JP2007015035A - 微小構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微小なサイズの機能部を備える起立部を形成する方法を提供する。
【解決手段】 本発明の製造方法は、（ｉ）基板１１に、犠牲層１２と、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜１３とを順に積層する工程と、（ii）多層膜１３を貫通して犠牲層１２に到達する少なくとも１つの孔１３ｈと、孔１３ｈの周囲の一部に形成された溝であって多層膜１３を貫通して犠牲層１２に到達する溝１４とを形成する工程と、（iii）溝１４で囲まれた領域に存在する犠牲層１２を除去することによって、溝１４で囲まれた多層膜１３を基板１１から立ち上がらせて起立部を形成する工程とを含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微小構造体の製造方法に関する。

従来から、半導体を用いて微小な構造体を形成する試みが行われてきた（たとえば特許文献１）。特許文献１の方法では、格子定数が異なる半導体層を積層し、それによって生じる応力を利用して半導体層を湾曲させ、半導体層の一部を基板から起立させている。
特開２００１−２６００９２号公報

しかし、非常に微小なサイズの構造体を基板から立ち上がらせる場合、たとえば数ミクロンの構造体を基板から立ち上がらせる場合、起立部が小さすぎるために基板からうまく立ち上がらない場合があった。

そのため、本発明は、従来よりも微小なサイズの機能部を備える起立部を形成する方法を提供することを目的の１つとする。

上記目的を達成するため、微小構造体を製造するための本発明の第１の方法は、（ｉ）基板上に、犠牲層と、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜とを順に積層する工程と、（ii）前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する少なくとも１つの孔と、前記孔の周囲の一部に形成された溝であって前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する溝とを形成する工程と、（iii）前記溝で囲まれた領域に存在する前記犠牲層を除去することによって、前記溝で囲まれた前記多層膜を前記基板から立ち上がらせて起立部を形成する工程とを含む。

なお、この明細書において、「溝で囲まれた領域」は、３方に溝が形成された領域に加えて、２方に溝が形成された領域なども含む。

また、本発明の第２の方法は、（Ｉ）基板上に犠牲層を形成する工程と、（II）前記犠牲層上に、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜と、前記多層膜に隣接して形成された機能層とを積層する工程と、（III）前記機能層の周囲の一部に形成された溝であって前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する溝を形成する工程と、（IV）前記溝で囲まれた領域に存在する前記犠牲層を除去することによって、前記溝で囲まれた前記多層膜を前記基板から立ち上がらせて起立部を形成する工程とを含む。

以下、本発明の実施の形態について説明する。なお、以下で説明する微小構造体は本発明の一例であり、本発明は以下の説明に限定されない。

＜第１の方法＞
微小構造体を製造するための本発明の第１の方法は、（ｉ）基板上に、犠牲層と、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜とを順に積層する工程を含む。

基板は、その上に形成される犠牲層および多層膜に応じて選択される。基板には、たとえばＧａＡｓ基板やＳｉ基板などが用いられる。犠牲層は、その一部が（iii）の工程で選択的に除去される層であり、選択的に除去されやすい材料で形成される。

多層膜は、格子定数が互いに異なる複数の層を含み、その内部には、格子定数の差に起因する内部応力が生じている。格子定数の差に基づく歪みを利用して、多層膜が曲げられて起立部が形成される。多層膜は、半導体で形成でき、たとえば、化合物半導体（たとえばIII−Ｖ族化合物半導体）や、Ｓｉや、Ｓｉを含む半導体で形成される。格子定数が異なる材料の組み合わせの例（格子定数が小さい材料／格子定数が大きい材料）としては、たとえば、ＧａＡｓ／ＩｎＧａＡｓ、ＧａＮ／ＩｎＧａＮ、Ｓｉ／ＳｉＧｅといった組み合わせが挙げられる。これらの半導体層の組成比や厚さを変化させることによって、多層膜が湾曲する角度を調節できる。

上記（ｉ）の工程ののち、（ii）上記多層膜を貫通して犠牲層に到達する少なくとも１つの孔と、その孔の周囲の一部に形成された溝であって上記多層膜を貫通して犠牲層に到達する溝とを形成する。孔および溝は、公知の方法で形成でき、たとえばフォトリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることによって形成できる。

次に、（iii）その溝で囲まれた領域に存在する犠牲層を除去することによって、その溝で囲まれた上記多層膜を基板から立ち上がらせて起立部を形成する。孔の部分は貫通孔となる。起立部には、孔によって形成された微小な機能部が存在する。この機能部は、サイズがより大きい起立部の一部として基板から立ち上がるため、歩留まりよく形成できる。

本発明の第１の製造方法では、（ii）の工程において、マトリックス状に配置された複数の孔が形成されてもよい。この場合、（iii）の工程においてグリッド状の起立部が形成される。この場合、グリッド状の起立部において、グリッドの幅が１００ｎｍ以下であってもよい。この場合、孔部およびグリッド部のどちらを機能部として用いてもよい。

本発明の第１の製造方法では、上記孔の平面形状がＵ字状であってもよい。Ｕ字状の孔で囲まれた部分が、微小な機能部となる。この場合、Ｕ字状の孔で囲まれた部分の幅が１００ｎｍ以下であってもよい。

また、本発明の製造方法では、起立部が円筒状であってもよい。

＜第２の方法＞
以下、微小構造体を製造するための本発明の第２の方法について説明する。なお、第２の方法で用いられる、基板、犠牲層、および多層膜には、第１の方法で説明したものと同様のものを用いることができる。

本発明の第２の方法は、（Ｉ）基板上に犠牲層を形成する工程を含む。

次に、（II）犠牲層上に、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜と、多層膜に隣接して形成された機能層（機能部）とを積層する。機能層は、多層膜の下に形成されてもよいし、多層膜の上に形成されてもよい。機能層は、線状、短冊状、格子状、ドット状など、様々な形状とすることができる。機能層の材料は、目的に応じて選択され、たとえば、導電性の材料で形成できる。導電性の材料としては、ｐ型またはｎ型の半導体や、金属が挙げられる。なお、機能層と他の層とを絶縁するため、機能層と他の層との間に、絶縁層を配置してもよい。

次に、（III）機能層の周囲の一部に形成された溝であって多層膜を貫通して犠牲層に到達する溝を形成する。溝の形成方法は、上述した（ii）の工程と同様である。

次に、（IV）上記溝で囲まれた領域に存在する犠牲層を除去することによって、溝で囲まれた多層膜を基板から立ち上がらせて起立部を形成する。この工程は、上述した（iii）の工程と同様である。多層膜が基板から立ち上がることによって、多層膜に隣接して形成されている機能層も多層膜とともに立ち上がる。これによって、基板から立ち上がった機能層（微小構造体）が形成される。

＜実施形態１＞
以下、本発明の実施形態の一例として、グリッド状の起立部を製造する一例について説明する。なお、以下の実施形態は本発明の一例であり、本発明は以下の実施形態に限定されない。製造工程を図１に模式的に示す。図１（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は平面図であり、それぞれの断面図を図１（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）に示す。

まず、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、ＧａＡｓ（１００）基板１１上に、犠牲層１２と、多層膜１３とを順に積層する。犠牲層１２は、厚さが０．４ｎｍのＡｌ_0.58Ｇａ_0.42Ａｓ層と厚さが０．４ｎｍのＡｌＡｓ層との積層膜を８０組積層した構造からなり、全体の厚さが６４ｎｍである。

多層膜１３は、基板１１側から順に積層された第１の層１３ａと第２の層１３ｂとを含む。第１の層１３ａはＩｎ_0.22Ｇａ_0.78Ａｓからなる層（厚さ約１０ｎｍ）であり、第２の層１３ｂは、ＧａＡｓからなる層（厚さ約３０ｎｍ）である。これらの層は公知の方法で形成でき、たとえば、分子線エピタキシャル成長法（ＭＢＥ法）や有機金属化学的気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）などで形成できる。

次に、図１（ｃ）および（ｄ）に示すように、多層膜１３を貫通して犠牲層１２に到達する、複数の孔１３ｈおよび溝１４を形成する。複数の孔１３ｈは、マトリックス状に配置される。溝１４は、複数の孔１３ｈの周囲を囲む仮想の長方形の３つの辺を構成するように形成される。溝１４の２辺は、基板１０の［１１０］方向（図１（ｃ）参照）と平行な方向に形成されることが好ましい。これは、多層膜１３が［１１０］方向に曲がりやすいためである。孔１３ｈおよび溝１４は、公知の方法で形成でき、具体的にはフォトリソグラフィーとエッチングとを組み合わせることによって形成できる。

図１の例では、溝１４で囲まれた長方形の一部の領域に孔１３ｈを形成する。孔１３ｈによって、溝１４で囲まれた部分の多層膜１３の一部は、グリッド状となる。以下、溝１４で囲まれた多層膜１３のうち、グリッド状の領域をグリッド領域といい、それ以外の領域を膜領域という場合がある。

多層膜１３のグリッド領域の一部拡大図を図２に示す。グリッドの幅Ｗｇ、および孔１３ｈの幅Ｗｈに特に限定はない。一例としては、グリッドの幅Ｗｇは１０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲であり、孔１３ｈの幅Ｗｈは１００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲である。

次に、図１（ｅ）および（ｆ）に示すように、溝１４で囲まれた領域に存在する犠牲層１２を除去する。犠牲層１２は、たとえば、ＨＦ：Ｈ₂Ｏ＝１：１０の割合で混合したフッ酸などのエッチング液を用いたウェットエッチングによって選択的に除去できる。エッチング液は、孔１３ｈおよび溝１４から犠牲層１２に到達し、犠牲層１２をエッチングする。

多層膜１３は、第１の層１３ａと、第１の層１３ａよりも格子定数が小さい第２の層１３ｂとによって構成されており、多層膜１３の内部には、第２の層１３ｂ側に湾曲しようとする内部応力が存在する。そのため、犠牲層１２上に積層されている状態では多層膜１３は湾曲しないが、犠牲層１２が除去されると、溝１４で囲まれた部分の多層膜１３が湾曲し、直径が５μｍ程度の円筒が形成される。この円筒は、内側部分が膜領域で形成されており、その周囲にグリッド領域が巻き付いた構造を有する。この方法で製造された円筒の電子顕微鏡写真を図３に示す。図３に示すように、多層膜１３の膜領域３１で形成されたチューブに、多層膜１３のグリッド領域３２が巻き付いている。形成される円筒の曲率半径は、多層膜を構成する層の組成や厚さによって制御できる。

なお、孔１３ｈおよび溝１４の形状を変えることによって、様々な円筒を形成することが可能である。孔１３ｈおよび溝１４の配置の他の例を図４に示す。図４の例では、溝１４で囲まれた領域の全体に孔１３ｈがマトリックス状に配置されている。図４の溝１４で囲まれた部分の犠牲層１２を除去すると、グリッド領域のみで円筒が形成される。このような円筒は、ふるい（フィルタ）として用いることができる。この場合、ふるいの目の粗さ（ｍｅｓｈ ｓｉｚｅ）は、孔１３ｈのサイズを変えることによって制御できる。

孔１３ｈおよび溝１４の配置の他の例を図５に示す。図５の例では、多層膜１３が湾曲する方向に対して垂直な方向に、２つの膜領域５１と１つのグリッド領域５２とが並べられている。２つの膜領域５１は、グリッド領域５２を挟むように配置されている。この場合、形成される円筒は、中央部分のみがグリッド状となる。このような円筒もふるい（フィルタ）として用いることが可能である。

孔および溝の配置の他の例を図６に示す。図６の例でも、複数の孔１３ｈがグリッド状に配置される。溝６１は、孔１３ｈを囲む仮想の長方形の２辺を構成するように形成される。孔１３ｈの端の１つの列６２は、隣接する孔１３ｈとの間隔、すなわちグリッドの幅Ｗｇが他の列よりも狭くなるように形成されている。この列６２のグリッド部分は、起立部が形成される際に切断される。すなわち、列６２は溝の一部として機能する。

図６の溝６１および列６２で囲まれた領域の犠牲層１２をエッチングすると、グリッド状の側壁を有する円筒が形成される。列６２の部分は円筒の端部となる。この部分では、グリッドが切断されるため、切断されたグリッドの端部は非常に細くとがった形状となる。切断されたグリッドの端部の一例の写真を図７（ａ）に示し、図７（ａ）の一部の拡大図を図７（ｂ）に示す。図７に示すように、この方法によれば、先端が１ミクロン以下である機能部を形成することが可能である。このような微小な機能部は、たとえばカンチレバーや電子放出源として利用できる。

なお、幅が狭いグリッドを切断して細い機能部を形成する代わりに、孔１３ｈや溝６１をエッチングで形成する際に、フォトリソグラフィーで細い機能部を形成してもよい。

溝および孔の他の例を図８に示す。この例では、孔１３ｈは、平面形状がＵ字状の孔である。このＵ字状の孔で囲まれた部分の幅Ｗは、たとえば１００ｎｍ以下としてもよい。この構成のように、本発明によれば、幅がたとえば１００ｎｍ以下の微小な機能部を形成することが可能である。

溝１４は、孔１３ｈを囲む仮想の四角形の３辺を構成するように形成される。図８の溝１４で囲まれた領域の犠牲層１２をエッチングすると、多層膜１３が湾曲して円筒状となる。この円筒状の壁面には、孔１３ｈによって形成された、リボン状の微小な機能部が形成される。このような微小な機能部の一例の写真を図９に示す。図９の円筒９１には、厚さが数十ｎｍのリボン状の機能部９２が形成されている。

孔１３ｈの形状を変えることによって、円筒の側壁にカンチレバーを形成することも可能である。そのようなカンチレバーの一例の写真を図１０に示す。図１０の円筒状の起立部１０１には、サイズがサブミクロン程度の機能部１０２が形成されている。機能部１０２はカンチレバーとして用いることが可能である。

溝および孔の他の例を図１１（ａ）に示す。図１１（ａ）の例では、複数の孔１３ｈがマトリックス状に配置される。多層膜１３を貫通して犠牲層１２に到達する溝１０１は、孔１３ｈを囲む仮想の長方形の四辺のうち、隣接する二辺の一部に形成される。溝１０１の一端は、孔１３ｈで形成されたグリッド領域の途中に位置している。

図１１の溝１０１で囲まれた部分および孔１３ｈが存在する部分の犠牲層１２をエッチングすると、グリッド領域の一部の多層膜が図１１（ａ）の点線１０２の部分で切断され、グリッド状の側壁を有する円筒状の起立部１０３が形成される（図１１（ｂ））。グリッドが切断された部分の端部１０４は微小な凸部となる。このような微小な凸部は、たとえばカンチレバーや電子放出源として利用できる。

＜実施形態２＞
以下、本発明の第２の方法で微小構造体を製造する一例について説明する。製造工程を図１２（ａ）〜（ｆ）に示す。図１２（ａ）、（ｃ）および（ｅ）は上面図であり、（ｂ）、（ｄ）および（ｆ）は、それらの断面図である。

まず、図１２（ａ）および（ｂ）に示すように、基板１１上に、犠牲層１２、多層膜１３、絶縁層１２４、導体層（機能層）１２５を順に積層する。なお、多層膜１３は、実施形態１と同様に、第１の層１３ａと第２の層１３ｂとを含むが、簡略化して図示する。基板１１、犠牲層１２および多層膜１３は、実施形態１で説明したものと同様のものを適用できる。

絶縁層１２４は、たとえばＳｉＯ₂からなる。導体層１２５は、たとえばドープされたＧａＡｓからなる。導体層１２５は、線状の層であり、矩形の絶縁層１２４の対角線上に形成されている。絶縁層１２４および導体層１２５は、公知の方法、たとえば蒸着法やスパッタリング法などで形成できる。

次に、図１２（ｃ）および（ｄ）に示すように、絶縁層１２４の周囲の三方に、犠牲層１２に到達する溝１２６を形成する。

次に、溝１２６で囲まれた部分の犠牲層１２を、溝１２６を介してエッチングする。このエッチング工程は、実施形態１で説明したエッチング工程と同様の方法で行うことができる。これによって、溝１２６で囲まれた部分の膜、具体的には、多層膜１３、絶縁層１２４および導体層１２５が基板１１から分離し、円筒状に丸まる（図１２（ｅ）および（ｆ））。その結果、導体層１２５は、螺旋状の形状となる。このように、多層膜の湾曲方向に対して斜めに伸びる機能層を形成することによって、微小なヘリカルコイルを作製することが可能である。また、導体層の形状を変えることによって、他の様々な微小構造体を形成することも可能である。

なお、本発明の方法において、多層膜上には、必要に応じて特定の機能を発揮する層を形成してもよい。また、多層膜１３は、他の積層構造であってもよい。たとえば、基板１１側から順に、第１の層、第２の層および第３の層を積層した多層膜であってもよい。第３の層の材料および厚さを、第１の層の材料および厚さとほぼ同じにすると、多層膜１３の内部応力が打ち消しあって、３つの層が存在している場合には多層膜は湾曲しない。このような多層膜において、第３の層の一部を除去すると、格子定数が大きい第１の層と格子定数の小さい第２の層とからなる部分で多層膜が湾曲する。これを利用して、基板から所定の角度で立ち上がった平面状の起立部を形成することが可能である。そして、その起立部には、上述したグリッドや機能部を形成することが可能である。

また、本発明の方法において、多層膜は、格子定数が大きい層Ａと格子定数が小さい層Ｂとを、厚い層Ａ／層Ｂ／薄い層Ａというように積層した多層膜であってもよい。この場合、厚い層Ａが層Ｂに及ぼす応力の方が薄い層Ａが層Ｂに及ぼす応力よりも大きいため、トータルでは薄い層Ａ側に曲がろうとする応力が発生する。同様に、厚い層Ｂ／層Ａ／薄い層Ｂという積層膜では、トータルでは厚い層Ｂ側に曲がろうとする応力が発生する。このような関係を利用して、多層膜を所定の方向に折り曲げることができる。

以上、本発明の実施形態について例を挙げて説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の技術的思想に基づいて他の実施形態に適用できる。

本発明の微小構造体は、微小な構造が必要な様々な分野に適用でき、たとえば、測定装置、マイクロマシン、フィルタなどに適用できる。特に、グリッド状の側壁を有する円筒は、ファラデーゲージやフィルタとして用いることができる。

本発明の製造方法の一例を模式的に示す工程図である。 グリッド領域の一部拡大図である。 本発明の製造方法で製造される微小構造体の一例を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法の他の一例の一工程を模式的に示す上面図である。 本発明の製造方法のその他の一例の一工程を模式的に示す上面図である。 本発明の製造方法のその他の一例の一工程を模式的に示す上面図である。 本発明の製造方法で製造される微小構造体の他の一例を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法のその他の一例の一工程を模式的に示す上面図である。 本発明の製造方法で製造される微小構造体のその他の一例を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法で製造される微小構造体のその他の一例を示す電子顕微鏡写真である。 本発明の製造方法のその他の一例の一工程を模式的に示す図である。 本発明の製造方法のその他の一例の一工程を模式的に示す図である。

符号の説明

１１ 基板
１２ 犠牲層
１３ 多層膜
１３ａ 第１の層
１３ｂ 第２の層
１３ｈ 孔
１４、６１、１０１、１２６ 溝
３１、５１ 膜領域
３２、５２ グリッド領域
６２ 列
９１ 円筒（起立部）
９２、１０２ 機能部
１０１、１０３、１２７ 起立部
１０４ 端部
１２４ 絶縁層
１２５ 導体層（機能層）

Claims (5)

1. （ｉ）基板上に、犠牲層と、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜とを順に積層する工程と、
   （ii）前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する少なくとも１つの孔と、前記孔の周囲の一部に形成された溝であって前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する溝とを形成する工程と、
   （iii）前記溝で囲まれた領域に存在する前記犠牲層を除去することによって、前記溝で囲まれた前記多層膜を前記基板から立ち上がらせて起立部を形成する工程とを含む、微小構造体の製造方法。
2. 前記（ii）の工程において、マトリックス状に配置された複数の前記孔が形成され、
   前記（iii）の工程においてグリッド状の起立部が形成される請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
3. 前記孔の平面形状がＵ字状である請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
4. 前記起立部が円筒状である請求項１に記載の微小構造体の製造方法。
5. （Ｉ）基板上に犠牲層を形成する工程と、
   （II）前記犠牲層上に、格子定数が互いに異なる複数の層を含む多層膜と、前記多層膜に隣接して形成された機能層とを積層する工程と、
   （III）前記機能層の周囲の一部に形成された溝であって前記多層膜を貫通して前記犠牲層に到達する溝を形成する工程と、
   （IV）前記溝で囲まれた領域に存在する前記犠牲層を除去することによって、前記溝で囲まれた前記多層膜を前記基板から立ち上がらせて起立部を形成する工程とを含む、微小構造体の製造方法。