JPH1123586A - Probe for detecting microforce or microcurrent and manufacture thereof - Google Patents
Probe for detecting microforce or microcurrent and manufacture thereofInfo
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- JPH1123586A JPH1123586A JP19185197A JP19185197A JPH1123586A JP H1123586 A JPH1123586 A JP H1123586A JP 19185197 A JP19185197 A JP 19185197A JP 19185197 A JP19185197 A JP 19185197A JP H1123586 A JPH1123586 A JP H1123586A
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、微小力または微小
電流検出用のプローブ及びその製造方法に関し、特に、
走査型トンネル電流顕微鏡、あるいは微小な力を検出す
る原子間力顕微鏡等に用いられる探針を有するプローブ
とその製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a probe for detecting a small force or a small current and a method for manufacturing the same.
The present invention relates to a probe having a probe used in a scanning tunneling current microscope or an atomic force microscope for detecting a minute force, and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】近年において、導体の表面原子の電子構
造を直接観察できる走査型トンネル顕微鏡（以下、ＳＴ
Ｍと略す）が開発され（Ｇ．Ｂｉｎｎｉｇ ｅｔ ａ
ｌ．，Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ，４９，５７（１９
８２））、単結晶、非晶質を問わず実空間像を高い分解
能をもって測定することができるようになった。しかも
試料に電流による損傷を与えずに低電力で観測できる利
点も有し、更に大気中でも動作し、種々の材料に対して
用いることができるので、今後広範囲な応用が期待され
ている。かかるＳＴＭは金属の探針と導電性物質間に電
圧を加えて１ｎｍ程度の距離まで近づけるとトンネル電
流が流れることを利用している。この電流は両者の距離
変化に非常に敏感であり、かつ指数関数的に変化するの
で、トンネル電流を一定に保つように探針を走査するこ
とにより実空間の表面構造を原子オーダーの分解能で観
察することができる。このＳＴＭを用いた解析の対象物
は導電性材料に限られていたが、導電性材料の表面に薄
く形成された絶縁層の構造解析にも応用され始めてい
る。更に、上述の装置、手段は微小電流を検知する方法
を用いているため、媒体に損傷を与えず、かつ低電力で
観測できる利点をも有する。また、大気中での作動も可
能であるため、ＳＴＭの手法を用いて、半導体あるいは
高分子材料等の原子オーダー、分子オーダーの観察評
価、微細加工（Ｅ．Ｅ．Ｅｈｒｉｃｈｓ，Ｐｒｏｃｅｅ
ｄｉｎｇｓ ｏｆ ４ｔｈ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａ
ｌ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｃａｎｎｉｎｇ
ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ／Ｓｐｅｃ
ｔｒｏｓｃｏｐｙ，“８９，Ｓ１３−３）、及び情報記
録再生装置等のさまざまな分野への応用が研究されてい
る。2. Description of the Related Art In recent years, a scanning tunneling microscope (hereinafter referred to as ST) capable of directly observing the electronic structure of surface atoms of a conductor.
M) (G. Binnig et a).
l. Phys. Rev .. Lett, 49, 57 (19
82)), real space images can be measured with high resolution irrespective of single crystal or amorphous. In addition, it has the advantage that it can be observed at low power without damaging the sample due to electric current, and since it can operate in the atmosphere and can be used for various materials, its widespread application is expected in the future. Such an STM utilizes the fact that a tunnel current flows when a voltage is applied between a metal probe and a conductive material to approach a distance of about 1 nm. Since this current is very sensitive to changes in the distance between the two and changes exponentially, the surface structure in real space can be observed with atomic-order resolution by scanning the tip to keep the tunnel current constant. can do. The object of analysis using this STM has been limited to conductive materials, but has also begun to be applied to structural analysis of an insulating layer formed thin on the surface of the conductive material. Further, since the above-described apparatus and means use a method for detecting a small current, there is an advantage that the medium can be observed without damaging the medium and with low power. In addition, since operation in the atmosphere is also possible, observation and evaluation of atomic order and molecular order of semiconductors or polymer materials, and fine processing (EE Ehrichs, Processe) using the STM method are possible.
dings of 4th Internationala
l Conference on Scanning
Tunneling Microscopy / Spec
Applications to various fields such as troscopy, “89, S13-3), and information recording / reproducing devices are being studied.
【０００３】また、原子間力顕微鏡（以下、ＡＦＭと略
す）によれば物質の表面に働く斥力、引力を検知するた
め導体、絶縁体を問わず試料表面の凹凸像が測定でき
る。このＡＦＭには片持ち梁（カンチレバー）の自由端
に探針を形成したものが用いられている。さらに、ＡＦ
Ｍプローブの探針に導電性を付与してＡＦＭとＳＴＭの
機能を同時に併せ持つプローブが作製され、探針と試料
との間に電圧を印加して試料の導電性と形状に関する情
報を同時に得たり、探針と記録媒体を接触させて探針と
記録媒体の間に電圧を印加することにより記録媒体の導
電性を変化させるメモリーの技術などが開発されてい
る。上記プローブに用いられる探針の作製方法として
は、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探針が知られてい
る（米国特許第５，２２１，４１５号明細書）。この探
針の形成方法は、図１０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、
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５２０、５２１を被覆してカンチレバー
（片持ち梁）及び探針となるピラミッド状ピット５２２
を形成し、カンチレバー形状にパターニングした後、裏
面の窒化シリコン５２１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５
２０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プローブを作製するも
のである。Further, according to an atomic force microscope (hereinafter abbreviated as AFM), an image of unevenness on the surface of a sample can be measured irrespective of a conductor or an insulator in order to detect repulsive force and attractive force acting on the surface of a substance. For this AFM, a cantilever (cantilever) having a probe formed at a free end is used. Furthermore, AF
A probe that has the functions of AFM and STM at the same time by giving conductivity to the probe of the M probe is manufactured. By applying a voltage between the probe and the sample, information on the conductivity and shape of the sample can be obtained at the same time. In addition, a memory technology or the like that changes the conductivity of a recording medium by applying a voltage between the probe and the recording medium by bringing the probe into contact with the recording medium has been developed. As a method of manufacturing a probe used for the probe, a probe formed by anisotropic etching using single crystal silicon using a semiconductor manufacturing process technique is known (US Pat. No. 5,221,415). book). As shown in FIG. 10, in the method of forming the probe, first, pits 518 are provided on a silicon wafer 514 coated with a mask of silicon dioxide 510 and 512 by anisotropic etching.
The silicon dioxide 510, 512 is removed, and then the entire surface is covered with a silicon nitride layer 520, 521 to form a cantilever (cantilever) and a pyramid-shaped pit 522 serving as a probe.
After patterning into a cantilever shape, the silicon nitride 521 on the back surface is removed, and a glass plate 530 provided with a saw cut 534 and a Cr layer 532 is formed.
20 are bonded and the silicon wafer 514 is removed by etching to produce a probe and a probe made of silicon nitride transferred to the mounting block 540.
【０００４】上記製法により、プローブを作製した場
合、理想的には図１１（ａ）に示すように探針の４つの
稜線が頂点で一致する。このようなプローブを用いて試
料の表面を観察する場合、図１４（ａ）に示すように試
料面とカンチレバー面とに角度を持たせるのが普通であ
り、この場合は試料に対して探針の１つの頂点で接触す
ることができる。しかし実際はエッチング開口部を正確
に正方形に形成するのはリソグラフィーに用いるマスク
の寸法誤差やプロセス誤差が存在するため困難であり、
図１１（ｂ）や図１１（ｃ）に示すように頂点が一致し
ない場合が多い。図１１（ｂ）の場合は図１４（ｂ）に
示すように試料に対して探針の１つの頂点で接触するこ
とができるが、図１１（ｃ）の場合は試料に対して探針
が線で接触するため、解像度を得ることができない。そ
こで、（１００）面から一定のオフセット角度を有する
面を主面とする単結晶シリコン基板を異方性エッチング
することにより図１２に示したような高さの異なる２つ
の頂点を有する探針を形成する方法が示された（特許Ｆ
Ｎ１５５６２１）。この構造により図１４（ｃ）に示す
ように試料に対して探針が１つの頂点で接触できるプロ
ーブを提供することができた。When a probe is manufactured by the above-described manufacturing method, ideally, the four ridges of the probe coincide at the vertices as shown in FIG. When observing the surface of a sample using such a probe, it is common to make an angle between the sample surface and the cantilever surface, as shown in FIG. Can be touched at one vertex of However, it is actually difficult to accurately form the etching opening in a square shape due to dimensional errors and process errors of a mask used for lithography.
As shown in FIGS. 11B and 11C, the vertices often do not match. In the case of FIG. 11B, the probe can contact the sample at one vertex as shown in FIG. 14B, but in the case of FIG. No resolution can be obtained because of the line contact. Therefore, a single-crystal silicon substrate whose main surface is a plane having a constant offset angle from the (100) plane is anisotropically etched to form a probe having two vertices having different heights as shown in FIG. The method of formation was shown (Patent F
N155621). With this structure, it was possible to provide a probe that allows the probe to contact the sample at one vertex as shown in FIG.
【０００５】[0005]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、基板上
に複数のカンチレバー型プローブを形成する場合、単位
面積当たりのプローブ本数を多くして生産性を向上させ
るためには、製造の途中工程において図１３に示すよう
に１つの開口部に対してカンチレバーを互いに対向させ
て形成するのが有利であるが、この場合は２つの頂点の
位置がカンチレバーの長さ方向に対して反対の位置関係
にある２種類のカンチレバーが形成される（図１４
（ｃ）および図１４（ｄ）参照）。この場合、図１４
（ｄ）のタイプのカンチレバーは試料に対して探針が線
で接触し、解像度が低下する可能性がある。However, when a plurality of cantilever-type probes are formed on a substrate, in order to increase the number of probes per unit area and to improve the productivity, it is necessary to use FIG. It is advantageous to form the cantilevers so as to face each other with respect to one opening as shown in FIG. 2, but in this case, the positions of the two vertices are opposite to each other in the length direction of the cantilever. A variety of cantilevers are formed (FIG. 14).
(C) and FIG. 14 (d)). In this case, FIG.
In the cantilever of the type (d), the probe may come into contact with the sample by a line, and the resolution may be reduced.
【０００６】そこで、本発明は、上記した探針が線で接
触し、解像度が低下するという課題を解決し、探針が試
料に対して常に１つの頂点で接触することにより高解像
度が得られ、また、単位面積当たりのプローブ本数を多
くすることにより、生産性を向上させることのできる、
微小力または微小電流検出用のプローブ及びその製造方
法を提供することを目的としている。Accordingly, the present invention solves the problem that the above-mentioned probe comes into contact with a line and the resolution is reduced, and high resolution can be obtained by the probe always contacting the sample at one vertex. Also, by increasing the number of probes per unit area, it is possible to improve the productivity,
It is an object of the present invention to provide a probe for detecting minute force or minute current and a method for manufacturing the same.
【０００７】[0007]
【課題を解決するための手段】本発明は、上記課題を解
決するため、微小力または微小電流検出用のプローブ及
びその製造方法をつぎのように構成したことを特徴とす
るものである。すなわち、本発明のプローブは、基板に
支持された弾性体の自由端部に探針を搭載した微小力ま
たは微小電流検出用のプローブであって、該探針が２つ
の頂点を有し、その一方の頂点が該弾性体の表面を基準
として他方の頂点よりも高く、かつ、該２つの頂点を結
ぶ線分の方向が該弾性体の長さ方向とほぼ直交している
ことを特徴としている。また、本発明のプローブは、前
記探針が、前記弾性体上に形成された接合層上に接合さ
れていることを特徴としている。また、本発明のプロー
ブは、前記弾性体上が、片持ち梁であることを特徴とし
ている。また、本発明のプローブは、前記弾性体上が、
薄膜平板を２つのねじり梁で支持したトーションレバー
であることを特徴としている。また、本発明のマルチプ
ローブは、、該マルチプローブを構成するプローブが上
記した本発明のいずれかに記載のプローブであることを
特徴としている。In order to solve the above-mentioned problems, the present invention is characterized in that a probe for detecting a minute force or a minute current and a method for manufacturing the same are configured as follows. That is, the probe of the present invention is a probe for detecting a small force or a small current in which a probe is mounted on a free end of an elastic body supported on a substrate, and the probe has two vertexes. One of the vertices is higher than the other apex with respect to the surface of the elastic body, and a direction of a line connecting the two vertices is substantially orthogonal to a length direction of the elastic body. . Further, the probe of the present invention is characterized in that the probe is joined to a joining layer formed on the elastic body. Further, the probe of the present invention is characterized in that the elastic body is a cantilever. Further, in the probe of the present invention, on the elastic body,
It is a torsion lever in which a thin film flat plate is supported by two torsion beams. Further, a multiprobe of the present invention is characterized in that a probe constituting the multiprobe is the probe according to any of the above-described present invention.
【０００８】また、本発明のプローブの製造方法は、微
小力または微小電流検出用のプローブの製造方法であっ
て、面方位（１００）から（１１１）方向に３０°以内
の角度で傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板か
らなる第１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２
つの頂点を有する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を
含む基板上に剥離層を介して形成された探針を、第２基
板上に形成された弾性体上の接合層に、前記２つの頂点
を結ぶ線分の方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交す
るように転写す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、微小電流または微小力検出用
のプローブの製造方法であって、（ａ）第１基板として
面方位（１００）から（１１１）方向に３０°以内の角
度で傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板を用意
し、該第１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２
つの頂点を有する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）前記凹部を含む剥離層上に、探針を形成する
工程と、（ｄ）第２基板上に弾性体材料を形成し、弾性
体形状にパターニングする工程と、（ｅ）前記弾性体材
料上に接合層を形成する工程と、（ｆ）前記２つの頂点
を結ぶ線分の方向と前記弾性体の長さ方向とが互いにほ
ぼ直交するように前記第１基板と前記第２基板とを位置
合わせし、前記凹部を含む剥離層上の探針を、前記第２
基板の弾性体材料上の接合層に接合する工程と、（ｇ）
前記剥離層と探針の界面で剥離を行い、前記接合層上に
探針を転写する工程と、（ｈ）第２基板の一部を除去し
て第２基板に支持された弾性体を形成する工程と、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
プローブは、微小力または微小電流検出用のプローブで
あって、第１基板の表面に高さの異なる２つの頂点を有
する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を含む基板上に
剥離層を介して形成された探針を、第２基板上に形成さ
れた弾性体上の接合層に、前記２つの頂点を結ぶ線分の
方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交するように転写
してなることを特徴としている。The method of manufacturing a probe according to the present invention is a method of manufacturing a probe for detecting a small force or a small current, wherein the azimuth tilted at an angle of 30 ° or less from the plane azimuth (100) to the (111) direction. Is formed on the surface of a first substrate made of a silicon single crystal substrate having
A concave portion having two vertices is formed, and a probe formed on a substrate including the concave portion of the first substrate via a release layer is attached to a bonding layer on an elastic body formed on a second substrate, The image is transferred so that the direction of a line connecting two vertices is substantially perpendicular to the length direction of the elastic body. The method for manufacturing a probe according to the present invention is a method for manufacturing a probe for detecting a small current or a small force, wherein (a) the first substrate has an angle of 30 ° or less from the (100) plane orientation to the (111) direction. A silicon single crystal substrate having a main surface with a tilted direction is prepared, and a crystal anisotropic etching is performed on the surface of the first substrate.
Forming a concave portion having two vertices, (b) forming a release layer on the substrate including the concave portion of the first substrate, and (c) forming a probe on the release layer including the concave portion. (D) forming an elastic material on the second substrate and patterning it into an elastic shape; (e) forming a bonding layer on the elastic material; The first substrate and the second substrate are aligned so that a direction of a line connecting two vertices and a length direction of the elastic body are substantially orthogonal to each other, and a probe on a release layer including the concave portion is positioned. , The second
Bonding to a bonding layer on the elastic material of the substrate; (g)
Peeling at the interface between the peeling layer and the probe to transfer the probe onto the bonding layer; and (h) removing a part of the second substrate to form an elastic body supported by the second substrate And at least a step of performing Further, the probe of the present invention is a probe for detecting a small force or a small current, wherein a concave portion having two vertexes having different heights is formed on the surface of the first substrate, and includes the concave portion of the first substrate. A probe formed on a substrate via a release layer is connected to a bonding layer on an elastic body formed on a second substrate, and a direction of a line connecting the two vertexes is defined as a length direction of the elastic body. It is characterized by being transferred substantially orthogonally.
【０００９】[0009]
【発明の実施の形態】本発明は、上記した構成により、
探針を試料に対して常に１つの頂点で接触させることが
可能となり、それにより高解像度が得られ、また、単位
面積当たりのプローブ本数を多くすることにより、生産
性を向上させることのできるプローブを提供することが
できる。つぎに、図にもとづいて、発明の実施の形態に
ついて説明する。本発明によるプローブの構成は図１及
び図２及び図３に示すように、片持ち梁の自由端部に探
針を搭載した微小力または微小電流検出用のプローブで
あって、該探針が２つの頂点を有し、該片持ち梁の表面
を基準にした場合に一方の頂点が他方の頂点よりも高
く、かつ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向と弾性体の長
さ方向とが互いにほぼ直交することを特徴とする。この
探針形状により、試料に対して常に１つの頂点で接触さ
せることができ、この結果、高い解像度を得ることがで
きる。また、基板上に形成された開口部にカンチレバー
を互いに向かい合わせて形成することにより単位面積当
たりのプローブ本数を多くすることができ、生産性を向
上させることができる。また、試料とカンチレバーとの
なす角を変化させて探針の２つの頂点が試料と接する状
態にすると観察する物理量が変化するが、これを利用し
て試料とカンチレバーとのなす角度を検知することも可
能である。また、探針の２つの頂点の高低差が小さい場
合、プローブを試料面内で走査すると探針と試料との摩
擦によりカンチレバーがねじれて低い方の頂点も接触し
観察する物理量が変化する。この時のカンチレバーのね
じれ角より摩擦力を検知することが可能である。また、
上記プローブにおいて、該探針が該弾性体上に形成され
た接合層上に接合されたプローブも本発明は含んでい
る。DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS The present invention has the above-described structure,
A probe that allows the probe to always contact the sample at one vertex, thereby achieving high resolution and increasing the number of probes per unit area to improve productivity. Can be provided. Next, an embodiment of the invention will be described with reference to the drawings. As shown in FIGS. 1, 2 and 3, the structure of the probe according to the present invention is a probe for detecting a small force or a small current in which a probe is mounted on a free end of a cantilever. It has two vertices, and one vertex is higher than the other vertex when the surface of the cantilever is used as a reference, and the direction of a line connecting the two vertices and the length direction of the elastic body are Are substantially orthogonal to each other. With this probe shape, the sample can always be brought into contact with one vertex, and as a result, a high resolution can be obtained. Further, by forming cantilevers in the opening formed on the substrate so as to face each other, the number of probes per unit area can be increased, and productivity can be improved. Also, when the angle between the sample and the cantilever is changed so that the two vertices of the probe come into contact with the sample, the physical quantity to be observed changes, and this is used to detect the angle between the sample and the cantilever. Is also possible. When the height difference between the two vertices of the probe is small, when the probe is scanned in the plane of the sample, the cantilever is twisted due to friction between the probe and the sample, and the lower vertex comes into contact with the probe to change the physical quantity to be observed. At this time, the frictional force can be detected from the torsion angle of the cantilever. Also,
In the above-described probe, the present invention also includes a probe in which the probe is bonded to a bonding layer formed on the elastic body.
【００１０】図４はその製造工程を示す断面図である。
以下、この図に従い製造方法を説明する。第一に、面方
位（１００）から（１１１）方向に３０°以内の角度で
傾いた方位を主面とするシリコン単結晶基板よりなる第
１基板の表面に結晶異方性エッチングにより２つの頂点
を有する凹部を形成する。これには、まず第１基板１に
保護層２を形成し、次に、保護層２の所望の箇所を、フ
ォトリソグラフィとエッチングによりパターニングして
開口部を設け、シリコンの一部を露出させる。次に、結
晶軸異方性エッチング等を用いてシリコンをエッチング
して凹部３を形成する方法が用いられる。保護層２とし
ては二酸化シリコンや窒化シリコンを用いることができ
る。上記開口部の形状は、長方形または台形が良い。台
形の場合は、その各辺がシリコンの（１１１）等価面の
いずれかにそれぞれ平行であることが望まれる。シリコ
ンのエッチングには探針先端部を鋭利に形成できる結晶
軸異方性エッチングを用いる。エッチング液に水酸化カ
リウム水溶液等を用いることにより（１１１）面と等価
な４つの面で囲まれた２つの頂点を有する凹部３を形成
することができる（図１および図４（ａ）参照）。FIG. 4 is a sectional view showing the manufacturing process.
Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG. First, two vertices are formed on the surface of a first substrate made of a silicon single crystal substrate having a principal plane inclined at an angle of 30 ° or less from the (100) plane to the (111) direction by crystal anisotropic etching. Is formed. For this, first, the protective layer 2 is formed on the first substrate 1, and then, a desired portion of the protective layer 2 is patterned by photolithography and etching to provide an opening, thereby exposing a part of silicon. Next, a method of forming the concave portion 3 by etching silicon by using crystal axis anisotropic etching or the like is used. As the protective layer 2, silicon dioxide or silicon nitride can be used. The shape of the opening is preferably rectangular or trapezoidal. In the case of a trapezoid, it is desirable that each side is parallel to one of the (111) equivalent planes of silicon. For etching silicon, crystal axis anisotropic etching capable of forming the tip of the probe sharply is used. By using an aqueous solution of potassium hydroxide or the like as an etching solution, a concave portion 3 having two vertices surrounded by four surfaces equivalent to the (111) plane can be formed (see FIGS. 1 and 4A). .
【００１１】第二に、第１基板１表面の保護層２を除去
し、剥離層４を形成する（図４（ｂ）参照）。この剥離
層４形成後の工程で、剥離層４上に探針５材料を成膜し
た後、探針５を剥離層４から剥離するため、探針５材料
が剥離しやすい剥離層４材料を選択する必要がある。す
なわち、剥離層４の材料は探針５材料との反応性・密着
性が小さいことが必要である。特に、第１基板１にシリ
コンを用いる場合は、熱酸化炉をもちいてシリコン表面
を熱酸化することにより再現性・制御性良く容易に二酸
化シリコン（ＳｉＯ2）よりなる剥離層４を得ることが
でき、また、第１基板凹部を尖鋭化することが可能であ
る。第三に、前記凹部を含む剥離層４上に探針５を形成
する。探針５材料の成膜には既知の薄膜作製技術である
真空蒸着法、スパッタリング法等が用いられる。成膜後
既知のフォトリソグラフィーの手法を用いて探針５材料
をパターニングし、探針部とする（図４（ｃ）参照）。Second, the protective layer 2 on the surface of the first substrate 1 is removed to form a release layer 4 (see FIG. 4B). In the step after the formation of the release layer 4, after forming the material of the probe 5 on the release layer 4, the probe 5 is separated from the release layer 4. You have to choose. That is, the material of the release layer 4 needs to have low reactivity and adhesion with the material of the probe 5. In particular, when silicon is used for the first substrate 1, the peeling layer 4 made of silicon dioxide (SiO 2 ) can be easily obtained with good reproducibility and controllability by thermally oxidizing the silicon surface using a thermal oxidation furnace. It is possible to sharpen the first substrate recess. Third, a probe 5 is formed on the release layer 4 including the concave portion. For forming the material of the probe 5, a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, which is a known thin film manufacturing technique, is used. After the film formation, the material of the probe 5 is patterned using a known photolithography technique to form a probe portion (see FIG. 4C).
【００１２】第四に、第２基板８上に形成されたカンチ
レバー等の弾性体９上に接合層７を形成する。弾性体９
は接合層７を介して探針５を支持する。接合層７は圧力
により探針を接合するためのものであり、探針５と接合
層７に金属を用いれば、圧力で互いに変形することによ
り金属結合を得ることができる。そこで、材料としては
金属、特にＡｕ、Ｐｔのような延性・展性に富んだ金属
が望ましい。なお、電極配線１０は、接合層７と同一材
料で同一層に形成しても良い。弾性体としては、カンチ
レバー（片持ち梁）や薄膜平板を２つのねじり梁で支持
したトーションレバー等が考えられる。弾性体の材料と
しては機械特性にすぐれ、かつ、薄膜にしたときの残留
応力が小さいものが良い。弾性体はまたアクチュエータ
の機能を有していてもよい。また、ＳＯＩ（ｓｉｌｉｃ
ｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いて薄膜シ
リコンを弾性体とし、弾性体自体にピエゾ抵抗層を形成
することにより撓みを検出することも可能である。第五
に、前記凹部３を含む剥離層４上の探針５材料を接合層
７に接合する。これには、それぞれの基板を真空チャッ
ク等により保持できるアライメント装置を用い、第１基
板１上の探針５と第２基板８上の接合層７とを位置合わ
せして対向・接触させ、更に荷重を加えることにより探
針５と接合層７の接合（圧着）を行う（図４（ｄ）参
照）。この際、探針５の２つの頂点を結ぶ線分の方向と
前記片持ち梁の長さ方向とが互いにほぼ直交するように
第１基板１と第２基板８とを位置合わせし、探針５を接
合層７に接合する。第六に、前記剥離層４と探針５材料
の界面で剥離を行い接合層７上に探針５材料を転写す
る。すなわち、第１基板１と第２基板８を引き離すこと
により、剥離層４と探針５との界面で剥離させる（図４
（ｅ）参照）。第七に、第２基板８の一部を除去して弾
性体９を形成する。これにはあらかじめ第２基板裏面に
形成された窒化シリコン等に開口部を設け、これをエッ
チングマスクにして第２基板８のエッチングを行うこと
により、弾性体９を形成する（図４（ｆ）参照）。Fourth, a bonding layer 7 is formed on an elastic body 9 such as a cantilever formed on the second substrate 8. Elastic body 9
Supports the probe 5 via the bonding layer 7. The bonding layer 7 is for bonding the probe by pressure, and if a metal is used for the probe 5 and the bonding layer 7, metal bonding can be obtained by deforming each other by pressure. Therefore, as the material, a metal, particularly a metal having a high ductility and malleability, such as Au and Pt, is desirable. Note that the electrode wiring 10 may be formed in the same layer with the same material as the bonding layer 7. Examples of the elastic body include a cantilever (cantilever) and a torsion lever in which a thin film flat plate is supported by two torsion beams. As the material of the elastic body, a material having excellent mechanical properties and having a small residual stress when formed into a thin film is preferable. The elastic body may also have the function of an actuator. In addition, SOI (silic
It is also possible to detect bending by using a thin-film silicon as an elastic body using an on-insulator substrate and forming a piezoresistive layer on the elastic body itself. Fifth, the material of the probe 5 on the release layer 4 including the recess 3 is bonded to the bonding layer 7. For this purpose, using an alignment device capable of holding each substrate by a vacuum chuck or the like, the probe 5 on the first substrate 1 and the bonding layer 7 on the second substrate 8 are aligned and opposed to and contact with each other. The probe 5 and the bonding layer 7 are bonded (compressed) by applying a load (see FIG. 4D). At this time, the first substrate 1 and the second substrate 8 are positioned so that the direction of the line connecting the two vertices of the probe 5 and the length direction of the cantilever are substantially orthogonal to each other. 5 is bonded to the bonding layer 7. Sixth, peeling is performed at the interface between the peeling layer 4 and the material of the probe 5 to transfer the material of the probe 5 onto the bonding layer 7. That is, the first substrate 1 and the second substrate 8 are separated at the interface between the separation layer 4 and the probe 5 (FIG. 4).
(E)). Seventh, the elastic body 9 is formed by removing a part of the second substrate 8. To this end, an elastic body 9 is formed by providing an opening in silicon nitride or the like formed on the back surface of the second substrate in advance and etching the second substrate 8 using this as an etching mask (FIG. 4 (f)). reference).
【００１３】[0013]
【実施例】以下、本発明の実施例について説明する。 ［実施例１］実施例１においては、本発明によりカンチ
レバー型プローブ及びその製造方法を構成した。図１に
探針部分図、図２に探針部分の斜視図、図３にプローブ
全体図をそれぞれ示す。以下、図１〜図３を用いて本発
明のプローブの構成を示す。第２基板８に支持されたカ
ンチレバー９の自由端部に接合層７が形成され、接合層
７上に探針５が接合されている。探針５は２つの頂点を
有し、カンチレバー９の表面を基準にした場合に一方の
頂点が他方の頂点よりも高く、かつ、その２つの頂点を
結ぶ線分の方向とカンチレバー９の長さ方向とが互いに
直交している。Embodiments of the present invention will be described below. [Example 1] In Example 1, a cantilever probe and a method of manufacturing the same were constructed according to the present invention. FIG. 1 is a partial view of the probe, FIG. 2 is a perspective view of the probe, and FIG. 3 is an overall view of the probe. Hereinafter, the configuration of the probe of the present invention will be described with reference to FIGS. A bonding layer 7 is formed at a free end of the cantilever 9 supported by the second substrate 8, and the probe 5 is bonded on the bonding layer 7. The probe 5 has two vertices, one of which is higher than the other when the surface of the cantilever 9 is used as a reference, the direction of a line connecting the two vertices, and the length of the cantilever 9. The directions are orthogonal to each other.
【００１４】図４は本実施例のプローブの製造工程を示
す断面図である。以下、この図に従い製造方法を説明す
る。まず（１００）から（１１１）方向に１０°傾いた
方位を主面とするシリコン単結晶基板を第１基板１とし
て用意した。次に、保護層２としてシリコン熱酸化膜を
１００ｎｍ形成した。次に、保護層２の所望の箇所を、
フォトリソグラフィとエッチングにより台形形状にパタ
ーニングし、シリコンを露出した。この際、台形の各辺
がシリコンの（１１１）等価面のいずれかにそれぞれ平
行であるようにパターニングした。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パター
ニング部のシリコンをエッチングした。なお、エッチン
グ条件は、濃度３０％の水酸化カリウム水溶液を用い、
液温９０℃、エッチング時間は１０分とした。このとき
（１１１）面と等価な４つの面で囲まれ、２つの高さの
異なる頂点を有する凹部３が形成された（図４（ａ）及
び図１〜図３参照）。次に、保護層２である熱酸化膜を
フッ酸とフッ化アンモニウムの混合水溶液（ＨＦ：ＮＨ
4Ｆ＝１：５）で除去した。次に、１２０℃に加熱した
硫酸と過酸化水素水の混合液、及び、２％フッ酸水溶液
を用いて第１基板１の洗浄を行った。次に、熱酸化炉を
もちいて第１基板１を酸素及び水素雰囲気中で１０００
℃に加熱し、剥離層４である二酸化シリコンを４００ｎ
ｍ堆積した（図４（ｂ）参照）。次に、探針５の材料と
して金Ａｕをスパッタリング法により５００ｎｍ堆積し
た。次に、フォトリソグラフィおよびドライエッチング
によりパターニングし、探針５を形成した（図４（ｃ）
参照）。FIG. 4 is a sectional view showing the process of manufacturing the probe of this embodiment. Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG. First, a silicon single crystal substrate having a main surface oriented at 10 ° from (100) to (111) was prepared as the first substrate 1. Next, a silicon thermal oxide film having a thickness of 100 nm was formed as the protective layer 2. Next, a desired portion of the protective layer 2 is
The silicon was exposed by patterning into a trapezoidal shape by photolithography and etching. At this time, patterning was performed so that each side of the trapezoid was parallel to any of the (111) equivalent planes of silicon. Next, the silicon in the patterning portion was etched by crystal axis anisotropic etching using an aqueous potassium hydroxide solution. The etching conditions were as follows: a 30% aqueous solution of potassium hydroxide was used.
The liquid temperature was 90 ° C. and the etching time was 10 minutes. At this time, the recess 3 was formed, which was surrounded by four planes equivalent to the (111) plane and had two vertices having different heights (see FIG. 4A and FIGS. 1 to 3). Next, the thermal oxide film as the protective layer 2 is coated with a mixed aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride (HF: NH).
4 F = 1: 5). Next, the first substrate 1 was cleaned using a mixed solution of sulfuric acid and hydrogen peroxide heated to 120 ° C. and a 2% aqueous hydrofluoric acid solution. Next, the first substrate 1 is placed in an atmosphere of oxygen and hydrogen for 1000 times using a thermal oxidation furnace.
C., and the silicon dioxide as the release layer 4 is
m (see FIG. 4B). Next, 500 nm of gold Au was deposited as a material of the probe 5 by a sputtering method. Next, patterning was performed by photolithography and dry etching to form a probe 5 (FIG. 4C).
reference).
【００１５】次に第２基板８として単結晶シリコン基板
を用意し、第２基板８両面に二酸化シリコン１３を０．
３μｍ、窒化シリコン１４を０．５μｍ成膜した。次に
表面の窒化シリコン１４をフォトリソグラフィとエッチ
ングによりカンチレバー９（片持ち梁）の形状にパター
ニングした。このとき、カンチレバーの寸法は幅５０μ
ｍ、長さ３００μｍとした。次に、裏面の窒化シリコン
１４及び二酸化シリコン１３を同様にエッチングマスク
形状にパターニングした。次に、チタンＴｉを３ｎｍ、
金Ａｕを５０ｎｍ成膜し、フォトリソグラフィとエッチ
ングによりパターン形成を行い、カンチレバー上に接合
層７及び配線１０を形成した。次に、第１基板１上の探
針５と第２基板８上の接合層７とを位置合わせして対向
・接触させ、更に荷重を加えることにより探針５と接合
層７の接合（圧着）を行った（図４（ｄ）参照）。次
に、第１基板１と第２基板８を引き離すことに、剥離層
４と探針５との界面で剥離させた（図４（ｅ）参照）。
次に、表面保護層としてポリイミド層をスピンコートに
より塗布し、ベークして形成した。次に、裏面の窒化シ
リコン１４をエッチングマスクにして、９０℃に加熱し
た３０％水酸化カリウム水溶液により裏面からシリコン
基板８のエッチングを行った。次に、フッ酸とフッ化ア
ンモニウム混合水溶液により二酸化シリコン層１３を除
去した。最後に、酸素プラズマを用いて表面保護層を除
去してカンチレバー型プローブを形成した。Next, a single crystal silicon substrate is prepared as the second substrate 8, and silicon dioxide 13 is added to both surfaces of the second substrate 8.
3 μm and 0.5 μm of silicon nitride 14 were formed. Next, the silicon nitride 14 on the surface was patterned into the shape of the cantilever 9 (cantilever) by photolithography and etching. At this time, the size of the cantilever is 50μ in width.
m and length 300 μm. Next, the silicon nitride 14 and silicon dioxide 13 on the back surface were similarly patterned into an etching mask shape. Next, 3 nm of titanium Ti,
Gold Au was deposited to a thickness of 50 nm, and a pattern was formed by photolithography and etching to form a bonding layer 7 and a wiring 10 on the cantilever. Next, the probe 5 on the first substrate 1 and the bonding layer 7 on the second substrate 8 are aligned and opposed to and contact with each other, and a further load is applied to bond the probe 5 and the bonding layer 7 (compression bonding). ) (See FIG. 4D). Next, the first substrate 1 and the second substrate 8 were separated from each other at the interface between the release layer 4 and the probe 5 (see FIG. 4E).
Next, a polyimide layer was applied as a surface protective layer by spin coating and baked. Next, using the silicon nitride 14 on the back surface as an etching mask, the silicon substrate 8 was etched from the back surface with a 30% aqueous potassium hydroxide solution heated to 90 ° C. Next, the silicon dioxide layer 13 was removed with a mixed aqueous solution of hydrofluoric acid and ammonium fluoride. Finally, the surface protective layer was removed using oxygen plasma to form a cantilever probe.
【００１６】本実施例のプローブを用いた光てこ方式の
ＡＦＭ／ＳＴＭ装置のブロック図を図５に示す。ＡＦＭ
／ＳＴＭ装置はカンチレバー９と接合層７と接合層７に
接合した探針５からなるプローブと、レーザー光６１
と、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６２と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ー６
３と、ボジションセンサーからの信号により変位検出を
行う変位検出回路６６と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子６５
と、ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子をＸＹＺ方向に駆動するた
めのＸＹＺ駆動用ドライバー６７とからなる。また、探
針５と試料６４との間に電圧印加回路６８により電圧を
印加し、この間を流れる微小電流Ｉｔを電流検出回路６
９により検出する。この装置を用いて、ＸＹＺ駆動ピエ
ゾ素子６５のＸＹを駆動しながら変位検出と電流検出を
行うことにより試料の凹凸と導電性の２次元像を同時に
得ることができる。本実施例により、探針が試料に対し
て常に１つの頂点で接触するために常に高解像度の得ら
れるカンチレバー型プローブを得ることができた。ま
た、試料５とカンチレバー９とのなす角を約１０°にし
て試料の凹凸像を観察したところ、探針５の２つの頂点
が試料６４に接触した凹凸像が観察された。すなわち凹
凸像より試料５とカンチレバー９とのなす角を知ること
ができた。FIG. 5 is a block diagram of an optical lever type AFM / STM apparatus using the probe of this embodiment. AFM
The / STM device includes a probe including a cantilever 9, a bonding layer 7, and a probe 5 bonded to the bonding layer 7, and a laser beam 61.
And a lens 62 for condensing the laser beam on the back surface of the bonding layer at the free end of the cantilever, and a position sensor 6 for detecting a change in the light reflection angle due to the deflection displacement of the cantilever.
3, a displacement detection circuit 66 for detecting displacement based on a signal from the position sensor, and an XYZ-axis driving piezo element 65.
And an XYZ driving driver 67 for driving the XYZ axis driving piezo elements in the XYZ directions. Further, a voltage is applied between the probe 5 and the sample 64 by a voltage application circuit 68, and a minute current It flowing therebetween is detected by a current detection circuit 6
9 to detect. By using this device to detect the displacement and the current while driving the XY of the XYZ drive piezo element 65, a two-dimensional image of the unevenness of the sample and the conductivity can be obtained at the same time. According to the present embodiment, a cantilever-type probe that can always obtain high resolution can be obtained because the probe always contacts the sample at one vertex. When the angle between the sample 5 and the cantilever 9 was set to about 10 ° and the uneven image of the sample was observed, an uneven image in which the two vertices of the probe 5 were in contact with the sample 64 was observed. That is, the angle between the sample 5 and the cantilever 9 could be known from the uneven image.
【００１７】［実施例２］実施例２においては、本発明
によりマルチプローブを構成した。図６にその構成を示
す。第２基板８から形成されたチップの端面に複数のプ
ローブが配置されている。各プローブはカンチレバー９
の自由端部に探針５が搭載されている。使用する場合は
ｘｙｚスキャナー上の試料１１に各プローブの探針を、
ｚスキャナーおよび接近または接触検知手段（不図示）
をもちいて接近または接触させて微小力や微小電流を検
知する。また、その状態でｘｙスキャナーを駆動させる
ことにより２次元像を観察することが可能である。製造
方法は実施例１とほぼ同じである。実施例１と異なると
ころを以下に示す。まず、図４（ａ）〜（ｃ）で示す工
程においては複数の凹部３を第１基板１上に形成するこ
とにより複数の探針５を形成した。同様に第２基板８上
には複数のカンチレバーパターンを形成した。また、図
４（ｆ）の工程において表面保護層１５を形成した後、
図７の点線の位置に相当する第２基板の裏面にチッピン
グ用のスクライブ溝を形成する。また、図４（ｆ）で第
２基板開口部１６を開けてカンチレバーを形成した後、
上記スクライブ溝に基づいてチッピングを行うことによ
り基板の端面に１列にプローブが並んだマルチプローブ
を形成することができた。本実施例のマルチプローブに
より、探針が試料に対して常に１つの頂点で接触するた
めに常に高解像度の得られるカンチレバー型マルチプロ
ーブを得ることができた。また、本実施例のマルチプロ
ーブは第２基板に形成された開口部１つにつき、向かい
合った２組のマルチプローブチップを形成することがで
きるため、生産性を向上させることができた。Example 2 In Example 2, a multi-probe was constructed according to the present invention. FIG. 6 shows the configuration. A plurality of probes are arranged on an end surface of a chip formed from the second substrate 8. Each probe is a cantilever 9
The probe 5 is mounted on the free end of the probe. When using the probe of each probe on the sample 11 on the xyz scanner,
z scanner and approach or contact detection means (not shown)
To detect or detect a small force or a small current by approaching or making contact with it. In addition, by driving the xy scanner in this state, it is possible to observe a two-dimensional image. The manufacturing method is almost the same as in the first embodiment. The differences from the first embodiment are shown below. First, in the steps shown in FIGS. 4A to 4C, a plurality of recesses 3 were formed on the first substrate 1 to form a plurality of probes 5. Similarly, a plurality of cantilever patterns were formed on the second substrate 8. After forming the surface protection layer 15 in the step of FIG.
A scribe groove for chipping is formed on the back surface of the second substrate corresponding to the position indicated by the dotted line in FIG. After opening the second substrate opening 16 in FIG. 4F to form a cantilever,
By performing chipping based on the scribe grooves, a multi-probe in which probes were arranged in a line on the end face of the substrate could be formed. According to the multiprobe of the present embodiment, a cantilever-type multiprobe that can always obtain high resolution can be obtained because the probe always contacts the sample at one vertex. Further, in the multi-probe of the present embodiment, two sets of multi-probe chips facing each other can be formed for each opening formed in the second substrate, so that the productivity can be improved.
【００１８】［実施例３］実施例３は、探針を結晶シリ
コンからなる薄膜平板上に設けたＡＦＭまたはＳＴＭ用
のプローブである。作製したプローブの斜視図を図８に
示す。本発明のプローブは図８より以下の構造を持つ。
１０４は固定電極８５及び８６を有する窒化シリコン膜
１００、１０１を形成したシリコンブロック、８１は導
電性を有するｎ型の結晶シリコンからなる薄膜平板であ
り、ねじり梁８２を側面に有し、空隙１０２を介して支
持部８３、８４によりねじり梁８２の上面で吊り下げ支
持されている。薄膜平板８１は、一端に接合層７８及び
接合層上に形成した微小探針８０を有する。固定電極８
６は薄膜平板８１に対向するように窒化シリコン膜１０
０上に配置して形成してある。支持部８３、８４は、Ａ
ｌ膜の電気導電体よりなり、接合層７８はＰｔ、探針８
０は実施例１と同様の行程により形成したＡｕよりな
る。支持部８３は、薄膜平板８１と固定電極８５、及び
薄膜平板８１と接合層７８を通じて探針８０とも電気的
に接続している。これにより支持部はねじり梁８２を介
して薄膜平板８１をエアブリッジ（Ａｉｒ Ｂｒｉｄｇ
ｅ）構造にて機械的かつ電気的に接続する。本発明のプ
ローブは、固定電極８６と固定電極８５に電圧を印加す
ることにより、固定電極８６との間に静電引力が生じ、
ねじり梁がねじり回転し、薄膜平板８１の固定電極８６
側がシリコンブロック１０４側に変位し、探針８０が逆
側に変位する、すなわち、薄膜平板８１がねじり梁８２
の回転軸回りに回転変位する静電アクチュエータの機能
を有している。本発明の静電アクチュエータを有するプ
ローブでは、可撓梁の自由端に探針を有することでＡＦ
Ｍ用プローブとして用いると共に、探針及び薄膜平板が
電気導電性を有することによりＳＴＭ用プローブとして
も用いることが可能であり、さらに複合型ＳＴＭ／ＡＦ
Ｍ用プローブとして利用できる。Embodiment 3 Embodiment 3 is a probe for AFM or STM in which a probe is provided on a thin film flat plate made of crystalline silicon. FIG. 8 shows a perspective view of the manufactured probe. The probe of the present invention has the following structure from FIG.
104 is a silicon block on which silicon nitride films 100 and 101 having fixed electrodes 85 and 86 are formed, 81 is a thin film flat plate made of n-type crystalline silicon having conductivity, and has a torsion beam 82 on a side surface and a gap 102 Are supported by the support portions 83 and 84 on the upper surface of the torsion beam 82. The thin film flat plate 81 has a bonding layer 78 at one end and a microprobe 80 formed on the bonding layer. Fixed electrode 8
6 denotes a silicon nitride film 10 facing the thin film flat plate 81.
0. The support parts 83 and 84
1 layer of an electric conductor, the bonding layer 78 is made of Pt, the probe 8
0 is made of Au formed by the same process as in the first embodiment. The support portion 83 is also electrically connected to the probe 80 through the thin film flat plate 81 and the fixed electrode 85, and through the thin film flat plate 81 and the bonding layer 78. Accordingly, the support unit connects the thin film flat plate 81 to the air bridge (Air Bridge) through the torsion beam 82.
e) mechanically and electrically connecting in a structure; The probe of the present invention generates an electrostatic attraction between the fixed electrode 86 and the fixed electrode 86 by applying a voltage to the fixed electrode 86,
The torsion beam is twisted and rotated, and the fixed electrode 86 of the thin film plate 81 is rotated.
Side is displaced to the silicon block 104 side, and the probe 80 is displaced to the opposite side.
Has the function of an electrostatic actuator that rotates and displaces around the rotation axis. In the probe having the electrostatic actuator according to the present invention, the AF is provided by having the probe at the free end of the flexible beam.
In addition to being used as a probe for M, it can be used as a probe for STM because the probe and the thin film plate have electric conductivity.
It can be used as a probe for M.
【００１９】図９は、本実施例のプローブの製造方法を
説明するための作製工程図であり、以下これを用いて製
造方法を説明する。第３基板９１として、単結晶シリコ
ン基板上に二酸化シリコン膜の絶縁層９２を介して後工
程で薄膜平板８１となるｎ型の単結晶シリコン膜９３
（３０Ω／□、厚さ１μｍ）が形成してなるＳＯＩ（Ｓ
ｉ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いた。前記基
板上にフォトレジストを塗布し露光、現像を行うフォト
リソグラフィプロセスを用いてフォトレジストのパター
ニングを施し、該フォトレジストをマスクとして結晶シ
リコン膜９３をＣＦ4ガスを用いて反応性イオンエッチ
ング（ＲＩＥ）によりエッチングし、後工程にて薄膜平
板となる開口部８７を有するビームパターン８４を形成
し、フォトレジストをレジスト剥離液を用いて剥離しビ
ームパターンを有する第３基板を作製した（図９（ａ）
参照）。第３基板９１と接着する第２基板９５として単
結晶シリコン基板を用意し、第２基板９５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 Ｃｈｅ
ｍｉｃａｌ ＶａｐｏｕｒＤｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）にて
０．５μｍ形成した。窒化シリコン膜の成膜条件は成膜
温度８４８℃、流量比ＮＨ3：ＳｉＨ2Ｃｌ2＝１０ｃｃ
ｍ：２０ｃｃｍ、成膜圧力０．２Ｔｏｒｒである。さら
に後工程にて第２基板９５上に空隙を介して薄膜平板８
１が形成される場所の裏面の窒化シリコン膜１０１の一
部をフォトリソグラフィプロセスとＣＦ4を用いた反応
性イオンエッチングによりパターニングした。固定電極
８５（不図示）、８６は、Ｐｔターゲットを用いてスパ
ッタ法によりＰｔを１００ｎｍ成膜し、フォトリソグラ
フィプロセスによりフォト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Ａｒイオンによりイオ
ンミーリング（Ｉｏｎ Ｍｉｌｌｉｎｇ）し、フォトレ
ジストを除去し図８に示すようにパターニングし形成し
た。FIG. 9 is a manufacturing process diagram for explaining the method of manufacturing the probe of the present embodiment. The manufacturing method will be described below with reference to FIG. As a third substrate 91, an n-type single-crystal silicon film 93 which becomes a thin-film flat plate 81 in a later step via a silicon dioxide film insulating layer 92 on a single-crystal silicon substrate
(30Ω / □, thickness 1 μm) formed SOI (S
(Ion Insulator) substrate was used. A photoresist is patterned on the substrate by using a photolithography process in which a photoresist is applied, exposed and developed, and the crystalline silicon film 93 is reactive ion-etched (RIE) using CF 4 gas using the photoresist as a mask. 9) to form a beam pattern 84 having an opening 87 that becomes a thin film flat plate in a later step, and then peeling off the photoresist using a resist stripping solution to produce a third substrate having a beam pattern (FIG. 9 ( a)
reference). A single-crystal silicon substrate is prepared as the second substrate 95 to be bonded to the third substrate 91, and a silicon nitride film serving as a mask when the second substrate 95 is subjected to crystal axis anisotropic etching from the back surface is formed by low-pressure CVD (Low Pressure Che).
The thickness was 0.5 μm formed by a mechanical vapor deposition. The conditions for forming the silicon nitride film are as follows: film formation temperature: 848 ° C., flow rate ratio: NH 3 : SiH 2 Cl 2 = 10 cc
m: 20 ccm, film forming pressure: 0.2 Torr. Further, in a later step, the thin film flat plate 8 is formed on the second substrate 95 through a gap.
A portion of the silicon nitride film 101 on the back surface where 1 was formed was patterned by a photolithography process and reactive ion etching using CF 4 . The fixed electrodes 85 (not shown) and 86 are formed by depositing Pt to a thickness of 100 nm by a sputtering method using a Pt target and patterning a photoresist by a photolithography process.
Using the photoresist as a mask, ion milling (Ion Milling) was performed with Ar ions, the photoresist was removed, and patterning was performed as shown in FIG.
【００２０】次に、第２基板上に、樹脂膜である接着層
９７をスピナー法により塗布した。樹脂膜としてフォト
レジストである東京応化（株）製のゴム系レジストＯＭ
Ｒ−８３（商品名）を用いた。塗布する際の樹脂を溶解
した溶液中に含まれる溶媒の含有量を調節しないと接着
層と第３基板との間に気泡が残る場合がある。硬化しな
い程度の低温にて前処理加熱を施し樹脂膜中に含まれる
溶媒の含有量を調節することで界面に気泡が残ることを
防止できる。接着層９７を、５０℃にて１５分間の前処
理加熱を行った（図９（ｂ）参照）。次に、塗布した後
に、図９（ａ）の第３基板９１と図９（ｂ）の第２基板
９５を裏面より圧力をかけて押し当てた後に、１５０℃
に加熱処理することにより接着層を硬化させ、図９
（ｃ）に示すように接着した。第３基板９１に結晶シリ
コン膜９３にビームパターン９４を形成したことで、溝
ができ、接着層を加熱処理し硬化する際に発生する有機
溶媒の蒸気を前記溝を通じて逃がすことができ、気泡が
残ることを防止できた。硬化後の接着層の膜厚は２μｍ
であった。この後、図９（ｃ）の接着した基板に対し
て、８０℃、３０ｗｔ％のＫＯＨ水溶液中で第３基板９
１をエッチング除去し、さらにＨＦ水溶液にて絶縁層９
２をエッチング除去した。次に、Ｐｔターゲットを用い
てスパッタ法によりＰｔを５０ｎｍ成膜し、フォトリソ
グラフィプロセスによりフォト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Ａｒイオンにより
イオンミーリング（Ｉｏｎ Ｍｉｌｌｉｎｇ）し、接合
層７８を形成した。Next, an adhesive layer 97 as a resin film was applied on the second substrate by a spinner method. Rubber resist OM manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. which is a photoresist as a resin film
R-83 (trade name) was used. If the content of the solvent contained in the solution in which the resin is dissolved during the application is not adjusted, bubbles may remain between the adhesive layer and the third substrate. By performing pretreatment heating at such a low temperature as not to cure and adjusting the content of the solvent contained in the resin film, it is possible to prevent bubbles from remaining at the interface. The adhesive layer 97 was subjected to pretreatment heating at 50 ° C. for 15 minutes (see FIG. 9B). Next, after the application, the third substrate 91 in FIG. 9A and the second substrate 95 in FIG.
Heat treatment is performed to cure the adhesive layer, and FIG.
Adhesion was performed as shown in (c). By forming the beam pattern 94 in the crystalline silicon film 93 on the third substrate 91, a groove is formed, and the vapor of the organic solvent generated when the adhesive layer is heat-treated and cured can be released through the groove, and bubbles are generated. It could be prevented from remaining. The thickness of the adhesive layer after curing is 2 μm
Met. Thereafter, the third substrate 9 is placed on the adhered substrate of FIG.
1 is removed by etching, and the insulating layer 9
2 was removed by etching. Next, Pt is deposited to a thickness of 50 nm by a sputtering method using a Pt target, the photoresist is patterned by a photolithography process, and ion milling (Ion Milling) is performed with Ar ions using the photoresist as a mask to form a bonding layer 78. did.
【００２１】この後、酸素ガスを用いた反応性イオンエ
ッチングにより、接着層９７の一部をエッチングした。
このようにして形成したビームパターン及び接合層上に
支持層となるＡｌ膜を真空蒸着法の一つであるＡｌター
ゲットを用いたイオンビームスパッタリング法により１
μｍ成膜した。Ａｌ膜上にフォトリソグラフィプロセス
によりフォトレジストを塗布、露光、現像し、Ａｌ膜を
りん酸、硝酸及び酢酸からなるＡｌエッチャントを用い
てパターニングし図８の支持部８３、８４のパターンを
ねじり梁８２上に形成した（図９（ｄ）に点線で表
示）。さらに、酸素ガスを用いた反応性イオンエッチン
グにより、フォトレジストを除去した。次に、実施例１
と同様の方法により、第１基板７１上に剥離層７５およ
び探針８０を形成する。探針８０はＡｕを１μｍ成膜し
た探針材料層からなる。次に、第１基板７１の探針８０
と接合層７８とを位置合わせし、接合を行った（図９
（ｄ）参照）。接合は第１基板７１と第２基板９５の裏
面に圧力を加えて圧着する方法を用いている。これによ
りＡｕとＰｔとの結合がなされ、探針材料層７７と接合
層７８が接合し、第１基板７１と第２基板９５を当接後
に離すことにより剥離層上のＡｕのみが接合層７８上に
微小探針８０を転写できた。次に第２基板９５上にフォ
トレジスト１１２を塗布し、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９５の裏面
側からシリコン基板９５の一部をエッチングしシリコン
ブロック１０４を形成し、さらに裏面側から薄膜平板下
部の窒化シリコン膜１００をＣＦ4ガスを用いた反応性
イオンエッチングにより除去した（図９（ｅ）参照）。
最後に、酸素プラズマによりフォトレジスト１１２及び
薄膜平板下部の樹脂膜よりなる接着層９７をアッシング
し空隙１０２を形成した。Thereafter, a part of the adhesive layer 97 was etched by reactive ion etching using oxygen gas.
An Al film serving as a support layer was formed on the beam pattern thus formed and the bonding layer by ion beam sputtering using an Al target, which is one of vacuum deposition methods.
A μm film was formed. A photoresist is applied on the Al film by a photolithography process, exposed and developed, the Al film is patterned using an Al etchant composed of phosphoric acid, nitric acid and acetic acid, and the patterns of the supporting portions 83 and 84 in FIG. It was formed above (shown by a dotted line in FIG. 9D). Further, the photoresist was removed by reactive ion etching using oxygen gas. Next, Example 1
The release layer 75 and the probe 80 are formed on the first substrate 71 by the same method as described above. The probe 80 is formed of a probe material layer in which Au is formed to a thickness of 1 μm. Next, the probe 80 of the first substrate 71
And the bonding layer 78 were aligned and bonded (FIG. 9).
(D)). The bonding is performed by applying pressure to the back surfaces of the first substrate 71 and the second substrate 95 to perform pressure bonding. As a result, Au and Pt are bonded, the probe material layer 77 and the bonding layer 78 are bonded, and the first substrate 71 and the second substrate 95 are separated after contact with each other, so that only Au on the separation layer is bonded to the bonding layer 78. The fine probe 80 could be transferred onto the top. Next, a photoresist 112 is applied on the second substrate 95, and a part of the silicon substrate 95 is etched from the back surface side of the second substrate 95 by crystal axis anisotropic etching using an aqueous solution of potassium hydroxide to form a silicon block 104. Then, the silicon nitride film 100 below the thin film flat plate was removed from the back side by reactive ion etching using CF 4 gas (see FIG. 9E).
Finally, the adhesive layer 97 made of the photoresist 112 and the resin film below the thin film flat plate was ashed by oxygen plasma to form the void 102.
【００２２】以上の形成法を用いて空隙１０２を持つ、
結晶シリコンからなるねじり梁８２と薄膜平板８１、及
び接合層上に形成された微小探針８０を有する、Ａｌの
支持部８３、８４で支持された図８に示す静電アクチュ
エータの機能を持つプローブを形成した。本実施例のプ
ローブにより、探針が試料に対して常に１つの頂点で接
触するために常に高解像度の得られるカンチレバー型プ
ローブを得ることができた。また、本実施例のプローブ
は実施例２と同様に、第２基板に形成されたそれぞれの
開口部に対して、向かい合った２組のプローブチップ
（マルチプローブチップを含む）を形成することができ
るため、生産性を向上させることができた。A cavity 102 is formed by using the above-described forming method.
A probe having the function of an electrostatic actuator shown in FIG. 8 supported by Al support portions 83 and 84, having a torsion beam 82 made of crystalline silicon, a thin film flat plate 81, and a fine probe 80 formed on a bonding layer. Was formed. According to the probe of the present embodiment, a cantilever-type probe that always obtains high resolution can be obtained because the probe always contacts the sample at one vertex. Further, in the probe of this embodiment, as in the second embodiment, two sets of probe tips (including multi-probe tips) facing each other can be formed for each opening formed in the second substrate. Therefore, the productivity was able to be improved.
【００２３】[0023]
【発明の効果】本発明は、以上のように、探針をその一
方の頂点が該弾性体の表面を基準として他方の頂点より
も高く、かつ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向が該弾性
体の長さ方向とほば直交するように構成できるため、探
針を試料に対して常に１つの頂点で接触させることが可
能となり、それによって高解像度が得られ、また、単位
面積当たりのプローブ本数を多くすることにより、生産
性を向上させることのできるプローブを実現することが
できる。As described above, according to the present invention, the tip of one of the vertices is higher than the other apex with respect to the surface of the elastic body, and the direction of the line connecting the two vertices is changed. Since the probe can be configured so as to be substantially perpendicular to the length direction of the elastic body, the probe can always be brought into contact with the sample at one vertex, whereby a high resolution can be obtained, and By increasing the number of probes, a probe that can improve productivity can be realized.
【図１】実施例１によるプローブの探針部分図である。FIG. 1 is a partial view of a probe of a probe according to a first embodiment.
【図２】実施例１によるプローブの探針部分の斜視図で
ある。FIG. 2 is a perspective view of a probe portion of the probe according to the first embodiment.
【図３】実施例１によるプローブの全体図である。FIG. 3 is an overall view of a probe according to a first embodiment.
【図４】実施例１によるプローブの製造方法を示す図で
ある。FIG. 4 is a diagram illustrating a method of manufacturing a probe according to the first embodiment.
【図５】実施例１によるプローブを用いたＡＦＭ／ＳＴ
Ｍ装置のブロック図である。FIG. 5 shows an AFM / ST using the probe according to the first embodiment.
It is a block diagram of M apparatus.
【図６】実施例２によるプローブを示す図である。FIG. 6 is a diagram showing a probe according to a second embodiment.
【図７】実施例２によるプローブの途中工程を示す図で
ある。FIG. 7 is a diagram showing an intermediate step of the probe according to the second embodiment.
【図８】実施例３によるプローブを示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a probe according to a third embodiment.
【図９】実施例３によるプローブの製造工程を示す図で
ある。FIG. 9 is a diagram illustrating a process of manufacturing a probe according to a third embodiment.
【図１０】従来例のプローブの製造工程断面図である。FIG. 10 is a sectional view showing a manufacturing process of a conventional probe.
【図１１】従来例のプローブの探針部分を示す図であ
る。FIG. 11 is a view showing a probe portion of a conventional probe.
【図１２】従来例のプローブを示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a conventional probe.
【図１３】従来例のプローブの途中工程を示す図であ
る。FIG. 13 is a diagram showing an intermediate process of a conventional probe.
【図１４】従来例のプローブと試料との位置関係を示す
図である。FIG. 14 is a diagram showing a positional relationship between a probe and a sample in a conventional example.
１：第１基板 ２：保護層 ３：凹部 ４：剥離層 ５：探針 ７：接合層 ８：第２基板 ９：弾性体（カンチレバー） １０：配線 １１：試料 １３：二酸化シリコン １４：窒化シリコン １６：第２基板開口部 ６１：レーザー光 ６２：レンズ ６３：ポジションセンサ ６４：試料 ６５：ＸＹＺ軸駆動ピエゾ素子 ６６：変位検出回路 ６７：ＸＹＺ駆動用ドライバー ６８：電圧印加回路 ６９：電流検出回路 ７８：接合層 ８０：微小探針 ８１：薄膜平板 ８２：ねじり梁 ８３、８４：支持部 ８５、８６：固定電極 ９１：シリコン基板 ９２：絶縁層 ９３：結晶シリコン膜 ９４：ビームパターン ９５：シリコン基板 ９７：接着層 ９８：Ａｌ膜 １００、１０１：窒化シリコン膜 １０２：空隙 １０４：シリコンブロック １１２：フォトレジスト 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 ５２２：ピラミッド状ピット 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 1: first substrate 2: protective layer 3: concave portion 4: release layer 5: probe 7: bonding layer 8: second substrate 9: elastic body (cantilever) 10: wiring 11: sample 13: silicon dioxide 14: silicon nitride 16: second substrate opening 61: laser beam 62: lens 63: position sensor 64: sample 65: XYZ axis driving piezo element 66: displacement detection circuit 67: XYZ driving driver 68: voltage application circuit 69: current detection circuit 78 : Bonding layer 80: minute probe 81: thin film flat plate 82: torsion beam 83, 84: support portion 85, 86: fixed electrode 91: silicon substrate 92: insulating layer 93: crystalline silicon film 94: beam pattern 95: silicon substrate 97 : Adhesive layer 98: Al film 100, 101: silicon nitride film 102: void 104: silicon block 112: photoresist 51 , 512: Silicon dioxide 514: silicon wafer 518: a pit 520, 521: silicon nitride 522: pyramidal pit 532: Cr layer 534: Soukatto 540: Mounting block 542: metal film
Claims (8)
を搭載した微小力または微小電流検出用のプローブであ
って、該探針が２つの頂点を有し、その一方の頂点が該
弾性体の表面を基準として他方の頂点よりも高く、か
つ、該２つの頂点を結ぶ線分の方向が該弾性体の長さ方
向とほぼ直交していることを特徴とするプローブ。1. A probe for detecting a minute force or a small current in which a probe is mounted on a free end of an elastic body supported on a substrate, wherein the probe has two vertexes, one of which is a vertex. A probe which is higher than the other apex with respect to the surface of the elastic body, and a direction of a line connecting the two vertices is substantially orthogonal to a length direction of the elastic body.
合層上に接合されていることを特徴とする請求項１に記
載のプローブ。2. The probe according to claim 1, wherein the probe is joined on a joining layer formed on the elastic body.
徴とする請求項１または請求項２に記載のプローブ。3. The probe according to claim 1, wherein the elastic body is a cantilever.
梁で支持したトーションレバーであることを特徴とする
請求項１または請求項２に記載のプローブ。4. The probe according to claim 1, wherein the elastic body is a torsion lever which supports a thin film flat plate with two torsion beams.
ーブにおいて、該プローブが請求項１〜請求項４のいず
れか１項に記載のプローブであることを特徴とするマル
チプローブ。5. A multi-probe having a plurality of probes on a substrate, wherein the probe is the probe according to any one of claims 1 to 4.
製造方法であって、面方位（１００）から（１１１）方
向に３０°以内の角度で傾いた方位を主面とするシリコ
ン単結晶基板からなる第１基板の表面に結晶異方性エッ
チングにより２つの頂点を有する凹部を形成し、該第１
基板の該凹部を含む基板上に剥離層を介して形成された
探針を、第２基板上に形成された弾性体上の接合層に、
前記２つの頂点を結ぶ線分の方向が前記弾性体の長さ方
向とほぼ直交するように転写することを特徴とする微小
電流または微小力検出用のプローブの製造方法。6. A method for manufacturing a probe for detecting a small force or a small current, wherein a silicon single crystal substrate having a principal plane inclined at an angle of not more than 30 ° from a plane direction (100) to a (111) direction. Forming a concave portion having two vertexes on the surface of a first substrate made of
A probe formed on a substrate including the concave portion of the substrate via a release layer, a bonding layer on an elastic body formed on the second substrate,
A method for producing a probe for detecting a small current or a small force, wherein the transfer is performed such that a direction of a line segment connecting the two vertexes is substantially orthogonal to a length direction of the elastic body.
製造方法であって、（ａ）第１基板として面方位（１０
０）から（１１１）方向に３０°以内の角度で傾いた方
位を主面とするシリコン単結晶基板を用意し、該第１基
板の表面に結晶異方性エッチングにより２つの頂点を有
する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
凹部を含む剥離層上に、探針を形成する工程と、（ｄ）
第２基板上に弾性体材料を形成し、弾性体形状にパター
ニングする工程と、（ｅ）前記弾性体材料上に接合層を
形成する工程と、（ｆ）前記２つの頂点を結ぶ線分の方
向と前記弾性体の長さ方向とが互いにほぼ直交するよう
に前記第１基板と前記第２基板とを位置合わせし、前記
凹部を含む剥離層上の探針を、前記第２基板の弾性体材
料上の接合層に接合する工程と、（ｇ）前記剥離層と探
針の界面で剥離を行い、前記接合層上に探針を転写する
工程と、（ｈ）第２基板の一部を除去して第２基板に支
持された弾性体を形成する工程と、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。7. A method for manufacturing a probe for detecting a minute current or a minute force, wherein (a) a plane orientation (10
A silicon single crystal substrate having a main surface inclined at an angle of 30 ° or less from (0) to (111) is prepared, and a concave portion having two vertexes is formed on the surface of the first substrate by crystal anisotropic etching. Forming; (b) forming a release layer on the substrate including the concave portion of the first substrate; (c) forming a probe on the release layer including the concave portion; )
Forming an elastic material on the second substrate and patterning it into an elastic shape; (e) forming a bonding layer on the elastic material; and (f) a line segment connecting the two vertices. The first substrate and the second substrate are aligned so that the direction and the length direction of the elastic body are substantially orthogonal to each other, and the probe on the release layer including the concave portion is elastically moved by the elasticity of the second substrate. A step of bonding to the bonding layer on the body material, (g) a step of separating at an interface between the separation layer and the probe and transferring the probe onto the bonding layer, and (h) a part of the second substrate. Forming a resilient member supported by the second substrate by removing the elastic member.
あって、第１基板の表面に高さの異なる２つの頂点を有
する凹部を形成し、該第１基板の該凹部を含む基板上に
剥離層を介して形成された探針を、第２基板上に形成さ
れた弾性体上の接合層に、前記２つの頂点を結ぶ線分の
方向が前記弾性体の長さ方向とほぼ直交するように転写
してなることを特徴とする微小電流または微小力検出用
のプローブ。8. A probe for detecting a small force or a small current, wherein a concave portion having two vertices having different heights is formed on a surface of a first substrate, and the concave portion of the first substrate is formed on a substrate including the concave portion. The direction of the line connecting the two vertices is substantially perpendicular to the length direction of the elastic body, by connecting the probe formed through the release layer to the bonding layer on the elastic body formed on the second substrate. Probe for detecting a minute current or a minute force, which is obtained by transferring a pattern as described above.
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|---|---|---|---|---|
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