JPH0915249A - Integrated type scanning probe microscope sensor - Google Patents
Integrated type scanning probe microscope sensorInfo
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- JPH0915249A JPH0915249A JP18332695A JP18332695A JPH0915249A JP H0915249 A JPH0915249 A JP H0915249A JP 18332695 A JP18332695 A JP 18332695A JP 18332695 A JP18332695 A JP 18332695A JP H0915249 A JPH0915249 A JP H0915249A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】この発明は、走査型プローブ顕微
鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope ）に用いられ
る集積型ＳＰＭセンサに関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an integrated SPM sensor used in a scanning probe microscope (SPM).
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、ＳＰＭに属するものとして、１９
８０年代後半以降、エバネッセント波を用いることによ
り回折限界を超える分解能を有する光学顕微鏡が提案さ
れている。この顕微鏡は、近視野顕微鏡（ＳＮＯＭ：Sc
anning near field optical microscope）と呼ばれてい
る。このＳＮＯＭは、エバネッセント波が“波長より小
さい寸法の領域に局在し、自由空間を伝搬しない”とい
う特性を利用したものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as one belonging to SPM, 19
Since the latter half of the 1980s, an optical microscope having a resolution exceeding the diffraction limit by using an evanescent wave has been proposed. This microscope is a near-field microscope (SNOM: Sc
anning near field optical microscope). This SNOM utilizes the characteristic that the evanescent wave is localized in a region having a size smaller than the wavelength and does not propagate in free space.
【０００３】ＳＮＯＭの測定原理は、まず、測定試料の
表面近傍に１波長程度以下の距離まで光ファイバーのプ
ローブを近づけて、プローブ先端の微小開口を通過する
光強度の地図を作成することによって、測定試料に対す
る解像が成されるものである。ＳＮＯＭとしてはいくつ
かの方式が提案されているが、大別すると２つの方式が
提案されている。その一つはコレクション方式と呼ば
れ、試料の下から光を照射した時に、試料を透過し試料
表面近傍に局在したエバネッセント波を、プローブを介
して検出しＳＮＯＭ像とする方式である。他の方式は、
微小開口を持ったプローブから試料に対して光を照射
し、試料を透過した光を、試料下に設置された光検出器
によって検出するという、いわゆるエミッション方式と
呼ばれる方式である。この方式は、例えば特開平４−２
９１３１０号（ＡＴ＆Ｔ；R. E. Betzig）に開示されて
いる。The principle of SNOM measurement is as follows: First, bring the probe of the optical fiber close to the surface of the sample to be measured to a distance of about 1 wavelength or less, and create a map of the light intensity passing through the minute aperture at the tip of the probe. The resolution of the sample is achieved. Several methods have been proposed as SNOM, but two methods are roughly classified. One of them is called a collection method, which is a method of detecting an evanescent wave that has been transmitted through the sample and localized near the surface of the sample through a probe when a light is irradiated from below the sample, and forms an SNOM image. The other method is
This is a so-called emission method in which light is radiated to a sample from a probe having a minute opening and light transmitted through the sample is detected by a photodetector installed under the sample. This method is disclosed, for example, in Japanese Patent Laid-Open No. 4-2
91310 (AT &T; RE Betzig).
【０００４】更に、最近では、光ファイバーのプローブ
の代わりにカンチレバーを用いてＳＮＯＭ測定と原子間
力顕微鏡（ＡＦＭ）測定を同時に行う方法が、N. F. Va
n Hulst らにより提案されている。このＳＮＯＭは、例
えば、N. F. Van Hulst, M.H. P. Moers, O. F. J. Noo
rdman, R. G. Track, F. B. Stegerink and B. Bolger
の論文“ Near-field optical microscope using a sil
icon-nitride probe "｛ Appl. Phys. Lett. 62, 461-4
63（1993）｝に開示されている。Furthermore, recently, a method of simultaneously performing SNOM measurement and atomic force microscope (AFM) measurement using a cantilever instead of an optical fiber probe is NF Va.
n Proposed by Hulst et al. This SNOM is, for example, NF Van Hulst, MHP Moers, OFJ Noo
rdman, RG Track, FB Stegerink and B. Bolger
Paper on “Near-field optical microscope using a sil
icon-nitride probe "{Appl. Phys. Lett. 62, 461-4
63 (1993)}.
【０００５】更に、シリコン製のカンチレバーにフォト
ダイオードを集積化したＳＮＯＭ用光検出カンチレバー
も、第55回応用物理学会学術講演会講演予稿集、21ｐ−
Ｑ−６，21ｐ−Ｑ−７に報告されている。Furthermore, a photodetector cantilever for SNOM in which a photodiode is integrated with a cantilever made of silicon is also available.
Q-6, 21p-Q-7.
【０００６】上記ＡＦＭとは、ＳＮＯＭと同様にＳＰＭ
に属するものであって、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）に提案されている装置であり、自由端に
鋭い突起部分（探針部）を持つカンチレバーを、試料に
対向・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、変位するカンチレバーの動き
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、カンチレバー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３次元的にとらえることができるようになっている
ものである。The AFM is the SPM as is the SNOM.
Belonging to JP-A-62-130302 (IBM, G. Binich; Method and apparatus for forming an image on the surface of a sample), which has a sharp protrusion (probe) at the free end. Part of the cantilever facing the sample, and the movement of the displacing cantilever is measured electrically or optically by the interaction force acting between the atom at the tip of the probe and the sample atom. On the other hand, by scanning the sample in the XY directions and relatively changing the positional relationship between the cantilever and the probe portion, it is possible to three-dimensionally capture the unevenness information of the sample and the like. .
【０００７】このＡＦＭにおいては、カンチレバーの変
位を測定する変位測定センサは、カンチレバーとは別途
に設けるのが一般的である。しかし最近では、カンチレ
バー自体に変位を測定できる機能を付加した集積型ＡＦ
Ｍセンサが、M.Tortonese らにより提案されている。こ
の集積型ＡＦＭセンサは、例えばM.Tortonese,H.Yamad
a, R.C.Barrett and C.F.Quate の論文“Atomic force
microscopy using a piezoresistive cantilever ”（T
ransducers and Sensors '91 ）や、ＰＣＴ出願ＷＯ９
２／１２３９８に開示されている。In this AFM, the displacement measuring sensor for measuring the displacement of the cantilever is generally provided separately from the cantilever. However, recently, an integrated AF with a function that can measure displacement on the cantilever itself has been added.
An M sensor has been proposed by M. Tortonese et al. This integrated AFM sensor is, for example, M. Tortonese, H. Yamad
a, RCBarrett and CFQuate's paper “Atomic force
microscopy using a piezoresistive cantilever ”(T
ransducers and Sensors '91) and PCT application WO9
2/12398.
【０００８】ここでカンチレバーの変位測定原理として
は、圧電抵抗効果を利用している。すなわち探針先端を
測定試料に近接させると、探針と試料間に働く相互作用
力によりカンチレバー部がたわみ、歪みを生じる。カン
チレバー部には抵抗層が積層されていて、カンチレバー
の歪みに応じてその抵抗値が変化する。従って、抵抗層
に対して電極部より定電圧を加えておけば、カンチレバ
ーの歪み量に応じて抵抗層を流れる電流が変化し、電流
の変化を検出することにより、カンチレバーの変位量を
知ることが出来る。The piezoresistive effect is used as the principle of measuring the displacement of the cantilever. That is, when the tip of the probe is brought close to the sample to be measured, the cantilever portion bends due to the interaction force acting between the probe and the sample, causing distortion. A resistance layer is laminated on the cantilever portion, and its resistance value changes according to the strain of the cantilever. Therefore, if a constant voltage is applied to the resistance layer from the electrode part, the current flowing through the resistance layer changes according to the strain amount of the cantilever, and the displacement amount of the cantilever can be known by detecting the change in the current. Can be done.
【０００９】このような集積型ＡＦＭセンサは、構成が
極めて簡単で小型であることから、カンチレバー側を走
査するいわゆるスタンドアロン型のＡＦＭを構成できる
ようになると期待されている。従来のＡＦＭでは試料を
ＸＹ方向に動かしてカンチレバー先端の探針との相対的
位置関係を変化させるため、試料の大きさが最大数cm程
度に限られるが、スタンドアロン型のＡＦＭは、このよ
うな試料の大きさの制限を取り除くことができるという
利点がある。Since such an integrated AFM sensor is extremely simple and small in size, it is expected that a so-called stand-alone AFM for scanning the cantilever side can be constructed. In the conventional AFM, since the sample is moved in the XY directions to change the relative positional relationship between the tip of the cantilever and the probe, the size of the sample is limited to about several cm at the maximum. There is an advantage that the limitation of the sample size can be removed.
【００１０】次に、従来の集積型ＡＦＭセンサの構成例
を図７を参照して説明する。まず製造工程について説明
する。スタートウェハ100 として、図７の（Ａ）に示す
ように、レバー支持部となるシリコンウェハ110 の上に
酸化シリコンの分離層112 を介してＮ型シリコン層114
を設けたもの、例えば貼り合わせウェハを用意する。次
に、Ｎ型シリコン層114 の極表面にイオンインプランテ
ーションによりボロンＢを打ち込んでピエゾ抵抗層116
を形成し、図７の（Ｄ）に図示した形状にパターニング
した後、表面を酸化シリコン膜等の絶縁層118 で覆う。
そしてカンチレバーの固定端側にボンディング用の穴を
あけ、アルミニウムをスパッタリングして電極120 を形
成する。更に、レバー支持部となるシリコンウェハ112
の下側にレジスト層122 を形成し、このレジスト層122
をパターニングし開口を形成して、図７の（Ｂ）に示す
ような形状とする。続いて、オーミックコンタクトをと
るための熱処理をした後、レジスト層122 をマスクとし
て湿式異方性エッチングにより分離層112 までエッチン
グし、最後にフッ酸でカンチレバー部124 下部の分離層
112 をエッチングしてカンチレバー部124 を形成して、
集積型ＡＦＭセンサが完成する。その側断面図を図７の
（Ｃ）に、その上面図を図７の（Ｄ）に示す。このよう
にして作製した集積型ＡＦＭセンサにおいては、測定の
際には、２つの電極120 の間に数ボルト以下のＤＣ電圧
を印加し、カンチレバー部124 の先端を試料に接近させ
る。カンチレバー部124 の先端と試料表面の原子間に相
互作用力が働くと、カンチレバー部124 が変位する。こ
れに応じてピエゾ抵抗層116 の抵抗値が変化するため、
カンチレバー部124 の変位が２つの電極120 の間に流れ
る電流信号として得られるようになっている。Next, a configuration example of a conventional integrated AFM sensor will be described with reference to FIG. First, the manufacturing process will be described. As a starting wafer 100, as shown in FIG. 7A, an N-type silicon layer 114 is formed on a silicon wafer 110, which is a lever supporting portion, via a silicon oxide separation layer 112.
A wafer provided with, for example, a bonded wafer is prepared. Then, boron B is implanted into the very surface of the N-type silicon layer 114 by ion implantation to form the piezoresistive layer 116.
And patterned to the shape shown in FIG. 7D, and then the surface is covered with an insulating layer 118 such as a silicon oxide film.
Then, a hole for bonding is opened on the fixed end side of the cantilever, and aluminum is sputtered to form the electrode 120. Furthermore, the silicon wafer 112 that serves as the lever support portion
A resist layer 122 is formed on the lower side of the
Is patterned to form an opening, which has a shape as shown in FIG. Subsequently, after heat treatment for making ohmic contact, the resist layer 122 is used as a mask to etch the separation layer 112 by wet anisotropic etching, and finally with hydrofluoric acid, the separation layer below the cantilever portion 124 is etched.
112 is etched to form a cantilever portion 124,
The integrated AFM sensor is completed. A side sectional view thereof is shown in FIG. 7 (C), and a top view thereof is shown in FIG. 7 (D). In the integrated AFM sensor manufactured as described above, a DC voltage of several volts or less is applied between the two electrodes 120 at the time of measurement to bring the tip of the cantilever portion 124 close to the sample. When the interaction force acts between the tip of the cantilever portion 124 and the atom on the sample surface, the cantilever portion 124 is displaced. Since the resistance value of the piezoresistive layer 116 changes accordingly,
The displacement of the cantilever portion 124 is obtained as a current signal flowing between the two electrodes 120.
【００１１】また更に、近年、カンチレバーのねじれ量
（ＬＦＭ信号）が検出できる機能を付加した集積型ＳＰ
Ｍセンサが提案されている。かかる機能をもつ集積型Ｓ
ＰＭセンサは、例えば特開平５−０６３５４７号に開示
されている。Furthermore, in recent years, an integrated SP having a function of detecting the amount of twist of the cantilever (LFM signal) has been added.
M sensors have been proposed. Integrated type S having such a function
The PM sensor is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-063547.
【００１２】[0012]
【発明が解決しようとする課題】ところで、従来の光フ
ァイバープローブを使用したＳＮＯＭでは、プローブと
は別個に光検出機構を設けなければならず、装置の大型
化を招き、それに伴い外部の振動を受けやすく、しかも
作製が容易ではないという欠点があり、またプローブと
光検出機構との距離が離れているため、その間で光が損
失し光検出効率が悪く感度が悪くなり、更にプローブが
一度に大量に作製できないため、コストが高くなるとい
う問題点があった。一方、シリコン製カンチレバーにフ
ォトダイオードを集積化した集積型ＡＦＭセンサでは、
フォトダイオードの受光部の厚さが数μｍ必要であり、
カンチレバー自体を厚く形成しなければならず、硬いカ
ンチレバーとなって軟らかい測定試料を傷つける可能性
がある。By the way, in the SNOM using the conventional optical fiber probe, a photodetection mechanism must be provided separately from the probe, which leads to an increase in the size of the device, which causes external vibration. It has the drawback of being easy and not easy to fabricate.Because the distance between the probe and the photodetection mechanism is large, light is lost between them, resulting in poor photodetection efficiency and poor sensitivity. Since it cannot be manufactured, there is a problem that the cost becomes high. On the other hand, in the integrated AFM sensor in which the photodiode is integrated on the silicon cantilever,
The thickness of the light receiving part of the photodiode must be several μm,
Since the cantilever itself must be formed thick, it becomes a hard cantilever and may damage a soft measurement sample.
【００１３】本発明は、従来の光ファイバープローブを
使用したＳＮＯＭや集積型ＡＦＭセンサにおける上記問
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、装置の小型化が可能で且つ光検出効率を向上さ
せることが可能な軟らかいカンチレバーを備えた集積型
ＳＰＭセンサを提供することを目的とする。請求項２及
び３記載の発明は、半導体プロセスで容易に作製可能
で、コストの低減を図ることの可能な集積型ＳＰＭセン
サを提供することを目的とする。請求項４及び５記載の
発明は、更に簡単な半導体プロセスで作製でき、更にコ
ストの低減を図ることの可能な集積型ＳＰＭセンサを提
供することを目的とする。請求項６記載の発明は、更に
高感度化を図ることの可能な集積型ＳＰＭセンサを提供
することを目的とする。The present invention has been made to solve the above problems in the SNOM and the integrated AFM sensor using the conventional optical fiber probe. The invention according to claim 1 enables downsizing of the device. It is an object of the present invention to provide an integrated SPM sensor equipped with a soft cantilever capable of improving light detection efficiency. It is an object of the inventions according to claims 2 and 3 to provide an integrated SPM sensor which can be easily manufactured by a semiconductor process and can be reduced in cost. It is an object of the inventions according to claims 4 and 5 to provide an integrated SPM sensor which can be manufactured by a simpler semiconductor process and can further reduce the cost. It is an object of the invention according to claim 6 to provide an integrated SPM sensor capable of achieving higher sensitivity.
【００１４】[0014]
【課題を解決するための手段及び作用】上記問題点を解
決するため、請求項１記載の発明は、自由端に探針部を
有する第１のカンチレバー部と、該第１のカンチレバー
部の基端を支持する支持部と、前記第１のカンチレバー
部と分離して形成され、前記支持部に基端が支持された
光検出機構を有する第２のカンチレバー部と、前記光検
出機構からの信号より測定試料表面情報を出力する回路
とで集積型ＳＰＭセンサを構成するものである。In order to solve the above problems, the invention according to claim 1 provides a first cantilever portion having a probe portion at its free end, and a base of the first cantilever portion. A support part that supports the end, a second cantilever part that is formed separately from the first cantilever part, and has a photodetection mechanism whose base end is supported by the support part, and a signal from the photodetection mechanism. An integrated SPM sensor is configured with a circuit that outputs the measurement sample surface information.
【００１５】このように構成した集積型ＳＰＭセンサに
おいて、ＳＮＯＭ測定の際には、測定試料裏面からプリ
ズムを介して臨界角で光を照射し、測定試料表面近傍で
発生したエバネッセント光を、第１のカンチレバー部に
形成されている探針部で散乱し、その散乱光を第２のカ
ンチレバー部に設けた光検出機構により検知する。そし
て検知された反射光は光強度信号に変換され、この信号
に基づいて回路は測定試料の表面情報を出力する。この
ように、請求項１記載の発明においては、別個の光検出
機構を必要としないため、装置の小型化が可能となると
共に光検出効率の向上を図ることができ、また光検出機
構を有する第２のカンチレバー部と探針部を有する第１
のカンチレバー部とが分離されているため、探針部を有
する第１のカンチレバー部の厚さを薄くして軟らかくす
ることができ、軟らかい測定試料を傷つけずに測定が可
能となる。In the integrated SPM sensor configured as described above, when performing SNOM measurement, the evanescent light generated near the surface of the measurement sample is irradiated with light from the back surface of the measurement sample through the prism at a critical angle. The scattered light is scattered by the probe part formed in the cantilever part, and the scattered light is detected by the light detection mechanism provided in the second cantilever part. The detected reflected light is then converted into a light intensity signal, and the circuit outputs surface information of the measurement sample based on this signal. As described above, in the invention according to claim 1, since a separate photodetection mechanism is not required, the device can be downsized and the photodetection efficiency can be improved, and the photodetection mechanism is provided. First having a second cantilever portion and a probe portion
Since it is separated from the cantilever portion of, the thickness of the first cantilever portion having the probe portion can be thinned to be soft, and the measurement can be performed without damaging the soft measurement sample.
【００１６】請求項２記載の発明は、請求項１記載の集
積型ＳＰＭセンサにおいて、第２のカンチレバー部を半
導体材料で構成し、該カンチレバー部に半導体光センサ
を集積化するものであり、また請求項３記載の発明は、
請求項２記載の集積型ＳＰＭセンサにおいて、第２のカ
ンチレバー部に集積化した半導体光センサをシリコンフ
ォトダイオードとするものである。これにより、半導体
プロセスを利用して簡単に且つ一度に大量生産すること
が可能となり、コストの低減を図ることが可能となる。According to a second aspect of the present invention, in the integrated SPM sensor according to the first aspect, the second cantilever portion is made of a semiconductor material, and the semiconductor optical sensor is integrated on the cantilever portion. The invention according to claim 3 is
The integrated SPM sensor according to claim 2, wherein the semiconductor optical sensor integrated in the second cantilever portion is a silicon photodiode. As a result, it is possible to easily and mass-produce at once by using the semiconductor process, and it is possible to reduce the cost.
【００１７】請求項４記載の発明は、請求項１〜３記載
の集積型ＳＰＭセンサにおいて、第１のカンチレバー部
を窒化シリコン膜で形成するものであり、また請求項５
記載の発明は、同じく第１のカンチレバー部をシリコン
で形成するものである。これにより、探針部を有する第
１のカンチレバー部も半導体プロセスを利用して作製で
き、特にシリコン製にすることにより窒化シリコン膜を
堆積する工程を省略でき、更に作製プロセスを簡略化で
き、コストの低減化を図ることができる。According to a fourth aspect of the present invention, in the integrated SPM sensor according to the first to third aspects, the first cantilever portion is formed of a silicon nitride film.
In the described invention, the first cantilever portion is also made of silicon. As a result, the first cantilever portion having the probe portion can also be manufactured by utilizing the semiconductor process, and particularly when it is made of silicon, the step of depositing the silicon nitride film can be omitted, and the manufacturing process can be further simplified and the cost can be reduced. Can be reduced.
【００１８】請求項６記載の発明は、請求項１記載の集
積型ＳＰＭセンサにおいて、第２のカンチレバー部に設
ける光検出機構を、第１のカンチレバー部に形成されて
いる探針部を囲むように配置するものである。これによ
り、光検出機構の受光面積が拡大し、反射光を多く検出
することが可能となり、更に感度を向上させることがで
きる。According to a sixth aspect of the present invention, in the integrated SPM sensor according to the first aspect, the photodetection mechanism provided in the second cantilever portion surrounds the probe portion formed in the first cantilever portion. Is to be placed in. As a result, the light receiving area of the photodetection mechanism is expanded, a large amount of reflected light can be detected, and the sensitivity can be further improved.
【００１９】[0019]
【実施例】次に実施例について説明する。図１は、本発
明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例を示す図で、
図２は図１におけるＡ−Ａ′線に沿った断面を示す図で
ある。両図において、１はレバー支持部で、該レバー支
持部１には全面を酸化シリコン層２で覆われたＮ型シリ
コン層３からなる第２のカンチレバー部４の基端が支持
されている。また前記レバー支持部１には、自由端に探
針部５を備え、前記第２のカンチレバー部４を取り囲む
ように配置された略Ｕ字型の窒化シリコン膜からなる第
１のカンチレバー部６の基端が支持されている。なお、
探針部５は窒化シリコンでカンチレバー部と一体的に形
成されている。また、第２のカンチレバー部４を構成す
るＮ型シリコン層３にはＮ+ 型シリコン層７とＰ型シリ
コン層８が形成されており、Ｐ型シリコン層８にはＰ+
型シリコン層９が形成されていて、前記Ｐ型シリコン層
８とＮ型シリコン層３とでＰＮフォトダイオードを構成
している。そして、Ｐ+ 型シリコン層９とＮ+ 型シリコ
ン層７には、酸化シリコン層２に形成したコンタクトホ
ール10，11を介して、アルミニウム等の電極12，13がそ
れぞれ接続されている。そして、電極12，13間には、光
を検出するために所定の逆バイアスの電圧が印加される
ようになっており、例えば、電極13には電流検出用のオ
ペアンプ14が接続されＧＮＤ電位に保たれており、電極
12には直流定電圧電源15が接続され、負の電圧が数Ｖ印
加されている。Next, an embodiment will be described. FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an integrated SPM sensor according to the present invention,
FIG. 2 is a view showing a cross section taken along the line AA ′ in FIG. In both figures, 1 is a lever supporting portion, and the lever supporting portion 1 supports a base end of a second cantilever portion 4 composed of an N-type silicon layer 3 whose entire surface is covered with a silicon oxide layer 2. Further, the lever support portion 1 is provided with a probe portion 5 at a free end thereof, and a first cantilever portion 6 made of a substantially U-shaped silicon nitride film arranged so as to surround the second cantilever portion 4. The proximal end is supported. In addition,
The probe portion 5 is made of silicon nitride and is formed integrally with the cantilever portion. Further, an N + type silicon layer 7 and a P type silicon layer 8 are formed on the N type silicon layer 3 which constitutes the second cantilever portion 4, and a P + type silicon layer 8 is formed by P +.
A type silicon layer 9 is formed, and the P type silicon layer 8 and the N type silicon layer 3 form a PN photodiode. Then, electrodes 12 and 13 made of aluminum or the like are connected to the P + -type silicon layer 9 and the N + -type silicon layer 7 through contact holes 10 and 11 formed in the silicon oxide layer 2, respectively. A predetermined reverse bias voltage is applied between the electrodes 12 and 13 in order to detect light. For example, an operational amplifier 14 for current detection is connected to the electrode 13 to set it to the GND potential. Kept and electrodes
A DC constant voltage power supply 15 is connected to 12 and a negative voltage of several V is applied.
【００２０】このように集積型ＳＰＭセンサを構成する
ことにより、従来別個に必要としていた光検出器が不要
となり、装置の小型化が可能となる。また、この構成の
集積型ＳＰＭセンサは、図７に示した集積型ＡＦＭセン
サの製造方法と同様な手法で、半導体プロセスで作製で
きるため、バッチ処理が可能となり、コストの低減を図
ることができる。また、フォトダイオードが形成されて
いる第２のカンチレバー部４と探針部５の形成されてい
る第１のカンチレバー部６とが分離して形成されている
ため、第１のカンチレバー部６に対してフォトダイオー
ドによるカンチレバー厚の制約をなくし、カンチレバー
を薄く形成することができる。これにより、軟らかいカ
ンチレバー部をもつ集積型ＳＰＭセンサが得られる。By constructing the integrated SPM sensor in this way, a photodetector, which is conventionally required separately, becomes unnecessary, and the device can be downsized. Further, the integrated SPM sensor having this configuration can be manufactured by a semiconductor process by a method similar to the method of manufacturing the integrated AFM sensor shown in FIG. 7, so that batch processing becomes possible and cost can be reduced. . In addition, since the second cantilever portion 4 in which the photodiode is formed and the first cantilever portion 6 in which the probe portion 5 is formed are formed separately, Thus, the thickness of the cantilever can be made thin by eliminating the restriction on the thickness of the cantilever by the photodiode. As a result, an integrated SPM sensor having a soft cantilever portion can be obtained.
【００２１】更に、第１のカンチレバー部６の反りを検
出する手段、例えばピエゾ抵抗層を第１のカンチレバー
部６に設けて電気的にカンチレバー部の反りを検出した
り、あるいは第１のカンチレバー部６の裏面に反射膜を
コーディングして光学的にカンチレバー部の反りを検出
するように構成することにより、ＡＦＭ・ＳＮＯＭ同時
測定が可能となる。Further, a means for detecting the warp of the first cantilever portion 6, for example, a piezoresistive layer is provided on the first cantilever portion 6 to electrically detect the warp of the cantilever portion, or the first cantilever portion. A reflective film is coded on the back surface of 6 to optically detect the warp of the cantilever portion, thereby enabling simultaneous AFM / SNOM measurement.
【００２２】なお、本実施例において、第２のカンチレ
バー部及びフォトダイオードを構成するＰ型シリコン層
とＮ型シリコン層，Ｐ+ 型シリコン層とＮ+ 型シリコン
層を、それぞれ逆に選択して構成してもよく、その場合
は印加バイアスの極性も反対にする。また、本実施例に
おいては、探針部を窒化シリコンで形成したものを示し
たが、例えば、酸化シリコン，ダイヤモンド，ＤＬＣ
等、どのような材質で構成してもよい。In this embodiment, the P-type silicon layer and the N-type silicon layer, and the P + -type silicon layer and the N + -type silicon layer, which form the second cantilever portion and the photodiode, are selected in reverse. Alternatively, the polarity of the applied bias may be reversed. Further, in the present embodiment, the probe portion formed of silicon nitride was shown, but, for example, silicon oxide, diamond, DLC.
It may be made of any material such as.
【００２３】次に第２実施例について説明する。図３は
第２実施例を示す図で、図４は図３のＡ−Ａ′線に沿っ
た断面図であり、図１及び図２に示した第１実施例と同
一又は対応する部材には同一符号を付し、その説明は省
略する。この実施例が第１実施例と異なる点は、第１の
カンチレバー部６ａ全体をシリコンで構成し、その自由
端側にシリコン製の探針部５ａを一体的に形成している
点で、他の構成は第１実施例と同一である。Next, a second embodiment will be described. FIG. 3 is a view showing a second embodiment, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. 3, showing the same or corresponding members as those of the first embodiment shown in FIGS. Are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted. This embodiment is different from the first embodiment in that the first cantilever portion 6a is entirely made of silicon and a silicon probe portion 5a is integrally formed on the free end side thereof. The configuration is the same as that of the first embodiment.
【００２４】このように、探針部５ａを含め第１のカン
チレバー部６ａをシリコンで形成しているので、第２の
カンチレバー部と共にシリコンで一体形成することがで
き、窒化シリコン等を堆積する必要がなくなり、プロセ
スが更に簡単になり、更にコストを低減することができ
る。なお、本実施例も、図７に示した集積型ＡＦＭセン
サの製造方法と同様な手法で作製することができる。ま
た本実施例においても、第２のカンチレバー部のＮ型シ
リコンとＰ型シリコン、及びＰ+ 型シリコンとＮ+ 型シ
リコンとは逆に選択して構成してもよく、その場合は印
加バイアスの極性を反対にする。As described above, since the first cantilever portion 6a including the probe portion 5a is formed of silicon, it can be integrally formed of silicon together with the second cantilever portion, and it is necessary to deposit silicon nitride or the like. Can be eliminated, the process can be further simplified, and the cost can be further reduced. Note that this embodiment can also be manufactured by the same method as the manufacturing method of the integrated AFM sensor shown in FIG. Also in this embodiment, the N-type silicon and the P-type silicon, and the P + type silicon and the N + type silicon of the second cantilever portion may be selected in the opposite manner. Reverse the polarities.
【００２５】次に第３実施例について説明する。図５は
第３実施例を示す図で、図６の（Ａ）、（Ｂ），（Ｃ）
はそれぞれ図５のＡ，Ｂ，Ｃで示した部分の横方向の断
面図である。これらの図において、31はレバー支持部
で、該レバー支持部31には自由端に窒化シリコンからな
る探針部35を一体的に形成した窒化シリコンからなる第
１のカンチレバー部36の基端が支持されている。また、
前記レバー支持部31には、前記第１のカンチレバー部36
を取り囲むように配置された略Ｕ字型の全面を酸化シリ
コン層32で覆われたＮ型シリコン層33からなる第２のカ
ンチレバー部34の基端が支持されている。そして、第２
のカンチレバー部34を構成するＮ型シリコン層33には、
その一方の脚部分にＮ+ 型シリコン層37を設けると共
に、前記第１のカンチレバー部36の探針部35を取り囲む
ようにＰ型シリコン層38が形成されており、該Ｐ型シリ
コン層38の一端にはＰ+ 型シリコン層39が形成されてい
て、前記Ｐ型シリコン層38とＮ型シリコン層33とでＰＮ
フォトダイオードを構成している。そして、Ｐ+ 型シリ
コン層39とＮ+ 型シリコン層37には、酸化シリコン層32
に形成したコンタクトホール40，41を介してアルミニウ
ム等の電極42，43がそれぞれ接続されている。そして、
電極42，43間には、光を検出するために所定の逆バイア
スの電圧が印加されるようになっており、例えば、電極
43には電流検出用のオペアンプ44が接続されＧＮＤ電位
に保たれており、電極42には直流定電圧電源45が接続さ
れ、負の電圧が数Ｖ印加されている。Next, a third embodiment will be described. FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment, and is a diagram of FIG. 6 (A), (B), (C).
6A and 6B are cross-sectional views in the horizontal direction of the portions indicated by A, B, and C in FIG. 5, respectively. In these figures, 31 is a lever supporting portion, and the lever supporting portion 31 is provided with a base end of a first cantilever portion 36 made of silicon nitride integrally formed with a probe portion 35 made of silicon nitride at its free end. It is supported. Also,
The lever support portion 31 includes the first cantilever portion 36.
A base end of a second cantilever portion 34 formed of an N-type silicon layer 33 covered with a silicon oxide layer 32 is supported on the entire surface of a substantially U-shape arranged so as to surround the. And the second
In the N-type silicon layer 33 forming the cantilever portion 34 of
An N + type silicon layer 37 is provided on one of the leg portions, and a P type silicon layer 38 is formed so as to surround the probe portion 35 of the first cantilever portion 36. A P + type silicon layer 39 is formed at one end, and the P type silicon layer 38 and the N type silicon layer 33 form a PN.
It constitutes a photodiode. The P + -type silicon layer 39 and the N + -type silicon layer 37 have a silicon oxide layer 32.
Electrodes 42 and 43 made of aluminum or the like are connected through the contact holes 40 and 41 formed in FIG. And
A predetermined reverse bias voltage is applied between the electrodes 42 and 43 in order to detect light.
An operational amplifier 44 for current detection is connected to 43 and kept at the GND potential, a DC constant voltage power supply 45 is connected to the electrode 42, and a negative voltage of several V is applied.
【００２６】このように構成された第３実施例の集積型
ＳＰＭセンサにおいては、第１実施例と同様な作用効果
をもつと共に、第２のカンチレバー部34のＰ型シリコン
層38を第１のカンチレバー部36の探針部35を取り囲むよ
うに形成しているので、フォトダイオードの受光面が拡
大され、探針部35によって散乱された散乱光を、より多
く検出できるようになり、更に感度を向上させることが
できる。なお、この実施例においても、第２のカンチレ
バー部及びフォトダイオードを構成するＰ型シリコン層
とＮ型シリコン層，Ｐ+ 型シリコン層とＮ+ 型シリコン
層を、それぞれ逆に選択して構成してもよく、その場合
は印加バイアスの極性も反対にする。また本実施例も、
図７に示した集積型ＡＦＭセンサの製造方法と同様な手
法で作製することができる。The integrated SPM sensor of the third embodiment having the above-described structure has the same effects as those of the first embodiment, and the P-type silicon layer 38 of the second cantilever portion 34 is formed in the first embodiment. Since it is formed so as to surround the probe portion 35 of the cantilever portion 36, the light receiving surface of the photodiode is enlarged, so that the scattered light scattered by the probe portion 35 can be detected more and the sensitivity is further improved. Can be improved. Also in this embodiment, the P-type silicon layer and the N-type silicon layer, and the P + -type silicon layer and the N + -type silicon layer, which form the second cantilever portion and the photodiode, are reversely selected and formed. However, in that case, the polarities of the applied biases are reversed. Also, in this embodiment,
It can be manufactured by the same method as the manufacturing method of the integrated AFM sensor shown in FIG.
【００２７】[0027]
【発明の効果】以上実施例に基づいて説明したように、
請求項１記載の発明によれば、従来別個に必要とした光
検出機構が必要でなくなり装置の小型化を図ることがで
きると共に、光検出効率を向上させることができる。ま
た光検出機構を有する第２のカンチレバー部と探針部を
有する第１のカンチレバー部を分離しているので、探針
部を有する第１のカンチレバー部の厚さを薄くすること
ができ、軟らかい測定試料を傷つけずに測定することが
可能となる。また請求項２及び３記載の発明によれば、
半導体プロセスを利用して簡単に且つ一度に大量生産が
可能となり、コストの低減を図ることができる。またカ
ンチレバー部の反りを検出する手段、例えばピエゾ抵抗
層をカンチレバー部に設け電気的にカンチレバー部の反
りを検出したり、あるいはカンチレバー部の裏面に反射
膜をコーティングし光学的にカンチレバー部の反りを検
出することにより、ＡＦＭ測定も可能となり、ＡＦＭ・
ＳＮＯＭ同時測定を可能にすることができる。また請求
項４及び５記載の発明によれば、探針部を有する第１の
カンチレバー部も半導体プロセスを利用して作製するこ
とができ、特に探針部を有するカンチレバー部をシリコ
ン製にすることにより、窒化シリコン膜を堆積する手段
を省略することができ、更に作製プロセスの簡略化を図
ることができ、コスト低減が可能となる。また請求項６
記載の発明によれば、光検出機構の受光面積が拡大さ
れ、反射光をより多く検出することが可能となり、感度
を更に向上させることができる。As described above with reference to the embodiments,
According to the first aspect of the present invention, it is possible to reduce the size of the device and to improve the light detection efficiency, since the separately required photodetection mechanism is not required. Further, since the second cantilever portion having the light detecting mechanism and the first cantilever portion having the probe portion are separated from each other, the thickness of the first cantilever portion having the probe portion can be made thin and soft. It is possible to perform measurement without damaging the measurement sample. According to the inventions of claims 2 and 3,
By using a semiconductor process, mass production can be easily performed at one time, and cost can be reduced. Further, a means for detecting the warp of the cantilever portion, for example, a piezoresistive layer is provided on the cantilever portion to electrically detect the warp of the cantilever portion, or the back surface of the cantilever portion is coated with a reflection film to optically warp the cantilever portion. By detecting it, AFM measurement becomes possible.
It is possible to enable simultaneous SNOM measurements. Further, according to the inventions of claims 4 and 5, the first cantilever portion having the probe portion can also be produced by utilizing a semiconductor process, and particularly, the cantilever portion having the probe portion is made of silicon. As a result, the means for depositing the silicon nitride film can be omitted, the manufacturing process can be further simplified, and the cost can be reduced. Claim 6
According to the above-described invention, the light receiving area of the light detecting mechanism is expanded, more reflected light can be detected, and the sensitivity can be further improved.
【図１】本発明に係る集積型ＳＰＭセンサの第１実施例
を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing a first embodiment of an integrated SPM sensor according to the present invention.
【図２】図１のＡ−Ａ′線に沿った断面を示す図であ
る。FIG. 2 is a diagram showing a cross section taken along line AA ′ of FIG.
【図３】本発明の第２実施例を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a second embodiment of the present invention.
【図４】図３のＡ−Ａ′線に沿った断面を示す図であ
る。FIG. 4 is a view showing a cross section taken along line AA ′ of FIG.
【図５】本発明の第３実施例を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a third embodiment of the present invention.
【図６】図５のＡ，Ｂ，Ｃで示した部分の横方向の断面
を示す図である。FIG. 6 is a view showing a cross section in a lateral direction of a portion indicated by A, B, and C in FIG.
【図７】従来の集積型ＡＦＭセンサの製造方法を説明す
るための製造工程を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing a manufacturing process for explaining a manufacturing method of a conventional integrated AFM sensor.
１，31 レバー支持部 ２，32 酸化シリコン層 ３，33 Ｎ型シリコン層 ４，34 第２のカンチレバー部 ５，5a，35 探針部 ６，6a，36 第１のカンチレバー部 ７，37 Ｎ+ 型シリコン層 ８，38 Ｐ型シリコン層 ９，39 Ｐ+ 型シリコン層 10，11，40，41 コンタクトホール 12，13 42，43 電極 14，44 オペアンプ 15，45 直流定電圧電源1,31 Lever support part 2,32 Silicon oxide layer 3,33 N-type silicon layer 4,34 Second cantilever part 5,5a, 35 Probe part 6,6a, 36 First cantilever part 7,37 N + Type silicon layer 8,38 P type silicon layer 9,39 P + type silicon layer 10,11,40,41 Contact hole 12,13 42,43 Electrode 14,44 Operational amplifier 15,45 DC constant voltage power supply
Claims (6)
バー部と、該第１のカンチレバー部の基端を支持する支
持部と、前記第１のカンチレバー部と分離して形成さ
れ、前記支持部に基端が支持された光検出機構を有する
第２のカンチレバー部と、前記光検出機構からの信号よ
り測定試料表面情報を出力する回路とを備えていること
を特徴とする集積型ＳＰＭセンサ。1. A first cantilever portion having a probe portion at its free end, a support portion for supporting a base end of the first cantilever portion, and the first cantilever portion, which are formed separately from each other. An integrated SPM, comprising: a second cantilever part having a photodetection mechanism whose base end is supported by a support part; and a circuit for outputting measurement sample surface information from a signal from the photodetection mechanism. Sensor.
で構成されており、該カンチレバー部に半導体光センサ
を集積化していることを特徴とする請求項１記載の集積
型ＳＰＭセンサ。2. The integrated SPM sensor according to claim 1, wherein the second cantilever portion is made of a semiconductor material, and a semiconductor optical sensor is integrated in the cantilever portion.
た半導体光センサは、シリコンフォトダイオードである
ことを特徴とする請求項２記載の集積型ＳＰＭセンサ。3. The integrated SPM sensor according to claim 2, wherein the semiconductor optical sensor integrated in the second cantilever portion is a silicon photodiode.
コン膜で形成されていることを特徴とする請求項１〜３
のいずれか１項に記載の集積型ＳＰＭセンサ。4. The first cantilever portion is formed of a silicon nitride film.
The integrated SPM sensor according to any one of 1.
で形成されていることを特徴とする請求項１〜３のいず
れか１項に記載の集積型ＳＰＭセンサ。5. The integrated SPM sensor according to claim 1, wherein the first cantilever portion is made of silicon.
光検出機構は、第１のカンチレバー部に形成されている
探針部を囲むように配置されていることを特徴とする請
求項１記載の集積型ＳＰＭセンサ。6. The light detecting mechanism provided in the second cantilever portion is arranged so as to surround a probe portion formed in the first cantilever portion. Integrated SPM sensor.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18332695A JPH0915249A (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Integrated type scanning probe microscope sensor |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP18332695A JPH0915249A (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Integrated type scanning probe microscope sensor |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0915249A true JPH0915249A (en) | 1997-01-17 |
Family
ID=16133761
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP18332695A Withdrawn JPH0915249A (en) | 1995-06-28 | 1995-06-28 | Integrated type scanning probe microscope sensor |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JPH0915249A (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110824197A (en) * | 2019-11-20 | 2020-02-21 | 广东省新材料研究所 | Performance test method of electrochromic device |
-
1995
- 1995-06-28 JP JP18332695A patent/JPH0915249A/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110824197A (en) * | 2019-11-20 | 2020-02-21 | 广东省新材料研究所 | Performance test method of electrochromic device |
| CN110824197B (en) * | 2019-11-20 | 2022-04-15 | 广东省新材料研究所 | Performance test method of electrochromic device |
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