JPH09304409A

JPH09304409A - 力変位センサ付カンチレバー

Info

Publication number: JPH09304409A
Application number: JP11930296A
Authority: JP
Inventors: Nobuhiro Shimizu; 信宏清水; Hiroshi Takahashi; 寛高橋; Yoshiharu Shirakawabe; 喜春白川部
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 1996-05-14
Filing date: 1996-05-14
Publication date: 1997-11-28

Abstract

(57)【要約】【課題】レバーのたわみを良好にし、計測感度を改善
した力変位センサ付カンチレバーを提供することにあ
る。【解決手段】支持部１からレバー部２が片持ち梁式に
延びており、該レバー部２の基部にくびれ部４ａ、４ｂ
が形成されている。また、該くびれ部４ａ、４ｂに対応
するレバー部２上に、例えばＵ字状の抵抗層５からなる
変位検出器が構成されている。前記くびれ部４ａ、４ｂ
は、レバー部２の幅方向を切り欠いて形成してもよい
し、その厚さを薄くして形成してもよい。この発明によ
れば、前記レバー部の先端に設けられたチップ（探針）
に小さな力が働いても前記レバー部はたわみを生ずるの
で、高感度の力変位センサ付カンチレバーを提供するこ
とができるようになる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は走査型原子間力顕
微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡に使用される
力変位センサ付カンチレバーに関し、特にその検出感度
を改善した力変位センサ付カンチレバーに関する。

【０００２】

【従来の技術】走査型原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走
査型プローブ顕微鏡においては、試料表面とプローブと
の間の相互作用を利用して、試料表面の微細な組織や構
造を検出するために、片持ち梁の先端に探針を装着した
力変位センサ付カンチレバーが使用されている。例え
ば、特開平６−３２３８４５号公報には、シリコンウエ
ハに支持され、自由端にチップを有するシリコンの酸化
膜または窒化膜で形成された薄膜弾性体と、該薄膜弾性
体上に電極、薄膜、電極の順に装着された層構造とから
なる走査型力顕微鏡用薄膜式力検出プローブが開示され
ている。また、該薄膜弾性体の形状としては、長方形型
および三角形型が示されている。この薄膜式力検出プロ
ーブによれば、該プローブを試料の表面にＸＹ方向に走
査すると、該試料表面の凹凸に応じてチップが斥力を受
け、前記薄膜弾性体が変形する。薄膜弾性体が変形する
と、前記電極に挟まれた薄膜が曲げ応力を受けまた該電
極間の電気容量が変化し、検出信号が変化する。この結
果、前記試料の表面の組織あるいは微細な構造を計測す
ることができるようになる。

【０００３】また、他の従来例として、特開平５−１９
６４５８号公報に開示されているものがある。この公報
には、シリコン基板のＰ＋形領域に、砒素インプラント
により形成されたＵ字型のＮ＋ピエゾ抵抗体を有する片
持梁アームが示されている。ピエゾ抵抗体は応力を受け
ると、該応力に応じて抵抗率が変化するので、該ピエゾ
抵抗体の抵抗率の変化を検出することにより、試料表面
の形状を計測することができる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記し
た従来の片持ち梁式の力変位センサは、そのレバーのた
わみを良好にすることに関して、格別の配慮がなされて
いなかった。この発明の目的は、前記した従来技術に鑑
み、レバーのたわみを良好にし、計測感度を改善した力
変位センサ付カンチレバーを提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前記した目的を達成する
ために、この発明は、支持部に片持ち梁式に支持された
レバー部を有する力変位センサ付カンチレバーにおい
て、前記レバー部の前記支持部付近に、くびれ部を設け
た点に特徴がある。また、前記レバー部の前記くびれ部
に対応する位置に、該レバー部の変位を電気信号に変え
る変位検出部を設けた点に特徴がある。さらに、本発明
は、前記レバー部の前記支持部付近に、該レバー部の変
位を電気信号に変え、かつ該レバー部を励振する検出・
励振部を設けた点に特徴がある。

【０００６】本発明によれば、前記くびれ部において、
カンチレバーがたわみ易くなるので、該カンチレバーの
先端に設けられているチップに小Ｎ型ではレバー部２の
長手方向がＳｉ基板の＜１００＞方向が良い。さな力が
働いてもカンチレバーはたわみ、計測感度を改善するこ
とができるようになる。また、前記レバー部の支持部付
近に励振部が設けられているので、カンチレバーは該支
持部付近でたわみ易くなり、計測感度を改善することが
できるようになる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下に、図面を参照して、本発明
を詳細に説明する。図１は本発明の力変位センサ付カン
チレバーの一実施形態を示し、同図(a) は平面図、(b)
は側面図、(c) は図(a) のＡ−Ａ´線拡大断面図を示
す。また、同図(d) は図(c) の変形例を示す。

【０００８】図１(a) 〜(c) に示されているように、力
変位センサ付カンチレバーは、例えばＳｉ基板からなる
支持部１と、該支持部１から延びるレバー部２と、その
先端に取り付けられたチップ３とを有している。該レバ
ー部２の支持部１近傍には、本発明に従って、くびれ部
４ａ、４ｂが形成され、少なくとも該くびれ部４ａ、４
ｂに対応するレバー部２上に変位検出器が構成されてい
る。該くびれ部４ａ、４ｂは切欠部であってもよいし、
部分的にエッチングした凹部であってもよい。

【０００９】該変位検出器は、一例として、不純物拡散
あるいはイオンインプラ等で形成されたＵ字状の抵抗層
５と、該抵抗層５の両端に形成された２つの低抵抗部６
ａ、６ｂと、該低抵抗部６ａ、６ｂに接続された電極７
ａ、７ｂから構成されている。Ｓｉの単結晶基板を使用
して抵抗層５をＰ型またはＮ型の不純物層で形成する場
合は、次の組み合わせが感度が大きくなり好ましい。Ｎ
型ではレバー部２の長手方向がＳｉ基板の＜１００＞方
向が良い。Ｐ型ではレバー部２の長手方向がＳｉ基板の
＜１１１＞方向または、感度が半分になるが、＜１１０
＞，＜１１２＞方向でも良い。

【００１０】該変位検出器の他の例として、図１(d) に
示されているように、メタル、Ｎｉ−Ｃｒ、Ｗ等からな
る抵抗層８と電極９から構成するようにしてもよい。該
変位検出器のさらに他の例を、図２(e) 、(f) で説明す
る。同図(f) は図(e) のＢ−Ｂ´線断面図を示す。ま
た、図中の図１(a) と同符号は同一または同等物を示
す。この例は、変位検出器１２を圧電体で構成したもの
である。該圧電体変位検出器１２は図(f) から明らかな
ように、レバー部２上に形成された電極１２ａと、Ｚｎ
Ｏ、ＰＺＴ等からなる圧電体１２ｂと、該圧電体１２ｂ
の上面に形成された電極１２ｃとから構成されている。
各電極１２ａ，１２ｂは各々電極７ａ，７ｂに対応す
る。また材料は、Ａｕ，Ａｌ，Ｔｉ，Ｐｔ，Ｃｒ等のう
ちの少なくとも一つからなる。

【００１１】本実施形態によれば、前記レバー部２の支
持部１の近傍にくびれ部４ａ、４ｂが形成されているの
で、該レバー部２は該くびれ部４ａ、４ｂにおいてたわ
み易くなる。このため、チップ３に小さな力が働いて
も、レバー部２はたわみを発生することができるように
なる。また、チップ３に従来装置と同じ大きさの力が働
いた場合には、従来装置のそれに比べてたわみ量を大き
くすることができる。したがって、前記変位検出器によ
ってチップ３にかかる小さな力まで検出できるようにな
り、また、チップ３に従来装置と同じ大きさの力が加わ
った場合には変位検出器からの検出出力を従来装置のそ
れに比べて大きくすることができるようになるので、高
感度の力変位センサ付カンチレバーを提供することがで
きるようになる。

【００１２】次に、本発明の第２の実施形態を図３を参
照して説明する。図３(a) は平面図、同図(b) は図(a)
のＣ−Ｃ´線断面図を示す。また、同図(c) は変位検出
器の他の具体例の平面図を示す。さらに、図４は変位検
出器のさらに他の具体例を示し、同図(d) は平面図、同
図(e) は部分的詳細図、同図(f) は図(e) のＤ−Ｄ´線
断面図を示す。

【００１３】この実施形態は、レバー部２の支持部１近
傍であってかつその中央部に、凹部あるいは孔部（貫通
孔部）からなるくびれ部１１を形成し、その上または近
傍に変位検出器１２を載置した点に特徴がある。一例と
しての変位検出器１２は、同図(b) に示されているよう
に、図２(f）で説明したのと同じ材料からなり、かつレ
バー部２の前記くびれ部１１を含む領域に形成された電
極１２ａと、圧電体１２ｂと、該圧電体１２ｂの上面に
形成された電極１２ｃからなる圧電体センサから構成さ
れている。該くびれ部１１が凹部の場合には、その周辺
部にテーパーを付けると、前記電極１２ａを滑らかに形
成することができるので好適である。

【００１４】他の例としての変位検出器は、同図(c) に
示されているように、前記くびれ部１１の近傍に形成さ
れたＵ字状の抵抗層５あるいは抵抗層８から構成されて
いる。これらの抵抗層５および８は、図１(c) 、(d) で
説明したのと同一の材料で作成することができるので、
説明を省略する。

【００１５】さらに他の例としての変位検出器１２は、
図４(d) に示されているように、前記くびれ部１１の近
傍に形成されたＵ字状の圧電体センサから構成されてい
る。該変位検出器１２は、同図(e) および(f) から明ら
かなように、レバー部２の一面上に形成された電極１２
ａと、その上面に積層して形成された圧電体１２ｂと、
さらにその上面に形成された電極１２ｃから構成されて
いる。また、前記電極１２ａは端子１３ａと接続されて
おり、電極１２ｃは端子１３ｂと接続されている。

【００１６】本実施形態によれば、レバー部２の支持部
１近傍に凹部あるいは孔部からなるくびれ部１１が形成
されているので、チップ３に小さな力が働いても、レバ
ー部２にたわみを発生させることができ、感度の高い力
変位センサ付カンチレバーを提供することができるよう
になる。

【００１７】次に、本発明の第３の実施形態を図５を参
照して説明する。図５(a) は平面図、同図(b) は側面図
を示す。ここでは、くびれ部のみを説明し、変位検出器
については、前記した第１、２実施形態のものを使用す
るものとする。本実施形態は、レバー部２１の中央部に
貫通孔２３を設け、かつレバー部２の支持部１近傍に凹
部からなるくびれ部２２ａ、２２ｂを形成した点に特徴
がある。この実施形態においても、前記第１、第２実施
形態と同様に、くびれ部２２ａ、２２ｂを設けたことに
より、チップ３に加わる力に対するレバー部２１のたわ
み量を大きくすることができるようになり、高感度の力
変位センサ付カンチレバーを提供することができるよう
になる。変位検出器は、レバー部２１上に抵抗体を形成
する方式、すなわち図１(c) 又は(d) と同じ方式を用い
るのが好ましい。

【００１８】前記レバー部２１の中央部に形成された貫
通孔２３に代えて、薄肉部にしてもよい。この場合に
は、薄肉部とくびれ部２２ａ、２２ｂの段差をテーパー
状にし、変位検出器は、図３(a) 、(b) と同様の圧電体
センサを用いるのが好ましい。次に、本発明の第４の実
施形態を図６を参照して説明する。同図(a) は平面図、
(b) はその部分的詳細図を示す。この実施形態は、レバ
ー部２の支持部１付近に、該レバー部２の変位を電気信
号に変え、かつ該レバー部２を励振する検出・励振部３
１を設けた点に特徴があり、他の符号は図１と同一また
は同等物を示す。

【００１９】該検出・励振部３１は、一例として、同図
(b) に示されているように、抵抗体からなる検出部３１
ａと、圧電体からなる励振部３１ｂとから構成すること
ができる。端子３２から励振信号が印加されると、励振
部３１ｂは励振され、端子３３から検出信号が出力され
る。この実施形態によれば、レバー部２の支持部１付近
が励振部３１ｂによって励振されるので、レバー部２が
たわみ易くなり、サイクリックコンタクトモードの高感
度力変位センサ付カンチレバーを提供することができる
ようになる。

【００２０】図７はこの実施形態の変形例を示すもので
あり、レバー部２の支持部１付近に、くびれ部３２ａ、
３２ｂが形成されている。このくびれ部３２ａ、３２ｂ
は図１のくびれ部４ａ、４ｂと同等のものである。この
変形例の構成にすると、前記サイクリックコンタクトモ
ードの変位センサ付カンチレバーの感度をさらに向上す
ることができるようになる。

【００２１】上記の各実施形態では、本発明の好ましい
実施形態を示したが、本発明はこれらに限定されること
なく、種々の変形が可能であり、これらの変形例も本発
明の範囲に入ることは勿論である。

【００２２】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、レバー部の前記支持部付近に、くびれ部を設
けたので、該レバー部の先端に装着されたチップ（探
針）に小さな力が働いても、これを検出することができ
るようになる。このため、高感度の力変位センサ付カン
チレバーを提供することができるようになる。また、該
チップに従来と同じ力が働いた時には、レバー部のたわ
み量が従来の変位センサ付カンチレバーのそれより大き
くなり、より大きな検出出力を得ることができるという
効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の平面図、側面図およ
び一部断面図を示す。

【図２】第１実施形態の変位検出器の変形例の平面図と
断面図を示す。

【図３】本発明の第２の実施形態の平面図および断面図
を示す。

【図４】第２実施形態の変位検出器の変形例の平面図と
断面図を示す。

【図５】本発明の第３の実施形態の平面図および側面図
を示す。

【図６】本発明の第４の実施形態の平面図および検出・
励振部の一具体例を示す。

【図７】第４実施形態の変形例の平面図を示す。

【符号の説明】

１支持部２、２１レバー部３チップ４ａ，４ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂくびれ
部５Ｕ字状の抵抗層６ａ，６ｂ低抵抗部７ａ，７ｂ電極８抵抗層９電極３１検出・励振部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】支持部に片持ち梁式に支持されたレバー
部を有する力変位センサ付カンチレバーにおいて、前記レバー部の前記支持部付近に、くびれ部を設けたこ
とを特徴とする力変位センサ付カンチレバー。
【請求項２】請求項１の力変位センサ付カンチレバー
において、前記レバー部の前記くびれ部に対応する位置に、該レバ
ー部の変位を電気信号に変える変位検出部を設けたこと
を特徴とする力変位センサ付カンチレバー。
【請求項３】請求項２の力変位センサ付カンチレバー
において、前記変位検出部は抵抗体または圧電体で形成されている
ことを特徴とする力変位センサ付カンチレバー。
【請求項４】支持部に片持ち梁式に支持されたレバー
部を有する力変位センサ付カンチレバーにおいて、前記レバー部の前記支持部付近に、該レバー部の変位を
電気信号に変え、かつ該レバー部を励振する検出・励振
部を設けたことを特徴とする力変位センサ付カンチレバ
ー。
【請求項５】請求項４の力変位センサ付カンチレバー
において、前記レバー部の前記支持部付近に、くびれ部を設けたこ
とを特徴とする力変位センサ付カンチレバー。
【請求項６】請求項５の力変位センサ付カンチレバー
において、前記検出部は抵抗体で作成し、前記励振部は圧電体で作
成したことを特徴とする力変位センサ付カンチレバー。
【請求項７】請求項１または５の力変位センサ付カン
チレバーにおいて、前記くびれ部は、レバー部の幅方向又は厚さ方向に切り
欠きを設けることにより構成されたことを特徴とする力
変位センサ付カンチレバー。