JP2000243700A

JP2000243700A - 親水性を有するシリコン基板およびその製造方法

Info

Publication number: JP2000243700A
Application number: JP11044269A
Authority: JP
Inventors: Toru Nakamura; 徹中村; Akiko Miyagawa; 晶子宮川; Kazunori Ohashi; 一記大橋
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1999-02-23
Filing date: 1999-02-23
Publication date: 2000-09-08

Abstract

(57)【要約】【課題】親水性の優れたシリコン基板を得る【解決手段】本発明のシリコン基板は、シリコンから
なる基板上にスパッタリング法により形成された無機酸
化物を含む薄膜を有するものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、親水性を有するシリコ
ン基板およびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来からシリコン基板を接合する場合に
おいて、密着強度を高めるために基板の接合面を親水化
することが行われている。また、バイオ素子の作製にお
いては、リポソームの吸着性を高めるために素子表面を
親水化することが行われている。

【０００３】更に、積層パターン化無機酸化物膜を形成
する場合においても無機酸化物層をゾル−ゲル法で形成
する場合には、膜の表面を親水化させることが行われて
いる。このようにシリコン基板表面の親水化処理は、シ
リコン基板の接合やバイオ素子の作製、または積層パタ
ーン化無機酸化物膜の形成等の分野において必要とされ
る技術である。

【０００４】シリコン基板の親水化処理法としては、様
々な方法が採用されている。例えば特開平５−６９９４
号公報には、シリコン基板を過酸化水素水と硫酸の混合
溶液に浸漬することで基板表面を親水化し、バイオ素子
を製造する方法が記載されている。また、特開平５−９
７４０７号公報には、白金を蒸着し親水化を行いパター
ン化無機酸化物膜を製造する方法が記載されている。ま
た、特開平５−８２４０４号公報には、シリコン基板を
接合する場合、接合面をプラズマ処理により親水化する
方法が記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、これら従来の
方法で表面が親水化されたシリコン基板は、その親水化
の程度が不十分であった。更に、親水化処理後の経時変
化が大きく、処理直後には優れた親水性を示す表面が得
られても数時間乃至数日後には親水性が失われるという
問題もあった。

【０００６】本発明は、優れた親水性が長期間に渡って
持続する処理が行われたシリコン基板およびこの製造方
法を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、長期間に
渡り優れた親水性を持続することが可能なシリコン基板
表面の親水化方法を鋭意検討した。その結果、シリコン
基板上にスパッタリング法により無機酸化物を形成した
膜が優れた親水性を長期間に渡って持続することを見い
出した。

【０００８】また、無機酸化物が二酸化珪素である場
合、及び特殊なスパッタリング法による成膜を行った場
合、特に優れた親水性が半永久的に持続することをも発
見した。そこで本発明は第一に、「シリコンからなる基
板上にスパッタリング法により形成された無機酸化物を
含む薄膜を有することを特徴とする親水性を有するシリ
コン基板（請求項１）」を提供する。第二に、「前記
親水性を有するシリコン基板は半導体素子またはバイオ
素子であることを特徴とする請求項１記載のシリコン基
板（請求項２）」を提供する。

【０００９】第三に、「前記無機酸化物を含む薄膜の膜
厚が約１０Å〜１０μｍであることを特徴とする請求項
１、２記載のシリコン基板（請求項３）」を提供する。
第四に、「スパッタリング法により無機物質を飛散させ
該無機物質をシリコンからなる基材上に付着させる付着
工程と、前記基材上に付着された無機物質と反応ガスを
反応させ前記無機物質を無機酸化物にする反応工程を有
ることを特徴とする親水性を有するシリコン基板の製造
方法（請求項４）」を提供する。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のシリコン基板の親水化方
法は、図１に示す様にシリコン基板１の上にスパッタリ
ング法により無機酸化物層２を形成することに特徴を有
するものである。本発明で使用可能な無機酸化物に特別
な制限はないが、例えば酸化チタン、酸化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウム、酸化マグネシウム、酸化珪素等
が使用可能である。特に、二酸化珪素を使用した場合に
親水化の効果は大きくなる。

【００１１】無機酸化物の膜厚にも特別な制限はない
が、数原子層（約１０Å以下）の極薄い厚さから１０μ
ｍ程度までのかなり広い膜厚の範囲で優れた親水性が得
られる。また無機酸化物を成膜するスパッタ方法に特別
な制限はないが、スパッタリング法により無機物質を飛
散させ、該無機物質を前記シリコン基板上に付着させた
後に、基材表面に付着した無機物質を反応ガスと反応さ
せ、前記無機物質を無機化合物にする工程を有するスパ
ッタリング方法が有効である。この方法で得られた無機
化合物は、特に優れた親水性及びその持続性を示す。

【００１２】図２は本発明の親水性薄膜の成膜に使用可
能なスパッタリング装置を上方から見たときの概略の構
成を示す断面図である。図２に示す通り、スパッタリン
グ装置のチャンバー内のほぼ中央には、薄膜が成膜され
る基板１３が設置される円筒状の基板ホルダー１２が設
けられている。基板ホルダー１２の直径は約５０ｃｍで
あり、高さは約５０ｃｍである。基板ホルダー１２は、
中心軸を中心に回転可能なように設置されており、高速
回転も可能になっている。また基板ホルダー１２は、複
数の基板が設置可能である。

【００１３】またこのスパッタリング装置に設置されて
いる基板ホルダー１２の周囲は、マスク１４によって区
切られた４つの部屋が設けられている。このうち基板１
３の表面に親水性薄膜となる物質を付着させるための部
屋として、成膜室１５、１６が２個所に設置されてい
る。図２に示すように成膜室１５、１６には、それぞれ
スパッタリングガスの導入口１９、２０が設けられてい
る。

【００１４】また本発明で使用可能なスパッタリングガ
スとしては、ヘリウムガス、ネオンガス、アルゴンガ
ス、クリプトンガス、キセノンガス等があげられる。ま
た成膜室１５、１６には金属ターゲット１７、１８が設
置されている。金属ターゲット１７、１８の材料として
は、Ｓｉ、Ａｌ、Ｚｒ、Ｔｉ、Ｍｇ等を用いることがで
きるが、これらに限定されるものではなく、膜の性能に
合わせて他の材料を選択することが可能である。また金
属ターゲットとしては、単結晶、多結晶またはこれらの
混合状態のものが使用可能である。

【００１５】成膜室１５に導かれたスパッタリングガス
は、グロー放電によってイオン化される。成膜室１５に
隣接する場所には、反応室２１が設けられている。図２
で基板ホルダー１２は、時計まわりに回転するが、成膜
室１５で所望の金属材料が付着された基板１３は、その
後、基板ホルダー１２が回転することで反応室２１に移
動させられる。

【００１６】反応室２１には反応ガスの導入口２２が設
置されており、この導入される反応ガスにより基板表面
に付着した物質を酸化し、基板表面に酸化物を形成す
る。反応ガスとしては、酸素ガスが用いられ、金属ター
ゲットの材料の種類により酸化珪素、酸化ジルコニウ
ム、酸化チタン、酸化アルミニウム等の化合物からなる
薄膜を形成することが可能であるが、これらに限定され
るものではない。

【００１７】スパッタリング装置内は、３．０×１０^-5
Ｔｏｒｒ以下に減圧されている。図２の２３の領域は前
記説明のスパッタリングでは未使用の領域であるが、ス
パッタリングの効率をさらに向上させる必要がある場合
には、成膜室または反応室として利用することも可能で
ある。尚、成膜室１５と反応室２１の間には、スパッタ
リングガスと反応ガスが混ざり合わないようにマスク１
４が取り付けてある。

【００１８】次に前記したスパッタリング装置を用い
て、シリコン基板上に親水性薄膜を形成する方法につい
て説明する。本発明では、親水性薄膜となる物質をシリ
コン基板表面に付着させた後、これに反応ガスを作用さ
せて酸化し、付着した物質の酸化物を形成させる工程を
連続して行い、親水性薄膜を形成するものである。本発
明のような連続した工程は、前記した中心軸を中心とし
た回転が可能である円筒状の基板ホルダー１２により実
現することが可能になっている。この基板ホルダー１２
は、５０〜１５０ｒｐｍの速度で回転させることが可能
であるが、本発明に係わる親水性薄膜の形成では、約１
００ｒｐｍ以上が好ましい回転速度である。

【００１９】成膜室１５において前記のようにイオン化
されたスパッタリングガスは、金属ターゲット１７に入
射する。これにより金属ターゲット１７を構成する材料
の金属原子が金属ターゲット１７から叩き出される。こ
のとき、基板ホルダー１２に装着されている基板１３が
成膜室１５に達すると、金属ターゲット１７から叩き出
された金属原子がシリコン基板１３表面に付着する。付
着した金属原子からなる膜の膜厚は、基板の回転速度や
成膜室１５の通過回数等により制御可能である。

【００２０】成膜室１５内で金属原子が表面に付着され
たシリコン基板１３は、軸回転する基板ホルダー１２と
共に反応室２１に移動する。反応室２１には、前記した
ように反応ガスの導入口２２から反応ガスが導かれてお
り、反応ガスは高周波コイル（不図示）によりプラズマ
状になっている。そして、移動してきた基板１３が反応
室２１を通過するときに基板１３上に付着した金属原子
と、イオン化された反応ガスとが反応し無機化合物薄膜
が形成される。

【００２１】反応ガスとしては酸素を用いることが好ま
しいが、これに限定されるものではなく、酸素と他のガ
スの混合ガスの中から自由に選択することができる。ま
た親水性の持続期間をさらに延ばす目的で、無機酸化物
層形成前に、シリコン基板に前処理を行っても良い。前
処理としては特別の制限は無いが、酸性あるいはアルカ
リ性溶液への浸漬や、酸素プラズマ処理などを挙げるこ
とができる。

【００２２】本発明のような方法は、バイオ素子の表面
の親水化やシリコン基板を接合する場合の接合面の親水
化、または積層パターン化無機酸化物膜の形成に応用で
きる。

【００２３】

【実施例１】本実施例では、図２に示すスパッタリング
装置を用い、シリコン基板１３上に酸化珪素系物質（例
えば二酸化けい素や一酸化けい素）からなる親水性薄膜
を形成する場合について説明する。また、本実施例は酸
化珪素系物質の単一物質からなる薄膜を形成することか
ら、成膜室は１５のみを使用する。成膜速度を速くした
い場合、図２の成膜室１６にターゲット１８を設置する
ことも可能である。更に、図２の２３の領域を反応室と
して用いることにより反応効率を高めることも可能であ
る。

【００２４】本実施例では、シリコンウエハを基板とし
て使用した。金属ターゲット１７には多結晶Ｓｉを使用
し、酸化珪素系物質からなる親水性薄膜をシリコンウエ
ハ上に直接に成膜することにした。真空槽内の圧力は、
３．２×１０^-3Ｔｏｒｒに設定し、スパッタリングガス
としてはアルゴンガスを用い、流量を７００ｓｃｃｍに
設定し、導入口１９から成膜室１５に導入した。導入し
たアルゴンガスをグロー放電によりイオン化し、多結晶
Ｓｉターゲット１７に入射させた。スパッタリング電力
は４ｋＷに設定した。

【００２５】アルゴンイオンの入射によりスパッタリン
グされたＳｉ原子は、高速で回転する基板ホルダー１２
に保持されたシリコンウエハ１３の表面上に数原子層程
度の厚さで付着する。本実施例において、成膜室１５を
１回通過したときのＳｉ原子の付着した層の膜厚は１０
Å以下であった。このときの基板の温度は室温程度であ
る。また基板ホルダー１２の回転速度は１００ｒｐｍに
設定した。

【００２６】前記の工程により成膜室１５において、数
原子程度の膜厚でＳｉ原子が付着したシリコンウエハ１
３は、高速で回転する基板ホルダー１２と共に反応室２
１に移動する。反応室２１には反応ガスである酸素が導
入口２２から導かれ、高周波放電により反応ガスがプラ
ズマ状になる。このときのプラズマ電力は１ｋＷとし
た。

【００２７】Ｓｉ原子が付着されたシリコンウエハ１３
は、反応室２１を通過するときに酸素プラズマに暴露さ
れる。ここで酸素プラズマとシリコンウエハ１３表面上
に付着したＳｉ原子が反応し、酸化珪素系薄膜が成膜さ
れる。この酸化珪素系薄膜の膜厚は、先にシリコウエハ
上に付着したＳｉ原子の成す膜と略同じ膜厚であった。

【００２８】前記のように酸化珪素系の薄膜が形成され
た基板１３は、高速で回転する基板ホルダー１２と共に
反応室２１から出て、再び成膜室１５に移動する。以上
のような成膜室から反応室への基板の移動により、数原
子程度の膜の形成を行うことができ、これを複数回繰り
返すことによりシリコンウエハ上に所望の膜厚の親水性
薄膜を成膜することが可能である。

【００２９】本実施例で得られた酸化珪素系からなる親
水性薄膜の水に対する静止接触角を測定した。測定には
協和界面科学株式会社製の接触角測定装置を用いた。そ
の結果、水の静止接触角は、測定限界値以下（つまり、
非常に静止接触角が小さい状態）であり、本測定装置で
は測定不能であった。従って、本実施例で形成した親水
性薄膜の水に対する静止接触角は、略０度であることが
確認された。そして水滴が垂らされた基板上を観察した
ところ、水は薄膜表面全体に拡がり、接触角は測定不能
であることが確認された。

【００３０】更に本発明者等は、親水性薄膜をシリコン
ウエハ上に成膜してから６ヶ月後に前記と同様の測定方
法で静止接触角を測定した。その結果、成膜後６ヶ月の
測定結果は、成膜直後の測定結果と全く同じ結果であ
り、優れた親水性が持続していることが確認された。

【００３１】

【実施例２】実施例１と同様に図２に示すスパッタリン
グ装置を用い、基板も同様なものを用いた。本実施例で
は、親水性薄膜としてジルコニウムからなる膜を成膜し
た。ターゲット１７には多結晶Ｚｒを使用した。

【００３２】スパッタリングガスとして用いるアルゴン
ガスは導入口１９から成膜室１５にそれぞれ導かれイオ
ン化される。このときのアルゴンガスの流量は、３９０
ｓｃｃｍに設定した。本実施例では、最初にシリコンウ
エハ１３上に酸化ジルコニウムからなる薄膜を形成させ
る。まずグロー放電により、成膜室１５内にイオン化さ
れたアルゴンガスを発生させる。このアルゴンイオンを
多結晶Ｚｒターゲット１７に入射させる。アルゴンイオ
ンの入射によりスパッタリングされたＺｒ原子は、基板
ホルダー１２に保持されたシリコンウエハ１３上に付着
する。本実施例では、付着により形成された膜の膜厚を
数原子程度とした。付着時の基板の温度は室温程度とし
た。またＺｒターゲット１７のスパッタリング電力は
２．６０ｋＷとした。

【００３３】基板ホルダー１２の回転数は、Ｚｒ原子を
数原子層だけ付着させるために１００ｒｐｍとした。こ
の回転により、成膜室１５から反応室２１への基板１３
の移動を行うことが可能となり、また回転速度が高速で
あるため、付着する膜の膜厚を非常に薄くすることが可
能となる。反応ガスである酸素は、導入口２２から反応
室２１に導かれた後、高周波放電によりプラズマ状にな
る。このときのプラズマ電力を１．２ｋＷとし、酸素ガ
スの流量は１２０ｓｃｃｍ、真空槽内の圧力は３．２×
１０^-3Ｔｏｒｒとした。

【００３４】Ｚｒ原子が数原子程度の膜厚で付着したシ
リコンウエハ１５は、１００ｒｐｍで回転している基板
ホルダ１２と共に回転し、成膜室１５を出て反応室２１
に入り、反応室２１を高速で通過していく。このとき、
反応室２１内に存在している酸素プラズマに暴露され、
酸素プラズマとＺｒ原子が反応することにより酸化ジル
コニウム薄膜が形成される。この酸化ジルコニウム薄膜
の膜厚は、酸化前の金属Ｚｒの付着した状態での膜厚と
略同じであった。

【００３５】本実施例では、前記の酸化ジルコニウム薄
膜の形成を繰り返すことにより、シリコンウエハ上に所
定の膜厚の酸化ジルコニウム薄膜を形成することができ
る。言うまでもなく、酸化ジルコニウムの形成回数を多
くすれば、膜厚の厚い膜を得ることが可能となる。本実
施例で得られた親水性酸化ジルコニウム膜の水への接触
角を実施例１と同様な方法で測定した結果、実施例１と
同様に測定限界値以下であり、測定不能であった。そこ
で、同様に前記親水性薄膜上に水を一滴滴下して観察し
たところ、水は薄膜表面全体に拡がり、接触角は測定不
能（実質的に０度）であることが確認された。

【００３６】更に親水性酸化ジルコニウム膜を成膜して
から６ヶ月後に前記と同様の方法で水の静止接触角を調
べた。その結果、成膜直後とまったく同じく測定不能で
あり、親水性が低下していないことが確認された。また
本実施例では、基材表面に直接、スパッタリングにより
親水性薄膜を成膜したが、基材上に別の膜を形成した
後、この上にスパッタリングによる親水性薄膜を形成し
てもよい。

【００３７】

【発明の効果】本発明の親水化方法によれば、シリコン
基板の表面を接触角の測定限界以下にまで親水化するこ
とができ、さらにその親水化状態を６ヶ月以上の期間に
亘って持続させることができる。従って、本発明によれ
ば、シリコン基板表面の親水化状態を長期間持続できる
ので、優れた密着性を実現することができる。よって、
接合強度の高いシリコン基板が得られる。

【００３８】また、本発明によれば、バイオ素子の製造
にあたり、リポソームの吸着性を高めることができる。
そのためより情報処理機能の優れたバイオ素子が得られ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明の親水化されたシリコン基板の概略
の構成を示す断面図である。

【図２】は、本発明の親水性薄膜のスパッタリング装置
を上から見たときの概略を示す平面図である。

【符号の説明】

１・・・シリコン基板２・・・無機酸化物層１０・・・スパッタリング装置１１・・・チャンバ１２・・・基板ホルダ１３・・・基板１４・・・マスク１５・・・第一成膜室１６・・・第二成膜室１７・・・第一金属ターゲット１８・・・第二金属ターゲット１９・・・スパッタリングガス導入口２０・・・スパッタリングガス導入口２１・・・反応室２２・・・反応ガス導入口２２ａ・・反応室と反対の側２３・・・空間

フロントページの続きＦターム(参考） 4K029 AA06 BA43 BA44 BA46 BA48 BD00 BD01 CA05 EA01 GA02 5F103 BB22 DD30 GG10 HH03 LL20 PP20

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコンからなる基板上にスパッタリン
グ法により形成された無機酸化物を含む薄膜を有するこ
とを特徴とする親水性を有するシリコン基板。
【請求項２】前記親水性を有するシリコン基板は半導
体素子またはバイオ素子であることを特徴とする請求項
１記載のシリコン基板。
【請求項３】前記無機酸化物を含む薄膜の膜厚が約１
０Å〜１０μｍであることを特徴とする請求項１、２記
載のシリコン基板。
【請求項４】スパッタリング法により無機物質を飛散
させ該無機物質をシリコンからなる基材上に付着させる
付着工程と、前記基材上に付着された無機物質と反応ガ
スを反応させ前記無機物質を無機酸化物にする反応工程
を有ることを特徴とする親水性を有するシリコン基板の
製造方法。