プローブ及び走査型プローブ顕微鏡並びにプローブの製造方法
【課題】 アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を感度良く観察することが可能であるとともに、試料の電気特性を検出することが可能であるプローブを提供する。
【解決手段】 プローブ２０は、先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針２１と、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられるとともに、探針２１と電気的に接続される配線２９が配設されたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを、先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。探針２１の基端部２１ｂの断面形状は、中空部３０を有する略Ｃ形で、プローブ２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となっている。
【解決手段】 プローブ２０は、先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針２１と、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられるとともに、探針２１と電気的に接続される配線２９が配設されたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを、先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。探針２１の基端部２１ｂの断面形状は、中空部３０を有する略Ｃ形で、プローブ２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となっている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を試料の表面上に走査することにより、試料の表面形状などを測定することが可能なプローブ及びそのプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡並びプローブの製造方法に関する。特に、試料の電気特性を測定することが可能なプローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の表面形状、粘弾性などの物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。走査型プローブ顕微鏡としては、ＡＦＭモード（Atomic Force Mode）やＤＦＭモード（Dynamic Force Mode）などがある。ＡＦＭモードは、搭載されたプローブの片持ち梁状に支持されたカンチレバーの先端部に形成された探針を試料の表面上に走査し、試料の表面形状によって変位する探針の変位量を計測して、試料の表面形状を測定するものである。また、ＤＦＭモードでは、上述のカンチレバーを共振させて、その振幅変化、位相変化あるいは周波数変化により試料の表面形状を測定するものである。このような走査型プローブ顕微鏡において、近年、アスペクト比の大きい凹凸を表面に有する試料を正確に測定することが可能であるとともに、電気特性を測定する走査型プローブ顕微鏡が望まれている。
【０００３】
アスペクト比の大きい凹凸を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡のプローブとしては、シリコン基板上に探針の先端部を円錐状に形成する。次に、マスクを用いたエッチングによって円錐状に形成された先端部の下に位置するシリコン基板を円柱状に切り出す。これにより、カンチレバーに配設された裾野部の径に対して、配設位置から先端部までの高さが２倍以上あるアスペクト比を有する探針が形成される（例えば、特許文献１参照）。このような、探針を有するプローブによれば、試料の表面上にアスペクト比の大きい凹凸があったとしても、探針自身のアスペクト比が大きいので、試料の表面の凹凸に従って、探針を走査させることができる。
【０００４】
また、電気特性を測定することが可能であるものとしては、シリコンのマイクロ加工にて作製した探針の鋳型を電鋳法により作製し、その鋳型をもとに電鋳法を用いて同一形状の探針を導電性の金属材料により作製したプローブが提案されている。（例えば、特許文献２参照）。このようなプローブでは、探針とともにカンチレバーも導電性を有することで、試料の電気特性を測定することが可能であるとされている。
【特許文献１】特開平１１−３０４８２４号公報
【特許文献１】特開平５−１３３７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前者のプローブにおいては、シリコン基板をエッチング等することにより探針が形成されるので、探針自体は、半導体であり電気抵抗が大きいので、試料表面の電気特性を検出する程度の導電性を有していない。また、アスペクト比の高い探針としているので、上述のように探針を形成した後、カンチレバーの表面に配線をパターニングするとともに、探針の表面に導電性を有する金属膜を形成させることは困難を極めた。
【０００６】
また、後者のプローブにおいては、カンチレバー及び探針が電鋳法により導電性を有する金属で形成されているので、プローブの重量が大きくなってしまう問題があった。特に、アスペクト比の大きい探針とする場合、探針の体積は増大し、これに伴い重量も増大してしまう。このようなプローブの場合、特にＤＦＭモードなどカンチレバーに振動を与える場合においては、重量の増大によって、共振周波数が低くなってしまい、また、振動時の慣性作用が増大し、検出感度が低下してしまう問題があった。さらに、特許文献２においては、導電性材料で探針を形成し、カンチレバーに接合する方法が開示されているが、探針自体の重量が増大してしまうことには変わりなく、また、探針の取り付け可能な大きさ、取り付け精度には限界があった。
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を感度良く観察することが可能であるとともに、試料の電気特性を検出することが可能であるプローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のプローブは、先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、前記探針の基端部は、中空部を有する断面形状であることを特徴としている。
また、前記探針の基端部が切欠き部を有する断面形状としても良い。
【０００９】
この発明に係るプローブによれば、探針が導電性を有し、カンチレバー上に配設された配線と電気的に接続されているので、試料の表面形状を測定するとともに試料の電気特性を測定することができる。また、基端部が略棒状であるとともに先端部が先鋭化されているので、アスペクト比の高い探針とすることができ、それゆえにアスペクト比の高い凹凸に対して正確に追従し測定することができる。さらに、探針の基端部の断面形状を中空部あるいは切欠き部を有するものとすることで、探針の剛性を確保しつつ、探針の軽量化を図ることができる。このため、特に、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させる場合においては、プローブの共振振動数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができる。
【００１０】
また、上記のプローブにおいて、前記探針の基端部の断面形状は、前記カンチレバーの中心軸に対して略線対称であることが好ましいとされている。
この発明に係わるプローブによれば、探針の断面形状が略線対称なので、探針を走査させた際、探針自身の断面に偏った力が作用することがない。また、探針がカンチレバーに対して偏心していないので、ねじれなどの作用が走査方向によって偏ってカンチレバーに生じてしまうことも無く、安定した測定結果を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記のプローブと、前記試料の表面の形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、前記探針を前記試料に対して相対的に前記試料の表面に平行で、互いに略直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、前記探針と前記試料との間に電圧を印加させる電圧源と、該電圧源によって印加された電圧により前記探針と前記試料との間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部とを備えることを特徴としている。
【００１２】
この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、導電性を有し、アスペクト比が高くかつ剛性を確保しつつ軽量化が図られた探針を備えたプローブを搭載している。このため、アスペクト比が高い凹凸を表面に有する試料の表面形状及び電気特性を感度良く測定することができる。
【００１３】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、前記変位検出手段は、前記探針の振動状態を検出する振動検出手段であることを特徴としている。
この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させて試料の表面形状を測定する場合において、カンチレバーの共振周波数が高まり、試料との相互作用を感度良く測定することができる。
【００１４】
また、本発明は、先端部が先鋭化されるとともに、基端部が略棒状で中空部または切欠き部を有する断面形状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備えるプローブの製造方法であって、シリコン基板を切欠いて、前記カンチレバーを形成するカンチレバー形成工程と、前記カンチレバー上に前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に前記配線を形成する配線形成工程と、前記カンチレバーの前記配線上に前記探針を電鋳法によって形成し、前記先端部を電解研磨によって先鋭化させる探針形成工程と、前記シリコン基板を切欠いて、前記本体部を形成する本体部形成工程とを備え、前記探針形成工程は、前記先端部を電鋳法によって形成する工程と、前記基端部を電鋳法によって形成する工程の少なくとも２回の電鋳法による工程で構成されることを特徴としている。
【００１５】
この発明に係わるプローブの製造方法によれば、カンチレバー形成工程において、カンチレバーを形成し、絶縁膜形成工程及び配線形成工程においてカンチレバー上に絶縁膜及び絶縁膜上に配線を形成することができる。そして、探針形成工程において、まず、中空部あるいは切欠き部を有する断面形状となるように、電鋳法によって基端部を形成する。次に、先端部の仕上がり形状に研磨しろを考慮した大きさのものを基端部に連続させて電鋳法により形成する。最後に先端部を電解研磨によって先鋭化させて探針を製作することができる。
【００１６】
探針を電鋳法によって形成することで、カンチレバーと異なる材質で導電性を有する探針を精度良くかつ容易に形成することができる。また、別途形成した探針を接合する方法と比べて、微小な探針についても対応することができる。また、探針形成工程を少なくとも２回の工程とすることで、先端部を先鋭化させるとともに基端部は剛性を確保しつつ軽量化を図ることが可能な断面形状とすることができる。
【００１７】
また、探針の基端部を外部と連通しない中空部を有する断面形状とする場合には、上記工程において以下のとおりとすればよい。すなわち、カンチレバー形成工程において、カンチレバーを形成するとともに、後工程の探針形成工程で形成される探針と対応する位置において、探針の基端部の中空部と同じ大きさの貫通孔をカンチレバーに形成する。そして、探針形成工程で探針を形成した後、カンチレバーの探針が形成される面と反対の面から中空部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のプローブによれば、導電性を有し、アスペクト比の高い形状で、かつ剛性を確保しつつ軽量な探針とすることができる。このため、試料の電気特性を測定することが可能であるとともに、アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を精度良く測定し、正確な観察像を得ることができる。特に、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させて観察する場合においては、共振周波数を高め、試料との相互作用を感度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１から図３１は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。また、図２にプローブの斜視図、図３に平面図、図４に断面図を示す。さらに、図５には探針の断面図を示す。図６から図３１にはプローブの製造工程の工程図を示す。
【００２０】
図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、試料Ｐを支持する試料支持部２と、試料Ｐを移動させる移動手段３と、移動手段３によって試料Ｐの表面（以下、試料表面Ｓ）上を相対的に走査される探針２１を有するプローブ２０と、プローブ２０の探針２１をこれに共振または強制振動する振動用周波数で振動させる加振手段４とを備えている。プローブ２０は、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。
【００２１】
移動手段３は、試料支持部２を支持し、試料表面Ｓに平行で互いに略直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料表面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料可動部５と、試料可動部５を駆動させる駆動装置６とを備える。より詳しくは、移動手段３は、試料ＰをＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構（不図示）及び微小移動させるＸＹスキャナ（不図示）及びＺスキャナ（不図示）とで構成される。粗動機構に対応する駆動装置６としては、ステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置６としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料ＰをＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段４は、プローブ２０に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０を加振するＰＺＴからなる圧電素子７と、圧電素子７に電圧を印加して圧電素子７を振動させる加振電源８とを備える。
【００２２】
さらに、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、加振手段４によって加振されたプローブ２０の探針２１の振動状態を検出する振動検出手段９（変位検出手段）を備える。振動検出手段９は、探針２１の裏面に形成された図示しない反射面（例えば、金やアルミニウム等の金属材料をコーティングして形成）にレーザ光Ｌを照射するレーザ光源１０と、レーザ光源１０の電源であるレーザ電源１１と、反射面で反射したレーザ光Ｌを検出するフォトダイオード（光検出部）１２とを備えている。フォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌは、ＤＩＦ信号として出力され、プリアンプ１３で増幅され、交流−直流変換器１４によって直流変換され、コンピュータ１５に送られる。コンピュータ１５には、図示しないＺ電圧フィードバック回路が備えられており、コンピュータ１５に入力されたＤＩＦ信号に基づいて移動手段３のＺスキャナ（不図示）に電圧を印加して試料ＰをＺ方向に微小移動させる。
【００２３】
また、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ２０と試料Ｐとに接続され、探針２１と試料Ｐとの間に電圧を印加させる電圧源１６と、電圧源１６によって印加された電圧により探針２１と試料Ｐとの間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部１７とを備える。また、コンピュータ１５は、前述のように交流−直流変換器１４と接続されているとともに、駆動装置６、レーザ電源１１及び電気特性検出部１７と接続されている。
【００２４】
以上の構成により、走査型プローブ顕微鏡１は、以下に示すように、試料Ｐの表面形状及び電気特性を測定する。まず、コンピュータ１５による制御のもとに加振電源８で圧電素子７を振動させるとともに、レーザ電源１１でレーザ光源１０からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光Ｌを照射させる。カンチレバー２２は圧電素子７から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射されフォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌは一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ１５による制御のもと、駆動装置６を駆動させて、試料ＰをＸ、Ｙ方向に走査させて試料Ｐの表面形状及び電気特性を測定する。プローブ２０の探針２１が走査された位置に凹凸があると、フォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌの振動振幅が減衰される。この振動振幅は、ＤＩＦ信号としてプリアンプ１３で増幅され、交流−直流変換器１４で直流に変換され、コンピュータ１５に入力される。コンピュータ１５には前述の図示しないＺ電圧フィードバック回路が備えられており、ＤＩＦ信号化された振動振幅が閾値を超えた場合、入力されたＤＩＦ信号に基づいて駆動装置６を駆動させ、振動振幅が閾値内で一定となるように試料可動部５をＺ方向に可動し、調整する。これを駆動装置６によって試料ＰをＸ、Ｙ方向に可動させて、繰り返すことによって試料Ｐの表面形状の測定を行う。
【００２５】
さらに、試料Ｐの表面形状の測定と平行して、プローブ２０と試料Ｐとの間には電圧が印加され、探針２１と試料Ｐとの間に発生する電流または電気抵抗を測定する。これらの試料Ｐの表面形状及び電気特性の測定結果は、試料ＰのＸ、Ｙ方向の走査位置とともにコンピュータ１５によって表示される。
【００２６】
次に、このような走査型プローブ顕微鏡１に搭載されるプローブ２０の詳細の構成について説明する。図２はプローブ２０の全体斜視図であるが、走査型プローブ顕微鏡１に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。
図２に示すように、上述のようにプローブ２０は、先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成された探針２１と、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備える。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５とに介装され、ＳｉＯ２からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。
【００２７】
また、図３及び図４（図３におけるＡ−Ａ断面）に示すとおり、カンチレバー２２の表面２２ｃには、絶縁膜２８が形成され、絶縁膜２８上において先端部２２ａから基端部２２ｂにかけて配線２９が形成されている。絶縁膜２８は、ＳｉＯ２からなるシリコン酸化膜である。また、配線２９は、アルミニウムからなる金属膜である。なお、配線２９は、アルミニウムに限ること無く、導電性を有する各種金属で形成することが可能であり、例えば、ニッケル、金、銅などでも良い。探針２１は、カンチレバー２２の表面２２ｃの先端部２２ａの配線２９上に突出して設けられている。探針２１は、ニッケルで形成されており、導電性を有している。なお、探針２１を形成する材料は、ニッケルに限らず導電性を有して、後述する電鋳法で形成可能な材料であれば良く、例えば、金、銅、ロジウム、パラジウム、タングステンなどでもよい。また、図５は図４におけるＢ−Ｂ断面を示しており、探針２１の基端部２１ｂの断面は、中空部３０及び切欠き部３１を有しており、略Ｃ形の断面形状に形成されている。さらに、図２に示すように、探針２１は、基端部２１ｂの切欠き部３１がカンチレバー２２の先端部２２ａ側を向くようにカンチレバー２２に設けられており、基端部２１ｂの断面形状はカンチレバー２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となっている。
【００２８】
この実施形態のプローブ２０では、探針２１が導電性を有していて、配線２９に接続されているので、配線２９を介して図１に示す電圧源１６と接続して、試料Ｐの電気特性を測定することができる。また、探針２１は先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成されているので、アスペクト比の高い探針とすることができる。このため、試料Ｐがアスペクト比の高い凹凸を有する表面形状であったとしても、探針２１が凹凸に対して正確に追従し、凹凸の深さ、幅を高い精度で測定し、正確な観察像を得ることができる。
【００２９】
また、探針２１の基端部２１ｂの断面形状は、中空部３０及び切欠き部３１を有する略Ｃ形とすることで、探針２１の剛性を確保しつつ軽量化を図ることができる。このため、プローブ２０は加振手段４によって振動させられるが、カンチレバー２２の共振周波数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができ、これにより試料Ｐとの相互作用を感度良く検出することができる。また、探針２１はカンチレバー２２の中心軸２２ｄ上に設けられており、かつ基端部２１ｂの断面は中心軸２２ｄに対して略線対称な形状となっている。このため、探針２１を試料表面Ｓに走査する際、探針２１の基端部２１ｂの断面に偏った力が作用することがない。また、ねじれなどの作用が走査方向によって偏ってカンチレバー２２に生じてしまうことも無く、安定した測定結果を得ることができる。
【００３０】
次に、この実施形態のプローブ２０の製造方法について説明する。前述のとおり、プローブ２０のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。
【００３１】
図６から図８に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー２２を形成する。まず、図６に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、カンチレバー２２を形成する範囲にフォトレジスト膜３２を形成する。そして、図７に示すとおり、フォトレジスト膜３２をマスクとして、シリコン活性層２４をＢＯＸ層２６に達するまでエッチングすることで、カンチレバー２２となる部分の周囲の範囲のシリコン活性層２４を切欠く。そして、図８に示すとおり、フォトレジスト膜３２を除去することでカンチレバー２２が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。カンチレバー２２をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）やＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチングなどがある。
【００３２】
次に、図９に示すように、絶縁膜形成工程において、カンチレバー２２の表面２２ｃ上に絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は熱酸化法によって形成される。また、この際、カンチレバー２２の裏面側、つまりシリコン支持層２５の表面のうち、本体部２３となる部分にも酸化膜３３を形成する。すなわち、図９に示すように、シリコン支持層２５の表面の全面に、絶縁膜２８を形成するのと同時に酸化膜３３を形成する。次に、図１０に示すように、本体部２３の裏面２３ａの部分及びカンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜３４でパターニングする。そして、図１１に示すように、フォトレジスト膜３４がパターニングされた部分以外の酸化膜３３をフッ酸によって除去し、最後に、図１２示すように、フォトレジスト膜３４を除去する。
【００３３】
次に、図１３から図１６に示すように、配線形成工程において、絶縁膜２８上に配線２９を形成する。まず、図１３に示すように、配線２９となるアルミニウム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。次に、図１４に示すように、配線２９となる部分をフォトレジスト膜３５でパターニングする。そして、図１５に示すように、フォトレジスト膜３５が形成されていない範囲をエッチングして、最後に、図１６に示すように、フォトレジスト膜３５を除去することによって配線２９が形成される。
【００３４】
なお、配線２９となるアルミニウム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ配線２９でない範囲にフォトレジスト膜を形成し、配線２９の範囲のみをスパッタリング法あるいは蒸着法によって成膜する方法としても良い。
【００３５】
次に、図１７から図２８に示すように、探針形成工程において、配線２９上に探針２１を形成する。探針形成工程は、基端部形成工程と、先端部形成工程の２工程で構成される。図１７から図１９は、基端部形成工程を示している。まず、図１７に示すように、カンチレバー２２側全体に探針２１の基端部２１ｂの高さと略等しい厚さのフォトレジスト膜３６を形成する。フォトレジスト膜３６としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、図１８に示すように、探針２１の基端部２１ｂの位置に、基端部２１ｂの断面形状と等しくなるようにマスク３７をマスキングする。ここでは、基端部２１ｂの断面形状が略Ｃ形であるので、略Ｃ形にマスキングする。そして、図１９に示すように、フォトレジスト膜３６を露光し、マスク３７を除去する。このようにすることで、探針２１の基端部２１ｂが形成される範囲に未露光範囲３８が形成される。
【００３６】
次に、図２０から図２８に示す先端部形成工程を行う。まず、図２０に示すように、フォトレジスト膜３６上の全面に、少なくとも探針２１の先端部２１ａの高さ以上の厚さのフォトレジスト膜３９を形成する。フォトレジスト膜３９としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。次に、図２１に示すように、探針２１の先端部２１ａの位置に、少なくとも先端部２１ａの基端部２１ｂ側の断面形状よりも大となる範囲にマスク４０をマスキングする。そして、図２２に示すように、フォトレジスト膜３９を露光し、マスク４０を除去する。このようにすることで、探針２１の先端部２１ａが形成される範囲に、研磨しろ４１ａを含んだ未露光範囲４１が形成される。
【００３７】
次に、図２３に示すように、現像液を滴下して、基端部形成工程における未露光範囲３８と、先端部形成工程における未露光範囲４１とを同時に溶かし込む。次に、図２４に示すように、配線２９を一方の電極として電解液に浸潤させて、電鋳法によりニッケルを空洞となった未露光範囲３８、４１に電鋳する。そして、図２５に示すように、フォトレジスト膜３６、３９を除去することで、探針２１の基端部２１ｂと、先端部２１ａの研磨しろ４１ａを含んだものとが形成される。
【００３８】
次に、図２６に示すように、カンチレバー２２側の全面に、先鋭化された先端部２１ａの裾となる位置２１ｃと上面の位置とが一致するようにフォトレジスト膜４２を形成する。そして、フォトレジスト膜４２から露出する探針２１の先端部２１ａを電解研磨によって、研磨しろ４１ａを研磨し、先鋭化させる。最後に、図２８に示すように、フォトレジスト膜４２を除去すれば、先端部２１ａが先鋭化され、基端部２１ｂが略棒状で、中空部３０及び切欠き部３１を有し、略Ｃ形の断面形状である探針２１が形成される。
【００３９】
次に、図２９から図３１に示すように、本体部形成工程において、本体部２３を形成する。まず、図２９に示すように、探針２１、配線２９が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜４３を形成する。次に、図３０に示すように、絶縁膜形成工程で形成した酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。そして、図３１に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜４３を除去すれば、図４に示すプローブ２０が製作される。
【００４０】
以上のように、カンチレバー２２を上述のカンチレバー形成工程で、探針２１を上述の探針形成工程で形成することにより、カンチレバー２２の形成と探針２１の形成とを完全に別工程することができる。このため、カンチレバー２２をＳＯＩ基板２７から形成し、探針２１を電鋳法によって導電性を有するニッケルから形成することができる。さらに、配線形成工程は、探針形成工程に先立って探針２１が形成されていない状態で行うことができるので、配線２９を容易に形成することができる。また、探針形成工程を基端部形成工程と先端部形成工程の２回に工程に分けて探針２１を形成することにより、先端部２１ａと基端部２１ｂとで断面形状の異なる探針２１を形成することができる。なお、上述の各工程において、フォトレジスト膜を露光させることでパターニングするが、これに限らず、電子ビームなどによる直接描画する方法でも構わない。
【００４１】
図３２は、この実施形態の第１の変形例で、探針４４の基端部４４ａの断面図を示している。この変形例の探針４４の基端部４４ａの断面形状は、４箇所の切欠き部４５を有することで、リブ４６、４７が略直交し、十字形に形成されている。このように、切欠き部４５によって軽量化を図るとともに、リブ４６、４７が略直交して配される断面構造となり、直交する２方向の剛性を確保することができる。
【００４２】
また、図３３は、この実施形態の第２の変形例で、探針４８の基端部４８ａの断面図を示している。この変形例の探針４８の基端部４８ａの断面形状は、３箇所の切欠き部４９を有することで、リブ５０、５１、５２が略等角で放射状に形成されている。第１の変形例同様に、切欠き部４９によって軽量化を図るとともに、リブ５０、５１、５２が略等角に放射状に配される断面構造とすることで、直交する２方向の剛性を確保することができる。なお、探針の基端部の断面形状は、上述のＣ形、十字形、放射状に限られるものでは無い。例えば、略棒状の部材が切欠かれることで、複数の柱状の部材が延設される構造としても良い。少なくとも切欠き部を有する断面形状であれば、探針の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができ、上述の製造工程で製造することができる。そして、カンチレバー２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となるような断面形状かつ設置位置であることが好ましい。
【００４３】
（第２の実施形態）
図３４から図６１は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図３４にプローブの断面図、図３５に探針の断面図を示す。また、図３６から図６１にはプローブの製造工程の工程図を示す。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４４】
図３４に示すとおり、この実施形態のプローブ６０は、第１の実施形態同様に、導電性を有する探針６１と、ＳＯＩ基板２７から形成され、配線６２が配設されたカンチレバー６３及び本体部６４とを備える。図示しないが、探針６１はカンチレバー６３の中心軸上に設けられている。また、カンチレバー６３と配線６２との間には絶縁膜６５が介装されている。探針６１の先端部６１ａは先鋭化されている。また、図３４及び図３５（図３４のＣ−Ｃ断面）に示すように、探針６１の基端部６１ｂは略棒状で、中空部６６を有する円環状の断面形状である。また、カンチレバー６３、配線６２及び絶縁膜６５には、探針６１の中空部６６と連通する貫通孔６７が形成されている。
【００４５】
このように、中空部６６を有し円環状の断面とすることで、探針６１の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。このため、第１の実施形態同様、カンチレバー６３の共振周波数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができ、これにより試料Ｐとの相互作用を感度良く検出することができる。また、円環状とすることで、いずれの方向に対する剛性も等しくすることができ、均一な測定が可能であるといえる。
【００４６】
なお、探針６１の基端部６１ｂの断面形状は、上述の円環状に限ることは無く、例えば、三角形あるいは四角形などの多角形形状で、中空部６６を有する構造であれば同様に、探針の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。そして、カンチレバー６３の中心軸に対して略線対称となるような断面形状かつ設置位置であることが好ましい。
【００４７】
次に、この実施形態のプローブ６０の製造方法について説明する。この実施形態において、前述した実施形態と同様の工程については詳細の説明を省略する。
【００４８】
図３６から図３８に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー６３を形成する。まず、図３６に示すように、カンチレバー６３を形成する範囲にフォトレジスト膜６８を形成する。この際、貫通孔６７が形成される位置にはフォトレジスト膜６８を形成しない。そして、図３７及び図３８に示すとおり、フォトレジスト膜６８をマスクとしてエッチングし、フォトレジスト膜６８を除去することでカンチレバー６３が形成される。
【００４９】
次に、図３９から図４２に示すように、絶縁膜形成工程を行う。図３９に示すように、カンチレバー６３側の全面及び本体部６４側の全面に絶縁膜６５及び酸化膜６９を形成する。そして、図４０に示すように、絶縁膜６５と酸化膜６９のうち本体部６４の裏面の部分にフォトレジスト膜７０とをパターニングし、図４１に示すようにパターニングされた部分以外の酸化膜６９を除去する。最後に、図４２に示すように、フォトレジスト膜７０を除去する。
【００５０】
次に、図４３から図４６に示すように、配線形成工程において、絶縁膜６５上に配線６２を形成する。まず、図４３に示すように、配線６２となるアルミニウム膜を形成し、図４４に示すように、配線６２となる部分をフォトレジスト膜７１でパターニングする。この際、貫通孔６７となる部分はパターニングしない。そして、図４５に示すように、フォトレジスト膜７１が形成されていない範囲をエッチングして、最後に、図４６に示すように、フォトレジスト膜７１を除去することによって配線６２が形成される。
【００５１】
次に、図４７から図５８に示すように、探針形成工程において、配線６２上に探針６１を形成する。探針形成工程は、基端部形成工程と、先端部形成工程の２工程で構成される。図４７から図４９は、基端部形成工程を示している。まず、図４７に示すように、フォトレジスト膜７２を形成する。フォトレジスト膜７２としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、図４８に示すように、探針６１の基端部６１ｂの位置に、基端部６１ｂの断面形状と等しくなるようにマスク７３をマスキングする。ここでは、基端部６１ｂの断面形状が円環状であるので、円環状にマスキングする。そして、図４９に示すように、フォトレジスト膜７２を露光し、マスク７３を除去する。このようにすることで、探針６１の基端部６１ｂが形成される範囲に未露光範囲７４が形成される。
【００５２】
次に、図５０から図５８に示す先端部形成工程を行う。まず、図５０に示すように、フォトレジスト膜７２上にフォトレジスト膜７５を形成する。フォトレジスト膜７５としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。次に、図５１に示すように、探針６１の先端部６１ａの位置に、少なくとも先端部６１ａの基端部６１ｂ側の断面形状よりも大となる範囲にマスク７６をマスキングする。そして、図５２に示すように、フォトレジスト膜７５を露光し、マスク７６を除去する。このようにすることで、探針６１の先端部６１ａが形成される範囲に研磨しろ７７ａを含んだ未露光範囲７７が形成される。
【００５３】
次に、図５３に示すように、未露光範囲７４と未露光範囲７７とを現像し、図５４に示すように、電鋳法により、ニッケルを空洞となった未露光範囲７４、７７に電鋳する。そして、図５５に示すように、フォトレジスト膜７２、７５を除去することで、探針６１の基端部６１ｂと、先端部６１ａの研磨しろ７１ａを含んだものとが形成される。この際、探針６１の中空部６６に位置するフォトレジスト膜７２ａのみが残される。
【００５４】
次に、図５６に示すように、カンチレバー６３側の全面に、先鋭化された先端部６１ａの裾となる位置６１ｃと上面の位置とが一致するようにフォトレジスト膜７８を形成する。そして、電解研磨によって、フォトレジスト膜７８から露出する探針６１の先端部６１ａの研磨しろ７７ａを研磨し、先鋭化させる。そして、図５８に示すように、フォトレジスト膜７８を除去する。
【００５５】
次に、図５９から図６１に示すように、本体部形成工程において、本体部６４を形成する。まず、図５９に示すように、カンチレバー６３側の全面にフォトレジスト膜７９を形成し、図６０に示すように、酸化膜６９をマスクとして、本体部６４以外のシリコン支持層２５をエッチングする。そして、図６１に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜６９及び本体部６４以外のＢＯＸ層２６を除去する。最後に、カンチレバー６３側のフォトレジスト膜７９を除去し、中空部６６のフォトレジスト膜７２ａをカンチレバー６３の裏面側から除去すれば、図３４に示すプローブ６０が製作される。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００５７】
なお、プローブのカンチレバー及び本体部はＳＯＩ基板から形成されるものとしたが、これに限ることは無く、樹脂、半導体、ガラス、あるいは金属に絶縁膜をコートしたものなどでも良い。また、プローブの製造工程の中で、探針形成工程において、先端部と基端部の２工程に分けられるとしたが、これに限ることは無い。基端部をさらに複数の工程に分けることで、基端部の断面形状を変化させることも可能である。
【００５８】
また、プローブに振動を与えて試料の表面形状を測定するＤＦＭモードの走査型プローブ顕微鏡としたが、これに限ることは無く、探針の変位を直接測定するＡＦＭモードに使用するものとしても、アスペクト比の高い凹凸を感度良く測定することができる。また、探針の振動状態（変位）を測定する振動検出手段（変位検出手段）をレーザ光Ｌによる光てこ方式としたが、これに限ることは無い。例えば、カンチレバーの撓みを測定する歪抵抗（撓み測定部）をカンチレバーの基端部に備え（自己検知型カンチレバー）、歪抵抗で測定した撓み変化に基づいて探針の振動状態（変位）を測定するものとしても良い。このような構成とすることで、カンチレバーにレーザ光Ｌを反射させる反射面を設ける必要がないので、カンチレバーの形状に制限を受ける必要がなく、プローブの設計の自由度が向上し、製造し易い。また、レーザ光源等の大がかりな装置が不要なので、装置コスト及び装置スペースの削減を図ることができる。
【００５９】
また、プローブには、探針が１つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数の探針を突出して設けることで、アレイ化したプローブとしても良い。さらに、プローブは走査型プローブ顕微鏡に備えられるものとしたが、これに限ることは無く、例えば、半導体検査プローブカードに備えられるプローブとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態のプローブの斜視図である。
【図３】この発明の第１の実施形態のプローブの平面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態のプローブの断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の探針の断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図７】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図８】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図９】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１３】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１４】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１５】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１６】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１７】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図１８】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図１９】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図２０】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２１】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２２】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２３】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２４】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２５】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２６】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２７】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２８】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２９】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３０】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３１】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３２】この発明の第１の実施形態の第１の変形例の探針の断面図である。
【図３３】この発明の第１の実施形態の第２の変形例の探針の断面図である。
【図３４】この発明の第２の実施形態のプローブの断面図である。
【図３５】この発明の第２の実施形態の探針の断面図である。
【図３６】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３７】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３８】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３９】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４０】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４１】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４２】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４３】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４４】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４５】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４６】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４７】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図４８】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図４９】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図５０】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５１】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５２】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５３】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５４】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５５】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５６】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５７】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５８】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５９】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図６０】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図６１】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 走査型プローブ顕微鏡
３ 移動手段
４ 加振手段
１６ 電圧源
１７ 電気特性検出部
２０、６０ プローブ
２１、４４、４８、６１ 探針
２１ａ、６１ａ 先端部
２１ｂ、４４ａ、４８ａ、６１ｂ 基端部
２２、６３ カンチレバー
２２ａ 先端部
２２ｂ 基端部
２２ｄ 中心軸
２３、６４ 本体部
２７ ＳＯＩ基板（シリコン基板）
２８、６５ 絶縁膜
２９、６２ 配線
３０、６６ 中空部
３１、４５、４９ 切欠き部
Ｐ 試料
Ｓ 試料表面
【技術分野】
【０００１】
本発明は、探針を試料の表面上に走査することにより、試料の表面形状などを測定することが可能なプローブ及びそのプローブを備えた走査型プローブ顕微鏡並びプローブの製造方法に関する。特に、試料の電気特性を測定することが可能なプローブに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、金属、半導体、セラミック、樹脂、高分子、生体材料、絶縁物等の試料を微小領域にて測定し、試料の表面形状、粘弾性などの物性情報の観察等を行う装置として、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）が知られている。走査型プローブ顕微鏡としては、ＡＦＭモード（Atomic Force Mode）やＤＦＭモード（Dynamic Force Mode）などがある。ＡＦＭモードは、搭載されたプローブの片持ち梁状に支持されたカンチレバーの先端部に形成された探針を試料の表面上に走査し、試料の表面形状によって変位する探針の変位量を計測して、試料の表面形状を測定するものである。また、ＤＦＭモードでは、上述のカンチレバーを共振させて、その振幅変化、位相変化あるいは周波数変化により試料の表面形状を測定するものである。このような走査型プローブ顕微鏡において、近年、アスペクト比の大きい凹凸を表面に有する試料を正確に測定することが可能であるとともに、電気特性を測定する走査型プローブ顕微鏡が望まれている。
【０００３】
アスペクト比の大きい凹凸を測定することが可能な走査型プローブ顕微鏡のプローブとしては、シリコン基板上に探針の先端部を円錐状に形成する。次に、マスクを用いたエッチングによって円錐状に形成された先端部の下に位置するシリコン基板を円柱状に切り出す。これにより、カンチレバーに配設された裾野部の径に対して、配設位置から先端部までの高さが２倍以上あるアスペクト比を有する探針が形成される（例えば、特許文献１参照）。このような、探針を有するプローブによれば、試料の表面上にアスペクト比の大きい凹凸があったとしても、探針自身のアスペクト比が大きいので、試料の表面の凹凸に従って、探針を走査させることができる。
【０００４】
また、電気特性を測定することが可能であるものとしては、シリコンのマイクロ加工にて作製した探針の鋳型を電鋳法により作製し、その鋳型をもとに電鋳法を用いて同一形状の探針を導電性の金属材料により作製したプローブが提案されている。（例えば、特許文献２参照）。このようなプローブでは、探針とともにカンチレバーも導電性を有することで、試料の電気特性を測定することが可能であるとされている。
【特許文献１】特開平１１−３０４８２４号公報
【特許文献１】特開平５−１３３７３９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前者のプローブにおいては、シリコン基板をエッチング等することにより探針が形成されるので、探針自体は、半導体であり電気抵抗が大きいので、試料表面の電気特性を検出する程度の導電性を有していない。また、アスペクト比の高い探針としているので、上述のように探針を形成した後、カンチレバーの表面に配線をパターニングするとともに、探針の表面に導電性を有する金属膜を形成させることは困難を極めた。
【０００６】
また、後者のプローブにおいては、カンチレバー及び探針が電鋳法により導電性を有する金属で形成されているので、プローブの重量が大きくなってしまう問題があった。特に、アスペクト比の大きい探針とする場合、探針の体積は増大し、これに伴い重量も増大してしまう。このようなプローブの場合、特にＤＦＭモードなどカンチレバーに振動を与える場合においては、重量の増大によって、共振周波数が低くなってしまい、また、振動時の慣性作用が増大し、検出感度が低下してしまう問題があった。さらに、特許文献２においては、導電性材料で探針を形成し、カンチレバーに接合する方法が開示されているが、探針自体の重量が増大してしまうことには変わりなく、また、探針の取り付け可能な大きさ、取り付け精度には限界があった。
【０００７】
この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を感度良く観察することが可能であるとともに、試料の電気特性を検出することが可能であるプローブを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、この発明は以下の手段を提案している。
本発明のプローブは、先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、前記探針の基端部は、中空部を有する断面形状であることを特徴としている。
また、前記探針の基端部が切欠き部を有する断面形状としても良い。
【０００９】
この発明に係るプローブによれば、探針が導電性を有し、カンチレバー上に配設された配線と電気的に接続されているので、試料の表面形状を測定するとともに試料の電気特性を測定することができる。また、基端部が略棒状であるとともに先端部が先鋭化されているので、アスペクト比の高い探針とすることができ、それゆえにアスペクト比の高い凹凸に対して正確に追従し測定することができる。さらに、探針の基端部の断面形状を中空部あるいは切欠き部を有するものとすることで、探針の剛性を確保しつつ、探針の軽量化を図ることができる。このため、特に、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させる場合においては、プローブの共振振動数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができる。
【００１０】
また、上記のプローブにおいて、前記探針の基端部の断面形状は、前記カンチレバーの中心軸に対して略線対称であることが好ましいとされている。
この発明に係わるプローブによれば、探針の断面形状が略線対称なので、探針を走査させた際、探針自身の断面に偏った力が作用することがない。また、探針がカンチレバーに対して偏心していないので、ねじれなどの作用が走査方向によって偏ってカンチレバーに生じてしまうことも無く、安定した測定結果を得ることができる。
【００１１】
また、本発明の走査型プローブ顕微鏡は、上記のプローブと、前記試料の表面の形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、前記探針を前記試料に対して相対的に前記試料の表面に平行で、互いに略直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、前記探針と前記試料との間に電圧を印加させる電圧源と、該電圧源によって印加された電圧により前記探針と前記試料との間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部とを備えることを特徴としている。
【００１２】
この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、導電性を有し、アスペクト比が高くかつ剛性を確保しつつ軽量化が図られた探針を備えたプローブを搭載している。このため、アスペクト比が高い凹凸を表面に有する試料の表面形状及び電気特性を感度良く測定することができる。
【００１３】
また、上記の走査型プローブ顕微鏡において、前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、前記変位検出手段は、前記探針の振動状態を検出する振動検出手段であることを特徴としている。
この発明に係わる走査型プローブ顕微鏡によれば、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させて試料の表面形状を測定する場合において、カンチレバーの共振周波数が高まり、試料との相互作用を感度良く測定することができる。
【００１４】
また、本発明は、先端部が先鋭化されるとともに、基端部が略棒状で中空部または切欠き部を有する断面形状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備えるプローブの製造方法であって、シリコン基板を切欠いて、前記カンチレバーを形成するカンチレバー形成工程と、前記カンチレバー上に前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、前記絶縁膜上に前記配線を形成する配線形成工程と、前記カンチレバーの前記配線上に前記探針を電鋳法によって形成し、前記先端部を電解研磨によって先鋭化させる探針形成工程と、前記シリコン基板を切欠いて、前記本体部を形成する本体部形成工程とを備え、前記探針形成工程は、前記先端部を電鋳法によって形成する工程と、前記基端部を電鋳法によって形成する工程の少なくとも２回の電鋳法による工程で構成されることを特徴としている。
【００１５】
この発明に係わるプローブの製造方法によれば、カンチレバー形成工程において、カンチレバーを形成し、絶縁膜形成工程及び配線形成工程においてカンチレバー上に絶縁膜及び絶縁膜上に配線を形成することができる。そして、探針形成工程において、まず、中空部あるいは切欠き部を有する断面形状となるように、電鋳法によって基端部を形成する。次に、先端部の仕上がり形状に研磨しろを考慮した大きさのものを基端部に連続させて電鋳法により形成する。最後に先端部を電解研磨によって先鋭化させて探針を製作することができる。
【００１６】
探針を電鋳法によって形成することで、カンチレバーと異なる材質で導電性を有する探針を精度良くかつ容易に形成することができる。また、別途形成した探針を接合する方法と比べて、微小な探針についても対応することができる。また、探針形成工程を少なくとも２回の工程とすることで、先端部を先鋭化させるとともに基端部は剛性を確保しつつ軽量化を図ることが可能な断面形状とすることができる。
【００１７】
また、探針の基端部を外部と連通しない中空部を有する断面形状とする場合には、上記工程において以下のとおりとすればよい。すなわち、カンチレバー形成工程において、カンチレバーを形成するとともに、後工程の探針形成工程で形成される探針と対応する位置において、探針の基端部の中空部と同じ大きさの貫通孔をカンチレバーに形成する。そして、探針形成工程で探針を形成した後、カンチレバーの探針が形成される面と反対の面から中空部を形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明のプローブによれば、導電性を有し、アスペクト比の高い形状で、かつ剛性を確保しつつ軽量な探針とすることができる。このため、試料の電気特性を測定することが可能であるとともに、アスペクト比の高い凹凸を有する試料の表面形状を精度良く測定し、正確な観察像を得ることができる。特に、ＤＦＭモードなどのカンチレバーを振動させて観察する場合においては、共振周波数を高め、試料との相互作用を感度良く検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
（第１の実施形態）
図１から図３１は、この発明に係る第１の実施形態を示している。図１に走査型プローブ顕微鏡のブロック図を示す。また、図２にプローブの斜視図、図３に平面図、図４に断面図を示す。さらに、図５には探針の断面図を示す。図６から図３１にはプローブの製造工程の工程図を示す。
【００２０】
図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、試料Ｐを支持する試料支持部２と、試料Ｐを移動させる移動手段３と、移動手段３によって試料Ｐの表面（以下、試料表面Ｓ）上を相対的に走査される探針２１を有するプローブ２０と、プローブ２０の探針２１をこれに共振または強制振動する振動用周波数で振動させる加振手段４とを備えている。プローブ２０は、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられるカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備えている。
【００２１】
移動手段３は、試料支持部２を支持し、試料表面Ｓに平行で互いに略直交する２方向であるＸ、Ｙ方向及び試料表面Ｓに垂直な方向であるＺ方向に移動する試料可動部５と、試料可動部５を駆動させる駆動装置６とを備える。より詳しくは、移動手段３は、試料ＰをＸ、Ｙ、Ｚ方向に粗動移動させる粗動機構（不図示）及び微小移動させるＸＹスキャナ（不図示）及びＺスキャナ（不図示）とで構成される。粗動機構に対応する駆動装置６としては、ステッピングモータなどである。また、ＸＹスキャナ及びＺスキャナに対応する駆動装置６としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等からなる圧電素子であり、電圧が印加されると、電圧印加量及び極性等に応じて試料ＰをＸＹＺ方向に微小移動させることが可能である。また、加振手段４は、プローブ２０に接続され所定の周波数及び振幅で振動するようにプローブ２０を加振するＰＺＴからなる圧電素子７と、圧電素子７に電圧を印加して圧電素子７を振動させる加振電源８とを備える。
【００２２】
さらに、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、加振手段４によって加振されたプローブ２０の探針２１の振動状態を検出する振動検出手段９（変位検出手段）を備える。振動検出手段９は、探針２１の裏面に形成された図示しない反射面（例えば、金やアルミニウム等の金属材料をコーティングして形成）にレーザ光Ｌを照射するレーザ光源１０と、レーザ光源１０の電源であるレーザ電源１１と、反射面で反射したレーザ光Ｌを検出するフォトダイオード（光検出部）１２とを備えている。フォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌは、ＤＩＦ信号として出力され、プリアンプ１３で増幅され、交流−直流変換器１４によって直流変換され、コンピュータ１５に送られる。コンピュータ１５には、図示しないＺ電圧フィードバック回路が備えられており、コンピュータ１５に入力されたＤＩＦ信号に基づいて移動手段３のＺスキャナ（不図示）に電圧を印加して試料ＰをＺ方向に微小移動させる。
【００２３】
また、図１に示すように、走査型プローブ顕微鏡１は、プローブ２０と試料Ｐとに接続され、探針２１と試料Ｐとの間に電圧を印加させる電圧源１６と、電圧源１６によって印加された電圧により探針２１と試料Ｐとの間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部１７とを備える。また、コンピュータ１５は、前述のように交流−直流変換器１４と接続されているとともに、駆動装置６、レーザ電源１１及び電気特性検出部１７と接続されている。
【００２４】
以上の構成により、走査型プローブ顕微鏡１は、以下に示すように、試料Ｐの表面形状及び電気特性を測定する。まず、コンピュータ１５による制御のもとに加振電源８で圧電素子７を振動させるとともに、レーザ電源１１でレーザ光源１０からプローブ２０のカンチレバー２２の反射面にレーザ光Ｌを照射させる。カンチレバー２２は圧電素子７から伝達される振動によって上下に振動し、これによりカンチレバー２２で反射されフォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌは一定の振幅及び周波数の振動波形を形成する。この状態で、コンピュータ１５による制御のもと、駆動装置６を駆動させて、試料ＰをＸ、Ｙ方向に走査させて試料Ｐの表面形状及び電気特性を測定する。プローブ２０の探針２１が走査された位置に凹凸があると、フォトダイオード１２で検出されるレーザ光Ｌの振動振幅が減衰される。この振動振幅は、ＤＩＦ信号としてプリアンプ１３で増幅され、交流−直流変換器１４で直流に変換され、コンピュータ１５に入力される。コンピュータ１５には前述の図示しないＺ電圧フィードバック回路が備えられており、ＤＩＦ信号化された振動振幅が閾値を超えた場合、入力されたＤＩＦ信号に基づいて駆動装置６を駆動させ、振動振幅が閾値内で一定となるように試料可動部５をＺ方向に可動し、調整する。これを駆動装置６によって試料ＰをＸ、Ｙ方向に可動させて、繰り返すことによって試料Ｐの表面形状の測定を行う。
【００２５】
さらに、試料Ｐの表面形状の測定と平行して、プローブ２０と試料Ｐとの間には電圧が印加され、探針２１と試料Ｐとの間に発生する電流または電気抵抗を測定する。これらの試料Ｐの表面形状及び電気特性の測定結果は、試料ＰのＸ、Ｙ方向の走査位置とともにコンピュータ１５によって表示される。
【００２６】
次に、このような走査型プローブ顕微鏡１に搭載されるプローブ２０の詳細の構成について説明する。図２はプローブ２０の全体斜視図であるが、走査型プローブ顕微鏡１に搭載される向きと上下逆となるように記載されている。
図２に示すように、上述のようにプローブ２０は、先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成された探針２１と、探針２１が先端部２２ａに突出して設けられたカンチレバー２２と、カンチレバー２２の基端部２２ｂを先端部２２ａが自由端となるように片持ち状態で固定する本体部２３とを備える。カンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン基板、特に、シリコンからなるシリコン活性層２４及びシリコン支持層２５と、シリコン活性層２４とシリコン支持層２５とに介装され、ＳｉＯ２からなるＢＯＸ層２６とを貼り合わせたＳＯＩ基板２７（Silicon on Insulator）から形成されている。
【００２７】
また、図３及び図４（図３におけるＡ−Ａ断面）に示すとおり、カンチレバー２２の表面２２ｃには、絶縁膜２８が形成され、絶縁膜２８上において先端部２２ａから基端部２２ｂにかけて配線２９が形成されている。絶縁膜２８は、ＳｉＯ２からなるシリコン酸化膜である。また、配線２９は、アルミニウムからなる金属膜である。なお、配線２９は、アルミニウムに限ること無く、導電性を有する各種金属で形成することが可能であり、例えば、ニッケル、金、銅などでも良い。探針２１は、カンチレバー２２の表面２２ｃの先端部２２ａの配線２９上に突出して設けられている。探針２１は、ニッケルで形成されており、導電性を有している。なお、探針２１を形成する材料は、ニッケルに限らず導電性を有して、後述する電鋳法で形成可能な材料であれば良く、例えば、金、銅、ロジウム、パラジウム、タングステンなどでもよい。また、図５は図４におけるＢ−Ｂ断面を示しており、探針２１の基端部２１ｂの断面は、中空部３０及び切欠き部３１を有しており、略Ｃ形の断面形状に形成されている。さらに、図２に示すように、探針２１は、基端部２１ｂの切欠き部３１がカンチレバー２２の先端部２２ａ側を向くようにカンチレバー２２に設けられており、基端部２１ｂの断面形状はカンチレバー２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となっている。
【００２８】
この実施形態のプローブ２０では、探針２１が導電性を有していて、配線２９に接続されているので、配線２９を介して図１に示す電圧源１６と接続して、試料Ｐの電気特性を測定することができる。また、探針２１は先端部２１ａが先鋭化されるとともに基端部２１ｂが略棒状に形成されているので、アスペクト比の高い探針とすることができる。このため、試料Ｐがアスペクト比の高い凹凸を有する表面形状であったとしても、探針２１が凹凸に対して正確に追従し、凹凸の深さ、幅を高い精度で測定し、正確な観察像を得ることができる。
【００２９】
また、探針２１の基端部２１ｂの断面形状は、中空部３０及び切欠き部３１を有する略Ｃ形とすることで、探針２１の剛性を確保しつつ軽量化を図ることができる。このため、プローブ２０は加振手段４によって振動させられるが、カンチレバー２２の共振周波数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができ、これにより試料Ｐとの相互作用を感度良く検出することができる。また、探針２１はカンチレバー２２の中心軸２２ｄ上に設けられており、かつ基端部２１ｂの断面は中心軸２２ｄに対して略線対称な形状となっている。このため、探針２１を試料表面Ｓに走査する際、探針２１の基端部２１ｂの断面に偏った力が作用することがない。また、ねじれなどの作用が走査方向によって偏ってカンチレバー２２に生じてしまうことも無く、安定した測定結果を得ることができる。
【００３０】
次に、この実施形態のプローブ２０の製造方法について説明する。前述のとおり、プローブ２０のカンチレバー２２及び本体部２３は、シリコン活性層２４、ＢＯＸ層２６、シリコン支持層２５から構成されるＳＯＩ基板２７から形成される。ここで、シリコン活性層２４の厚さはカンチレバー２２の厚さに設定され、また、ＢＯＸ層２６及びシリコン支持層２５の厚さは本体部２３の厚さに設定されている。以下、順に説明する。
【００３１】
図６から図８に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー２２を形成する。まず、図６に示すように、フォトリソグラフィ技術によって、カンチレバー２２を形成する範囲にフォトレジスト膜３２を形成する。そして、図７に示すとおり、フォトレジスト膜３２をマスクとして、シリコン活性層２４をＢＯＸ層２６に達するまでエッチングすることで、カンチレバー２２となる部分の周囲の範囲のシリコン活性層２４を切欠く。そして、図８に示すとおり、フォトレジスト膜３２を除去することでカンチレバー２２が形成される。フォトレジスト膜としては、ポジ型でもネガ型でも良い。カンチレバー２２をエッチングする方法としては、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれの方法でも良いが、ドライエッチングが好適である。ドライエッチングであれば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）やＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）などがある。またウェットエッチングであれば、水酸化カリウム（ＫＯＨ）やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）等のアルカリ性エッチャントによる異方性エッチングなどがある。
【００３２】
次に、図９に示すように、絶縁膜形成工程において、カンチレバー２２の表面２２ｃ上に絶縁膜２８を形成する。絶縁膜２８は熱酸化法によって形成される。また、この際、カンチレバー２２の裏面側、つまりシリコン支持層２５の表面のうち、本体部２３となる部分にも酸化膜３３を形成する。すなわち、図９に示すように、シリコン支持層２５の表面の全面に、絶縁膜２８を形成するのと同時に酸化膜３３を形成する。次に、図１０に示すように、本体部２３の裏面２３ａの部分及びカンチレバー２２が形成された側の全体をフォトレジスト膜３４でパターニングする。そして、図１１に示すように、フォトレジスト膜３４がパターニングされた部分以外の酸化膜３３をフッ酸によって除去し、最後に、図１２示すように、フォトレジスト膜３４を除去する。
【００３３】
次に、図１３から図１６に示すように、配線形成工程において、絶縁膜２８上に配線２９を形成する。まず、図１３に示すように、配線２９となるアルミニウム膜をスパッタリング法によって全面に形成する。次に、図１４に示すように、配線２９となる部分をフォトレジスト膜３５でパターニングする。そして、図１５に示すように、フォトレジスト膜３５が形成されていない範囲をエッチングして、最後に、図１６に示すように、フォトレジスト膜３５を除去することによって配線２９が形成される。
【００３４】
なお、配線２９となるアルミニウム膜を形成する方法は、スパッタリング法に限らず、蒸着法としても良い。また、あらかじめ配線２９でない範囲にフォトレジスト膜を形成し、配線２９の範囲のみをスパッタリング法あるいは蒸着法によって成膜する方法としても良い。
【００３５】
次に、図１７から図２８に示すように、探針形成工程において、配線２９上に探針２１を形成する。探針形成工程は、基端部形成工程と、先端部形成工程の２工程で構成される。図１７から図１９は、基端部形成工程を示している。まず、図１７に示すように、カンチレバー２２側全体に探針２１の基端部２１ｂの高さと略等しい厚さのフォトレジスト膜３６を形成する。フォトレジスト膜３６としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、図１８に示すように、探針２１の基端部２１ｂの位置に、基端部２１ｂの断面形状と等しくなるようにマスク３７をマスキングする。ここでは、基端部２１ｂの断面形状が略Ｃ形であるので、略Ｃ形にマスキングする。そして、図１９に示すように、フォトレジスト膜３６を露光し、マスク３７を除去する。このようにすることで、探針２１の基端部２１ｂが形成される範囲に未露光範囲３８が形成される。
【００３６】
次に、図２０から図２８に示す先端部形成工程を行う。まず、図２０に示すように、フォトレジスト膜３６上の全面に、少なくとも探針２１の先端部２１ａの高さ以上の厚さのフォトレジスト膜３９を形成する。フォトレジスト膜３９としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。次に、図２１に示すように、探針２１の先端部２１ａの位置に、少なくとも先端部２１ａの基端部２１ｂ側の断面形状よりも大となる範囲にマスク４０をマスキングする。そして、図２２に示すように、フォトレジスト膜３９を露光し、マスク４０を除去する。このようにすることで、探針２１の先端部２１ａが形成される範囲に、研磨しろ４１ａを含んだ未露光範囲４１が形成される。
【００３７】
次に、図２３に示すように、現像液を滴下して、基端部形成工程における未露光範囲３８と、先端部形成工程における未露光範囲４１とを同時に溶かし込む。次に、図２４に示すように、配線２９を一方の電極として電解液に浸潤させて、電鋳法によりニッケルを空洞となった未露光範囲３８、４１に電鋳する。そして、図２５に示すように、フォトレジスト膜３６、３９を除去することで、探針２１の基端部２１ｂと、先端部２１ａの研磨しろ４１ａを含んだものとが形成される。
【００３８】
次に、図２６に示すように、カンチレバー２２側の全面に、先鋭化された先端部２１ａの裾となる位置２１ｃと上面の位置とが一致するようにフォトレジスト膜４２を形成する。そして、フォトレジスト膜４２から露出する探針２１の先端部２１ａを電解研磨によって、研磨しろ４１ａを研磨し、先鋭化させる。最後に、図２８に示すように、フォトレジスト膜４２を除去すれば、先端部２１ａが先鋭化され、基端部２１ｂが略棒状で、中空部３０及び切欠き部３１を有し、略Ｃ形の断面形状である探針２１が形成される。
【００３９】
次に、図２９から図３１に示すように、本体部形成工程において、本体部２３を形成する。まず、図２９に示すように、探針２１、配線２９が配設されたカンチレバー２２を保護するため、カンチレバー２２側の全面にフォトレジスト膜４３を形成する。次に、図３０に示すように、絶縁膜形成工程で形成した酸化膜３３をマスクとして、本体部２３以外のシリコン支持層２５をエッチングする。この場合、ドライエッチングでもウェットエッチングでもいずれでも構わないが、ウェットエッチングが好適である。そして、図３１に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜３３及び本体部２３以外のＢＯＸ層２６を除去し、フォトレジスト膜４３を除去すれば、図４に示すプローブ２０が製作される。
【００４０】
以上のように、カンチレバー２２を上述のカンチレバー形成工程で、探針２１を上述の探針形成工程で形成することにより、カンチレバー２２の形成と探針２１の形成とを完全に別工程することができる。このため、カンチレバー２２をＳＯＩ基板２７から形成し、探針２１を電鋳法によって導電性を有するニッケルから形成することができる。さらに、配線形成工程は、探針形成工程に先立って探針２１が形成されていない状態で行うことができるので、配線２９を容易に形成することができる。また、探針形成工程を基端部形成工程と先端部形成工程の２回に工程に分けて探針２１を形成することにより、先端部２１ａと基端部２１ｂとで断面形状の異なる探針２１を形成することができる。なお、上述の各工程において、フォトレジスト膜を露光させることでパターニングするが、これに限らず、電子ビームなどによる直接描画する方法でも構わない。
【００４１】
図３２は、この実施形態の第１の変形例で、探針４４の基端部４４ａの断面図を示している。この変形例の探針４４の基端部４４ａの断面形状は、４箇所の切欠き部４５を有することで、リブ４６、４７が略直交し、十字形に形成されている。このように、切欠き部４５によって軽量化を図るとともに、リブ４６、４７が略直交して配される断面構造となり、直交する２方向の剛性を確保することができる。
【００４２】
また、図３３は、この実施形態の第２の変形例で、探針４８の基端部４８ａの断面図を示している。この変形例の探針４８の基端部４８ａの断面形状は、３箇所の切欠き部４９を有することで、リブ５０、５１、５２が略等角で放射状に形成されている。第１の変形例同様に、切欠き部４９によって軽量化を図るとともに、リブ５０、５１、５２が略等角に放射状に配される断面構造とすることで、直交する２方向の剛性を確保することができる。なお、探針の基端部の断面形状は、上述のＣ形、十字形、放射状に限られるものでは無い。例えば、略棒状の部材が切欠かれることで、複数の柱状の部材が延設される構造としても良い。少なくとも切欠き部を有する断面形状であれば、探針の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができ、上述の製造工程で製造することができる。そして、カンチレバー２２の中心軸２２ｄに対して略線対称となるような断面形状かつ設置位置であることが好ましい。
【００４３】
（第２の実施形態）
図３４から図６１は、この発明に係る第２の実施形態を示している。図３４にプローブの断面図、図３５に探針の断面図を示す。また、図３６から図６１にはプローブの製造工程の工程図を示す。この実施形態において、前述した実施形態で用いた部材と共通の部材には同一の符号を付して、その説明を省略する。
【００４４】
図３４に示すとおり、この実施形態のプローブ６０は、第１の実施形態同様に、導電性を有する探針６１と、ＳＯＩ基板２７から形成され、配線６２が配設されたカンチレバー６３及び本体部６４とを備える。図示しないが、探針６１はカンチレバー６３の中心軸上に設けられている。また、カンチレバー６３と配線６２との間には絶縁膜６５が介装されている。探針６１の先端部６１ａは先鋭化されている。また、図３４及び図３５（図３４のＣ−Ｃ断面）に示すように、探針６１の基端部６１ｂは略棒状で、中空部６６を有する円環状の断面形状である。また、カンチレバー６３、配線６２及び絶縁膜６５には、探針６１の中空部６６と連通する貫通孔６７が形成されている。
【００４５】
このように、中空部６６を有し円環状の断面とすることで、探針６１の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。このため、第１の実施形態同様、カンチレバー６３の共振周波数を高め、振動に伴って作用する慣性力を抑えることができ、これにより試料Ｐとの相互作用を感度良く検出することができる。また、円環状とすることで、いずれの方向に対する剛性も等しくすることができ、均一な測定が可能であるといえる。
【００４６】
なお、探針６１の基端部６１ｂの断面形状は、上述の円環状に限ることは無く、例えば、三角形あるいは四角形などの多角形形状で、中空部６６を有する構造であれば同様に、探針の剛性を確保しつつ、軽量化を図ることができる。そして、カンチレバー６３の中心軸に対して略線対称となるような断面形状かつ設置位置であることが好ましい。
【００４７】
次に、この実施形態のプローブ６０の製造方法について説明する。この実施形態において、前述した実施形態と同様の工程については詳細の説明を省略する。
【００４８】
図３６から図３８に示すように、カンチレバー形成工程において、カンチレバー６３を形成する。まず、図３６に示すように、カンチレバー６３を形成する範囲にフォトレジスト膜６８を形成する。この際、貫通孔６７が形成される位置にはフォトレジスト膜６８を形成しない。そして、図３７及び図３８に示すとおり、フォトレジスト膜６８をマスクとしてエッチングし、フォトレジスト膜６８を除去することでカンチレバー６３が形成される。
【００４９】
次に、図３９から図４２に示すように、絶縁膜形成工程を行う。図３９に示すように、カンチレバー６３側の全面及び本体部６４側の全面に絶縁膜６５及び酸化膜６９を形成する。そして、図４０に示すように、絶縁膜６５と酸化膜６９のうち本体部６４の裏面の部分にフォトレジスト膜７０とをパターニングし、図４１に示すようにパターニングされた部分以外の酸化膜６９を除去する。最後に、図４２に示すように、フォトレジスト膜７０を除去する。
【００５０】
次に、図４３から図４６に示すように、配線形成工程において、絶縁膜６５上に配線６２を形成する。まず、図４３に示すように、配線６２となるアルミニウム膜を形成し、図４４に示すように、配線６２となる部分をフォトレジスト膜７１でパターニングする。この際、貫通孔６７となる部分はパターニングしない。そして、図４５に示すように、フォトレジスト膜７１が形成されていない範囲をエッチングして、最後に、図４６に示すように、フォトレジスト膜７１を除去することによって配線６２が形成される。
【００５１】
次に、図４７から図５８に示すように、探針形成工程において、配線６２上に探針６１を形成する。探針形成工程は、基端部形成工程と、先端部形成工程の２工程で構成される。図４７から図４９は、基端部形成工程を示している。まず、図４７に示すように、フォトレジスト膜７２を形成する。フォトレジスト膜７２としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。そして、図４８に示すように、探針６１の基端部６１ｂの位置に、基端部６１ｂの断面形状と等しくなるようにマスク７３をマスキングする。ここでは、基端部６１ｂの断面形状が円環状であるので、円環状にマスキングする。そして、図４９に示すように、フォトレジスト膜７２を露光し、マスク７３を除去する。このようにすることで、探針６１の基端部６１ｂが形成される範囲に未露光範囲７４が形成される。
【００５２】
次に、図５０から図５８に示す先端部形成工程を行う。まず、図５０に示すように、フォトレジスト膜７２上にフォトレジスト膜７５を形成する。フォトレジスト膜７５としては、ポジレジストとネガレジストがあるが、紫外線、電子ビームあるいはレーザ等で照射された部分のパターンが残るネガレジストが好適であり、例えば、ＳＵ−８（化薬マイクロケム株式会社製ＳＵ−８シリーズ）などがある。次に、図５１に示すように、探針６１の先端部６１ａの位置に、少なくとも先端部６１ａの基端部６１ｂ側の断面形状よりも大となる範囲にマスク７６をマスキングする。そして、図５２に示すように、フォトレジスト膜７５を露光し、マスク７６を除去する。このようにすることで、探針６１の先端部６１ａが形成される範囲に研磨しろ７７ａを含んだ未露光範囲７７が形成される。
【００５３】
次に、図５３に示すように、未露光範囲７４と未露光範囲７７とを現像し、図５４に示すように、電鋳法により、ニッケルを空洞となった未露光範囲７４、７７に電鋳する。そして、図５５に示すように、フォトレジスト膜７２、７５を除去することで、探針６１の基端部６１ｂと、先端部６１ａの研磨しろ７１ａを含んだものとが形成される。この際、探針６１の中空部６６に位置するフォトレジスト膜７２ａのみが残される。
【００５４】
次に、図５６に示すように、カンチレバー６３側の全面に、先鋭化された先端部６１ａの裾となる位置６１ｃと上面の位置とが一致するようにフォトレジスト膜７８を形成する。そして、電解研磨によって、フォトレジスト膜７８から露出する探針６１の先端部６１ａの研磨しろ７７ａを研磨し、先鋭化させる。そして、図５８に示すように、フォトレジスト膜７８を除去する。
【００５５】
次に、図５９から図６１に示すように、本体部形成工程において、本体部６４を形成する。まず、図５９に示すように、カンチレバー６３側の全面にフォトレジスト膜７９を形成し、図６０に示すように、酸化膜６９をマスクとして、本体部６４以外のシリコン支持層２５をエッチングする。そして、図６１に示すように、フッ酸によってＳｉＯ２層である酸化膜６９及び本体部６４以外のＢＯＸ層２６を除去する。最後に、カンチレバー６３側のフォトレジスト膜７９を除去し、中空部６６のフォトレジスト膜７２ａをカンチレバー６３の裏面側から除去すれば、図３４に示すプローブ６０が製作される。
【００５６】
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
【００５７】
なお、プローブのカンチレバー及び本体部はＳＯＩ基板から形成されるものとしたが、これに限ることは無く、樹脂、半導体、ガラス、あるいは金属に絶縁膜をコートしたものなどでも良い。また、プローブの製造工程の中で、探針形成工程において、先端部と基端部の２工程に分けられるとしたが、これに限ることは無い。基端部をさらに複数の工程に分けることで、基端部の断面形状を変化させることも可能である。
【００５８】
また、プローブに振動を与えて試料の表面形状を測定するＤＦＭモードの走査型プローブ顕微鏡としたが、これに限ることは無く、探針の変位を直接測定するＡＦＭモードに使用するものとしても、アスペクト比の高い凹凸を感度良く測定することができる。また、探針の振動状態（変位）を測定する振動検出手段（変位検出手段）をレーザ光Ｌによる光てこ方式としたが、これに限ることは無い。例えば、カンチレバーの撓みを測定する歪抵抗（撓み測定部）をカンチレバーの基端部に備え（自己検知型カンチレバー）、歪抵抗で測定した撓み変化に基づいて探針の振動状態（変位）を測定するものとしても良い。このような構成とすることで、カンチレバーにレーザ光Ｌを反射させる反射面を設ける必要がないので、カンチレバーの形状に制限を受ける必要がなく、プローブの設計の自由度が向上し、製造し易い。また、レーザ光源等の大がかりな装置が不要なので、装置コスト及び装置スペースの削減を図ることができる。
【００５９】
また、プローブには、探針が１つ設けられるものとしたが、これに限ることは無く、複数の探針を突出して設けることで、アレイ化したプローブとしても良い。さらに、プローブは走査型プローブ顕微鏡に備えられるものとしたが、これに限ることは無く、例えば、半導体検査プローブカードに備えられるプローブとしても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】この発明の第１の実施形態の走査型プローブ顕微鏡のブロック図である。
【図２】この発明の第１の実施形態のプローブの斜視図である。
【図３】この発明の第１の実施形態のプローブの平面図である。
【図４】この発明の第１の実施形態のプローブの断面図である。
【図５】この発明の第１の実施形態の探針の断面図である。
【図６】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図７】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図８】この発明の第１の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図９】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１０】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１１】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１２】この発明の第１の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図１３】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１４】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１５】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１６】この発明の第１の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図１７】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図１８】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図１９】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図２０】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２１】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２２】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２３】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２４】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２５】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２６】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２７】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２８】この発明の第１の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図２９】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３０】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３１】この発明の第１の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図３２】この発明の第１の実施形態の第１の変形例の探針の断面図である。
【図３３】この発明の第１の実施形態の第２の変形例の探針の断面図である。
【図３４】この発明の第２の実施形態のプローブの断面図である。
【図３５】この発明の第２の実施形態の探針の断面図である。
【図３６】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３７】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３８】この発明の第２の実施形態のプローブのカンチレバー形成工程を示す工程図である。
【図３９】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４０】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４１】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４２】この発明の第２の実施形態のプローブの絶縁膜形成工程を示す工程図である。
【図４３】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４４】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４５】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４６】この発明の第２の実施形態のプローブの配線形成工程を示す工程図である。
【図４７】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図４８】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図４９】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（基端部）を示す工程図である。
【図５０】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５１】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５２】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５３】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５４】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５５】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５６】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５７】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５８】この発明の第２の実施形態のプローブの探針形成工程（先端部）を示す工程図である。
【図５９】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図６０】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【図６１】この発明の第２の実施形態のプローブの本体部形成工程を示す工程図である。
【符号の説明】
【００６１】
１ 走査型プローブ顕微鏡
３ 移動手段
４ 加振手段
１６ 電圧源
１７ 電気特性検出部
２０、６０ プローブ
２１、４４、４８、６１ 探針
２１ａ、６１ａ 先端部
２１ｂ、４４ａ、４８ａ、６１ｂ 基端部
２２、６３ カンチレバー
２２ａ 先端部
２２ｂ 基端部
２２ｄ 中心軸
２３、６４ 本体部
２７ ＳＯＩ基板（シリコン基板）
２８、６５ 絶縁膜
２９、６２ 配線
３０、６６ 中空部
３１、４５、４９ 切欠き部
Ｐ 試料
Ｓ 試料表面
【特許請求の範囲】
【請求項１】
先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、
該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、
該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、
前記探針の基端部は、中空部を有する断面形状であることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、
該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、
該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、
前記探針の基端部は、切欠き部を有する断面形状であることを特徴とするプローブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプローブにおいて、
前記探針の基端部の断面形状は、前記カンチレバーの中心軸に対して略線対称であることを特徴とするプローブ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブと、
前記試料の表面の形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、
前記探針を前記試料に対して相対的に前記試料の表面に平行で、互いに略直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、
前記探針と前記試料との間に電圧を印加させる電圧源と、
該電圧源によって印加された電圧により前記探針と前記試料との間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、
前記変位検出手段は、前記探針の振動状態を検出する振動検出手段であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
先端部が先鋭化されるとともに、基端部が略棒状で中空部または切欠き部を有する断面形状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備えるプローブの製造方法であって、
シリコン基板を切欠いて、前記カンチレバーを形成するカンチレバー形成工程と、
前記カンチレバー上に前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に前記配線を形成する配線形成工程と、
前記カンチレバーの前記配線上に前記探針を電鋳法によって形成し、前記先端部を電解研磨によって先鋭化させる探針形成工程と、
前記シリコン基板を切欠いて、前記本体部を形成する本体部形成工程とを備え、
前記探針形成工程は、前記先端部を電鋳法によって形成する工程と、前記基端部を電鋳法によって形成する工程の少なくとも２回の電鋳法による工程で構成されることを特徴とするプローブの製造方法。
【請求項１】
先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、
該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、
該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、
前記探針の基端部は、中空部を有する断面形状であることを特徴とするプローブ。
【請求項２】
先端部が先鋭化されるとともに基端部が略棒状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、
該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、
該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備え、
前記探針の基端部は、切欠き部を有する断面形状であることを特徴とするプローブ。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のプローブにおいて、
前記探針の基端部の断面形状は、前記カンチレバーの中心軸に対して略線対称であることを特徴とするプローブ。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載のプローブと、
前記試料の表面の形状に応じて変位する前記探針の変位データを検出する変位検出手段と、
前記探針を前記試料に対して相対的に前記試料の表面に平行で、互いに略直交する二方向の走査及び前記試料の表面に垂直方向の移動を行う移動手段と、
前記探針と前記試料との間に電圧を印加させる電圧源と、
該電圧源によって印加された電圧により前記探針と前記試料との間に発生する電流または電気抵抗を測定する電気特性検出部とを備えることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項５】
請求項４に記載の走査型プローブ顕微鏡において、
前記探針を振動用周波数で共振または強制振動させる加振手段を備え、
前記変位検出手段は、前記探針の振動状態を検出する振動検出手段であることを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項６】
先端部が先鋭化されるとともに、基端部が略棒状で中空部または切欠き部を有する断面形状に形成され、導電性を有し、試料上を走査される探針と、該探針が先端部に突出して設けられるとともに、前記探針と電気的に接続される配線が配設されたカンチレバーと、該カンチレバーの基端部を、先端部が自由端となるように片持ち状態で固定する本体部とを備えるプローブの製造方法であって、
シリコン基板を切欠いて、前記カンチレバーを形成するカンチレバー形成工程と、
前記カンチレバー上に前記絶縁膜を形成する絶縁膜形成工程と、
前記絶縁膜上に前記配線を形成する配線形成工程と、
前記カンチレバーの前記配線上に前記探針を電鋳法によって形成し、前記先端部を電解研磨によって先鋭化させる探針形成工程と、
前記シリコン基板を切欠いて、前記本体部を形成する本体部形成工程とを備え、
前記探針形成工程は、前記先端部を電鋳法によって形成する工程と、前記基端部を電鋳法によって形成する工程の少なくとも２回の電鋳法による工程で構成されることを特徴とするプローブの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図５５】
【図５６】
【図５７】
【図５８】
【図５９】
【図６０】
【図６１】
【公開番号】特開２００７−１１４０３３（Ｐ２００７−１１４０３３Ａ）
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−３０５４０１（Ｐ２００５−３０５４０１）
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年１０月２０日（２００５．１０．２０）
【出願人】（０００００２３２５）セイコーインスツル株式会社 (3,629)
【Ｆターム（参考）】
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