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JP3157840B2 - 新規なカンチレバー構造 - Google Patents

新規なカンチレバー構造

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Publication number
JP3157840B2
JP3157840B2 JP53238397A JP53238397A JP3157840B2 JP 3157840 B2 JP3157840 B2 JP 3157840B2 JP 53238397 A JP53238397 A JP 53238397A JP 53238397 A JP53238397 A JP 53238397A JP 3157840 B2 JP3157840 B2 JP 3157840B2
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probe
scanning
scanning probe
actuator
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JP53238397A
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ビンニヒ、ゲルト、カール
ブルガー、ユルゲン
ヘーベルレ、ヴァルター
ローラー、ハインリヒ
ペーター、フェッティガー
Original Assignee
インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
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Publication date
Application filed by インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン filed Critical インターナシヨナル・ビジネス・マシーンズ・コーポレーシヨン
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    • G01—MEASURING; TESTING
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    • G01Q70/00—General aspects of SPM probes, their manufacture or their related instrumentation, insofar as they are not specially adapted to a single SPM technique covered by group G01Q60/00
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    • G01Q70/10—Shape or taper
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10S—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10S977/00—Nanotechnology
    • Y10S977/84—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure
    • Y10S977/849—Manufacture, treatment, or detection of nanostructure with scanning probe
    • Y10S977/86—Scanning probe structure
    • Y10S977/873—Tip holder

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Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は、走査プローブ顕微鏡（AFM、STM）または走
査プローブ記憶システム、走査リソグラフィ・システ
ム、原子間力／トンネル複合顕微鏡（AFM/STM）などの
応用例に適した特別なカンチレバー設計に関する。本発
明はまた、上記システムの特別な修正および改良を可能
にする。
発明の背景 走査トンネル顕微鏡や原子間力顕微鏡の開発は、様々
な用途をもたらした。そのような用途の例には、走査プ
ローブ記憶システム、たとえば並列のローカル・プロー
ブを利用する記憶システム、走査プローブ・リソグラフ
ィ・システム、走査プローブまたはプローブ・アレイを
含む試験装置、原子レベルの分解能と高いスループット
を持つ検査システム、半導体チップなどの表面の構造化
に使用される走査プローブ・システムなどがある。
トンネル電流を利用する走査プローブ顕微鏡および走
査プローブ記憶システムは、走査プローブ（または走査
プローブ・アレイ）を試料または記憶媒体のごく近くに
維持するための機構を必要とする。これは、たとえば、
米国特許第5036490号に開示されているような、プロー
ブを担持する特別のカンチレバーによって達成される。
そのようなカンチレバーは、記憶媒体とプローブの距離
の調整を可能にするために、たとえば圧電アクチュエー
タを備えることがある。走査プローブ・システム（AFM
ベースおよびSTMベースのシステム）は、十分な記憶容
量のメモリを得るためには、それぞれ自体のアクチュエ
ータと駆動回路を備えた数百個のカンチレバーを必要と
することになる。圧電アクチュエータを備えたそのよう
なカンチレバーの製造は、複雑で高価であり、再現性お
よび大容量記憶装置としての応用性は、現在問題があ
る。
大部分の原子間力走査プローブ・システムは、接触モ
ードで操作され、すなわちプローブが、試料または記憶
媒体と直接接触する。試料または記憶媒体の情報を得る
ために、プローブは、その表面全体で接触した状態で走
査される。接触モードでの動作は、摩耗のために、通常
は鋭いティップ状の素子を含むプローブの信頼性に大き
く影響を及ぼす。この摩耗によって、ティップまたはプ
ローブを時々交換しなければならなくなるため、再現性
が低下し、コストが上昇する。さらに、走査する表面が
損傷を受けることもある。
他に、プローブまたは試料あるいはその両方を振動さ
せる走査プローブ・システムもある。これは、通常、プ
ローブの先端が試料または記憶媒体と頻繁に接触する状
況をもたらす。この動作モードは、たとえば、G.ビンニ
ヒ（Binnig）とC.F.クオート（Quate）の論文「Atomic
Force Microscope」、Physical Review Letters、Vol.5
6、No.9、pp.930〜933で最初に対象とされた。以下で
は、この動作モードを、タッピング・モードと呼ぶ。
以上概略を述べたように、大部分の走査プローブ・シ
ステム（AFMベースおよびSTMベース）は、走査プローブ
と走査される表面の距離を調整／制御する手段を必要と
する。一般に、駆動回路と配線を必要とするアクチュエ
ータが使用される。したがって、高密度のパッケージン
グは難しい。
ハイエンドの走査プローブ・システムだけでなくロー
エンド・システムの場合も、一方のプローブと他方の試
料または記憶媒体の距離の調整および制御を簡単にする
必要がある。
また、前述のシステムのあるものは、超高真空（UH
V）中で使用するように設計されている。UHVチャンバの
寸法は制限され、きわめて小さなサイズの走査プローブ
・システムが必要とされる。
特許抄録JP−Ａ−60 161 508号から、測定する表面
のうねりの形状を記録し、重ね合わせた同じ記録紙にそ
の位置に適用されるうねり形状を追加することにより得
られる粗さを記録することによって、物品の表面状態を
分析することを可能にする測定装置が知られている。
IBMテクニカル・デスクロージャ・ブルテン、vol.3
4、no.10A、１、1992年３月pp.194〜195には、最も薄い
膜の硬さを２段階で測定することができる微細加工によ
って製造された複式カンチレバー・センサが記載されて
いる。２つの平行なカンチレバーがあり、一方が他方の
上にあり、カンチレバーの太い方の端が、チップ端部の
間に隙間を設けて接着または陽極結合されている。
現在利用可能な大部分の走査プローブ・システムの欠
点は、複雑で高価なことである。さらに、通常、そのよ
うなシステムは取り扱いが難しい。従来の走査プローブ
・システムは、ローカル・プローブの損傷を防ぐため
に、慎重に操作しなければならない。
本発明の一目的は、より簡単でより頑丈な走査プロー
ブ・システムを提供することである。
本発明の一目的は、ローエンド走査プローブ・システ
ムを含めて任意の種類の走査プローブ・システムと共に
あるいはその一部として使用するための新規で改善され
たカンチレバー設計を提供することである。
本発明の他の目的は、本発明のカンチレバー設計によ
って可能な新規または改善された走査プローブ・システ
ムを提供することである。
発明の概要 この目的は、新規な発明性のあるカンチレバー装置を
提供することによって達成された。本発明は、少なくと
も１つの第１のプローブを有する第１のカンチレバー
と、第２のプローブを有する第２のカンチレバーとによ
って表面を走査するカンチレバー装置に関する。第１の
カンチレバーと第２のカンチレバーは、第２のカンチレ
バーの反りが、第１のカンチレバーの反りに依存するよ
うに結合され、前記カンチレバー装置は、第２のプロー
ブを動作モードにするアクチュエータ手段を含む。これ
ら２つのカンチレバーはそれぞれ、サイズ、形状、材
料、堅さなどが異なるプローブを含む。
用途に応じて、カンチレバーの１つ、たとえばより小
さなプローブを有するカンチレバーが、AFMモードまた
はSTMモードで操作される。２つのカンチレバーの一方
または両方に、たとえば圧電アクチュエータなどの作動
手段を含めることができる。微細作動手段を使用する代
わりに、本発明のカンチレバー装置は、引力（接着力）
または外力（静電力／磁力）によってカンチレバーの１
つを接触モードにするように設計することもできる。た
だし、プローブと走査表面の距離を調整（「微調整」）
するために、微細作動手段を付加的に使用することもで
きる。１つのカンチレバーをSTMモードで操作する場
合、そのプローブと表面の間のトンネル距離を、フィー
ド・バック機構を使用して一定に維持するために、微動
アクチュエータが必要となる。
図面の説明 本発明を、以下の概略的な図面を参照して、以下に詳
細に説明する（これらの図面は実寸に比例して描いたも
のでないことに注意されたい）。
第1A図は、本発明の第１の実施形態の概略下面図であ
る。
第1B図は、第１の実施形態の概略断面図である。
第2A図は、本発明の第２の実施形態の概略下面図であ
る。
第2B図は、第２の実施形態の概略断面図である。
第3A図は、本発明の第３の実施形態の概略下面図であ
る。
第3B図は、小さい方のプローブが接触モードにある第
３の実施形態の概略断面図である。
第3C図は、小さい方のプローブが接触モードにない第
３の実施形態の概略断面図である。
第４図は、本発明の第２の実施形態の概略下面図であ
る。
第５図は、本発明のさらに別の実施形態の概略下面図
である。
第６図は、大きなカンチレバーが２つのプローブを担
持し、その大きなカンチレバーと一体になった小さなカ
ンチレバーが１つのプローブを担持する、本発明による
実施形態の概略下面図である。
第７図は、本発明によるカスケード式カンチレバー装
置の概略下面図である。
一般的説明 本発明の様々な実施形態を説明する前に、本発明によ
る走査プローブ・システムの基本要素について説明す
る。走査プローブ顕微鏡システムの走査に関連して通常
使用される「試料」という用語は、作成または試験する
記憶媒体、電子回路および半導体チップ、構造化または
修正する表面などを含むものとする。
カンチレバー： カンチレバーは、作成が容易な周知の素子である。既存
の半導体製造プロセスを利用することができる。本質的
に、微細加工技術を利用して、個々のカンチレバーおよ
びカンチレバーのアレイを作成する。そのようなカンチ
レバーの寸法を決定する際には、カンチレバーを形成す
る基板として使用する材料の特有のパラメータを考慮し
なければならない。カンチレバーまたはカンチレバー・
アレイを適切に設計すると、バッチ処理によって、低い
コストかつ高い歩留りで大量生産することができる。
通常、カンチレバーは、シリコン基板の一部をエッチ
ングで除去することによって作成される。この基板は、
通常、配向が（100）または（111）である。（100）配
向のシリコンは、たとえば、エチルジアミンカテコロー
ルやKOH溶液を使ってウェット・エッチングすることが
できる。ウェット・エッチング法は、一般に、基板の結
晶配向に依存し、たとえば、（100）配向のシリコン
は、（111）面のエッチング速度がきわめて低く、（11
1）軸に沿った良好なエッチ・ストップとなり、（100）
から54.7゜の明確に定義されたエッチング面を生成す
る。代替方法では、たとえば、リアクティブ・イオン・
ビーム・エッチング（RIE）、化学支援イオン・ビーム
・エッチング、マイクロ波支援プラズマ・エッチング、
誘導結合プラズマ・エッチングなどのドライ・エッチン
グ法を使用する。処理条件に応じて、優れた寸法制御を
もたらす深い構造や異方性または等方性構造を得ること
ができる。マスクを使用して、エッチングする構造を画
定することができる。
同様に、集束イオン・ビーム・ミリング技術を利用し
て、カンチレバーを製造または修正することができる。
この技術では、あらかじめ作成したカンチレバーを、ベ
ース圧力約2.3×10-6mbarの真空チャンバ内に入れる。
イオン源からのガリウム（Ga）イオンを、高電圧（10〜
30kV）で加速し、ターゲットに集束させる。12〜12000p
Aの電流を使用して、ターゲット・スポットにある材料
を侵食させる。たとえば塩化物分子の流れをターゲット
領域に向けることによって、処理効率を高めることがで
きる。この方法を利用して、溝、トレンチ、ホール、そ
の他くびれなどの構造を適切に作成することができる。
集束イオン・ビーム・ミリング用の装置は、市販されて
いる。
また、集束イオン・ビーム・ミリングを使用して従来
のカンチレバーを修正することもできる。たとえば、従
来のカンチレバー内により小さなカンチレバーまたはカ
ンチレバーのアレイを形成することができる。
使用するカンチレバーは、前述の技術を使用して作成
できるどんな形状にすることもできる。カンチレバーの
長手軸に垂直な断面形状は、たとえば長方形、円形、楕
円形、多角形とすることができる。
また、K.E.ピーターセン（Petersen）の論文「dynami
c Micromechanics on Silicon: Techniques and Device
s」IEEE Transactions on Electronic Devices、Vol.ED
25、No.10,1978、pp.1241〜1249に報告されているガリ
ウムヒ素など他の半導体材料もカンチレバーの製造に適
している。
ローカル・プローブ： 本明細書で使用する「プローブ」という用語は、調査
する表面、それと相互作用する記憶媒体、または構造化
もしくは修正する表面と、直接または間接に相互作用す
るのに適した任意の種類の構造をカバーする。また、AF
MおよびSTM用のプローブも含む。通常、プローブとし
て、ティップ状またはボール状の素子が使用される。そ
のようなプローブを作成するための様々な技術が知られ
ている。たとえば、等方性ウェット・エッチングまたは
ドライ・エッチングをシリコンなどの単結晶材料の酸化
と組み合わせて、作成することができる。
ローカル・プローブおよびローカル・プローブ・アレ
イを作成するには、タングステン、タングステン合金、
白金、モリブデン、シリコン（ドープまたは非ドー
プ）、ドープしたダイヤモンド、任意の耐火性金属、導
電性セラミックなどの材料が適している。ウェット・エ
ッチングまたはドライ・エッチングと、リフトオフおよ
び酸化の組み合わせによって、きわめて鋭い先端の円錐
が得られる。ティップを鋭くするほど、記憶媒体上に高
密度の情報が記憶でき、記憶装置の容量が高まる。ある
いは、材料を調査するために使用する走査プローブの場
合は、ティップの半径が、走査システムの分解能と直接
関係する。プローブは、たとえば金などの適切な金属で
被覆することができる。米国特許第5204581号に、本発
明と共に使用することができるティップまたはティップ
のアレイの作成方法が詳細に記載されている。ティップ
の微細製作のもう１つの例は、J.ブラッガ（Brugger）
他の論文「Silicon cantilevers and tips for scannin
g force microscopy」、Sensors and Actuators A、 Vo
l.34、1992、pp.193〜200に開示されている。バッチ製
作により、再現可能にかつ安価にローカル・プローブが
作成できることに留意されたい。詳細には、電気めっき
によって大きなプローブを作成することができる。これ
を達成するためには、プローブを形成すべき位置を定義
するためのめっきベースが必要となる。
本発明によれば、必ず少なくとも２つのプローブがあ
る。これらのプローブは、寸法、形状、頑丈さまたは材
料が異なってもよい。たとえば、一方のプローブが他方
のプローブよりも大幅に小さくてもよく、あるいは一方
のプローブが他方のプローブよりも柔らかくてもよい。
実施形態に関連して分かるように、走査する表面の破壊
を少なくし、一般に力に対してより敏感な小さい方のプ
ローブの破壊を減少させ、あるいは大きな走査モードで
より低い分解能の画像を生成するために、大きい方のサ
イズのプローブを使用するのが有利である。さらに、大
きい方のプローブを柔かい材料を使用して作成すること
もできる。
走査移動： 記憶媒体、試料または表面に対するプローブの走査移
動を達成するための様々な手法を使用することができ
る。それぞれの手段をアクチュエータと呼ぶ。パルス走
査や連続走査を含めて様々な走査方式を使用することが
できる。さらに、走査速度を変化させ、ズームインを可
能にする手段を支援することができる。
一体式圧電アクチュエータで達成することができる様
々なカンチレバーの動きは、公開済みのPCT特許出願WO8
9/07256号に記載されている。
アクチュエータ： 前述のように、各カンチレバーまたはカンチレバー・
アレイは、弛緩位置から反った位置に変位しまたはその
逆に変位するために、アクチュエータを含むことがあ
る。走査移動は、カンチレバーを横方向に変位させるよ
うに設計されたアクチュエータによって得られる。プロ
ーブと調査表面の距離は、垂直方向に変位するアクチュ
エータを使用して制御することができる。損傷を防ぎま
たより良くより正確な動作を可能にするために、アクチ
ュエータによって実現される変位を減衰させることもで
きる。変位に応じた減衰率を提供できる特別な減衰手段
を使用することができる。また、減衰挙動の適応を可能
にするために切り替えるまたは制御することができる減
衰手段を使用することができる。これは、温度を変化さ
せて液体材料の粘性を制御することによって行うことが
できる。
圧電セラミック（圧電）アクチュエータは、当技術分
野では周知であり、様々な種類の走査プローブ・システ
ムで使用されてきた。そのような圧電セラミック・アク
チュエータは、μｍの範囲で変位することができる。マ
イクロメカニカル装置用の圧電アクチュエータは、たと
えば、F.R.ブロム（Blom）他の、Sensors and Actuator
s、A21〜A23（1990）、pp.226〜228に記載されている。
このアクチュエータに電圧が印加されると、前記アクチ
ュエータを取り付けたカンチレバーまたはそれが一体部
品になっているカンチレバーに反りが生じる。
試料の表面に接近する際の反りを制御するために、カ
ンチレバーの圧電材料を開発する様々な提案が知られて
いる。そのような提案の例は、欧州特許出願第EP−Ａ−
O492915号に見られ、この出願では、いくつかの圧電体
層とその圧電体層に電圧を印加する適切な数の電極とを
備えたカンチレバー・プローブを作成する様々な方法が
示されている。米国特許第A4906840号は、カンチレバー
・ビームをその静止位置から逆方向に曲げることができ
る圧電バイモルフ層を備えた類似の層状カンチレバー構
造を開示している。一部の実施形態においては、カンチ
レバーをそれからエッチングする基板に一体化される圧
電バイモルフに負荷をかけるために必要な制御回路が提
案されている。
もう１つの種類のアクチュエータは、同時係属PCT特
許出願、公告番号WO96/07074号に開示されている。この
出願に開示されたアクチュエータは、磁気誘導／起磁力
に関する周知の原理に基づいている。磁気誘導の効果
は、磁界または磁界変化が、その磁界内の磁石、電流を
通す導体あるいはその他の方法で磁化した材料に及ぼす
力を特徴とする。発生する力は、減速歯車または減衰手
段によって制御される。磁気誘導アクチュエータは、試
料に対するプローブの位置決めまたはその逆の位置決め
を簡単かつ確実に実現するのに特に適している。
もう１つの例は、２つの電極間に電圧を印加すること
によって活動化させる容量性アクチュエータである（静
電たわみ）。
電流や電圧で駆動されるアクチュエータを使用する代
わりに、光ビームなどで熱を発生させることにより活動
化することができるアクチュエータを使用することもで
きる。発生させた熱によって、アクチュエータを構成す
る一定の層または部分が膨張する。この膨張が、カンチ
レバーの反りを引き起こす。同様に、カンチレバーに形
成された抵抗器の電圧降下によって熱を発生させること
もできる。
アクチュエータを使用する代わりに、本発明のカンチ
レバー装置は、引力（接着力）によってカンチレバーの
１つが接触モードになるように設計することもできる。
大部分のアクチュエータは、適切な配線と駆動回路を
必要とする。プローブを接触モードで操作すべきシステ
ムでは、プローブを接触モードに「切り替える」ことが
できる手段を備えていなければならない。これは、垂直
変位用のアクチュエータを使用するか、調査する試料に
よって引き付けられるほど十分に柔らかい適切に設計さ
れたカンチレバーによって行うことができる。後者の場
合は、プローブを接触モードにするのにアクチュエータ
が必要でないので、本発明によるデュアル・カンチレバ
ー構造はきわめて簡単である。ただし、適切なアクチュ
エータを使用すると、プローブを積極的に、接触モード
位置に切り替えまたその逆に切り替えることができる。
STMベースの走査プローブ・システムでは、第２のカ
ンチレバーと調査する試料の距離を良好に制御する必要
がある。この距離は、垂直変位用のアクチュエータによ
って積極的に調整／制御することができる。
粗調整アクチュエータ： 大部分の応用例では、本発明のカンチレバー装置は、
粗調整アクチュエータが不要である。一方のカンチレバ
ーの位置は、それが機械的に結合する他方のカンチレバ
ーのサイズ、形状および位置に依存し、すなわち、たと
えば、第２のカンチレバーは、第１のカンチレバーの動
きに従う。とはいえ、粗い巨視的な垂直変位が、ある種
の状況では有利なことがある。粗い変位は、たとえば、
製造誤差を補償し、使用しないときに本カンチレバー装
置を待機位置に移動させるのに使用することができる。
粗い変位にはPZT（圧電セラミック材料：ジルコン酸チ
タン酸鉛）アクチュエータまたは高精度レバーとマイク
ロメータねじを使用することができる。
前述のアクチュエータは特定の駆動回路を必要とする
が、これはカンチレバー基板に一体化するかまたは別に
実施することができる。
前述のように、本発明と共にどんな種類のアクチュエ
ータも使用することができる。話を簡単にするため、こ
れらのアクチュエータの詳細は図面に示さず、必要な場
合に概略的にのみ図示してある。
駆動回路： 駆動回路、前置増幅器および情報を読み書きするため
の適切な配線を含むいくつかの手段が提供される。この
ような手段を作成するために、半導体およびソリッドス
テート業界で一般的な既存のツールおよびプロセスを使
用することができる。具体的応用例に応じて、相互接続
の長さを短縮し、高速にし、電力消費を少なくするため
に小型化は必須である。駆動回路の一部またはすべて
を、カンチレバー・ティップに一体化することさえあ
る。
たわみセンサ： AFM走査プローブのたわみを検出するために、たわみ
センサを使用する。カンチレバーの反りは、通常、光学
式または圧電式のたわみセンサを使って検出される。
たとえば圧電抵抗器を、カンチレバー・アームの固定
端に埋め込むことができる。カンチレバー・アームの自
由端の反りは、カンチレバーに沿った方向に応力を発生
する。この応力により、カンチレバーの反りに比例し
て、カンチレバーの基部にある抵抗器の抵抗値が変化す
る。抵抗測定装置が、圧電抵抗器に結合され、その抵抗
値を測定し、カンチレバー・アームの反りに対応する信
号を発生する。1995年９月１日に出願された同時係属出
願WO97/09584号で初めて実証されたように、そのような
圧電抵抗検出器は、より強い応力をうけるカンチレバー
の固定端のくびれに形成することができる。
光学式のたわみセンサは、レーザ・ダイオードなどの
光源と光検出器を含む。光源から放射される光が、カン
チレバーに向かい、フォトダイオードは、その反射光を
集めるように配置される。カンチレバーの反りにより、
光ビームの振れが変化する。振れのこの変化を、前記フ
ォトダイオードによって検出して分析し、カンチレバー
の変位量に関する情報を得ることができる。
両方の検出手法を本発明に利用することもできる。一
方のカンチレバーの動きを圧電抵抗検出器によって検出
し、第２のカンチレバーの動きを光学式たわみセンサを
使って検出することさえ考えられる。
次に、本発明を、第１の実施形態に関して説明する。
この実施形態を、第1A図と第1B図に示す。第1A図には、
本発明のデュアル・カンチレバー装置の下面図を示す。
第１のカンチレバー11は、その自由端の近くに大きなプ
ローブ14を有する。この第１のカンチレバー11は、小さ
なプローブ15を有する第２のより小さなカンチレバー13
を担持する。このより小さなカンチレバーは、大きい方
のカンチレバー11のある部分をエッチングすることによ
って形成することができる。この例において、第２のカ
ンチレバー13は、第１のカンチレバーの一体部分であ
り、両方のカンチレバーは、第２のカンチレバーの反り
が、第１のカンチレバー11の反りによって規定されるよ
うに機械的に結合される。第1A図に示したように、第２
のカンチレバー13が一端でのみ固定されるように、ギャ
ップ12を形成することができる。大きなカンチレバー
は、基板10に形成される。
より分かりやすく例示するために、第1B図に、２つの
カンチレバー11および13の断面図（点ＡからＡ′まで）
を示す。この図から分かるように、カンチレバー11とプ
ローブ14の形状自体が、小さい方のプローブ15と走査表
面16の距離ｚを規定する。この場合、小さい方のプロー
ブ15は、カンチレバー11の動き（反り）に従うので、表
面16より上に浮上し、機械損傷から保護される。適切な
アクチュエータを使用することにより、小さい方のプロ
ーブ15は、たとえばAFM動作を可能にする接触モードに
することもでき、STMモードの動作を可能にするように
距離ｚを注意深く変化させることもできる。また、カン
チレバー11は、アクチュエータならびにたわみセンサを
備えることもできる。第1A図と第1B図には、アクチュエ
ータもたわみセンサも示されていない。第1A図と第1B図
の本発明のデュアル・カンチレバー装置は、例と関連し
て後で説明するようにどんな種類の走査プローブ・シス
テムにも適している。このような本発明のカンチレバー
装置は、摩耗を少なくするだけではなく、たとえばmm範
囲の大きな走査行程用に大きい方のプローブ14を使用す
る動作モードを可能にする。特定の走査位置に達し次
第、小さい方のプローブ15を使って、ズームインすなわ
ち表面16のより小さな部分をより高い分解能で走査する
ことができる。別のモードでは、両方のプローブを同時
に操作することができる。走査表面から情報を得るため
に、２つのプローブの出力信号を適切な方法で処理する
必要がある。
第2A図と第2B図に、もう１つのより詳細な実施形態を
示す。この場合、カンチレバーは、三角形に形成され
る。大きなプローブ24を備えた第１のカンチレバー21
が、より小さなプローブ25を備えた第２のカンチレバー
23を担持する。前述のように、第２のカンチレバー23
は、第１のカンチレバーを構造化することによって形成
することができる。同様に、第２のカンチレバーを別に
作成して、第１のカンチレバー21に後で取り付けること
もできる。第2A図に、さらに詳細を示す。第２のカンチ
レバー23は、たとえば、プローブ25を電気的に加熱する
ための金属被覆28を備える。この実施形態では、プロー
ブ25の下に抵抗器（図示せず）があり、接触パッド18と
19の間に電圧を印加した場合にプローブを加熱する。こ
のような装置は、加熱したプローブを使って記憶媒体に
凹部を形成することにより情報を記憶することができる
熱機械式記憶システムに使用することができる。さら
に、小さい方のカンチレバー23は、剛性を低下させるた
めにその固定端にくびれを有する。たわみセンサの感度
を高めるために、このようなくびれに圧電抵抗センサ29
を一体化する。圧電抵抗センサ29は、接触パッド17およ
び18に接続される。カンチレバーは、その固定端に、く
びれに加えてエッチング孔27を備えてもよい。そのよう
なエッチング孔は、くびれに加えてカンチレバーの剛性
をさらに低下させる。そのようなセンサの詳細は、前述
の同時係属PCT特許出願WO97/09584号に示されている。
第2B図に示す断面図は、第1B図の断面図と本質的に同じ
である。唯一の違いは、金属被覆28と圧電センサ29が示
されていることである。第１の実施形態の場合と同様
に、小さなプローブ25を備えたカンチレバー23を、１つ
または複数のアクチュエータ（図示せず）によって作動
させることができる。また、大きなカンチレバー21は、
１つまたは複数のアクチュエータを含んでもよく、たと
えば、大きなプローブ24が試料26から離された場合で
も、それを待機位置に移動させることができる。小さい
方のカンチレバーだけでなく大きなカンチレバーも、た
わみ検出手段を備えることができる。
第3A図、第3B図および第3C図に、より精巧なカンチレ
バー装置（第３の実施形態）を示す。この実施形態にお
いて、大きなプローブ34を担持するカンチレバー33は、
小さなプローブ35を担持する大きなカンチレバーと一体
である。すなわち、この実施形態では、小さい方のカン
チレバー33が、大きい方のプローブ34を担持する。大き
い方のカンチレバー31は、主に小さい方のカンチレバー
33の動き（反り）に従うように、その自由端の反対側で
前記小さい方のカンチレバーに機械的に接続される。こ
れにより、大きい方のカンチレバー31の脚部37は、堅く
かつ小さい方のカンチレバー33に従うように、比較的太
くなっている。この装置は、細い部分38を設けることに
よりさらに精巧にされている。前記大きい方のカンチレ
バー31に設けられたそのような細い部分38によって、第
３のカンチレバー部分39が得られる。第3C図に示すよう
に、このカンチレバー部分39は、大きなプローブ34を有
するカンチレバー33が「待機」位置にある場合に、小さ
なプローブ35が試料表面36と接触する位置にある。細い
部分38は、剛性が低下する。仮想軸を仮定すると、カン
チレバー部分39の動きをより良く理解することができる
（第3A図を参照）。適切なアクチュエータを提供するこ
とによって、第3A図〜第3C図のカンチレバー装置の様々
な動作を達成することができる。内側カンチレバー33
は、その固定端にあるアクチュエータによって上下に切
り替えることができる。
この場合には、このアクチュエータは、金属被覆40を
有する加熱素子42と、接触パッド43および44を含む。カ
ンチレバー33の反対側には、カンチレバーよりも大きな
熱膨張係数を持つ金属プレート41がある。加熱素子42に
電流が流れない場合、カンチレバー33は、「待機」位置
にある（第3B図を参照）。接触パッド43と44の間に電圧
を印加することによって、電流が、加熱素子42とカンチ
レバー33の固定端を加熱する。カンチレバーの温度が上
昇すると、金属プレート41が膨張して、曲げ力を生成
し、カンチレバー33を接触モードに切り替える（第3C図
参照）。この場合、小さい方のプローブ35は、試料36と
もはや接触しない。このカンチレバーよりも小さな膨張
係数を持つ適切な材料を使用すると、カンチレバーに対
して他のすべての素子28、29などと同じ側にプレートを
配置することができる。また、カンチレバーを切り替え
るために、形状記憶合金（SMA）を使用することもでき
る。
カンチレバー31全体をカンチレバー部分39と共に動か
すために、大きい方のカンチレバーが太い脚部37にアク
チュエータを含む場合は、他の動作モードが可能であ
る。同様に、あるいはそれに加えて、細い部分38にまた
はそのような細い部分の近くにアクチュエータを使用す
ることによって、カンチレバー部分39を個別に操作する
こともできる。カンチレバー部分39の剛性は、距離ｚが
一定の最小距離よりも小さくなって、引力（接着力）が
カンチレバー部分39のばね力よりも強くなった場合に、
カンチレバー部分39が自動的に接触モードに切り替わる
ように選択される。
第４図と第５図に、本発明のさらに他の実施形態を示
す。第４図と見ると分かるように、大きなカンチレバー
51が、３つの小さなカンチレバー53を担持する。大きな
カンチレバー51は、大きなプローブ54を有し、小さい方
のカンチレバー53は、それぞれ小さなプローブ55を担持
する。第５図に、類似の装置を示す。この図では、大き
い方のカンチレバー61は、３つの三角形のより小さなカ
ンチレバー63を担持する。これらのより小さなカンチレ
バー63は、噛み合わせた形に配置される。本発明の基本
原理に従ったこのような種類のカンチレバー装置は、並
列操作用にカンチレバー・アレイを使用することによっ
てデータ・スループットを高めることができる走査プロ
ーブ記憶の適用例に特に適している。第４図と第５図に
示したようなカンチレバー装置を、走査プローブ顕微鏡
に使用する場合は、３本の平行線を走査するのに１回の
走査移動で十分である。
第６図に、もう１つの実施形態を示す。この実施形態
は、基板70に一端が固定された大きなカンチレバー71を
含むことを特徴とする。カンチレバー71の固定端には、
剛性を修正するために使用されるエッチング孔73があ
る。エッチング孔の近くには、たわみセンサ79が配置さ
れる。カンチレバー71の自由端には、より小さなカンチ
レバー76が形成される。この小さなカンチレバー76は、
大きい方のカンチレバー71と同じように、たとえばエッ
チング孔77とたわみセンサ78を含む。カンチレバー71
は、その自由端72に２つのプローブ74を有し、カンチレ
バー76は、１つのプローブ75を有する。図示したよう
に、２つのプローブ74は、カンチレバー76によって担持
されるプローブ75よりも大きなサイズのものでもよい。
様々な動作モードが考えられ、（図示した特定の構成以
外の）様々な構成のセンサとアクチュエータが可能であ
る。
第７図に、カスケード型のカンチレバーを備えた実施
形態を示す。大きなカンチレバー81と一体になったいく
つかのより小さなカンチレバー83および86がある。この
例では、最も大きなカンチレバー81と２番めに大きなカ
ンチレバー83が、それぞれたわみセンサ89および87を備
える。また、最も小さなカンチレバー86は、たわみを検
出する手段を備えることができる。この例では、小さい
カンチレバーほど、そのプローブが小さい。すなわち、
カンチレバー86が、最も小さなプローブ88を有する。た
わみセンサからの信号を適切に処理することによって、
走査表面に関する様々な情報を得ることができる。たと
えば、カンチレバーの１つを、トラッキングに使用する
ことができる。これは、走査表面に特別なパターンを設
けることによって達成することができる。同様に、調査
する表面に溝を形成して、この溝に沿ってトラッキング
・カンチレバーが機械的に導かれるようにすることもで
きる。トラッキングは、この実施形態で開示したカスケ
ード型カンチレバーまたはカンチレバー・アレイで記憶
媒体を走査する場合に特に重要なものである。
本発明のカンチレバー装置の１つのカンチレバー、た
とえば小さい方のプローブを備えたカンチレバーを動的
モードで操作することもできる。この動的モードにおい
て、それぞれのカンチレバーが試料表面に接近し、振動
の振幅が減衰される。これにより、走査表面に関する情
報を得るために使用される共振周波数が低くなる。振動
する第２カンチレバーと表面との間の距離は、主に、よ
り大きなプローブを備えたカンチレバーの形状によって
定義される。
本発明のカンチレバー装置は、また、プローブの１つ
が走査試料と頻繁に接触するように操作することができ
る。この動作モードは、タッピング・モードとして知ら
れている。
本発明のカンチレバー装置を使用して、摩耗を減少さ
せることによって、現在の走査プローブ顕微鏡の信頼性
を高めることができる。前述のように、このカンチレバ
ー装置は、新しい動作モードも容易にする。大きい方の
プローブは、分解能の低い長くて高速の走査行程および
操作に使用することができる。小さい方のプローブは、
関心のある位置が見つかった場合にズームインするため
に使用することができる。すなわち、小さい方のプロー
ブは、より小さなステップで、より小さい走査行程での
み走査することができる。
別の動作モードでは、プローブの１つはSTMモードで
操作され、他のプローブは、AFMモードで操作される。
この手法を利用することにより、試料を一度だけ走査す
ることによって、付加的な情報が得られる。AFMプロー
ブとSTMプローブによって提供される２つの信号は、199
5年５月13日に出願された同時係属特許出願WO96/35943
号に記載のデータ捕捉システムによって供給することが
できる。第２のプローブによって付加的な情報が得られ
るため、より高い分解能の画像が得られる。
本発明は、走査プローブ記憶システムに使用するのに
適している。走査プローブ顕微鏡の場合と同様に、より
大きなプローブを使用して、小さなプローブの機械的摩
耗を防ぐことができる。同様に、またはそれに加えて、
ビットの読み書きに小さい方のプローブを使用し、記憶
された情報を消去するのに大きなプローブを使用するこ
とができる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ヘーベルレ、ヴァルター スイス国ヴェーデンスヴィル、ビュルグ リパルク 15 (72)発明者 ローラー、ハインリヒ スイス国リヒタースヴィル、バハテルシ ュトラーセ 27 (72)発明者 ペーター、フェッティガー スイス国ラングナウ アン アルヴィ ス、ラングモースシュトラーセ 33 (56)参考文献 特開 平５−231815（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−18741（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−123810（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−161508（ＪＰ，Ａ) 米国特許5461907（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 13/10 - 13/24 G12B 21/00 - 21/24 G01B 21/30 G11B 9/00 - 9/14 ＪＩＣＳＴファイル（ＪＯＩＳ)

Claims (23)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】表面（16、26、36）を走査するためのカン
    チレバー装置であって、少なくとも１つの第１のプロー
    ブ（14、24、34、54、64、74、84）を有する第１のカン
    チレバー（11、21、33、51、61、71、81）と、第２のプ
    ローブ（15、25、35、55、65、75、85）を有する第２の
    カンチレバー（13、23、31、53、62、63、76、83）とを
    含み、前記第１のカンチレバー（11、21、33、51、61、
    71、81）と第２のカンチレバー（13、23、31、53、62、
    63、76、83）が、第２のカンチレバー（13、23、31、5
    3、62、63、76、83）の反りが、前記第１のカンチレバ
    ー（11、21、33、51、61、71、81）の反りに依存するよ
    うに機械的に結合され、さらに、第２のプローブ（15、
    25、35、55、65、75、85）を動作モードにするアクチュ
    エータ手段（40、41、42、43、44）を含むカンチレバー
    装置。
  2. 【請求項２】前記第２のカンチレバーが、前記第１のカ
    ンチレバーの一体部分であるか、または前記第１のカン
    チレバーが、前記第２のカンチレバーの一体部分であ
    る、請求項１に記載のカンチレバー装置。
  3. 【請求項３】前記第１と第２のプローブが、サイズ、形
    状、頑丈さまたは材料が異なる、請求項１または２に記
    載のカンチレバー装置。
  4. 【請求項４】前記第１のカンチレバー（11、21）が接触
    モードで操作され、その間、前記第２のカンチレバーが
    使用されないか、あるいは、前記第２のカンチレバーが ・ 接触モード ・ 前記表面と頻繁に接触するタッピングまたは振動モ
    ード ・ 非接触モード、または ・ 動的モード で操作される請求項１に記載のカンチレバー装置。
  5. 【請求項５】前記第２のカンチレバーが、引力（接着
    力）または外部から制御可能な力（静電気または磁力）
    により接触モードにされるように設計されている、請求
    項１に記載のカンチレバー装置。
  6. 【請求項６】前記第２のカンチレバーが、前記表面と頻
    繁に接触するようにまたは前記表面と接触せずに振動す
    るように振動させる手段を含む、請求項１に記載のカン
    チレバー装置。
  7. 【請求項７】前記第１のカンチレバー（33）が、接触モ
    ードに切り替えるための前記アクチュエータ手段（40〜
    44）を含み、前記第２のカンチレバー（31）は、前記第
    １のカンチレバー（33）が接触モードにある場合に非接
    触モードになり、またその逆になるように前記第１のカ
    ンチレバー（33）と機械的に結合されている、請求項１
    に記載のカンチレバー装置。
  8. 【請求項８】２つのカンチレバーの一方が、独立に動作
    することができる第３のカンチレバーを備える、請求項
    ７に記載のカンチレバー装置。
  9. 【請求項９】前記第１のプローブ（14、24、34、54、6
    4）が、柔らかい材料を使って作成される、請求項１に
    記載のカンチレバー装置。
  10. 【請求項１０】前記第１のカンチレバーまたは第２のカ
    ンチレバーあるいはその両方が、動きを検出するセンサ
    を備える、請求項１に記載のカンチレバー装置。
  11. 【請求項１１】動きを検出する前記センサが、好ましく
    は動きを検出するそれぞれのカンチレバーの固定端のく
    びれにある圧電センサである、請求項10に記載のカンチ
    レバー装置。
  12. 【請求項１２】動きを検出する前記センサが、光学的た
    わみセンサである、請求項10に記載のカンチレバー装
    置。
  13. 【請求項１３】前記アクチュエータ手段が、前記カンチ
    レバーの温度を局部的に上昇させる加熱素子（42）と、
    温度が上昇した場合に曲げ力を発生させる手段（41）と
    を含む、請求項７に記載のカンチレバー装置。
  14. 【請求項１４】前記表面と相互作用させるために前記プ
    ローブの１つを加熱する手段を含む、請求項１に記載の
    カンチレバー装置。
  15. 【請求項１５】前記第１のカンチレバー（51、61、71、
    81）が、多数のより小さなカンチレバー（53、62、63、
    83、86）を備える、請求項２に記載のカンチレバー装
    置。
  16. 【請求項１６】前記第１のカンチレバー（81）が、カス
    ケード式のより小さなカンチレバー（83、86）を備え
    る、請求項15に記載のカンチレバー装置。
  17. 【請求項１７】請求項１ないし17のいずれかに記載のカ
    ンチレバー装置を含む走査プローブ・システム。
  18. 【請求項１８】半導体チップの検査、試料表面の調査、
    または表面の構造化のために使用される、請求項17に記
    載の走査プローブ・システム。
  19. 【請求項１９】前記半導体チップ、試料表面、または構
    造化する表面を、第１のプローブによって低い分解能で
    走査する手段を含む、請求項18に記載の走査プローブ・
    システム。
  20. 【請求項２０】前記半導体チップ、試料表面、または構
    造化する表面を、第２のプローブによって高い分解能で
    走査する手段を含む、請求項18に記載の走査プローブ・
    システム。
  21. 【請求項２１】低い分解能と高い分解能を切り替える手
    段を含む、請求項18に記載の走査プローブ・システム。
  22. 【請求項２２】記憶システムの一部である、請求項17に
    記載の走査プローブ・システム。
  23. 【請求項２３】前記カンチレバー装置が、記憶媒体から
    情報を読み取り、削除し、前記記憶媒体に情報を書き込
    むために使用される、請求項22に記載の走査プローブ・
    システム。
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