JP2007098488A

JP2007098488A - Functional structure and manufacturing method of functional structure

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Publication number: JP2007098488A
Application number: JP2005288818A
Authority: JP
Inventors: Keiichi Hishinuma; 慶一菱沼; Yukio Sakashita; 幸雄坂下; Takamitsu Fujii; 隆満藤井; Yoshinobu Nakada; 嘉信中田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2005-09-30
Filing date: 2005-09-30
Publication date: 2007-04-19

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a functional structure using a unidirectionally solidified silicon and a manufacturing method of functional structure. <P>SOLUTION: According to this manufacturing method of a functional structure, as shown in Fig. 1(a), photo resist is applied onto a substrate 12 made of unidirectionally solidified silicon to form a photo resist layer 14. As shown in Fig. 1(b), the photo resist layer 14 is exposed to light, thereby forming a passage pattern 14A about 10 μm wide by lithography. Subsequently, as shown in Fig. 1(c), anisotropic dry etching is performed using the above passage pattern 14A as an etching mask to form a micro passage 12A having a width of about 10 μm and a depth of about 20 μm on the substrate 12. In a process of forming the micro passage 12A in Fig. 1(c), wet etching may be used instead of anisotropic dry etching. As shown in Fig. 1(d), the pattern 12A is removed to complete a micro passage chip 10. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は機能性構造体及び機能性構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a functional structure and a method for producing the functional structure.

近年、半導体製造プロセスを応用とした微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の研究・開発が盛んである。ＭＥＭＳ部品を製造する際には、シリコン単結晶基板がよく用いられる。これは、シリコン単結晶がＭＥＭＳ部品の製造プロセスにおいて要求される耐熱性、高い機械的強度、高熱伝導率という性能を有するという理由の他に、シリコン加工における長年に渡る技術的蓄積があるためである。しかしながら、多くのＭＥＭＳでは、シリコン単結晶は、品質的に（純度、電気的特性等において）過剰である。また、現在入手可能なシリコンウエハは直径約３００ｍｍが最大である。 In recent years, research and development of microelectromechanical systems (MEMS) using semiconductor manufacturing processes have been active. A silicon single crystal substrate is often used when manufacturing a MEMS component. This is due to the fact that silicon single crystal has the heat resistance, high mechanical strength, and high thermal conductivity required in the manufacturing process of MEMS parts, as well as technical accumulation over many years in silicon processing. is there. However, in many MEMS, silicon single crystals are excessive in quality (in terms of purity, electrical properties, etc.). The silicon wafers currently available have a maximum diameter of about 300 mm.

ところで、大型化が可能な基板材料としては、一方向凝固させた多結晶シリコン（一方向凝固シリコン）が提案されている（特許文献１参照）。一方向凝固シリコンは、大型化が可能で、かつ、安価であるという利点を有する。
特開２００３−２８６０２４号公報 By the way, as a substrate material that can be enlarged, unidirectionally solidified polycrystalline silicon (unidirectionally solidified silicon) has been proposed (see Patent Document 1). Unidirectionally solidified silicon has the advantage that it can be increased in size and is inexpensive.
JP 2003-286024 A

しかしながら、上記特許文献１は、太陽電池基板以外の一方向凝固シリコンの用途を提供するものではなかった。 However, the said patent document 1 did not provide the use of unidirectionally solidified silicon other than a solar cell substrate.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、一方向凝固シリコンを用いた機能性構造体及び機能性構造体の製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and an object thereof is to provide a functional structure using unidirectionally solidified silicon and a method for manufacturing the functional structure.

上記目的を達成するために請求項１に係る機能性構造体は、少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板と、前記基板の表面が加工されて形成された機能性加工物とを備えることを特徴とする。 To achieve the above object, the functional structure according to claim 1 includes a substrate having a surface made of at least unidirectionally solidified silicon, and a functional workpiece formed by processing the surface of the substrate. It is characterized by.

請求項１に係る機能性構造体によれば、一方向凝固シリコンを用いることにより、機能性構造体の大型化を図ることができる。また、一方向凝固シリコンは、シリコン単結晶に比べて、剛性に優れており、機能性構造体の性能向上を図ることができる。さらに、一方向凝固シリコンの基板の単位面積当たりの価格は安価であるため、機能性構造体の低コスト化を図ることができる。 According to the functional structure according to the first aspect, the size of the functional structure can be increased by using the unidirectionally solidified silicon. Unidirectionally solidified silicon is more rigid than silicon single crystals, and can improve the performance of the functional structure. Furthermore, since the price per unit area of the directionally solidified silicon substrate is low, the cost of the functional structure can be reduced.

請求項２に係る機能性構造体は、少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板と、前記基板上に機能性材料を用いて形成された機能性構造物と、前記基板の表面、又は前記機能性構造物のうち少なくとも一方が加工されて形成された機能性加工物とを備えることを特徴とする。なお、請求項２では、基板と機能性構造物との間に、別の物質層が含まれるように構成してもよい。 The functional structure according to claim 2 is a substrate having a surface made of at least unidirectionally solidified silicon, a functional structure formed on the substrate using a functional material, the surface of the substrate, or the And a functional workpiece formed by processing at least one of the functional structures. In the second aspect, another material layer may be included between the substrate and the functional structure.

請求項２に係る機能性構造体によれば、一方向凝固シリコンを用いることにより、上記した効果に加え、例えば、機能性構造物として圧電膜を形成する際に、高温で成膜することができるので、圧電膜の性能を高めることができる。 According to the functional structure of the second aspect, by using unidirectionally solidified silicon, in addition to the above-described effects, for example, when forming a piezoelectric film as a functional structure, the film can be formed at a high temperature. Therefore, the performance of the piezoelectric film can be improved.

請求項３に係る機能性構造体は、請求項２において、前記機能性材料は、圧電性材料、焦電性材料又は強誘電性材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする。請求項４に係る機能性構造体は、請求項２において、前記機能性材料は、超伝導材料を含むことを特徴とする。請求項５に係る機能性構造体は、請求項２において、前記機能性材料は、磁性材料を含むことを特徴とする。請求項６に係る機能性構造体は、請求項２において、前記機能性材料は、静電力が印加された際に変位する物質であることを特徴とする。請求項３から６は、機能性材料の種類を限定したものである。 A functional structure according to a third aspect is the functional structure according to the second aspect, wherein the functional material includes at least one of a piezoelectric material, a pyroelectric material, and a ferroelectric material. A functional structure according to a fourth aspect is the functional structure according to the second aspect, wherein the functional material includes a superconductive material. A functional structure according to a fifth aspect of the present invention is the functional structure according to the second aspect, wherein the functional material includes a magnetic material. A functional structure according to a sixth aspect is the functional structure according to the second aspect, wherein the functional material is a substance that is displaced when an electrostatic force is applied. Claims 3 to 6 limit the types of functional materials.

請求項７に係る機能性構造体は、請求項１から６において、前記機能性加工物は、前記基板がエッチング加工されたものであることを特徴とする。請求項７は、機能性加工物の加工方法を限定したものである。 A functional structure according to a seventh aspect is the functional structure according to the first to sixth aspects, wherein the functional processed product is obtained by etching the substrate. The seventh aspect limits the processing method of the functional workpiece.

請求項８に係る機能性構造体は、請求項７において、前記機能性加工物は、前記基板がウェットエッチング加工されたものであることを特徴とする。請求項８は、エッチング加工の種類を限定したものである。 The functional structure according to an eighth aspect of the present invention is the functional structure according to the seventh aspect, wherein the functional processed product is obtained by wet etching the substrate. Claim 8 limits the kind of etching process.

請求項９に係る機能性構造体は、請求項７又は８において、前記機能性加工物は、自立構造、ダイアフラム構造、片持ち梁構造又は両持ち梁構造のうち少なくとも１つを有することを特徴とする。請求項９は、機能性加工物の構造を列挙したものである。 The functional structure according to claim 9 is the functional structure according to claim 7 or 8, wherein the functional workpiece has at least one of a self-supporting structure, a diaphragm structure, a cantilever structure, and a doubly supported structure. And Claim 9 enumerates the structures of the functional workpiece.

請求項１０に係る機能性構造体の製造方法は、少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板を形成する工程と、前記基板の表面を加工して機能性加工物を形成する工程とを備えることを特徴とする。 The method for manufacturing a functional structure according to claim 10 includes a step of forming a substrate having a surface made of at least unidirectionally solidified silicon, and a step of processing the surface of the substrate to form a functional workpiece. It is characterized by that.

請求項１０に係る機能性構造体の製造方法によれば、一方向凝固シリコンを用いることにより、機能性構造体の大型化を図ることができる。また、一方向凝固シリコンは、シリコン単結晶に比べて、剛性に優れており、機能性構造体の性能向上を図ることができる。さらに、一方向凝固シリコンの基板の単位面積当たりの価格は安価であるため、機能性構造体の低コスト化を図ることができる。 According to the method for manufacturing a functional structure according to the tenth aspect, the size of the functional structure can be increased by using unidirectionally solidified silicon. Unidirectionally solidified silicon is more rigid than silicon single crystals, and can improve the performance of the functional structure. Furthermore, since the price per unit area of the directionally solidified silicon substrate is low, the cost of the functional structure can be reduced.

請求項１１に係る機能性構造体の製造方法は、少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板を形成する工程と、前記基板上に機能性材料を用いて機能性構造物を形成する工程と、前記基板の表面、又は前記機能性構造物のうち少なくとも一方を加工して機能性加工物を形成する工程とを備えることを特徴とする。なお、請求項１１では、基板と機能性構造物との間に、別の物質層が含まれるように構成してもよい。 The method for producing a functional structure according to claim 11 includes a step of forming a substrate having a surface made of at least unidirectionally solidified silicon, and a step of forming a functional structure on the substrate using a functional material. And a step of processing at least one of the surface of the substrate or the functional structure to form a functional processed product. In the eleventh aspect, another material layer may be included between the substrate and the functional structure.

請求項１１に係る機能性構造体の製造方法によれば、一方向凝固シリコンを用いることにより、上記した効果に加え、例えば、機能性構造物として圧電膜を形成する際に、高温で成膜することができるので、圧電膜の性能を高めることができる。 According to the method for manufacturing a functional structure according to claim 11, in addition to the above-described effects, by using unidirectionally solidified silicon, for example, when forming a piezoelectric film as a functional structure, the film is formed at a high temperature Therefore, the performance of the piezoelectric film can be improved.

請求項１２に係る機能性構造体の製造方法は、請求項１１において、前記機能性構造物をエッチングして除去する工程を更に備えることを特徴とする。 A method for producing a functional structure according to a twelfth aspect of the present invention is the method of the eleventh aspect, further comprising a step of removing the functional structure by etching.

本発明によれば、一方向凝固シリコンを用いることにより、例えば、ＭＥＭＳ部品等の機能性構造体の大型化を図ることができる。また、一方向凝固シリコンは、シリコン単結晶に比べて、剛性に優れており、機能性構造体の性能向上を図ることができる。さらに、一方向凝固シリコンの基板の単位面積当たりの価格は安価であるため、機能性構造体の低コスト化を図ることができる。 According to the present invention, it is possible to increase the size of a functional structure such as a MEMS component by using unidirectionally solidified silicon. Unidirectionally solidified silicon is more rigid than silicon single crystals, and can improve the performance of the functional structure. Furthermore, since the price per unit area of the directionally solidified silicon substrate is low, the cost of the functional structure can be reduced.

以下、添付図面に従って本発明に係る機能性構造体及び機能性構造体の製造方法の好ましい実施の形態について説明する。なお、半導体微細加工技術を応用し、センサー、アクチュエーター等を製作する技術を一般的に微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）と呼ぶ。以下の説明において、機能性構造体とは、ＭＥＭＳの機械的機能を有する構造を製作する基板を含む概念をいう。 Hereinafter, preferred embodiments of a functional structure and a method for producing the functional structure according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. A technique for manufacturing a sensor, an actuator or the like by applying a semiconductor micromachining technique is generally called a micro electro mechanical system (MEMS). In the following description, the functional structure means a concept including a substrate for manufacturing a structure having a mechanical function of MEMS.

図１は、本発明に係る機能性構造体の製造方法によりマイクロ流路チップを製造する工程を示す図である。図１（ａ）から図１（ｄ）は、マイクロ流路チップの製造工程の各段階に対応する断面図である。なお、実際には、１枚の基板から複数のマイクロ流路チップが作成可能であるが、図１では１つに省略されている。ここで、マイクロ流路チップ１０は、微量の液体や気体の流れや流量を制御するＭＥＭＳ部品であり、例えば、微量の液体や気体の供給量等を制御して、反応の進行を制御するのに用いられる。 FIG. 1 is a diagram showing a process of manufacturing a microchannel chip by the method for manufacturing a functional structure according to the present invention. FIG. 1A to FIG. 1D are cross-sectional views corresponding to each stage of the manufacturing process of the microchannel chip. In practice, a plurality of microchannel chips can be formed from a single substrate, but are omitted from FIG. Here, the microchannel chip 10 is a MEMS component that controls the flow and flow rate of a very small amount of liquid or gas, and controls the progress of the reaction by controlling the supply amount of the very small amount of liquid or gas, for example. Used for.

まず、図１（ａ）に示すように、一方向凝固シリコンからなる基板１２を用意する。基板１２は、例えば、ジェムコ（ＪＥＭＣＯ）社製の一方向凝固シリコン（柱状晶シリコン）から形成することができる。 First, as shown in FIG. 1A, a substrate 12 made of unidirectionally solidified silicon is prepared. The substrate 12 can be formed from, for example, unidirectionally solidified silicon (columnar crystal silicon) manufactured by JEMCO.

ここで、一方向凝固シリコンからなる基板１２の製造工程の例について、図２を参照して説明する。図２は、一方向凝固シリコンからなる基板１２の製造工程を模式的に示す図である。 Here, an example of a manufacturing process of the substrate 12 made of unidirectionally solidified silicon will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a diagram schematically showing a manufacturing process of the substrate 12 made of unidirectionally solidified silicon.

図２に示すシリコンインゴットの製造装置２０は、水平断面積が大きいルツボ２１と、ルツボ２１の上方に配置された天井ヒータ２２と、ルツボ２１の下方に配置された床下ヒータ２３と、ルツボ２１と床下ヒータ２３の間に配置されたチルプレート２４と、ルツボ２１の周囲を包囲する断熱材２５とを備える。天井ヒータ２２及び床下ヒータ２３は、ルツボ２１を平面状に加熱するヒータであり、例えば、カーボン発熱体を平面状に加工した構造のヒータである。上記したシリコンインゴットの製造装置２０は、シリコン原料２６の溶解中の酸化を防止できるように、内部の気体を制御することができるチャンバー（図示せず）内に設置される。なお、例えば、断熱材２５として繊維質カーボンからなる断熱材を用いた場合には、シリカ製のルツボで溶解すると、ＳｉＣが溶解シリコン中に残留することがあるため、ルツボ２１内に不活性ガスを供給する装置を設けて、シリコンが溶解している期間中にルツボ２１内を不活性ガス雰囲気に保持することが好ましい。 A silicon ingot manufacturing apparatus 20 shown in FIG. 2 includes a crucible 21 having a large horizontal cross-sectional area, a ceiling heater 22 disposed above the crucible 21, an underfloor heater 23 disposed below the crucible 21, and a crucible 21. A chill plate 24 disposed between the underfloor heaters 23 and a heat insulating material 25 surrounding the crucible 21 are provided. The ceiling heater 22 and the underfloor heater 23 are heaters that heat the crucible 21 in a planar shape, for example, heaters having a structure in which a carbon heating element is processed into a planar shape. The above-described silicon ingot manufacturing apparatus 20 is installed in a chamber (not shown) in which the internal gas can be controlled so that oxidation during melting of the silicon raw material 26 can be prevented. For example, when a heat insulating material made of fibrous carbon is used as the heat insulating material 25, SiC may remain in the dissolved silicon when dissolved with a silica crucible. It is preferable to provide an apparatus for supplying the inside of the crucible 21 and maintain the inside of the crucible 21 in an inert gas atmosphere during a period in which silicon is dissolved.

図２（ａ）に示すように、ルツボ２１にはシリコン原料２６が底に敷き詰めるように装入され、天井ヒータ２２及び床下ヒータ２３に通電することによりシリコン原料２６を加熱溶解する。 As shown in FIG. 2A, the crucible 21 is loaded with a silicon raw material 26 so as to spread on the bottom, and the silicon raw material 26 is heated and melted by energizing the ceiling heater 22 and the underfloor heater 23.

次に、図２（ｂ）に示すように、シリコン原料２６が完全に溶解し溶解シリコン２６′となると、床下ヒータ２３への通電を停止あるいは通電量を低下するとともに、チルプレート２４に冷媒（例えば、水のほか、不活性ガス、アルゴン（Ａｒ）ガス）を流してルツボ２１の底部を冷却する。これにより、溶解シリコン２６′がルツボ２１の底部から冷却され、一方向凝固組織が生成される。 Next, as shown in FIG. 2 (b), when the silicon raw material 26 is completely dissolved and becomes dissolved silicon 26 ', the energization to the underfloor heater 23 is stopped or the energization amount is reduced, and the refrigerant ( For example, the bottom of the crucible 21 is cooled by flowing water, an inert gas, or an argon (Ar) gas. Thereby, the molten silicon 26 ′ is cooled from the bottom of the crucible 21, and a unidirectional solidified structure is generated.

また、天井ヒータ２２に対する通電量を段階的又は連続的に減少させることにより、天井ヒータ２２の温度を段階的または連続的に下げると、一方向凝固組織は上方向に向かってさらに成長する。これにより、図２（ｃ）に示すように、水平断面積の大きい一方向凝固組織を有するシリコンインゴット２７を製造することができる。上記のようにして製造されたシリコンインゴット２７により、図１（ａ）に示す複数枚の一方向凝固シリコンの基板１２が形成される。上記のようにして製造された一方向凝固シリコン基板１２は、一方向凝固された柱状晶であって、結晶粒界が一方向に制御されているとともに、合計の不純物濃度が約１０ｐｐｍ以下である。上記のようにして製造された基板１２の表面では、シリコン結晶の面方位が（００１）にそろっている。なお、一方向凝固シリコンの基板１２の製造方法は、上記の方法に限定されるものではない。 Further, when the temperature of the ceiling heater 22 is lowered stepwise or continuously by decreasing the energization amount to the ceiling heater 22 stepwise or continuously, the unidirectional solidified structure further grows upward. Thereby, as shown in FIG.2 (c), the silicon ingot 27 which has a unidirectional solidification structure | tissue with a large horizontal cross-sectional area can be manufactured. A plurality of unidirectionally solidified silicon substrates 12 shown in FIG. 1A are formed by the silicon ingot 27 manufactured as described above. The unidirectionally solidified silicon substrate 12 manufactured as described above is a unidirectionally solidified columnar crystal, the crystal grain boundary is controlled in one direction, and the total impurity concentration is about 10 ppm or less. . On the surface of the substrate 12 manufactured as described above, the plane orientation of the silicon crystal is aligned to (001). In addition, the manufacturing method of the directionally solidified silicon substrate 12 is not limited to the above method.

図１の機能性構造物素子の製造工程の説明に戻ると、次に、図１（ａ）に示すように、基板１２上にフォトレジスト（感光性の樹脂）が塗布されてフォトレジスト層１４が形成される。そして、図１（ｂ）に示すように、このフォトレジスト層１４が露光され、リソグラフィにより幅約１０μｍの流路パターン１４Ａが形成される。 Returning to the description of the manufacturing process of the functional structure element shown in FIG. 1, next, as shown in FIG. Is formed. Then, as shown in FIG. 1B, the photoresist layer 14 is exposed, and a flow path pattern 14A having a width of about 10 μm is formed by lithography.

次に、図１（ｃ）に示すように、上記流路パターン１４Ａをエッチングマスクとして異方性ドライエッチングにより、基板１２上に幅約１０μｍ、深さ約２０μｍのマイクロ流路１２Ａが形成される。なお、図１（ｃ）のマイクロ流路１２Ａを形成する工程では、異方性ドライエッチングに代えて、ウェットエッチングを用いてもよい。そして、図１（ｄ）に示すように、パターン１２Ａが取り除かれてマイクロ流路チップ１０が完成する。 Next, as shown in FIG. 1C, a micro flow channel 12A having a width of about 10 μm and a depth of about 20 μm is formed on the substrate 12 by anisotropic dry etching using the flow channel pattern 14A as an etching mask. . In the step of forming the micro flow path 12A in FIG. 1C, wet etching may be used instead of anisotropic dry etching. And as shown in FIG.1 (d), the pattern 12A is removed and the microchannel chip 10 is completed.

本実施形態によれば、一方向凝固シリコンの基板上に微細加工を施すことにより、シリコン単結晶ウエハを用いる場合に比べて、安価で、大面積のマイクロ流路チップ１０を容易に製造することができる。 According to the present embodiment, by performing microfabrication on a unidirectionally solidified silicon substrate, it is possible to easily manufacture a micro-channel chip 10 having a large area at a lower cost than when a silicon single crystal wafer is used. Can do.

次に、本発明の機能性構造体の製造方法によりダイアフラム型圧電センサーを製造する工程について、図３を参照して説明する。ここで、ダイアフラム型圧電センサーとは、基板の上下に圧力差が生じた際に生じる圧電膜の歪に応じた起電力を発生することにより、基板の上下の圧力差を検出するＭＥＭＳ部品である。図３（ａ）から図３（ｈ）は、ダイアフラム形圧電センサーの製造工程の各段階に対応する断面図である。なお、実際には、１枚の基板から複数のダイアフラム型圧電センサー３０が作成可能であるが、図３では１つに省略されている。 Next, the process of manufacturing a diaphragm type piezoelectric sensor by the method for manufacturing a functional structure of the present invention will be described with reference to FIG. Here, the diaphragm type piezoelectric sensor is a MEMS component that detects the pressure difference between the upper and lower sides of the substrate by generating an electromotive force according to the distortion of the piezoelectric film generated when the pressure difference is generated above and below the substrate. . FIG. 3A to FIG. 3H are cross-sectional views corresponding to each stage of the manufacturing process of the diaphragm type piezoelectric sensor. In practice, a plurality of diaphragm type piezoelectric sensors 30 can be created from a single substrate, but in FIG. 3, one is omitted.

まず、図３（ａ）に示すように、一方向凝固シリコンからなる基板３２が形成される。なお、一方向凝固シリコンからなる基板３２の製造工程については、上記図２と同様であるため説明を省略する。基板３２は、一例で直径３００ｍｍで厚さが１ｍｍｔである。そして、図３（ｂ）に示すように、基板３２の表面に酸化シリコンの層を貼り付けるか、又は基板３２の表面に熱酸化処理を施すことにより酸化シリコン（ＳｉＯ_２）層３４が形成される。この酸化シリコン層３４の表面は、表面粗さ（Ｒａ）が約３０ｎｍ以下となるように研磨される。研磨後の酸化シリコン層３４の厚さは、一例で３００ｎｍである。 First, as shown in FIG. 3A, a substrate 32 made of unidirectionally solidified silicon is formed. The manufacturing process of the substrate 32 made of unidirectionally solidified silicon is the same as that shown in FIG. For example, the substrate 32 has a diameter of 300 mm and a thickness of 1 mmt. Then, as shown in FIG. 3B, a silicon oxide (SiO ₂ ) layer 34 is formed by attaching a silicon oxide layer to the surface of the substrate 32 or applying a thermal oxidation treatment to the surface of the substrate 32. The The surface of the silicon oxide layer 34 is polished so that the surface roughness (Ra) is about 30 nm or less. For example, the thickness of the polished silicon oxide layer 34 is 300 nm.

次に、図３（ｃ）及び図３（ｄ）に示すように、酸化シリコン層３４上にスパッタリング法により約２０ｎｍのチタン（Ｔｉ）密着層３６が形成され、このチタン密着層３６上にスパッタリング法により約１５０ｎｍの白金（Ｐｔ）層３８が形成される。このチタン密着層３６及び白金層３８は、下部電極４０を構成する。 Next, as shown in FIGS. 3C and 3D, a titanium (Ti) adhesion layer 36 of about 20 nm is formed on the silicon oxide layer 34 by sputtering, and sputtering is performed on the titanium adhesion layer 36. A platinum (Pt) layer 38 of about 150 nm is formed by the method. The titanium adhesion layer 36 and the platinum layer 38 constitute a lower electrode 40.

この下部電極４０上には、図３（ｅ）に示すように圧電膜４２が形成される。圧電膜４２は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）、ＰｂＺｒ_ｘＴｉ_０．４８Ｏ_３であり、スパッタリング法により室温において厚さが約２μｍとなるように成膜される。 A piezoelectric film 42 is formed on the lower electrode 40 as shown in FIG. The piezoelectric film 42 is, for example, lead zirconate titanate (PZT) or PbZr _x Ti _0.48 O ₃ and is formed by sputtering to have a thickness of about 2 μm at room temperature.

この圧電膜４２上には、図３（ｇ）に示すように上部電極４４が形成される。この上部電極４４は、例えば、スパッタリング法又はリフトオフ法によりチタン層２０ｎｍ、白金層１５０ｎｍを成膜することにより形成される。なお、上部電極４４の大きさは、一例で３００μｍ角である。 On the piezoelectric film 42, an upper electrode 44 is formed as shown in FIG. The upper electrode 44 is formed by, for example, forming a titanium layer 20 nm and a platinum layer 150 nm by sputtering or lift-off. The size of the upper electrode 44 is, for example, 300 μm square.

続いて、基板３２の図中下面にクロム（Ｃｒ）が成膜されて、このクロム膜（不図示）にパターニングが施される。そして、このクロム膜をマスクとしてフレオンガス（商標；例えば、テトラフルオロカーボン（ＣＦ_４））等を用いて、反応性イオンエッチング法（ＲＩＥ）により基板３２のエッチングが行われる。このエッチングは、酸化シリコン層３４の図中下面でストップし、平坦なエッチング面を出すことができた。すなわち、基板３２の材料（シリコン）と、エッチングストッパとしての酸化シリコン層３４の材料（酸化シリコン）とのフレオンガス（商標）によるエッチング選択比が高いため、精度のよいエッチングを行うことができる。なお、エッチングにより基板３２の穿孔された部分の周囲の残った部分は開口隔壁３２′となる。これにより、図３（ｈ）に示すように、酸化シリコン層３４、下部電極３８、圧電膜４２及び上部電極４４を備えるダイアフラム型圧電センサー３０が形成される。 Subsequently, chromium (Cr) is formed on the lower surface of the substrate 32 in the drawing, and this chromium film (not shown) is patterned. Then, the substrate 32 is etched by reactive ion etching (RIE) using Freon gas (trademark; for example, tetrafluorocarbon (CF ₄ )) or the like using this chromium film as a mask. This etching stopped at the lower surface of the silicon oxide layer 34 in the figure, and a flat etching surface could be obtained. That is, since the etching selectivity by Freon gas (trademark) between the material of the substrate 32 (silicon) and the material of the silicon oxide layer 34 as an etching stopper (silicon oxide) is high, the etching can be performed with high accuracy. The remaining portion around the perforated portion of the substrate 32 by etching becomes an opening partition wall 32 '. As a result, as shown in FIG. 3H, the diaphragm type piezoelectric sensor 30 including the silicon oxide layer 34, the lower electrode 38, the piezoelectric film 42, and the upper electrode 44 is formed.

なお、上記開口隔壁３２′を形成するためのエッチング方法としては、上記ＲＩＥのドライエッチングのほか、例えば、ウェットエッチングを用いてもよい。ドライエッチングを用いる場合には、基板３２の材料と酸化シリコン層３４の材料とのエッチング選択比が２：１（好ましくは３：１）となるように、エッチングガスの種類を選択することが好ましい。また、ウェットエッチングの場合を用いる場合には、エッチング選択比が３：１（好ましくは１０：１）となるように、基板３２と酸化シリコン層３４の材料やエッチング液の選択をすることが好ましい。 As an etching method for forming the opening partition wall 32 ', in addition to the RIE dry etching, for example, wet etching may be used. When dry etching is used, it is preferable to select the type of etching gas so that the etching selectivity between the material of the substrate 32 and the material of the silicon oxide layer 34 is 2: 1 (preferably 3: 1). . In the case of using wet etching, it is preferable to select the material and etching solution for the substrate 32 and the silicon oxide layer 34 so that the etching selection ratio is 3: 1 (preferably 10: 1). .

本実施形態によれば、シリコン単結晶基板を使用して圧電センサーを作成した場合と同等の性能が得られた。また、一方向凝固シリコン基板は、シリコン単結晶基板より曲げ強度が高いため、圧電膜４２等の応力の影響による反りが少ないという利点もあった。 According to this embodiment, the same performance as that obtained when a piezoelectric sensor was produced using a silicon single crystal substrate was obtained. In addition, since the unidirectionally solidified silicon substrate has a higher bending strength than the silicon single crystal substrate, there is an advantage that the warp due to the stress of the piezoelectric film 42 and the like is less.

なお、上記の実施形態では、本発明の機能性構造体の製造方法をマイクロ流路チップや圧電センサーに適用した例について説明したが、例えば、ライン型インクジェットヘッド、ディスプレイ、形状可変鏡等にも適用することができる。 In the above embodiment, an example in which the method for producing a functional structure of the present invention is applied to a micro-channel chip or a piezoelectric sensor has been described. However, for example, a line-type inkjet head, a display, a deformable mirror, etc. Can be applied.

また、一方向凝固シリコンウエハの加工には、単結晶のシリコンと同様の微細加工技術（例えば、気相成長法、スパッタ、スピンコーティング、リソグラフィ、ウェットエッチング、ドライエッチング、熱酸化、めっき法等）を適用可能であるため、例えば、自立構造、ダイアフラム構造、片持ち梁構造又は両持ち梁構造等を有するＭＥＭＳ部品を作成することができる。 Microfabrication technology similar to that of single crystal silicon (for example, vapor phase growth, sputtering, spin coating, lithography, wet etching, dry etching, thermal oxidation, plating, etc.) is used for processing unidirectionally solidified silicon wafers. Therefore, for example, a MEMS part having a self-supporting structure, a diaphragm structure, a cantilever structure, or a cantilever structure can be created.

次に、本発明の機能性構造体の製造方法により原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用のカンチレバーを製造する工程について、図４及び図５を参照して説明する。ここで、カンチレバーとは、ＡＦＭにおいて、微小な探針と試料表面との間に働く原子間力（斥力あるいは引力）を検出し、検出した原子間力が一定になるように試料表面を走査し、表面凹凸を描き出すための部品である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、カンチレバーの製造工程の各段階に対応する断面図又は平面図である。なお、実際には、１枚の基板から複数のカンチレバーが作成可能であるが、図４では１つに省略されている。 Next, a process for producing a cantilever for an atomic force microscope (AFM) by the method for producing a functional structure of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the cantilever is an AFM that detects an atomic force (repulsive force or attractive force) acting between a minute probe and the sample surface and scans the sample surface so that the detected atomic force is constant. It is a part for drawing surface irregularities. FIG. 4A and FIG. 4B are cross-sectional views or plan views corresponding to each stage of the cantilever manufacturing process. In practice, a plurality of cantilevers can be created from one substrate, but in FIG. 4, one cantilever is omitted.

まず、図４（ａ）の断面図に示すように、一方向凝固シリコンからなる基板５２を形成する。なお、一方向凝固シリコンからなる基板５２の製造工程については、上記図２と同様であるため説明を省略する。基板５２は、一例で直径１００ｍｍで厚さが０．５ｍｍｔである。次に、基板５２上にＣＶＤ法により、厚さ約０．５μｍの窒化シリコン層５４を形成する。 First, as shown in the sectional view of FIG. 4A, a substrate 52 made of unidirectionally solidified silicon is formed. The manufacturing process of the substrate 52 made of unidirectionally solidified silicon is the same as that shown in FIG. For example, the substrate 52 has a diameter of 100 mm and a thickness of 0.5 mm. Next, a silicon nitride layer 54 having a thickness of about 0.5 μm is formed on the substrate 52 by CVD.

次に、窒化シリコン層５４の表面にリソグラフィによりカンチレバー５６のパターンを形成する。そして、図４（ｂ）の平面図に示すように、ドライエッチング法により、窒化シリコン層５４がパターン化され、カンチレバー５６が形成される。カンチレバー５６の幅Ｗは約２０μｍ、長さＬは約２００μｍである。 Next, a pattern of the cantilever 56 is formed on the surface of the silicon nitride layer 54 by lithography. Then, as shown in the plan view of FIG. 4B, the silicon nitride layer 54 is patterned by a dry etching method, and a cantilever 56 is formed. The cantilever 56 has a width W of about 20 μm and a length L of about 200 μm.

最後に、基板５２の図中下面にリソグラフィによりパターンを形成し、ドライエッチング法により基板５２の一部を除去する。これにより、図５に示すように、片持ち梁構造のカンチレバー５６を備えるＡＦＭ用のデバイス５０が形成される。 Finally, a pattern is formed on the lower surface of the substrate 52 by lithography, and a part of the substrate 52 is removed by dry etching. Thereby, as shown in FIG. 5, the AFM device 50 including the cantilever 56 having a cantilever structure is formed.

次に、本発明の機能性構造体の製造方法により両持ち梁構造を有する圧力センサーを製造する工程について、図６及び図７を参照して説明する。ここで、両持ち梁構造を有する圧力センサーは、両持ち梁上に形成された圧電膜により、両持ち梁を振動させ、共振周波数を測定し、共振周波数と周囲の気圧との関係から気圧を測定する。図６（ａ）から図６（ｅ）は、両持ち梁構造を有する圧力センサーの製造工程の各段階に対応する断面図又は平面図である。なお、実際には、１枚の基板から圧力センサーが作成可能であるが、図６では１つに省略されている。 Next, a process for manufacturing a pressure sensor having a doubly supported beam structure by the method for manufacturing a functional structure of the present invention will be described with reference to FIGS. Here, the pressure sensor having a double-supported beam structure vibrates the double-supported beam with a piezoelectric film formed on the double-supported beam, measures the resonance frequency, and calculates the atmospheric pressure from the relationship between the resonance frequency and the ambient pressure. taking measurement. FIG. 6A to FIG. 6E are cross-sectional views or plan views corresponding to the respective stages of the manufacturing process of the pressure sensor having a double-supported beam structure. In practice, a pressure sensor can be created from a single substrate, but in FIG. 6, it is omitted.

まず、図６（ａ）の断面図に示すように、一方向凝固シリコンからなる基板７２を形成する。なお、一方向凝固シリコンからなる基板７２の製造工程については、上記図２と同様であるため説明を省略する。基板７２は、一例で直径１００ｍｍで厚さが０．５ｍｍｔである。次に、基板７２上にＣＶＤ法により、厚さ約０．５μｍの窒化シリコン層７４を形成する。 First, as shown in the sectional view of FIG. 6A, a substrate 72 made of unidirectionally solidified silicon is formed. The manufacturing process of the substrate 72 made of unidirectionally solidified silicon is the same as that shown in FIG. For example, the substrate 72 has a diameter of 100 mm and a thickness of 0.5 mm. Next, a silicon nitride layer 74 having a thickness of about 0.5 μm is formed on the substrate 72 by CVD.

次に、窒化シリコン層７４の表面にリソグラフィにより両持ち梁７６のパターンを形成する。そして、図６（ｂ）の平面図に示すように、ドライエッチング法により、窒化シリコン層７４がパターン化され、両持ち梁７６が形成される。両持ち梁７６の幅Ｗは約２０μｍ、長さＬは約２００μｍである。 Next, a pattern of doubly supported beams 76 is formed on the surface of the silicon nitride layer 74 by lithography. Then, as shown in the plan view of FIG. 6B, the silicon nitride layer 74 is patterned by a dry etching method, and a doubly supported beam 76 is formed. The width W of the cantilever beam 76 is about 20 μm, and the length L is about 200 μm.

次に、両持ち梁７６上にスパッタリング法により厚さ約５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層及び厚さ約１５０ｎｍの白金（Ｐｔ）層からなる下部電極７８を形成する。そして、図６（ｃ）の断面図に示すように、この下部電極７８をリフトオフ法によりパターン化する。また、下部電極７８上に、スパッタリング法により、厚さ約１μｍの圧電膜（ＰＺＴ）８０を形成し、図６（ｄ）の断面図に示すように、ドライエッチング法によりパターン化する。さらに、圧電膜８０上にスパッタリング法により厚さ約５０ｎｍのチタン（Ｔｉ）層及び厚さ約１５０ｎｍの白金（Ｐｔ）層からなる上部電極８２を形成する。そして、図６（ｅ）の断面図に示すように、この上部電極８２をリフトオフ法によりパターン化する。 Next, a lower electrode 78 made of a titanium (Ti) layer having a thickness of about 50 nm and a platinum (Pt) layer having a thickness of about 150 nm is formed on the both-end beam 76 by sputtering. Then, as shown in the sectional view of FIG. 6C, the lower electrode 78 is patterned by a lift-off method. Further, a piezoelectric film (PZT) 80 having a thickness of about 1 μm is formed on the lower electrode 78 by sputtering, and is patterned by dry etching as shown in the cross-sectional view of FIG. Further, an upper electrode 82 made of a titanium (Ti) layer having a thickness of about 50 nm and a platinum (Pt) layer having a thickness of about 150 nm is formed on the piezoelectric film 80 by sputtering. Then, as shown in the sectional view of FIG. 6E, the upper electrode 82 is patterned by a lift-off method.

最後に、基板７２の図中下面にリソグラフィによりパターンを形成し、ドライエッチング法により基板７２の一部を除去する。これにより、図７に示すように、除去されずに残った残留シリコン層７２′により支持された両持ち梁構造を有する圧力センサー７０が形成される。 Finally, a pattern is formed on the lower surface of the substrate 72 by lithography, and a part of the substrate 72 is removed by dry etching. As a result, as shown in FIG. 7, a pressure sensor 70 having a doubly supported beam structure supported by the residual silicon layer 72 'remaining without being removed is formed.

次に、本発明の機能性構造体の製造方法によりマイクロギアを製造する工程について、図８及び図９を参照して説明する。図８（ａ）から図８（ｅ）は、マイクロギアの製造工程の各段階に対応する断面図である。なお、実際には、１枚の基板から複数のマイクロギアが作成可能であるが、図８では１つに省略されている。 Next, the process of manufacturing the micro gear by the method for manufacturing the functional structure of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 8A to FIG. 8E are cross-sectional views corresponding to each stage of the microgear manufacturing process. In practice, a plurality of micro gears can be created from a single substrate, but in FIG. 8, one is omitted.

まず、図８（ａ）に示すように、一方向凝固シリコンからなる基板９２を形成する。なお、一方向凝固シリコンからなる基板９２の製造工程については、上記図２と同様であるため説明を省略する。基板９２は、一例で直径１００ｍｍで厚さが０．５ｍｍｔである。次に、基板９２上にＣＶＤ法により、厚さ約１．０μｍのＬＴＯＳｉＯ_２層（以下、単に酸化シリコン層と記載する）９４を形成する。 First, as shown in FIG. 8A, a substrate 92 made of unidirectionally solidified silicon is formed. The manufacturing process of the substrate 92 made of unidirectionally solidified silicon is the same as that shown in FIG. For example, the substrate 92 has a diameter of 100 mm and a thickness of 0.5 mm. Next, an LTO SiO ₂ layer (hereinafter simply referred to as a silicon oxide layer) 94 having a thickness of about 1.0 μm is formed on the substrate 92 by CVD.

次に、酸化シリコン層９４の表面にリソグラフィにより軸９６のパターンを形成する。そして、図８（ｂ）に示すように、ドライエッチング法により、酸化シリコン層９４の一部を除去することにより、自立構造の軸９６を形成する。 Next, a pattern of a shaft 96 is formed on the surface of the silicon oxide layer 94 by lithography. Then, as shown in FIG. 8B, a part of the silicon oxide layer 94 is removed by a dry etching method to form a self-supporting shaft 96.

次に、図８（ｃ）に示すように、除去されずに残留した酸化シリコン層９４′上に、エピタキシャル法により、約１０μｍのポリシリコンを堆積し、ポリシリコン層９８を形成する。そして、ポリシリコン層９８上に、リソグラフィによりマイクロギア１００のパターンを形成し、図８（ｄ）に示すように、ドライエッチングによりポリシリコン層９８の一部を除去して、マイクロギア１００を形成する。 Next, as shown in FIG. 8C, about 10 μm of polysilicon is deposited on the remaining silicon oxide layer 94 ′ without being removed by an epitaxial method to form a polysilicon layer 98. Then, a pattern of the micro gear 100 is formed on the polysilicon layer 98 by lithography, and a part of the polysilicon layer 98 is removed by dry etching to form the micro gear 100 as shown in FIG. 8D. To do.

最後に、図８（ｄ）に示す構造体をフッ酸に浸して、軸７６を除く残留酸化シリコン層（犠牲層）９４′を除去する（図８（ｅ））。これにより、図９に示すように、マイクロギア１００を備えるマイクロデバイス９０が形成される。 Finally, the structure shown in FIG. 8D is immersed in hydrofluoric acid to remove the residual silicon oxide layer (sacrificial layer) 94 ′ excluding the shaft 76 (FIG. 8E). Thereby, as shown in FIG. 9, the micro device 90 provided with the micro gear 100 is formed.

本発明に係る機能性構造体の製造方法によりマイクロ流路チップを製造する工程を示す図The figure which shows the process of manufacturing a microchannel chip | tip with the manufacturing method of the functional structure which concerns on this invention. 一方向凝固シリコンからなる基板１２の製造工程を模式的に示す図The figure which shows typically the manufacturing process of the board | substrate 12 which consists of unidirectionally solidified silicon. 本発明に係る機能性構造体の製造方法によりダイアフラム型圧電センサーを製造する工程を示す図The figure which shows the process of manufacturing a diaphragm type piezoelectric sensor with the manufacturing method of the functional structure which concerns on this invention. 本発明の機能性構造体の製造方法により原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）用のカンチレバーを製造する工程を示す図The figure which shows the process of manufacturing the cantilever for atomic force microscopes (AFM) with the manufacturing method of the functional structure of this invention. カンチレバーを示す図Diagram showing cantilever 本発明の機能性構造体の製造方法により両持ち梁構造を有する圧力センサーを製造する工程Process for producing a pressure sensor having a doubly supported beam structure by the method for producing a functional structure of the present invention 両持ち梁構造を有する圧力センサーを示す図Diagram showing a pressure sensor with a doubly supported beam structure 本発明の機能性構造体の製造方法によりマイクロギアを製造する工程Process for producing a micro gear by the method for producing a functional structure of the present invention マイクロギアを示す図Diagram showing micro gear

符号の説明Explanation of symbols

１０…マイクロ流路チップ、１２…一方向凝固シリコンからなる基板、１４…フォトレジスト層、２０…シリコンインゴットの製造装置、３０…ダイアフラム型圧電センサー、３２…基板、３４…酸化シリコン層、３６…チタン密着層、３８…白金層、４０…下部電極、４２…圧電膜、４４…上部電極、５０…カンチレバー、７０…圧力センサ、１００…マイクロギア
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Microchannel chip | tip, 12 ... Substrate which consists of unidirectionally solidified silicon, 14 ... Photoresist layer, 20 ... Silicon ingot manufacturing apparatus, 30 ... Diaphragm type piezoelectric sensor, 32 ... Substrate, 34 ... Silicon oxide layer, 36 ... Titanium adhesion layer, 38 ... platinum layer, 40 ... lower electrode, 42 ... piezoelectric film, 44 ... upper electrode, 50 ... cantilever, 70 ... pressure sensor, 100 ... microgear

Claims

少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板と、
前記基板の表面が加工されて形成された機能性加工物と、
を備えることを特徴とする機能性構造体。 A substrate having a surface comprising at least unidirectionally solidified silicon;
A functional workpiece formed by processing the surface of the substrate;
A functional structure comprising:

少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板と、
前記基板上に機能性材料を用いて形成された機能性構造物と、
前記基板の表面、又は前記機能性構造物のうち少なくとも一方が加工されて形成された機能性加工物と、
を備えることを特徴とする機能性構造体。 A substrate having a surface comprising at least unidirectionally solidified silicon;
A functional structure formed on the substrate using a functional material;
A functional workpiece formed by processing at least one of the surface of the substrate or the functional structure; and
A functional structure comprising:

前記機能性材料は、圧電性材料、焦電性材料又は強誘電性材料のうち少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 2, wherein the functional material includes at least one of a piezoelectric material, a pyroelectric material, and a ferroelectric material.

前記機能性材料は、超伝導材料を含むことを特徴とする請求項２記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 2, wherein the functional material includes a superconducting material.

前記機能性材料は、磁性材料を含むことを特徴とする請求項２記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 2, wherein the functional material includes a magnetic material.

前記機能性材料は、静電力が印加された際に変位する物質であることを特徴とする請求項２記載の機能性構造体。 The functional structure according to claim 2, wherein the functional material is a substance that is displaced when an electrostatic force is applied.

前記機能性加工物は、前記基板がエッチング加工されたものであることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項記載の機能性構造体。 The functional structure according to any one of claims 1 to 6, wherein the functional workpiece is obtained by etching the substrate.

前記機能性加工物は、前記基板がウェットエッチング加工されたものであることを特徴とする請求項７記載の機能性構造体。 8. The functional structure according to claim 7, wherein the functional processed product is obtained by wet etching the substrate.

前記機能性加工物は、自立構造、ダイアフラム構造、片持ち梁構造又は両持ち梁構造のうち少なくとも１つを有することを特徴とする請求項７又は８記載の機能性構造体。 9. The functional structure according to claim 7, wherein the functional workpiece has at least one of a self-supporting structure, a diaphragm structure, a cantilever structure, and a double-supported structure.

少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板を形成する工程と、
前記基板の表面を加工して機能性加工物を形成する工程と、
を備えることを特徴とする機能性構造体の製造方法。 Forming a substrate having a surface comprising at least unidirectionally solidified silicon;
Processing the surface of the substrate to form a functional workpiece;
A method for producing a functional structure, comprising:

少なくとも一方向凝固シリコンからなる表面を有する基板を形成する工程と、
前記基板上に機能性材料を用いて機能性構造物を形成する工程と、
前記基板の表面、又は前記機能性構造物のうち少なくとも一方を加工して機能性加工物を形成する工程と、
を備えることを特徴とする機能性構造体の製造方法。 Forming a substrate having a surface comprising at least unidirectionally solidified silicon;
Forming a functional structure on the substrate using a functional material;
Forming a functional workpiece by processing at least one of the surface of the substrate or the functional structure;
A method for producing a functional structure, comprising:

前記機能性構造物をエッチングして除去する工程を更に備えることを特徴とする請求項１１記載の機能性構造体の製造方法。
The method for producing a functional structure according to claim 11, further comprising a step of etching and removing the functional structure.