JP4414774B2

JP4414774B2 - シリコン針の製造方法

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Publication number: JP4414774B2
Application number: JP2004008897A
Authority: JP
Inventors: 良一大東; 興治藤本
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2004-01-16
Filing date: 2004-01-16
Publication date: 2010-02-10
Anticipated expiration: 2024-01-16
Also published as: JP2005199392A

Description

本発明は、例えば医療、生物現象、創薬に用いる微細な針として使用されるシリコン針およびその製造方法に関する。

医療、生物現象、創薬に用いる微細な針として、シリコンウエハをエッチングすることにより作製されたシリコン製の針（通常、複数本の針群から構成される）を用いる試みが行われている。

従来のシリコン製の針として、例えば、図４に示されるような形態のものが存在している。図４に示される形態のシリコン製の針は、例えば、シリコンウエハに等方性エッチングを行って形成されたものであって、基端部１０２から先端部１０１にかけて全体になだらかなテーパ形状をなしている。

このようなシリコン製の針１００を形成するに際し行われるエッチングには、溶液としてＨＮＯ₃／ＨＦ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏ等を用いてシリコンウエハをエッチングする等方性ウエットエッチング、あるいはＳＦ₆／Ｏ₂等の混合ガスを導入することによって生成したプラズマによってエッチングするドライエッチングが好適例として挙げられる。このような手法に基づき図４に示されるごとく基端部１０２から先端部１０１にかけて全体にテーパ形状をなしている構造が形成される。

しかしながら、このような従来のシリコン針の製造方法では、シリコン針の端部の直径とシリコン針の高さの比であるアスペクト比が１以上の構造の針を作製することが極めて困難である。そのため、シリコン製の針を高密度で形成することができないばかりか、要求される個々の針仕様を満足させることが困難となるという不都合が生じ得る。

また、他のシリコン製の針の形態として、特開２００２−２３９０１４号公報に提案されているものが存在する。当該公報には、図５に示されるように先端部に向かって細径化したテーパ形状を有する先端部２０１と該先端部２０１に連なり厚さ方向にわたって同一径の円柱である基端部２０２から構成されるシリコン製の針状体２００が開示されている。

しかしながら、当該公報に開示されたシリコン製針の製造方法では、第３工程のエッチングが等方性エッチングであるため、針全体の形状をテーパ状にできない。この場合、針の強度は低く、折れやすくなるという不都合が生じる。

特開２００２−２３９０１４号公報

このような実状のもとに本発明は創案されたものであり、その目的は、アスペクト比が大きく針群の配設密度を高くとること（すなわち、高密度での針群の形成）が可能で、穿刺性に優れた強度の高いシリコン針およびその製造方法を提供することにある。

このような課題を解決するために、本発明は、シリコンウエハをエッチングして基体の上に一体的に形成された複数の針状体を備えるシリコン針の製造方法であって、該方法は、複数の針状体を形成すべき箇所に対応してマスクを設ける工程と、前記マスクを設けた状態でシリコンウエハに対して等方性エッチングまたは結晶異方性エッチングを施す第１のエッチング工程と、前記マスクを設けた状態でシリコンウエハに対してエッチングステップと堆積ステップを繰り返して、針状体の基礎となる側面に堆積層を形成しつつ高さ（厚さ）方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第２のエッチング工程と、前記側面に堆積した堆積層を除去する工程と、前記シリコンウエハに対して高さ方向に対しエッチングレートに勾配があるエッチングを施す第３のエッチング工程と、を有してなるように構成される。

また、本発明の製造方法の好ましい態様として、前記マスクは、シリコンウエハ表面を酸化処理またはシリコンウエハ上にシリコン窒化膜を形成した後、フォトリソグラフィー法およびエッチング処理法により形成された円形状群のマスクパターンとして構成される。

また、本発明の製造方法の好ましい態様として、前記マスクパターンの配設密度は２０〜７０個／ｍｍ²となるように構成される。
また、本発明の製造方法の好ましい態様として、前記マスクを設ける工程、前記第１のエッチング工程、前記第２のエッチング工程、前記堆積層を除去する工程、および前記第３のエッチング工程が経時的に順次行われ、前記複数の針状体は、先端に向かって漸減した外径を備える先端部と、該先端部と連接しつつ先端に向かって漸減した外径を備える針本体を備えるように構成される。
また、本発明の製造方法の好ましい態様として、前記複数の針状体の高さをＨとし、先端から１／３Ｈでの位置での外径をＤ₁、先端から２／３Ｈでの位置での外径をＤ₂として場合に、Ｄ₁／Ｄ₂比の値が、０．４以上１．０未満の範囲にあるように構成される。
また、本発明の製造方法の好ましい態様として、前記複数の針状体の高さＨが、６０〜２００μｍとなるように構成される。

本発明のシリコン針は、基体の上に形成された複数の針状体を備え、複数の針状体は、先端に向かって漸減した外径を備える先端部と、先端に向かって漸減した外径を備える針本体とを有して構成され、また、本発明のシリコン針の製造方法は、マスクを設けた後、等方性エッチングまたは結晶異方性エッチング、さらには異方性エッチングを施した後、側面に堆積した堆積層を除去し、さらに勾配エッチングを施すように構成されるので、アスペクト比が大きく針群の配設密度を高くとること（すなわち、高密度での針群の形成）が可能で、極めて穿刺性に優れ強度の高いシリコン針を得ることができる。

以下、本発明のシリコン針およびその製造方法について、図１〜図３を参照しつつ詳細に説明する。

図１は、エッチングの結果、基体の上に形成された複数の針状体を備える本発明のシリコン針の一部分を示した概略斜視図であり、図２は１つの針状体に注目した概略側面図であり、図３（ａ）〜（ｅ）は本発明のシリコン針の製造方法を経時的に説明するための概略断面図である。

本発明のシリコン針１は、図１に示されるようにシリコンウエハをエッチングした基体２（材質はシリコン）の上に一体的に形成された複数の針状体１０を備えている。

針状体１０は、基体２の上に立設された状態で形成されており、複数の針状体１０の単位平方ミリ当たりの配設密度は、２０〜７０個／ｍｍ²とされる。配設密度をあまり大きくし過ぎると、針そのものの外径を極限まで細径化しなければならず針状体の折れ等の発生の問題が生じてしまう。また、現行の技術レベルでの製造限界から必然的に上限が存在する。

本発明における複数の針状体１０は、図示のごとく、それぞれ、先端に向かって漸減した外径を備える先端部１３と、該先端部１３と連接しつつ先端に向かって漸減した外径を備える針本体１８とを備えている。

先端部１３のテーパー角度は、針本体１８のテーパー角度よりも大きく形成され、これらの境界である連接部分１５はなだらかな湾曲部を形成している。これにより連接部分１５における穿刺抵抗は、穿刺に全く支障のないレベルにまで仕上がっている。なお、連接部分１５をなだらかな湾曲部とする製造方法については後述する。

本発明における複数の針状体１０は、図２に示されるごとくその高さをＨとし、先端から１／３Ｈでの位置での外径をＤ₁、先端から２／３Ｈでの位置での外径をＤ₂とした場合に、Ｄ₁／Ｄ₂比の値が、０．４以上１．０未満の範囲内にあるように構成される。この値が０．４未満となると針ピッチによりアスペクト比が低くなるという不都合が生じ、また、この値が１．０以上となると針形状が逆テ−パとなるため折れ易くなるという不都合が生じる。

なお、先端部１３の高さ方向に占める割合は、針状体１０の高さをＨとした場合に、（１／５〜１／３）Ｈ程度に設定されるので、上記Ｄ₁／Ｄ₂比は針本体１８におけるテーパー割合を示したものであるとも言える。

前記複数の針状体１０の高さＨは、６０〜２００μｍ、より好ましくは、１５０〜２００μｍ程度とされる。

次に、本発明のシリコン針１の製造方法を図３を参照しつつ説明する。
本発明におけるシリコン針の製造方法は、シリコンウエハを所定のステップでエッチングすることにより形成するものであって、基体の上に一体的に複数の針状体を立設するように形成する。以下、工程順に説明する。

（１）複数の針状体を形成すべき箇所に対応するようにマスクを設ける工程
図３（ａ）に示されるように複数の針状体を形成すべき箇所に対応するようにマスク２２が設けられる。図３（ａ）の例では２本の針状体が形成される状況が部分的に示されている。また、図示例ではマスク２２の上にパターン形成のためのフォトレジスト２３が存在する。

マスク２２は、シリコンウエハ３１表面を酸化処理して酸化膜（例えば、ＳｉＯ₂）を形成、および／または、シリコンウエハ上にシリコン窒化膜を形成した後、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法によりマスクパターンを形成する。ただし、シリコン酸化膜の厚みが、１．５μｍ以上の場合、針を形成するためのマスクは、シリコン酸化膜のみでも良い。

通常、マスク２２は全て同一直径のパターンとされ、その大きさは、例えば、直径２０〜８０μｍ程度のものが例示できる。

（２）マスクを設けた状態でシリコンウエハに対して等方性エッチングまたは結晶異方性エッチングを施す第１のエッチング工程
図３（ｂ）に示されるように、上述のマスク２２（２３）を設けた状態でシリコンウエハ３１に対して等方性エッチングが施される。すなわち、シリコンウエハ３１の表面から例えば深さ１５〜４５μｍ、幅１０〜２０μｍ程度に亘って等方性エッチングを行い、図３（ｂ）に示されるごとく、先端部にある程度の針形状を形成させる。等方性エッチングはウエットエッチングあるいはドライエッチングいずれを用いてもよい。

等方性ドライエッチングを行う場合、例えば、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合型プラズマによる反応性イオンエッチング）装置を用いるのが好適である。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置は、コイルに交流電力を印加して低圧反応ガスのプラズマを発生させるともに、試料を載置した基板電極に交流電力を印加して、この発生させたプラズマを引き込み、引き込んだプラズマによってエッチングを行う装置である。シリコンウエハ３１のエッチング反応ガスとしては、例えばＳＦ₆が好適に用いられる。装置内に導入する反応ガスの流量は、１００〜１５０ｓｃｃｍ程度、ガス圧力は４．０〜５．１Ｐａ程度、コイルへの印加電力は、６００〜９００Ｗ程度、基板電極への印加電力は３〜１０Ｗ程度とされる。

また、等方性ウエットエッチングを行う場合、好適なエッチング溶液としては、ＨＮＯ₃／ＨＦ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏを例示することができる。また、アルカリ水溶液による結晶異方性エッチングを用いても良い。この場合、マスクは厚いシリコン酸化膜のみとする。

（３）異方性エッチングを施す第２のエッチング工程
次いで、図３（ｃ）に示されるように異方性エッチングを施す第２のエッチング工程が行なわれる。この工程は、上述のマスク２２を設けた状態でシリコンウエハ３１に対してエッチングステップと堆積ステップを繰り返して、針状体の基礎となる側面に堆積層３４を形成しつつ高さ（厚さ）方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す工程である。より具体的には、上述したＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとして例えばＳＦ₆のエッチングガスと例えばＣ₄Ｆ₈の堆積ガスを交互にプラズマ化させて、エッチングステップと堆積ステップを繰り返すいわゆるボッシュ・プロセスが実施される。

このような第２のエッチング工程により、図３（ｃ）に示されるように例えば、高さ１３０〜１７０μｍ程度の所定形状の針状体が形成される。

エッチングステップにおける装置内に導入する反応ガスの流量は、１００〜２００ｓｃｃｍ程度、１回当たりの処理時間は、５〜１５秒程度、ガス圧力は４．０〜４．７Ｐａ程度、コイルへの印加電力は、６００〜９００Ｗ程度、基板電極への印加電力は１５〜２５Ｗ程度とされる。

堆積ステップにおける装置内に導入する反応ガスの流量は、５０〜８０ｓｃｃｍ程度、１回当たりの処理時間は、５〜１０秒程度、ガス圧力は１．３〜２．０Ｐａ程度、コイルへの印加電力は、６００〜９００Ｗ程度とされる。エッチングステップの１回あたりの処理時間は、例えば、５〜２０秒程度とされ、堆積ステップの１回あたりの処理時間は、例えば、３〜１８秒程度とされ、これらは交互に繰り返される。

（４）針状体の基礎となる側面に堆積した堆積層を除去する工程
このような異方性エッチング工程を行った後に、図３（ｄ）に示されるように針状体の基礎となる側面に堆積した堆積層３４（図３（ｃ））を除去する工程を施す。除去するための溶液としては、Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ混合溶液が好適に用いられる。Ｈ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏの混合体積比は、３〜９：３：１程度とされ、処理時間は１０〜３０分程度とされる。溶液の攪拌は通常しなくてもよい。また、処理後は純水によるリンスを１０〜３０分程度行なうのがよい。この工程で、通常、図３（ｄ）に示されるようにフォトレジスト２３も除去される。

（５）高さ方向にエッチングレートに勾配があるエッチングを施す第３のエッチング工程
上記堆積層を除去した後に、さらに、図３（ｅ）に示されるように第３のエッチング工程としての針の高さに対し、エッチングレートに勾配があるエッチング処理（勾配エッチング）がなされる。すなわち、針の先端方向である高さ方向に行くに連れて漸増的にエッチングレートが増加するような処理を行う。すなわち、配設密度が２０個／ｍｍ²以上でかつアスペクト比が１．５以上の針状体を、攪拌してしない状態でエッチング処理することによって、針の上部と下部で薬液の出入量が異なり、高さ方向に行くに連れて漸増的にエッチングレートが増加するという手法である。

このエッチング工程によって、図３（ｅ）に示されるように先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部１３と該先端部に向かって細径化したテーパ状をなす針本体１８からなるシリコン製の針状体１０が形成される。

この工程により、先端部１３と針本体１８との連接部分１５は、なだらかな湾曲となり、穿刺に全く支障のないレベルにまで仕上げられる。

第３のエッチング工程における勾配エッチングは、例えば、ＨＮＯ₃／ＨＦ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏを用いた勾配ウエットエッチングとすることが望ましいが、上述した等方性ドライエッチングを用いることもできる。ＨＮＯ₃／ＨＦ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏの混合体積比は、６〜２５０：４０〜７６０：０〜２００：４２〜１３５０程度とされ、処理時間は１５〜５２５秒程度とされる。また、処理後は純水によるリンスを１０〜３０分程度行なうのがよい。

以下に具体的実施例を示し、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１）
厚さ６２５μｍのシリコンウエハ３１を準備した。次いでこのシリコンウエハ３１の基板の表面を熱酸化して、酸化シリコン層を形成した後、フォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィー法およびエッチング処理法を用いて複数の針状体を形成すべき箇所に対応するようにマスク２２（符号２３はフォトレジスト）を形成した（図３（ａ））。マスク２２（符号２３）の直径は５０μｍとした。なお、複数の針状体の単位平方ミリ当たりの配設密度は、４８個／ｍｍ²を目標に設定した。

ついで、以下の要領でシリコンウエハ３１に対して等方性エッチングを施す第１のエッチング処理を施した。すなわち、表面から深さ３０μｍ程度、幅１５μｍ程度に亘って等方性エッチングして、図３（ｂ）に示されるごとく針先端部のある程度の形状を作製した。

第１のエッチング処理条件
ＩＣＰーＲＩＥ装置を用い、エッチング反応ガスとしては、ＳＦ₆を使用した。装置内に導入する反応ガスの流量は１３０ｓｃｃｍ、ガス圧力は３３ｍＴｏｒｒ（４．４Ｐａ）、コイルへの印加電力は８００Ｗ、基板電極への印加電力は３Ｗ、エッチング時間は６分とした。

次いで、図３（ｃ）に示されるように異方性エッチングを施す第２のエッチングを行なった。すなわち、シリコンウエハ３１に対してエッチングステップと堆積ステップを繰り返して、針状体の基礎となる側面に堆積層３４を形成しつつ高さ（厚さ）方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施して、深さ１５０μｍ程度の穴を作製した（残存物として所定形状の針状体が形成される）。

第２のエッチング処理条件
ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用い、反応ガスとしてＳＦ₆のエッチングガスと、Ｃ₄Ｆ₈の堆積ガスを交互にプラズマ化させて、エッチングステップと堆積ステップを繰り返した。
エッチングおよび堆積ステップにおける装置内に導入するＳＦ₆反応ガスとＣ₄Ｆ₈反応ガスの流量比はＳＦ₆／Ｃ₄Ｆ₈＝８／３、１回当たりの処理時間の比はエッチング／堆積＝３／２、ガス圧比はエッチング／堆積＝３、コイルへの印加電力は９００Ｗ、基板電極への印加電力は１８Ｗとした。

エッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して、針の高さが２００μｍに達するまでエッチングを行なった。

このような異方性エッチング工程を行った後に、図３（ｄ）に示されるように針状体の基礎となる側面に堆積した堆積層３４（図３（ｃ））をＨ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏ混合溶液を用いて除去した。使用したＨ₂ＳＯ₄／Ｈ₂Ｏ₂／Ｈ₂Ｏの混合体積比は、５／３／２であり、処理時間は１５分とした。溶液の攪拌は行なわなかった。また、処理後、純水によるリンスを３０分行なった。

次いで、図３（ｅ）に示されるように第３のエッチング工程としての等方性エッチング液を用いた勾配エッチング処理を行なった。

第３のエッチング処理条件
第３のエッチング工程における勾配エッチングは、処理液としてＨＮＯ₃／ＨＦ／ＣＨ₃ＣＯＯＨ／Ｈ₂Ｏ（混合体積比＝２５／６３７／４０／２９８）を用い、処理時間は１分２０秒とした。溶液の攪拌は行なわなかった。これにより上述のごとく針の高さに対し、上部位置でのエッチングレートが速く、下部位置でのエッチングレートが遅くなるようなエッチングレートの勾配が生じる。また、処理後、純水によるリンスを３０分行なった。
このようにして図３（ｅ）に示されるように先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部１３と、この先端部に向かって細径化したテーパ状をなす針本体１８からなるシリコン製の針状体１０が形成された。

複数の針状体の高さＨは１４０μｍであり、先端から１／３Ｈでの位置での外径Ｄ₁は２９μｍであり、先端から２／３Ｈでの位置での外径Ｄ₂は４１μｍであり、Ｄ₁／Ｄ₂比の値は０．７１であった。先端部１３と針本体１８との連接部分１５は、なだらかな湾曲となり、穿刺に全く支障のないレベルにまで仕上げられていることが確認された。

例えば、医療、生物現象、創薬に用いる微細な針として使用される。

図１は、基体の上に形成された複数の針状体を備える本発明のシリコン針の一部分を示した概略斜視図である。図２は１つの針状体に注目した概略側面図である。図３（ａ）〜（ｅ）は本発明のシリコン針の製造方法を経時的に説明するための概略断面図である。図４は、従来例であり、基体の上に形成された複数の針状体を備える従来のシリコン針の一部分を示した概略斜視図である。図５は、従来例であり、基体の上に形成された複数の針状体を備える従来のシリコン針の一部分を示した概略斜視図である。

符号の説明

１…シリコン針
２…基体（シリコンウエハ部分）
１０…針状体
１３…先端部
１５…連接部分
１８…針本体
３１…シリコンウエハ
３４…堆積層

Claims

シリコンウエハをエッチングして基体の上に一体的に形成された複数の針状体を備えるシリコン針の製造方法であって、
該方法は、
複数の針状体を形成すべき箇所に対応してマスクを設ける工程と、
前記マスクを設けた状態でシリコンウエハに対して等方性エッチングまたは結晶異方性エッチングを施す第１のエッチング工程と、
前記マスクを設けた状態でシリコンウエハに対してエッチングステップと堆積ステップを繰り返して、針状体の基礎となる側面に堆積層を形成しつつ高さ（厚さ）方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第２のエッチング工程と、
前記側面に堆積した堆積層を除去する工程と、
前記シリコンウエハに対して高さ方向に対しエッチングレートに勾配があるエッチングを施す第３のエッチング工程と、
を有してなることを特徴とするシリコン針の製造方法。
前記マスクは、シリコンウエハ表面を酸化処理またはシリコンウエハ上にシリコン窒化膜を形成した後、フォトリソグラフィー法およびエッチング処理法により形成された円形状群のマスクパターンである請求項１に記載のシリコン針の製造方法。
前記マスクパターンの配設密度は２０〜７０個／ｍｍ²である請求項１または請求項２に記載のシリコン針の製造方法。
前記マスクを設ける工程、前記第１のエッチング工程、前記第２のエッチング工程、前記堆積層を除去する工程、および前記第３のエッチング工程が経時的に順次行われ、前記複数の針状体は、先端に向かって漸減した外径を備える先端部と、該先端部と連接しつつ先端に向かって漸減した外径を備える針本体を備えるように形成される請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のシリコン針の製造方法。
前記複数の針状体の高さをＨとし、先端から１／３Ｈでの位置での外径をＤ₁、先端から２／３Ｈでの位置での外径をＤ₂として場合に、Ｄ₁／Ｄ₂比の値が、０．４以上１．０未満の範囲にあるように形成される請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のシリコン針の製造方法。
前記複数の針状体の高さＨが、６０〜２００μｍとなるように形成される請求項１ないし請求項５のいずれかに記載のシリコン針の製造方法。