半導体ダイヤモンドAFMプローブを用いた多機能ナノ計測一体型超微細加工システム

2001 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 12555067
• Research Institution: Hirosaki University
• Principal Investigator: 牧野 英司 弘前大学, 理工学部, 教授 (70109495)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 脇山 茂 セイコーインスツルメンツ(株), 科学機器事業部, 係長(研究職) ; 柴田 隆行 茨城大学, 工学部, 助教授 (10235575) ; 妻木 勇一 弘前大学, 理工学部, 助教授 (50270814)
• Keywords: 原子間力顕微鏡 / プローブ / ダイヤモンド薄膜 / PZT圧電薄膜 / 変位センサ / アクチュエータ / ナノ計測 / 超微細加工

Research Abstract

耐摩耗性に優れたダイヤモンドAFMプローブを搭載し、(1)ナノメータレベルの微細加工が行え、(2)AFM計測機能によって加工前後の表面形状の評価をin situで行える"多機能ナノ計測-体型超微細加工システム"の開発を行った。
1.デバイス形成のための要素技術の確立
プローブのベース材料であるダイヤモンド薄膜上へのペロブスカイトPZT圧電薄膜の形成実験を行った。ダイヤモンド薄膜の表面が凹凸面であるために、形成したPZT薄膜の圧電定数は20pC/N程度と小さかった。これを、ポーリング処理によって圧電定数を約65pC/Nまで改善できることを見いだした。SF_6ガス中の反応性イオンエッチングによってダイヤモンド薄膜上のPZT薄膜をダイヤモンド層に影響なしにパターニングできることを明らかにし、その適正条件を見いだした。
2.センサ/アクチュエータ搭載ダイヤモンドAFMプローブの実現と性能評価実験
カンチレバー形状をもつプローブの自由振動モデルによる理論解析を行い、PZT薄膜の圧電定数を与えたときのプローブの変位計測性能および加工用駆動性能の予測法を確立した。これらの理論解析に基づいてプローブ形状を決定し、これまでのプロセス技術を集積してAFMプローブデバイスのマイクロファブリケーションプロセスを確立した。これによってプローブを試作した。市販AFM装置の3次元駆動機構上への試作ダイヤモンドプローブ搭載機構を作製するとともに、変位計測および駆動力印加のための制御・駆動電子回路およびソフトウェアを開発した。試作プローブに関して、変位分解能と加工駆動力の最初のデータを取得した。

Research Products

• [Publications] Takayuki Shibata: "Micromachining of Diamond Thin Film"New Diamond and Frontier Carbon Technology. 10・3. 161-175 (2000)
• [Publications] Kazuya Unno, Takayuki Shibata, Eiji Makino: "Micromachining of diamond probes for atomic force microscopy applications"Sensors and Actuators. A88. 247-255 (2000)
• [Publications] 牧野英司, 柴田隆行: "マイクロファブリケーション概論"セラミックス. 36・3. 124-127 (2001)
• [Publications] Kazuya Unno, Yasutaka Kitamoto, Takayuki Shibata, Eiji Makino: "Smart nano-machining and measurement system with semiconductive diamond probe"Smart Materials and Structures. 10. 730-735 (2001)
• [Publications] T.Shibata: "Micromachining of CVD Diamond for MEMS Applications"Proceedings of 6th Applied Diamond Conference/2nd Frontier Carbon Technology (ADC/FCT2001) (Auburn, Alabama USA). 98-103 (2001)