カンチレバー及びその製造方法

トップ :: G 物理学 :: G01 測定;試験

【発明の名称】	カンチレバー及びその製造方法
【発明者】	【氏名】中野勝志【氏名】原信也【氏名】鈴木美彦
【要約】	【課題】アスペクト比が高くて微細な隙間に探針部を差し入れることが可能であり、しかも、大量生産が可能で安価なカンチレバーを提供する。【解決手段】カンチレバーは、薄板状のレバー部２１と、該レバー部２１の先端側に設けられた突起物２２とを備える。突起物２２は、レバー部２１の先端側に突設された柱状のポスト部２４と、底面側部分がポスト部２４の先端に連結された四角錐状の探針部２５とを有する。探針部２５の先端の頂点２５ａに向かう全ての稜線が内側に湾曲する。探針部２５の底面側部分の角部２５ｂがポスト部２４における先端付近の部分の側方位置より側方に突出する。探針部２５の底面側部分の角部２５ｂに向かう全ての稜線が内側に湾曲する。

【特許請求の範囲】
【請求項１】薄板状のレバー部と、該レバー部の先端側に設けられた突起物とを備えたカンチレバーであって、前記突起物は、前記レバー部の先端側に突設された柱状のポスト部と、底面側部分が前記ポスト部の先端に連結された四角錐状の探針部とを有することを特徴とするカンチレバー。
【請求項２】前記探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲したことを特徴とする請求項１記載のカンチレバー。
【請求項３】前記探針部の底面側部分の角部が前記ポスト部における先端付近の部分の側方位置より側方に突出したことを特徴とする請求項１又は２記載のカンチレバー。
【請求項４】前記探針部の底面側部分の角部に向かう全ての稜線が内側に湾曲したことを特徴とする請求項３記載のカンチレバー。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のカンチレバーを製造する方法であって、第１の部材と第２の部材とが接合されてなる型部材であって、前記第１の部材は前記ポスト部の形状を転写するための転写用貫通穴を有し、前記第２の部材は前記探針部の形状を転写するための四角錐状の転写用凹部であって前記転写用貫通穴と連通する転写用凹部を有し、前記転写用貫通穴及び前記転写用凹部は前記転写用貫通穴の一方の開口のみで外部に開口する空間を形成する、型部材を用意する段階と、前記転写用貫通穴を含む前記型部材上の領域に前記レバー部及び前記突起物を構成すべき材料を成膜させる段階と、成膜された前記材料を所定形状にパターニングする段階と、前記型部材を除去する段階と、を備えたことを特徴とするカンチレバーの製造方法。
【請求項６】前記転写用貫通穴における前記転写用凹部側の開口に対して、前記転写用凹部の矩形の開口の４つの角のうちの少なくとも１つがはみ出していることを特徴とする請求項５記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項７】前記転写用凹部の内面には酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項５又は６記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項８】前記転写用貫通穴及び前記転写用凹部が形成する前記空間の内壁の全体には、酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項６記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項９】前記第１の部材は、第１の基板と、該第１の基板上に形成された半導体膜とを有し、前記半導体膜は前記転写用貫通穴に対応する貫通穴を有し、前記第１の基板は前記半導体膜の前記貫通穴付近の部分において除去部を有することを特徴とする請求項５記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１０】前記第１の部材は、前記半導体膜の前記貫通穴の内面を覆うとともに前記第１の基板及び前記半導体膜からなる構造体の全体を覆う耐エッチング性を持った保護膜を有することを特徴とする請求項９記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１１】前記保護膜が酸化膜であることを特徴とする請求項１０記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１２】前記第２の部材は、前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合される凸部を持った第２の基板を有し、該第２の基板の前記凸部に前記転写用凹部に対応する凹部が形成されたことを特徴とする請求項９乃至１１のいずれかに記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１３】前記第２の基板の前記凸部に形成された前記凹部の内面に、酸化膜が形成されていることを特徴とする請求項１２記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１４】請求項１乃至４のいずれかに記載のカンチレバーを製造する方法であって、第１の基板と、該第１の基板上に形成された半導体膜と、耐エッチング性を持った保護膜とを有する第１の部材であって、前記半導体膜は前記ポスト部の形状を転写するための転写用貫通穴に対応する貫通穴を有し、前記第１の基板は前記半導体膜の前記貫通穴付近の部分において除去部を有し、前記保護膜は前記半導体膜の前記貫通穴の内面を覆うとともに前記第１の基板及び前記半導体膜からなる構造体の全体を覆っている、第１の部材を用意する段階と、前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合可能である凸部を持った第２の基板を用意する段階と、前記第２の基板の前記凸部が前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合されるように、前記第１の部材と前記第２の基板とを接合する段階と、前記第１の部材と前記第２の基板とを接合した後に、前記第１の部材における前記保護膜で覆われた前記貫通穴から前記第２の基板の前記凸部をエッチングして、前記凸部に、前記探針部の形状を転写するための四角錐状の転写用凹部に対応する凹部を形成する段階と、前記凸部に前記凹部を形成した後に、前記第１の部材の前記貫通穴を含む前記第１の部材上の領域に前記レバー部及び前記突起物を構成すべき材料を成膜させる段階と、成膜された前記材料を所定形状にパターニングする段階と、前記第１の部材及び前記第２の基板を除去する段階と、を備えたことを特徴とするカンチレバーの製造方法。
【請求項１５】前記凸部に前記凹部を形成する段階において、前記エッチングはアンダーエッチングを起こすように行われることを特徴とする請求項１４記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１６】前記凸部に前記凹部を形成する段階の後であって前記材料を成膜させる段階の前に、当該構造体を酸化させて酸化膜を形成する段階と、前記パターニングする段階の後に前記酸化膜を除去する段階と、を備えたことを特徴とする請求項１４又は１５記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１７】前記第１の部材を用意する段階は、片面に酸化膜を持ち、もう片面には酸化膜とその上に半導体膜を持つ半導体基板に、前記半導体膜上にダミー基板を接合する段階と、前記積層基板における下面の前記酸化膜及び前記半導体基板の一部を除去して除去部を形成する段階と、前記除去部の形成後に前記ダミー基板を除去する段階と、前記ダミー基板の除去後に前記除去部に対応する位置において前記半導体膜に貫通穴を形成する段階と、前記貫通穴の形成後に前記積層基板における上面の酸化膜のうちの前記除去部から外部に露出した部分を除去する段階と、前記露出した部分を除去した後の構造体の全体に前記酸化膜を形成する段階と、を含むことを特徴とする請求項１４乃至１６のいずれかに記載のカンチレバーの製造方法。
【請求項１８】前記半導体基板及び前記第２の基板がそれぞれシリコン単結晶基板であることを特徴とする請求項１７記載のカンチレバーの製造方法。

【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等に用いられるカンチレバー及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、走査型プローブ顕微鏡では、平板状のレバー部と、該レバー部の先端側領域に突設されたピラミッド型又は円錐型の探針とを有するカンチレバーが用いられ、試料の３次元形状等が測定されてきた。しかし、これらの探針のアスペクト比は、ピラミッド型の探針では１程度、円錐型の探針では２程度とそれ程高くなく、探針の基部の幅がかなり大きかった。そのため、例えば、急峻な斜面形状や、深い溝等の観察は、探針の側面が当該斜面や溝の入口部に接触してしまったり、探針先端が溝の底や斜面に届かない等の理由で、正確な形状等の測定が不可能であった。前記従来のカンチレバーを原子間力顕微鏡のカンチレバーとして用いて、半導体プロセスで作られたアスペクト比の高い溝３を有する試料２を観察しようとする例を図６（ａ）に示す。溝３の幅は現在のリソグラフィーの限界の分解能である０．２μｍであり、溝３の深さは１μｍである。図６（ａ）において、１は前記従来のカンチレバーの探針を示す。図６（ａ）からわかるように、探針１の先端が、試料２の溝３の底４に届かない。また、この探針１では、溝３の側面５の形状も測定することは不可能である。
【０００３】そこで、比較的アスペクト比の高いブーツ型の探針の製造方法が提案され（特開平３－１３５７０２号公報）、また、その探針を用いて試料の側面形状を測定する技術が報告されている（Yves Martin and H. Krmar Wickramasinghe, Appl.Phys. Lett. 64 (19), 9 May 1994, "Method for imaging sidewalls by atomic force microscopy"）。
【０００４】また、アスペクト比の高い他のプローブとして、従来のプローブの先端に電子線を照射し、カーボンのウイスカーを成長させる技術がある（Y. Akamine, E. Nishimura and A. Sakai, J. Vac. Sci. Technol. A 8 (1), Jan / Feb 1990）。
【０００５】また、アスペクト比の高い更に他のプローブとして、細長い部分と、前記細長い部分の先端に前記細長い部分の軸方向に向いて突出した１つの円錐状の突起（スパイク）と、前記細長い部分の先端付近における周囲表面に前記細長い部分の軸と垂直な方向に向いて突出した２つの円錐状の突起（スパイク）とからなる探針を有する、カンチレバーの製造方法が、特開平８－２８５８７２号公報において提案されている。この製造方法では、周囲表面と前端部表面とを有する実質上縦方向に細長い固体チップを形成し、上記固体チップ上の上記周囲表面に沿って第１、第２のマスクを、上記前端部表面上に第３のマスクをそれぞれ形成し、上記固体チップと上記第１、第２及び第３のマスクの両者から材料を除去するために予め定められた時間だけ上記固体チップをエッチングし、予め定められた時間の後に上記各マスクを完全に除去し、上記固体チップからの材料の除去によって上記各マスクが除去された位置の方向を向いた３個のスパイクを形成する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前述したいずれの従来のカンチレバーにおいても、問題が生じていた。
【０００７】すなわち、前記ブーツ型探針は、横幅を３００ｎｍ程度より小さく形成することが難しく、それより細い隙間には探針を差し入れることができなかった。一方、工業製品分野では特に半導体産業においてメモリーやＩＣパターンの微細化が進み、ＶＬＳＩ等の線幅は２００ｎｍ程度になっている。また、ブーツ型プローブは先端が平らのため、溝の底面をイメージングすることもできなかった。
【０００８】また、前記カーボンのウイスカーを成長させるカンチレバーでは、探針部のアスペクト比を高くすることができるものの、製造に際して、プローブ１本１本に電子線を照射しなければならないため、大量生産が困難でコストが高くなっていた。さらに、成長させるウイスカーがカーボンであるため、シリコンや窒化シリコンでできている従来のプローブに比べ脆くてすぐに折れてしまうという問題点もあった。
【０００９】さらに、特開平８－２８５８７２号公報に開示されたカンチレバーでは、探針部のアスペクト比を高くすることができるとともに側面形状の測定も可能であるが、製造に手数を要し、大量生産が困難でコストが高くなってしまう。すなわち、前記第１、第２及び第３のマスクをそれぞれ固体チップの３方向の面にそれぞれ形成するためには、固体チップをカーボンベースのガスを含んだ雰囲気に配置し、電子ビームを固体チップに３方向から照射しなければならず、やはりプローブ１本１本に電子ビームを照射しなければならないのみならず、各プローブ毎に３方向から電子ビームを照射しなければならないことから、大量生産が困難でコストが高くなっていた。また、各スパイクの先鋭度を高めるためには、固体チップのエッチングは前記第１、第２及び第３のマスクがちょうど除去される時点で停止させる必要があるが、当該時点でエッチングをちょうど停止させることは極めて困難であり、当該時点を過ぎてもエッチングが継続されてしまうことが多い。このため、各スパイクの先鋭度が低下してしまい、測定の分解能が低下せざるを得なかった。
【００１０】なお、以上説明した事情は、原子間力顕微鏡用のカンチレバーに限らず、走査型トンネル顕微鏡、走査型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微鏡及び走査型磁気力顕微鏡などの他の種々の走査型プローブ顕微鏡用のカンチレバーについても、同様である。
【００１１】本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、アスペクト比が高くて微細な隙間に探針部を差し入れることが可能であり、しかも、大量生産が可能で安価なカンチレバー及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】また、本発明は、アスペクト比が高くて微細な隙間に探針部を差し入れることが可能であるとともに溝の底のみならず側面の測定も可能であり、しかも、大量生産が可能で安価なカンチレバー及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため、本発明の第１の態様によるカンチレバーは、薄板状のレバー部と、該レバー部の先端側に設けられた突起物とを備えたカンチレバーであって、前記突起物は、前記レバー部の先端側に突設された柱状のポスト部と、底面側部分が前記ポスト部の先端に連結された四角錐状の探針部とを有するものである。
【００１４】この第１の態様によるカンチレバーでは、探針部が柱状のポスト部の先端に設けられているので、アスペクト比が高くなり、微細な隙間に探針部を差し入れることが可能となる。また、前記第１の態様によるカンチレバーでは、ポスト部が柱状をなすとともに探針部が四角錐状をなしており、当該突起物の形状が従来のカンチレバーの突起物の形状とは全く異なるため、後述する第４乃至第１７の態様のような製造方法によって製造することができる。すなわち、前記第１の態様によるカンチレバーによれば、電子ビームの照射等、技術的に難しいプロセスは用いることなく、既に確立された半導体微細加工技術を使い、バッチプロセスで、一括して大量に製造することができる。したがって、前記第１の態様によるカンチレバーは、安価に提供することができる。また、前記第１の態様によるカンチレバーは、後述する第４乃至第１７の態様のような型を用いた製造方法によって製造することができるので、特開平８－２８５８７２号公報に開示されたカンチレバーと異なり、エッチング時間に依存することなく探針の先鋭化を図ることができ、測定の分解能が低下するような事態を招くことがない。
【００１５】本発明の第２の態様によるカンチレバーは、前記第１の態様によるカンチレバーにおいて、前記探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲したものである。
【００１６】この第２の態様によるカンチレバーでは、前記第１の態様によるカンチレバーと同様の利点が得られる他、探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲しているので、当該探針部の先端の頂点を一層先鋭化することができ、試料の溝の底等の測定の分解能を向上させる上で好ましい。
【００１７】本発明の第３の態様によるカンチレバーは、前記第１又は第２の態様によるカンチレバーにおいて、前記探針部の底面側部分の角部が前記ポスト部における先端付近の部分の側方位置より側方に突出したものである。
【００１８】この第３の態様によるカンチレバーでは、前記第１の態様によるカンチレバーと同様の利点が得られる他、探針部の底面側部分の角部が側方に突出しているので、当該角部によって、試料の溝の側面も測定することができ、好ましい。
【００１９】本発明の第４の態様によるカンチレバーは、前記第３の態様によるカンチレバーにおいて、前記探針部の底面側部分の角部に向かう全ての稜線が内側に湾曲したものである。
【００２０】この第４の態様によるカンチレバーでは、探針部の底面側部分の角部に向かう全ての稜線が内側に湾曲しているので、当該角部を一層先鋭化することができ、試料の溝の側面の測定の分解能を向上させる上で好ましい。
【００２１】本発明の第５の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１乃至第４のいずれかの態様によるカンチレバーを製造する方法であって、（ａ）第１の部材と第２の部材とが接合されてなる型部材であって、前記第１の部材は前記ポスト部の形状を転写するための転写用貫通穴を有し、前記第２の部材は前記探針部の形状を転写するための四角錐状の転写用凹部であって前記転写用貫通穴と連通する転写用凹部を有し、前記転写用貫通穴及び前記転写用凹部は前記転写用貫通穴の一方の開口のみで外部に開口する空間を形成する、型部材を用意する段階と、（ｂ）前記転写用貫通穴を含む前記型部材上の領域に前記レバー部及び前記突起物を構成すべき材料を成膜させる段階と、（ｃ）成膜された前記材料を所定形状にパターニングする段階と、（ｄ）前記型部材を除去する段階と、を備えたものである。
【００２２】この第５の態様によれば、前述した構成を有する型部材が用いられているので、電子ビームの照射等、技術的に難しいプロセスは用いることなく、既に確立された半導体微細加工技術を使い、バッチプロセスで、一括して大量にカンチレバーを製造することができる。
【００２３】本発明の第６の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第５の態様による製造方法において、前記転写用貫通穴における前記転写用凹部側の開口に対して、前記転写用凹部の矩形の開口の４つの角のうちの少なくとも１つがはみ出しているものである。
【００２４】この第６の態様によれば、前記第３の態様のような、探針部の底面側部分の角部がポスト部における先端付近の部分の側方位置より側方に突出したカンチレバーを製造することができる。
【００２５】本発明の第７の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第５又は第６の態様による製造方法において、前記転写用凹部の内面には酸化膜が形成されているものである。
【００２６】この第７の態様では、転写用凹部の内面には酸化膜が形成されているので、例えば酸化膜を熱酸化により成長させて形成すると、その成長速度は平坦な部分では速いとともに角の部分では遅いという性質を有していることから、転写用凹部の内面を急峻化することができる。したがって、前記第２の態様のような、探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲したカンチレバーを製造することができる。
【００２７】本発明の第８の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第６の態様による製造方法において、前記転写用貫通穴及び前記転写用凹部が形成する前記空間の内壁の全体には、酸化膜が形成されているものである。
【００２８】この第８の態様では、転写用貫通穴及び転写用凹部が形成する空間の内壁の全体に酸化膜が形成されているので、例えば酸化膜を熱酸化により成長させて形成すると、その成長速度は平坦な部分では速いとともに角の部分では遅いという性質を有していることから、探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲するとともに、探針部の底面側部分の角部に向かう全ての稜線が内側に湾曲したカンチレバーを製造することができる。
【００２９】本発明の第９の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第５の態様による製造方法において、前記第１の部材は、第１の基板と、該第１の基板上に形成された半導体膜とを有し、前記半導体膜は前記転写用貫通穴に対応する貫通穴を有し、前記第１の基板は前記半導体膜の前記貫通穴付近の部分において除去部を有するものである。前記第１の基板は、単層の基板であってもよいし、単層の基板に１層以上の膜を成膜した積層基板であってもよい。
【００３０】本発明の第１０の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第９の態様による製造方法において、前記第１の部材は、前記半導体膜の前記貫通穴の内面を覆うとともに前記第１の基板及び前記半導体膜からなる構造体の全体を覆う耐エッチング性を持った保護膜を有するものである。
【００３１】本発明の第１１の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１０の態様による製造方法において、前記保護膜が酸化膜であるものである。
【００３２】本発明の第１２の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第９乃至第１１のいずれかの態様による製造方法において、前記第２の部材は、前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合される凸部を持った第２の基板を有し、該第２の基板の前記凸部に前記転写用凹部に対応する凹部が形成されたものである。
【００３３】本発明の第１３の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１２の態様による製造方法において、前記第２の基板の前記凸部に形成された前記凹部の内面に、酸化膜が形成されているものである。
【００３４】前記第９乃至第１３の態様は、型部材の具体的な構造例を挙げたものである。なお、前記半導体膜がポスト部の型を構成するが、当該半導体膜の厚さ（ポスト部の長さに対応）は薄く、当該半導体膜単独では剛性を保つことができずに製造時の取り扱いが困難となる。そこで、前記第９の態様では、半導体膜を支持する第１の基板を設けることによって、製造時の取り扱いの際の剛性を担保したものである。
【００３５】本発明の第１４の態様によるカンチレバーの製造方法は、請求項１乃至４のいずれかに記載のカンチレバーを製造する方法であって、（ａ）第１の基板と、該第１の基板上に形成された半導体膜と、耐エッチング性を持った保護膜とを有する第１の部材であって、前記半導体膜は前記ポスト部の形状を転写するための転写用貫通穴に対応する貫通穴を有し、前記第１の基板は前記半導体膜の前記貫通穴付近の部分において除去部を有し、前記保護膜は前記半導体膜の前記貫通穴の内面を覆うとともに前記第１の基板及び前記半導体膜からなる構造体の全体を覆っている、第１の部材を用意する段階と、（ｂ）前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合可能である凸部を持った第２の基板を用意する段階と、（ｃ）前記第２の基板の前記凸部が前記第１の部材の前記第１の基板の前記除去部内に入って前記第１の部材における前記貫通穴付近の部分に接合されるように、前記第１の部材と前記第２の基板とを接合する段階と、（ｄ）前記第１の部材と前記第２の基板とを接合した後に、前記第１の部材における前記保護膜で覆われた前記貫通穴から前記第２の基板の前記凸部をエッチングして、前記凸部に、前記探針部の形状を転写するための四角錐状の転写用凹部に対応する凹部を形成する段階と、（ｅ）前記凸部に前記凹部を形成した後に、前記第１の部材の前記貫通穴を含む前記第１の部材上の領域に前記レバー部及び前記突起物を構成すべき材料を成膜させる段階と、（ｆ）成膜された前記材料を所定形状にパターニングする段階と、（ｇ）前記第１の部材及び前記第２の基板を除去する段階と、を備えたものである。
【００３６】前記第９乃至第１３の態様では、型部材を構成する第１及び第２の部材をそれぞれ別個に予め完成させておき、両者を接合することによって型部材を用意してもよいし、あるいは、例えば、前記第１の部材を予め完成させるか又は前記第１の部材のいわば半製品を用意するとともに、前記第２の部材のいわば半製品を用意し、両者を接合した後に更に処理を施すことにより型部材を用意してもよい。前者の場合には、第１部材と第２の部材との接合の際に第１の型部材の転写用貫通穴と第２の型部材の転写用凹部とを厳密に位置合わせする必要がある。これに対し、後者の場合には、第２の部材の半製品として転写用凹部の形成前のものを用意し、第１の部材と第２の部材との接合後に、第１の型部材の転写用貫通穴に相当する貫通穴を利用してエッチングを施すことによって転写用凹部を形成すれば、接合時の厳密な位置合わせが不要となり、一層好ましい。前記第１４の態様は、このような例に相当するものである。
【００３７】本発明の第１５の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１４の態様による製造方法において、前記凸部に前記凹部を形成する段階において、前記エッチングはアンダーエッチングを起こすように行われるものである。
【００３８】この第１５の態様のようにアンダーエッチングを起こすようにすると、転写用貫通穴における転写用凹部側の開口に対して、転写用凹部の矩形の開口の４つの角がはみ出した状態を実現することができ、ひいては、前記第３の態様のような、探針部の底面側部分の角部がポスト部における先端付近の部分の側方位置より側方に突出したカンチレバーを製造することができる。
【００３９】本発明の第１６の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１４又は第１５の態様による製造方法において、前記凸部に前記凹部を形成する段階の後であって前記材料を成膜させる段階の前に、当該構造体を酸化させて酸化膜を形成する段階と、前記パターニングする段階の後に前記酸化膜を除去する段階と、を備えたものである。
【００４０】この第１６の態様によれば、前記構造体を酸化させるので、転写用貫通穴及び転写用凹部が形成する空間の内壁全体に酸化膜が形成されることになる。酸化膜の成長速度は平坦な部分では速いとともに角の部分では遅いという性質を有していることから、探針部の先端の頂点に向かう全ての稜線が内側に湾曲するとともに、探針部の底面側部分の角部に向かう全ての稜線が内側に湾曲したカンチレバーを製造することができる。
【００４１】本発明の第１７の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１４乃至第１６のいずれかの態様による製造方法において、前記第１の部材を用意する段階は、（ａ）片面に酸化膜を持ち、もう片面には酸化膜とその上に半導体膜を持つ半導体基板に、前記半導体膜上にダミー基板を接合する段階と、（ｂ）前記積層基板における下面の前記酸化膜及び前記半導体基板の一部を除去して除去部を形成する段階と、（ｃ）前記除去部の形成後に前記ダミー基板を除去する段階と、（ｄ）前記ダミー基板の除去後に前記除去部に対応する位置において前記半導体膜に貫通穴を形成する段階と、（ｅ）前記貫通穴の形成後に前記積層基板における上面の酸化膜のうちの前記除去部から外部に露出した部分を除去する段階と、（ｆ）前記露出した部分を除去した後の構造体の全体に前記酸化膜を形成する段階と、を含むものである。
【００４２】前記第１７の態様は第１の部材を用意する段階の例であるが、この段階はこの例に限定されるものではない。
【００４３】本発明の第１８の態様によるカンチレバーの製造方法は、前記第１７の態様による製造方法において、前記半導体基板及び前記第２の基板がそれぞれシリコン単結晶基板であるものである。
【００４４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態によるカンチレバーについて、図１を参照して説明する。本実施の形態によるカンチレバーは、原子間力顕微鏡用のカンチレバーとして構成されている。図１は、本実施の形態によるカンチレバーを示す概略斜視図である。
【００４５】本実施の形態によるカンチレバーは、図１に示すように、薄板状のレバー部２１と、該レバー部２１の先端側部分に設けられた突起物２２と、レバー部２１を支持する支持体２３とから構成されている。突起物２２は、レバー部２１の先端側に突設された柱状のポスト部２４と、底面側部分がポスト部２４の先端に連結された四角錐状の探針部２５とを有している。
【００４６】本実施の形態では、ポスト部２４は、四角柱状に構成されているが、例えば円柱状に構成してもよい。
【００４７】また、本実施の形態では、探針部２５の先端の頂点２５ａに向かう全ての稜線が内側に湾曲しており、探針部２５の先端の頂点２５ａが極めて先鋭化されている。本実施の形態では、このように探針部２５の先端の頂点２５ａが先鋭化されているので、試料の溝の底等の測定の分解能を向上させる上で好ましい。もっとも、本発明では、必ずしもこのような先鋭化を図らなくてもよい。
【００４８】さらに、本実施の形態では、探針部２５の底面側部分の４つの角部２５ｂがポスト部２４の先端の付近の部分の側方位置よりも側方に突出している（後述する図６（ｂ）も参照）。したがって、本実施の形態では、当該角部２５によって、アスペクト比の高い試料である半導体のラインアンドスペースやトレンチの側面をイメージングすることができ、好ましい。なお、４つの角部２５ｂの全てが側方に突出している必要はなく、少なくとも１つが側方に突出していればよい。もっとも、本発明では、溝の側面の測定を行わない場合には、４つの角部２５ｂの全てが側方に突出していなくてもよい。
【００４９】また、本実施の形態では、各角部２５ｂに向かう全ての稜線も内側に湾曲しており、探針部２５の底面側部分の角部２５ｂも極めて先鋭化されている。本実施の形態では、角部２５ｂが先鋭化されているので、試料の側面の測定の分解能を向上させる上で好ましい。もっとも、本発明では、必ずしもこのような先鋭化を図らなくてもよい。
【００５０】また、本実施の形態では、レバー部２１が窒化珪素膜で構成され、ポスト部２４及び探針部２５も同じく窒化珪素で構成されている。しかし、本発明では、レバー部２１、ポスト部２４及び探針部２５の材料は窒化珪素膜に限定されるものではない。前記支持体２４は、パイレックスガラス（商品名）部材２６と、該パイレックスガラス部材２６が接合されている箇所の前記窒化珪素膜とから構成されている。もっとも、支持体２４の構成はこれに限定されるものではなく、例えば、半導体基板を用いて構成してもよい。
【００５１】次に、図１に示すカンチレバーの製造方法の一例について、図２、図３、図４及び図５を参照して説明する。図２は図１に示すカンチレバーの製造工程の一例を示す概略断面図、図３は図２に示す工程に引き続く工程を示す概略断面図、図４は図３に示す工程に引き続く工程を示す概略断面図、図５は図４示す工程に引き続く工程を示す概略断面図である。
【００５２】まず、シリコン単結晶基板３０上の上面にシリコン酸化膜３１とその上にシリコン単結晶膜３４を持ち、下面にはシリコン酸化膜３２を持つ、市販されているＳＯＩウエハ（積層基板）３３を用意する（図２（ａ））。
【００５３】その後、シリコン膜３４の上面にダミー基板３５をクールグリース３６を用いて接合する。このダミー基板３５は、後述する除去部３７の形成のためのエッチングからシリコン膜３４を保護するためのものである。したがって、ダミー基板３５としては、その保護作用を有するものを用いればよく、例えば、シリコン基板やガラス基板など任意の材料の基板を用いることができる。なお、シリコン基板を用いた場合には、除去部３７の形成のためのエッチングにより厚みが減ることになる。なお、ダミー基板３５に代えて、適宜、保護膜を形成してもよい。
【００５４】次いで、リソグラフィー法及びドライエッチング法を用いてＳＯＩウエハ３３の下面のシリコン酸化膜３２をパターニングすることによって、シリコン酸化膜３２の所定箇所に、基板３０の下面を露出させる一辺が３０μｍの正方形の開口３２ａを形成する（図２（ｂ））。開口３２ａの形状、大きさ等は任意に設定することができる。
【００５５】次に、図２（ｂ）に示す状態のウエハを水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液又はテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液などのシリコン用のエッチング液に浸漬し、シリコン酸化膜３２をマスクとして、開口３２ａから露出したシリコン基板３０の部分を台形状に異方性エッチングして、開口３２ａに連続した凹部３０ａを形成する（図２（ｃ））。前記開口３２ａ及び凹部３０ａが、ＳＯＩウエハ３３における下面のシリコン酸化膜３２及びシリコン基板３０の一部を除去して形成した除去部３７を構成している。
【００５６】次に、図２（ｃ）に示す状態のウエハを７０゜Ｃ程度に加熱してクールグリース３６を溶かし、ダミー基板３５を剥離して除去し、その後、シリコン膜３４上に付着して残ったクールグリース３６を、払拭して取り除く。次いで、シリコン膜３４上にレジスト３８を塗布し、前記除去部３７に対応する位置において、リソグラフィーによりレジスト３８に一辺が０．３μｍの正方形の開口３８ａを形成する（図２（ｄ））。次に、ドライエッチングにより、レジスト３８をマスクとして開口３８ａからシリコン膜３４に四角形の貫通穴３４ａを形成する（図２（ｅ））。この貫通穴３４ａは、図１に示すカンチレバーのポスト部２４の形状を転写するための転写用貫通穴に対応するものである。その後、ドライエッチングによりレジスト３８を除去するとともに、上面のシリコン酸化膜３１のうちの前記除去部３７から外部に露出した部分及び下面のシリコン酸化膜３１を取り去る（図３（ａ））。
【００５７】その後、図３（ａ）に示す状態の構造体を熱酸化によって酸化し、当該構造体の全体に酸化膜３９を形成する（図３（ｂ））。本実施の形態では、この酸化膜３９が、図３（ｄ）を参照して後述する凹部５１ｂの形成のためのエッチングに対して耐エッチング性を有する保護膜となっている。
【００５８】本実施の形態では、以上説明した図１（ａ）から図３（ｂ）までの工程が、図３（ｂ）に示す第１の部材を用意する段階を構成している。前述した説明からわかるように、図３（ｂ）に示す第１の部材は、シリコン基板３０とシリコン膜３４及びシリコン酸化膜３１からなる積層基板（第１の基板）と、耐エッチング性を有する保護膜としての酸化膜３９とを有している。そして、シリコン膜３４は、図１に示すカンチレバーのポスト部２４の形状を転写するための転写用貫通穴に対応する貫通穴３４ａを有している。シリコン基板３０及びシリコン酸化膜３１からなる積層基板は、貫通穴３４ａの付近の部分において除去部４０（この除去部４０は、シリコン基板３０に形成された前記凹部３０ａとシリコン酸化膜３１の前記除去部分とから構成されている。）を有している。酸化膜３９は、シリコン膜３４の貫通穴３４ａの内面を覆うとともに、シリコン基板３０とシリコン膜３４及びシリコン酸化膜３１からなる積層基板からなる構造体の全体を覆っている。
【００５９】このようにして図３（ｂ）に示す第１の部材を用意する一方、前記第１の部材の除去部４０内に入って前記第１の部材における貫通穴３４ａ付近の部分に接合可能である凸部５１ａを持った第２の基板５１を用意する（図３（ｃ））。この基板５１は、具体的には、厚さ２５０μｍ、（１００）面方位のシリコン単結晶基板を用い、当該基板に対してリソグラフィーと異方性エッチングを施すことにより、高さ２０μｍ程度の凸部５１ａを形成することによって、用意する。
【００６０】次に、この第２の基板５１の凸部５１ａが図３（ｂ）に示す第１の部材の除去部４０内に入って前記第１の部材における貫通穴３４ａ付近の部分に接合されるように、前記第１の部材と第２の基板５１とを直接接合法等により接合する（図３（ｃ））。
【００６１】その後、図３（ｃ）に示す状態の構造体をテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）水溶液に浸漬することによって、酸化膜３９をマスクとして、前記第１の部材における酸化膜３９で覆われた貫通穴３４から第２の基板５１の凸部５１ａを四角錐状に異方性エッチングして、凸部５１ａに、図１に示すカンチレバーの探針部２５の形状を転写するための転写用凹部に対応する凹部（トレンチ）５１ｂを形成する（図３（ｄ）、図４（ａ））。この異方性エッチングはアンダーエッチングを起こすように行われ、凹部５１ｂの矩形の開口の各辺の長さが貫通穴３４ａの下側の開口の各辺の長さより長くなる。この部分の拡大図を図４（ａ）に示す。
【００６２】次に、図３（ｄ）及び図４（ａ）に示す状態の構造体を熱酸化によってもう一度酸化し、その表面に酸化膜５２を形成する（図４（ｂ））。この酸化の現象は、シリコン表面に大気中の酸素が飛び込むことにより起こり、酸化された部分は飛び込んだ酸素の量に応じて膨れる。ここで特に微小な形状である四角柱状の貫通穴３４ａ及び四角錐状の凹部５１ｂを見てみると、酸化膜の膨張により、それぞれのコーナーにおいて膜内部に応力集中が起こり、コーナーにおける酸化レートは、その他の部分に比べ遅くなっている。そのため、それぞれのコーナー部分がくびれを起こす。この部分の拡大図を図４（ｃ）に示す。さらに、酸化によりシリコン表面が盛り上がるため、貫通穴３４ａと、四角錐状の凹部５１ｂの空間が狭くなる。これによって、後述工程によりこの空間を型として形成されるカンチレバーのポスト部２４及び探針部２５はより微細に形成されるとともに、探針部２５の先端の頂点２５ａの前述した先鋭化及び探針部２５の底面側部分の角部２５ｂの前述した先鋭化を図ることができることになる。
【００６３】本実施の形態では、以上説明した図２（ａ）から図４（ｂ）（ｃ）までの工程が、図４（ｂ）（ｃ）に示す型部材を用意する段階を構成している。図４（ｂ）（ｃ）に示す型部材は、図３（ｂ）に示す部材に前記酸化膜５２が更に形成されてなる第１の部材と、第２の部材とが接合された構成を有している。内面に酸化膜３９，５２が形成された貫通穴３４ａが、図１に示すカンチレバーのポスト部２４の形状を転写するための転写用貫通穴となっている。また、前記第２の部材は、内面に酸化膜５２が形成された四角錐状の凹部５１ｂが形成された凸部５１ａを持った第２の基板５１と、該第２の基板５１の下面に形成された酸化膜５２とから構成されている。内面に酸化膜５２が形成された凹部５１ｂが、図１に示すカンチレバーの探針部２５の形状を転写するための四角錐状の転写用凹部であって前記転写用貫通穴と連通する転写用凹部となっている。前記転写用貫通穴（内面に酸化膜３９，５２が形成された貫通穴３４ａ）及び前記転写用凹部（内面に酸化膜５２が形成された四角錐状の凹部５１ｂ）は、前記転写用貫通穴の上側の開口のみで外部に開口する空間（図１に示すカンチレバーの突起物２２の型となる空間）を形成している。また、前述した説明からわかるように、当該空間の内壁全体には酸化膜が形成されている。さらに、前記転写用貫通穴における前記転写用凹部側の下側開口に対して、前記転写用凹部の矩形の開口の４つの角がはみ出している。
【００６４】以上のようにして図４（ｂ）（ｃ）に示す型部材を用意した後、前記転写用貫通穴（内面に酸化膜３９，５２が形成された貫通穴３４ａ）を含む当該型部材上の領域に、図１に示すカンチレバーのレバー部２１、突起物２２及び支持体２３の一部を構成すべき材料としての窒化珪素５３を、減圧ＣＶＤ法等により成膜させる（図４（ｄ））。これにより、前記転写用貫通穴及び前記転写用凹部が形成している空間内にも窒化珪素５３が入り込み、当該空間に入り込んだ窒化珪素５３に、図１に示すカンチレバーのポスト部２４及び探針部２５からなる突起物２２の形状が転写される。なお、同時に、基板５１の下面の酸化膜５２の下面にも、窒化珪素膜５４が成膜される。
【００６５】次に、リソグラフィー法を用いて、前記型部材の上面に成膜された窒化珪素膜５３に対して、レバー部２１及び支持体２３の所望の形状に合わせて、パターニングする。同時に、下面の窒化珪素膜５４が除去される。その後、窒化珪素膜５３上の所定箇所に支持体２３を構成するパイレックスガラス部材２６を陽極接合法等により接合する（図５（ａ））。
【００６６】次いで、図５（ａ）に示す状態の構造体をＫＯＨ水溶液又はＴＭＡＨ水溶液に浸漬して、カンチレバーのレバー部２１、ポスト部２４、探針部２５及び支持体２３の一部を構成する窒化珪素膜５３と、支持体２３の他の一部を構成するパイレックスガラス部材５５を残し、他の全てを除去する（図５（ｂ））。
【００６７】最後に、必要に応じて、レバー部２１の上面に、原子間力顕微鏡の力検出に広く用いられている光てこ法用の反射面として、金５６をメタライズする。これにより、図１に示すカンチレバーが完成する。
【００６８】以上説明した製造方法では、電子ビームの照射等、技術的に難しいプロセスは用いられておらず、既に確立された半導体微細加工技術が使用されており、バッチプロセスで、図１に示すカンチレバーを一括して大量に製造することができる。したがって、図１に示すカンチレバーは、安価に提供することができる。
【００６９】図１に示す本実施の形態によるカンチレバーを使いて、半導体プロセスで作られたアスペクト比の高い溝３を有する試料２の溝３をイメージングする例を、図６（ｂ）に示す。溝３の幅は現在のリソグラフィーの限界の分解能である０．２μｍであり、溝３の深さは１μｍである。前述した製造方法では、ポスト部２４と探針部２５をリソグラフィーの技術を用いて形成するが、前述したように酸化によるシリコン酸化膜の膨張を利用することにより、カンチレバーの探針部２５の横幅をリソグラフィーの限界の分解能の値よりも細くすることができる。そのため、図６（ｂ）に示すように、リソグラフィーの限界の大きさで形成された溝３の内部に差し入れることができ、溝３の底面４をイメージングすることができる。さらに、図１に示すカンチレバーでは、探針部２５の底面側部分の４つの角部２５ｂが側方に突出しているため、溝３の側面５もイメージングすることができる。
【００７０】以上、本発明の一実施の形態について説明したが、本発明はその実施の形態に限定されるものではない。
【００７１】例えば、本発明では、前述した製造方法を次のように変形してもよい。
【００７２】すなわち、探針部２５の先鋭化の程度は低下するものの、前述した製造方法において、図３（ｄ）に示す構造体を酸化させる工程を省略し、図３（ｄ）に示す構造体をそのまま型部材として用いてもよい。
【００７３】また、前述した製造方法では、図３（ｂ）に示す第１の部材と基板５１とを接合した後に、当該第１の部材をエッチングマスクとして利用して基板５１の凸部５１ａに凹部５１ｂを形成していた。しかし、本発明では、図３（ｂ）に示す第１の部材と基板５１とを接合する前に、基板５１単独の状態において予め凸部５１ａに凹部５１ｂを形成しておき、前記第１の部材の貫通穴３４ａと基板５１の凸部５１ａに形成した凹部５１ｂとを位置合わせして、前記第１の部材と前記基板５１とを接合してもよい。この場合、貫通穴３４ａ及び凹部５１ｂの大きさや両者の位置合わせを適宜設定することにより、転写用貫通穴における転写用凹部側の下側開口に対して、転写用凹部の矩形の開口の４つの角がはみ出さないように設定したり、当該４つの角のうちの一部のみがはみ出すように設定することもできる。また、基板５１単独の状態において予め凸部５１ａに凹部５１ｂを形成する場合には、図３（ｂ）に示す第１の部材をエッチングマスクとして利用しないので、図３（ｂ）に示すような酸化膜３９の形成は不要となり、図３（ａ）に示す構造体をそのまま基板５１と接合してもよい。
【００７４】また、前述した図１に示すカンチレバーにおいて、少なくとも探針部２５の先端に金属膜等の導電膜や磁性膜を形成すれば、走査型トンネル顕微鏡、走査型電気容量顕微鏡、走査型静電気力顕微鏡及び走査型磁気力顕微鏡などの他の種々の走査型プローブ顕微鏡において用いることができる。
【００７５】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、アスペクト比が高くて微細な隙間に探針部を差し入れることが可能であり、しかも、大量生産が可能で安価なカンチレバー及びその製造方法を提供することができる。
【００７６】また、本発明は、アスペクト比が高くて微細な隙間に探針部を差し入れることが可能であるとともに溝の底のみならず側面の測定も可能であり、しかも、大量生産が可能で安価なカンチレバー及びその製造方法を提供することができる。

【出願人】	【識別番号】０００００４１１２【氏名又は名称】株式会社ニコン
【出願日】	平成９年（１９９７）７月４日
【代理人】	【弁理士】【氏名又は名称】四宮通
【公開番号】	特開平１１－２３５９０
【公開日】	平成１１年（１９９９）１月２９日
【出願番号】	特願平９－１９４８４３