JP2984094B2

JP2984094B2 - 表面観察装置用プローブおよびその製造方法ならびに表面観察装置

Info

Publication number: JP2984094B2
Application number: JP3170012A
Authority: JP
Inventors: 伸司田中; 佐藤　　一雄; 隆田勢; 純男保坂; 幸雄本多; 毅大西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1991-07-10
Filing date: 1991-07-10
Publication date: 1999-11-29
Anticipated expiration: 2014-11-29
Also published as: JPH0518740A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は導体、絶縁体、磁性体
試料と探針とを接近したときに発生する原子間力、磁気
力、トンネル電流を利用する装置たとえば原子間力顕微
鏡、磁気力顕微鏡、トンネル顕微鏡、その類似装置に用
いる表面観察装置用プローブおよびその製造方法ならび
に表面観察装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】走査型トンネル顕微鏡は、探針と試料と
の間に電圧を印加し、探針と試料との距離を接近したと
きに得られるトンネル電流および電界放射電流を利用し
て、導体試料の表面形態を調べる装置である。一方、原
子間力顕微鏡は、導体、絶縁体試料に探針を接近したと
きに発生する原子間力を利用して表面状態を調べる装置
である。また、磁気力顕微鏡は、探針として磁性体を用
い、この磁性探針と磁性試料の間に発生する磁気力を利
用して試料の磁化状態を調べる装置である。

【０００３】すなわち、原子間力顕微鏡や磁気力顕微鏡
は、探針（チップ）と試料表面の相互作用によって生ず
る引力あるいは斥力を探針を設置したプレート（カンチ
レバー）の変位に変換して試料の表面情報を検出する装
置である。

【０００４】図２０は従来の表面観察装置用プローブを
示す斜視図である。この表面観察装置用プローブにおい
ては、保持板３にプレート２が接着されており、プレー
ト２に探針１が設けられている。

【０００５】このような表面観察装置用プローブを製造
するにはつぎのようにする。すなわち、まず図２１(ａ)
に示すように、シリコン基板４に半導体リソグラフィ技
術、異方性エッチングにより凹部５を設ける。つぎに、
図２１(ｂ)に示すように、シリコン基板４の表面を熱酸
化することにより、酸化シリコン膜からなるプレート２
を形成する。つぎに、図２１(ｃ)に示すように、プレー
ト２に保持板３を接着する。つぎに、図２１(ｄ)に示す
ように、シリコン基板４をエッチングにより除去する。

【０００６】なお、磁性探針と試料とを接近して得られ
る磁気力を利用した走査型磁気力顕微鏡における試料の
磁気的情報の取得方法については、ジャーナルオブ
バキュームサイエンステクノロジー（J. Vac. Sci.
Technol.）Ａ６（１９８８年）２７９〜２８２頁ある
いはアプライドフィジックスレターズ、５０巻（１９
８７年）１４５５〜１４５７頁において論じられてお
り、また原子間力顕微鏡用のプローブ製造方法について
は、特開平１−２６２４０３号公報、ジャーナルオブ
バキュームサイエンステクノロジーＡ６、巻２
号（１９８８）２７１頁およびジャーナルオブバキ
ュームサイエンステクノロジーＡ、８巻、４号
（１９９０）３３８６頁において論じられている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような表面観察装
置用プローブにおいては、シリコン基板４に別の基板を
接着して保持板３を形成し、シリコン基板４をエッチン
グにより除去しなければならないから、容易に製造する
ことができず、製造コストが高価になる。また、原子間
力顕微鏡や磁気力顕微鏡でＬＳＩや磁気ディスク基板の
微細な深溝構造や磁区を観察するためには、顕微鏡に搭
載する探針１の先端を長くしかも鋭利にして、試料表面
をプロービングし易い構造にする必要がある。しかし、
従来の表面観察装置用プローブにおいては、シリコン基
板４の異方性エッチングにより探針１を有するプレート
２を形成しているため、たとえば（１００）面を異方性
エッチングして形成した探針１の頂角θは約７０．６度
と大きく、しかも探針１の先端部の曲率半径も大きいた
めに、高分解能の表面情報を再現性良く得ることが困難
である。また、探針１に磁性体を付着して磁性プローブ
を構成したとき、先端部以外に付着した磁性体により試
料表面の漏洩磁界分布が乱され、その結果磁気力情報の
分解能が低下する。また、プローブを支持・固定する保
持板３の形状が適切でなく、試料が僅かに傾くと、保持
板３の角部が試料に接触して、測定できない。

【０００８】この発明は上述の課題を解決するためにな
されたもので、製造コストが安価となり、高分解能、高
感度の原子間力や磁気力等の表面観察に好適な表面観察
装置用プローブおよびその製造方法ならびに表面観察装
置を提供するを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、この発明においては、探針と、試料と上記探針との
間に作用した力を変位に変換するプレートとを有する表
面観察装置用プローブにおいて、上記探針を上記プレー
トと一体で形成し、上記プレートの上記探針が突き出し
ている側と反対側の面に保持板を上記プレートと一体に
構成し、上記保持板の上記プレート突出部の側壁面の左
右の角部を欠落する。

【００１０】

【００１１】また、上記保持板の上記プレート突出部の
側壁面の傾斜角度を上記プレートの面に対して０〜９０
度とする。

【００１２】また、上記保持板の上記プレート突出部の
側壁面の幅を上記プレートの幅よりも大きくする。

【００１３】また、上記プレートの一部にトンネル電流
検出用の針を設ける。

【００１４】この場合、上記トンネル電流検出用の針を
上記探針と一体で形成する。

【００１５】また、探針と、試料と上記探針との間に作
用した力を変位に変換するプレートとを有する表面観察
装置用プローブを製造する方法において、シリコン基板
に形成した酸化シリコンまたは窒化シリコンの薄膜を素
材として上記探針および上記プレートを形成し、上記シ
リコン基板を加工することにより上記プレート突出部の
側壁面の左右の角部を欠落した保持板を形成する。

【００１６】この場合、上記シリコン基板を異方性エッ
チングで加工した突起部の斜面に上記探針を形成し、上
記突起部の斜面の下部の平坦面に上記プレートを形成
し、上記シリコン基板の一部で上記保持板を形成する。

【００１７】この場合、上記シリコン基板の面を（１０
０）面に対して０〜２０度の範囲で傾斜する。

【００１８】また、上記探針の面に磁性体を付着する。

【００１９】また、上記探針の先端を集束イオンビーム
で鋭利に加工する。

【００２０】また、上記プレートの一端に探針材料を移
植して上記探針を形成し、集束イオンビームで上記探針
の頂角を５５度以下に鋭く尖らせる。

【００２１】また、上記探針および上記プレートの面に
磁性体を付着したのちに、上記探針を構成する部分以外
の面の上記磁性体を集束イオンビームで除去する。

【００２２】また、探針と、試料と上記探針との間に作
用した力を変位に変換するプレートとを有する表面観察
装置用プローブおよび上記表面観察装置用プローブの変
位を検出する変位検出手段を有する表面観察装置におい
て、上記探針を上記プレートと一体で形成し、上記プレ
ートの上記探針が形成されている側と反対側の面に保持
板を上記プレートと一体に構成し、上記保持板の上記プ
レート突出部の側壁面の左右の角部を欠落する。

【００２３】この場合、上記探針の長さを３μｍ以上と
する。

【００２４】また、上記探針の材質と上記プレートの材
質とを相違させる。

【００２５】また、上記探針の頂角を５５度以下とし、
上記探針の最先端部の曲率半径を５０ｎｍ以下とする。

【００２６】また、上記探針の先端部に磁性体を付着す
る。

【００２７】

【作用】この発明の表面観察装置用プローブ、その製造
方法、表面観察装置においては、容易に製造することが
きでる。

【００２８】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
傾斜角度をプレートの面に対して０〜９０度とすれば、
プレートに変位測定手段を接近させやすい。

【００２９】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
左右の角部を欠落すれば、保持板の角部が試料に接触す
ることがない。

【００３０】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
幅をプレートの幅よりも大きくすれば、プレートの保持
板から突出した部分だけがたわむ。

【００３１】また、プレートの一部にトンネル電流検出
用の針を設ければ、端面が平坦な金属棒を用いてトンネ
ル電流を検出することができる。

【００３２】また、トンネル電流検出用の針を探針と一
体で形成すれば、トンネル電流検出用の針を容易に製造
することができる。

【００３３】また、シリコン基板を異方性エッチングで
加工した突起部の斜面に探針を形成し、突起部の斜面の
下部の平坦面にプレートを形成し、シリコン基板の一部
で保持板を形成すれば、容易に製造することがきでる。

【００３４】また、シリコン基板の面を（１００）面に
対して０〜２０度の範囲で傾斜すれば、プレートの面と
探針の面とのなす角を５４．７度±２０度の範囲で任意
に定めることができる。

【００３５】また、探針の面に磁性体を付着すれば、磁
気顕微鏡のプローブとして使用することができる。

【００３６】また、探針の先端を集束イオンビームで鋭
利に加工すれば、解像度を向上することができる。

【００３７】また、プレートの一端に探針材料を移植し
て探針を形成し、集束イオンビームで探針の頂角を５５
度以下に鋭く尖らせれば、解像度を向上することができ
る。

【００３８】また、探針およびプレートの面に磁性体を
付着したのちに、探針を構成する部分以外の面の磁性体
を集束イオンビームで除去すれば、漏洩磁界分布が乱さ
れることがない。

【００３９】また、探針の長さを３μｍ以上とすれば、
アスペクト比の大きい起伏を有する試料の表面情報を得
ることができる。

【００４０】また、探針の頂角を５５度以下とし、探針
の最先端部の曲率半径を５０ｎｍ以下とすれば、正確な
試料の表面情報を得ることができる。

【００４１】また、探針の先端部に磁性体を付着すれ
ば、磁気顕微鏡として使用することができる。

【００４２】

【実施例】図１はこの発明に係る表面観察装置用プロー
ブを示す概観斜視図、図２は同じく断面図である。この
表面観察装置用プローブは、針状の探針１１と三角形状
のプレート１２と保持板１３とで構成され、探針１１は
プレート１２と異なった角度で形成されている。また、
プレート１２を固定・保持する保持板１３が探針１１が
突き出している側と反対側に形成されている。保持板１
３のプレート１２突出部の側壁面１６はプレート１２の
面に対して９０度以下の角度を有しており、側壁面１６
の左右の角部には斜面１５が設けられている。プレート
１２の一端を支えるために、側壁面１６はプレート１２
の幅よりも大きな辺を有し、プレート１２だけが撓むこ
とのできる構造となっている。

【００４３】ここで、プレート１２の幅に対する保持板
１３の幅は５０倍以下に設定するのが望ましい。この場
合、保持板１３の幅を小さくすること以外に左右の角部
を欠落させた構造にすれば、保持板１３が左右に傾くこ
とによる試料への接触現象を防止することができる。ま
た、探針１１の頂角は高分解能の表面情報を得るために
５５度以下、望ましくは３０度以下にするのがよい。さ
らに、探針１１の先端部の曲率半径を５０ｎｍ以下にす
るのが望ましい。また、アスペクト比の大きい起伏を有
する試料の表面情報を得ることを可能とするために、探
針１１の長さを３μｍ以上とするのが望ましい。また、
高感度の力検出のために、プレート１２のバネ定数は３
Ｎ／ｍ以下にするのが望ましい。

【００４４】図３はこの発明に係る表面観察装置用プロ
ーブを示す概観斜視図である。この表面観察装置用プロ
ーブにおいては、プローブの取扱易さを考慮して、保持
板１３全体を大きくして、プレート１２を支える突出し
部８０を設けている。保持板１３は突出し部８０の左右
の部分が大きく取り除かれている。

【００４５】なお、上述の表面観察装置用プローブで
は、探針１１の頂角とプレート１２部の開き角度とを等
しくしているが、図４、図５に示すように、探針１１の
頂角θ₁をプレート１２の開き角度θ₂より小さく設定す
れば、プローブの横ぶれに対する安定性を図ることがで
きる。

【００４６】つぎに、図１に示した表面観察装置用プロ
ーブの使用例を図６を用いて説明する。図６はこの発明
によるプローブを原子間力顕微鏡に適用した例を示す。
探針１１と試料５０との間に生じる原子間力が一定に保
たれるようにサーボするためのトンネル電流検出用のＳ
ＴＭの針４０はプレート１２の上部にセッティングされ
ており、プローブが試料の表面をトレースすることによ
って表面の形状を測定することができる。この発明にお
けるプローブの探針１１は通常用いられる原子間力顕微
鏡用のプローブの針先に比べて長く、しかも試料５０の
表面に対してほぼ垂直に置かれるので、ＬＳＩの深溝形
状、光ディスクの孔形状、磁気ディスクの表面形状を精
密に測定するのに好適な形状となっている。

【００４７】図７は図１に示した表面観察装置用プロー
ブの変位計測を光で行なうときの測定系の構成を示す。
すなわち、光源６０から発するレーザ光７０がビームス
プリッタ６１を通過して一部はプローブのプレート１２
に達し、残りは検出器６２に達する。レーザ光７０はあ
るスポット径を持っているので、プレート１２に向かう
レーザ光７０の一部がプレート１２から外れる場合もあ
りうるが、外れた光は図の破線で示す光路７１を通り、
プレート１２で反射した光だけが元の光路を経てビーム
スプリッタ６１を通って検出器６２に達する。そして、
光源６０からビームスプリッタ６１を経て直接検出器６
２に達した光とプレート１２で反射した光に位相差の相
違を生じる。この結果、光の干渉を生じるので検出器６
２によって光の強弱を検出して変位の測定が可能にな
る。

【００４８】この発明におけるプローブを用いれば、試
料５０からの反射光は検出されないので、正規の信号に
対する雑音の比（Ｓ／Ｎ比）は大きくなるから、測定感
度を向上することができる。また、保持板１３の角部を
欠落したときには、プローブが試料５０に対して相対的
にわずか回転した状態で設置されても、保持板１３が試
料５０に接触しにくい。また、プローブのプレート１２
に対する保持板１３のプレート突出部の側壁面１６の傾
斜を９０度以下にすれば、ＳＴＭの針４０等の変位測定
手段を接近させやすい。このように、この発明のプロー
ブは操作性に優れ、表面観察装置用プローブとしても極
めて好適な形状である。

【００４９】その他のプローブとして、図８(ａ)〜(ｃ)
に示すように、探針１１の形状を同一にして、プレート
１２の形状を様々に変化させる構造が考えられる。

【００５０】また、極微細な溝を観察するには、探針１
１の先端部のアスペクト比を大きくし、さらに鋭利にす
る必要があるが、この手段として集束イオンビームを用
いた加工がある。イオンビームの直径は適当な集束用の
レンズを用いれば０．１μｍ以下に集束させることが可
能である。図９はこのような目的で加工した探針１１の
先端を示す。

【００５１】一方、磁気ディスク表面の磁区を測定する
ために、図１０に示すように、プローブの先端に磁性材
１８を添付して、磁気顕微鏡用のプローブとして用いる
こともできる。また、磁性材１８を添付したプローブの
先端を集束イオンビームで加工し、さらに鋭利な針先を
形成して解像度を向上させることも可能である。

【００５２】図１１はこの発明における別形状のプロー
ブを示す。すなわち、プローブ自身がプレート１２の上
にトンネル電流を検出するための針２７を有している。
この場合、針２７の材料が誘電体であれば、表面に予め
Ｃｒ、Ａｕ等の金属を蒸着させることによって、トンネ
ル電流の検出が可能である。すなわち、図１に示したプ
ローブでは、プレート１２の変位をトンネル電流で検出
するために、図６に示すように、プレート１２にＳＴＭ
の針４０を接近させるが、図１１に示すプローブでは、
ＳＴＭの針４０の替わりに端面が平坦な金属棒を用い、
検出されたトンネル電流が一定となるように金属棒をピ
エゾ素子等で位置制御することで、試料の表面形状を計
測することができる。

【００５３】なお、プローブの材質としてはＳｉ、酸化
シリコン、窒化シリコン、ダイヤモンド、Ｗ、Ｎｉ、ス
テンレス鋼等を用いることができる。

【００５４】つぎに、これまで述べた各プローブの製造
方法を詳細に説明する。

【００５５】初めに、図１３により図１に示したプロー
ブの製造方法を説明する。まず、図１３(ａ)に示すよう
に、（１００）を面方位とするシリコン基板１９に熱拡
散によって酸化シリコン膜２１を形成する。つぎに、図
１３(ｂ)に示すように、レジストを塗布して、酸化シリ
コン膜２１の開口パターンを形成する。つぎに、図１３
(ｃ)に示すように、水酸化カリウム等のアルカリ系の水
溶液で異方性エッチングを行なうことにより、突起部の
斜面３０を形成する。この時に生じる斜面３０はエッチ
レートの遅い（１１１）面で、シリコン基板１９の（１
００）面に対して約５４．７度傾いている。つぎに、図
１３(ｄ)に示すように、酸化シリコン膜２１を除去し、
シリコン基板１９の全面に酸化シリコン膜１４を形成す
る。つぎに、図１３(ｅ)に示すように、斜面３０が形成
された側にレジスト３１を塗布する。つぎに、図１３
(ｆ)に示すように、露光・現像を行なって、レジストパ
ターン３２を形成する。このレジストパターン３２をマ
スクとしてフッ化水素酸とフッ化アンモニウムとの混合
液等で酸化シリコン膜１４をエッチングすると、図１３
(ｇ)に示すように、斜面３０に形成される探針１１と、
斜面３０下部のエッチングで低くなった（１００）面に
形成されるプレート１２とからなるプローブパターン１
３０がシリコン基板１９に形成される。この後、図１３
(ｈ)に示すように、シリコン基板１９の裏面にエッチン
グするための開口部３３を形成する。最後に、図１３
(ｉ)に示すように、ＫＯＨ等のアルカリ水溶液で再びシ
リコン基板１９を異方性エッチングする。

【００５６】この製造方法においては、検針１１を（１
１１）面に形成して、しかもプレート１２を斜面３０よ
りも低くなった（１００）面に形成するから、探針１１
の先端側にシリコンが存在しない。この結果、もう一つ
の基板にプローブを接合した後にシリコン基板１９をエ
ッチングですべて除去するような煩雑な工程を省略する
ことができ、安価なプローブを提供することができる。

【００５７】なお、この製造方法において、シリコン基
板１９の面が（１００）面に一致していると、プレート
１２の面と探針１１の面とのなす角度は５４．７度とな
る。一方、シリコン基板の面が（１００）面に対して０
〜２０度の範囲で傾斜させれば、プレート１２の面と探
針１１の面とのなす角を５４．７度±２０度の範囲で任
意に制御できる。また、マスクパターンの適切な選択に
よって、保持板１３の角部の欠落の量を制御することが
できる。このとき、斜面１５とは法線方向が異なった面
が現れる可能性もある。また、この実施例では一般の半
導体プロセスで良く用いられる面方位が（１００）のシ
リコンウエハについての製造方法について述べたが、イ
ンゴットからのシリコンウエハの切り出し方向を適当に
選択すれば、斜面３０のシリコン基板１９の面に対する
傾斜角度を０〜９０度の間で任意に変化させることがで
きる。また、保持板１３の角部の加工はマイクログライ
ンダを用いた機械加工によっても可能である。

【００５８】つぎに、図１４により図１０に示すプロー
ブの製造方法を説明する。まず、図１４(ａ)に示すよう
に、図１３(ａ)〜(ｈ)と同様のプロセスで酸化シリコン
膜のプローブパターン１３０を形成する。つぎに、図１
４(ｂ)に示すように、レジスト３７を塗布した後、図１
４(ｃ)に示すように、露光・現像によってレジストの開
口パターン３４を探針１１の先端に形成する。つぎに、
図１４(ｄ)に示すように、磁性材膜３５を蒸着によって
形成した後、図１４(ｅ)に示すように、レジスト３７を
除去すると、探針１１にのみ磁性材１８が付着する。つ
ぎに、図１４(ｆ)に示すように、ＫＯＨ等のアルカリ水
溶液でシリコン基板１９を異方性エッチングすれば、磁
気顕微鏡用のプローブを形成できる。

【００５９】なお、磁性材１８の形成方法として、レジ
ストを用いたリフトオフ法を用いたが、小さな開口を有
するマスクを用いて探針１１の先端にだけ磁性材を蒸着
することも可能である。

【００６０】つぎに、図１５により図１１、図１２に示
したプローブの製造方法を説明する。まず、図１５(ａ)
に示すように、図１３(ａ)〜(ｄ)と同様にして、シリコ
ン基板１９に斜面３０を形成した後、酸化シリコン膜２
２を熱拡散によって形成する。つぎに、図１５(ｂ)に示
すように、斜面３０を有する面へのレジスト塗布、露光
および現像の工程により、レジストに正方形の開口パタ
ーンを形成し、このレジストをマスクとしてフッ化水素
酸とフッ化アンモニウムとの混合液を用いて酸化シリコ
ン膜２２のエッチングを行ない、レジストを除去して、
酸化シリコン膜２２に正方形の開口パターン３８を形成
する。つぎに、図１５(ｃ)に示すように、酸化シリコン
膜２２をマスクとしてシリコンの異方性エッチングを行
なうことにより、四角錐状の凹部３９を形成する。つぎ
に、図１５(ｄ)に示すように、酸化シリコン膜２２を全
て除去し、再び酸化シリコン膜１４をシリコン基板１９
の全面に形成する。つぎに、図１５(ｅ)に示すように、
レジスト３６を塗布する。つぎに、図１５(ｆ)に示すよ
うに、レジスト３６を露光・現像して、プローブ形状の
レジストパターンを形成し、これをマスクとしてフッ化
水素酸とフッ化アンモニウムとの混合液を用いて下層の
酸化シリコン膜１４をエッチングし、レジスト３６を除
去する。この結果、酸化シリコン膜１４のプローブパタ
ーン１３１が得られる。つぎに、図１５(ｇ)、(ｈ)に示
すように、図１３(ｈ)、(ｉ)と同様にして、斜面３０を
形成した面の裏側に適当なパターニングを行なってシリ
コン基板１９をエッチングすることによって、プレート
１２にトンネル電流を検出する四角錐状の針２７が形成
されたプローブが得られる。

【００６１】つぎに、上述した各プローブのプレート１
２を支えるための保持板１３の製法について説明する。
保持板１３の両サイドは試料に接触しないように角部が
削られた構造となっているが、このような構造とするた
めには、図１６に示すように、あらかじめ角を落したマ
スクパターンを用いることで形成可能である。すなわ
ち、斜面３０を形成したシリコン基板１９の面に両サイ
ドの角を落したパターン４１を形成し、裏側にはそれよ
りもやや大きめに角を取ったパターン４２を形成する。
その後、水酸化カリウムの水溶液でエッチングすると、
図１に示すプローブまたはそれに類似のプローブを得る
ことができる。

【００６２】なお、上述のプローブの製造方法において
は、熱拡散による酸化シリコン（ＳｉＯ₂）を用いた
が、これはＣＶＤによる窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）、他
のセラミック材料で代用することも可能である。また、
上述のプローブの製造方法においては、フッ化水素酸
（ＨＦ）とフッ化アンモニウム（ＮＨ₄Ｆ）との混合液
によるウエットエッチングを用いて酸化シリコン膜をパ
ターニングしたが、ＨＦやＣＨＦ₃等のガスを用いたド
ライエッチングでも同様にパターニングが可能である。

【００６３】図１７はこの発明に係る他の表面観察装置
用プローブを示す斜視図である。この表面観察装置用プ
ローブを製造するには、まず半導体リソグラフィ技術な
どにより一端が保持板１４４に固定された片持ちのプレ
ート１４２を作製する。ここで、プレート１４２の材料
としては、剛性が高く比重の小さいものたとえばＳｉＯ
₂が望ましい。つぎに、プレート１４２の自由端側に探
針１４６を付着する。この工程は、集束イオンビームを
用いた移植技術により行なう。すなわち、探針部材をた
とえば圧電素子を用いた移動機構で保持し、直径０．１
μｍ以下に小さく収束したイオンビームによりプレート
１４２の先端部の二次電子像を観察しながら、探針部材
をプレート１４２の所望の位置に搬送する。つぎに、ガ
リウム集束イオンビームにより探針部材の一部をスパッ
タリングすることにより、プレート１４２に探針部材を
接着する。さらに、集束イオンビームを探針１４６の先
端部に照射し、鋭い形態に加工する。これにより探針１
４６の頂角θを約２０度、先端部の曲率半径を５０ｎｍ
以下に加工する。なお、探針１４６の頂角θは、加工時
の集束イオンビームの走査方向を任意に変えることによ
り、任意に変化できる。また、探針１４６を構成する探
針部材の材質はプレート１４２と異種もしくは同種のい
ずれでも効果は同じである。この実施例では、Ｗ、Ｎ
ｉ、ＴｉＣ、Ｆｅ、ＬａＢ₆などを探針部材として用い
たが、いずれも同様の高分解能表面情報の検出効果を持
った原子間力顕微鏡用の探針を得ることができた。

【００６４】また、探針１４６の先端部に磁性体を蒸着
し、高分解能の磁気力顕微鏡用の磁性探針を得ることが
できた。磁性探針用の磁性体材料としてはＣｏ、Ｆｅを
主成分とし、これにＮｉ、Ｃｒ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎな
どを添加した合金あるいは多層膜あるいは酸化物を使用
する。磁性探針の磁化容易軸の向きを制御するために、
蒸着時の蒸着方向を０〜９０度の範囲で変化した。磁性
探針の飽和磁化は１００ｋＡ／ｍ以上、保磁力は８０Ａ
／ｍ以上が望ましく、これらの特性は磁性材料の組成や
蒸着時の温度を適切に選ぶことにより、任意に制御でき
る。磁性探針の飽和磁化は、ＣｏまたはＦｅあるいはＮ
ｉの含有量を７５ａｔ％以上とすることにより１００ｋ
Ａ／ｍ以上の値を達成した。また、Ｃｏ、Ｆｅ、Ｎｉに
５〜２５ａｔ％のＣｒ、Ｐｔ、Ｚｒ、Ｃ、Ｎあるいは酸
素を添加することにより８０Ａ／ｍ以上の保磁力を達成
した。

【００６５】この実施例では、ＳｉＯ₂を用いた場合に
ついて説明したが、Ｓｉ、Ｓｉ₃Ｎ₄、Ｗ、Ｍｏ、ダイヤ
モンド状カーボンあるいはステンレス鋼を用いて同様の
構成のプレートを作製しても、いずれも同様の効果が得
られることはいうまでもない。

【００６６】図１８はこの発明に係る他の表面観察装置
用プローブの製造方法の説明図である。この表面観察装
置用プローブの製造方法においては、まず図１８(ａ)に
示すように、半導体リソグラフィ技術により、プレート
１２と探針１１とが一体に構成されたプローブを作製す
る。ここで、プレート１２、探針１１はＳｉＯ₂で構成
されており、これらはお互いに異なった角度で接続され
ている。また、プレート１２、探針１１の厚さは約１μ
ｍ、長さは約１８０μｍで、バネ定数は約１Ｎ／ｍであ
った。つぎに、図１８(ｂ)に示すように、探針１１の片
面に磁性材１８をスパッタリング法により付着する。つ
ぎに、集束イオンビームを用いて探針１１をスパッタリ
ング加工し、頂角θが約１８度、先端部の曲率半径が約
４０ｎｍの先端が鋭く尖った探針１１を作製した。同時
に探針１１以外のプレート１２の面に付着した磁性体は
集束イオンビームによりスパッタリング加工することに
より除去した。これにより高感度、高分解能の磁気情報
検出に適した磁性探針を得ることができた。この実施例
において、磁性材１８を付着する工程を省くことによ
り、同様に探針１１の頂角が小さく、高分解能表面情報
検出に適した原子間力顕微鏡用の探針を得ることができ
た。

【００６７】なお、この実施例では、酸化シリコンでプ
レート１２、探針１１を構成した場合を説明したが、プ
レート、探針を窒化シリコン、Ｗ、Ｎｉ等で構成しても
よいことはいうまでもない。

【００６８】この発明により作製した探針を用いて原子
間力や磁気力を検出する表面観察装置を第１９図により
説明する。まず、探針１４６の先端が試料１５２の面に
対して垂直になるように設置する。この探針１４６およ
びプレート１４２の両面にはＡｕ、Ｐｔなどの電気導電
性の被覆層１５３を形成する。つぎに、先端が鋭く尖っ
たＷ線、Ｐｔ線等からなるＳＴＭの針１５５をプレート
１４２の試料１５２と反対側の面に接近させて設置し、
プレート１４２の面と針１５５との間のトンネル電流を
検出することにより、試料１５２と探針１４６との間に
作用する原子間力あるいは磁気力によるプレート１４２
の変位を検出する。このようにして、磁性試料の表面に
おける漏洩磁界によるプレート１４２の変位を検出し、
この結果より磁性試料の磁区構造などの磁気力情報を得
る。また、非磁性試料と探針１４６との間に作用する原
子間力によるプレート１４２の変位を検出することによ
り、表面形態等の表面情報を得る。

【００６９】なお、磁性探針の表面に被覆層を形成する
ことにより、空気中や真空中あるいは各種ガス雰囲気で
長時間動作しても、再現性のよい測定ができる。また、
被覆層としては、Ｐｔの他にＲｕ、Ｒｈ、Ａｕ、Ｐｄお
よびこれを含む合金を用いても効果は同じである。ま
た、この実施例では、プレート１４２の変位の検出手段
としてプレート１４２の面と針１５５との間のトンネル
電流を用いて説明したが、プレート１４２の後方にレー
ザービームなどを照射して行なう光干渉法や光てこ法な
どの光学的な変位を検出する手段あるいは静電容量検出
器による手段を用いてもよいことはいうまでもない。

【００７０】

【発明の効果】以上の説明したように、この発明の表面
観察装置用プローブ、その製造方法、表面観察装置にお
いては、容易に製造することがきでるから、製造コスト
が安価である。

【００７１】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
傾斜角度をプレートの面に対して０〜９０度とすれば、
プレートに変位測定手段を接近させやすいから、測定を
容易に行なうことができる。

【００７２】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
左右の角部を欠落すれば、保持板の角部が試料に接触す
ることがないから、確実に測定を行なうことができる。

【００７３】また、保持板のプレート突出部の側壁面の
幅をプレートの幅よりも大きくすれば、プレートの保持
板から突出した部分だけがたわむから、正確に測定を行
なうことができる。

【００７４】また、プレートの一部にトンネル電流検出
用の針を設ければ、端面が平坦な金属棒を用いてトンネ
ル電流を検出することができるから、容易に検出するこ
とができる。

【００７５】また、トンネル電流検出用の針を探針と一
体で形成すれば、トンネル電流検出用の針を容易に製造
することができるから、製造コストが安価である。

【００７６】また、シリコンウエハを異方性エッチング
で加工した突起部の斜面に探針を形成し、突起部の斜面
の下部の平坦面にプレートを形成し、シリコンウエハの
一部で保持板を形成すれば、容易に製造することがきで
るから、製造コストが安価である。

【００７７】また、シリコンウエハの面を（１００）面
に対して０〜２０度の範囲で傾斜すれば、プレートの面
と探針の面とのなす角を５４．７度±２０度の範囲で任
意に定めることができるから、プレートの面と探針の面
とのなす角を適正にすることができる。

【００７８】また、探針の面に磁性体を付着すれば、磁
気顕微鏡のプローブとして使用することができるから、
磁気ディスクの表面の磁区を測定することができる。

【００７９】また、探針の先端を集束イオンビームで鋭
利に加工すれば、解像度を向上することができるから、
正確に測定を行なうことができる。

【００８０】また、プレートの一端に探針材料を移植し
て探針を形成し、集束イオンビームで探針の頂角を５５
度以下に鋭く尖らせれば、解像度を向上することができ
るから、正確に測定を行なうことができる。

【００８１】また、探針およびプレートの面に磁性体を
付着したのちに、探針を構成する部分以外の面の磁性体
を集束イオンビームで除去すれば、漏洩磁界分布が乱さ
れることがないから、磁気力情報の分解能が低下するこ
とはない。

【００８２】また、探針の長さを３μｍ以上とすれば、
アスペクト比の大きい起伏を有する試料の表面情報を得
ることができるから、正確に測定を行なうことができ
る。

【００８３】また、探針の頂角を５５度以下とし、探針
の最先端部の曲率半径を５０ｎｍ以下とすれば、正確な
試料の表面情報を得ることができるから、正確に測定を
行なうことができる。

【００８４】また、探針の先端部に磁性体を付着すれ
ば、磁気顕微鏡として使用することができるから、磁気
ディスクの表面の磁区を測定することができる。

【００８５】このように、この発明の効果は顕著であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明に係る表面観察装置用プローブを示す
斜視図である。

【図２】図１に示した表面観察装置用プローブを示す断
面図である。

【図３】この発明に係る他の表面観察装置用プローブを
示す斜視図である。

【図４】この発明に係る他の表面観察装置用プローブを
示す平面図である。

【図５】図１に示した表面観察装置用プローブを示す断
面図である。

【図６】図１に示した表面観察装置用プローブの使用方
法の説明図である。

【図７】図１に示した表面観察装置用プローブの他の使
用方法の説明図である。

【図８】この発明に係る他の表面観察装置用プローブを
示す斜視図である。

【図９】この発明に係る他の表面観察装置用プローブを
示す斜視図である。

【図１０】この発明に係る他の表面観察装置用プローブ
を示す斜視図である。

【図１１】この発明に係る他の表面観察装置用プローブ
を示す斜視図である。

【図１２】図１１に示した表面観察装置用プローブを示
す断面図である。

【図１３】図１に示した表面観察装置用プローブの製造
方法の説明図である。

【図１４】図１０に示した表面観察装置用プローブの製
造方法の説明図である。

【図１５】図１１、図１２に示した表面観察装置用プロ
ーブの製造方法の説明図である。

【図１６】この発明に係る表面観察装置用プローブの保
持板の製法の説明図である。

【図１７】この発明に係る他の表面観察装置用プローブ
を示す斜視図である。

【図１８】この発明に係る他の表面観察装置用プローブ
の製造方法の説明図である。

【図１９】この発明に係る表面観察装置を示す概略図で
ある。

【図２０】従来の表面観察装置用プローブを示す斜視図
である。

【図２１】図２０に示した表面観察装置用プローブの製
造方法の説明図である。

【符号の説明】

１１…探針１２…プレート１３…保持板１５…傾斜面１６…傾斜面１８…磁性材料２７…針１４２…プレート１４４…保持板１４６…探針

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者保坂純男東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者本多幸雄東京都国分寺市東恋ケ窪一丁目280番地株式会社日立製作所中央研究所内 (72)発明者大西毅茨城県勝田市市毛882番地株式会社日立製作所那珂工場内 (56)参考文献特開平３−96854（ＪＰ，Ａ) 特開昭63−91502（ＪＰ，Ａ) 特開平２−59601（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01B 21/00 - 21/32

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】探針と、試料と上記探針との間に作用した
力を変位に変換するプレートとを有する表面観察装置用
プローブにおいて、上記探針を上記プレートと一体で形
成し、上記プレートの上記探針が突き出している側と反
対側の面に保持板を上記プレートと一体に構成し、上記
保持板の上記プレート突出部の側壁面の左右の角部を欠
落したことを特徴とする表面観察装置用プローブ。
【請求項２】上記保持板の上記プレート突出部の側壁面
の傾斜角度を上記プレートの面に対して０〜９０度とし
たことを特徴とする請求項１に記載の表面観察装置用プ
ローブ。
【請求項３】上記保持板の上記プレート突出部の側壁面
の幅を上記プレートの幅よりも大きくしたことを特徴と
する請求項１に記載の表面観察装置用プローブ。
【請求項４】上記プレートの一部にトンネル電流検出用
の針を設けたことを特徴とする請求項１に記載の表面観
察装置用プローブ。
【請求項５】上記トンネル電流検出用の針を上記探針と
一体で形成したことを特徴とする請求項４に記載の表面
観察装置用プローブ。
【請求項６】探針と、試料と上記探針との間に作用した
力を変位に変換するプレートとを有する表面観察装置用
プローブを製造する方法において、シリコン基板に形成
した酸化シリコンまたは窒化シリコンの薄膜を素材とし
て上記探針および上記プレートを形成し、上記シリコン
基板を加工することにより上記プレート突出部の側壁面
の左右の角部を欠落した保持板を形成することを特徴と
する表面観察装置用プローブの製造方法。
【請求項７】上記シリコン基板を異方性エッチングで加
工した突起部の斜面に上記探針を形成し、上記突起部の
斜面の下部の平坦面に上記プレートを形成し、上記シリ
コン基板の一部で上記保持板を形成したことを特徴とす
る請求項６に記載の表面観察装置用プローブの製造方
法。
【請求項８】上記シリコン基板の面を（１００）面に対
して０〜２０度の範囲で傾斜することを特徴とする請求
項７に記載の表面観察装置用プローブの製造方法。
【請求項９】上記探針の面に磁性体を付着することを特
徴とする請求項６に記載の表面観察装置用プローブの製
造方法。
【請求項１０】上記探針の先端を集束イオンビームで鋭
利に加工することを特徴とする請求項６に記載の表面観
察装置用プローブの製造方法。
【請求項１１】上記プレートの一端に探針材料を移植し
て上記探針を形成し、集束イオンビームで上記探針の頂
角を５５度以下に鋭く尖らせることを特徴とする請求項
６に記載の表面観察装置用探針の製造方法。
【請求項１２】上記探針および上記プレートの面に磁性
体を付着したのちに、上記探針を構成する部分以外の面
の上記磁性体を集束イオンビームで除去することを特徴
とする請求項６に記載の表面観察装置用探針の製造方
法。
【請求項１３】探針と、試料と上記探針との間に作用し
た力を変位に変換するプレートとを有する表面観察装置
用プローブおよび上記表面観察装置用プローブの変位を
検出する変位検出手段を有する表面観察装置において、
上記探針を上記プレートと一体で形成し、上記プレート
の上記探針が形成されている側と反対側の面に保持板を
上記プレートと一体に構成し、上記保持板の上記プレー
ト突出部の側壁面の左右の角部を欠落したことを特徴と
する表面観察装置。
【請求項１４】上記探針の長さを３μｍ以上としたこと
を特徴とする請求項１３に記載の表面観察装置。
【請求項１５】上記探針の材質と上記プレートの材質と
が異なることを特徴とする請求項１３に記載の表面観察
装置。
【請求項１６】上記探針の頂角を５５度以下とし、上記
探針の最先端部の曲率半径を５０ｎｍ以下としたことを
特徴とする請求項１３に記載の表面観察装置。
【請求項１７】上記探針の先端部に磁性体を付着したこ
とを特徴とする請求項１３に記載の表面観察装置。