(57)【要約】第１および第２の面を有する基板と、基板の第１の面上に配置されている第１の電極材料層とを含む、流体中で作動させるための微細加工デバイスを提供する。このデバイスは、第１の電極材料層上に配置されている圧電材料層と、圧電材料層上に配置されている第２の電極材料層とを有する。このデバイスは、また、第２の電極材料層上に配置され、第２の電極材料層の一部を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する分離材料の層をも含む。あるデバイスは、分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を含む。
2009534174.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体中で作動する微細加工デバイスであって、
第１および第２の面を有する基板と、
該基板の該第１の面上に配置された第１の電極材料層と、
該第１の電極材料層上に配置された圧電材料層と、
該圧電材料層上に配置された第２の電極材料層と、
該第２の電極材料層上に配置された分離材料の層であって、該第２の電極材料層の一部を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する、分離材料の層と
を備える、微細加工デバイス。
【請求項２】
前記分離材料の層上に配置された導電性材料の層を備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項３】
前記導電性材料の層の電位を制御することにより、前記微細加工デバイスと、前記流体または該流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する、請求項２に記載の微細加工デバイス。
【請求項４】
前記微細加工デバイス上に物質の固定を促進するために、前記分離材料の層上に配置された固定材料の層を備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項５】
前記基板が、第１および第２の表面を有するシリコン層と、該シリコン層の該第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、該シリコン層の該第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、該基板の前記第１の面である面を有する該第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、該第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項６】
前記第２の電極材料層は、金属材料または半導体材料の層である、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項７】
前記第２のシリコン窒化物層と、前記第２のシリコン酸化物層と、前記シリコン層とにキャビティが形成され、前記第１のシリコン窒化物層を露出し、該シリコン層と該第１のシリコン窒化物層との間の該シリコン酸化物層の一部が除去されてアンダーカットが形成される、請求項５に記載の微細加工デバイス。
【請求項８】
前記分離材料は、酸化物材料である、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項９】
前記第１の電極材料層または前記第２の電極材料層は、１つ以上の電極を備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項１０】
前記１つ以上の電極は、１対の検知電極と、１対の作動電極とを備える、請求項９に記載の微細加工デバイス。
【請求項１１】
前記第１または前記第２の電極材料層が、互いにかみ合っている検知電極の対と、互いにかみ合っている作動電極の対とを備える、請求項９に記載の微細加工デバイス。
【請求項１２】
前記微細加工デバイスは、曲げ板波デバイスである、請求項１１に記載の微細加工デバイス。
【請求項１３】
前記微細加工デバイス上に物質の固定を促進するために、前記分離材料の層上に配置された導電性材料の層を備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項１４】
前記導電性材料の層の電位を制御することにより、前記微細加工デバイスと、前記流体または前記流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する、請求項１３に記載の微細加工デバイス。
【請求項１５】
前記物質が、全細胞、バクテリア、酵母、菌類、血球、解離組織細胞、胞子、ウィルス、タンパク質、抗体、脂質、炭水化物、核酸、ペプチド、および小分子からなるグループから選択される、請求項３に記載の微細加工デバイス。
【請求項１６】
前記導電性材料の層は、前記分離材料の層と前記流体との間のバリアである、請求項２に記載の微細加工デバイス。
【請求項１７】
前記流体を前記分離材料の層の面に送達するために、該分離材料の層上に流体経路を備える、請求項１に記載の微細加工デバイス。
【請求項１８】
前記第１および前記第２の電極材料層によって出力される信号が、前記圧電材料層を組み込む構造の伝播特性を表す、請求項１７に記載の微細加工デバイス。
【請求項１９】
流体中で作動する微細加工デバイスであって、
第１の絶縁面および第２の面を有する基板と、
該基板の第１の面上に配置された第１の電極材料層であって、該第１の電極材料層は、１つ以上の電極を有する、第１の電極材料層と、
該第１の電極材料層上に配置された圧電材料層と、
該圧電材料層上に配置された第２の電極材料層であって、該第２の電極材料層は、電気的接地面として機能し、かつ、微細加工デバイスに対する流体インターフェースを画定する、第２の電極材料層と
を備える、微細加工デバイス。
【請求項２０】
前記第２の電極材料層上に配置された分離材料の層であって、該第２の電極材料層の一部を前記流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する、分離材料の層を備える、請求項１９に記載の微細加工デバイス。
【請求項２１】
前記分離材料の層上に配置された導電性材料の層を備える、請求項２０に記載の微細加工デバイス。
【請求項２２】
前記導電性材料の層の電位を制御することにより、前記微細加工デバイスと、前記導電性流体または前記導電性流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する、請求項２１に記載の微細加工デバイス。
【請求項２３】
前記微細加工デバイス上に物質の固定を促進するために、前記分離材料の層上に配置された固定材料の層を備える、請求項２０に記載の微細加工デバイス。
【請求項２４】
前記基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、該シリコン層の該第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、該シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、該基板の第１の面である面を有する該第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、該第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを備える、請求項１９に記載の微細加工デバイス。
【請求項２５】
前記基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、該シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、該シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、該第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、該第２のシリコン酸化物層に隣接して該基板の第１の面である面を有する第２のシリコン窒化物層とを備える、請求項１９に記載の微細加工デバイス。
【請求項２６】
前記第２の電極材料層は、金属または導電性半導体の層である、請求項１９に記載の微細加工デバイス。
【請求項２７】
流体中で作動する微細加工デバイスの加工方法であって、
基板の第１の面上に圧電材料層を付着させることと、
該圧電材料層上に電極材料層を形成することと、
分離材料層を該電極材料層上に形成することであって、該分離材料層は、該微細加工デバイスの動作中に、該電極材料層の一部を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離することと
を含む、方法。
【請求項２８】
前記基板の第１の面上に前記圧電材料層を付着させる前に、該基板の第１の面上に電極材料層を形成する、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記基板の第１の面は、導電性シリコン材料を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記分離材料の層上に配置された導電性材料の層を形成することを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記導電性材料の層の電位を制御することにより、前記微細加工デバイスと、前記流体または前記流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
前記基板の第２の面にキャビティをエッチングすることを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３３】
前記酸化物材料層にアンダーカットを形成するために、前記基板の第２の面に前記キャビティをエッチングすることによって露出した前記基板の酸化物材料層をエッチングすることをさらに含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記電極材料層上に前記分離材料層を形成することは、分離材料を付着させることを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記圧電材料層上に電極材料層を形成することは、該圧電材料層上に電極材料を付着させることと、１つ以上の電極構造を形成することとを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記基板の電気的接地層と電気的に接続させることができるように、該基板の一部を露出する少なくとも１つのビアを形成するために、前記分離層材料、前記電極材料層、および前記圧電材料層をエッチングすることを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記電極材料層と電気的に接続することができるように、該電極材料層の一部を露出する少なくとも１つのビアを形成するために、前記分離層材料をエッチングすることを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
前記基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、該シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、該シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、該基板の第１の面である面を有する該第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、該第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
流体中で作動する微細加工デバイスの加工方法であって、
基板の第１の面上に第１の電極材料層を形成することであって、該第１の電極材料層は１つ以上の電極を有する、ことと、
該第１の電極材料層上に圧電材料層を付着させることと、
該圧電材料層上に配置された第２の電極材料層を形成することであって、該第２の電極材料層は、電気的接地面として機能し、かつ、該微細加工デバイスに対する流体インターフェースを画定する、ことと
を含む、方法。
【請求項４０】
前記第２の電極材料層上に配置された分離材料の層を形成することであって、該分離材料の層は、該第２の電極材料層の一部を前記流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を形成することを含む、請求項４０に記載の微細加工デバイス。
【請求項４２】
前記導電性材料の層の電位を制御することにより、前記微細加工デバイスと、前記流体または前記流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する、請求項４１に記載の微細加工デバイス。
【請求項４３】
前記微細加工デバイス上に物質の固定を促進するために、前記分離材料の層上に配置された固定材料の層を形成することを含む、請求項４０に記載の微細加工デバイス。
【請求項４４】
前記第１の電極材料層は、シリコンの層である、請求項３９に記載の微細加工デバイス。
【請求項４５】
流体中で作動する微細加工デバイスであって、
第１および第２の面を有する基板と、
該基板の第１の面上に配置された第１の電極材料層と、
該第１の電極材料層上に配置された圧電材料層と、
該圧電材料層上に配置された第２の電極材料層と、
該第２の電極材料層を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する手段と
を備える、微細加工デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（発明の分野）
本発明は、流体中で作動する微細加工デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
微細加工デバイスは、センサとして、バルブ、ポンプおよびミキサなどを含む様々な流体用途に使用することが可能である。流体中で作動させることを意図する微細加工デバイスは、デバイスの流体シール、流体とデバイスの検知面および／または作動面との間の流体連通、および流体からの電気的インターフェースの分離を充分に保証できるように設計し、製造する必要がある。
【０００３】
微細加工デバイスは、化学センシングまたは生物学的検定を行うために使用されることが多い。例えば、微細加工センサは、流体試料中の生物学的検体の存在を検知したり、その量を測定したりするために使用することが可能である。１つの方法は、対象とする検体に特異的な抗体を、センサ表面上に固定することである。一般に、生体分子（例えば、抗体）をセンサの表面への拘束を促進するために、その下に存在する表面化学層を使用する。流体試料中の検体がセンサ上の固定抗体と結合して、センサの応答に変化が生じる。
【０００４】
微細加工デバイスは、また、流体特性を特徴付けるために使用することも可能である。例えば、流体の密度、流体の粘度、および流体中の音速を測定するために使用する場合もある。さらに、流体環境の変化に対するセンサの応答をモニタすることによって、様々な化学プロセスまたは生化学プロセス（例えば、反応速度、相変化、凝集）の特性を表すことが可能である。一部の用途として、これに限定されないが、重合プロセスのモニタリング、または材料の融解曲線の測定などが挙げられる。
【０００５】
導電性流体（例えば、溶解塩を含む流体）中のあるセンサへの利用が実施されている。導電性流体と微細加工デバイスの表面上の電気経路とが接触することによって、流体中へ電流が散逸し、あるいは隣接する電気経路間の電気インピーダンスが変化し得る。導電性流体中へ散逸することによって、性能が劣化し、場合によっては微細加工デバイスおよび流体が発熱する。隣接する電気経路との間で高いインピーダンス分離が必要な場合に、隣接する電気経路との間の電気インピーダンスが変化すると、微細加工デバイスの正常な機能も阻害される。また、微細加工デバイスは、腐食性の流体、または微細加工デバイスの動作に悪影響を及ぼしかねない流体中で使用される場合もある。
【０００６】
一部の微細加工デバイス（例えば、従来型の曲げ板波（ｆｌｅｘｕｒａｌ  ｐｌａｔｅ  ｗａｖｅ）の微細加工デバイス）は、ウェハ貫通エッチングを実施することによって形成される懸垂膜（ｓｕｓｐｅｎｄｅｄ  ｍｅｍｂｒａｎｅ）を有する。微細加工デバイスとの電気的インターフェースは、エッチングされたキャビティの反対側にあるウェハ面に存在する。動作中、流体は、ウェハに形成されたキャビティを介して微細加工デバイスの検知面と接触する。これによって、流体と電気的インターフェースとを分離する（それぞれ微細加工デバイスの反対側に配置される）ことが可能になるが、微細加工デバイスを使用する流体システムの設計が複雑になり、性能の低下を招く恐れがある。デバイスの横方向寸法が減少するため、キャビティ内への流体の注入がより困難になる。
【０００７】
例えば、一部の分析では、微細加工デバイスの検知面（例えば、膜）において、均一な流動特性が必要となる。検知面を画定するエッチングされたキャビティ内へ流体を注入すると、検知面における流体の流動パターンが不均一になる。このような場合には、その上に流体が導入される実質的に平坦な面を備えるシステムを設計することが有効であり得る。
【０００８】
また、微細加工デバイスの検知面を化学的に処理することは、化学的処理剤（例えば、流体）が、キャビティを完全にウェットにすることができる必要があるのでむずかしい。キャビティは、（例えば、深堀り反応性イオンエッチングプロセスによって形成された）鋭角な隅部を有し、これがキャビティ全体の充分な処理を確実に実施することを困難にしているため、キャビティを適切にウェットにすることはむずかしい。さらに、微細加工デバイスのキャビティ内に導入される流体もキャビティを充分にウェットにしなければならないため、動作中のデバイスを引き続き使用することもむずかしい。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、微細加工デバイスの設計を改良し、微細加工デバイスの加工方法を改良する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、一形態では、流体中で作動する微細加工デバイスであることを特徴とする。このデバイスは、第１および第２の面を有する基板を含む。このデバイスはまた、基板の第１の面上に配置されている第１の電極材料層も含む。このデバイスはまた、第１の電極材料層上に配置されている圧電材料層も含む。このデバイスはまた、圧電材料層上に配置されている第２の電極材料層も含む。このデバイスはまた、第２の電極材料層上に配置され、第２の電極材料層の一部を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する分離材料（例えば、低温酸化物、低温窒化物、低温ポリマ）の層も含む。
【００１１】
ある実施形態では、デバイスが、分離材料の層上に配置されている導電性材料（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコンなどの半導体材料）の層を含む。導電性材料の層の電位を制御して、デバイスと流体または流体中の物質との間の電気的相互作用を低減することが可能である。ある実施形態では、デバイスは、微細加工デバイス上で物質を固定しやすくするために分離材料の層上に配置される固定材料（例えば、金属、ポリマ、半導体または誘電体）の層を含む。
【００１２】
ある実施形態では、基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、基板の第１の面である面を有する第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを含む。
【００１３】
ある実施形態では、第２の電極材料層が、金属（例えば、モリブデン、またはチタニウムおよび金の層）の層である。ある実施形態では、デバイスが、第２のシリコン窒化物層と、第２のシリコン酸化物層と、シリコン層に形成され、第１のシリコン窒化物層を露出するキャビティとを含む。ある実施形態では、シリコン層と第１のシリコン窒化物層との間のシリコン酸化物層の一部を除去してアンダーカットを形成する。ある実施形態では、分離材料が、酸化物材料（例えば、低温酸化物材料）である。
【００１４】
ある実施形態では、第１および／または第２の電極材料層が、１つ以上の電極を含む。１つ以上の電極が、少なくとも１つの検知電極および少なくとも１つの作動電極でもよい。ある実施形態では、１つ以上の電極が、１対の検知電極および１対の作動電極でもよい。ある実施形態では、第１および／または第２の電極材料層が、互いにかみ合っている検知電極対と、互いにかみ合っている作動電極対とを含む。ある実施形態では、微細加工デバイスが、曲げ板波デバイスとして作動するように構成される。
【００１５】
ある実施形態では、デバイスが、微細加工デバイス上に物質を固定しやすくするために、分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を含む。ある実施形態では、導電性材料の層の電位を制御して、微細加工デバイスと流体または流体中の物質との間の電気的相互作用を低減する。物質が、例えば、全細胞、バクテリア、酵母、菌類、血球、解離組織細胞、胞子、ウィルス、タンパク質、抗体、脂質、炭水化物、核酸、ペプチド、または小分子でもよい。
【００１６】
ある実施形態では、導電性材料の層が、分離材料の層と流体との間のバリアである。ある実施形態では、デバイスが、流体を分離材料の層の表面に送り込むために、分離材料の層上に流体経路を含む。ある実施形態では、第１および第２の電極材料層によって出力される信号が、圧電材料層を組み込んでいる構造の伝播特性を示している。
【００１７】
本発明は、別の形態では、第１の絶縁面および第２の面を有する基板を含む、流体中で作動させるための微細加工デバイスであることを特徴とする。このデバイスはまた、基板の第１の面上に配置され、１つ以上の電極を有する第１の電極材料層も含む。このデバイスはまた、第１の電極材料層上に配置されている圧電材料層も含む。このデバイスはまた、圧電材料層上に配置され、電気的接地面として機能するとともに微細加工デバイスに対する流体インターフェースを画定する第２の電極材料層も含む。
【００１８】
ある実施形態では、デバイスが、第２の電極材料層上に配置され、第２の電極材料層の一部を、流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する分離材料の層を含む。ある実施形態では、デバイスが、分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を含む。導電性材料の層の電位を制御して、微細加工デバイスと導電性流体または導電性流体中の物質との間の電気的相互作用を低減することが可能である。ある実施形態では、デバイスが、微細加工デバイス上の物質を固定しやすくするために、分離材料の層上に配置されている固定材料の層を含む。
【００１９】
ある実施形態では、基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、基板の第１の面である面を有する第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを含む。ある実施形態では、基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、第２のシリコン酸化物層に隣接して基板の第１の面である面を有する第２のシリコン窒化物層とを含む。ある実施形態では、第２の電極材料層が、金属、導電性半導体、または他の導電性材料の層である。
【００２０】
本発明は、別の形態では、流体中で作動させるための微細加工デバイスの加工方法に関する。この方法は、基板の第１の面上に圧電材料層を付着させることを含む。この方法はまた、圧電材料層上に電極材料層を形成することも含む。この方法はまた、微細加工デバイスの動作中に電極材料層の一部を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する分離材料層を、電極材料層上に形成することを含む。
【００２１】
ある実施形態では、基板の第１の面上に圧電材料層を付着させる前に、基板の第１の面上に電極材料層を形成する。ある実施形態では、基板の第１の面が、シリコン材料の層を含む。ある実施形態では、方法が、分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を形成することを含む。導電性材料の層の電位を制御して、微細加工デバイスと流体または流体中の物質との間の電気的相互作用を低減することが可能である。
【００２２】
ある実施形態では、方法が、基板の第２の面にキャビティをエッチングすることを含む。ある実施形態では、方法が、基板の第２の面にキャビティをエッチングすることによって露出した、酸化物材料層にアンダーカットを形成するために、基板の酸化物材料層をエッチングすることを含む。電極材料層上に分離材料層を形成することが、分離材料を付着させることを含んでもよい。圧電材料層上に電極材料層を形成することが、圧電材料層上に電極材料を付着させることと、１つ以上の電極構造を形成することとを含んでもよい。
【００２３】
ある実施形態では、方法が、基板の電気的接地層と電気的に接続させることができるように基板の一部を露出する少なくとも１つのビアを形成するために、分離層材料、電極材料層、および圧電材料層をエッチングすることを含む。ある実施形態では、方法が、電極材料層と電気的に接続することができるように電極材料層の一部を露出する少なくとも１つのビアを形成するために、分離層材料をエッチングすること含む。ある実施形態では、基板が、第１および第２の面を有するシリコン層と、シリコン層の第１の面に隣接する第１のシリコン酸化物層と、シリコン層の第２の面に隣接する第２のシリコン酸化物層と、基板の第１の面である面を有する第１のシリコン酸化物層に隣接する第１のシリコン窒化物層と、第２のシリコン酸化物層に隣接する第２のシリコン窒化物層とを含む。
【００２４】
本発明は、別の形態では、流体中で作動させるための微細加工デバイスの加工方法に関する。この方法は、基板の第１の面上に、１つ以上の電極を有する第１の電極材料層を形成することを含む。この方法はまた、第１の電極材料層上に圧電材料層を付着させることも含む。この方法はまた、圧電材料層上に、電気的接地面として機能するとともに微細加工デバイスに対する流体インターフェースを画定する第２の電極材料層を形成することも含む。
【００２５】
ある実施形態では、方法が、第２の電極材料層上に配置され、第２の電極材料層の一部を、流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する分離材料の層を形成することを含む。ある実施形態では、方法が、分離材料の層上に配置されている導電性材料の層を形成することを含む。導電性材料の層の電位を制御して、微細加工デバイスと流体または流体中の物質との間の電気的相互作用を低減することが可能である。
【００２６】
ある実施形態では、方法が、微細加工デバイス上の物質を固定しやすくするために、分離材料の層上に配置されている固定材料の層を形成することを含む。ある実施形態では、第１の電極材料層は、シリコンの層である。
【００２７】
本発明は、別の形態では、流体中で作動させるための微細加工デバイスであることを特徴とする。このデバイスは、第１および第２の面を有する基板を含む。このデバイスはまた、基板の第１の面上に配置されている第１の電極材料層も含む。このデバイスはまた、第１の電極材料層上に配置されている圧電材料層も含む。このデバイスはまた、圧電材料層上に配置されている第２の電極材料層も含む。このデバイスはまた、第２の電極材料層を流体から化学的または電気的のうちの少なくとも一方で分離する手段も含む。
【００２８】
本発明の前述のおよび他の目的、形態、特徴、および利点は、以下の説明および特許請求の範囲によってさらに明白になるであろう。
【００２９】
本発明の前述のおよび他の目的、形態、特徴、および利点、並びに本発明自体は、必ずしも縮尺どおりではない添付図面と併せて読めば、以下の例示的な記載によってさらに完全に理解されよう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図１は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイス１００の概略図である。デバイス１００は、第１の面１５６および第２の面１６０を有する基板１０２を含む。基板１０２は、第１の面１７０および第２の面１７４を有するハンドルウェハ１０４（例えば、好ましくは、約１〜１０オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有する導電性のシリコンウェハ）を含む。基板１０２は、第１の酸化物材料層１０８および第２の酸化物材料層１１２も含む。第１の酸化物材料層１０８は、ハンドルウェハ１０４の第１の面１７０上に配置される。第２の酸化物材料層１１２は、ハンドルウェハ１０４の第２の面１７４上に配置される。ある実施形態では、酸化物材料層は、ハンドルウェハ１０４の表面上に熱成長されるシリコン酸化物の層である。
【００３１】
基板１０２は、第１の酸化物材料層１０８上に配置されている第１のシリコン窒化物層１１６も含む。基板１０２は、第２の酸化物材料層１１２上に配置されている第２のシリコン窒化物層１２０も含む。ある実施形態では、シリコン窒化物層は、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ：ｌｏｗ  ｐｒｅｓｓｕｒｅ  ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスを用いて付着される。この実施形態では、基板１０２の第１の面１５６は、第１のシリコン窒化物層１１６の第１の面でもある。被膜内の窒素に対するシリコンの比率を変化させることによって、材料内の応力を制御することが可能である。懸垂膜を含むデバイスの場合は、被膜の応力を適度な引張になるように調整することが望ましい（例えば、５０〜２００Ｍｐａの引張応力を有する低応力ＬＰＣＶＤシリコン窒化膜）。
【００３２】
デバイス１００は、基板１０２の第１の面１５６上に配置されている（本明細書では一般に隣接して配置されているとも言及されている）第１の電極材料層１２４も含む。ある実施形態では、第１の電極材料層１２４（および他の電極材料層）は、基板１０２の第１の面１５６上にスパッタされるモリブデンである。モリブデンは、良好な接着性を有する高温金属であるため、電極材料層として使用される。モリブデンの高温性能によって、次の材料層（例えば、窒化アルミニウム圧電層およびシリコン酸化物層）を付着させることが可能になる。圧電材料およびシリコン酸化物材料を付着させるためのプロセス温度は、一般に３００℃を超えるが、モリブデンはこの条件下で劣化しない。さらに、モリブデンは、多くの圧電材料および酸化物材料とともに使用される場合に良好な接着性を有する。ただし、集積回路設計でよく見られる他の金属および他の導電性材料を、電極材料層として使用することも可能である。
【００３３】
ある実施形態では、第１の電極材料層１２４を塗布する前に、まず中間層が基板１０２の第１の面１５６に塗布される。一実施形態では、中間層は、第１の電極材料層１２４を基板１０２に後から接着しやすくする。一般に、中間材料層は、例えば、２つの材料間の結合を強化したり、一方の材料層を他方から電気的または化学的に分離したりするために、製造中に使用されることが多い。
【００３４】
デバイス１００は、第１の電極材料層１２４上に配置されている圧電材料層１２８も含む。ある実施形態では、圧電材料層１２８は、例えば、窒化アルミニウムを反応性スパッタすることによって基板に塗布される、例えば、窒化アルミニウムである。あるいはまた、他の適切な微細加工技術を用いて、第１電極材料層１２４上に圧電材料層１２８を塗布してもよい。デバイス１００は、圧電材料層１２８上に配置されている第２の電極材料層１３２も含む。この実施形態では、第２の電極材料層１３２は、複数の電極１３２ａを含む。第２の電極材料層１３２は、電極１３２ａと電気的に連絡している電極接続パッド１３２ｂも含む。電極接続パッド１３２ｂは、電極１３２ａ上に塗布される次の材料層（例えば、分離材料層１４０）が電極接続パッド１３２ｂを覆わないように、電極１３２ａに隣接して配置される。このようにして、電極接続パッド１３２ｂは、電極１３２ａと電気的に接続することができる。
【００３５】
ビア１７８が、第１の電極材料層１２４に配置されて、圧電材料層１２８へのアクセスを提供する。ビア１７８は、多くの適切な半導体製造プロセスを用いて形成することが可能である。例えば、ビア１７８を形成したい場所以外にあるエッチング液からデバイス１００の表面を保護するように、フォトレジスト材料をデバイス１００上に塗布することが可能である。デバイス１００と電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層１４４を電極接続パッド１３２ｂに塗布することが可能である。さらに、デバイス１００と別の電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層１４８を第１の電極材料面１２４に塗布することが可能である。
【００３６】
デバイス１００は、また、例えば、エッチングプロセスによって形成されるキャビティ１５２を基板１０２内に画定する。この実施形態では、キャビティ１５２は、ハンドルウェハ１０４の結晶格子構造の拘束を受けるエッチングプロセスを用いて形成された。一例として、シリコンウェハをエッチングするために使用される異方性エッチング液によってキャビティが形成されるが、キャビティ内のハンドルウェハ１０４の壁の角度は、ハンドルウェハ１０４の結晶格子構造と一致する角度Θになっている。これに対して、等方性エッチング液は、ハンドルウェハの結晶格子構造の拘束を受けない。キャビティ１５２を形成する場合に露出される酸化物層１０８の一部は、エッチングプロセスを用いて除去される。一般に、等方性エッチングを用いて、酸化物層材料層１０８の露出部を除去する。
【００３７】
代替の実施形態では、代わりに異方性ドライエッチングを用いてシリコンウェハのエッチングを行い、ハンドルウェハ１０４の壁の角度がＸ軸に垂直なＹ軸と一致しているキャビティを形成する。例えば、このような形状を得るために、深堀り反応性イオンエッチングプロセスが一般に用いられる。
【００３８】
基板１０２は、アンダーカット１１６が第１のシリコン窒化物層１１６とハンドルウェハ１０４との間に存在する領域も有する。この実施形態では、アンダーカット１１６は、第１のシリコン窒化物層１１６とハンドルウェハ１０４との間に配置されている第１の酸化物材料層１０８の一部をエッチングするエッチングプロセスを用いて形成された。実際には、アンダーカット１１６は、膜１８２の境界条件を改善することが分かっており、そこで膜１８２がキャビティ１５２と接触してデバイス１００の性能を向上させる。
【００３９】
デバイス１００のキャビティ１５２は、第１のシリコン窒化物層１１６を露出し、これによって、懸垂膜１８２を画定する。電極材料層１３２および１２４は、ユーザまたはコンピュータが膜１８２の振動特性をモニタすることができるように構成されている。一実施形態では、計測／制御用電子機器（図示せず）は、電極材料層の少なくとも１つの電極に（電気接続金属層を介して）時間変動信号を印加することによって、膜１８２に振動を生じさせる。計測／制御用電子機器は、電極材料層の少なくとも第２の電極からセンサ信号を受信することによって、膜１８２の振動特性もモニタする。ある実施形態では、第１および第２の電極材料層１２４および１３２によって出力される信号は、流体環境と相互作用するデバイス１００（または、例えば、流体環境と相互作用する圧電材料層を組み込んでいる構造）の伝播特性（例えば、音波の伝播特性）を表す。ある実施形態では、第１および第２の電極材料層１２４および１３２によって出力される信号は、流体中の物質またはデバイスの表面に付着された物質と相互作用しているデバイスの伝播特性（例えば、音波の伝播特性）を表す。計測／制御用電子機器は、基準信号を第２の組の電極からの信号と比較して、信号の相対振幅および位相角の変化を周波数の関数として決定する。計測／制御用電子機器は、これらの変化を読み取って膜１８２の表面と接触する特定物質の存在を検知する。
【００４０】
ある実施形態では、膜１８２は、デバイス１００が曲げ板波（ＦＰＷ：ｆｌｅｘｕｒａｌ  ｐｌａｔｅ  ｗａｖｅ）デバイスになるように構成され、ＦＰＷデバイスでは、第２の電極材料層１３２ａが２組の互いにかみ合っている電極（作動用の１組および検知用の１組）を有するように構成される。ＦＰＷデバイスの曲げおよび引張時にはひずみエネルギが伝わる。ある実施形態では、ＦＰＷデバイスの膜厚対波長比が１未満であること、ある場合には１より大幅に小さくなることが望ましい。一般には、ＦＰＷデバイスの波長「λ」は、互いにかみ合っている電極のピッチにほぼ等しい。一実施形態では、ＦＰＷデバイスの膜厚対波長比は、約２μｍ／３８μｍである。他の実施形態では、ＦＰＷデバイスは、特定モード（例えば、０次モードから高次モードの任意のモード）、すなわちデバイスに関連するモードの帯域幅を分離するように設計される。例えば、２μｍ／３８μｍの膜厚／波長を有するＦＰＷデバイスは、ＦＰＷデバイスの８０次モードを分離することになる。ＦＰＷデバイスは、デバイス上に付着された互いにかみ合っている電極の特定パターンを選択することによって、この効果が得られるように設計することが可能である。この実施形態では、ＦＰＷデバイスは、形状が長方形である。あるいは、ＦＰＷデバイスは、円形、楕円形、または他の何らかの平面形状であってもよい。
【００４１】
この実施形態では、デバイス１００は、流体環境で使用される。デバイス１００は、領域１８６にある流体にさらされる。本発明のこの実施形態では、デバイス１００は、第２の電極材料層１３２ａ上に配置されている分離材料の層１３６を含む。このようにして、第２の電極材料層１３２ａの少なくとも一部は、領域１８６にある流体から分離される。ある実施形態では、分離材料層１３６は、第２の電極材料層を領域１８６の流体から化学的に分離する。ある実施形態では、分離材料層１３６は、第２の電極材料層を領域１８６の流体から電気的に分離する。ある実施形態では、分離材料層１３６は、第２の電極材料層を領域１８６の流体から化学的にも電気的にも分離する。
【００４２】
ある実施形態では、分離材料層１３６は、例えば、低温化学気相成長（ＣＶＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ  ｖａｐｏｒ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）プロセスによってデバイス１００に塗布される、例えば、シリコン酸化物である。集積回路設計に共通な他の分離材料または誘電体層材料を使用することも可能である。あるいは、他の適切な微細加工技術を用いて、第２の電極材料層１３２ａ上に分離材料層１３６を塗布してもよい。ある実施形態では、微細加工デバイス１００上に物質を固定させやすくするために、固定材料（例えば、金または別の適切な材料）の層が配置される。デバイス１００上に固定可能な物質としては、例えば、抗体、全細胞、バクテリア、酵母、菌類、血球、解離組織細胞、胞子、ウィルス、タンパク質、脂質、炭水化物、核酸、ペプチド、および小分子が挙げられる。デバイス１００は、例えば、生物学的物質がデバイス１００の検知面上に固定される場合のバイオセンサとして使用することが可能である。例えば、デバイス表面上に固定された抗体を使用して、流体中にある対応するタンパク質を捕獲することが可能である。
【００４３】
デバイス１００は、分離材料層１３６上に配置されている導電性材料層１４０（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコン、チタン、金などの半導体、またはその組み合わせ）も含む。ある実施形態では、金などの金属層を付着させる前に、まずチタン材料の層が分離材料層１３６の表面上に付着される。この実施形態では、チタン材料の層を用いて、金の層とデバイス１００との間の接着を促進させる。ある実施形態では、導電性材料層１４０の電位を導電性材料層１４０との電気接続（図示せず）を介して制御することによって、デバイス１００と、領域１８６にある流体（または、流体中の物質、またはデバイス１００の表面上に固定された物質、またはデバイス１００に拘束された物質）との間の相互作用を最小限に抑える。ある実施形態では、導電性材料層は、領域１８６の流体と分離材料層１３６との間の流体インターフェース／バリアである。
【００４４】
ある実施形態では、導電性材料層１４０（例えば、金）も使用される。これは導電性材料層１４０を使用することで、バイオセンサ用として金の表面上に生体分子を後から固定するためにデバイス１００に界面化学作用を適用することを可能にするためである。このように、導電性材料層は、微細加工デバイス１００上に物質（例えば、生体物質）を固定しやすくするための固定材料層として機能する。例えば、チオール法が金被覆表面上に生体物質を固定する手段として利用されることが多い。
【００４５】
図２は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイス２００の概略図である。デバイス２００は、第１の面２５６および第２の面２６０を有する基板２０２を含む。基板２０２は、第１の面２７０および第２の面２７４を有するハンドルウェハ２０４（例えば、好ましくは、約１〜１０オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有する導電性のシリコンウェハ）を含む。
【００４６】
基板２０２は、ハンドルウェハ２０４の第１の面２７０上に配置されている第１のシリコン窒化物層２１６も含む。基板２０２は、ハンドルウェハ２０４の第２の面２７４上に配置されている第２のシリコン窒化物層２２０も含む。この実施形態では、基板２０２の第１の面２５６は、第１のシリコン窒化物層２１６の第１の面でもある。
【００４７】
デバイス２００は、基板２０２の第１の面２５６上に配置されている（本明細書では一般に隣接して配置されているとも称される）第１の電極材料層２２４も含む。ある実施形態では、第１の電極材料層２２４を基板２０２に後から接着しやすくするために、第１の電極材料層２２４を塗布する前に、まず中間層が基板２０２の第１の面２５６に塗布される。
【００４８】
デバイス２００は、第１の電極材料層２２４上に配置されている圧電材料層２２８も含む。デバイス１００は、圧電材料層２２８上に配置されている第２の電極材料層２３２も含む。この実施形態では、第２の電極材料層２３２は、複数の電極２３２ａを含む。第２の電極材料層２３２は、電極２３２ａと電気的に連絡している電極接続パッド２３２ｂも含む。電極接続パッド２３２ｂは、電極２３２ａ上に塗布される次に続く材料層（例えば、分離材料層２４０）が電極接続パッド２３２ｂを覆わないように、電極２３２ａに隣接して配置される。このようにして、電極接続パッド２３２ｂは、電極２３２ａと電気的に接続することができる。
【００４９】
ビア２７８が、第１の電極材料層２２４に配置されて、圧電材料層２２８へのアクセスを提供する。デバイス２００との電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層２４４が電極接続パッド２３２ｂに塗布される。さらに、デバイス２００との別の電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層２４８が第１の電極材料面２２４に塗布される。
【００５０】
デバイス２００は、また、例えば、エッチングプロセスによって形成される、キャビティ２５２を基板２０２内に画定する。この実施形態では、キャビティ２５２は、ハンドルウェハ２０４の結晶格子構造の拘束を受けるエッチングプロセスを用いて形成された。一例として、シリコンウェハをエッチングするために使用される異方性エッチング液によってキャビティが形成されるが、キャビティ内のハンドルウェハ２０４の壁の角度は、ハンドルウェハ２０４の結晶格子構造と一致する角度Θになっている。これに対して、等方性エッチング液は、ハンドルウェハの結晶格子構造の拘束を受けない。本明細書で前述したのと同様に、デバイス２００のキャビティ２５２は、第１のシリコン窒化物層２１６を露出し、これによって懸垂膜２８２を画定する。
【００５１】
この実施形態では、デバイス２００は、流体環境で使用される。デバイス２００は、領域２８６にある流体にさらされる。本発明のこの実施形態では、デバイス２００は、第２の電極材料層２３２ａ上に配置されている分離材料の層２３６を含む。このようにして、第２の電極材料層２３２ａの少なくとも一部は、領域２８６にある流体から分離される。ある実施形態では、分離材料層２３６は、第２の電極材料層を領域２８６の流体から化学的に分離する。ある実施形態では、分離材料層２３６は、第２の電極材料層を領域２８６の流体から電気的に分離する。ある実施形態では、分離材料層２３６は、第２の電極材料層を領域２８６の流体から化学的にも電気的にも分離する。
【００５２】
ある実施形態では、分離材料層２３６は、例えば、低温化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによってデバイス２００に塗布される、例えば、シリコン酸化物である。ある実施形態では、微細加工デバイス２００上に物質を固定しやすくするために、固定材料（例えば、金または別の適切な材料）の層が分離材料層２３６上に配置される。
【００５３】
デバイス２００は、分離材料層２３６上に配置されている導電性材料層２４０（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコンなどの半導体、またはその組み合わせ）も含む。ある実施形態では、金などの金属層が付着される前に、まずチタン材料の層が分離材料層２３６の表面上に付着される。この実施形態では、チタン材料の層を用いて、金の層とデバイス２００との間の接着を促進させる。ある実施形態では、導電性材料層２４０の電位を導電性材料層２４０との電気接続（図示せず）を介して制御することによって、デバイス２００と、領域２８６にある流体（または、流体中の物質）との間の相互作用を最小に抑える。ある実施形態では、導電性材料層は、領域２８６の流体と分離材料層２３６との間のバリアである。
【００５４】
ある実施形態では、導電性材料層２４０（例えば、金）も使用される。これは導電性材料層２４０を使用することで、バイオセンサ用として金の表面上に生体分子を後から固定するためにデバイス２００に界面化学作用を適用することを可能にするためである。このように、導電性材料層は、微細加工デバイス２００上に物質（例えば、生体物質）を固定しやすくするための固定材料層として機能する。例えば、チオール法が金被覆表面上に生体物質を固定する手段として利用されることが多い。
【００５５】
図３は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイス３００の概略図である。デバイス３００は、第１の面３５６および第２の面３６０を有する基板３０２を含む。基板３０２は、第１の面３７０および基板３０２の第２の面３６０と同一の第２の面を有するハンドルウェハ３０４（例えば、好ましくは、約１〜１０オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有する導電性のシリコンウェハ）を含む。基板３０２は、また、ハンドルウェハ３０４の第１の面の上に配置された第１の酸化物材料層を含む。
【００５６】
基板３０２は、第１の酸化物材料層３０８上に配置されているシリコン材料の層３１６も含む。この実施形態では、基板３０２の第１の面３５６は、シリコン材料の層３１６の第１の面でもある。この実施形態では、シリコン材料の層３１６は、電極材料層として機能するのに充分な導電性を有する。一実施形態では、その電気抵抗が充分小さくなる（例えば、５０オーム／スクエア（Ω／□）未満のシート抵抗を示す）ように、ドーパントがシリコン材料の層３１６に注入される。
【００５７】
デバイス３００は、シリコン材料の層３１６上に配置されている圧電材料層３２８も含む。デバイス３００は、圧電材料層３２８上に配置されている第２の電極材料層３３２も含む。この実施形態では、第２の電極材料層３３２は、複数の電極３３２ａを含む。第２の電極材料層３３２は、電極３３２ａと電気的に連絡している電極接続パッド３３２ｂも含む。電極接続パッド３３２ｂは、電極３３２ａ上に塗布される次に続く材料層（例えば、分離材料層３４０）が電極接続パッド３３２ｂを覆わないように、電極３３２ａに隣接して配置される。このようにして、電極接続パッド３３２ｂは、電極３３２ａと電気的に接続することができる。
【００５８】
ビア３７８が、圧電材料層３２８に配置されて、（導電性を有する）シリコン材料の層３１６へのアクセスを提供する。デバイス３００との電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層３４４が電極接続パッド３３２ｂに塗布される。さらに、デバイス３００との別の電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層３４８がビア３７８の位置のシリコン材料の層３１６に塗布される。
【００５９】
デバイス３００は、また、例えば、エッチングプロセスによって形成されるキャビティ３５２を基板３０２内に画定する。この実施形態では、キャビティ３５２は、ハンドルウェハ３０４の結晶格子構造の拘束を受けるエッチングプロセスを用いて形成された。一例として、シリコンウェハをエッチングするために使用される異方性エッチング液によってキャビティが形成されるが、キャビティ内のハンドルウェハ３０４の壁の角度は、ハンドルウェハ３０４の結晶格子構造と一致する角度Θになっている。
【００６０】
本明細書で前述したのと同様に、デバイス３００のキャビティ３５２は、シリコン材料の層３１６を露出し、これによって懸垂膜３８２を画定する。基板３０２は、アンダーカット３１６がシリコン材料の層３１６とハンドルウェハ３０４との間に存在する領域も有する。この実施形態では、アンダーカット３１６は、シリコン材料の層３１６とハンドルウェハ３０４との間に配置されている第１の酸化物材料層３０８の一部をエッチングするエッチングプロセスを用いて形成された。
【００６１】
この実施形態では、デバイス３００は、流体環境で使用される。デバイス３００は、領域３８６にある流体にさらされる。本発明のこの実施形態では、デバイス３００は、第２の電極材料層３３２ａ上に配置されている分離材料の層３３６を含む。このようにして、第２の電極材料層３３２ａの少なくとも一部は、領域３８６にある流体から分離される。ある実施形態では、分離材料層３３６は、第２の電極材料層を領域３８６の流体から化学的に分離する。ある実施形態では、分離材料層３３６は、第２の電極材料層を領域３８６の流体（または流体中の物質、またはデバイス３００の表面上に固定された物質、またはデバイス３００に拘束された物質）から電気的に分離する。ある実施形態では、分離材料層３３６は、第２の電極材料層を領域３８６の流体から化学的にも電気的にも分離する。
【００６２】
デバイス３００は、分離材料層３３６上に配置されている導電性材料層３４０（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコンなどの半導体、またはその組み合わせ）も含む。ある実施形態では、まずチタン材料の層が分離材料層３３６の表面上に付着され、次いで金属（例えば、金）の層がチタン材料の層上に付着される。この実施形態では、チタン材料の層を用いて、金の層とデバイス３００との間の接着を促進させる。ある実施形態では、導電性材料層３４０の電位を導電性材料層３４０との電気接続（図示せず）を介して制御することによって、デバイス３００と、領域３８６にある流体（または、流体中の物質）との間の相互作用を最小限に抑える。ある実施形態では、導電性材料層は、領域３８６の流体と分離材料層３３６との間のバリアである。
【００６３】
ある実施形態では、導電性材料層３４０（例えば、金）も使用される。これは導電性材料層３４０を使用することで、バイオセンサ用として金の表面上に生体分子を後から固定するためにデバイス３００に界面化学作用を適用することを可能にするためである。このように、導電性材料層は、微細加工デバイス３００上に物質（例えば、生体物質）を固定しやすくするための固定材料層として機能する。例えば、チオール法が金被覆表面上に生体物質を固定する手段として利用されることが多い。
【００６４】
図４は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイス４００の概略図である。デバイス４００は、第１の面４５６および第２の面４６０を有する基板４０２を含む。基板４０２は、第１の面４７０および基板４０２の第２の面４６０と同一の第２の面を有するハンドルウェハ４０４（例えば、好ましくは、約１〜１０オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有する導電性のシリコンウェハ）を含む。基板４０２は、ハンドルウェハ４０４の第１の面４７０上に配置されている第１の酸化物材料層４０８も含む。
【００６５】
基板４０２は、第１の酸化物材料層４０８上に配置されているシリコン材料の層４１６も含む。この実施形態では、基板４０２の第１の面４５６は、シリコン材料の層４１６の第１の面でもある。この実施形態では、シリコン材料の層４１６は、電極材料層として機能するのに充分な導電性を有する。一実施形態では、その電気抵抗が充分小さくなる（例えば、５０オーム／スクエア（Ω／□）未満のシート抵抗を示す）ように、ドーパントがシリコン材料の層４１６に注入される。
【００６６】
デバイス４００は、シリコン材料の層４１６上に配置されている圧電材料層４２８も含む。デバイス４００は、圧電材料層４２８上に配置されている第２の電極材料層４３２も含む。この実施形態では、第２の電極材料層４３２は、複数の電極４３２ａを含む。第２の電極材料層４３２は、電極４３２ａと電気的に連絡している電極接続パッド４３２ｂも含む。電極接続パッド４３２ｂは、電極４３２ａ上に塗布される次に続く材料層（例えば、分離材料層４４０）が電極接続パッド４３２ｂを覆わないように、電極４３２ａに隣接して配置される。このようにして、電極接続パッド４３２ｂは、電極４３２ａと電気的に接続することができる。
【００６７】
ビア４７８が、また、圧電材料層４２８に配置されて、（導電性を有する）シリコン材料の層４１６にアクセスを提供する。デバイス４００との電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層４４４が電極接続パッド４３２ｂに塗布される。さらに、デバイス３００との別の電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層４４８がビア４７８の位置のシリコン材料の層４１６に塗布される。
【００６８】
デバイス４００は、また、例えば、エッチングプロセスによって形成されるキャビティ４５２を基板４０２内に画定する。この実施形態では、キャビティ４５２は、ハンドルウェハ４０４の結晶格子構造の拘束を受けるエッチングプロセスを用いて形成された。一例として、シリコンウェハをエッチングするために使用される異方性エッチング液によってキャビティが形成されるが、キャビティ内のハンドルウェハ４０４の壁の角度は、Ｘ軸に垂直なＹ軸と一致している。例えば、このような形状を得るために、深堀り反応性イオンエッチングプロセスが一般に用いられる。
【００６９】
本明細書で前述したのと同様に、デバイス４００のキャビティ４５２は、シリコン材料の層４１６を露出し、これによって懸垂膜４８２を画定する。基板４０２は、アンダーカット４１６がシリコン材料の層４１６とハンドルウェハ４０４との間に存在する領域も有する。この実施形態では、アンダーカット４１６は、シリコン材料の層４１６とハンドルウェハ４０４との間に配置されている第１の酸化物材料層４０８の一部をエッチングするエッチングプロセスを用いて形成された。
【００７０】
この実施形態では、デバイス４００は、流体環境で使用される。デバイス４００は、領域４８６にある流体にさらされる。本発明のこの実施形態では、デバイス４００は、第２の電極材料層４３２ａ上に配置されている分離材料の層４３６を含む。このようにして、第２の電極材料層４３２ａの少なくとも一部は、領域４８６にある流体から分離される。ある実施形態では、分離材料層４３６は、第２の電極材料層を領域４８６の流体から化学的に分離する。ある実施形態では、分離材料層４３６は、第２の電極材料層を領域４８６の流体（または流体中の物質、またはデバイス４００の表面上に固定された物質、またはデバイス４００に拘束された物質）から電気的に分離する。ある実施形態では、分離材料層４３６は、第２の電極材料層を領域４８６の流体から化学的にも電気的にも分離する。
【００７１】
デバイス４００は、分離材料層４３６上に配置されている導電性材料層４４０（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコンなどの半導体、またはその組み合わせ）も含む。ある実施形態では、金などの金属層が付着される前に、まずチタン材料の層が分離材料層４３６の表面上に付着される。この実施形態では、チタン材料の層を用いて、金の層とデバイス４００との間の接着を促進させる。ある実施形態では、導電性材料層４４０の電位を導電性材料層４４０との電気接続（図示せず）を介して制御することによって、デバイス４００と、領域４８６にある流体（または、流体中の物質）との間の相互作用を最小限に抑える。ある実施形態では、導電性材料層は、領域４８６の流体と分離材料層４３６との間のバリアである。
【００７２】
ある実施形態では、導電性材料層４４０（例えば、金）も使用される。これは導電性材料層４４０を使用することで、バイオセンサ用として金の表面上に生体分子を後から固定するためにデバイス４００に界面化学作用を適用することを可能にするためである。このように、導電性材料層は、微細加工デバイス４００上に物質（例えば、生体物質）を固定しやすくするための固定材料層として機能する。例えば、チオール法が金被覆表面上に生体物質を固定する手段として利用されることが多い。
【００７３】
図５は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイス５００の概略図である。デバイス５００は、第１の面５５６および第２の面５６０を有する基板５０２を含む。基板５０２は、第１の面５７０および第２の面５７４を有するハンドルウェハ５０４（例えば、好ましくは、約１〜１０オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有する導電性のシリコンウェハ）を含む。基板５０２は、第１の酸化物材料層５０８および第２の酸化物材料層５１２も含む。第１の酸化物材料層５０８は、ハンドルウェハ５０４の第１の面５７０上に配置される。第２の酸化物材料層５１２は、ハンドルウェハ５０４の第２の面５７４上に配置される。
【００７４】
基板５０２は、第１の酸化物材料層５０８上に配置されている第１のシリコン窒化物層５１６も含む。基板５０２は、第２の酸化物材料層５１２上に配置されている第２のシリコン窒化物層５２０も含む。ある実施形態では、シリコン窒化物層は、減圧化学気相成長（ＬＰＣＶＤ）プロセスを用いて付着される。被膜内の窒素に対するシリコンの比率を変化させることによって、応力を制御することが可能である。懸垂膜を含むデバイスの場合は、被膜の応力を適度な引張になるように調整するのが望ましい（例えば、５０〜２００Ｍｐａの引張応力を有する低応力ＬＰＣＶＤシリコン窒化膜）。この実施形態では、基板５０２の第１の面５５６は、第１のシリコン窒化物層５１６の第１の面でもある。
【００７５】
デバイス５００は、第１の電極材料層５２４も含む。この実施形態では、第１の電極材料層５２４は、複数の電極５２４ａを含む。第２の電極材料層５２４は、電極５２４ａと電気的に連絡している電極接続パッド５２４ｂも含む。電極接続パッド５２４ｂは、電極５２４ａ上に塗布される次に続く材料層（例えば、分離材料層５４０）が電極接続パッド５２４ｂを覆わないように、電極５２４ａに隣接して配置される。このようにして、電極接続パッド５２４ｂは、電極５２４ａと電気的に接続することができる。
【００７６】
デバイス５００は、第１の電極材料層５２４上に配置されている圧電材料層５２８も含む。ある実施形態では、圧電材料層５２８は、例えば、窒化アルミニウムを反応性スパッタすることによって基板に塗布される、例えば、窒化アルミニウムである。あるいはまた、他の適切な微細加工技術を用いて、第１電極材料層５２４上に圧電材料層５２８を塗布してもよい。
【００７７】
デバイス５００は、圧電材料層５２８上に配置されている第２の電極材料層５３２も含む。ビア５７８が、電極接続パッド５２４ｂにアクセスする圧電材料層５２８に配置される。ビア５７８は、多くの適切な半導体製造プロセスを用いて形成することが可能である。デバイス５００との電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層５４８が第２の電極材料面５３２に塗布される。さらに、デバイス５００との別の電気接続を取りやすくするために、任意の電気接続金属層５４４が第１の電極材料面５２４ｂに塗布される。
【００７８】
デバイス５００は、また、例えば、エッチングプロセスによって形成されるキャビティ５５２を基板５０２内に画定する。この実施形態では、キャビティ５５２は、ハンドルウェハ５０４の結晶格子構造の拘束を受けるエッチングプロセスを用いて形成された。エッチング液によって、ハンドルウェハ５０４の壁の角度がハンドルウェハ５０４の結晶格子構造と一致する角度Θになっているキャビティが形成される。
【００７９】
本明細書で前述したのと同様に、デバイス５００のキャビティ５５２は、第１のシリコン窒化物層５１６を露出し、これによって懸垂膜５８２を画定する。基板５０２は、アンダーカット５１６が第１のシリコン窒化物層５１６とハンドルウェハ５０４との間に存在する領域も有する。
【００８０】
この実施形態では、デバイス５００は、流体環境で使用される。デバイス５００は、領域５８６にある流体にさらされる。本発明のこの実施形態では、デバイス５００は、第２の電極材料層５３２上に配置されている分離材料の層５３６を含む。このようにして、第２の電極材料層５３２の少なくとも一部は、領域５８６にある流体から分離される。ある実施形態では、分離材料層５３６は、第２の電極材料層を領域５８６の流体（または流体中の物質、またはデバイスの表面上に固定された物質、またはデバイスに拘束された物質）から化学的に分離する。
【００８１】
ある実施形態では、分離材料層５３６は、例えば、低温化学気相成長（ＣＶＤ）プロセスによってデバイス５００に塗布される、例えば、シリコン酸化物である。集積回路設計に共通な他の分離材料または誘電体層材料を使用することも可能である。あるいは、他の適切な微細加工技術を用いて、第２の電極材料層５３２上に分離材料層５３６を塗布してもよい。ある実施形態では、微細加工デバイス５００上に物質の固定を促進するために、分離材料層５３６の上に固定材料（例えば、金または別の適切な材料）の層が配置される。デバイス５００上に固定可能な物質としては、例えば、全細胞、バクテリア、酵母、菌類、血球、解離組織細胞、胞子、ウィルス、タンパク質、抗体、脂質、炭水化物、核酸、ペプチド、および小分子が挙げられる。
【００８２】
デバイス５００は、分離材料層５３６上に配置されている導電性材料層５４０（例えば、金、銀、またはアルミニウムなどの金属、またはシリコンなどの半導体、またはその組み合わせ）も含む。ある実施形態では、まずチタン材料の層が分離材料層５３２の表面上に付着され、次いで金属（例えば、金）の層がチタン材料の層上に付着される。この実施形態では、チタン材料の層を用いて、金の層とデバイス５００との間の接着を促進させる。ある実施形態では、導電性材料層５４０の電位を導電性材料層５４０との電気接続（図示せず）を介して制御することによって、デバイス５００と、領域５８６にある流体（または、流体中の物質、またはデバイス５００の表面上に固定された物質、またはデバイス５００に拘束された物質）との間の相互作用を最小限に抑える。ある実施形態では、導電性材料層は、領域５８６の流体と分離材料層５３６との間のバリアである。
【００８３】
ある実施形態では、導電性材料層５４０（例えば、金）も使用される。これは導電性材料層５４０を使用することで、バイオセンサ用として金の表面上に生体分子を後から固定するためにデバイス５００に界面化学作用を適用することを可能にするためである。このように、導電性材料層は、微細加工デバイス５００上に物質（例えば、生体物質）を固定しやすくするための固定材料層として機能する。
【００８４】
図６は、本発明の例示的な実施形態に従う、微細加工デバイス（例えば、図１の微細加工デバイス１００）の製造方法６００を示す流れ図である。方法６００は、シリコンウェハ（例えば、ハンドルウェハ１０４）上に酸化物材料層（例えば、第１の酸化物材料層１０８）を付着させることを含む。ある実施形態では、厚さ１ミクロンの熱酸化物の層を、厚さ５００ミクロンのシリコンウェハ（約４〜６オームセンチメートル（Ω・ｃｍ）の抵抗率を有するＰ型ホウ素ドープシリコン）上に形成または付着させる（ステップ６０４）。ある実施形態では、（約０．１ミクロンと約１０ミクロンとの間の膜厚を有する）酸化物材料層を、シリコンウェハの上面および下面（例えば、第１の面１５６および第２の面１６０）上に付着させる。ある実施形態では、ハンドルウェハは、約３５０ミクロンと約１，０００ミクロンの間の厚さを有する。
【００８５】
方法６００は、酸化物材料層上にシリコン窒化物材料層を付着させること（ステップ６０８）も含む。一実施形態では、ＬＰＣＶＤプロセスを用いて、厚さ２ミクロンの低応力シリコン窒化物の層を酸化物材料層上に付着させる。適切な引張応力（５０〜２００ＭＰａ）を有するシリコン窒化物層を得るために付着条件を選択する。ある実施形態では、低応力シリコン窒化物層は、約０．１ミクロンと約１０ミクロンの間の膜厚を有する。ある実施形態では、シリコンウェハの上面および下面上に前もって付着させた酸化物材料層上に酸化物材料層を付着させる。
【００８６】
方法６００は、シリコン窒化物層上に第１の電極材料層を形成すること（ステップ６１２）も含む。一実施形態では、例えば、スパッタプロセスを用いて、シリコン窒化物層上に厚さ１５００オングストロームのモリブデンの層を付着させる。ある実施形態では、第１の電極材料層は、シリコン窒化物層を実質的に覆い、微細加工デバイスの動作中に接地面として使用される。ある実施形態では、第１の電極材料層は、約５００オングストロームと約１０，０００オングストロームの間の膜厚を有する。
【００８７】
方法６００は、第１の電極材料層上に圧電材料層を付着させること（ステップ６１６）も含む。一実施形態では、反応性スパッタプロセスを用いて、厚さ５０００オングストローム（Å）の窒化アルミニウムの層を電極材料層（例えば、第１の電極材料層１２４）上に付着させる。ある実施形態では、圧電材料層は、約０．１ミクロンと約３ミクロンの間の膜厚である。
【００８８】
方法６００は、圧電材料層上に第２の電極材料層を形成すること（ステップ６２０）も含む（例えば、圧電材料層１２８上の第２の電極材料層１３２）。一実施形態では、スパッタプロセスを用いて、厚さ２０００オングストロームのモリブデンの層を圧電材料層上に付着させる。フォトレジスト材料を第２の電極材料層に塗布し（ステップ６２０内で塗布）、次いで、エッチングすることにより第２の電極材料層に特定の電極パターンを形成する。例えば、ある実施形態では、第２の電極材料層をフォトレジストで覆い、次いで、エッチングすることにより第２の電極材料層に１つ以上の電極（例えば、互いにかみ合っている電極）を形成する。１つ以上の電極は、例えば、作動電極および検知電極として使用することが可能である。しかしながら、ある実施形態では、フォトレジスト材料を第１の電極材料層に塗布し（ステップ６１２内で塗布）、次いで、エッチングすることにより第１の電極材料層に特定の電極パターンを形成する。ある実施形態では、第２の電極材料層は、圧電材料層を実質的に覆い、微細加工デバイスの動作中に接地面として使用される。ある実施形態では、第２の電極材料層は、約５００オングストロームと約１０，０００オングストロームの間の膜厚を有する。
【００８９】
方法６００は、第２の電極材料層上に分離材料層を形成すること（ステップ６２４）も含む。ある実施形態では、低温化学気相成長プロセスを用いて、厚さ１０００オングストロームの低温シリコン酸化物の層を第２の電極材料層上に付着させる。ある実施形態では、分離材料層は、約５００オングストロームと約１０，０００オングストロームの間の膜厚を有する。次いで、分離材料層を処理して分離材料層を貫通する１つ以上のビアを形成することによって、下層の材料層にアクセスすることが可能になる。例えば、フォトレジストを分離材料層に塗布した後でエッチングすることによって、分離材料層および圧電材料層を貫通する１つ以上のビアを形成することができる。これにより第１の電極材料層を露出させ、第１の電極材料層に電気的にアクセスすることが可能になる。さらに、別のプロセスステップを実施することが可能であり、このプロセスステップでは、フォトレジストを分離材料層に塗布した後でエッチングすることによって、第２の電極材料層に電気的にアクセスすることが可能になる。
【００９０】
方法６００は、分離材料層上に導電性材料層を付着させること（ステップ６２８）も含む。ある実施形態では、例えば、蒸着プロセスまたはスパッタプロセスを用いて、厚さ１００オングストロームのチタンの層を分離材料層上に付着させる。次いで、例えば、蒸着プロセスまたはスパッタプロセスを用いて、厚さ１０００オングストロームの金の層をチタンの層上に付着させる。ある実施形態では、導電性材料層は、約５００オングストロームと約１０，０００オングストロームの間の膜厚を有する。方法６００は、電極材料層の露出した場所の上に接続金属層（例えば、電気接続金属層１４４および１４８）を付着させることを任意に含んでもよい。接続金属層の材料は、導電性材料層で使用する材料と同じ材料でも異なる材料でもよい。
【００９１】
方法６００は、微細加工デバイスの一部を貫通するキャビティを形成すること（ステップ６３６）も含む。例えば、図１に関して、ステップ６３６は、第２のシリコン窒化物層１２０、第２のシリコン酸化物層１１２、ハンドルウェハ２０４、および第１のシリコン酸化物層１０８を貫通して、第１のシリコン窒化物層１１６を露出するキャビティ１５２を形成し、これにより膜１８２を形成することを含む。一実施形態では、デバイスの反対側を保護し、次いで、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液（例えば、ＫＯＨ槽）を使用することによってキャビティを形成する。
【００９２】
方法６００は、例えば、図１に関して本明細書で述べたのと同様に、第１の酸化物材料層の一部をエッチングして、第１のシリコン窒化物層とシリコンウェハとの間にアンダーカットを形成すること（ステップ６４０）も含む。一実施形態では、緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ：ｂｕｆｆｅｒｅｄ  ｏｘｉｄｅ  ｅｔｃｈｉｎｇ）プロセスまたは希フッ化水素（ＨＦ：ｈｙｄｒｏｆｌｕｏｒｉｃ）酸エッチングプロセスを用いてアンダーカットを形成する。方法６００は、個別のデバイス／チップを形成するこれまでのステップによって製造されたウェハをダイシングすること（ステップ６４４）も含む。
【００９３】
図７は、本発明の例示的な実施形態に従う、微細加工デバイス（例えば、図４の微細加工デバイス４００）の製造方法７００を示す流れ図である。方法７００は、シリコンウェハ（例えば、ハンドルウェハ４０４）上に酸化物材料層（例えば、第１の酸化物材料層４０８）を付着させることを含む。方法７００は、酸化物材料層上にシリコン材料層を付着させることも含む。シリコンウェハ（例えば、ハンドルウェハ４０４）、酸化物材料層（例えば、酸化物材料層４０８）、およびシリコン材料層（例えば、シリコン材料層４１６）を組み合わせて、シリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ：ｓｉｌｉｃｏｎ  ｏｎ  ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（例えば、基板４０２）を製造する。この実施形態では、シリコン材料層（例えば、シリコン材料層４１６）の抵抗率は、シリコン材料層がデバイスの電気的接地面として機能するのに充分な値である。
【００９４】
方法７００は、シリコン材料層上に圧電材料層を付着させること（ステップ７１６）も含む。方法７００は、圧電材料層上に第２の電極材料層を形成すること（ステップ７２０）も含む（例えば、圧電材料層４２８上の第２の電極材料層４３２）。フォトレジスト材料を第２の電極材料層に塗布し（ステップ７２０内で塗布）、次いで、エッチングすることにより第２の電極材料層に特定の電極パターンを形成する。例えば、ある実施形態では、第２の電極材料層をフォトレジストで覆い、次いで、エッチングすることにより第２の電極材料層に１つ以上の電極（例えば、互いにかみ合っている電極）を形成する。１つ以上の電極は、例えば、作動電極および検知電極として使用することが可能である。
【００９５】
方法７００は、第２の電極材料層上に分離材料層を形成すること（ステップ７２４）も含む。次いで、分離材料層を処理して分離材料層を貫通する１つ以上のビアを形成することによって、下層の材料層にアクセスすることが可能になる。例えば、フォトレジストを分離材料層に塗布した後でエッチングすることによって、分離材料層および圧電材料層を貫通する１つ以上のビアを形成することができる。これにより第１の電極材料層を露出させ、第１の電極材料層に電気的にアクセスすることが可能になる。さらに、別のプロセスステップを実施することが可能であり、このプロセスステップでは、フォトレジストを分離材料層に塗布した後にエッチングすることによって、第２の電極材料層に電気的にアクセスすることが可能になる。
【００９６】
方法７００は、分離材料層上に導電性材料層を付着させること（ステップ７２８）も含む。方法７００は、電極材料層の露出した場所（例えば、電極接続パッド４３２ｂ）の上に接続金属層（例えば、電気接続金属層４４４および４４８）を付着させることを任意に含んでもよい。接続金属層の材料は、導電性材料層で使用する材料と同じ材料でも異なる材料でもよい。
【００９７】
方法７００は、微細加工デバイスの一部を貫通するキャビティを形成すること（ステップ７３６）も含む。例えば、図４に関して、ステップ７３６は、ハンドルウェハ４０４、および第１のシリコン酸化物層４０８を貫通してシリコン層４１６を露出するキャビティ４５２を形成し、これにより膜４８２を形成することを含む。ある実施形態では、デバイスの反対側を保護し、次いで、深堀り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用することによってキャビティを形成する。
【００９８】
方法７００は、例えば、図４に関して本明細書で述べたのと同様に、第１の酸化物材料層の一部をエッチングして、シリコン層（シリコン層４１６）とシリコンウェハ（ハンドルウェハ４０４）との間にアンダーカットを形成すること（ステップ７４０）も含む。方法７００は、個別のデバイス／チップを形成するこれまでのステップによって製造されたウェハをダイシングすること（ステップ６４４）も含む。
【００９９】
図８は、微細加工デバイス（図１のデバイス１００）と、領域１８６の流体をデバイスの表面（例えば、導電性材料層１４０の表面）に導くために使用される流体経路８０４とを含む分析測定システム８００の一部を示す概略図である。経路８０４は、デバイス１００上に配置されているキャップ構造８０８によって形成される。キャップ構造８０８と圧電材料層１２８との間に配置されているシール８１２（例えば、ガスケット）によって、流体が領域１８６内に保持されるように（または、領域１８６中を流れる流体が流体経路８０４から漏れないように）、流体シールが保たれる。
【０１００】
本明細書に記載される内容の変更、改良、および他の実施は、当業者であれば、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく想到するものであり、いずれもが本発明に包含されると見なされる。したがって、本発明は、これまでの例示的な記載のみによって規定されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【０１０１】
【図１】図１は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスを示す概略図である。
【図２】図２は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスを示す概略図である。
【図３】図３は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスを示す概略図である。
【図４】図４は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスを示す概略図である。
【図５】図５は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスを示す概略図である。
【図６】図６は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスの製造方法を示す流れ図である。
【図７】図７は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスの製造方法を示す流れ図である。
【図８】図８は、本発明の例示的な実施形態に従う微細加工デバイスおよび流体経路を示す概略図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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