圧電膜を利用した原子間力の計測

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AFM(原子間力顕微鏡)の力検出系は、一般に試料表面からプロ-ブに働く力を変位に変換するカンチレバ-部とこの変位を検出して信号に変換する変位計とから構成されているため装置として複雑となっている。本研究ではAFMの簡略化,コンパクト化を図るべく、試料表面からの力の場を直接信号に変換する微小力センサ-プロ-ブを開発し、その基本的な特性を明らかにするとともに、原子間力の直接測定を行うことを目的とした。本研究で開発されたセンサ-の原理は共振力センサ-と同様で、系の機械的な共振周波数で強制振動された微小レバ-の先端に働く微小力場に応じて系の共振周波数が変化することを利用したものである。構造はSiを上台としたSiO_2薄膜のカンチレバ-上に電極/圧電膜/電極が形成されたものである。圧電膜にはマグネトロンスパッタリング法によるZnOーC軸配向膜とゾルゲル法によるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜を用いた。ZnO膜は比抵抗値、圧電特性ともある程度良好なものが得られた。PZT膜はペロブスカイト単一相が得られ、良好な強誘電性を示すことが確認された。圧電膜に上述のZnOのC軸配向膜を用いて次のようなプロセスでセンサ-の試作を行った。まず(100)Siウエハに熱酸化膜,電極/ZnO/電極を形成し、次にこれらのパタ-ニングを行い、最後にパタ-ン面とは逆の面から70〜80℃のKOH水溶液中でSiの異変性エッチングを行った。試作されたセンサ-の1次の機械的共振周波数はセンサ-の構造から計算される値とほぼ一致し、圧電膜からの電荷出力は機械的な共振特性と同様になった。またセンサ-のQ値は200程度になった。このセンサ-を上記の共振周波数で強制振動させてセンサ-と試料表面間に作用する力場を測定した結果、数10nmの領域で力場の作用が観察された。