JPH03162602A - Ａｆｍ／ｓｔｍプロフィロメトリ用マイクロメカニカルセンサの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、一方端にチップ、他方端に装着ブロックを備
えた片持ばりから構成されたＡＦＭ／ＳＴＭのプロファ
イル（ｐｒｏｆｉｌｅ）測定即ちプロフィロメトリ（ｐ
ｒｏｆｉｌｏｍｃｔｒｙ）用のマイクロメカニカル（ｍ
ｉｃｒｏｍｃｃｈａｎｉｃａｌ）センサを作る方法に関
する。本発明はまた、本発明の方法によって作られたセ
ンサヘッドに関する。

［従来の技術］ 走査トンネル顕微鏡（以下ｒｓＴＭＪと略称する）が、
極めて精巧なチップを用いることによる材料の微小特性
表記（ｍｉｃｒｏｃｈａｒａｃｔｅｒ１ｚａｔｉｏｎ）
のための新しい技術の開発を促してきた。これらの技術
の１つには、導体や絶縁体のプロファイルを測定し、像
形戊しうる可能性を最近示したアトミック・フォース（
ａｔｏｍｉｃ　ｆｏｒｃｅ）顕微鏡（以下ｒＡＦＭＪと
略称する）を含む。

（１９８６年Ｂｉｎｎｉｇ　Ｇ．　Ｑｕａｔｃ　ＯＦ，
　Ｇｃｒｂｃｒ　Ｃｈ．によるＡｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃ
ｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．　Ｐｈｙｓ．　Ｒｅｖ．Ｌ
ｃｔｔ．　５６，　９３０〜９３３頁並びにヨーロッパ
特許出願公開■細書２２３９１８号に示されているよう
に）、ＡＦＭの初期設計においては、一端でしっかりと
装着され、白山端で誘電チップを担持したばね状片持ば
りから構成されたセンサが対象物の表面のプロファイル
を測定している。対象物の表面とチップとの間の力が片
持ばりを撓ませ、この撓みを、例えば、ＳＴＭの一部で
ある第２のチップにより正確に検出することができる。

初期段階では３ｎｍの横方向間隔の分解能が達或された
。

別のタイプのＡＦＭは、ＳＴＭ検出の代りに光学的検出
を含む。このタイプにおいては、圧電変換器にワイヤの
端部のタングステンチップが取り付けられている。この
変換器は、片持ばりとして作用するワイヤの共振周波数
においてチップを振動させ、レーザヘテロダイン干渉計
が交流振動の振幅を正確に測定する。チップとサンプル
との間の力勾配がレバーのコンブライアンスを修正し、
したがってレバーの共振のシフトによる振動振幅の変化
をもたらす。レバーの特性が判っていれば、チップの関
数即ちサンプルの間隔として振動の振幅を測定して、先
の力勾配を導き出し、このようにして力自体を導き出す
ことができる。（　１９ｇ（ｉ年Ｄｕｃｒ１ｇ　ＬＩＴ
，　Ｇｉｍｚｃｗｓｋｉ　ＪＫ，　Ｐｏｈｌ　ＤＷによ
るｒＥｘｐｅｒ１ｍｃｎｔａｌ　Ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏ
ｎ　ｏｆ　Ｆｏｒｃｅｓ　ＡｃｔｉｎｇＤｕｒ１ｎｇ　
Ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ　Ｍｉｃｒｏｓ
ｃｏｐｙＪ　．　Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ、Ｌｅｔｔ．　５７
．　２４０３　〜２４０Ｂおよび１９８７年Ｍａｒｔｉ
ｎＹ，　Ｗｉｌｌｉａｍｓ　ＣＣ．　Ｗｉｃｋｒａｍａ
ｓｉｎｇｈｃ　ｔｌＫによるｒＡｔｏｍｉｃ　Ｆｏｒｃ
ｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ−Ｆｏｒｃｅ　Ｍａｐｐｉｎ
ｇ　ａｎｄＰｒｏｆｉｌｉｎｇ　ｏｎ　ａ　ｓｕｂ　１
００−Ａ　ＳｃａｌｅＪ　Ｊ．　Ａｐｐ１．Ｐｈｙｓ．
　６１（１０），　４７２３　〜４７２９を参照のこと
）ＡＦＭにおける最も重要な構成要素はばね状の片持ば
りである。所定の力に対する最大撓みが必要な場合、片
持ばりはできるだけ柔軟である必要がある。同時に、翅
物からの振動ノイズに対する感度を最小とするために高
い固有周波数を有する剛性の片持ばりが必要とされる。

通常、主として翅物の振動である周囲の振動は１００ヘ
ルツ以下の程度のものである。もし片持ばりが固有周波
数ｆ　≧１０ｋｌｌｚを有するよう選択されたとすれば
、Ｏ 周囲の振動は無視しうる値にまで減衰される。これらの
要件を満足しうるのは以下の二式により表わされる片持
ばりの幾何学的寸法を減少させることによるのみてある
。

片持ばりの固６周波数ｆ　は次式により５えらＯ れる。

ここでＥはヤング弾性係数、０は密度、Ｋは１に近い修
正係数で、ｇは片持ばりの長さ、ｔは片持ばりの厚さで
ある。

感度を決める片持ばりのばね常数は次式により与えられ
る。

ここでＦは片持ばりの撓みｙを発生させる力、Ｅはヤン
グ弾性係数、Ｗは片持ばりの幅、ρは長さ、ｔは厚さで
ある。ばね常数の項によれば、片持ばりの感度は、片持
ばりの寸法とそれを構成する材料とによって左右され、
最も感度の高いのは長くて、薄くかつ狭幅の片持ばりの
場合である。片持ばりの幅は横方向の振動が抑制される
に十分太きくあるべきである。また、片持ばりの幅は、
例えばチップのような付加的な構造物をその上で作りう
るような寸法とすべきである。従って、約１０μｍの最
小幅Ｗが合理的のようである。実際に、片持ばりの過度
の熱振動を匝止し、かつ測定可能の応答性を得るために
、誘引力検出の間の不安定正を排除するようＣは約ＩＮ
／ｍ以上とする必要かある。

Ｃ＝ＩＮ／ｍおよびｆ　　＝１０ｋＨｚを満足する片０ 持ばりの寸法は例えば（１　＝８００　ｕｍ，　ｗ＝７
５ｕｍ，ｔ＝５．５−である。

片持ばりの通常の撓みモードにおいて、，０−１２Ｎ程
度の力を検出することができる。センサヘッドの憾度は
、１９８６年Ｇ．　Ｂｉｎｎｉｇ他によるＰｈｙｓ　．
Ｒａｖ．　Ｌｃｔｔ．　５８，　９３０　〜９３３頁に
おいて記載されているように、そのプロファイルを測定
すべき対象物を片持ばりの共振周波数ｆ。で振動させる
ことによりさらに高めることができる。

前述のＢｉｎｎｉｇ他の論文並びにヨーロ・ンパ特許出
願公開明細書第２２３９１８号によって実現されたＡＦ
Ｍにおいては、片持ばりおよびチップに対する要件は、
少量の接着剤を用いてダイヤモンドの小片を取り付けた
、約厚さが２５μｍ、長さが８００即および幅が２５０
μｍの金箔により満足された。別の提案では、極めて小
さい孔を介して材料を蒸発させることによりその上に微
小円錐形物を生長させることができた、極めて質量の小
さい薄膜（厚さが１．５μｍ）の二酸化シリコン（Ｓ　
ｉ０２　）マイクロ片持ばりを構成するマイクロ製作技
術を用いた。（　１９８８年Ａｌｂｒｃｃｈｔ　ＴｈＲ
およびＱｕａｔｃ　ＣＦによるｒＡｔｏｍｌｅ　Ｒｅｓ
ｏｌｕｔｊｏｎ　ｖＨｈ　ｔｈｅ　ＡｔｏｍｉｃＦｏｒ
ｃｅ　Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　ｏｎ　Ｃｏｎｄｕｃｔｏ
ｒｓ　ａｎｄ　ＮｏｎｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓＪ　　Ｊ．
　　Ｖａｃ．　　Ｓｃｉ．　　Ｔｃｃｈｎｏ１．．　　
２７１〜２７４を参照のこと。） 当該技術の状況についての前述の説明から第１のプロセ
ス過程において片持ばりを構成し、第２のプロセス過程
において、その上にチップを取り付けることが公知であ
る。当業者には前述のタイプのチップを備えた片持ばり
の構成は極めて微妙であり、歩どまりが低くなりがちで
あることが明らかである。

［発明が解決しようとする課題］ 従って、本発明の目的は、被着（ｄｅｐｏｓｉｔ　ｉｏ
ｎ）、写真製版および湿式および乾式エッチング処理方
法を適当に組み合わせて使用する、一体化したチップを
備えたマイクロ片侍ばりを構成する方法をおよびその方
法で作られた構造体を教示することである。

［課題を解決するための千段および作用］本発明の上記
目的は、一端にチップを備え、他端に装着ブロックを備
えた片持ばりから構成されるＡＦＭ／ＳＴＭプロフィロ
メトリ川マイクロメカニカルセンサを作る方法であって
、 ■　ウェファ基板の両面を無機材料の層で被覆し、 ■　前記ウェファの上側で前記層の上部分において所望
の片持ばりのパターン用のマスクと、前記ウェファの底
側で前記層においてマスクを、第１の写真製版ステップ
とエッチングステップとを用いて作り、 ■　前記片持ばりのパターンをフォトレジストで平坦化
し、 ■　第２の写真製版ステップを用いて前記片持ばりのパ
ターンの領域において所望のチップ用のマスクを作り、
エッチングステップを用いて所望のチップを作り、かつ
同時に前記層の上部分から下部分へ前記片持ばりのパタ
ーンを転写し、■　前記の底側のマスクを通して異方性
湿式エッチングにより、支持しているウェファ材料を除
去するステップを 含むマイクロメカニカルセンサを作る方法により達成さ
れる。

また、本発明の上記目的は、一端にチップを他端に装着
ブロックを備えた片持ばりから構成されるＡＦＭ／ＳＴ
Ｍプロフィロメトリ用マイクロメカニカルセンサを作る
方法であって、 ■　ウェファ基板を無機材料の層で両面を被覆し、 ■　前記ウェファの上側で、かつ前記層の上部分におい
て所望の片持ばりのパターン用のマスクを、前記ウェフ
ァの底側で前記層においてマスクを、第１の写真製版ス
テップおよびエッチングステップを用いて作り、 ■　第２の写真製版ステップとエッチングとを用いて前
記片持ばりのパターンの領域において所望のチップパタ
ーン用マスクを作り、かつ同時に該片持ばりのパターン
を前記層のより深いレベルへ転写し、 （４）（ａ〉片持ばりのマスクと当接する前記層の頭域
が除去される深さまで前記層をエッチングし、ｂ）所望
の片持ばりの厚さに対応する深さまで前記ウェファ基板
を異方性湿式エッチングし、（ｃ）エッチングにより片
持ばりのマスクと前記層の残りの領域とを除去し、 ｄ）チップのマスクを異方性湿式エッチングとアンダー
カットエッチングとによりチップを形成することにより 前記片持ばりのパターンとチップのパターンとを前記ウ
ェファ基板へ転写する ステップを含むマイクロメカニカルセンサを作る方法に
より達成される。

さらに、この方法は、 ■　第１の写真製版ステップとエッチングとを用いるこ
とにより、基台を前記シリコンウェファ基板へエッチン
グするためのマスクを形成するための、第１の直径の円
板をシリコンウェファ基板の上側の二酸化シリコン層に
おいて画成し、■　第２の写真製版ステップとエッチン
グとを用いることにより、チップを前記シリコンウェフ
ァ基板へエッチングするためのマスクを形成するための
、第２のより小さい直径の円板を第１の直径の前記円板
の上に位尻し、かつ前記円板の領域内の二酸化シリコン
層において画成し、■　マスクとして前記第１の直径の
円板を用い、かつ約６０°ＣでＫＯＨ水溶液（３７．５
重量％）を用いることにより前記基分をシリコンウェフ
ァ基板へ異方性エッチングし、 ■　５：１のフッ化水素酸緩衝液で等方性エッチングす
ることによりあるいは異方性の反応性イオン・エッチン
グにより、前記基合をエッチングするためのマスクのレ
ベルを除去し、 ■　前記第２のより小さい直径の円板をマスクとして用
い、かつ約６０℃でＫＯＨ水溶液（３７．５重量％）を
用いることにより、既に行在するシリコン基台へ前記チ
ップを異方性エッチングするステップを壽みうる。

また、本允叩の」二記目的は、本発門による方法で作ら
れ、一端において、プロファイルを測定すべきサンプル
の表面と相互作用するチップを担持し、かつ前記チップ
から離れた反対側の端部において装着ブロックを担持す
る片持ばりを備える、ＡＦＭ／ＳＴＭプロフィロメトリ
用のマイクロメカニカルセンサであって、前記片持ばり
、前記装着ブロックおよび前記チップが一片の材料から
マイクロメカニカル的に作られた１個の一体部材を形成
されているマイクロメカニカルセンサにより達成される
。

本発明の詳細の説明を開始する前に、マイクロメカニッ
クスに関する以下の刊行物を参照する。

１９７８年１０月刊　Ｐｃｔｃｒｓｃｎ　ＫＥのＤｙｎ
ａｍｉｃ　Ｍｉｃｒｏ−ｍｃｃｈａｎｉｃｓ　ｏｎ　Ｓ
ｉｌｉｃｏｎ：　Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　ａｎｄ　Ｄｅ
ｖｉｃｅｓ，Ｖｏ１．　ＥＤ−２５．　Ｎｏ．１０．　
１２４１〜１２５０頁。

１９８２年５月団　Ｐｅｔｅｒｓｃｎ　ＫＥのＳｉｌｉ
ｃｏｎ　ａｓ　ａＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｍａｔｅｒｉ
ａ１．　Ｐｒｏｃ．　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｉビピビ．Ｖｏ１
．７０．　Ｎｏ．５．　４２０〜４５７頁。

１９８０年１２月Ｅ　　Ｊｏｌｌｙ．ＲＤ．Ｍｕｌｌｅ
ｒ．ＲＳ　　のＭｉｎｉａｔｕｒｅ　Ｃａｎｔｉｌｅｖ
ｅｒ　Ｂｅａｍｓ　Ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙＡｎｉ
ｓｏｔｒｏｐｉｃ　Ｅｔｃｈｉｎｇ　ｏｆ　Ｓｉｌｉｃ
ｏｎ，　Ｊ．　ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍＳｏｃ．：　Ｓ
ｏｌ１ｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ａｎｄ　Ｔｅ
ｃｈｎｏｌｏｇｙ．２７５０〜２７５４頁。

本発明の方法によれば、ＡＦＭにおいてレバーを装着す
るためのウェファの小片を一方端で担持し、他方端にお
いて、そのプロファイルを測定すべきサンプルの面と相
互作用する一体チップを担持した、一体チップ付きの低
質量の片持ばりを作ることができる。片持ばりと一体チ
ップの力および共振周波数の要件は微少製造技術を用い
ることにより対応できる。片持ばりとチップとは一片の
材料から作られるので、片持ばりとチップとの間には接
着の問題はない。

［実　施　例］ 本発明の実施例数例の詳細を添付図面を参照して以下説
明する。

第１図を参照すれば、圧電バイモルフ４にしっかりと取
り付けられているウェファの一片３を一端で担持し、そ
の自由端で鋭く光ったチップ２を担持する片持ばり１が
示されている。片持ばり１とチップ２とは、例えばＳｉ
Ｏ２，Ｓｉ３Ｎ４，ＳｉＣをドーピングした単結晶シリ
コンおよび多結晶シリコンのようないずれかの固体材料
あるいは純粋な単結晶シリコンから構成すればよい。

第１の例においては、好ましくはＳｉ０２である固体材
料の層が、好ましくは（１１０）ウェファであるシリコ
ンウェファに付与される。２つの写真製版マスクにより
片持ばりとチップとが画成され、続いて適当な湿式ある
いは乾式エッチング処理ステップにより片持ばりとチッ
プとが作られる。

第２Ａ図から第２Ｅ図までに示す例１についての以下の
詳細なプロセス説明から明らかになるように、上記プロ
セス順序を成功させるためにある秤の技術が必要とされ
る。

第２Ａ図はそれから開始すべき元の層構造を示す。（１
１０）シリコンウェファ２１には二酸化シリコン（Ｓ　
ｉ０２　）で両面が被覆（　ｃｏａｔ）される。ウェフ
ァの上側でＳ　ｌ　０　２層２３が化学気相成長（ＣＶ
Ｄ）により熱生長され即ち被着される。

この層の好ましい厚さは約１０ｕｒｎである。ウェファ
の底側には約１から２一厚さのＳ　ｉＯ　２層２２が熱
生長される。約３μｍの厚さのフォトレジスト層２４が
ウェファの上側のＳ　Ｌ　０　２層２３に付与される。

この目的に対して、例えばシプレイ社（Ｓｈｉｐｌｅｙ
Ｃｏｍｐａｎｙ）のＡＺ　　１３５０Ｊのような周知の
ポジティブ作用のフォトレジストあるいはネガティブ作
用のフォトレジストを用いることができる。

最初の写真製版ステップ（図示せず）において、片持ば
り２５のパターンがフォ１・レジスト層２４において画
戊される。このフォトレジスト層２４は脳の厚さが約３
μｍである。次いで５：１のフッ化水素酸緩衝液を用い
た湿式エッチングにより、あるいは次のプロセス条件で
の反応性イオン・エッチングにより、この片持ばり２５
のパターンは二酸化シリコン層２３の上部分へ約３μｍ
の深さまで転写される。

エッチングガス：ＣＦ４ 圧力範四　：１〜１０マイクロバール 前述の写真製版および反応性イオン・エッチングのステ
ップと同時に、ウェファの底側の酸化層２２に長方形の
開口２６が、ウェファの底側の各マスクを」二側のマス
クと整合させた状態で作られる。

次に、残りのフォトレジストが除去される。その結果第
２Ｂ図に示す構造体が得られる。

片持ばりのマスクのみがフォトレジストで完全に平坦化
され（ｐｌａｎａｒｉｚｅ）うるのでチップのマスクか
らでなく片持ばりのマスクから始めることが極めて重要
なることが注目される。平坦化に対して、片持ばりのパ
ターン２５を備えた二酸化シリコン層２３に約５μｍの
厚さのフォトレジスト層２７が付与される。

第２の写真製版ステップにおいて、チップ２８のパター
ンが二酸化シリコンの片持ばり２５上でフォトレジスト
層２７において画成される（第２Ｄ図）。

二酸化シリコン片持ばり２５の上にこのフォトレジスト
マスク２８を備えることにより、チップ２９が、例えば
５：１のフッ化水素酸緩衝液あるいは次のプロセス条件
下での反応性イオン・エッチングにより第２のステップ
においてエッチングされる。

エッチングガス　　　：ＣＦ４ 圧　　　力　　　　　　＝１００マイクロバールエッチ
ング速度比 レジスト：ＳｉＯ　　：１：１ ２ その結果できた二酸化シリコンチップ２９（第２Ｅ図）
の長さは約５から７μｍである。

反応性イオン・エッチングのステップは、異方性プロフ
ァイル並びにアンダーカットエッチングを同時に許容す
ることによってチップの長さおよび径を同時に形成する
圧力／エネルギ条件を利用する。さらに、二酸化シリコ
ンチップを形成するためのフォトレジストマスクと将来
の二酸化シリコンの片持ばりを作るための二酸化シリコ
ンの「中間マスク」とが同じ反応性イオン・エッチング
ステップにおいて用いられる。

二酸化シリコン片持ばり２５とチップ２９とを除いてシ
リコンウェファ２１の上側を覆う全ての二酸化シリコン
が除去されてしまう程度まで二酸化シリコンの「中間マ
スク」２５と二酸化シリコン層２３とが（第２Ｂ図）エ
ッチングされたとき反応性イオン・エッチングは停止す
る。残りフォトレジスト２８が除去され、必要に応じチ
ップ２９がアルゴンイオンのミリング加工により鋭くさ
れる。

第３Ａ［Ｊから第３Ｃ図までは前述の方法の側面図であ
って、第３Ａ図は第２Ａ図に、第３Ｂ図は第２Ｂ図に、
第３Ｃ図は第２Ｅ図に対応する。第３Ｄ図に示すように
、チップ３９を備えた二酸化シリコン片持ばり３５を支
持するシリコンウェファ３１は（ＫＯＨにおける）異方
性シリコン湿式エッチングによりウェファの底側から除
去される。支持ウェファとして（１００）または（１１
０）ウェファを用いることが好ましい。底側の二酸化シ
リコン層３２における開口３６の方向とサイズとは、そ
れらのエッジが（ＩＩＩ）平面により囲まれる（１１０
）ウェファの容積を画定するよう選択される。最後に、
第１図に示すように圧電バイモルフに片持ばりを取り付
けるためにウェファの小片が切り取られる。

本発明の方法の第２の例を第４Ａ図から第４Ｆ図までを
参照して説明する。

この例は、例えば片持ばりのような既に二次元に構成し
た基板上にチップのような付加的な構造体を作ることに
関する。この方法においては、例えば、可撓性で、かつ
脆性の片持ばりに、次いで露光するためのフォトレジス
トをコーティングする必要のある場合に問題が発生する
。これらおよびその他の問題は、基板に付与されるマス
クが、次の基板のエッチング過程に関する全ての関連情
報を含むように構成されれば解決される。このことは、
全ての写真製版ステップにおける構造体が基板のエッチ
ングを行う前に１個づつマスクへエッチングされること
を意味する。その後、この情報は順次マスクから基板へ
転写される。２つの一連の基板エッチングステップの間
に、付加的な写真製版ステップを必要としないマスクエ
ッチングステップが介在する。この多重ステップマスク
は従来のプレーナ技術により作ることができる。

別の利点は、マスクの厚さは単に数μｍであるのでフォ
トレジストの被覆と露光とに関しては問題の無いことで
ある。この方法の利点は、それぞれ湿式または乾式ある
いはその両方のエッチングステップから構成しうる基板
エッチング法においてマスク対基板の間で高い選択性が
あることにより得られる。

第４Ａ図に示すように、　（１００）シリコンウェファ
４１は両面が二酸化シリコンで被覆される。上側および
底例の酸化層４３および４２は約３μｍの厚さの層とな
るまで熱生長する。最初の写真製版ステップにおいて、
片持ばり４５および長方形の開口４６のパターンが画成
される。この目的に対して、Ａ　Ｚ　１３５０のポジテ
ィブフォトレジストが酸化物を被覆したウェファ（図示
せず）の両面に付与される。両側のフォトレジスト層は
同時に露光され、かつ現像される。両側の酸化物は、上
側での所望のエッチング深さに応じて決まる時間、５：
１のフッ化水素酸緩衝液あるいは反応性イオン・エッチ
ングによりエッチングされる。次に、上側は焼付けした
フォトレジスト層により保護され、ウェファの底側にお
ける露出された領域４６における残留酸化物が５＝１の
フッ化水素酸緩衝ｌｌｌ中でエッチングすることにより
除去される。その結果得られた構造体を第４Ａ図に示す
。

第２の写真製版ステップにおいて、チップのパターンが
二酸化シリコンの片持ばりのパターン４５（図示せず）
上に新しく付与されたフォトレジスト層において画成さ
れる。フォトレジストのチップのパターンが、５：１の
フッ化水素酸緩衝液あるいは反応性イオン・エッチング
によりエッチングすることによって二酸化シリコンへ転
写される。このエッチングステップ中に、片持ばりのパ
ターンが層４３のより深いレベルまで転写され、残りの
二酸化シリコンの層４３の厚さも対応して減少する。ウ
ェファの底側はこのステップの間、焼付けしたフォトレ
ジスト層により保護される。次いで、段階的にシリコン
基板４１へ転写される二酸化シリコンのマスク構造体４
５および４８を第４Ｂ図に示す。

このマスク構造体の転写の前に、シリコンウェファ４１
は、片持ばりの厚さの約２倍に、チップの高さの２倍を
加え、かつ残りの約１０ＩＥｎの厚さを加えたものに相
等する厚さまで底側からエッチングを行うことにより薄
くされる。約８０℃で約３７．５重量パーセントの水酸
化カリウム（ＫＯＨ）水溶液を用いるこのエッチングス
テップは異方性である。

その結果得られた構造体を第４Ｃ図に示す。

次に、第４Ｃ図と第４Ｄ図とに示すように、構造体４５
および４８を備えた二酸化シリコンの層４３は、５：１
のフッ化水素酸緩衝液あるいは反応性イオン・エッチン
グにより、片持ばりのマスク４５に当接する二酸化シリ
コンの領域４９が除去される深さまでエッチングされる
。前述の条件下でのＫＯＨ水溶液を用いた異方性湿式エ
ッチングステップに続いて片持ばりのパターン４５がシ
リコンウェファ４１に転写される。このステップにより
、元来二酸化シリコン領域４９の下にあったシリコンウ
ェファ４１の領域を、所望のシリコン片持ばりの厚さに
対応する深さだけ除去する。同時に、ウェファは対応し
て底側から薄くされる。

二酸化シリコン片持ばりのマスク４５と残りの二酸化シ
リコン領域４３とは５：１のフッ化水素酸緩衝液あるい
は反応性イオン・エッチングによりエッチングされて除
去される。深さ方向のエッチング速度の約２倍の速度で
ある、約６０℃で３７．５重量パーセントのＫＯＨ水溶
液中での横方向エッチング速度によりチップをエッチン
グする次のス？ップが、全体のエソチングサイクルにお
ける最も時間的に重要なステップである。従って、光学
的検査による慎重な検査が不可欠である。エッチング深
さＨチソプは経験式により以下のように与えられる。

１ Ｈ−■φチップ ３．６ （φチップ＝チップマスクの直径） チップのエッチングの終りに、二酸化シリコンのチップ
マスク４８はシリコンチップ４１０から落下する。チッ
プのエッチングを第４Ｅ図に示す。

領域４９における残りのシリコン膜４１がウェファの底
側からエッチングされる。このエッチングステップは、
エッチングガスとしてＣＦ４を、そして約１０マイクロ
バールの圧力を用い、シリコン構造体の上側に影響を与
えることのない反応性イオン・エッチング法からなる。

前述のエッチング法は、（１００）の方向に同いた一体
チップを備えた片持ばりから構成されるマイクロメカニ
カル単桔晶シリコン構造体を提供する。

チップの半径はＩＯμｍより小さく、この値は従来達成
されたことのない値である。片持ばりの厚さは１即から
２０μｍの範囲であって、片持ばりのばね常数はＩ　Ｎ
　／　ｍからＩＯＯＮ／ｍの範囲である。これらの特性
を備えた片持ばりをＡＦＭにおいて用いることが好まし
い。

第３の例は単結晶モノリシックシリコンチップを作る方
法を記述している。各チップは、チップの方向により約
２０μｍから２μｍの高さとされる。

ＳＴＭによりサンプルの表面のプロファイルを測定する
には、これらのチップをサンプルの面に対して極めて近
接して隔置させる必要がある。

サンプルと装着部との間の接触をどこでも避けるために
チップはその装着部から極めて叩確に突出している必要
がある。従って、これらのチップは、例えば基台（ｐｅ
ｄｅｓｔａｌ）上にセットすることが望ましい。

このことを達成するには、約２μｍの厚さの二酸化シリ
コンの層を（１００）シリコンウェフγ上で熱生長させ
る。第１の写真製版ステップにおいては５００μｍ径の
円板がある配列で二酸化シリコンの層に画威される。こ
れらの円板はシリコン基台に対してエッチングマスクを
形成するためのものである。上記酸化物は５：１フッ化
水素酸緩衝液により約１．１μｍの深さまでエッチング
される。第２の写真製版ステップにおいては、８０μｍ
径の円板か、５００μｍ径の円板の上に位置して二酸化
シリコンに画成される。直径のより小さいこれらの円板
はシリコンチップ用のエッチングマスクを形成するため
のものである。上記酸化物は５：１のフッ化水素酸緩衝
液中で約１．１μｍの深さまでエッチングされる。その
結果できた二酸化シリコンマスクで前述の例の第４Ｂ図
に示すマスクに対応するものが段階的にシリコン基板へ
転写される。

第１のステップにおいて、基台は例えば１５０即の深さ
までウェファへエッチングされる。このステップはＫＯ
Ｈ水溶液を用いた異方性湿式エッチングからなる。次に
、（二酸化シリコンマスクの第１のレベルの情報である
）基台用のマスクが５：１のフッ化水素酸緩衝液中でエ
ッチングすることにより除去される。マスクの第２のレ
ベルの情報（チップマスク）に対する公差の要求が極め
て厳しいとすれば、第１のレベルの情報は異方性の反応
性イオン・エッチングにより除去できる。

第２のステップにおいて、チップは既に存在するシリコ
ン基台へエッチングされる。約６０℃で３７．５重量％
のＫＯＨ水溶液を用いるこの異方性エッチングステップ
は、８０μｍのシリコン二酸化円板が完全にアンダーカ
ットされると停止する。約６０℃で３７．５重量％の前
述のＫＯＨ水溶液のアンダーカットエッチング速度は（
１００）の方向におけるエッチング速度の約２倍である
ので、完全なアンダーカットは円板の直径の約１／４に
概ね相応するエッチング深さ深さにおいて得られる。

エッチング条件は他の方向と比較して、ＫＯＨ水溶液の
濃度を高くして（１００）の方向における低いエッチン
グ速度を補うことを意味する。エッチング速度比に対し
てはエッチング温度は重要でない。

チップマスクの完全なアンダーカット（二酸化シリコン
マスクの第２のレベルの情報）により、エッチングの遅
い方向（１００）に方向性を右し、エッチングの速い面
により囲まれたチップを備えたシリコンチップを作る（
前述の例の第４Ｅ図参照）。約４５度というチップの鋭
いテーパ角度のため、オーバエッチングされてチップを
速く短くさせる。従って、最大オーバエッチング時間は
円板の直径に慎重に合わせる必要がある。

この例のチップは高さが約２０μｍで半逢が約１０ｎｍ
より小さく、高品質のＳＴＭ像を得るに優れた構造体で
ある。

ＳＴＭのプロフィルメトリの観点から、本発門により作
られたチップは金属コーティングを担持することができ
る。

本発叩を選定例に関して説門してきたが、本発明の精神
と範囲とから逸脱することなく変更が可能なことは当業
者には門らかであろう。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧電バイモルフにしっかりと取り付けられたウ
ェファの一片を一端で担持し、その自山端で鋭く尖った
チップを担持する片持ばりを示す図、 第２Ａ図ないし第２Ｅ図は、写真製版およびエッチング
のステップを用い、シリコンウェファ基板に配置された
材料の層から加工した、一体チップを備えた片持ばりを
作る処理ステップの順序を示す図、 第３Ａ図ないし第３Ｄ図は第２図に示す処理ステップの
側面図、および 第４Ａ図ないし第４Ｆ図は、２レベルの情報を備えたマ
スクを用い、かつ写真製版およびエッチングのステップ
を用いて、シリコンウェファ基板から加工した、一体チ
ップを備えた片持ばりを作る処理ステップの順序を示す
図である。 ２１，　３１．　４１・・・シリコンウェファ２２，　
２３，　３２，　３３，　４２．　４３・・・二酸化シ
リコン層２４．　２７・・・フォトレジスト層 ２５，　３５．　４５・・・片持ばり　２６．　３８．
　４６・・・開　口２８．　３８・・・フォトレジスト
マスク２９．　３９・・・チップ　　　　４８・・・チ
ップマスク４９・・・二酸化シリコン領域 ４１０・・・チップ （外１名）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．一端にチップを備え、他端に装着ブロックを備えた
   片持ばりから構成されるＡＦＭ／ＳＴＭプロフィロメト
   リ用マイクロメカニカルセンサを作る方法において、 （１）ウェファ基板（２１，３１）の両面を無機材料の
   層（２３／３３；２２／３２）で被覆し、（２）前記ウ
   ェファ（２１，３１）の上側で前記層（２３，３３）の
   上部分において所望の片持ばりのパターン（２５，３５
   ）用のマスクと、前記ウェファの底側で前記層（２２，
   ３２）においてマスクを、第１の写真製版ステップとエ
   ッチングステップとを用いて作り、 （３）前記片持ばりのパターン（２５，３５）をフォト
   レジストで平坦化し、 （４）第２の写真製版ステップを用いて前記片持ばりの
   パターン（２５，３５）の領域において所望のチップ（
   ２９，３９）用のマスク（２８）を作り、エッチングス
   テップを用いて所望のチップ（２９，３９）を作り、か
   つ同時に前記層（２３，３３）の上部分から下部分へ前
   記片持ばりのパターン（２５，３５）を転写し、 （５）前記の底側のマスクを通して異方性湿式エッチン
   グにより、支持しているウェファ材料（２１，３１）を
   除去するステップを 含むことを特徴とするマイクロメカニカルセンサを作る
   方法。 ２．一端にチップを他端に装着ブロックを備えた片持ば
   りから構成されるＡＦＭ／ＳＴＭプロフィロメトリ用マ
   イクロメカニカルセンサを作る方法において、 （１）ウェファ基板（４１）を無機材料の層（４２，４
   ３）で両面を被覆し、 （２）前記ウェファ（４１）の上側で、かつ前記層（４
   ３）の上部分において所望の片持ばりのパターン（４５
   ）用のマスクを、前記ウェファの底側で前記層（４２）
   においてマスクを、第１の写真製版ステップおよびエッ
   チングステップを用いて作り、（３）第２の写真製版ス
   テップとエッチングとを用いて前記片持ばりのパターン
   （４５）の領域において所望のチップパターン（４８）
   用マスクを作り、かつ同時に該片持ばりのパターン（４
   ５）を前記層（４３）のより深いレベルへ転写し、 （４）（ａ）片持ばりのマスク（４５）と当接する前記
   層（４３）の領域が除去される深さまで前記層（４３）
   をエッチングし、 （ｂ）所望の片持ばりの厚さに対応する深さまで前記ウ
   ェファ基板（４１）を異方性湿式エッチングし、 （ｃ）エッチングにより片持ばりのマスク（４５）と前
   記層（４３）の残りの領域とを除去し、（ｄ）チップの
   マスク（４８）を異方性湿式エッチングとアンダーカッ
   トエッチングとによりチップ（４１０）を形成すること
   により 前記片持ばりのパターン（４５）とチップのパターン（
   ４８）とを前記ウェファ基板（４１）へ転写するステッ
   プを含むことを特徴とするマイクロメカニカルセンサを
   作る方法。３．請求項１に記載の方法において、前記ウ
   ェファ基板（２１，３１）が単結晶シリコンから構成さ
   れ、前記ウェファ基板の上側の前記層（２３，３３）が
   、二酸化シリコン、窒化シリコン、炭化シリコン、ダイ
   ヤモンド状カーボン、ドープされた単結晶シリコン、多
   結晶シリコン等の群から選択されることを特徴とするマ
   イクロメカニカルセンサを作る方法。 ４．請求項１に記載の方法において、二酸化シリコンの
   層（２３，３３）がシリコンウェファ（２１，３１）の
   上側で約１０μｍの層の厚さまで熱生長されるか、ある
   いは化学気相生長（ＣＶＤ）により被着され、前記ウェ
   ファの底側上での各々の二酸化シリコンの層（２２，３
   ２）が約１から２μｍの層の厚さまで熱生長することを
   特徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 ５．請求項１に記載の方法において、約３μｍの厚さの
   フォトレジスト層（２４）が前記ウェファの上側で二酸
   化シリコン層（２３，３３）に付与され、第１の写真製
   版ステップを用いて、所望の片持ばりのパターンが前記
   フォトレジスト層に画成され、その結果できたパターン
   が、反応性イオン・エッチングにより、エッチングガス
   としてＣＦ＿４を用い、かつ、約１から１０マイクロバ
   ールの範囲の圧力により約３μｍの深さまで二酸化シリ
   コン層（２３，３３）の上部分へ転写されることを特徴
   とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 ６．請求項５に記載の方法において、前記第１の写真製
   版ステップおよび前記反応性イオン・エッチングにより
   、長方形の開口が前記ウェファの底側において前記二酸
   化シリコン層（２２，３２）に同時に作られることを特
   徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 ７．請求項１に記載の方法において、約５μｍの厚さの
   フォトレジスト層（２７）が前記ウェファの上側で構造
   化された二酸化シリコン層（２３，３３）に付与され、
   第２の写真製版ステップを用いて、前記のチップ用マス
   クパターン（２８，３８）が前記フォトレジスト層（２
   ７）に画成され、かつ前記マスクパターン（２８，３８
   ）を用いて、前記チップ（２９，３９）が、エッチング
   ガスとしてＣＦ＿４を用い、かつ約１００マイクロバー
   ルの範囲の圧力で反応性イオン・エッチングにより形成
   されることを特徴とするマイクロメカニカルセンサを作
   る方法。 ８．請求項７に記載の方法において、前記チップ（２９
   ，３９）の形成と同時にフォトレジストマスク（２８，
   ３８）を用いて、前記片持ばりのパターン（２５，３５
   ）が二酸化シリコン層（２３，３３）の下部分へ転写さ
   れ、前記層の上部分の前記片持ばりのパターンを中間マ
   スクとして用いることを特徴とするマイクロメカニカル
   センサを作る方法。 ９．請求項１に記載の方法において、支持シリコンウェ
   ファ材料（２１，３１）がＫＯＨ水溶液（３７．５重量
   ％）を用いて前記底側のマスク（２６）を通して異方性
   湿式エッチングにより底側から除去されることを特徴と
   するマイクロメカニカルセンサを作る方法。１０．請求
   項１に記載の方法において、前記チップ（２９，３９）
   がアルゴンイオンミリング法により鋭くされることを特
   徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 １１．請求項２に記載の方法において、二酸化シリコン
   層（４２，４３）が約３μｍの層の厚さまで単結晶（１
   ００）シリコンウェファ基板（４１）の両側で熱生長す
   ることを特徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方
   法。 １２．請求項２および５に記載の方法において、第１の
   写真製版ステップにおいて二酸化シリコン層（４３）上
   のフォトレジスト層に画成された前記片持ばりのパター
   ンが約０．３μｍの深さまで５：１のフッ化水素酸緩衝
   液で湿式エッチングすることにより前記二酸化シリコン
   層（４３）の上部分へ転写されることを特徴とするマイ
   クロメカニカルセンサを作る方法。 １３．請求項２および１２に記載の方法において、上側
   での前記二酸化シリコン層（４３）のエッチングと同時
   に、長方形パターン（４６）が底側での前記二酸化シリ
   コン層（４２）へ対応する深さまでエッチングされ、か
   つ上側をフォトレジスト層で保護した後、前記領域（４
   ６）に残っている二酸化シリコンが５：１のフッ化水素
   酸緩衡でエッチングすることにより除去されることを特
   徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 １４．請求項２に記載の方法において、第２の写真製版
   ステップにより前記片持ばりのパターン（４５）の領域
   内でフォトレジスト層に画成されたチップのパターンが
   、５：１のフッ化水素酸緩衝液を用いて湿式エッチング
   により前記領域において前記二酸化シリコン層へ転写さ
   れ、前記片持ばりのパターン（４５）は前記層（４３）
   のより深いレバルへ同時に転写されることを特徴とする
   マイクロメカニカルセンサを作る方法。 １５．請求項２に記載の方法において、５：１のフッ化
   水素酸緩衝液で湿式エッチングすることにより前記領域
   （４９）において二酸化シリコンを除去した後、前記片
   持ばりが、約８０℃で前記マスク（４５）とＫＯＨ水溶
   液（３７．５重量％）とを用いて前記シリコンウェファ
   基板（４１）へ異方性エッチングされることを特徴とす
   るマイクロメカニカルセンサを作る方法。 １６．請求項２および１５に記載の方法において、前記
   のシリコンの片持ばりをエッチングした後、前記の二酸
   化シリコンの片持ばりのマスク（４５）が５：１のフッ
   化水素酸緩衝液でエッチングすることにより除去され、
   次に前記チップ（４１０）が、約６０℃で前記チップの
   マスク（４８）とＫＯＨ水溶液（３７．５重量％）とを
   用いることにより前記片持ばりの領域内で前記シリコン
   ウェファ基板へ異方性エッチングされることを特徴とす
   るマイクロメカニカルセンサを作る方法。 １７．請求項２，１１ないし１６のうちの１つまたは２
   つ以上の組合せに記載の方法において、前記シリコンウ
   ェファ基板（４１）への前記マスク構造体（４５，４８
   ）の転写の前に、かつさらに約６０から８０℃において
   前記の底側のマスク（４６）とＫＯＨ水溶液とを用いて
   前記ウェファの底側から異方性エッチングすることによ
   り前記のシリコンの片持ばりおよびシリコンのチップを
   エッチングする間前記シリコンウェファ基板（４１）を
   薄くするステップをさらに含むことを特徴とするマイク
   ロメカニカルセンサを作る方法。１８．請求項２，１１
   ないし１７のうちの１つまたは２つ以上の組合せに記載
   の方法において、前記領域（４９）に残っているシリコ
   ン膜が、エッチングガスとしてＣＦ＿４を用い、かつ約
   １０マイクロバールの圧力で反応性イオン・エッチング
   することにより前記ウェファの底側から除去されること
   により、一体部分として前記チップを備えた前記シリコ
   ン片持ばりを露出することを特徴とするマイクロメカニ
   カルセンサを作る方法。 １９．請求項２に記載の方法において、さらに、（１）
   第１の写真製版ステップとエッチングとを用いることに
   より、基台を前記シリコンウェファ基板へエッチングす
   るためのマスクを形成するための、第１の直径の円板を
   シリコンウェファ基板の上側の二酸化シリコン層におい
   て画成し、（２）第２の写真製版ステップとエッチング
   とを用いることにより、チップを前記シリコンウェファ
   基板へエッチングするためのマスクを形成するための、
   第２のより小さい直径の円板を第１の直径の前記円板の
   上に位置し、かつ前記円板の領域内の二酸化シリコン層
   において画成し、 （３）マスクとして前記第１の直径の円板を用い、かつ
   約６０℃でＫＯＨ水溶液（３７．５重量％）を用いるこ
   とにより前記基台をシリコンウェファ基板へ異方性エッ
   チングし、（４）５：１のフッ化水素酸緩衝液で等方性
   エッチングすることによりあるいは異方性の反応性イオ
   ン・エッチングにより、前記基台をエッチングするため
   のマスクのレベルを除去し、 （５）前記第２のより小さい直径の円板をマスクとして
   用い、かつ約６０℃でＫＯＨ水溶液（３７．５重量％）
   を用いることにより、既に存在するシリコン基台へ前記
   チップを異方性エッチングするステップを含むことを特
   徴とするマイクロメカニカルセンサを作る方法。 ２０．請求項１９に記載の方法において、直径が５００
   μｍの円板が、次いで直径が８０μｍの円板が前記二酸
   化シリコン層において画成され、 前記５００μｍの円板をマスクとして用いて約１５０μ
   ｍの深さまで、前記基台が前記シリコンウェファ基板へ
   エッチングされ、次いで、前記８０μｍの円板をマスク
   として用い、かつ前記８０μｍの円板を完全にアンダー
   カットするに十分な時間チップを前記基台へエッチング
   することを特徴とするマイクロメカニカルセンサを作る
   方法。 ２１．エッチングすべき最初の三次元の構造体に対する
   情報を含む第１のマスクレベルと、 前記第１の構造体の上に作るべき別の構造体に対する情
   報を含む第２のマスクレベルと、必要に応じそれ以上の
   レベルとを有することを特徴とする、多重レベル構造体
   を基板へエッチングするためのマスク。 ２２．一端において、プロファイルを測定すべきサンプ
   ルの表面と相互作用するチップを担持し、かつ前記チッ
   プから離れた反対側の端部において装着ブロックを担持
   する片持ばりを備える、ＡＦＭ／ＳＴＭプロフィロメト
   リ用のマイクロメカニカルセンサにおいて、前記片持ば
   り、前記装着ブロックおよび前記チップが一片の材料か
   らマイクロメカニカル的に作られた１個の一体部材を形
   成することを特徴とするマイクロメカニカルセンサ。