JP3805418B2

JP3805418B2 - AFM cantilever

Info

Publication number: JP3805418B2
Application number: JP35004495A
Authority: JP
Inventors: 美知雄高山
Original assignee: Olympus Corp
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1995-12-25
Filing date: 1995-12-25
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2015-12-25
Also published as: JPH09178763A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ； Atomic Force Microscope）に用いるＡＦＭカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電性試料を原子サイズオーダーの分解能で観察できる装置として走査トンネル顕微鏡（ＳＴＭ； Scanning Tunneling Microscope）がBinning とRohrerらにより発明されてから、原子オーダーの表面凹凸を観察できる顕微鏡として各方面での利用が進んでいる。しかしＳＴＭでは、観察できる試料は導電性のものに限られている。
【０００３】
そこで、ＳＴＭにおけるサーボ技術を始めとする要素技術を利用しながら、ＳＴＭでは測定し難かった絶縁性の試料を原子サイズオーダーの精度で観察することのできる顕微鏡として、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）が提案された。このＡＦＭは、例えば特開昭６２−１３０３０２号（ＩＢＭ、Ｇ．ビニッヒ、サンプル表面の像を形成する方法及び装置）に開示されている。
【０００４】
ＡＦＭの構造はＳＴＭに類似しており、走査型プローブ顕微鏡の一つとして位置づけられる。ＡＦＭでは、自由端に鋭い突起部分（探針部）を持つ片持ち梁（カンチレバー）を、試料に対向して近接させ、探針部の先端の原子と試料原子との間に働く相互作用力により変位する片持ち梁の動きを、電気的あるいは光学的にとらえて測定しつつ、試料をＸＹ方向に走査し、片持ち梁の探針部との位置関係を相対的に変化させることによって、試料の凹凸情報などを原子サイズオーダーで三次元的にとらえることができるようになっている。
【０００５】
このような構成のＡＦＭ等の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーチップとしては、Ｔ．Ｒ．Ａlbrecht らが半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製することのできる酸化シリコン膜製のカンチレバーを提案して以来〔 Thomas R. Albrecht and Calvin F. Quate : Atomic resolution imaging of a nonconductor Atomforce Microscopy J. Appl. Phy. 62(1987)2599 〕、ミクロンオーダーの高精度で優れた再現性をもって作製することが可能になっている。また、このようなカンチレバーチップは、バッチプロセスによって作製することができ、低コスト化が実現されている。したがって、現在では、半導体ＩＣ製造プロセスを応用して作製されるカンチレバーチップが主流となっている。
【０００６】
一方、近年半導体集積回路をより集積化するため、シリコン基板にトレンチホールを形成し、その内部にキャパシタやトランジスタを形成する試みがなされている。その際、トレンチホール形状やその側壁表面の荒れが、前記キャパシタあるいはトランジスタの特性を左右することから、トレンチホール形成後、その形状や表面荒れを簡便に評価する手法が望まれている。そして、このような評価をＡＦＭによって行うために有効な探針の形成方法を、トマス．バイエルらが提案している（特開平３−１０４１３６号、ＩＢＭ、トマス．バイエル他、超微細シリコン．テイップを形成する方法）。
【０００７】
次に、この探針の形成方法を図７を参照しながら説明する。まず図７の（Ａ）に示すように、スタート基板として酸化シリコン膜702 を表面に形成したシリコン基板701 を用い、探針を形成するための一般に円形のパターンを酸化シリコン膜702 に転写し、この酸化シリコン膜702 をマスクとしてシリコン基板701 を異方性ＲＩＥ処理することにより、柱状突起軸703 を形成する。次に図７の（Ｂ）に示すように、前記柱状突起軸703 の側壁を浅く等方性エッチング処理することにより、突起軸径を小さくすると共に、突起軸下部に円錐形の基部703aを形成し、突起軸703 の機械的安定性を向上させる。次に図７の（Ｃ）に示すように、異方性湿式エッチングを施すことにより、酸化シリコン膜702 からなるマスクの真下に負の断面形状を形成する。最後に酸化シリコン膜702 からなるマスクを除去することにより、図７の（Ｄ）に示すように、先端が外側に拡がった形状の探針704 が形成される。
【０００８】
このように先端が外側に拡がった形状の探針を用いることにより、負の勾配角をもつトレンチホール形状や、その側壁荒れが測定可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
前述したトマス．バイエルらが提案したカンチレバーは、前記作製方法からわかるように、探針及びレバー共にシリコン製である。試料側壁のＡＦＭ測定においては、探針を試料側壁に接触させて測定する方式がとられるため、レバー特性としては柔らかい方が測定感度を高くすることができる。しかし、シリコン製のカンチレバーにおいては、レバー膜厚を１μｍ以下に薄く安定して作製することは極めて困難であり、レバー特性を柔らかくすることは難しいので、測定感度が低下してしまう。またシリコン製の探針は、接触式の測定では磨耗が激しいため、測定再現性がとれないという問題点もある。更にまた、探針が静電気等により帯電するために、測定再現性がとれないという問題点もある。
【００１０】
本発明は、従来のＡＦＭカンチレバーにおける上記問題点を解消するためになされたもので、請求項１記載の発明は、測定分解能が高いと共に、強度の高いＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項２記載の発明は、強度が高いと共にトレンチホール側壁評価に適した側壁観察感度を向上させたＡＦＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項３記載の発明は、通常のＡＦＭ測定に多用される形状の探針部をもつＡＦＭカンチレバーにおいて、強度が高いと共に測定分解能を向上させたもの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】
上記問題点を解決するため、請求項１記載の発明は、支持部より伸びた窒化シリコン膜製カンチレバーの自由端近傍に、シリコン製探針部が配設され、該シリコン製探針部の少なくとも下部側面は前記カンチレバーを形成する窒化シリコン膜と一体的に形成されている窒化シリコン膜によって覆われるように構成されているＡＦＭカンチレバーにおいて、前記カンチレバーを形成する窒化シリコン膜によって覆われている前記シリコン製探針部の下部側面には、くびれ部が形成されるようにＡＦＭカンチレバーを構成するものである。このように構成することにより、カンチレバーを薄い窒化シリコン膜で容易に構成することができるため、測定分解能を向上させることができると共に、探針部がカンチレバーから抜けることがなくなり、強度を大にすることができる。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、前記シリコン製探針部は、その先端部が外側に拡がった形状を有し、該先端部を形成するシリコンが露出するように構成するものである。このように構成することにより、強度を保ちながらトレンチホール等の側壁観察感度を向上させることが可能となる。請求項３記載の発明は、請求項１記載のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部が錐体状に尖った形状を有するように構成するものである。このように構成することにより、通常のＡＦＭ測定に多用される形状の探針部をもつＡＦＭカンチレバーにも請求項１記載の発明の構成を適用して、強度を保ちながら測定分解能を向上させることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
〔第１の実施の形態〕
次に、発明の実施の形態について説明する。図１は本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１の実施の形態の構成を説明する図で、図１の（Ａ）はその横断面図、図１の（Ｂ）はその斜視図である。この発明の実施の形態におけるＡＦＭカンチレバー100 は、単結晶シリコンからなる探針部101 と、窒化シリコン膜からなるカンチレバー102 と、単結晶シリコンからなる支持部103 とで構成され、探針部101 はカンチレバー102 の自由端近傍に配設されていて、その先端は外側に拡がっており、下部側面は前記カンチレバー102 を形成する窒化シリコン膜104 で覆われている。なお、図において105 はカンチレバー102 と支持部103 との間に介在している酸化シリコン膜である。なお、探針部101 の下部側面をカンチレバー102 を形成する窒化シリコン膜104 で覆っているのは、探針部101 のカンチレバー102 への取付けを強固にするためである。
【００１４】
次に、このように構成された第１の実施の形態のＡＦＭカンチレバーの製法を、図２の（Ａ）〜（Ｅ）の製造工程断面図を用いて説明する。まず図２の（Ａ）に示すように、本カンチレバーを作製するため、スタート基板として２枚の（100 ）シリコン基板を酸化シリコン膜を介して貼り合わせた基板、すなわち貼り合わせＳＯＩ（ Silicon On Insulator ）基板211 を用意する。貼り合わせたこの２枚の基板の厚さは、一方が例えば15μｍであり、これは探針部を形成する基板として使用される。そして他方は例えば500 μｍであり、これは支持部の形成に使用される。また、中間の酸化シリコン膜の厚さは例えば１μｍである。そして、上記ＳＯＩ基板211 の表面に酸化シリコン膜を例えば１μｍ形成した後、通常のリソグラフィ工程により基板表面の探針部を形成すべき所定の場所に、探針部形成用酸化シリコン膜マスクパターン212 を、基板裏面には支持部を形成するためのマスクパターン213 を形成する。
【００１５】
次に図２の（Ｂ）に示すように、前記酸化シリコン膜マスクパターン212 をマスクとして、中間層の酸化シリコン膜が露出するまでＳＯＩ基板211 の表面をエッチング処理することにより、探針部201 を形成する。このときエッチング条件を適当に選ぶことにより、探針部先端が外側に拡がるようにする。
【００１６】
次に図２の（Ｃ）に示すように、前記酸化シリコン膜マスクパターン212 を剥離した後、カンチレバーを形成するための窒化シリコン膜214 を全面に形成する。この窒化シリコン膜214 は、通常半導体素子に多用されるシリコンと窒素の組成が３：４のものよりも、シリコン含有量を高めたものを用いる。これにより、熱膨張係数がシリコンに近づくため、基板シリコンを剥離してカンチレバーを形成する際、カンチレバーが反るのを防ぐことができる。次に前記窒化シリコン膜214 をカンチレバー形状に加工する際のマスクとなるフォトレジスト215 を形成するが、このとき探針部201 の先端が露出するようにフォトレジスト215 の膜厚を選択する。
【００１７】
次に、前記フォトレジスト215 をマスクとして前記窒化シリコン膜214 をエッチング処理することにより、カンチレバーパターン形状に加工すると共に、探針部先端のシリコンを露出させる。次に図２の（Ｄ）に示すように、熱酸化処理を施すことにより、前記シリコンの露出した探針部の先端に、酸化シリコン膜216 を形成する。これにより探針部201 の先端部エッジが鋭くなり、測定分解能が向上すると共に、基板をエッチング処理してカンチレバーを形成する際に探針部を保護することが可能となる。次に図２の（Ｅ）に示すように、基板裏面からエッチング処理し、最後にフッカ水素酸水溶液で酸化膜をエッチング除去することにより、下部側面が窒化シリコン膜206 で覆われた探針部201 とカンチレバー202 と支持部203 とからなる図１に示した第１の実施の形態と同様の構成のＡＦＭカンチレバーが完成する。なお、205 は酸化シリコン膜である。
【００１８】
上記第１の実施の形態のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部とカンチレバーとは、探針部の下部側面をカンチレバーを形成する窒化シリコン膜で覆うかたちで固定されている。この構成の場合、使用中に探針部がカンチレバーから抜け落ちてしまう可能性がある。そこで、探針部の下部側面にくびれ部を形成する構成とすることにより、カンチレバーから探針部が使用中抜け落ちるようなことがなくなり、使用強度を高めることが可能となる。
【００１９】
次に、探針部の下部側面にくびれ部を形成したＡＦＭカンチレバーの製造方法の例を、図３の（Ａ）〜（Ｃ）に基づいて説明する。まず図２の（Ｂ）に示したと同様の製法により、探針部301 となるシリコン突起を形成した後、図３の（Ａ）に示すように、探針部301 に探針部301 の上部の大半が隠れ、探針部301 の基端部が露出するようなレジストパターン317 を形成する。このレジストパターン317 をマスクとして探針部301 に等方性のシリコンエッチングを施すことにより、図３の（Ｂ）に示すように探針部下部側面にくびれ部318 を形成することができる。その後、図３の（Ｃ）に示すように、カンチレバーを形成するための窒化シリコン膜314 を全面に形成し、くびれ部318 にも埋め込む。これにより、探針部301 がカンチレバーにしっかりと固定されたＡＦＭカンチレバーが得られる。
【００２０】
〔第２の実施の形態〕
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第２の実施の形態について、図４を用いて説明する。この実施の形態は図４に示すように、探針部401 の先端のシリコンを露出させず、カンチレバー402 を形成している窒化シリコン膜404 で探針部全体を覆うように形成しているもので、この点で第１の実施の形態と構成を異にするものである。なお図４において、403 は支持部、405 は酸化シリコン膜である。
【００２１】
このように構成することにより、シリコンよりも硬質な窒化シリコン膜で、試料面と接する探針部先端が覆われているため、探針部の磨耗が少なく、再現性の良い測定が行えるＡＦＭカンチレバーが得られる。
【００２２】
〔第３の実施の形態〕
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第３の実施の形態について、図５を用いて説明する。この実施の形態のＡＦＭカンチレバーは、前述した第１の実施の形態と同様の構成のＡＦＭカンチレバーにおいて、探針部501 の表面に、更にSi₃Ｎ₄膜、ＤＬＣ（ダイアモンドライクカーボン）膜、ＳｉＣ膜等の硬質膜519 を薄く形成して、探針部先端を硬質膜で被覆するものである。なお図５において、502 はカンチレバー、503 は支持部、505 は酸化シリコン膜である。
【００２３】
このように構成することにより、カンチレバーを形成するシリコン含有量の高い窒化シリコン膜よりも硬質な膜で、探針部を被覆できるため、第２の実施の形態に示したものよりも、更に探針部の磨耗が押さえられ、測定再現性が向上する。また硬質膜は薄く形成できるため、探針部を被覆することによる先端エッジの鋭さの劣化が低減でき、第２の実施の形態に示したものよりも、高い測定分解能が期待できる。
【００２４】
〔第４の実施の形態〕
次に、本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第４の実施の形態について、図６を用いて説明する。この実施の形態のＡＦＭカンチレバーは、前述した第１の実施の形態に示したものと同様の工程により探針部601 となるシリコン製突起を形成した後、このシリコン製突起にリンあるいはボロン等の不純物を高濃度に拡散し、その後、第１の実施の形態と同様にしてカンチレバー602 を形成後、最後にカンチレバー602 及び支持部603 の裏面に、Ａu ，Ａl 等の金属膜620 を蒸着法等により形成することにより、本実施の形態のＡＦＭカンチレバーが得られる。なお、605 は酸化シリコン膜である。
【００２５】
このように構成することにより、探針部601 は導電性となり、またカンチレバー602 の裏面に形成した金属膜620 と探針部601 が電気的につながれるので、カンチレバー支持部603 の端部を接地することにより、探針部先端の電位を接地することが可能となる。この結果、静電気等の影響による探針部の帯電による測定再現性の低下を防止できる。
【００２６】
なお、上記各実施の形態においては、トレンチ形状や側壁荒れを測定するのに適した、先端部が外側に拡がった形状の探針部をもつＡＦＭカンチレバーについて説明を行ってきたが、通常のＡＦＭ測定に多用される先端が錐体状に尖った形状の探針部をもつＡＦＭカンチレバーにも、上記構成を、勿論適用することができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上実施の形態に基づいて説明したように、本発明によれば、カンチレバーを窒化シリコン膜で構成すると共に、シリコン製探針部の少なくとも下部側面をカンチレバーを形成する窒化シリコン膜と一体的に形成し、更に探針部の下部側面にくびれ部を形成するように構成しているため、測定分解能を向上させると共に、探針部をカンチレバーに強固に取り付けることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＡＦＭカンチレバーの第１の実施の形態を示す横断面図及び斜視図である。
【図２】図１に示した第１の実施の形態の製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の変形例の製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【図４】本発明の第２の実施の形態を示す横断面図である。
【図５】本発明の第３の実施の形態を示す横断面図である。
【図６】本発明の第４の実施の形態を示す横断面図である。
【図７】従来のＡＦＭカンチレバーの探針部部分の製造方法を説明するための製造工程を示す図である。
【符号の説明】
100 ＡＦＭカンチレバー
101,201,301,401,501,601 探針部
102,202,402,502,602 カンチレバー
103,203,403,503,603 支持部
104,204,404 窒化シリコン膜
105,205,405,505,605 酸化シリコン膜
211 ＳＩＯ基板
212 探針部形成用酸化シリコン膜マスクパターン
213 支持部形成用酸化シリコン膜マスクパターン
214 窒化シリコン膜
215 フォトレジスト
216 酸化シリコン膜
317 レジストパターン
318 くびれ部
519 硬質膜
620 金属膜[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an AFM cantilever used for an atomic force microscope (AFM).
[0002]
[Prior art]
Conventionally, since a scanning tunneling microscope (STM) was invented by Binning and Rohrer et al. As a device capable of observing conductive samples with atomic size order resolution, it has been used in various directions as a microscope capable of observing atomic order surface irregularities. The use of is progressing. However, in STM, the observable sample is limited to a conductive sample.
[0003]
Therefore, an atomic force microscope (AFM) is a microscope capable of observing an insulating sample, which is difficult to measure with STM, with an accuracy of atomic size order while utilizing elemental technology such as servo technology in STM. was suggested. This AFM is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-130302 (IBM, G. Vinich, method and apparatus for forming an image of a sample surface).
[0004]
The structure of AFM is similar to STM and is positioned as one of the scanning probe microscopes. In AFM, a cantilever beam (cantilever) having a sharp protrusion (probe part) at the free end is brought close to and opposed to the sample, and the interaction force acting between the atom at the tip of the probe part and the sample atom By scanning the sample in the XY direction while measuring the movement of the cantilever beam displaced by the electric or optical, and relatively changing the positional relationship with the probe portion of the cantilever beam, It is possible to capture the unevenness information of a sample in three dimensions on the atomic size order.
[0005]
As a cantilever tip for a scanning probe microscope such as an AFM having such a structure, T.W. R. Since Albrecht et al. Proposed a cantilever made of a silicon oxide film that can be fabricated by applying a semiconductor IC manufacturing process [Thomas R. Albrecht and Calvin F. Quate: Atomic resolution imaging of a nonconductor Atomforce Microscopy J. Appl. Phy. 62 (1987) 2599], and it is possible to fabricate with high accuracy of micron order and excellent reproducibility. Moreover, such a cantilever chip can be manufactured by a batch process, and cost reduction is realized. Therefore, at present, cantilever chips manufactured by applying a semiconductor IC manufacturing process have become mainstream.
[0006]
On the other hand, in recent years, in order to further integrate semiconductor integrated circuits, attempts have been made to form trench holes in a silicon substrate and to form capacitors and transistors therein. At this time, since the shape of the trench hole and the roughness of the sidewall surface influence the characteristics of the capacitor or transistor, a method for simply evaluating the shape and the roughness of the surface after forming the trench hole is desired. A probe forming method effective for performing such evaluation by AFM is described in Thomas. Bayer et al. Have proposed (Japanese Patent Laid-Open No. 3-104136, IBM, Thomas Bayer et al., A method of forming ultrafine silicon taps).
[0007]
Next, a method for forming the probe will be described with reference to FIG. First, as shown in FIG. 7A, a silicon substrate 701 having a silicon oxide film 702 formed thereon as a start substrate is used, and a generally circular pattern for forming a probe is transferred to the silicon oxide film 702. By using this silicon oxide film 702 as a mask, the silicon substrate 701 is subjected to an anisotropic RIE process to form a columnar protrusion shaft 703. Next, as shown in FIG. 7B, the side wall of the columnar projection shaft 703 is shallow and isotropically etched to reduce the projection shaft diameter and to form a conical base 703a below the projection shaft. As a result, the mechanical stability of the projection shaft 703 is improved. Next, as shown in FIG. 7C, anisotropic wet etching is performed to form a negative cross-sectional shape immediately below the mask made of the silicon oxide film 702. Finally, by removing the mask made of the silicon oxide film 702, as shown in FIG. 7D, a probe 704 having a shape whose tip is spread outward is formed.
[0008]
By using a probe having a shape whose tip is expanded outward in this way, the shape of a trench hole having a negative gradient angle and the roughness of the side wall thereof can be measured.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
Thomas mentioned above. The cantilever proposed by Bayer et al. Is made of silicon, as can be seen from the manufacturing method. In the AFM measurement of the sample side wall, the measurement is performed by bringing the probe into contact with the sample side wall, so that the softer the lever characteristic, the higher the measurement sensitivity. However, in a silicon cantilever, it is extremely difficult to stably produce a thin lever film with a thickness of 1 μm or less, and it is difficult to soften the lever characteristics, resulting in a decrease in measurement sensitivity. In addition, the silicon probe has a problem in that measurement reproducibility cannot be obtained because of excessive wear in contact measurement. Furthermore, since the probe is charged by static electricity or the like, there is a problem that measurement reproducibility cannot be achieved.
[0010]
The present invention has been made to solve the above-mentioned problems in the conventional AFM cantilevers, and an object of the present invention is to provide an AFM cantilever having high measurement resolution and high strength . An object of the present invention is to provide an AFM cantilever having high strength and improved side wall observation sensitivity suitable for trench hole side wall evaluation. An object of the present invention is to provide an AFM cantilever having a probe portion having a shape frequently used for normal AFM measurement, having high strength and improved measurement resolution.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 is characterized in that a silicon probe part is disposed in the vicinity of the free end of the silicon nitride film cantilever extending from the support part, and at least the silicon probe part is provided. In the AFM cantilever configured so that the lower side surface is covered with a silicon nitride film formed integrally with the silicon nitride film forming the cantilever, the silicon covered with the silicon nitride film forming the cantilever The AFM cantilever is configured so that a constricted portion is formed on the lower side surface of the probe-making portion . With this configuration, it is possible to easily constitute the cantilever with a thin silicon nitride film, it is possible to improve the measurement resolution, the probe portion prevents exit the cantilevers, the intensity on a large it is possible.
[0012]
According to a second aspect of the invention, the AFM cantilever according to claim 1, wherein the silicon probe portion has a shape tip of its is spread outward, so that the silicon to form the tip portion is exposed It is composed of By configuring in this way, it is possible to improve the side wall observation sensitivity of trench holes and the like while maintaining the strength . According to a third aspect of the present invention, in the AFM cantilever according to the first aspect, the probe portion is configured to have a conical shape. By configuring in this way, the measurement resolution can be improved while maintaining the strength by applying the configuration of the first aspect of the invention to an AFM cantilever having a probe portion having a shape frequently used for normal AFM measurement. Can do.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
[First Embodiment]
Next, embodiments of the invention will be described. 1A and 1B are views for explaining the configuration of a first embodiment of an AFM cantilever according to the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view thereof, and FIG. 1B is a perspective view thereof. The AFM cantilever 100 according to the embodiment of the present invention includes a probe portion 101 made of single crystal silicon, a cantilever 102 made of a silicon nitride film, and a support portion 103 made of single crystal silicon. The cantilever 102 is disposed in the vicinity of the free end, its tip extends outward, and its lower side surface is covered with a silicon nitride film 104 that forms the cantilever 102. In the figure, reference numeral 105 denotes a silicon oxide film interposed between the cantilever 102 and the support portion 103. The reason why the lower side surface of the probe unit 101 is covered with the silicon nitride film 104 forming the cantilever 102 is to firmly attach the probe unit 101 to the cantilever 102.
[0014]
Next, a method of manufacturing the AFM cantilever according to the first embodiment configured as described above will be described with reference to the manufacturing process cross-sectional views of FIGS. First, as shown in FIG. 2A, in order to manufacture this cantilever, a substrate in which two (100) silicon substrates are bonded via a silicon oxide film as a start substrate, that is, bonded SOI (Silicon On Insulator). ) Prepare the substrate 211. One of the thicknesses of the two substrates bonded together is, for example, 15 μm, and this is used as a substrate for forming the probe portion. The other is, for example, 500 μm, which is used to form the support. Further, the thickness of the intermediate silicon oxide film is, for example, 1 μm. Then, after forming a silicon oxide film of 1 μm, for example, on the surface of the SOI substrate 211, a silicon oxide film mask pattern 212 for forming a probe portion is formed at a predetermined location where the probe portion on the substrate surface is to be formed by a normal lithography process. A mask pattern 213 for forming a support portion is formed on the back surface of the substrate.
[0015]
Next, as shown in FIG. 2B, by using the silicon oxide film mask pattern 212 as a mask, the surface of the SOI substrate 211 is etched until the silicon oxide film of the intermediate layer is exposed. Form. At this time, by appropriately selecting the etching conditions, the tip of the probe portion is expanded outward.
[0016]
Next, as shown in FIG. 2C, after the silicon oxide film mask pattern 212 is peeled off, a silicon nitride film 214 for forming a cantilever is formed on the entire surface. As the silicon nitride film 214, a film having a silicon content higher than that of a silicon / nitrogen composition of 3: 4, which is often used in a semiconductor element, is used. Thereby, since a thermal expansion coefficient approaches silicon, when peeling a board | substrate silicon | silicone and forming a cantilever, it can prevent that a cantilever warps. Next, a photoresist 215 serving as a mask when the silicon nitride film 214 is processed into a cantilever shape is formed. At this time, the film thickness of the photoresist 215 is selected so that the tip of the probe portion 201 is exposed.
[0017]
Next, the silicon nitride film 214 is etched using the photoresist 215 as a mask to process it into a cantilever pattern and to expose silicon at the tip of the probe portion. Next, as shown in FIG. 2D, a silicon oxide film 216 is formed at the tip of the probe portion where the silicon is exposed by performing a thermal oxidation process. As a result, the tip edge of the probe portion 201 is sharpened, the measurement resolution is improved, and the probe portion can be protected when the substrate is etched to form a cantilever. Next, as shown in FIG. 2 (E), a probe portion having a lower side surface covered with a silicon nitride film 206 is etched from the back surface of the substrate and finally the oxide film is removed by etching with a hydrofluoric acid aqueous solution. An AFM cantilever having the same configuration as that of the first embodiment shown in FIG. Reference numeral 205 denotes a silicon oxide film.
[0018]
In the AFM cantilever of the first embodiment, the probe portion and the cantilever are fixed in such a manner that the lower side surface of the probe portion is covered with a silicon nitride film that forms the cantilever. In the case of this configuration, there is a possibility that the probe part may come off the cantilever during use. Therefore, by adopting a configuration in which the constricted portion is formed on the lower side surface of the probe portion, the probe portion does not fall out from the cantilever during use, and the use strength can be increased.
[0019]
Next, an example of a method for manufacturing an AFM cantilever in which a constricted portion is formed on the lower side surface of the probe portion will be described with reference to FIGS. First, after forming a silicon projection to be the probe portion 301 by the same manufacturing method as shown in FIG. 2B, the probe portion 301 is placed on the upper portion of the probe portion 301 as shown in FIG. A resist pattern 317 is formed so that most of it is hidden and the proximal end portion of the probe portion 301 is exposed. By applying isotropic silicon etching to the probe portion 301 using the resist pattern 317 as a mask, a constricted portion 318 can be formed on the lower side surface of the probe portion as shown in FIG. Thereafter, as shown in FIG. 3C, a silicon nitride film 314 for forming a cantilever is formed on the entire surface, and is embedded in the constricted portion 318. As a result, an AFM cantilever in which the probe portion 301 is firmly fixed to the cantilever is obtained.
[0020]
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the AFM cantilever according to the present invention will be described with reference to FIG. In this embodiment, as shown in FIG. 4, the silicon at the tip of the probe 401 is not exposed, and the silicon nitride film 404 forming the cantilever 402 is formed so as to cover the entire probe. In this respect, the configuration is different from that of the first embodiment. In FIG. 4, 403 is a support portion and 405 is a silicon oxide film.
[0021]
By configuring in this way, the tip of the probe part in contact with the sample surface is covered with a silicon nitride film harder than silicon, so that the AFM cantilever can be measured with less wear and with good reproducibility. Is obtained.
[0022]
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the AFM cantilever according to the present invention will be described with reference to FIG. The AFM cantilever of this embodiment is an AFM cantilever having the same configuration as that of the first embodiment described above, and further has a Si ₃ N ₄ film, a DLC (diamond-like carbon) film, a SiC on the surface of the probe portion 501. A hard film 519 such as a film is formed thin, and the tip of the probe portion is covered with a hard film. In FIG. 5, 502 is a cantilever, 503 is a support portion, and 505 is a silicon oxide film.
[0023]
With this configuration, the probe portion can be covered with a film harder than the silicon nitride film having a high silicon content forming the cantilever. Therefore, the probe is further improved than the one shown in the second embodiment. The wear of the needle part is suppressed, and the measurement reproducibility is improved. Further, since the hard film can be formed thinly, deterioration of the sharpness of the tip edge due to covering the probe portion can be reduced, and higher measurement resolution than that shown in the second embodiment can be expected.
[0024]
[Fourth Embodiment]
Next, a fourth embodiment of the AFM cantilever according to the present invention will be described with reference to FIG. In the AFM cantilever of this embodiment, after forming a silicon protrusion to be the probe portion 601 by the same process as that described in the first embodiment, phosphorus or boron is formed on the silicon protrusion. Impurities are diffused at a high concentration, and then a cantilever 602 is formed in the same manner as in the first embodiment. Finally, a metal film 620 such as Au or Al is deposited on the back surface of the cantilever 602 and the support portion 603 by vapor deposition or the like. Thus, the AFM cantilever of the present embodiment can be obtained. Reference numeral 605 denotes a silicon oxide film.
[0025]
With this configuration, the probe 601 becomes conductive, and the metal film 620 formed on the back surface of the cantilever 602 and the probe 601 are electrically connected, so that the end of the cantilever support 603 is grounded. By doing so, it becomes possible to ground the potential at the tip of the probe portion. As a result, it is possible to prevent a decrease in measurement reproducibility due to charging of the probe portion due to the influence of static electricity or the like.
[0026]
In each of the above embodiments, an AFM cantilever having a probe portion with a tip extending outwardly, which is suitable for measuring the trench shape and the side wall roughness, has been described. Of course, the above-described configuration can also be applied to an AFM cantilever having a probe portion with a sharply pointed tip that is frequently used for measurement.
[0027]
【The invention's effect】
As described above based on the embodiments, according to the present invention, the cantilever is made of a silicon nitride film, and at least the lower side surface of the silicon probe portion is formed integrally with the silicon nitride film forming the cantilever. In addition, since the constricted portion is formed on the lower side surface of the probe portion, the measurement resolution can be improved and the probe portion can be firmly attached to the cantilever .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a transverse sectional view and a perspective view showing a first embodiment of an AFM cantilever according to the present invention.
FIG. 2 is a diagram showing a manufacturing process for explaining the manufacturing method of the first embodiment shown in FIG. 1;
FIG. 3 is a diagram showing a manufacturing process for explaining a manufacturing method according to a modification of the first embodiment.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a diagram illustrating a manufacturing process for explaining a method for manufacturing a probe portion of a conventional AFM cantilever.
[Explanation of symbols]
100 AFM cantilever
101,201,301,401,501,601 Probe unit
102,202,402,502,602 Cantilever
103,203,403,503,603 Support part
104,204,404 Silicon nitride film
105,205,405,505,605 Silicon oxide film
211 SIO board
212 Silicon oxide film mask pattern for probe formation
213 Silicon oxide mask pattern for supporting part formation
214 Silicon nitride film
215 photoresist
216 Silicon oxide film
317 resist pattern
318 Constriction
519 Hard film
620 Metal film

Claims

支持部より伸びた窒化シリコン膜製カンチレバーの自由端近傍に、シリコン製探針部が配設され、該シリコン製探針部の少なくとも下部側面は前記カンチレバーを形成する窒化シリコン膜と一体的に形成されている窒化シリコン膜によって覆われるように構成されているＡＦＭカンチレバーにおいて、前記カンチレバーを形成する窒化シリコン膜によって覆われている前記シリコン製探針部の下部側面には、くびれ部が形成されていることを特徴とするＡＦＭカンチレバー。A silicon probe portion is disposed in the vicinity of the free end of the silicon nitride film cantilever extending from the support portion, and at least the lower side surface of the silicon probe portion is formed integrally with the silicon nitride film forming the cantilever. In the AFM cantilever configured to be covered with the silicon nitride film, a constricted portion is formed on the lower side surface of the silicon probe portion covered with the silicon nitride film forming the cantilever. AFM cantilever, characterized in that there.

前記シリコン製探針部は、その先端部が外側に拡がった形状を有し、該先端部を形成するシリコンが露出するように構成されていることを特徴とする請求項１記載のＡＦＭカンチレバー。 2. The AFM cantilever according to claim 1, wherein the tip portion of the silicon has a shape in which a tip end portion is expanded outward, and silicon forming the tip portion is exposed. 3.

前記シリコン製探針部は、その先端部が錐体状に尖った形状を有していることを特徴とする請求項１記載のＡＦＭカンチレバー。 The AFM cantilever according to claim 1, wherein the tip portion of the silicon probe has a cone-shaped tip.