(57)【要約】【課題】  膜の形状が所望の形状となるように自在に制御できるメンブレン構造体およびその製造方法を提供する。【解決手段】  基板１１の一方面にＣＶＤ法によりＴＥＯＳを原料とするシリコン酸化膜やＮＳＧからなる薄膜１３を形成し、基板１１の他方面側から薄膜１３が残るように空間１２をエッチングで形成する。薄膜１３と空間１２とを形成した基板１１を炉内に収納して、必要とするたわみ量に応じて７００℃〜１０００℃のいずれかの温度に設定して加熱処理を行う。成膜後に熱処理することで緻密化し、熱処理後の残留応力を引張応力あるいは圧縮応力のいずれかに固定できる。【選択図】      図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に膜を形成した後に、膜全体に対して熱処理を施すことにより、熱処理後の膜の応力値を制御する、メンブレン構造体の製造方法。
【請求項２】
基板上に膜を形成した後に、膜全体に対して熱処理を施すことにより、熱処理後の膜のたわみ量を制御する、メンブレン構造体の製造方法。
【請求項３】
前記熱処理は、不活性ガスを用いて熱処理することを含む、請求項１または２に記載のメンブレン構造体の製造方法。
【請求項４】
前記熱処理は、酸素を用いて熱処理することを含む、請求項１または２に記載のメンブレン構造体の製造方法。
【請求項５】
前記膜の形成は、ＣＶＤ法によりＴＥＯＳ膜あるいはＮＳＧ膜を形成することを含む、請求項１から４のいずれかに記載のメンブレン構造体の製造方法。
【請求項６】
その一方面から他方面に貫通する空間を有する基板と、
前記空間を覆うように前記基板の一方面に形成され、成膜後に、さらに膜の特性を調整するための熱処理を行った膜とを備える、メンブレン構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、メンブレン構造体およびその製造方法に関し、例えば、たんぱく質を解析するプロティンチップなどのメンブレン構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７はプロティンチップの外観斜視図であり、図８は図７に示す線ＡーＡに沿う断面図であり、図９はプロティンチップの他の例を示す断面図であり、図１０は従来のプロティンチップの問題点を説明するための図である。
【０００３】
プロティンチップは、図７および図８に示すように、内部に空間２が形成された円筒状のシリコンからなる基板１を含み、空間２の一方側上を覆うように基板１の一方面上に薄膜３が形成され、空間２の他方側は開口されて、メンブレン構造として構成されている。別の例としては、図９に示すように基板１上に微細な孔４が多数形成された多孔性薄膜５を形成したものがある。図８および図９のプロンテインチップは、分析条件によっていずれを使用するかが選択される。
【０００４】
薄膜３あるいは多孔性薄膜５は、流体が通過する熱酸化膜で形成されており、膜厚が厚いと加工精度が問題となり、膜厚があまり薄いと流体が通過するときに破損する可能性があるので強度的にある程度の厚さが必要とされる。このため、薄膜３あるいは多孔性薄膜５は、例えば２μｍの厚みで形成されており、多孔性薄膜５における微細な孔４の直径は例えば０．４μｍの大きさに形成されている。
【０００５】
ところで、薄膜３および多孔性薄膜５は、基板１に対して熱膨張係数が異なっている。このため、成膜時には膜が平坦に形成されていても、処理後に温度の低下に伴って膜の外側から内側に向かって圧縮応力が作用するので、空間２上の部分が緩んだ状態になる。このため、形状的に不安定な状態になり、図１０の点線で示すようにたわみを生じ、空間２上の薄膜３が凸状に膨らんだり、あるいは凹状に垂れ下がったり、さらには凹凸のように波打ったりして、均一に平坦な面にならないという性質を有している。このたわんだ部分が分析対象の通過に対して抵抗となり、空間２部分上の薄膜３および多孔性薄膜５の中心部と周辺部とで分析対象の通過量に差が生じてしまう。
【０００６】
このため、薄膜３および多孔性薄膜５を成膜後、常温に戻ったときでも可能な限り平坦化することが望まれている。このように膜を平坦化する方法として、特開平７−２４８０６１号公報（特許文献１）には、空間に対向するダイアフラム領域の中央部の、該領域より狭い部分に選択的にレーザ光を照射し、そこを局部的に加熱して平坦化するダイアフラムの製造方法について記載されている。
【特許文献１】特開平７−２４８０６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載された方法は、レーザ光を照射して局所的に加熱してダイアフラムを平坦化しているが、加熱する場所を正確に位置決めすることが困難になり、平坦化処理のために時間がかかってしまう。このため、正確な位置決めが可能な位置決め装置を必要とする。また、例えば６インチのシリコンウェハ上でレーザ光を照射するのは困難であり、汎用性および生産性の上で問題となる。
【０００８】
そこで、この発明の目的は、膜の形状が所望の形状となるように自在に制御できるメンブレン構造体およびその製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明は、基板上に膜を形成した後に、膜全体に対して熱処理を施すことにより、熱処理後の膜の応力値を制御する。膜を熱処理することで熱処理後の応力値を所定の値に固定できる。
【００１０】
この発明の他の局面は、基板上に膜を形成した後に、膜全体に対して熱処理を施すことにより、熱処理後の膜のたわみ量を制御する。熱処理後のたわみ量を制御することで、膜を平坦にしたり、所望の形状にすることが可能になる。
【００１１】
１つの実施形態では、熱処理は、不活性ガスを用いて熱処理することを含み、他の実施形態では、熱処理は、酸素を用いて熱処理することを含む。
【００１２】
好ましくは、膜の形成は、ＣＶＤ法によりＴＥＯＳ膜あるいはＮＳＧ膜を形成することを含む。
【００１３】
この発明の他の局面は、その一方面から他方面に貫通する空間を有する基板と、空間を覆うように基板の一方面に形成され、成膜後に、さらに膜の特性を調整するための熱処理を行った膜とを備える。
【発明の効果】
【００１４】
この発明によれば、成膜後に膜を熱処理することで、メンブレン構造体における膜の形状が所望の形状となるように自在に制御できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図１はこの発明の一実施形態におけるメンブレン構造体の断面図であり、図２はメンブレン構造体の他の例を示す断面図であり、図３は薄膜を形成したときに薄膜が凸状または凹状になった例を示している。
【００１６】
図１において、シリコンからなる基板１１には、一方面から他方面に貫通する空間１２が形成されており、空間１２上を覆うように基板１１の一方面上に薄膜１３が形成されてメンブレン構造体１０が構成されている。したがって、薄膜１３の他方面は開口されている。薄膜１３は、図２に示すように多数の微細な孔１４が形成された多孔膜１５であってもよい。
【００１７】
薄膜１３としては、より好ましくは、例えばＴＥＯＳ（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ：テトラエトキシシラン）を原料とするシリコン酸化膜（ＳｉＯ２膜）やＮＳＧ（Ｎｏｎｄｏｐｅｄ  Ｓｉｌｉｃａ  Ｇｌａｓｓ）膜などの熱処理後の熱膨張係数を変化させることができるものが用いられる。これにより、絶縁性を備えたメンブレン構造体１０の応力を制御することができる。
【００１８】
成膜された薄膜１３は、形状的に不安定な状態であり、図３に示すように空間１２上部分が凸状になったり、凹状になったり、凹凸状に波打ったりしてしまう。これは、従来例でも説明したように、基板１１と薄膜１３との熱膨張率が異なることにより、成膜後に圧縮応力が残留応力として薄膜１３に作用するからである。
【００１９】
そこで、薄膜１３に熱処理を施して、メンブレン構造における膜応力を熱処理温度により制御する。すなわち、薄膜１３を炉内で熱処理して緻密化する。熱処理は、例えば不活性ガスである窒素（Ｎ２）を用いて行われるが、アルゴン（Ａｒ）などの他の不活性ガスまたは酸素（Ｏ２）などを用いてもよい。このような熱処理は、ウェハ状態でも処理可能であり、生産性を向上でき、また加熱する場所がウェハ全体であることにより、安定的に処理することが可能になるという利点がある。
【００２０】
図４は熱処理温度と応力値との関係を示し、図５は熱処理温度とたわみ量との関係を示している。
【００２１】
図４および図５はともに窒素を用いて熱処理した例であって、横軸に熱処理温度を示しており、図４は縦軸に応力値を示しており、中心より上側が圧縮応力であり、下側が引張応力である。図５は縦軸にたわみ量を示しており、中心より上側が＋のたわみ量を示し、下側が−のたわみ量を示している。なお、応力値とたわみ量はそれぞれの温度で熱処理したときの熱処理後における値を示している。
【００２２】
成膜後における薄膜１３の応力値は、図４に示すように圧縮応力値ａ１になっており、このときのたわみ量ｂ１は図５に示すように＋と−のいずれかの範囲内にあって不安定状態になっている。このため、薄膜１３は図３の実線で示すように平坦ではなく、点線で示すように凸あるいは凹の形状をしている。
【００２３】
しかし、この発明の一実施形態による熱処理を薄膜１３に施すことで、例えば、ＴＥＯＳを原料とするシリコン酸化膜のＳｉとＯ２の比率が変わることにより熱膨張係数が変化する。例えば、７００℃で熱処理した後の残留応力は引張応力値ａ２となり、たわみ量ｂ２を−側に固定でき、このときのたわみ量はわずかな値になる。
【００２４】
熱処理温度を８００℃、９００℃、１０００℃というように上げて熱処理すると、温度の上昇とともに残留応力値が圧縮応力値ａ３，ａ４，ａ５というように大きくなり、このときのたわみ量ｂ３，ｂ４，ｂ５も−側に大きくなっていく。したがって、薄膜１３のたわみ量が所定の値となるように熱処理温度を選択することで、薄膜１３を平坦にしたり、あるいはたわみ量を制御することができる。このようにたわみ量を制御することで、薄膜１３の強度を保ちながら、開口率を維持できる。
【００２５】
図６はこの発明の一実施形態におけるメンブレン構造体の製造方法を示す図である。まず、図６（Ａ）に示すようにシリコンからなる円柱状の基板１１が用意される。図６（Ｂ）に示すように、基板１１の一方面にＣＶＤ法によりＴＥＯＳを原料とするシリコン酸化膜やＮＳＧからなる薄膜１３を形成する。この薄膜１３は、ＴＥＯＳを原料とするときは、例えばＴＥＯＳ／Ｏ２：１９０／５のガスの圧力を０．４ｔｏｒｒに設定し、温度を６８０℃に選ぶことを成膜条件として形成できる。このとき薄膜１３は、例えば厚さがほぼ２μｍになるように基板１１上に形成される。
【００２６】
次に、基板１１の他方面にリング状にフォトレジストを塗布し、フォトリソグラフィの技術によって不要な部分を除去してレジストパターンをマスクとして、エッチングを行うことにより、図６（Ｃ）に示すように薄膜１３を残して、基板１１に空間１２を形成する。これにより基板１１は円筒形状になる。薄膜１３と空間１２とを形成した基板１１を炉内に収納して加熱処理を行う。加熱処理は、図４および図５に示したように、必要とするたわみ量に応じて７００℃〜１０００℃のいずれかの温度に設定して行えばよい。
【００２７】
また、図２に示した多孔性薄膜１５を形成するときは、図６（Ｃ）に示すように空間１２を形成した後、薄膜１３にフォトレジストを塗布する。そして、フォトリソグラフィの技術によって孔１４の部分を除去してレジストパターンをマスクとしてエッチングを行うことで多孔性薄膜１５を形成することができる。
【００２８】
上述のごとく、この実施形態によれば、成膜後に熱処理することで緻密化して薄膜１３の熱膨張係数を変化させることで、熱処理後の残留応力を圧縮応力のいずれかに固定できる。しかも、熱処理によって応力値を制御することでたわみ量を制御できる。温度条件によっては、残留応力を圧縮応力のみならず引張応力に固定することも可能になる。
【００２９】
また、図２に示した多孔性薄膜１５に、この発明を適用した場合には、検査対象が流体であって、その耐圧に対しても最適なたわみ量に変化させることで、メンブレン構造体１０としての強度を維持できる。
【００３０】
なお、上述の説明は、たんぱく質を解析するプロティンチップに、この発明を適用した例について説明したが、これに限ることなく、その他に膜やダイアフラムを有するメンブレン構造体を有するセンサなどに適用することも可能である。
【００３１】
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示された実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３２】
この発明のメンブレン構造体は、たんぱく質などを検査するためのプロティンチップに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】この発明の一実施形態におけるメンブレン構造体の断面図である。
【図２】この発明の一実施形態におけるメンブレン構造体の他の例を示す断面図である。
【図３】薄膜を形成したときに薄膜が凸状または凹状になった例を示す図である。
【図４】熱処理温度と応力値との関係を示す図である。
【図５】熱処理温度とたわみ量との関係を示す図である。
【図６】この発明の一実施形態におけるメンブレン構造体の製造過程を示す図である。
【図７】従来のプロティンチップの外観斜視図である。
【図８】図７に示す線ＡーＡに沿う断面図である。
【図９】プロティンチップの他の例を示す断面図である。
【図１０】従来のプロティンチップの問題点を説明するための図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１  基板、１２  空間、１３  薄膜、１４  孔、１５  多孔性薄膜。
【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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【図９】
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【図１０】
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