し、熱電対と加熱用の抵抗素子とを実質的にカンチレバー上で同一の位置に重ね合わせるようにして配設したものである。
【０００８】
本発明によれば、カンチレバーの先端部に温度を測定するための測定用素子と該測定用素子を加熱するための加熱用素子とを設けて成る温度測定プローブにおいて、前記カンチレバーの主面上に前記測定用素子と前記加熱用素子とが電気的絶縁層を介して重なり合うようにして形成されていることを特徴とする温度測定プローブが提案される。
【０００９】
前記主面上に前記測定用素子と前記加熱用素子とが絶縁層を介して重なり合うようにして配置されるので、両者をカンチレバーの主面の最も測定に適する場所に一緒に配設することができる。この結果、加熱用素子に与える電気的エネルギーを少なくしても測定用素子に測定に必要な熱量を効果的に与えることができ、試料及びカンチレバーに対する加熱を最小限にして、測定の応答性を著しく改善することができる。
【００１０】
本発明によれば、さらに、上記温度測定プローブにおいて、前記カンチレバーのたわみ量を検出するためのたわみ−電気変換素子をプローブ上に形成して、自己検知型の温度測定プローブとしたことを特徴とする温度測定プローブが提案される。
【００１１】
このように、ピエゾ素子の如きたわみ−電気変換素子をプローブ上の適切な位置に設けてこれによりカンチレバーのたわみ量を検出する構成によると、光てこの如く、カンチレバーの温度を上昇させるような外部からの検出用エネルギーをカンチレバーに与える構成に比べ、カンチレバーの温度を上昇させる要素を少なくすることができ、測定精度の向上を期待することができる。
【００１２】
本発明によれば、また、カンチレバーの先端部に温度を測定するための測定用素子と該測定用素子を加熱するための加熱用素子とを設けて成る温度測定プローブにおいて、前記カンチレバーの主面上に前記測定用素子と前記加熱用素子とが電気的絶縁層を介して形成され、前記測定用素子が前記加熱用素子の両側に一対設けられていることを特徴とする温度測定プローブが提案される。この構成においても、前記カンチレバーのたわみ量を検出するためのたわみ−電気変換素子をプローブ上に形成して、自己検知型の温度測定プローブとすることができる。
【００１３】
本発明によれば、また、上述した温度測定プローブを有し、この温度測定プローブの先端部を試料の被測定面に接近させて試料表面の微小領域の温度を測定するようにした温度測定装置が提案される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例につき詳細に説明する。
【００１５】
図１は、本発明による温度測定プローブの実施の形態の一例を示す図で、外観を概略的に示す外観斜視図、図２は図１のＡ−Ａ線で断面して一部を示す断面斜視図である。温度測定プローブ１は、シリコン（Ｓｉ）から成る薄い板状のプローブ本体２のカンチレバー部２１の主面２１Ｐ上に酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）から成る第１絶縁層３が形成されており、第１絶縁層３上に加熱用の抵抗素子となるクロム（Ｃｒ）から成るヒーター配線４が薄膜配線の形態で形成されている。なお、加熱用の抵抗素子は、主面２１Ｐの表面をイオン打ち込みにより抵抗素子とすることもできる。
【００１６】
ヒーター配線４の上には、さらに酸化シリコン（ＳｉＯ2 ）から成る第２絶縁層５が形成されており、第２絶縁層５の上に、温度検出のための測定用素子として働く熱電対を形成すると共にその引き出し配線となる第１薄膜金属線６及び第２薄膜金属線７が形成されている。本実施の形態では、第１薄膜金属線６はクロム（Ｃｒ）から成り、第２薄膜金属線７はニッケル（Ｎｉ）から成っている。
【００１７】
図３は、第１絶縁層３上に形成されたヒーター配線４の配線構造を示す図である。ヒーター配線４は所定の比較的細い幅の薄膜配線部材の形態で、プローブ本体２のカンチレバー部２１の外周縁２１Ａに沿うように配線されており、ヒーター配線４の一端はプローブ本体２の基部２２上で接続端部４Ａとして形成されている。ヒーター配線４の他端も、同様に、プローブ本体２の基部２２上で接続端部４Ｂとして形成されている。
【００１８】
接続端部４Ａ、４Ｂは、後述するようにして、ヒーター配線４を外部の回路と電気的に接続するため一対の電極に接続される構成となっている。
【００１９】
図４は温度測定プローブ１の平面図で、第２絶縁層５上に形成された第１薄膜金属線６及び第２薄膜金属線７の配線構造が示されている。第１薄膜金属線６もまた比較的細い幅の薄膜配線材の形態で、カンチレバー部２１の外周縁２１Ａに沿うがヒーター配線４よりは内側に位置するようにして配設されている（図３参照）。そして、カンチレバー部２１の測定部になる先端部２１Ｂ付近において、第１薄膜金属線６の先端部６Ａがヒーター配線４の尖端４Ｃ（図３参照）の真上に位置するように形成されている。第１薄膜金属線６の後端部は基部２２上にまで延び、外部回路と電気的に接続される電極部６１が形成されている。
【００２０】
第２薄膜金属線７も、第１薄膜金属線６と同様に、比較的細い幅の薄膜配線材の形態で、カンチレバー部２１の外周縁２１Ａに沿うがヒーター配線４よりは内側に位置するよう第１薄膜金属線６と線対称の状態に配設されている。そして、カンチレバー部２１の測定部になる先端部２１Ｂにおいて、第２薄膜金属線７の先端部７Ａがヒーター配線４の尖端４Ｃ（図３参照）の真上に位置して第１薄膜金属線６の先端部６Ａと重なり合うように形成されている。第２薄膜金属線７の後端部は基部２２上にまで延び、外部回路と電気的に接続される電極部７１が形成されている。
【００２１】
第１薄膜金属線６と第２薄膜金属線７とは、このように、尖端４Ｃ上で先端部６Ａと先端部７Ａとが重なり合うようにして第２絶縁層５上に形成され、これにより先端部６Ａと先端部７Ａとの接合によって１つの熱電対８が形成されている。
【００２２】
図５は図４のＢ−Ｂ線断面図である。図５から判るように、カンチレバー部２１で測定部分となる先端部２１Ｂにおいて、第１薄膜金属線６の先端部６Ａと第２薄膜金属線７の先端部７Ａとの接合により形成された熱電対８が、ヒーター配線４の尖端４Ｃの真上に第２絶縁層５を介して重ねられた状態にて配設されている。したがって、ヒーター配線４に電流を流すことによりヒーター配線４に生じた熱により、第２絶縁層５を介して極めて効率よく熱電対８を加熱することができる。
【００２３】
図４に戻ると、符号４１、４２で示されるのは電極であり、電極４１は接続端部４Ａと電気的に接続され、電極４２は接続端部４Ｂと電気的に接続されている。
【００２４】
図６は、電極４１と接続端部４Ａとの電気的接続状態を示す図であり、ヒーター配線４は第２絶縁層５にあけられた窓５Ａを介して接続端部４Ａと電気的に接続されている。電極４２と接続端部４Ｂとの電気的接続も同様にして行われている。
【００２５】
温度測定プローブ１は以上のように構成されているので、電極４１、４２を外部の加熱用電源供給回路に接続し、ヒーター配線４に電流を流すことにより、ヒーター配線４の抵抗により熱が生じる。熱電対８はヒーター配線４の尖端４Ｃ上に第２絶縁層５を介して重ねられるようにして配設されており、熱電対８はヒーター配線４と第２絶縁層５により電気的には絶縁された状態が保たれている。このように、熱電対８とヒーター配線４との間の距離は極めて短くなっており、したがって、熱電対８を測定に必要な所要の状態に加熱するためにヒーター配線４に流す電流は従来に比べて極めて小さくて済み、しかも、熱電対８による温度変化の様子の応答性を従来に比べて著しく高めることができる。
【００２６】
したがって、カンチレバー部２１を不必要に加熱することがない上に、カンチレバー部２１と接近している試料を加熱することもないので、精度の高い温度検出を応答性よく行うことができる。
【００２７】
上記の実施の形態にあっては、第１薄膜金属線６と第２薄膜金属線７とにより熱電対８を１つだけ形成し、この熱電対８を第２絶縁層５を介してヒーター配線４の尖端４Ｃの真上に形成したものであった。本発明による温度測定プローブはこの一実施形態に限定されるものではない。
【００２８】
次に、本発明の別の実施の形態を図７、図８を参照して説明する。図７、図８によって説明される本発明による別の実施の形態は、カンチレバー部２１の先端部２１Ｂにおける発熱ポイントＨＰを挟むようにして一対の熱電対８１、８２を配設するようにした点で先の実施の形態と異なっている。したがって、図７、図８の各部において、先の実施の形態の各部と対応する部分には同一の符号が付されている。
【００２９】
発熱ポイントＨＰは、ヒーター配線４の尖端４Ｃの形状を図３に示したく字形ではなく、コ字形としている。そして、第２薄膜金属線７の先端部をクランク状に曲げてカンチレバー部２１の略中央部を通るようにして先端部２１Ｂにまで延ばして第１薄膜金属線６の先端部６Ａと接合させて第１の熱電対８１を電極４１の外側に形成すると共に、カンチレバー部２１の中央部にその軸線方向に延びるように第１薄膜金属線６と同材質の第３薄膜金属線９を配設し、第３薄膜金属線９の先端部９Ａを第２薄膜金属線７の折り曲げ部７Ｍに接合させることにより第２の熱電対８２を尖端４Ｃの内側に形成したものである。
【００３０】
このように、尖端４Ｃのコ字形をなす発熱ポイントＨＰを挟むようにして第１の熱電対８１及び第２の熱電対８２を形成することにより、発熱ポイントＨＰからの熱が第１の熱電対８１と第２の熱電対８２とに均一に与えられる。この結果、試料とカンチレバー部２１の先端部２１Ｂとの間で行われる熱交換による温度変化を極めて高感度にて且つ高精度で検出することができる。
【００３１】
図９には、本発明による別の実施の形態の一例が示されている。図９に示した温度測定プローブ１’は、基本的には、図１に示した温度測定プローブ１と同様であるが、温度測定プローブ１’のカンチレバー部２１の基部に、カンチレバー部２１のたわみ量を電気量に変換するためのたわみ−電気変換素子としてピエゾ抵抗素子１００が設けられている点で温度測定プローブ１と異なっている。したがって、図９に示した温度測定プローブ１’の各部のうち、温度測定プローブ１の各部と対応する部分には同一の符号を付してそれらの説明を省略する。
【００３２】
ピエゾ抵抗素子１００は、カンチレバー部２１の基部におけるたわみ量を電気的に検出するためのものであり、カンチレバー部２１上に形成された一対の電極１０１、１０２を介して外部のたわみ検出用回路（図示せず）に接続される。ここでは、基部２２にはスリット２２Ｓが図示の如く形成されており、これによりカンチレバー部２１の基部は温度測定プローブ１の場合に比べてたわみやすい構造となっている。
【００３３】
したがって、ＡＦＭを用いた温度測定において、カンチレバー部２１がたわむとこれに応じた電気的信号をピエゾ抵抗素子１００から取り出すことができ、図示しない試料の表面と先端部２１Ｂとの間の距離に関する情報の検出が光てこによる検出器を用いることなく可能となっている。
【００３４】
この結果、光てこの構成を採用する際に必要であったレーザ光の先端部２１Ｂへの照射は不要となり、レーザ光によって先端部２１Ｂを加熱することがなく、より精度の高い測定が可能となるという利点を有している。
【００３５】
以上説明したいずれの実施の形態においても、温度測定プローブは、プローブ支持部の温度測定プローブ位置制御スラージに所定の治具を介して装着され、そこに機械的に固定されて支持されると共に、測定用の電子ユニットとの間で所定の電気的接続がなされる。そして、プローブ支持部に対向して配置されている試料台上にセットされた試料と温度測定プローブとが対向せしめられ、温度測定プローブが試料表面を走査することによりＡＦＭを用いた微小スケールの温度測定が行われる。このようにして試料表面の微小領域での熱物性の測定が高精度且つ高応答性にて行われ、試料表面の微小領域での熱分布マッピングの作成が行われる。
【００３６】
【発明の効果】
本発明によれば、上述の如く、カンチレバーの先端部に温度を測定するための測定用素子と該測定用素子を加熱するための加熱用素子とを設けて成る温度測定プローブにおいて、カンチレバーの主面上に測定用素子と加熱用素子とを電気的絶縁層を介して重なり合うようにして形成することにより、温度測定プローブのカンチレバー上の配線部を電気的に相互に絶縁された２層構造とし、熱電対と加熱用の抵抗素子とを別の配線層に形成し、熱電対と加熱用の抵抗素子とを実質的にカンチレバー上で同一の位置に重ね合わせるようにして配設したので、両者をカンチレバーの主面の最も測定に適する場所に一緒に配設することができる。この結果、加熱用素子に与える電気的エネルギーを少なくしても測定用素子に測定に必要な熱量を効果的に与えることができ、試料及びカンチレバーに対する加熱を最小限にして、測定の応答性を著しく改善することができる。
【００３７】
さらに、カンチレバーのたわみ量を検出するためのたわみ−電気変換素子をプローブ上に形成して、自己検知型の温度測定プローブとすることにより、光てこの如く、カンチレバーの温度を上昇させるような外部からの検出用エネルギーをカンチレバーに与える構成に比べ、カンチレバーの温度を上昇させる要素を少なくすることができ、測定精度の向上を期待することができる。
【００３８】
また、カンチレバーの主面上に測定用素子を加熱用素子の両側に一対設ける構成にすれば、さらに測定の精度を高めることができる。
【００３９】
本発明による温度測定プローブを用い、温度測定プローブが試料表面を走査することによりＡＦＭを用いた微小スケールの温度測定を行うようにした温度測定装置によれば、試料表面の微小領域での熱物性の測定を高精度且つ高応答性にて行うことができ、試料表面の微小領域での熱分布マップを迅速且つ高精度にて作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による温度測定プローブの実施の形態の一例を示す外観斜視図。
【図２】図１のＡ−Ａ線断面斜視図。
【図３】図２に示す温度測定プローブの第１絶縁層上に形成されたヒーター配線を示す図。
【図４】図２に示す温度測定プローブの平面図。
【図５】図４のＢ−Ｂ線断面図。
【図６】図４のＣ−Ｃ線断面図。
【図７】本発明による別の実施の形態のヒーター配線の配線構造を示す平面図。
【図８】図７の別の実施の形態の熱電対のための配線構造を示す平面図。
【図９】本発明の別の実施の形態を示す平面図。
【符号の説明】
１、１’  温度測定プローブ
２  プローブ本体
３  第１絶縁層
４  ヒーター配線
４Ａ、４Ｂ  接続端部
４Ｃ  尖端
５  第２絶縁層
６  第１薄膜金属線
６Ａ、７Ａ  先端部
７  第２薄膜金属線
８  熱電対
９  第３薄膜金属線
２１  カンチレバー部
２１Ａ  外周縁
２１Ｂ  先端部
２１Ｐ  主面
２２  基部
２２Ｓ  スリット
４１、４２  電極
６１、７１  電極部
１００  ピエゾ抵抗素子
１０１、１０２  電極
ＨＰ  発熱ポイント
【図１】
0003828030.tif 000002
【図２】
0003828030.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003828030.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
0003828030.tif 000008
【図８】
0003828030.tif 000009
【図９】
0003828030.tif 000010