JPH05248810A

JPH05248810A - 集積型ａｆｍセンサー

Info

Publication number: JPH05248810A
Application number: JP25685592A
Authority: JP
Inventors: Akitoshi Toda; 明敏戸田; Michio Takayama; 美知雄高山
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1992-01-09
Filing date: 1992-09-25
Publication date: 1993-09-28

Abstract

(57)【要約】【目的】試料を高い分解能で測定することのできる集積
型ＡＦＭ変位センサーを提供する。【構成】集積型ＡＦＭセンサー１０は、カンチレバー部
１２を備えている。カンチレバー部１２は、支持部１６
から延出した二本のビーム１２ａと１２ｂを有してい
る。この二本のビーム１２ａと１２ｂは先端で一体化し
て三角形状の自由端を形作り、この自由端には先端が鋭
く尖った探針１４が設けられている。このカンチレバー
部１２は、パッシベーション層２４とピエゾ抵抗層２２
とシリコン層２０とが積層され形成されている。カンチ
レバー部１２の固定端では、ピエゾ抵抗層２２に電気的
に接続された電極１８がコンタクトホール２６を介して
設けられている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば原子間力顕微鏡
に用いる集積型ＡＦＭセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】導電性試料を原子オーダーの分解能で観
察できる装置として、走査型トンネル顕微鏡（STM;Scan
ning Tunneling Microscope ）がビニッヒ（Binnig）と
ローラー（Rohrer）らにより発明された。このＳＴＭで
は、観察できる試料は導電性のものに限られている。そ
こで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術を利用
し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観察できる
装置として原子間力顕微鏡（AFM;Atomic Force Microso
pe）が提案された。このＡＦＭは、例えば特開昭６２−
１３０３０２に開示されている。

【０００３】ＡＦＭは、鋭く尖った突起部（探針）を自
由端に持つカンチレバーを備えている。この探針を試料
に近づけると、探針先端の先端の原子と試料表面の原子
との間に働く相互作用力（原子間力）によりカンチレバ
ーの自由端が変位する。この自由端の変位を電気的ある
いは光学的に測定しながら、探針を試料表面に沿って走
査することにより、試料の三次元的な情報を得ている。
例えば、カンチレバーの自由端の変位を一定に保つよう
に探針試料間距離を制御しながら探針を走査すると、探
針先端は試料表面の凹凸に沿って移動するので、探針先
端の位置情報から試料の表面形状を示す三次元像を得る
ことができる。

【０００４】ＡＦＭにおいて、カンチレバーの変位を測
定する変位測定センサーは、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ＡＦＭセ
ンサーが「M ．Tortonese 」らにより提案されている。
この集積型ＡＦＭセンサーは、例えば「M.Toronese,H.Y
anada, R.C.Barrett and C.F.Quate, Transducers and
Sensors’91:Atomicforce microscopy using a piezore
sistive cantilever」に開示されている。

【０００５】このような集積型ＡＦＭセンサーは、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
動かす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ｃ
ｍ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。

【０００６】次に、集積型ＡＦＭセンサーについて図１
７を参照して説明する。まず製造方法について説明す
る。スタートウェハ１００として、図１７（ａ）に示す
ように、シリコンウェハ１１０の上に酸化シリコンの分
離層１１２を介してシリコン層１１４を設けたもの、例
えば貼り合わせシリコンウェハを用意する。このシリコ
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１７（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開け、アルミ
ニウムをスパッタリングして電極１２０を形成する。さ
らに、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１７（ｂ）となる。続いて、オーミクック
コンタクトをとるための熱処理をした後、レジスト層１
２２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をエッチングしカンチレバ
ー部１２４を形成して集積型ＡＦＭセンサーが完成す
る。その側断面図を図１７（ｃ）に、上面図を図１７
（ｄ）に示す。このように作製した集積型ＡＦＭセンサ
ーでは、測定の際に、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
料表面の原子間に原子間力が作用すると、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。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上述した集積型ＡＦＭ
変位センサーでは、カンチレバー部の自由端に特に探針
を設けないで、平板的構造ながらもその先端を三角形に
形成し、その部分を測定試料に近づけてＡＦＭ測定を行
なっている。しかし、このような測定では試料面方向の
高い分解能を期待できない。

【０００８】また、従来の集積型ＡＦＭセンサーの作製
方法において、カンチレバー部を保持する支持部も一枚
のシリコンウェハから作製されており、各部分の厚さや
長さ等を高精度に規格させることができないという問題
がある。

【０００９】具体的には、シリコンウェハの厚さは、市
場に最も広く出回っている４インチ径のウェハで約５２
５μｍ±２０μｍであり、ばらつきがある。上述した集
積型ＡＦＭセンサーでは、シリコンウェハを表面より加
工してＵ字型とした後、シリコンウェハの下側よりエッ
チングを施してカンチレバーに形成している。しかし、
この形成時において、厚みのばらつき程度に対応したカ
ンチレバーの長さのばらつきを回避することができなか
った。この結果、高分解能なセンサーを提供できないと
いう問題が生じる。

【００１０】最近では、集積型ではない通常のＡＦＭに
おいて、ＡＦＭ測定時に、導電性のカンチレバーを用い
ることによって、ＡＦＭ測定をしながら試料と探針との
間に流れるトンネル電流をモニターして、ＡＦＭ／ＳＴ
Ｍ同時測定が行われている。また、探針と試料との間の
静電容量を検出して、ＡＦＭ／ＳＣａＭ(Scaninng Capa
citance Microscopy) 測定も行われている。ところが、
従来の集積型ＡＦＭセンサーでは、２種類以上の信号を
高分解能に捉えることができないという問題がある。

【００１１】本発明は、このような要求及び弊害を解決
するためになされ、その目的は、試料を高い分解能で測
定することのできる集積型ＡＦＭ変位センサーを提供す
ることにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために、本発明は、変位に応じて抵抗値が変化するピ
エゾ抵抗層が設けられたカンチレバー部を備える集積型
ＡＦＭセンサーにおいて、前記カンチレバー部の先端面
には、この先端面から突出し且つ尖鋭化された探針が設
けられている。

【００１３】

【作用】本発明の集積型ＡＦＭセンサーは、カンチレバ
ー部の先端面に尖鋭化した探針を備えているため、ＡＦ
Ｍ測定の際に縦方向・横方向ともに高い分解能を得るこ
とができる。また、探針はカンチレバー部の面から突出
しているため、試料との接触の心配も少なく、試料に対
してセンサーを平行に近い状態で配置できるため分解能
が向上する。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例に係る集積型Ａ
ＦＭ変位センサーについて説明する。なお、図１におい
て、（ａ）は側断面図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は斜視
図である。

【００１５】図１に示すように、集積型ＡＦＭセンサー
１０は、カンチレバー部１２を備えている。カンチレバ
ー部１２は、支持部１６から延出した二本のビーム１２
ａと１２ｂを有している。この二本のビーム１２ａと１
２ｂは先端で一体化して三角形状の自由端を形作り、こ
の自由端には先端が鋭く尖った探針１４が設けられてい
る。このカンチレバー部１２は、パッシベーション層２
４とピエゾ抵抗層２２とシリコン層２０とが積層され形
成されている。カンチレバー部１２の固定端では、ピエ
ゾ抵抗層２２に電気的に接続された電極１８がコンタク
トホール２６を介して設けられている。

【００１６】本発明の集積型ＡＦＭセンサーは、カンチ
レバー部１２の自由端に探針１４が設けられているた
め、縦方向のみならず横方向についても高い分解能を得
ることができる。また、前述した探針を設けていない従
来の集積型ＡＦＭセンサーでは、測定中にカンチレバー
部の先端以外が試料に接触しないように、センサーをか
なりの角度傾けて取付ける必要があったが、本発明の集
積型ＡＦＭセンサーでは、探針１４がカンチレバー部１
２の面から突出しているため、その分接触の心配も少な
く、センサーを試料にほぼ平行に配置できるため分解能
が向上する。次に、上述した集積型ＡＦＭセンサー１０
を組み込んだ原子間力顕微鏡について図２を参照して説
明する。

【００１７】図２に示すように、集積型ＡＦＭセンサー
１０は、固定治具３２を介してチューブスキャナー３０
に取り付けられる。カンチレバー部１２の先端にある探
針１４は、試料台３６に載せた試料３８の表面に近づけ
て配置され、スキャナーコントローラー３４から印加さ
れる電圧に応じて変形するチューブスキャナー３０によ
りＸＹＺ方向に走査される。

【００１８】変位測定回路４０は電圧印加回路と電流検
出回路とを含み、この電圧印加回路はターミナル４２と
コンタクトワイヤー４４と電極１８とを介して集積型Ａ
ＦＭセンサー１０のエピゾ抵抗層２２に電気的に接続さ
れ、所定の直流電圧を印加する。このとき流れる電流は
変位測定回路４０の内部の電流検出回路で常に測定され
ている。探針１４を走査する間、試料３８の表面の凹凸
によりカンチレバー部１２が変位すると、この変位に伴
ってピエゾ抵抗層２２の抵抗率が変化するため、ピエゾ
抵抗層２２を流れる電流が変化する。従って、変位測定
回路４０の内部の電流検出回路で測定される電流値の変
化を検出することにより、カンチレバー部１２の変位が
測定される。

【００１９】カンチレバー部１２の変位を示す変位測定
回路４０の出力信号はコンピューター４８に取り込ま
れ、コンピューター４８はこの信号に基づいて、例えば
カンチレバー部１２と試料３８の間隔を一定に保つとい
った、スキャナーコントローラー３４のデジタルフィー
ドバック制御を行なう。また、試料台３６の粗動を行な
うようにステージコントローラー４６が設けられてい
る。コンピューター４８は、スキャナーコントローラー
３４やステージコントローラー４６の制御を行なうとと
もに、これらの制御信号と変位測定回路４０の信号とに
基づいて画像処理を行なって試料３８の観察像を構成し
モニター５０に表示する。続いて、図１に示した集積型
ＡＦＭセンサーの製造方法について、図３ないし図６を
参照して説明する。

【００２０】まず、スタートウェハとして、ＳＯＩ（Si
licon on Insulator）ウェハの一つであるシリコンの貼
り合わせウェハを用意する。このウェハの上側のシリコ
ン層５６は、燐（Ｐ）をドープしたｎ型で２０μｍの厚
さを有している。また、酸化シリコンの分離層５４の上
下のシリコン層５２と５６の面方位はともに（１００）
方向となっている。このウェハを洗浄した後、拡散炉に
てＳｉＯ₂層５８と６０をウェハの上下に堆積により形
成する（図３（ａ））。

【００２１】次に、上側のＳｉＯ₂層６０をパターニン
グして矩形の開口を形成し、これをマスクにしてシリコ
ン層５６をＥＤＰ（エチレン・ジアミン・ピロカテコー
ル・水）で異方性エッチングし、最も薄い部分の厚さが
３μｍ程度で斜面が（１１１）面の凹部６２を形成する
（図３（ｂ））。

【００２２】続いて、ウェハの上下にあるＳｉＯ₂層５
８と６０を一旦除去した後、ウェハの上下に１００ｎｍ
厚のＳｉＯ₂層６４と６６を再度形成し、さらにイオン
インプランテーションにより上側のシリコン層５６の表
面側にボロン（Ｂ）を１０^15ions/cm ² 程度の濃度で打
ち込んでピエゾ抵抗層６８を形成する（図３（ｃ））。

【００２３】次に、ＳｉＯ₂層６６の上に厚膜レジスト
７０を１０μｍをコートし、凹部６２の斜面を利用して
探針を形成するようにパターニングする。このときのレ
ジストのパターニング形状は、図６に示すように、シリ
コンの（１１０）方向に延びたものとなっている。ま
た、ウェハの下側のＳｉＯ₂層６４に開口７２を形成す
る（図３（ｄ））。

【００２４】このレジスト７０をマスクとして分離層５
４まで、ＳＦ₆＋Ｃ₂ＢｒＦ₅を用いて異方性プラズマ
ドライエッチングを行なってシリコン層５６を完全に除
去する。続いてレジスト７０を除去した後、その表面
に、パッシベーション用にＳｉＯ₂層７４を堆積させる
（図４（ａ））。

【００２５】次に、ピエゾ抵抗層６８から電極を取り出
すために、ＳｉＯ₂層７４と６６にコンタクトホール７
６を開け（図４（ｂ））、アルミニウムをスパッタリン
グにより堆積させて電極７８を形成する（図４
（ｃ））。

【００２６】続いて、ウェハの上側でポリイミド８０で
被覆し、開口７２を設けたＳｉＯ₂層６４をマスクとし
て、分離層５４に達するまでシリコン層５２をＥＤＰで
異方性エッチングする（図４（ｄ））。

【００２７】最後に、図５に示すように、酸化シリコン
分離層５４をバッファードフッ酸でエッチングして除去
するとともにポリイミド８０を取り除くと、図１の集積
型ＡＦＭセンサーを得る。

【００２８】次に、本発明の集積型ＡＦＭセンサーの別
の実施例を図７に示す。この集積型ＡＦＭセンサーは、
上述の実施例と同一のプロセスで作製した集積型ＡＦＭ
センサーの探針に対して、ＦＩＢ（Forcused Ion Beam
）装置を用いて加工して探針１４の先端の形状をさら
に尖らせたものである。これにより、さらに高い分解能
でＡＦＭ測定を行なうことが可能となる。

【００２９】また、本発明の集積型ＡＦＭセンサーのさ
らに別の実施例を図８に示す。本実施例では、ピエゾ抵
抗層にはヒ素（Ａｓ）をインプランテーションして作製
したｐ型のシリコン層を使用するとともに、ｐ型シリコ
ンは（１００）方向に高いピエゾ係数を示すのでカンチ
レバー部１２の延びる方向をこの方向に選ぶ。本実施例
の集積型ＡＦＭセンサーは、次に述べる二点を除いて、
上述の実施例と同一のプロセスで作製される。その１
は、図３（ｃ）の工程において、ボロンではなくヒ素を
打ち込んでピエゾ抵抗層を作製する。その２は、図３
（ｄ）の工程において、レジスト７０を、図９に示すよ
うに、凹部６２の対角線方向に延び、先端が凹部６２の
角にかかるようにパターニングする。このように作製し
た集積型ＡＦＭセンサーでは、探針は凹部の角を利用し
て作製するため図示した形状になる。このように作製し
た本実施例の集積型ＡＦＭセンサーは、縦方向とも高い
分解能でのＡＦＭ測定が可能であった。以下、本発明の
第２の実施例に係る集積型ＡＦＭセンサーについて、図
１０及び図１１を参照して説明する。

【００３０】図１０に示すように、本実施例の集積型Ａ
ＦＭセンサーは、原子間力顕微鏡（図示しなし）に取り
付け可能に構成された支持部２１と、この支持部２１か
ら延出した例えば窒化シリコン製のカンチレバー部２３
と、このカンチレバー部２３の先端部２３ａに設けられ
たシリコン製の探針２５と、支持部２１からカンチレバ
ー部２３の先端部２３ａを経由して略Ｕ字状に配置さ
れ、カンチレバー部２３の変位に対応してその抵抗値が
変化する抵抗層２７と、この抵抗層２７に所定の電圧を
印加させる電極部２９とを備えている。なお、抵抗層２
７は、ボロン（Ｂ）がドープされたシリコンから成る。

【００３１】探針２５は、三角錐形状、即ち、四面体形
状を成しており、その尖鋭度が、従来のものに比べて極
めて高く規定されているため、測定の高分解能化が図ら
れている。

【００３２】次に、このような構成を有する本実施例の
集積型ＡＦＭセンサーの作製方法について図１１を参照
して説明する。なお、同図の左右方向は、方位（１１
０）とする。

【００３３】まず、スタートウェハとしてシリコンウェ
ハ３１を用意して、このシリコンウェハ３１の表面から
ボロン（Ｂ；１０²⁰イオン／ｃｍ³ 以上の濃度）をドー
ピングして厚さ１μｍの抵抗層２７を形成する（図１１
（ａ）参照）。

【００３４】次に、抵抗層２７にドライエッチングを施
して（同（ｂ）参照）、同（ｃ）に示すような形状にパ
ターニングする。この結果、図１０（ａ）に示された抵
抗層２７の輪郭が形成される。

【００３５】このように抵抗層２７が形成されたシリコ
ンウェハ３１側の表面にＬＰ−ＣＶＤ法によって窒化シ
リコン層３３を厚さ１μｍ堆積させた後（同（ｄ）参
照）、ドライエッチングを施して、同（ｅ）及び（ｆ）
に示すように、窒化シリコン層３３及びシリコンウェハ
３１の一部を除去して、カンチレバー部２３（図１０
（ａ）参照）の輪郭を形成する。このように除去した部
分の深さＹ（同（ｅ）参照）は、５μｍである。探針２
５（図１０参照）の長さは、かかる深さＹによって決定
されるため、長い探針を必要とする場合には、更に、エ
ッチングを進める必要がある。なお、同（ｆ）には、説
明の都合上、窒化シリコン層３３が除去された状態が示
されている。

【００３６】同（ｆ）に示すように、エッチングされて
カンチレバー形状に残留した部分の先端Ａは、三角形状
を成しており、かかる残留部分の長さＢは、２５０μｍ
になっている。なお、このように残留した部分（符号Ｂ
で示された範囲の部分）で構成されるカンチレバー部２
３（図１０（ａ）参照）は、通常、ばね定数が０．０１
〜１０Ｎ／ｍ程度となるように、その長さＢは、１００
μｍ〜５００μｍ程度に設計されるが、窒化シリコン層
３３（同（ｅ）参照）の厚みに対応して更に長く設計す
ることも可能である。

【００３７】次に、このように加工されたシリコンウェ
ハ３１を熱拡散炉中において９５０℃まで加熱して、同
（ｅ）に示すプロセスにおいて露出したシリコン面３５
を酸化させて酸化シリコン膜３７を形成する（同（ｇ）
参照）。

【００３８】この後、ダイシングソーによって予め片面
に溝３９が形成されたパイレックスガラス（コーニング
＃７７４０）４１を窒化シリコン層３３上に陽極接合す
る（同（ｈ）参照）。この接合後、再び、ダイシングソ
ーによりパイレックスガラス４１を同（ｉ）に示すよう
な形状に加工する。

【００３９】更に、シリコンウェハ３１を水酸化カリウ
ム水溶液に浸漬させて、この部分にエッチングを施す。
かかるエッチングは、抵抗層２７の無い部分では、窒化
シリコン層３３を残した状態で停止し、抵抗層２７の在
る部分では、エッチング停止層として機能する抵抗層２
７のうち、濃度が１０²⁰イオン／ｃｍ³ 程度の所で停止
する。酸化シリコン膜３７が形成された部分のシリコン
ウェハ３１は、酸化シリコン膜３７が一面を被った状態
で四面体形状に加工される（同（ｉ）参照）。このよう
に四面体形状に加工された部分４３が後のプロセスを経
て探針２５（図１０参照）となる。なお、符号４３で示
された部分の一つの斜面４３ａは、その面方位が（１１
１）となっている。

【００４０】この後、符号４３で示された部分を残して
フッ酸で酸化シリコン膜３７にエッチングを施す。この
結果、窒化シリコン層３３の先端に探針２５が形成され
る（同（ｊ）参照）。最後に、抵抗層２７の基端部に夫
々アルミニウム製の電極部２９を加工する。なお、保護
層として酸化シリコン膜等を表面に形成してもよい。

【００４１】この結果、図１０に示されたような集積型
ＡＦＭセンサーが形成される（同（ｋ）参照）。なお、
上記プロセスを経て残留したパイレックスガラス４１
は、支持部２１（図１０参照）として機能することにな
る。

【００４２】このように本実施例の集積型ＡＦＭセンサ
ーは、図１１（ｈ）のプロセスで示された貼り合わせ技
術（陽極接合法）が適用されて支持部２１が形成される
ため、センサー全体をシリコンで作製した従来の作製方
法に比べて簡単に作製することができる。

【００４３】即ち、半導体ＩＣプロセスは、シリコンウ
ェハの表面を加工するプロセスであることから、カンチ
レバー部２３を作製するには非常に適した方法である。
しかし、支持部２１を作製する場合には、必ずしも適当
な方法とは言えない。そこで、本実施例では、陽極接合
法が適用され、窒化シリコン層３３と後のプロセスを経
て支持部２１に加工されるべきパイレックスガラス４１
とを貼り合わせるプロセスを設けることによって、作製
プロセスの簡略化が図られている。

【００４４】更に、従来では、カンチレバー部を形成す
るために、シリコンウェハの下側からウェハを貫通する
ように水酸化カリウム水溶液等でエッチングが行われて
いたが、図１１（ｉ）のプロセスでは、ドーピングされ
たボロンの濃度が１０²⁰イオン／ｃｍ³ 程度の抵抗層２
７をエッチング停止層として併用したことによって、作
製プロセスの簡略化が図られている。

【００４５】更に、探針２５も、支持部２１及びカンチ
レバー部２３の作製プロセス内で同時に作製することが
できるため、作製プロセスの簡略化が図られている。し
かも、かかるプロセスにおいてカンチレバー部２３の先
端２３ａに、自己整合により四面体形状に形成された探
針２５は、その頂点で３つの稜が交差するように構成さ
れているため、一般的に使用されている探針と比べて極
めて尖鋭化させることができる。ＡＦＭ測定における分
解能は、探針の尖鋭度に対応しており、この点、かかる
探針２５が適用された本実施例の集積型ＡＦＭセンサー
は、高い分解能でＡＦＭ測定を行うことが可能となる。

【００４６】また、支持部２１とカンチレバー部２３と
のアライメント精度は、数μｍと極めて小さい最適な値
に納まめることができるため、厚み及び長さのばらつき
がなくなり、所望の設計通りのカンチレバー部２３を有
する集積型ＡＦＭセンサーを提供することができる。

【００４７】なお、上述した実施例では、最後のプロセ
スにおいて電極部２９を形成しているが、陽極接合前、
窒化シリコン層３３にコンタクトホールを開け、金属を
堆積して抵抗層２７に接続される電極を形成した後、予
め金属が堆積あるいはパターニングされたパイレックス
ガラス４１を使用して、陽極接合と同時に抵抗層２７と
電気的に接続させるようなプロセスを適用することもで
きる。

【００４８】以下、本発明の第３の実施例に係る集積型
ＡＦＭセンサーについて、図１２を参照して説明する。
なお、本実施例の説明に際し、第２の実施例と同一の構
成には、同一符号を付してその説明を省略する。

【００４９】本実施例の集積型ＡＦＭセンサーは、ＡＦ
Ｍ測定のほか、ＳＴＭ又はＳＣａＭ、あるいは、これら
と同時にＬＦＭ測定(Lateral Force Microscopy)を行う
ことができるように構成されている。

【００５０】図１２に示すように、第１の実施例との構
成上の差異は、スタートウェハとしてＰ型のウェハを適
用した点と、複数系統の第１ないし第３の抵抗層４５、
４７、４９を適用した点にある。また、Ｐ型ウェハを適
用したことにより探針２５自身も導電性を有する。これ
は、スタートウェハとしてＰ型のウェハを適用した点の
ほかに、ボロンをドーピングしたときにできる濃度分布
が、探針２５の部分においても十分な濃度を有している
からである。

【００５１】本実施例では、四面体形状の探針２５は、
カンチレバー部２３の中央部に沿って先端部２３ａまで
延出して形成された第１の抵抗層４５上に堆積され、電
気的に接続されている。この第１の抵抗層４５及び探針
２５を作用させることによって、ＳＴＭ測定等が行われ
る。また、第１の抵抗層４５の両側に、夫々、カンチレ
バー部２３の先端部２３ａを経由して形成された第２及
び第３の抵抗層４７、４９は、カンチレバー部２３の長
手軸に対して対称的に構成されており、ＬＦＭ測定等に
供される。

【００５２】このような構成を有する集積型ＡＦＭセン
サーは、第１ないし第３の抵抗層４５、４７、４９のパ
ターニング方法を除いて、他の作製方法及び作用・効果
は、第２の実施例と同様であるため、その説明は省略す
る。

【００５３】本実施例の集積型ＡＦＭセンサーは、第１
ないし第３の抵抗層４５、４７、４９を適用したことに
よって、ＳＴＭ測定又はＳＣａＭ測定、あるいは、これ
らと同時にＬＦＭ測定を適宜選択的に行うことができ
る。

【００５４】なお、本発明は、上述した実施例の構成に
限定されることはなく、例えば、カンチレバー部２３の
表面にカンチレバー部の歪み信号を計測する抵抗層を配
置し、裏面に他の信号を計測する他の抵抗層を配置し
て、抵抗層相互間における信号干渉を防止させるように
構成することも可能である。

【００５５】以下、本発明の第４の実施例に係る集積型
ＡＦＭセンサーについて、図１３及び図１４を参照して
説明する。なお、本実施例の説明に際し、上述した実施
例と同一の構成には同一符号を付してその説明を省略す
る。

【００５６】図１３に示すように、本実施例の集積型Ａ
ＦＭセンサーは、カンチレバー部２３の表面に形成され
た第１ないし第３の抵抗層５５、５７、５９（図１４
（ｃ）参照）から成る抵抗層群６１と、その裏面に形成
された第４の抵抗層７１とを備えている。探針２５は、
カンチレバー部２３の先端部２３ａの第２の抵抗層５７
上に形成されている。また、第１ないし第４の抵抗層５
５、５７、５９は、夫々、その基端部に電極部２９が形
成されており、外部回路（図示しない）と電気的に接続
可能に構成されている。次に、このような構成を有する
本実施例の集積型ＡＦＭセンサーの作製方法について図
１４を参照して説明する。

【００５７】まず、スタートウェハとして２枚のＰ型シ
リコンウェハ５１、５１ａを用意して、これらシリコン
ウェハ５１、５１ａの表面からボロンを高濃度にドーピ
ングして厚さ１μｍのボロンドープ層５３を形成する
（図１４（ａ）参照）。なお、同（ａ）から同（ｆ）に
は、一方のシリコンウェハ５１のみが示されている。

【００５８】次に、その一方のシリコンウェハ５１のボ
ロンドープ層５３にドライエッチングを施して（同
（ｂ）参照）、同（ｃ）に示すような形状にパターニン
グする。この結果、シリコンウェハ５１上には、カンチ
レバー部２３の変位を測定するための第１ないし第３の
抵抗層５５、５７、５９から成る抵抗層群６１が形成さ
れる。

【００５９】このように抵抗層群６１が形成されたシリ
コンウェハ５１側の表面にＬＰ−ＣＶＤ法によって窒化
シリコン層６３を厚さ１μｍ堆積させた後（同（ｄ）参
照）、フォトリソグラフィー法によって窒化シリコン層
６３の基端部側を一部除去して、同（ｆ）に示すような
形状に電極部用の穴６５を形成する（同（ｅ）参照）。

【００６０】次に、かかるシリコンウェハ５１に対して
先端部２３ａ（図１３参照）が三角形のカンチレバー部
２３（図１３参照）の輪郭を形成すべく、同（ｆ）に示
すような輪郭になるように、窒化シリコン層６３及びそ
の下側のシリコンウェハ５１をエッチングして所定の深
さまで削り取る（同（ｅ）、（ｆ）参照）。具体的に
は、同（ｅ）、（ｆ）に示すように、削り取られて形成
された溝部６７の深さＹ（同（ｅ）参照）は、抵抗層群
６１の下面から５μｍである。

【００６１】この後、熱拡散炉中において酸化処理を施
すことによって、溝部６７内面に露出したシリコン面に
酸化シリコン膜６９を形成する（同（ｅ）、（ｆ）参
照）。なお、同（ｆ）には、説明の都合上、窒化シリコ
ン層６３が除去された状態が示されている。

【００６２】次に、同（ａ）のプロセスでボロンドープ
層５３が形成された他のシリコンウェハ５１ａを用意し
て、同（ｇ）に示すような輪郭にボロンドープ層５３を
パターニングし、第４の抵抗層７１を形成する。次に、
同（ｈ）に示すように、２枚のシリコンウェハ５１、５
１ａを夫々加工面どうしを対面させて互いに接合する。

【００６３】この後、シリコンウェハ５１ａの未加工面
を酸化処理して酸化シリコン膜７３（同（ｉ）参照）を
形成し、パターニングを施した後、このシリコンウェハ
５１ａが支持部２１（図４参照）の形状に残留するよう
に、２枚のシリコンウェハ５１、５１ａに対してエチレ
ン・ジアミン・ピロカテコール水を用いて湿式異方性エ
ッチングを施し、更に、残留した酸化シリコン膜６９を
フッ酸で除去することによって、同（ｉ）に示すような
形状に加工する。

【００６４】同（ｉ）に示すように、シリコンウェハ５
１ａが支持部２１形状に残留し、この支持部２１（図１
３参照）から図中右側に延出して形成されたカンチレバ
ー部２３は、窒化シリコン層６３の両面に抵抗層群６１
と第４の抵抗層７１とを備えて構成される。なお、探針
２５は、抵抗層群６１の構成である第２の抵抗層５７
（同（ｃ）参照）の先端上に電気的に接続した状態で形
成される。最後に、第１ないし第３の抵抗層５５、５
７、５９の基端部側上面及び穴６５を介して第４の抵抗
層７１上に夫々電極部２９を形成する（同（ｊ）参
照）。

【００６５】このように作製された本実施例の集積型Ａ
ＦＭセンサーに適用されたカンチレバー部２３は、第１
ないし第３の抵抗層５５、５７、５９から成る抵抗層群
６１と第４の抵抗層７１とを窒化シリコン層６３の両面
に配置して構成されているため、カンチレバー部２３の
一面内での抵抗層のパターニングを簡素化でき、カンチ
レバー部２３の幅を細くすることが可能となる。このこ
とは、集積型ＡＦＭセンサーの感度を向上させる結果と
なる。具体的には、短冊型のカンチレバーのばね定数
は、カンチレバーの幅に比例する。従って、抵抗層の簡
素化によって幅が狭められた本実施例の集積型ＡＦＭセ
ンサーのばね定数もその分小さくなり、微弱な力に対す
る感度が向上することが分かる。

【００６６】また、窒化シリコン層６３の両面に抵抗層
（６１、７１）を設けることによって、これら抵抗層
（６１、７１）の間の洩れ電流を極めて少なくすること
が可能となり、結果、高感度化が達成される。

【００６７】更に、本実施例に適用されたカンチレバー
部２３には、探針２５が接続される第２の抵抗層５７の
両側にガード電極として機能する第１及び第３の抵抗層
５５、５９が形成されている（同（ｃ）参照）。この結
果、例えば、ＳＴＭ測定において、探針２５と測定試料
（図示しない）とを含む回路を構成して、カンチレバー
部２３の受ける力以外の信号を検出する場合でも、ガー
ド電極によって外乱ノイズによる影響が軽減され、高精
度な測定を行うことができる。

【００６８】以下、本発明の第５の実施例に係る集積型
ＡＦＭセンサーについて、図１５及び図１６を参照して
説明する。なお、本実施例に適用された集積型ＡＦＭセ
ンサー７５の構成は、上述した各実施例の構成と同一で
あるため、その構成・作用・効果についての説明は省略
する。

【００６９】図１５に示すように、本実施例の集積型Ａ
ＦＭセンサー７５は、ＡＦＭ測定系７０に組み込まれて
おり、基端部が中空円筒状のチューブスキャナ７７に接
続されたホルダ７９の先端部に固定され、且つ、ＡＦＭ
信号の他、複数の信号が検出できるように、対応する第
１及び第２の信号検出回路８１、８３に電気的に接続さ
れている。なお、ホルダ７９は、その長手軸がチューブ
スキャナ７７の軸に平行となるように、チューブスキャ
ナ７７に接続されており、このホルダ７９の先端部に固
定された集積型ＡＦＭセンサー７５は、その軸方向（カ
ンチレバー部２３の軸方向）がホルダ７９の長手軸に平
行になるように構成されている。従って、本実施例の集
積型ＡＦＭセンサー７５の軸は、チューブスキャナ７７
の軸とは互いに平行に規定されている。既に図２により
本発明の集積型ＡＦＭセンサを使用してＡＦＭ測定を行
う装置構成は示したが、この点が図２の装置と異なる。

【００７０】このような集積型ＡＦＭセンサー７５を介
して第１及び第２の信号検出回路８１、８３によって検
出され又は処理された信号は、サーボコントローラ８５
に出力される。サーボコントローラ８５は、集積型ＡＦ
Ｍセンサー７５の探針２５（図１０ないし図１４参照）
と測定試料表面８７との間の物理量を一定に維持させる
ように、受信した信号に所定の演算を施して得られたフ
ィードバック信号をスキャナドライバ８９に出力すると
共に、受信した信号を基にして集積型ＡＦＭセンサー７
５と測定試料表面８７との相対的な位置変化を作表化す
るように、コンピュータ９１に出力する機能を有する。

【００７１】スキャナドライバ８９は、受信したフィー
ドバック信号に基づいて、チューブスキャナ７７の外周
面に一定間隔で設けられた調整部９３を介してチューブ
スキャナ７７を所定量だけ微動させて、集積型ＡＦＭセ
ンサー７５の探針２５を測定試料表面８７に対して図中
Ｓ方向に制御可能に構成されている。

【００７２】このように構成されたＡＦＭ測定系７０
は、例えば、図１６に示すように、チューブスキャナ固
定台９５に固定されて使用される。このチューブスキャ
ナ固定台９５は、三点支持用ボール９７を介して測定試
料表面８７上に直接載置され、この結果、スタンドアロ
ン型のＡＦＭが構成されている。

【００７３】また、チューブスキャナ固定台９５には、
三点支持用ボール９７と接続された摘みねじ９９が取り
付けられており、この摘みねじ９９を操作することによ
って、探針２５と測定試料面８７との間の距離をチュー
ブスキャナ７７で調整できる限界まで制御可能に構成さ
れている。

【００７４】また、チューブスキャナ７７の軸方向に貫
通して形成された円筒状穴７７ａ（図１５参照）には、
ＣＣＤカメラ１０１が取り付けられた側視型硬性鏡部１
０３が挿通されており、測定試料表面８７のうち、集積
型ＡＦＭセンサー７５で測定する部位（Ｆ）をディスプ
レイ１０５を介して光学的に観察できるように構成され
ている。なお、チューブスキャナ７７は、側視型硬性鏡
部１０３から独立して組み立てられており、ＡＦＭ測定
において側視型硬性鏡部１０３からの振動を直接受けな
いように構成されている。

【００７５】このようにＡＦＭ測定系７０と組み合わさ
れた本実施例の集積型ＡＦＭセンサー７５は、その軸が
チューブスキャナ７７の軸方向と平行になるような、横
に伸びた横長のＡＦＭを構成している。このため、特
に、ガラス配管等のパイプ内部を高精度に測定すること
が可能となる。

【００７６】

【発明の効果】本発明の集積型ＡＦＭセンサには、カン
チレバー部の先端面に尖鋭化した探針が突出して設けら
れているので、ＡＦＭ測定時、縦及び横方向に高い空間
分解能を得ることができる。また、集積型ＡＦＭセンサ
を測定試料に対してわずかに傾斜させるだけで、探針以
外の部分が試料表面に接触することがなくなるため、接
触による像の乱れを防止でき、好良な画像を得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る集積型ＡＦＭセン
サーの構成を概略的に示す図であって、（ａ）は側断面
図、（ｂ）は上面図、（ｃ）は斜視図。

【図２】図１の集積型ＡＦＭセンサーを組み込んだ原子
間力顕微鏡の構成を示す図。

【図３】図１の集積型ＡＦＭセンサーの製造工程を示す
図。

【図４】図１の集積型ＡＦＭセンサーの製造工程を示す
図。

【図５】図１の集積型ＡＦＭセンサーの製造の最終工程
を示す図。

【図６】図３（ｄ）の工程におけるレジストのパターニ
ング形状を示す図。

【図７】本発明による集積型ＡＦＭセンサーの別の実施
例を示す図。

【図８】本発明による集積型ＡＦＭセンサーのさらに別
の実施例を示す図。

【図９】図８の集積型ＡＦＭセンサーの製造工程におけ
るレジストのパターニング形状を示す図。

【図１０】本発明の第２の実施例に係る集積型ＡＦＭセ
ンサーの構成を概略的に示す図であって、（ａ）は、そ
の斜視図、（ｂ）は、その部分断面図。

【図１１】図１０に示す集積型ＡＦＭセンサーの作製プ
ロセスを順に示す図。

【図１２】本発明の第３の実施例に係る集積型ＡＦＭセ
ンサーの構成を概略的に示す図であって、（ａ）は、そ
の斜視図、（ｂ）は、その部分断面図。

【図１３】本発明の第４の実施例に係る集積型ＡＦＭセ
ンサーの構成を概略的に示す図。

【図１４】図１３に示す集積型ＡＦＭセンサーの作製プ
ロセスを順に示す図。

【図１５】本発明の第５の実施例に係る集積型ＡＦＭセ
ンサーが組み込まれたＡＦＭ測定系の構成を概略的に示
す図。

【図１６】図１５に示すＡＦＭ測定系が組み込まれてス
タンドアロン型のＡＦＭが構成された状態を示す図。

【図１７】従来の集積型ＡＦＭセンサーの作成プロセス
を順に示す図。

【符号の説明】

１０…集積型ＡＦＭセンサー、１２…カンチレバー部、
１２ａ，１２ｂ…ビーム、１４…探針、１６…支持部、
１８…電極、２０…シリコン層、２２…ピエゾ抵抗層、
２４…パッシベーション層、２６…コンタクトホール。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】変位に応じて抵抗値が変化するピエゾ抵
抗層が設けられたカンチレバー部を備える集積型ＡＦＭ
センサーにおいて、前記カンチレバー部の先端面には、この先端面から突出
し且つ尖鋭化された探針が設けられていることを特徴と
する集積型ＡＦＭセンサー。