JPH10307144A - Cantilever chip - Google Patents
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- JPH10307144A JPH10307144A JP11476597A JP11476597A JPH10307144A JP H10307144 A JPH10307144 A JP H10307144A JP 11476597 A JP11476597 A JP 11476597A JP 11476597 A JP11476597 A JP 11476597A JP H10307144 A JPH10307144 A JP H10307144A
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- Length Measuring Devices With Unspecified Measuring Means (AREA)
Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば、走査型プ
ローブ顕微鏡によって試料の表面情報を測定する際に、
そのチップ先端と試料表面との間の相互作用（原子間
力、分子間力、磁気力、摩擦力、粘性力、弾性力等）を
検出するために用いられるカンチレバーチップに関す
る。The present invention relates to a method for measuring surface information of a sample by using a scanning probe microscope, for example.
The present invention relates to a cantilever tip used for detecting an interaction (atomic force, intermolecular force, magnetic force, frictional force, viscous force, elastic force, etc.) between the tip of the tip and the sample surface.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来、この種のカンチレバーチップを用
いた装置例えば走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanni
ng Probe Microscope ）が知られており、特にＳＰＭの
一例として、ビニッヒ(Binnig)やローラー(Rohrer)等に
よって、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tun
neling Microscope ）が発明されている。しかし、ＳＴ
Ｍでは、観察できる試料が導電性の試料に限られてい
る。そこで、サーボ技術を始めとするＳＴＭの要素技術
を利用し、絶縁性の試料を原子オーダーの分解能で観察
できる装置として原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic For
ce Microscope ）が提案されている（特開昭６２−１３
０３０２号公報参照）。2. Description of the Related Art Conventionally, an apparatus using a cantilever tip of this kind, for example, a scanning probe microscope (SPM: Scanni
ng Probe Microscope) is known. In particular, as an example of SPM, a scanning tunneling microscope (STM: Scanning Tun) using a Binnig or a Rohrer is used.
neling Microscope) has been invented. However, ST
In M, the sample that can be observed is limited to a conductive sample. Therefore, an atomic force microscope (AFM) is used as a device that can observe insulating samples with atomic-order resolution using elemental technologies of STM such as servo technology.
ce Microscope) has been proposed (JP-A-62-13).
No. 0302).
【０００３】なお、本明細書中において、カンチレバー
チップとは、自由端が変位自在なカンチレバーと、この
カンチレバーの自由端に形成された探針と、カンチレバ
ーの基端を支持する支持部とから構成されたものとす
る。[0003] In this specification, a cantilever tip includes a cantilever whose free end is freely displaceable, a probe formed at the free end of the cantilever, and a supporting portion for supporting a base end of the cantilever. It shall have been done.
【０００４】ＡＦＭ構造は、ＳＴＭに類似しており、走
査型プローブ顕微鏡の一つとして位置付けられており、
自由端に尖鋭化した探針を持つカンチレバーと、探針と
試料とを相対的に移動させるスキャナとを備えている。[0004] The AFM structure is similar to the STM and is positioned as one of the scanning probe microscopes.
It has a cantilever having a sharpened probe at its free end, and a scanner for relatively moving the probe and the sample.
【０００５】このような構成において、探針を試料に対
向して近接させると、探針先端の原子と試料表面の原子
との間に働く相互作用（原子間力）によって、カンチレ
バーの自由端が変位する。そして、この自由端に生じる
変位量を電気的あるいは光学的に検出しながら、探針を
試料表面に沿ってＸＹ方向に相対的に走査することによ
って、試料の表面情報等（例えば、凹凸情報）が三次元
的に測定される。In such a configuration, when the probe is brought close to the sample in opposition, the free end of the cantilever is caused by an interaction (atomic force) acting between atoms at the tip of the probe and atoms on the surface of the sample. Displace. The probe is relatively scanned in the X and Y directions along the surface of the sample while electrically or optically detecting the amount of displacement generated at the free end, thereby obtaining surface information of the sample (for example, unevenness information). Is measured three-dimensionally.
【０００６】また、ＡＦＭに用いられるカンチレバー
は、アルブレヒト(Albrecht)等が半導体ＩＣ製造プロセ
スを応用して作製したＳｉＯ2 （二酸化シリコン）製カ
ンチレバーを提案して以来、この半導体ＩＣ製造プロセ
スによって作製したカンチレバーが主流となっている
（Thomas R.Albrecht,Calvin F.Quate:Atomic resoluti
onImaging of a nonconductor by Atomic force Micros
copy J.Appl.Phys,62(1987)2599）。なお、半導体ＩＣ
製造プロセスを用いた作製法の利点の１つは、マイクロ
メータ（μｍ）オーダーの精度で且つ極めて再現性の良
いカンチレバーを作製できる点であり、他の利点は、バ
ッチプロセス法を用いることによって、低コストで且つ
優れたカンチレバーを作製できる点である。The cantilever used in the AFM has been manufactured by a semiconductor IC manufacturing process since Albrecht et al. Proposed a cantilever made of SiO 2 (silicon dioxide) manufactured by applying a semiconductor IC manufacturing process. Is the mainstream (Thomas R. Albrecht, Calvin F. Quate: Atomic resoluti
onImaging of a nonconductor by Atomic force Micros
copy J. Appl. Phys., 62 (1987) 2599). In addition, semiconductor IC
One of the advantages of the manufacturing method using the manufacturing process is that the cantilever can be manufactured with an accuracy on the order of micrometers (μm) and extremely high reproducibility. The point is that an excellent cantilever can be manufactured at low cost.
【０００７】更に、アルブレヒト等は、二酸化シリコン
の代わりに窒化シリコンを探針並びにカンチレバーの構
成材料として使用した窒化シリコン（Ｓｉ3 Ｎ4 ）製カ
ンチレバーを提案している（「J.Vac.Sci.Technol.A8
(4)3386 1990:T.Albrecht,S.Akamine,T.E.Caver and C.
F.Quate 」以下、文献１という）。この文献１の窒化シ
リコン製カンチレバーの寸法は、長さ約１００〜２００
μｍ、厚さ約０．４〜０．８μｍであり、その形状は、
例えば中抜き三角形や長方形である。また、その機械的
特性として、バネ定数は、０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度
であり、共振周波数は、２０〜９０ｋＨｚ程度である。Further, Albrecht et al. Have proposed a cantilever made of silicon nitride (Si 3 N 4 ) using silicon nitride as a probe and cantilever instead of silicon dioxide (see “J. Vac. Sci”). .Technol.A8
(4) 3386 1990: T. Albrecht, S. Akamine, TECaver and C.
F.Quate ", hereinafter referred to as Reference 1.) The dimensions of the silicon nitride cantilever of Reference 1 are about 100 to 200 in length.
μm, a thickness of about 0.4 to 0.8 μm, and the shape is
For example, it is a hollow triangle or a rectangle. Further, as its mechanical characteristics, the spring constant is about 0.02 to 0.8 N / m, and the resonance frequency is about 20 to 90 kHz.
【０００８】このようなカンチレバーを用いたＡＦＭの
測定法（ＡＦＭ測定法）としては、探針接触圧設定時の
カンチレバーの撓み状態を一定に維持するように、カン
チレバーを励振させること無く、探針を試料に沿って走
査するスタティックモードＡＦＭ測定法と、所定の共振
周波数でカンチレバーを励振させた状態において、振動
中心と試料表面との間の距離を一定に維持するように、
探針を試料に沿って走査するダイナミックモードＡＦＭ
測定法とが知られている。As an AFM measurement method using such a cantilever (AFM measurement method), a probe is not excited without exciting the cantilever so as to maintain a constant bending state of the cantilever when the probe contact pressure is set. In a state in which the cantilever is excited at a predetermined resonance frequency with the static mode AFM measurement method in which the sample is scanned along the sample, the distance between the vibration center and the sample surface is kept constant.
Dynamic mode AFM that scans the probe along the sample
Measurement methods are known.
【０００９】スタティックモードＡＦＭ測定法は、探針
先端を試料に接触させながら走査するコンタクトモード
ＡＦＭ測定法と、探針先端を試料に接触させること無く
走査するノンコンタクトモードＡＦＭ測定法とに大別さ
れ、特に、コンタクトモードＡＦＭ測定法には、バネ定
数が１Ｎ／ｍ以下（０．０２〜０．８Ｎ／ｍ程度）で共
振周波数が１０〜９０ｋＨｚのカンチレバーが用いられ
る。The static mode AFM measurement method is roughly classified into a contact mode AFM measurement method in which the tip of the probe scans while making contact with the sample, and a non-contact mode AFM measurement method in which the tip of the probe scans without contacting the sample. In particular, in the contact mode AFM measurement method, a cantilever having a spring constant of 1 N / m or less (about 0.02 to 0.8 N / m) and a resonance frequency of 10 to 90 kHz is used.
【００１０】なお、コンタクトモードＡＦＭ測定法は、
探針を試料に一定の接触圧で押し付けながら、試料の凹
凸情報を測定するコンスタントフォースモードＡＦＭ測
定法と、探針の走査面を一定に維持した状態において、
試料の凹凸状態に対応して試料に対する探針の接触圧の
変化に基づいて、試料の凹凸情報を測定するコンスタン
トハイトモードＡＦＭ測定法とに大別される。The contact mode AFM measurement method is as follows.
Constant force mode AFM measurement method for measuring the unevenness information of the sample while pressing the probe against the sample with a constant contact pressure, and in a state where the scanning surface of the probe is kept constant,
The method is broadly classified into a constant height mode AFM measurement method for measuring the unevenness information of the sample based on a change in the contact pressure of the probe with the sample corresponding to the unevenness state of the sample.
【００１１】このようなコンタクトモードＡＦＭ測定法
では、探針や試料の損傷を防止する観点から、試料に対
する探針の接触圧を如何に小さくするかが重要であり、
バネ定数の小さなカンチレバーを用いることが求められ
る。In such a contact mode AFM measurement method, it is important to reduce the contact pressure of the probe with the sample from the viewpoint of preventing damage to the probe and the sample.
It is required to use a cantilever having a small spring constant.
【００１２】一方、ダイナミックモードＡＦＭ測定法に
は、大きな機械的Ｑ値を有するカンチレバーを用いるこ
とが必要である。具体的には、この測定法に用いられる
カンチレバーは、コンタクトモードＡＦＭ測定法のカン
チレバーと比べて、バネ定数（２〜５０Ｎ／ｍ）が大き
く且つ共振周波数（７０〜３００ｋＨｚ）が高くなって
いる。なお、ＵＳＰ５０５１３７９に示されているよう
に、このような測定法には、通常、単結晶シリコンで形
成された探針及びカンチレバーが用いられている。On the other hand, in the dynamic mode AFM measurement method, it is necessary to use a cantilever having a large mechanical Q value. Specifically, the cantilever used in this measurement method has a larger spring constant (2 to 50 N / m) and a higher resonance frequency (70 to 300 kHz) than the cantilever of the contact mode AFM measurement method. As shown in US Pat. No. 5,051,379, such a measuring method generally uses a probe and a cantilever formed of single crystal silicon.
【００１３】上述したようなＡＦＭ測定法によれば、絶
縁材料から成る試料の測定だけで無く、液体中の試料を
測定することもできる。このため、生物試料を生きた状
態或いはそれに近い状態で測定することが可能であり、
走査型電子顕微鏡に代わる新たな測定及び観察装置とし
て期待されている。According to the AFM measurement method described above, not only a sample made of an insulating material but also a sample in a liquid can be measured. For this reason, it is possible to measure a biological sample in a living state or a state close thereto,
It is expected as a new measurement and observation device that replaces the scanning electron microscope.
【００１４】[0014]
【発明が解決しようとする課題】ところで、ＡＦＭ測定
には、ある程度の時間を必要とするため、動かない試料
（例えば、金属、非金属の絶縁対試料、加工された生物
試料など）を測定することがほとんどであった。しか
し、現在、生物試料を生きた状態で測定したいというニ
ーズが高まりつつある。即ち、測定中に動いたり、変化
したりするような不安定な試料（例えば、液体中の生物
試料）を測定したいという要求である。この要求に応え
るため、測定時間を短縮することが課題となっている。Since the AFM measurement requires a certain amount of time, a sample that does not move (for example, a metal, a nonmetal insulating pair sample, a processed biological sample, etc.) is measured. Most of that was. However, at present, there is an increasing need to measure biological samples in a living state. That is, there is a need to measure an unstable sample (for example, a biological sample in a liquid) that moves or changes during the measurement. To meet this demand, reducing the measurement time has been an issue.
【００１５】一般的に、コンタクトモードＡＦＭ測定法
を用いれば、ダイナミックモードＡＦＭ測定法と比較し
て、測定に要する時間の短縮化を図ることが可能である
が、数秒以下の短時間に動いたり、反応したりする生き
た生物試料を測定するには、コンタクトモードＡＦＭ測
定法であっても時間が掛かり過ぎるといった問題があ
る。In general, when the contact mode AFM measurement method is used, it is possible to shorten the time required for measurement as compared with the dynamic mode AFM measurement method. However, there is a problem that it takes too much time to measure a living biological sample that reacts even with the contact mode AFM measurement method.
【００１６】従来、ＡＦＭ測定に要する時間を長引かせ
る１つの要因として、カンチレバーが、ある一定以上の
長さ及び厚さを有することに起因する機械的共振周波数
特性が考えられる。ここで、カンチレバーの共振周波数
特性は、長さ寸法の２乗に反比例し且つ厚さ寸法に比例
して変化する。Conventionally, as one factor for prolonging the time required for the AFM measurement, a mechanical resonance frequency characteristic caused by the cantilever having a certain length or thickness or more is considered. Here, the resonance frequency characteristic of the cantilever changes in inverse proportion to the square of the length dimension and in proportion to the thickness dimension.
【００１７】前述のコンタクトモードＡＦＭ測定法で
は、カンチレバー先端に形成された探針の先端と試料と
を接触させた状態で、両者を相対的に走査する。このた
め、探針は、試料の凹凸を追従するように変位し、この
とき得られるカンチレバーの変位は、試料の凹凸を反映
する。In the above-described contact mode AFM measurement method, while the tip of the probe formed at the tip of the cantilever is in contact with the sample, the two are relatively scanned. Therefore, the probe is displaced so as to follow the unevenness of the sample, and the displacement of the cantilever obtained at this time reflects the unevenness of the sample.
【００１８】試料の凹凸情報（空間周波数情報）はＡＦ
Ｍ装置により時間軸上の情報に変換される。測定時間を
短縮するために走査速度を上げると、単位時間当たりに
通過する試料の凹凸が増加し、この時間軸上の周波数
は、高周波数側にシフトする。そして、この周波数がカ
ンチレバーの共振周波数に近づくと、カンチレバーは、
試料の凹凸に追従せず、発振してしまう。The unevenness information (spatial frequency information) of the sample is AF
It is converted into information on the time axis by the M device. When the scanning speed is increased to shorten the measurement time, the unevenness of the sample passing per unit time increases, and the frequency on this time axis shifts to a higher frequency side. And when this frequency approaches the resonance frequency of the cantilever,
Oscillation does not follow the unevenness of the sample.
【００１９】つまり、同程度の周波数のカンチレバーを
使用したのでは、カンチレバーが試料の凹凸に追従でき
なくなり、時にはその機械的共振周波数で振動してしま
うのである。That is, if cantilevers having the same frequency are used, the cantilever cannot follow the unevenness of the sample, and sometimes vibrates at the mechanical resonance frequency.
【００２０】従って、測定時間を短縮し、安定したＡＦ
Ｍ測定を行うには、走査速度に伴い高周波数側にシフト
する周波数より充分高い機械的共振周波数を示すカンチ
レバーを使用する必要がある。言い換えれば、コンタク
トモードＡＦＭ用のカンチレバーの機械的共振周波数を
高く設定すれば、振動ノイズに強く、高速の走査が可能
となる。Therefore, the measurement time is shortened and the stable AF
To perform the M measurement, it is necessary to use a cantilever exhibiting a mechanical resonance frequency sufficiently higher than a frequency that shifts to a higher frequency side with the scanning speed. In other words, if the mechanical resonance frequency of the cantilever for the contact mode AFM is set to a high value, it is resistant to vibration noise and can perform high-speed scanning.
【００２１】そこで、前述の通り、カンチレバーの共振
周波数は、カンチレバーの長さの２乗に反比例するの
で、カンチレバーを短くすれば、カンチレバーの共振周
波数は高く設定できる。Therefore, as described above, the resonance frequency of the cantilever is inversely proportional to the square of the length of the cantilever. Therefore, if the cantilever is shortened, the resonance frequency of the cantilever can be set high.
【００２２】しかし、カンチレバーを短くすると、カン
チレバーのバネ定数が長さの３乗に比例して大きく（硬
く）なるため、探針が試料の凹凸に追従したとしても、
カンチレバーの大きな変位量が期待できず、正確な試料
の凹凸を検出することが困難になる。However, when the cantilever is shortened, the spring constant of the cantilever increases (hardens) in proportion to the cube of the length. Therefore, even if the probe follows the unevenness of the sample,
Since a large displacement of the cantilever cannot be expected, it becomes difficult to accurately detect unevenness of the sample.
【００２３】よって、バネ定数が大きくなるのを抑えな
がら、共振周波数を高く設定するには、短くて薄いカン
チレバーとすることが有効である。しかしながら、カン
チレバーの長さ寸法を短くすると、以下のような問題が
生じる。Therefore, in order to set the resonance frequency high while suppressing an increase in the spring constant, it is effective to use a short and thin cantilever. However, shortening the length of the cantilever causes the following problems.
【００２４】即ち、カンチレバー作製用装置のばらつき
精度の影響を受けることによって、作製後のカンチレバ
ーの長さ寸法のばらつきに基づいて、共振周波数やバネ
定数のばらつきの度合が大きくなってしまう。In other words, the degree of variation in the resonance frequency and spring constant increases based on the variation in the length of the cantilever after fabrication, due to the influence of the variation accuracy of the cantilever fabrication apparatus.
【００２５】例えば上述した文献１に開示された窒化シ
リコン製カンチレバーは、その支持部にパイレックスガ
ラスが用いられており、このパイレックスガラスは、陽
極接合によって、カンチレバーの基端に接合されてい
る。For example, the silicon nitride cantilever disclosed in the above-mentioned document 1 uses Pyrex glass for its support, and this Pyrex glass is joined to the base end of the cantilever by anodic bonding.
【００２６】このようなカンチレバー作製方法におい
て、陽極接合時のアライメント精度がカンチレバーの長
さ寸法のばらつきに影響を与える。なお、このアライメ
ント精度は、約５〜１０μｍ程度である。In such a cantilever manufacturing method, the alignment accuracy at the time of anodic bonding affects the variation in the length of the cantilever. Note that the alignment accuracy is about 5 to 10 μm.
【００２７】更に、パイレックスガラスは、ダイシング
ソーという円盤状砥石によって加工されるため、ガラス
のチッピングがカンチレバーの長さ寸法のばらつきに影
響を与える。なお、ガラスのチッピングは、ガラスを機
械加工した際に、機械的ストレスが生じるためガラスが
欠ける現象を言う。従って、例えば長さ寸法が５０μｍ
以下のカンチレバーを作製する場合、共振周波数は、最
大で約５倍程度、そして、バネ定数は、最大で約１０倍
程度のばらつきが生じてしまうため、歩留まり良くカン
チレバーを作製することが困難であった。Further, since Pyrex glass is processed by a disc-shaped grindstone called a dicing saw, chipping of the glass affects variation in the length dimension of the cantilever. Note that chipping of glass refers to a phenomenon in which glass is chipped because mechanical stress occurs when the glass is machined. Therefore, for example, the length dimension is 50 μm
When fabricating the following cantilevers, the resonance frequency varies up to about 5 times and the spring constant varies up to about 10 times, so that it is difficult to fabricate cantilevers with high yield. Was.
【００２８】また、上述したＡＦＭには、カンチレバー
の変位を光学的に測定する光てこ方式の変位センサが設
けられている。一般に、光てこ方式の変位センサのセン
サー光のスポット径は、３０μｍ程度である。このた
め、カンチレバーの背面（探針が形成された面とは反対
側の面）は、上記スポット径のセンサー光が照射可能な
寸法を有していることが必要となる。The above-mentioned AFM is provided with an optical lever type displacement sensor for optically measuring the displacement of the cantilever. Generally, the spot diameter of the sensor light of an optical lever type displacement sensor is about 30 μm. For this reason, it is necessary that the back surface of the cantilever (the surface opposite to the surface on which the probe is formed) has a dimension that allows the sensor light having the spot diameter to be irradiated.
【００２９】更に、精度良くＡＦＭ測定を行うために
は、例えば光路のけられ等の光学的影響を受けること無
く、カンチレバーの背面にセンサー光を円滑且つ確実に
照射させる必要がある。Furthermore, in order to perform AFM measurement with high accuracy, it is necessary to irradiate the sensor light to the back surface of the cantilever smoothly and reliably without being affected by an optical path such as an optical path.
【００３０】しかしながら、一般的なＡＦＭにおいて、
カンチレバー２は、試料４の表面４ａに対して所定の傾
斜角度θ（例えば、約５°〜１５°程度の傾斜角度）で
位置決めされている（図４（ａ）参照）。However, in a general AFM,
The cantilever 2 is positioned at a predetermined tilt angle θ (for example, a tilt angle of about 5 ° to 15 °) with respect to the surface 4a of the sample 4 (see FIG. 4A).
【００３１】このため、図４（ａ）に示すように、例え
ば上述した文献１に開示された窒化シリコン製カンチレ
バー２をＡＦＭに位置決め配置すると、支持部を成すパ
イレックスガラス６の端面６ａが、カンチレバー２から
垂直に立ち上がった状態となる。このため、端面６ａの
高さ寸法が大きい場合、その端面６ａの角部６ｂによっ
てセンサー光Ｒ１の一部がけられてしまう場合があり、
この場合には、カンチレバー２の背面にセンサー光Ｒ１
を円滑且つ確実に照射させることができなくなってしま
う。For this reason, as shown in FIG. 4A, for example, when the cantilever 2 made of silicon nitride disclosed in the above-mentioned document 1 is positioned and arranged on the AFM, the end face 6a of the Pyrex glass 6 forming the support portion becomes the cantilever. It is in a state of standing vertically from 2. For this reason, when the height dimension of the end face 6a is large, a part of the sensor light R1 may be shaded by the corner 6b of the end face 6a,
In this case, the sensor light R1 is placed on the back of the cantilever 2.
Cannot be smoothly and reliably irradiated.
【００３２】この場合、ＡＦＭ測定中において、半導体
レーザ８から集光レンズ１０を介して射出されたセンサ
ー光Ｒ１は、角部６ｂによって、その一部がけられた状
態でカンチレバー２の背面に照射される。このとき、カ
ンチレバー２の背面から反射した反射光Ｒ２は、上記の
けられの光学的影響を受けることによって、その光量が
不規則に変化する。この結果、フォトディテクタ１２に
よって検出される反射光Ｒ２の光強度が不規則に変化す
るため、ＡＦＭ測定精度が低下してしまう。In this case, during the AFM measurement, the sensor light R1 emitted from the semiconductor laser 8 via the condensing lens 10 is irradiated on the back surface of the cantilever 2 in a state where a part thereof is shaved by the corner 6b. You. At this time, the amount of the reflected light R2 reflected from the back surface of the cantilever 2 changes irregularly due to the above-mentioned optical influence of the eclipse. As a result, the light intensity of the reflected light R2 detected by the photodetector 12 changes irregularly, so that the AFM measurement accuracy decreases.
【００３３】このような弊害を解消するために、カンチ
レバー２の基端近傍に位置するパイレックスガラス６の
端面６ａの高さ寸法を低くするように、パイレックスガ
ラス６に機械加工を施すと、前述の機械的ストレスによ
るガラスのチッピング現象でカンチレバー２の基端近傍
に位置するパイレックスガラス６が折れ易くなり、歩留
まりが低下してしまうといった新たな問題が生じる。In order to eliminate such adverse effects, when the pyrex glass 6 is machined so that the height of the end face 6a of the pyrex glass 6 located near the base end of the cantilever 2 is reduced, the above-mentioned problem can be solved. Pyrex glass 6 located near the base end of cantilever 2 is easily broken due to the chipping phenomenon of glass due to mechanical stress, and a new problem such as a decrease in yield arises.
【００３４】更に、一般的なＡＦＭにおいて、カンチレ
バーチップ１４は、カンチレバー２の自由端に設けられ
た探針のみが試料４の表面４ａに接触するように取り付
けられている。Further, in a general AFM, the cantilever tip 14 is attached such that only the probe provided at the free end of the cantilever 2 contacts the surface 4a of the sample 4.
【００３５】しかしながら、図４（ｂ）に示すように、
カンチレバーチップ１４が、カンチレバー２の長手軸を
中心に所定角度だけ傾斜（回転）した際に、支持部を成
すパイレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、
試料４の表面４ａに接触する場合がある。特に、カンチ
レバーチップ１４の取付角度を小さくした場合（カンチ
レバー２が試料４の表面４ａと略平行になる場合）や支
持部を成すパイレックスガラス６の寸法を変化させるこ
と無く、カンチレバー２の長さ寸法を短くした場合、パ
イレックスガラス６の両端（両肩）６ｃの一方が、試料
４の表面４ａに接触する可能性が高くなる。この場合、
ＡＦＭ測定が困難或いは不可能になってしまう。However, as shown in FIG.
When the cantilever tip 14 is tilted (rotated) by a predetermined angle about the longitudinal axis of the cantilever 2, one of both ends (both shoulders) 6c of the Pyrex glass 6 forming the support portion is
It may come into contact with the surface 4a of the sample 4. In particular, when the mounting angle of the cantilever tip 14 is reduced (when the cantilever 2 becomes substantially parallel to the surface 4a of the sample 4) or without changing the dimensions of the Pyrex glass 6 forming the support, the length of the cantilever 2 is changed. Is shorter, it is more likely that one of both ends (both shoulders) 6 c of the Pyrex glass 6 will come into contact with the surface 4 a of the sample 4. in this case,
AFM measurement becomes difficult or impossible.
【００３６】このような弊害を解消するために、支持部
を成すパイレックスガラス６の幅寸法を小さくすること
も考えられるが、カンチレバーチップ１４をＡＦＭに取
り付けるためには、支持部の幅寸法を一定値以下にする
ことはできない。現行のＡＦＭ技術において、支持部の
幅寸法は、約１．５ｍｍ以下に小さくすることができな
い。It is conceivable to reduce the width of the Pyrex glass 6 forming the support portion in order to eliminate such adverse effects. However, in order to attach the cantilever chip 14 to the AFM, the width of the support portion must be fixed. It cannot be less than the value. In current AFM technology, the width of the support cannot be reduced below about 1.5 mm.
【００３７】本発明は、このような課題を解決するため
に成されており、その目的は、機械的特性のばらつきが
少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波
数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有するカ
ンチレバーチップを提供することにある。The present invention has been made to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a semiconductor device which can be manufactured with a small variation in mechanical characteristics and a high yield, has a high resonance frequency, and has a high spring constant. It is to provide a cantilever chip having a small cantilever.
【００３８】[0038]
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、本発明のカンチレバーチップは、支持部と、この支
持部から延出したカンチレバーとを備えており、前記支
持部には、前記カンチレバーの基端を支持すると共に、
前記カンチレバーの長さ寸法を規定するための基準面を
有する第１の支持部と、この第１の支持部を支持すると
共に、所定の傾斜角度で傾斜した側周面を有する第２の
支持部とが設けられている。In order to achieve this object, a cantilever chip according to the present invention includes a support portion and a cantilever extending from the support portion, wherein the support portion includes the cantilever. While supporting the base end of
A first support having a reference surface for defining the length dimension of the cantilever, and a second support supporting the first support and having a side peripheral surface inclined at a predetermined inclination angle Are provided.
【００３９】[0039]
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施の形態に係
るカンチレバーチップについて、添付図面を参照して説
明する。図１（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、本
実施の形態のカンチレバーチップ１６は、支持部１８
と、この支持部１８から延出したカンチレバー２０と、
このカンチレバー２０の延出端即ち自由端に形成された
探針２２とを備えて構成されている。DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, a cantilever chip according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. As shown in FIGS. 1A, 1B and 1C, the cantilever chip 16 of the present embodiment is
And a cantilever 20 extending from the support portion 18,
The cantilever 20 is provided with a probe 22 formed at an extended end, that is, a free end.
【００４０】本実施の形態に適用したカンチレバー２０
は、略三角形状を成しており、窒化シリコンから構成さ
れている。本実施の形態において、このカンチレバー２
０は、その一例として、その長手軸方向に沿った長さ寸
法Ｌ即ち基端から自由端までの長さ寸法Ｌが略５０μ
ｍ、基端の幅寸法Ｗが略５０μｍ、厚さ寸法Ｔが略０．
２μｍに設定されている（図１（ｂ），（ｃ）参照）。The cantilever 20 applied to the present embodiment
Has a substantially triangular shape and is made of silicon nitride. In the present embodiment, this cantilever 2
0 is, as an example, the length L along the longitudinal axis direction, that is, the length L from the base end to the free end is approximately 50 μm.
m, the width W of the base end is approximately 50 μm, and the thickness T is approximately 0.
It is set to 2 μm (see FIGS. 1B and 1C).
【００４１】本実施の形態に適用した探針２２は、略四
角錐形状（ピラミッド形状）を成しており、窒化シリコ
ンから構成されている。本実施の形態において、この探
針２２は、その一例として、その高さ寸法Ｈが略３μｍ
に設定されている（図１（ｂ）参照）。なお、この探針
２２は、後述するカンチレバーチップの作製プロセスに
おいて、カンチレバー２０の表面（支持部１８に当接し
た面とは反対側の面）に形成される。従って、以下の説
明において、カンチレバー２０の背面とは、探針２２が
形成された面（表面）とは反対側の面を言うこととす
る。The probe 22 applied to the present embodiment has a substantially quadrangular pyramid shape (pyramid shape) and is made of silicon nitride. In the present embodiment, as an example, the probe 22 has a height H of about 3 μm.
(See FIG. 1B). The probe 22 is formed on the surface of the cantilever 20 (the surface opposite to the surface in contact with the support portion 18) in a process of manufacturing a cantilever tip described later. Therefore, in the following description, the back surface of the cantilever 20 refers to the surface opposite to the surface (surface) on which the probe 22 is formed.
【００４２】支持部１８は、単結晶シリコンから成る第
１の支持部２４及び第２の支持部２６で構成されてい
る。また、これら第１及び第２の支持部２４，２６は、
異なる形状をしているが、後述するプロセスを用いて、
同一単結晶シリコン基板から成形されている。The support section 18 includes a first support section 24 and a second support section 26 made of single crystal silicon. In addition, the first and second support portions 24 and 26
Although it has a different shape, using the process described below,
It is formed from the same single crystal silicon substrate.
【００４３】第１の支持部２４は、直方体形状を成して
おり、カンチレバー２０の基端部を支持すると共に、カ
ンチレバー２０の長さ寸法Ｌを規定するための基準面２
４ａが形成されている。また、第２の支持部２６には、
所定の傾斜角度で傾斜した側周面２６ａが形成されてい
る。The first support portion 24 has a rectangular parallelepiped shape, supports the base end of the cantilever 20, and defines the reference surface 2 for defining the length L of the cantilever 20.
4a are formed. In addition, the second support portion 26 includes
A side peripheral surface 26a inclined at a predetermined inclination angle is formed.
【００４４】本実施の形態において、第１の支持部２４
は、その一例として、長さ寸法Ｄ１が略３．７ｍｍ、幅
寸法Ｄ２が略０．５ｍｍ、厚さ寸法Ｄ３が略０．０２ｍ
ｍに設定されている（図１（ａ），（ｂ）参照）。In this embodiment, the first support 24
As an example, the length dimension D1 is about 3.7 mm, the width dimension D2 is about 0.5 mm, and the thickness dimension D3 is about 0.02 m
m (see FIGS. 1A and 1B).
【００４５】この第１の支持部２４の基準面２４ａは、
カンチレバー２０の長手軸に対して垂直方向に延出して
おり、後述する作製プロセスにおいて、カンチレバー２
０の長さ寸法Ｌのばらつきを最小限に抑えるための機能
を有している。The reference surface 24a of the first support 24 is
The cantilever 20 extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the cantilever 20.
It has a function of minimizing variations in the length dimension L of zero.
【００４６】また、後述する作製プロセスによって形成
される複数のカンチレバーチップ１６を１枚のウェハ
（図示しない）に保持させるために、第１の支持部２４
の両側には、夫々、保持部２８が一体的に突設されてい
る。このため、所望のカンチレバーチップ１６をウェハ
から取り出す場合、カンチレバーチップ１６を把持しな
がら引っ張る（又は、捻る）等の作業を行って保持部２
８を切断することによって、所望のカンチレバーチップ
１６を安全（カンチレバーチップ１６を損傷させること
無く）且つ簡単に取り出すことができる。なお、本実施
の形態に適用した保持部２８は、夫々、単結晶シリコン
から構成されており、その一例として、幅寸法Ｆ１が略
０．１ｍｍ、厚さ寸法Ｆ２が略０．０２ｍｍに設定され
ている（図１（ｃ）参照）。In order to hold a plurality of cantilever chips 16 formed by a manufacturing process described later on a single wafer (not shown), a first support portion 24 is provided.
The holding portions 28 are integrally protruded from both sides. For this reason, when taking out the desired cantilever chip 16 from the wafer, an operation such as pulling (or twisting) while holding the cantilever chip 16 is performed and the holding unit 2 is held.
By cutting 8, the desired cantilever tip 16 can be safely (without damaging the cantilever tip 16) and easily taken out. The holding portions 28 applied to the present embodiment are each made of single-crystal silicon. As an example, the width dimension F1 is set to approximately 0.1 mm, and the thickness dimension F2 is set to approximately 0.02 mm. (See FIG. 1C).
【００４７】本実施の形態に適用した第２の支持部２６
は、第１の支持部２４側に第１面２６ｂ（図１（ｃ）参
照）を有し、また、この第１面２６ｂに対向して第２面
２６ｃ（図１（ａ）参照）を有している。また、この第
２面２６ｃは、カンチレバーチップ１６を所定のＡＦＭ
装置（図示しない）に取り付けるための取付面として機
能する。Second support portion 26 applied to the present embodiment
Has a first surface 26b (see FIG. 1C) on the first support portion 24 side, and has a second surface 26c (see FIG. 1A) opposed to the first surface 26b. Have. The second surface 26c is provided with a predetermined AFM for the cantilever tip 16.
It functions as a mounting surface for mounting to a device (not shown).
【００４８】第２面２６ｃの寸法は、第１面２６ｂの寸
法よりも縮小されており、第１面２６ｂと第２面２６ｃ
との間に形成された側周面２６ａは、第１の支持部２４
の基準面２４ａに対して所定の傾斜角度を成して傾斜し
ている。The size of the second surface 26c is smaller than the size of the first surface 26b, and the first surface 26b and the second surface 26c are smaller.
The first peripheral portion 26a formed between the first support portion 24
Is inclined at a predetermined inclination angle with respect to the reference plane 24a.
【００４９】なお、本実施の形態に適用した第２の支持
部２６の第１面２６ｂの寸法は、その一例として、長さ
寸法Ｓ１が略３．６５ｍｍ、幅寸法Ｓ２が略１．６ｍ
ｍ、厚さ寸法Ｓ３が略０．５ｍｍに設定されている（図
１（ａ），（ｂ）参照）。The dimensions of the first surface 26b of the second support portion 26 applied to the present embodiment are, for example, a length S1 of about 3.65 mm and a width S2 of about 1.6 m.
m and the thickness S3 are set to approximately 0.5 mm (see FIGS. 1A and 1B).
【００５０】このように本実施の形態のカンチレバーチ
ップ１６によれば、第１の支持部２４の厚さ寸法Ｄ３を
略０．０２ｍｍと薄くし、且つ、第２の支持部２６の側
周面２６ａを傾斜させたことによって、カンチレバー２
０の背面上方の空間を広げることができる。この結果、
カンチレバーチップ１６をＡＦＭ装置に取り付けてＡＦ
Ｍ測定を行う場合、図４（ａ）に示されたようなけられ
等の光学的影響を受けること無く、センサー光Ｒ１を円
滑且つ確実にカンチレバー２０の背面に照射させること
が可能となる。従って、従来技術に比べてＡＦＭ測定精
度を向上させることが可能となる。As described above, according to the cantilever chip 16 of the present embodiment, the thickness D3 of the first support portion 24 is reduced to approximately 0.02 mm, and the side peripheral surface of the second support portion 26 is reduced. By tilting 26a, cantilever 2
The space above the back of 0 can be expanded. As a result,
Attaching the cantilever tip 16 to the AFM device
In the case of performing the M measurement, it is possible to irradiate the sensor light R1 to the back surface of the cantilever 20 smoothly and surely without being affected by optical influences such as a shading as shown in FIG. Therefore, it is possible to improve the AFM measurement accuracy as compared with the related art.
【００５１】更に、本実施の形態のカンチレバーチップ
１６によれば、第２の支持部２６の幅寸法Ｓ２よりも第
１の支持部２４の幅寸法Ｄ２を小さくしたことによっ
て、支持部１８の両端（両肩）に空所（逃げ部）３０を
形成することができる。この結果、ＡＦＭ測定中、カン
チレバーチップ１６が、カンチレバー２０の長手軸を中
心に所定角度だけ傾斜（回転）した場合でも、空所（逃
げ部）３０によって、支持部１８の両端（両肩）の一方
が試料４の表面４ａに接触すること（図４（ｂ）参照）
を防止することが可能となる。また、第２の支持部２６
は、ＡＦＭ装置にカンチレバーチップ１６を取り付ける
ための幅寸法を確保している。なお、この効果は、特
に、長さ寸法Ｌの短いカンチレバー２０を用いてＡＦＭ
測定を行う場合に非常に有効である。Furthermore, according to the cantilever tip 16 of the present embodiment, the width D2 of the first support 24 is made smaller than the width S2 of the second support 26, so that both ends of the support 18 are provided. A vacant space (escape portion) 30 can be formed at (on both shoulders). As a result, even when the cantilever tip 16 is inclined (rotated) by a predetermined angle about the longitudinal axis of the cantilever 20 during the AFM measurement, the both ends (both shoulders) of the support portion 18 are formed by the void (escape portion) 30. One contacts the surface 4a of the sample 4 (see FIG. 4B)
Can be prevented. Also, the second support portion 26
Has secured a width dimension for attaching the cantilever chip 16 to the AFM device. Note that this effect is achieved particularly by using the AFM using the short cantilever 20 having the short length L.
It is very effective when performing measurements.
【００５２】次に、上述したような構成を有するカンチ
レバーチップ１６の作製プロセスについて、図２を参照
して説明する。本実施の形態の作製プロセスでは、その
一例として、２枚のシリコンウェハ即ち第１及び第２の
シリコンウェハ３２，３４（図２（ａ），（ｄ）参照）
をスタートウェハとして用いており、これら第１及び第
２のシリコンウェハ３２，３４によってカンチレバーチ
ップ１６を作製する。Next, a manufacturing process of the cantilever chip 16 having the above-described configuration will be described with reference to FIG. In the manufacturing process of the present embodiment, as an example, two silicon wafers, that is, first and second silicon wafers 32 and 34 (see FIGS. 2A and 2D).
Is used as a start wafer, and the cantilever chip 16 is manufactured using the first and second silicon wafers 32 and 34.
【００５３】まず、図２（ａ）に示すように、ＬＰ−Ｃ
ＶＤ法（低圧化学蒸着法）によって第１のシリコンウェ
ハ３２の表裏面に窒化シリコン膜３６，３８（膜厚３０
０ｎｍ）を形成した後、フォトリソグラフィ法によって
表面に形成された窒化シリコン膜３６に四角形状の開口
３６ａを形成する。続いて、この窒化シリコン膜３６を
マスクとして用いながら、開口３６ａを介して露出して
いる第１のシリコンウェハ３２に対して水酸化カリウム
水溶液によって湿式異方性エッチングを施す。そして、
第１のシリコンウェハ３２に倒立略四角錐形状（倒立ピ
ラミッド形状）の凹部３２ａを形成する（第１のステッ
プ）。First, as shown in FIG.
The silicon nitride films 36 and 38 (thickness 30) are formed on the front and back surfaces of the first silicon wafer 32 by VD (low pressure chemical vapor deposition).
(0 nm), a square opening 36a is formed in the silicon nitride film 36 formed on the surface by photolithography. Subsequently, while using the silicon nitride film 36 as a mask, the first silicon wafer 32 exposed through the opening 36a is subjected to wet anisotropic etching with an aqueous solution of potassium hydroxide. And
An inverted quadrangular pyramid (inverted pyramid) recess 32a is formed in the first silicon wafer 32 (first step).
【００５４】このとき用いられる第１のシリコンウェハ
３２の面方位は、（１００）であって、湿式異方性エッ
チングにより露出する第１のシリコンウェハ３２の面に
傾斜する凹部３２ａの４つの面の面方位は、（１１１）
である。The plane orientation of the first silicon wafer 32 used at this time is (100), and the four planes of the concave portion 32a inclined to the surface of the first silicon wafer 32 exposed by wet anisotropic etching. Is (111)
It is.
【００５５】次に、図２（ｂ），（ｃ）に示すように、
マスクとして用いた窒化シリコン膜３６を除去した後、
再びＬＰ−ＣＶＤ法によって第１のシリコンウェハ３２
の表面に窒化シリコン膜４０（膜厚２００ｎｍ）を形成
した後、フォトリソグラフィ法によって窒化シリコン膜
４０をカンチレバー形状（図１に示されたカンチレバー
２０と同一形状）にパターニングする（第２のステッ
プ）。このとき、第１のステップで形成した凹部３２ａ
にも、窒化シリコン膜４０が形成され、後述するステッ
プを経て探針部となる。なお、同図（ｂ）は、同図
（ｃ）のｂ−ｂ線に沿う断面図である。Next, as shown in FIGS. 2B and 2C,
After removing the silicon nitride film 36 used as a mask,
The first silicon wafer 32 is again formed by the LP-CVD method.
After a silicon nitride film 40 (200 nm thick) is formed on the surface of the substrate, the silicon nitride film 40 is patterned into a cantilever shape (the same shape as the cantilever 20 shown in FIG. 1) by a photolithography method (second step). . At this time, the concave portion 32a formed in the first step
Also, a silicon nitride film 40 is formed, and becomes a probe through the steps described later. FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line bb of FIG. 1C.
【００５６】続いて、図２（ｄ），（ｅ）に示すよう
に、フォトリソグラフィ法を用いて第２のシリコンウェ
ハ３４の表面の一部を除去することによって、所定の深
さを有する掘り下げ部３４ａを形成する。具体的には、
第２のシリコンウェハ３４の掘り下げ部３４ａを除く部
分にマスク（例えば、窒化シリコン膜）を形成し、ドラ
イエッチング（例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩ
Ｅ））によって第２のシリコンウェハ３４の表面の一部
を掘り下げる。なお、このときのマスク形状に基づい
て、第１の支持部２４及び保持部２８の形状が決定され
る。この後、マスクを除去し、第２のシリコンウェハ３
４の表面に酸化シリコン膜４２を形成すると共に、第２
のシリコンウェハ３４の裏面に窒化シリコン膜４４を形
成する。そして、裏面に形成された窒化シリコン膜４４
を所定形状（後述する作製プロセスでマスクとなるよう
な形状）にパターニングする（第３のステップ）。な
お、同図（ｄ）は、同図（ｅ）のｄ−ｄ線に沿う断面図
である。Subsequently, as shown in FIGS. 2D and 2E, a part of the surface of the second silicon wafer 34 is removed by using a photolithography method, so that a recess having a predetermined depth is formed. The portion 34a is formed. In particular,
A mask (for example, a silicon nitride film) is formed on a portion of the second silicon wafer 34 except for the recessed portion 34a, and dry etching (for example, reactive ion etching (RI)
E)), a part of the surface of the second silicon wafer 34 is dug down. The shapes of the first support portion 24 and the holding portion 28 are determined based on the mask shape at this time. Thereafter, the mask is removed, and the second silicon wafer 3 is removed.
The silicon oxide film 42 is formed on the surface of
A silicon nitride film 44 is formed on the back surface of the silicon wafer 34. Then, the silicon nitride film 44 formed on the back surface
Is patterned into a predetermined shape (a shape that becomes a mask in a manufacturing process described later) (third step). FIG. 3D is a cross-sectional view taken along line dd in FIG.
【００５７】次に、図２（ｆ）に示すように、陽極接合
法によって、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２の
シリコンウェハ３４の表面を貼り合わせる。具体的に
は、第１のシリコンウェハ３２の表面に第２のシリコン
ウェハ３４の表面を重ねた後、加熱しながら第１及び第
２のシリコンウェハ３２，３４に電圧を印加する。この
結果、静電引力作用と熱作用によって、カンチレバー形
状の窒化シリコン膜４０と酸化シリコン膜４２とが接合
される（第４のステップ）。Next, as shown in FIG. 2F, the surface of the second silicon wafer 34 is bonded to the surface of the first silicon wafer 32 by anodic bonding. Specifically, after the surface of the second silicon wafer 34 is overlaid on the surface of the first silicon wafer 32, a voltage is applied to the first and second silicon wafers 32 and 34 while heating. As a result, the cantilever-shaped silicon nitride film 40 and the silicon oxide film 42 are joined by the electrostatic attractive action and the thermal action (fourth step).
【００５８】続いて、図２（ｇ）に示すように、第１の
シリコンウェハ３２の裏面に残留している窒化シリコン
膜３８を除去した後、この第１のシリコンウェハ３２を
水酸化カリウム水溶液でエッチング除去すると共に、窒
化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシ
リコンウェハ３４の一部を水酸化カリウム水溶液でエッ
チング除去する（第５のステップ）。Subsequently, as shown in FIG. 2G, after the silicon nitride film 38 remaining on the back surface of the first silicon wafer 32 is removed, this first silicon wafer 32 is And a portion of the second silicon wafer 34 is etched away with a potassium hydroxide aqueous solution while using the silicon nitride film 44 as a mask (fifth step).
【００５９】最後に、図２（ｈ）に示すように、残留し
ている酸化シリコン膜４２をフッ酸でエッチング除去す
る（第６のステップ）。この結果、図１に示された本実
施の形態のカンチレバーチップ１６が作製される。な
お、同図（ｈ）では、図１に示されたカンチレバーチッ
プ１６と同一の構成に対応させて符号を付した。Finally, as shown in FIG. 2H, the remaining silicon oxide film 42 is removed by etching with hydrofluoric acid (sixth step). As a result, the cantilever tip 16 of the present embodiment shown in FIG. 1 is manufactured. In FIG. 6H, reference numerals are assigned to correspond to the same configuration as the cantilever tip 16 shown in FIG.
【００６０】また、同図（ｈ）で示した酸化シリコン膜
４２は、作製プロセスで示したが、図１には図示してい
ない。更に、同図（ｇ），（ｈ）は、同図（ａ），
（ｂ），（ｄ）に習いカンチレバー２０を断面図にした
ものであり、基準面２４ａを有する第１の支持部２４と
側周面２６ａを有する第２の支持部２６とを支持部１８
として一体に示している。The silicon oxide film 42 shown in FIG. 1H is shown in the fabrication process, but is not shown in FIG. (G) and (h) of FIG.
(B) and (d) are cross-sectional views of the cantilever 20, in which a first support portion 24 having a reference surface 24a and a second support portion 26 having a side peripheral surface 26a are supported by a support portion 18.
Are shown together.
【００６１】また、特に図示しないが、第６のステップ
終了後、カンチレバー２０の背面に例えば図４（ａ）に
示したセンサー光Ｒ１を反射するための金属等の光反射
膜を蒸着させても良い。Although not particularly shown, after the sixth step is completed, a light reflecting film such as a metal for reflecting the sensor light R1 shown in FIG. 4A may be deposited on the back surface of the cantilever 20. good.
【００６２】このような作製プロセスによれば、第５及
び第６のステップを介して第１の支持部２４の基準面２
４ａを高精度に（即ち、位置ずれすること無く正確に）
形成することができる。この結果、設計通りの長さ寸法
Ｌ（図１（ｂ）参照）を有するカンチレバー２０を作製
することが可能となる。即ち、共振周波数が高くなるよ
うに長さ寸法Ｌを短くする場合でも、基準面２４ａを正
確に位置決め形成することができるため、長さ寸法Ｌ
（共振周波数）のばらつき度合を縮減させることが可能
となる。According to such a manufacturing process, the reference surface 2 of the first support portion 24 is obtained through the fifth and sixth steps.
4a with high accuracy (ie, accurately without displacement)
Can be formed. As a result, the cantilever 20 having the length L as designed (see FIG. 1B) can be manufactured. That is, even when the length L is shortened so as to increase the resonance frequency, the reference surface 24a can be accurately positioned and formed.
(Resonance frequency) can be reduced.
【００６３】このような効果は、第３のステップ（図２
（ｄ），（ｅ）参照）において、第１のシリコンウェハ
３４に掘り下げ部３４ａを形成したことが要因となる。
ここで、例えば掘り下げ部３４ａを形成すること無く、
図２（ｆ）に示すように第１及び第２のシリコンウェハ
３２，３４を接合し（第４のステップ）、図２（ｇ），
（ｈ）に示すような湿式異方性エッチングを進める（以
下、参考用作製プロセスという）と、エッチングレート
のばらつきによって正確にカンチレバー２０の長さ寸法
Ｌを規定できなくなってしまう。Such an effect can be obtained in the third step (FIG. 2).
In (d) and (e), the reason is that the recessed portion 34a is formed in the first silicon wafer 34.
Here, for example, without forming the digging portion 34a,
As shown in FIG. 2 (f), the first and second silicon wafers 32 and 34 are joined (fourth step), and FIG.
If wet anisotropic etching as shown in (h) is advanced (hereinafter referred to as reference manufacturing process), the length L of the cantilever 20 cannot be accurately defined due to a variation in etching rate.
【００６４】具体的には、図３（ａ）に示すように、窒
化シリコン膜４４をマスクとして用いながら、第２のシ
リコンウェハ３４を水酸化カリウム水溶液でエッチング
除去すると、エッチングレートのばらつきによって、第
２のシリコンウェハ３４のエッチング面３４ｂ（カンチ
レバー２０の長さ寸法Ｌを規定する基準面）は、符号Ｐ
で示すように、カンチレバー２０の長手軸方向に沿って
前後する。More specifically, as shown in FIG. 3A, when the second silicon wafer 34 is removed by etching with a potassium hydroxide aqueous solution while using the silicon nitride film 44 as a mask, a variation in the etching rate causes The etching surface 34b of the second silicon wafer 34 (the reference surface that defines the length L of the cantilever 20)
As shown by, it moves back and forth along the longitudinal axis direction of the cantilever 20.
【００６５】そして、この現象は、使用するシリコンウ
ェハの厚さ寸法Ｓ３（図１（ｂ）参照）のばらつき度合
によっても生じる。通常、シリコンウェハの厚さ寸法Ｓ
３のばらつき度合は、０．０１〜０．０２ｍｍ程度であ
る。従って、上記の参考用作製プロセスを行った場合、
基準面のずれ量に対応して長さ寸法Ｌのばらつき度合が
大きくなり過ぎる。このため、使用に適した長さ寸法Ｌ
を有するカンチレバー２０を作製することができなくな
ってしまう。This phenomenon also occurs due to the degree of variation in the thickness S3 (see FIG. 1B) of the silicon wafer used. Usually, the thickness S of the silicon wafer
The variation degree of No. 3 is about 0.01 to 0.02 mm. Therefore, when the above-described reference fabrication process is performed,
The degree of variation in the length dimension L is too large corresponding to the amount of displacement of the reference plane. Therefore, the length L suitable for use
Cannot be manufactured.
【００６６】しかしながら、本実施の形態に適用した作
製プロセスによれば、第１の支持部２４の基準面２４ａ
（図１参照）となるべき第２のシリコンウェハ３４の端
面３４ｃは、酸化シリコン膜４２によって最終プロセス
（第６のステップ）まで保護される。即ち、第２のシリ
コンウェハ３４の端面３４ｃは、その形成位置が変動す
ること無く、一定位置に正確に形成される。この結果、
基準面２４ａを正確に位置決め形成することができるた
め、長さ寸法Ｌ（共振周波数）のばらつき度合を縮減さ
せることができる。However, according to the manufacturing process applied to the present embodiment, the reference surface 24a of the first support portion 24
The end face 34c of the second silicon wafer 34 that is to be (see FIG. 1) is protected by the silicon oxide film 42 until the final process (sixth step). That is, the end surface 34c of the second silicon wafer 34 is accurately formed at a fixed position without changing its formation position. As a result,
Since the reference surface 24a can be accurately positioned and formed, the degree of variation in the length L (resonance frequency) can be reduced.
【００６７】更に、第２のシリコンウェハ３４の端面３
４ｃ即ち基準面２４ａをカンチレバー２０の長手軸に対
して垂直方向に形成することができるため、第１及び第
２のシリコンウェハ３２，３４を接合する行程（第４の
ステップ）において、基準面２４ａに対するカンチレバ
ー２０のアライメント精度を高くすることが可能とな
る。そして、このような高いアライメント精度の実現に
よって、１つのウェハに複数のカンチレバーチップ１６
を作製する際の歩留まりを向上させることが可能とな
る。Further, the end face 3 of the second silicon wafer 34
4c, that is, the reference surface 24a can be formed in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the cantilever 20, so that in the process of joining the first and second silicon wafers 32 and 34 (fourth step), the reference surface 24a , The alignment accuracy of the cantilever 20 can be increased. By realizing such high alignment accuracy, a plurality of cantilever chips 16 can be provided on one wafer.
It is possible to improve the yield when fabricating.
【００６８】このように本実施の形態の作製プロセスに
よれば、ばらつきの無い長さ寸法Ｌの短いカンチレバー
２０を形成できる効果に加えて、ＬＰ−ＣＶＤ法によっ
て厚さ寸法Ｔ（図１（ｂ）参照）の薄い窒化シリコン膜
４０（膜厚２００ｎｍ）即ちカンチレバー２０を形成す
ることができる。この結果、共振周波数が高く且つバネ
定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチレバーチ
ップ１６を提供することができるため、従来の技術と比
較して走査速度を上げてもカンチレバーが発振せず、Ａ
ＦＭ測定時間を短縮することが可能となる。As described above, according to the manufacturing process of the present embodiment, in addition to the effect of forming the cantilever 20 having a uniform length L without variation, the thickness T (FIG. 1B )), The cantilever 20 can be formed. As a result, it is possible to provide the cantilever tip 16 having the cantilever 20 having a high resonance frequency and a small spring constant, so that the cantilever does not oscillate even when the scanning speed is increased as compared with the related art, and A
It is possible to shorten the FM measurement time.
【００６９】また更に、本実施の形態の作製プロセスに
よれば、図２（ｇ），（ｈ）に示された第５及び第６の
ステップにおいて、第２のシリコンウェハ３４の一部に
湿式異方性エッチング処理を施すことによって、図３
（ｂ）に示すように、第２の支持部２６の側周面２６ａ
（即ち、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａ）
を滑らかにテーパを施すことができると同時に、支持部
１８に必要な強度を確保しつつ第１の支持部２４を歩留
まり良く形成することができる。Further, according to the manufacturing process of the present embodiment, in the fifth and sixth steps shown in FIGS. 2G and 2H, a part of the second silicon wafer 34 is wet-processed. By performing the anisotropic etching process, FIG.
As shown in (b), the side peripheral surface 26a of the second support portion 26
(That is, the side peripheral surface 26a near the base end of the cantilever 20)
Can be smoothly tapered, and at the same time, the first support portion 24 can be formed with high yield while securing the strength required for the support portion 18.
【００７０】この場合、図３（ｃ）に示すように、例え
ばガラス製の支持部１８に対してダイシングソー加工法
（従来技術の加工法）を施し、カンチレバー２０の基端
近傍の側周面２６ａに階段状の傾斜を付けることによっ
て、カンチレバー２０の基端近傍の側周面２６ａに沿っ
たテーパを施すことも想定できる。しかしながら、この
従来技術の加工法では、加工時間が長くなると共に加工
プロセスが複雑化するだけでなく、更に、厚さ寸法Ｄ３
（図１（ｂ）参照）が０．０２ｍｍ程度の第１の支持部
２４に機械的なストレスが加えられてしまう。このた
め、ガラスのチッピング現象等の問題が発生し、歩留ま
りを高めることができない。In this case, as shown in FIG. 3C, a dicing saw processing method (a conventional processing method) is applied to the support portion 18 made of, for example, glass, and the side peripheral surface near the base end of the cantilever 20. It is also conceivable that a taper along the side peripheral surface 26a near the base end of the cantilever 20 can be provided by giving a step-like inclination to the 26a. However, in the conventional processing method, not only the processing time becomes longer and the processing process becomes complicated, but also the thickness D3
A mechanical stress is applied to the first support portion 24 having a thickness of about 0.02 mm (see FIG. 1B). For this reason, problems such as a glass chipping phenomenon occur, and the yield cannot be increased.
【００７１】これに対して本実施の形態に適用した作製
プロセスによれば、支持部１８をシリコンで形成したこ
とによって、第１の支持部２４に対する機械的なストレ
スを加えること無く、所望の形状に支持部１８を短時間
且つ簡単に加工することができる。On the other hand, according to the manufacturing process applied to the present embodiment, since the support portion 18 is formed of silicon, a desired shape can be obtained without applying mechanical stress to the first support portion 24. In addition, the support portion 18 can be easily processed in a short time.
【００７２】このように上記作製プロセスを適用した本
実施の形態によれば、機械的特性のばらつきが少なく且
つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周波数が高く
且つバネ定数が小さなカンチレバー２０を有するカンチ
レバーチップ１６を提供することが可能となる。According to the present embodiment to which the above manufacturing process is applied, the cantilever 20 can be manufactured with a small variation in mechanical characteristics and a high yield, and has a high resonance frequency and a small spring constant. The cantilever tip 16 can be provided.
【００７３】[0073]
【発明の効果】本発明によれば、機械的特性のばらつき
が少なく且つ高い歩留まりで作製可能であって、共振周
波数が高く且つバネ定数が小さなカンチレバーを有する
カンチレバーチップを提供することができる。According to the present invention, it is possible to provide a cantilever chip having a cantilever having a high resonance frequency and a small spring constant, which can be manufactured with a small variation in mechanical characteristics and a high yield.
【図１】本発明の一実施の形態に係るカンチレバーチッ
プの構成を示す図であって、同図（ａ）は、支持部の側
から見たカンチレバーチップの斜視図、同図（ｂ）は、
カンチレバーチップの側面図、同図（ｃ）は、カンチレ
バーの側から見たカンチレバーチップの斜視図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a cantilever chip according to an embodiment of the present invention, wherein FIG. 1 (a) is a perspective view of the cantilever chip viewed from a support portion side, and FIG. ,
FIG. 3C is a side view of the cantilever chip, and FIG. 3C is a perspective view of the cantilever chip viewed from the cantilever side.
【図２】（ａ）〜（ｈ）は、カンチレバーチップの作製
プロセスを示す図。FIGS. 2A to 2H are views showing a process for manufacturing a cantilever chip.
【図３】（ａ）は、作製プロセスにおいて、第３のシリ
コンウェハに対するエッチングレートのばらつき状態を
示す図、（ｂ）は、カンチレバー近傍の構成を拡大して
示す図、（ｃ）は、従来技術の加工法によって形成した
支持部の構成を概略的に示す図。3A is a diagram showing a state of variation in an etching rate with respect to a third silicon wafer in a manufacturing process, FIG. 3B is a diagram showing an enlarged configuration near a cantilever, and FIG. The figure which shows roughly the structure of the support part formed by the technical processing method.
【図４】（ａ）は、ＡＦＭ測定中において、カンチレバ
ーの背面に照射されるセンサー光が、けられの光学的影
響を受けている状態を示す図、（ｂ）は、ＡＦＭ測定中
において、カンチレバーチップの支持部の両端（両肩）
の一方が、試料表面に接触してしまった状態を示す図。FIG. 4A is a diagram showing a state in which sensor light emitted to the back of a cantilever is affected optically by a shake during AFM measurement, and FIG. 4B is a diagram showing a state during AFM measurement. Both ends of the cantilever tip support (both shoulders)
FIG. 4 is a diagram showing a state in which one of them has come into contact with the sample surface.
１６ カンチレバーチップ １８ 支持部 ２０ カンチレバー ２２ 探針 ２４ 第１の支持部 ２４ａ 基準面 ２６ 第２の支持部 ２６ａ 側周面 16 Cantilever tip 18 Support part 20 Cantilever 22 Probe 24 First support part 24a Reference plane 26 Second support part 26a Side peripheral surface
Claims (3)
共に、前記カンチレバーの長さ寸法を規定するための基
準面を有する第１の支持部と、この第１の支持部を支持
すると共に、所定の傾斜角度で傾斜した側周面を有する
第２の支持部とが設けられていることを特徴とするカン
チレバーチップ。A support portion, and a cantilever extending from the support portion, the support portion supporting a base end of the cantilever and defining a length dimension of the cantilever. A first support portion having a reference surface and a second support portion supporting the first support portion and having a side peripheral surface inclined at a predetermined inclination angle are provided. Cantilever tip.
チレバーの長手軸に対して垂直方向に延出しており、第
２の支持部の側周面は、前記第１の支持部の基準面に対
して所定の傾斜角度を成していることを特徴とする請求
項１に記載のカンチレバーチップ。2. A reference surface of the first support portion extends in a direction perpendicular to a longitudinal axis of the cantilever, and a side peripheral surface of the second support portion is formed on a side surface of the first support portion. The cantilever tip according to claim 1, wherein the cantilever tip forms a predetermined inclination angle with respect to a reference plane.
の支持部の幅寸法よりも小さくなっていることを特徴と
する請求項１に記載のカンチレバーチップ。3. The width of the first support portion is equal to the width of the second support portion.
The cantilever chip according to claim 1, wherein the width of the support portion is smaller than the width of the support portion.
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|---|---|---|---|
| JP11476597A JP3834378B2 (en) | 1997-05-02 | 1997-05-02 | Cantilever tip |
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| Country | Link |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP2104111A1 (en) | 2008-03-20 | 2009-09-23 | Nanoworld AG | SPM-probe with shortened cantilever |
-
1997
- 1997-05-02 JP JP11476597A patent/JP3834378B2/en not_active Expired - Lifetime
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| US8011016B2 (en) | 2008-03-20 | 2011-08-30 | Nanoworld Ag | SPM probe with shortened cantilever |
| CN101540209B (en) | 2008-03-20 | 2012-10-24 | 纳米世界股份公司 | Spm-probe with shortened spring rod |
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