JPH09126833A - Beam structure of amorphous alloy and its manufacturing method - Google Patents

Beam structure of amorphous alloy and its manufacturing method

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JPH09126833A
JPH09126833A JP28362495A JP28362495A JPH09126833A JP H09126833 A JPH09126833 A JP H09126833A JP 28362495 A JP28362495 A JP 28362495A JP 28362495 A JP28362495 A JP 28362495A JP H09126833 A JPH09126833 A JP H09126833A
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JP
Japan
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beam structure
amorphous alloy
cantilever
silicon
manufacturing
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JP28362495A
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Japanese (ja)
Inventor
Akitoshi Toda
明敏 戸田
Katsuhiro Matsuyama
克宏 松山
Seiichi Hata
誠一 秦
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Olympus Corp
Original Assignee
Olympus Optical Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a conductive beam structure with high hardness and high toughness. SOLUTION: A beam structure array 100 contains a plurality of beam structures 110. Each beam structure 110 contains a supporting 112, an intermediate supporting part 114 thinner than the supporting part 112, a cantilever part 116 extending from the intermediate supporting parts 114 and a protruding part 118 formed on the tip of the cantilever part 116. The supporting part 112 of each beam structure 110 is connected to a frame 102 with three connection members 104. The form of cantilever part 116 has length of 1mm, a width of 250μm and a thickness of 15μm, and the protruding part 118 has height of 2.8μm. The beam structure array 100 is formed out of the same amorphous alloy material, and, for example, with the use of superplastic flow in a supercooled liquid area that the amorphous alloy has, manufacture is performed with what is called a forging method.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、振動や変位などの
機械物理量を測定するためのセンサーなどに用いる梁型
の微小構造体とその作製方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a beam-type microstructure used for a sensor or the like for measuring a mechanical physical quantity such as vibration or displacement, and a method for manufacturing the same.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、マイクロセンサーやマイクロマシ
ン技術の研究開発が盛んである。なかでも半導体プロセ
スを応用しシリコン部材を加工して作製した、振動や変
位などの機械物理量を検出するマイクロセンサーは各所
で実用されるまでに至っている。このようなセンサーで
は、半導体プロセスを応用して片持ち梁あるいは両持ち
梁などの弾性を有する部材を作製しているものが多く、
半導体プロセスの高い加工精度により、従来のセンサー
と比較して小型化、高性能化といった機能面での向上が
はかられている。また、それと同時に、バッチファブリ
ケーションによる低コスト化が実現されている。
2. Description of the Related Art In recent years, research and development of microsensors and micromachine technology have been actively conducted. Above all, microsensors, which are manufactured by processing a silicon member by applying a semiconductor process, to detect mechanical physical quantities such as vibration and displacement have been put to practical use in various places. In many of these sensors, semiconductor processes are applied to produce elastic members such as cantilever beams or doubly supported beams.
Due to the high processing accuracy of the semiconductor process, it is possible to achieve functional improvements such as miniaturization and higher performance than conventional sensors. At the same time, cost reduction has been realized by batch fabrication.

【0003】例えば、マイクロマシニングにより作製し
た梁形状を有する微小構造体の実用例として、走査型プ
ローブ顕微鏡(SPM)用のカンチレバーがある。走査
型プローブ顕微鏡は、プローブ即ち探針を試料表面に1
μm以下まで近接させた時に両者の間に働く相互作用を
検出しながらXY方向あるいはXYZ方向に走査するこ
とにより、その相互作用の二次元マッピングを行う装置
であり、走査型トンネリング顕微鏡(STM)、原子間
力顕微鏡(AFM)、磁気力顕微鏡(MFM)などの総
称である。SPMへのカンチレバーの応用はAFMにお
いて初めて行われ、カンチレバー先端に形成した探針
(突起部)を試料表面に近づけた時、探針に働く力に応
じて変位するカンチレバーの変位を例えば光学式の変位
センサーにより検出して、間接的に試料表面の凹凸情報
を得るのに利用している。このような装置は、例えば特
開昭62−130302(G.Binnig;IBM)
などに開示されており、最近では、導電性のカンチレバ
ーを用いることによりSTM測定とAFM測定を同時に
行い試料表面の凹凸と電気的な特性を比較評価する試み
も行われている。また、半導体プロセスを用いて作製す
るSPM用のカンチレバーとしては、例えば「Thomas
R. Albrecht, Calvin F. Quate, "Atomic resolution I
maging of a nonconductor by Atomic force Microscop
y", J. Appl. Phys., 62 (1987) 2599 」などに記載さ
れている。このようなカンチレバーのおおよその大きさ
としては、カンチレバー部分のみをみれば、長さ100
μmから数mm、幅20μmから500μm、厚さ0.
2μmから20μm程度である。またその先端に形成さ
れる探針は、探針高さ0.5μmから30μm、探針先
端の曲率半径は数nmから0.5μm程度である。
For example, a cantilever for a scanning probe microscope (SPM) is a practical example of a microstructure having a beam shape produced by micromachining. Scanning probe microscopes have a probe or probe on the surface of the sample.
It is a device that performs two-dimensional mapping of the interaction by scanning in the XY direction or the XYZ direction while detecting the interaction acting between the two when they are brought close to each other by less than μm, and is a scanning tunneling microscope (STM), It is a general term for atomic force microscopes (AFM), magnetic force microscopes (MFM), and the like. The application of the cantilever to SPM was performed for the first time in AFM, and when the probe (projection) formed on the tip of the cantilever is brought close to the sample surface, the displacement of the cantilever that is displaced according to the force acting on the probe is measured by an optical method. This is used to indirectly obtain the unevenness information of the sample surface by detecting it with a displacement sensor. Such an apparatus is disclosed in, for example, Japanese Patent Laid-Open No. 62-130302 (G. Binnig; IBM).
Recently, attempts have been made to compare and evaluate the unevenness and electrical characteristics of the sample surface by simultaneously performing STM measurement and AFM measurement by using a conductive cantilever. As a cantilever for SPM manufactured by using a semiconductor process, for example, "Thomas
R. Albrecht, Calvin F. Quate, "Atomic resolution I
maging of a nonconductor by Atomic force Microscop
y ", J. Appl. Phys., 62 (1987) 2599" and the like. As for the approximate size of such a cantilever, the length is 100
μm to several mm, width 20 μm to 500 μm, thickness 0.
It is about 2 μm to 20 μm. The height of the probe formed at the tip of the probe is 0.5 μm to 30 μm, and the radius of curvature of the tip of the probe is about several nm to 0.5 μm.

【0004】また、圧力センサーや加速度センサーで
は、シリコン部材をエッチングなどにより薄くしたメイ
ンブレインやカンチレバーなどの微小構造体が、外部圧
力や外部振動により変形・変位するのを検出して、その
圧力や加速度を測定している。このようなセンサーも前
述のSPM用のカンチレバー同様、半導体プロセスを応
用して片持ち梁あるいは両持ち梁などの弾性を有する部
材を加工しており、この半導体プロセスの導入により従
来のセンサーと比較して小型化、高性能化といった機能
面での向上がはかられている。また、半導体プロセスの
もう一つの特徴であるバッチファブリケーションによる
低コスト化もはかられ、例えば後者の加速度センサーな
どは自動車のナビゲーションシステムや衝撃感知システ
ムに広く応用されている。L. M. Roylanceらは「IEEE T
rans. on Electron Devices, ED-26(1979) pp.1911-191
7 」において、2mm×3mmの薄型の歪みゲージ型加
速度センサーを発表している。その後、信号処理回路が
一体化されたタイプなどの開発が進んでいるが、機械物
理的な変化を引き起こす部分のはおよそその程度のサイ
ズを有している。
Further, in the pressure sensor and the acceleration sensor, it is detected that a microstructure such as a main brain or a cantilever whose silicon member is thinned by etching or the like is deformed or displaced by external pressure or external vibration, and the pressure or Measuring acceleration. Similar to the cantilever for SPM described above, such a sensor also applies a semiconductor process to process an elastic member such as a cantilever beam or a double-supported beam. By introducing this semiconductor process, the sensor is compared with a conventional sensor. Therefore, functional improvements such as miniaturization and higher performance are being made. Another advantage of semiconductor processes is cost reduction due to batch fabrication. For example, the latter acceleration sensor is widely applied to automobile navigation systems and impact sensing systems. LM Roylance et al.
rans.on Electron Devices, ED-26 (1979) pp.1911-191
7 ”, a thin strain gauge type acceleration sensor of 2 mm x 3 mm was announced. Since then, developments such as a type in which a signal processing circuit is integrated are progressing, but a portion that causes a mechanical-physical change has a size of about that size.

【0005】このように現在のところ、マイクロマシニ
ングで作製する構造体は、プロセス的またはコスト的な
観点より、シリコンプレナー技術を応用して作製される
ことが多く、材料としてはシリコンまたはその化合物が
主に用いられている。
As described above, at present, a structure manufactured by micromachining is often manufactured by applying a silicon planar technology from the viewpoint of process or cost, and silicon or its compound is used as a material. Mainly used.

【0006】一方、金属部材を用いて微小構造体を作製
しようという試みも始まっている。単結晶シリコンやそ
の化合物などで作製される構造体は、一般的に折れ易
い、導電性が無い、あるいは低いなどの特性を持ち、応
用用途によってはこれらが大きな欠点となることがあ
る。これに対し、金属材料はそのような点で優れてお
り、型材に金属の元部材を流し込んで微小構造体を作製
するメタルインジェクションモールド技術の研究など
は、そのような試みの代表例である。
On the other hand, attempts have been made to manufacture a fine structure using a metal member. Structures made of single crystal silicon or a compound thereof generally have characteristics such as easy breakage, no conductivity, or low conductivity, which may be a major drawback depending on the application. On the other hand, the metal material is excellent in such a point, and a study of a metal injection molding technique in which a metal original member is poured into a mold material to produce a microstructure is a typical example of such an attempt.

【0007】更に、最近は微小構造体を形成するのに適
した金属部材やその加工法の開発が進んでいる。例え
ば、非晶質合金材はその一例であり、特開昭62−74
059(非晶質合金の加工方法:戸田幸生ほか)や特開
平5−309427(非晶質合金材の成形加工方法:増
本健ほか)には、非晶質合金材を所望の形状・寸法に加
工するのを可能にする方法について開示されている。非
晶質合金材は通常の多結晶の金属部材と比べ、結晶粒界
などの不均質部分が無いことから、耐腐食性に優れ、高
い強度をもつ材料とされているが、今の所、具体的な応
用については、非晶質合金材のなかでは非晶質合金磁性
膜程度であって、構造体材料としての応用はほとんどさ
れていない。
Further, recently, development of a metal member suitable for forming a microstructure and its processing method has been progressing. For example, an amorphous alloy material is one such example.
In 059 (amorphous alloy processing method: Yukio Toda et al.) And JP-A-5-309427 (amorphous alloy material forming processing method: Ken Masumoto et al.), The amorphous alloy material is formed into a desired shape and size. A method is disclosed which allows it to be processed. Amorphous alloy materials are excellent in corrosion resistance and have high strength because they do not have inhomogeneous parts such as crystal grain boundaries as compared with ordinary polycrystalline metal members. Among the amorphous alloy materials, the specific application is about the amorphous alloy magnetic film, and almost no application as a structural material has been made.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする課題】走査型プローブ顕微鏡
においてSTM/AFM同時測定を行う時には、導電性
のカンチレバーを使用する必要があるが、導電性が十分
に確保された耐磨耗性に優れる探針を有した理想的な導
電性のカンチレバーはまだ無い。STM/AFM同時測
定では、従来よりこのことが問題として指摘されてい
る。現在、市場から入手できるSTM/AFM同時測定
用のカンチレバーとしては、窒化シリコンや単結晶シリ
コンで作製したカンチレバーの探針側に金や白金などの
貴金属材を30nmから150nmコーティングしたも
のや、シリコン製のカンチレバーにボロンイオンなどを
高濃度にドーピングして導電性を付加したもの等が知ら
れている。しかしながら、金属をコーティングしたカン
チレバーでは、STM/AFM同時測定を行う際、探針
を試料に接触させてXY方向に走査した場合、探針先端
にコーティングされた金属が測定試料との摩擦により剥
がれ、導電性が無くなってしまうことがあり、安定性に
欠けるという問題がある。また、ドーピングを施してシ
リコン材に導電性を付加したカンチレバーでは、大気中
において容易にその表面に自然酸化膜が形成されるた
め、大気中でのSTM/AFM同時測定では、十分な導
電性と安定性が確保できないという問題がある。また、
特に単結晶シリコン製のカンチレバーは窒化シリコンな
どと比べ磨耗しやすく、測定中に探針(突起部)がすり
減ってしまい、測定結果が測定時間(走査時間)ととも
に変化するという問題がある。更に、単結晶シリコン製
のカンチレバーは折れやすく、作製中や包装輸送中に折
れてしまうこともあり問題となっている。
It is necessary to use a conductive cantilever when performing simultaneous STM / AFM measurement in a scanning probe microscope, but it is necessary to use a conductive cantilever, which has a sufficient conductivity and is excellent in wear resistance. There is still no ideal conductive cantilever with a needle. This has been pointed out as a problem in the simultaneous STM / AFM measurement. Currently available STM / AFM cantilevers available on the market include those with a noble metal material such as gold or platinum coated on the tip side of a cantilever made of silicon nitride or single crystal silicon from 30 nm to 150 nm, or made of silicon. It is known that the above cantilever is doped with boron ions or the like at a high concentration to add conductivity. However, with a metal-coated cantilever, when performing simultaneous STM / AFM measurement, when the probe is brought into contact with the sample and scanned in the XY directions, the metal coated on the tip of the probe peels off due to friction with the measurement sample, There is a problem that the conductivity may be lost and the stability may be poor. In addition, in a cantilever doped with conductivity to give a silicon material, a natural oxide film is easily formed on the surface thereof in the atmosphere, so that the STM / AFM simultaneous measurement in the atmosphere shows sufficient conductivity. There is a problem that stability cannot be ensured. Also,
In particular, a single crystal silicon cantilever is more likely to be worn than silicon nitride or the like, and the probe (projection) is worn during measurement, and the measurement result changes with the measurement time (scanning time). Further, the cantilever made of single crystal silicon is easily broken and may be broken during manufacturing or packaging and transportation, which is a problem.

【0009】これより、保存環境下で酸化することがな
く、十分な導電性を有し、磨耗や折れの少ない機械的強
度(硬度や靱性)の高い探針やカンチレバーが求められ
ている。
Therefore, there is a demand for a probe or a cantilever which is not oxidized in a storage environment, has sufficient conductivity, and has high mechanical strength (hardness and toughness) with little wear and breakage.

【0010】また、加速度センサーとしては、宇宙ロケ
ット搭載用など、かなり極端な環境で用いる時に、シリ
コンプロセスで作製したシリコン製の梁構造体の耐加速
度を越え、さらに強い加速度を受けた時にも、梁部分が
折れることなく測定できるような靱性が高く耐久性に優
れる梁構造体が求められている。さらに、シリコンプレ
ナープロセスで三次元構造体としての梁構造を作るに
は、どうしても平坦な形状を基本に作ることになり、梁
部分すなわち振動部分の高次モードまでを考慮した共振
特性や機械的Q値の設計の自由度が少ない。従って例え
ば片持ち梁の膜厚が自由端に向かって徐々に厚くなった
構造や、逆に徐々に薄くなった構造などは作製すること
ができない。
Further, as an acceleration sensor, when it is used in a considerably extreme environment such as for mounting on a space rocket, when it exceeds the acceleration resistance of a silicon beam structure manufactured by a silicon process and receives a further strong acceleration, A beam structure having high toughness and excellent durability that can be measured without breaking the beam portion is required. Furthermore, in order to make a beam structure as a three-dimensional structure by a silicon planar process, it is inevitable to make a flat shape basically, and the resonance characteristics and mechanical Q in consideration of the higher-order modes of the beam portion, that is, the vibration portion are taken into consideration. There is little freedom in designing values. Therefore, for example, a structure in which the film thickness of the cantilever gradually increases toward the free end or a structure in which the film thickness gradually decreases cannot be manufactured.

【0011】本発明の第一の目的は、高硬度で高い靱性
を有する導電性の梁構造体を提供することにある。本発
明の第二の目的は、導電性であって高硬度で形状安定性
の高い探針を有した走査型プローブ顕微鏡装置用導電性
カンチレバーとして用いる梁構造体を提供することにあ
る。本発明の第三の目的は、梁構造体の振動特性の設計
の自由度をあげる為、多様な構造体を作製する製造技術
を提供することにある。
A first object of the present invention is to provide a conductive beam structure having high hardness and high toughness. A second object of the present invention is to provide a beam structure used as a conductive cantilever for a scanning probe microscope apparatus having a probe that is conductive and has high hardness and high shape stability. A third object of the present invention is to provide a manufacturing technique for manufacturing various structures in order to increase the degree of freedom in designing the vibration characteristics of the beam structure.

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】本発明による梁構造体
は、支持部と、支持部に保持される梁形状の弾性部とを
有する梁構造体であって、少なくとも梁形状の弾性部が
非晶質合金であることを特徴とする。この梁構造体で
は、弾性部は、非晶質合金で作られており、高い靱性を
有し折れ難い。
A beam structure according to the present invention is a beam structure having a support portion and a beam-shaped elastic portion held by the support portion, wherein at least the beam-shaped elastic portion is non-flexible. It is characterized by being a crystalline alloy. In this beam structure, the elastic portion is made of an amorphous alloy and has high toughness and is hard to break.

【0013】本発明による梁構造体は、支持部と、支持
部に保持される梁形状の弾性部と、弾性部に形成された
突起部とを有している梁構造体であって、少なくとも突
起部が非晶質合金であることを特徴とする。この梁構造
体では、突起部は、非晶質合金で作られており、導電性
で低磨耗で形状安定性が高い。
A beam structure according to the present invention is a beam structure having a supporting portion, a beam-shaped elastic portion held by the supporting portion, and a protrusion formed on the elastic portion, The protrusion is made of an amorphous alloy. In this beam structure, the protrusions are made of an amorphous alloy, and are conductive, have low wear, and have high shape stability.

【0014】本発明による梁構造体の作製方法は、板状
の非晶質合金をそのガラス遷移温度と結晶化温度との間
の温度領域に加熱し、非晶質合金の結晶化が始まらない
所定時間の間に、所定の圧力で成形用型材を当て付けて
非晶質合金を成形する工程と、成形がなされた非晶質合
金をフォトリソグラフィーにより更に成形する工程とを
有していることを特徴とする。この作製方法では、非晶
質合金製の梁構造体は鍛造法を応用して作られる。
In the method of manufacturing a beam structure according to the present invention, the plate-like amorphous alloy is heated in a temperature range between its glass transition temperature and crystallization temperature, and crystallization of the amorphous alloy does not start. Having a step of applying a molding die at a predetermined pressure to form an amorphous alloy during a predetermined time, and a step of further forming the formed amorphous alloy by photolithography. Is characterized by. In this manufacturing method, the beam structure made of an amorphous alloy is manufactured by applying a forging method.

【0015】本発明による梁構造体の作製方法は、非晶
質合金を溶解する溶液に対して溶解性を示さない第一の
部材を表面に形成した成型用型部材の表面にスパッタリ
ング法により非晶質合金層を成形用型部材上に形成する
工程と、フォトリソグラフィーにより第一の部材をパタ
ーニングする工程と、第一の部材もしくは同等な溶解特
性を有する第二の部材を積層する工程と、第二の部材を
フォトリソグラフィーによりパターニングする工程と、
非晶質合金を成形する工程と、支持部を接合する工程
と、成型用型材を溶かし去る工程とを有していることを
特徴とする。この作製方法では、非晶質合金製の梁構造
体はスパッタリング法を応用して作られる。
According to the method of manufacturing a beam structure according to the present invention, the surface of a molding die member having a first member which is not soluble in a solution for dissolving an amorphous alloy formed on the surface thereof is not subjected to sputtering. A step of forming a crystalline alloy layer on the molding die member, a step of patterning the first member by photolithography, a step of laminating a first member or a second member having equivalent melting characteristics, Patterning the second member by photolithography,
The method is characterized by including a step of forming an amorphous alloy, a step of joining a support portion, and a step of melting and removing a molding die material. In this manufacturing method, the beam structure made of an amorphous alloy is manufactured by applying the sputtering method.

【0016】本発明による梁構造体の作製方法は、粒状
の非晶質合金をそのガラス遷移温度と結晶化温度との間
の温度に加熱し、非晶質合金の結晶化が始まらない所定
時間の間に、所定の圧力で成形用型材を当て付けて非晶
質合金を成形する工程と、気相蒸着法により非晶質合金
周辺部を被う薄膜を形成する工程と、非晶質合金および
/または薄膜をフォトリソグラフィーにより更に成形す
る工程と、支持部を接合する工程と、成型用型材を溶か
し去る工程とを有していることを特徴とする。この作製
方法では、非晶質合金製の突起部が鍛造法を応用して作
られ、突起部を支持する梁が気相蒸着法を用いて作ら
れ、両者は強固に接合される。
The method for producing a beam structure according to the present invention comprises heating a granular amorphous alloy to a temperature between its glass transition temperature and crystallization temperature for a predetermined time during which crystallization of the amorphous alloy does not start. A step of applying a molding die at a predetermined pressure to form an amorphous alloy, a step of forming a thin film covering the peripheral portion of the amorphous alloy by a vapor deposition method, and an amorphous alloy And / or a step of further forming the thin film by photolithography, a step of joining the supporting portions, and a step of melting and removing the molding material. In this manufacturing method, the projection made of an amorphous alloy is made by applying the forging method, the beam supporting the projection is made by the vapor deposition method, and the both are firmly joined.

【0017】本発明による梁構造体の作製方法は、非晶
質合金をそのガラス遷移温度と結晶化温度との間の温度
に加熱し、成形用型を用いて同種の非晶質合金によりな
る第一の部材と第二の部材を成形する工程と、成形され
た第一の部材または第二の部材の少なくとも一方の非晶
質部材をフォトリソグラフィーによりパターニングする
工程と、第一の部材と第二の部材を貼り合わせ非晶質合
金をその過冷却液体域にて接合する工程とを有している
ことを特徴とする。この作製方法では、非晶質合金製の
複数の部材が鍛造法を応用して成形され、それらは非晶
質合金の過冷却温度域で接合される。これにより、プレ
ナープロセスでは作製が難しい複雑な構造体も容易に作
製される。
The method for producing a beam structure according to the present invention comprises heating an amorphous alloy to a temperature between its glass transition temperature and crystallization temperature and using a molding die to form the same amorphous alloy. Molding the first member and the second member, patterning the amorphous member of at least one of the molded first member or the second member by photolithography, the first member and the second member And a step of bonding the two members together to bond the amorphous alloy in the supercooled liquid region. In this manufacturing method, a plurality of members made of an amorphous alloy are formed by applying a forging method, and they are joined in the supercooling temperature range of the amorphous alloy. Thereby, a complicated structure which is difficult to manufacture by the planar process can be easily manufactured.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態について説明する。 <第一の実施の形態>第一の実施の形態の梁構造体につ
いて図1〜図3を用いて説明する。本実施形態の梁構造
体は、全体が非晶質合金で作製された査型プローブ顕微
鏡用のカンチレバーチップである。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. <First Embodiment> A beam structure according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 3. The beam structure of the present embodiment is a cantilever tip for a scanning probe microscope, which is entirely made of an amorphous alloy.

【0019】まず、図1を用いて梁構造体の構造につい
て説明する。図1(A)は複数の梁構造体110を有す
る梁構造体アレイ100の斜視図であり、図1(B)は
図1(A)の梁構造体アレイの1B−1B’線による断
面図である。
First, the structure of the beam structure will be described with reference to FIG. FIG. 1A is a perspective view of a beam structure array 100 having a plurality of beam structures 110, and FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line 1B-1B ′ of the beam structure array of FIG. 1A. Is.

【0020】図1から分かるように、梁構造体アレイ1
00は複数の梁構造体110を有している。各梁構造体
110は、支持部112、支持部112よりも薄い中間
支持部114、中間支持部114から延びた片持ち梁部
116、片持ち梁部116の先端に形成された突起部1
18を有している。各梁構造体110の支持部112は
三本の連結部材104によってフレーム102に連結さ
れている。片持ち梁部116の形状は長さ1mm、幅2
50μm、厚さ15μmであり、突起部118の高さは
2.8μmである。この梁構造体アレイ100(すなわ
ちフレーム102と複数の梁構造体110と連結部材1
04とから成る構造体)は同一の非晶質合金材料からな
っており、後述するように非晶質合金の持つ過冷却液体
域での超塑性流動を利用して、いわゆる鍛造法によって
作られる。なお、支持部112の裏側の凹部120とフ
レーム102の裏側の凹部106は、鍛造の際に生じた
非晶質合金が充填されなかった部分である。
As can be seen from FIG. 1, the beam structure array 1
00 has a plurality of beam structures 110. Each beam structure 110 includes a support portion 112, an intermediate support portion 114 thinner than the support portion 112, a cantilever portion 116 extending from the intermediate support portion 114, and a protrusion 1 formed at the tip of the cantilever portion 116.
Have eighteen. The support portion 112 of each beam structure 110 is connected to the frame 102 by three connecting members 104. The shape of the cantilever portion 116 is 1 mm in length and 2 in width.
The thickness is 50 μm and the thickness is 15 μm, and the height of the protrusion 118 is 2.8 μm. The beam structure array 100 (that is, the frame 102, the plurality of beam structures 110, and the connecting member 1)
04) is made of the same amorphous alloy material, and is formed by a so-called forging method by utilizing superplastic flow in the supercooled liquid region of the amorphous alloy as described later. . The recess 120 on the back side of the support portion 112 and the recess 106 on the back side of the frame 102 are portions not filled with the amorphous alloy generated during forging.

【0021】梁構造体110の各々は、フレーム102
と支持部110をつないでいる三本の連結部材104を
ナイフ等で切断することによりフレーム102から個別
に切り放され、使用に供される。すなわち、切り放され
た梁構造体110は、突起部118を測定試料表面に対
峙させるようにして支持部112が走査型プローブ顕微
鏡のカンチレバーホルダーに固定される。走査型プロー
ブ顕微鏡は、測定試料と突起部118の間でXY方向も
しくはXYZ方向に相対的な走査を行い、その時の片持
ち梁部116の変位を例えば光学式の変位センサーを用
いて測定することにより、試料表面の凹凸情報などを得
る。
Each of the beam structures 110 includes a frame 102.
The three connecting members 104 connecting the support portions 110 with each other are individually cut off from the frame 102 by cutting with a knife or the like, and are used. That is, in the cut beam structure 110, the support 112 is fixed to the cantilever holder of the scanning probe microscope so that the projection 118 faces the surface of the measurement sample. The scanning probe microscope performs relative scanning between the measurement sample and the protrusion 118 in the XY direction or the XYZ direction, and measures the displacement of the cantilever portion 116 at that time using, for example, an optical displacement sensor. By this, information on the unevenness of the sample surface is obtained.

【0022】次に、図1に示した梁構造体アレイの作製
方法について図2と図3を用いて説明する。梁構造体ア
レイ100は、それを構成する非晶質合金の持つ過冷却
液体域での超塑性流動を利用して、いわゆる鍛造法によ
り作製される。
Next, a method for manufacturing the beam structure array shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. The beam structure array 100 is manufactured by a so-called forging method by utilizing the superplastic flow in the supercooled liquid region of the amorphous alloy forming the beam structure array 100.

【0023】まず、鍛造する際に使用する型板について
図2を用いて説明する。鍛造には図2に示す二枚の型板
130と140が使用される。型板130の表面には、
図2(A)に示すように、逆ピラミッド形状のエッチピ
ット132が形成されている。また、型板140の表面
には、図2(B)に示すように、フレーム102に対応
した溝142、連結部104に対応した溝144、支持
部112に対応した凹部146、中間支持部114に対
応した凹部148、さらに鍛造の際に押圧された非晶質
合金を溝142へ逃がすための溝150が形成されてい
る。
First, the template used for forging will be described with reference to FIG. Two templates 130 and 140 shown in FIG. 2 are used for forging. On the surface of the template 130,
As shown in FIG. 2A, an inverted pyramid-shaped etch pit 132 is formed. Further, as shown in FIG. 2B, on the surface of the template 140, a groove 142 corresponding to the frame 102, a groove 144 corresponding to the connecting portion 104, a recess 146 corresponding to the supporting portion 112, and an intermediate supporting portion 114. Corresponding to the above, and a groove 150 for letting the amorphous alloy pressed at the time of forging into the groove 142 is formed.

【0024】このような型板130と140は、(10
0)面方位の単結晶シリコンウェハー上に酸化シリコン
膜を形成し、フォトリソグラフィーによりパターニング
した酸化シリコン膜をマスクとして、水酸化カリウム水
溶液で湿式異方性エッチングすることにより容易に作製
される。例えば、シリコンウェハー130のエッチピッ
ト132は、エッチング速度の遅いシリコンの(11
1)面を露出されることにより形成される。
Such template plates 130 and 140 are (10
It is easily prepared by forming a silicon oxide film on a 0) plane-oriented single crystal silicon wafer and performing wet anisotropic etching with a potassium hydroxide aqueous solution using the silicon oxide film patterned by photolithography as a mask. For example, the etch pit 132 of the silicon wafer 130 is formed of (11
1) Formed by exposing the surface.

【0025】次に、鍛造による梁構造体アレイの作製の
手順について図3を用いて説明する。Zr65Al7.5
27.5(ジルコニウム・アルミニウム・銅の合金:添字
はatomic%である)を、アルゴン雰囲気中でアーク溶解
し、単ロール法による液体急冷法により非晶質の板材と
して作製し、この板材をスタート材とする。
Next, the procedure for manufacturing the beam structure array by forging will be described with reference to FIG. Zr 65 Al 7.5 C
u 27.5 (zirconium-aluminum-copper alloy: subscript is atomic%) is arc-melted in an argon atmosphere and produced as an amorphous plate material by a liquid quenching method using a single roll method, and this plate material is used as a starting material. And

【0026】図3(A)に示すように、真空中におい
て、スタート材である板状の非晶質合金部材160を二
枚の型板130と140で挟み、400℃において10
00秒間、10MPaの圧力を加える。スタート材16
0のZr65Al7.5 Cu27.5は、ガラス遷移点(Tg )
370℃、結晶化開始温度(Tx )470℃であり、過
冷却液体域を示す温度(Tx とTg との間)において高
い流動性を示す。従って、スタート材160を二つの型
材130と140で挟んで圧力を加えることにより、型
板130と140の凹凸形状がスタート材160に転写
される。すなわち、スタート材160である非晶質合金
が鍛造法により型板130と140の凹凸形状に成形さ
れる。なお、本実施形態においては、後に行うフォトリ
ソグラフィーによる非晶質合金のパターニングのため
に、シリコン製の型板130には片面(エッチピット1
32の面)に窒化シリコン膜134が形成されたもの、
シリコン製の型板140には両面に窒化シリコン膜15
2と154が形成されたものを用いる。これらの窒化シ
リコン膜は例えばLP−CVD法(低圧−化学気相蒸着
法)により形成される。
As shown in FIG. 3A, in a vacuum, a plate-shaped amorphous alloy member 160 as a starting material is sandwiched between two template plates 130 and 140, and the temperature is 10 ° C. at 400 ° C.
A pressure of 10 MPa is applied for 00 seconds. Start material 16
Zr 65 Al 7.5 Cu 27.5 of 0 has a glass transition point (Tg)
The temperature is 370 ° C., the crystallization onset temperature (Tx) is 470 ° C., and high fluidity is exhibited at a temperature (between Tx and Tg) indicating a supercooled liquid region. Therefore, when the start material 160 is sandwiched between the two mold materials 130 and 140 and pressure is applied, the uneven shape of the mold plates 130 and 140 is transferred to the start material 160. That is, the amorphous alloy that is the starting material 160 is formed into the concavo-convex shape of the mold plates 130 and 140 by the forging method. In the present embodiment, one side (etch pit 1) is formed on the silicon template 130 for patterning the amorphous alloy by photolithography which will be performed later.
32 surface) on which a silicon nitride film 134 is formed,
A silicon nitride film 15 is formed on both sides of the template 140 made of silicon.
2 and 154 are used. These silicon nitride films are formed by, for example, the LP-CVD method (low pressure-chemical vapor deposition method).

【0027】次に、これらの部材を真空中で室温まで冷
却した後、大気中に取り出し、水酸化カリウム水溶液に
つけて型板130のシリコン部分を溶かし去り、純水に
より洗浄した後、表面にレジスト162をスピンコーテ
ィングし、図3(B)に示すように、フォトリソグラフ
ィーにより片持ち梁部116の形状にパターニングす
る。
Next, after cooling these members to room temperature in a vacuum, they are taken out into the atmosphere, immersed in an aqueous solution of potassium hydroxide to dissolve away the silicon portion of the template 130, washed with pure water, and then resist-coated on the surface. 162 is spin-coated and, as shown in FIG. 3B, is patterned into the shape of the cantilever portion 116 by photolithography.

【0028】続いて、図3(B)の表面側の窒化シリコ
ン膜132のレジスト162に被われていない部分をC
F4 ガスによりドライエッチングにより除去し、引き続
き、残ったレジストと窒化シリコン膜をマスクとして、
フッ酸を用いて非晶質合金160をエッチングする。そ
の後、型板140の下側の窒化シリコン膜154を除去
した後、水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコンを溶
かし去り、最後に熱リン酸につけて、図3(C)に示す
梁構造体すなわち図1に示した梁構造体アレイ100を
得る。
Subsequently, a portion of the silicon nitride film 132 on the front surface side of FIG. 3B which is not covered with the resist 162 is C
It is removed by dry etching with F4 gas, and then the remaining resist and silicon nitride film are used as a mask.
The amorphous alloy 160 is etched using hydrofluoric acid. After that, the silicon nitride film 154 on the lower side of the template 140 is removed, the silicon is dissolved by using an aqueous solution of potassium hydroxide, and finally it is exposed to hot phosphoric acid, that is, the beam structure shown in FIG. The beam structure array 100 shown in FIG. 1 is obtained.

【0029】このように作製された梁構造体は全体が同
一の非晶質合金により形成されており、十分高い導電性
と高い硬度を示す。これを走査型プローブ顕微鏡におい
てSTM/AFM同時測定を行う時のカンチレバーとし
て用いた場合には、従来の金属をコーティングして作製
したカンチレバーに比べて、測定中の磨耗による導電性
の劣化や探針(突起部)形状の変化などが少なく、安定
した測定を行うことができる。また、非晶質合金から一
体成形により作製されているので、作製後に梁部分が反
るような問題も生じない。
The beam structure thus manufactured is entirely formed of the same amorphous alloy and exhibits sufficiently high conductivity and high hardness. When this is used as a cantilever for simultaneous STM / AFM measurement in a scanning probe microscope, compared to conventional cantilevers coated with metal, deterioration of conductivity due to abrasion during measurement and the probe tip (Protrusion) There is little change in shape, and stable measurement can be performed. Further, since the amorphous alloy is produced by integral molding, there is no problem that the beam portion warps after the production.

【0030】<第二の実施の形態>本発明の第二の実施
の形態について図4を用いて説明する。本実施形態の梁
構造体は走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーチップ
である。図4(A)には一個だけの梁構造体200が示
してあるが、実際にはこれらが複数つながったアレイと
してい作製される。
<Second Embodiment> A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The beam structure of this embodiment is a cantilever tip for a scanning probe microscope. Although only one beam structure 200 is shown in FIG. 4A, it is actually manufactured as an array in which a plurality of these beam structures are connected.

【0031】図4(A)に示すように、梁構造体200
は、ガラスよりなる支持部202、それよりも薄い中間
支持部204、中間支持部204より延出した片持ち梁
部206、片持ち梁部206の自由端近傍に形成された
突起部208を有している。片持ち梁部206と突起部
208は非晶質合金で作られている。
As shown in FIG. 4A, the beam structure 200
Has a supporting portion 202 made of glass, an intermediate supporting portion 204 thinner than the supporting portion 202, a cantilever portion 206 extending from the intermediate supporting portion 204, and a protruding portion 208 formed near the free end of the cantilever portion 206. doing. The cantilever portion 206 and the protruding portion 208 are made of an amorphous alloy.

【0032】この梁構造体200は、使用の際は、第一
の実施の形態と同様に、突起部208を測定試料表面に
対峙させるようにして支持部202が走査型プローブ顕
微鏡のカンチレバーホルダーに固定される。走査型プロ
ーブ顕微鏡は、測定試料と突起部208の間でXY方向
もしくはXYZ方向に相対的な走査を行い、その時の片
持ち梁部206の変位を例えば光学式の変位センサーを
用いて測定することにより、試料表面の凹凸情報などを
得る。
When this beam structure 200 is used, as in the case of the first embodiment, the supporting portion 202 serves as a cantilever holder of the scanning probe microscope so that the protrusion 208 faces the surface of the measurement sample. Fixed. The scanning probe microscope performs relative scanning between the measurement sample and the protrusion 208 in the XY direction or the XYZ direction, and measures the displacement of the cantilever 206 at that time using, for example, an optical displacement sensor. By this, information on the unevenness of the sample surface is obtained.

【0033】次に、この梁構造体200の作製の手順に
ついて説明する。まず、図4(B)に示すように、両面
に窒化シリコン膜212と214を堆積した(100)
面方位の単結晶シリコンウェハー210を用意し、上側
の窒化シリコン膜212をフォトリソグラフィーにより
パターニングして4μm×4μmの開口を開け、水酸化
カリウム水溶液を用いて湿式異方性エッチングを行い逆
ピラミッド型のエッチピットを形成した後、熱拡散炉に
おいて950℃で低温熱酸化を施して逆ピラミッド型の
エッチピット部を選択酸化する。この低温熱酸化プロセ
スにより形成された酸化シリコン部216により、開口
部218の底の部分が尖鋭化される。
Next, a procedure for manufacturing the beam structure 200 will be described. First, as shown in FIG. 4B, silicon nitride films 212 and 214 were deposited on both surfaces (100).
A plane-oriented single crystal silicon wafer 210 is prepared, the upper silicon nitride film 212 is patterned by photolithography to open an opening of 4 μm × 4 μm, and wet anisotropic etching is performed using a potassium hydroxide aqueous solution to form an inverted pyramid type. After the formation of the etch pits, the low temperature thermal oxidation is performed at 950 ° C. in the thermal diffusion furnace to selectively oxidize the inverted pyramid type etch pits. The bottom portion of the opening 218 is sharpened by the silicon oxide portion 216 formed by this low temperature thermal oxidation process.

【0034】次に、熱リン酸により窒化シリコン膜21
2と214を除去した後、再度、LP−CVD法(低圧
−化学気相蒸着法)により0.25μm厚さの窒化シリ
コン膜220と221を堆積する。この窒化シリコン膜
220は、後のプロセスにおいて、フッ酸により酸化シ
リコン層216をエッチングする際に非晶質合金がエッ
チングされるのを防ぐ。続いて、窒化シリコン膜220
上にRFスパッタリングにより、第一の実施の形態で用
いたものと同じ非晶質のZr65Al7.5 Cu27.5合金2
22を堆積し、レジスト224をスピンコーティングし
た後、フォトリソグラフィーによりパターニングを施し
て、レジスト224をマスクに、フッ酸により非晶質合
金222をエッチングしパターニングする(図4
(C))。
Next, the silicon nitride film 21 is formed by hot phosphoric acid.
After removing 2 and 214, silicon nitride films 220 and 221 having a thickness of 0.25 μm are deposited again by the LP-CVD method (low pressure-chemical vapor deposition method). The silicon nitride film 220 prevents the amorphous alloy from being etched when the silicon oxide layer 216 is etched by hydrofluoric acid in a later process. Then, the silicon nitride film 220
The same amorphous Zr 65 Al 7.5 Cu 27.5 alloy 2 used in the first embodiment was deposited by RF sputtering.
22 is deposited, and a resist 224 is spin-coated, followed by patterning by photolithography, and using the resist 224 as a mask, the amorphous alloy 222 is etched and patterned by hydrofluoric acid (FIG. 4).
(C)).

【0035】次に、図4(D)に示すように、RFスパ
ッタリングにより窒化シリコン膜226を堆積し、その
上に低融点ガラス層228を同じくRFスパッタリング
により形成する。続いて、シリコンウェハー上にガラス
よりなる支持部230を乗せ、150℃に加熱して両者
を接合する(図4(E))。
Next, as shown in FIG. 4D, a silicon nitride film 226 is deposited by RF sputtering, and a low melting point glass layer 228 is also formed thereon by RF sputtering. Then, the support part 230 made of glass is placed on the silicon wafer and heated to 150 ° C. to bond the two (FIG. 4 (E)).

【0036】その後、ドライエッチングにより窒化シリ
コン膜221を取り除いた後、水酸化カリウム水溶液で
シリコン部210を溶かし去り、フッ酸により酸化シリ
コン部216および片持ち梁上のガラス層228を除去
し、最後に熱リン酸により非晶質合金製の梁の周囲の窒
化シリコン膜220と226を除去して、図4(F)に
示す梁構造体すなわち図4(A)に示した梁構造体20
0を得る。
After that, the silicon nitride film 221 is removed by dry etching, the silicon portion 210 is dissolved by an aqueous potassium hydroxide solution, and the silicon oxide portion 216 and the glass layer 228 on the cantilever are removed by hydrofluoric acid. The silicon nitride films 220 and 226 around the beam made of the amorphous alloy are removed by hot phosphoric acid to remove the beam structure shown in FIG. 4 (F), that is, the beam structure 20 shown in FIG. 4 (A).
Get 0.

【0037】本実施形態によれば、高い靱性を有する非
晶質合金製の片持ち梁部206の自由端近傍に、磨耗特
性に優れる非晶質合金製の鋭く尖った突起部208を持
つ梁構造体200を作製することができる。このような
梁構造体200は、走査型プローブ顕微鏡に用いてST
M/AFM同時測定を行う時に使用する場合、安定した
導電性を示す形状安定性の高い突起部(探針)により、
再現性の高い測定が行える。更に、突起部208は、第
一の実施の形態の梁構造体110の突起部118より一
層鋭い先端形状とすることが可能であることから、AM
F測定における高い横方向分解能も達成される。また、
片持ち梁部206の靱性も高く、操作ミスにより試料と
探針208を激しく衝突させた場合にも、片持ち梁部2
06が折れるようなことが無くなり、耐久性の高いカン
チレバーチップを提供することができる。
According to this embodiment, a beam having a sharp pointed projection 208 made of an amorphous alloy having excellent wear characteristics is provided near the free end of the cantilevered beam portion 206 made of an amorphous alloy having high toughness. The structure 200 can be manufactured. Such a beam structure 200 is used in a scanning probe microscope for ST
When using when performing M / AFM simultaneous measurement, the protrusion (probe) with high shape stability that shows stable conductivity
Highly reproducible measurement can be performed. Furthermore, since the protrusion 208 can have a sharper tip shape than the protrusion 118 of the beam structure 110 of the first embodiment, the AM
A high lateral resolution in F measurement is also achieved. Also,
The toughness of the cantilever portion 206 is also high, and even when the probe 208 violently collides with the sample due to an operation error, the cantilever portion 2
It is possible to provide a highly durable cantilever chip in which 06 does not break.

【0038】<第三の実施の形態>本発明の第三の実施
の形態について図5を用いて説明する。本実施形態の梁
構造体は走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーチップ
であり、第二の実施の形態に類似している。図5(A)
には梁構造体302が三つつながって作製された梁構造
体アレイ300が示してある。
<Third Embodiment> A third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The beam structure of this embodiment is a cantilever tip for a scanning probe microscope, and is similar to the second embodiment. FIG. 5 (A)
In the figure, a beam structure array 300 made by connecting three beam structures 302 is shown.

【0039】図5(A)に示すように、各梁構造体30
2は、端部が薄くなっているガラスよりなる支持部30
4と、そこから延出した片持ち梁部306と、その自由
端近傍に形成された突起部308を有しており、突起部
308は非晶質合金で作られている。
As shown in FIG. 5A, each beam structure 30
2 is a support part 30 made of glass with thin ends.
4, a cantilever portion 306 extending therefrom, and a protrusion 308 formed near the free end thereof, the protrusion 308 being made of an amorphous alloy.

【0040】各梁構造体302は、第一の実施の形態と
同様に、他の梁構造体302から切り離され、突起部3
08が測定試料表面に対峙するようにして支持部304
が走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーホルダーに固定
される。走査型プローブ顕微鏡は、測定試料と突起部3
08の間でXY方向もしくはXYZ方向に相対的な走査
を行い、その時の片持ち梁部306の変位を例えば光学
式の変位センサーを用いて測定することにより、試料表
面の凹凸情報などを得る。
Each beam structure 302 is separated from the other beam structures 302 as in the first embodiment, and the projection 3 is formed.
08 so that the sample surface 08 faces the surface of the measurement sample.
Is fixed to the cantilever holder of the scanning probe microscope. The scanning probe microscope consists of the measurement sample and the protrusion 3
The relative scanning in the XY direction or the XYZ direction is performed between 08, and the displacement of the cantilever portion 306 at that time is measured by using, for example, an optical displacement sensor to obtain information on the unevenness of the sample surface.

【0041】本実施形態では、導電性であって高い硬度
を持つ非晶質合金を突起部(探針)308のみに用い
て、片持ち梁部の構造材にはシリコン化合物を用いてい
る。この構造によれば、第一の実施の形態のように鍛造
により片持ち梁部分を形成するよりも、片持ち梁部の厚
さコントロールが正確に行うことができ、よりバネ定数
の小さい片持ち梁とするのが容易になる。
In this embodiment, an amorphous alloy which is conductive and has a high hardness is used only for the protrusion (probe) 308, and a silicon compound is used for the structural material of the cantilever portion. According to this structure, the thickness of the cantilever portion can be controlled more accurately than in the case of forming the cantilever portion by forging as in the first embodiment, and the cantilever with a smaller spring constant is used. It becomes easy to make a beam.

【0042】以下、その作製方法について説明する。図
5(B)に示すように、面方位(100)の単結晶シリ
コンウェハー310を水酸化カリウム水溶液により湿式
異方性エッチングして、4μm×4μmの開口をもつ逆
ピラミッド型のエッチピット311を形成し、前述の梁
構造体302の突起部308を鍛造するための成形用型
材とする。このエッチピット311に約φ10μmの非
晶質のZr65Al7.5 Cu27.5合金の粒312を置き、
真空中で400℃の温度下、加圧部材314により10
00秒間、10MPaで圧力を加えて鍛造する。
The manufacturing method thereof will be described below. As shown in FIG. 5B, a single crystal silicon wafer 310 having a plane orientation (100) is subjected to wet anisotropic etching with an aqueous solution of potassium hydroxide to form an inverted pyramid-type etch pit 311 having an opening of 4 μm × 4 μm. It is formed and used as a molding die member for forging the protrusion 308 of the beam structure 302. Amorphous Zr 65 Al 7.5 Cu 27.5 alloy particles 312 having a diameter of about 10 μm are placed in the etch pits 311.
The temperature is 400 ° C. in vacuum, and the pressure member 314 is used to
Forging is performed by applying pressure at 10 MPa for 00 seconds.

【0043】このプロセスにより非晶質合金の粒312
は、図5(C)に示すように、エッチピット311を埋
めるように変形して非晶質合金製の突起部316が成形
される。このとき、突起部316は、シリコン製の成形
用型部材310の表面より上の部分では、中程の部分3
16bが、上側エッジ316aや下側エッジ316cよ
りも膨らんだ形状となる。
By this process, amorphous alloy grains 312
As shown in FIG. 5C, the amorphous silicon alloy is deformed so as to fill the etch pit 311 to form a projection 316 made of an amorphous alloy. At this time, the protrusion 316 is located in the middle portion 3 in the portion above the surface of the molding die member 310 made of silicon.
16b has a shape that swells more than the upper edge 316a and the lower edge 316c.

【0044】次に、室温まで冷却し、大気中に取り出し
た後、図5(D)に示すように、PE−CVD法(プラ
ズマ気相蒸着法)により表面に0.5μm厚さに窒化シ
リコン膜318を堆積する。CVD法は、ステップカバ
レージが良いので、下側エッッジ316cのように上か
ら見たとき陰になるような部分へも回り込んで成膜が行
える。
Next, after cooling to room temperature and taking out into the atmosphere, as shown in FIG. 5D, a silicon nitride film having a thickness of 0.5 μm is formed on the surface by PE-CVD (plasma vapor deposition). The film 318 is deposited. Since the CVD method has a good step coverage, it is possible to form a film by wrapping around in a portion such as the lower edge 316c which becomes a shadow when viewed from above.

【0045】続いて、図5(E)に示すように、突起部
316の上の部分の窒化シリコン膜318をフォトリソ
グラフィーによりパターニングして開口320を形成
し、RFスパッタリングにより低融点ガラス322を成
膜する。
Subsequently, as shown in FIG. 5E, the silicon nitride film 318 on the projection 316 is patterned by photolithography to form an opening 320, and a low melting point glass 322 is formed by RF sputtering. To film.

【0046】その後、図5(F)に示すように、ガラス
膜322の上にガラス製の支持部材324を置き150
℃に加熱して接合する。そして、水酸化カリウム水溶液
によりシリコン製の成形用型材310を溶かし去り、フ
ッ酸により窒化シリコン膜318上の低融点ガラス膜3
22を除去し、真空蒸着によりクロミウムを介して80
nm厚さの金を、図の左上の方向に蒸着源が来るように
して斜め蒸着して、図5(G)に示す梁構造体すなわち
前述の梁構造体302を得る。
Thereafter, as shown in FIG. 5 (F), a glass support member 324 is placed on the glass film 322 and placed 150.
Heat to ℃ and join. Then, the molding material 310 made of silicon is dissolved away with an aqueous solution of potassium hydroxide, and the low melting point glass film 3 on the silicon nitride film 318 is removed with hydrofluoric acid.
22 is removed, and 80 is obtained by vacuum deposition through chromium.
Gold having a thickness of nm is obliquely vapor-deposited so that the vapor deposition source is located in the upper left direction in the figure, and the beam structure shown in FIG. 5G, that is, the beam structure 302 described above is obtained.

【0047】本実施形態では、鍛造プロセスの際に成形
用型材310と加圧部材314による加圧により、非晶
質合金粒312は潰れて横方向に張り出した形状の突起
部316に成形され、その上からステップカバレージの
良い成膜法を用いて窒化シリコン膜318を成膜してい
るため、突起部316を抱え込むように成膜がされ、最
後にシリコン310を溶かし去った時も、突起部316
はしっかりと窒化シリコン膜318に固定されており、
ぐらついたり、落ちたりすることが無い。このように横
方向に張り出した形状の突起部316を作ることは、エ
ッチングなどの他の方法では難しく、鍛造技術の特徴が
生かされている。
In the present embodiment, the amorphous alloy grains 312 are crushed by the pressure applied by the molding die material 310 and the pressure member 314 during the forging process to be molded into the protrusions 316 having a shape protruding laterally. Since the silicon nitride film 318 is formed using a film forming method with good step coverage from above, the film is formed so as to hold the protrusion 316, and even when the silicon 310 is finally melted away, the protrusion is formed. 316
Is firmly fixed to the silicon nitride film 318,
It does not wobble or fall. It is difficult to form the protruding portion 316 having a shape protruding laterally in this way by another method such as etching, and the characteristics of the forging technique are utilized.

【0048】<第四の実施の形態>第四の実施の形態に
ついて図6を用いて説明する。本実施形態の梁構造体は
走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーチップである。
<Fourth Embodiment> A fourth embodiment will be described with reference to FIG. The beam structure of this embodiment is a cantilever tip for a scanning probe microscope.

【0049】図6(A)に示すように、梁構造体400
は、支持部402と、そこから延びる片持ち梁部404
を有しており、これらは非晶質合金により一体的に形成
されている。片持ち梁部状404は、図6(B)に示す
ように、五角形の断面形状をしており、その上面404
aは平坦で、走査型プローブ顕微鏡の光変位センサーか
ら照射される光を反射する反射面として機能する。ま
た、下側両側面404bと404cが交わった稜線の先
端406は走査型プローブ顕微鏡に実装された際に試料
に最も近づけて配置される箇所であり、探針として機能
する。
As shown in FIG. 6A, the beam structure 400 is provided.
Is a support portion 402 and a cantilever portion 404 extending therefrom.
And these are integrally formed of an amorphous alloy. The cantilever beam shape 404 has a pentagonal cross-sectional shape as shown in FIG.
a is flat and functions as a reflecting surface that reflects the light emitted from the optical displacement sensor of the scanning probe microscope. Further, the tip 406 of the ridgeline where the lower both side surfaces 404b and 404c intersect is a portion which is arranged closest to the sample when mounted on the scanning probe microscope, and functions as a probe.

【0050】梁構造体400は、図6(C)に示すよう
に、非晶質合金をそのガラス遷移温度と結晶化温度との
間の温度に加熱し、二つの成形用型420と430を用
いて成形およびパターニングして、それぞれの形状を転
写した非晶質合金422と432を形成した後、両者を
向かい合わせて貼り合わせ、梁部分の非晶質合金422
aと432をその過冷却液体域にて接合して作製され
る。このように同種の非晶質合金をその過冷却液体域に
て加圧すると容易に接合され、図6(A)に示すような
複雑な形状の構造体も容易に作製することができる。
As shown in FIG. 6C, the beam structure 400 heats the amorphous alloy to a temperature between its glass transition temperature and its crystallization temperature to form two molding dies 420 and 430. After forming and patterning by using the amorphous alloys 422 and 432 to which the respective shapes are transferred, the amorphous alloys 422 and 432 are bonded to each other by facing each other.
It is made by joining a and 432 in the supercooled liquid region. As described above, when the amorphous alloys of the same kind are pressurized in the supercooled liquid region, they are easily joined, and a structure having a complicated shape as shown in FIG. 6A can be easily produced.

【0051】このような形状の梁構造体400を走査型
プローブ顕微鏡用のカンチレバーとして用いると、振動
の減衰特性が改善され、より高感度で走査型プローブ顕
微鏡測定を行うことができる。より具体的には、液体中
など、粘性の大きな媒体中でこのカンチレバー400を
振動させ、その振動特性の変化から測定試料の凹凸形状
あるいは弾性特性を測定する場合、梁構造体400は、
振動する片持ち梁部404の断面形状が図6(B)に示
すように五角形であり、流線型に近くなっているので、
板状のカンチレバーなどと比べ液体の抵抗を受けにく
い。このため減衰特性が改善され、より高い機械的Q値
を示す。
When the beam structure 400 having such a shape is used as a cantilever for a scanning probe microscope, vibration damping characteristics are improved, and scanning probe microscope measurement can be performed with higher sensitivity. More specifically, when the cantilever 400 is vibrated in a medium having high viscosity such as a liquid and the uneven shape or the elastic characteristic of the measurement sample is measured from the change of the vibration characteristic, the beam structure 400 is
Since the cross-sectional shape of the vibrating cantilever portion 404 is a pentagon as shown in FIG. 6B, which is close to a streamline shape,
Less resistant to liquid resistance than plate-shaped cantilevers. Therefore, the damping characteristic is improved and a higher mechanical Q value is exhibited.

【0052】本実施形態の形状の梁構造体は、シリコン
プロセスのみで作製するのは極めて難しいが、本実施形
態で述べたように、複数の成形用型により作製した部材
を貼り合わせ接合することにより容易に作製することが
できる。
The beam structure having the shape of this embodiment is extremely difficult to be manufactured only by the silicon process, but as described in this embodiment, members manufactured by a plurality of molding dies are bonded and joined. Can be easily manufactured.

【0053】<第五の実施の形態>本発明の第五の実施
の形態を図7を用いて説明する。本実施形態の梁構造体
は加速度センサーの振動部である。
<Fifth Embodiment> A fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The beam structure of the present embodiment is the vibration part of the acceleration sensor.

【0054】図7(A)に示すように、加速度センサー
の振動部500は、固定部502とおもり部506を有
し、おもり部506はコの字状の溝504により固定部
502から三方が分離され、保持部508に介して支持
されている。おもり部506は、図7(B)に示すよう
に、自由端側が厚く、保持部508に近づくにつれて徐
々に薄くなっている。
As shown in FIG. 7A, the vibrating portion 500 of the acceleration sensor has a fixed portion 502 and a weight portion 506, and the weight portion 506 has three sides from the fixed portion 502 by a U-shaped groove 504. It is separated and supported via the holding portion 508. As shown in FIG. 7B, the weight portion 506 is thick on the free end side and is gradually thin toward the holding portion 508.

【0055】この振動部500を用いた加速度センサー
による加速度の測定は、静電容量方式の検出手段により
行われる。すなわち、おもり部506の上面の上方に平
板状の電極を配置して、おもり部506と電極とで容量
を構成する。おもり部506が加速度を受けると、おも
り部506が慣性力により動き、容量が変化する。この
容量の変化を検出することにより、おもり部506が受
けた加速度が求められる。
The acceleration is measured by the acceleration sensor using the vibrating section 500 by the capacitance type detecting means. That is, a flat plate-shaped electrode is arranged above the upper surface of the weight portion 506, and the weight portion 506 and the electrode form a capacitor. When the weight portion 506 receives acceleration, the weight portion 506 moves due to inertial force, and the capacity changes. By detecting this change in capacitance, the acceleration received by the weight portion 506 can be obtained.

【0056】これまでの代表的な加速度センサー(片持
ち梁タイプ)は、その断面を図7(C)に示すように、
おもり部526は一定の厚さで、薄くなった梁部分52
8によって固定部522に連結されている。このような
梁構造体では、薄くなった梁部分528の両側に応力集
中するので、基本振動モードの周波数の近くに高次の振
動モードが現れる。
A typical acceleration sensor (cantilever type) so far has a cross section as shown in FIG.
The weight portion 526 has a constant thickness and the thinned beam portion 52.
8 is connected to the fixed portion 522. In such a beam structure, stress concentrates on both sides of the thinned beam portion 528, so that a higher-order vibration mode appears near the frequency of the fundamental vibration mode.

【0057】これに対して、本実施形態の梁構造体50
0では、保持部508の一箇所に応力が集中するので、
基本振動モードと高次の振動モードの周波数をより離し
た位置に設計することができる。このため、モードの干
渉による測定精度の低下を抑えることができる。
On the other hand, the beam structure 50 of the present embodiment.
At 0, the stress concentrates at one place of the holding portion 508, so
It is possible to design the positions where the frequencies of the fundamental vibration mode and the higher-order vibration modes are further apart. For this reason, it is possible to suppress a decrease in measurement accuracy due to mode interference.

【0058】このように厚さを徐々に変わる梁構造は、
従来のシリコンプレナープロセスを用いてシリコンで作
ることは難しく、あるいはコスト高になるが、鍛造法に
より作製するには、容易に作製することができる。
The beam structure in which the thickness gradually changes is
Although it is difficult or expensive to make it from silicon using the conventional silicon planar process, it can be easily made by the forging method.

【0059】なお、上述した実施の形態においては、非
晶質合金としてZr65Al7.5 Cu27.5合金を用いた
が、本発明はこれに限定されない。本発明で好ましく用
いられる非晶質合金は、加工し易く、鍛造時の結晶核発
生などを抑えるため、40℃以上の過冷却液体域温度幅
(ΔTx =Tx −Tg )を有する非晶質合金が選ばれ、
例えば、La55Al25Ni20の非晶質合金(Tg =20
0℃、Tx =275℃)や、Fe73Al5 Ga211
54 の非晶質合金(Tg =450℃、Tx =510
℃)なども使用可能である。更に、特開平7−2635
4に記載されているように、組成に関わらず非晶質合金
成形時の加熱温度を上げることによりΔTxが広がるこ
とが知られており、そのような観点からも本発明は非晶
質合金の組成によっては限定されない。
Although the Zr 65 Al 7.5 Cu 27.5 alloy is used as the amorphous alloy in the above-mentioned embodiment, the present invention is not limited to this. The amorphous alloy preferably used in the present invention is an amorphous alloy having a supercooled liquid region temperature width (ΔTx = Tx−Tg) of 40 ° C. or higher in order to easily process and suppress generation of crystal nuclei during forging. Was chosen,
For example, an amorphous alloy of La 55 Al 25 Ni 20 (Tg = 20
0 ° C., Tx = 275 ° C.) and Fe 73 Al 5 Ga 2 P 11 C
5 B 4 amorphous alloy (Tg = 450 ° C., Tx = 510
℃) etc. can also be used. Furthermore, JP-A-7-2635
As described in No. 4, it is known that ΔTx spreads by increasing the heating temperature at the time of forming an amorphous alloy regardless of the composition. The composition is not limited.

【0060】本発明は、上述の実施の形態に何等限定さ
れるものではない。発明の要旨を逸脱しない範囲で行な
われる実施は、すべて本発明に含まれる。本明細書には
以下の各項に記した発明が含まれている。
The present invention is not limited to the above embodiment. The present invention includes all implementations performed without departing from the gist of the invention. The present invention includes the inventions described in the following items.

【0061】1.支持部と、支持部に保持される梁形状
の弾性部とを有する梁構造体であって、少なくとも梁形
状の弾性部が非晶質合金であることを特徴とする梁構造
体。 2.支持部と、支持部に保持される梁形状の弾性部と、
弾性部に形成された突起部とを有している梁構造体であ
って、少なくとも突起部が非晶質合金であることを特徴
とする梁構造体。
1. A beam structure having a support portion and a beam-shaped elastic portion held by the support portion, wherein at least the beam-shaped elastic portion is an amorphous alloy. 2. A support portion, a beam-shaped elastic portion held by the support portion,
A beam structure having a protrusion formed on an elastic portion, wherein at least the protrusion is an amorphous alloy.

【0062】3.板状の非晶質合金をそのガラス遷移温
度と結晶化温度との間の温度領域に加熱し、非晶質合金
の結晶化が始まらない所定時間の間に、所定の圧力で成
形用型材を当て付けて非晶質合金を成形する工程と、成
形がなされた非晶質合金をフォトリソグラフィーにより
更に成形する工程とを有している、第1項または第2項
に記載の梁構造体の作製方法。
3. A plate-shaped amorphous alloy is heated to a temperature range between its glass transition temperature and crystallization temperature, and a molding die is formed at a predetermined pressure during a predetermined time during which crystallization of the amorphous alloy does not start. The beam structure according to claim 1 or 2, which has a step of applying an amorphous alloy by applying and a step of further shaping the shaped amorphous alloy by photolithography. Manufacturing method.

【0063】4.非晶質合金を溶解する溶液に対して溶
解性を示さない第一の部材を表面に形成した成型用型部
材の表面にスパッタリング法により非晶質合金層を成形
用型部材上に形成する工程と、フォトリソグラフィーに
より第一の部材をパターニングする工程と、第一の部材
もしくは同等な溶解特性を有する第二の部材を積層する
工程と、第二の部材をフォトリソグラフィーによりパタ
ーニングする工程と、非晶質合金を成形する工程と、支
持部を接合する工程と、成型用型材を溶かし去る工程と
を有している、第1項または第2項に記載の梁構造体の
作製方法。
4. A step of forming an amorphous alloy layer on a molding die member by a sputtering method on the surface of a molding die member on which a first member that does not dissolve in a solution that dissolves an amorphous alloy is formed A step of patterning the first member by photolithography, a step of laminating the first member or a second member having a similar melting property, a step of patterning the second member by photolithography, 3. The method for producing a beam structure according to claim 1 or 2, which includes a step of forming a crystalline alloy, a step of joining a supporting portion, and a step of melting and removing a molding die material.

【0064】5.粒状の非晶質合金をそのガラス遷移温
度と結晶化温度との間の温度に加熱し、非晶質合金の結
晶化が始まらない所定時間の間に、所定の圧力で成形用
型材を当て付けて非晶質合金を成形する工程と、気相蒸
着法により非晶質合金周辺部を被う薄膜を形成する工程
と、非晶質合金および/または薄膜をフォトリソグラフ
ィーにより更に成形する工程と、支持部を接合する工程
と、成型用型材を溶かし去る工程とを有している、第1
項または第2項に記載の梁構造体の作製方法。
5. The granular amorphous alloy is heated to a temperature between the glass transition temperature and the crystallization temperature, and the molding die is applied with a predetermined pressure during a predetermined time during which the crystallization of the amorphous alloy does not start. A step of forming an amorphous alloy by means of a vapor deposition method, a step of forming a thin film covering the periphery of the amorphous alloy by a vapor deposition method, and a step of further forming the amorphous alloy and / or the thin film by photolithography. The method has a step of joining the support portions and a step of melting and removing the molding die material.
A method of manufacturing a beam structure according to item 2 or item 2.

【0065】6.非晶質合金をそのガラス遷移温度と結
晶化温度との間の温度に加熱し、成形用型を用いて同種
の非晶質合金によりなる第一の部材と第二の部材を成形
する工程と、成形された第一の部材または第二の部材の
少なくとも一方の非晶質部材をフォトリソグラフィーに
よりパターニングする工程と、第一の部材と第二の部材
を貼り合わせ非晶質合金をその過冷却液体域にて接合す
る工程とを有している、第1項または第2項に記載の梁
構造体の作製方法。
6. Heating the amorphous alloy to a temperature between its glass transition temperature and crystallization temperature, and molding a first member and a second member made of the same kind of amorphous alloy using a molding die; A step of patterning at least one of the formed first member and the second member by photolithography, and the first member and the second member being bonded together and the amorphous alloy being supercooled The method for producing a beam structure according to item 1 or 2, which comprises a step of joining in a liquid region.

【0066】[0066]

【発明の効果】本発明によれば、非晶質合金で作製され
た、高硬度で高い靱性を有する導電性の梁構造体が得ら
れる。本発明によれば、高硬度で形状安定性の高い導電
性の探針を備えた、走査型プローブ顕微鏡におけるST
M/AFM同時測定に適したカンチレバーが得られる。
本発明によれば、梁構造体の振動特性の設計の自由度が
高い、梁構造体の作製方法が提供される。
According to the present invention, a conductive beam structure having a high hardness and a high toughness made of an amorphous alloy can be obtained. According to the present invention, ST in a scanning probe microscope equipped with a conductive probe having high hardness and high shape stability.
A cantilever suitable for simultaneous M / AFM measurement can be obtained.
According to the present invention, there is provided a method for manufacturing a beam structure, which has a high degree of freedom in designing vibration characteristics of the beam structure.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】(A)は第一の実施の形態による複数の梁構造
体を有する梁構造体アレイの斜視図であり、(B)は
(A)の梁構造体アレイの1B−1B’線による断面図
である。
FIG. 1A is a perspective view of a beam structure array having a plurality of beam structures according to the first embodiment, and FIG. 1B is a 1B-1B ′ line of the beam structure array of FIG. It is sectional drawing by.

【図2】図1の梁構造体を鍛造する際に使用する二枚の
型板の斜視図である。
2 is a perspective view of two templates used for forging the beam structure of FIG. 1. FIG.

【図3】図1の梁構造体を作製する工程を説明するため
の図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a step of manufacturing the beam structure shown in FIG.

【図4】第二の実施の形態による梁構造体とそれを作製
する工程を説明するための図である。
FIG. 4 is a diagram for explaining a beam structure according to a second embodiment and a process of manufacturing the beam structure.

【図5】第三の実施の形態による梁構造体とそれを作製
する工程を説明するための図である。
FIG. 5 is a diagram for explaining a beam structure according to a third embodiment and a process of manufacturing the beam structure.

【図6】(A)は第四の実施の形態による梁構造体の斜
視図、(B)は(A)の6B−6B’線による断面図、
(C)は(A)の梁構造体の作製方法を説明するための
図である。
6A is a perspective view of a beam structure according to a fourth embodiment, FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line 6B-6B ′ of FIG.
(C) is a figure for demonstrating the manufacturing method of the beam structure of (A).

【図7】(A)は第五の実施の形態による梁構造体の斜
視図、(B)は(A)の梁構造体の7B−7B’線によ
る断面図、(C)は従来の梁構造体の構造を示す断面図
である。
7A is a perspective view of a beam structure according to a fifth embodiment, FIG. 7B is a sectional view taken along line 7B-7B ′ of the beam structure of FIG. 7A, and FIG. It is sectional drawing which shows the structure of a structure.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

110…梁構造体、112…支持部、114…中間支持
部、116…片持ち梁部、118…突起部。
110 ... Beam structure, 112 ... Support part, 114 ... Intermediate support part, 116 ... Cantilever part, 118 ... Projection part.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 G01P 15/12 G01P 15/12 H01L 21/3065 H01L 21/302 A ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of the front page (51) Int.Cl. 6 Identification code Internal reference number FI Technical display location G01P 15/12 G01P 15/12 H01L 21/3065 H01L 21/302 A

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】支持部と、支持部に保持される梁形状の弾
性部とを有する梁構造体であって、少なくとも梁形状の
弾性部が非晶質合金であることを特徴とする梁構造体。
1. A beam structure having a support portion and a beam-shaped elastic portion held by the support portion, wherein at least the beam-shaped elastic portion is an amorphous alloy. body.
【請求項2】支持部と、支持部に保持される梁形状の弾
性部と、弾性部に形成された突起部とを有している梁構
造体であって、少なくとも突起部が非晶質合金であるこ
とを特徴とする梁構造体。
2. A beam structure having a support portion, a beam-shaped elastic portion held by the support portion, and a projection portion formed on the elastic portion, at least the projection portion being amorphous. A beam structure characterized by being an alloy.
【請求項3】板状の非晶質合金をそのガラス遷移温度と
結晶化温度との間の温度領域に加熱し、非晶質合金の結
晶化が始まらない所定時間の間に、所定の圧力で成形用
型材を当て付けて非晶質合金を成形する工程と、成形が
なされた非晶質合金をフォトリソグラフィーにより更に
成形する工程とを有している、請求項1または請求項2
に記載の梁構造体の作製方法。
3. A plate-shaped amorphous alloy is heated in a temperature range between its glass transition temperature and crystallization temperature, and a predetermined pressure is applied during a predetermined time during which crystallization of the amorphous alloy does not start. 3. The method according to claim 1 or 2, further comprising a step of applying a molding die material to form an amorphous alloy, and a step of further forming the formed amorphous alloy by photolithography.
A method for manufacturing a beam structure according to.
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