JP4677599B2 - 微細構造作製方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、単結晶シリコンを材料として微細な立体構造を形成するに際して、従来行っていた複雑なマスキング作業を必要とせず、かつ、エッチングと微細機械加工を同時に行うことで、エッチング加工中にマスクとなる微細パターンを形成し、作製される微細構造の高さを調節するようにした微細構造作製方法及び装置に関する。

従来より半導体製造に際しては、薄く切断した単結晶シリコンウエハの表面に光に感光するフォトレジストを塗布した後、この表面を露光マスクパターンで覆って遠紫外線を照射し感光させ、これを現像することによりマスクの模様をフォトレジストに転写している。次いでこれを酸化させ、このようにしてできたレジスト模様をエッチング処理することにより実回路の模様を形成している。このような技術は半導体製造に限らず、例えば単結晶シリコンを素材とする微小部材の成形等においても広く使用されている。

なお、以下に示す発明が解決しようとする課題について、本発明と異なる手法で解決した技術として、本発明者等による下記の特許文献１及び特許文献２が存在する。
特許第３４０１５６５号 特願２００３−２９３７５１

このように単結晶シリコンをエッチングにより微細加工する際、フォトレジストの付着処理、遠紫外線の照射によるマスク模様の転写作業、酸化処理等が必要であり、複雑な工程を何度も行う必要があるため、多くの手数と時間がかかるという問題点があった。

また、現在存在するパターンを変更するためには、露光マスクを作り直す必要があり、試作などの自由度を求められる微細構造製作には向かないという問題点もあった。

更に、単結晶シリコンに対して各種形状の凹部や凸部を形成するに際しては、マスキングした部分を凸部として形成する以外ないので、凹部や凸部の形成方法が限定されてしまうという問題もあった。

したがって、本発明は、単結晶シリコンをエッチングにより微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等を必要とせず、エッチングを行いながら微細加工を行ってマスクパターンを形成することで、任意のパターン形状で任意の高さの微細構造物を製作可能な微細構造作製方法を提供することを目的とする。

従来より摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）、あるいは原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ）の技術を利用したマイクロ加工技術の研究がなされている。例えば、摩擦力顕微鏡の原理を利用したマイクロ加工機としては、図1に示すように、従来の摩擦力顕微鏡において用いられる柔軟なカンチレバーに替えて高剛性の加工用カンチレバーを用い、レーザーダイオード１からのレーザー光をレンズ２を介して、シリコン材料３の表面に接触しているダイヤモンド砥粒を先端に設けた加工用カンチレバー４の先端裏面に照射し、その反射光を４分割フォトディテクタ７で受光するものである。

その受光信号は加工用カンチレバー４の状態を光てこ方式で検出した信号であり、加工用カンチレバー４のたわみとねじれの状態を表しているので、その信号をフィードバック制御装置９に入力して現在の加工用カンチレバーのたわみとねじれを演算し、これを予め設定されている値と比較し、誤差信号をチューブ型のＰＺＴスキャナ８に出力し、シリコン材料３をＸ、Ｙ、Ｚ方向に移動して所定の切り込み深さに維持しつつ、所定形状の加工を行うことができるようにしている。

前記加工用カンチレバー４は、先端にダイヤモンドを取り付けたものであり、このカンチレバーは前記のように高剛性をなしている。このような工具を用いることにより材料表面を摩擦し、ナノメートルオーダの切り込みで微細な切削加工、或いは先端が鈍く切り込まない状態でも相当の接触応力を負荷して、材料表面に加工変質層の形成を行うことができるようになっている。

このようなマイクロ加工機を用いて所定のマスキング形状に沿ってダイヤモンド砥粒により微細な切削加工を行う。このとき、切削加工を施した後の表面には結晶性の乱れや残留応力が存在し、加工変質層が形成され、単結晶シリコンに対してこのような処理を行うとこの加工変質層が水酸化カリウムを用いた異方性エッチングに対してマスキング作用をなす。

このマスキング作用は、水酸化カリウム等のエッチング溶液の濃度によって異なることを発見し、上記特許文献１に示すような発明に至ったものである。そして、特許文献２は、本発明者等が更にこの研究を進め、上記課題を他の手段によって解決することができることを見いだしたものであり、このような微細機械加工に際して、機械加工時の垂直荷重といった加工条件を調節することにより、また、微細機械加工時の送り量を調節するのみで、エッチング液の濃度を調節することなく、形成される微細パターンの高さを調節することができることを発見し、発明に至ったものである。

本発明は、前掲の特許文献の関連研究を更に進めたものであり、従来機械加工の後に行っていたエッチングを、機械加工と同時に行うことで、エッチング中にマスク領域を形成し、その時点から効力を発揮するマスクパターンを形成することができる微細構造作製方法である。

具体的には、単結晶シリコン材料を水酸化カリウム等のエッチング液に浸し、材料表面にをマイクロ加工機によって正方形領域内を微細機械加工工具で面走査を行うと、加工の行われた領域から順次マスクとしての効果を発現するため、エッチングが進行しなくなる。しかしながら、面走査加工の最中でも、被加工部以外の領域ではエッチングが進行しするため、後に加工される領域では、マスク効果を発現する時点での高さは、先に加工された領域よりも低くなる。したがって、形成される微細構造の高さは、加工開始点より終了点にかけて、次第に高さを減ずるような傾斜を有する形状となる。

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、微細機械加工工具を面走査する際に、走査速度を変化させることで、形成される微細構造の上面の傾斜角を調節するようにしたものである。

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、特許文献２の発明にあるように、微細機械加工の条件によってマスクの強度を変化させられることを利用し、同一領域に複数回重複して微細機械加工を行うことで、エッチングマスクとしての強度を変化させ、形成される微細構造の高さを調節するようにしたものである。

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、特許文献２の発明にあるように、微細機械加工の条件によってマスクの強度を変化させられることを利用し、微細機械加工を行う際の垂直荷重を変化させることで、エッチングマスクとしての強度を変化させ、形成される微細構造の高さを調節するようにしたものである。

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、前記微細機械加工を摩擦力顕微鏡（ＦＦＭ）の機構にエッチング液中での加工を可能にした機構を付加し、行うようにしたものである。

上記のように、以前よりの研究結果によりＦＦＭ 加工後にエッチングを行うと、ＦＦＭ 加工領域がマスキング効果を示し、任意のパターンで高さが一様な凸状構造物が残留形成され、またＦＦＭ加工の条件によりエッチングマスクの強度を変化させることで、高さ方向を制御した３次元微細構造物を作製できることが明らかとなった。本発明においては、従来ＦＦＭ加工の後にエッチングを行っていたところを、エッチングを行いながらＦＦＭ加工を行うことで、エッチングの最中に材料表面へＦＦＭ加工によるマスクパターンの形成を各種の加工条件下で行い、作製される微細構造の形状について調べた。その結果、
１）エッチング中にＦＦＭ機構を用いた微細機械加工を行った場合でも、形成された加工変質層が、加工直後からマスク効果を発現し、微細構造物を作製できる。
２）マスク効果を持たない未加工部は、エッチング中に一定のエッチングレートで、その高さを減ずるため、微細機械加工を行うタイミングの差によって、マスク効果を発現する領域の初期高さに変化を与えることで、微細構造物の高さを制御できる。
３）エッチングを行いながら、一定の走査速度で面走査加工を行う場合、走査速度を変化させることで作製される微細構造の上面部の傾斜を変化させることができる。
４）従来のＦＦＭ加工によって形成された加工変質層と同様に、微細機械加工時の垂直荷重によってマスク強度が変化する性質を利用して、作製される微細構造物の高さを制御することができる。
５）微細機械加工時に同一領域を複数回重複して加工することでマスク強度が変化する性質を利用して、微細構造物の高さを制御することができる。
６）単一線の微細機械加工を空気中で行い、その後にエッチングして作製した凸状構造物と、エッチング液中で単一線の微細機械加工を行って作製した凸状微細構造物を比較したところ、後者のほうが凸状構造物の幅が狭くなった。
等の作用を奏することが明らかになった。従来の微細構造作製技術との組み合わせや、またエッチング時間等の加工条件をさらに高精度に制御することにより、さらに複雑な３次元微細構造物の作製が可能となる。

本発明は上記のような微細構造作製方法を採用することにより、単結晶シリコンをエッチングによって微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等のマスク作製プロセスを必要とせず、また、予め微細機械加工の条件によって強度を変化を持つマスクパターンを形成し、その後のエッチングによって製作される微細パターンの高さを任意に調節する微細構造物作製方法と比較して、さらに大きな範囲で微細構造物の高さを変化させることができ、作製可能な微細構造物の形状バリエーションを増やすことができる。

本発明は、単結晶シリコンをエッチングにより微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等を必要とせず、また、予め微細機械加工の条件によって強度を変化を持つマスクパターンを形成し、その後のエッチングによって製作される微細パターンの高さを任意に調節する微細構造製作方法と比較して、さらに大きな範囲で高さを変化させて微細構造物を作製することができるようにするため、エッチング中に任意のタイミングで微細機械加工を行い、マスクパターンを形成時の初期高さに変化をつけることで微細構造物の高さを調節することを可能にし、さらに微細加工時の条件によってマスク強度に変化を与え、マスク効果を失うタイミングを変化させることで、任意の高さの微細構造物を製作する方法において、形成される微細パターンの高さ調節範囲を拡大し、作製可能な微細構造物の形状バリエーションを増やすものである。

以下、本発明について、この発明に至った経緯を含め詳細に説明する。前記のように、ＦＦＭ加工後の試料に対しＫＯＨ水溶液でエッチングを行うとＦＦＭ加工面が強いマスク作用を示すため、凸状構造物が形成されることが明らかとなった。この現象はＦＦＭ加工によって形成される結晶性の低い酸化層に起因して生じる。

これまでの実験では、ＦＦＭ加工を行った後にエッチングを行い、エッチング後に作製される微細構造の形状を測定した結果から、加工部と、未加工部エッチングレートを比較し、ＦＦＭ加工条件とエッチングレートの関係を調べてきた。その結果、ＦＦＭ加工条件を変えることでマスク強度に変化を与え、エッチング後の微細構造高さを調節可能であることを発見した。

本発明は、これまで予めＦＦＭ加工を行った後に、エッチングを行っていた微細構造作製方法に対して、図１に示すようなガラス板５とシリコン材料３の間にＫＯＨ水溶液６を注入することで、エッチングを行いながらＦＦＭ加工を行うことができる構成により、エッチングの最中にＦＦＭ加工によるマスクパターンの形成を試みた結果、エッチング液中でのＦＦＭ加工によっても、マスク効果を発現する加工変質層を形成できることを発見したことに拠るものである。エッチング中、未加工面は一定のエッチングレートで高さを減ずるため、ＦＦＭ加工を行うタイミングによってマスク形成時の初期高さに変化を与えることができる。結果として、作製される微細構造の高さを、加工するタイミングによって調節できる。

図２は、本発明による代表的な高さ調節方法を図示したものである。正方形領域を面走査加工する際に、エッチング液中で微細機械加工を行うと、先に加工した領域からマスク作用を発現する加工変質層が形成される。加工の進行とともにマスク領域は拡大するが、未加工部はエッチングにより溶解し、高さを減ずるため、マスクの形成時間の差によって、後に形成されるマスクの初期高さが変化し、一定の速度で加工した場合、マスク領域は加工終了点に向かって一定の傾斜角で低くなる平面となる。加工終了後も、引き続きエッチングを行うと、上面部に傾斜を持つ角柱状の微細構造が作製される。

図３は、大気中でＦＦＭ加工を行って形成したマスクと、エッチング液中のＦＦＭ加工によって形成されたマスクによって作製された微細構造を比較したものである。大気中で形成したマスクによって作製された微細構造の上面は水平なのに対し、液中でＦＦＭ加工を行い、マスクを形成して作製した微細構造の上面は、加工開始点から加工終了点にかけて一定に割合で高さを減ずる傾斜を持った形状となっている。

微細構造上面の傾斜角αは、加工開始点と加工終了点との間の時間差と未加工部のエッチングレートによって定まることから、加工速度、すなわち図１Ｙ方向の走査線送り速度を変化させることで、傾斜角を調節できる。図４は、Ｙ方向の走査線送り速度と、微細構造上面の傾斜角の関係である。加工の終了までマスクが効果を維持し、未加工部のエッチングレートが一定であれば、傾斜は一定になり、構造の高さ制御を精密に行える。エッチング前のＦＦＭ加工条件のみでマスクの強度を変化させる手法に比べ、線形な高さ制御を行うことができるという利点がある。

図５は、エッチング液中でのＦＦＭ加工により、面走査加工を行う際、加工開始点から加工終了点まで、中間地点を挟んでＹ方向の走査線送り速度を変化させた結果、作製された微細構造の形状である。中間地点を境に、凸状構造物の上面の傾斜角が変化していることがわかる。

図６は、ＦＦＭ加工により、独立な２本の単一線加工によって形成されるマスクの効果を、大気中で形成した後にエッチング処理を行ったものと、エッチング液中でマスク形成をしたものとで比較した結果である。図５（ａ）の断面図を参照すると、液中でマスク形成を行った方が、より線幅の狭い微細構造を作製できることがわかる。図５（ｂ）のグラフは、エッチング時間と微細構造の高さの関係である。液中で形成したマスクによる微細構造は、大気中で形成したマスクによる微細構造と比較して、高さのピークが低く、短い時間で構造が消滅してしまう。これは、液中で形成されたマスクパターン、すなわち加工変質層の方が線幅が細く、マスク強度も低いことを示している。

図７は、ＦＦＭ加工により、独立な単一線加工をエッチング液中で加工の重複回数を変化させて行い、作製された微細構造である。図７（ａ）の断面図を参照すると、加工の重複回数が多いものの方が、エッチングマスクとしての強度が大きく、より高い微細構造が作製されている。図６（ｂ）のグラフは、エッチング時間と微細構造の高さの関係である。によって形成されるマスクの行った結果、形成された同一線上での効果を、大気中で形成加工の重複回数が多いものの方が、高さのピークが高く、長い時間、構造を維持することができる。これは、加工の重複回数が多いものほど、マスク強度が高いことを示している。

これらの結果より、エッチング液中で微細機械加工を行うことで、マスク形成のタイミングの制御および加工条件の制御により、高さを制御した３次元微細構造物の作製が可能であることがわかった。また。加工条件をさらに詳細に制御することで、高精度の３次元微細構造物の作製が可能であると考えられる。

本発明は上記のように極めて微細な加工を容易に実施することができるので、電子産業、情報産業、光産業分野などで使用される各種機器の超精密加工として利用することができる。

本発明を実施する装置の概要を示す斜視図である。 本発明における代表的な微細構造高さ調節方法を示す図である。 本発明と従来手法で作製した微細構造とを比較して示す図である。 本発明におけるＹ方向走査線送り速度と微細構造上面の傾斜角の関係を示すグラフである。 本発明におけるＹ方向走査線送り速度を変化させたときの微細構造上面の傾斜角の変化を示す図である。 独立した２本の単一線加工によって得られる微細構造を、大気中のＦＦＭ加工と、エッチング液中とでマスク形成した結果をを比較した図である。 独立な単一線加工をエッチング液中で加工の重複回数を変化させて行い、作製された微細構造を比較した図である。

符号の説明

１ レーザーダイオード
２ レンズ
３ シリコン材料
４ 加工用カンチレバー
５ ガラス板
６ ＫＯＨ（水酸化カリウム）水溶液
７ ４分割フォトディテクタ
８ チューブＰＺＴスキャナ
９ フィードバック制御装置

Claims (7)

1. 単結晶シリコン材料をアルカリ性エッチング溶液に浸した状態で、摩擦力顕微鏡の機構により表面に所定形状の微細機械加工を施し、これにより生成されるマスク効果を発現する微細パターンによって、任意の領域のエッチングレートを低下させることで、所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、
   微細機械加工を行う時間に差を与えることで、形成される微細構造の高さを、加工開始点より終了点にかけて次第に該高さを減ずるように調節することを特徴とする微細構造作製方法。
2. 微細機械加工工具を面走査する際に、走査速度を変化させることで、形成される微細構造の上面の傾斜角を調節することを特徴とする請求項１に記載の微細構造作製方法。
3. 微細機械加工を同一領域に複数回重複して行うことで、エッチングマスクとしての強度を変化させ、形成される微細構造の高さを調節することを特徴とする請求項１に記載の微細構造作製方法。
4. 微細機械加工を行う際の垂直荷重を変化させることで、エッチングマスクとしての強度を変化させ、形成される微細構造の高さを調節することを特徴とする請求項１に記載の微細構造作製方法。
5. エッチング液中で単一線加工を行うことを特徴とする請求項１に記載の微細構造作製方法。
6. 前記微細機械加工をガラス板と被加工材料の間にエッチング液を保持することのできる摩擦力顕微鏡の機構により行うことを特徴とする請求項１に記載の微細構造作製方法。
7. 単結晶シリコン材料をアルカリ性エッチング溶液に浸した状態で、摩擦力顕微鏡の機構により表面に所定形状の微細機械加工を施する手段を備え、これにより生成されるマスク効果を発現する微細パターンによって、任意の領域のエッチングレートを低下させることで、所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製装置において、
   微細機械加工を行う時間に差を与えることで、形成される微細構造の高さを、加工開始点より終了点にかけて次第に該高さを減ずるように調節する手段を備えたことを特徴とする微細構造作製装置。