JPH1183874A

JPH1183874A - 走査型プローブ顕微鏡

Info

Publication number: JPH1183874A
Application number: JP23976497A
Authority: JP
Inventors: Hisahiro Nishimoto; 尚弘西本
Original assignee: Shimadzu Corp
Current assignee: Shimadzu Corp
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1997-09-04
Publication date: 1999-03-26

Abstract

(57)【要約】【課題】自己変位検出機能をもち、耐環境性に優れた
カンチレバーチップを備えた走査型プローブ顕微鏡を提
供する。【解決手段】カンチレバー部１ｂの少なくとも固定端
部に、ピエゾ抵抗層２を形成し、このピエゾ抵抗層２の
抵抗値変化から探針１ａの変位を検出するように構成す
ることにより、カンチレバーチップ１に自己変位検出機
能を持たせ、しかもカンチレバー部１ｂの表面のうち、
ピエゾ抵抗層２が形成された部分の表面のみに保護膜３
を形成して、ピエゾ抵抗層２の表面を保護膜３で覆うこ
とで、環境の影響を受け難くする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は走査型プローブ顕微
鏡に関する。

【０００２】

【従来の技術】図１に、走査型プローブ顕微鏡の一つで
あるＡＦＭ（原子間力顕微鏡）の従来の構成例を示す。
このＡＦＭは、先端に曲率半径の小さい探針を備えたカ
ンチレバーＬと、このカンチレバーＬの変位を検出する
光学系Ｄによって構成されており、探針を試料Ｓの表面
に近づけると、試料原子と探針との間に働く力により、
カンチレバーＬが撓む点を利用し、そのカンチレバーＬ
の撓みを光学系Ｄによって検出する、いわゆる光てこ方
式を採用した顕微鏡である。

【０００３】また、ＡＦＭにおいては上記した変位検出
方式の他に、カンチレバーと変位検出系とを一体化する
ことも試みられている。その一例として、シリコン製の
カンチレバー中にピエゾ抵抗素子を形成し、その抵抗値
変化からカンチレバーの変位を検出する方式がある(Int
ernational Conference on Solidstate Sensors andAct
uators,1991,Tech.dig.pp448-451)。この方式では、光
てこ方式と比較して光軸調整が不要で真空中でも使用可
能である等の利点がある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、図１に示し
た光てこ方式の場合、カンチレバーチップとは別に、変
位検出用の光学系が必要で装置が大型になるという問題
がある。また、高真空中で測定を行いたい場合には検出
系も真空槽内に配置する必要があり、構成に制限を受け
ることになる。さらに、カンチレバーチップは使用量が
多くなれば先端探針が摩耗するためチップの交換が必要
になるが、チップの交換ごとに、都度、精密な光軸調整
を行う必要がある。

【０００５】これに対し、ピエゾ抵抗を用いた変位検出
方式の場合、上記の問題は解消できるが、この方式で
は、ピエゾ抵抗層が露出している場合、湿度・可動イオ
ンなどの環境の影響を受けやすく、ノイズ・ドリフト等
が発生しやすいという問題がある。特に、最近ＡＦＭ観
察の応用として興味がもたれている、生体試料など液中
観察においては、そのノイズ・ドリフト等の問題は顕著
となるため観察が困難となる。

【０００６】本発明はそのような実情に鑑みてなされた
もので、探針の変位を検出する自己変位検出機能をも
ち、しかも測定環境の影響を受け難い構造のカンチレバ
ーチップを備えた走査型プローブ顕微鏡の提供を目的と
する。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、測定に使用する
カンチレバーチップが、カンチレバー部とこのレバー部
の自由端に形成された探針を備えた構造で、カンチレバ
ー部の少なくとも固定端部にピエゾ抵抗層が形成され、
そのピエゾ抵抗層の抵抗値変化から探針の変位を検出す
るように構成されているとともに、カンチレバー部の表
面のうち、ピエゾ抵抗層が形成された部分の表面のみが
保護膜によって覆われていることによって特徴づけられ
る。

【０００８】以上の構成の本発明の走査型プローブ顕微
鏡によれば、ピエゾ抵抗層の表面が保護膜で覆われてい
るので、湿度・可動イオン等の環境の影響を受け難い。

【０００９】ここで、本発明において、カンチレバー部
の表面のうち、ピエゾ抵抗層が形成された部分の表面の
みに保護膜を形成しているのは、ピエゾ抵抗部を含むカ
ンチレバー部の全体に膜が存在すると、膜応力によりカ
ンチレバー部が撓んでしまうという点を回避するためで
ある。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を、以下、図
面に基づいて説明する。

【００１１】この実施の形態の走査型プローブ顕微鏡
は、図１に示した公知の顕微鏡と同様に、探針をもつカ
ンチレバーチップと、試料Ｓを走査するためのステージ
等によって構成されている。

【００１２】カンチレバーチップ１は、図２の模式図に
示すように、カンチレバー部１ｂとこれを支持する台座
１ｃと、カンチレバー部１ｂの自由端に設けられた探針
１ａを備えたシリコン製のチップで、そのカンチレバー
部１ｂの根元部付近に変位検出用のピエゾ抵抗層２（図
３参照）が形成されている。

【００１３】また、カンチレバーチップ１には、ピエゾ
抵抗層２に導通する一対の電極２ａ（図４参照）が形成
されており、この一対の電極２ａを利用して、ピエゾ抵
抗層２の抵抗値変化を電気信号として外部へと取り出す
ことができる。その電気信号は増幅器を介して変位検出
回路などに導かれる。なお、図２に示す構造において電
極２ｂはバイアス印加用の電極である。

【００１４】そして、本実施の形態においては、図３に
示すように、カンチレバー部１ｂの表面のうち、ピエゾ
抵抗層２が形成された固定端部の表面のみを保護膜３で
覆うことで、湿度・可動イオンなどの環境の影響を受け
難い構造としたところに特徴がある。

【００１５】なお、本実施の形態では、素子の温度特性
を向上させることを目的として、図２に示すように、温
度補償用のピエゾ抵抗層２′を、カンチレバー部１ｂの
撓みによる応力が及ばない位置に形成している。

【００１６】次に、図２の構造のカンチレバーチップ１
の作製工程を図４（１）〜（８）に示す。

【００１７】（１）まず、ｎ型ＳＯＩウエハ１１（Sili
con on Insulator；シリコン中に酸化膜層１１ａがある
ウエハ）を材料とする。ここでは、表面側の活性層の厚
さとして１５μｍ程度のものを用いる。

【００１８】（２）ウエハ１１の表面に酸化膜１２を形
成し、これをフォトリソグラフィ技術を用いて円形にパ
ターニングし、このパターニング後の酸化膜１２をマス
クとしてシリコンのエッチングを行って探針１ａを形成
する。ここではドライエッチング（ＲＩＥ；反応性イオ
ンエッチング）を用いるが、ＫＯＨなどを用いたウェッ
トエッチングであってもよいし、あるいはこれらの組み
合わせてでもよい。

【００１９】（３）熱酸化を行い、ウエハ１１の表面に
酸化膜（保護膜）１３を形成する。（４）カンチレバー部１ｂの固定端部となる部分（図２
参照）に、選択的にホウ素イオン注入を行い、ピエゾ抵
抗層２を形成する（温度補償用のピエゾ抵抗層２′は図
示せず）。

【００２０】（５）基板コンタクトのためにリンイオン
注入及びアニールを行って、ｎ⁺層２０を形成する。

【００２１】（６）酸化膜１３の一部にコンタクトホー
ルを形成した後、スパッリング等により電極用のＡｌを
成膜し、そのＡｌ膜をパターニングし、次いでシンタリ
ングを施して、ピエゾ抵抗層２に導通する電極２ａと、
ｎ⁺層２０に導通する電極２ｂを形成する。

【００２２】（７）酸化膜層１１ａの上部のシリコンを
カンチレバーチップ形状にエッチングし、カンチレバー
部１ｂの表面上で、ピエゾ抵抗層２が形成された固定端
部の表面を除く部分の酸化膜１３を除去する。

【００２３】（８）ウエハ１１の裏面側でカンチレバー
チップ１の台座１ｃとなる部分のみを酸化膜（図示せ
ず）で覆った状態で、ウエハ１１の裏面から水酸化カリ
ウム溶液を用いたＳｉのエッチング、及びＢＨＦ（バッ
ファードフッ酸）を用いた酸化膜層１１ａのエッチング
を行う。

【００２４】以上の工程で図２に示した構造のチップ、
すなわち変位検出のためのピエゾ抵抗層２がカンチレバ
ー部１ｂの固定端部に形成され、かつピエゾ抵抗層２の
表面が保護膜３で覆われた構造のカンチレバーチップ１
が完成する。

【００２５】以上のようにして作製されたカンチレバー
チップ１において、探針１ａが試料Ｓの表面原子から引
力あるいは斥力を受けるとカンチレバー部１ｂが撓む。
このとき、カンチレバー部１ｂに形成されたピエゾ抵抗
層２にはその応力に応じて抵抗値変化が生じる。従っ
て、ピエゾ抵抗層２の抵抗値変化を外部の変位検出器回
路によって検出すれば、探針１ａの変位に関する情報を
得ることができ、このような変位情報を、図１に示した
ような構成により、試料Ｓとカンチレバーチップ１の探
針１ａとを相対的に移動させながら採取することによ
り、試料Ｓの表面形状を得ることができる。

【００２６】ここで、本発明の実施の形態においては、
ピエゾ抵抗層２を覆う保護膜３を形成しているので、そ
の保護膜３の形成過程において、探針１ａには、酸化膜
の形成（図４（３）工程）と、その後の酸化膜の除去
（図４（７）工程）の各処理が施されるので、探針１ａ
の先端が、より先鋭化するという効果がある。

【００２７】なお、図４に示した作製方法では、ＳＯＩ
ウエハを材料として用いたが、これに限定されず、例え
ばｐ型シリコン基板上にｎ型層をエピタキシャル成長さ
せたウエハ、あるいはｐ型シリコン基板の表面層にｎ型
層を拡散によって形成したウエハ等をチップ製作用の材
料として用いてもよい。この場合、図４の工程（８）で
行うシリコンエッチングの際に、電気化学的なエッチン
グストップ技術(IEEE,Transactions on Electron Devic
e vol.36,No.4,1989) を用いてカンチレバー部を形成す
ればよい。

【００２８】また、保護膜３としてシリコン熱酸化膜を
用いたが、その保護膜の材質・形成法はこれに限定され
ず、例えばＣＶＤ法で形成したシリコン酸化膜またはシ
リコン窒化膜などであってもよい。

【００２９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
カンチレバーチップが、カンチレバー部に形成されたピ
エゾ抵抗層の抵抗値変化から探針の変位を検出する自己
変位検出機能をもつ構造で、そのピエゾ抵抗層の表面が
保護膜で覆われているので、環境の影響によるノイズ・
ドリフト等が発生し難く、安定した試料観察が可能にな
る。これにより、自己変位検出機能をもつカンチレバー
チップを備えた走査型プローブ顕微鏡を、例えばＡＦＭ
観察の応用として興味がもたれている生体試料などの液
中観察に適用することが可能になる。

【００３０】また、本発明では、カンチレバー部の表面
のうち、ピエゾ抵抗層の形成部分のみが保護膜で覆わ
れ、それ以外の部分は、母材のみで保護膜がない構造で
あるので、膜応力によってカンチレバーが撓むという問
題もない。

【００３１】さらに、保護膜の形成過程において、カン
チレバー先端の探針には、酸化膜形成とその後の酸化膜
除去の処理が施されるため、探針先端の先鋭化効果があ
り、走査型プローブ顕微鏡の面内分解能の向上を期待で
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】走査型プローブ顕微鏡（ＡＦＭ）の従来の構造
例を示す図

【図２】本発明の実施の形態に用いるカンチレバーチッ
プの構造を模式的に示す図

【図３】図２のＡ部拡大図

【図４】図２に示すカンチレバーチップの作製方法の説
明図

【符号の説明】

１カンチレバーチップ１ａ探針１ｂカンチレバー部１ｃ台座２ピエゾ抵抗層（変位検出素子）２ａ，２ｂ電極３保護膜

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】自由端に探針をもつカンチレバーチップ
と、このチップの探針と試料とを２次元方向に相対的に
移動する機構を有し、その移動過程で探針の変位を検出
して試料表面の微細構造の測定情報を得る顕微鏡におい
て、上記カンチレバーチップには、カンチレバー部の少なく
とも固定端部にピエゾ抵抗層が形成され、そのピエゾ抵
抗層の抵抗値変化から上記探針の変位を検出するように
構成されているとともに、カンチレバー部の表面のう
ち、ピエゾ抵抗層が形成された部分の表面のみが保護膜
で覆われていることを特徴とする走査型プローブ顕微
鏡。