JPH10197542A - エバネッセント波検出用の微小探針とその製造方法、及び該微小探針を備えたプローブとその製造方法、並びに該微小探針を備えたエバネッセント波検出装置、近視野走査光学顕微鏡、情報再生装置 - Google Patents
エバネッセント波検出用の微小探針とその製造方法、及び該微小探針を備えたプローブとその製造方法、並びに該微小探針を備えたエバネッセント波検出装置、近視野走査光学顕微鏡、情報再生装置Info
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Abstract
上を図り、優れた分解能を発揮できるエバネッセント波
検出用の微小探針と該製造方法、及び該微小探針を備え
たプローブとその製造方法および簡略化可能なエバネッ
セント波検出装置、近視野走査光学顕微鏡、情報再生装
置を提供する。 【解決手段】微小探針20は、エバネッセント波検出用
の微小探針であって、該微小探針は光導電材料からな
り、該両端が基板上に形成された電極を介して該基板に
接続し微小探針またはプローブの製造方法はエバネッセ
ント波検出用の微小探針またはプローブの製造方法であ
り一方の基板である第1基板の剥離層上に光導電材料か
らなる光導電材料層を形成し、他方の基板である第2基
板上に形成された接合層へ、剥離層上の光導電材料層を
転写して微小探針を製造する。
Description
微鏡に用いるエバネッセント波検出用の微小探針とその
製造方法、該微小探針を備えた薄膜カンチレバーからな
るプローブとその製造方法、並びに該微小探針を備えた
エバネッセント波検出装置または近視野走査光学顕微鏡
または情報再生装置に関し、特に、先端曲率が小さく上
記の用途に優れた特性を発揮し、マルチ化が容易な高い
量産性で製造できる微小探針とその製造方法に関する。
観察できる走査型トンネル顕微鏡(以下、「STM」と
いう)が開発されて(G.Binnig et al.
Phys.Rev.Lett.,49,57(198
3))単結晶、非晶質を問わず実空間像の高い分解能で
測定ができるようになって以来、走査型プローブ顕微鏡
(以下、「SPM」という)が材料の微細構造評価の分
野で盛んに研究されるようになってきた。SPMとして
は、微小探針を有するプローブを評価する試料に近接さ
せることにより得られるトンネル電流、原子間力、磁気
力、光等を用いて表面の構造を検出する走査型トンネル
顕微鏡(STM)、原子間力顕微鏡(AFM)、磁気力
顕微鏡(MFM)、近視野走査光学顕微鏡(NSOM)
等がある。
学顕微鏡では不可能とされたλ/2以下の位置分解能
を、微小なピンホールから放射されるエバネッセント光
を利用して、試料表面の微細パターン形状等を高い分解
能で非破壊にて計測するものである。また、NSOMで
は、生体や細胞等の従来観察が困難であった材料を試料
として用いることが可能であり、観察可能な対象が多
く、その応用範囲も広い。
出方法としては、以下の3つがある。第1の方法は、例
えば試料の裏面から試料表面で全反射条件を満たすよう
に照明光を入射させ、該照明光の照射により試料表面に
生じるエバネッセント波を微小な開口(apertur
e)を有する探針を通じて検出する方法である(E.B
etzig,et al.,“Collection
mode near−field scanning
optical microscopy”,Appl.
Phys.Lett.51(25),1987,pp2
088−2090)。この方法により、高分解能のエバ
ネッセント波の像を得ることができ、最も多く、研究が
なされている。しかしながら、探針としては、ガラスピ
ペットや光ファイバーを先鋭化したものを用いており、
機械研磨等により作製するため、生産性が悪く、製造コ
ストも高い。さらに、開口の口径を再現性良く高精度に
作製することが困難であった。
用いるシリコン窒化膜からなる探針付き薄膜カンチレバ
ーを利用して、エバネッセント波の散乱光を検出する方
法である(N.F.van Hulst,et a
l.,“Near‐fieldoptical mic
roscope using a silicon−n
itride probe”,Appl.Phys.L
ett.62(5),1993,pp461‐46
3)。上記方法に用いる微小探針及びその製造方法とし
て、半導体製造プロセス技術を使い単結晶シリコンを用
いて異方性エッチングにより形成した微小探針が知られ
ている(米国特許第5,221,415号明細書)。こ
の微小探針の形成方法は、図8に示すように、まず、二
酸化シリコン510、512のマスクを被覆したシリコ
ンウエハ514に異方性エッチングによりピット518
を設け、このピットを探針の雌型とし、二酸化シリコン
510、512を除去し、次に全面に窒化シリコン層5
20、521を被覆し片持ち梁(カンチレバー)及び微
小探針となるピラミッド状ピット522を形成し、片持
ち梁状にパターニングした後、裏面の窒化シリコン層5
21を除去しソウカット534とCr層532を設けた
ガラス板530と窒化シリコン層520を接合し、シリ
コンウエハ514をエッチング除去することによりマウ
ンティングブロック540に転写された窒化シリコンか
らなる、探針とカンチレバーからなる、プローブを作製
するものである。(光てこ式AFMに用いる場合、最後
に、裏面に反射膜となる金属膜542を形成する。)こ
の方法の探針は先鋭な先端形状を有し、生産性及び作製
再現性が高い。しかしながら、第2の方法は、第1の方
法による開口付き探針にて測定したNSOM像に比べて
分解能が低くい。
のピックアップとして用い探針上部に配置した光電子増
倍管の光検出部により検出するものであるのに対して、
薄膜カンチレバー上のフォトダイオードにて直接エバネ
ッセント波の散乱光を検出する方法である(S.Aka
mine,et al.,“Developmento
f a microphotocantilever
for near−field scanning o
ptical microscopy”,Procee
dings IEEE MicroElectro M
echanical Systems Worksho
p 1995,p145−150)。図9に探針の断面
図を示す。この探針は、シリコン基板600により一方
を支持されたp層601のシリコンの薄膜カンチレバー
と、該薄膜カンチレバーの先端に、n層602を形成し
て作製したp−n接合603のフォトダイオードと、該
フォトダイオードで検出した散乱光の信号を取り出す二
酸化シリコン膜604上に設けたAlメタル配線605
よりなる。カンチレバーを作製する際に用いたエッチス
トップ層606が薄膜カンチレバー下面にある。カンチ
レバー自由端にフォトダイオードの光検出部を設けたこ
とにより光検出部と試料との間を近接させることがで
き、SN比を向上でき、これにより分解能を向上させる
ことが可能となった。さらにシステム構成を簡略化する
ことも可能となった。しかしながら、図9に示すよう
に、第3の方法による探針では探針先端として、薄膜カ
ンチレバーの先端を用いている。薄膜カンチレバーをフ
ォトリソグラフィプロセスとエッチングにより作製する
ため、第2の探針と比べ、探針形状の再現性に乏しく、
また作製したロット間で同一形状の先端を得ることが困
難であった。
課題を解決し、光検出部を構成した微小探針によりSN
比の向上を図り、優れた分解能を発揮することのできる
エバネッセント波検出用の微小探針とその製造方法、及
び該微小探針を備えたプローブとその製造方法を提供す
ると共に、該微小探針によりシステム構成の簡略化を図
ることのできるエバネッセント波検出装置、近視野走査
光学顕微鏡、情報再生装置を提供することを目的として
いる。また、本発明は、微小探針として再現性が良く均
一な形状が得られ、且つ先端を鋭利に形成することので
きるエバネッセント波検出用の微小探針とその製造方
法、及び該微小探針を備えたプローブとその製造方法を
提供することを目的としている。また、本発明は、微小
探針を製造するための雌型の再利用が可能で、生産性の
向上と製造コストの低減を図ることのできるエバネッセ
ント波検出用の微小探針とその製造方法、及び該微小探
針を薄膜カンチレバー上に設けたプローブとその製造方
法を提供することを目的としている。
波検出用の微小探針とその製造方法、及び該微小探針を
備えたプローブとその製造方法、並びに該微小探針を備
えたエバネッセント波検出装置、近視野走査光学顕微
鏡、情報再生装置について、つぎのよに構成したもので
ある。すなわち、本発明の微小探針はエバネッセント波
検出用の微小探針であって、該微小探針は光導電材料か
らなり、該微小探針の両端が基板上に形成された電極を
介して該基板に接続されていることを特徴とするエバネ
ッセント波検出用の微小探針。また、本発明の微小探針
の製造方法は、エバネッセント波検出用の微小探針の製
造方法であって、一方の基板である第1基板の剥離層上
に光導電材料からなる光導電材料層を形成し、他方の基
板である第2基板上に形成された接合層へ、前記剥離層
上の光導電材料層を転写することにより微小探針を製造
することを特徴としている。そして、その製造方法は、
(a)第1基板の表面に凹部を形成する工程と、(b)
前記第1基板の凹部を含む基板上に、剥離層を形成する
工程と、(c)前記第1基板における凹部を含む剥離層
上に、光導電材料からなる光導電材料層を被覆する工程
と、(d)第2基板に接合層を形成する工程と、(e)
前記第1基板における凹部を含む剥離層上の光導電材料
層を、前記第2基板上の接合層に接合する工程と、
(f)前記剥離層と光導電材料層、あるいは前記剥離層
と第1基板の界面で剥離を行い、前記第2基板の接合層
上に光導電材料層を転写する工程と、を少なくとも有す
ることを特徴としている。また、本発明のこれらの微小
探針並びにその製造方法においては、その光導電材料が
非晶質半導体材料からなり、また、その非晶質半導体材
料がアモルファスシリコン材料またはアモルファスカル
コゲナイド材料からなることを特徴としている。また、
本発明のこれらの微小探針並びにその製造方法において
は、その光導電材料が有機光導電体材料からなることを
特徴としている。また、本発明の微小探針においては、
その微小探針が、ピラミッド形状であり、基板との間に
空隙を有することを特徴としている。また、本発明の微
小探針の製造方法においては、その第1基板が単結晶シ
リコン基板であり、結晶軸異方性エッチングにより基板
表面に凹部を形成することを特徴としている。また、本
発明の微小探針の製造方法においては、その接合層が金
属であることを特徴としている。また、本発明のプロー
ブは、エバネッセント波検出用の微小探針を備えたプロ
ーブであって、一端が基板に固定された薄膜カンチレバ
ーの自由端に、光導電材料からなる微小探針の両端が、
薄膜カンチレバー上に形成された電極を介して接続され
ていることを特徴としている。また、本発明のプローブ
においては、その電極が微小探針を接合するための金属
からなる接合層であることを特徴としている。また、本
発明のプローブの製造方法は、エバネッセント波検出用
の微小探針と薄膜カンチレバーからなるプローブの製造
方法であって、(a)第1基板の表面に凹部を形成する
工程と、(b)前記第1基板の凹部を含む基板上に、剥
離層を形成する工程と、(c)前記第1基板における凹
部を含む剥離層上に、光導電材料からなる光導電材料層
を被覆する工程と、(d)第2基板に薄膜カンチレバー
を形成する工程と、(e)前記薄膜カンチレバー先端上
に接合層を形成する工程と、(f)前記第1基板におけ
る凹部を含む剥離層上の光導電材料層を、前記薄膜カン
チレバー先端上の接合層に接合する工程と、(g)前記
剥離層と光導電材料層、あるいは前記剥離層と第1基板
の界面で剥離を行い、前記薄膜カンチレバー先端の接合
層上に光導電材料層を転写する工程と、(h)前記薄膜
カンチレバーの一端が第2基板に固定される様に薄膜カ
ンチレバー下部の第2基板の一部を除去する工程と、を
少なくとも有することを特徴としている。また、本発明
は、上記した本発明のエバネッセント波検出用の微小探
針を用い、該微小探針に電圧を印加する電圧印加手段
と、光電流を検出する電流検出手段とを備えたエバネッ
セント波検出装置を構成し、または前記光照射手段によ
り試料に発生させたエバネッセント波を、前記微小探針
と電圧印加手段にて光電流に変換し、電流検出手段によ
り検出し、試料表面の光学的情報を得る近視野走査光学
顕微鏡を構成し、または光照射手段により記録媒体に発
生させたエバネッセント波を、前記微小探針と電圧印加
手段にて光電流に変換し、電流検出手段により検出し、
信号処理回路により記録情報として再生する情報再生装
置を構成したことを特徴としている。
針を光導電材料により形成することにより、微小探針を
光検出部として構成することができ、それによってSN
比を向上させ、優れた分解能を達成することが可能とな
る。また、第1基板上の剥離層に形成された光導電材料
層を第2基板上の接合層へ転写することにより微小探針
を形成することができるから、第1基板を後工程でエッ
チング除去することなく、上記接合及び転写工程で、極
めて容易に、かつ正確に微小探針部を形成し、生産性を
向上させることができる。さらに、転写工程の後に光導
電材料層、または剥離層と光導電材料層を新たに形成す
ることにより、雌型となる第1基板は繰り返し使用でき
るため、製造コストの低減を図ることができ、同一の雌
型を用いることにより微小探針の形状再現性が保てる。
ここで、好ましくは、第1基板は単結晶シリコン基板で
あり、結晶軸による異方性エッチングにより(111)
の結晶面からなる凹部を形成することである。結晶軸異
方性エッチングにより凹部を形成した単結晶基板上に微
小探針材料を形成することにより微小探針の雌型となる
凹部は先端が鋭利で、また同一基板上に複数形成した場
合には形状の揃ったものとなり、その結果得られる微小
探針は特性の揃ったものとなる。また、第1基板にシリ
コンを用いることにより、凹部表面を熱酸化し二酸化シ
リコン膜(SiO2)を形成して、探針先端の曲率半径
をより小さくすることができる。これは、シリコンの形
状により熱酸化した時の二酸化シリコン膜の厚みに差が
生じることを利用しており、熱酸化した二酸化シリコン
膜の厚さを制御することにより、探針の曲率半径を制御
することが可能である。
基板から剥離しやすい材料を選択する必要がある。すな
わち、剥離層の材料は光導電材料または第1基板との反
応性・密着性が小さいことが必要である。このような材
料としては、光導電材料または第1基板との組み合わせ
により好適な材料を選択すればよく、金属、半導体、絶
縁体等の様々な材料が選択される。例えば、光導電材料
として非晶質無機半導体を用い剥離層と光導電材料層と
の間で剥離する場合、剥離層としては反応性・密着性が
小さい貴金属が好ましく、Pt、及びその合金材料を用
いることが可能である。また、第1基板としてシリコン
を用いて、第1基板と剥離層の間で剥離する場合には、
剥離層としてAgを用いることが可能である。但し、A
gは光反射率が高く、エバネッセント波がAg剥離層を
通じて光導電材料層に侵入することができない為、第1
基板から剥離層を剥離した後に光導電材料層上の剥離層
を除去する必要がある。剥離層は第1基板上の凹部に形
成するため、剥離層の厚みにより凹部の形状が著しく変
化しないように、剥離層は薄膜形成方法を用いて形成さ
れる。薄膜形成方法としては、膜厚再現性の高い抵抗加
熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、CVD法、スパッタリン
グ法等の真空蒸着法を用いるとよい。
ずに、入射光を吸収し膜中で電荷を生成できる材料であ
り、電圧印加手段により光導電材料の両端に電圧を印加
し前記電荷を電流検出手段により光電流として取り出す
ことができる。すなはち、本発明は光導電材料の光導電
特性を利用し、探針により散乱された試料表面に生じる
エバネッセント波を光導電材料層が吸収し、該光導電材
料層に電圧を印加することにより光電流に変換して検出
するものである。光導電材料としては、第1基板上に設
けた微細な凹部に形成するため、薄膜作製技術により作
製可能な材料が好ましい。アモルファスシリコン、アモ
ルファスカルコゲナイド等の非晶質無機半導体は低温に
て作製が可能であり、且つ作製方法が容易な点で好まし
い。また、有機光導電体材料は前記非晶質無機半導体に
比べて、量産性、コスト及び安全性に優れており好まし
い。
に形成されるが、光電流を取り出すために設けた電極を
接合層として用いることができる様、金属材料からなる
ことが好ましく、これにより、製造工程が簡略化でき
る。光導電材料層と接合層との結合は、好ましくは、光
導電材料層と接合層との直接的結合であり、例えば、ア
モルファスシリコンを光導電材料層として用いる場合に
は、接合層はシリサイドを形成可能な材料により選択さ
れる。有機材料等の通常は金属と反応を行うことが困難
な材料を光導電材料層として用いる場合、光導電材料層
の接合層と接する面に接合層と金属接合が可能な金属層
を形成することにより、該金属層を介して光導電材料層
と接合層を接合することが可能である。なお、接合層、
光電流を取り出し用電極の形成方法としては、従来公知
の技術たとえば真空蒸着法やスパッタ法、化学気相成
長、鍍金法、薄膜塗布法等の薄膜作製技術を用い、さら
にフォトリソグラフィプロセス、及びエッチングを適用
することで所望の形状にパターニングする。
ンチレバーとなる層をあらかじめ形成しておき、該薄膜
カンチレバーの先端上にパターニングされた接合層を設
け、剥離層上の光導電材料層を接合層に接合、転写した
後に、薄膜カンチレバーの一端が第2基板に固定される
ように薄膜カンチレバー下部の第2基板の一部を除去す
ることにより、微小探針を自由端に有するカンチレバー
型のプローブを作製することが可能である。微小探針は
第1基板上に形成した凹部の表面形状を忠実に再現し、
光導電材料と接合層との間に空隙が形成される。これに
より、薄膜カンチレバー等の自由端に微小探針を設ける
場合、軽量化されており、探針付きのカンチレバーの共
振周波数の低下を抑えることができる。
る。 [実施例1]図1(a)は本発明の微小探針からなるエ
バネッセント波検出装置の斜視図であり、図1(b)は
それを用いた近視野走査光学顕微鏡である。微小探針は
図に示すように4面で囲まれたピラミッド形状をした光
導電材料層からなる。本発明のエバネッセント波検出装
置は、第2基板12と、光導電材料からなる微小探針2
0と、該微小探針下部の両端に形成された電極10、1
1と、電極10と電極11に電圧を印加するバイアス印
加用電源14と、微小探針にて吸収したエバネッセント
波を光電流に変換し、前記光電流を検出する電流検出器
15からなる。図1(b)に示す前記エバネッセント波
検出装置を用いた近視野走査光学顕微鏡は、試料台であ
るプリズム153と、プリズムに取付けた試料144を
裏面から全反射が起こるように入射する光源であるNS
OM用レーザー光150と、駆動手段であるXYZ軸駆
動ピエゾ素子145と、該XYZ軸駆動ピエゾ素子によ
って試料上をXY平面走査するエバネッセント波検出装
置と(図1(a))、駆動手段の駆動制御を行うXYZ
駆動用ドライバー157及び電流検出器の信号を処理し
表示装置156に表示させる信号処理回路155からな
る。本発明の近視野走査光学顕微鏡では、従来必要とし
たフォトマルチプライヤ等の光電変換装置がいらず、シ
ステム構成を簡略化できる。
針の製造方法の工程を示す断面図である。図2(a)に
おいて、酸化ガスにより熱酸化して形成した二酸化シリ
コン膜からなる保護層2が形成された結晶方位面が<1
00>のシリコンウエハを第1基板1として用意する。
フオトリソグラフィプロセスにより形成したフォトレジ
ストをマスクとして、該保護層2の所望の箇所をHF水
溶液によりエッチングし、3μm平方のシリコンを露出
させた。保護層2は第1基板1を結晶軸異方性エッチン
グし、微小探針の雌型となる凹部を形成する時の保護層
であり、結晶軸異方性エッチング液に対してエッチング
耐性を持つ。フォトレジストを剥離した後に第1基板を
濃度27%の水酸化カリウム(KOH)水溶液にて液温
度80℃で結晶軸異方性エッチングし、(111)の結
晶面からなる逆ピラミッド状の凹部3を形成した。次に
保護層2をHF水溶液によりエッチング除去した後に、
凹部3を含む第1基板上にTiとPtをTi、Pt夫々
のターゲットを用いてスパッタ法により全面に夫々50
Åと700Å成膜し、剥離層4を形成した(図2
(b))。次に図2(c)に示すように、微小探針材料
となるアモルファスシリコンをシランガスを用いてプラ
ズマCVD(Chemical Vapour Dep
osition)法により、全面に1μm成膜し光導電
薄膜5を形成した。次に、レジストを塗布し、露光、現
像するフォトリソグラフィプロセスによりレジストをパ
ターニングし、該フオトレジストをマスクとして光導電
薄膜5をCF4ガスを用いた反応性イオンエッチングに
よりエッチングし、フォトレジストを除去し図2(d)
に示すようにパターニングされた光導電材料層7を形成
した。
ス(商品名#7059 Corning)を用意し、該
第2基板上にCr50ÅとAu1000Åを電子ビーム
蒸着法により順次連続して薄膜堆積し、前記Cr及びA
uをフォトリソグラフィプロセスとエッチングによりパ
ターニングし、電極10、11を形成した(図2
(e))。ここで、電極は、前記微小探針を基板に接合
する為の接合層の役割をしている。続いて第1基板1上
の光導電材料層7と接合層として用いた電極10、11
とを位置合わせし、当接した(図2(f))。さらに、
当接したまま、温度100℃で1時間放置した。第1基
板と第2基板を加熱しつつ、圧力を加えて圧着すること
により、光導電材料層7と電極10、11の界面でAu
とシリコンの合金層が形成されシリサイドが形成され接
合し、剥離層と光導電材料層との界面から引き剥がし、
微小探針20を形成した(図2(g))。Ptに比べて
Auはシリコンとの反応性が高く、第1基板と第2基板
を当接後引き離すと、Ptとアモルファスシリコンの界
面で剥離することが可能である。本発明では第2基板と
してガラスを用いた。このことにより、接合時の位置あ
わせが極めて容易となった。
(走査型電子顕微鏡)で観察したところ、先端はシリコ
ンの結晶軸異方性エッチングにてできた逆ピラミッドの
形状を写された形状(replicated shap
e)を有し、先端が鋭利に形成されている微小探針であ
る事を確認し、その微小探針の先端曲率半径は0.03
μmであった。また、このようにして作製された微小探
針は第2基板との間に空隙を有している。本実施例の微
小探針20を用いた図1(b)に示す近視野走査光学顕
微鏡により、試料144としてポリカーボネイト(Po
lycarbonate)のコンパクトディスクを用
い、NSOM像の観察を行った。NSOM用レーザー光
150にはHeNeレーザーを用いた。この装置によ
り、コンパクトディスクのピット及びグレーティングを
観察することが可能であり、再現性良く良好なNSOM
像を得ることができた。その時の分解能は40nm以下
であった。
の実施例2を以下に示す。図3はカルコゲナイドガラス
であるSeからなる微小探針の製造方法の工程を示す断
面図である。第1基板に凹部を形成する工程は図2
(a)と同様の方法を用いて作製した。第1基板とし
て、酸化ガスにより熱酸化して形成した二酸化シリコン
膜からなる保護層が形成された結晶方位面が<100>
のシリコンウエハを第1基板21として用意する。フォ
トリソグラフィプロセスにより形成したフォトレジスト
をマスクとして、前記二酸化シリコン膜の所望の箇所を
HF水溶液によりエッチングし、3μm平方のシリコン
を露出させた。フォトレジストを剥離した後に第1基板
を濃度27%の水酸化カリウム(KOH)水溶液にて液
温度80℃で結晶軸異方性エッチングし、(111)の
結晶面からなる逆ピラミッド状の凹部23を形成した。
次に二酸化シリコン膜をHF水溶液によりエッチング除
去した後に、凹部23を含む第1基板21上にAgを抵
抗加熱蒸着法により全面に700Å成膜し、剥離層24
を形成した(図3(a))。
ント波の受光部となるカルコゲナイドガラスのSeを抵
抗加熱蒸着法により1μm成膜し光導電薄膜25を形成
し、続いてこの表面にCr50ÅとAu1000Åを電
子ビーム蒸着法により順次連続して薄膜堆積し金属薄膜
26を形成した。金属薄膜はSeと後の工程で行う接合
層として用いるAu電極との接合の為に新たに導入し
た。SeとAu電極とを接合するに際し、界面での合金
形成を行う必要があるが、Seの結晶となる温度が低
く、接合のために熱処理を施すと結晶化し光導電性が低
下してしまう。金属層を導入することにより、Seと電
極との接合を金属層を介して低温にて行うことができ
る。次に、レジストを塗布し、露光、現像するフォトリ
ソグラフィプロセスによりレジストをパターニングし、
該フォトレジストをマスクとして金属薄膜25をArイ
オンによりイオンミーリング(Ion Millin
g)し、フォトレジストを除去し金属層28を形成し
た。同様にフォトリソグラフィプロセスとイオンミーリ
ングを用いて光導電薄膜25をパターニングし光導電材
料層27を形成した(図3(c))。金属層28は光導
電材料層の凹部先端近傍にパターン形成した。図3
(c)にその上面概略図を示す。金属層は後工程にて電
極と電気的接続を取るため、凹部先端近傍にパターン形
成したことにより、光導電材料層へ印加する電圧を低く
出来ると共に、エバネッセント波を吸収し生成した電荷
の光導電材料層中での移動距離を短くすることができ検
出速度を向上できる。本発明の微小探針は、裏面に凹部
となる空隙を有するため、裏面の凹部先端近傍に電極を
配置することが可能となっている。
0、31が形成された第2基板32を用意し、図3
(c)に示した光導電材料層上の金属層と電極を当接し
た(図3(d))。当接の際に第1基板と第2基板の裏
面より圧力を加え圧着することにより、金属層と電極と
の界面でAu−Auの金属結合が形成され接合し、第1
基板と第2基板を当接後に離すことにより、Ag剥離層
24とシリコン第1基板との界面から剥離し、図3
(e)に示す剥離層24を有する光導電材料層と金属層
からなる微小探針40を電極上に転写できた。なお、電
極30、31は微小探針下部の両端に接続されている。
さらに、剥離層のみを、Arイオンによりイオンミーリ
ングし光導電材料層を表出させることにより(図3
(f))、空隙33を有するエバネッセント波検出用の
微小探針を形成することができた。
EM(走査型電子顕微鏡)で観察したところ、先端が鋭
利に形成されているSeからなる微小探針である事を確
認し、その微小探針の先端曲率半径は0.04μm以下
であった。本実施例の微小探針40を図1(b)に示す
近視野走査光学顕微鏡に取付け、実施例1と同様にコン
パクトディスクのSNOM像の観察を行ったところ良好
なSNOM像を得ることができた。次に、剥離層と光導
電材料層が転写剥離された後の雌型基板である第1基板
上に、再度、Ag剥離層を成膜した後に、図3(b)か
ら(f)の工程を行い電極を設けた他の第2基板上に微
小探針を形成することができた。この微小探針の先端曲
率半径は0.04μm以下となり、再利用前に形成した
微小探針の先端曲率半径と同様であった。これにより、
微小探針の雌型となる第1基板を再利用可能であること
が分かった。また、各ロット間での微小探針の先端曲率
半径のバラツキがないことが分かった。
の実施例3を以下に示す。図4は有機光導電体材料であ
る銅フタロシアニン(以下「CuPc」と記す)からな
る微小探針の製造方法の工程を示す断面図である。第1
基板に凹部を形成する工程は図2(a)と同様の方法を
用いて作製した。第1基板として、酸化ガスにより熱酸
化して形成した二酸化シリコン膜からなる保護層42が
形成された結晶方位面が<100>のシリコンウエハを
第1基板41として用意する。フォトリソグラフィプロ
セスにより形成したフォトレジストをマスクとして、前
記保護層42の所望の箇所をHF水溶液によりエッチン
グし、3μm平方のシリコンを露出させた。フォトレジ
ストを剥離した後に第1基板を濃度27%の水酸化カリ
ウム(KOH)水溶液にて液温度80℃で結晶軸異方性
エッチングし、(111)の結晶面からなる逆ピラミッ
ド状の凹部43を形成した。
ング除去した後に、凹部43を含むシリコン基板を酸化
ガスを用いた熱酸化工程により5000Åの二酸化シリ
コン膜からなる剥離層44を形成した(図4(b))。
第1基板の凹部を含む表面を熱酸化し二酸化シリコン膜
を形成することで、微小探針を形成するための雌型の探
針先端の曲率半径をより小さくすることができる。これ
は、シリコンの形状により熱酸化した時の二酸化シリコ
ン膜の厚みに差が生じることを利用しており、熱酸化し
た二酸化シリコン膜の厚さを制御することにより、探針
の曲率半径を制御することを可能にする。次に図4
(c)に示すように、エバネッセント波の受光部となる
CuPcを抵抗加熱蒸着法により1μm成膜し光導電薄
膜45を形成し、続いてこの表面にCr50ÅとAu1
000Åを真空蒸着法により順次連続して薄膜堆積し金
属薄膜46を形成した。金属薄膜は後の工程にて電極と
の接合の為に、実施例2と同様に導入した。次に、レジ
ストを塗布し、露光、現像するフォトリソグラフィプロ
セスによりレジストをパターニングし、該フォトレジス
トをマスクとして金属薄膜45を光導電材料層のパター
ン形状にArイオンによりイオンミーリング(Ion
Milling)し、次に酸素ガスを用いた反応性イオ
ンエッチングにより光導電薄膜をエッチングし光導電材
料層47を形成すると共に、金属薄膜上のフォトレジス
トを除去した。同様にフォトリソグラフィプロセスとイ
オンミーリングを用いて光導電材料層47上の金属薄膜
をパターニングし金属層48を形成した(図4
(d))。金属層48は、実施例2と同様、光導電材料
層の凹部先端近傍にパターン形成した。これにより、光
導電材料層ヘ印加する電圧を低く出来ると共に、エバネ
ッセント波を吸収し生成した電荷の光導電材料層中での
移動距離を短くすることができ検出速度を向上できる。
を用意し、上記基板上にスパッタ法により、TiとPt
を夫々のターゲットを用いて、50Åと1000Å成膜
し、フォトリソグラフィプロセスとArプラズマイオン
を用いたエッチングにより、接合層として用いる電極5
0、51を形成した。前記第2基板と図4(d)に示し
た第1基板とを、光導電材料層47上の金属層48と電
極50、51を当接した(図4(e))。当接の際に第
1基板と第2基板の裏面より圧力を加え圧着することに
より、金属層と電極との界面でAu−Ptの金属結合が
形成され接合し、第1基板と第2基板を当接後に離すこ
とにより、二酸化シリコン剥離層44と光導電材料層4
7との界面から剥離し、図4(f)に示す光導電材料層
と金属層からなる微小探針60を電極50、51上に転
写でき、空隙53を有するエバネッセント波検出用の微
小探針を形成することができた。なお、電極50、51
は微小探針下部の両端に接続されている。上述した方法
により作製した微小探針をSEM(走査型電子顕微鏡)
で観察したところ、先端が鋭利に形成されているCuP
cからなる微小探針である事を確認し、その微小探針の
先端曲率半径は0.03μm以下であった。本実施例の
微小探針40を図1(b)に示す近視野走査光学顕微鏡
に取付け、第1英施例と同様にコンパクトディスクのN
SOM像の観察を行ったところ良好なNSOM像を得る
ことができた。
ファスシリコンからなる光導電材料層からなる微小探針
を薄膜カンチレバー上に設けたエバネッセント波検出用
のプローブの製造方法を説明する。作製したプローブの
上面図を図5(a)に、側面図を図5(b)に示す。8
1は薄膜カンチレバーであり、70、71は接合層とし
て用いた光電流を取り出すための電極、80は光導電材
料からなる微小探針、83は二酸化シリコン膜、82は
シリコンウエハを裏面からエッチングする際にマスクと
して用いた窒化シリコン膜、84はシリコンウエハをエ
ッチングして形成した薄膜カンチレバーの一端を固定支
持するシリコンブロックである。電極70、71は微小
探針下部の両端に接続されている。
説明する。剥離層上に光導電材料層を形成するまでの工
程は図2(a)から図2(d)と同様の工程により作製
し、PtTi剥離層に微小探針となるlμmのアモルフ
ァスシリコンを成膜し光導電材料層を形成した。次に第
2基板72としてシリコンウエハを用意し、二酸化シリ
コン膜83を0.5μm形成し、次に薄膜カンチレバー
81及び後工程にて第2基板72を裏面から結晶軸異方
性エッチングする際のマスクとなる窒化シリコン膜を低
圧CVD(Low Pressure Chemica
l Vapour Deposition)にて0.5
μm形成した。第2基板上面の窒化シリコン膜をフォト
リソグラフィプロセスによりフォトレジストのカンチレ
バーパターンを形成した後にCF4を用いた反応性イオ
ンエッチングにより図5(a)に示す薄膜カンチレバー
状にパターニングした。さらに第2基板の薄膜カンチレ
バー81が形成された場所の裏面の窒化シリコン膜82
及び二酸化シリコン膜83の一部をフォトリソグラフィ
プロセスと反応性イオンエッチングにより図5(a)に
示すようにパターニングした。次に、薄膜カンチレバー
81上にCr50ÅとAu1000Åを電子ビーム蒸着
法により順次連続して薄膜堆積し、該薄膜をフォトリソ
グラフィプロセスとエッチングによりパターニングし、
図5(a)に示す電極70、71を形成した(図6
(a))。続いて第1基板61の剥離層64上の光導電
材料層67と第2基板72上の電極70、71とを位置
合わせし、接合を行った(図6(b))。接合は第1基
板61と第2基板72の裏面に圧力を加えて圧着する方
法を用い、当接したまま、温度100℃で1時間放置し
た。これによりAuとの結合がなされ、探針材料層67
と電極71、71が接合し、第1基板と第2基板を当接
後に離すことにより剥離層上の光導電材料層が電極上に
転写され、微小探針80が形成できた(図6(c))。
次に、水酸化カリウム水溶液を用いた結晶軸異方性エッ
チングにより第2基板の裏面側からシリコンをエッチン
グし、さらに裏面側から二酸化シリコン膜をHF水溶液
にて除去した。このようにして微小探針80を薄膜カン
チレバーの自由端の電極上に有し、該薄膜カンチレバー
の一端がシリコンブロック84に固定されたプローブを
形成できた(図6(d))。本発明の製造方法により作
製したエバネッセント波検出用のプローブは、AFM用
のプローブとして用いることが可能であり、変位測定の
為のレーザーの反射を薄膜カンチレバーの先端に設けた
電極の裏面にて行う事ができ、反射膜の代用となる。
像とNSOM像を同時観察できる近視野走査光学顕微鏡
を作製した。AFM像は光てこ方式により観察する。本
装置のブロック図を図7に示す。本装置の近視野走査光
学顕微鏡の部分は、図1(b)と略同様の構成を取り、
プリズム173と、プリズムに取付けた試料164に裏
面から全反射が起こるように入射する光源であるNSO
M用レーザー光170と、プローブ上の微小探針の両端
の電極70、71に電圧を印加する電圧印加回路169
と、エバネッセント波171にて発生する光電流を検出
する電流検出回路168と、プローブを走査させるXY
Z軸駆動ピエゾ素子165とその駆動制御を行うXYZ
駆動用ドライバー167とからなる。AFM用にプロー
ブ上部に、薄膜カンチレバーの変位を計測する為の、プ
ローブと、レーザー光161と、薄膜カンチレバー自由
端の接合層裏面にレーザー光を集光するためのレンズ1
62と、薄膜カンチレバーのたわみ変位による光の反射
角の変化を検出するポジションセンサ163と、ポジシ
ョンセンサからの信号により変位検出を行う変位検出回
路166とを取付けてある。信号処理回路175は、X
YZ駆動用ドライバーと、変位検出回路の信号及び電流
検出回路168の信号を用いてAFM像及びNSOM像
を表示装置176に表示させる。本発明の近視野走査光
学顕微鏡では、従来必要としたフォトマルチプライヤ等
の光電変換装置がいらず、システム構成を簡略化でき、
前記光電変換装置が要していた領域にAFM像観察のた
めの光学系及び変位検出回路を配置できた。NSOM用
レーザー光170にはHeNeレーザーを用いた。
なる試料164にプローブを接近させた後に、XYZ軸
駆動ピエゾ素子のXY方向を駆動することにより試料表
面のNSOM及びAFMの同時観察を行った。この結
果、プローブの変位を検出しピット及びグレーティング
のAFM像を得る事ができ、同時に分解能が40nm以
下の良好なNSOM像を得ることができた。また、試料
であるコンパクトディスクのビットを検出できたことに
より、検出したビットデータをNSOM画像データでな
く、信号処理回路にてデコーディングし記録情報として
再生することにより情報再生装置として用いることがで
きた。
なる微小探針により光検出部を構成することによって、
SN比が向上した、分解能の優れたエバネッセント波検
出用の微小探針とその製造方法、並びに、該微小探針を
備えたプローブとその製造方法を提供することができ
る。また、本発明の微小探針の製造方法によると、微小
探針として再現性が良く均一な形状が得られ、且つ先端
の鋭利な優れた特性を示すエバネッセント波検出用の微
小探針を製造することができ、また、凹部を形成した第
1基板を微小探針の雌型として繰り返し使用できるた
め、生産性の向上と製造コストの低減を図ることができ
る。また、本発明のこのような微小探針を用いることに
より、システムの簡略化したエバネッセント波検出装
置、近視野走査光学顕微鏡、情報再生装置を構成するこ
とができ、特に、近視野走査光学顕微鏡では、従来のフ
ォトマルチプライヤ等の光電変換装置が不要となり、こ
のような光電変換装置が要していた領域にAFM像観察
のための光学系及び変位検出回路を形成することがで
き、NSOM及びAFMの同時観察を行うことが可能と
なる。
置を説明する斜視図であり、図1(b)は本発明の近視
野走査光学顕微鏡を説明するブロック図である。
の作製工程を示す断面図である。
の作製工程を示す断面図である。
の作製工程を示す断面図である。
プローブを説明する上面図、図5(b)は側面図であ
る。
の作製工程を示す断面図である。
視野走査光学顕微鏡を説明するブロック図である。
断面図である。
極 12、32、52、72:第2基板 13、33、53、73:空隙 14:バイアス印加用電源 15:電流検出器 20、40、60、80:微小探針 26、46:金属薄膜 28、48:金属層 81:薄膜カンチレバー 82:窒化シリコン膜 83:二酸化シリコン膜 84:シリコンブロック 144、164:試料 145、165:XYZ軸駆動ピエゾ素子 150、170:NSOM用レーザー光 151、171:エバネッセント波 153、173:プリズム 155、175:信号処理回路 156、176:表示装置 157、167:XYZ駆動用ドライバー 161:レーザー光 162:レンズ 163:ポジションセンサ 166:変位検出回路 510、512:二酸化シリコン 514:シリコンウエハ 518:ピット 520、521:窒化シリコン層 522:ピラミッド状ピット 530:ガラス板 532:Cr層 534:ソウカット 540:マウンティングブロック 542:金属膜 543:磁性体層 600:シリコン基坂 601:p層 602:n層 603:p−n接合 604:二酸化シリコン膜 605:メタル配線 606:エッチストップ層
Claims (18)
- 【請求項1】エバネッセント波検出用の微小探針であっ
て、該微小探針は光導電材料からなり、該微小探針の両
端が基板上に形成された電極を介して該基板に接続され
ていることを特徴とするエバネッセント波検出用の微小
探針。 - 【請求項2】前記光導電材料が非晶質半導体材料からな
ることを特徴とする請求項1に記載の微小探針。 - 【請求項3】前記非晶質半導体材料がアモルファスシリ
コン材料またはアモルファスカルコゲナイド材料からな
ることを特徴とする請求項2に記載の微小探針。 - 【請求項4】前記光導電材料が有機光導電体材料からな
ることを特徴とする請求項1に記載の微小探針。 - 【請求項5】前記微小探針が、ピラミッド形状であり、
基板との間に空隙を有することを特徴とする請求項1〜
請求項4のいずれか1項に記載の微小探針。 - 【請求項6】エバネッセント波検出用の微小探針の製造
方法であって、一方の基板である第1基板の剥離層上に
光導電材料からなる光導電材料層を形成し、他方の基板
である第2基板上に形成された接合層へ、前記剥離層上
の光導電材料層を転写することにより微小探針を製造す
ることを特徴とするエバネッセント波検出用の微小探針
の製造方法。 - 【請求項7】前記エバネッセント波検出用の微小探針の
製造方法は、(a)第1基板の表面に凹部を形成する工
程と、(b)前記第1基板の凹部を含む基板上に、剥離
層を形成する工程と、(c)前記第1基板における凹部
を含む剥離層上に、光導電材料からなる光導電材料層を
被覆する工程と、(d)第2基板に接合層を形成する工
程と、(e)前記第1基板における凹部を含む剥離層上
の光導電材料層を、前記第2基板上の接合層に接合する
工程と、(f)前記剥離層と光導電材料層、あるいは前
記剥離層と第1基板の界面で剥離を行い、前記第2基板
の接合層上に光導電材料層を転写する工程と、を少なく
とも有することを特徴とする請求項6に記載の微小探針
の製造方法。 - 【請求項8】前記光導電材料が非晶質半導体材料からな
ることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の微
小探針の製造方法。 - 【請求項9】前記非晶質半導体材料がアモルファスシリ
コン材料またはアモルファスカルコゲナイド材料からな
ることを特徴とする請求項8に記載の微小探針の製造方
法。 - 【請求項10】前記光導電材料が有機半導体材料からな
ることを特徴とする請求項6または請求項7に記載の微
小探針の製造方法。 - 【請求項11】前記第1基板が、単結晶シリコン基板で
あり、結晶軸異方性エッチングにより基板表面に凹部を
形成することを特徴とする請求項7に記載の微小探針の
製造方法。 - 【請求項12】前記接合層が金属であることを特徴とす
る請求項6〜請求項11のいずれか1項に記載の微小探
針の製造方法。 - 【請求項13】エバネッセント波検出用の微小探針を備
えたプローブであって、一端が基板に固定された薄膜カ
ンチレバーの自由端に、光導電材料からなる微小探針の
両端が、薄膜カンチレバー上に形成された電極を介して
接続されていることを特徴とするエバネッセント波検出
用のプローブ。 - 【請求項14】前記電極が、前記微小探針を接合するた
めの金属からなる接合層であることを特徴とする請求項
13に記載のエバネッセント波検出用のプローブ。 - 【請求項15】エバネッセント波検出用の微小探針と薄
膜カンチレバーからなるプローブの製造方法であって、
(a)第1基板の表面に凹部を形成する工程と、(b)
前記第1基板の凹部を含む基板上に、剥離層を形成する
工程と、(c)前記第1基板における凹部を含む剥離層
上に、光導電材料からなる光導電材料層を被覆する工程
と、(d)第2基板に薄膜カンチレバーを形成する工程
と、(e)前記薄膜カンチレバー先端上に接合層を形成
する工程と、(f)前記第1基板における凹部を含む剥
離層上の光導電材料層を、前記薄膜カンチレバー先端上
の接合層に接合する工程と、(g)前記剥離層と光導電
材料層、あるいは前記剥離層と第1基板の界面で剥離を
行い、前記薄膜カンチレバー先端の接合層上に光導電材
料層を転写する工程と、(h)前記薄膜カンチレバーの
一端が、前記第2基板に固定される様に薄膜カンチレバ
ー下部の該第2基板の一部を除去する工程と、を少なく
とも有することを特徴とするプローブの製造方法。 - 【請求項16】微小探針と、該微小探針に電圧を印加す
る電圧印加手段と、光電流を検出する電流検出手段とを
備えたエバネッセント波検出装置であって、前記微小探
針を請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の微小探
針によって構成したことを特徴とするエバネッセント波
検出装置。 - 【請求項17】微小探針と、該微小探針に電圧を印加す
る電圧印加手段と、光電流を検出する電流検出手段と、
該探針を走査する駆動手段及びその駆動制御手段と、試
料に光を照射する光照射手段と、試料を保持する試料台
とからなり、前記光照射手段により試料に発生させたエ
バネッセント波を、前記微小探針と電圧印加手段にて光
電流に変換し、電流検出手段により検出し、試料表面の
光学的情報を得る近視野走査光学顕微鏡であって、前記
微小探針を請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の
微小探針によって構成したことを特徴とする近視野走査
光学顕微鏡。 - 【請求項18】記録媒体と、微小探針と、前記微小探針
に電圧を印加する電圧印加手段と、前記微小探針の光電
流を検出する電流検出手段と、前記記録媒体に光を照射
する光照射手段と、信号処理回路からなり、光照射手段
により記録媒体に発生させたエバネッセント波を、前記
微小探針と電圧印加手段にて光電流に変換し、電流検出
手段により検出し、信号処理回路により記録情報として
再生する情報再生装置であって、前記微小探針を請求項
1〜請求項4のいずれか1項に記載の微小探針によって
構成したことを特徴とする情報再生装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP01582397A JP3639684B2 (ja) | 1997-01-13 | 1997-01-13 | エバネッセント波検出用の微小探針とその製造方法、及び該微小探針を備えたプローブとその製造方法、並びに該微小探針を備えたエバネッセント波検出装置、近視野走査光学顕微鏡、情報再生装置 |
US09/005,016 US6211532B1 (en) | 1997-01-13 | 1998-01-09 | Microprobe chip for detecting evanescent waves probe provided with the microprobe chip and evanescent wave detector, nearfield scanning optical microscope, and information regenerator provided with the microprobe chip |
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