JP4046175B2 - Fabrication method of fine structure element - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、民生機器用素子、通信用として用いられる微細構造素子の作製方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
微細構造素子は、リソグラフィーによる微細加工技術の応用によって作製される。そして、微細構造素子は、構造要素として微細な梁(はり)を備える。つまり、リソグラフィーによる微細加工技術を応用し、微細構造素子には、微細なカンチレバーやビームなどの梁が作製される。微細構造素子は、作製された梁の弾性的・機械的性質や機能を用いる。この微細構造素子は、一般にマイクロマシンやMEMS(Micro Electromechanical Systems)などと呼ばれ、高感度センサや光スイッチなどの民生機器用および通信用素子として、広く用いられている。
【0003】
微細構造素子の作製で最も重要な点は、その弾性的・機械的な機能を有する梁の作製過程である。その一例として、半導体であるシリコンを用いて、片持梁、つまりカンチレバーをリソグラフィー技術により作製する過程を、図6に示す。この作製過程では、図6(a)に示すように、SOI(Silicon on Insulator)基板を用いる。SOI基板は、単結晶シリコン基板101上に、酸化シリコン薄膜102と単結晶シリコン薄膜103とが形成されたものである。単結晶シリコン基板101は、シリコン結晶からなる基板であり、酸化シリコン薄膜102は、単結晶シリコン基板101の表面近傍に形成された酸化シリコン膜である。また、単結晶シリコン薄膜103は、酸化シリコン薄膜102を覆う単結晶シリコン薄膜である。このようなSOI基板は、一般に広く市販されている。
【0004】
このSOI基板の面内形状を、図6(b)に示すように、フォトリソグラフィーの手法を用いてメサ型に加工する。つぎに、フッ酸を用いて、図6(c)に示すように、酸化シリコン薄膜102のみを選択的にエッチングする。これによって、単結晶シリコン薄膜103と同じ厚さを持つシリコンカンチレバー103Aが作製される。
【0005】
このようにして形成されたシリコンカンチレバー103Aは、上下方向に撓ませることができる。そして、この撓みを検出することにより、高感度の位置・加速度センサを作製することが可能となる。また、外部から電界等をかけることにより、シリコンカンチレバー103Aの撓みを外部制御することを特徴とする素子も、原子間力顕微鏡の探針などに広く応用されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の作製過程により生成された微細構造素子の応答速度、例えば、カンチレバーを用いた加速度センサの応答速度は、カンチレバーの持つ固有振動数の逆数によって与えられる。一般に、素子サイズが小さなカンチレバーほど、固有振動数が高い。したがって、高速応答を可能とするためには、カンチレバーのサイズを小さくしなければならない。
【0007】
しかし、カンチレバーのサイズは、現在のリソグラフィー技術の加工精度による限界以下に低減することができない。その典型的な長さは、フォトリソグラフィーの場合には1ミクロン程度であり、電子ビームリソグラフィーの場合には数十ナノメーター程度である。
【0008】
また、後者の電子ビームリソグラフィーの手法では、露光過程における高エネルギーかつ高強度の電子線照射、ならびに、引き続いて行われるエッチングが引き起こすダメージにより、結晶性が大きく劣化することが知られている。この結晶性の劣化は、梁の機械的な共振特性を著しく低下させるため、梁の機械的共振を用いた電荷センサー等の素子の検出感度に悪影響を与える。同様の問題は、このような極めて微細な梁を構造要素として含む、あらゆる素子に対して生じ、素子の応答速度と共振特性とに対する限界を与える。
【0009】
この発明は、前記の課題を解決し、リソグラフィー技術の加工精度限界に比べて小さく、かつ、高い結晶性を維持した梁を作製できる、微細構造素子の作製方法を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項1の発明は、構造要素として微細な梁を有し、その弾性的な変位あるいは機械的な運動を検出もしくは駆動することを、動作機構の少なくとも一部として有する微細構造素子の作製方法において、基板として用いる固体結晶材料の表面に、表面処理を行うことによって単原子ステップあるいは単分子ステップを形成し、その後、前記固体結晶材料を結晶成長させることにより、前記単原子ステップあるいは単分子ステップの束を形成する第1の工程と、前記ステップの束に沿って、梁を構成するための梁材料を、選択的に成長させる第2の工程と、前記梁材料の成長後、その下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより取り除き、前記梁材料からなる梁を形成する第3の工程とを含むことを特徴とする微細構造素子の作製方法である。
【0011】
請求項2の発明は、請求項1に記載の微細構造素子の作製方法において、前記第3の工程では、前記ステップの束に沿って成長した梁材料と交差する方向に対して、前記梁材料の一部および当該梁材料の下部の前記固体結晶材料のメサエッチングを行って、直線状の段差を形成し、この後、前記成長した梁材料の下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより除くことを特徴とする。
【0012】
この発明によれば、第1の過程によって、結晶成長により単分子あるいは単原子ステップの束を形成する。そして、第2の過程と第3の過程とによって、そこへの選択的成長ならびに選択的エッチングを用いて、梁を作製する。この結果、従来のリソグラフィーを用いた手法に比較し、極めて微細かつ高品質な梁を有する微細構造素子を作製することが可能である。
【0013】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。この実施の形態では、微細構造素子の梁として、インジウム砒素カンチレバーを作成する場合を例としている。この実施の形態では、(111)A方向に5度微傾斜した(110)ガリウム砒素基板1を用いる。結晶成長装置に導入されたガリウム砒素基板1を、表面からの砒素脱離を補うに足りる十分な量の砒素分子線を表面に供給した状態で、600度に加熱する。これによって、ガリウム砒素基板1の表面を覆っていた酸化膜が熱分解して蒸発する。これにより、ガリウム砒素が露出した表面が形成される。さらに、10分以上の加熱を継続すると、ガリウム砒素基板1の表面の単分子ステップが熱エネルギーにより均等に分布する。
【0014】
こうして、ガリウム砒素基板1には、図1に示すように、この基板の表面に均等に分布して、単分子ステップ1Aを形成する。
【0015】
ガリウム砒素基板1の表面に均等に分布している単分子ステップ1Aは、第1の条件を用いて、ガリウム砒素を結晶成長することにより次第に集合し、図2に示すように、単分子ステップの束1Bを形成する。この第1の条件について以下に述べる。
【0016】
結晶成長あるいは結晶成長後の表面処理によって、固体表面に単分子ステップの束(あるいは単原子ステップの束)1Bを形成し、その表面に異なる材料を同じく結晶成長した場合、条件により、そのステップの束に選択的に結晶成長が進み、細線状の半導体が形成される現象は、いくつかの材料系で報告されている。
【0017】
例えば、(110)という面方位から(111)A方向に3〜6度微傾斜させたガリウム砒素基板1の上に、同じくガリウム砒素からなる薄膜をクラッキングしたアルシンをAsのソースとしたガスソースMBE(分子線エピタキシャル成長)を用いて、比較的遅い成長速度(約200から400ナノメートル/時程度)で結晶成長する(第1の条件)。これによって、高さが10ナノメートル程度の分子ステップの束が形成される。これについては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、34巻、第1部、8号、1995年、4411−4413頁(Japanese Journal of Applied Physics,Volume 34,Part 1,No.8,1995 pp.4411-4413)に、M. Takeuchiらにより報告されている。
【0018】
こうして、前記第1の条件によって、ガリウム砒素基板1には単分子ステップの束1Bが形成される。以上が第1の過程である。
【0019】
単分子ステップの束1Bが形成された表面に、第2の条件を用いてインジウム砒素を結晶成長すると、ステップの束の上に選択的にインジウム砒素の成長がおこり、図3に示すように、インジウム砒素の細線2が形成される。この第2の条件について、以下で述べる。
【0020】
前記の第1の条件によって形成された単分子ステップの束(あるいは単原子ステップの束)の上に、580度程度といった分子ステップのない平坦なテラス部分に吸着したInAsが蒸発する温度において成長したインジウム砒素は、ステップの束に沿って選択的に成長する(第2の条件)。これについては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、38巻、第1部、8号、1999年、4673−4675頁(Japanese Journal of Applied Physics,Volume 38,Part 1,No.8,1999 pp.4673-4675)に、S.Toriiらによって報告されている。
【0021】
このような現象がおきる理由は、分子ステップ上では化学的に活性な不対ボンドが高密度に整列しているため、化学結合が形成されやすく、結晶成長が選択的に進むことによる。この現象によって形成された細線は、狭いものでナノメーター程度の幅を持つ。この細線は、電子ビームリソグラフィーによって人工的に作製された細線構造に比べて、はるかに小さなサイズを有す。また、前記の自然現象によって形成された細線では、高純度、高品質の結晶成長の手法を用いているため、前述の電子ビームリソグラフィーによる結晶性低下の問題が生じない。
【0022】
こうして、単分子ステップの束1Bの上にインジウム砒素の細線2が形成される。以上が第2の過程である。
【0023】
この後、ガリウム砒素基板1の表面にフォトリソグラフィーを用いて、硫酸、水、過酸化水素水を5:25:1に混合した溶液を用いて、室温にてメサエッチングを行い、図4に示すように、インジウム砒素の細線2と交差する方向に直線状の段差1Cを作る。その後、アンモニア、水、過酸化水素水を1:30:120に混合した溶液を用いて、室温においてガリウム砒素のみを選択的に数十秒間エッチングする。これにより、図5に示すように、インジウム砒素カンチレバー2Aが形成される。以上が第3の過程である。
【0024】
このように、この実施の形態によれば、微細構造の面内の形状を切り出す際に、リソグラフィーの手法を用いず、ステップの束に沿って成長した細線を選択エッチングによって切り出すことにより、リソグラフィー技術の加工精度限界より小さく、かつ高い結晶性を維持した梁を作製できる。
【0025】
この結果、長さが30ナノメーター、幅10ナノメーター、厚さが6ナノメーターという、電子ビームリソグラフィーでは作製不可能な、極めて微細かつ高品質な半導体カンチレバーであるインジウム砒素カンチレバー2Aを作製できた。
【0026】
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。
【0027】
例えば、この実施の形態では、細線の形成後メサエッチングにより直線状の段差を作ったが、基板を劈開により切断し、その断面から選択エッチングを行う場合においても、この発明の本質的な部分を逸脱するものでないことは自明である。
【0028】
また、この実施の形態では、いわゆる片持梁と呼ばれるカンチレバー構造について説明したが、この発明の本質的な部分を逸脱しない範囲において、両側が基板に固定されている両持梁構造など、他の弾性的に変位しうる、あるいは、機械的に運動しうる、あらゆる微細構造に適用可能であることはいうまでもない。
【0029】
さらに、この実施の形態では、カンチレバーの材料としてインジウム砒素、基板材料としてガリウム砒素を用いたが、これらを構成する材料として、半導体のみならず、金属、絶縁体、超伝導材料等、単結晶薄膜の成長手法を適用できる、あらゆる種類の固体材料を用いることが可能であることは言うまでもない。
【0030】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、結晶成長により単分子あるいは単原子ステップの束を形成し、そこへの選択的成長ならびに選択的エッチングを用いて梁を作製することにより、従来のリソグラフィーを用いた手法に比較し、極めて微細かつ高品質な梁を有する素子を作製することが可能である。これにより、応答速度や検出感度が著しく改善されたマイクロマシン、MEMS素子を作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図2】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図3】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図4】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図5】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図6】半導体であるシリコンを用いて片持梁を作製する従来の過程を示す模式図である。
【符号の説明】
1 ガリウム砒素基板
1A 単分子ステップ
1B 単分子ステップの束
1C 直線状の段差
2 インジウム砒素の細線
2A インジウム砒素カンチレバー[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing an element for consumer equipment and a fine structure element used for communication.
[0002]
[Prior art]
The fine structure element is manufactured by applying a fine processing technique by lithography. The fine structure element includes fine beams as structural elements. That is, by applying a microfabrication technique by lithography, a fine beam such as a cantilever or a beam is produced in the fine structure element. The microstructure element uses the elastic and mechanical properties and functions of the fabricated beam. This fine structure element is generally called a micromachine or MEMS (Micro Electromechanical Systems), and is widely used as an element for consumer equipment such as a high-sensitivity sensor and an optical switch and for communication.
[0003]
The most important point in the fabrication of the microstructure element is the process of fabricating the beam having its elastic and mechanical functions. As an example thereof, FIG. 6 shows a process of manufacturing a cantilever, that is, a cantilever by lithography using silicon which is a semiconductor. In this manufacturing process, an SOI (Silicon on Insulator) substrate is used as shown in FIG. The SOI substrate is obtained by forming a silicon oxide
[0004]
The in-plane shape of the SOI substrate is processed into a mesa shape using a photolithography technique as shown in FIG. Next, as shown in FIG. 6C, only the silicon oxide
[0005]
The
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, the response speed of the fine structure element generated by the manufacturing process, for example, the response speed of the acceleration sensor using the cantilever is given by the reciprocal of the natural frequency of the cantilever. In general, the cantilever with a smaller element size has a higher natural frequency. Therefore, in order to enable high-speed response, the size of the cantilever must be reduced.
[0007]
However, the size of the cantilever cannot be reduced below the limit due to the processing accuracy of the current lithography technology. The typical length is about 1 micron in the case of photolithography, and about several tens of nanometers in the case of electron beam lithography.
[0008]
In the latter electron beam lithography technique, it is known that the crystallinity is greatly deteriorated by irradiation with high-energy and high-intensity electron beams in the exposure process and damage caused by subsequent etching. This deterioration in crystallinity significantly reduces the mechanical resonance characteristics of the beam, and thus adversely affects the detection sensitivity of an element such as a charge sensor using the mechanical resonance of the beam. Similar problems arise for any device including such extremely fine beams as structural elements, and limit the response speed and resonance characteristics of the device.
[0009]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for manufacturing a microstructure element capable of manufacturing a beam which is smaller than the processing accuracy limit of the lithography technique and maintains high crystallinity.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, the invention of claim 1 has a fine beam as a structural element and detects or drives its elastic displacement or mechanical movement as at least a part of the operating mechanism. in the method for manufacturing a microstructure element having, on the surface of the solid crystalline material used as the substrate, to form a monoatomic steps or monomolecular steps be subjected to a surface treatment, then, the solid crystalline material by crystal growth, the A first step of forming a bundle of monoatomic steps or monomolecular steps, a second step of selectively growing a beam material for constituting a beam along the bundle of steps, and the beam material A third step of forming a beam made of the beam material by selectively removing only the solid crystalline material underneath it by selective etching. A method for manufacturing a microstructure element according to.
[0011]
The invention according to
[0012]
According to the present invention, in the first process, a single molecule or a bundle of monoatomic steps is formed by crystal growth. Then, the beam is produced by using the second process and the third process using selective growth and selective etching there. As a result, it is possible to produce a microstructure element having extremely fine and high-quality beams as compared with the conventional technique using lithography.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In this embodiment, an example in which an indium arsenic cantilever is formed as a beam of a fine structure element is taken as an example. In this embodiment, the (110) gallium arsenide substrate 1 slightly inclined by 5 degrees in the (111) A direction is used. The gallium arsenide substrate 1 introduced into the crystal growth apparatus is heated to 600 ° C. in a state where a sufficient amount of arsenic molecular beam sufficient to compensate arsenic detachment from the surface is supplied to the surface. As a result, the oxide film covering the surface of the gallium arsenide substrate 1 is thermally decomposed and evaporated. Thereby, a surface where gallium arsenide is exposed is formed. Furthermore, when the heating for 10 minutes or more is continued, the monomolecular steps on the surface of the gallium arsenide substrate 1 are evenly distributed by the thermal energy.
[0014]
Thus, as shown in FIG. 1, the monomolecular step 1A is formed on the gallium arsenide substrate 1 evenly distributed on the surface of the substrate.
[0015]
The monomolecular steps 1A evenly distributed on the surface of the gallium arsenide substrate 1 are gradually gathered by crystal growth of gallium arsenide using the first condition, and as shown in FIG. A bundle 1B is formed. This first condition will be described below.
[0016]
When a single molecular step bundle (or bundle of monoatomic steps) 1B is formed on the solid surface by crystal growth or surface treatment after crystal growth, and different materials are also grown on the surface, depending on the conditions, A phenomenon in which crystal growth proceeds selectively in a bundle and a thin-line semiconductor is formed has been reported in several material systems.
[0017]
For example, a gas source MBE using Arsine as a source of As on a gallium arsenide substrate 1 slightly tilted by 3 to 6 degrees in the (111) A direction from the (110) plane orientation. Using (molecular beam epitaxial growth), crystals are grown at a relatively slow growth rate (about 200 to 400 nanometers / hour) (first condition). Thereby, a bundle of molecular steps having a height of about 10 nanometers is formed. Japanese Journal of Applied Physics, Volume 34, Part 1, No. 8, 1995, Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 34, Part 1, No. 8, 1995, 4411-4413. pp.4411-4413) by M. Takeuchi et al.
[0018]
In this way, a bundle 1B of monomolecular steps is formed on the gallium arsenide substrate 1 under the first condition. The above is the first process.
[0019]
When indium arsenide is crystal-grown using the second condition on the surface on which the monomolecular step bundle 1B is formed, indium arsenide grows selectively on the step bundle, as shown in FIG. A
[0020]
On the bundle of single molecular steps (or bundle of single atom steps) formed by the first condition, the InAs adsorbed on a flat terrace portion without molecular steps, such as about 580 degrees, grew at a temperature at which it evaporates. Indium arsenide grows selectively along the bundle of steps (second condition). Japanese Journal of Applied Physics, Volume 38, Part 1, No. 8, 1999 (Japanese Journal of Applied Physics, Volume 38, Part 1, No. 8, 1999, 4673-4675) pp.4673-4675) by S.Torii et al.
[0021]
The reason why such a phenomenon occurs is that chemically active unpaired bonds are arranged at high density on the molecular step, so that chemical bonds are easily formed and crystal growth proceeds selectively. The fine line formed by this phenomenon is narrow and has a width of about nanometers. This fine wire has a much smaller size than a fine wire structure artificially produced by electron beam lithography. In addition, since the fine line formed by the natural phenomenon uses a high-purity and high-quality crystal growth technique, the above-described problem of crystallinity degradation due to electron beam lithography does not occur.
[0022]
Thus, the indium arsenic
[0023]
Thereafter, mesa etching is performed on the surface of the gallium arsenide substrate 1 at room temperature using a solution in which sulfuric acid, water, and hydrogen peroxide water are mixed in a ratio of 5: 25: 1 using photolithography, as shown in FIG. As described above, a linear step 1C is formed in a direction intersecting with the
[0024]
As described above, according to this embodiment, when the in-plane shape of the fine structure is cut out, the lithography technique is performed by cutting out the thin line grown along the bundle of steps by selective etching without using the lithography technique. It is possible to produce a beam that is smaller than the processing accuracy limit of the above and maintains high crystallinity.
[0025]
As a result, an indium arsenic cantilever 2A, which is an extremely fine and high-quality semiconductor cantilever having a length of 30 nanometers, a width of 10 nanometers, and a thickness of 6 nanometers, which cannot be produced by electron beam lithography, could be produced. .
[0026]
The embodiment of the present invention has been described in detail above, but the specific configuration is not limited to this embodiment, and even if there is a design change or the like without departing from the gist of the present invention, Included in the invention.
[0027]
For example, in this embodiment, a linear step is formed by mesa etching after forming a thin line. However, even when the substrate is cut by cleavage and selective etching is performed from the cross section, the essential part of the present invention is Obviously, it does not deviate.
[0028]
Further, in this embodiment, a cantilever structure called a so-called cantilever beam has been described. However, in the range not departing from the essential part of the present invention, other cantilever structures such as a cantilever structure in which both sides are fixed to a substrate are used. Needless to say, the present invention can be applied to any microstructure that can be elastically displaced or mechanically moved.
[0029]
Furthermore, in this embodiment, indium arsenide is used as the material of the cantilever and gallium arsenide is used as the substrate material. However, as a material constituting these, not only a semiconductor but also a single crystal thin film such as a metal, an insulator, a superconducting material, etc. It goes without saying that all kinds of solid materials to which the growth method can be applied can be used.
[0030]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a bundle of single molecules or monoatomic steps is formed by crystal growth, and a beam is produced by using selective growth and selective etching thereon, thereby producing a conventional beam. Compared with a technique using lithography, an element having extremely fine and high-quality beams can be manufactured. Thereby, it is possible to manufacture a micromachine and a MEMS element in which response speed and detection sensitivity are remarkably improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic view showing a method for manufacturing a microstructure element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic view showing a method for manufacturing a microstructure element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a schematic view showing a method for manufacturing a microstructure element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a schematic view showing a method for manufacturing a microstructure element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic view showing a method for manufacturing a microstructure element according to an embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic view showing a conventional process for producing a cantilever using silicon which is a semiconductor.
[Explanation of symbols]
1 Gallium Arsenide Substrate 1A Monomolecular Step 1B Monomolecular Step Bundle
Claims (2)
基板として用いる固体結晶材料の表面に、表面処理を行うことによって単原子ステップあるいは単分子ステップを形成し、その後、前記固体結晶材料を結晶成長させることにより、前記単原子ステップあるいは単分子ステップの束を形成する第1の工程と、
前記ステップの束に沿って、梁を構成するための梁材料を、選択的に成長させる第2の工程と、
前記梁材料の成長後、その下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより取り除き、前記梁材料からなる梁を形成する第3の工程とを含むことを特徴とする微細構造素子の作製方法。In a method for manufacturing a fine structure element having a fine beam as a structural element and detecting or driving its elastic displacement or mechanical movement as at least a part of an operation mechanism,
On the surface of the solid crystalline material used as the substrate, to form a monoatomic steps or monomolecular steps be subjected to a surface treatment, then, by crystal growth of the solid crystalline material, flux of the monoatomic steps or monomolecular step A first step of forming
A second step of selectively growing a beam material for constituting the beam along the bundle of steps;
And a third step of forming a beam made of the beam material by selectively removing only the solid crystal material below the beam material after the growth of the beam material, and forming a beam made of the beam material. .
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