(57)【要約】  本発明は、第１の炭化ケイ素層（２）および第１の炭化ケイ素層上のケイ素層（３）を含む積層体から空洞（５）を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法であって、前記方法が、第１の炭化ケイ素層（２）上にディスクリート型のケイ素構造（３’）を形成するようにケイ素層（３）を整形するステップを含む、方法に関する。本発明による方法は、ケイ素層（３）を整形するステップの後にディスクリート型のケイ素構造（３’）の除去を開始する炭化ステップと、第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップと、アニーリングステップが終了したときにディスクリート型のケイ素構造（３’）が完全に除去されるアニーリングステップとをさらに含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の炭化ケイ素層（２）および第１の炭化ケイ素層上のケイ素層（３）を含む積層体から空洞（５）を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法であって、前記方法が、第１の炭化ケイ素層（２）上にディスクリート型のケイ素構造（３’）を形成するようにケイ素層（３）を整形するステップ（１０２）を含み、前記方法が、ケイ素層（３）を整形するステップ（１０２）後に、
ディスクリート型のケイ素構造（３’）の除去を開始する炭化ステップ（１０３）と、
第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップ（１０４）と、
アニーリングステップ（１０５）と
を含み、
ディスクリート型のケイ素構造（３’）が、アニーリングステップ（１０５）が終了したときに完全に除去される
ことを特徴とする、方法。
【請求項２】
ケイ素層（３）を整形するステップ（１０２）が、第２のアニーリングステップ（１０６）の直後に後続することを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
炭化ステップ（１０３）と、第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップ（１０４）との間に熱遷移ステップ（１０７）を含み、熱遷移ステップ（１０７）中の温度が、炭化ステップ（１０３）の温度に等しい第１の温度から第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップ（１０４）の温度に等しい第２の温度に変化することを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
熱遷移ステップ（１０７）と第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップ（１０４）との間に待機ステップ（１０８）を含むことを特徴とする、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップ（１０４）および／またはアニーリングステップ（１０５）中の温度が、１１００℃から１４００℃の間に含まれることを特徴とする、請求項１から４の一項に記載の方法。
【請求項６】
アニーリングステップ（１０５）の持続期間が、ディスクリート型のケイ素構造（３’）の幅、長さおよび／または厚さに応じて選択されることを特徴とする、請求項１から５の一項に記載の方法。
【請求項７】
炭化ステップ（１０３）が、炭化水素ガスを含む雰囲気下で実施されることを特徴とする、請求項１から６の一項に記載の方法。
【請求項８】
積層体が、基材（１）をさらに含む方法であって、前記方法が、ケイ素層（３）を整形するステップ（１０２）の前に、
基材（１）上に第１の炭化ケイ素層（２）を堆積させるステップ（１００）と、
第１の炭化ケイ素層（２）上にケイ素層（３）を堆積させるステップ（１０１）と
を含み、
第１の炭化ケイ素層（２）を堆積させるステップ（１００）およびケイ素層（３）を堆積させるステップ（１０１）が、第１の炭化ケイ素層（２）および第１の炭化ケイ素層上のケイ素層（３）を含む積層体を得ることができるようにする
ことを特徴とする、請求項１から７の一項に記載の方法。
【請求項９】
積層体の第１の層を形成する基材が、ケイ素（Ｓｉ）、サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）基材から選択されることを特徴とする、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
整形ステップ（１０２）が、ケイ素層（３）中に複数の連結要素（３ｂｉｓ）および複数のディスクリート型の構造（３’）を形成するように実施され、複数の連結要素（３ｂｉｓ）の各連結要素（３ｂｉｓ）が、複数のディスクリート型の構造（３’）の少なくとも１つの第１のディスクリート型の構造（３’）を、複数のディスクリート型の構造（３’）の第２のディスクリート型の構造（３’）に結合させることを特徴とする、請求項１から９の一項に記載の方法。
【請求項１１】
請求項１から１０の一項に記載の方法を使用して得られた炭化ケイ素メンブレンによって封止された、空洞（５）を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を含む、マイクロエレクトロメカニカルシステム型センサ。
【請求項１２】
前記センサが、ピエゾ抵抗型または容量型圧力センサである、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記センサが、検出すべき化合物に対して感受性の良い少なくとも１つの層を含み、前記感受性の良い層が前記メンブレン上に堆積された、化学センサである、請求項１１に記載のセンサ。
【請求項１４】
有機組織中または有機組織上における、請求項１１から１３のいずれかに記載のセンサの使用。
【請求項１５】
放射性環境下における、請求項１１から１３のいずれかに記載のセンサの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の技術分野は、微細加工の技術分野である。本発明は、少なくとも１個の空洞を含む、炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメカニカル構造、特にマイクロエレクトロメカニカルシステムは、数多くの技術分野、特にセンサの制作において利用されている。これらのセンサは時折、過酷な環境中、すなわち、高い温度もしくは圧力または非常に厳しい化学的条件を伴う環境中で使用されることもある。このような用途の場合、炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の抵抗材料製のマイクロエレクトロメカニカルシステムに依拠することが公知である。実際、この材料は、数多くの利点、特に、高い機械的強度および化学的作用物質に対する不活性度を有する。
【０００３】
このようなセンサは文献から公知であり、Ｎ．Ｍａｒｓｉら、「Ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  ＭＥＭＳ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｂａｓｅｄ  ３Ｃ−ＳｉＣ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．２０１４、論文ＩＤ７１５１６７、Ｄ．Ｊ．Ｙｏｕｎｇら、「Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ  ３Ｃ−ＳｉＣ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ、第４巻、第４号、２００４年８月、Ｇ−Ｓ  Ｃｈｕｎｇ、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ３Ｃ−ＳｉＣ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｋｏｒｅａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、第５６巻、第６号、２０１０年６月、１７５９〜１７６２頁またはこれら以外ではＢ．Ｖ．Ｃｕｎｎｉｎｇら、「Ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｍｉｃｒｏｂｅａｍｓ：ｗａｆｅｒ−ｌｅｖｅｌ，ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗａｆｅｒｓ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第２５巻（３２）３２５３０１頁、２０１４によって記述されている。
【０００４】
しかしながら、この化学的な不活性度の結果として、マイクロシステムを製作するための従来の方法で通常使用される作用物質を炭化ケイ素に塗布することが困難であるという理由で、炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造の製造が非常に困難になる。文献欧州特許第２１６８９１０号明細書は、ケイ素ゲルマニウム（ＳｉＧｅ）犠牲構造が、炭化ケイ素表面上に堆積され、構造化される、方法を提案している。次に、この犠牲構造が、炭化ケイ素層によって被覆される。次に、開口部が炭化ケイ素層の表面に配置されるが、この開口部は、ケイ素ゲルマニウム犠牲構造上に出現する。次に、湿式エッチングが実施されると、エッチング剤が、炭化ケイ素層中に配置された開口部を介して浸透し、犠牲構造を浸食する。ケイ素ゲルマニウム構造が完全にエッチングされたらすぐに、炭化ケイ素層中に配置された開口部が、空洞を得るために再び閉じされる。
【０００５】
しかしながら、この方法には欠点がないわけではない。第一には、メンブレンを解放するために、犠牲構造を化学エッチング剤に曝露することが必要であるが、この曝露は、炭化ケイ素層中に開口部を配置することを要するものであり、次に、この開口部が再び閉じられなければならない。さらに、エッチングステップは、エッチング剤の表面張力によって誘導される炭化ケイ素構造の粘着効果または洗浄剤により、マイクロメカニカル構造が動作不能になる可能性がある、液体状の化学的作用物質を必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】欧州特許第２１６８９１０号明細書
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｎ．Ｍａｒｓｉら、「Ｔｈｅ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ｅｆｆｅｃｔｓ  ｏｆ  ＭＥＭＳ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｂａｓｅｄ  ３Ｃ−ＳｉＣ  ｆｏｒ  Ｅｘｔｒｅｍｅ  Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ、Ｖｏｌ．２０１４、論文ＩＤ７１５１６７
【非特許文献２】Ｄ．Ｊ．Ｙｏｕｎｇら、「Ｈｉｇｈ−Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ  Ｓｉｎｇｌｅ−Ｃｒｙｓｔａｌ  ３Ｃ−ＳｉＣ  Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」、ＩＥＥＥ  Ｓｅｎｓｏｒｓ  Ｊｏｕｒｎａｌ、第４巻、第４号、２００４年８月
【非特許文献３】Ｇ−Ｓ  Ｃｈｕｎｇ、「Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  Ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ  ３Ｃ−ＳｉＣ  Ｐｉｅｚｏｒｅｓｉｓｔｉｖｅ  Ｍｉｃｒｏ−ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｓｅｎｓｏｒ」，Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｋｏｒｅａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、第５６巻、第６号、２０１０年６月、１７５９〜１７６２頁
【非特許文献４】Ｂ．Ｖ．Ｃｕｎｎｉｎｇら、「Ｇｒａｐｈｉｔｉｚｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｃａｒｂｉｄｅ  ｍｉｃｒｏｂｅａｍｓ：ｗａｆｅｒ−ｌｅｖｅｌ，ｓｅｌｆ−ａｌｉｇｎｅｄ  ｇｒａｐｈｅｎｅ  ｏｎ  ｓｉｌｉｃｏｎ  ｗａｆｅｒｓ」、Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、第２５巻（３２）３２５３０１頁、２０１４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、エッチングステップを実施するために炭化ケイ素層中に開口部を配置することを必要とせず、このエッチングステップ中に空洞のメンブレンが付着する現象を防止することができる、空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造、例えばマイクロエレクトロメカニカルシステムを製作するための方法に対する必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、炭化ステップ、堆積ステップおよびアニーリングステップによってディスクリート型のケイ素構造の除去を可能にすることによって、上述の課題の解決法を提供する。これにより、ディスクリート型のケイ素構造の除去は、エッチングステップなしで実施することができる。これにより、炭化ケイ素層中に配置された開口部、および、この開口部に伴う粘着効果による現象に関する欠点が回避される。
【００１０】
このようにするために、本発明の第１の態様は、第１の炭化ケイ素層および第１の炭化ケイ素層上のケイ素層を含む積層体から空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法であって、前記方法が、第１の炭化ケイ素層上にディスクリート型のケイ素構造を形成するようにケイ素層を整形するステップを含む、方法に関する。
【００１１】
マイクロメカニカル構造を得るために、本発明による方法は、
ディスクリート型のケイ素構造の除去を開始する炭化ステップと、
第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップと、
アニーリングステップと
をさらに含み、
ディスクリート型のケイ素構造が、アニーリングステップが終了したときに完全に除去される。
【００１２】
炭化ステップは、炭素前駆物質、例えばプロパンを含有する雰囲気下におけるアニーリングステップを意味するように解されるが、ディスクリート型のケイ素構造の表面における炭化ケイ素層の成長をもたらすケイ素は用いられない。このステップは、ケイ素犠牲構造内に空の空間を作り出すことになる。これらの空の空間は、本明細書の残り部分において、「空隙」と呼ぶ。本方法においては、単一のディスクリート型のケイ素構造が形成される。しかしながら、複数の空洞を得ることができる、複数のディスクリート型のケイ素構造の形成も可能である。したがって、本明細書の残り部分において、「ディスクリート型の構造」という表現は、「少なくとも１つのディスクリート型の構造」であると理解すべきであり、したがって、「空洞」という表現は、「少なくとも１個の空洞」であると理解すべきである。
【００１３】
本発明による方法において、炭化ステップ、第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップおよびアニーリングステップ中において、炭化ケイ素の成長が起き、ディスクリート型のケイ素構造から成長区域、すなわち、ディスクリート型のケイ素構造の表面にケイ素原子が移動する。この拡散は、ディスクリート型の構造の表面においては、炭化ケイ素層の成長にケイ素原子を供給すること、および、この同じディスクリート型の構造内に空洞を形成することという、２つの結果を伴う。この結果、空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造が、エッチング剤に依拠することなく得られる。さらに、エッチング剤が使用されないため、第２の炭化ケイ素層中に開口部を配置する必要はもはやなく、したがって、粘着効果および封止に関する課題を伴うことなく、密封封止された空洞を得ることができる。
【００１４】
ケイ素層を整形するステップは、空洞の幾何学的形状の画定および空洞のサイズの三次元的な制御を可能にする。したがって、空隙が形成する現象は、幾何学的特性がケイ素の結晶配向に支配される望ましくないものであると記述している従来技術とは異なり、本発明による方法は、完全に制御されたケイ素層の結晶配向から影響を受けない寸法を有する密封封止された空洞を得るために、この現象を制御することができる。
【００１５】
より厳密には、ディスクリート型のケイ素構造が第１の炭化ケイ素層の表面に形成されたらすぐに、空洞の形成は、本方法における３つの最終ステップによって確実に行われる。第一に、炭化ステップは、空隙およびディスクリート型のケイ素構造の表面上の炭化ケイ素層を形成することができる。この第１のステップが終了したときに、空隙のサイズは、１００ナノメートル未満である。次に、メンブレンの連続性を確保するために、第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップが実施される。このステップは、炭化ステップ中に発生した開口部の一部の充填を可能にすることになる。このステップは、堆積が終了したときに、炭化ケイ素層の表面へのケイ素原子の拡散を可能にする開口部が、炭化ケイ素層中に依然として存在するように実施される。最後に、アニーリングステップは、封止された空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を形成するように、残りの炭素前駆物質およびケイ素を消費することができる。
【００１６】
前述の段落において言及された特性意外にも、本発明の一態様による空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法は、個別に考えられるまたは技術的に可能なすべてのこれらの組合せに従って考えられる次のもののうちの、１つまたは複数のさらなる特性を有し得る。
【００１７】
有利には、ケイ素層を整形するステップには、第２のアニーリングステップの直後に後続する。この第２のアニーリングステップは、炭化ステップ前にディスクリート型のケイ素構造の表面状態を改善し、これにより、炭化ケイ素メンブレンの結晶配向を制御することができる。第２のアニーリングステップは、特に、結晶配向が（１１１）型の炭化ケイ素層を得ることができる。この結晶配向は、結晶配向が（１１０）型のメンブレンに比較して低い粗さを得ることができる。
【００１８】
有利には、熱遷移ステップは、炭化ステップと第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップとの間に実施される。この熱遷移ステップ中、温度は、炭化ステップの温度に等しい第１の温度から第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップの温度に等しい第２の温度に変化する。
【００１９】
したがって、このステップ中、炭化ステップ中に形成された空隙は、数百ナノメートル程度または数マイクロメートル程度のサイズに到達するまで成長することになる。
【００２０】
有利には、待機ステップは、熱遷移ステップと第２の炭化ケイ素層を堆積させるステップとの間に実施される。この待機時間は、所望される空洞のサイズに応じた空隙のサイズの調節を可能にする。
【００２１】
有利には、アニーリングステップ中の温度は、１１００℃から１４００℃の間に含まれる。この温度域は、空隙および炭化ケイ素層の成長速度と、このアニーリングステップ中に得られる炭化ケイ素の品質との良好な折合いを確保する。
【００２２】
有利には、アニーリングステップの持続期間は、ディスクリート型のケイ素構造の幅、長さおよび／または厚さに応じて選択される。この結果、ケイ素構造が、アニーリングステップが終了したときに完全に消費されて、空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を形成する。
【００２３】
有利には、炭化ステップは、炭化水素ガスを含む雰囲気下で実施される。有利には、プロパンが、炭素前駆物質ガスとして選択され、水素が、キャリアガスとして選択される。
【００２４】
有利には、積層体は基材を含み、本発明による方法は、ケイ素層を整形するステップの前に、
基材上に第１の炭化ケイ素層を堆積させるステップと、
第１の炭化ケイ素層上にケイ素層を堆積させるステップと
を含む。
【００２５】
第１の炭化ケイ素層を堆積させるステップおよびケイ素層を堆積させるステップは、第１の炭化ケイ素層および第１の炭化ケイ素層上のケイ素層を含む積層体を得ることができる。
【００２６】
有利には、積層体の第１の層を形成する基材は、３Ｃ−ＳｉＣの結晶成長を可能にするように選択される。この基材は、ケイ素（Ｓｉ）、サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）基材であってよい。
【００２７】
有利には、第１の炭化ケイ素層および／または第２の炭化ケイ素層は、３Ｃ−ＳｉＣ型の結晶構造を有する。好ましくは、第１の炭化ケイ素層は、（００１）型の結晶配向を有し、および／または第２の炭化ケイ素層は、（１１１）型の結晶配向を有する。
【００２８】
有利には、整形ステップは、ケイ素層中に複数の連結要素を形成するように実施され、複数の連結要素の各連結要素が、複数のディスクリート型の構造の少なくとも１つの第１のディスクリート型の構造を、複数のディスクリート型の構造の第２のディスクリート型の構造に結合させる。
【００２９】
有利には、複数の連結要素の各連結要素に関して、前記連結要素の幅は、前記連結要素が結合させた複数のディスクリート型の構造のうちのディスクリート型の構造の幅より狭い。
【００３０】
ディスクリート型の構造の幅は、第１の炭化ケイ素層の表面に対して平行で前記ディスクリート型の構造を通り抜ける平面に沿って得られた前記ディスクリート型の構造の区画に関する、最小寸法の縁部を意味するように解される。同じように、連結要素の幅は、第１の炭化ケイ素層の表面に対して平行で前記連結要素を通り抜ける平面に沿って得られた前記連結要素の区画に関する、最小寸法の縁部を意味するように解される。
【００３１】
この結果、除去されたディスクリート型のケイ素構造に対応する幅広な区域と、除去された連結要素に対応する幅が狭まった区域とを含む、炭化ケイ素構造中に空洞が得られる。実際、連結要素は、ディスクリート型の構造として同じ層中に製造されるため、これらの連結要素は結果として、ディスクリート型のケイ素構造として同時に取り除かれる。
【００３２】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様による方法によって得られた、炭化ケイ素メンブレンによって封止された空洞を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を含む、マイクロエレクトロメカニカルシステム型センサに関する。
【００３３】
有利には、センサは、ピエゾ抵抗型または容量型圧力センサである。
【００３４】
有利には、センサは、検出すべき化合物に対して感受性の良い少なくとも１つの層を含み、前記感受性の良い層が前記メンブレン上に堆積された、化学センサである。
【００３５】
本発明の第３の態様は、有機組織中または有機組織上における、本発明の第２の態様によるセンサの使用に関する。
【００３６】
本発明の第４の態様は、放射性環境における、本発明の第２の態様によるセンサの使用に関する。
【００３７】
本発明に関する他の特徴および利点は、以下に示す添付図面を参照しながら、下述の詳細な説明を読めば明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の第１の実施形態による方法の流れ図である。
【図２Ａ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図２Ｂ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図２Ｃ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図２Ｄ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図２Ｅ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図２Ｆ】第２の実施形態による方法の異なる方法の図解である。
【図３】本発明の第３の実施形態による方法の流れ図である。
【図４】本発明第４の実施形態による方法の流れ図である。
【図５】本発明の第５の実施形態による方法の流れ図である。
【図６】本発明の第６の実施形態による方法の流れ図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態によるケイ素層を整形するステップが終了したときに得られた構造の説明図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態によるケイ素層を整形するステップが終了したときに得られた構造の説明図である。
【図８】本発明の第２の態様によるセンサの実施形態である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１および図２Ａから図２Ｆに提示の本発明の一態様は、第１の炭化ケイ素層２および第１の炭化ケイ素層２上のケイ素層３を含む積層体から空洞５を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を製作するための方法であって、前記方法が、第１の炭化ケイ素層２上にディスクリート型のケイ素構造３’を形成するようにケイ素層３を整形するステップ１０２（図２Ｃ）を含む、方法に関する。
【００４０】
空洞５を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を得るために、本方法は、
ディスクリート型のケイ素構造３’の除去を開始する炭化ステップ１０３と、
第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４と、
アニーリングステップ１０５と
をさらに含む。
【００４１】
ディスクリート型のケイ素構造が、アニーリングステップが終了したときに完全に除去される。
【００４２】
先に説明されたように、炭化は、炭素前駆物質中、例えばプロパンを含有する雰囲気下におけるアニーリングステップを意味するように解されるが、ケイ素は用いずに、ディスクリート型のケイ素構造の表面における炭化ケイ素層の成長をもたらすだけではなく、これらの同じ構造中に空隙の形成ももたらされる。
【００４３】
炭化ステップ１０３、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４およびアニーリングステップ１０５中の炭化ケイ素の成長は、ディスクリート型の構造（図２Ｄ）の表面上における炭化ケイ素層の形成およびディスクリート型のケイ素構造３’から成長区域、すなわち、ディスクリート型のケイ素構造３’の表面へのケイ素Ｓｉ原子の移動（図２Ｅにおいては、点線の矢印によって示されている）をもたらす。この拡散は、ディスクリート型の構造３’の表面においては、炭化ケイ素層４の成長にケイ素原子を供給すること、および、これらの同じ構造３’内に空洞５を形成すること（図２Ｅにおいては、実線の矢印によって示されている）という、２つの結果を伴う。したがって、空洞５を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造は、エッチング剤に依拠することなく得られる。さらに、エッチング剤が使用されないため、炭化ケイ素層４中に開口部を配置する必要はもはやなく、したがって、密封封止された空洞５を得ることができる。
【００４４】
より厳密には、炭化ステップ１０３は、空隙の形成を開始することができる。この第１のステップが終了したときに、空隙のサイズは、一般に、１００ナノメートル未満である。次に、メンブレンの連続性を確保するために、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が実施される。このステップは、炭化ステップ１０３中に発生した開口部の一部の充填を可能にすることになる。このステップは、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が終了したときに、炭化ケイ素層４の表面へのケイ素原子の拡散を可能にする開口部が、炭化ケイ素層４中に依然として存在するように実施される。最初にあるこれらの２つのステップ中、３Ｃ−ＳｉＣ層が形成し続け、厚くなり続ける。最後に、アニーリングステップ１０４は、封止された空洞５を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造を形成するように、残りの炭素前駆物質およびケイ素を消費することができる。
【００４５】
言い換えると、空洞５を含む炭化ケイ素製のマイクロメカニカル構造は、ディスクリート型の構造３’のケイ素原子の消費によって形成され、この消費が、炭化ケイ素メンブレンを形成する炭化ケイ素層４の形成をもたらす。この結果、空洞５が自己封止されるが、この空洞５内の圧力は、アニーリングステップ１０５中に使用された圧力と同一である。
【００４６】
一実施形態において、第２の炭化ケイ素層４を構成する炭化ケイ素は、３Ｃ−ＳｉＣ型結晶構造を有する。
【００４７】
図３に提示の一実施形態において、積層体は、基材１をさらに含む。このとき、本方法は、ケイ素層３を整形するステップ１０２の前に、
基材１上に第１の炭化ケイ素層２を堆積させるステップ１００（図２Ａ）と、
第１の炭化ケイ素層２上にケイ素層３を堆積させるステップ１０１（図２Ｂ）と
を含む。
【００４８】
第１の炭化ケイ素層２を堆積させるステップ１００およびケイ素層３を堆積させるステップ１０１は、第１の炭化ケイ素層２および第１の炭化ケイ素層２上のケイ素層３を含む積層体を得ることができる。
【００４９】
積層体の基材１は、炭化ケイ素の成長を可能にするように選択される。積層体の基材は、ケイ素（Ｓｉ）、サファイヤ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡＩＮ）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）または窒化ガリウム（ＧａＮ）基材から選択されてもよい。実際、これらの基材は、第１の炭化ケイ素層２を堆積させるステップ１００中に、単結晶炭化シリコン層を成長させ、これにより、得られるマイクロメカニカル構造の機械的および電気的特性を改善することができる。一実施形態において、第１の炭化ケイ素層２は、３Ｃ−ＳｉＣ型である。一実施形態において、第１の炭化ケイ素層２の結晶配向は、（００１）型である。しかしながら、特定の成長条件により、多結晶性または非晶性である第１の炭化ケイ素層２を得ることもできる。
【００５０】
一実施形態において、基材１上に第１の炭化ケイ素層２を堆積させるステップ１００には、前記基材１の表面上に存在する自然酸化膜を除去するステップが先行してもよい。基材１がケイ素基材である場合、自然酸化膜を除去するこのステップは、ケイ素基材１上の薄いケイ素層のホモエピタキシーまたは水素雰囲気下のアニーリングの形態を採ることができる。基材１が窒化物である場合、自然酸化膜を除去するこのステップは、窒素雰囲気下でのアニーリングの形態を採ることができる。
【００５１】
一実施形態において、第１の炭化ケイ素層２を堆積させるステップ１００は、例えば化学気相成長（ＣＶＤ）法を使用するエピタキシー法によって実施されてもよい。一実施形態において、第１の炭化ケイ素層２の厚さは、１００ｎｍから２０μｍの間に含まれ、好ましくは５μｍに等しい。
【００５２】
ケイ素層３を整形するステップ１０２（図２Ｃ）は、従来のリソグラフィー法を使用して実施されてもよい。例えば、ケイ素層のエッチングは、六フッ化硫黄（ＳＦ６）、エチレン（Ｃ２Ｈ４）およびアルゴン（Ａｒ）を含有する雰囲気下における誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチングを使用して実施されてもよい。別の例において、湿式エッチングに依拠することも可能であり得る。エッチング後の樹脂層の除去は、酸素プラズマステップによって実施されてもよい。この酸素プラズマ清浄化ステップには、ピラニア溶液を使用する清浄化ステップが後続させてもよい。
【００５３】
図４に提示の一実施形態において、ケイ素層３を整形するステップ１０２（図２Ｃ）には、第２のアニーリングステップ１０６が後続する。このアニーリングステップ中、温度は、８００℃から１０００℃の間に含まれてもよい。このアニーリングステップ１０６中の圧力は、１ｂａｒ未満であるように選択されてもよい。このアニーリングステップ１０６の持続期間は、１０分または２０分に実質的に等しいこともある。このアニーリングステップ１０６は、炭化ステップ１０３前により良好な表面状態を得、これにより、第２の炭化ケイ素層４の結晶配向を制御することができる。一実施形態において、第２の炭化ケイ素層４は、（１１１）型の結晶配向を有する。
【００５４】
一実施形態において、炭化ステップ１０３中の温度は、８６０℃から１３００℃の間、好ましくは８６０℃から１１５０℃の間に含まれる。第１の代替形態において、温度は、８６０℃の最低温度から１１５０℃の最大温度に移行するように変更される。第２の代替形態において、温度は、８６０℃の最低温度から１１００℃の最大温度に移行するように変更される。好ましい態様において、炭化ステップ１０３は、炭素前駆物質、例えばプロパンおよび水素を含む雰囲気下で実施される。
【００５５】
図５に提示の一実施形態において、炭化ステップ１０３と、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４とで温度が異なる場合、熱遷移ステップ１０７が、炭化ステップ１０３と、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４との間で実施される。この熱遷移中、ステップ１０７、温度が、炭化ステップ１０３の温度に等しい第１の値から第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４の温度に等しい第２の値に変更される。この熱遷移中、ステップ１０７、炭化ステップ中に形成された空隙１０３は、数百ナノメートル程度またはマイクロメートル程度のサイズに到達するまで成長することになる。例えば、ディスクリート型のケイ素構造の厚さが３００ｎｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０３が１３２０℃で実施される場合、熱遷移ステップ１０７が終了したときに、空隙のサイズは、５００ｎｍから１μｍの間に含まれる。この熱遷移ステップ１０７は、水素を含む雰囲気下で実施されてもよい。
【００５６】
図６に提示の一実施形態において、待機ステップ１０８は、熱遷移ステップ１０７と、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４との間で実施される。この待機ステップ１０８は、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４の前に、空隙を成長させることができる。待機ステップ１０８が終了したときの空隙のサイズは、この待機ステップ１０８の持続期間に依存する。例えば、ディスクリート型のケイ素構造３’が３００ｎｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が１３２０℃で実施される場合、５分の待機ステップ１０８が終了したときに得られた空隙のサイズは、１．５μｍから２．５μｍの間に含まれる。第２の例において、ディスクリート型のケイ素構造の厚さが３００ｎｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が１３２０℃で実施される場合、１０分の待機ステップ１０８が終了したときに得られた空隙のサイズは、３．５μｍから５μｍの間に含まれる。
【００５７】
空隙のサイズは、ディスクリート型の構造３’の厚さにも依存する。例えば、ディスクリート型のケイ素構造の厚さが１００ｎｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が１３２０℃で実施される場合、５分の待機ステップ１０８が終了したときに得られた空隙のサイズは、少なくとも５μｍに等しい。第２の例において、ディスクリート型のケイ素構造の厚さが５００ｎｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が１３２０℃で実施される場合、５分の待機ステップ１０８が終了したときに得られた空隙のサイズは、９００ｎｍに等しい。第３の例において、ディスクリート型のケイ素構造の厚さが１．２μｍであり、炭化ステップ１０３が１１５０℃で実施され、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４が１３２０℃で実施される場合、５分の待機ステップ１０８が終了したときに得られた空隙のサイズは、４００ｎｍに等しい。
【００５８】
一実施形態において、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４中の温度は、１１００℃から１４００℃の間に含まれる。この堆積ステップ１０４は、ケイ素前駆物質、例えばシラン（ＳｉＨ４）および炭素前駆物質、例えばプロパン（Ｃ３Ｈ８）を使用するエピタキシーによって実施されてもよい。この堆積は、化学気相成長（ＣＶＤ）法によって実施されてもよい。このステップの持続期間は、３０秒から１０分の間、好ましくは１分から３分の間に含まれてもよい。
【００５９】
一実施形態において、アニーリングステップ１０５中の温度は、第２の炭化ケイ素層４を堆積させるステップ１０４中の温度に等しく、すなわち、１１００℃から１４００℃との間に含まれる。アニーリングステップ１０５の持続期間は、ディスクリート型のケイ素構造３’のサイズに依存する。例えば、ディスクリート型の構造３’が２００ｎｍの厚さ、２０μｍの幅および２０μｍの長さを有する場合、アニーリングステップ１０５は、３０分に実質的に等しい（おおよそ２０％まで）持続期間を有する。
【００６０】
図７Ａに提示の一実施形態において、整形ステップ１０２は、ケイ素層３中に複数の連結要素を形成するように実施され、複数の連結要素の各連結要素３ｂｉｓが、複数のディスクリート型の構造の少なくとも１つの第１のディスクリート型の構造３’を、複数のディスクリート型の構造の第２のディスクリート型の構造３’に結合させる。
【００６１】
好ましくは、複数の連結要素の各連結要素３ｂｉｓに関して、前記連結要素３ｂｉｓの幅は、前記連結要素３ｂｉｓが結合させた複数のディスクリート型の構造のうちのディスクリート型の構造３’の幅より狭い。さらに、各連結要素は、前記連結要素３ｂｉｓが結合させた複数のディスクリート型の構造のうちのディスクリート型の構造３’を隔てる距離に等しい長さを有する。
【００６２】
図７Ｂに提示の一実施形態において、ディスクリート型の構造３’は、ディスクリート型の構造３’のマトリックスの形態において、第１の炭化ケイ素層２の表面上に展開されており、前記ディスクリート型の構造は、複数の線Ｌと、それぞれが複数のディスクリート型の構造３’を含む複数のカラムＣとを形成する。この実施形態において、同じカラムＣの各ディスクリート型の構造３’は連結要素３ｂｉｓによって、ディスクリート型の構造３’と連結要素３ｂｉｓとが互い違いになって形成された連続的な構造を得るように、カラムＣの中で当該ディスクリート型の構造３’より前にあるディスクリート型の構造３’に結合されている。
【００６３】
一実施形態において、ディスクリート型の構造は、２５μｍの幅の正方形の形状を有し、連結要素は、５μｍの幅および１０μｍの長さを有する。言い換えると、この実施形態において、連結要素３ｂｉｓによって結合された連続する２つのディスクリート型の構造３’は結果として、１０μｍの距離だけ間隔を空けられる。ディスクリート型のケイ素構造３’および連結要素３ｂｉｓは、同じケイ素層３中に作製されるため、ケイ素構造３’および連結要素３ｂｉｓは結果として、前記ケイ素層３の厚さに等しい同一の厚さを有する。この厚さは、例えば、２００ｎｍに等しくてもよい。ディスクリート型のケイ素構造３’上に実施されたステップ、特に、炭化ステップ１０３、炭化ケイ素を堆積させるステップ１０４およびアニーリングステップ１０５は、連結要素３ｂｉｓ上においても実施される。この結果、除去されたディスクリート型のケイ素構造３’に対応する２５μｍの幅を有する区域と、本発明の主題である方法によって除去された連結要素３ｂｉｓに対応する５μｍの幅および１０μｍの長さを有する区域とを含む、炭化ケイ素製の構造中に空洞５が得られる。実際、連結要素３ｂｉｓは、同じケイ素層３中にディスクリート型のケイ素構造３’として製造されるため、これらの連結要素３ｂｉｓは結果として、ディスクリート型のケイ素構造に付随する態様で取り除かれる。
【００６４】
これらのマイクロメカニカル構造５の特に有利な用途は、センサの製造に関し、特に、極限の圧力および／または温度条件を伴う過酷な媒体中ならびに厳しい化学的環境中で使用されるセンサの製造に関する。有利なことに、このようなセンサ、特に「ＭＥＭＳ」またはマイクロエレクトロメカニカルシステムセンサは、ＳｉＣの機械的特性および電気的特性、特に、熱伝導率、機械的強度および３００℃超の温度でさえ大部分の化合物に対する安定性という特性から利益を受け、ＳｉＣを、この種類の用途に特に適合させる。
【００６５】
ＭＥＭＳセンサは、例えば、容量型圧力センサである。図８に提示の一実施形態において、本発明の第２の態様によるセンサは、電気絶縁層１、例えば窒化アルミニウム（ＡＩＮ）層１によってマイクロメカニカル構造から分離された、支持体１０、例えばケイ素支持体を含む。圧力Ｐの影響下において、メンブレン４は、メンブレン４と支持体１０との距離を変化させるように弾性変形する。この距離の変化は、キャパシタンスＣｐの比例変化を生じさせる。この変化は、例えば、支持体上に配置された第１の接点ＰＣおよびメンブレン４上に配置された第２の接点ＤＣによって測定されることが可能であり、ＳｉＣメンブレンに及ぼされた圧力Ｐは、この測定から推定されることが可能である。
【００６６】
ＭＥＭＳセンサは、ピエゾ抵抗型圧力センサであってもよい。一実施形態において（図示なし）、本発明の第２の態様によるピエゾ抵抗センサは、マイクロメカニカル構造のＳｉＣメンブレン４上に堆積した少なくとも２個の接点を含む。圧力の影響下において、加えられた圧力に比例するＳｉＣメンブレンの抵抗率の変化が測定されると、この抵抗率の変化からＳｉＣメンブレンに及ぼされた圧力を推定することができる。
【００６７】
本発明の第２の態様によるセンサの別の実施形態において、センサは、化学センサである。このような化学センサは例えば、本発明の第１の態様による方法によって得られたマイクロメカニカル構造の空洞の炭化ケイ素メンブレン４上に、検出すべき化合物、特にグラフェンまたは金属酸化物に対する感受性が良い少なくとも１つの層、例えばＳｉＯ２、ＴｉＯ２、ＺｎＯ、ＳｎＯ２の層を堆積させることによって得られることができる。
【００６８】
検出を目的とした、本発明の第１の態様による方法を使用して得られたメンブレン等のメンブレンの特性の使用は、当業者に周知の慣行である。いくつかの例を用いて、本発明の第１の態様による方法を使用して得られたマイクロメカニカル構造の使用および本発明の第２の態様によるセンサへのこのような構造の実装から生じる利点を示すのに、説明されてきた構成は特に役立つ。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図２Ｆ】
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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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【国際調査報告】
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