JP2008044821A - シリコン針状体の長さ制御技術 - Google Patents

Abstract

【課題】同一半導体基板上に長さの異なる複数の針状体の形成を可能とするシリコン針状体の長さ制御技術を提供することを目的とする。
【解決手段】長さの異なる針状体を形成するために、ＶＬＳ成長と触媒となる金属材料の露出を交互に繰り返すことで多段成長させ、針状体の長さを制御する方法、又は所望の部位の金属材料を露出し、ＶＬＳ成長した後に先端金属を除去することで所望の長さの針状体を作製し、これを繰り返すことで異なる長さの針状体を実現する方法のいずれかにより解決することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、同一半導体基板上の所望の位置に製作する複数の針状体の長さ制御技術に関するものである。これは例えば、生体電位測定用のマイクロプローブ電極の三次元化などへの応用が考えられる。

近年、半導体製造技術などに代表される微細加工技術を用いることにより製造される微小な針状体について、これまでに以下のような報告が行なわれている。
Ｋ．Ｅ．Ｊｏｎｅｓ ｅｔ．ａｌ．，Ａｎｎａｌｓ ｏｆ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇ．，Ｖｏｌ．２０，ｐｐ．４２３−４３７（１９９２） 赤松 ｅｔ．ａｌ．，電気学会論文誌Ｅ，１２３巻，１２号（２００３） Ｑ．Ｂａｉ ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｅｎｇ．，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．３，ｐｐ．２８１−２８９（２０００） Ｒｕｔｔｅｎ ｅｔ．ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｅｎｇ．ｉｎ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ ａｎｄ Ｂｉｏｌｏｇｙ，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．３，ｐｐ．４７−５５（１９９９） Ｔ．Ｋａｗａｎｏ ｅｔ．ａｌ．，Ｐｒｏｃ．Ｉｎｔ．Ｃｏｎｆ．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ Ｍｅｅｔｉｎｇ（ＩＥＤＭ２００４），ｐｐ．１０１３−１０１６（２００４） 特公２０００−３３３９２１こうした針状体の作製方法としては、主に基板材料を削る方法と基板上に成膜（または、成長）する方法の二つに大別される。

基板材料を削る方法としては、まず、シリコン基板を厚さ方向に削ることで針状体を作製する方法がある。ユタ大学（非特許文献１）では、ダイシングを用いた方法にて形成しており、東京大学（非特許文献２）では、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）ガス及び反応性イオンエッチング（Ｄｅｅｐ ＲＩＥ）を用いた方法を用いている。また、ミシガン大学で製作された針状体は、シリコン基板上にイオン注入による高濃度拡散領域を形成し、選択エッチングを行うことで、基板の表面上（平面方向）に二次元アレイを作製し、複数のアレイを並べることで三次元的な針状体を構成するものである［非特許文献３］。

一方、蒸着などによる成膜技術または結晶成長技術などを用いた方法として、Ｔｗｅｎｔｅ大学では、ＬＩＧＡプロセスによりモールドを作製した後、鍍金法により針状体を形成する方法を用いている（非特許文献４）。ＬＩＧＡプロセスは、ＭＥＭＳの分野において使用される微細な構造体の製作手法の１つで、ミクロンレベルの精度で金型を作り、その金型に材料を押し付ける形で微細な構造体を製作する。また、豊橋技術科学大学では、Ｓｉの選択的結晶成長法であるＶＬＳ法を用いることにより針状体を形成する方法を報告している（非特許文献５、特許文献１）。この方法により作製された針状体は同一の長さを持つ。

基板材料を厚さ方向に削ることで、針状体を作製する方法は、針状体の長さが基板の膜厚により制限されてしまう。基板の表面上（平面方向）に二次元アレイを作製する方法では、形成後の二次元アレイを三次元的に構築する必要があり、針状体の微細化、高密度化といった点で大きな制限となる。また、鍍金や蒸着などの成膜技術を用いた方法では、成膜後に針状体形成するため、あらかじめモールドの作製やエッチングといった処理が必要となり、成膜量自体が針状体の長さとなるため、長い針状体を作製するのに不利である。

一方、結晶成長を用いる方法は、所望の領域に、針状体を作製することが可能であるが、従来の方法では、同一の長さをもつ針状体のみ作製が可能であり、同一基板上に長さの異なる針状体の形成は行えない。本発明は、上記問題を解決するためになされたものである。その目的は、半導体基板をエッチングすること無しに、その全面又は所望の領域に、所望の長さを持つ三次元針状体を同一基板上に製造する方法及びこれにより作製された針状体を提供する。

Ｓｉの選択結晶成長法であるＶＬＳ法は、触媒となる金属材料（例えば、Ａｕ）をシリコン基板上に成膜し、基板温度を上昇させることで、基板上のＳｉと共晶反応を起こした結果、合金化した液滴となる。そこに、Ｓｉ２Ｈ６ガスを導入することで、Ｓｉが合金液滴に供給され、液滴中のＳｉが過飽和になるとＳｉの析出が起こる。その結果、合金液滴はリフトアップされ、Ｓｉの針状体が形成される。従来の方法では、このようにして、基板全面ないし一部の所望の領域に、Ｓｉ針状体形成を行なってきた。しかし、この方法では、基板内の全Ｓｉ針状体は、同じ長さとなってしまう。

本発明では、三次元針状体を形成するために、ＶＬＳ成長と金属材料の露出を交互に繰り返すことで多段成長させ、針状体の長さを制御する方法、又は所望の部位の金属材料を露出し、ＶＬＳ成長した後に先端金属を除去することで針状体の長さを固定し、これを繰り返すことで異なる長さの針状体を実現する方法のいずれかにより解決する。その際、多段階のＶＬＳ成長のためには、従来のＶＬＳ成長法の繰り返しだけでは所望の形状が得られず、ＶＬＳ成長終了時に成長ガス圧を低圧に制御することが有効であることを実験的に見出した（図３）。またこの低圧の時間を成長の終了時にのみ設けることで、通常のＶＬＳ成長と針状体の成長レートを変えずに、実現されるため、非常に有意義な特徴を持つ。

本発明は、上記実験的発見手法をもって半導体基板上の全面および所望の領域に、所望の長さを持つ三次元針状体の形成が可能となる。これは、例えば、従来とは異なる空間的な神経細胞活動電位分布の計測を可能とするデバイスへの応用などが考えられる。本発明のプローブはその先端にＡｕとＳｉの合金が残留しているため、先端に生体計測に適した金属を成膜した場合にプローブとの間に良好なオーミック特性を得ることができ、電極としての電気的特性の大幅な向上が期待できる。

ＶＬＳ結晶成長法を用いて形成するので該針状体とＭＯＳＦＥＴなどの半導体デバイス、集積回路、メモリデバイスとの一体化が可能である。また集積回路との一体化により、例えば該針状体の先端に生体計測用の電極材料などを成膜する際に、針状体の下部に製作された回路を操作して基板上に数多にある針状体のうちの指定された針状体部分にのみ電界をかける鍍金法など、集積回路を一体化できるＶＬＳ成長法ならではの特徴がある。

該針状体長はＶＬＳ成長時間で制御可能であるため、所望の領域にかつ所望の長さで三次元針状体アレイを同一基板上に形成することが可能であり、さまざまな応用用途で使用出来る。

生体計測の分野において脳や網膜の電気信号の分布を取得しようとした場合、本ＶＬＳ成長法によるプローブアレイは実施例で示したように各プローブの長さを変えたアレイを製作できるため、図２（ａ）のような平面的な電位分布だけではなく、図２（ｂ）のように平面的にも深さ方向にも電極点が分布した３次元的な生体計測が可能である。これは脳機能の解析を行う上で非常に高度な情報が得られるため有利である。

該針状体形成と上記効果例は本発明により初めて実現可能になったものであり、該針状体と半導体素子との融合を活用した新規なデバイスの出現などこれまで実現されてこなかった分野への応用も大いに期待できる。

同一半導体基板上へ長さの異なる複数の針状体を形成するという目的を、触媒となる金属材料の露出とそれに続くＶＬＳ成長を多段階で行うことにより実現した。

以下に本発明の具体的な例としてシリコン（１１１）結晶基板上へＶＬＳ結晶成長法にて成長させた極微細シリコンプローブを用いて作製する、先端が三次元的に分布するように異なる長さのプローブを群で形成した三次元プローブ群について説明する。

図１（ａ）に示すように、まずシリコン（１１１）基板１上に、フォトリソグラフィーを用いて、微小、薄膜のＡｕの群３を形成する。

図１（ｂ）のように、シリコン酸化膜４を堆積させる。

図１（ｃ）のように、再びフォトリソグラフィーを用いて、一番長いプローブを形成する部分５のみ、シリコン酸化膜を除去する。

再びフォトリソグラフィーを用いて、次いで長いプローブを形成する部分６のみ、シリコン酸化膜を途中までエッチングし、ある程度薄くしておく。

図１（ｄ）のように、このままＶＬＳ成長を行うことにより、一番長いプローブを形成する部分のみプローブ８を形成できる。ただしこのプローブの成長を終了する際に、普通のガス圧力よりも低圧の状態をしばらく維持した後に成長を終了する。これにより、後の工程におけるプローブの再成長を正常に行うことが可能となる。

図１（ｅ）のように、基板全面のシリコン酸化膜エッチングを行う。ただし初めにある程度薄くしておいたシリコン酸化膜６のみが全てなくなってＡｕが露出する程度にエッチング時間を調整する。これにより初めにシリコン酸化膜を全くエッチングしなかった箇所７のみシリコン酸化膜を残すことができる。またこの作業によりプローブ先端に残留しているＡｕ−Ｓｉ合金の自然酸化膜を除去できるので、作業後すぐにＶＬＳ成長用真空装置に入れる。

図１（ｆ）のように、再びＶＬＳ成長を行う。これにより、既に形成されていたプローブは再び成長し１１となり、先ほど露出させたＡｕからは新たにプローブ１２が成長する。この再成長時には成長開始時にガス圧力を低くした状態を数分間維持した後にガス圧を上げて成長を行う。

再びシリコン酸化膜エッチングを行う。これにより、図１（ｇ）のように、残されていたＡｕ３が露出する。

ＶＬＳ成長を行う。図１（ｈ）に示すように、既に形成されていたプローブは成長し１３および１４が形成され、初めて露出させたＡｕからは新たにプローブ１５が成長する。

本発明のＶＬＳ結晶成長法で形成した三次元針状体（プローブ）形成方法を示す。 網膜の電気計測の例を、従来技術である二次元針状体を用いた場合と、本発明である三次元針状体を用いた場合で比較したものである。 三次元針状体を製作するにあたり、初段のＶＬＳ成長終了時の低ガス圧処理を行った場合と行わなかった場合の２段階目終了後の成長結果の違い。 図３で示した技術を用いて製作した２種類の長さを持つ針状体のアレイ

符号の説明

１ シリコン基板
２ シリコン酸化膜
３ Ａｕ
４ 堆積させたシリコン酸化膜
５ シリコン酸化膜を除去して露出したＡｕ
６ 途中まで除去したシリコン酸化膜
７ 全く除去していないシリコン酸化膜
８ 一回目のＶＬＳ成長によって初めて得られたシリコンプローブ
９ シリコン酸化膜を全面的に除去し、露出させたＡｕ
１０ シリコン酸化膜を全面的に除去しつつも、もともと厚いために残せたＡｕの上のシリコン酸化膜
１１ 二回目のＶＬＳ成長で１３を再成長させて得られたシリコンプローブ
１２ 二回目のＶＬＳ成長によって初めて得られたシリコンプローブ
１３ 三回目のＶＬＳ成長で１５を再成長させて得られたシリコンプローブ
１４ 三回目のＶＬＳ成長で１６を再成長させて得られたシリコンプローブ
１５ 三回目のＶＬＳ成長で初めて得られたシリコンプローブ

２１ 眼球裏から取り出した網膜（多層構造になっている）
２２ 従来の二次元針状体
２３ 本発明の三次元針状体

３１ 初段階のＶＬＳ成長終了時に低ガス圧処理を行わなかった針状体の再ＶＬ
Ｓ成長結果
３２ 初段階のＶＬＳ成長終了時に低ガス圧処理を行った針状体の再ＶＬＳ成長
結果

Claims (3)

1. 半導体基板上の全面および所望の領域に、ＶＬＳ成長法を用いて、長さの異なる複数のシリコン針状結晶体を成長させた半導体基板。
2. ＶＬＳ成長時の成長ガス圧を制御することによって、該針状体の再ＶＬＳ成長を可能とし、ＶＬＳ成長用の金属材料への保護膜成膜と、保護膜エッチングによる金属材料の露出およびＶＬＳ成長を交互に繰り返すことで該針状体を多段成長させ、該針状体の長さ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。
3. 所望の部位のＶＬＳ成長用金属材料を露出し、ＶＬＳ成長した後に先端金属を除去することで所望の長さの該針状体を作製し、これを繰り返すことにより、同一半導体基板上にて該針状体の長さ制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の半導体基板の製造方法。