JP2005535137A - 基板上の層に少なくとも１つの小開口を作るための方法およびかかる方法で製造されたコンポーネントパーツ - Google Patents

Abstract

基板（１）、特に半導体基板上の層に少なくとも１つの小開口（１０）を作るための方法が開示されている。基板（１）は、先端部（４）と側壁（５）をもつ少なくとも１つのテーパ状くぼみ（６）がその上面側に設けられ、基板（１）の上面側（２）は、少なくともくぼみ（６）の領域において、エッチング可能材料でなる層（７）で被覆されている。本発明によれば、開口（１０）は、層（７）の材料に適合した異方性プラズマエッチング法によって層（７）を選択的に開口することによって上面側（２）から作られ、材料、エッチングガスおよびエッチングパラメータは、その先端部（９）が基板（１）の先端部（４）上に置かれている層（７）の先端部（９）の領域においては、基板（１）の側壁（５）上に置かれている層（７）の側壁（８）の領域におけるよりも大きなエッチングレートが得られるように選択されている。さらに、較正標準、屈曲ビームおよび本方法に従って製造される他のコンポーネントパーツが開示されている。

Description

本発明は、基板、特に半導体基板上の層に少なくとも１つの小開口を作るための方法であって、基板は先端部と側壁をもつ少なくとも１つのテーパ状くぼみがその上面側に設けられ、基板の上面側は少なくともくぼみの領域において、エッチング可能材料でなる層で被覆され、そのあと、層をエッチングすることによって開口が先端部の領域に作られることからなる方法に関する。

本発明の範囲に属するものとして本発明が関心を持つ開口とは、特に、ナノメートル(nanometer)範囲の直径または幅をもつ点状(punctiform)または線形(linear)開口（アパーチャ）のことである。このタイプの開口が要求される例として、走査ニアフィールド光学顕微鏡検査 (scanning near-field optical microscopy − SNOM) またはニアフィールド走査光学顕微鏡検査 (near-field scanning optical microscopy − NSOM) 用のプローブコンポーネントがある。すべての走査ニアフィールド手法におけると同じように、達成可能な解像度は、プローブ、特にプローブ開口のジオメトリ（幾何形状）と寸法、および表面からのプローブの間隔によって制限されている。サブウェーブ(sub-wave)解像度を達成するためには、プローブの発光または光検出領域は大幅に１μｍ以下、好ましくは１００ｎｍ以下の横寸法をもつことが必要である。

さらに、このタイプの寸法をもつ開口は、例えば、粒子フィルタ (particle filter)、ふるい (sieve)、透過膜 (permeable membrane)、光学空間フィルタ (optical space filter)、極小接点 (ultra-small contacting) および層を成すコンポーネントにおいて、さらには、他の多数のデバイスにおいて、例えば、半導体コンポーネントパーツの製造を目的としたエッチングマスクにおいて、応用すると利点が得られる。

最後に、走査プローブ顕微鏡検査法の分野では、一側が固定され、ニアフィールド光学デバイス用のナノメートル範囲の開口を有する屈曲ビーム(bending beam)（片持ちビーム）の形体をした３次元較正標準(three-dimensional calibration standard)とセンサが一般に要求されている。

小開口を作るために、テーパ状チャネル (tapering channel) または先端が下の倒立ピラミッド (inverse pyramid) の形をしたくぼみを基板の上面側に設け、先端まで到達し、小開口が先端の領域に作られるまでその下側から基板をエッチングしていくことは知られている（ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書）。この方法の重大な欠点は、通常の基板の厚さが大幅に変化し、その結果、その厚さ変化が約１０μｍにすでに達しているため、定義されたエッチングパラメータを適用したにもかかわらず、異なる直径または幅をもつ開口が作られ、および/またはくぼみの先端がまったく開口されないことである。従って、この方法は、正確に事前選択した寸法をもつ開口を再現可能に作るのには適していない。

別の公知方法（ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書）は、テーパ状くぼみと加熱二酸化シリコン層がその上面側に設けられているシリコン基板から出発している。開口を作るために、二酸化シリコン層がくぼみの先端の領域において異質性(inhomogeneities)を有し、くぼみの先端は、その裏側から基板を選択的にエッチングすることによって露出させ、そのあと、別のエッチングステップによって選択的に開口することが利用されている。この方法の１つの欠点は、開口をもつ露出先端が、基板の下側から突出するため、基本的にプレーンパラレル基板を必要とする応用ケースでは不適切であることである。さらに、この方法を使用して達成可能なのは、現時点では、約１５０ｎｍ−２００ｎｍ以上の開口幅または開口径に限られ、この方法が適用できるのは、例えば、熱加工された二酸化シリコン層をもつシリコン基板などの、特定の材料系に限られている。
ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書 ドイツ国特許出願第DE 42 41 045 C1号明細書 ドイツ国特許出願第DE 41 26 151 A1号明細書 ドイツ国特許出願第DE 42 02 447 A1号明細書 米国特許第5 116 462 A号明細書 米国特許第5 399 232 A号明細書

以上とは対照的に、本発明の基礎となっている技術的課題は、約１００ｎｍ以下の直径または幅をもつ小開口を、プレーンパラレル基板においても再現可能に作ることを可能にし、さらに、異種材料系で応用可能である、上述してきたタイプの方法を提供することである。

上記目的を達成するために、上述したタイプの方法は、本発明によれば、層の材料に適合した異方性プラズマエッチング法によって層を選択的に開口することによって上面側から開口が作られ、材料、エッチングガスおよびエッチングパラメータは、くぼみの先端部の領域においては、くぼみの側壁におけるよりも大きなエッチングレートが得られるように選択されることを特徴としている。

本発明によれば、走査プローブ顕微鏡検査法のために較正標準と屈曲ビームがさらに提案されており、どちらも、本発明による方法に従って作られた開口を備えている。屈曲ビームは、特にマイクロメカニカルセンサを製造するのに適している。

本発明は、本発明が関心を持つタイプの基板用の多数のコーティングにおいて、層が上面側からプラズマエッチングプロセスを受けたとき特有のエッチングレート角度分布 (etching rate angle distribution) が得られるという知識に基づいている。さらに、このエッチングレート角度分布は、選択したコーティングの結果だけではなく、例えば、エッチングプロセス過程で不活性化 (passivate) される層が、プラズマに直交する表面上の方がプラズマに対角する表面よりも薄く堆積されるという点で、局所的に形成されることも可能である。

これらの堆積の層厚さは、表面の向きに依存させることができる。さらに、プラズマエッチングプロセス過程での電位分布は、先端部の領域においては、側壁の領域におけるとは異なるエッチングレートが得られるような効果をもつことができる。異なるエッチングレートの上記および他の効果と原因はすべて、「エッチングレート角度分布」の個所では本発明の範囲に属するものとして結合されている。従って、本発明によれば、構造化基板(structured substrate)の上面側は、適当な組成、形態および厚さの層で被覆され、そのあと、適当なエッチングガスとパラメータ（具体的には、圧力、温度など）を使用してプラズマエッチング法を受けるようになっており、このプラズマエッチング法によれば、側壁の領域においてはそれぞれのエッチングレート角度分布を利用して、くぼみの先端部の領域におけるよりも大幅に低下したエッチングレートが得られるようにしている。その結果、現時点では、約９０ｎｍの直径または幅をもつ開口が得られることが可能になっている。

本発明のその他の利点のある特徴は、従属請求項に明確化されている通りである。

以下では、添付図面を参照して本発明の実施形態に関して詳しく説明する。

図１（ａ）乃至図１（ｆ）は、本発明による方法の第一実施形態を示す概略図である。第１方法ステップ（図１（ａ）と１（ｂ））において、基板１が構造化される。基板１は、ここでは、薄膜で基本的にプレーンパラレルの単結晶シリコンディスクとして存在しており、向きが(001)結晶面である上面側２と下面側３を有している。第１方法ステップで上面側２に得られた構造は、先端部４（頂点）と２側壁をもつ少なくとも１つのテーパ状くぼみ (tapering recess)６を含んでいる。このくぼみ６は、最初に、それ自体公知である方法で長方形の開口を有するマスクを上面側２に設け、次に、例えば、水酸化カリウム水溶液 (potassium hydroxide solution − KOH) を使用して前記マスク開口を通して異方性にエッチングすることによって得られる。このエッチングプロセス過程で、側面５は(111)の向きを得て、直線Ｖ形状のチャネルの形をしたくぼみ６が得られ、２側壁５間の開口角度は約７０．５°になっている。図１（ａ）と図１（ｂ）に示すように、くぼみ６は全長にわたっているが、好ましくは、基板１の全幅の一部だけにわたっている。図示していないマスキング層は、例えば、以前に堆積された二酸化シリコン (silicon dioxide − Si0₂)層または窒化シリコン (silicon nitride − SiNx) 層を含んでいる。

第２方法ステップにおいて、基板１は、例えば、約３００ｎｍ厚の二酸化シリコン層７でその構造化上面側２全体が被覆され（図１（ｃ））、これは、酸化手段として水蒸気を使用して、例えば、８００℃乃至１２００℃の温度で基板１を加熱酸化させるか、あるいは例えば、酸化二窒素 (N₂O)とシラン (SiH₄)をSiO₂と共に使用してＣＶＤ法（化学蒸着法 − chemical vapor deposition）でコーティングすることによって行われる。SiO₂層７は、必要ならば、約８００℃乃至９００℃の温度でチャネル構造の凹凸エッジの領域に異質特性をもたせることが可能である（例えば、ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書参照）。図１（ａ）と図２（ｂ）に示すくぼみの形状は、上述したコーティングプロセス期間にほぼ保たれるので、Ｖ形状に配置された対応する側壁８と先端部９は、層７の上面側に得られる。先行方法ステップで使用されたマスキング層は、SiO₂層７を形成する前に除去することができるが、残しておくことも可能である。

次に、基板１は、適当なプラズマエッチング法を使用してその上面側２から処理され、先端部９の領域の層７に貫通開口１０が設けられる（図１（ｄ）と図１（ｅ））。プラズマエッチングプロセスは、それ自体公知であり、図２に概略図で示す容量結合パラレルプレートリアクタ (capacitively coupled parallel plate reactor) によって実施される。このリアクタは、上部電極１２と下部電極１４をもつハウジング１１からなり、そこに基板１が配置されている。さらに、ガス供給口１５、ガス排出口１６および下部電極１４に接続された高周波ジェネレータ１７が存在し、このジェネレータは約１６０Ｗの出力と共に１３．５６ＭＨｚで動作する。

アルゴン(Ar)は５ｓｃｃｍで、トリフルオロメタン(trifluoromethane - CHF₃)は４．５ｓｃｃｍでガス供給口１５に供給される。約７５ｍＴｏｒｒの圧力が、ガス排出口を通してハウジング１１内に維持されている。図２に示すデバイスの動作中に発生するプラズマ１８により、基板１の直流バイアス電圧は２５０Ｖになる。

この実施形態では、エッチング持続時間は７分であり、SiO₂層の厚さは３００ｎｍである。その結果、層７の先端部９の領域（図１（ｃ））には、スロット状の開口１０（図１（ｄ）と図１（ｅ））が作られ、この開口は基板１の先端部４まで通り抜け、幅ｂ（図１（ｅ））は約９０ｎｍであり、この幅はくぼみ６の全長にわたってほぼ一定になっている。これは、上記のエッチングガスとエッチングパラメータが相互に対して整合されているため、SiO₂層７内では、このケースでは適切と認められている選択したプラズマエッチングプロセスに対して特有のエッチングレート角度分布が得られ、その先端部９の領域におけるSiO₂層７がその側壁８の領域におけるよりも大きなエッチングレートでエッチングされる結果によるものである。

開口１０が作られた後、その開口を備えたSiO₂層７は、基板１を通るようにSiO₂層７に形成された開口１０を継続し、長くすることを目的とした後続のディープエッチング(deep etching)ステップでエッチングマスクとして使用される。その結果、この方法ステップ（図１（ｅ）、１（ｆ））では、開口１０側に開き、開口１０とほぼ同じ幅の溝状ギャップまたはチャネル１９が基板１に得られる。

ディープエッチングは、例えば、図３に概略図で示すように、シリコンのディープエッチングに適している誘導結合プラズマエッチングデバイス(inductively coupled plasma etching device)を使用して行われる。このデバイスは、その上端が閉じ、ガス供給口２２を持つ垂直配置石英パイプ(quartz pipe)２１を備えたハウジング２０から構成されている。さらに、水冷ＨＦ巻線２３が石英パイプ２１の周囲に巻き付けられている。石英パイプ２１の下部の開端は、処理される基板１がそこに置かれている電極２４側に向いている。石英パイプ２１で囲まれ、基板１を取り巻いている空間は、ガス排出口２５を通して高出力ポンプに接続されている。電極２４のほかに、デバイスの動作中に基板１を、例えば、１０℃の温度に保つために冷却デバイス（詳細は図示されていない）が割り当てられている。

エッチングステップを実施するために、第一実施形態によれば、アルゴンは約２４ｓｃｃｍで、六フッ化硫黄(sulphur hexafluoride SF₆)は約１８ｓｃｃｍで、酸素(O₂)は約３０ｓｃｃｍで供給される。これにより、ハウジング２１内の圧力はガス排出口２５を通して１０ｍＴｏｒｒに設定される。巻線２３は、１３．５６ＭＨｚの周波数でもって６００Ｗで動作し、１２７Ｖの直流バイアス電圧が形成されたプラズマによって発生または設定される。基板温度は１０℃に維持される。エッチング持続時間は約２分である。

別の方法として、それ自体公知であるディープエッチング法を適用し、エッチングステップと重合ステップを交互に続けることによって広範囲な異方性ディープエッチングを得ることも可能である。エッチングステップは、開口１０の下に位置している基板１のゾーンを断面全体にわたってエッチングすることを目的としている。他方、重合ステップ期間には、基板１に形成される構造の側面限界（これは開口１０によって規定されている）にポリマが塗布され、その結果として、等方性エッチング(isotropic etching)時に発生するような広範なサブエッチングを防止するようにしている。また、その結果として、方法ステップ（図１（ｅ）、１（ｆ））では、基板１内の溝状ギャップまたはチャネル１９（開口側に向いている）も得られる。このギャップまたはチャネルは開口１０とほぼ同じ幅になっている。

第二実施形態による方法を適用してエッチングステップを実施するために、アルゴンが約１７．１ｓｃｃｍで、六フッ化硫黄(SF₆)が約３５ｓｃｃｍで、酸素(O₂)が約５ｓｃｃｍで供給される。巻線２３は、１３．５６ＭＨｚの周波数でもって５５０Ｗで動作し、９６Ｖの直流バイアス電圧が形成されたプラズマによって設定される。エッチング持続時間は約18秒である。その他のパラメータは第一実施形態の場合と同じである。

図３に示す同じデバイスを使用して重合ステップを実施するために、CHF₃が４０ｓｃｃｍで、メタン(CH₄)が５ｓｃｃｍで供給される。ハウジング２０内の圧力は６０ｍＴｏｒｒに維持され、プラズマ発生時に設定された直流バイアス電圧は約２４Ｖである。その他のパラメータは前記実施形態の場合と同じである。重合ステップは約８秒間実施される。

上記タイプのディープエッチングは、例えば、ドイツ特許明細書に記載されているように公知であるので（ドイツ国特許出願第DE 42 41 045 C1号明細書）、説明の重複を避けるために、この特許文献を引用することだけに留めることにする。

図４、５および６は、上述した方法で得られた開口１０またはチャネル１９を走査エレクトロン顕微鏡画像で示したものである。

最初に、SiO₂でコーティングして得られたチャネル構造はその頂点と共に図４（ａ）に明確に示されている。しかし、図４（ｂ）は、幅が９０ｎｍである、すでに形成されたか開口１０を示している。

図５は、ディープエッチングステップによって得られた２つの溝状チャネル２７を異なる縮尺で示したものである。チャネル２７ａは、図５（ａ）に示すように、第一実施形態で適用された方法で得られたものであり、他方、チャネル２７ｂは、図５（ｂ）と図５（ｃ）に示すように、第二実施形態で適用された方法で得られたものである。SiO₂層７は、走査エレクトロン顕微鏡画像を得る前に完全に除去されているので、基板１のくぼみ６だけが見えるようになっている。図５（ｃ）に示すように、チャネル深さが、例えば、１．５μｍの場合であっても、得られるチャネル幅はわずか約２００ｎｍである。

最後に、図６に示すように、ディープエッチングステップによってシリコン基板１の急峻な傾斜段(steeply sloping step)２８を得ることも可能であり、この段はシャープなエッジ２９に沿って基板１の側壁５、８まで、またはSiO₂層７まで入り込んでいる。これは、頂点で層７を開口するとき、基板１の上面側に位置している層７も、上述したエッチングレート角度分布のために、ここでのエッチングレートが同じ向きであるので頂点でのエッチングレートと同じ値であることからエッチングによって除去されることによる。SiO₂層７をエッチングマスクとして高度に異方性のディープエッチングを行う場合には、従って、段２８はそれぞれ基板１の側面に形成されることになる。これらの段２８は、シリコンディスクにエッチング溝を形成するために使用できるので、例えば、三次元電界効果トランジスタ(field effect transistor)を製造するために半導体テクノロジで使用することができる。このタイプの段２８を避けるか、あるいはあらかじめ選択した個所だけに形成したい場合には、SiO₂層７の上面側は、チャネル構造を除き、開口１０を作る前に適当なマスクでその全体または一部を被覆しておく必要がある。このマスクは、シリコン基板１がエッチングで侵食されるのを防止する。

図７と図８に示す実施形態が図１乃至図６に示す実施形態と異なるのは、開口の形状が異なっていることと、これによって基板１に得られる構造だけである。図１と同じように、基板１は、最初にテーパ状くぼみがその上面側に形成され、そのあと、SiO₂層７で被覆される。このSiO₂層７は、先端部３１をもつ同じくぼみ３０を有し、その境界が側壁３２になっている（図７（ｂ））。図１と異なり、くぼみ３０は、図７（ａ）の平面図に示すように、先端３１が下になり、底部が角形の倒立ピラミッドの形状になっている。シリコン基板１の表面が(001)結晶面である場合には、４側壁３２すべては、第１エッチングステップ(111)を実行したあとの向きになる。従って、得られた基板は、２側面だけではなく、４側面で境界がなされることになる。

くぼみ３０の先端部３１では、開口３３（図７（ｃ））は図１を参照して上述したのと同じ方法で形成され、この開口は完全に層７またはその先端部３１に入り込んでいる。図７（ｄ）に示す平面図では、この開口３３の断面はほぼ四角で、エッジの長さは約１５０ｎｍになっている。従って、開口３３をもつSiO₂層７が図１と同じように最終的ディープエッチングプロセスのためにエッチングマスクとして使用される場合には、図７（ｅ）に示すように、その下に位置する基板１では、断面が開口３３の断面とほぼ同じである、１つのシャフト状中空(shaft-like hollow)３４だけが得られる。

図８は、図７に示すように処理された基板を走査エレクトロン顕微鏡で得た画像を示している。具体的には、図８（ａ）は、くぼみ３０（図７（ａ）と図７（ｂ））をもつ加熱処理されたSiO₂層7を示す平面図であり、中央先端部３１、側壁３２および側壁によって形成され、陰影を付けて示されている断面線３５が検出可能であり、断面線上で側壁３２はペアで一緒に隣り合っている。他方、図８（ｂ）は、図１を参照して説明したエッチングステップによってすでにSiO₂層７が処理されている画像を示し、このエッチングステップは、既存のエッチングレート角度分布のために異方性的に進行するため、頂点領域に開口３４が得られている。

図９は、現時点で最良と考えられている本発明の第三実施形態を示したものである。図１および図７とは異なり、この実施形態では、シリコン基板４１は、複数のくぼみ４１がその(001)上面側に設けられ、これらのくぼみは、例えば、マトリックス形状に配置され、必要ならば先端が下になったピラミッドまたは図１とは異なり、長手方向の端が側壁によって閉じられているテーパ状チャネルになっている。シリコン基板４１は、構造化のあとは薄膜SiO₂層４２で加熱被覆されているので（図９（ｂ））、基板４１の上面側には、図１と図７を参照して説明したように、SiO₂ で被覆されたくぼみ４３、４４、４５が存在しており、これらのくぼみは、望みの構造に応じて輪郭が四角形または矩形になっている。矩形断面のくぼみまたはチャネル４４、４５は、図９（ａ）に示すように、長軸が相互に直角になるように配置されている。くぼみ４４、４５の長手方向の端に形成された側壁（例えば、図９（ａ）中の４６）は、それぞれ、ケースに応じて基板４１の(111)面に平行に配置されていることもあれば、平行に配置されていないこともある。

SiO₂層４２が形成されたあと、基板は図１（ｂ）と同じようにその上面側からプラズマエッチングステップを受けるので、存在するすべてのくぼみ４３、４４、４５の先端部においてそれぞれ１つの開口４７が作られるが、すべての開口４７は同じエッチングステップで作られる。上記のように作られ、開口４７が設けられたSiO₂層４２は、次のディープエッチングステップでシャフト状中空またはチャネル４８（図９（ｄ））が設けられ、図１乃至図７を参照して説明した動作モードが同じように使用されるので、同じ結果が達成されることになる。

基板４１は、ディープエッチングステップの後に続く別の方法ステップで、プレーナ上面側と下面側４９、５０（図９（ｅ））が設けられ、必要ならば、ＫＯＨを使用してSiO₂層４２を除去したあと、プラズマエッチングまたは類似方法によって、あるいは、例えば、化学機械的方法を使用して上面側と下面側は研磨される。その結果得られた表面は円滑（平坦）になり、ほぼ同一の構造になる。この方法ステップは、ディープエッチング過程でめくら穴(blind hole)のように形成され、底が閉じている中空または溝状チャネル４８がディープエッチング過程で基板に設けられているかどうかに関係なく（図９（ｅ））、あるいは基板４１を完全に貫通するカラム状通路またはスロットまたはギャップ５２が基板４１に設けられているかどうかに関係なく（図１（ｆ））、実行することが可能である。

図９に示す実施形態の特別な利点は、上述したエッチングレート角度分布のために、同じ基板４１に形成されたすべての開口４７とこれらと共に作られた中空／チャネル４８または通路／スロット５２がナノメートル範囲のほぼ同一幅ｂ（図９（ｄ））であり、幅のばらつきを少なくして再現可能であることである。

図９（ｆ）に示す基板４１が顕著に較正標準として適用できるのは、公知デバイス（ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書）とは対照的に、プレーナで、スムーズな上面側と下面側を基板に設けることができるからである。このような較正標準の原理は、再現可能なジオメトリを有し、光学的に不透明であるが、可能な限り小さい基板を有する穴状または線形構造を利用可能にすることである。表面の平坦さが要求されるのは、ニアフィールド光学イメージング(APL)にトポグラフィ(topography)が原因で起こるアーティファクト(artifact)が現れないようにするためである。従って、走査ニアフィールド顕微鏡のプローブは、平坦面４９、５０に近接して移動させることができる。さらに、通路またはスロット５２の１つが汚れたり、ブロックされたり、他の理由で使用できなくなったりした場合は、同一寸法を持つ同一基板の多数の、別の通路やスロット５２が冗長的に存在している。このようにして、較正標準の実際の使用時間は公知デバイスに比べて、大幅に増加することになる。

図１０は、本発明によって得られる別の重大な利点を示している。図１０（ａ）は、代表的な厚さ変化ＴＴＶ(total thickness variation：総厚さ変化)が約１−１０μｍであり、加熱堆積されたSiO₂層５６に複数の開口５５が設けられている基板５４を示したものである。ＫＯＨまたは類似材料で基板５４の下面側５７から開口５６を露出させる試みが行われると（ドイツ国特許出願第DE 199 26 601 A1号明細書）、図１０（ｂ）に示す最終製品が得られることになるが、そこでは、すべての開口５６が同時に露出されているわけではない。むしろ、例えば、図１０（ｂ）の中央の開口５５ａだけが露出され、他方、左側の開口５５ｂは確かに露出されているが、先端の輪郭が望ましいものになっていない。右側に位置する開口５５ｃはまだ基板５４に埋め込まれており、従って、これを露出できるのは、開口５５ｂに比べてエッチング持続時間を長くすることによってのみであり、その結果、異なるサイズの開口断面が得られることになっている。本発明による方法を適用すると、これとは対照的に、図１０（ｃ）に示すように通路またはスロット５８をもつ最終製品が得られることになり、通路またはスロットは、ジオメトリとサイズがほぼ同一であるだけでなく、通路またはスロット５８に加えて、別の構造をもたないことになる。また、このような理由から、図９（ｆ）に示す基板４１は、特に較正標準として最適である。さらに、これに関連して有利であるのは、図１０（ｃ）に示す構造が異なる長さだけ基板５４の下面側から突出しないことである。このことは、較正標準として応用するのには不適切であるからである。本発明による方法を適用すると、開口サイズは、基板のおよび／または堆積層５６の厚さ変化に左右されることがない。

図１と図７を参照して説明し、本発明による方法では不可欠である、チャネルまたはピラミッド構造の構成は、(001)表面を持つシリコン基板では、この分野の精通者には広く知られている。説明の重複を避けるために、ここでは、いくつかの特許文献を参照するだけに留めておく（例えば、ドイツ国特許出願第DE 41 26 151 A1号明細書、ドイツ国特許出願第DE 42 02 447 A1号明細書、米国特許第5 116 462 A号明細書、米国特許第5 399 232 A号明細書参照）。なお、これらの特許文献は引用によって本明細書の一部となるものである。

SiO₂層で被覆されたシリコン基板に関連して上述してきた本発明は、他の基板でも、例えば、ゲルマニウム、リン化インジウム(indium phosphide)または砒化ガリウム(gallium arsenide)でなる基板でも同じように適用可能であり、SiO₂層以外の層でも然るべく変更加えることで適用可能である。１つの違いは、必要ならば、チャネルまたは倒立ピラミッドの開口角度が異なっている半導体材料に応じて、および／または例えば、砒化ガリウムを使用するときのように、２側面だけが境界となっているチャネルを図１（ｂ）と同じように作ることができるが、４側面が境界となっている倒立ピラミッドは図２（ｂ）のように作ることができない点にある。

さらに、明らかであるように、別の構造も可能であり、開口１０、３３などを作るために上述したプラズマエッチング法以外の方法を適用することも可能である。本発明の目的のために、重要なことは、一方では、複数の層を含む層組織(layer system)で構成することができる構造化基板は、少なくとも１つの広い側と少なくとも構造の領域において層で被覆され、その層は適当な材料または材料組成でなり、つまり、利用可能なエッチングレート角度分布を持ち、適当な厚さで堆積されていることである。ここで「層」という用語は、複数の個々の層および／または材料組成からなる層組織も含んでいる。他方、本発明は、開口１０、３３を得るために、適当なエッチング法、特に化学的および物理的エッチングメカニズムを結合したものである反応イオンエッチング法(reactive ion etching method)が適用されることを出発思想としている。適当なエッチングガスおよび適当なプラズマエッチングパラメータ（圧力、温度、結合出力、ジェネレータの周波数、直流バイアス電圧など）を規定することによって、それぞれのコンポーネントを増減することができる。この結果として、マスキング層の達成可能エッチングレートは、特に表面構造の向きに依存するので、上記プラズマエッチングパラメータを変えることによって適応させることができる。従って、側壁のマスキング層（例えば、図１中の８）のエッチングレートを頂点（例えば、図１中の９）におけるよりも大幅に小さくすることは、その向き、従って関連エッチングレートが異なるので、プラズマエッチングプロセスを適応させることによって、あるいは表面構造を変えることによって達成可能である。さらに、頂点領域は、本発明によれば、テーパになるように選択され、そこには、先端に位置する円錐形状のくぼみも含まれているので、得られる開口（例えば、図１中の１０）は極小であり、容易に再現可能である。また、本発明の利点は、開口１０、３３、４７が制約された形で大きな構造（例えば、図１（ａ）、図７（ａ）、図９（ｂ））から作られることである。つまり、それぞれの構造のテーパ状底（線または点）で自己調整され、弧状開口を作ることも考えられることである。

本発明のもう１つの特徴は、開口１０、３３、４７が基板１、４１の存在下のままで作られるので、層７、４２をすでに存在する開口１０、３３、４７と一緒に使用して基板１内の構造をさらに小さくできることである。上述したチャネル１９、中空３４またはスロット５２の代わりとして、例えば、別の機能層を最上層の上に堆積して、基板またはまだ貫通エッチングされていない層との極小接点を開口またはディープにエッチングされた構造を通して作ることが可能である。

さらに、チャネル、スロットまたは中空断面を縮小するための別の材料を種々の堆積法によって導入することが可能である。シリコンの場合には、これを加熱酸化によって行うと有利であるのは、シリコン原子を二酸化シリコン分子に酸化するとき、その体積が２．２５倍だけ増加するので、明確な開口断面を縮小し、あるいは完全に閉じすることができる。従って、光学的導波管(optical waveguide)および他の構造をシリコン構造の深さに製造することも可能である。

図１１（ａ）乃至図１１（ｅ）は、図９（ｄ）で達成された状態から出発してその可能性を示したものである。SiO₂層（図１１（ｂ））を除去したあと、層５９が塗布され、これは中空またはチャネル５２を部分的に充填している。そのあと、基板４１は、エッチングによって少なくとも部分的に背面側から除去され（図１１（ｄ））、最後のステップで、くぼみまたはチャネル４８の底に位置している層５９の一部がエッチングによって背面側から開口され（図１１（ｅ））、その結果として、極小直径を持つパイプ接続に似た延長部６０は残りの構造の下面側に残っている。

本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、これらの実施形態は種々態様で変更が可能である。本発明の一実施形態によれば、別の任意層、例えば、半導体層、金属層（特に、アルミニウム）、誘電層または超伝導層、さらには、導電または非導電ポリマ層またはこれらの層の組み合わせからなる層組織を、開口構造をもつ層７、４２の上に堆積させることが可能である。

さらに、本発明は、開口の使い方にも関するという特別な利点があり、その特徴は、層材料が、特に屈曲ビーム、具体的には、一側が固定している所謂片持ちビーム（例えば、米国特許第5 116 462 A号明細書、米国特許第5 399 232 A号明細書）の前部において、開口と統合化されていることである。この使い方の実施形態の利点は、単一の屈曲ビームまたは複数の屈曲ビームがマトリックス構成、特に走査プローブ顕微鏡検査にセンサ要素として挿入されていることである。特に光学的に透明でない薄層を堆積すると、１つまたは複数の屈曲ビームを同時走査力顕微鏡検査(AFM、SFM)および走査ニアフィールド光学顕微鏡検査(SNOM)用に使用することができ、開口を層の表面から開口を照射するとき極小化光源として使用することができ（照射モード）、あるいは光出力は、開口自体を通して照射プローブからピックアップされる（コレクションモード）という利点があることが実証されている。例えば、金属、半導体、有機材料などの材料を、基板の前面側および／または背面側上に連続的に堆積していくと、開口の位置に極小化接点をさらに得ることができる。

実施形態のもう１つの利点は、プレーナ基板上または構造化表面上の１または複数の開口のマトリックス形状構造（例えば、片持ちビーム）は、非常に少量の液体またはガスを正確に投入または注入するために使用されることである。そのような構造の例は図１２に示されている。例えば、図７（ｃ）で達成された状態と同じように、開口３３のある先端部３１をもつ構造６１が、ここでは最初に作られ、先端部は通常の片持ちビーム構造（図１２（ａ））に対応する他端で台座などに固定可能な屈曲ビーム６２の一端に置かれている。背面側から基板１を少なくとも部分的にエッチングすることにより、屈曲ビームの厚さは所望程度まで縮小することができ、先端部３１は図１１（ｅ）と同じように露出させることができる。

図１１に示す実施形態は、多数の別応用を可能にしている。エッチングによって得られる図９または図１１に示す中空またはチャネル４８、５２は、完全にまたは部分的に基板４１を通り抜けて、そのあと、例えば、SiO₂、ポリマなどの透明および／または誘電材料で充填される場合は、光ファイバケーブルと同じように使用可能な光導波管構造が得られ、この導波管構造は、光および光電コンポーネントパーツを基板に直交する寸法で接続することを可能にしている。

上記と同じように、チャネルは導電材料（金属、導電ポリマ、半導体材料など）で充填して、貫通接点（溝を通して）を得ることも可能である。これらが部分的にだけ充填される場合は、中空導波管が得られ、これは電気および光学応用で関心がもたれている。最後に、これらの材料の組み合わせも可能である。中空またはチャネルが導電材料でコーティングされたあと、誘電材料でコーティングされる場合、およびそのあとで、露出された容積が導電材料で充填される場合は、電子工学で周知の同軸線(coaxial line)が得られ、この同軸線は特に高周波応用で関心がもたれている。従って、本発明は、特に、信号を電子的および／または光学的に伝達するのに適しているコンポーネントパーツを製造することも可能にしている。

さらに、本発明による方法は、終端が理想的な先端であるくぼみにではなく、台形状の底を持つＶ形状チャネルをもつくぼみまたは倒立ピラミッド幹のように構成されたくぼみにも適用可能であり、これは、例えば、構造を作るために実施されるエッチングプロセスを実際の先端に到達する前に中断することによって行われる。本明細書および請求項で使用されている「テーパ状(tapering)」という用語には、上記タイプの台形状も含まれるものである。さらに、基板に、または基板を除去したあと、上面側および／または下面側の残余薄層７、４２に金属層を設けることが可能である。その結果、すでに存在する開口のサイズを特に縮小することが可能である。同時に、金属層は、ニアフィールド顕微鏡検査のための、そのような開口を備えたセンサの光学特性を向上することも保証している。公知の方法で層７、４２の背面側から基板１、４１を除去するとき、その頂点に極小開口をもつ構造は極薄層７、４２で得ることができる。もっと大きな開口が必要ならば、得られた開口は別のエッチングプロセスによって、基板の除去前または後に大きくすることができる。従って、この方法によると、一定サイズの極小開口を基板全体上に得ることができる。さらに、チャネル状またはピラミッド状構造は、上述した方法とは別の方法で、例えば、化学的または電子化学的エッチングプロセス、イオンビームエッチングプロセスによっても、機械的なへこみ(mechanical indentation)によっても、作ることも可能である。さらに、ＫＯＨの代わりに、例えば、NaOH、LiOHなどまたは有機水溶液を適用することができる。最後に、当然に理解されるように、種々の特徴は、図示し、上述してきた組み合わせとは別の組み合わせで適用することも可能である。

（ａ）乃至（ｆ）は、本発明による方法の第一実施形態の適用時における異なる方法ステップを示す概略図であり、（ａ）と（ｅ）は基板の平面図、（ｂ）乃至（ｄ）および（ｆ）は基板の断面図。 図１に示す方法を適用してエッチングステップを実施するためのデバイスを示す概略垂直断面図。 図１に示す方法を適用してエッチングステップを実施するためのデバイスを示す概略垂直断面図。 （ａ）と（ｂ）は、それぞれ、図１に示す方法を適用して基板上に堆積された層に開口を作る前と後で、走査エレクトロン顕微鏡検査法で得られた基板断面を示す画像。 （ａ）乃至図（ｃ）は、開口を含む層をエッチングマスクとして使用して、基板をエッチングした後の、図４（ａ）および図４（ｂ）と同じ画像を、異なる縮尺で示す図。 図４および図５と同じように走査エレクトロン顕微鏡検査法で得られた画像であるが、ディープエッチング過程で得られた追加のエッチングエッジを含んでいる画像を示す図。 （ａ）乃至（ｅ）は、本発明による方法の第二実施形態を適用した、図１（ａ）乃至図１（ｆ）と同じ図。 （ａ）と（ｂ）は、開口を形成する前と後において、エッチング可能層を備えた構造化基板に対して走査エレクトロン顕微鏡検査法で得られた平面図。 （ａ）乃至（ｆ）は、本発明による方法の第三実施形態を適用した、図１（ａ）乃至図１（ｆ）と同じ図である。 （ａ）乃至（ｃ）は、基板の概略断面において、公知方法と本発明による方法との比較を示す図。 （ａ）乃至（ｅ）は、図１（ａ）乃至図１（ｆ）と同じ図において、本発明による方法の他の実施形態を示す図。 （ａ）と（ｂ）は、図１（ａ）乃至図１（ｆ）と同じ図において、本発明による方法の他の実施形態を示す図。

Claims (15)

1. 基板（１、４１）、特に半導体基板上の層に少なくとも１つの小開口（１０、３３、４７）を作るための方法であって、基板（１、４１）は先端部（４）と側壁（５）をもつ少なくとも１つのテーパ状くぼみがその上面側（２）に設けられ、基板（１、４１）の上面側（２）は、少なくともくぼみ（６）の領域においてエッチング可能材料からなる層（７、４２）で被覆され、そのあと、層（７、４２）のエッチングによって開口（１０、３３、４７）がくぼみ（６）の先端部（４）の領域に作られることからなる方法において、開口（１０、３３、４７）は、層（７、４２）の材料に適合した異方性プラズマエッチング法によって層（７、４２）を選択的に開口することによって上面側（２）から作られ、材料、エッチングガスおよびエッチングパラメータは、その先端部（９、３１）が基板（１、４１）の先端部（４）に置かれているくぼみ（６、３０）の層（７、４２）の先端部（９、３１）の領域においては、基板（１、４１）の側壁（５）に置かれている層（７、４２）の側壁（８、３２）の領域におけるよりも大きなエッチングレートが得られるように選択されていることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法において、シリコンが基板（１、４１）として、二酸化シリコンが層（７、４２）の材料として使用されることを特徴とする方法。
3. 請求項２に記載の方法において、(001) 面をもつシリコン基板が上面側として使用されることを特徴とする方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の方法において、プラズマエッチング法は、アルゴンとトリフルオロメタンを使用して実施されることを特徴とする方法。
5. 請求項１に記載の方法において、ゲルマニウム、砒化ガリウムまたは燐化インジウムが基板として使用されることを特徴とする方法。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の方法において、基板（１、４１）は、開口（１０、３３、４７）が作られた後、層（７、４２）をエッチングマスクとして使用してディープエッチングステップを受けることを特徴とする方法。
7. 請求項６に記載の方法において、基板（４１）は、ディープエッチングによって貫通開口（５２）が設けられることを特徴とする方法。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の方法において、基板（４１）は、複数のチャネル状および/またはピラミッド状のくぼみ（４３、４４、４５）とこれらのくぼみを被覆する層（４２）がその上面側に設けられると共に、請求項１乃至５のいずれか１つまたは２つ以上に記載の方法を使用して対応する複数の開口（４７）が層（４２）に形成されることを特徴とする方法。
9. 請求項８に記載の方法において、基板は、ディープエッチングステップを使用し、層（４２）をマスクとして使用して対応する複数の貫通開口（５２）が設けられることを特徴とする方法。
10. 請求項１乃至９のいずれかに記載の方法において、プレーンパラレルディスクが基板（１、４１）として使用されることを特徴とする方法。
11. 請求項１乃至１０のいずれかに記載の方法において、少なくとも１つの開口が少なくとも１つのエッジ上に形成され、その後に続く方法ステップにおいて、あらかじめ選択した特性をもつ別の層が形成されることを特徴とする方法。
12. 請求項１乃至１１のいずれかに記載の方法において、一側が固定されている屈曲ビームの自由端側に少なくとも１つの開口が形成されることを特徴とする方法。
13. 走査プローブ顕微鏡検査のための較正標準であって、請求項１乃至１１のいずれか１つまたは２つ以上に記載の方法で作られた複数の貫通開口（５２）をもつプレーンパラレル基板（４１）を含むことを特徴とする較正標準。
14. 一側が固定され、自由端側に先端を備えた屈曲ビーム（６２）をもつマイクロメカニカルセンサであって、先端（３１）は、請求項１乃至１１のいずれか１つまたは２つ以上に記載の方法を使用して作られた開口（３３）を有していることを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。
15. 電気/光信号を電気的/光学的に伝達するためのコンポーネントパーツであって、コンポーネントパーツは請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法を使用して製造され、開口（５２）は導電性または誘電性材料で充填されていることを特徴とするコンポーネントパーツ。

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