JP2012220395A - Ｑｃｍセンサおよびその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】感度を向上させたＱＣＭセンサおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】水晶振動子１２の表面に対する物質の吸着による水晶振動子１２の共振周波数の変化に基づいて物質の質量を測定するＱＣＭセンサ１０において、水晶振動子１２の表面に設けた電極１４と、電極１４の表面に形成した薄いシリコン層１６と、シリコン層１６の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸１８とを有するようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は、クリーンルーム内の汚染物質をモニタリングする場合などに用いるＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｍｉｃｒｏｂａｌａｎｃｅ）センサおよびその製造方法に関するものである。
近年、半導体や液晶デバイスの生産・開発用クリーンルームでは、素材表面に吸着して汚染したり、製造プロセスに悪影響を与えたりする各種の分子状・ガス状物質（以後、ケミカル汚染物質と呼ぶ。）の室内空気中濃度の低減が必要とされている。
その濃度測定に関しては、クリーンルーム空気中の有機ガス等ケミカル汚染物質のオンサイト（現地）でのリアルタイム測定として、いくつかの方法・装置が提案され、実用化されている。
その一例として、ＱＣＭ（水晶振動子）センサを用いた方法・装置が知られている（例えば、特許文献１〜７参照）。ＱＣＭセンサは、水晶の薄片表面に電極を設けて成形した微小デバイスであり、これをクリーンルーム内に配置し、そのセンサの電極表面に物質が吸着したことによる振動子の共振周波数の変化度からケミカル汚染物質濃度をリアルタイムでモニタするものである。
半導体工場では、シリコンウエハに特異的に吸着して汚染するケミカル汚染物質の対策が特に重要視される。このため、ＱＣＭセンサにおいても、特許文献１のように、電極表面をシリコンで改質し、この表面への汚染物質の吸着現象を利用する方法が提案されている。
特開２０００−１８０３３２号公報 特開２００２−１６８７４８号公報 特開２００２−３３３３９４号公報 特開２００５−２４９５２８号公報 特開２００９−２８１８５８号公報 特開２００９−３０００９５号公報 特開２０１０−２７１２８５号公報
ところで、ＱＣＭセンサの感度をさらに向上させる技術の開発が望まれていた。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、感度を向上させたＱＣＭセンサおよびその製造方法を提供することを目的とする。
上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係るＱＣＭセンサは、水晶振動子の表面に対する物質の吸着による前記水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて前記物質の質量を測定するＱＣＭセンサにおいて、前記水晶振動子の表面に設けた電極と、前記電極の表面に形成した薄いシリコン層と、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸とを有することを特徴とする。
また、本発明の請求項２に係るＱＣＭセンサの製造方法は、上述した請求項１に記載のＱＣＭセンサを製造する方法であって、前記電極の表面に薄いシリコン層を形成した後、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって表面積を増大するための微細な凹凸を形成することを特徴とする。
本発明に係るＱＣＭセンサによれば、水晶振動子の表面に対する物質の吸着による前記水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて前記物質の質量を測定するＱＣＭセンサにおいて、前記水晶振動子の表面に設けた電極と、前記電極の表面に形成した薄いシリコン層と、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸とを有するので、物質が吸着できる面積が大きくなり、微量の物質を感度良く検出することが可能となる。このため、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
また、本発明に係るＱＣＭセンサの製造方法によれば、前記電極の表面に薄いシリコン層を形成した後、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって表面積を増大するための微細な凹凸を形成するので、物質が吸着できる面積が大きくなり、微量の物質を感度良く検出することが可能となる。このため、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができるという効果を奏する。
図１は、本発明に係るＱＣＭセンサの実施例を示す外観図である。 図２は、図１のＡ部分の光学顕微鏡拡大図である。 図３は、図２のＢ部分の拡大斜視図である。 図４は、ＱＣＭセンサへのＤＢＰガスの供給による周波数変化量の経時変化を示すグラフ図である。
以下に、本発明に係るＱＣＭセンサおよびその製造方法の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。
図１は、本発明に係るＱＣＭセンサの外観図、図２は、図１のＡ部分の光学顕微鏡拡大図、図３は、図２のＢ部分の拡大斜視図である。
図１〜図３に示すように、本発明に係るＱＣＭセンサ１０は、薄片の水晶振動子１２の表面に対する物質（例えば、ケミカル汚染物質）の吸着による水晶振動子１２の共振周波数の変化に基づいて物質の質量を測定するセンサであって、水晶振動子１２の表面に設けた電極１４と、電極１４の表面上に形成した薄いシリコン層１６と、シリコン層１６の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸１８とを有する。
このように、物質が吸着できる表面積を増大させることによって、微量の物質を感度良く検出することが可能となり、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができる。
次に、このＱＣＭセンサ１０の製造方法の手順（工程１〜３）の一例について説明する。
［工程１］
工程１は、電極１４の表面に薄いシリコン層１６を形成するものである。電極１４は、金などの導電性素材で構成することができる。シリコン層１６は、この電極表面に対する電子ビーム蒸着法やスパッタ法の適用により形成する。シリコン層１６の厚さは、数百ｎｍに設定するのが好ましい。これ以上の厚さではセンサ重量が重くなり、吸着による周波数変化が鈍くなってしまうおそれがあるので留意する必要がある。
［工程２］
工程２は、半導体製造技術を利用してシリコン層１６の表面に凹凸１８用の適切なパターンを加工形成するものである。利用する半導体製造技術としては、レジストを塗布して露光処理することなどが挙げられる。図２は、この表面加工によるパターンの一例である。同心円状の規則的なパターンが形成してある。
［工程３］
工程３は、さらにシリコン層１６の表面をエッチング処理して微細な凹凸１８を形成するものである。エッチングの方法はガスを使用したドライ法（ＣＦ４やＣ２Ｆ６＋ＳＦ６）や薬液を使用したウェット法のいずれでもよい。
ウェット法の一例として、水酸化カリウムまたはＴＭＡＨ（水酸化テトラメチルアンモニウム）を使用した場合の条件範囲を以下の（１）〜（３）に示す。なお、必要とされるエッチング速度に応じて、各範囲の中から適切な条件に設定して処理を行う。
（１）薬液：水酸化カリウム ８〜３２重量％、またはＴＭＡＨ ３〜１０重量％
（２）浸漬温度：２３〜１１０℃
（３）浸漬時間：２〜２０分
こうしたエッチング処理により、図３に示すように、シリコン層１６の表面に規則的な凹凸１８が形成される。ここで、凹凸１８の寸法については、例えば、間隔Ｌ＝２μｍ、高さｈ＝１００または２００ｎｍとすることができる。このような凹凸により、シリコン層１６の表面積を計算上で５％〜１０％程度増大することが可能である。
なお、上記の工程１〜３のうち、工程２を省略してもよい。このようにしても、本発明と同一の効果を奏することができる。
次に、クリーンルームのケミカル汚染物質に対する本発明のＱＣＭセンサの感度の向上具合を調べた結果について説明する。
図４は、電極表面を未処理とした場合（図中、未処理（金電極）と表記）と、シリコン層を蒸着した場合（シリコン蒸着のみと表記）と、シリコン層に微細な凹凸をエッチング形成した場合（シリコン蒸着＋微細加工と表記。本発明の構成に相当）について、ＱＣＭセンサの感度の違いを比較したグラフである。ケミカル汚染物質としては、代表的なガス状汚染有機物質であるＤＢＰ（ジブチルフタレート、濃度は３００μｇ／ｍ３）を使用し、センサ表面に空気を強制的に流通させる方法で周波数変化量を測定した。
この図４に示すように、「シリコン蒸着＋微細加工」の場合は、同じ濃度のＤＢＰに対してＱＣＭセンサの周波数変化量（ΔＨｚ）が大きくなることが判る。これはセンサ感度が向上したことを示している。この「シリコン蒸着＋微細加工」におけるセンサ感度は、１Ｈｚ変化量あたり、およそ３μｇ／ｍ３である。これは極めて高感度であり、本発明のＱＣＭセンサの実用性が高いことを示すものである。
以上説明したように、本発明に係るＱＣＭセンサによれば、水晶振動子の表面に対する物質の吸着による前記水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて前記物質の質量を測定するＱＣＭセンサにおいて、前記水晶振動子の表面に設けた電極と、前記電極の表面に形成した薄いシリコン層と、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸とを有するので、物質が吸着できる面積が大きくなり、微量の物質を感度良く検出することが可能となる。このため、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができる。
また、本発明に係るＱＣＭセンサの製造方法によれば、前記電極の表面に薄いシリコン層を形成した後、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって表面積を増大するための微細な凹凸を形成するので、物質が吸着できる面積が大きくなり、微量の物質を感度良く検出することが可能となる。このため、ＱＣＭセンサの感度を向上させることができる。
以上のように、本発明に係るＱＣＭセンサおよびその製造方法は、クリーンルームのケミカル汚染評価に有用であり、特に、ＱＣＭセンサの感度を高感度化するのに適している。
１０ ＱＣＭセンサ
１２ 水晶振動子
１４ 電極
１６ シリコン層
１８ 凹凸

Claims (2)

  1. 水晶振動子の表面に対する物質の吸着による前記水晶振動子の共振周波数の変化に基づいて前記物質の質量を測定するＱＣＭセンサにおいて、
    前記水晶振動子の表面に設けた電極と、前記電極の表面に形成した薄いシリコン層と、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって形成した表面積を増大するための微細な凹凸とを有することを特徴とするＱＣＭセンサ。
  2. 請求項１に記載のＱＣＭセンサを製造する方法であって、
    前記電極の表面に薄いシリコン層を形成した後、前記シリコン層の表面に対するエッチング処理によって表面積を増大するための微細な凹凸を形成することを特徴とするＱＣＭセンサの製造方法。
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