JP2005337756A - マルチプローブ、これによって形成されるマルチセンサおよびマルチプローブの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 物理現象または化学現象の三次元画像化手段に利用可能なマルチプローブを提供するとともに、物理現象または化学現象の定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性を有するこれによって形成されるマルチセンサを提供することを目的とする。
【解決手段】 半導体基板１の拡散層を下地として結晶成長させた突起（プローブ）を複数有するマルチプローブであって、異なる高さを有するプローブ２が配列されて形成されることを特徴とする。前記半導体基板１に、少なくとも１以上の増幅回路あるいは／および信号処理回路３を形成することを特徴とする。前記マルチプローブによって形成されるマルチセンサであって、前記プローブの内の少なくとも１つの先端部４に所定の処理を施すことによってセンシング部を形成することを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、物理現象または化学現象の三次元情報を得ることが可能なマルチプローブおよびこれによって形成されるマルチセンサに関し、例えば、溶液のｐＨ、圧力、磁界、あるいは温度の三次元分布など、様々の物理現象または化学現象を定量化することが可能なマルチプローブおよびこれによって形成されるマルチセンサに関する。

近年、環境あるいは医療の分野を含め各種の分野において、濃度、温度、磁気、圧力、加速度、速度、音波、超音波、酸化還元電位、反応速度など様々な物理現象または化学現象の高速処理化あるいは画像化の要請が高まっている。

こうした要請に対して、従来、例えば水素イオン濃度（ｐＨ）の測定などにおいては、イオン感応性電界効果型トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）を用いた検出手段が用いられ、二次元情報を基に溶液あるいは生体などにおける物理現象または化学現象であるｐＨなどの分布状態を画像化することで、各種の分析・解析試料として有用されている。

また、昨今特に微細領域での測定の要請が強まっていることから、プローブと信号処理回路が一体になっているマルチプローブタイプのセンサが提案されている。具体的には、図５に示すように、半導体基板１上に、多数の針状突起からなるプローブ２と、各プローブ２から入力された電気信号を処理する信号処理回路３とが形成されたマルチプローブがある。このセンサは、信号処理回路３のスイッチアレイとして、ＮＭＯＳＦＥＴを各プローブ２ごとに備えている。各プローブ２は、ＮＭＯＳＦＥＴのドレイン（高濃度拡散層）を下地として結晶成長させた突起である。ここでは、突起の形成をＶＬＳ（Ｖａｐｏｒ−Ｌｉｑｕｉｄ−Ｓｏｌｉｄ）法を用いることで、従来よりもプローブの形成方法が簡単で、かつプローブの直径および隣り合うプローブの間隔がより小さいものを作製することが可能となる（例えば特許文献１参照）。
特開２０００−３３３９２１号公報

しかしながら、昨今の物理現象または化学現象の測定には、従来のような平面的な測定だけではなく三次元の測定情報が必要とされ、測定手段としても、同時に三次元情報が連続的に得られる方法の要請が強くなってきた。

具体的には、溶液中の物理現象または化学現象の三次元解析では、従来、液面に対して水平な２次元情報あるいは垂直な二次元情報、さらにはこれらの情報を組合せて三次元情報を作成する方法が採られているが、溶液内における急激な変化が生じた場合には、情報の時間的ズレの問題を無視することができず、正確な情報を得ることが難しい。

一方、微小部分に対する三次元情報も物理現象または化学現象を把握する上では欠かすことのできず、特に素材あるいは細胞の内部などの情報を得たい場合であっても従来の方法では、直接測定することが難しかった。

そこで、この発明の目的は、物理現象または化学現象の三次元画像化手段に利用可能なマルチプローブを提供するとともに、物理現象または化学現象の定量化を行い、高い測定精度および優れた応答性を有するこれによって形成されるマルチセンサを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ねた結果、以下に示す測定方法あるいは測定装置によって上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成するに到った。

上記目的を達成するため、本発明は、半導体基板の拡散層を下地として結晶成長させた突起（プローブ）を複数有するマルチプローブであって、異なる高さを有するプローブが配列されて形成されることを特徴とする。

物理現象または化学現象を三次元画像化するためには、三次元情報を同時かつ迅速に入手できることが好ましく、複数のプローブの先端部が三次元空間に分割的に配置された本発明に係るマルチプローブによれば、こうした条件を満たすことができ、容易に物理現象または化学現象の三次元画像化を図ることができる。また、本発明によれば、複数のプローブ状の先端部に所定の機能を付加することが可能であり、各プローブの先端部が特定点のみにおいて作用し他の点に影響を及ぼすことなく、特定点における機能が及ぼす作用あるいは特定点における検出を容易に行うことが可能となる。さらに、プローブをＶＬＳ法など微細な構造を有する結晶を成長させる方法を適用することによって作製することで、従来困難であった、非常に微細な領域の物理現象または化学現象の三次元画像化を図ることができる。このように、本発明に係るマルチプローブを利用すれば、物理現象または化学現象の三次元画像化を容易に行うことができる。

また、本発明は、前記半導体基板に、少なくとも１以上の増幅回路あるいは／および信号処理回路を形成することを特徴とする。

上記のように、本発明に係るマルチプローブにおいては、プローブ先端部という非常に極小化された部位に機能が集約される場合があることから、先端部からの信号量は非常に微小となる。従って、マルチプローブからの出力を利用する上では、こうした信号に対する外部からの影響（以下「外乱」という。）をできる限り受けない構成をすることが好ましい。本発明においては、半導体基板に少なくとも１以上の増幅回路あるいは／および信号処理回路を形成することによって、各プローブからの微小出力を前置的に安定化された信号に変換し、その信号を送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。

さらに、本発明は、前記マルチプローブによって形成されるマルチセンサであって、前記プローブの内の少なくとも１つの先端部に所定の処理を施すことによってセンシング部を形成することを特徴とする。

上記のように、本発明に係るマルチプローブは、物理現象または化学現象の三次元画像化を図る上で非常に有力手段であり、これを特定の物理現象または化学現象の測定技術と組合せることで、物理現象または化学現象の定量化における正確な三次元情報を得ることが可能となる。特に、プローブ先端部という非常に極小化された部位にセンシング部を形成することによって、高い測定精度および優れた応答性を有する、三次元測定が可能なマルチセンサを提供することができる。

本発明は、前記マルチプローブの製造方法であって、前記プローブの内、少なくとも１つの同じ高さのプローブごとに結晶成長を形成することを特徴とする。従来、ＶＬＳ法によってプローブを作製する場合において、同一高さのプローブを形成するように制御することは比較的容易であるが、半導体基板の異なる部位に異なる高さのプローブとなるように形成することは非常に困難であった。本発明においては、最小１つずつ、あるいは少なくとも同じ高さのプローブごとにプローブの長さを制御し結晶成長を形成することによって、任意の高さのプローブの形成が容易になり、上記の最適位置に配されたマルチプローブを作製することができる。

以上のように、本発明に係るマルチプローブを利用すれば、従来困難であった、同時性および連続性の高い、物理現象または化学現象の三次元画像化を容易に行うことができる。また、本発明に係るマルチセンサによって、高い測定精度および優れた応答性を有する、三次元測定が可能となる。従って、溶液あるいは生体などの三次元情報が必要とされる分野において特に有用性が高い。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
図１は、この発明に係るマルチプローブの基本的な構成を例示している。

図１において、半導体基板（シリコン基板）１上に、高さの異なる多数の針状突起からなるプローブ２が形成されている。このとき、形成されたプローブ２は、その表面あるいは内部に所定の処理を施すことによって、物理現象または化学現象に対して特定の機能を有することができる。対象となる物理現象または化学現象としては、電位、濃度、密度、流量、温度、磁気、光、圧力、化学反応、高分子の重合度、などが挙げられる。

また、プローブ２は、先端部４のみが特定機能を有する場合だけではなく、プローブの側面部５も同様の機能あるいは異なる機能を有することも可能である。さらに、プローブ２自体が例えばｐＨセンサとなるなど特定の機能を有する場合だけでなく、例えば、プローブ２を光路として利用し対照物の物理現象または化学現象の起因となる光を照射する場合などのように、種々の利用方法が考えられる。しかし、いずれにおいても、物理現象または化学現象の三次元画像化を図る手段としてのマルチプローブの基本的な構成は、図１に示すように共通に用いることができる。また、プローブの形状は、円筒状あるいは先端部の外径が小さくなるテーパ状やその逆テーパ状など目的にあった任意の形状を選択することが可能である。プローブの作製方法についても、後述するＶＬＳ法のみならず、他の液相エピタキシー法や低い高さのプローブであれば気相エピタキシー法なども利用することによって微細な構造を有する結晶を成長させる方法を適用することが可能である。

さらに、特定の機能が形成されたプローブ２の先端部あるいは側面部以外の部分を、絶縁体や保護膜などによって被覆することによって、プローブ２の汚染や劣化等の防止や外乱の影響等の防止を行うことができる。

このうち、プローブ２に所定の処理を施すことによってセンシング部４を形成し、マルチセンサとすることが好適である。特に、後述する具体例のように、プローブ先端部という非常に極小化された部位にセンシング部を形成することによって、高い測定精度および優れた応答性を有する、三次元測定が可能なマルチセンサを提供することができる。

また、半導体基板１には、各種の回路を形成することが可能であるが、例えば、マルチプローブをマルチセンサとして使用する場合には、少なくとも１以上の増幅回路あるいは／および信号処理回路を形成するが好ましい。各プローブからの微小出力を前置的に安定化された信号に変換し、その信号を送信・出力することによって、外乱影響の少ない、精度・安定性の高い出力を得ることができる。特に、増幅回路（オペアンプ）を用いたインピーダンス変換回路の形成は、溶液測定や細胞内測定のように、対象物が物理的あるいは化学的に変動することから、各種の外乱の発生が生じ易い条件にあっては非常に有効である。また、信号処理回路の形成は、安定した出力だけではなく、マルチセンサの独立性を高め、無線送信など測定装置の構成に対し汎用性を高めることが可能となる。

図２は、これを２または３種類の高さを有したプローブ２が一定の配列を形成しているタイプのマルチプローブの上視図および斜視図を例示する。図２（Ａ）は、２種類の高さを有する場合、図２（Ｂ）は、３種類の高さを有する場合を示している。こうした配列によって、先端部あるいは側面部が三次元空間をほぼ満たす状態を形成することができる。従って、このように数種の高さを有するプローブを均等に配列することで、三次元空間の均一機能分布を形成することができる。なお、高さの種類を増やすことによって、より精緻な分布情報を得ることが可能であり、図２の構造・配置に限定されないはいうまでもない。

図３に、マルチプローブの製造プロセスを例示する。ここでは、既に半導体回路が形成された基板上にマルチプローブを形成する工程を説明するが、先ずマルチプローブを形成した後半導体回路を形成する場合など種々の工程の選択することが可能である。なお、図３では、ｎ＋（高濃度拡散層）からなるドレイン６にプローブを形成する場合を示している。

（ａ）ｐ型のシリコン基板１上に、信号処理回路が形成され、さらに酸化膜（ＳｉＯ_２）７によって被覆された状態を示している。また、本工程では、通常の回路形成に用いられる保護膜の形成などの工程を省略したが、必要に応じて各種工程の追加・順序の変更などが可能であることはいうまでもない。

（ｂ）エッチング工程を行うことにより、ＳｉＯ_２膜７、ドレイン６の中心位置に、シリコン基板１まで達する開口部８を形成する。開口部７の大きさは、形成するプローブ２の太さよりも大きくする必要があるが、プローブ２の断面積の１．１倍〜５０倍程度にすることで好適なプローブ２の位置精度を確保することができる。

（ｃ）さらに、シリコン基板１のドレイン６の開口面にＡｕ薄膜９を形成する。ここで形成するＡｕ薄膜９の厚さは、成膜温度、成長させるプローブ２の太さによって変える必要があり、例えば、Ａｕ薄膜９の成膜温度が７００℃で、直径数μｍのプローブ２を形成する場合には、Ａｕ薄膜９の厚さを１０〜１００ｎｍとすることが適当である。Ａｕ薄膜９の形成は、シリコン基板１全体にレジスト膜を形成した後に行い、リフトオフ法によりレジスト膜とともにすべて除去し、ドレイン６の開口面に形成されたＡｕ薄膜９のみを残す方法なども可能である。

（ｄ）ドレイン６のＡｕ薄膜９の部分に、ＶＬＳ成長法によりシリコンをエピタキシャル成長させる。すなわち、シリコン基板１を、ＳｉＨ_４やＳｉ₂Ｈ₆等のシリコンを含むガスの雰囲気中で、Ａｕ−Ｓｉ合金の共晶点よりも高い温度に加熱する。これにより、先ず、Ａｕ薄膜９の中心部に、Ａｕとドレイン６をなすｎ＋シリコンとの混合溶液からなる液滴が生じる。次に、ガスの熱分解で生じたシリコン原子がこの液滴に取り込まれて、液滴中のシリコン濃度が過剰となる。この過剰となったシリコンが、ドレイン６の表面からエピタキシャル成長する。その結果、単結晶シリコンからなる突起が得られる。このとき、突起の先端には、前記液滴の固化により、Ａｕ−Ｓｉ合金からなる半球状の合金部１０が形成される。この突起は、ドレイン６をなすｎ＋シリコンから成長しているため、シリコン基板１から直接成長させたものよりも導電性が高い。従って、この突起はそのままプローブ２として使用できる。また、その後の不純物拡散も目的により利用できる。

なお、上記実施形態では、プローブ２とする突起をドレイン６から結晶成長させているが、基板上の他の部位から結晶成長させてもよい。プローブ２とする突起を結晶成長させる下地は、センサの信号処理回路を構成する素子の高濃度拡散層が好ましく、ＮＭＯＳＦＥＴの部位以外に、ＰＭＯＳＦＥＴやＣＭＯＳＦＥＴのソースまたはドレイン、Ｂｉ−ＣＭＯＳやバイポーラトランジスタのエミッタまたはコレクタ、ダイオードのｎ＋層またはｐ＋層等が挙げられる。また、ＭＯＳトランジスタのゲート回路部に形成することも可能である。

また、結晶成長は、最小１つずつ、あるいは少なくとも同じ高さのプローブごとに突起の長さを制御しプローブ２を形成するが好ましい。このように制御することによって、任意の高さのプローブの形成が容易になり、所望のマルチプローブを作製することができる。

さらに、上述のようにマルチプローブの各突起の先端にはＡｕ−Ｓｉ合金からなる合金部があるため、ＡｕやＰｔあるいはＩｒなどを被覆あるいは担持されることによって各種のセンシング部を形成することが容易となる。図４はこうしたマルチプローブから形成された三次元マルチセンサの１つについての電位を測定する場合を例示している。複数のプローブ状のセンサ２’を配し、電源供給部１１から所定の電圧を印加し、そのときの各センシング部電位の変化を電流値の変化として検出手段１２によって取り出し、三次元的に電位の変化を把握することができる。

上記のように、本発明に係るマルチプローブを用いることによって、物理現象または化学現象を容易に三次元画像化することができる。また、マルチセンサとして物理現象または化学現象の定量化を行い、三次元の測定画像を得ることができる。

具体的には、プローブの特定領域の光透過性を活かし、プローブの側面をシールするとともに、プローブ先端からの光・電磁波の放射を行い、溶液等媒体を通過した光・電磁波の状態の観測によって溶液等の物理現象または化学現象を三次元的に把握する。例えば、マルチプローブを流路に投入し、外部に周波数測定手段を配置することで、ドップラー現象を利用した流路の流量分布を測定することが可能となる。

また、プローブ先端部にｐＨに感応する膜を固定化して形成したマルチセンサを溶液あるいは生体組織に投入し、試料中のｐＨの分布状態あるいはｐＨの変化を測定することによって、試料内部の状態を三次元的に把握することが可能となる。

以上、この発明は、広く溶液などサンプルのイオン濃度の三次元分布測定に好適に用いることができるほか、以下のような分野にも適用することができる。
（１）化学顕微鏡としての応用分野；イオン濃度計測・電気化学的分野、ガス分布計測分野・滴定の二次元的動的観察および解析
（２）環境計測・環境；バイオリメディエーションへの適用
（３）食品検査・食品、微生物
（４）ＭＥ分野・医学・生態組織；組織細胞表面および内部のイオン濃度計測、細胞表面および内部電位計測、ＤＮＡ計測
（５）バイオ分野
（６）動植物分野・植物；カルスの表面および内部電位分布計測・生物・正面図動物
（７）腐蝕計測分野・金属；金属腐蝕と塗装・コーティング
（８）ゼータ電位等表面解析・粉体、セラミックスのゼータ電位。

また、測定対象（サンプル）は、気体、液体、固体、粉体のいずれであってもよく、センサ部の特定感応層により選択的に反応する化学センシングと、物理的接触による界面現象に電荷変動をするあらゆる現象に適用でき、例えば液の流れや一瞬の化学反応の過渡現象の分布を高感度、高画質の化学画像として得ることができる。さらに、滴定現象のリアルタイム画像化から画像ソフトによる他の種類の解析、表示にも有用であり、携帯カメラにも有効である。

本発明に係るマルチプローブの基本的な構造を示す説明図。 本発明に係るマルチプローブの詳細を概略的に示す説明図。 本発明に係るマルチプローブの作製プロセスを示す説明図。 本発明に係るマルチセンサの全体構成を示す説明図。 従来のマルチプローブセンサの説明図。

符号の説明

１ 半導体基板（シリコン基板）
２ プローブ
３ 信号処理回路

Claims (4)

1. 半導体基板を下地として結晶成長させた突起（プローブ）を複数有するマルチプローブであって、異なる高さを有するプローブが配列されて形成されることを特徴とするマルチプローブ。
2. 前記半導体基板に、少なくとも１以上の増幅回路あるいは／および信号処理回路を形成することを特徴とする請求項１記載のマルチプローブ。
3. 請求項１または２記載のマルチプローブによって形成されるマルチセンサであって、前記プローブの内の少なくとも１つの先端部に所定の処理を施すことによってセンシング部を形成することを特徴とするマルチセンサ。
4. マルチプローブの製造方法であって、複数のプローブの内、少なくとも１つの同じ高さのプローブごとに結晶成長を形成することを特徴とするマルチプローブの製造方法。
   

Images