JP3756470B2 - Cantilever having a plurality of electrodes and manufacturing method thereof - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）や走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）等へ用いる複数の電極を有するカンチレバーおよびその製造方法に係り、特に、カンチレバー先端にナノメートルオーダーのギャップを有する複数電極が設けられたカンチレバーの構造及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いることにより、試料表面のナノメートルオーダーの観測が可能となった。この原子間力顕微鏡の観測部分は、カンチレバーと呼ばれ、片持ち梁で構成されている。
【０００３】
従来、このような分野の技術としては、例えば、以下に開示されるようなものがあった。
【０００４】
（１）小型で高精度のマルチプローブを有する走査型プローブ顕微鏡としては例えば、特開平６−１９５７７７号公報などがある。
【０００５】
（２）トンネル電流乃至は原子間力等を検知するプローブの構造としては、例えば、特開平８−３１３５４３号公報、特開平９−１５９６７７号公報などがある。
【０００６】
かかる従来のプローブにおいては、１本のプローブが単一の電極を有していたり、その構造は、プローブ本体に別体のチップを接合させるようにして構成されていた。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のカンチレバーは試料表面の観測のみに用いられ、観測と同時にナノメートル領域の電気的特性を試料表面と対向又は接する複数の電極を有するカンチレバーを用いて測定することは不可能であった。
【０００８】
また、上記したように、従来のプローブにおいては、１本のプローブは単一の電極を有しているので、プローブ数が増加するとその構造が複雑になり、製造コストが高くなる。
【０００９】
また、プローブの製造工程も増加するので、更なるコストの上昇を招くといった問題があった。
【００１０】
本発明は、上記状況に鑑みて、製造が容易であるとともに、多機能で微細な構造を有する複数の電極を有するカンチレバーおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、
〔１〕複数の電極を有するカンチレバーにおいて、探針を形成するためのカンチレバーを用意し、前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、前記第１の層上にホトレジストを形成してホトリソエッチングによりストライプを形成し、前記ストライプを形成した上に電子線励起堆積法によりアモルファス・カーボンを堆積させ、ブリッジを形成し、酸またはアルカリにより前記第１の層の一部を除去し、前記アモルファス・カーボンをマスクとして電極となる金属膜を蒸着し、エアーギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする。
【００１２】
〔２〕複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、探針を形成するためのカンチレバーを用意し、前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、前記第１の層上にホトレジストを形成して電子線露光を用いてホトレジストを露光し、該ホトレジストによるストライプを形成し、前記ストライプをマスクとして前記第１の層を除去し、金属電極を蒸着し、エアーギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする。
【００１３】
〔３〕複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、探針を形成するカンチレバーを用意し、前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、前記第１の層上にホトレジストを塗布し、ホトリソエッチングによりホトレジストを露光し、ストライプを形成し、前記ストライプをマスクとして前記第１の層を除去し、金属蒸着とリフトオフを行い、金属層を形成し、ギャップを形成する位置に、原子間力顕微鏡を用いた陽極酸化加工を用いて金属電極を酸化して、この金属酸化物の絶縁体を挟んだギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする。
【００１４】
〔４〕上記〔３〕記載の複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、さらに、前記ギャップを形成する位置に、集束イオンビームによるエッチング加工を施し、カンチレバーの一部を除去し、切れ込み部を設けることにより対向電極が形成されることを特徴とする。
【００１５】
〔５〕上記〔１〕、〔２〕、〔３〕又は〔４〕記載の複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、前記ギャップがナノメートルオーダーに形成されることを特徴とする。
【００１６】
〔６〕複数の電極を有するカンチレバーにおいて、上記〔１〕から〔５〕の何れか１項に記載のカンチレバーの製造方法を用いて製造される。
【００１７】
すなわち、本発明によれば、
（１）ナノ領域の半導体・金属等の電気物性の測定ができる。
【００１８】
（２）ナノ・オーダーの分解能での半導体キャリア濃度評価ができる。
【００１９】
（３）ナノ領域のキャリア寿命の測定による、多結晶半導体の粒界評価ができる。
【００２０】
（４）磁性ティップを用いた、半導体へのスピン・インジェクションに対する基礎実験ツールとなる。
【００２１】
（５）マイクロ波を介したナノ領域の誘電物性の測定ができる。
【００２２】
（６）ダブルティップは、間隔がナノスケールのピンセットと考えることができ、ＤＮＡ等の操作が可能となる。
【００２３】
（７）ダブルティップのナノピンセットで分子を挟み、電気的特性を与えることができる。
【００２４】
このように物質の電気的特性は、物性評価のうち最も基本的なものであるため、その応用範囲は極めて広い。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図を参照しながら説明する。
【００２６】
図１は本発明の第１実施例を示す一対の電極（２探針）を有するカンチレバーの探針の製造工程図であり、ここでは、カンチレバーの探針の先端部の電極の形成部の各平面図（ｄ−２）〜（ｇ−２）を右側に対応させて示している。
【００２７】
（１）まず、図１（ａ）に示すように、探針を形成するカンチレバー１を用意する。
【００２８】
（２）次に、図１（ｂ）に示すように、そのカンチレバー１上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層（例えば、酸化亜鉛、ゲルマニウムなど）２を形成する。
【００２９】
（３）次に、図１（ｃ）に示すように、第１の層２上にホトレジスト３を塗布する。
【００３０】
（４）次に、図１（ｄ）に示すように通常の光学露光（ホトリソエッチング）を用いてホトレジスト３を露光し、ストライプ３Ａを形成する。
【００３１】
（５）次に、図１（ｅ）に示すように、ストライプ３Ａを形成した上に電子線励起堆積法によりアモルファス・カーボン（ａ−Ｃ）４を堆積させ、ブリッジを形成する。
【００３２】
（６）次に、図１（ｆ）に示すように、酸またはアルカリにより第１の層２の一部を除去する。なお、３Ａ′は第１の層２がエッチングされたストライプである。
【００３３】
（７）次に、アモルファス・カーボン（ａ−Ｃ）４をマスクとして電極となる金属膜を蒸着する。その際には第１の層２で高さを稼ぐようにしているので、蒸着される金属膜はアモルファス・カーボン（ａ−Ｃ）４には接触しないように形成することができ、第１の層２より上の膜のリフトオフ時には何ら問題は生じることはない。
【００３４】
したがって、図１（ｇ）に示すように、エアーギャップ６を有するエアーギャップ構造の一対の電極（２探針）５をカンチレバー（ＡＦＭカンチレバー）１上に実現することができる。
【００３５】
このようにして製造されたＡＦＭカンチレバー１の先端部に一対の電極（２探針）５を形成した平面図を図２に示す。
【００３６】
次に、本発明の第２実施例（第１実施例の変形例）について説明する。
【００３７】
図３は本発明の第２実施例（第１実施例の変形例）１対の電極を有するカンチレバーの探針の製造工程図であり、ここではカンチレバーの探針の先端部の電極の形成部の各平面図（ｄ−２）〜（ｆ−２）を右側に対応させている。
【００３８】
（１）まず、図３（ａ）に示すように、探針を形成するカンチレバー１１を用意する。
【００３９】
（２）次に、図３（ｂ）に示すように、そのカンチレバー１１上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層１２を形成する。
【００４０】
（３）次に、図３（ｃ）に示すように、第１の層１２上にホトレジスト１３を塗布する。
【００４１】
（４）次いで、ここでは、上記（１）〜（３）と断面方向は９０度異なるが、図３（ｄ）に示すように、電子線露光を用いて、ホトレジスト１３を露光し、ホトレジスト１３によるブリッジを有するストライプ１３Ａを形成する。
【００４２】
（５）次に、図３（ｅ）に示すように、酸またはアルカリにより第１の層１２を除去する。
【００４３】
（６）次いで、図３（ｆ）に示すように、金属電極１４を蒸着し、エアーギャップ１５を形成する。
【００４４】
このようにして製造される、ＡＦＭカンチレバー１１の先端部にギャップ１５を有する一対の電極（２探針）１４を形成した平面図を図４に示す。
【００４５】
次に、本発明の第３実施例について説明する。
【００４６】
この実施例ではエアーギャップに比べ電極間の絶縁耐性を向上させた、絶縁体を挟んだギャップを有するカンチレバーの構成例を示す。
【００４７】
図５は本発明の第３実施例の１対の電極を有するカンチレバーの探針の製造工程図であり、ここではカンチレバーの探針の先端部の電極の形成部の各平面図（ｄ−２）〜（ｇ−２）を右側に対応させている。
【００４８】
（１）まず、図５（ａ）に示すように、探針を形成するカンチレバー２１を用意する。
【００４９】
（２）次に、図５（ｂ）に示すように、そのカンチレバー２１上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層２２を形成する。
【００５０】
（３）次に、図５（ｃ）に示すように、第１の層２２上にホトレジスト２３を塗布する。
【００５１】
（４）次に、図５（ｄ）に示すように、ホトリソエッチングによりホトレジスト２３を露光し、ストライプ２３Ａを形成する。
【００５２】
（５）次に、図５（ｅ）に示すように、酸またはアルカリにより第１の層２２を除去する。なお、２２′は第１の層２２により形成されるストライプである。
【００５３】
（６）次いで、上記までの断面とは９０度方向が異なるが、図５（ｆ）に示すように、金属蒸着とリフトオフを行い、金属層（電極）２４を形成する。
【００５４】
（７）次に、図５（ｇ）に示すように、ギャップを構成する位置に、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）を用いた陽極酸化加工を用いて金属電極２４を酸化して、ギャップ位置を金属酸化物２５で埋める。
【００５５】
なお、第１の層２２は、金属ストライプを良好に作製するためのものであり、必要に応じて適宜省くことができる。
【００５６】
このようにして製造されたＡＦＭカンチレバー２１の先端部の平面図を図６に示す。
【００５７】
この実施例によれば、図６に示すように、金属酸化物２５の絶縁体を挟んだギャップ構造を有する電極（２探針）２４がＡＦＭカンチレバー２１上に実現できる。
【００５８】
次に、本発明の第４実施例について説明する。
【００５９】
図７は本発明の第４実施例を示すカンチレバーの要部工程図である。
【００６０】
この実施例では、分子等をマニピュレートするための、先端に空隙を有する２電極構造を有するカンチレバーの構成例を示す。但し、カンチレバーとして一つの振動数を保持するために、電極部を空隙により完全には分離しない。
【００６１】
（１）まず、図７（ａ）に示すように、探針を形成するカンチレバー３１を用意する。
【００６２】
（２）次に、図７（ｂ）に示すように、そのカンチレバー３１上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層３２を形成する。
【００６３】
（３）次に、図７（ｃ）に示すように、第１の層３２上にホトレジスト３３を塗布する。
【００６４】
（４）次に、図７（ｄ）に示すように、ホトリソエッチングによりホトレジスト３３を露光し、ストライプ３３Ａを形成する。
【００６５】
（５）次に、図７（ｅ）に示すように、酸またはアルカリにより第１の層３２を除去する。ここで、３２′は第１の層３２により形成されるストライプである。
【００６６】
（６）次に、上記までの断面とは方向が９０度異なるが、図７（ｆ）に示すように、金属蒸着とリフトオフを行い、金属層３４を形成する。
【００６７】
（７）次いで、図７（ｇ）に示すように、カンチレバーの先端部を集束イオンビームによるエッチング加工（カンチレバーの一部を除去）して、スリット（切れ込み部）３５を形成する。
【００６８】
（８）そこで、そのカンチレバーの先端部を裏返して立体的に見ると、図７（ｈ）に示すように、先端にはスリット３５を有するとともに、下方に複数の電極を有する尖った突起部３６を形成することができる。
【００６９】
なお、第１の層３２は、金属ストライプを良好に作製するためのものであり、必要に応じて適宜省くことができる。
【００７０】
以下、本発明の一対の電極（２探針）を有するカンチレバーによる試料の測定例について説明する。
【００７１】
図８は本発明の一対の電極（２探針）を有するカンチレバーによる試料の電流−電圧の測定の模式図である。
【００７２】
この図において、４１は試料、４１Ａはその試料表面、４２はカンチレバーの先端、４３，４４は一対の電極であり、断面を示している。なお、４５は交流又は直流電源、４６は電流計、４７は電圧計である。
【００７３】
このように、試料表面４１Ａに２探針の電極４３，４４をセットして、交流又は直流電源４５から電力を供給し、電流計４６により電流を、電圧計４７により電圧を測定することにより、試料表面４１Ａの電気的特性を容易に測定することができる。
【００７４】
図９は本発明の二対の電極（４探針）を有するカンチレバーによる試料の電流−電圧の測定の模式図、図１０はその二対の電極（４探針）と試料の説明のための模式図である。
【００７５】
これらの図において、５１は試料、５１Ａはその試料表面、５２はカンチレバーの先端、５３，５４；５５，５６は二対の電極（４探針）である。なお、５７は電流源、５８は電流計、５９は電圧計である。
【００７６】
このように４探針構造とすることにより、より精密な試料の電気的特性の測定を行うことができる。
【００７７】
図１１は本発明の実施例を示す複数のリードを有するカンチレバーをＳＰＭシステム（その１）に適用した模式図である。
【００７８】
この図において、６１は半導体試料、６２はカンチレバーの先端、６３，６４は一対の電極、６５はパルス電源、６６は電流計である。
【００７９】
この実施例では一対の電極（２探針）６３，６４を有するカンチレバー先端６２において、一対の電極６３と試料６１間にバイアス電圧としてのパルス電圧をパルス電源６５より加え、一対の電極６３，６４間の電流を電流計６６により測定することにより、キャリア（電子）の寿命を測定することができる。
【００８０】
図１２は本発明の実施例を示す複数のリードを有するカンチレバーをＳＰＭシステム（その２）に適用した平面模式図である。
【００８１】
この図において、７１はカンチレバー先端、７２，７３；７４，７５は二対の電極（４探針）、７６は電流源、７７は電流計、７８は電圧計である。
【００８２】
この実施例では、二対の電極（４探針）７２，７３；７４，７５を有するカンチレバーにおいて、ホール効果によりキャリア濃度を測定することができる。
【００８３】
ここでは、カンチレバー自体が強磁性体であるように構成する。
【００８４】
本発明は、以下のような実施形態を有する。
【００８５】
本発明のカンチレバーは、一つの片持ち梁において、独立した複数の電極を形成することができる。
【００８６】
また、複数の探針と外部との接続を可能とする複数の接点を有し、探針と接点がそれぞれ同電位となるように構成することができる。
【００８７】
さらに、スリットにより先端が分割され、電極が個別に動く構造を有しており、そのスリットの幅は可変に構成することができ、可動構造として強誘電体を設けるように構成することもできる。
【００８８】
また、複数の電極のうち、少なくとも１つの電極を用いて試料表面を観察するとともに、複数の探針を強磁性体で構成することができる。
【００８９】
また、カンチレバーの基材部分を、半導体／絶縁体／半導体構造で構成することができる。
【００９０】
また、複数の探針と複数の接点へのリード部を半導体から構成することができる。
【００９１】
また、複数の探針を有するカンチレバー部と空間を隔てて半導体が存在するように構成することができる。
【００９２】
また、その半導体に独立して電圧を印加するように構成することができる。
【００９３】
また、複数の接点を有するカンチレバーと、複数の外部リードとの接続可能とする交換可能なカンチレバー・ホルダーとして構成することができる。
【００９４】
さらに、本発明は複数のリードを有するＳＰＭシステムに適用して、
（ａ）複数の電極により、電圧を測定、若しくは電流−電圧特性を測定することができる。
【００９５】
（ｂ）２つの電極を有するカンチレバーにおいて、１つの電極と試料間にバイアス電圧を加え、２つの電極間の電流を測定することにより、キャリア（電子）寿命を測定することができる。
【００９６】
上記（ｂ）においてバイアス電圧をパルス電圧とすることができる。
【００９７】
（ｃ）４つの電極を有するカンチレバーにおいて、ホール効果によりキャリア濃度を測定することができる。
【００９８】
上記（ｃ）においてカンチレバー自体が強磁性体であるように構成する。
【００９９】
また、複数の接点を有するカンチレバーと、複数の外部リードとの接続可能とする交換可能なカンチレバー・ホルダーとして構成する。
【０１００】
さらに、本発明のカンチレバーはティップ先端に複数の電極構造を有しており、これにより、試料表面の観測と同時に電極間の電流−電圧特性を測定することで、試料の抵抗率、キャリア濃度、誘電特性の評価を可能としている。また、カンチレバー先端にスリットがある場合には、ピンセットとして使用することが可能であり、ＤＮＡなどの分子の操作および電極を用いることにより挟んだ分子の電気的特性評価をも可能にする。
【０１０１】
また、先端部を可動とするために、先端部に焦電素子を設ける。若しくは、カンチレバー全体を焦電素子とすることもできる。
【０１０２】
さらに、本発明のカンチレバーを用いることにより、試料表面の凹凸構造が観察出来ると同時に、電極間の電流−電圧特性を測定することで、試料のナノ領域の電気的特性が評価できる。
【０１０３】
また、本発明のカンチレバーに対して、電極材料を強磁性体とすることで、偏極した電子スピンを試料に注入することができる。
【０１０４】
さらに、本発明のカンチレバーを用いることにより、試料表面の凹凸構造が観察出来る。同時に、片側の電極と試料ステージ間に定常電圧あるいはパルス電圧を印加し、電極間に流れる電流を測定することで、試料のナノ領域のキャリア寿命、キャリアの拡散長が評価できる。
【０１０５】
また、本発明のカンチレバーを用いることにより、ナノ構造の試料を電極間に挟むことが出来ると同時に、電極間の電流−電圧特性を測定することで、試料の電気的特性が評価できる。
【０１０６】
さらに、４端子構造を有するカンチレバーを用いることにより、試料に対して外部から磁場を印加することで、試料表面の凹凸構造が観察できると同時に、試料のナノ領域のキャリア濃度が評価できる。
【０１０７】
また、試料に対して外部から磁場を印加する代わりに、試料ステージを強磁性体材料とする。これにより、外部磁場発生装置を省略することが出来る。
【０１０８】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能であり、これらを本発明の範囲から排除するものではない。
【０１０９】
【発明の効果】
以上、詳細に説明したように、本発明によれば、以下のような効果を奏することができる。
【０１１０】
（Ａ）従来のＡＦＭやＳＰＭ装置に、本発明にかかる複数の電極を有するカンチレバーを用いると、従来からの表面観察と同時に、複数の電極間の試料の電流電圧測定等が行えることから、新たに試料の抵抗率、キャリア濃度、電子寿命、誘電特性などの評価も同時に行うことができる。
【０１１１】
（Ｂ）また、このカンチレバーは半導体、絶縁体、強磁性体等の素材を構成材として保持することで計測器としての機能を向上させることもできる。
【０１１２】
なお、このカンチレバー先端部の構成では、その電極だけが分離している構造の他に、その電極と同時にカンチレバーの一部が複数に分割されている構造とすることも可能である。但し、カンチレバーとしての一つの共振振動数を保持するために、カンチレバーの一部を空隙により完全には分離しない。後者は微小試料を保持するためのピンセットとしての機能をも持たせることが可能であり、使い勝手の良い装置を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１実施例を示す一対の電極を有するカンチレバーの探針の製造工程図である。
【図２】 本発明の第１実施例により製造されたＡＦＭカンチレバーの先端部の平面図である。
【図３】 本発明の第２実施例（第１実施例の変形例）を示す一対の電極を有するカンチレバーの探針の製造工程図である。
【図４】 本発明の第２実施例により製造されたＡＦＭカンチレバーの先端部の平面図である。
【図５】 本発明の第３実施例を示す１対の電極を有するカンチレバーの探針の製造工程図である。
【図６】 本発明の第３実施例により製造されたＡＦＭカンチレバーの先端部の平面図である。
【図７】 本発明の第４実施例を示すカンチレバーの要部工程図である。
【図８】 本発明の一対の電極（２探針）を有するカンチレバーによる試料の電流−電圧の測定の模式図である。
【図９】 本発明の二対の電極（４探針）を有するカンチレバーによる試料の電流−電圧の測定の模式図である。
【図１０】 本発明の二対の電極（４探針）と試料の説明のための模式図である。
【図１１】 本発明の実施例を示す複数のリードを有するカンチレバーをＳＰＭシステム（その１）に適用した模式図である。
【図１２】 本発明の実施例を示す複数のリードを有するカンチレバーをＳＰＭシステム（その２）に適用した平面模式図である。
【符号の説明】
１，１１，２１，３１ 探針を形成するカンチレバー
２，１２，２２，３２ 第１の層
３，１３，２３，３３ ホトレジスト
３Ａ，３Ａ′，１３Ａ，２２′，２３Ａ，３２′，３３Ａ ストライプ
４ アモルファス・カーボン（ａ−Ｃ）
５ 一対の電極（２探針）
６ エアーギャップ
１４ 金属電極
１５ エアーギャップ
２４，３４ 金属層
２５ 金属酸化物（絶縁体）
３５ スリット（切れ込み部）
３６ 突起部
４１，５１ 試料
４１Ａ，５１Ａ 試料表面
４２，５２，６２，７１ カンチレバーの先端
４３，４４，６３，６４ 一対の電極（２探針）
４５ 交流又は直流電源
４６，５８，６６，７７ 電流計
４７，５９，７８ 電圧計
５３，５４；５５，５６、７２，７３；，７４，７５ 二対の電極（４探針）
５７，７６ 電流源
６１ 半導体試料
６５ パルス電源[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a cantilever having a plurality of electrodes used for an atomic force microscope (AFM), a scanning probe microscope (SPM), and the like, and a method for manufacturing the cantilever, and in particular, a plurality of electrodes having a nanometer-order gap at the tip of the cantilever. The present invention relates to a structure of a provided cantilever and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
In recent years, using an atomic force microscope (AFM), it has become possible to observe the surface of a sample on the nanometer order. The observation part of this atomic force microscope is called a cantilever and is composed of a cantilever.
[0003]
Conventionally, as a technique in such a field, for example, there has been disclosed as follows.
[0004]
(1) As a scanning probe microscope having a small and highly accurate multi-probe, there is, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 6-195777.
[0005]
(2) Examples of the structure of a probe for detecting a tunnel current or an atomic force include Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-313543 and 9-159777.
[0006]
In such a conventional probe, one probe has a single electrode, or the structure thereof is configured such that a separate chip is joined to the probe body.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, conventional cantilevers are used only for observation of the sample surface, and it is impossible to measure the electrical characteristics in the nanometer region simultaneously with the observation using a cantilever having a plurality of electrodes facing or in contact with the sample surface. .
[0008]
In addition, as described above, in the conventional probe, since one probe has a single electrode, when the number of probes increases, the structure becomes complicated and the manufacturing cost increases.
[0009]
Moreover, since the manufacturing process of the probe is increased, there is a problem that the cost is further increased.
[0010]
In view of the above situation, an object of the present invention is to provide a cantilever having a plurality of electrodes that are easy to manufacture and have a multi-functional and fine structure, and a manufacturing method thereof.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides
[1] In a cantilever having a plurality of electrodes, a cantilever for forming a probe is prepared, and a first layer that easily dissolves in acid or alkali is formed on the cantilever. A photoresist is formed on the first layer, and stripes are formed by photolithography etching. Amorphous carbon is deposited on the stripes by electron beam excitation deposition, bridges are formed, and an acid or alkali is used to form the first layer. A cantilever in which a counter electrode having an air gap is formed is manufactured by removing a part and depositing a metal film as an electrode using the amorphous carbon as a mask .
[0012]
[ 2 ] In a method of manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes, a cantilever for forming a probe is prepared, a first layer that is easily soluble in acid or alkali is formed on the cantilever, and the first A photoresist is formed on the first layer, the photoresist is exposed using electron beam exposure, a stripe is formed by the photoresist, the first layer is removed using the stripe as a mask, a metal electrode is deposited, and an air gap is formed. A cantilever in which a counter electrode having s is formed is manufactured.
[0013]
[3] and have contact to the method of manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes, providing a cantilever to form the probe to form a first layer readily soluble to acids or alkali on the cantilever, the first A photoresist is applied on the first layer, the photoresist is exposed by photolithography, a stripe is formed, the first layer is removed using the stripe as a mask, metal deposition and lift-off are performed, and a metal layer is formed. At the position where the gap is formed, a metal electrode is oxidized using an anodizing process using an atomic force microscope, and a cantilever is formed in which a counter electrode having a gap sandwiching the metal oxide insulator is formed. It is characterized by doing.
[0014]
[ 4 ] In the method for manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes according to [ 3 ] above, further, etching processing with a focused ion beam is performed at a position where the gap is formed, a part of the cantilever is removed, and a cut portion is formed. The counter electrode is formed by providing.
[0015]
[ 5 ] In the method for manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes according to [ 1 ], [ 2 ], [ 3 ] or [ 4 ], the gap is formed on the order of nanometers.
[0016]
[ 6 ] A cantilever having a plurality of electrodes is manufactured using the method for manufacturing a cantilever described in any one of [1] to [5] above.
[0017]
That is, according to the present invention,
(1) The electrical properties of semiconductors and metals in the nano region can be measured.
[0018]
(2) Semiconductor carrier concentration can be evaluated with nano-order resolution.
[0019]
(3) Grain boundary evaluation of a polycrystalline semiconductor can be performed by measuring the carrier lifetime in the nano region.
[0020]
(4) A basic experimental tool for spin injection into a semiconductor using magnetic tips.
[0021]
(5) It is possible to measure dielectric properties in the nano region via microwaves.
[0022]
(6) The double tip can be considered as tweezers with a nano-scale interval, and allows manipulation of DNA and the like.
[0023]
(7) A molecule can be sandwiched with double-tip nanotweezers to give electrical characteristics.
[0024]
As described above, since the electrical characteristics of a substance are the most basic of physical property evaluation, the application range is extremely wide.
[0025]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0026]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes (two probes) according to the first embodiment of the present invention. Here, each of the electrode forming portions at the tip of the cantilever probe is shown. Plan views (d-2) to (g-2) are shown corresponding to the right side.
[0027]
(1) First, as shown in FIG. 1A, a cantilever 1 for forming a probe is prepared.
[0028]
(2) Next, as shown in FIG. 1B, a first layer (for example, zinc oxide, germanium, etc.) 2 that is easily soluble in acid or alkali is formed on the cantilever 1.
[0029]
(3) Next, as shown in FIG. 1C, a photoresist 3 is applied on the first layer 2.
[0030]
(4) Next, as shown in FIG. 1 (d), the photoresist 3 is exposed using normal optical exposure (photolithography etching) to form stripes 3A.
[0031]
(5) Next, as shown in FIG. 1E, after the stripe 3A is formed, amorphous carbon (a-C) 4 is deposited by electron beam excitation deposition to form a bridge.
[0032]
(6) Next, as shown in FIG.1 (f), a part of 1st layer 2 is removed with an acid or an alkali. Note that 3A ′ is a stripe in which the first layer 2 is etched.
[0033]
(7) Next, a metal film serving as an electrode is deposited using amorphous carbon (a-C) 4 as a mask. In that case, since the height is increased in the first layer 2, the deposited metal film can be formed so as not to contact the amorphous carbon (a-C) 4. never any problem occurs during lift-off of the film above the layer 2.
[0034]
Therefore, as shown in FIG. 1G, a pair of electrodes (two probes) 5 having an air gap structure having an air gap 6 can be realized on the cantilever (AFM cantilever) 1.
[0035]
FIG. 2 shows a plan view in which a pair of electrodes (two probes) 5 are formed at the tip of the AFM cantilever 1 manufactured as described above.
[0036]
Next, a second embodiment of the present invention (a modification of the first embodiment) will be described.
[0037]
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes according to a second embodiment of the present invention (modified example of the first embodiment). Here, an electrode forming portion at the tip of the cantilever probe is shown. The plan views (d-2) to (f-2) of FIG.
[0038]
(1) First, as shown in FIG. 3A, a cantilever 11 for forming a probe is prepared.
[0039]
(2) Next, as shown in FIG. 3B, a first layer 12 that easily dissolves in acid or alkali is formed on the cantilever 11.
[0040]
(3) Next, as shown in FIG. 3C, a photoresist 13 is applied on the first layer 12.
[0041]
(4) Then, here, the (1) to (3) and the cross section direction is different by 90 degrees, as shown in FIG. 3 (d), using an electron beam exposure, exposing the photoresist 13, the photoresist 13 A stripe 13A having a bridge is formed.
[0042]
(5) Next, as shown in FIG. 3E, the first layer 12 is removed with acid or alkali.
[0043]
(6) Next, as shown in FIG. 3 (f), a metal electrode 14 is deposited to form an air gap 15.
[0044]
FIG. 4 shows a plan view in which a pair of electrodes (two probes) 14 having a gap 15 is formed at the tip of the AFM cantilever 11 manufactured as described above.
[0045]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
[0046]
In this embodiment, a configuration example of a cantilever having a gap sandwiching an insulator, in which the insulation resistance between the electrodes is improved as compared with the air gap, is shown.
[0047]
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes according to a third embodiment of the present invention. Here, each plan view of the electrode forming portion at the tip of the cantilever probe (d-2). ) To (g-2) correspond to the right side.
[0048]
(1) First, as shown in FIG. 5A, a cantilever 21 for forming a probe is prepared.
[0049]
(2) Next, as shown in FIG. 5B, a first layer 22 that easily dissolves in acid or alkali is formed on the cantilever 21.
[0050]
(3) Next, as shown in FIG. 5C, a photoresist 23 is applied on the first layer 22.
[0051]
(4) Next, as shown in FIG. 5D, the photoresist 23 is exposed by photolithography etching to form stripes 23A.
[0052]
(5) Next, as shown in FIG. 5E, the first layer 22 is removed with an acid or an alkali. Reference numeral 22 ′ denotes a stripe formed by the first layer 22.
[0053]
(6) Next, although the direction is 90 degrees different from the above-described cross section, metal deposition and lift-off are performed to form a metal layer (electrode) 24 as shown in FIG.
[0054]
(7) Next, as shown in FIG. 5 (g), the metal electrode 24 is oxidized using an anodic oxidation process using an atomic force microscope (AFM) at the position constituting the gap, and the gap position is set. Fill with metal oxide 25.
[0055]
Note that the first layer 22 is for producing a metal stripe satisfactorily, and can be omitted as appropriate.
[0056]
A plan view of the tip of the AFM cantilever 21 manufactured in this way is shown in FIG.
[0057]
According to this embodiment, as shown in FIG. 6, an electrode (two probes) 24 having a gap structure sandwiching an insulator of metal oxide 25 can be realized on the AFM cantilever 21.
[0058]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described.
[0059]
FIG. 7 is a fragmentary process diagram of a cantilever showing a fourth embodiment of the present invention.
[0060]
In this embodiment, a configuration example of a cantilever having a two-electrode structure having a gap at the tip for manipulating molecules and the like is shown. However, in order to maintain one frequency as a cantilever, the electrode part is not completely separated by a gap.
[0061]
(1) First, as shown in FIG. 7 (a), you prepare a cantilever 31 that forms the probe.
[0062]
(2) Next, as shown in FIG. 7 (b), that form a first layer 32 which is readily soluble to acids or alkali thereon cantilever 31.
[0063]
(3) Next, as shown in FIG. 7 (c), it applies the photoresist 33 on the first layer 32.
[0064]
(4) Next, as shown in FIG. 7 (d), the photoresist 33 is exposed by photolithographic etching, that form a stripe 33A.
[0065]
(5) Next, as shown in FIG. 7 (e), you remove the first layer 32 by acid or alkali. Here, 32 ′ is a stripe formed by the first layer 32.
[0066]
(6) Next, the cross section until said different directions by 90 degrees, but as shown in FIG. 7 (f), carried out metal deposition and lift-off, you form a metal layer 34.
[0067]
(7) Then, as shown in FIG. 7 (g), by etching the tip of the cantilever by focused ion beam (removing a portion of the cantilever), that form a slit (cut portion) 35.
[0068]
(8) Then, when the tip of the cantilever is turned upside down and viewed three-dimensionally, as shown in FIG. 7 (h), the tip has a slit 35 and a pointed protrusion 36 having a plurality of electrodes below. Can be formed.
[0069]
The first layer 32 is for producing a metal stripe satisfactorily and can be omitted as appropriate.
[0070]
Hereinafter, a measurement example of a sample using a cantilever having a pair of electrodes (two probes) according to the present invention will be described.
[0071]
FIG. 8 is a schematic diagram of measurement of the current-voltage of a sample by a cantilever having a pair of electrodes (two probes) according to the present invention.
[0072]
In this figure, 41 is a sample, 41A is the sample surface, 42 is the tip of a cantilever, and 43 and 44 are a pair of electrodes, showing a cross section. Reference numeral 45 is an AC or DC power source, 46 is an ammeter, and 47 is a voltmeter.
[0073]
In this way, by setting the two-probe electrodes 43 and 44 on the sample surface 41A, supplying power from the AC or DC power supply 45, measuring the current by the ammeter 46, and measuring the voltage by the voltmeter 47, The electrical characteristics of the sample surface 41A can be easily measured.
[0074]
FIG. 9 is a schematic diagram of measurement of current-voltage of a sample by a cantilever having two pairs of electrodes (four probes) according to the present invention, and FIG. 10 is a diagram for explaining the two pairs of electrodes (four probes) and the sample. It is a schematic diagram.
[0075]
In these figures, 51 is a sample, 51A is the sample surface, 52 is the tip of a cantilever, 53 and 54; 55 and 56 are two pairs of electrodes (four probes). Note that 57 is a current source, 58 is an ammeter, and 59 is a voltmeter.
[0076]
Thus, by using a four-probe structure, it is possible to measure the electrical characteristics of the sample more precisely.
[0077]
FIG. 11 is a schematic diagram in which a cantilever having a plurality of leads according to an embodiment of the present invention is applied to an SPM system (part 1).
[0078]
In this figure, 61 is a semiconductor sample, 62 is the tip of a cantilever, 63 and 64 are a pair of electrodes, 65 is a pulse power source, and 66 is an ammeter.
[0079]
In this embodiment, a pulse voltage as a bias voltage is applied between a pair of electrodes 63 and a sample 61 from a pulse power source 65 at a cantilever tip 62 having a pair of electrodes (two probes) 63, 64, and the pair of electrodes 63, 64. By measuring the current between them with an ammeter 66, the lifetime of carriers (electrons) can be measured.
[0080]
FIG. 12 is a schematic plan view in which a cantilever having a plurality of leads according to an embodiment of the present invention is applied to an SPM system (part 2).
[0081]
In this figure, 71 is a cantilever tip, 72 and 73; 74 and 75 are two pairs of electrodes (four probes), 76 is a current source, 77 is an ammeter, and 78 is a voltmeter.
[0082]
In this embodiment, in a cantilever having two pairs of electrodes (four probes) 72, 73; 74, 75, the carrier concentration can be measured by the Hall effect.
[0083]
Here, the cantilever itself is configured to be a ferromagnetic material.
[0084]
The present invention has the following embodiments.
[0085]
The cantilever of the present invention can form a plurality of independent electrodes in one cantilever.
[0086]
In addition, a plurality of contacts that enable connection between a plurality of probes and the outside can be provided, and the probe and the contacts can be configured to have the same potential.
[0087]
Further, the tip is divided by a slit, and the electrode moves individually. The width of the slit can be variably configured, and a ferroelectric can be provided as a movable structure.
[0088]
In addition, the sample surface can be observed using at least one of the plurality of electrodes, and the plurality of probes can be made of a ferromagnetic material.
[0089]
Further, the base material portion of the cantilever can be constituted by a semiconductor / insulator / semiconductor structure.
[0090]
In addition, a plurality of probes and lead portions to a plurality of contacts can be made of a semiconductor.
[0091]
Further, it can be configured such that the semiconductor exists with a space from the cantilever portion having a plurality of probes.
[0092]
Moreover, it can comprise so that a voltage may be independently applied to the semiconductor.
[0093]
Further, it can be configured as a replaceable cantilever holder that allows connection between a cantilever having a plurality of contacts and a plurality of external leads.
[0094]
Furthermore, the present invention is applied to an SPM system having a plurality of leads,
(A) With a plurality of electrodes, voltage can be measured or current-voltage characteristics can be measured.
[0095]
(B) In a cantilever having two electrodes, a carrier (electron) lifetime can be measured by applying a bias voltage between one electrode and a sample and measuring a current between the two electrodes.
[0096]
In (b) above, the bias voltage can be a pulse voltage.
[0097]
(C) In a cantilever having four electrodes, the carrier concentration can be measured by the Hall effect.
[0098]
In (c), the cantilever itself is configured to be a ferromagnetic material.
[0099]
In addition, the cantilever holder can be connected to a cantilever having a plurality of contacts and a plurality of external leads.
[0100]
Furthermore, the cantilever of the present invention has a plurality of electrode structures at the tip end, and by measuring the current-voltage characteristics between the electrodes simultaneously with observation of the sample surface, the sample resistivity, carrier concentration, Evaluation of dielectric properties is possible. In addition, when there is a slit at the tip of the cantilever, it can be used as tweezers, and it is also possible to manipulate molecules such as DNA and to evaluate the electrical characteristics of the sandwiched molecules by using electrodes.
[0101]
In order to make the tip portion movable, a pyroelectric element is provided at the tip portion. Alternatively, the entire cantilever can be a pyroelectric element.
[0102]
Furthermore, by using the cantilever of the present invention, the uneven structure on the sample surface can be observed, and at the same time, the electrical characteristics of the nano region of the sample can be evaluated by measuring the current-voltage characteristics between the electrodes.
[0103]
Further, by using a ferromagnetic material for the cantilever of the present invention, polarized electron spin can be injected into the sample.
[0104]
Furthermore, by using the cantilever of the present invention, the uneven structure on the sample surface can be observed. At the same time, by applying a steady voltage or a pulse voltage between the electrode on one side and the sample stage and measuring the current flowing between the electrodes, the carrier lifetime and the carrier diffusion length of the nano region of the sample can be evaluated.
[0105]
Further, by using the cantilever of the present invention, a nano-structured sample can be sandwiched between electrodes, and at the same time, the electrical characteristics of the sample can be evaluated by measuring the current-voltage characteristics between the electrodes.
[0106]
Furthermore, by using a cantilever having a four-terminal structure, an uneven magnetic field on the sample surface can be observed and a carrier concentration in the nano region of the sample can be evaluated by applying a magnetic field from the outside to the sample.
[0107]
Further, instead of applying a magnetic field from the outside to the sample, the sample stage is made of a ferromagnetic material. Thereby, an external magnetic field generator can be omitted.
[0108]
In addition, this invention is not limited to the said Example, A various deformation | transformation is possible based on the meaning of this invention, and these are not excluded from the scope of the present invention.
[0109]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the present invention, the following effects can be obtained.
[0110]
(A) When a cantilever having a plurality of electrodes according to the present invention is used in a conventional AFM or SPM apparatus, current voltage measurement of a sample between a plurality of electrodes can be performed simultaneously with conventional surface observation. In addition, the resistivity, carrier concentration, electron lifetime, dielectric properties, etc. of the sample can be simultaneously evaluated.
[0111]
(B) Moreover, this cantilever can also improve the function as a measuring instrument by hold | maintaining raw materials, such as a semiconductor, an insulator, and a ferromagnetic material, as a structural material.
[0112]
In addition, in the configuration of the tip of the cantilever, in addition to the structure in which only the electrode is separated, it is also possible to have a structure in which a part of the cantilever is divided into a plurality at the same time as the electrode. However, in order to maintain one resonance frequency as a cantilever, a part of the cantilever is not completely separated by a gap. The latter can also have a function as tweezers for holding a minute sample, and can provide a user-friendly device.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a plan view of a tip portion of an AFM cantilever manufactured according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes showing a second embodiment of the present invention (a modification of the first embodiment).
FIG. 4 is a plan view of a tip portion of an AFM cantilever manufactured according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a manufacturing process diagram of a cantilever probe having a pair of electrodes according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a plan view of a tip portion of an AFM cantilever manufactured according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a fragmentary process diagram of a cantilever showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic diagram of measurement of current-voltage of a sample by a cantilever having a pair of electrodes (two probes) according to the present invention.
FIG. 9 is a schematic diagram of measurement of current-voltage of a sample using a cantilever having two pairs of electrodes (four probes) according to the present invention.
FIG. 10 is a schematic view for explaining two pairs of electrodes (four probes) and a sample of the present invention.
FIG. 11 is a schematic diagram in which a cantilever having a plurality of leads according to an embodiment of the present invention is applied to an SPM system (part 1).
FIG. 12 is a schematic plan view in which a cantilever having a plurality of leads according to an embodiment of the present invention is applied to an SPM system (part 2).
[Explanation of symbols]
1,11,21,31 Cantilever forming a probe 2,12,22,32 First layer 3,13,23,33 Photoresist 3A, 3A ', 13A, 22', 23A, 32 ', 33A Stripe 4 Amorphous carbon (a-C)
5 Pair of electrodes (2 probes)
6 Air gap 14 Metal electrode 15 Air gap 24, 34 Metal layer 25 Metal oxide (insulator)
35 Slit (cut)
36 Projection 41, 51 Sample 41A, 51A Sample surface 42, 52, 62, 71 Cantilever tip 43, 44, 63, 64 A pair of electrodes (two probes)
45 AC or DC power supply 46, 58, 66, 77 Ammeter 47, 59, 78 Voltmeter 53, 54; 55, 56, 72, 73 ;, 74, 75 Two pairs of electrodes (4 probes)
57,76 Current source 61 Semiconductor sample 65 Pulse power supply

Claims (6)

（ａ）探針を形成するためのカンチレバーを用意し、
（ｂ）前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、
（ｃ）前記第１の層上にホトレジストを形成してホトリソエッチングによりストライプを形成し、
（ｄ）前記ストライプを形成した上に電子線励起堆積法によりアモルファス・カーボンを堆積させ、ブリッジを形成し、
（ｅ）酸またはアルカリにより前記第１の層の一部を除去し、
（ｆ）前記アモルファス・カーボンをマスクとして電極となる金属膜を蒸着し、
（ｇ）エアーギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする複数の電極を有するカンチレバーの製造方法。(A) Prepare a cantilever for forming the probe,
(B) forming a first layer on the cantilever that is easily soluble in acid or alkali;
(C) forming a photoresist on the first layer and forming a stripe by photolithography etching;
(D) Amorphous carbon is deposited by electron beam excitation deposition on the stripes to form a bridge;
(E) removing part of the first layer with acid or alkali ;
(F) Depositing a metal film as an electrode using the amorphous carbon as a mask,
( G ) A method for producing a cantilever having a plurality of electrodes, wherein a cantilever having a counter electrode having an air gap is formed. （ａ）探針を形成するためのカンチレバーを用意し、
（ｂ）前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、
（ｃ）前記第１の層上にホトレジストを形成して電子線露光を用いてホトレジストを露光し、該ホトレジストによるストライプを形成し、
（ｄ）前記ストライプをマスクとして前記第１の層を除去し、
（ｅ）金属電極を蒸着し、
（ｆ）エアーギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする複数の電極を有するカンチレバーの製造方法。(A) Prepare a cantilever for forming the probe,
(B) forming a first layer on the cantilever that is easily soluble in acid or alkali;
(C) forming a photoresist on the first layer and exposing the photoresist using electron beam exposure to form a stripe by the photoresist;
(D) removing the first layer using the stripe as a mask;
(E) depositing a metal electrode;
(F) A method for producing a cantilever having a plurality of electrodes, wherein a cantilever having a counter electrode having an air gap is formed. （ａ）探針を形成するカンチレバーを用意し、
（ｂ）前記カンチレバー上に酸またはアルカリに対して容易に溶ける第１の層を形成し、
（ｃ）前記第１の層上にホトレジストを塗布し、ホトリソエッチングによりホトレジストを露光し、ストライプを形成し、
（ｄ）前記ストライプをマスクとして前記第１の層を除去し、
（ｅ）金属蒸着とリフトオフを行い、金属層を形成し、
（ｆ）ギャップを形成する位置に、原子間力顕微鏡を用いた陽極酸化加工を用いて金属電極を酸化して、該金属酸化物の絶縁体を挟んだギャップを有する対向電極が形成されるカンチレバーを作製することを特徴とする複数の電極を有するカンチレバーの製造方法。(A) Prepare a cantilever to form a probe,
(B) forming a first layer on the cantilever that is easily soluble in acid or alkali;
(C) applying a photoresist on the first layer, exposing the photoresist by photolithography, forming a stripe;
(D) removing the first layer using the stripe as a mask;
(E) Metal deposition and lift-off are performed to form a metal layer,
(F) A cantilever in which a metal electrode is oxidized using an anodic oxidation process using an atomic force microscope at a position where a gap is formed, and a counter electrode having a gap sandwiching the metal oxide insulator is formed. A method for manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes. 請求項３記載の複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、さらに、前記ギャップを形成する位置に、集束イオンビームによるエッチング加工を施し、カンチレバーの一部を除去し、切れ込み部を設けることにより対向電極が形成されることを特徴とする複数の電極を有するカンチレバーの製造方法。4. The method of manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes according to claim 3 , further comprising etching a focused ion beam at a position where the gap is formed, removing a part of the cantilever, and providing a notch. A method for manufacturing a cantilever having a plurality of electrodes, wherein the electrodes are formed. 請求項１、２、３又は４記載の複数の電極を有するカンチレバーの製造方法において、前記ギャップがナノメートルオーダーに形成されることを特徴とする複数の電極を有するカンチレバーの製造方法。In claim 1, 2, 3 or 4 manufacturing method of a cantilever having a plurality of electrodes according method of the cantilever having a plurality of electrodes, wherein the gap is formed in the order of nanometers. 請求項１から５の何れか１項に記載のカンチレバーの製造方法を用いて製造される複数の電極を有するカンチレバー。A cantilever having a plurality of electrodes manufactured using the method for manufacturing a cantilever according to any one of claims 1 to 5.

Images