微細構造体、カンチレバー、走査型プローブ顕微鏡及び微細構造体の変形量測定方法
【課題】 極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサを少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体の所望の位置に所望の形状・サイズで設けられるようにする。また、微細構造体の弾性変形を測定する際の部品の組立・調整の容易化、検出回路の小型化・簡略化を図るとともに、微細構造体の微細箇所の局所的変位を検知できるようにする。
【解決手段】 開示される微細構造体は、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー１である。このカンチレバー１には、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２が設けられている。
【解決手段】 開示される微細構造体は、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー１である。このカンチレバー１には、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２が設けられている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体、この微細構造体からなるカンチレバー、このカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡及び微細構造体の変形量を測定する微細構造体の変形量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体としては、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の一種である磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、あるいは走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning Near-field Optical Microscope）を構成するカンチレバー（片持ち梁）がある。
【０００３】
例えば、ＡＦＭを構成するカンチレバーは、先端に探針を保持しており、この探針を試料台に固定されている又は高周波振動している試料表面に接近して配置される。レーザービームを光学系を介してカンチレバーの先端下面に設けられた探針近傍上面に照射し、カンチレバー上面からの反射光を上下左右に４分割された光検出器で検出して反射光の強度比率からカンチレバーのたわみ量を計測する。このたわみ量から探針と資料表面に働く原子間力を算出することにより、試料表面の凹凸等の３次元形状を観察する（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。
【０００４】
また、従来のＡＦＭには、上記カンチレバー（プローブ）をピエゾ抵抗素子で構成し、カンチレバーのたわみ量をそのピエゾ抵抗値の変化として検出するものもある。このＡＦＭは、カンチレバーに定電圧バイアスを印加して抵抗変化量として得られた入力電流信号を出力電圧信号に変換する信号検出系と、この信号検出手段の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフセット信号検出系とを有している（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３２３８４３号公報（［０００８］〜［０００９］、図１，図２）
【特許文献２】特開２０００−３０４７５６号公報（請求項１，［００１０］〜［００１４］、図１，図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記第１の従来例において、良好な測定結果を得るためには、レーザー照射面、カンチレバー先端、光検出器受光面の計３箇所の位置関係を調整し、光検出器受光面の中心に、カンチレバー先端で反射されたレーザービームを精確に照射することが要求される。しかし、上記位置関係の調整にはかなり熟練を要し、ＡＦＭの測定部の組立・調整作業が容易ではなかった。また、ＡＦＭの構成要素としてレーザー及び光検出器が必須であることから、ＡＦＭにおいて測定部が占有するスペースを小さくすることが難しく、このことがＡＦＭの小型化を阻害していた。
【０００７】
この点、上記第２の従来例は、上記第１の従来例が有する問題を解決することができる。ところが、上記第２の従来例では、ピエゾ抵抗素子を用いているので、以下に示す様々な不都合があった。
（１）ピエゾ抵抗素子は、抵抗変化量が極めて小さいので、ホイートストンブリッジ回路等が必要であり、検出回路の構成が複雑である。
（２）ピエゾ抵抗素子は、感圧に寄与する面積が大きいので、微細箇所の局所的な変位を検知できない。
【０００８】
以上説明した第１及び第２の従来例がかかえる不都合は、ＡＦＭを構成するカンチレバーだけでなく、加速度、圧力、荷重、変位等の物理量を受けてその少なくとも一部が弾性変形する微細構造体にも同様に当てはまる。即ち、このような微細構造体では、弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を測定することが要求される場合があるが、上記第１の従来例では、上記したように、レーザー等の各部品の組立・調整の困難さや装置全体の小型化の困難さがある。
【０００９】
一方、上記第２の従来例では、各部位の変形量を同時に測定する場合には、ホイートストンブリッジ回路等を多数設ける必要があり、各ピエゾ抵抗素子に電源を供給する端子、各ピエゾ抵抗素子に流れる電流を検出する端子、これらの端子と外部の電源や測定回路とを接続する配線が面倒である。また、上記第２の従来例では、ピエゾ抵抗素子を形成すべき微細構造体の領域表面が導電性を有している場合、その領域表面に絶縁層を形成する必要がある。
【００１０】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、微細構造体、カンチレバー、走査型プローブ顕微鏡及び微細構造体の変形量測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る微細構造体は、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体であって、前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサが設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の少なくとも一部をその構成要素とすることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の微細構造体に係り、前記センサは、トンネル障壁を形成する絶縁層と、導電性を有し、前記絶縁層の上面に形成される上部電極とを有し、前記微細構造体の少なくとも一部は、導電性を有し、前記絶縁層の下部電極を構成することを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の弾性変形を電気抵抗変化として検出することを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の微細構造体に係り、前記センサは、抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ２以下であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明に係るカンチレバーは、先端を試料表面に接近させた状態で前記試料と相対的に二次元走査させ、前記試料表面と前記先端に働く物理量をたわみ量として検出する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであって、請求項１乃至６のいずれかに記載の微細構造体により構成したことを特徴としている。
また、請求項８記載の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、請求項７記載のカンチレバーを有することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の発明に係る微細構造体の変形量測定方法は、弾性変形を生じる微細構造体に前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサを複数個設け、前記複数個のセンサにより前記微細構造体の各部における前記弾性変形を電気抵抗変化としてそれぞれ検出することを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の微細構造体の変形量測定方法に係り、前記複数個のセンサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサを、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体の所望の位置に所望の形状・サイズで設けることができる。また、微細構造体の弾性変形を測定する際の部品点数が少ないため、部品の組立・調整が容易である。さらに、センサとして抵抗変化量が極めて小さいピエゾ抵抗素子を用いる場合に比べて、検出回路を小型化できるとともに、構成を簡略化でき、しかも、微細構造体の微細箇所の局所的な変位を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るカンチレバー１及び検出回路２の構成を示す概略斜視図、図２は、図１に示すカンチレバー１を構成するセンサ１２の外観構成を示す斜視図である。この例のカンチレバー１は、ＳＰＭの一種であるＭＦＭやＡＦＭ、あるいはＳＮＯＭを構成するものであり、機構部１１と、センサ１２とから概略構成されている。機構部１１は、柱部１３と、梁部１４と、探針１５とから構成されている。柱部１３は、少なくとも表面が導体からなり、略直方体状を呈している。梁部１４は、少なくとも表面が導体からなり、略直方体状を呈している。梁部１４は、一端部１４ａが柱部１３の一側面１３ａの上端部１３ａａの略中央に接続されているとともに、他端部１４ｂが略水平に柱部１３の垂直軸と直交する方向に延びている。柱部１３と梁部１４とは一体に形成されており、いわゆる片持ち梁状を呈している。梁部１４の他端部１４ｂの下面には、探針１５が保持されている。探針１５は、略四角錐状を呈しており、先端が下方に向いている。柱部１３のサイズは、例えば、横約１００μｍ、縦約１００μｍ、高さ約１５０μｍであり、梁部１４のサイズは、例えば、横約２００μｍ、縦約５０μｍ、厚さ約１μｍである。
【００１８】
センサ１２は、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に形成されている。センサ１２は、トンネル効果素子の一種であり、図２に示すように、トンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ａと、上部電極１２ｂとから構成されている。絶縁層１２ａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略四角柱状を呈している。絶縁層１２ａのサイズは、例えば、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍ、厚さ約１ｎｍである。上部電極１２ｂは、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略四角柱状を呈している。上部電極１２ｂのサイズは、例えば、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍ、厚さ約３０ｎｍである。なお、図１及び図２において、各部の形状は、上記一例として示した各部のサイズからくる比率とは一致していない。
【００１９】
次に、センサ１２のサイズ、形状、材質等を上記したように設定した理由について説明する。まず、センサ１２は、微細箇所の局所的な変位を検知するためには、小さければ小さいほど良いことがいうまでもないが、センサ１２を小さくすると、一般的には、抵抗値が高くなるとともに、加工上の問題もある。また、センサ１２の抵抗値が高い場合（例えば、１００ＭΩ以上）、絶縁層１２ａの両面間に印加すべき電圧が高くなってしまい、直流電源に一般的でない回路素子を用いなければならなくなる。一方、センサ１２の抵抗値が低い場合（例えば、１０Ω以下）、絶縁層１２ａにおいてリーク電流が発生するおそれがある。従って、センサ１２の抵抗値は、１００Ω〜１ＭΩであることが好ましい。
【００２０】
センサ１２が小さくなってもセンサ１２の抵抗値を１００Ω〜１ＭΩに維持するためには、センサ１２の抵抗値と面積との積である面積抵抗率ＲＡ（Resistance Area Product）を低く抑える必要があり、本発明者らが鋭意検討した結果、面積抵抗率ＲＡは、１００ｋΩ・μｍ２以下であることが好ましいことが判明した。そこで、この実施の形態１では、センサ１２は、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍとしている。
【００２１】
次に、センサ１２を構成する絶縁層１２ａの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係について説明する。まず、本発明者らは、センサ１２は、以下に示す動作原理（トンネル効果）に基づいて動作しているものと考えている。
（ａ）センサ１２に加速度、圧力、荷重、変位等の物理量が印加されると、その物理量がトンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ａに伝達され、絶縁層１２ａが歪む。絶縁層１２ａの歪みとして最も顕著なものは、絶縁層１２ａの厚さである。
（ｂ）絶縁層１２ａの厚さが変化すると、トンネルバリアをトンネルする電子のトンネル遷移確率が変化し、絶縁層１２ａの抵抗値が対数関数的に変化する。
【００２２】
従って、センサ１２において、印加される物理量に対して大きな抵抗値変化を得るためには、絶縁層１２ａの厚さが重要な要素である。面積抵抗率ＲＡは、センサ１２を構成する絶縁層１２ａを酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で構成する際に自然酸化させる前の金属アルミニウムの厚さが１．３ｎｍより薄い領域において、アルミニウムの厚さに対する依存性が大きく、センサ１２として大きな抵抗変化が得られることが知られている。１．３ｎｍのアルミニウムは２．０ｎｍ〜２．５ｎｍの酸化アルミニウム膜となるので、本実施の形態１では、絶縁層１２ａの厚さを約１ｎｍとしている。本発明者らは、アルミニウムの厚さが１０％変化すると、面積抵抗率ＲＡが７０％だけ線形的に変化していることを実験的に求めた。
【００２３】
また、上記したように、センサ１２を梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に形成するのは、梁部１４のうち、探針１５の変位に応じて最もたわむ部分が上記箇所であるので、この梁部１４のたわみ量の変化をセンサ１２の上記動作原理に基づいてセンサ１２の抵抗値変化として検出することにより、高い検出感度が得られるからである。なお、絶縁層１２ａ及び上部電極１２ｂがいずれも略四角柱状を呈し、トンネル接合部分が矩形状を呈しているのは、加工のしやすさを重視したためであり、絶縁層１２ａ及び上部電極１２ｂの形状及びトンネル接合の形状は、これらの加工上問題がなければ略円柱状及び円形状等、どのような形状でも良い。
【００２４】
以上説明したカンチレバー１のうち、センサ１２を構成する絶縁層１２ａ以外は、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術、リソグラフィ（lithography）技術、エッチング技術、メッキ技術等を用いて、形成する。一方、センサ１２を構成する絶縁層１２ａを酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で構成する場合には、（１）金属アルミニウムを上記箇所に形成した後、大気中で自然酸化させる方法、（２）金属アルミニウムを上記箇所に形成した後、大気中、真空中でプラズマ酸化法によって酸化させる方法、（３）酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜をＣＶＤ法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術で上記箇所に形成する方法、のいずれかの方法を用いて形成する。
【００２５】
検出回路２は、入出力端子２ａが銅（Ｃｕ）等からなるリード線３を介して柱部１３と電気的に接続されている。また、検出回路２は、入出力端子２ｂが銅等からなるリード線４を介してセンサ１２の上部電極１２ａと電気的に接続されている。検出回路２は、センサ１２に一定電圧を印加し又は一定電流を通電して、センサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出する。そして、検出回路２は、上記検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化し、図示せぬ表示部に表示する。
【００２６】
次に、以上説明したカンチレバー１をＡＦＭに適用した場合の動作について説明する。まず、表面形状を観察すべき試料を図示せぬＸＹＺステージ上に取り付ける。このＸＹＺステージは、駆動回路により駆動されて、面方向（ＸＹ方向）に二次元走査可能に構成されている。次に、図１に示すカンチレバー１を構成する探針１５の先端を図示せぬ試料表面に接近させて配置させる。そして、検出回路２は、リード線３、４、柱部１３及び梁部１４を介してセンサ１２に一定電圧を印加し又は一定電流を通電する。
【００２７】
次に、ＸＹＺステージを駆動回路で駆動させて面方向（ＸＹ方向）に二次元走査を行うと、試料表面と探針１５との間に作用する原子間力により探針１５を保持するカンチレバー１の梁部１４がたわむ。梁部１４がたわむことにより、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍に形成されたセンサ１２を構成する絶縁層１２ａの厚さが変化するので、センサ１２の抵抗値が変化する。検出回路２は、このセンサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出し、この検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化して図示せぬ表示部に表示する。
【００２８】
このように、本発明の実施の形態１では、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー１には、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２が設けられている。このセンサ１２は、カンチレバー１自体を下部電極として兼用している。また、本発明の実施の形態１では、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサ１２をカンチレバー１の製造工程においてカンチレバー１とともに所望の位置に所望の形状・サイズで作製することができる。
【００２９】
従って、第１の従来例がかかえるレーザー等の各部品の組立・調整の困難さや装置全体の小型化の困難さを解決することができる。また、抵抗変化量が極めて小さいピエゾ抵抗素子に比べて、ホイートストンブリッジ回路等が不要なため、検出回路の構成が簡単であるとともに、感圧に寄与する面積が小さいため、微細箇所の局所的な変位を検知できる。
【００３０】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、本発明を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに適用する例を示したが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、本発明は、マイクロマシン等の微細構造体であって、加速度、圧力、荷重、変位等の物理量を受けてその少なくとも一部が弾性変形する微細構造体にも適用することができる。即ち、このような微細構造体では、弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を測定することが要求される場合があるが、この実施の形態２においては、以下に示す方法により、この要求に応える。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態２に係る微細構造体の変位量測定方法の一例を説明するための概念図である。図３において、微細構造体２１は、少なくとも表面が導体であって、略角柱状を呈しており、全体が弾性変形を生じるものである。この微細構造体２１の正面には、所定間隔で、図２に示す複数のセンサ１２が設けられている。また、微細構造体２１は、図３に示すように、上面に所定の間隔を開けて支持部材２２及び２３で支持されている。
【００３２】
このような状態において、図３に示すように、微細構造体２１の下面略中央部に下方より上方に向かう何らかの力が加わることにより、微細構造体２１の略中央部分が所定長さだけ上方にたわんだとする。これにより、微細構造体２１の正面に設けられた複数のセンサ１２を構成する絶縁層１２ａは、当該センサ１２が設けられている微細構造体２１の部位のたわみ量に応じて、その厚さが変化するので、各センサ１２の抵抗値が変化する。このとき、各１対のプローブを同時に各センサ１２の上部電極１２ｂ及びこの上部電極１２ｂ近傍の微細構造体２１の表面に接触させて、各センサ１２の抵抗値を測定する。各１対のプローブにそれぞれ接続された図示せぬ各検出回路は、対応するセンサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出する。
【００３３】
このように、本発明の実施の形態２によれば、微細構造体２１自体を下部電極として兼用している。従って、上記第２の従来例のようにセンサを設ける領域表面に絶縁層やセンサとの接続端子等を形成する必要がなく、センサを含めた微細構造体２１の構成が簡単となる。また、従来測定できなかった弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を同時に測定することができる。このため、微細構造体２１のたわみ量の分布を把握することができる。
【００３４】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るカンチレバー３１及び検出回路３２の構成を示す概略斜視図、図５は、図４に示すカンチレバー３１の部分拡大斜視図である。図４及び図５において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図４及び図５に示すカンチレバー３１においては、図１に示すセンサ１２に換えて、センサ１２ｘ及び１２ｙが新たに形成されている。
【００３５】
センサ１２ｘは、図４及び図５に示すように、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の幅方向（ｘ方向）に平行に形成されている。一方、センサ１２ｙは、図４及び図５に示すように、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の材軸方向（ｙ方向）に平行に形成されている。つまり、センサ１２ｘ及び１２ｙは、互いの材軸が直交するように梁部１４の上面１４ｄに形成されている。
【００３６】
センサ１２ｘ及び１２ｙは、トンネル効果素子の一種であり、図５に示すように、トンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａと、上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂとからそれぞれ構成されている。絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略四角柱状を呈している。絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａのサイズは、例えば、長さ約１００ｎｍ、幅約３０ｎｍ、厚さ約１ｎｍである。上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂは、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略四角柱状を呈している。上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂのサイズは、例えば、長さ約１００ｎｍ、幅約３０ｎｍ、厚さ約３０ｎｍである。なお、図４及び図５において、各部の形状は、上記一例として示した各部のサイズからくる比率とは一致していない。また、センサ１２ｘ及び１２ｙのサイズ、形状、材質等を上記したように設定した理由並びに、センサ１２ｘ及び１２ｙの形成方法については、上述した実施の形態１におけるセンサ１２について述べたことがそのまま当てはまるので、その説明を省略する。
【００３７】
検出回路３２は、入出力端子２ａが銅（Ｃｕ）等からなるリード線３を介してカンチレバー３１の柱部１３と電気的に接続されている。また、検出回路３２は、入出力端子２ｂが銅等からなるリード線４を介してセンサ１２ｘの上部電極１２ｘａと電気的に接続されているとともに、入出力端子２ｃが銅等からなるリード線５を介してセンサ１２ｙの上部電極１２ｙａと電気的に接続されている。検出回路３２は、センサ１２ｘ及び１２ｙに一定電圧を印加し又は一定電流を通電して、センサ１２ｘ及び１２ｙのそれぞれの抵抗値変化を電流変化又は電圧変化としてそれぞれ検出する。そして、検出回路３２は、上記検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化し、図示せぬ表示部に表示する。
【００３８】
次に、以上説明したカンチレバー３１をＡＦＭに適用した場合の動作について説明する。まず、表面形状を観察すべき試料を図示せぬＸＹＺステージ上に取り付ける。このＸＹＺステージは、駆動回路により駆動されて、面方向（ＸＹ方向）に二次元走査可能に構成されている。次に、図４及び図５に示すカンチレバー３１を構成する探針１５の先端を図示せぬ試料表面に接近させて配置させる。そして、検出回路３２は、リード線３〜５、柱部１３及び梁部１４を介してセンサ１２ｘ及び１２ｙそれぞれに一定電圧を印加し又は一定電流を通電する。
【００３９】
次に、ＸＹＺステージを駆動回路で駆動させて面方向（ＸＹ方向）に二次元走査を行うと、試料表面と探針１５との間に作用する原子間力により探針１５を保持するカンチレバー１の梁部１４がたわむ。梁部１４がたわむことにより、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍に形成されたセンサ１２ｘ及び１２ｙをそれぞれ構成する絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａの厚さがそれぞれ変化するので、センサ１２ｘ及び１２ｙの抵抗値がそれぞれ変化する。検出回路３２は、これらのセンサ１２ｘ及び１２ｙの各抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出し、この検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化して図示せぬ表示部に表示する。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態３では、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー３１には、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２ｘ及び１２ｙが梁部１４の幅方向及び材軸方向にそれぞれ平行に設けられている。これらのセンサ１２ｘ及び１２ｙは、いずれもカンチレバー３１自体を下部電極として兼用している。また、本発明の実施の形態３では、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサ１２ｘ及び１２ｙをカンチレバー３１の製造工程においてカンチレバー３１とともに所望の位置に所望の形状・サイズで作製することができる。
【００４１】
従って、本発明の実施の形態３によれば、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、カンチレバー３１の走査方向に対して相対的な傾きも測定することができる。なお、センサ１２ｘ及び１２ｙは、カンチレバー３１の梁部１４の下面であって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の幅方向及び材軸方向にそれぞれ平行に設けても、上記と同様の効果が得られる。
【００４２】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の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の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施の形態１及び３では、カンチレバー１又は３１を固定し、表面形状を観察すべき試料を面方向（ＸＹ方向）に二次元走査する例を示したが、これに限定されず、上記資料を固定し、カンチレバー１又は３１を面方向（ＸＹ方向）に二次元走査しても良い。
また、上述の実施の形態２では、センサ１２を、微細構造体２１の正面（図３参照）だけに設ける例を示したが、これに限定されない。例えば、センサ１２を、微細構造体２１の上面又は下面にも設けるようにしても良い。このように構成すれば、微細構造体２１のねじれ量等の分布を測定することができる。
【００４３】
また、上述した実施の形態２では、図示せぬ各１対のプローブを同時に各センサ１２の上部電極１２ｂ及びこの上部電極１２ｂ近傍の微細構造体２１の表面に接触させて各センサ１２の抵抗値を測定する例を示したが、これに限定されない。例えば、微細構造体２１に１本のリード線を接続するとともに、各センサ１２の上部電極１２ｂにリード線をそれぞれ接続するように構成しても良い。そして、各リード線を図示せぬデジタルマルチメータ等の測定器に接続し、パラレルに又は順次入力を切り替えてシリアルに測定器に各センサ１２の抵抗値を取り込むように構成する。このように構成すれば、微細構造体２１のたわみ量の分布を簡単に測定することができる。
また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るカンチレバー及び検出回路の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すカンチレバーを構成するセンサの外観構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る微細構造体の変位量測定方法の一例を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係るカンチレバー及び検出回路の構成を示す概略斜視図である。
【図５】図４に示すカンチレバーの部分拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，３１ カンチレバー
２，３２ 検出回路
２ａ，２ｂ，２ｃ 入出力端子
３〜５ リード線
１１ 機構部
１２，１２ｘ，１２ｙ センサ
１２ａ，１２ｘａ，１２ｙａ 絶縁層
１２ｂ，１２ｘｂ，１２ｙｂ 上部電極
１３ 柱部
１３ａ，１４ｃ 一側面
１３ａａ 上端部
１４ 梁部
１４ａ 一端部
１４ｂ 他端部
１４ｄ 上面
１５ 探針
２１ 微細構造体
２２，２３ 支持部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体、この微細構造体からなるカンチレバー、このカンチレバーを有する走査型プローブ顕微鏡及び微細構造体の変形量を測定する微細構造体の変形量測定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体としては、例えば、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の一種である磁気力顕微鏡（ＭＦＭ：Magnetic Force Microscope）や原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、あるいは走査型近接場光顕微鏡（ＳＮＯＭ：Scanning Near-field Optical Microscope）を構成するカンチレバー（片持ち梁）がある。
【０００３】
例えば、ＡＦＭを構成するカンチレバーは、先端に探針を保持しており、この探針を試料台に固定されている又は高周波振動している試料表面に接近して配置される。レーザービームを光学系を介してカンチレバーの先端下面に設けられた探針近傍上面に照射し、カンチレバー上面からの反射光を上下左右に４分割された光検出器で検出して反射光の強度比率からカンチレバーのたわみ量を計測する。このたわみ量から探針と資料表面に働く原子間力を算出することにより、試料表面の凹凸等の３次元形状を観察する（例えば、特許文献１参照。）。以下、この技術を第１の従来例と呼ぶ。
【０００４】
また、従来のＡＦＭには、上記カンチレバー（プローブ）をピエゾ抵抗素子で構成し、カンチレバーのたわみ量をそのピエゾ抵抗値の変化として検出するものもある。このＡＦＭは、カンチレバーに定電圧バイアスを印加して抵抗変化量として得られた入力電流信号を出力電圧信号に変換する信号検出系と、この信号検出手段の出力電圧信号に含まれるオフセット信号成分を検出して除去するオフセット信号検出系とを有している（例えば、特許文献２参照。）。以下、この技術を第２の従来例と呼ぶ。
【０００５】
【特許文献１】特開平６−３２３８４３号公報（［０００８］〜［０００９］、図１，図２）
【特許文献２】特開２０００−３０４７５６号公報（請求項１，［００１０］〜［００１４］、図１，図３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記第１の従来例において、良好な測定結果を得るためには、レーザー照射面、カンチレバー先端、光検出器受光面の計３箇所の位置関係を調整し、光検出器受光面の中心に、カンチレバー先端で反射されたレーザービームを精確に照射することが要求される。しかし、上記位置関係の調整にはかなり熟練を要し、ＡＦＭの測定部の組立・調整作業が容易ではなかった。また、ＡＦＭの構成要素としてレーザー及び光検出器が必須であることから、ＡＦＭにおいて測定部が占有するスペースを小さくすることが難しく、このことがＡＦＭの小型化を阻害していた。
【０００７】
この点、上記第２の従来例は、上記第１の従来例が有する問題を解決することができる。ところが、上記第２の従来例では、ピエゾ抵抗素子を用いているので、以下に示す様々な不都合があった。
（１）ピエゾ抵抗素子は、抵抗変化量が極めて小さいので、ホイートストンブリッジ回路等が必要であり、検出回路の構成が複雑である。
（２）ピエゾ抵抗素子は、感圧に寄与する面積が大きいので、微細箇所の局所的な変位を検知できない。
【０００８】
以上説明した第１及び第２の従来例がかかえる不都合は、ＡＦＭを構成するカンチレバーだけでなく、加速度、圧力、荷重、変位等の物理量を受けてその少なくとも一部が弾性変形する微細構造体にも同様に当てはまる。即ち、このような微細構造体では、弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を測定することが要求される場合があるが、上記第１の従来例では、上記したように、レーザー等の各部品の組立・調整の困難さや装置全体の小型化の困難さがある。
【０００９】
一方、上記第２の従来例では、各部位の変形量を同時に測定する場合には、ホイートストンブリッジ回路等を多数設ける必要があり、各ピエゾ抵抗素子に電源を供給する端子、各ピエゾ抵抗素子に流れる電流を検出する端子、これらの端子と外部の電源や測定回路とを接続する配線が面倒である。また、上記第２の従来例では、ピエゾ抵抗素子を形成すべき微細構造体の領域表面が導電性を有している場合、その領域表面に絶縁層を形成する必要がある。
【００１０】
本発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、微細構造体、カンチレバー、走査型プローブ顕微鏡及び微細構造体の変形量測定方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明に係る微細構造体は、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体であって、前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサが設けられていることを特徴としている。
【００１２】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴としている。
また、請求項３記載の発明は、請求項１又は２記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の少なくとも一部をその構成要素とすることを特徴としている。
【００１３】
また、請求項４記載の発明は、請求項３記載の微細構造体に係り、前記センサは、トンネル障壁を形成する絶縁層と、導電性を有し、前記絶縁層の上面に形成される上部電極とを有し、前記微細構造体の少なくとも一部は、導電性を有し、前記絶縁層の下部電極を構成することを特徴としている。
また、請求項５記載の発明は、請求項１乃至４のいずれかに記載の微細構造体に係り、前記センサは、前記微細構造体の弾性変形を電気抵抗変化として検出することを特徴としている。
また、請求項６記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の微細構造体に係り、前記センサは、抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ２以下であることを特徴としている。
【００１４】
また、請求項７記載の発明に係るカンチレバーは、先端を試料表面に接近させた状態で前記試料と相対的に二次元走査させ、前記試料表面と前記先端に働く物理量をたわみ量として検出する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであって、請求項１乃至６のいずれかに記載の微細構造体により構成したことを特徴としている。
また、請求項８記載の発明に係る走査型プローブ顕微鏡は、請求項７記載のカンチレバーを有することを特徴としている。
【００１５】
また、請求項９記載の発明に係る微細構造体の変形量測定方法は、弾性変形を生じる微細構造体に前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサを複数個設け、前記複数個のセンサにより前記微細構造体の各部における前記弾性変形を電気抵抗変化としてそれぞれ検出することを特徴としている。
また、請求項１０記載の発明は、請求項９記載の微細構造体の変形量測定方法に係り、前記複数個のセンサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサを、少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体の所望の位置に所望の形状・サイズで設けることができる。また、微細構造体の弾性変形を測定する際の部品点数が少ないため、部品の組立・調整が容易である。さらに、センサとして抵抗変化量が極めて小さいピエゾ抵抗素子を用いる場合に比べて、検出回路を小型化できるとともに、構成を簡略化でき、しかも、微細構造体の微細箇所の局所的な変位を検知することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係るカンチレバー１及び検出回路２の構成を示す概略斜視図、図２は、図１に示すカンチレバー１を構成するセンサ１２の外観構成を示す斜視図である。この例のカンチレバー１は、ＳＰＭの一種であるＭＦＭやＡＦＭ、あるいはＳＮＯＭを構成するものであり、機構部１１と、センサ１２とから概略構成されている。機構部１１は、柱部１３と、梁部１４と、探針１５とから構成されている。柱部１３は、少なくとも表面が導体からなり、略直方体状を呈している。梁部１４は、少なくとも表面が導体からなり、略直方体状を呈している。梁部１４は、一端部１４ａが柱部１３の一側面１３ａの上端部１３ａａの略中央に接続されているとともに、他端部１４ｂが略水平に柱部１３の垂直軸と直交する方向に延びている。柱部１３と梁部１４とは一体に形成されており、いわゆる片持ち梁状を呈している。梁部１４の他端部１４ｂの下面には、探針１５が保持されている。探針１５は、略四角錐状を呈しており、先端が下方に向いている。柱部１３のサイズは、例えば、横約１００μｍ、縦約１００μｍ、高さ約１５０μｍであり、梁部１４のサイズは、例えば、横約２００μｍ、縦約５０μｍ、厚さ約１μｍである。
【００１８】
センサ１２は、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に形成されている。センサ１２は、トンネル効果素子の一種であり、図２に示すように、トンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ａと、上部電極１２ｂとから構成されている。絶縁層１２ａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略四角柱状を呈している。絶縁層１２ａのサイズは、例えば、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍ、厚さ約１ｎｍである。上部電極１２ｂは、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略四角柱状を呈している。上部電極１２ｂのサイズは、例えば、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍ、厚さ約３０ｎｍである。なお、図１及び図２において、各部の形状は、上記一例として示した各部のサイズからくる比率とは一致していない。
【００１９】
次に、センサ１２のサイズ、形状、材質等を上記したように設定した理由について説明する。まず、センサ１２は、微細箇所の局所的な変位を検知するためには、小さければ小さいほど良いことがいうまでもないが、センサ１２を小さくすると、一般的には、抵抗値が高くなるとともに、加工上の問題もある。また、センサ１２の抵抗値が高い場合（例えば、１００ＭΩ以上）、絶縁層１２ａの両面間に印加すべき電圧が高くなってしまい、直流電源に一般的でない回路素子を用いなければならなくなる。一方、センサ１２の抵抗値が低い場合（例えば、１０Ω以下）、絶縁層１２ａにおいてリーク電流が発生するおそれがある。従って、センサ１２の抵抗値は、１００Ω〜１ＭΩであることが好ましい。
【００２０】
センサ１２が小さくなってもセンサ１２の抵抗値を１００Ω〜１ＭΩに維持するためには、センサ１２の抵抗値と面積との積である面積抵抗率ＲＡ（Resistance Area Product）を低く抑える必要があり、本発明者らが鋭意検討した結果、面積抵抗率ＲＡは、１００ｋΩ・μｍ２以下であることが好ましいことが判明した。そこで、この実施の形態１では、センサ１２は、横約１００ｎｍ、縦約１００ｎｍとしている。
【００２１】
次に、センサ１２を構成する絶縁層１２ａの厚さと面積抵抗率ＲＡとの関係について説明する。まず、本発明者らは、センサ１２は、以下に示す動作原理（トンネル効果）に基づいて動作しているものと考えている。
（ａ）センサ１２に加速度、圧力、荷重、変位等の物理量が印加されると、その物理量がトンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ａに伝達され、絶縁層１２ａが歪む。絶縁層１２ａの歪みとして最も顕著なものは、絶縁層１２ａの厚さである。
（ｂ）絶縁層１２ａの厚さが変化すると、トンネルバリアをトンネルする電子のトンネル遷移確率が変化し、絶縁層１２ａの抵抗値が対数関数的に変化する。
【００２２】
従って、センサ１２において、印加される物理量に対して大きな抵抗値変化を得るためには、絶縁層１２ａの厚さが重要な要素である。面積抵抗率ＲＡは、センサ１２を構成する絶縁層１２ａを酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で構成する際に自然酸化させる前の金属アルミニウムの厚さが１．３ｎｍより薄い領域において、アルミニウムの厚さに対する依存性が大きく、センサ１２として大きな抵抗変化が得られることが知られている。１．３ｎｍのアルミニウムは２．０ｎｍ〜２．５ｎｍの酸化アルミニウム膜となるので、本実施の形態１では、絶縁層１２ａの厚さを約１ｎｍとしている。本発明者らは、アルミニウムの厚さが１０％変化すると、面積抵抗率ＲＡが７０％だけ線形的に変化していることを実験的に求めた。
【００２３】
また、上記したように、センサ１２を梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に形成するのは、梁部１４のうち、探針１５の変位に応じて最もたわむ部分が上記箇所であるので、この梁部１４のたわみ量の変化をセンサ１２の上記動作原理に基づいてセンサ１２の抵抗値変化として検出することにより、高い検出感度が得られるからである。なお、絶縁層１２ａ及び上部電極１２ｂがいずれも略四角柱状を呈し、トンネル接合部分が矩形状を呈しているのは、加工のしやすさを重視したためであり、絶縁層１２ａ及び上部電極１２ｂの形状及びトンネル接合の形状は、これらの加工上問題がなければ略円柱状及び円形状等、どのような形状でも良い。
【００２４】
以上説明したカンチレバー１のうち、センサ１２を構成する絶縁層１２ａ以外は、化学気相成長（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術、リソグラフィ（lithography）技術、エッチング技術、メッキ技術等を用いて、形成する。一方、センサ１２を構成する絶縁層１２ａを酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）で構成する場合には、（１）金属アルミニウムを上記箇所に形成した後、大気中で自然酸化させる方法、（２）金属アルミニウムを上記箇所に形成した後、大気中、真空中でプラズマ酸化法によって酸化させる方法、（３）酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜をＣＶＤ法、真空蒸着法又はスパッタ法等の薄膜形成技術で上記箇所に形成する方法、のいずれかの方法を用いて形成する。
【００２５】
検出回路２は、入出力端子２ａが銅（Ｃｕ）等からなるリード線３を介して柱部１３と電気的に接続されている。また、検出回路２は、入出力端子２ｂが銅等からなるリード線４を介してセンサ１２の上部電極１２ａと電気的に接続されている。検出回路２は、センサ１２に一定電圧を印加し又は一定電流を通電して、センサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出する。そして、検出回路２は、上記検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化し、図示せぬ表示部に表示する。
【００２６】
次に、以上説明したカンチレバー１をＡＦＭに適用した場合の動作について説明する。まず、表面形状を観察すべき試料を図示せぬＸＹＺステージ上に取り付ける。このＸＹＺステージは、駆動回路により駆動されて、面方向（ＸＹ方向）に二次元走査可能に構成されている。次に、図１に示すカンチレバー１を構成する探針１５の先端を図示せぬ試料表面に接近させて配置させる。そして、検出回路２は、リード線３、４、柱部１３及び梁部１４を介してセンサ１２に一定電圧を印加し又は一定電流を通電する。
【００２７】
次に、ＸＹＺステージを駆動回路で駆動させて面方向（ＸＹ方向）に二次元走査を行うと、試料表面と探針１５との間に作用する原子間力により探針１５を保持するカンチレバー１の梁部１４がたわむ。梁部１４がたわむことにより、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍に形成されたセンサ１２を構成する絶縁層１２ａの厚さが変化するので、センサ１２の抵抗値が変化する。検出回路２は、このセンサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出し、この検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化して図示せぬ表示部に表示する。
【００２８】
このように、本発明の実施の形態１では、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー１には、梁部１４の一側面１４ｃであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２が設けられている。このセンサ１２は、カンチレバー１自体を下部電極として兼用している。また、本発明の実施の形態１では、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサ１２をカンチレバー１の製造工程においてカンチレバー１とともに所望の位置に所望の形状・サイズで作製することができる。
【００２９】
従って、第１の従来例がかかえるレーザー等の各部品の組立・調整の困難さや装置全体の小型化の困難さを解決することができる。また、抵抗変化量が極めて小さいピエゾ抵抗素子に比べて、ホイートストンブリッジ回路等が不要なため、検出回路の構成が簡単であるとともに、感圧に寄与する面積が小さいため、微細箇所の局所的な変位を検知できる。
【００３０】
実施の形態２．
上述した実施の形態１では、本発明を走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーに適用する例を示したが、本発明はこれに限定するものではない。例えば、本発明は、マイクロマシン等の微細構造体であって、加速度、圧力、荷重、変位等の物理量を受けてその少なくとも一部が弾性変形する微細構造体にも適用することができる。即ち、このような微細構造体では、弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を測定することが要求される場合があるが、この実施の形態２においては、以下に示す方法により、この要求に応える。
【００３１】
図３は、本発明の実施の形態２に係る微細構造体の変位量測定方法の一例を説明するための概念図である。図３において、微細構造体２１は、少なくとも表面が導体であって、略角柱状を呈しており、全体が弾性変形を生じるものである。この微細構造体２１の正面には、所定間隔で、図２に示す複数のセンサ１２が設けられている。また、微細構造体２１は、図３に示すように、上面に所定の間隔を開けて支持部材２２及び２３で支持されている。
【００３２】
このような状態において、図３に示すように、微細構造体２１の下面略中央部に下方より上方に向かう何らかの力が加わることにより、微細構造体２１の略中央部分が所定長さだけ上方にたわんだとする。これにより、微細構造体２１の正面に設けられた複数のセンサ１２を構成する絶縁層１２ａは、当該センサ１２が設けられている微細構造体２１の部位のたわみ量に応じて、その厚さが変化するので、各センサ１２の抵抗値が変化する。このとき、各１対のプローブを同時に各センサ１２の上部電極１２ｂ及びこの上部電極１２ｂ近傍の微細構造体２１の表面に接触させて、各センサ１２の抵抗値を測定する。各１対のプローブにそれぞれ接続された図示せぬ各検出回路は、対応するセンサ１２の抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出する。
【００３３】
このように、本発明の実施の形態２によれば、微細構造体２１自体を下部電極として兼用している。従って、上記第２の従来例のようにセンサを設ける領域表面に絶縁層やセンサとの接続端子等を形成する必要がなく、センサを含めた微細構造体２１の構成が簡単となる。また、従来測定できなかった弾性変形する一部又は全部の複数部位の変形量を同時に測定することができる。このため、微細構造体２１のたわみ量の分布を把握することができる。
【００３４】
実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３に係るカンチレバー３１及び検出回路３２の構成を示す概略斜視図、図５は、図４に示すカンチレバー３１の部分拡大斜視図である。図４及び図５において、図１の各部に対応する部分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図４及び図５に示すカンチレバー３１においては、図１に示すセンサ１２に換えて、センサ１２ｘ及び１２ｙが新たに形成されている。
【００３５】
センサ１２ｘは、図４及び図５に示すように、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の幅方向（ｘ方向）に平行に形成されている。一方、センサ１２ｙは、図４及び図５に示すように、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の材軸方向（ｙ方向）に平行に形成されている。つまり、センサ１２ｘ及び１２ｙは、互いの材軸が直交するように梁部１４の上面１４ｄに形成されている。
【００３６】
センサ１２ｘ及び１２ｙは、トンネル効果素子の一種であり、図５に示すように、トンネル障壁（バリア）を構成する絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａと、上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂとからそれぞれ構成されている。絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａは、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）等からなり、略四角柱状を呈している。絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａのサイズは、例えば、長さ約１００ｎｍ、幅約３０ｎｍ、厚さ約１ｎｍである。上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂは、例えば、非磁性体であって、良導体であるタンタル（Ｔａ）等からなり、略四角柱状を呈している。上部電極１２ｘｂ及び１２ｙｂのサイズは、例えば、長さ約１００ｎｍ、幅約３０ｎｍ、厚さ約３０ｎｍである。なお、図４及び図５において、各部の形状は、上記一例として示した各部のサイズからくる比率とは一致していない。また、センサ１２ｘ及び１２ｙのサイズ、形状、材質等を上記したように設定した理由並びに、センサ１２ｘ及び１２ｙの形成方法については、上述した実施の形態１におけるセンサ１２について述べたことがそのまま当てはまるので、その説明を省略する。
【００３７】
検出回路３２は、入出力端子２ａが銅（Ｃｕ）等からなるリード線３を介してカンチレバー３１の柱部１３と電気的に接続されている。また、検出回路３２は、入出力端子２ｂが銅等からなるリード線４を介してセンサ１２ｘの上部電極１２ｘａと電気的に接続されているとともに、入出力端子２ｃが銅等からなるリード線５を介してセンサ１２ｙの上部電極１２ｙａと電気的に接続されている。検出回路３２は、センサ１２ｘ及び１２ｙに一定電圧を印加し又は一定電流を通電して、センサ１２ｘ及び１２ｙのそれぞれの抵抗値変化を電流変化又は電圧変化としてそれぞれ検出する。そして、検出回路３２は、上記検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化し、図示せぬ表示部に表示する。
【００３８】
次に、以上説明したカンチレバー３１をＡＦＭに適用した場合の動作について説明する。まず、表面形状を観察すべき試料を図示せぬＸＹＺステージ上に取り付ける。このＸＹＺステージは、駆動回路により駆動されて、面方向（ＸＹ方向）に二次元走査可能に構成されている。次に、図４及び図５に示すカンチレバー３１を構成する探針１５の先端を図示せぬ試料表面に接近させて配置させる。そして、検出回路３２は、リード線３〜５、柱部１３及び梁部１４を介してセンサ１２ｘ及び１２ｙそれぞれに一定電圧を印加し又は一定電流を通電する。
【００３９】
次に、ＸＹＺステージを駆動回路で駆動させて面方向（ＸＹ方向）に二次元走査を行うと、試料表面と探針１５との間に作用する原子間力により探針１５を保持するカンチレバー１の梁部１４がたわむ。梁部１４がたわむことにより、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍に形成されたセンサ１２ｘ及び１２ｙをそれぞれ構成する絶縁層１２ｘａ及び１２ｙａの厚さがそれぞれ変化するので、センサ１２ｘ及び１２ｙの抵抗値がそれぞれ変化する。検出回路３２は、これらのセンサ１２ｘ及び１２ｙの各抵抗値変化を電流変化又は電圧変化として検出し、この検出結果に基づいて、試料の表面形状を映像化して図示せぬ表示部に表示する。
【００４０】
このように、本発明の実施の形態３では、梁部１４が弾性変形を生じるカンチレバー３１には、梁部１４の上面１４ｄであって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に、梁部１４の弾性変形をトンネル効果により検出するセンサ１２ｘ及び１２ｙが梁部１４の幅方向及び材軸方向にそれぞれ平行に設けられている。これらのセンサ１２ｘ及び１２ｙは、いずれもカンチレバー３１自体を下部電極として兼用している。また、本発明の実施の形態３では、極めてサイズが小さく、高感度・高性能のセンサ１２ｘ及び１２ｙをカンチレバー３１の製造工程においてカンチレバー３１とともに所望の位置に所望の形状・サイズで作製することができる。
【００４１】
従って、本発明の実施の形態３によれば、上述した実施の形態１と同様の効果を得ることができるとともに、カンチレバー３１の走査方向に対して相対的な傾きも測定することができる。なお、センサ１２ｘ及び１２ｙは、カンチレバー３１の梁部１４の下面であって、一端部１４ａ近傍、即ち、梁部１４と柱部１３との接続部近傍に梁部１４の幅方向及び材軸方向にそれぞれ平行に設けても、上記と同様の効果が得られる。
【００４２】
以上、この実施の形態を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の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の変更等があっても本発明に含まれる。
例えば、上述の実施の形態１及び３では、カンチレバー１又は３１を固定し、表面形状を観察すべき試料を面方向（ＸＹ方向）に二次元走査する例を示したが、これに限定されず、上記資料を固定し、カンチレバー１又は３１を面方向（ＸＹ方向）に二次元走査しても良い。
また、上述の実施の形態２では、センサ１２を、微細構造体２１の正面（図３参照）だけに設ける例を示したが、これに限定されない。例えば、センサ１２を、微細構造体２１の上面又は下面にも設けるようにしても良い。このように構成すれば、微細構造体２１のねじれ量等の分布を測定することができる。
【００４３】
また、上述した実施の形態２では、図示せぬ各１対のプローブを同時に各センサ１２の上部電極１２ｂ及びこの上部電極１２ｂ近傍の微細構造体２１の表面に接触させて各センサ１２の抵抗値を測定する例を示したが、これに限定されない。例えば、微細構造体２１に１本のリード線を接続するとともに、各センサ１２の上部電極１２ｂにリード線をそれぞれ接続するように構成しても良い。そして、各リード線を図示せぬデジタルマルチメータ等の測定器に接続し、パラレルに又は順次入力を切り替えてシリアルに測定器に各センサ１２の抵抗値を取り込むように構成する。このように構成すれば、微細構造体２１のたわみ量の分布を簡単に測定することができる。
また、上述の各実施の形態は、その目的及び構成等に特に矛盾や問題がない限り、互いの技術を流用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の実施の形態１に係るカンチレバー及び検出回路の構成を示す概略斜視図である。
【図２】図１に示すカンチレバーを構成するセンサの外観構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施の形態２に係る微細構造体の変位量測定方法の一例を説明するための概念図である。
【図４】本発明の実施の形態３に係るカンチレバー及び検出回路の構成を示す概略斜視図である。
【図５】図４に示すカンチレバーの部分拡大斜視図である。
【符号の説明】
【００４５】
１，３１ カンチレバー
２，３２ 検出回路
２ａ，２ｂ，２ｃ 入出力端子
３〜５ リード線
１１ 機構部
１２，１２ｘ，１２ｙ センサ
１２ａ，１２ｘａ，１２ｙａ 絶縁層
１２ｂ，１２ｘｂ，１２ｙｂ 上部電極
１３ 柱部
１３ａ，１４ｃ 一側面
１３ａａ 上端部
１４ 梁部
１４ａ 一端部
１４ｂ 他端部
１４ｄ 上面
１５ 探針
２１ 微細構造体
２２，２３ 支持部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体であって、
前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサが設けられている
ことを特徴とする微細構造体。
【請求項２】
前記センサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の微細構造体。
【請求項３】
前記センサは、前記微細構造体の少なくとも一部をその構成要素とすることを特徴とする請求項１又は２記載の微細構造体。
【請求項４】
前記センサは、
トンネル障壁を形成する絶縁層と、
導電性を有し、前記絶縁層の上面に形成される上部電極とを有し、
前記微細構造体の少なくとも一部は、導電性を有し、前記絶縁層の下部電極を構成する
ことを特徴とする請求項３記載の微細構造体。
【請求項５】
前記センサは、前記微細構造体の弾性変形を電気抵抗変化として検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微細構造体。
【請求項６】
前記センサは、
抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微細構造体。
【請求項７】
先端を試料表面に接近させた状態で前記試料と相対的に二次元走査させ、前記試料表面と前記先端に働く物理量をたわみ量として検出する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであって、
請求項１乃至６のいずれかに記載の微細構造体により構成したことを特徴とするカンチレバー。
【請求項８】
請求項７記載のカンチレバーを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
弾性変形を生じる微細構造体に前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサを複数個設け、
前記複数個のセンサにより前記微細構造体の各部における前記弾性変形を電気抵抗変化としてそれぞれ検出する
ことを特徴とする微細構造体の変形量測定方法。
【請求項１０】
前記複数個のセンサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴とする請求項９記載の微細構造体の変形量測定方法。
【請求項１】
少なくとも一部が弾性変形を生じる微細構造体であって、
前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサが設けられている
ことを特徴とする微細構造体。
【請求項２】
前記センサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴とする請求項１記載の微細構造体。
【請求項３】
前記センサは、前記微細構造体の少なくとも一部をその構成要素とすることを特徴とする請求項１又は２記載の微細構造体。
【請求項４】
前記センサは、
トンネル障壁を形成する絶縁層と、
導電性を有し、前記絶縁層の上面に形成される上部電極とを有し、
前記微細構造体の少なくとも一部は、導電性を有し、前記絶縁層の下部電極を構成する
ことを特徴とする請求項３記載の微細構造体。
【請求項５】
前記センサは、前記微細構造体の弾性変形を電気抵抗変化として検出することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の微細構造体。
【請求項６】
前記センサは、
抵抗値と面積との積である面積抵抗率が１００ｋΩ・μｍ２以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の微細構造体。
【請求項７】
先端を試料表面に接近させた状態で前記試料と相対的に二次元走査させ、前記試料表面と前記先端に働く物理量をたわみ量として検出する走査型プローブ顕微鏡のカンチレバーであって、
請求項１乃至６のいずれかに記載の微細構造体により構成したことを特徴とするカンチレバー。
【請求項８】
請求項７記載のカンチレバーを有することを特徴とする走査型プローブ顕微鏡。
【請求項９】
弾性変形を生じる微細構造体に前記弾性変形をトンネル効果により検出するセンサを複数個設け、
前記複数個のセンサにより前記微細構造体の各部における前記弾性変形を電気抵抗変化としてそれぞれ検出する
ことを特徴とする微細構造体の変形量測定方法。
【請求項１０】
前記複数個のセンサは、前記微細構造体の前記弾性変形を生じる部位に、互いの材軸が直交するように設けられていることを特徴とする請求項９記載の微細構造体の変形量測定方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００６−３４３２１３（Ｐ２００６−３４３２１３Ａ）
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−１６９０８９（Ｐ２００５−１６９０８９）
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年１２月２１日（２００６．１２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年６月９日（２００５．６．９）
【出願人】（０００００３０６７）ＴＤＫ株式会社 (7,238)
【Ｆターム（参考）】
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