JP5592147B2 - シリコンナノニードルおよびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンからなる極めて細い針状構造体およびその製造方法に関し、特に横断面幅が１μｍ未満の直柱体領域を有しアスペクト比が高いシリコンナノニードルおよびその製造方法に関する。

従来、走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の探針など、先端横断面積が１μｍ未満のニードルを製造する方法が知られている。例えば特許文献１には、シリコンウィスカーをニードルとして用いる方法が開示されている。また特許文献２には、シリコン基板の等方性エッチングによって保護膜直下を側方からえぐった後に熱酸化し、さらに酸化膜を除去することによって、先端が極めて鋭利なニードルを製造する方法が開示されている。

特開平５−１０７５３号公報 特開平１１−２１１７３５号公報

しかし、特許文献１に記載されているようにシリコンウィスカーをニードルとして用いる場合、シリコンウィスカーの形状制御性が低いため、歩留まりが低く、また複数のニードルを任意の配列で突出させることはできないという問題がある。

また特許文献２に記載されているようにシリコン基板の等方性エッチングによって保護膜直下を側方からえぐってニードルの高さを設定する場合、ニードルの側面全体が基端に向かって広がるフレア面になるため、ニードルの長さや基端へ向かうフレア面の形状による機械的特性を制御できない。またニードル基端の横断面積とニードルの高さは等方性エッチングのエッチング量によって決まるため、隣り合うニードルの先端間距離をニードル基端の横断面幅より狭く設定することができず、複数のニードルを高密度に配置することができない。

本発明はこれらの問題に鑑みて創作されたものであって、設計自由度が高く曲げ強度が高く極めてアスペクト比が高いニードルを提供することを目的の１つとする。

（１）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルは、シリコンからなる基部と、底に向かって広がるフレア面を側面とするマウントと、前記マウントの頂から連続する横断面最大幅１μｍ未満・高さ１μｍ以上の直柱体を構成するリードとを有しシリコンからなり前記基部から突出しているニードルとを備え、前記マウントの側面と前記リードの側面とが段差無く連続している。

本発明によると、直柱体を構成するリードをニードルの一部として形成するため、設計自由度が高く、リードの横断面とニードルが基部から突出する高さとを独立に設計することができる。またシリコンからニードルを構成する場合、ニードルが細くなるほど曲げ強度が高くなる。本発明によると、マウントの頂から延伸するリードは横断面最大幅が１μｍ未満と極めて細いため、曲げ強度が高い。また本発明によるとマウントの側面が底に向かって広がるフレア面を構成し、リードは直柱体を構成し、マウントの側面とリードの側面とが段差無く連続しているため、リードの基端に応力が集中しない。したがって本発明によると、ニードルの耐衝撃性を保ちつつアスペクト比を高めることができる。なお、本明細書においてフレア面とは、筒状に閉じた曲面であって、横断面輪郭に囲まれた領域の面積が一方の開放端から他方の開放端に向かって単調増加するとともにその面積の変化の割合も一方の開放端から他方の開放端に向かって単調増加する曲面である。

（２）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルにおいて、前記ニードルは、前記基部から前記マウントの底まで連続する横断面最大幅１μｍ超の直柱体を構成する支持部を有し、前記支持部の環状の頂面と前記マウントの側面とが段差無く連続していてもよい。
この構成を採用すると、ニードルの先端が突出する高さを高めつつ、基端近くの剛性が高いニードルを実現することができる。

（３）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルにおいて、前記基部の前記ニードルを囲む領域から突出する直管体または複数の直柱体を構成しシリコンからなる保護壁をさらに備えてもよい。
この構成を採用すると、異物に当たってニードルが損傷することを防止することができる。

（４）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルにおいて、前記ニードルは前記保護壁より高く前記基部から突出していてもよい。
この構成を採用すると、ニードルを対象に押し込む距離を規定するストッパとして保護壁を用いることができる。

（５）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルにおいて、複数の前記ニードルが前記基部から突出していてもよい。
この構成において、複数のニードルの配列は任意であって、それぞれの形状は互いに異なっていても良い。

（６）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルにおいて、前記複数のニードルは導電性を有し、互いに絶縁されていてもよい。
この構成を採用すると、複数のニードルのそれぞれに対して個別に電圧を印加することができる。

（７）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルの製造方法は、最小幅１μｍ以上の連続領域を保護する膜であるリード保護膜をシリコン基板の主面の一カ所以上に形成する工程と、前記シリコン基板の主面の前記リード保護膜から露出している領域を垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最大幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン基板を熱酸化する工程と、前記シリコン基板に形成された酸化膜を除去することによって、前記直柱体領域からなるリードと、底に向かって広がるフレア面を側面とし頂から前記リードが突出するマウントとを有しシリコンからなるニードルを形成する工程と、を含む。

本発明においては、シリコン基板の主面を垂直方向にエッチングすることによってニードルの最終寸法より大きな直柱体の原形を形成する。このとき、ニードルの原形を保護するリード保護膜の最小幅が１μｍ以上あるため、歩留まり高くニードルの原形を形成することができる。その後、ニードルの原形の表層を熱酸化し、さらに酸化膜を除去することによって、ニードルの原形の表層を除去する。熱酸化が進行する過程では、酸化膜の成長に伴って酸化レートが落ちるため、酸化膜の膜厚の制御性が高い。したがって、ニードルの最終寸法の領域を正確に残して熱酸化することが可能である。すなわち、ニードルのリードを構成する横断面最大幅が１μｍ未満の直柱体領域を正確に形成することができる。このため本発明によると、横断面最大幅が１μｍ未満と極めて細く、曲げ強度が高いリードを有するニードルを製造することができる。また、シリコン基板の主面を垂直方向にエッチングすると、主面に対して垂直な側壁と主面に対して平行な底面とが形成され、側壁と底面とがなす角は直角になる。これらの側壁と底面との交線近傍では、その交線から等距離に位置する点の集合が酸化膜と非酸化領域との界面を構成する。したがって、ニードルのリードとなる直柱体領域に続くより深い領域では、酸化膜と非酸化領域との界面がフレア面になる。このため、酸化膜を除去すると、リードの側面と段差無く連続するフレア面を側面とするマウントを形成することができる。すなわち本発明によると、マウントの側面とリードの側面とを段差無く連続させることができるため、リードの基端に応力が集中しないニードルを製造することができる。したがって本発明によると、ニードルの耐衝撃性を保ちつつアスペクト比を高めることができる。またシリコン基板の主面を垂直方向にエッチングすることによって直柱体の原形を形成するため、ニードルの長さを規定するリードの横断面とニードルが基部から突出する高さとを独立に設計することができる。また、複数のリード保護膜を形成して複数のニードルを同時に形成する場合には、隣り合うニードルの先端間距離とニードルの高さとを独立に設計することができる。

（８）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルの製造方法において、前記酸化膜は前記直柱体領域の最大幅より厚くてもよい。
酸化膜を十分厚く形成することによって、横断面最大幅が１μｍ未満のリードを有するニードルを寸法精度高く形成することができる。

（９）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルの製造方法において、シリコン基板の主面の前記リード保護膜を囲む環状領域において離散している１または複数の領域を保護する膜である１または複数の離散保護膜を前記リード保護膜と同時に形成し、それぞれの前記離散保護膜の最大幅は前記酸化膜の内方拡散領域の厚さの２倍以下であってもよい。
この構成を採用すると、離散保護膜直下にエッチングされずに残る直柱体は完全に熱酸化されるため、酸化膜を除去することによって消滅する。したがって、基板を垂直方向にエッチングする面積を狭めることができる。このため、歩留まり良く細長いニードルを形成することができる。なお、"酸化膜の内方拡散領域"とは、熱酸化前の表面より深い領域において酸化膜が形成された領域に相当する。

（１０）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルの製造方法において、前記酸化膜を除去する工程において前記マウントの側面と段差無く連続する環状領域を頂面とする直柱体を構成する支持部が前記マウントの直下に形成されるように、前記リード保護膜と前記離散保護膜との間の最大幅または前記リード保護膜を囲む位置において離散している前記離散保護膜同士の間の距離はマイクロローディング効果によりエッチングレートが前記環状領域の外側よりも内側において低くなる距離に設定してもよい。
この構成を採用すると、マイクロローディング効果によって離散保護膜同士の間のエッチング深さが環状領域の外側のエッチング深さよりも浅くなる。その結果、離散保護膜が離散的に配置される環状領域の直下には、マウントの側面と段差無く連続する環状領域を頂面とする直柱体を構成する支持部が形成される。したがって、ニードルの先端が基部から突出する高さを高めつつ、剛性が高いニードルを実現することができる。

（１１）上記目的を達成するためのシリコンナノニードルの製造方法において、前記酸化膜を除去する工程において直管体または複数の直柱体を構成する保護壁が保護壁保護膜の直下に形成されるように、シリコン基板の主面の前記リード保護膜を囲む位置において連続または離散している領域を保護する膜である前記保護壁保護膜を前記リード保護膜と同時に形成してもよい。
この構成を採用すると、製造中のニードルの損傷を防ぎ、さらに異物に当たって損傷しにくいニードルを製造することができる。

尚、請求項に記載された動作の順序は、技術的な阻害要因がない限りにおいて記載順に限定されず、同時に実行されても良いし、記載順の逆順に実行されても良いし、連続した順序で実行されなくても良い。

図１Ａ、図１Ｃおよび図１Ｄは本発明の第一実施形態にかかる縦断面図。図１Ｂ、図１Ｅは本発明の第一実施形態にかかる横断面図。図１Ｆ、図１Ｈは本発明の第一実施形態にかかる側面図。図１Ｇは図１Ｆの部分拡大図。 本発明の実施形態にかかるグラフ。 図３Ａ、図３Ｃおよび図３Ｅは本発明の第二実施形態にかかる縦断面図。図３Ｂ、図３Ｄは本発明の第二実施形態にかかる横断面図。図３Ｆは本発明の第二実施形態にかかる側面図。図３Ｇは図３Ｆの部分拡大図。 図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃおよび図４Ｄは本発明の第三実施形態にかかる縦断面図。図４Ｅは本発明の第三実施形態にかかる斜視図。 図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃおよび図５Ｅは本発明の他の実施形態にかかる平面図。図５Ｄは本発明の他の実施形態にかかる側面図。図５Ｆは本発明の他の実施形態にかかる縦断面図。 図６Ａ、図６Ｂおよび図６Ｃは本発明の他の実施形態にかかる縦断面図。 図７Ａ、図７Ｂ、図７Ｃおよび図７Ｄは本発明の他の実施形態にかかる縦断面図。 図８Ａおよび図８Ｂは本発明の他の実施形態にかかる縦断面図。

以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照しながら以下の順に説明する。尚、各図において対応する構成要素には同一の符号が付され、重複する説明は省略される。

１．第一実施形態
本発明によるシリコンナノニードルの製造方法の第一実施形態を図１に基づいて説明する。はじめに単結晶シリコンからなる基板１００を準備する。基板１００の不純物濃度および結晶方位は任意である。

次に基板１００の主面１０１にフォトレジストを塗布し、露光・現像することによって図１Ａおよび図１Ｂに示すフォトレジストからなるリード保護膜Ｒ１を形成する。本実施形態においてリード保護膜Ｒ１によって覆う領域は、図１Ｂに示すように直径ｗ_１が２μｍの円形であるとする。リード保護膜Ｒ１が覆う連続領域の最小幅は歩留まりを上げるために１μｍ以上とすることが好ましい。

次に図１Ｃに示すように基板１００の主面１０１のリード保護膜Ｒ１から露出している領域を垂直方向にエッチングする。その結果、リード保護膜Ｒ１のパターンと同一パターンの横断面を有する直柱体１０２が形成される。このとき用いるエッチング方法は、エッチングによって形成される側壁１０２ａと主面１０１が垂直になるＤｅｅｐ−ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法である。Ｄｅｅｐ−ＲＩＥとしては、例えば、Ｃ_４Ｆ_８プラズマによる保護ステップと、ＳＦ_６プラズマによるエッチングステップを短く交互に繰り返すボッシュプロセスを用いる。

次に基板１００を９００℃〜１２００℃程度の雰囲気において熱酸化する。熱酸化では加湿酸化、水蒸気酸化、パイロジェニック酸化等のウェット酸化法がドライ酸化法よりも酸化レートが速いため好ましい。熱酸化の結果、図１Ｄおよび図１Ｅに示すように、酸化前の直柱体１０２の表面１０２ａから内部への酸素の拡散によって形成される内方拡散領域１０３ａと、酸化前の直柱体１０２の表面１０２ａより外側に成長する酸化シリコンによって形成される膨張領域１０３ｂとからなる酸化膜１０３が形成される。内方拡散領域１０３ａの深さｄ_１と膨張領域１０３ｂの深さｄ_２の比は４：６〜６：４程度となり、２つの領域の深さはほぼ等しくなる。

Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成された直柱体１０２の側面１０２ａと基板１００の主面１０１が後退した底面１０１ａとが直角に交わる交線近傍では、その交線から等距離に位置する点の集合が酸化膜１０３と非酸化領域との界面１０５ａを構成する。したがって、酸化膜１０３と非酸化領域との界面１０５ａがフレア面になるフレア領域１０５が直柱体領域１０４の直下に酸化されずに残る。縦断面におけるフレア面１０５ａの曲率半径は内方拡散領域１０３ａの厚さと等しくなるため、熱酸化の処理時間によって決めることができる。

熱酸化の処理時間は、直柱体１０２の内部に酸化されずに残る直柱体領域１０４の横断面最大幅ｗが１μｍ未満のリードの目標横断面最大幅と等しくなるように設定する。図２に示すように、シリコンの酸化膜厚は熱酸化の処理時間の平方根に比例する。すなわち、熱酸化の処理時間が長くなるほど酸化膜厚の制御性が向上する。また熱酸化の酸化レートはばらつきが小さいため、処理時間に応じた酸化膜厚を精度良く見積もることができる。したがってＤｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０２をニードルの目標寸法よりも十分太く形成しておき、酸化膜を十分厚く形成した後に酸化膜を除去すれば、横断面最大幅が１μｍ未満の極めて細いリード１０４を一部とするニードルを高い寸法精度で形成することができる。実際には、リード１０４の目標横断面最大幅すなわち直柱体領域１０４の横断面最大幅ｗよりも酸化膜を十分厚く形成するとよい。ただし、酸化せずに残す直柱体領域１０４の横断面最大幅を１μｍ未満にするならば、熱酸化の処理時間が不必要なまでに長くならないように、酸化前の直柱体１０２の横断面最大幅は５μｍ未満にしておくことが望ましい。一方、酸化炉の温度が安定するまでは酸化膜厚の制御性が低いため、熱酸化の処理時間を少なくとも１時間以上に設定できるように直柱体１０２をニードルの目標寸法よりも十分太く形成しておく必要がある。

また熱酸化の処理時間を十分長く設定すると、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成されたスキャロップの凹凸を平滑にならしてニードル１０４の側面を滑らかに形成することもできる。さらに酸化温度を低く設定すると（例えば９００℃以下）、酸化膜の粘度が高くなり圧縮応力が上がるため、細い部分ほど酸化レートが落ち、その結果、酸化前の直柱体１０２の側面１０２ａの傾斜を垂直方向に補正することも可能である。

次に酸化膜１０３を除去する。酸化シリコンからなる酸化膜１０３はフッ酸（ＨＦ）または希フッ酸（ＢＨＦ）によって除去すればよい。例えば希フッ酸で酸化膜１０３を大部分除去した後に、残った薄い酸化膜１０３を蒸気フッ酸によって完全に除去するとよい。酸化膜１０３を完全に除去すると、熱酸化されずに残った直柱体領域１０４とフレア領域１０５とが露出し、シリコンからなるニードル１０が形成される。すなわち、このようにして形成されるニードル１０は、図１Ｆおよび図１Ｇに示すように底に向かって広がるフレア面１０５ａを側面とするマウント１０５と、マウント１０５の頂から連続する直柱体を構成するリード１０４とからなる。ニードル１０が基部１０６から突出する高さｈはＤｅｅｐ−ＲＩＥの深さによって決まり、任意に設定することが可能である。すなわち直柱体を構成するリード１０４の長さｈ_１は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによってどれだけでも長くすることができる。

ニードル１０は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって原形が形成された直柱体を構成するリード１０４を有するため、基部１０６からニードル１０が突出する高さとリード１０４の横断面形状を独立して自由に設計することができる。マウント１０５を介してリード１０４が基部１０６に接続される形態であるため、基端に応力が集中しにくい形状である。すなわち基部１０６とリード１０４とを接続しているマウント１０５の側面は基部１０６に向かって広がるフレア面１０５ａであるから、基部１０６の表面とリード１０４の側面とがフレア面１０５ａを介して段差無くなだらかに連続する。このため、ニードル１０に外力が加わったときにニードル１０の基端部に応力が集中しても、その応力が特定領域に集中しにくいため、ニードル１０が破損しにくい。マウント１０５のフレア面１０５ａの縦断面における曲率半径Ｒは、前述したとおり熱酸化の処理時間によって決まり、熱酸化の処理時間を長くするほど大きくなる。したがって、熱酸化の処理時間を長くするほどニードル１０は破損しにくくなる。また、リード１０４の横断面最大幅は、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって形成する直柱体１０２の横断面最大幅と熱酸化の処理時間とによって決まるところ、Ｄｅｅｐ−ＲＩＥによって直柱体１０２の長さを１０μｍ以上に形成するとしても直柱体１０２の横断面最大幅を１μｍ程度にまで狭めることが可能であり、酸化膜は数μｍ程度の厚さに形成することが可能である。そして酸化膜の厚さは数ｎｍの公差で制御することができる。また、シリコンは細くなればなるほど曲げ強度が顕著に高まることが知られ、リード１０４の曲げ強度は細ければ細いほど高まる。したがって、上述した方法によって製造すると、基部１０６から突出する高さｈが１０μｍ以上、リード１０４の横断面最大幅が１μｍ未満、アスペクト比（ｈ／ｗ）１００以上の破損しにくいニードル１０を形成することが可能である。

また、酸化膜を除去した後に先端部のみ異方性ウェットエッチングを実施すると、図１Ｈに示すようにリード１０４を先鋭化することができる。このようにしてリード１０４を先鋭化すると、先端の曲率半径を１０ｎｍ以下に形成することも可能である。

２．第二実施形態
本発明によるシリコンナノニードルの製造方法の第二実施形態を図３に基づいて説明する。第二実施形態では、図３Ｆに示す支持部１０７を有するニードル２０を製造する方法を説明する。

はじめにリード保護膜Ｒ１を形成すると同時にリード保護膜Ｒ１を囲む環状領域ＡＲにおいて離散する複数の離散保護膜Ｒ２を形成する。離散保護膜Ｒ２の幅ｗ_２、ｗ_３は、後の熱酸化工程において形成する酸化膜の内方拡散領域の厚さｄ_１の２倍以下とし、離散保護膜Ｒ２の直下に形成される離散残存領域１１２が酸化膜を除去することによって消滅するように設定する。またリード保護膜Ｒ１と離散保護膜Ｒ２との間の距離ｇ_１と離散保護膜Ｒ２同士の間の距離ｇ_２とは、次のエッチング工程におけるマイクロローディング効果によって、離散保護膜Ｒ２が形成されている環状領域ＡＲの外側よりも内側においてエッチングレートが低くなるように狭く設定する。

次にリード保護膜Ｒ１および離散保護膜Ｒ２から露出している基板１００の主面１０１を第一実施形態と同様に垂直方向にエッチングすることによって、リード保護膜Ｒ１の直下に円柱状のリード原形直柱体１１１を離散保護膜Ｒ２の直下に円管状の犠牲直柱体１１２をそれぞれ形成する。このとき、リード保護膜Ｒ１と離散保護膜Ｒ２との間と離散保護膜Ｒ２同士の間とにそれぞれ形成される溝の深さｄ_３は、環状領域ＡＲの外側に形成される溝の深さｄ_４よりもマイクロローディング効果によって浅くなる。

次に第一実施形態と同様に基板１００を熱酸化する。熱酸化の処理時間は、図３Ｅに示すように犠牲直柱体１１２の内部が完全に酸化され、リード原形直柱体１１１の内部に横断面最大幅１μｍ未満の直柱体領域１０４が酸化されずに残るように設定される。すなわち、内方拡散領域の厚さｄ_１が犠牲直柱体１１２の最大幅の１／２倍以上かつリード原形直柱体１１１の横断面最大幅の１／２倍未満になるように熱酸化の処理時間が設定される。このような処理時間を設定すると、一般に、リード原形直柱体１１１と犠牲直柱体１１２の間の溝も、犠牲直柱体１１２同士の間の溝も、酸化膜によって埋まる。

次に第一実施形態と同様に酸化膜を除去する。酸化膜が完全に除去されると、図３Ｆに示すように犠牲直柱体１１２が消滅し、リード１０４とマウント１０５が第一実施形態と同様に形成されるとともに、図３Ｇに示すようにマウント１０５のフレア面１０５ａと段差無く連続する環状領域を頂面１０７ａとする直柱体１０７ｂを部分的に構成する支持部１０７がマウント１０５の直下に形成される。支持部１０７の残部は基部１０６の表面と段差無く連続し基部１０６に向かって広がるフレア面１０７ｄを側面とするフレア部１０７ｃを構成する。支持部１０７の高さｈ_２は、リード保護膜Ｒ１と離散保護膜Ｒ２との間と離散保護膜Ｒ２同士の間とにそれぞれ形成される溝の深さｄ_３と、環状領域ＡＲの外側に形成される溝の深さｄ_４との差に対応する。したがって、リード保護膜Ｒ１と離散保護膜Ｒ２との間と離散保護膜Ｒ２同士の間とにそれぞれ形成される溝の幅を狭めるほど、支持部１０７の高さｈ_２を大きくすることができる。

このように、第二実施形態の方法によって形成されるニードル２０はリード１０４、マウント１０５および支持部１０７からなる。ニードル２０の高さＨは、リード１０４およびマウント１０５の合計長さｈと支持部１０７の高さｈ_２との合計になる。支持部１０７の太さ、すなわち支持部１０７を構成する直柱体１０７ｂの最大幅は、犠牲直柱体１１２を形成する環状領域ＡＲの幅を広くすることによって任意に設定することができる。したがって、ニードル２０の全長、曲げ強度、ばね定数、歩留まりに対する要求をリード１０４とマウント１０５だけでニードルの全体を構成した場合には満たせないとしても、リード１０４よりも太い支持部１０７を形成することによって、これらの要求を満たすことが可能になる。具体的には、リード１０４を短くしつつ、太い支持部１０７を長く取って歩留まりを上げながら要求されるニードル２０の全長Ｈを確保することができる。この場合、ニードル２０の先端部のばね定数を大きくするとともにリード１０４の横断面幅の微細化によって曲げ強度を高めることができる。

３．第三実施形態
本発明によるシリコンナノニードルの製造方法の第三実施形態を図４に基づいて説明する。第三実施形態では、図４Ｄおよび図４Ｅに示す保護壁１２１でニードル２０を囲む構成を説明する。

保護壁１２１を形成する場合、第一実施形態及び第二実施形態と同様にしてリード保護膜Ｒ１を形成すると同時にリード保護膜Ｒ１を囲む環状領域ＢＲにおいて保護壁保護膜Ｒ３を基板１００の主面１０１に形成する。保護壁保護膜Ｒ３の最小幅は、後の熱酸化工程において形成する酸化膜の内方拡散領域の厚さｄ_１の２倍以上とし、保護壁保護膜Ｒ３の直下に形成される保護壁原形領域１２１が酸化膜を除去することによって消滅しないように設定すればよい。

保護壁保護膜Ｒ３を形成した後に、第一実施形態及び第二実施形態と同様にして、図４Ｂに示すように基板１００の主面１０１を垂直方向にエッチングし、図４Ｃに示すように熱酸化し、酸化膜１０３を除去すると、図４Ｄおよび図４Ｅに示すようにニードル２０を囲む保護壁１２１が保護壁保護膜Ｒ３の直下に形成される。

ニードル２０を囲む保護壁１２１を形成すると、異物が当たってニードル２０が損傷することを防止できる。また不純物のドーピングにより導電性を持たせることによって、保護壁１２１を引き出し電極とするエミッターをニードル２０から形成することも可能である。

４．ニードルの用途
上述したニードルは、原子力間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、走査型トンネル顕微鏡（ＳＴＭ：Scanning Tunneling Microscope）等の走査型プローブ顕微鏡（ＳＰＭ：Scanning Probe Microscope）の探針、エミッター等の電子放出源、ＦＩＢ（Focused Ion Beam：収束イオンビーム）を放出するＬＭＩＳ（Liquid Metal Ion Source：液体金属イオン源）、プリンタのインジェクタ、遺伝子工学用途に用いる検査プローブ、電子部品検査用のプローブ、細胞操作、ニードルの高密度配置を利用した超撥水や表面につけた膜のアンカー等に用いることができる。

５．他の実施形態
マウントと基部との間に支持部を有するニードルを形成するにあたって図５Ａ、図５Ｂ、図５Ｃに示す離散保護膜Ｒ２を形成しても良い。すなわち離散保護膜Ｒ２は、リード保護膜Ｒ１を囲む環状領域において離散して形成され、それぞれの離散保護膜Ｒ２の最大幅が酸化膜の内方拡散領域の厚さの２倍以下であればよい。また、隣り合う離散保護膜Ｒ２同士の距離および離散保護膜Ｒ２とリード保護膜Ｒ１との距離がマイクロローディング効果によってエッチングレートが離散保護膜Ｒ２が形成される環状領域の外側よりも低くなる距離であれば、その環状領域の直下にニードルの支持部を形成することができる。図５Ａに示す離散保護膜Ｒ２の直下には矩形管状の犠牲直柱体が形成され、図５Ｂに示す離散保護膜Ｒ２の直下には屈曲した壁状の犠牲直柱体が形成され、図５Ｃに示す離散保護膜Ｒ２の直下には直方体状の犠牲直柱体が形成される。また、隣り合う離散保護膜Ｒ２同士の距離がリード保護膜Ｒ１から離れた離散保護膜Ｒ２ほど長くなるように設定すると、図５Ｄに示すように横断面積が基部１０６に近くなるほど大きくなる複数段の支持部１０７１、１０７２をリード１０４１と基部１０６の間に形成することも可能である。

一方、離散保護膜Ｒ２同士の距離および離散保護膜Ｒ２とリード保護膜Ｒ１との距離がマイクロローディング効果を得られない程度に離れている場合、ニードルに支持部が形成されない。しかし、離散保護膜Ｒ２から露出してエッチングされるシリコン基板の面積を低減すると、リード保護膜Ｒ１の直下にニードルの原形となる安定した寸法の直柱体を歩留まり良く形成することができる。このような離散保護膜Ｒ２を形成することによる歩留まり向上の効果は、離散保護膜Ｒ２同士の距離および離散保護膜Ｒ２とリード保護膜Ｒ１との距離がマイクロローディング効果を得られない程度に離れていても得ることができる。そして、この効果は、複数の離散保護膜Ｒ２によって覆う領域の面積を増大するほど高まる。図５Ｅおよび図５Ｆは、リード保護膜Ｒ１と保護壁保護膜Ｒ３との間に複数の離散保護膜Ｒ２を形成することによってリード保護膜Ｒ１の直下に安定した寸法の直柱体を歩留まり良く形成することを可能にしつつ、支持部のないニードル４１を保護壁４２の内側に形成する構成の一例を示している。また、保護壁は環状に連続していなくともよく、例えば図５Ｂに示す離散保護膜Ｒ２を保護壁保護膜として用いて複数の直柱体を形成し、複数の直柱体で構成される保護壁によってニードルを囲んでもよい。

また図６Ａは、保護壁５２より高くニードル５１を基部１０６から突出させる実施形態を示している。保護壁５２より高くニードル５１を基部１０６から突出させると、図６Ｂおよび図６Ｃに示すようにニードル５１を導通検査用プローブ等として利用するときに、外部端子としてのバンプ９９等の対象に接触させてからニードル５１を対象に押し付ける距離（オーバードライブ量）を保護壁５２からニードル５１が突出する高さｈ_ｄに規制するストッパとして保護壁５２を用いることができる。このため、過大なオーバードライブによってニードル５１が損傷したり、ニードル５１が接触する対象を損傷させることを防止したり、オーバードライブ量を正確に一定に保つことができる。

図７は、図６Ａに示す保護壁５２およびニードル５１を備えたシリコンナノニードルの製造方法を示している。ニードル５１を保護壁５２より高く突出させるには、リード保護膜Ｒ１を形成する前に、図７Ａに示すようにリード保護膜Ｒ１と同一パターンの保護膜Ｒ０を用いて基板１００の主面１０１を垂直方向にエッチングしておく。このとき、保護壁５２からニードル５１が突出する高さｈ_ｄにエッチング深さを設定する。その後、図７Ｂに示すようにリード保護膜Ｒ１および保護壁保護膜Ｒ３を形成し、図７Ｃに示すように主面１０１と垂直な方向に基板１００をエッチングし、図７Ｄに示すように基板１００を熱酸化し、酸化膜を除去すると、図６Ａに示すシリコンナノニードルが形成される。

また図８に示すように、複数のニードル６０、７０を基部１０６から突出させても良い。複数のニードル６０、７０を基部１０６から突出させるにあたっては、ニードル６０、７０の配列は任意であって、ニードル６０、７０同士の距離ｄを約２μｍ以上離せば歩留まりを高めることができる。すなわちリード保護膜Ｒ１を複数配置して複数のニードルを同時に形成する場合、リード保護膜Ｒ１同士の間隔はエッチングによって形成する直柱体の歩留まりを上げるために２μｍ以上離すことが望ましい。また複数のニードル６０、７０が基部１０６から突出する高さをそれぞれ異ならせることも可能である。複数のニードル６０、７０が基部１０６から突出する高さをそれぞれ異ならせる場合、リード保護膜Ｒ１を形成する前に基板の主面に凹凸を形成しておけばよい。

また、図８Ｂに示すように複数のニードル７０に導電性を持たせるとともにニードル７０同士を絶縁部１７６ｂによって絶縁しても良い。この場合、シリコンからなる基板１００のニードル７０に対応する離散領域のそれぞれに不純物を導入すればよい。これにより不純物が高い濃度で拡散している低抵抗領域１７６ａからなる複数のニードル７０は、不純物が拡散していないか或いは不純物濃度が極めて低い絶縁部１７６ｂによって互いに絶縁される。その結果、複数のニードル７０のそれぞれに個別に電圧を印加することが可能になる。

また、ニードルの表面をアルミニウム、銅などの金属メッキ膜によって被覆してニードルに導電性を持たせても良い。この場合、ニードルと基部の表面全体に導電性を持たせても良いし、金属メッキ膜をパターニングすることによって複数のニードルに対して独立した配線を形成しても良い。また、ニードルの表面をタングステンなどの第６族元素からなるメッキ膜によって被覆し、ニードルの表面硬度を高めても良い。また、カーボンナノチューブで被覆することによってニードルの電子放出特性を変えたり、ガス吸着特性を持たせても良い。

また、シリコン基板を垂直方向にエッチングするにあたり、基板を０℃から窒素の沸点程度に冷却してエッチング選択比や形状制御性を高めることもできる。

本発明の技術的範囲は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。例えば上記実施形態で示した材質や寸法やエッチング方法やパターン転写方法はあくまで例示であるし、当業者であれば自明である工程の追加や削除や工程順序の入れ替えについては説明が省略されている。

尚、上述したシリコンナノニードルの製造方法は、厚さ１μｍ未満の極めて薄いシリコンからなる壁をシリコンからなる基部上に形成する際にも適用することができる。この場合、壁の厚さに対する高さの比を１００以上にすることが可能である。このような薄い壁は、上述したリード保護膜のパターンを壁の横断面形状に応じて設計するだけで上述した実施形態と同様に形成することができる。

１０…ニードル、２０…ニードル、４１…ニードル、４２…保護壁、５１…ニードル、５２…保護壁、６０…ニードル、７０…ニードル、９９…バンプ、１００…基板、１０１…主面、１０２…直柱体、１０３…酸化膜、１０３ａ…内方拡散領域、１０３ｂ…膨張領域、１０４…直柱体領域・リード、１０５…フレア領域・マウント、１０５ａ…フレア面、１０６…基部、１０７…支持部、１０７…支持部、１０７ａ…頂面、１０７ｂ…直柱体、１０７ｃ…フレア部、１０７ｄ…フレア面、１１１…リード原形直柱体、１１２…離散残存領域・犠牲直柱体、１２１…保護壁・保護壁原形領域、１７６ａ…低抵抗領域、１７６ｂ…絶縁部、１０４１…リード、１０７１…支持部、ＡＲ…環状領域、ＢＲ…環状領域、Ｒ１…リード保護膜、Ｒ２…離散保護膜、Ｒ３…保護壁保護膜

Claims (4)

1. 最小幅１μｍ以上の連続領域を保護する膜であるリード保護膜をシリコン基板の主面の一カ所以上に形成する工程と、
   前記シリコン基板の主面の前記リード保護膜から露出している領域をＤｅｅｐ−ＲＩＥ法で垂直方向にエッチングすることによって直柱体を形成する工程と、
   前記直柱体の内部に酸化されずに残る直柱体領域の横断面最大幅が１μｍ未満になるまで前記シリコン基板を９００℃以下で熱酸化する工程と、
   前記シリコン基板に形成された酸化膜を除去することによって、前記直柱体領域からなるリードと、底に向かって広がるフレア面を側面とし頂から前記リードが突出するマウントとを有しシリコンからなるニードルを形成する工程と、
   を含むシリコンナノニードルの製造方法。
2. シリコン基板の主面の前記リード保護膜を囲む環状領域において離散している１または複数の領域を保護する膜である１または複数の離散保護膜を前記リード保護膜と同時に形成し、
   それぞれの前記離散保護膜の最大幅は前記酸化膜の内方拡散領域の厚さの２倍以下である、
   請求項１に記載のシリコンナノニードルの製造方法。
3. 前記酸化膜を除去する工程において前記マウントの側面と段差無く連続する環状領域を頂面とする直柱体を構成する支持部が前記マウントの直下に形成されるように、前記リード保護膜と前記離散保護膜との間の最大幅または前記リード保護膜を囲む位置において離散している前記離散保護膜同士の間の距離はマイクロローディング効果によりエッチングレートが前記環状領域の外側よりも内側において低くなる距離に設定する、
   請求項２に記載のシリコンナノニードルの製造方法。
4. 前記酸化膜を除去する工程において直管体または複数の直柱体を構成する保護壁が保護壁保護膜の直下に形成されるように、シリコン基板の主面の前記リード保護膜を囲む位置において連続または離散している領域を保護する膜である前記保護壁保護膜を前記リード保護膜と同時に形成する、
   請求項１から３のいずれか一項に記載のシリコンナノニードルの製造方法。

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