圧電検出・駆動型ダイヤモンドマルチプローブを搭載した次世代ナノ加工・計測システム

2002 Fiscal Year Annual Research Report

• Project/Area Number: 13555068
• Research Institution: IBARAKI UNIVERSITY
• Principal Investigator: 柴田 隆行 茨城大学, 工学部, 助教授 (10235575)
• 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・技術一部, 係長(研究職) ; 林 照剛 茨城大学, 工学部, 助手 (00334011) ; 牧野 英司 弘前大学, 理工学部, 教授 (70109495)
• Keywords: 次世代ナノ加工計測システム / ナノリソグラフィ / 原子間力顕微鏡 / AFMプローブ / ダイヤモンド薄膜 / PZT薄膜 / アクチュエータ / センサ

Research Abstract

本研究では、圧電検出・駆動型ダイヤモンドAFMプローブを搭載した"次世代ナノ加工・計測システム"の開発を目的とした。得られた成果をまとめると以下のとおりである。
1.ダイヤモンドAFMプローブの開発
1)ダイヤモンド薄膜のマイクロマシニング技術を確立し、ダイヤモンドAFMプローブを開発した。具体的には、(1)選択成長法によるカンチレバー形状のパターニング技術、(2)異方性エッチングによって形成したSiモールドを利用したピラミッド形状のティップ形成技術、(3)アルミニウム薄膜を中間層に用いたダイヤモンド薄膜とガラス(Pyrex 7740)の陽極接合技術を組合せることでダイヤモンドAFMプローブ作製のためのバッチプロセスを確立した。
2)有限要素法によって最適なプローブ形状(V字型カンチレバー)を設計し、ばね定数1N/m、6N/mの2種類のダイヤモンドプローブを試作し、作製したダイヤモンドプローブによってAFM計測が可能であることを明らかにした。まだ、従来のSi_3N_4製プローブに対して耐摩耗性が飛躍的に向上することを確認した。
2.圧電検出・駆動型ダイヤモンドAFMプローブの開発
1)ダイヤモンド薄膜上にPZT圧電薄膜を形成するためのスパッタ条件およびアニール条件を明らかにした。アニール温度700℃、昇温速度10℃/s、保持時間10min、N_2雰囲気中でアニールを行うことによって、約25pC/Nの圧電定数をもつPZT薄膜の形成を可能とした。さらに、ポーリング処理によって圧電定数が約65pC/Nまで向上することを明らかにした
2)SF_6ガスを用いた反応性イオンエッチング(RIE)によってPZT薄膜のパターニング技術を確立した。
3)PZT圧電薄膜を搭載した圧電検出・駆動型ダイヤモンドAFMプローブの作製プロセスを確立した。
以上の結果をもとに、圧電検出・駆動型ダイヤモンドAFMプローブを試作し、その性能を評価した結果、AFM観察時の計測分解能0.4nm、加工時の発生力15μNが得られることを実験的に確認した。

Research Products

• [Publications] K.Unno: "Smart Nano-Machining and Measurement System with Semiconductive Diamond Probe"Smart Materials and Structures. 10・4. 730-735 (2001)
• [Publications] 柴田隆行: "ダイヤモンドMEMS"砥粒加工学会誌. 46・6. 286-289 (2002)
• [Publications] T.Shibata: "Characterization of Sputtered ZnO Thin Film as Sensor and Actuator for Diamond AFM Probe"Sensors and Actuators. A102・1-2. 106-113 (2002)