JP6156881B2 - 微小機械振動構造の作製方法 - Google Patents
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Description
本発明は、グラフェンなどの原子層材料より構成した微小機械振動構造の作製方法に関する。
近年、様々な微小物理量を高感度に検出できることから、ＮＥＭＳ（Nanoelectro mechanical systems）センサの構成要素として、微小機械振動子の研究開発が活発に行われている。微小物理量の最小検知量は、例えば、質量計測の場合（非特許文献１），振動子構造の軽量さとその共振特性（Ｑ値）に依存する。このため、より高感度なセンシング達成に向け，振動子構造の軽量化と高Ｑ値化が進められている。
軽量化の観点では、近年、原子層材料であるグラフェンやシリセン（シリコンがハニカム格子状に結晶を組んだグラフェン状物質），ｈ−ＢＮ，ＭｏＳ2，ＲｕＯ2などが、振動子の構造材料として注目されている。例えば、グラフェンは、機械的性質に優れ、極めて軽量な材料であり、振動子センサの構造材料として期待できる材料である。
しかしながら、室温で動作するグラフェン振動子のＱ値は総じて低く（非特許文献２，非特許文献３）、高感度センシング達成のためには、Ｑ値を改善する必要がある。Ｑ値の改善方法として、極低温環境で動作する高Ｑ値グラフェン振動子の報告がある（非特許文献４）。
K. L. Ekinci et al. , "Ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection", Applied Physics Letters, vol.84, no.22, pp.4469-4471,2004.
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Y. Xu et al. , "Radio frequency electrical transduction of graphene mechanical resonators", Applied Physics Letters, vol.97, 243111, 2010.
しかしながら、上述した極低温を利用した高Ｑ値化は、グラフェン振動子の室温という通常環境下での産業的利用を考えた場合、高Ｑ値化手法として実用的ではない。このため、室温という通常環境で、グラフェンをはじめとする原子層材料を利用した振動子のＱ値を向上させる手法が、求められている。
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、実用的な環境における使用で微細な振動子のＱ値が向上できるようにすることを目的とする。
本発明に係る微小機械振動構造の作製方法は、原子層の単位で構成することが可能な原子層材料からなる振動構造を基板の上に形成する第１工程と、振動構造にフッ素化合物ガスを作用させる第２工程とを備える。第１工程では、グラフェンからなる振動構造を基板の上に形成し、第２工程では、ＸｅＦ2のガスを振動構造に作用させればよい。
以上説明したように、本発明によれば、振動構造にフッ素化合物ガスを作用させるようにしたので、実用的な環境における使用で微細な振動子（振動構造）のＱ値が向上できるようになるという優れた効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１は、本発明の実施の形態における微小機械振動構造の作製方法を説明するフローチャートである。
この作製方法は、まず、工程Ｓ１０１で、グラフェンなどの原子層の単位で構成することが可能な原子層材料からなる振動構造を基板の上に形成する。例えば、基板の上に支持体を形成し、この支持体に一端が固定された梁部を原子層材料から形成すれば、片持ち張りの振動構造とすることができる。
次に、工程Ｓ１０２で、振動構造にフッ素化合物ガスを作用させる。例えば、グラフェンからなる振動構造をＸｅＦ2ガス中に晒せばよい。
次に、実施例を用いてより詳細に説明する。以下では、原子層材料としてグラフェンを用い、グラフェンによるメンブレン型の振動構造（グラフェン振動子）を作製した結果について説明する。
まず、図２の（ａ）に示すように、シリコン基板２０１の上の、厚さ２８０ｎｍのＳｉＯ2層２０２の上に、レジストパターン２０３を形成した。レジストパターン２０３は、開口部２０４を備える。ＳｉＯ2層２０２は、シリコン基板２０１の表面を熱酸化することで形成できる。また、以下に説明するように、公知のリソグラフィー技術によりレジストパターン２０３を形成すればよい。
例えば、電子線レジストであるＺＥＰ−５２０Ａ（日本ゼオン株式会社製）をスピンコート法により膜厚６００ｎｍの厚さで塗布してレジスト膜を形成し、溶剤等の除去のために１８０℃・１分の条件で加熱処理をする。
次に、よく知られた電子ビーム露光技術を用いてレジスト膜に露光を行い、この後現像することで、開口部２０４を備えるレジストパターン２０３を形成する。なお、電子ビーム露光に用いた電子ビームの加速電圧は、５０ｋＶ、ビーム電流は１ｎＡとし、露光量は、１５０μＣ／ｃｍ2とすればよい。また、現像工程では、現像液としてｏ−キシレンを用い、リンス液としてＩＰＡ（Isopropyl alcohol）を用いればよい。
次に、図２の（ｂ）に示すように、レジストパターン２０３をマスクとし、エッチングガスにＣＨＦ3，Ｏ2混合ガスを用い、ＳｉＯ2層２０２を反応性イオンエッチング（Reactive Ion Etching；ＲＩＥ）し、開口部２０５を形成した。このエッチング処理では、ＣＨＦ3ガス流量を５０ｓｃｃｍとし、また、Ｏ2ガス流量を３ｓｃｃｍとした。なお、ｓｃｃｍは流量の単位であり、０℃・１０１３ｈＰａの流体が１分間に１ｃｍ3流れることを示す。また、エッチング時間は３０分とした。
また、次に、Ｏ2ガスを利用したＲＩＥにより、レジストパターン２０３を除去した。このＯ2ガスによるＲＩＥでは、Ｏ2ガス流量を２０ｓｃｃｍとし、圧力を１Ｐａとし、ＲＦパワーを５００Ｗとし、バイアスパワーを３８Ｗとした。また、処理時間は１分とした。
次に、図２の（ｃ）に示すように、ＴＭＡＨ（Tetramethylammonium hydroxide）エッチング溶液「Ｐｕｒｅ Ｅｔｃｈ １６０」（林純薬株式会社製）を用い、ＳｉＯ2層２０２をマスクとしてシリコン基板２０１をウエットエッチングし、トレンチ構造２０６を形成した。ここで、エッチング液の温度は６５℃とし、エッチング時間は１０分とした。
次に、図２の（ｄ）に示すように、開口部２０５の端部に架設する状態にグラフェン２０７を配置し、グラフェン２０７によるメンブレン型のグラフェン振動子を作製した。例えば、Ｃｕ箔の上にＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法によりグラフェンを成長し、このグラフェンを転写すればよい。例えば、Ｃｕ箔の上に形成したグラフェンを、ＰＭＭＡ（Polymethyl methacrylate）膜を用いて剥離する。次いで、このＰＭＭＡ膜に貼り付いているグラフェンを、ＳｉＯ2層２０２（開口部２０５）の上に配置する（貼り付ける）。この後、ＰＭＭＡ膜をアセトンで溶解すれば、開口部２０５に架設するグラフェン２０７が形成できる。
次に、図２の（ｅ）に示すように、グラフェン２０７に、ＸｅＦ2のガスを作用させ、グラフェン２０７に対してフッ化表面改質を実施した。例えば、ＸｅＦ2ガスエッチング装置（ＢＰ−３Ｆ，ＳＡＭＣＯ）を用い、本装置の処理室内でグラフェン２０７をＸｅＦ2ガスに３０秒間晒した。この処理の後では、グラフェン２０７の各炭素原子に、フッ素原子２０８が結合していることが確認されている。
このようにして作製したグラフェン振動子について、走査型電子顕微鏡で観察した結果を図３に示す、図３は、作製したグラフェン振動子の走査電子顕微鏡写真である。図３の（ｂ）は、図３の（ａ）の一部を拡大して示している。平面視の寸法が２μｍ×２μｍ程度のメンブレン型のグラフェン振動子が形成されていることが分かる。
次に、上述したグラフェン振動子の共振特性を評価した結果について説明する。共振特性の評価は、光ヘテロダイン振動計を用いて実施した。この評価では、まず、光ヘテロダイン振動計の試料室のステージに、グラフェン振動子が作製された基板を設置し、試料室内を真空度１０-2Ｐａにまで減圧排気する。この状態で、発振波長４０８ｎｍの半導体レーザーを用い、基板上のグラフェン振動子を光励振法により加振（励振）し、共振特性を計測した。共振特性計測に用いたレーザーは、６３２．８ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーである。また、共振特性計測環境の温度は、室温とした。
上述した測定結果を図４に示す。図４は、グラフェン振動子の共振特性を測定した結果を示す特性図である。図４の（ａ）は、平面視の寸法が２μｍ×２μｍの、単層のグラフェン振動子のフッ化表面改質前の共振特性計測結果である。また、図４の（ｂ）は、平面視の寸法が２μｍ×２μｍの、単層のグラフェン振動子のフッ化表面改質後の共振特性計測結果である。
図４の（ａ）に示すように、フッ化表面改質前のグラフェン振動子のＱ値は３５４である。これに対し、図４の（ｂ）に示すように、フッ化表面改質後のグラフェン振動子のＱ値は２７２２となり、フッ化表面改質を施すことによりＱ値はおよそ７．７倍向上したことになる。
以上に説明したように、炭素系の原子層材料であるグラフェン振動子に対し、フッ素化合物ガスであるＸｅＦ2ガスを活用した表面改質を実施することで、Ｑ値を向上させることができる。また、この作製方法は、極めて簡単なプロセスで実施可能であり，また既存の半導体製造プロセス技術，ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems），ＮＥＭＳ製造プロセス技術と親和性が高い。このように、本発明は、グラフェンをはじめとする原子層材料からなる振動構造体を利用した様々な素子研究開発，製造へ適用可能であると考えられる。
ところで、微小機械振動構造は、例えば、図５に示すように、支持体５０１に支持された片持ちの梁５０２から構成してもよい。また、図６に示すように、支持体５０１および支持体５０３に架設して支持された両持ちの梁５０２から構成してもよい。また、図７に示すように、円形の開口を有する支持体５０４の上に形成された薄膜５０５による円形のメンブレンから構成してもよい。
また、微小機械振動構造は、図８に示すように、支持体５０１および支持体５０３を連結する連結支持構造５０６，５０７に、支持された両自由端振動部５０８から構成してもよい。また、図９に示すように、支持体５０１および支持体５０３に架設して支持された両持ちの２つの梁５０９，５１０を、連結構造５１１，５１２で連結した構造としてもよい。これらのように、微小機械振動構造の形状は、本発明の趣旨に基づいて，種々の変形・応用が可能である。
以上に説明したように、本発明によれば、原子層材料からなる振動構造にフッ素化合物ガスを作用させるようにしたので、実用的な環境における使用で微細な振動子（振動構造）のＱ値が向上できる。微小機械振動子は、高速応答特性，高感度特性から、センサ，演算回路等の作製にけるキーコンポーネントとして期待され、研究開発が行われている素子である。このような微小機械振動子を利用した次世代デバイス作製において、微小機械振動子の動特性（特にＱ値）の改善手法は重要な要素技術である。なかでも、極めて軽量な特性，優れた機械的性質を有するグラフェンは、上記メカニカル素子の構造材料として期待される材料である。室温（常温）という通常環境でグラフェン振動子の動特性（Ｑ値）を改善できる本発明によれば、上述した次世代デバイス実現の重要な要素技術となる可能性がある。
なお、本発明は以上に説明した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で、当分野において通常の知識を有する者により、多くの変形および組み合わせが実施可能であることは明白である。例えば、上述では、ＣＶＤ法により作製したグラフェンを用いたが、テープ剥離法，ＳｉＣの熱分解などの手法により作製したグラフェンを振動構造体とする素子に対しても適用可能である。また、上述では、原子層材料としてグラフェンを例示したが、これに限るものではなく、カーボンナノチューブなどの炭素系材料であっても同様である。
また、微小機械振動構造の形成は、電子ビーム露光技術，フォトリソグラフィー，ナノインプリント技術，ドライ・ウエットエッチング技術，蒸着・スパッタリング・化学気相成長などの既存の超微細加工技術を複数組み合わせて使用することでも可能である。原子層材料を利用した振動構造体，あるいはナノ・マイクロメートルオーダーの微小機械振動構造体の形成は、前述した説明に限定するものではない。また、ガス雰囲気を利用した表面改質を例示したが、光化学表面反応や低エネルギーイオンの利用，表面コーティングなどの表面改質手法を用いても同様の効果が期待できる。
２０１…シリコン基板、２０２…ＳｉＯ2層、２０３…レジストパターン、２０４…開口部、２０５…開口部、２０６…トレンチ構造、２０７…グラフェン、２０８…フッ素原子。
Claims (2)
- 原子層の単位で構成することが可能な原子層材料からなる振動構造を基板の上に形成する第１工程と、
前記振動構造にフッ素化合物ガスを作用させる第２工程と
を備えることを特徴とする微小機械振動構造の作製方法。 - 請求項1記載の微小機械振動構造の作製方法において、
前記第１工程では、グラフェンからなる振動構造を基板の上に形成し、
前記第２工程では、ＸｅＦ2のガスを前記振動構造に作用させる
ことを特徴とする微小機械振動構造の作製方法。
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