JP2000206126A

JP2000206126A - 微小カンチレバ及び微小力利用装置

Info

Publication number: JP2000206126A
Application number: JP11008978A
Authority: JP
Inventors: Sumio Hosaka; 純男保坂; Atsushi Kikukawa; 敦菊川; Kimitoshi Eto; 公俊江藤; Hajime Koyanagi; 肇小柳; Akimasa Onozato; 陽正小野里; Takeshi Murayama; 健村山
Original assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Construction Machinery Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-01-18
Filing date: 1999-01-18
Publication date: 2000-07-28

Abstract

(57)【要約】【課題】カンチレバと支持台との合わせ誤差が1μｍ
以下の高精度合わせ機能をもち、高共振周波数及び低バ
ネ定数をもつ微小カンチレバを提供すること。【解決手段】ＳＯＩウェハを用い、半導体リソグラフ
ィ技術を全工程で使用して、支持台を被い込むようにカ
ンチレバ膜を形成し、探針１’側からみてカンチレバ１
と支持台面が同一面で、カンチレバ１と支持台２とが異
なった材質あるいは材料で構成される構造とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は原子間力のような微
小力の検出に使用するカンチレバ、特に、カンチレバの
長さが短い寸法を有する微小カンチレバおよびその応用
装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、情報化社会の進展は目覚ましく、
より多くの情報を記憶できる技術の開発が要求されてい
る。現在、ディスク型ファイルメモリの研究分野では磁
気記録及び光記録の高密度化が進められている。２００
５年には、数十Ｇｂ／ｉｎ²の記録密度になると予測さ
れ、上記記録方法は限界に近づくものと考えられてい
る。

【０００３】この限界を打破する方法の１つにＡＦＭ
（原子間力顕微鏡）記録法がある。この記録方法で非常
に重要な要素として原子間力を検出するカンチレバがあ
る。現状では、バネ定数が小さい（＜２Ｎ／ｍ）カンチ
レバの共振周波数は最高で約８０ＫＨｚであり、この周
波数では高速読み出しには不十分である。少なくとも、
読み出し速度１０Ｍｂ／ｓを達成するためには、バネ定
数が小さく、共振周波数が５ＭＨｚ以上が必要である。

【０００４】これまでに、よりバネ定数が小さいカンチ
レバを提案するものとして、ＳＯＩ(シリコン・オン・
インシュレータ）ウェハを用い、活性層をカンチレバと
したシリコンカンチレバがジャナル・オブ・バキューム
・サイエンス・アンド・テクノロジ(J. of Vacuum Scie
nce and Technology)第Ｂ１５巻（１９９７）第７８８
頁ー第７９２頁に、さらに、シリコン異方性エッチング
によってシリコン基板上に形成された４角錐を鋳型とし
て窒化シリコン膜の形成により形成した窒化シリコンカ
ンチレバがジャナル・オブ・バキューム・サイエンス・
アンド・テクノロジ(J. of Vacuum Science and Techno
logy)第A８巻（１９９０）第３３８６頁−第３３９６頁
に開示されている。

【０００５】図２はこれらの提案よるカンチレバの構造
を示す斜視図である。１はカンチレバであり、その先端
部には探針１’が形成されている。３はガラス部材から
できたカンチレバ支持台である。カンチレバ１と探針
１’とは、たとえば、シリコン鋳型を用いた窒化シリコ
ン膜を作成する半導体リソグラフィ技術によって一体的
に形成することが可能であるが、カンチレバ１の基部を
カンチレバ支持台３と結合する必要があり、たとえば、
陽極接合技術によって両者の一体化を行っている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術において
は、形成されたカンチレバのサイズが設計値からどれだ
けずれているか、その誤差が非常に問題となる。高速化
するためには、カンチレバの長さを、より短く、さら
に、厚さは非常に薄くする必要がある。具体的には、上
記目標（共振周波数>５ＭＨｚ, バネ定数<２Ｎ／ｍ)を
実現するためには、カンチレバの長さ＜５μｍ, 厚さ＜
０．１μｍとする必要がある。

【０００７】ＳＯＩ(シリコン・オン・インシュレー
タ）ウェハを用いたシリコンカンチレバでは、シリコン
の活性層をエッチングするため、カンチレバの厚さ制御
が非常に難しい。また、上述したシリコン鋳型を用いた
窒化シリコン膜のカンチレバ製作工程では、カンチレバ
１とガラス支持台３との接合に陽極接合法を用いるた
め、両者の間に大きな合わせ誤差（約２５μｍ）が発生
する。図２を参照して明らかなように、たとえば、１０
μｍの長さのカンチレバを作ったつもりでも、２５μｍ
の合わせ誤差があれば、実質的に３５μｍのカンチレバ
となってしまう。これは、カンチレバの共振周波数を低
下させることになり、合わせ誤差は１μｍ以下とする必
要があり、従来技術では非常に困難な課題である。ま
た、原子間力顕微鏡においても、共振周波数の高いカン
チレバは最小検出力が小さくなり、力検出感度が向上す
る。

【０００８】本発明の目的は、上記従来技術が有する技
術的課題を解決し、高精度な膜厚制御法を有し、かつカ
ンチレバと支持台との合わせ誤差が１μｍ以下の高精度
合わせ機能をもつことができるカンチレバ構造を持ち、
高共振周波数及び低バネ定数をもつ微小カンチレバを提
供すると共に、これを用いた微小力利用装置を提供する
ことにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、半導体リソグラフィ技術が全工程で使用でき、厚さ
制御ができる方式を採用することにより、カンチレバと
カンチレバ支持台とが同一面に自動的に形成できる構造
とした。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１（ａ）に本発明の提案するカ
ンチレバの斜視図を、（ｂ）に同断面図を示す。１はカ
ンチレバであり、その先端部には探針１’が形成されて
いる。２はカンチレバ支持台である。カンチレバ１と探
針１’とを、従来技術と同様に、半導体リソグラフィ技
術によって一体的に形成するとともに、カンチレバ１の
基部を保持するカンチレバ支持台２をも半導体リソグラ
フィ技術によって一体化されたものとなっている。

【００１１】本発明では、半導体リソグラフィ技術を適
用する基板部をそのままカンチレバ支持台として利用で
きるようにすることで、カンチレバ１とカンチレバ支持
台２とは精密に位置あわせすることが可能である。もち
ろんカンチレバの厚さは蒸着等の手段で精度良く形成で
きるのはもちろん、探針１’もカンチレバの形成過程で
一体形成できる。以下具体的な形成手順について説明す
る。

【００１２】実施例１図３はＳＯＩ(シリコン・オン・インシュレータ）ウェ
ハを用いたプロセスの流れを示す。（ａ）に示すように
ＳＯＩウェハを用意する。ＳＯＩウェハは、よく知ら
れているように、シリコン基板６、基板６上に形成され
た酸化シリコン膜５および酸化シリコン膜上に形成され
たシリコン活性層４よりなる３層構造である。まず、図
３（ｂ）のように、シリコン活性層４をＫＯＨエッチン
グ液を用いて異方性エッチングしてカンチレバ支持台と
なるべき活性層７の部分を形成する。次に、図３（ｃ）
のように、シリコン酸化膜５をフッ酸によりエッチング
して四角の貫通窓８を形成する。図３（ｄ）のように、
この酸化膜をマスクとしてＫＯＨエッチング液を用いて
異方性エッチングによりシリコン基板６に四角錐９を形
成する。次に、これに図３（ｅ）のように、カンチレバ
材１０（たとえば、窒化シリコン）を低圧化学気相堆積
法（ＬＰ−ＣＶＤ）によって蒸着してカンチレバ膜を作
り、この膜の上にホトリソグラフィ技術（ここではステ
ッパを使用）でカンチレバ１のためのホトレジストパタ
ーンを形成する。このレジストパターンをマスクにし
て、反応性イオンエッチングによりカンチレバ１を形成
する。最後に、図３（ｆ）のようにシリコン基板６部分
とシリコン酸化膜５をエッチングにより除去して、カン
チレバを作製する。

【００１３】このようにすることにより、探針１’付き
で、長さ<１０μｍ, 厚さ＜０．１μｍの微小カンチレ
バが信頼性良く形成できる。

【００１４】尚、探針１’の尖鋭化は、従来技術である
低温酸化及び酸化膜エッチングにより行うことができ
る。また、カンチレバ材１０にはプラズマＣＶＤ法で形
成した窒化シリコン、シリコン酸化膜、ポリシリコン、
あるいは金属膜等を用いることができる。このカンチレ
バ使用時には、片面あるいは両面に金あるいは白金など
を蒸着して使用する。

【００１５】本実施例において、探針を形成するための
４角錐の鋳型を低温酸化及びエッチングにより尖鋭化す
ることが有効である。また、カンチレバ及び探針を多層
膜で形成するのも良い。

【００１６】実施例２図４は、ＳＯＩウェハの代わりにシリコンウェハ３０を
用いたプロセス例である。基本的には、同じ工程であ
る。

【００１７】まず、図４（ａ）に示すようにシリコンウ
ェハ３０を用意する。図４（ｂ）のように、シリコンウ
ェハ３０をＫＯＨエッチング液を用いて異方性エッチン
グしてカンチレバ支持台となるべき構造の部分７’（破
線より上の部分）を形成する。ただし、この実施例で
は、シリコン酸化膜５がないため、エッチングの停止時
に注意を払う必要がある。また、後段のステップの説明
から自ずと明らかになるように、このカンチレバ支持台
となるべき構造の部分７’を形成するためのエッチング
の深さは、この部分７’（破線より上の部分）の厚さよ
り酸化膜１１の厚さだけ厚くすることが必要である。次
に、図４（ｃ）のように、酸化膜１１を形成した後、こ
のシリコン酸化膜１１をフッ酸によりエッチングして四
角の貫通窓８を形成する。図４（ｄ）のように、この酸
化膜１１をマスクとしてＫＯＨエッチング液を用いて異
方性エッチングによりシリコン基板３０に四角錐９を形
成する。次に、これに図４（ｅ）のように、カンチレバ
材１０（たとえば、窒化シリコン）を低圧化学気相堆積
法（ＬＰ−ＣＶＤ)によって形成してカンチレバ膜を作
り、この膜の上にホトリソグラフィ技術（ここではステ
ッパを使用）でカンチレバ１のためのホトレジストパタ
ーンを形成する。このレジストパターンをマスクにし
て、反応性イオンエッチングによりカンチレバ１を形成
する。最後に、図４（ｆ）のようにシリコン基板３０部
分とシリコン酸化膜１１をエッチングにより除去して、
カンチレバ支持台となるべき構造の部分７’（破線より
上の部分）と一体的に構成されたカンチレバを作製す
る。この場合は、図３の実施例と異なり、シリコン基板
３０部分とシリコン酸化膜１１部分とをエッチングする
ことになるから、エッチング材の選択、エッチング速度
等に注意を払い、実質的にカンチレバ１の底面とカンチ
レバ支持台となるべき構造の部分７’の底面とが一致す
るようにする必要がある。

【００１８】図５は、そのための工夫の一例を説明する
図であり、簡略のため、右半分についてのみ示した。
（ａ）にはＳｉ基板３０をエッチングにより除去するス
テップの結果を示し、（ｂ）にはシリコン酸化膜１１を
エッチングにより除去するステップの結果を示す。Ｓｉ
基板３０をエッチングにより除去するステップでは、カ
ンチレバー１の部分の厚さを光の透過によりモニターし
て、カンチレバ材１０とシリコン酸化膜１１のみとなっ
た状況を検出したら、シリコン酸化膜１１の厚さ相当だ
けさらにＳｉ基板３０のエッチングによる除去が進むの
を待つ。この結果、（ａ）に示すように、カンチレバ支
持台となるべき構造の部分７’（破線より上の部分）の
Ｓｉ基板３０とシリコン酸化膜１１を残してエッチング
がなされる。次いでシリコン酸化膜１１のエッチングに
よる除去に移る。この場合、シリコン酸化膜１１の厚さ
に応じてエッチング時間を制御することにより、（ｂ）
に示すように、シリコン酸化膜１１のカンチレバ１の部
分は除去され、カンチレバ支持台となるべき構造の部分
７’と、これでカバーされているシリコン酸化膜１１が
残される。シリコン酸化膜１１のエッチングの際（破線
より上の部分）、Ｓｉ基板３０も少しエッチングされる
から、これを考慮して（ａ）の段階のエッチング時間を
制御するのが良い。

【００１９】厳密に見れば、カンチレバ１の底面と支持
台となるべき構造の部分７’とが同一平面とは言えない
可能性があるが、実質的には、使用に支障の無い範囲の
同一平面が実現できる。

【００２０】本実施例においても、探針を形成するため
の４角錐の鋳型を低温酸化及びエッチングにより尖鋭化
することが有効である。また、カンチレバ及び探針を多
層膜で形成するのも良い。

【００２１】実施例３図６は、微小カンチレバの応用装置の例として、ＡＦＭ
（原子間力顕微鏡）技術を用いた記録装置の一例を示す
概略図である。装置は、ＡＦＭヘッド、回転機構系及び
制御系から構成されている。ＡＦＭヘッドは探針１’
及び片持ち針（カンチレバ）１からなるＡＦＭ探針２
７、探針１’に加わる力を検出する光てこ検出系、記録
用圧電素子２５、探針２７を制御する機構系（ＸＹＺス
キャナ１４）から構成されている。光てこ検出系は、基
本的に、図のようにレーザ源２３と光ビーム１２の位置
検出器２４から構成されている。尚、カンチレバの背面
（探針１’のついていない面）には金薄膜あるいは白金
を約３０ｎｍ蒸着してレーザの反射率を高めている。こ
こでは、粗動機構、探針接近後退機構や、探針シーク機
構は省略しているが当然備わっているものである。回転
機構系はモータ２２、軸受け（省略）、ディスクテーブ
ル（省略）から構成されている。このテーブルの上にデ
ィスク２６を設置して記録、読み出し、消去を行う。制
御系２０は光ビーム１２の位置検出器２４から得られる
信号１５から探針１’位置情報を得て、位置の制御、記
録信号の検出、書き込み信号の発生などを行う。１６は
探針１’位置情報の取り込み、トラッキング、探針１’
位置の３次元制御を行う検出／制御系である。ディスク
は案内溝つきの表面構造を持った記録基板２６がディス
クテーブルの上に設置され、読み出し、書き込み、消去
等が行われる。

【００２２】案内溝がＶ溝の場合、カンチレバ２７の裏
面から反射されたレーザ光１２は位置検出器２４に入射
する。この位置検出器２４は２次元の位置センサーや４
分割光検出器でよい。ここでは後者の光検出器を示して
いる。Ｖ溝が探針１’に捻れるように作用されると、ラ
テラル力として検出される。光検出器２４の４つの光検
出器から出てきた出力信号を従来方法で捻れ方向を検出
するように演算することによりこの力は検出される。探
針１’がＶ溝の中央から離れる事により正あるいは負方
向に出力信号が変化する。この特性はＶ溝内ではほぼ直
線的に変化する。この特性を利用して、ラテラル力の変
化からＶ溝の中心部からのずれを検出し、ＸＹＺスキャ
ナ１４を制御して探針１’をＶ溝の中心にくるように常
に制御する。一方、探針１’が記録ビットの上にくる
と、探針１’が深く記録基板２６の中に入り込み、記録
ビットを検出する。この時の探針１’の入り込み量の増
分はｄZとなる。この量は光検出器２４内に設けた回路
網で演算されコンタクト信号として検出される。１０ｋ
Ｈ以下の動きはディスク２６の歪みに起因するものであ
りサーボ回路１６でＸＹＺスキャナ１４を使用して探針
１’のＺ方向の制御が行われる。一定の力で探針１’が
ディスク２６にコンタクトしているように制御される。
速い変化１ＭＨｚ以上の変化は信号と判断して情報とし
て制御系内に取り込み、読み出しが行われる。

【００２３】このように従来から使用されているカンチ
レバでは高速な読み出しが不可能であったが、本発明の
カンチレバを用いると、１０ＭＨｚ以上の信号を読み出
すことができる。また、書き込みは記録基板をポリカー
ボネイトを使用することにより行うことができる。加圧
用圧電素子２５を用いて、探針１’の加圧変調により高
速にポリカーボネイト基板にピット（凹構造）書き込む
ことができる。本発明の探針を使用すれば、ＡＦＭ記録
方式で、０．５μｍ以下のトラックピッチあるいはトラ
ック長を有する超高密度記録ビット列を従来から用いら
れているボール軸受けあるいは液体軸受けを有す回転機
構系を使用しても読み取り誤差無く、高速に読み出すこ
とができる。

【００２４】また、本発明の探針をプローブ顕微鏡の原
子間力検出にしようすれば原子間力検出感度は従来よ
り、約１桁から２桁向上できる。これにより、現状より
さらに１桁以上の空間分解能が改善される。さらに、試
料の物性検出においても１桁以上の高感度計測ができ
る。本発明の適用範囲は、原子間力顕微鏡、磁気力顕微
鏡、容量顕微鏡、近接場光顕微鏡、ケルビンフォース顕
微鏡、マクセル顕微鏡、走査熱顕微鏡、ポテンショメト
リー等の原子間力を利用する顕微鏡である。

【００２５】実施例４図７は、微小カンチレバの応用装置の例として、ＡＦＭ
（原子間力顕微鏡）技術を用いた記録装置の他の例を示
す概略図、図８はその光学系の説明図である。

【００２６】１２２はディスク駆動用のモータ、１０２
はディスク記録媒体であり、モータ１２２により、記録
媒体１０２が回転駆動される。１’は探針、１はカンチ
レバである。これらは不純物元素をドープしたＳｉによ
り、カンチレバ１の先端部に探針１’が形成され、カン
チレバ１はその基部に取り付けられ、基部とともに、一
体構造として半導体製造技術により作られる。加圧変調
記録を行う場合、ディスク記録媒体１０２は、当然のこ
とながら、探針１’より柔らかい材料が選ばれる。２５
は圧電素子であり、その一端にカンチレバ１の基部を保
持する。探針１’の先端は、例えば、曲率半径２０ｎｍ
以下に形成される。

【００２７】１０８はパルス電圧源であり、記録媒体１
０２に記録すべき信号１５０を与えられるとともに、こ
れに応じて圧電素子２５に電圧パルス１９を印加する。
圧電素子２５に電圧パルス１９が印加されると、探針
１’には次式に示す力Ｆが加えられ、探針１’は記録媒
体１０２側に押し込まれ、この機械的圧力によって記録
媒体１０２には記録すべき信号に応じた凹構造１０３が
形成される。

【００２８】Ｆ=ｋＸここで、ｋはカンチレバのバネ定数、Ｘはカンチレバ１
が反った量（変位）である。いま、バネ定数ｋおよび変
位Ｘを、それぞれ、１Ｎ／ｍおよび1μｍとすると探針
１’に作用する力Ｆは１０^-6Ｎとなる。この力の大きさ
は、記録媒体１０２の材料にも依るが、記録データとし
ての塑性変形を起こすには十分な大きさである。

【００２９】圧電素子２５はZ-微動装置１２４に保持さ
れる。Z-微動装置１２４はZ-粗動装置１２６に保持され
る。Z-粗動装置１２６は記録媒体１０２の半径方向駆動
装置１２８に保持される。１２０は総合制御装置であ
り、外から記録指示信号Ｗ、読み出し指示信号Ｒおよび
記録信号ＷＤを入力され、読み出し信号ＲＤを外に出力
する。また、総合制御装置１２０はモータ１２２への駆
動信号１２１、半径方向駆動装置１２８への駆動信号１
２７、Z駆動制御装置１３０への制御信号１２９および
記録信号ＷＤに対応した記録媒体１０２に記録すべき信
号１５０を出力するとともに、カンチレバ回転角検出器
５０のポジションセンサ４９の出力１００を入力とする
Z駆動制御装置１３０から得られる読み出し信号を信号
線１５１を介して総合制御装置１２０へ送り、読み出し
信号ＲＤとして外に出力する。制御信号１２９は、探針
１０１と記録媒体１０２との相対的な位置関係の初期状
態を設定するためのトリガーとして使用されるものであ
る。

【００３０】モータ１２２、Z-微動装置１２４、および
Z-粗動装置１２６はそれぞれの駆動信号１２１，１２
３，１２５および１２７により駆動される。モータ１２
２および半径方向駆動装置１２８は図示を省略した記録
再生装置本体部分に保持される。したがって、探針１’
は駆動信号１２３、１２５および１２７に応じて記録媒
体１０２の表面を移動するとともに、電圧パルス１９が
印加されたとき記録媒体１０２の表面に記録すべき信号
１５０に応じた凹構造１０３を形成する。

【００３１】なお、本実施例の記録再生装置は、図に示
したように記録媒体１０２を回転させるものに限られる
ものではなくXY方向に駆動するものであっても良い。

【００３２】次に、カンチレバ回転角検出器５０につい
て説明する。回転角検出器５０は記録された情報を読み
出すための働きをするとともに、探針１’の初期状態を
設定するためにも利用される。

【００３３】４１は半導体レーザ、４２はコリメータレ
ンズである。半導体レーザ４１のレーザ光放射面は、コ
リメータレンズ４２の焦点位置におかれている。よっ
て、半導体レーザ４１から放射されたレーザ光は、コリ
メータレンズ４２によって平行光に変換される。この平
行光の光束をビームスプリッタ４５を通過させ、対物レ
ンズ４６で集光させてカンチレバ１’の先端部に焦点を
結ばせる。カンチレバ１’の先端部の表面上で反射され
た光は対物レンズ４６で平行光に変換される。反射面が
対物レンズ４６の光軸に対して鉛直であれば、反射光の
光束は、カンチレバ１への入射光路をそのまま引き返
し、ビームスプリッタ４５に達する。反射光はビームス
プリッタ４５で光路を９０°曲折されてポジションセン
サ４９に達する。反射面が対物レンズ４６の光軸に対し
て鉛直から予定の微小範囲内で回転している場合は、反
射光の光束は、カンチレバ１への入射光路から幾分ずれ
るが、ビームスプリッタ４５の有効範囲内を引き返し、
ビームスプリッタ４５で光路を９０°曲折されてポジシ
ョンセンサ４９に達する。このカンチレバ回転角検出器
５０は、モータ１２２および半径方向駆動装置１２８と
同様に、図示を省略した記録再生装置本体部分に保持さ
れる。

【００３４】ここで、探針１’初期設定について簡単に
説明する。本実施例では、回転角検出器５０はカンチレ
バ１が自由状態にあるときはポジションセンサ４９から
の出力が無い、換言すれば、カンチレバ１からの反射光
はポジションセンサ４９のフォトダイオード上に無い状
態になるものとされる。この状態で、記録指示信号Ｗあ
るいは読み出し指示信号Ｒが総合制御装置１２０に与え
られると、総合制御装置１２０からZ駆動制御装置１３
０への制御信号１２９が出力される。Z駆動制御装置１
３０は、これを受けるとZ-粗動装置１２６に駆動信号１
２５を与える。これにより、カンチレバ１は記録媒体１
０２の表面に接近して行き、表面から力を受けて回転を
始める。その結果、カンチレバ１からの反射光ＳＰがポ
ジションセンサ４９の検出面（フォトダイオード）上に
表われるようになる。したがって、Z駆動制御装置１３
０は制御信号１２９を受けた後、ポジションセンサ４９
の出力が所定の状態に変化した段階で粗動操作を停止す
れば、探針１の初期設定は完了する。

【００３５】次に、記録動作について説明する。記録指
示信号Ｗに応じて、上述したようにして初期化が完了す
ると、例えば、信号線１５１を介して初期化完了が総合
制御装置１２０に送られる。これを受けて、総合制御装
置１２０は入力された記録信号ＷＤに応じて記録すべき
信号１５０をパルス電圧源１０８に送るとともに、モー
タ１２２への駆動信号１２１を送る。これによって、記
録媒体１０２には凹構造１０３が形成されて記録信号Ｗ
Ｄに応じた記録がなされる。この場合、凹構造１０３が
形成されるとともにカンチレバ１が回転するが、これを
ポジションセンサ４９の出力によって検出してZ-微動装
置１２４およびZ-粗動装置１２６により、カンチレバ１
を追従させるものとすれば、探針１’に作用する力を一
定に保持することができる。

【００３６】次に、読み出し動作について説明する。読
み出し指示信号Ｒに応じて、上述したようにして初期化
が完了すると、例えば、信号線１５１を介して初期化完
了が総合制御装置１２０に送られる。これを受けて、総
合制御装置１２０はモータ１２２への駆動信号１２１を
送るとともに半径方向駆動装置１２８に駆動信号１２７
を与える。これによって、記録媒体１０２の記録トラッ
クに沿って探針１’を移動させることができる。もちろ
んトラッキング自体は重要な技術であるが、すでに種々
の技術が提案されており、これらの内の適当なものを選
択して採用することができる。例えば、本願の発明者ら
の提案した米国特許５，８０８，９７７も光てこ方式を
利用するトラッキング方法を提案するものであるから効
果的に利用できる。記録媒体１０２の回転に応じて探針
１’が凹構造１０３の位置に来る時とそうでない時があ
る。本実施例では、初期化は凹構造１０３の位置でない
状態を前提になされているから、探針１’が凹構造１０
３の位置に来ると、ポジションセンサ４９の受けるカン
チレバ１の反射光は急激に変化する。これを検出すれば
凹構造１０３があることが検知できるから、この変化を
読み出し信号として信号線１５１を通して総合制御装置
１２０に送れば、読み出し信号ＲＤを得ることができ
る。この場合も、記録時と同様、カンチレバ１の回転を
検出してZ-微動装置１２４およびZ-粗動装置１２６によ
り、カンチレバ１を追従させるものとすれば、探針１’
に作用する力を一定に保持することができる。

【００３７】このカンチレバをＡＦＭ記録に用いれば、
１Ｔｂｉｔ（１０¹²ｂｉｔ）／ｉｎ²の超高密度記録も
可能と共に、読み出し速度も１０Ｍｂ／ｓ以上と高速化
が実現できる。

【００３８】次に、カンチレバ回転角検出器５０を光学
系を中心に、図８を用いて、より詳細に説明する。

【００３９】半導体レーザ４１のレーザ光放射面は、コ
リメータレンズ４２の焦点位置におかれている。よっ
て、半導体レーザ４１から放射されたレーザ光は、コリ
メータレンズによって平行光に変換される。この平行光
の光束は、偏光ビームスプリッタ４５に入射する。半導
体レーザから放射されるレーザ光は、一般に直線偏光で
ある。今、図８の半導体レーザから放射されるレーザ光
の偏波面が紙面に平行な方向を向いているとする。そし
て、偏光ビームスプリッタ４５は、図８のようにレーザ
光を入射させた際にほぼ全てのレーザ光をカンチレバ１
の方向へ反射するように調整してある。偏光ビームスプ
リッタ４５で反射された光束は、１／４波長板４４で円
偏光に変換された後、対物レンズ４６で集光されてカン
チレバ１の表面上に焦点を結ぶ。カンチレバ１表面上で
反射された光は、今度は対物レンズ４６で平行光に変換
される。被測定物の反射面が対物レンズの光軸に対して
鉛直であれば、反射光の光束は、カンチレバ１への入射
光路をそのまま引き返し、偏光ビームスプリッタ４５に
達する。ただし、この時、途中１／４波長板４４を通過
するので、また、入射光と反対方向に回転する円偏光で
あるから１／４波長板４４を通過した反射光は、紙面と
直交する偏波面を有する直線偏光になっている。偏光ビ
ームスプリッタ４５に入射した反射光は偏光ビームスプ
リッタ４５をほぼ全て透過し、ポジションセンサ４９に
達する。そして、このポジションセンサ４９に達した反
射光の光束の位置変化は、例えば、２分割あるいは４分
割フォトダイオード上に出来る光スポットの位置変化と
して検出される。

【００４０】ここで、カンチレバ１が図８に示すように
紙面内で角度θだけ回転したとする。尚、対物レンズ４
６とカンチレバ１間の距離変化は無視できる程度である
とする。この場合、カンチレバ１表面で反射された光束
の中心は、ポジションセンサ４９は図８に示すように入
射光の光束中心に対して２θの角度をなす向きに反射さ
れる。従って、θが十分に小さいものとし、また、対物
レンズ４６の焦点距離をLとすると、対物レンズ４６に
達した反射光の光束中心は、入射光の光束中心から２θ
Ｌ偏っている。反射光は、対物レンズ４６でこの光束中
心の偏りを持った平行光に変換され、偏光ビームスプリ
ッタ４５を透過してポジションセンサ４９に達する。従
って、光束中心の偏りが光スポット径に対して十分に小
さければ、この位置に置かれたポジションセンサ４９の
出力は、変位角θに比例して変化する。

【００４１】その他の実施例さらに、本発明のカンチレバは、微細加工に応用するこ
とができる。例えば、ＡＦＭリソグラフィとして用いる
ことができる。この場合、探針１’及びカンチレバ１は
導電性膜にするか、あるいは導電性膜を蒸着する必要が
ある。そのほか、力を用いた加工、インデンテーション
に応用することもできる。また、ＡＦＭ等の原子間力を
利用する顕微鏡においても高感度の力検出が実現でき
る。

【００４２】なお、カンチレバ１の素材は、実施例のシ
リコン窒化膜にかぎられることはなく、たとえば、シリ
コン酸化膜で形成されるものとしても良い。

【００４３】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、２
Ｎ／ｍ以下の低バネ定数で１ＭＨｚ以上の高共振周波数
をもつ微小カンチレバを、高精度でかつ容易に形成する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）、（ｂ）は本発明に係わるカンチレバの
基本的構成を示す斜視図、断面図。

【図２】従来技術で陽極接合を用いたカンチレバの構成
を示す斜視図。

【図３】本発明に係わるカンチレバを製作するためのＳ
ＯＩウェハを用いたプロセスフローを示す図。

【図４】本発明に係わるカンチレバを製作するためのシ
リコンウェハを用いたプロセスフローを示す図。

【図５】シリコン基板部分とシリコン酸化膜部分とをエ
ッチングすることになるプロセスフローを説明する図。

【図６】本発明に係わるカンチレバ応用装置の例とし
て、ＡＦＭを利用した超高密度記録装置の実施例を示す
概略図。

【図７】本発明に係わる微小カンチレバの応用装置の例
として、ＡＦＭを利用した超高密度記録装置の他の実施
例を示す概略図。

【図８】図７の光学系の説明図。

【符号の説明】

１…カンチレバ、１’…探針、２…カンチレバ支持台、
３…ガラス支持台、４…シリコン活性層、５…絶縁物
（酸化シリコン）、６…シリコン基板、７…支持台、８
…四角の窓、９…四角錐の穴、１０…カンチレバ膜（窒
化シリコン）、１１…酸化シリコン、１２…光ビーム、
１４…XYZスキャナ、１５…光検出器から出力信号、１
６…検出／制御系（サーボ回路）、１７…Ｚ方向探針位
置制御信号、１８…ＸＹ方向探針位置制御信号、１９…
書き込み信号、２０…記録装置制御系、２１…回転機構
制御信号、２２…モータ、２３…レーザ源、２４…位置
検出器（ポジションセンサ）、２５…書き込み用（加圧
変調）圧電素子、２６…記録気ディスク（ポリカーボネ
イト）、２７…本発明の微小カンチレバ、３０…半導体
基板（シリコン基板）。

フロントページの続き (72)発明者菊川敦埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者江藤公俊埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者小柳肇埼玉県比企郡鳩山町赤沼2520番地株式会社日立製作所基礎研究所内 (72)発明者小野里陽正東京都千代田区大手町二丁目６番２号（日本ビル）日立建機株式会社内 (72)発明者村山健東京都千代田区大手町二丁目６番２号（日本ビル）日立建機株式会社内Ｆターム(参考） 2F063 AA43 CA12 DA01 DD02 EA16 EB05 EB15 EB23 JA04 2F069 AA60 DD15 GG04 GG06 GG07 HH04 HH30 MM04 RR03 5D119 AA11 AA22 BA01 BB02 CA20 DA01 DA05 EC24 FA05 KA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微小力を検出する微小カンチレバであっ
て、カンチレバ先端部に探針が形成されるとともに、探
針が形成されているカンチレバ面と実質上同一平面に該
カンチレバを支持する支持台が形成され、且つ、これら
が異なる材質あるいは材料で構成されたことを特徴とす
る微小カンチレバ。
【請求項２】上記支持台が半導体基板で形成されている
請求項１記載の微小カンチレバ。
【請求項３】上記カンチレバがシリコン窒化膜あるいは
シリコン酸化膜で形成された請求項１記載の微小カンチ
レバ。
【請求項４】上記カンチレバが導電膜で覆われた構造で
ある請求項１記載の微小カンチレバ。
【請求項５】上記探針が支持台の厚さ方向と反対方向に
形成されている請求項１〜４のいずれかに記載の微小カ
ンチレバ。
【請求項６】上記探針がシリコン基板の異方性エッチン
グによって形成された４角錐を鋳型として形成される請
求項５記載の微小カンチレバ。
【請求項７】上記カンチレバ及び探針が多層膜で形成さ
れている請求項１〜６のいずれかに記載の微小カンチレ
バ。
【請求項８】上記探針を形成する４角錐の鋳型が低温酸
化及びエッチングにより先端を尖鋭化された請求項６ま
たは７記載の微小カンチレバ。
【請求項９】微小カンチレバを備えた顕微鏡、超高密度
記録、微細加工等の計測、加工等の微小力利用装置であ
って、該微小カンチレバがカンチレバ先端部に探針が形
成されるとともに、探針が形成されているカンチレバ面
と実質上同一平面に該カンチレバを支持する支持台が形
成され、且つ、これらが異なる材質あるいは材料で構成
されたことを特徴とする微小力利用装置。