JP4656761B2 - Ｓｐｍカンチレバー - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭと略称されている）に用いられるカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、検出対象の物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等があるが、この中でＡＦＭは試料表面の形状を高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディスク等の表面形状の測定に利用されている。
【０００３】
例えばＡＦＭでは、先端に探針部を備えたカンチレバーを有し、探針部を試料の表面に対向して配置し、試料表面から探針部に対して原子間力が作用すると、探針部・試料間の距離に応じてカンチレバーがたわむように構成されている。
【０００４】
ここで、従来のカンチレバーの構造について説明する。図７は従来のカンチレバーを示す断面図である。図７において、101 は単結晶シリコンウエハを加工して作製したカンチレバー支持部、102 は支持部101 より伸びたレバー部であり、探針部103 がレバー部102 の自由端側104 に形成されている。ここでは、探針部103 の探針軸105 がレバー部102 に垂直に配置されている。なお、探針軸とは、一般的には探針部先端頂点と、レバー部102 と接する探針部103 の底面の中心点とを結ぶ軸を表しているが、本発明では探針部基部主体の長さ方向の中心直線軸を表すものとする。
【０００５】
次に、このような構成のカンチレバーをＡＦＭ装置に装着して具体的な測定を行う例として、特開２０００−２７５２６０号公報に開示されているＡＦＭ装置の構成例を、図８に示す。ここでは、光てこの原理を応用してカンチレバーの変位状態を光学的に検出するものを示しており、具体的には、光源120 から変位測定用レーザー光112 をカンチレバー119 の背面に照射し、カンチレバー119 の背面から反射したレーザー反射光113 を受光して、その受光位置及びその受光量の変化に基づいて、カンチレバー119 の変位状態を受光素子121 にて光学的に検出するものである。カンチレバー119 は支持部111 でＡＦＭ装置に装着され、円筒形のＸＹＺ変位用アクチュエータ118 上に置かれた測定試料116 の水平面に対し、一定の角度117 傾けてセットされている。したがって、カンチレバー支持部111 より伸びたレバー部114 の先端に探針軸が垂直になるように形成されている探針部115 は、測定試料116 の水平面と一定の角度117 傾いて対向することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のカンチレバーにおいては次に示すような課題がある。まず、図９に拡大した探針部先端部分の様子を示すように、探針部115 の先端部の頂点ｂが必ずしも試料116 に最も近い位置にくるとは限らない。レバー部が傾いてセットされていることにより、探針部頂点ｂと試料116 の表面との距離Ｂが、探針部頂点ｂからずれた点ａと試料116 の表面との距離Ａよりも長くなる可能性が大きい。その結果、試料116 と探針部115 間とに働く相互作用点が一点に決まらず、中心からずれた位置であったり、あるいは複数点で作用することが考えられ、試料表面の凹凸を正確に且つ高分解能で測定することができなくなってしまう。
【０００７】
また、ＡＦＭ測定時に探針部を傾けているため、サーボ方向は一定方向、すなわち試料面に対して垂直方向に一定振幅で振動を与えながら試料表面に沿って走査した場合、試料表面に凸部があると一定の振幅となるようにサーボが働くが、そのサーボが働く前に探針部の先端頂点以外の部分が凸部側壁に接触し、探針部や試料にダメージを与え易くなるだけでなく、例えば傾斜角度のきつい段差試料面をＳＰＭ測定するときは、探針部先端部が段差試料面に追従できずサーボ応答に遅れが生じて精度良いＳＰＭ測定が行えない。
【０００８】
更に、ＡＦＭ測定時に探針部を傾けた角度をＳＰＭ装置で補正する場合、角度を調整するために、例えば試料台を傾けたりする別の機構を新たに設けなければならず、ＳＰＭ装置としての部品点数が増加し複雑でコストが増加してしまうという問題点が生じる。
【０００９】
また、従来の三角錐状の探針部121 をもつカンチレバーでは、図10の（Ａ）に示すように探針部121 の頂角の影響で、垂直に立った凹凸試料122 の側壁123 の状況を測定できないのが現状である。すなわち、測定可能な側壁は探針部頂角の形状に依存するため、図10の（Ｂ）に示すように、傾斜面の側壁123aしか測定できない。
【００１０】
更に、カンチレバー探針部をシリコン単結晶にて形成したり、シリコン単結晶をカンチレバー探針部のモールドとして使い、該モールドにSiＮ膜等を生成して探針部を形成する場合においても、予め探針部の傾きを考慮して形成するのは難しく、更に探針部の先端部のみを探針軸から曲げて傾きを持たせるのは上記以上に難しく、半導体加工技術を応用しても作製が難しい。
【００１１】
カンチレバー探針部先端をＦＩＢ（Focus Ion Beam）法により、尖鋭化する方法が考えられるが、この場合には垂直加工が原則であり、加工後の尖鋭化された探針部を探針軸から一定の角度傾けた方向に制御することは非常に難しい。またこの手法は１本１本作業するものであるため、再現性のある探針部を形成するのが難しい。
【００１２】
また、カンチレバー探針部先端にＣＮＴ（Carbon Nano Tube）、ＥＢＤ（Electron Beam Deposition）探針を取り付けた場合においても、探針部先端に取り付ける角度や方向を制御するのが難しく、またこの手法も１本１本作業するものであるため、生産性が悪いのは勿論、再現性のある探針部を形成するのが難しい。
【００１３】
更に、ＣＮＴは探針部先端の面に取り付けるものであるため、面の荒れや角度等の影響を受け易く、探針軸とＣＮＴとを一定の角度だけ傾斜させて取り付けるには、元のカンチレバー探針部形状に予め傾斜させた面を形成しておかなければならず、制御が難しい。
【００１４】
本発明は、従来の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、高分解能の測定が可能であると共に、探針部先端部が制御性良く、且つ作製容易なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。また、従来のＳＰＭ装置では使用不可能であった構成のカンチレバーも、コーティング膜を制御性よく形成することによって、容易にしかも低コストで、既存のＳＰＭ装置に装着可能にしたＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１５】
請求項毎の目的を述べると、次の通りである。すなわち、請求項１に係る発明は、探針部先端部の非常に細い領域を容易に傾けることが可能で、測定状態あるいは試料形状に合わせて常に高分解能で表面状態を測定可能とすると共に、導電性や磁性を持たせることが可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項２に係る発明は、膜の形成が容易で膜厚や応力の制御がし易いコーティング膜を提供することを目的とする。請求項３に係る発明は、探針部先端部を90度以上に傾けることの可能で、試料の段差側面を高分解能で測定可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項４に係る発明は、探針部先端部の非常に細い領域を曲率半径を大きくさせずにあるいはコーティング膜を剥離させずに、曲げることの可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、支持部と、該支持部から伸びるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に形成される探針部とからなるＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面及び前記探針部側のレバー部に金属膜あるいは磁性体膜がコーティングされ、前記探針部表面全面のコーティング膜は側面により膜厚が異なり、前記探針部の先端部が厚いコーティング膜を有する前記探針部の側面側に探針軸から一定の角度傾けて構成されていることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、試料形状や測定状態にかかわらず、常に高分解能でＳＰＭ測定が可能となる。また、探針部先端部の非常に細い領域において、材料の弾性作用を利用して、膜厚や膜応力を容易に制御可能となり、探針部先端部を制御性良く容易に探針軸から曲げることが可能となる。しかも金属膜や磁性体膜のコーティング膜により、導電性あるいは磁性を持たせることが可能となり、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscopy ）による微細な領域の容量測定やＳＳＲＭ（Scanning Spreading Resistance Microscopy）による抵抗率測定、更には材料の磁場を測定できるＭＦＭ（Magnetic Force Microscopy ）等種々の測定に応用できる。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、同一材料であることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、コーティング膜の形成が容易になり、コーティング膜厚や応力の制御がし易くなる。そのため、コーティング膜で探針軸から一定の角度傾けることがより容易となり、これにより微小な領域を高分解能で測定することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、異種材料であることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、膜応力の全く異なる材料をコーティングすることができ、探針部先端部を探針軸から90度以上の角度に傾けることが可能となり、試料の段差側面を測定する場合に、探針部頂点を側面と最も近い距離で走査することが可能となり、側面情報を高分解能で測定することが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記コーティング膜は、単層膜あるいは多層膜のいずれか一方、もしくは単層膜と多層膜の組み合わせであることを特徴とするものである。このような構造とすることにより、探針部先端部の非常に細い領域において、材料の弾性作用を利用して、単層の場合には探針部先端の曲率半径を大きくさせることなく曲げることが可能となる。また、複数の多層膜の場合にはコーティング膜が探針部から剥がれることのないように、その一層を接着層として用いることが可能となり、信頼性が高く高寿命を有し、しかも制御性よく容易に探針軸から曲げることが可能なＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。まず、第１の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態の説明に際しては製造過程を説明しながら、各実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの構成について説明することとする。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造過程における態様を示す側面断面図である。最初に、図１の（Ａ）に示すように、単結晶シリコン材料で形成された一般的なカンチレバーを作製する。図１の（Ａ）において、１は単結晶シリコンウエハを加工して作製した支持部、２は単結晶シリコンにより厚さを制御して形成されたレバー部、３はレバー部２の自由端側４に配置され、支持部１より伸びた単結晶シリコン製の尖鋭化した円錐状探針部であり、その探針軸５はレバー部２に対して垂直になるように配置されている。なお、図においては、探針部３は単純な円錐形状で示しているが、実際は側面が若干内側に弯曲した、より尖鋭化した円錐形状のものである。
【００２１】
次に、このように構成されているカンチレバーにおいて、探針部３及び探針部配置側のレバー部２の表面全面にわたって、シリコン窒化膜６をスパッタリング法により数〜数十nmの厚さでコーティングする。シリコン窒化膜としては、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有する、例えばＳi3Ｎ4 膜を用いて、探針部３の先端近傍の曲げたい方向に面する探針部３の側面に厚く形成する。ここでは、探針部３のレバー部自由端側の側面のシリコン窒化膜を厚く形成する。なお、所望の側面にシリコン窒化膜を厚くコーティングする方法としては、スパッタリング装置内にカンチレバーをセットする際に、ターゲットに対して方向、角度、回転速度などの条件を制御すればよい。
【００２２】
このように、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するシリコン窒化膜６を膜厚を変えてコーティングすることにより、図１の（Ｂ）に示すように、探針部３において厚くコーティングされた方向、すなわちレバー部自由端側に先端部が曲がり、探針部先端部７が探針軸５に対して一定の角度θだけレバー部自由端側に傾いた構造となるＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２３】
ここで、シリコン窒化膜６はシリコン材料との密着性に優れ、単層だけの膜圧縮応力により探針部先端部７を曲げることが可能であり、探針部先端部７の傾き角θはシリコン窒化膜６の膜厚により十数度程度なら制御可能である。ここでは、探針部先端部７をレバー部２の自由端側に曲げたものを示したが、レバー部２の固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
したがって、カンチレバーの探針部先端部を探針部側面に形成するシリコン窒化膜のコーティング膜の膜厚差の制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭに用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。また、この構成のカンチレバーは簡単な製法により実現可能であると共に、コーティング膜の膜厚の制御により探針部先端部の曲げ角を容易に制御できる。なお、探針部先端部の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００２５】
本実施の形態では、コーティング膜としてシリコン窒化膜を用いたものを示したが、この他にもシリコン酸化膜，シリコン炭化膜あるいはシリコン化合物の絶縁膜、あるいはこの他にも非晶質カーボン膜を用いてコーティング膜を形成してもかまわない。
【００２６】
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、金属コーティングを施すことにより、導電性を持たせた構成のＳＰＭカンチレバーに関するものである。図２は、第２の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの断面を示す側面図で、第１の実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して示している。図２において、１は単結晶シリコンウエハを加工して作製した支持部、２は単結晶シリコンにより厚さを制御して形成されたレバー部、３はレバー部２の自由端側４に配置され、支持部１より伸びた単結晶シリコン製の探針部、８は探針部３及び探針部配置側のレバー部の全表面にわたって形成されたＴi(チタン）などからなる金属膜、９は金属膜８の上層として形成されたＰt(白金）などの導電性金属コート膜であり、探針部先端部10は探針軸５に対して一定の角度θだけ自由端側に傾いた構造となっている。なお、上記金属膜８は探針部３のレバー部自由端側の側面に厚く形成されている。
【００２７】
次に、このような構成の第２の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を簡単に述べる。まず第１の実施の形態に関して図１の（Ａ）で示したと同様に、単結晶シリコン材料で形成された一般的なカンチレバーを作製し、探針部３及び探針部配置側のレバー部２の表面全面にわたって、Ｔi などの金属膜８を数〜数十nmの厚さでコーティングする。この金属膜８は、該金属膜８の上層として形成する導電性金属コート膜の密着性を向上させるためのものである。ここで、金属膜８としては、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi 膜を用いて、探針部３の先端近傍の曲げたい方向に面する探針部２の側面に厚く形成する。本実施の形態では、探針部３のレバー部自由端側の側面の金属膜８を厚く形成する。なお、所望の側面に金属膜８を厚く成膜する方法としては、スパッタリング装置内にカンチレバーをセットする際に、ターゲットに対して方向、角度、回転速度などの条件を制御すればよい。
【００２８】
このように、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi などの金属膜を膜厚を変えてコーティングすることにより、探針部３において厚く成膜された方向、すなわちレバー部自由端側に先端近傍が曲がり、探針部先端部10が探針軸５に対して一定の角度θだけレバー部自由端側に傾いた構造を持つＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２９】
ここで、探針部先端部10の傾き角θは、コーティング金属膜８の膜厚により十数度程度以内なら制御可能である。ここでは、探針部先端部10をレバー部の自由端側に曲げたものを示したが、レバー部の固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００３０】
続いて、探針部配置側の表面にＰt(白金）などの導電性金属コート膜９を、金属膜８と同様にスパッタリング法により数十nmの厚さでコーティングする。ここで、導電性金属コート膜９のコーティングにより、探針部先端部10を更に曲げることも、あるいは曲げないように制御することも可能である。これらの制御は、コーティングする導電性金属コート膜９の膜応力を変えることにより可能となる。この膜応力は、形成条件である圧力やパワーによって変えることができる。
【００３１】
以上の工程により、単結晶シリコン探針部３と密着性に優れた金属膜８と、上部に導電性金属コート膜９がコーティングされた導電性を有するＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００３２】
このように構成したＳＰＭカンチレバーにおいては、カンチレバーの探針部先端部をシリコン又は酸化膜と密着性に優れた金属膜及び又は導電性金属コート膜の膜厚差のみの制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭ装置に用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。また、このＳＰＭカンチレバーでは導電性を付加することにより、ＳＣＭによる微細な領域の容量測定やＳＳＲＭによる抵抗率測定などの種々の測定に適用できる。なお、探針部先端部10の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００３３】
本実施の形態では、金属膜８のコーティングにスパッタリング法を用いたものを示したが、金属膜８はこれに限らず真空蒸着法にて形成することも可能であり、また、本実施の形態では導電性金属コート膜にＰt を用いたものを示したが、Ｐt 金属に限らずＡu(金）あるいはPtIr（白金イリジウム）等の酸化しにくい金属や、それらの合金で導電性金属コート膜を形成し、導通を取ることも可能である。また、導電性金属コート膜の下層接着層となる金属膜８は、Ｔi 金属に限らずＣr(クロム）等の金属にて形成することも可能である。
【００３４】
更に、導電性金属コート膜としてＮi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を用いることにより、試料の磁場を測定できるＭＦＭカンチレバーを形成することも可能であるが、この場合にはこれらの材料は単結晶シリコンと密着性がよいため、第１の実施の形態のシリコン窒化膜などの絶縁膜をコーティングする場合と同様に、探針部に直接コーティングすることが可能となる。
【００３５】
次に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する参照例について説明する。本参照例は、探針部先端部がレバー部に対して垂直方向となるように傾斜させた構成のＳＰＭカンチレバーに関するものである。図３は、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーを示す断面側面図で、図１に示した本発明の第１の実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して示している。まず、図３の（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハを加工して形成した支持部１と、支持部１より伸びたレバー部２と、レバー部２の自由端側４に探針軸12がレバー部２に対して傾斜して配置されている探針部11を有するカンチレバーを用意する。
【００３６】
次に、探針部先端近傍の曲げたい方向に面する探針部２の側面、ここでは探針部先端近傍をレバー部２の固定端側に曲げるために、レバー部２の探針部配置側の表面及びレバー部固定端側の探針部側面のみに、圧縮応力を有するシリコン窒化膜13をスパッタリング法により数〜数十nmの厚さでコーティングする。
【００３７】
このように、圧縮応力を有するシリコン窒化膜13を探針部11の一側の側面のみにコーティングすることにより、図３の（Ｂ）に示すようにレバー部の固定端側に探針部先端近傍が曲がり、探針部先端部14が元の探針部11の探針軸12に対して一定の角度θだけ、レバー部の固定端側に傾いた構造、すなわち探針部先端部14がレバー部２に対して垂直となるように傾けた構造となるＳＰＭカンチレバーが得られる。ここで、シリコン窒化膜13はシリコン材料との密着性に優れ、単層だけの膜圧縮応力により探針部先端近傍を曲げることが可能であり、探針部先端部14の傾き角θはシリコン窒化膜13の膜厚により十数度程度なら制御可能である。ここでは、探針部先端部14をレバー部２の固定端側に曲げたものを示したが、更に自由端側に曲げて構成してもよいことは言うまでもない。
【００３８】
このように構成したＳＰＭカンチレバーにおいては、カンチレバーの探針部先端部14を、探針部11の一側の側面に形成されるシリコン窒化膜13のコーティング膜厚のみの制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭ装置に用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。そのため、いままで探針先端を測定試料面に垂直走査することができず測定精度不足により使用できなかったカンチレバーでも、高分解能でのＳＰＭ測定が可能となる。なお、探針部先端部14の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００３９】
本参照例では、探針部へのコーティング膜としてシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることはなく、シリコン酸化膜，シリコン炭化膜あるいはシリコン化合物の絶縁膜あるいは、この他にも非晶質カーボン膜でもコーティング膜として用いてよいことは言うまでもない。
【００４０】
また、本参照例では、単層のシリコン窒化膜上に、導電性材料のＴi ，Ｐt 等の金属膜をコーティングして導電性を有するカンチレバーを形成することもできる。あるいは本発明の第２の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜をコーティングせず、単結晶シリコン製のカンチレバーに接着層並びに導電層となる金属膜をコーティングして導電性のカンチレバーを作製することもできる。
【００４１】
更には、導電性材料ではなく、Ｎi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を、探針部側面に形成した単層のシリコン窒化膜上にコーティングして、ＭＦＭカンチレバーを形成することも可能である。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、探針部先端にＣＮＴあるいはＥＢＤ探針などを追加加工して形成した高アスペクト比の付加先端探針部を有するＳＰＭカンチレバーに関するものである。図４の（Ａ），（Ｂ）に本実施の形態に係る導電性のＳＰＭカンチレバーを示す。まず、図４の（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハを加工して形成した支持部１と、支持部１より伸びたレバー部２と、レバー部２の自由端側４にレバー部２に対して垂直の探針軸17を有する探針部15上に、更にＣＮＴあるいはＥＢＤなどによる高アスペクト比領域を有する付加先端探針部16を装着したカンチレバーを用意する。
【００４３】
次に、探針部配置側全面にわたって接着層であるＴi 膜18を、探針部15の先端の付加先端探針部16の曲げたい方向に面する探針部15，16の側面、ここではレバー部２の自由端側の側面のＴi 膜18が厚くなるようにスパッタリング法によりコーティングする。単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi 膜18を用いているため、図４の（Ｂ）に示すように、高アスペクト比領域の探針部の付加先端探針部16はレバー部２の自由端側に曲がった構造になる。更に、探針部配置側全面にＰt 膜19をコーティングして導電性を有するＳＰＭカンチレバーを得る。ここでは、探針部の付加先端探針部16をレバー部２の自由端側に曲げて傾斜付加先端探針部20を形成したものを示したが、固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００４４】
このような構造とすることにより、非常に細い高アスペクト比領域の探針部15の傾斜付加先端探針部20と試料面とを常に最短距離にして作用させることができるため、分解能の向上が期待できる。更に高アスペクト比の傾斜付加先端探針部20の長い領域を活用して、深溝の奥まで測定可能となる。また、高アスペクト比を有する非常に細い領域の傾斜付加先端探針部20が長く、弾性作用が働き易く曲げ易い構造になっているため、トレンチ構造のような深い溝の測定にも十分対応できる。なお、傾斜付加先端探針部20の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００４５】
ＥＢＤ，ＣＮＴ等の付加先端探針部を有する探針部の場合、方向性制御が難しく、歩留まりが著しく悪かったが、本実施の形態によれば、付加先端探針部を付加させて方向性を確認した後、ＳＰＭ測定上問題ない範囲に任意に曲げることが可能となり、生産性の高い安定した付加先端探針部を有するＳＰＭカンチレバーを得ることができる。
【００４６】
本実施の形態においては、レバー部に対し垂直な探針部先端にＣＮＴ，ＥＢＤ等による付加先端探針部を装着した構造に適用したものを示したが、これに限定されず、探針部の元材料とは異なる材料を探針部に追加加工して細い形状のものを形成した場合においても、適用することが可能である。
【００４７】
また、接着層となるＴi 膜などの金属膜のコーティングにスパッタリング法を用いたものを示したが、これに限らず真空蒸着法にて形成することも可能であり、また、本実施の形態では導電性金属コート膜としてＰt 膜を用いたものを示したが、Ｐt 膜に限らずＡu(金）あるいはPtIr（白金イリジウム）等の酸化しにくい金属や、それらの合金で導電膜を形成し、導通を取ることも可能である。また、導電性金属コート膜の下層の接着層となる金属膜はＴi 膜に限らず、Ｃr(クロム）等の金属にて形成することも可能である。
【００４８】
更に、本実施の形態において、Ｎi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を探針部並びに付加先端探針部の側面に形成することにより、ＭＦＭカンチレバーを形成することも可能であるが、この場合には、これらの材料は単結晶シリコンと密着性がよいため、第１の実施の形態におけるシリコン窒化膜などの絶縁膜と同様に、探針部並びに付加先端探針部に直接コーティングすることが可能となる。
【００４９】
更に、第１の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜などの絶縁膜のみをコーティングし、導電性あるいは磁性を持たせないＳＰＭカンチレバーを形成することが可能であることも言うまでもない。
【００５０】
以上説明したように、第１から第３の実施の形態では、探針部先端近傍をレバー部の長手方向すなわちレバー部の自由端側あるいは固定端側のみに曲げるように構成したものを示したが、これには限定されず、探針部先端近傍を自由な方向に曲げることができることは言うまでもない。したがって、試料の形状などには影響されず、高分解能で再現性のあるＳＰＭ測定に対応可能となる。
【００５１】
また、探針部先端近傍の非常に細かい領域を自由な方向に曲げることができるため、常に試料水平表面あるいは試料垂直表面もしくは試料傾斜面と最短距離で、且つ一点で作用させることができ、分解能の向上が期待できると共に、深溝試料の奥まで測定可能となり、忠実なプロファイルを得ることができる。
【００５２】
更に、探針部先端近傍の非常に細い領域21を、図５に示すように常に試料22の垂直に立った表面22ａと垂直に対向できるように曲げることが可能となり、今まで探針部先端の頂角の影響により、測定不可能な試料の側壁状態を高分解能で測定することができる。
【００５３】
更に、ＳＰＭカンチレバーの使用方法としては試料表面を走査しプロファイルを得るのが一般的であるが、上記実施の形態の説明で述べたように、探針部先端近傍23を曲げることにより、図６に示すように測定試料24の係合部25に引っかけて持ち上げたり、異なる場所に微小な試料を移動させたりすることもできる。
【００５４】
【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、探針部の非常に細く弾性を持つ先端近傍を、コーティング膜の圧縮応力により曲げ方向を制御可能に所定角度に傾けた構成としたＳＰＭカンチレバーを容易に実現することができる。これにより、ＳＰＭ装置への装着時に、探針部の頂点を常に測定試料表面と最短で向かい合わせて一点で原子間力を作用させることができるようになり、高分解能の測定が可能となり、また従来のＳＰＭ装置がかかえていた探針部が試料に与えるダメージを軽減すると共に、低コストで既存のＳＰＭ装置に装着可能なＳＰＭカンチレバーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態を示す側面断面図である。
【図３】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する参照例を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図４】 本発明の第３の実施の形態を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図５】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの使用態様を示す図である。
【図６】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの他の使用態様を示す図である。
【図７】 従来のＳＰＭカンチレバーの構成例を示す側面図である。
【図８】 従来のＳＰＭカンチレバーを装着したＳＰＭ装置の構成例を示す図である。
【図９】 従来のＳＰＭカンチレバーによる測定態様を示す拡大図である。
【図10】 従来のＳＰＭカンチレバーによる側壁測定態様を示す図である。
【符号の説明】
１ 支持部
２ レバー部
３ 探針部
４ レバー部自由端側
５ 探針軸
６ シリコン窒化膜
７ 探針部先端部
８ 金属膜
９ 導電性金属コート膜
10 探針部先端部
11 探針部
12 探針軸
13 シリコン窒化膜
14 探針部先端部
15 探針部
16 付加先端探針部
17 探針軸
18 Ｔi 膜
19 Ｐt 膜
20 傾斜付加先端探針部
21 探針部先端近傍領域
22 試料
22ａ 試料垂直表面
23 探針部先端近傍
24 測定試料
25 係合部
【発明の属する技術分野】
この発明は、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭと略称されている）に用いられるカンチレバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）には、検出対象の物理量に応じて、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ）、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等があるが、この中でＡＦＭは試料表面の形状を高分解能で検出するのに適しており、半導体や光ディスク等の表面形状の測定に利用されている。
【０００３】
例えばＡＦＭでは、先端に探針部を備えたカンチレバーを有し、探針部を試料の表面に対向して配置し、試料表面から探針部に対して原子間力が作用すると、探針部・試料間の距離に応じてカンチレバーがたわむように構成されている。
【０００４】
ここで、従来のカンチレバーの構造について説明する。図７は従来のカンチレバーを示す断面図である。図７において、101 は単結晶シリコンウエハを加工して作製したカンチレバー支持部、102 は支持部101 より伸びたレバー部であり、探針部103 がレバー部102 の自由端側104 に形成されている。ここでは、探針部103 の探針軸105 がレバー部102 に垂直に配置されている。なお、探針軸とは、一般的には探針部先端頂点と、レバー部102 と接する探針部103 の底面の中心点とを結ぶ軸を表しているが、本発明では探針部基部主体の長さ方向の中心直線軸を表すものとする。
【０００５】
次に、このような構成のカンチレバーをＡＦＭ装置に装着して具体的な測定を行う例として、特開２０００−２７５２６０号公報に開示されているＡＦＭ装置の構成例を、図８に示す。ここでは、光てこの原理を応用してカンチレバーの変位状態を光学的に検出するものを示しており、具体的には、光源120 から変位測定用レーザー光112 をカンチレバー119 の背面に照射し、カンチレバー119 の背面から反射したレーザー反射光113 を受光して、その受光位置及びその受光量の変化に基づいて、カンチレバー119 の変位状態を受光素子121 にて光学的に検出するものである。カンチレバー119 は支持部111 でＡＦＭ装置に装着され、円筒形のＸＹＺ変位用アクチュエータ118 上に置かれた測定試料116 の水平面に対し、一定の角度117 傾けてセットされている。したがって、カンチレバー支持部111 より伸びたレバー部114 の先端に探針軸が垂直になるように形成されている探針部115 は、測定試料116 の水平面と一定の角度117 傾いて対向することになる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記従来のカンチレバーにおいては次に示すような課題がある。まず、図９に拡大した探針部先端部分の様子を示すように、探針部115 の先端部の頂点ｂが必ずしも試料116 に最も近い位置にくるとは限らない。レバー部が傾いてセットされていることにより、探針部頂点ｂと試料116 の表面との距離Ｂが、探針部頂点ｂからずれた点ａと試料116 の表面との距離Ａよりも長くなる可能性が大きい。その結果、試料116 と探針部115 間とに働く相互作用点が一点に決まらず、中心からずれた位置であったり、あるいは複数点で作用することが考えられ、試料表面の凹凸を正確に且つ高分解能で測定することができなくなってしまう。
【０００７】
また、ＡＦＭ測定時に探針部を傾けているため、サーボ方向は一定方向、すなわち試料面に対して垂直方向に一定振幅で振動を与えながら試料表面に沿って走査した場合、試料表面に凸部があると一定の振幅となるようにサーボが働くが、そのサーボが働く前に探針部の先端頂点以外の部分が凸部側壁に接触し、探針部や試料にダメージを与え易くなるだけでなく、例えば傾斜角度のきつい段差試料面をＳＰＭ測定するときは、探針部先端部が段差試料面に追従できずサーボ応答に遅れが生じて精度良いＳＰＭ測定が行えない。
【０００８】
更に、ＡＦＭ測定時に探針部を傾けた角度をＳＰＭ装置で補正する場合、角度を調整するために、例えば試料台を傾けたりする別の機構を新たに設けなければならず、ＳＰＭ装置としての部品点数が増加し複雑でコストが増加してしまうという問題点が生じる。
【０００９】
また、従来の三角錐状の探針部121 をもつカンチレバーでは、図10の（Ａ）に示すように探針部121 の頂角の影響で、垂直に立った凹凸試料122 の側壁123 の状況を測定できないのが現状である。すなわち、測定可能な側壁は探針部頂角の形状に依存するため、図10の（Ｂ）に示すように、傾斜面の側壁123aしか測定できない。
【００１０】
更に、カンチレバー探針部をシリコン単結晶にて形成したり、シリコン単結晶をカンチレバー探針部のモールドとして使い、該モールドにSiＮ膜等を生成して探針部を形成する場合においても、予め探針部の傾きを考慮して形成するのは難しく、更に探針部の先端部のみを探針軸から曲げて傾きを持たせるのは上記以上に難しく、半導体加工技術を応用しても作製が難しい。
【００１１】
カンチレバー探針部先端をＦＩＢ（Focus Ion Beam）法により、尖鋭化する方法が考えられるが、この場合には垂直加工が原則であり、加工後の尖鋭化された探針部を探針軸から一定の角度傾けた方向に制御することは非常に難しい。またこの手法は１本１本作業するものであるため、再現性のある探針部を形成するのが難しい。
【００１２】
また、カンチレバー探針部先端にＣＮＴ（Carbon Nano Tube）、ＥＢＤ（Electron Beam Deposition）探針を取り付けた場合においても、探針部先端に取り付ける角度や方向を制御するのが難しく、またこの手法も１本１本作業するものであるため、生産性が悪いのは勿論、再現性のある探針部を形成するのが難しい。
【００１３】
更に、ＣＮＴは探針部先端の面に取り付けるものであるため、面の荒れや角度等の影響を受け易く、探針軸とＣＮＴとを一定の角度だけ傾斜させて取り付けるには、元のカンチレバー探針部形状に予め傾斜させた面を形成しておかなければならず、制御が難しい。
【００１４】
本発明は、従来の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、高分解能の測定が可能であると共に、探針部先端部が制御性良く、且つ作製容易なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。また、従来のＳＰＭ装置では使用不可能であった構成のカンチレバーも、コーティング膜を制御性よく形成することによって、容易にしかも低コストで、既存のＳＰＭ装置に装着可能にしたＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１５】
請求項毎の目的を述べると、次の通りである。すなわち、請求項１に係る発明は、探針部先端部の非常に細い領域を容易に傾けることが可能で、測定状態あるいは試料形状に合わせて常に高分解能で表面状態を測定可能とすると共に、導電性や磁性を持たせることが可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項２に係る発明は、膜の形成が容易で膜厚や応力の制御がし易いコーティング膜を提供することを目的とする。請求項３に係る発明は、探針部先端部を90度以上に傾けることの可能で、試料の段差側面を高分解能で測定可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。請求項４に係る発明は、探針部先端部の非常に細い領域を曲率半径を大きくさせずにあるいはコーティング膜を剥離させずに、曲げることの可能なＳＰＭカンチレバーを提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、支持部と、該支持部から伸びるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に形成される探針部とからなるＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面及び前記探針部側のレバー部に金属膜あるいは磁性体膜がコーティングされ、前記探針部表面全面のコーティング膜は側面により膜厚が異なり、前記探針部の先端部が厚いコーティング膜を有する前記探針部の側面側に探針軸から一定の角度傾けて構成されていることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、試料形状や測定状態にかかわらず、常に高分解能でＳＰＭ測定が可能となる。また、探針部先端部の非常に細い領域において、材料の弾性作用を利用して、膜厚や膜応力を容易に制御可能となり、探針部先端部を制御性良く容易に探針軸から曲げることが可能となる。しかも金属膜や磁性体膜のコーティング膜により、導電性あるいは磁性を持たせることが可能となり、ＳＣＭ（Scanning Capacitance Microscopy ）による微細な領域の容量測定やＳＳＲＭ（Scanning Spreading Resistance Microscopy）による抵抗率測定、更には材料の磁場を測定できるＭＦＭ（Magnetic Force Microscopy ）等種々の測定に応用できる。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、同一材料であることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、コーティング膜の形成が容易になり、コーティング膜厚や応力の制御がし易くなる。そのため、コーティング膜で探針軸から一定の角度傾けることがより容易となり、これにより微小な領域を高分解能で測定することが可能となる。
【００１８】
請求項３に係る発明は、請求項１に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、異種材料であることを特徴とするものである。このような構成にすることにより、膜応力の全く異なる材料をコーティングすることができ、探針部先端部を探針軸から90度以上の角度に傾けることが可能となり、試料の段差側面を測定する場合に、探針部頂点を側面と最も近い距離で走査することが可能となり、側面情報を高分解能で測定することが可能となる。
【００１９】
請求項４に係る発明は、請求項２又は３に係るＳＰＭカンチレバーにおいて、前記コーティング膜は、単層膜あるいは多層膜のいずれか一方、もしくは単層膜と多層膜の組み合わせであることを特徴とするものである。このような構造とすることにより、探針部先端部の非常に細い領域において、材料の弾性作用を利用して、単層の場合には探針部先端の曲率半径を大きくさせることなく曲げることが可能となる。また、複数の多層膜の場合にはコーティング膜が探針部から剥がれることのないように、その一層を接着層として用いることが可能となり、信頼性が高く高寿命を有し、しかも制御性よく容易に探針軸から曲げることが可能なＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施の形態について説明する。まず、第１の実施の形態について説明する。なお、以下の各実施の形態の説明に際しては製造過程を説明しながら、各実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの構成について説明することとする。図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造過程における態様を示す側面断面図である。最初に、図１の（Ａ）に示すように、単結晶シリコン材料で形成された一般的なカンチレバーを作製する。図１の（Ａ）において、１は単結晶シリコンウエハを加工して作製した支持部、２は単結晶シリコンにより厚さを制御して形成されたレバー部、３はレバー部２の自由端側４に配置され、支持部１より伸びた単結晶シリコン製の尖鋭化した円錐状探針部であり、その探針軸５はレバー部２に対して垂直になるように配置されている。なお、図においては、探針部３は単純な円錐形状で示しているが、実際は側面が若干内側に弯曲した、より尖鋭化した円錐形状のものである。
【００２１】
次に、このように構成されているカンチレバーにおいて、探針部３及び探針部配置側のレバー部２の表面全面にわたって、シリコン窒化膜６をスパッタリング法により数〜数十nmの厚さでコーティングする。シリコン窒化膜としては、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有する、例えばＳi3Ｎ4 膜を用いて、探針部３の先端近傍の曲げたい方向に面する探針部３の側面に厚く形成する。ここでは、探針部３のレバー部自由端側の側面のシリコン窒化膜を厚く形成する。なお、所望の側面にシリコン窒化膜を厚くコーティングする方法としては、スパッタリング装置内にカンチレバーをセットする際に、ターゲットに対して方向、角度、回転速度などの条件を制御すればよい。
【００２２】
このように、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するシリコン窒化膜６を膜厚を変えてコーティングすることにより、図１の（Ｂ）に示すように、探針部３において厚くコーティングされた方向、すなわちレバー部自由端側に先端部が曲がり、探針部先端部７が探針軸５に対して一定の角度θだけレバー部自由端側に傾いた構造となるＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２３】
ここで、シリコン窒化膜６はシリコン材料との密着性に優れ、単層だけの膜圧縮応力により探針部先端部７を曲げることが可能であり、探針部先端部７の傾き角θはシリコン窒化膜６の膜厚により十数度程度なら制御可能である。ここでは、探針部先端部７をレバー部２の自由端側に曲げたものを示したが、レバー部２の固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００２４】
したがって、カンチレバーの探針部先端部を探針部側面に形成するシリコン窒化膜のコーティング膜の膜厚差の制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭに用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。また、この構成のカンチレバーは簡単な製法により実現可能であると共に、コーティング膜の膜厚の制御により探針部先端部の曲げ角を容易に制御できる。なお、探針部先端部の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００２５】
本実施の形態では、コーティング膜としてシリコン窒化膜を用いたものを示したが、この他にもシリコン酸化膜，シリコン炭化膜あるいはシリコン化合物の絶縁膜、あるいはこの他にも非晶質カーボン膜を用いてコーティング膜を形成してもかまわない。
【００２６】
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態は、金属コーティングを施すことにより、導電性を持たせた構成のＳＰＭカンチレバーに関するものである。図２は、第２の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの断面を示す側面図で、第１の実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して示している。図２において、１は単結晶シリコンウエハを加工して作製した支持部、２は単結晶シリコンにより厚さを制御して形成されたレバー部、３はレバー部２の自由端側４に配置され、支持部１より伸びた単結晶シリコン製の探針部、８は探針部３及び探針部配置側のレバー部の全表面にわたって形成されたＴi(チタン）などからなる金属膜、９は金属膜８の上層として形成されたＰt(白金）などの導電性金属コート膜であり、探針部先端部10は探針軸５に対して一定の角度θだけ自由端側に傾いた構造となっている。なお、上記金属膜８は探針部３のレバー部自由端側の側面に厚く形成されている。
【００２７】
次に、このような構成の第２の実施の形態に係るＳＰＭカンチレバーの製造方法を簡単に述べる。まず第１の実施の形態に関して図１の（Ａ）で示したと同様に、単結晶シリコン材料で形成された一般的なカンチレバーを作製し、探針部３及び探針部配置側のレバー部２の表面全面にわたって、Ｔi などの金属膜８を数〜数十nmの厚さでコーティングする。この金属膜８は、該金属膜８の上層として形成する導電性金属コート膜の密着性を向上させるためのものである。ここで、金属膜８としては、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi 膜を用いて、探針部３の先端近傍の曲げたい方向に面する探針部２の側面に厚く形成する。本実施の形態では、探針部３のレバー部自由端側の側面の金属膜８を厚く形成する。なお、所望の側面に金属膜８を厚く成膜する方法としては、スパッタリング装置内にカンチレバーをセットする際に、ターゲットに対して方向、角度、回転速度などの条件を制御すればよい。
【００２８】
このように、単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi などの金属膜を膜厚を変えてコーティングすることにより、探針部３において厚く成膜された方向、すなわちレバー部自由端側に先端近傍が曲がり、探針部先端部10が探針軸５に対して一定の角度θだけレバー部自由端側に傾いた構造を持つＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００２９】
ここで、探針部先端部10の傾き角θは、コーティング金属膜８の膜厚により十数度程度以内なら制御可能である。ここでは、探針部先端部10をレバー部の自由端側に曲げたものを示したが、レバー部の固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００３０】
続いて、探針部配置側の表面にＰt(白金）などの導電性金属コート膜９を、金属膜８と同様にスパッタリング法により数十nmの厚さでコーティングする。ここで、導電性金属コート膜９のコーティングにより、探針部先端部10を更に曲げることも、あるいは曲げないように制御することも可能である。これらの制御は、コーティングする導電性金属コート膜９の膜応力を変えることにより可能となる。この膜応力は、形成条件である圧力やパワーによって変えることができる。
【００３１】
以上の工程により、単結晶シリコン探針部３と密着性に優れた金属膜８と、上部に導電性金属コート膜９がコーティングされた導電性を有するＳＰＭカンチレバーが得られる。
【００３２】
このように構成したＳＰＭカンチレバーにおいては、カンチレバーの探針部先端部をシリコン又は酸化膜と密着性に優れた金属膜及び又は導電性金属コート膜の膜厚差のみの制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭ装置に用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。また、このＳＰＭカンチレバーでは導電性を付加することにより、ＳＣＭによる微細な領域の容量測定やＳＳＲＭによる抵抗率測定などの種々の測定に適用できる。なお、探針部先端部10の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００３３】
本実施の形態では、金属膜８のコーティングにスパッタリング法を用いたものを示したが、金属膜８はこれに限らず真空蒸着法にて形成することも可能であり、また、本実施の形態では導電性金属コート膜にＰt を用いたものを示したが、Ｐt 金属に限らずＡu(金）あるいはPtIr（白金イリジウム）等の酸化しにくい金属や、それらの合金で導電性金属コート膜を形成し、導通を取ることも可能である。また、導電性金属コート膜の下層接着層となる金属膜８は、Ｔi 金属に限らずＣr(クロム）等の金属にて形成することも可能である。
【００３４】
更に、導電性金属コート膜としてＮi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を用いることにより、試料の磁場を測定できるＭＦＭカンチレバーを形成することも可能であるが、この場合にはこれらの材料は単結晶シリコンと密着性がよいため、第１の実施の形態のシリコン窒化膜などの絶縁膜をコーティングする場合と同様に、探針部に直接コーティングすることが可能となる。
【００３５】
次に、本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する参照例について説明する。本参照例は、探針部先端部がレバー部に対して垂直方向となるように傾斜させた構成のＳＰＭカンチレバーに関するものである。図３は、本参照例に係るＳＰＭカンチレバーを示す断面側面図で、図１に示した本発明の第１の実施の形態と同一の構成部材については、同一の符号を付して示している。まず、図３の（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハを加工して形成した支持部１と、支持部１より伸びたレバー部２と、レバー部２の自由端側４に探針軸12がレバー部２に対して傾斜して配置されている探針部11を有するカンチレバーを用意する。
【００３６】
次に、探針部先端近傍の曲げたい方向に面する探針部２の側面、ここでは探針部先端近傍をレバー部２の固定端側に曲げるために、レバー部２の探針部配置側の表面及びレバー部固定端側の探針部側面のみに、圧縮応力を有するシリコン窒化膜13をスパッタリング法により数〜数十nmの厚さでコーティングする。
【００３７】
このように、圧縮応力を有するシリコン窒化膜13を探針部11の一側の側面のみにコーティングすることにより、図３の（Ｂ）に示すようにレバー部の固定端側に探針部先端近傍が曲がり、探針部先端部14が元の探針部11の探針軸12に対して一定の角度θだけ、レバー部の固定端側に傾いた構造、すなわち探針部先端部14がレバー部２に対して垂直となるように傾けた構造となるＳＰＭカンチレバーが得られる。ここで、シリコン窒化膜13はシリコン材料との密着性に優れ、単層だけの膜圧縮応力により探針部先端近傍を曲げることが可能であり、探針部先端部14の傾き角θはシリコン窒化膜13の膜厚により十数度程度なら制御可能である。ここでは、探針部先端部14をレバー部２の固定端側に曲げたものを示したが、更に自由端側に曲げて構成してもよいことは言うまでもない。
【００３８】
このように構成したＳＰＭカンチレバーにおいては、カンチレバーの探針部先端部14を、探針部11の一側の側面に形成されるシリコン窒化膜13のコーティング膜厚のみの制御により自由に曲げることが可能となり、ＳＰＭ装置に用いて走査するときに、試料形状や測定状態にかかわらず、優れた分解能で再現性のある測定が可能となる。そのため、いままで探針先端を測定試料面に垂直走査することができず測定精度不足により使用できなかったカンチレバーでも、高分解能でのＳＰＭ測定が可能となる。なお、探針部先端部14の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００３９】
本参照例では、探針部へのコーティング膜としてシリコン窒化膜を用いたものを示したが、これに限定されることはなく、シリコン酸化膜，シリコン炭化膜あるいはシリコン化合物の絶縁膜あるいは、この他にも非晶質カーボン膜でもコーティング膜として用いてよいことは言うまでもない。
【００４０】
また、本参照例では、単層のシリコン窒化膜上に、導電性材料のＴi ，Ｐt 等の金属膜をコーティングして導電性を有するカンチレバーを形成することもできる。あるいは本発明の第２の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜をコーティングせず、単結晶シリコン製のカンチレバーに接着層並びに導電層となる金属膜をコーティングして導電性のカンチレバーを作製することもできる。
【００４１】
更には、導電性材料ではなく、Ｎi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を、探針部側面に形成した単層のシリコン窒化膜上にコーティングして、ＭＦＭカンチレバーを形成することも可能である。
【００４２】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。本実施の形態は、探針部先端にＣＮＴあるいはＥＢＤ探針などを追加加工して形成した高アスペクト比の付加先端探針部を有するＳＰＭカンチレバーに関するものである。図４の（Ａ），（Ｂ）に本実施の形態に係る導電性のＳＰＭカンチレバーを示す。まず、図４の（Ａ）に示すように、単結晶シリコンウエハを加工して形成した支持部１と、支持部１より伸びたレバー部２と、レバー部２の自由端側４にレバー部２に対して垂直の探針軸17を有する探針部15上に、更にＣＮＴあるいはＥＢＤなどによる高アスペクト比領域を有する付加先端探針部16を装着したカンチレバーを用意する。
【００４３】
次に、探針部配置側全面にわたって接着層であるＴi 膜18を、探針部15の先端の付加先端探針部16の曲げたい方向に面する探針部15，16の側面、ここではレバー部２の自由端側の側面のＴi 膜18が厚くなるようにスパッタリング法によりコーティングする。単結晶シリコンに対して圧縮応力を有するＴi 膜18を用いているため、図４の（Ｂ）に示すように、高アスペクト比領域の探針部の付加先端探針部16はレバー部２の自由端側に曲がった構造になる。更に、探針部配置側全面にＰt 膜19をコーティングして導電性を有するＳＰＭカンチレバーを得る。ここでは、探針部の付加先端探針部16をレバー部２の自由端側に曲げて傾斜付加先端探針部20を形成したものを示したが、固定端側に曲げてもよいことは言うまでもない。
【００４４】
このような構造とすることにより、非常に細い高アスペクト比領域の探針部15の傾斜付加先端探針部20と試料面とを常に最短距離にして作用させることができるため、分解能の向上が期待できる。更に高アスペクト比の傾斜付加先端探針部20の長い領域を活用して、深溝の奥まで測定可能となる。また、高アスペクト比を有する非常に細い領域の傾斜付加先端探針部20が長く、弾性作用が働き易く曲げ易い構造になっているため、トレンチ構造のような深い溝の測定にも十分対応できる。なお、傾斜付加先端探針部20の傾き角θは、ＳＰＭ測定上問題ない範囲であれば任意の角度でよい。
【００４５】
ＥＢＤ，ＣＮＴ等の付加先端探針部を有する探針部の場合、方向性制御が難しく、歩留まりが著しく悪かったが、本実施の形態によれば、付加先端探針部を付加させて方向性を確認した後、ＳＰＭ測定上問題ない範囲に任意に曲げることが可能となり、生産性の高い安定した付加先端探針部を有するＳＰＭカンチレバーを得ることができる。
【００４６】
本実施の形態においては、レバー部に対し垂直な探針部先端にＣＮＴ，ＥＢＤ等による付加先端探針部を装着した構造に適用したものを示したが、これに限定されず、探針部の元材料とは異なる材料を探針部に追加加工して細い形状のものを形成した場合においても、適用することが可能である。
【００４７】
また、接着層となるＴi 膜などの金属膜のコーティングにスパッタリング法を用いたものを示したが、これに限らず真空蒸着法にて形成することも可能であり、また、本実施の形態では導電性金属コート膜としてＰt 膜を用いたものを示したが、Ｐt 膜に限らずＡu(金）あるいはPtIr（白金イリジウム）等の酸化しにくい金属や、それらの合金で導電膜を形成し、導通を取ることも可能である。また、導電性金属コート膜の下層の接着層となる金属膜はＴi 膜に限らず、Ｃr(クロム）等の金属にて形成することも可能である。
【００４８】
更に、本実施の形態において、Ｎi(ニッケル），ニッケル鉄，フェライトあるいはパーマロイ等の強磁性体材料を探針部並びに付加先端探針部の側面に形成することにより、ＭＦＭカンチレバーを形成することも可能であるが、この場合には、これらの材料は単結晶シリコンと密着性がよいため、第１の実施の形態におけるシリコン窒化膜などの絶縁膜と同様に、探針部並びに付加先端探針部に直接コーティングすることが可能となる。
【００４９】
更に、第１の実施の形態と同様に、シリコン窒化膜などの絶縁膜のみをコーティングし、導電性あるいは磁性を持たせないＳＰＭカンチレバーを形成することが可能であることも言うまでもない。
【００５０】
以上説明したように、第１から第３の実施の形態では、探針部先端近傍をレバー部の長手方向すなわちレバー部の自由端側あるいは固定端側のみに曲げるように構成したものを示したが、これには限定されず、探針部先端近傍を自由な方向に曲げることができることは言うまでもない。したがって、試料の形状などには影響されず、高分解能で再現性のあるＳＰＭ測定に対応可能となる。
【００５１】
また、探針部先端近傍の非常に細かい領域を自由な方向に曲げることができるため、常に試料水平表面あるいは試料垂直表面もしくは試料傾斜面と最短距離で、且つ一点で作用させることができ、分解能の向上が期待できると共に、深溝試料の奥まで測定可能となり、忠実なプロファイルを得ることができる。
【００５２】
更に、探針部先端近傍の非常に細い領域21を、図５に示すように常に試料22の垂直に立った表面22ａと垂直に対向できるように曲げることが可能となり、今まで探針部先端の頂角の影響により、測定不可能な試料の側壁状態を高分解能で測定することができる。
【００５３】
更に、ＳＰＭカンチレバーの使用方法としては試料表面を走査しプロファイルを得るのが一般的であるが、上記実施の形態の説明で述べたように、探針部先端近傍23を曲げることにより、図６に示すように測定試料24の係合部25に引っかけて持ち上げたり、異なる場所に微小な試料を移動させたりすることもできる。
【００５４】
【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、探針部の非常に細く弾性を持つ先端近傍を、コーティング膜の圧縮応力により曲げ方向を制御可能に所定角度に傾けた構成としたＳＰＭカンチレバーを容易に実現することができる。これにより、ＳＰＭ装置への装着時に、探針部の頂点を常に測定試料表面と最短で向かい合わせて一点で原子間力を作用させることができるようになり、高分解能の測定が可能となり、また従来のＳＰＭ装置がかかえていた探針部が試料に与えるダメージを軽減すると共に、低コストで既存のＳＰＭ装置に装着可能なＳＰＭカンチレバーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの第１の実施の形態を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態を示す側面断面図である。
【図３】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーに関連する参照例を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図４】 本発明の第３の実施の形態を説明するための作製工程を示す側面断面図である。
【図５】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの使用態様を示す図である。
【図６】 本発明に係るＳＰＭカンチレバーの他の使用態様を示す図である。
【図７】 従来のＳＰＭカンチレバーの構成例を示す側面図である。
【図８】 従来のＳＰＭカンチレバーを装着したＳＰＭ装置の構成例を示す図である。
【図９】 従来のＳＰＭカンチレバーによる測定態様を示す拡大図である。
【図10】 従来のＳＰＭカンチレバーによる側壁測定態様を示す図である。
【符号の説明】
１ 支持部
２ レバー部
３ 探針部
４ レバー部自由端側
５ 探針軸
６ シリコン窒化膜
７ 探針部先端部
８ 金属膜
９ 導電性金属コート膜
10 探針部先端部
11 探針部
12 探針軸
13 シリコン窒化膜
14 探針部先端部
15 探針部
16 付加先端探針部
17 探針軸
18 Ｔi 膜
19 Ｐt 膜
20 傾斜付加先端探針部
21 探針部先端近傍領域
22 試料
22ａ 試料垂直表面
23 探針部先端近傍
24 測定試料
25 係合部
Claims (4)
- 支持部と、該支持部から伸びるレバー部と、該レバー部の自由端近傍に形成される探針部とからなるＳＰＭカンチレバーにおいて、前記探針部表面全面及び前記探針部側のレバー部に金属膜あるいは磁性体膜がコーティングされ、前記探針部表面全面のコーティング膜は側面により膜厚が異なり、前記探針部の先端部が厚いコーティング膜を有する前記探針部の側面側に探針軸から一定の角度傾けて構成されていることを特徴とするＳＰＭカンチレバー。
- 前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、同一材料であることを特徴とする請求項１に係るＳＰＭカンチレバー。
- 前記探針部表面全面に施されたコーティング膜は、異種材料であることを特徴とする請求項１に係るＳＰＭカンチレバー。
- 前記コーティング膜は、単層膜あるいは多層膜のいずれか一方、もしくは単層膜と多層膜の組み合わせであることを特徴とする請求項２又は３に係るＳＰＭカンチレバー。
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