JP2008155333A - Micromachine using metal glass and sensor using same, and manufacturing method thereof - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属ガラスを用いたマイクロマシン及びこのマイクロマシンを用いたセンサ並びにマイクロマシンの製造方法に関する。 The present invention relates to a micromachine using metal glass, a sensor using the micromachine, and a method of manufacturing the micromachine.
Ｓｉ基板を加工し、Ｓｉ基板に設けたＳｉ薄膜から形成される梁や片持ち梁（カンチレバー）などを用いた圧力センサなどが知られている。これらのセンサはマイクロマシン（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）や電気機械構造物と呼ばれている（非特許文献１参照）。半導体のプロセス技術の伸展に伴い加工寸法はナノメートル（ｎｍ）の領域になり、このようなマイクロマシンはナノマシン（Ｎａｎｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれている。 A pressure sensor using a beam, a cantilever (cantilever) or the like formed from a Si thin film provided on the Si substrate after processing the Si substrate is known. These sensors are called a micro machine (Micro Electro Mechanical System) or an electromechanical structure (see Non-Patent Document 1). Along with the development of semiconductor process technology, the processing dimension becomes a nanometer (nm) region, and such a micromachine is also called a nanomachine (Nano Electro Mechanical System).
Ｓｉ基板をベースとするマイクロマシンは、Ｓｉ基板中に空洞を設け、ダイアフラムやカンチレバーとなるＳｉ薄膜を形成している。このため、ダイアフラムの感度は、寸法以外はＳｉの有する弾性率などの機械的な物性特性で決まっている。 In a micromachine based on a Si substrate, a cavity is provided in the Si substrate, and a Si thin film serving as a diaphragm or a cantilever is formed. For this reason, the sensitivity of the diaphragm is determined by mechanical properties such as the elastic modulus of Si except for the dimensions.
本発明者らは、これまでガラス遷移温度を持つ非晶質合金と定義される「金属ガラス合金」を数多く開発してきた（非特許文献２参照）。金属ガラス合金は、従来の非晶質合金では見られない過冷却液体領域ΔＴｘ（＝結晶化開始温度Ｔｘ以下、ガラス転移点温度Ｔｇ以上の温度範囲）を有し、温度がＴｇを超えると酸化物ガラスと同様に温度に比例して粘性が低下するので、過冷却液体状態の温度範囲で樹脂と同様な成形性で一様に変形させることができる性質を有している。この性質を利用して、金属ガラス合金は、これまでに、ゴルフクラブの部品、装飾品、筆記用具、プリント用具、ばね、医療器具、機械のギア、ロボットの部品等の製造に応用されている。 The present inventors have so far developed many “metallic glass alloys” defined as amorphous alloys having a glass transition temperature (see Non-Patent Document 2). The metal glass alloy has a supercooled liquid region ΔTx (= a crystallization start temperature Tx or less, a temperature range of a glass transition temperature Tg or more) that is not found in conventional amorphous alloys, and oxidation occurs when the temperature exceeds Tg. Since the viscosity decreases in proportion to the temperature as in the case of the glass, it has the property that it can be uniformly deformed with the same moldability as the resin in the temperature range of the supercooled liquid state. Utilizing this property, metal glass alloys have been applied to manufacture golf club parts, ornaments, writing tools, printing tools, springs, medical instruments, machine gears, robot parts, and the like. .
金属ガラスは従来の多結晶合金に比べ、優れた機械的特性と耐食性や電磁特性などの機能特性を有している。とくに弾性係数が小さく、２％にも及ぶ弾性限ひずみを呈することから、様々な分野の高性能構造部品として期待されている。 Metallic glass has superior mechanical characteristics and functional characteristics such as corrosion resistance and electromagnetic characteristics compared to conventional polycrystalline alloys. In particular, the elastic modulus is small, and it exhibits an elastic limit strain as high as 2%. Therefore, it is expected as a high-performance structural component in various fields.
しかしながら、これまでＺｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金などに関する研究開発は全てバルク材料の製造と過冷却液体領域での塑性加工に焦点を当てたものであり、半導体工業のような様々な応用からほど遠かった。したがって、金属ガラスの有する優れた特性を生かしたマイクロマシンなどへの応用や、現状のＳｉを用いたマイクロマシンの製造工程との比較検討が十分になされていないという課題がある。 However, all research and development related to Zr-Cu-based metallic glass alloys has so far focused on the production of bulk materials and plastic processing in the supercooled liquid region, which is far from various applications such as the semiconductor industry. It was. Therefore, there is a problem that application to a micromachine that makes use of the excellent characteristics of metal glass and comparison with the current manufacturing process of micromachine using Si have not been sufficiently performed.
本発明は、上記課題に鑑み、金属ガラス薄膜を構成要素とする、新規なマイクロマシンを提供することを第１の目的とし、このマイクロマシンを用いたセンサを提供することを第２の目的とし、マイクロマシンの製造方法を提供することを第３の目的としている。 In view of the above problems, the present invention has a first object to provide a novel micromachine having a metal glass thin film as a constituent element, and a second object to provide a sensor using this micromachine. A third object is to provide a manufacturing method.
本発明者等は、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系のスパッタリング法で基板上に形成した金属ガラス合金薄膜が高硬度でしかも極めて平滑な表面を有しており、そして、マスクレス集束イオンビーム（ＦＩＢ）描画法で極めて線幅の狭いパターンを鮮明な輪郭で描画できる特性を有していることを見出し、さらに、Ｓｉ基板をエッチングする際のマスク材として使用できることを見出して本発明に至った。 The present inventors have found that a metal glass alloy thin film formed on a substrate by a Zr—Cu—Al—Ni based sputtering method has a high hardness and a very smooth surface, and a maskless focused ion beam ( FIB) It has been found that it has a characteristic that a pattern with a very narrow line width can be drawn with a clear outline by the drawing method, and furthermore, it has been found that it can be used as a mask material when etching a Si substrate, leading to the present invention. .
上記第１の目的を達成するため、本発明のマイクロマシンは、基板と基板に配置される金属ガラス薄膜とを備えたことを特徴とする。
上記構成において、金属ガラス薄膜は、好ましくは基板の開口部上に配置されている。金属ガラス薄膜は、好ましくは、基板に配置されているカンチレバーである。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜はＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系又はＰｔ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒ系の材料からなる。
上記構成によれば、例えば弾性率の高い金属ガラス薄膜を構成要素としたマイクロマシンを提供することができる。
In order to achieve the first object, the micromachine of the present invention includes a substrate and a metal glass thin film disposed on the substrate.
In the above configuration, the metal glass thin film is preferably disposed on the opening of the substrate. The metal glass thin film is preferably a cantilever disposed on a substrate. Preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based or Pt—Pt—B—Zr-based material.
According to the said structure, the micromachine which used the metal glass thin film with a high elastic modulus as a component can be provided, for example.
上記第２の目的を達成するため、本発明の金属ガラス薄膜を用いたダイアフラムは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、を備えたことを特徴とする。
好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、感度が高いダイアフラムが得られ、例えば圧力測定に使用することができる。
In order to achieve the second object, a diaphragm using a metallic glass thin film of the present invention comprises a substrate having a cavity and a metallic glass thin film arranged so as to cover the cavity of the substrate. And
Preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based material.
According to the said structure, a highly sensitive diaphragm can be obtained and it can be used for a pressure measurement, for example.
本発明の金属ガラス薄膜を用いた圧力センサは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、金属ガラス薄膜上に歪ゲージと、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、感度が高い圧力センサが得られる。
A pressure sensor using a metallic glass thin film according to the present invention comprises a substrate having a cavity, a metallic glass thin film disposed so as to cover the cavity of the substrate, and a strain gauge on the metallic glass thin film. And
In the above configuration, preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based material.
According to the above configuration, a pressure sensor with high sensitivity can be obtained.
本発明の金属ガラス薄膜を有するセンサは、空洞を備えた基板と、基板に配置される金属ガラス薄膜からなるカンチレバーと、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、カンチレバーの下部に検知層を備えていてもよい。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、金属ガラス薄膜からなるカンチレバーを用いることで感度が高いセンサが得られる。
A sensor having a metallic glass thin film according to the present invention includes a substrate having a cavity and a cantilever made of the metallic glass thin film disposed on the substrate.
In the above configuration, a detection layer may be provided below the cantilever. Preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based material.
According to the said structure, a sensor with a high sensitivity is obtained by using the cantilever which consists of a metallic glass thin film.
本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、金属ガラス薄膜上に形成される圧電層と、圧電層の表面に形成される櫛状電極と、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、金属ガラス薄膜の下部に検知層を備えていてもよい。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、所謂たわみ板波（ＦＰＷ：Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｐｌａｔｅ Ｗａｖｅ）を用いたセンサが得られ、圧電層の下部に金属ガラス薄膜が配置されことで、感度の高いセンサが得られる。
The sensor using the metallic glass thin film of the present invention includes a substrate having a cavity, a metallic glass thin film disposed so as to cover the cavity of the substrate, a piezoelectric layer formed on the metallic glass thin film, and a surface of the piezoelectric layer. And a comb-like electrode.
In the above configuration, a detection layer may be provided below the metallic glass thin film. Preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based material.
According to the above configuration, a sensor using a so-called flexural plate wave (FPW) is obtained, and a highly sensitive sensor is obtained by disposing the metal glass thin film below the piezoelectric layer.
上記第３の目的を達成するため、本発明のマイクロマシンの製造方法は、基板に金属ガラス薄膜を形成する工程と、金属ガラス薄膜に開口部を有するパターンを形成する工程と、パターンをマスクとして基板をエッチングする工程と、を備えている。
上記構成において、好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、金属ガラス薄膜をマスクとして、Ｓｉ基板をエッチングすることができる。金属ガラス薄膜はＳｉなどのエッチング液に対する耐食が高く、アモルファスであるのでｎｍオーダーの微細なパターンを形成することができる。
In order to achieve the third object, a method of manufacturing a micromachine of the present invention includes a step of forming a metallic glass thin film on a substrate, a step of forming a pattern having an opening in the metallic glass thin film, and a substrate using the pattern as a mask. And a step of etching.
In the above configuration, preferably, the substrate is made of Si, and the metal glass thin film is made of a Zr—Al—Cu—Ni-based material.
According to the above configuration, the Si substrate can be etched using the metal glass thin film as a mask. The metal glass thin film has high corrosion resistance against an etchant such as Si and is amorphous, so that a fine pattern of nm order can be formed.
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンによれば、金属ガラス薄膜をマイクロマシンやナノマシンの構成要素とすることにより、従来のＳｉをベースとしたマイクロマシンでは実現できなかった機能を追加することができる。 According to the micromachine using the metal glass thin film of the present invention, by using the metal glass thin film as a constituent element of a micromachine or nanomachine, it is possible to add a function that could not be realized by a conventional micromachine based on Si.
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンによるセンサによれば、感度などが改善された各種のセンサを提供することができる。 According to the sensor by the micromachine using the metallic glass thin film of the present invention, various sensors with improved sensitivity and the like can be provided.
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法によれば、金属ガラス薄膜を、基板、特にＳｉのマスク材とし、パターンの転写やＳｉのエッチングのマスク材として使用することで、精度の高いマイクロマシンやナノマシンを製造することができる。 According to the method of manufacturing a micromachine using the metal glass thin film of the present invention, the metal glass thin film is used as a substrate, in particular, a Si mask material, and is used as a mask material for pattern transfer or Si etching. Micromachines and nanomachines can be manufactured.
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
本発明による第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンを模式的に示す断面図である。金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１は、基板２と、この基板２の表面に形成される第１の金属ガラス薄膜３と、基板２の裏面側に形成された第２の金属ガラス薄膜４と、から構成されている。第２の金属ガラス薄膜は開口部４Ａを有しており、この開口部４Ａに対向する基板にも同様に基板の開口部２Ａ、すなわち空洞が形成されている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding members are denoted by the same reference numerals.
A micromachine using the metallic glass thin film according to the first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a micromachine using a metallic glass thin film according to the first embodiment of the present invention. A micromachine 1 using a metal glass thin film includes a substrate 2, a first metal glass thin film 3 formed on the surface of the substrate 2, a second metal glass thin film 4 formed on the back side of the substrate 2, It is composed of The second metallic glass thin film has an opening 4A, and the substrate opening 2A, that is, a cavity is formed in the substrate facing the opening 4A.
基板２は、半導体、絶縁物、金属などからなる材料を用いることができる。半導体基板２としてはシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。 For the substrate 2, a material made of a semiconductor, an insulator, a metal, or the like can be used. As the semiconductor substrate 2, silicon (Si) can be used.
第１及び第２の金属ガラス薄膜３，４は、大きな過冷却液体領域をもち、滑らかで腐食に強い、しかも高いビッカース硬さを示す材料を用いることが好ましい。例えば、Ｚｒ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ系などの金属ガラス薄膜を用いることができる。 The first and second metallic glass thin films 3 and 4 are preferably made of a material having a large supercooled liquid region, smooth and resistant to corrosion, and having a high Vickers hardness. For example, a metallic glass thin film such as a Zr—Cu system or an Fe—Pt—B system can be used.
Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金の代表的な組成としては、Ｚｒ−Ｃｕ−Ｔｉ系（Ｚｒ40Ｃｕ50Ｔｉ10など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ系（Ｚｒ75Ｃｕ19Ａｌ6など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系（Ｚｒ65Ｃｕ17.5Ａｌ7.5Ｎｉ10など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｙ系（Ｚｒ40Ｃｕ50Ｔｉ5Ｙ5など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ−（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｐｄ）系（Ｚｒ63Ｃｕ25Ａｌ5Ｎｉ5Ｔｉ02）などが報告されている（特許文献１、非特許文献３及び４参照）。例えば、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系の金属ガラス薄膜を用いることができる。Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ系の金属ガラス薄膜としては、Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒなどを用いることができる。これらの金属ガラス薄膜は、スパッタリング法で成膜することができる。 As a typical composition of the Zr-Cu-based metallic glass alloy, Zr-Cu-Ti-based (such as Zr 40 Cu 50 Ti 10 ), Zr-Cu-Al-based (such as Zr 75 Cu 19 Al 6 ), Zr-Cu -al-Ni-based (such as Zr 65 Cu 17.5 Al 7.5 Ni 10 ), Zr-Cu-Ti-Y system (Zr 40 Cu 50 Ti 5 Y 5 , etc.), Zr-Cu-Al- Ni- (Ti, Nb, Pd) type (Zr 63 Cu 25 Al 5 Ni 5 Ti 02 ) has been reported (see Patent Document 1, Non-Patent Documents 3 and 4). For example, a Zr—Al—Cu—Ni-based metallic glass thin film can be used. As the Fe—Pt—B-based metallic glass thin film, Fe—Pt—B—Zr or the like can be used. These metallic glass thin films can be formed by sputtering.
Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金は硬い表面を持ち、腐食に強く摩耗に強い性質を有する。さらに、優れた離型性を有し、金型として用いる場合には金型の表面処理が不要である。Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金は、強度や成形性に優れているので、過冷却液体領域において曲面構造や多層構造を容易に形成することができる。したがって、微細パターンの形成前又は形成後に所望の表面構造に塑性変形加工を施すことができる。 Zr—Cu-based metallic glass alloys have a hard surface and are resistant to corrosion and wear. Furthermore, it has excellent releasability and does not require surface treatment of the mold when used as a mold. Since the Zr—Cu-based metallic glass alloy is excellent in strength and formability, a curved surface structure and a multilayer structure can be easily formed in the supercooled liquid region. Therefore, the desired surface structure can be plastically deformed before or after the formation of the fine pattern.
Ｚｒ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ系の金属ガラス薄膜は、低スパッタリングガス圧力下での高周波（ＲＦ）や直流（ＤＣ）を用いたマグネトロン・スパッタリング法により基板２上に厚み３〜５μｍ程度の薄膜として形成することができる。スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜は、表面が滑らかで高硬度である。 Zr-Cu-based and Fe-Pt-B-based metallic glass thin films have a thickness of about 3 to 5 μm on the substrate 2 by magnetron sputtering using high frequency (RF) or direct current (DC) under low sputtering gas pressure. It can be formed as a thin film. A metallic glass thin film formed by sputtering has a smooth surface and high hardness.
例えば、ＲＦマグネトロン・スパッタリング法により基板２上に形成したＺｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系金属ガラスとして、例えば、Ｚｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5組成の薄膜は、金属ガラス形成能が特に大きく、ΔＴｘは９５Ｋ以上であり、薄膜の表面は原子レベルで平滑であり、例えば、その表面粗さＲａを約０．６５ｎｍとすることができる。この表面は電場勾配のない表面となっており、最も幅の狭い線を描くことができる。さらに、硬度は銅鋳型鋳造したバルク材よりもかなり大きく高硬度（Ｈｖ約９００以上）が得られ、摩擦に非常に強いことからＳｉ基板２などを用いたマイクロマシン１やマイクロマシンを用いたセンサに適用することができる。また、金属ガラス薄膜の熱膨張率はガラス状態で約１．０×１０-5／Ｋ、過冷却液体領域で約１８×１０-5／Ｋである。Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系金属ガラスを得るための好ましい組成範囲は原子％でＺｒ５０〜６５％、Ｃｕ２５〜３５％、Ａｌ５〜２０％、Ｎｉ０〜９％程度である。 For example, as a Zr—Cu—Al—Ni-based metallic glass formed on the substrate 2 by the RF magnetron sputtering method, for example, a thin film having a Zr 55 Cu 30 Al 10 Ni 5 composition has a particularly large metallic glass forming ability, and ΔTx Is 95K or more, and the surface of the thin film is smooth at the atomic level. For example, the surface roughness Ra can be about 0.65 nm. This surface has no electric field gradient and can draw the narrowest line. Furthermore, the hardness is considerably higher than that of bulk material cast by copper mold and high hardness (Hv of about 900 or more) is obtained, and it is extremely resistant to friction. Therefore, it is applicable to micromachine 1 using Si substrate 2 and sensors using micromachine. can do. The thermal expansion coefficient of the metal glass thin film is about 1.0 × 10 −5 / K in the glass state and about 18 × 10 −5 / K in the supercooled liquid region. A preferable composition range for obtaining a Zr—Cu—Al—Ni-based metallic glass is about 50 to 65% Zr, 25 to 35% Cu, 5 to 20% Al, and about 0 to 9% Ni.
Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒからなる金属ガラス薄膜は、集束イオンビーム装置により１０ｎｍ程度までのパターニングができる。これらの材料は、導電性であるので、帯電でパターンがぼやけることがなく、ｎｍオーダーのパターンを精度よく形成することができる。Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒからなる金属ガラス薄膜の場合には、成膜した直後には軟質磁性層となり、熱処理を行った場合には硬質磁性層となる。したがって、これらの金属ガラス薄膜３，４は、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシン１やナノマイクロマシンやこれらを用いたセンサの部品として使用することができる。
なお、図示の場合には、第１の金属ガラス薄膜３は、基板２の表面に形成していたが、これに限らないことはいうまでもなく、マイクロマシンとなる基板２の必要な箇所に形成することができる。例えば、基板２に形成された絶縁膜の表面に形成してもよい。
A metallic glass thin film made of Zr—Cu—Al—Ni or Fe—Pt—B—Zr can be patterned to about 10 nm by a focused ion beam apparatus. Since these materials are conductive, the pattern is not blurred by charging, and a pattern of nm order can be formed with high accuracy. In the case of a metallic glass thin film made of Fe—Pt—B—Zr, it becomes a soft magnetic layer immediately after film formation and becomes a hard magnetic layer when heat treatment is performed. Therefore, these metal glass thin films 3 and 4 can be used as components of a micromachine 1 or nanomicromachine using the Si substrate 2 or the like, or a sensor using these.
In the case shown in the drawing, the first metallic glass thin film 3 is formed on the surface of the substrate 2, but it is needless to say that the first metallic glass thin film 3 is formed on a necessary portion of the substrate 2 to be a micromachine. can do. For example, it may be formed on the surface of an insulating film formed on the substrate 2.
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１の製造方法を模式的に示す工程図である。用いる金属ガラス薄膜３，４は、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉとし、基板２はＳｉとして説明する。
図２（Ａ）に示すように、洗浄したＳｉ基板２上に、ＲＦスパッタリング法によって所定の膜厚、例えば膜厚が１μｍのＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉからなる第１の金属ガラス薄膜３を堆積する。
図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２の上部表面にＳｉ基板に形成する空洞となる領域にフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン６を形成し、第２の金属ガラス薄膜４をＲＦスパッタリング法を用いて堆積し、レジストパターン６をエッチングで除去する（図２（Ｃ）参照）。この所謂リフトオフ工程により空洞となる領域の金属ガラス薄膜４が除去されて金属ガラス薄膜４のパターンがＳｉ基板２上に形成される。
最後に、図２（Ｄ）に示すように、金属ガラス薄膜４をマスクとして、Ｓｉ基板２をＫＯＨ溶液などで異法性エッチングすることで、Ｓｉ基板２内に空洞、すなわち、開口部２Ａが形成される。
FIG. 2 is a process diagram schematically showing a manufacturing method of the micromachine 1 using the metallic glass thin film according to the first embodiment of the present invention. The metallic glass thin films 3 and 4 to be used will be described as Zr—Al—Cu—Ni, and the substrate 2 will be described as Si.
As shown in FIG. 2A, a first metallic glass thin film 3 made of Zr—Al—Cu—Ni having a predetermined film thickness, for example, 1 μm, is formed on the cleaned Si substrate 2 by an RF sputtering method. accumulate.
As shown in FIG. 2B, a resist pattern 6 is formed on the upper surface of the Si substrate 2 in a region to be a cavity formed in the Si substrate using a photolithography method, and the second metallic glass thin film 4 is RF-sputtered. Then, the resist pattern 6 is removed by etching (see FIG. 2C). By this so-called lift-off process, the metallic glass thin film 4 in the region to be a cavity is removed, and a pattern of the metallic glass thin film 4 is formed on the Si substrate 2.
Finally, as shown in FIG. 2D, by using the metallic glass thin film 4 as a mask, the Si substrate 2 is subjected to illegal etching with a KOH solution or the like, so that a cavity, that is, an opening 2A is formed in the Si substrate 2. It is formed.
本発明の上記製造方法によれば、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉのような金属ガラス薄膜３，４をスパッタリング法で作製することができ、この金属ガラス薄膜３，４は大きな過冷却液体領域をもち、滑らかで腐食に強い、しかも高いビッカース硬さを示す。しかも、この金属ガラス薄膜３，４はＳｉエッチングの際、極めて優れた特性を示す。従来、ＳｉのＫＯＨによるエッチングには、Ｓｉ基板２にＳｉＯ2膜をコートしてマスクとしていたが、スパッタリング法で堆積したＳｉＯ2膜は結晶化によるグレインのため表面の凸凹が大きくなる。これに対して、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の金属ガラス薄膜３，４はＳｉ基板２との密着性や、ＫＯＨに対する耐食性が優れているだけでなく、レジストによるパターニングプロセスも容易に行うことができる。 According to the manufacturing method of the present invention, the metallic glass thin films 3 and 4 such as Zr—Al—Cu—Ni can be produced by the sputtering method, and the metallic glass thin films 3 and 4 have a large supercooled liquid region. It is smooth, resistant to corrosion, and has a high Vickers hardness. Moreover, the metallic glass thin films 3 and 4 exhibit extremely excellent characteristics during Si etching. Conventionally, the etching of Si with KOH has been performed by coating the Si substrate 2 with a SiO 2 film as a mask. However, the SiO 2 film deposited by the sputtering method is grained by crystallization, so that the surface unevenness increases. In contrast, the Zr—Cu—Al—Ni-based metallic glass thin films 3 and 4 not only have excellent adhesion to the Si substrate 2 and corrosion resistance to KOH, but also facilitate the patterning process using a resist. Can do.
本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１は、特に、Ｓｉ基板２の開口部２Ａを覆う第１の金属ガラス薄膜３を、所謂メンブレンとして、後述するダイアフラムや各種のセンサに適用することができる。金属ガラス薄膜３，４は、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシンやマイクロマシンによる各種のセンサにおいて、抵抗、金属配線、歪ゲージなどにも使用できる。また、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシンやマイクロマシンによる各種センサにおいて、磁性のある金属ガラス薄膜は、磁性膜として使用することができる。 The micromachine 1 using the metal glass thin film according to the first embodiment of the present invention has a diaphragm and various diaphragms, which will be described later, as a so-called membrane, in particular, the first metal glass thin film 3 covering the opening 2A of the Si substrate 2. It can be applied to other sensors. The metal glass thin films 3 and 4 can be used for resistance, metal wiring, strain gauges, and the like in micromachines using the Si substrate 2 and the like and various sensors using the micromachines. Further, in a micromachine using the Si substrate 2 or the like or various sensors using the micromachine, a magnetic metallic glass thin film can be used as a magnetic film.
以下、本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン及びマイクロマシンを用いたセンサの幾つかの例を説明する。以下の説明においては、特に断らない限りは、金属ガラス薄膜３，４は、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉとし、基板２はＳｉとして説明する。
本発明による第２の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムについて説明する。図３は本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムを模式的に示す断面図であり、図４は図３の圧力センサ用ダイアフラムの変形例を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０は、基準圧力室となる空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された第１の金属ガラス薄膜３と、を備えている。基板２の裏面に形成された層は、第２の金属ガラス薄膜４又は絶縁層１２であり、基板２の開口部２Ａの形成時に用いたマスク層である。
Hereinafter, some examples of a micromachine using the metal glass thin film of the present invention and a sensor using the micromachine will be described. In the following description, unless otherwise specified, the metallic glass thin films 3 and 4 are described as Zr—Al—Cu—Ni, and the substrate 2 is described as Si.
A diaphragm for a pressure sensor using a metal glass thin film according to a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing a pressure sensor diaphragm using a metallic glass thin film according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 4 is a schematic view of a modification of the pressure sensor diaphragm of FIG. It is sectional drawing shown.
As shown in FIG. 3, a pressure sensor diaphragm 10 using a metal glass thin film includes a substrate 2 having a cavity 2 </ b> A serving as a reference pressure chamber, and a first metal glass thin film 3 formed on the surface of the substrate 2. And. The layer formed on the back surface of the substrate 2 is the second metallic glass thin film 4 or the insulating layer 12, and is a mask layer used when the opening 2 </ b> A of the substrate 2 is formed.
図４に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０Ａは、さらに、基板の開口部２Ａをシールするシール部１４を備えてもよい。この場合、開口部２Ａとなる空洞は真空にしてもよい。このような、シール部１４としては、ガラス基板などを使用することができる。 As shown in FIG. 4, the pressure sensor diaphragm 10 </ b> A using the metal glass thin film may further include a seal portion 14 that seals the opening 2 </ b> A of the substrate. In this case, the cavity serving as the opening 2A may be evacuated. As such a seal part 14, a glass substrate etc. can be used.
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０，１０Ａに用いる基板や金属ガラス薄膜は、第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１と同様な材料を用いることができる。 The same material as that of the micromachine 1 using the metal glass thin film according to the first embodiment can be used for the substrate and the metal glass thin film used in the pressure sensor diaphragms 10 and 10A using the metal glass thin film.
図５は、本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムの製造方法を模式的に示す工程図である。
図５（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板２を洗浄し、Ｓｉ基板２上にＳｉＯ2膜１２を熱酸化又はＣＶＤ法などにより堆積する（図５（Ｂ）参照）。ＳｉＯ2膜１２の代わりに金属ガラス薄膜４を堆積してもよい。
図５（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ2膜１２の表面にレジスト７を塗布し、図５（Ｄ）に示すように、Ｓｉ基板２に形成する空洞領域となる領域以外にフォトリソグラフィ法によりレジストパターン７Ａを形成し、レジストパターン７ＡをマスクとしてＳｉＯ2膜１２をエッチングして、ＳｉＯ2膜１２に開口部を形成した後でレジストを除去する（図５（Ｅ）参照）。
図５（Ｆ）に示すように、Ｓｉ基板２のＳｉＯ2を形成しない表面に金属ガラス薄膜３をＲＦスパッタリング法により堆積し、図５（Ｇ）に示すように、金属ガラス薄膜３を熱処理する。この熱処理を施すことで金属ガラス薄膜３に生じる内部応力を緩和することができる。この熱処理温度は、金属ガラス薄膜３のガラス遷移温度よりも高い温度とすればよい。
最後に、図５（Ｈ）に示すように、Ｓｉ基板２をＫＯＨ溶液などでエッチングすることで、Ｓｉ基板２内に開口部２Ａが形成される。
FIG. 5 is a process diagram schematically showing a method for manufacturing a diaphragm for a pressure sensor using a metallic glass thin film according to the second embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 5A, the Si substrate 2 is cleaned, and a SiO 2 film 12 is deposited on the Si substrate 2 by thermal oxidation or CVD (see FIG. 5B). Instead of the SiO 2 film 12, a metal glass thin film 4 may be deposited.
As shown in FIG. 5C, a resist 7 is applied to the surface of the SiO 2 film 12, and as shown in FIG. 5D, by a photolithography method other than the region to be a cavity region formed in the Si substrate 2. A resist pattern 7A is formed, and the SiO 2 film 12 is etched using the resist pattern 7A as a mask to form an opening in the SiO 2 film 12, and then the resist is removed (see FIG. 5E).
As shown in FIG. 5 (F), a metallic glass thin film 3 is deposited by RF sputtering on the surface of the Si substrate 2 where no SiO 2 is formed, and the metallic glass thin film 3 is heat-treated as shown in FIG. 5 (G). . By applying this heat treatment, the internal stress generated in the metallic glass thin film 3 can be relaxed. This heat treatment temperature may be higher than the glass transition temperature of the metal glass thin film 3.
Finally, as shown in FIG. 5H, the Si substrate 2 is etched with a KOH solution or the like to form an opening 2A in the Si substrate 2.
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０，１０Ａは、ダイアフラムがステンレス鋼に比較して弾性率が小さい金属ガラス薄膜から構成されているので、従来のダイアフラムに比較して、高感度で、ダイナミックレンジを広くすることができる。 Diaphragms 10 and 10A for pressure sensors using metal glass thin films are composed of metal glass thin films having a smaller elastic modulus than stainless steel, so that they are more sensitive and dynamic than conventional diaphragms. The range can be widened.
本発明による第３の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサについて説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサを模式的に示す断面図である。図６に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０は、基準圧力室となる空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された第１の金属ガラス薄膜３と、第１の金属ガラス薄膜３上に配置される歪ゲージ２１と、基板の開口部２Ａをシールするシール部１４と、を備えている。すなわち、図４に示す圧力センサ用ダイアフラム１０Ａにさらに歪ゲージを付加した構成となっている。この場合、開口部２Ａとなる空洞は真空にしてもよい。このようなシール部１４としては、ガラス基板などを使用することができる。
A pressure sensor using a metallic glass thin film according to a third embodiment of the present invention will be described.
FIG. 6 is a cross-sectional view schematically showing a pressure sensor using a metallic glass thin film according to the third embodiment of the present invention. As shown in FIG. 6, a pressure sensor 20 using a metal glass thin film includes a substrate 2 having a cavity 2 </ b> A serving as a reference pressure chamber, a first metal glass thin film 3 formed on the surface of the substrate 2, A strain gauge 21 disposed on the first metallic glass thin film 3 and a seal portion 14 for sealing the opening 2A of the substrate are provided. In other words, a strain gauge is further added to the pressure sensor diaphragm 10A shown in FIG. In this case, the cavity serving as the opening 2A may be evacuated. As such a seal part 14, a glass substrate etc. can be used.
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０の感度は、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の下部面の歪により決まり、下記（１）式で表わされる。
ε＝αｐａ2／（Ｅｔ2） （１）
ここで、εは歪、αは定数、ｐは圧力センサ２０に印加される圧力、ａはダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の実効直径、Ｅは弾性率、ｔは金属ガラス薄膜３の厚さである。
したがって、圧力センサ２０の感度は、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の直径を大きくし、その厚さを薄くすると共に、より弾性率の小さい材料を用いれば向上することができる。
The sensitivity of the pressure sensor 20 using the metal glass thin film is determined by the distortion of the lower surface of the metal glass thin film 3 serving as a diaphragm, and is expressed by the following equation (1).
ε = αpa 2 / (Et 2 ) (1)
Here, ε is a strain, α is a constant, p is a pressure applied to the pressure sensor 20, a is an effective diameter of the metallic glass thin film 3 serving as a diaphragm, E is an elastic modulus, and t is a thickness of the metallic glass thin film 3. is there.
Therefore, the sensitivity of the pressure sensor 20 can be improved by increasing the diameter of the metal glass thin film 3 serving as a diaphragm, reducing the thickness thereof, and using a material having a lower elastic modulus.
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０に用いる基板２や金属ガラス薄膜３は、第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１と同様な材料を用いることができる。これを製造する場合は、図２で説明した製造方法に、さらに第１の金属ガラス薄膜３上に歪ゲージ２１を形成する工程を追加することで製作することができる。歪ゲージ２１は、電気機械素子、例えば圧電性を有する材料を用いて製作することができる。 For the substrate 2 and the metal glass thin film 3 used in the pressure sensor 20 using the metal glass thin film, the same material as that of the micromachine 1 using the metal glass thin film according to the first embodiment can be used. When manufacturing this, it can manufacture by adding the process of forming the strain gauge 21 on the 1st metallic glass thin film 3 further to the manufacturing method demonstrated in FIG. The strain gauge 21 can be manufactured using an electromechanical element, for example, a piezoelectric material.
本発明の金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０によれば、第１の金属ガラス薄膜３からなるダイアフラムの弾性係数が従来のステンレス鋼よりも小さく、かつ、弾性限ひずみが大きいことから、従来の圧力センサに比較して、高感度でダイナミックレンジが広い圧力センサを提供することができる。さらに優れた耐食性を発揮することは、相対的な表面積の大きなマイクロマシン（ＭＥＭＳ）構造においては極めて有用であり、様々な環境での使用が可能である。 According to the pressure sensor 20 using the metal glass thin film of the present invention, the elastic modulus of the diaphragm made of the first metal glass thin film 3 is smaller than that of the conventional stainless steel and the elastic limit strain is large. As compared with a pressure sensor, a pressure sensor with high sensitivity and a wide dynamic range can be provided. Further, exhibiting excellent corrosion resistance is extremely useful in a micromachine (MEMS) structure having a relatively large surface area, and can be used in various environments.
本発明による第４の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサについて説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサを模式的に示す断面図である。図７に示すように、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサ３０は、空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２表面に形成された金属ガラス薄膜からなるカンチレバー（片持ち梁）３２と、カンチレバー３２の表面に形成されるセンサ部３４と、から構成されている。このセンサ部３４としては、金属ガラス薄膜からなるカンチレバー３２に生じる機械的振動、質量、温度、電磁波などの変化を感知できるものであれば何でもよい。このようなセンサ部３４としては、例えば、圧電材料（電気機械変換材料）などを用いることができる。センサ部３４としては、図示するように、圧電材料からなる圧電層３５の上下に電極３６，３７を設けた構造としてもよい。このような圧電材料としては、ＺｎＯ、ＡｌＮやＰＺＴなどを用いることができる。
A sensor having a cantilever using a metallic glass thin film according to a fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 7 is a cross-sectional view schematically showing a sensor having a cantilever using a metallic glass thin film according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 7, the sensor 30 having a cantilever using a metal glass thin film includes a substrate 2 having a cavity 2A, and a cantilever (cantilever) 32 made of a metal glass thin film formed on the surface of the substrate 2. And a sensor part 34 formed on the surface of the cantilever 32. The sensor unit 34 may be anything as long as it can sense changes in mechanical vibration, mass, temperature, electromagnetic waves and the like generated in the cantilever 32 made of a metal glass thin film. As such a sensor part 34, a piezoelectric material (electromechanical conversion material) etc. can be used, for example. As shown in the figure, the sensor unit 34 may have a structure in which electrodes 36 and 37 are provided above and below a piezoelectric layer 35 made of a piezoelectric material. As such a piezoelectric material, ZnO, AlN, PZT, or the like can be used.
圧電層３５からなるセンサ部３４を用いた場合には、電極３６，３７を発振器の一構成要素として発振させることができる。この発振周波数は、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバー３２へ印加される機械的振動、質量、温度などの変化により変わる。したがって、本発明のセンサ３０によれば、金属ガラス薄膜からなるカンチレバー３２に生じる変化を周波数変化として検出することができる。 In the case where the sensor unit 34 composed of the piezoelectric layer 35 is used, the electrodes 36 and 37 can be oscillated as one component of the oscillator. This oscillation frequency varies depending on changes in mechanical vibration, mass, temperature, and the like applied to the cantilever 32 using the metallic glass thin film. Therefore, according to the sensor 30 of the present invention, a change occurring in the cantilever 32 made of a metal glass thin film can be detected as a frequency change.
本発明による第４の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサの変形例について説明する。
図８は、本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーの変形例を模式的に示す断面図である。図８に示すように、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサの別の変形例は、図６に示したセンサにおいて、さらに、カンチレバー３２の裏面に検知層３８を設けた構造としている。検知層３８としては、各種物質を感知できる層とすればよい。検知層３８を選ぶことにより、化学物質、たんぱく質や酵素（エンザイム）などの生体材料を検知することができる。
A modification of the sensor having a cantilever using the metallic glass thin film according to the fourth embodiment of the present invention will be described.
FIG. 8 is a cross-sectional view schematically showing a modification of the cantilever using the metallic glass thin film according to the fourth embodiment of the present invention. As shown in FIG. 8, another modified example of the sensor having a cantilever using a metal glass thin film has a structure in which a detection layer 38 is further provided on the back surface of the cantilever 32 in the sensor shown in FIG. 6. The detection layer 38 may be a layer that can sense various substances. By selecting the detection layer 38, it is possible to detect biological materials such as chemical substances, proteins, and enzymes (enzymes).
次に、本発明による第５の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたセンサについて説明する。
図９は本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘに沿う模式的な断面図である。図１０（Ｂ）に示すように、金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０は、空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された金属ガラス薄膜４１と、金属ガラス薄膜４１の表面に形成されるセンサ部４２と、センサ部４２の表面に形成される２組の櫛状電極４４，４５と、金属ガラス薄膜４１の裏面に検知層４６を設けた構造を備えている。
Next, a sensor using a metallic glass thin film according to a fifth embodiment of the present invention will be described.
9A and 9B are diagrams showing a sensor using a metallic glass thin film according to the fourth embodiment of the present invention, in which FIG. 9A is a plan view and FIG. 9B is a schematic cross-section along XX in FIG. FIG. As shown in FIG. 10B, the sensor 40 using the metal glass thin film includes a substrate 2 having a cavity 2A, a metal glass thin film 41 formed on the surface of the substrate 2, and a surface of the metal glass thin film 41. The sensor unit 42 is formed, two sets of comb-shaped electrodes 44 and 45 are formed on the surface of the sensor unit 42, and the detection layer 46 is provided on the back surface of the metal glass thin film 41.
図示の場合には、センサ部４２は圧電材料からなる圧電層４３とし、この圧電材料としてはＺｎＯ、ＡｌＮやＰＺＴなどを用いることができる。 In the illustrated case, the sensor unit 42 is a piezoelectric layer 43 made of a piezoelectric material, and ZnO, AlN, PZT, or the like can be used as the piezoelectric material.
検知層４６としては、各種物質を感知できる層とすればよい。検知層４６を選ぶことにより、化学物質やたんぱく質やエンザイムなどの生体材料を検知することができる。 The detection layer 46 may be a layer that can sense various substances. By selecting the detection layer 46, biological materials such as chemical substances, proteins, and enzymes can be detected.
金属ガラス薄膜４１を不純物が添加された厚さが１〜３μｍのＳｉ薄膜とし、圧電層４３の厚さを０．２μｍ〜１μｍとしたセンサは、一般にたわみ板波（ＦＰＷ：Ｆｌｅｘｕｒａｌ Ｐｌａｔｅ Ｗａｖｅ）センサと呼ばれているが、本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０も同様に動作する。金属ガラス薄膜４１の厚さを振動モードの波長よりも薄くしておけば、金属ガラス薄膜４１と圧電層４３とが強く結合し、単一の波が金属ガラス薄膜４１を通して伝播する。櫛状電極の入力側４４を増幅器に接続し、増幅器の出力を櫛状電極の出力側４５に接続すれば、センサ４０の有する固有周波数で発振する。この発振周波数は、金属ガラス薄膜４１へ印加される機械的振動、質量、温度などの変化により変わる。したがって、本発明のセンサ４０によれば、金属ガラス薄膜４１に生じる変化を周波数変化として検出することができる。 A sensor in which the metallic glass thin film 41 is a Si thin film having a thickness of 1 to 3 μm to which impurities are added and the thickness of the piezoelectric layer 43 is 0.2 μm to 1 μm is generally a flexural plate wave (FPW) sensor. The sensor 40 using the metallic glass thin film of the present invention operates in the same manner. If the thickness of the metallic glass thin film 41 is made thinner than the wavelength of the vibration mode, the metallic glass thin film 41 and the piezoelectric layer 43 are strongly coupled, and a single wave propagates through the metallic glass thin film 41. If the input side 44 of the comb electrode is connected to an amplifier and the output of the amplifier is connected to the output side 45 of the comb electrode, the sensor 40 oscillates at the natural frequency. This oscillation frequency varies depending on changes in mechanical vibration, mass, temperature, etc. applied to the metallic glass thin film 41. Therefore, according to the sensor 40 of the present invention, a change occurring in the metal glass thin film 41 can be detected as a frequency change.
ここで、圧電層４３は金属ガラス薄膜４１上に形成されているので、圧電層４３の電気エネルギーから機械エネルギーへの変換係数又は機械エネルギーから電気エネルギーへの変換係数を増大させることができる。 Here, since the piezoelectric layer 43 is formed on the metal glass thin film 41, the conversion coefficient from electrical energy to mechanical energy of the piezoelectric layer 43 or the conversion coefficient from mechanical energy to electrical energy can be increased.
本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０は、圧電層の下部に配置されるＳｉ薄膜を用いた従来のセンサに比較すると製造が容易にできる。単結晶によるＳｉ薄膜は脆いが、金属ガラス薄膜４１は機械的強度が高いので、より薄い薄膜を形成することができ、センサ感度を向上させることができる。 The sensor 40 using the metallic glass thin film of the present invention can be easily manufactured as compared with the conventional sensor using the Si thin film disposed below the piezoelectric layer. Although the single crystal Si thin film is fragile, the metal glass thin film 41 has high mechanical strength, so that a thinner thin film can be formed and the sensor sensitivity can be improved.
以下、本発明に関する実施例をさらに詳細に説明する。
実施例１として、図３に示したダイアフラム１０を、図５で説明した製造方法を用いて製作した。
具体的には、（１００）面を有する単結晶シリコン基板２にスパッタリング法によりＳｉＯ2薄膜を堆積し、ＵＶ−リソグラフィによって異方性エッチングのための開口部を作製した。ダイアフラムとなる開口部２Ａの寸法は１、２、４ｍｍ角の３種類とした。ＵＶ−リソグラフィに用いたレーザー描画装置は、波長４０５ｎｍの固体レーザー源を備え、分解能０．１μｍ、描画範囲５０ｍｍ×５０ｍｍの装置である。ＮＣ工作機械に用いられる汎用Ｇコードによって一筆書きで描画を行う点に特徴がある。
Hereinafter, examples relating to the present invention will be described in more detail.
As Example 1, the diaphragm 10 shown in FIG. 3 was manufactured using the manufacturing method described in FIG.
Specifically, a SiO 2 thin film was deposited by sputtering on a single crystal silicon substrate 2 having a (100) plane, and an opening for anisotropic etching was produced by UV-lithography. The dimensions of the opening 2A serving as a diaphragm were three types of 1, 2, and 4 mm square. The laser drawing apparatus used for UV-lithography is an apparatus having a solid-state laser source with a wavelength of 405 nm, a resolution of 0.1 μm, and a drawing range of 50 mm × 50 mm. It is characterized in that drawing is performed with a single stroke using a general-purpose G code used in NC machine tools.
さらに、Ｓｉ基板２の裏面に金属ガラス薄膜３をスパッタリング法により形成した。装置としては、逆スパッタ機構を備えているＲＦマグネトロン・スパッタリング装置を用い、スパッタリングの前処理として逆スパッタによりプラズマクリーニングを行った。このため、金属ガラス薄膜３のＳｉ基板２への膜の密着度が向上した。なお、スパッタリング条件は、成膜圧力が０．３６Ｐａ、ＲＦ電力は８０Ｗ、成膜時間は７５分であり、膜厚は約９６０ｎｍであった。 Further, a metallic glass thin film 3 was formed on the back surface of the Si substrate 2 by a sputtering method. As an apparatus, an RF magnetron sputtering apparatus equipped with a reverse sputtering mechanism was used, and plasma cleaning was performed by reverse sputtering as a pretreatment for sputtering. For this reason, the adhesion of the film of the metallic glass thin film 3 to the Si substrate 2 was improved. The sputtering conditions were a film formation pressure of 0.36 Pa, an RF power of 80 W, a film formation time of 75 minutes, and a film thickness of about 960 nm.
スパッタリング装置に用いられるターゲットの組成と、スパッタリング法により得られる薄膜の組成は異なることが知られている（非特許文献５参照）。実施例１では、目標とする金属ガラス薄膜の組成を、Ｚｒ55Ｃｕ30Ｎｉ5Ａｌ10とした。本合金組成の金属ガラスは、本発明者の井上等により見出されたもので、広い過冷却液体域を有する代表的な金属ガラスの一つである(非特許文献２参照)。アモルファス形成能に優れるため、メルトスピニング法による薄膜ばかりでなく、銅鋳型鋳造法によるバルク形状の素材が得られている。銅合金のガラス遷移温度はＴｇ＝６８２Ｋ、結晶化温度Ｔｘ＝７６７Ｋ、過冷却液体温度域ΔＴｘ（＝Ｔｘ−Ｔｇ）＝８５Ｋであり、室温での弾性係数Ｅ＝８７ＧＰａ、引張り強さ（σmax）＝１．８ＧＰａである。 It is known that the composition of the target used in the sputtering apparatus is different from the composition of the thin film obtained by the sputtering method (see Non-Patent Document 5). In Example 1, the composition of the metallic glass film as a target, and a Zr 55 Cu 30 Ni 5 Al 10 . The metallic glass having this alloy composition was discovered by Inoue et al. Of the present inventor and is one of typical metallic glasses having a wide supercooled liquid region (see Non-Patent Document 2). Due to its excellent amorphous forming ability, not only a thin film by melt spinning method but also a bulk material by copper mold casting method has been obtained. The glass transition temperature of the copper alloy is Tg = 682K, crystallization temperature Tx = 767K, supercooled liquid temperature range ΔTx (= Tx−Tg) = 85K, elastic modulus E = 87 GPa at room temperature, tensile strength (σ max ) = 1.8 GPa.
まず、これと上記組成と同じターゲットを作製してスパッタリングを行い、得られた金属ガラス薄膜のＥＰＭＡ組成解析を行ったところ、表１に示すように、目標の組成に比べてＺｒが少なく、Ｎｉ、Ａｌが多い結果となった。また、この金属ガラス薄膜を示差走査熱量計（ＤＳＣ）により熱分析を行った結果、金属ガラス特有の過冷却液体領域の発生が不明瞭であった。
上記結果を基に、新たなターゲット（Ｚｒ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ａｌ（元素比）＝６４．４：２６．２：２．１：５．３））を作製し、得られたスパッタ薄膜について同様の測定を行った。スパッタリング法で得た金属ガラス薄膜の組成分析の結果、表２に示すようにＺｒ60.7Ｃｕ26.8Ｎｉ4Ａｌ8.5と同定され、目標組成に近い金属ガラス薄膜３を得た。
図１０は、実施例１で形成した金属ガラス薄膜３のＸ線回折パターンを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度２θ（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。
図１０から明らかなように、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３においては、結晶を示唆するピークは見られず、スパッタリング法によりアモルファス薄膜が形成されたことがわかる。
FIG. 10 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the metallic glass thin film 3 formed in Example 1. The vertical axis in the figure represents the diffracted X-ray intensity (arbitrary scale), and the horizontal axis represents the angle 2θ (°), that is, an angle corresponding to twice the incident angle θ of the X-rays on the atomic plane.
As is apparent from FIG. 10, in the metallic glass thin film 3 formed by the sputtering method, no peak suggesting a crystal is seen, and it can be seen that an amorphous thin film is formed by the sputtering method.
図１１は、実施例１で形成した金属ガラス薄膜３のＤＳＣ測定結果を示す図である。図の縦軸はＤＳＣ（ｍＷ）であり、横軸は温度（Ｋ）である。
図１１から明らかなように、金属ガラス薄膜３は明瞭な過冷却液体領域と一つの結晶化ピークが得られた。この測定結果から、金属ガラス薄膜３の特性として、ガラス遷移温度Ｔｇ＝６６５Ｋ、結晶化開始温度Ｔｘ＝７４０Ｋ、過冷却液体領域ΔＴｘ＝７５Ｋと求められた。
FIG. 11 is a diagram showing a DSC measurement result of the metallic glass thin film 3 formed in Example 1. FIG. The vertical axis in the figure is DSC (mW), and the horizontal axis is temperature (K).
As is clear from FIG. 11, the metallic glass thin film 3 had a clear supercooled liquid region and one crystallization peak. From the measurement results, the characteristics of the metallic glass thin film 3 were determined to be glass transition temperature Tg = 665K, crystallization start temperature Tx = 740K, and supercooled liquid region ΔTx = 75K.
次に、金属ガラス薄膜３を過冷却液体領域まで加熱して熱処理を行い、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３の内部応力を開放した。熱処理は４００℃で５分行った。最後に、Ｓｉ基板２を３０％ＫＯＨ溶液（温度７０℃）で異方性エッチングして、実施例１の金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０を製作した。図１２は実施例２で製作した金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０の光学顕微鏡像であり、（Ａ）がダイアフラムの表面を、（Ｂ）がダイアフラムの裏面を示している。図１２から、金属ガラス薄膜３が平坦に形成されていることが分かる。金属ガラス薄膜の熱処理を行わない場合には、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜にはシワが発生した。このように、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の熱処理を行うことで、内部応力の緩和ができることが判明した。 Next, the metal glass thin film 3 was heated to the supercooled liquid region and subjected to heat treatment to release the internal stress of the metal glass thin film 3 formed by the sputtering method. The heat treatment was performed at 400 ° C. for 5 minutes. Finally, the Si substrate 2 was anisotropically etched with a 30% KOH solution (temperature: 70 ° C.) to produce a diaphragm 10 using the metal glass thin film 3 of Example 1. FIG. 12 is an optical microscope image of the diaphragm 10 using the metal glass thin film 3 manufactured in Example 2, wherein (A) shows the surface of the diaphragm and (B) shows the back surface of the diaphragm. FIG. 12 shows that the metal glass thin film 3 is formed flat. When the heat treatment of the metal glass thin film was not performed, wrinkles were generated in the metal glass thin film serving as a diaphragm. As described above, it was found that the internal stress can be relaxed by performing the heat treatment of the metallic glass thin film 3 serving as a diaphragm.
実施例１の金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０の弾性解析シミュレーションを行った結果、このダイアフラム１０を圧力センサに用いた場合には、１０Ｐａ〜０．１ＭＰａの範囲で動作することが分かった。 As a result of conducting an elastic analysis simulation of the diaphragm 10 using the metallic glass thin film 3 of Example 1, it was found that when the diaphragm 10 was used as a pressure sensor, the diaphragm 10 operated in a range of 10 Pa to 0.1 MPa.
Ｓｉ基板２に開口部を形成するマスクとして、第２の金属ガラス薄膜４を用いて、金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム１０を製作した。製造方法は図２に示した方法と同じであるのでその説明は省略し、製造条件等を詳細に説明する。
金属ガラス薄膜の堆積は、ＤＣマグネトロン・スパッタリング装置（アルバック製）を用いて行った。アルゴン圧力は０．１〜０．５Ｐａとし、直流入力は１００Ｗとし、約１μｍの金属ガラス薄膜を作製し、それぞれ、第１及び第２の金属ガラス薄膜３，４とした。実施例１と同様に、金属ガラス薄膜３，４には、熱処理を施した。最後に、Ｓｉ基板２を３０％ＫＯＨ溶液（温度７０℃）で１９時間異方性エッチングして、実施例２の金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム１０を製作した。
A diaphragm 10 using a metal glass thin film was manufactured using the second metal glass thin film 4 as a mask for forming an opening in the Si substrate 2. Since the manufacturing method is the same as that shown in FIG. 2, the description thereof will be omitted, and the manufacturing conditions and the like will be described in detail.
The metal glass thin film was deposited using a DC magnetron sputtering apparatus (manufactured by ULVAC). The argon pressure was 0.1 to 0.5 Pa, the direct current input was 100 W, and metal glass thin films having a thickness of about 1 μm were prepared. The first and second metal glass thin films 3 and 4 were formed, respectively. As in Example 1, the metal glass thin films 3 and 4 were heat-treated. Finally, the Si substrate 2 was anisotropically etched with a 30% KOH solution (temperature: 70 ° C.) for 19 hours to produce the diaphragm 10 using the metal glass thin film of Example 2.
実施例１と同様の測定を行い、実施例２で得た金属ガラス薄膜３の評価を行った。図１３は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３のＸ線回折パターンを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度２θ（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。
図１３から明らかなように、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３においては、結晶を示唆するピークは見られず、スパッタリング法によりアモルファス薄膜が形成されたことがわかる。金属ガラス薄膜３の組成は、Ｚｒ48.4Ｃｕ31.2Ｎｉ8.7Ａｌ11.6と同定された。
The measurement similar to Example 1 was performed and the metallic glass thin film 3 obtained in Example 2 was evaluated. FIG. 13 is a diagram showing an X-ray diffraction pattern of the metallic glass thin film 3 formed in Example 2. The vertical axis in the figure represents the diffracted X-ray intensity (arbitrary scale), and the horizontal axis represents the angle 2θ (°), that is, an angle corresponding to twice the incident angle θ of the X-rays on the atomic plane.
As is apparent from FIG. 13, in the metallic glass thin film 3 formed by the sputtering method, no peak suggesting a crystal is observed, and it can be seen that an amorphous thin film is formed by the sputtering method. The composition of the metallic glass thin film 3 was identified as Zr 48.4 Cu 31.2 Ni 8.7 Al 11.6 .
図１４は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３のＤＳＣ測定結果を示す図である。図の縦軸はＤＳＣ（ｍＷ）であり、横軸は温度（Ｋ）である。図１４から明らかなように、金属ガラス薄膜３は明瞭な過冷却液体領域と一つの結晶化ピークが得られ、これにより、ガラス遷移温度Ｔｇ＝６９２Ｋ、結晶化開始温度Ｔｘ＝７８８Ｋ、過冷却液体領域ΔＴｘ＝９６Ｋと求められた。 FIG. 14 is a diagram showing a DSC measurement result of the metallic glass thin film 3 formed in Example 2. The vertical axis in the figure is DSC (mW), and the horizontal axis is temperature (K). As is clear from FIG. 14, the metal glass thin film 3 has a clear supercooled liquid region and one crystallization peak, whereby the glass transition temperature Tg = 692 K, the crystallization start temperature Tx = 788 K, the supercooled liquid. The region ΔTx = 96K was determined.
図１５は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜の表面の透過電子顕微鏡像を示す図である。図１５及びその左上に示す制限視野電子線回折パターン（ＳＡＥＤ）から、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３はアモルファス構造であることが分かる。 15 is a view showing a transmission electron microscope image of the surface of the metal glass thin film formed in Example 2. FIG. From the restricted-field electron diffraction pattern (SAED) shown in FIG. 15 and the upper left thereof, it can be seen that the metallic glass thin film 3 formed in Example 2 has an amorphous structure.
図１６は、（Ａ）が実施例２で形成した金属ガラス薄膜３の表面、（Ｂ）が実施例１で形成したＳｉＯ2膜表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図である。図１６から明らかなように、実施例２で成膜した金属ガラス薄膜３の表面粗さは、Ｒａ＝０．２ｎｍであり、実施例１のスパッタリング法で形成したＳｉＯ2膜の表面粗さは、Ｒａ＝０．９ｎｍであり、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３は原子レベルで滑らかな表面であることが判明した。 16A and 16B are diagrams showing an atomic force microscope (AFM) image of the surface of the metallic glass thin film 3 formed in Example 2 and FIG. 16B the surface of the SiO 2 film formed in Example 1. FIG. As is apparent from FIG. 16, the surface roughness of the metallic glass thin film 3 formed in Example 2 is Ra = 0.2 nm, and the surface roughness of the SiO 2 film formed by the sputtering method of Example 1 is Ra = 0.9 nm, and the metal glass thin film 3 formed in Example 2 was found to have a smooth surface at the atomic level.
実施例２で形成した金属ガラス薄膜の強度は約１０．３ＧＰａ（ビッカース硬さはＨｖ＝５５０（ＵＭＩＳナノナノインデンター使用、最大荷重１５ｍＮ））であり、ヤング率は、１２８ＧＰａであった。 The strength of the metallic glass thin film formed in Example 2 was about 10.3 GPa (Vickers hardness was Hv = 550 (using UMIS nano-nanoindenter, maximum load: 15 mN)), and Young's modulus was 128 GPa.
Ｓｉ基板上に、ＦｅＰｔＢＺｒからなる金属ガラス薄膜３をスパッタリング法で０．３μｍ〜約１μｍの厚さに堆積した。この場合、スパッタリング法は、Ｆｅ72Ｐｔ30Ｂ18合金からなるターゲットとＺｒからなるターゲット、つまり２つのターゲットを用いて、（Ｆｅ0.496Ｐｔ0.402Ｂ0.102）100-xＺｒxからなる組成の金属ガラス薄膜を製作した。ここで、金属ガラスとなる組成はｘが約７．７以上であり、ｘが約１９．３までは金属ガラスとなることを確認した。したがって、組成は、Ｆｅ45.7Ｐｔ37.1Ｂ9.4Ｚｒ9.4〜Ｆｅ40Ｐｔ32.4Ｂ8.2Ｚｒ19.3程度となる。このＦｅＰｔＢＺｒからなる金属ガラス薄膜３を、イオンビームエッチング装置（日立製作所製、ＦＢ２１００）を用いて、マスクレスでパターンを形成した。アクセル電圧は４０ＫｅＶ、エミッション電流は３．２μＡ、デュエルタイムは３〜４μｓとした。 A metallic glass thin film 3 made of FePtBZr was deposited on a Si substrate to a thickness of 0.3 μm to about 1 μm by sputtering. In this case, the sputtering method uses a target composed of an Fe 72 Pt 30 B 18 alloy and a target composed of Zr, that is, two targets, and a metallic glass having a composition composed of (Fe 0.496 Pt 0.402 B 0.102 ) 100-x Zr x. A thin film was produced. Here, it was confirmed that the composition of the metal glass was about 7.7 or more, and that the glass was a metal glass until x was about 19.3. Therefore, the composition is about Fe 45.7 Pt 37.1 B 9.4 Zr 9.4 to Fe 40 Pt 32.4 B 8.2 Zr 19.3 . The metal glass thin film 3 made of FePtBZr was formed into a maskless pattern using an ion beam etching apparatus (manufactured by Hitachi, Ltd., FB2100). The accelerator voltage was 40 KeV, the emission current was 3.2 μA, and the dwell time was 3 to 4 μs.
（比較例１）
比較のために、実施例３と同じ条件で結晶からなるＦｅＰｔＢ薄膜にもパターンを形成した。
(Comparative Example 1)
For comparison, a pattern was also formed on a FePtB thin film made of crystals under the same conditions as in Example 3.
実施例３においては、最小約１０ｎｍの線幅のパターンを形成することができた。
図１７は、パターンの走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ａ）が実施例３を、（Ｂ）が比較例１を示している。電子の加速電圧は１５ｋＶであり、倍率は８５００倍である。
図１７（Ａ）から明らかなように、厚さが０．５μｍで、Ｆｅ43.5Ｐｔ35.6Ｂ11.1Ｚｒ9.8からなる金属ガラス薄膜３の場合には、シャープなパターンが形成されていることが分かる。
一方、図１７（Ｂ）から明らかなように、ＦｅＰｔＢからなる薄膜は、アモルファスではなく結晶性であるので、Ｆｅ43.5Ｐｔ35.6Ｂ11.1Ｚｒ9.8からなる金属ガラス薄膜３に比較するとパターンがよく形成されていないことが分かった。
In Example 3, a pattern having a minimum line width of about 10 nm could be formed.
FIG. 17 is a diagram showing a scanning electron microscope image of a pattern, where (A) shows Example 3 and (B) shows Comparative Example 1. FIG. The acceleration voltage of electrons is 15 kV, and the magnification is 8500 times.
As is clear from FIG. 17A, in the case of the metallic glass thin film 3 having a thickness of 0.5 μm and made of Fe 43.5 Pt 35.6 B 11.1 Zr 9.8, it can be seen that a sharp pattern is formed.
On the other hand, as is clear from FIG. 17B, the thin film made of FePtB is not amorphous but crystalline, so that the pattern is well formed compared to the metallic glass thin film 3 made of Fe 43.5 Pt 35.6 B 11.1 Zr 9.8. I found out.
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、マイクロマシンの構造や、金属ガラス薄膜の厚さ、形状、機能、使用するセンサ部は各種のものを適宜に用いて設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims. The structure of the micromachine, the thickness, shape of the metal glass thin film, It is needless to say that the function and the sensor unit to be used can be designed using various types as appropriate, and these are also included in the scope of the present invention.
本発明により、従来のＳｉやＳｉＯ２、金属配線などで形成されていたマイクロマシンに新たに金属ガラス薄膜を使用した、所謂Ｓｉ基板と金属ガラス薄膜のハイブリッド構造のマイクロマシンやこのマイクロマシンを用いた各種センサを提供することができる。 According to the present invention, a micromachine having a so-called hybrid structure of a Si substrate and a metal glass thin film, which uses a new metal glass thin film, and various sensors using this micro machine are newly used for a micromachine formed of conventional Si, SiO2, or metal wiring. Can be provided.
１：金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン
２：Ｓｉ基板
２Ａ：開口部（空洞）
３：第１の金属ガラス薄膜
４：第２の金属ガラス薄膜
４Ａ：開口部
６：レジストパターン
７：レジスト
１０、１０Ａ：圧力センサ用ダイアフラム
１２：絶縁層（ＳｉＯ2膜）
１４：シール部
２０：圧力センサ
２１：歪ゲージ
３０：カンチレバーを有するセンサ
３２：カンチレバー
３４，４２：センサ部
３５：圧電層
３６，３７：電極
３８，４６：検知層
４０：ＦＰＷセンサ
４１：金属ガラス薄膜
４４，４５：櫛状電極
1: Micromachine using metal glass thin film 2: Si substrate 2A: Opening (cavity)
3: First metal glass thin film 4: Second metal glass thin film 4A: Opening 6: Resist pattern 7: Resist 10, 10A: Diaphragm 12 for pressure sensor: Insulating layer (SiO 2 film)
14: Seal part 20: Pressure sensor 21: Strain gauge 30: Sensor with cantilever 32: Cantilever 34, 42: Sensor part 35: Piezoelectric layer 36, 37: Electrode 38, 46: Detection layer 40: FPW sensor 41: Metal glass Thin films 44 and 45: comb electrodes
Claims (16)
上記金属ガラス薄膜に開口部を有するパターンを形成する工程と、
上記パターンをマスクとして上記基板をエッチングする工程と、を備えていることを特徴とする、金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法。 Forming a metallic glass thin film on the substrate;
Forming a pattern having an opening in the metal glass thin film;
And a step of etching the substrate using the pattern as a mask. A method of manufacturing a micromachine using a metallic glass thin film.
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