JP2005172456A - Cantilever for scanning probe microscope and its manufacturing method - Google Patents

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a cantilever for a scanning probe microscope capable of performing stable scanning even with respect to a linear sample of which the area is narrower than that of the leading end part of a probe. <P>SOLUTION: The cantilever 10 for the scanning probe microscope is constituted by forming a probe part 12 to one end of a lever part 11 and integrally forming a support 13 to the other end of the lever part 11. The probe part 12 is a linear projection having a length L protruded in the thickness direction (Z-direction) of the lever part 11 and extended in the length direction (X-direction) of the lever part 11. The leading end of the probe part 12 is a ridgeline 12a. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、線状の試料表面の微小な凹凸や物性を測定するための走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーに関する。   The present invention relates to a cantilever for a scanning probe microscope for measuring minute irregularities and physical properties of a linear sample surface.

走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）は、カンチレバーの探針を試料に原子径レベルで近接させ、試料表面を２次元走査することにより、試料と探針との相互作用に基づく力を検出したり、微小開口により試料からのエバネッセント光を検出する装置である。ＳＰＭのカンチレバーは、ＩＣ製造プロセスを応用してＳｉウエハから作製されるものが主流となっている。このＳｉ製カンチレバーは、探針がレバー部の一端に設けられており、探針の先端部は、針先のように先鋭となっている（例えば、特許文献１参照）。   The scanning probe microscope (SPM) detects the force based on the interaction between the sample and the probe by bringing the cantilever probe close to the sample at the atomic diameter level and scanning the sample surface in two dimensions. Or a device that detects evanescent light from a sample through a minute aperture. SPM cantilevers are mainly manufactured from Si wafers by applying an IC manufacturing process. In this Si cantilever, the probe is provided at one end of the lever portion, and the tip of the probe is sharp like the tip of the probe (see, for example, Patent Document 1).

特開平１１-３３７５６３号公報JP-A-11-337563

従来のＳＰＭのカンチレバーは、先端部が針先のように先鋭な探針で試料表面を１次元または２次元走査し、例えば試料表面の微小な凹凸を測定する。すなわち、試料表面の各点における試料と探針との相互作用に基づく力を検出して、その分布を測定する。試料の測定領域が探針の先端部に対して広い面積をもっている場合は、従来の探針でも走査が可能である。しかし、探針の先端部に比べて面積の狭い線状の試料に対しては、試料の長さ方向に沿って走査することは非常に難しいという問題がある。   A conventional SPM cantilever scans a sample surface one-dimensionally or two-dimensionally with a probe having a sharp tip like a needle tip, and measures, for example, minute irregularities on the sample surface. That is, the force based on the interaction between the sample and the probe at each point on the sample surface is detected, and the distribution is measured. When the measurement area of the sample has a large area with respect to the tip of the probe, scanning can be performed with a conventional probe. However, there is a problem that it is very difficult to scan a linear sample having a smaller area than the tip of the probe along the length direction of the sample.

（１）請求項１の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーは、レバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成され、探針部は、レバー部の厚さ方向に突出し、レバー部の長さ方向に延在する所定長さを有する線状突起であり、探針部の先端は、線状突起の稜線であることを特徴とする。
（２）請求項１の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーでは、線状突起が三角柱であることが好ましい。また、線状突起の稜線の長さは、５〜５０μｍの範囲であることが好ましい。
（３）請求項４の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法は、半導体基板の表面を部分除去することにより、半導体基板の表面に沿って２つの面が交叉して生ずる稜線を有する線状突起を探針部として作製する工程と、半導体基板の表面をさらに部分除去することにより、線状突起を含む領域に帯状突起を形成する工程と、半導体基板の裏面を部分除去することにより、帯状突起をレバー部として作製し、除去しない部分を支持部として作製する工程とを有することを特徴とする。 (1) In the cantilever for a scanning probe microscope according to the first aspect, a probe portion is integrally formed at one end of the lever portion, and a support portion is integrally formed at the other end, and the probe portion protrudes in the thickness direction of the lever portion. It is a linear protrusion having a predetermined length extending in the length direction of the portion, and the tip of the probe portion is a ridge line of the linear protrusion.
(2) In the cantilever for a scanning probe microscope according to the first aspect, the linear protrusion is preferably a triangular prism. Moreover, it is preferable that the length of the ridgeline of a linear protrusion is the range of 5-50 micrometers.
(3) According to a method for manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope according to claim 4, a linear protrusion having a ridge formed by crossing two surfaces along the surface of the semiconductor substrate by partially removing the surface of the semiconductor substrate. And forming a band-shaped protrusion in a region including the linear protrusion by partially removing the surface of the semiconductor substrate, and partially removing the back surface of the semiconductor substrate. As a lever portion and a portion not to be removed as a support portion.

本発明によれば、探針の先端部に比べて面積の狭い線状の試料に対しても、安定した走査が可能なカンチレバーを提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a cantilever capable of stable scanning even for a linear sample having a smaller area than the tip of the probe.

以下、本発明による走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー（以下、ＳＰＭ用カンチレバーと言う）について図１〜９を参照しながら説明する。
図１は、本実施の形態によるＳＰＭ用カンチレバーが取り付けられたＳＰＭの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。図２は、本実施の形態によるＳＰＭ用カンチレバー１０の構造を示す斜視図である。図１と図２において、直交座標で３次元方向が表わされている。 Hereinafter, a cantilever for a scanning probe microscope according to the present invention (hereinafter referred to as an SPM cantilever) will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram schematically showing a configuration of a main part of an SPM to which an SPM cantilever according to the present embodiment is attached. FIG. 2 is a perspective view showing the structure of the SPM cantilever 10 according to the present embodiment. 1 and 2, the three-dimensional direction is represented by orthogonal coordinates.

図１を参照すると、線状の試料Ｓは、Ｙ方向と平行に伸張された状態で、その両端を一対のマイクログリッパー１７で保持される。ＳＰＭ用カンチレバー１０は、レバー１１、探針１２および支持体１３を有する。探針１２を線状試料Ｓの表面に原子径レベルで近接させると、探針１２の先端と試料Ｓの表面との相互作用によってレバー１１の先端部が変位する。この変位量は、例えば、光てこ方式により測定される。すなわち、光ファイバー１５を経由してきたレーザ光をレバー１１の背面に入射させ、２分割フォトダイオード１６で反射光の入射位置を検出することにより変位量を測定できる。不図示の駆動機構により、探針１２を線状試料Ｓの表面に沿ってＹ方向に走査させると、相互作用に応じた変位量の分布図が得られる。   Referring to FIG. 1, the linear sample S is held by a pair of microgrippers 17 at both ends in a state of being stretched in parallel with the Y direction. The SPM cantilever 10 includes a lever 11, a probe 12, and a support 13. When the probe 12 is brought close to the surface of the linear sample S at the atomic diameter level, the tip of the lever 11 is displaced by the interaction between the tip of the probe 12 and the surface of the sample S. This amount of displacement is measured by, for example, an optical lever method. That is, the amount of displacement can be measured by making the laser light that has passed through the optical fiber 15 incident on the back surface of the lever 11 and detecting the incident position of the reflected light by the two-divided photodiode 16. When the probe 12 is scanned in the Y direction along the surface of the linear sample S by a drive mechanism (not shown), a distribution map of the displacement amount corresponding to the interaction is obtained.

線状の試料Ｓとしては、ＤＮＡ分子のような太さがナノメートルオーダー、長さが例えば１００μｍ程度の微小物体が挙げられる。本実施の形態のＳＰＭ用カンチレバー１０は、特に、このような線状の試料Ｓの測定に有用であり、具体的な測定については、図８を用いて後述する。   As the linear sample S, there is a minute object such as a DNA molecule having a thickness of nanometer order and a length of about 100 μm, for example. The SPM cantilever 10 of the present embodiment is particularly useful for measuring such a linear sample S, and specific measurement will be described later with reference to FIG.

図２を参照すると、ＳＰＭ用カンチレバー１０のレバー１１は、例えば、長さＬｅ＝１００μｍ、厚さｔ＝２μｍ、幅ｗ＝１５μｍのＸ方向に延在する薄膜である。レバー１１の先端付近には探針１２が一体で設けられ、レバー１１の他端には支持体１３が一体で設けられている。   Referring to FIG. 2, the lever 11 of the SPM cantilever 10 is, for example, a thin film extending in the X direction with a length Le = 100 μm, a thickness t = 2 μm, and a width w = 15 μm. A probe 12 is integrally provided near the tip of the lever 11, and a support 13 is integrally provided on the other end of the lever 11.

支持体１３は、直方体であり、ホルダー１４に着脱可能に保持されている。すなわち、ホルダー１４は、ＳＰＭ用カンチレバー１０全体を支持している。着脱方法には、支持体１３をホルダー１４の溝部または凹部にスライドさせて嵌め込む方法や支持体１３をホルダー１４に取り付けられた板バネで押圧する方法などがある。   The support 13 is a rectangular parallelepiped and is detachably held by the holder 14. That is, the holder 14 supports the entire SPM cantilever 10. Examples of the attaching / detaching method include a method in which the support 13 is slid into the groove or recess of the holder 14 and a method in which the support 13 is pressed by a leaf spring attached to the holder 14.

探針１２は、レバー１１の先端付近に設けられ、Ｘ方向に延在する線状突起である。図示されるように、この線状突起は、ＹＺ断面が二等辺三角形のウエッジ型であり、探針１２の稜線１２ａは、Ｘ方向に平行である。探針１２の高さｈ、すなわちレバー１１の表面から稜線１２ａまでのＺ方向の距離は、約３μｍである。稜線１２ａは、試料Ｓに近接または接触する刃先であるので、直線性が最も重視される。   The probe 12 is a linear protrusion provided near the tip of the lever 11 and extending in the X direction. As shown in the figure, this linear protrusion is a wedge type whose YZ cross section is an isosceles triangle, and the ridge line 12a of the probe 12 is parallel to the X direction. The height h of the probe 12, that is, the distance in the Z direction from the surface of the lever 11 to the ridge line 12 a is about 3 μm. Since the ridgeline 12a is a cutting edge that is close to or in contact with the sample S, linearity is most important.

稜線１２ａの長さＬは、特に、線状試料Ｓを測定する場合の走査の安定性と測定値の精度から適切な範囲が決められ、稜線１２ａの長さＬは、５〜５０μｍの範囲が適切である。下限値５μｍを下回ると、測定開始時の線状試料Ｓへのアプローチに失敗したり、走査中に稜線１２ａが線状試料Ｓから逸脱する恐れがある。また、上限値５０μｍを上回ると、稜線１２ａと線状試料Ｓとの接触箇所によるレバー１１の撓み特性に影響が表れ、正確な変位量を測定できなくなる恐れがある。   The length L of the ridge line 12a is determined in an appropriate range particularly from the stability of scanning when measuring the linear sample S and the accuracy of the measurement value. The length L of the ridge line 12a is in the range of 5 to 50 μm. Is appropriate. If the value falls below the lower limit of 5 μm, the approach to the linear sample S at the start of measurement may fail, or the ridgeline 12a may deviate from the linear sample S during scanning. On the other hand, when the value exceeds the upper limit value of 50 μm, the bending characteristic of the lever 11 due to the contact portion between the ridge line 12a and the linear sample S is affected, and there is a possibility that an accurate displacement amount cannot be measured.

次に、ＳＰＭ用カンチレバー１０の構造、寸法について、材料となるウエハと対比させて説明する。ＳＰＭ用カンチレバー１０は、ＳＯＩ(Silicon on Insulator)ウエハから一体で作製される。ＳＯＩウエハは、２枚のＳｉ単結晶板の一方にＳｉＯ_２層を形成し、ＳｉＯ_２層を介して貼り合わせたものである。本実施の形態で用いられるＳＯＩウエハ１００は、図２に示されるように、上部Ｓｉ層２０（厚さ５μｍ）、ＳｉＯ_２層３０（厚さ４μｍ）および下部Ｓｉ層４０（厚さ３００μｍ）から成る。 Next, the structure and dimensions of the SPM cantilever 10 will be described in comparison with a wafer as a material. The SPM cantilever 10 is integrally manufactured from an SOI (Silicon on Insulator) wafer. The SOI wafer is obtained by forming a SiO ₂ layer on one of _two Si single crystal plates and bonding them together via the SiO ₂ layer. As shown in FIG. 2, the SOI wafer 100 used in this embodiment includes an upper Si layer 20 (thickness 5 μm), an SiO ₂ layer 30 (thickness 4 μm), and a lower Si layer 40 (thickness 300 μm). Become.

支持体１３は、上部Ｓｉ層２０、ＳｉＯ_２層３０および下部Ｓｉ層４０から形成されるが、厳密に言うと、支持体１３を形成する上部Ｓｉ層２０は、初期の厚さから探針の高さｈを差し引いた部分である。レバー１１および探針１２は、上部Ｓｉ層２０のみから形成され、レバー１１の厚さｔと探針１２の高さｈの和が上部Ｓｉ層２０の初期の厚さに等しい。 The support 13 is formed of the upper Si layer 20, the SiO ₂ layer 30, and the lower Si layer 40. Strictly speaking, the upper Si layer 20 that forms the support 13 has an initial thickness of the probe. This is a portion obtained by subtracting the height h. The lever 11 and the probe 12 are formed only from the upper Si layer 20, and the sum of the thickness t of the lever 11 and the height h of the probe 12 is equal to the initial thickness of the upper Si layer 20.

続いて、本発明のＳＰＭ用カンチレバー１０の製造工程について、図３〜７を参照しながら詳しく説明する。製造工程は、図３〜５の部分断面図で示されるように、工程（ａ）〜（ｌ）まで順に進む。工程（ａ）〜（ｋ）までの部分断面図は、図２のＩ−Ｉ断面により表わすものである。   Next, the manufacturing process of the SPM cantilever 10 of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. The manufacturing process proceeds in order from process (a) to (l) as shown in the partial cross-sectional views of FIGS. The partial cross-sectional views of steps (a) to (k) are represented by the II cross section of FIG.

先ず、図３を参照する。
工程（ａ）では、ＳＯＩウエハ１００を準備する。ＳＯＩウエハ１００は、上述したように、厚さ５μｍの上部Ｓｉ層２０、厚さ４μｍのＳｉＯ_２層３０、厚さ３００μｍの下部Ｓｉ層４０の３層構造を有する。上部Ｓｉ層２０の表面は、単結晶Ｓｉの主面（００１）に選ばれている。
工程（ｂ）では、上部Ｓｉ層２０の上に、スパッタリングにより窒化珪素（ＳｉＮ）層２１を厚さ０．１μｍ形成する。 First, referring to FIG.
In step (a), an SOI wafer 100 is prepared. As described above, the SOI wafer 100 has a three-layer structure of the upper Si layer 20 having a thickness of 5 μm, the SiO ₂ layer 30 having a thickness of 4 μm, and the lower Si layer 40 having a thickness of 300 μm. The surface of the upper Si layer 20 is selected as the main surface (001) of single crystal Si.
In step (b), a silicon nitride (SiN) layer 21 is formed to a thickness of 0.1 μm on the upper Si layer 20 by sputtering.

工程（ｃ）では、ＳｉＮ層２１の上に、スピンコーターによりレジスト２２を３０００ｒｐｍ、３０ｓｅｃの条件で塗布し、ホットプレート上で９０℃、５ｍｉｎの条件でベークする。
工程（ｄ）では、紫外線露光を４ｓｅｃ、現像を１．５ｍｉｎ行い、面領域Ｐ１のレジスト２２を残し、面領域Ｐ２のレジスト２２を除去する。面領域Ｐ１、Ｐ２は、図中、紙面に垂直な線により分割され、この紙面に垂直な線は、＜１１０＞方向に平行である。＜１１０＞方向は、探針１２の稜線１２ａが延在する方向である。 In the step (c), a resist 22 is applied on the SiN layer 21 by a spin coater under conditions of 3000 rpm and 30 sec, and baked on a hot plate at 90 ° C. for 5 minutes.
In the step (d), ultraviolet exposure is performed for 4 seconds and development is performed for 1.5 minutes, the resist 22 in the surface region P1 is left, and the resist 22 in the surface region P2 is removed. The plane regions P1 and P2 are divided by lines perpendicular to the paper surface in the figure, and the lines perpendicular to the paper surface are parallel to the <110> direction. The <110> direction is a direction in which the ridge line 12a of the probe 12 extends.

ここで、図６を参照して、工程（ｄ）のレジスト２２のパターン形状を説明する。図６は、ＳＯＩウエハ１００に形成する予定の複数個のＳＰＭ用カンチレバー１０をＺ方向から見た平面図である。ＳＰＭ用カンチレバー１０は、前述したとおり、レバー１１、探針１２および支持体１３を有する。図示されている６個のＳＰＭ用カンチレバー１０のうち、互いに隣り合う２個の間に、六角形のレジスト２２のパターン領域（面領域Ｐ１）が設けられている。この六角形の面領域Ｐ１は、Ｘ方向に平行な２本の線分と、Ｘ方向に対して４５°傾いている４本の線分とで取り囲まれた領域である。Ｘ方向に平行な線分の長さにより、探針１２の稜線１２ａの長さが規定される。すなわち、面領域Ｐ２は、面領域Ｐ１以外の領域である。このように、レジストパターンを形成して、次の工程に入る。   Here, the pattern shape of the resist 22 in the step (d) will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a plan view of a plurality of SPM cantilevers 10 to be formed on the SOI wafer 100 as viewed from the Z direction. The SPM cantilever 10 includes the lever 11, the probe 12, and the support 13 as described above. Of the six SPM cantilevers 10 shown in the figure, a pattern region (surface region P1) of the hexagonal resist 22 is provided between two adjacent to each other. The hexagonal surface region P1 is a region surrounded by two line segments parallel to the X direction and four line segments inclined by 45 ° with respect to the X direction. The length of the ridge line 12a of the probe 12 is defined by the length of the line segment parallel to the X direction. That is, the surface region P2 is a region other than the surface region P1. In this way, a resist pattern is formed and the next step is entered.

次に、図４を参照する。
工程（ｅ）では、面領域Ｐ１のレジスト２２をマスクとして、ＲＩＥにより面領域Ｐ２のＳｉＮ層２１をエッチング除去する。エッチング条件は、Ｃ_２Ｆ_６の流量３０ｓｃｃｍ、圧力５Ｐａ、高周波出力５０Ｗ、処理時間１０ｍｉｎである。 Reference is now made to FIG.
In step (e), the SiN layer 21 in the surface region P2 is etched away by RIE using the resist 22 in the surface region P1 as a mask. The etching conditions are C ₂ F ₆ flow rate 30 sccm, pressure 5 Pa, high frequency output 50 W, and processing time 10 min.

工程（ｆ）では、面領域Ｐ２の露出した上部Ｓｉ層２０の表面に対して３０％ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングをする。エッチング条件は、液温６０℃、５ｍｉｎである。異方性エッチングにより、図中、紙面に垂直な方向に延在する斜面Ｓ１が形成される。上部Ｓｉ層２０の表面を単結晶Ｓｉの主面（００１）に選んでいるので、斜面Ｓ１は｛１１１｝面である。   In the step (f), anisotropic etching is performed using a 30% KOH aqueous solution on the surface of the upper Si layer 20 where the surface region P2 is exposed. Etching conditions are a liquid temperature of 60 ° C. and 5 minutes. By the anisotropic etching, a slope S1 extending in a direction perpendicular to the paper surface in the drawing is formed. Since the surface of the upper Si layer 20 is selected as the main surface (001) of single crystal Si, the slope S1 is a {111} plane.

工程（ｇ）では、ＲＩＥ、すなわち酸素ガスを用いたアッシングによりマスクとして用いたレジスト２２を除去し、その後、面領域Ｐ２の露出している上部Ｓｉ層２０の表面に０．５μｍ厚の酸化膜２３を形成する。酸化方法は、酸素ガスと水素ガスを高温で反応させて生成する水蒸気を用いた水蒸気酸化である。   In step (g), the resist 22 used as a mask is removed by RIE, that is, ashing using oxygen gas, and then an oxide film having a thickness of 0.5 μm is formed on the surface of the upper Si layer 20 where the surface region P2 is exposed. 23 is formed. The oxidation method is steam oxidation using steam generated by reacting oxygen gas and hydrogen gas at a high temperature.

工程（ｈ）では、ＲＩＥにより面領域Ｐ１のＳｉＮ層２１をエッチング除去する。エッチング条件は、工程（ｅ）と同様である。その後、面領域Ｐ１の露出した上部Ｓｉ層２０の表面に対して３０％ＫＯＨ水溶液を用いて異方性エッチングをする。エッチング条件は、工程（ｆ）と同様である。その結果、図中、紙面に垂直な方向に延在する斜面Ｓ２が形成される。斜面Ｓ２は、面領域Ｐ１とＰ２の境界線に対して斜面Ｓ１と対称に形成される。斜面Ｓ２も斜面Ｓ１と同じく｛１１１｝面である。すなわち、上部Ｓｉ層２０の表面には、面領域Ｐ１とＰ２の境界部分に断面が三角形、つまり三角柱形状の線状突起２５が形成される。線状突起２５は、探針１２となる。   In step (h), the SiN layer 21 in the plane region P1 is removed by etching by RIE. Etching conditions are the same as in step (e). Thereafter, anisotropic etching is performed using a 30% aqueous KOH solution on the surface of the upper Si layer 20 where the surface region P1 is exposed. Etching conditions are the same as in step (f). As a result, a slope S2 extending in a direction perpendicular to the paper surface is formed in the drawing. The slope S2 is formed symmetrically with the slope S1 with respect to the boundary line between the plane regions P1 and P2. The slope S2 is the {111} plane as well as the slope S1. That is, on the surface of the upper Si layer 20, a linear protrusion 25 having a triangular cross section, that is, a triangular prism shape, is formed at the boundary between the plane regions P1 and P2. The linear protrusion 25 becomes the probe 12.

続いて図５を参照する。
工程（ｉ）では、面領域Ｐ１とＰ２の表面にスピンコーターにより厚膜レジスト２４を２０００ｒｐｍ、３０ｓｅｃの条件で塗布する。その後、ホットプレート上で１１０℃、１５ｍｉｎの条件でベークした後に、紫外線露光を４ｓｅｃ、現像を１．５ｍｉｎ行い、レバー１１となる面Ｓ３の厚膜レジスト２４のみを残し、他の領域の厚膜レジスト２４を除去する。残った厚膜レジスト２４の幅が、図２のレバー１１の幅ｗに相当する。 Next, referring to FIG.
In the step (i), the thick film resist 24 is applied to the surfaces of the plane regions P1 and P2 by a spin coater under the conditions of 2000 rpm and 30 sec. Then, after baking on a hot plate at 110 ° C. for 15 minutes, ultraviolet exposure is performed for 4 seconds and development is performed for 1.5 minutes, leaving only the thick film resist 24 on the surface S3 to be the lever 11 and thick films in other regions. The resist 24 is removed. The width of the remaining thick film resist 24 corresponds to the width w of the lever 11 in FIG.

工程（ｊ）では、パターニングされた厚膜レジスト２４をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（inductively coupled plasma - reactive ion etching）により上部Ｓｉ層２０をエッチングし、レバー１１の原型となる帯状突起を形成する。ＩＣＰ−ＲＩＥによるエッチング作用は、ＳｉＯ_２層３０により停止するので、エッチング深さ、換言すればレバー１１の厚さを均一且つ高精度に作製することができる。エッチング後には、ＳｉＯ_２層３０の面が露出する。 In the step (j), the upper Si layer 20 is etched by ICP-RIE (inductively coupled plasma-reactive ion etching) using the patterned thick film resist 24 as a mask to form band-shaped protrusions that serve as a prototype of the lever 11. Since the etching action by ICP-RIE is stopped by the SiO ₂ layer 30, the etching depth, in other words, the thickness of the lever 11 can be produced uniformly and with high accuracy. After the etching, the surface of the SiO ₂ layer 30 is exposed.

ＩＣＰ−ＲＩＥは、０．０５〜１Ｐａの比較的低い圧力下で、高密度プラズマ中のプロセスガスのイオンと試料表面との化学反応を利用して試料をエッチングするものであり、異方性の高いエッチング加工ができる。プロセスガスとしては、ＣＣｌ_２Ｆ_２あるいはＣＦ_４等の酸化性ガスが用いられる。上部Ｓｉ層２０の表面は、単結晶Ｓｉの主面（００１）であり、エッチング速度が比較的大きい。 ICP-RIE etches a sample under a relatively low pressure of 0.05 to 1 Pa using a chemical reaction between ions of a process gas in a high-density plasma and the sample surface. High etching processing is possible. As the process gas, an oxidizing gas such as CCl ₂ F ₂ or CF ₄ is used. The surface of the upper Si layer 20 is a main surface (001) of single crystal Si, and the etching rate is relatively high.

工程（ｋ）では、ＲＩＥ、すなわち酸素ガスを用いたアッシングによりマスクとして用いた厚膜レジスト２４を除去し、更に、工程（ｇ）で形成した酸化膜２３を５０％フッ酸水溶液で除去する。   In step (k), the thick film resist 24 used as a mask is removed by RIE, that is, ashing using oxygen gas, and the oxide film 23 formed in step (g) is removed with a 50% hydrofluoric acid aqueous solution.

ここで、図７の部分斜視図を参照して、工程（ｋ）におけるＳＰＭ用カンチレバー１０の全体形状を説明する。図７に示されるように、上部Ｓｉ層２０の加工が終了して、ＳＰＭ用カンチレバー１０の探針１２とレバー１１の原型、すなわち帯状突起１１Ａが現れている。符号１３Ａは、支持体１３の一部である。ＳＰＭ用カンチレバー１０以外の表面には、ＳｉＯ_２層３０が露出している。上部Ｓｉ層２０の加工が終了したので、次に、ＳｉＯ_２層３０と下部Ｓｉ層４０の加工、いわゆる裏面加工の工程に入る。 Here, the overall shape of the SPM cantilever 10 in the step (k) will be described with reference to a partial perspective view of FIG. As shown in FIG. 7, the processing of the upper Si layer 20 is finished, and the prototype of the probe 12 and the lever 11 of the SPM cantilever 10, that is, the belt-like protrusion 11A appears. Reference numeral 13 </ b> A is a part of the support 13. The SiO ₂ layer 30 is exposed on the surface other than the SPM cantilever 10. Since the processing of the upper Si layer 20 has been completed, a process of processing the SiO ₂ layer 30 and the lower Si layer 40, so-called back surface processing, is then entered.

裏面加工は、ＳＯＩウエハ１００において、支持体１３の一部１３Ａの下部のみを残して、他の部分をエッチング除去する工程、すなわち、工程（ｌ）である。工程（ｌ）を示す図５（ｄ）では、図２のＩ−Ｉ断面に直交する部分断面として表されている。下部Ｓｉ層４０の支持体１３の一部１３Ａに対応する面にレジストを形成し、先ず、ＩＣＰ−ＲＩＥにより下部Ｓｉ層４０を除去し、次に、５０％フッ酸水溶液でＳｉＯ_２層３０除去する。これにより、スライシングを必要とせずに、図６に示される複数のＳＰＭ用カンチレバー１０が分離して、個々のＳＰＭ用カンチレバー１０が完成する。ＳＰＭ用カンチレバー１０を図１のＳＰＭ装置に取り付けて、試料Ｓの測定を行う。 The back surface processing is a step (l) in which the other portion of the SOI wafer 100 is removed by etching while leaving only the lower part of the portion 13A of the support 13 and other portions. In FIG.5 (d) which shows process (l), it represents as a partial cross section orthogonal to the II cross section of FIG. A resist is formed on the surface of the lower Si layer 40 corresponding to the part 13A of the support 13, first, the lower Si layer 40 is removed by ICP-RIE, and then the SiO ₂ layer 30 is removed with 50% hydrofluoric acid aqueous solution. To do. Thereby, without requiring slicing, the plurality of SPM cantilevers 10 shown in FIG. 6 are separated to complete individual SPM cantilevers 10. The SPM cantilever 10 is attached to the SPM apparatus shown in FIG.

以上、１個のＳＰＭ用カンチレバーについての一連の製造工程を説明したが、実際の製造工程は、ＳＯＩウエハ単位で行われる、いわゆるバッチ処理である。図６に示されるように、複数個のＳＰＭ用カンチレバー１０は、レバー部１１の向きを交互に反転させて配列しているので、１枚のＳＯＩウエハ１００からより多くのＳＰＭ用カンチレバー１０を作製することができ、その結果、材料のムダがほとんど生じない。このことは、特にバッチ処理では大幅な製造コストの削減をもたらすものである。   Although a series of manufacturing processes for one SPM cantilever has been described above, the actual manufacturing process is a so-called batch process performed in units of SOI wafers. As shown in FIG. 6, the plurality of SPM cantilevers 10 are arranged by alternately reversing the directions of the lever portions 11, so that more SPM cantilevers 10 are produced from one SOI wafer 100. As a result, there is little waste of material. This leads to significant manufacturing cost reduction, especially in batch processing.

また、探針１２の斜面Ｓ１，Ｓ２は、いずれも原子配列が緻密な｛１１１｝面であることから、稜線１２ａは、硬く化学的に安定であり、直線性にも優れる。なお、図５（ｄ）に示される斜面Ｓ４は、３０％ＫＯＨ水溶液を用いた異方性エッチングによって形成される斜面であり、斜面Ｓ１，Ｓ２と同じく｛１１１｝面である。   Further, since the slopes S1 and S2 of the probe 12 are both {111} planes having a dense atomic arrangement, the ridgeline 12a is hard and chemically stable, and has excellent linearity. Incidentally, the slope S4 shown in FIG. 5 (d) is a slope formed by anisotropic etching using a 30% KOH aqueous solution, and is a {111} plane like the slopes S1 and S2.

図８は、本実施の形態のＳＰＭ用カンチレバー１０を用いた測定例を説明する概念図である。図８（ａ）は、ＤＮＡの塩基配列を認識して付着する蛍光色素や金属錯体による凹凸変化の測定、図８（ｂ）は、ＤＮＡ分子に金コロイドを装飾して金コロイド微粒子の凹凸変化の測定を説明する図である。   FIG. 8 is a conceptual diagram illustrating a measurement example using the SPM cantilever 10 of the present embodiment. Fig. 8 (a) shows the measurement of unevenness due to fluorescent dyes and metal complexes that are attached by recognizing the base sequence of DNA. It is a figure explaining measurement of.

線状試料ＳとしてのＤＮＡ分子は、その両端を一対のマイクログリッパー１７で保持される。その保持方法は、例えば次のように行う。溶液中でＤＮＡ分子の両端に電界を印加すると、静電配向によりＤＮＡ分子は電極に引き寄せられ伸長する。マイクログリッパー１７の両先端部に高周波電界を印加し、両先端部で伸長したＤＮＡ分子を固着する。固着した後に、マイクログリッパー１７の両先端部を溶液中から引き上げれば、ＤＮＡ分子を空中で保持することができる。両先端部の間隔を可変にしておけば、弛みのない状態でＤＮＡ分子を保持することができる。ＳＰＭ用カンチレバー１０の探針１２をＤＮＡ分子の伸長方向に走査し、凹凸変化（変位）を測定することにより、ＤＮＡの塩基配列等の情報を得ることができる。図８（ａ）では、Ａ−Ｂ間における付着物質が確認され、図８（ｂ）では、Ｃ−Ｄ間における金コロイド微粒子の大きさや量が検出される。   The DNA molecules as the linear sample S are held by a pair of microgrippers 17 at both ends. The holding method is performed as follows, for example. When an electric field is applied to both ends of the DNA molecule in the solution, the DNA molecule is attracted to the electrode and stretched by electrostatic orientation. A high frequency electric field is applied to both ends of the micro gripper 17 to fix the DNA molecules extended at both ends. After fixing, the DNA molecules can be held in the air by pulling up both ends of the micro gripper 17 from the solution. If the distance between the two tip portions is variable, the DNA molecule can be held without sagging. By scanning the probe 12 of the SPM cantilever 10 in the extending direction of the DNA molecule and measuring the unevenness change (displacement), information such as the DNA base sequence can be obtained. In FIG. 8 (a), the adhering substance between AB is confirmed, and in FIG. 8 (b), the size and amount of colloidal gold particles between CD are detected.

以下、変形例について説明する。
先ず、探針１２のとなる線状突起について説明する。図９は、本実施の形態のＳＰＭ用カンチレバーの変形例を説明するための部分断面図である。前述した図４の工程（ｈ）では、面領域Ｐ１とＰ２の境界部分に三角柱の線状突起２５が形成され、線状突起２５の横断面形状は、図９（ａ）で示される二等辺三角形である。これに対し、図９（ｂ）に示される線状突起２５ａの横断面形状は、面領域Ｐ２側が主面（００１）に垂直な直角三角形である。図９（ｃ）に示される線状突起２５ｂの横断面形状は、２つの斜面が曲面であるが、三角形の一種である。図９（ｄ）に示される線状突起２５ｃの横断面形状は、五角形であり、面領域Ｐ１，Ｐ２から最も離れた稜線Ｔが探針の先端となる。図９（ｂ）〜（ｄ）に示される線状突起は、いずれも紙面の垂直方向に延在する直線状の稜線を有し、本発明に適用できるものである。 Hereinafter, modified examples will be described.
First, the linear protrusion that becomes the probe 12 will be described. FIG. 9 is a partial cross-sectional view for explaining a modification of the SPM cantilever according to the present embodiment. In the step (h) of FIG. 4 described above, a triangular prismatic linear protrusion 25 is formed at the boundary between the plane regions P1 and P2, and the cross-sectional shape of the linear protrusion 25 is isosceles as shown in FIG. It is a triangle. On the other hand, the cross-sectional shape of the linear protrusion 25a shown in FIG. 9B is a right triangle whose surface region P2 side is perpendicular to the main surface (001). The cross-sectional shape of the linear protrusion 25b shown in FIG. 9C is a kind of triangle, although the two inclined surfaces are curved surfaces. The cross-sectional shape of the linear protrusion 25c shown in FIG. 9D is a pentagon, and the ridge line T farthest from the surface regions P1 and P2 is the tip of the probe. Each of the linear protrusions shown in FIGS. 9B to 9D has a linear ridge line extending in the direction perpendicular to the paper surface, and can be applied to the present invention.

上記の変形例について製造工程を説明する。図９（ｂ）の場合は、工程（ｄ）〜（ｆ）の代わりに、面領域Ｐ１にレジスト層を形成しておき、ＩＣＰ−ＲＩＥにより面領域Ｐ２をエッチングする。図９（ｃ）の場合は、工程（ｂ）〜（ｆ）の代わりに、工程（ａ）で面領域Ｐ１とＰ２の境界領域に帯状のレジスト層３１を形成しておき、等方性エッチングをする。図９（ｄ）の場合は、工程（ｋ）の後に、ＩＣＰ−ＲＩＥにより、上部Ｓｉ層２０を一定深さ除去する。図９（ｂ）、（ｃ）の変形例では、本実施の形態に比べて製造工程が簡略化されており、図９（ｄ）の変形例では、本実施の形態より製造工程が増えるが、Ｚ方向に長い探針が得られる。   A manufacturing process is demonstrated about said modification. In the case of FIG. 9B, instead of the steps (d) to (f), a resist layer is formed on the surface region P1, and the surface region P2 is etched by ICP-RIE. In the case of FIG. 9C, instead of steps (b) to (f), a strip-like resist layer 31 is formed in the boundary region between the plane regions P1 and P2 in step (a), and isotropic etching is performed. do. In the case of FIG. 9D, after the step (k), the upper Si layer 20 is removed to a certain depth by ICP-RIE. In the modified examples of FIGS. 9B and 9C, the manufacturing process is simplified as compared with the present embodiment. In the modified example of FIG. 9D, the manufacturing process is increased as compared with the present embodiment. A probe that is long in the Z direction can be obtained.

次の変形例は、使用する材料に関するものである。本実施の形態では、ＳＯＩウエハを用いたが、単結晶のＳｉウエハを用いることもできる。Ｓｉウエハを用いる場合は、上述した工程（ｉ）におけるＩＣＰ−ＲＩＥのエッチング作用を停止させる働きをもつＳｉＯ_２層３０が存在しないので、ＩＣＰ−ＲＩＥの条件を制御する必要がある。Ｓｉウエハの{１００}面に対して、５μｍのエッチング深さを得るには、例えば、高周波電力６００Ｗで、ＳＦ_６を反応ガスとしたエッチング工程を１２秒、Ｃ_４Ｆ_８を反応ガスとしたポリマー堆積工程を８秒の合計２０秒を１サイクルとして７サイクルの処理を行う。Ｓｉウエハは、ＳＯＩウエハよりも安価であり、工程（ｉ）のみを変更するだけで、他の総ての工程は本実施の形態と同様であるので、更なる製造コストの削減が可能となる。
なお、本発明は、その特徴を損なわない限り、以上説明した実施の形態に何ら限定されない。 The following variant relates to the material used. Although an SOI wafer is used in this embodiment mode, a single crystal Si wafer can also be used. In the case of using a Si wafer, since there is no SiO ₂ layer 30 having a function of stopping the etching action of ICP-RIE in the above-described step (i), it is necessary to control the conditions of ICP-RIE. In order to obtain an etching depth of 5 μm with respect to the {100} plane of the Si wafer, for example, an etching process using SF ₆ as a reactive gas at a high frequency power of 600 W is used for 12 seconds and C ₄ F ₈ is used as a reactive gas. The polymer deposition process is performed for 7 cycles, with 8 seconds totaling 20 seconds as one cycle. Since the Si wafer is cheaper than the SOI wafer, and only the process (i) is changed, all other processes are the same as those in the present embodiment, so that the manufacturing cost can be further reduced. .
The present invention is not limited to the above-described embodiment as long as the characteristics are not impaired.

本発明の実施の形態に係るカンチレバーを取り付けたＳＰＭの主要部の構成を模式的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows typically the structure of the principal part of SPM which attached the cantilever which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの構造を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the structure of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ａ〜ｄ）を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing process (ad) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｅ〜ｈ）を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing process (eh) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｉ〜ｌ）を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for demonstrating the manufacturing process (i-1) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｄ）のレジストパターン形状を説明するためのウエハ上面図である。It is a wafer top view for demonstrating the resist pattern shape of the manufacturing process (d) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーの製造工程（ｋ）におけるＳＰＭ用カンチレバーの形状を示す部分斜視図である。It is a fragmentary perspective view which shows the shape of the cantilever for SPM in the manufacturing process (k) of the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態に係るＳＰＭ用カンチレバーを用いた測定例を説明する概念図である。It is a conceptual diagram explaining the example of a measurement using the cantilever for SPM which concerns on embodiment of this invention. 本発明の実施の形態の変形例を説明するための部分断面図である。It is a fragmentary sectional view for explaining a modification of an embodiment of the invention.

符号の説明Explanation of symbols

１０：ＳＰＭ用カンチレバー
１１：レバー
１２：探針
１２ａ：稜線
１３：支持体
１４：ホルダー
２０：上部Ｓｉ層
３０：ＳｉＯ_２層
３０：下部Ｓｉ層
２５，２５ａ，２５ｂ，２５ｃ：線状突起
１００：ＳＯＩウエハ 10: SPM cantilever 11: lever 12: probe 12a: ridge 13: support 14: holder 20: upper Si layer 30: SiO ₂ layer 30: lower Si layer 25, 25a, 25b, 25c: linear protrusion 100: SOI wafer

Claims (4)

レバー部の一端に探針部、他端に支持部が一体に形成された走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーであって、
前記探針部は、前記レバー部の厚さ方向に突出し、前記レバー部の長さ方向に延在する所定長さを有する線状突起であり、
前記探針部の先端は、前記線状突起の稜線であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。 A cantilever for a scanning probe microscope in which a probe portion is integrally formed at one end of a lever portion and a support portion is integrally formed at the other end,
The probe portion is a linear protrusion having a predetermined length protruding in the thickness direction of the lever portion and extending in the length direction of the lever portion,
The tip of the probe portion is a ridge line of the linear protrusion, a cantilever for a scanning probe microscope. 請求項１に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、
前記線状突起は、三角柱であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。 The cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1,
The cantilever for a scanning probe microscope, wherein the linear protrusion is a triangular prism. 請求項１または２に記載の走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーにおいて、
前記線状突起の稜線の長さは、５〜５０μｍの範囲であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバー。 The cantilever for a scanning probe microscope according to claim 1 or 2,
A cantilever for a scanning probe microscope, wherein the length of the ridge line of the linear protrusion is in the range of 5 to 50 μm. レバー部の一端に探針部、他端に支持部を備える走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法において、
半導体基板の表面を部分除去することにより、前記半導体基板の表面に沿って２つの面が交叉して生ずる稜線を有する線状突起を探針部として作製する工程と、
前記半導体基板の表面をさらに部分除去することにより、前記線状突起を含む領域に帯状突起を形成する工程と、
前記半導体基板の裏面を部分除去することにより、前記帯状突起をレバー部として作製し、除去しない部分を支持部として作製する工程とを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡用カンチレバーの製造方法。 In the method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope provided with a probe part at one end of the lever part and a support part at the other end,
A step of partially removing a surface of the semiconductor substrate to produce a linear protrusion having a ridge line formed by crossing two surfaces along the surface of the semiconductor substrate as a probe portion;
Forming a band-shaped protrusion in a region including the linear protrusion by further partially removing the surface of the semiconductor substrate;
A method of manufacturing a cantilever for a scanning probe microscope, comprising: removing the back surface of the semiconductor substrate partially to produce the band-like protrusion as a lever portion and producing a portion not to be removed as a support portion.

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