專利名稱：微結(jié)構(gòu)、懸臂、掃描探針顯微鏡以及用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種其至少一部分產(chǎn)生了彈性形變的微結(jié)構(gòu)、由該微結(jié)構(gòu)組成的懸臂、設(shè)置有該懸臂的掃描探針顯微鏡以及用于測量該微結(jié)構(gòu)的形變量的方法。
背景技術(shù)：
作為其至少一部分產(chǎn)生了彈性形變的微結(jié)構(gòu)，例如，存在構(gòu)成磁力顯微鏡(MFM)和原子力顯微鏡(AFM)的懸臂，這些顯微鏡是掃描探針顯微鏡(SPM)的兩種類型，此外，存在構(gòu)成掃描近場光學(xué)顯微鏡(SNOM)的懸臂。
例如，構(gòu)成AFM的懸臂將探針保持在其前端，將該探針布置成緊靠向樣品的表面，該樣品固定于實驗臺或按高頻振動。通過光學(xué)系統(tǒng)將激光束照射在探針(其被置于懸臂的前端的下表面)附近的上表面上，由此，利用由光檢測器(其被分成上、下、左以及右4個部分)檢測到的來自懸臂的多個反射束的強度比來測量懸臂的偏轉(zhuǎn)量。通過根據(jù)該偏轉(zhuǎn)量計算出探針與材料表面的原子力作用來觀測樣品的表面上的三維形狀不平坦性等(例如，見專利文獻(xiàn)1)。以下將上述技術(shù)稱為第一現(xiàn)有技術(shù)。
此外，存在另一種類型的常規(guī)AFM，其中，懸臂由壓電電阻元件組成，并測量懸臂的偏轉(zhuǎn)量作為壓電電阻值的變化。該類型的AFM配備有信號檢測系統(tǒng)，其向懸臂施加恒定偏壓，并將檢測到的輸入電流信號和電阻變化轉(zhuǎn)換成輸出電壓信號；偏移信號檢測系統(tǒng)，其對在來自信號檢測系統(tǒng)的輸出電壓信號中包括的偏移信號分量進(jìn)行檢測，并去除它(例如，見專利文獻(xiàn)2)。以下，將上述技術(shù)稱為第二現(xiàn)有技術(shù)。

專利文獻(xiàn)公報H6-323843(段 和 ，圖1和2)[專利文獻(xiàn)2]專利文獻(xiàn)公報2000-304756(權(quán)利要求1，段 到 ，圖1和3)發(fā)明內(nèi)容[本發(fā)明要解決的問題]為了在上述第一現(xiàn)有技術(shù)中獲得良好的測量結(jié)果，需要在激光照射表面、懸臂的前端以及光檢測器的光敏感表面這一共3個位置之間對位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)，并且需要將從懸臂的前端反射的激光束精確地照射在光檢測器的光敏感表面的中央。然而，對上述位置關(guān)系進(jìn)行調(diào)節(jié)需要精湛的技巧，因此對AFM的測量部的組裝和調(diào)節(jié)并不方便。此外，由于需要激光器和光檢測器作為AFM的部件，因此難以減小測量部在AFM中占據(jù)的空間，這阻礙了對AFM的小型化。
與之對照的是，第二現(xiàn)有技術(shù)可以解決上述第一現(xiàn)有技術(shù)的問題。然而，由于第二現(xiàn)有技術(shù)使用了壓電電阻元件，因此其存在以下各種不便(1)由于壓電電阻元件的電阻變化非常小，需要惠斯通電橋電路等，因此檢測電路復(fù)雜。
(2)由于壓電電阻元件需要大面積以貢獻(xiàn)敏感度，因此難以檢測到細(xì)微部分的局部位移。
在第一現(xiàn)有技術(shù)和第二現(xiàn)有技術(shù)中的上述多個問題不僅存在于構(gòu)成AFM的懸臂，而且同樣存在于通過諸如加速度、壓力、載荷、位移等的物理量在其至少一部分處產(chǎn)生彈性形變的微結(jié)構(gòu)。即，在這些類型的微結(jié)構(gòu)中，有時需要針對產(chǎn)生彈性形變的一部分或整個結(jié)構(gòu)對幾個部分中的形變量進(jìn)行測量；然而，如上所述，第一現(xiàn)有技術(shù)存在對諸如激光器的各部件進(jìn)行組裝和調(diào)節(jié)的困難，或使整個系統(tǒng)的尺寸小型化的困難。
此外，根據(jù)以上第二現(xiàn)有技術(shù)，當(dāng)對各部分的形變量同時進(jìn)行檢測時，需要布置大量的惠斯通電橋等；因此，難以對為各壓電電阻元件提供電力的端子、對各壓電電阻元件的電流進(jìn)行檢測的端子以及外部電源或檢測電路進(jìn)行連線。此外，在上述第二現(xiàn)有技術(shù)中，如果形成壓電電阻元件的微結(jié)構(gòu)中的表面的區(qū)域具有導(dǎo)電性，那么需要在該表面區(qū)域中形成絕緣層。
鑒于以上情況，因此本發(fā)明的目的是提供微結(jié)構(gòu)、懸臂、掃描電子顯微鏡以及用于測量該微結(jié)構(gòu)的形變量的方法。
為了解決上述多個問題，根據(jù)本發(fā)明第1方面所述的微結(jié)構(gòu)包括微結(jié)構(gòu)，所述微結(jié)構(gòu)的至少一部分產(chǎn)生彈性形變，其中，所述微結(jié)構(gòu)具有用于通過隧道效應(yīng)檢測所述彈性形變的傳感器。
此外，本發(fā)明的第2方面是根據(jù)第1方面所述的微結(jié)構(gòu)，其中，在所述微結(jié)構(gòu)中在產(chǎn)生所述彈性形變的多個區(qū)域處設(shè)置多個所述傳感器，使得所述多個傳感器的部件的軸線按直角彼此相交。
此外，本發(fā)明的第3方面是根據(jù)第1方面所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器使用所述微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生所述彈性形變的區(qū)域的至少一部分作為所述部件。
此外，本發(fā)明的第4方面是根據(jù)第1方面所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器將所述微結(jié)構(gòu)的所述彈性形變檢測為電阻的變化。
此外，本發(fā)明的第5方面是根據(jù)第1方面所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器的作為電阻與表面面積之積的電阻面積之積為100kΩ·μm2或更小。
此外，本發(fā)明的第6方面是根據(jù)第3方面所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器包括絕緣層，其形成隧道勢壘；上電極，其是導(dǎo)電的，并且形成在所述絕緣層的上表面上；以及所述微結(jié)構(gòu)的至少一部分，其具有導(dǎo)電性，并被用作所述絕緣層的下電極。
此外，根據(jù)本發(fā)明1的第7方面所述的懸臂是掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第1方面的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第8方面是一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第方面2的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第9方面是一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第3方面的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第10方面是一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第4方面的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第11方面是一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第5方面的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第12方面是一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括第6方面的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
此外，本發(fā)明的第13方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第7方面的懸臂。
此外，本發(fā)明的第14方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第8方面的懸臂。
此外，本發(fā)明的第15方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第9方面的懸臂。
此外，本發(fā)明的第16方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第10方面的懸臂。
此外，本發(fā)明的17第方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第11方面的懸臂。
此外，本發(fā)明的第18方面是一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括第12方面的懸臂。
此外，根據(jù)第19方面所述的用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法是一種用于測量所述微結(jié)構(gòu)的形變量的方法，其中，該方法包括以下步驟設(shè)置數(shù)個傳感器，以通過在產(chǎn)生彈性形變的所述微結(jié)構(gòu)中的隧道效應(yīng)來檢測所述彈性形變；和通過所述數(shù)個傳感器檢測所述微結(jié)構(gòu)的各部分的彈性形變作為電阻的變化。
此外，根據(jù)第20方面所述的用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法是根據(jù)第19方面所述的用于測量所述微結(jié)構(gòu)的形變量的方法，其中，將所述數(shù)個傳感器布置在所述微結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生所述彈性形變的多個區(qū)域處，使得所述多個傳感器的部件的軸按直角相交。
根據(jù)本發(fā)明，針對在其至少一部分處產(chǎn)生彈性形變的微結(jié)構(gòu)，可以以希望的位置、以希望的形狀和尺寸設(shè)置高效率并且高靈敏度的尺寸極小的多個傳感器。此外，由于用于檢測微結(jié)構(gòu)的彈性形變的部件的數(shù)量很少，因此便于對這些部件進(jìn)行組裝和調(diào)節(jié)。此外，將使用壓電電阻元件(其具有非常小的電阻變化)與所述傳感器相比，本發(fā)明使得可以通過使檢測電路小型化來簡化檢測電路；此外，還可以檢測到微結(jié)構(gòu)的細(xì)微部分的局部位移。


圖1是根據(jù)本發(fā)明實施例1的通過立體圖示出的懸臂和檢測電路的構(gòu)成的示意例示。
圖2是示出了傳感器的構(gòu)成的外觀的立體圖，該傳感器被提供給圖1所示的懸臂。
圖3是對用于測量根據(jù)本發(fā)明實施例2的微結(jié)構(gòu)的形變量裝置的示例進(jìn)行描述的示意例示。
圖4是根據(jù)本發(fā)明實施例3的由立體圖示出的懸臂和檢測電路的構(gòu)成的示意例示。
圖5是圖4所示的懸臂的部分放大立體圖。
對標(biāo)號的說明1、31懸臂2、32檢測電路2a、2b、2c 輸入輸出端子3到5 引線11 機構(gòu)部12、12x、12y 傳感器12a、12xa、12ya 絕緣層12b、12xb、12yb 上電極13 支柱部13a、14c 一個側(cè)面13aa 上端部14 梁部14a 一個端部14b 另一端部14d 上表面15 探針21 微結(jié)構(gòu)22、23 支承部件具體實施方式
[本發(fā)明多個優(yōu)選實施例](實施例1)圖1是根據(jù)本發(fā)明第一實施例的懸臂1和檢測電路2的構(gòu)成的示意立體圖；圖2是示出了傳感器12的構(gòu)成的外觀的立體圖，該傳感器12被提供給圖1所示的懸臂1。在本示例中，懸臂1構(gòu)成了MFM、AFM或SNOM(它們均為一種SPM)，并且懸臂1大致由機構(gòu)部11和傳感器12構(gòu)成。機構(gòu)部11由支柱部13、梁部14以及探針15組成。支柱部13的至少其表面由導(dǎo)體組成并呈近似長方體形狀。梁部14的至少其表面由導(dǎo)體組成并呈近似長方體形狀。在梁部14中，一個端部14a連接到上端部13aa的大致中央，該上端部13aa是一個側(cè)面13a的上部，該側(cè)面13a是支柱部13的一端；另一端部14b與支柱部13的垂直軸近似平行地延長。支柱部13與梁部14形成為一體，它們呈梁狀，該梁的一端被保持并伸出。在梁部14的另一端部14b的下表面上保持有探針15。探針15近似呈四棱錐形，并且其尖端朝下。支柱部13的近似尺寸的示例是寬度為100μm、長度為100μm并且高度為150μm。梁部14的近似尺寸的示例是寬度為200μm、長度為50μm并且厚度為1μm。
傳感器12形成在梁部14的一個側(cè)面14c上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)。傳感器12是一種隧道效應(yīng)元件，并由圖2所示的絕緣層12a(其構(gòu)成了隧道勢壘)和上電極12b構(gòu)成。絕緣層12a呈近似矩形柱形，并且例如由氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)等構(gòu)成。絕緣層12a的尺寸例如是寬度為100nm、長度為100nm并且厚度為1nm。呈近似矩形柱形的上電極12b例如由鉭(Ta)等構(gòu)成，鉭是非磁性材料和良導(dǎo)體。上電極12b的尺寸例如是寬度為100nm、長度為100nm并且厚度為30nm。此外，圖1和圖2所例示的各部分的尺寸的比例與如以上示例所描述的尺寸并不一致。
此外，下面對如上所述地設(shè)置傳感器12的尺寸、形狀以及材料的原因進(jìn)行說明。不用說，傳感器12的尺寸越小越好，以檢測到細(xì)微部分的局部位移；但是，如果將傳感器12形成得更小，則通常傳感器12的電阻會變大，并且還存在加工方面的問題。此外，如果傳感器12的電阻很大(例如，100MΩ或更大)，則需要使用用作直流電源的不常用的電路元件，因為需要對絕緣層12a的兩側(cè)施加更高的電壓。此外，如果傳感器12的電阻很低(例如，10Ω或更小)，則在絕緣層12a中會出現(xiàn)泄漏電流。因此，希望傳感器12的電阻值為100Ω到1MΩ。
如果傳感器12較小，為了將傳感器12的電阻值保持在100Ω到1MΩ之間，需要保持低的電阻面積之積RA(其為傳感器12的電阻值與面積之積)；本發(fā)明人進(jìn)行了細(xì)致的研究，并確信優(yōu)選地，RA為100kΩ·μm2或更小。由此，在實施例1中，傳感器12的寬度為100nm，長度為100nm。
此外，下面對電阻面積之積RA與絕緣層12a(其為傳感器12的組成部分)的厚度之間的關(guān)系進(jìn)行描述。本發(fā)明人認(rèn)為傳感器12基于以下原理(隧道效應(yīng))進(jìn)行工作(a)如果向傳感器12施加了諸如加速度、壓力、載荷、位移等的物理量，則該物理量被傳送到由隧道勢壘組成的絕緣層12a，并且絕緣層12a被偏轉(zhuǎn)。絕緣層12a的最顯著的偏轉(zhuǎn)(deflection)是絕緣層12a的厚度。
(b)如果絕緣層12a的厚度改變了，則絕緣層12a的電阻值按照對數(shù)函數(shù)變化，這是因為隧穿隧道勢壘的電子的隧道躍遷的概率變化了。
由此，為了通過所施加的物理量獲得大的電阻值變化，傳感器12的厚度是很重要的。對于該面積(當(dāng)由氧化鋁(Al2O3)構(gòu)成傳感器12的絕緣層12a時，其在自然氧化之前的金屬鋁的厚度是1.3nm或更小)下的電阻面積之積RA，公知的是，對鋁的厚度的依賴性很大，因此傳感器12獲得了大電阻變化。在本發(fā)明的實施例1中，由于1.3nm的鋁將成為2.0nm到2.5nm的氧化鋁膜片，因此將絕緣層12a的厚度設(shè)置為約1nm。本發(fā)明人通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鋁的厚度改變10％時，電阻面積之積RA線性地改變70％。
然而，如上所述，將傳感器12形成在梁部14的一個側(cè)面14c上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)的事實是因為在梁部14中，上述位置隨著探針15的位移偏轉(zhuǎn)最大，從而基于上述傳感器12的操作原理，通過檢測梁部14的上述偏轉(zhuǎn)量作為傳感器12的電阻變化可以獲得高檢測靈敏度。此外，絕緣層12a和上電極12b的形狀近似為矩形柱并且隧道結(jié)的形狀是矩形的事實的原因是認(rèn)真地考慮了形成絕緣層12a和上電極12b以及形成隧道結(jié)的加工成本的廉價性，如果從這些加工的方面考慮不存在問題，則諸如近似圓柱情況或圓情況的任何種類的形狀都是可以。
除絕緣層12a以外，通過利用薄膜形成技術(shù)可以形成上述懸臂1，如化學(xué)氣相沉積(CVD)、真空蒸發(fā)或濺射、光刻技術(shù)、刻蝕技術(shù)或電鍍技術(shù)。另一方面，當(dāng)作為傳感器12的組成部分的絕緣層12a是由氧化鋁(Al2O3)制成時，通過以下方法中的任何一種方法形成絕緣層12a(1)在上述部分中形成了金屬鋁之后在空氣中自然氧化；(2)在上述部分中形成了金屬鋁之后在空氣或真空中通過等離子氧化方法來氧化；(3)在上述部分中利用諸如CVD、真空蒸發(fā)或濺射的薄膜形成技術(shù)形成氧化鋁(Al2O3)膜。
在檢測電路2中，通過由銅(Cu)等制成的引線3將輸入輸出端子2a電連接到支柱部13。此外，在檢測電路2中，通過由銅(Cu)等制成的引線4將輸入輸出端子2b電連接到上電極12b。檢測電路2將恒定電壓或者導(dǎo)通恒定電流施加給傳感器12，檢測電阻變化作為電流或電壓的變化。然后，檢測電路2基于以上檢測結(jié)果對樣品的表面輪廓進(jìn)行可視化，并將其顯示到顯示器(在圖中未示出)。
以下，對應(yīng)用于AFM的上述懸臂1的行為進(jìn)行描述。首先，將要觀測其表面輪廓的樣品固定在XYZ臺(在圖中未示出)上。由驅(qū)動電路來驅(qū)動該XYZ臺，并將其構(gòu)成為使得可以對表面進(jìn)行二維掃描(沿XY方向)。然后，將探針15(其為懸臂1的組成部分，已在圖1中對其進(jìn)行了描述)的尖端布置成靠近樣品(在圖中未示出)的表面。然后，檢測電路2通過引線3、引線4、支柱部13以及梁部14向傳感器12施加恒定電壓或?qū)ê愣娏鳌?br> 接著，以驅(qū)動電路驅(qū)動XYZ臺，當(dāng)沿表面方向(XY方向)進(jìn)行二維掃描時，保持有探針15的懸臂1的梁部14由于樣品的表面與探針15之間的原子力作用而彎曲。因為絕緣層12a(其為傳感器12的組成部分，傳感器12形成在梁部14的一個側(cè)面14c上的一個端部14a的附近)的厚度由于梁部14的偏轉(zhuǎn)而改變，因此傳感器12的電阻值改變了。然后，檢測電路2檢測電阻值變化作為電流或電壓的變化，并基于以上檢測結(jié)果對樣品的表面輪廓進(jìn)行可視化，并將其顯示到顯示器(在圖中未示出)。
如上所述，在本發(fā)明的實施例1中，將傳感器12(其通過隧道效應(yīng)來檢測梁部14的彈性形變)形成在梁部14的一個側(cè)面14c上的一個端部14a的附近，即，在懸臂1(其中，梁部14產(chǎn)生彈性形變)上靠近梁部14與支柱部13的連接部分。該傳感器12使用懸臂1本身作為下電極。此外，在本發(fā)明的實施例1中，可以形成這樣的(多個)傳感器12，即，其靈敏度和效率高、尺寸極小，并且可以在加工懸臂1時將其與懸臂1配合地設(shè)置于希望的位置、設(shè)置為希望的形狀和尺寸。
由此，本發(fā)明可以解決第一現(xiàn)有技術(shù)(其在對各部分、激光器等進(jìn)行組裝和調(diào)節(jié)以及整個設(shè)備的小型化方面存在困難)的問題。此外，與壓電電阻元件(由于電阻的變化極小，因此其需要惠斯通電橋電路等)相比，本發(fā)明可以具有簡單的檢測電路構(gòu)成；與壓電電阻元件相比，由于本檢測電路對壓力有貢獻(xiàn)的面積很小，因此還可以檢測到細(xì)微部分的局部位移。
在實施例1中，示出了將本發(fā)明應(yīng)用于掃描探針顯微鏡的懸臂的示例；然而，本發(fā)明并不限于該應(yīng)用。例如，本發(fā)明可以應(yīng)用于諸如微機械等的微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)通過接受諸如加速度、壓力、載荷、位移等的物理量而在其至少一部分處產(chǎn)生彈性形變。即，在這些類型的微結(jié)構(gòu)中，有時需要針對產(chǎn)生彈性形變的一部分或整個結(jié)構(gòu)對幾個部分中的形變量進(jìn)行測量；通過以下在實施例2的應(yīng)用中示出的方法我們回應(yīng)了該需求。
圖3是對用于測量根據(jù)本發(fā)明實施例2的微結(jié)構(gòu)的形變量裝置的方法的示例進(jìn)行描述的示意例示。在圖3中，微結(jié)構(gòu)21除了在整個區(qū)上產(chǎn)生彈性形變以外，至少其表面具有導(dǎo)電性，其近似呈矩形柱形。在該微結(jié)構(gòu)21的正面按規(guī)定間隔設(shè)有如圖2所示的數(shù)個傳感器12。此外，如圖3所示的支承部件22和支承部件23在上表面上按規(guī)定間隔保持微結(jié)構(gòu)21。
在此情況下，如圖3所示，如果通過在微結(jié)構(gòu)21的下表面的近似中央部分處增加一種從下向上的力，微結(jié)構(gòu)21的近似中央部分向上偏斜指定長度。因此，對于置于微結(jié)構(gòu)21的正面的形成了多個傳感器12的絕緣層12a，由于其厚度隨著微結(jié)構(gòu)21的其中設(shè)置有某個傳感器12的區(qū)域的偏離而改變，因此各傳感器12的電阻值改變了。在此情況下，通過將多個探針中的每一對探針同時接觸微結(jié)構(gòu)21的上電極12b的表面和相鄰表面，測量了各傳感器12的電阻值。連接到所述多個探針(在圖中未示出)中的一對探針的各檢測電路將相對應(yīng)的傳感器12的電阻值的變化檢測為電流或電壓的變化。
如上所述，在本發(fā)明的實施例2中，將微結(jié)構(gòu)21本身組合為下電極。因此，由于不必在設(shè)置有在第二現(xiàn)有技術(shù)的示例中的多個傳感器的區(qū)域表面上形成絕緣層、傳感器的連接端子等，因此可以簡化包括有多個傳感器的微結(jié)構(gòu)21的構(gòu)成。此外，可以針對產(chǎn)生彈性形變的一部分或整個結(jié)構(gòu)對幾個部分中的形變量同時進(jìn)行測量，這在以前是無法測量的。由此，可以得到微結(jié)構(gòu)21的偏離的分布。
(實施例3)圖4是通過立體圖示出的懸臂31和檢測電路32的構(gòu)成的示意例示，而圖5是圖4所示的懸臂31的部分放大立體圖。在圖4和圖5中，對與圖1中的部分相對應(yīng)的部分賦予相同的標(biāo)記，并略去其描述。在圖4和圖5所示的懸臂31中，新形成了傳感器12x和12y，它們代替了圖1所示的傳感器12。
將如圖4和5所示的傳感器12x與梁部14的垂直方向(x軸)相平行地形成在梁部14的上表面14d上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)。另一方面，將如圖4和5所示的傳感器12y與梁部14的部件方向(y軸)的軸相平行地形成在梁部14的上表面14d上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)。簡言之，在梁部14的上表面14d上形成傳感器12x和傳感器12y，使得部件的軸相垂直。
如圖5所示，傳感器12x和12y是一種隧道效應(yīng)元件，并且它們分別由絕緣層12xa和12ya(其組成了隧道勢壘)以及上電極12xb和12yb構(gòu)成。絕緣層12xa和12ya例如由氧化鋁(Al2O3)、氧化鎂(MgO)等構(gòu)成，并且它們呈近似長方體形。絕緣層12xa和12ya的尺寸例如是長度為100nm、寬度為30nm并且厚度為1nm。上電極12xb和12yb例如由鉭(Ta)等(其為非磁性材料和良導(dǎo)體)組成，并且它們呈近似長方體形。上電極12xb和12yb的尺寸例如是長度為100nm、寬度為30nm并且厚度為30nm。此外，在圖4和圖5中，所例示的各部分的尺寸的比例與上述示例的尺寸并不一致。此外，由于關(guān)于設(shè)置傳感器12x和12y的尺寸、形狀、材料的原因，以及用于形成傳感器12x和12y的方法而言，關(guān)于本實施例1中的傳感器12所說明的內(nèi)容可以以該方式而應(yīng)用，因此略去對其的描述。
在檢測電路32中，通過由銅(Cu)等制成的引線3將輸入輸出端子2a電連接到懸臂31的支柱部13。此外，在檢測電路2中，通過由銅(Cu)等制成的引線4將輸入輸出端子2b電連接到傳感器12x的上電極12xa，并通過由銅(Cu)等制成的引線5將輸入輸出端子2c電連接到傳感器12y的上電極12ya。檢測電路32將恒定電壓或者導(dǎo)通恒定電流施加給傳感器12x和12y，分別檢測傳感器12x和12y的電阻變化作為電流或電壓的變化。此外，檢測電路32基于以上檢測結(jié)果對樣品的表面輪廓進(jìn)行可視化，并將其顯示到顯示器(在圖中未示出)。
以下，對應(yīng)用于AFM的上述懸臂31的行為進(jìn)行描述。首先，將要觀測其表面輪廓的樣品固定在XYZ臺(在圖中未示出)上。由驅(qū)動電路來驅(qū)動該XYZ臺，并將其構(gòu)成為使得可以對表面進(jìn)行二維掃描(沿XY方向)。然后，將探針15(其為懸臂31的組成部分，已在圖4和圖5中對其進(jìn)行了描述)的尖端布置成靠近樣品(在圖中未示出)的表面。然后，檢測電路32通過引線3到5、支柱部13以及梁部14向傳感器12x和12y施加恒定電壓或?qū)ê愣娏鳌?br> 接著，以驅(qū)動電路驅(qū)動XYZ臺，當(dāng)沿表面方向(XY方向)進(jìn)行二維掃描時，保持探針15的懸臂1的梁部14由于樣品的表面與探針15之間的原子力作用而彎曲。由于梁部14彎曲的事實，因為絕緣層12xa和12ya(其分別形成了形成在梁部14的上表面14d上的一個端部14a的附近的傳感器12x和12y)的厚度分別改變了，因此傳感器12x和12y的電阻值分別改變了。檢測電路32檢測傳感器12x和12y的電阻值變化作為電流或電壓的變化，并基于以上檢測結(jié)果對樣品的表面輪廓進(jìn)行可視化，并將其顯示到顯示器(在圖中未示出)。
如上所述，在本發(fā)明的實施例3中，在其中梁部14產(chǎn)生彈性形變的懸臂31上，分別將傳感器12x和12y(其通過隧道效應(yīng)檢測梁部14的彈性形變)與梁部14的垂直方向和部件方向的軸相平行地形成在梁部14的上表面14d上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)。這些傳感器12x和12y使用懸臂31本身作為下電極。此外，在本發(fā)明的實施例3中，可以形成這樣的傳感器12x和12y，即，其靈敏度和效率高、尺寸極小，并且可以在加工懸臂1時將其與懸臂1配合地設(shè)置于希望的位置、設(shè)置為希望的形狀和尺寸。
根據(jù)本發(fā)明的實施例3，在可以獲得與上述實施例1類似的效果的同時，其還可以測量面對懸臂31的掃描方向的相對斜率。此外，通過分別將傳感器12x和12y與梁部14的垂直方向和部件方向的軸相平行地形成在懸臂31的梁部14的上表面14d上的一個端部14a的附近(即，靠近梁部14與支柱部13的連接部分)，可以獲得與上述效果類似的效果。
如上所述，盡管通過參照附圖描述了本發(fā)明的多個實施例，但是其確切構(gòu)成并不限于上述多個實施例，并且在不脫離本發(fā)明的要旨的情況下，可以將對設(shè)計的改變包括在本發(fā)明中。
例如，在上述實施例1和3中，示出了這樣的示例，即，固定懸臂1或31，并且在表面方向上(沿XY方向)對要觀測其表面輪廓的樣品進(jìn)行二維掃描；然而，并不限于這些示例，可以固定上述材料，并在表面方向上(沿XY方向)對懸臂1或31進(jìn)行二維掃描。
此外，并不限于在上述實施例2所示的示例，其中只將傳感器12置于微結(jié)構(gòu)21的正面(見圖3)。例如，可以將傳感器12置于微結(jié)構(gòu)21的上表面或下表面。如果按此方式構(gòu)成，則可以測量微結(jié)構(gòu)21的扭曲值等的分布。
此外，并不限于在上述實施例2所示的示例，其中通過將多個探針(在圖中未示出)中的每一對探針同時接觸微結(jié)構(gòu)21的上電極12b的表面和相鄰表面來測量各傳感器12的電阻值的方法。例如，可以構(gòu)成為在將一條引線連接到微結(jié)構(gòu)21上的同時，將另一引線連接到各傳感器12的各電極12b。然后，構(gòu)成為將各條引線連接到諸如數(shù)字萬用表等的測量儀器(在圖中未示出)，通過測量儀器以并行地或順序地切換的方式獲得各傳感器12的電阻值。按此方式的構(gòu)成可以容易地測量微結(jié)構(gòu)21的形變量的分布。
此外，在上述各實施例中，如果各技術(shù)不存在不相容性或目的和構(gòu)成上的問題，則可以共同地應(yīng)用各技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種微結(jié)構(gòu)，該微結(jié)構(gòu)的至少一部分產(chǎn)生彈性形變，其中，所述微結(jié)構(gòu)具有用于通過隧道效應(yīng)檢測所述彈性形變的傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)，其中，在所述微結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生所述彈性形變的多個區(qū)域處設(shè)置有多個所述傳感器，使得所述多個傳感器的部件的軸按直角彼此相交。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器使用所述微結(jié)構(gòu)的產(chǎn)生所述彈性形變的區(qū)域的至少一部分作為組成部分。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器將所述微結(jié)構(gòu)的所述彈性形變檢測為電阻的變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器的作為電阻與表面面積之積的電阻面積之積為100kΩ·μm2或更小。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的微結(jié)構(gòu)，其中，所述傳感器包括絕緣層，其形成隧道勢壘；上電極，其是導(dǎo)電的，并且形成在所述絕緣層的上表面上；以及所述微結(jié)構(gòu)的至少一部分，其具有導(dǎo)電性，并被用作所述絕緣層的下電極。
7.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
8.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求2所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
9.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求3所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
10.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求4所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
11.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求5所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
12.一種掃描探針顯微鏡的懸臂，其中，所述懸臂包括根據(jù)權(quán)利要求6所述的微結(jié)構(gòu)，當(dāng)使所述懸臂的前端靠近樣品表面時，使所述前端對所述樣品進(jìn)行相對二維掃描，所述掃描探針顯微鏡檢測所述樣品表面與所述懸臂的所述前端之間的物理量作用，作為形變量。
13.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求7所述的懸臂。
14.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求8所述的懸臂。
15.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求9所述的懸臂。
16.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求10所述的懸臂。
17.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求11所述的懸臂。
18.一種掃描探針顯微鏡，其中，所述掃描探針顯微鏡包括根據(jù)權(quán)利要求12所述的懸臂。
19.一種用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法，其中，該方法包括以下步驟設(shè)置數(shù)個傳感器，以通過在產(chǎn)生彈性形變的所述微結(jié)構(gòu)中的隧道效應(yīng)來檢測所述彈性形變；和通過所述數(shù)個傳感器檢測所述微結(jié)構(gòu)的各部分的所述彈性形變作為電阻的變化。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法，其中，將所述數(shù)個傳感器布置在所述微結(jié)構(gòu)中的產(chǎn)生所述彈性形變的多個區(qū)域處，使得所述多個傳感器的部件的軸按直角相交。
全文摘要
微結(jié)構(gòu)、懸臂、掃描探針顯微鏡以及用于測量微結(jié)構(gòu)的形變量的方法。針對在其至少一部分處產(chǎn)生彈性形變的微結(jié)構(gòu)，希望在希望的位置、以希望的形狀和尺寸設(shè)置高效率并且高靈敏度的極小尺寸的多個傳感器。此外，還要求便于對多個部件進(jìn)行組裝和調(diào)節(jié)，使檢測電路小型化并簡化，并測量微結(jié)構(gòu)的細(xì)微部分的局部位移。所公開的微結(jié)構(gòu)是懸臂(1)，其梁部(14)產(chǎn)生彈性形變。該懸臂(1)設(shè)置有通過隧道效應(yīng)檢測梁部(14)的彈性形變的傳感器(12)。
文檔編號G01B21/30GK1877277SQ200610091569
公開日2006年12月13日 申請日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月9日
發(fā)明者太田尚城, 桑島哲哉 申請人:Tdk株式會社