(57)【要約】【課題】金属ガラス薄膜を構成要素とする、新規なマイクロマシン及びそれを用いたセンサ並びにマイクロマシンの製造方法を提供する。【解決手段】マイクロマシン１は、基板２と基板２に配置される金属ガラス薄膜３とを備えている。金属ガラス薄膜３は、基板の開口部２Ａ上に配置してもよいし、金属ガラス薄膜３は基板に配置されているカンチレバーであってもよい。好ましくは、基板２はＳｉからなり、金属ガラス薄膜３は、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系又はＰｔ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒ系の材料からなる。【選択図】図１
2008155333.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と該基板に配置される金属ガラス薄膜とを備えたことを特徴とする、マイクロマシン。
【請求項２】
前記金属ガラス薄膜は、前記基板の開口部上に配置されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロマシン。
【請求項３】
前記金属ガラス薄膜は、前記基板に配置されているカンチレバーであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロマシン。
【請求項４】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜はＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系又はＰｔ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒ系の材料からなることを特徴とする、請求項１〜３の何かに記載のマイクロマシン。
【請求項５】
空洞を備えた基板と、該基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、を備えたことを特徴とする、金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム。
【請求項６】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなることを特徴とする、請求項５に記載の金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム。
【請求項７】
空洞を備えた基板と、該基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、該金属ガラス薄膜上に歪ゲージと、を備えたことを特徴とする、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ。
【請求項８】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなることを特徴とする、請求項７に記載の金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ。
【請求項９】
空洞を備えた基板と、該基板に配置される金属ガラス薄膜からなるカンチレバーと、を備えたことを特徴とする、金属ガラス薄膜を有するセンサ。
【請求項１０】
前記カンチレバーの下部に、検知層を備えていることを特徴とする、請求項９に記載の金属ガラス薄膜を用いたセンサ。
【請求項１１】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなることを特徴とする、請求項９に記載の金属ガラス薄膜を用いたセンサ。
【請求項１２】
空洞を備えた基板と、該基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、該金属ガラス薄膜上に形成される圧電層と、該圧電層の表面に形成される櫛状電極と、を備えたことを特徴とする、金属ガラス薄膜を用いたセンサ。
【請求項１３】
前記金属ガラス薄膜の下部に検知層を備えていることを特徴とする、請求項１２に記載の金属ガラス薄膜を用いたセンサ。
【請求項１４】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなることを特徴とする、請求項１２に記載の金属ガラス薄膜を用いたセンサ。
【請求項１５】
基板に金属ガラス薄膜を形成する工程と、
上記金属ガラス薄膜に開口部を有するパターンを形成する工程と、
上記パターンをマスクとして上記基板をエッチングする工程と、を備えていることを特徴とする、金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法。
【請求項１６】
前記基板はＳｉからなり、前記金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなることを特徴とする、請求項１５に記載の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属ガラスを用いたマイクロマシン及びこのマイクロマシンを用いたセンサ並びにマイクロマシンの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
Ｓｉ基板を加工し、Ｓｉ基板に設けたＳｉ薄膜から形成される梁や片持ち梁（カンチレバー）などを用いた圧力センサなどが知られている。これらのセンサはマイクロマシン（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）や電気機械構造物と呼ばれている（非特許文献１参照）。半導体のプロセス技術の伸展に伴い加工寸法はナノメートル（ｎｍ）の領域になり、このようなマイクロマシンはナノマシン（Ｎａｎｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）とも呼ばれている。
【０００３】
Ｓｉ基板をベースとするマイクロマシンは、Ｓｉ基板中に空洞を設け、ダイアフラムやカンチレバーとなるＳｉ薄膜を形成している。このため、ダイアフラムの感度は、寸法以外はＳｉの有する弾性率などの機械的な物性特性で決まっている。
【０００４】
本発明者らは、これまでガラス遷移温度を持つ非晶質合金と定義される「金属ガラス合金」を数多く開発してきた（非特許文献２参照）。金属ガラス合金は、従来の非晶質合金では見られない過冷却液体領域ΔＴｘ（＝結晶化開始温度Ｔｘ以下、ガラス転移点温度Ｔｇ以上の温度範囲）を有し、温度がＴｇを超えると酸化物ガラスと同様に温度に比例して粘性が低下するので、過冷却液体状態の温度範囲で樹脂と同様な成形性で一様に変形させることができる性質を有している。この性質を利用して、金属ガラス合金は、これまでに、ゴルフクラブの部品、装飾品、筆記用具、プリント用具、ばね、医療器具、機械のギア、ロボットの部品等の製造に応用されている。
【０００５】
金属ガラスは従来の多結晶合金に比べ、優れた機械的特性と耐食性や電磁特性などの機能特性を有している。とくに弾性係数が小さく、２％にも及ぶ弾性限ひずみを呈することから、様々な分野の高性能構造部品として期待されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−１２９３７８号公報
【非特許文献１】江刺正喜、藤田博之、五十嵐伊勢美、杉山進共著、マイクロマシーニングとマイクロメカトロニクス、初版、株式会社培風館、１９９２年６月２０日
【非特許文献２】A. Inoue, T. Zhang, Meatll. Trans. JIM, Vol.37, p.185, 1996
【非特許文献３】V. V. Molokanov et. al, Journal of Non-Crystal line Solids, Vol.205-207, pp.508-513, 1996
【非特許文献４】秦  誠一他、精密工学会誌、Ｖｏｌ．６７、Ｎｏ．１０、ｐｐ．１７０８−１７１３、２００１年
【非特許文献５】Hata et. al, Proc. of SPIE, Vol.5650, p.260, 2005
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、これまでＺｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金などに関する研究開発は全てバルク材料の製造と過冷却液体領域での塑性加工に焦点を当てたものであり、半導体工業のような様々な応用からほど遠かった。したがって、金属ガラスの有する優れた特性を生かしたマイクロマシンなどへの応用や、現状のＳｉを用いたマイクロマシンの製造工程との比較検討が十分になされていないという課題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑み、金属ガラス薄膜を構成要素とする、新規なマイクロマシンを提供することを第１の目的とし、このマイクロマシンを用いたセンサを提供することを第２の目的とし、マイクロマシンの製造方法を提供することを第３の目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明者等は、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系のスパッタリング法で基板上に形成した金属ガラス合金薄膜が高硬度でしかも極めて平滑な表面を有しており、そして、マスクレス集束イオンビーム（ＦＩＢ）描画法で極めて線幅の狭いパターンを鮮明な輪郭で描画できる特性を有していることを見出し、さらに、Ｓｉ基板をエッチングする際のマスク材として使用できることを見出して本発明に至った。
【００１０】
上記第１の目的を達成するため、本発明のマイクロマシンは、基板と基板に配置される金属ガラス薄膜とを備えたことを特徴とする。
上記構成において、金属ガラス薄膜は、好ましくは基板の開口部上に配置されている。金属ガラス薄膜は、好ましくは、基板に配置されているカンチレバーである。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜はＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系又はＰｔ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒ系の材料からなる。
上記構成によれば、例えば弾性率の高い金属ガラス薄膜を構成要素としたマイクロマシンを提供することができる。
【００１１】
上記第２の目的を達成するため、本発明の金属ガラス薄膜を用いたダイアフラムは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、を備えたことを特徴とする。
好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、感度が高いダイアフラムが得られ、例えば圧力測定に使用することができる。
【００１２】
本発明の金属ガラス薄膜を用いた圧力センサは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、金属ガラス薄膜上に歪ゲージと、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、感度が高い圧力センサが得られる。
【００１３】
本発明の金属ガラス薄膜を有するセンサは、空洞を備えた基板と、基板に配置される金属ガラス薄膜からなるカンチレバーと、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、カンチレバーの下部に検知層を備えていてもよい。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、金属ガラス薄膜からなるカンチレバーを用いることで感度が高いセンサが得られる。
【００１４】
本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサは、空洞を備えた基板と、基板の空洞を覆うように配置された金属ガラス薄膜と、金属ガラス薄膜上に形成される圧電層と、圧電層の表面に形成される櫛状電極と、を備えたことを特徴とする。
上記構成において、金属ガラス薄膜の下部に検知層を備えていてもよい。好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、所謂たわみ板波（ＦＰＷ：Ｆｌｅｘｕｒａｌ  Ｐｌａｔｅ  Ｗａｖｅ）を用いたセンサが得られ、圧電層の下部に金属ガラス薄膜が配置されことで、感度の高いセンサが得られる。
【００１５】
上記第３の目的を達成するため、本発明のマイクロマシンの製造方法は、基板に金属ガラス薄膜を形成する工程と、金属ガラス薄膜に開口部を有するパターンを形成する工程と、パターンをマスクとして基板をエッチングする工程と、を備えている。
上記構成において、好ましくは、基板はＳｉからなり、金属ガラス薄膜がＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系材料からなる。
上記構成によれば、金属ガラス薄膜をマスクとして、Ｓｉ基板をエッチングすることができる。金属ガラス薄膜はＳｉなどのエッチング液に対する耐食が高く、アモルファスであるのでｎｍオーダーの微細なパターンを形成することができる。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンによれば、金属ガラス薄膜をマイクロマシンやナノマシンの構成要素とすることにより、従来のＳｉをベースとしたマイクロマシンでは実現できなかった機能を追加することができる。
【００１７】
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンによるセンサによれば、感度などが改善された各種のセンサを提供することができる。
【００１８】
本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法によれば、金属ガラス薄膜を、基板、特にＳｉのマスク材とし、パターンの転写やＳｉのエッチングのマスク材として使用することで、精度の高いマイクロマシンやナノマシンを製造することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。各図において同一又は対応する部材には同一符号を用いる。
本発明による第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンについて説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンを模式的に示す断面図である。金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１は、基板２と、この基板２の表面に形成される第１の金属ガラス薄膜３と、基板２の裏面側に形成された第２の金属ガラス薄膜４と、から構成されている。第２の金属ガラス薄膜は開口部４Ａを有しており、この開口部４Ａに対向する基板にも同様に基板の開口部２Ａ、すなわち空洞が形成されている。
【００２０】
基板２は、半導体、絶縁物、金属などからなる材料を用いることができる。半導体基板２としてはシリコン（Ｓｉ）を用いることができる。
【００２１】
第１及び第２の金属ガラス薄膜３，４は、大きな過冷却液体領域をもち、滑らかで腐食に強い、しかも高いビッカース硬さを示す材料を用いることが好ましい。例えば、Ｚｒ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ系などの金属ガラス薄膜を用いることができる。
【００２２】
Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金の代表的な組成としては、Ｚｒ−Ｃｕ−Ｔｉ系（Ｚｒ40Ｃｕ50Ｔｉ10など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ系（Ｚｒ75Ｃｕ19Ａｌ6など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系（Ｚｒ65Ｃｕ17.5Ａｌ7.5Ｎｉ10など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ｔｉ−Ｙ系（Ｚｒ40Ｃｕ50Ｔｉ5Ｙ5など）、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ−（Ｔｉ、Ｎｂ、Ｐｄ）系（Ｚｒ63Ｃｕ25Ａｌ5Ｎｉ5Ｔｉ02）などが報告されている（特許文献１、非特許文献３及び４参照）。例えば、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉ系の金属ガラス薄膜を用いることができる。Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ系の金属ガラス薄膜としては、Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒなどを用いることができる。これらの金属ガラス薄膜は、スパッタリング法で成膜することができる。
【００２３】
Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金は硬い表面を持ち、腐食に強く摩耗に強い性質を有する。さらに、優れた離型性を有し、金型として用いる場合には金型の表面処理が不要である。Ｚｒ−Ｃｕ系金属ガラス合金は、強度や成形性に優れているので、過冷却液体領域において曲面構造や多層構造を容易に形成することができる。したがって、微細パターンの形成前又は形成後に所望の表面構造に塑性変形加工を施すことができる。
【００２４】
Ｚｒ−Ｃｕ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ系の金属ガラス薄膜は、低スパッタリングガス圧力下での高周波（ＲＦ）や直流（ＤＣ）を用いたマグネトロン・スパッタリング法により基板２上に厚み３〜５μｍ程度の薄膜として形成することができる。スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜は、表面が滑らかで高硬度である。
【００２５】
例えば、ＲＦマグネトロン・スパッタリング法により基板２上に形成したＺｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系金属ガラスとして、例えば、Ｚｒ55Ｃｕ30Ａｌ10Ｎｉ5組成の薄膜は、金属ガラス形成能が特に大きく、ΔＴｘは９５Ｋ以上であり、薄膜の表面は原子レベルで平滑であり、例えば、その表面粗さＲａを約０．６５ｎｍとすることができる。この表面は電場勾配のない表面となっており、最も幅の狭い線を描くことができる。さらに、硬度は銅鋳型鋳造したバルク材よりもかなり大きく高硬度（Ｈｖ約９００以上）が得られ、摩擦に非常に強いことからＳｉ基板２などを用いたマイクロマシン１やマイクロマシンを用いたセンサに適用することができる。また、金属ガラス薄膜の熱膨張率はガラス状態で約１．０×１０-5／Ｋ、過冷却液体領域で約１８×１０-5／Ｋである。Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系金属ガラスを得るための好ましい組成範囲は原子％でＺｒ５０〜６５％、Ｃｕ２５〜３５％、Ａｌ５〜２０％、Ｎｉ０〜９％程度である。
【００２６】
Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系やＦｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒからなる金属ガラス薄膜は、集束イオンビーム装置により１０ｎｍ程度までのパターニングができる。これらの材料は、導電性であるので、帯電でパターンがぼやけることがなく、ｎｍオーダーのパターンを精度よく形成することができる。Ｆｅ−Ｐｔ−Ｂ−Ｚｒからなる金属ガラス薄膜の場合には、成膜した直後には軟質磁性層となり、熱処理を行った場合には硬質磁性層となる。したがって、これらの金属ガラス薄膜３，４は、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシン１やナノマイクロマシンやこれらを用いたセンサの部品として使用することができる。
なお、図示の場合には、第１の金属ガラス薄膜３は、基板２の表面に形成していたが、これに限らないことはいうまでもなく、マイクロマシンとなる基板２の必要な箇所に形成することができる。例えば、基板２に形成された絶縁膜の表面に形成してもよい。
【００２７】
図２は、本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１の製造方法を模式的に示す工程図である。用いる金属ガラス薄膜３，４は、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉとし、基板２はＳｉとして説明する。
図２（Ａ）に示すように、洗浄したＳｉ基板２上に、ＲＦスパッタリング法によって所定の膜厚、例えば膜厚が１μｍのＺｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉからなる第１の金属ガラス薄膜３を堆積する。
図２（Ｂ）に示すように、Ｓｉ基板２の上部表面にＳｉ基板に形成する空洞となる領域にフォトリソグラフィ法を用いてレジストパターン６を形成し、第２の金属ガラス薄膜４をＲＦスパッタリング法を用いて堆積し、レジストパターン６をエッチングで除去する（図２（Ｃ）参照）。この所謂リフトオフ工程により空洞となる領域の金属ガラス薄膜４が除去されて金属ガラス薄膜４のパターンがＳｉ基板２上に形成される。
最後に、図２（Ｄ）に示すように、金属ガラス薄膜４をマスクとして、Ｓｉ基板２をＫＯＨ溶液などで異法性エッチングすることで、Ｓｉ基板２内に空洞、すなわち、開口部２Ａが形成される。
【００２８】
本発明の上記製造方法によれば、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉのような金属ガラス薄膜３，４をスパッタリング法で作製することができ、この金属ガラス薄膜３，４は大きな過冷却液体領域をもち、滑らかで腐食に強い、しかも高いビッカース硬さを示す。しかも、この金属ガラス薄膜３，４はＳｉエッチングの際、極めて優れた特性を示す。従来、ＳｉのＫＯＨによるエッチングには、Ｓｉ基板２にＳｉＯ2膜をコートしてマスクとしていたが、スパッタリング法で堆積したＳｉＯ2膜は結晶化によるグレインのため表面の凸凹が大きくなる。これに対して、Ｚｒ−Ｃｕ−Ａｌ−Ｎｉ系の金属ガラス薄膜３，４はＳｉ基板２との密着性や、ＫＯＨに対する耐食性が優れているだけでなく、レジストによるパターニングプロセスも容易に行うことができる。
【００２９】
本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１は、特に、Ｓｉ基板２の開口部２Ａを覆う第１の金属ガラス薄膜３を、所謂メンブレンとして、後述するダイアフラムや各種のセンサに適用することができる。金属ガラス薄膜３，４は、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシンやマイクロマシンによる各種のセンサにおいて、抵抗、金属配線、歪ゲージなどにも使用できる。また、Ｓｉ基板２などを用いたマイクロマシンやマイクロマシンによる各種センサにおいて、磁性のある金属ガラス薄膜は、磁性膜として使用することができる。
【００３０】
以下、本発明の金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン及びマイクロマシンを用いたセンサの幾つかの例を説明する。以下の説明においては、特に断らない限りは、金属ガラス薄膜３，４は、Ｚｒ−Ａｌ−Ｃｕ−Ｎｉとし、基板２はＳｉとして説明する。
本発明による第２の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムについて説明する。図３は本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムを模式的に示す断面図であり、図４は図３の圧力センサ用ダイアフラムの変形例を模式的に示す断面図である。
図３に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０は、基準圧力室となる空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された第１の金属ガラス薄膜３と、を備えている。基板２の裏面に形成された層は、第２の金属ガラス薄膜４又は絶縁層１２であり、基板２の開口部２Ａの形成時に用いたマスク層である。
【００３１】
図４に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０Ａは、さらに、基板の開口部２Ａをシールするシール部１４を備えてもよい。この場合、開口部２Ａとなる空洞は真空にしてもよい。このような、シール部１４としては、ガラス基板などを使用することができる。
【００３２】
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０，１０Ａに用いる基板や金属ガラス薄膜は、第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１と同様な材料を用いることができる。
【００３３】
図５は、本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムの製造方法を模式的に示す工程図である。
図５（Ａ）に示すように、Ｓｉ基板２を洗浄し、Ｓｉ基板２上にＳｉＯ2膜１２を熱酸化又はＣＶＤ法などにより堆積する（図５（Ｂ）参照）。ＳｉＯ2膜１２の代わりに金属ガラス薄膜４を堆積してもよい。
図５（Ｃ）に示すように、ＳｉＯ2膜１２の表面にレジスト７を塗布し、図５（Ｄ）に示すように、Ｓｉ基板２に形成する空洞領域となる領域以外にフォトリソグラフィ法によりレジストパターン７Ａを形成し、レジストパターン７ＡをマスクとしてＳｉＯ2膜１２をエッチングして、ＳｉＯ2膜１２に開口部を形成した後でレジストを除去する（図５（Ｅ）参照）。
図５（Ｆ）に示すように、Ｓｉ基板２のＳｉＯ2を形成しない表面に金属ガラス薄膜３をＲＦスパッタリング法により堆積し、図５（Ｇ）に示すように、金属ガラス薄膜３を熱処理する。この熱処理を施すことで金属ガラス薄膜３に生じる内部応力を緩和することができる。この熱処理温度は、金属ガラス薄膜３のガラス遷移温度よりも高い温度とすればよい。
最後に、図５（Ｈ）に示すように、Ｓｉ基板２をＫＯＨ溶液などでエッチングすることで、Ｓｉ基板２内に開口部２Ａが形成される。
【００３４】
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラム１０，１０Ａは、ダイアフラムがステンレス鋼に比較して弾性率が小さい金属ガラス薄膜から構成されているので、従来のダイアフラムに比較して、高感度で、ダイナミックレンジを広くすることができる。
【００３５】
本発明による第３の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサについて説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサを模式的に示す断面図である。図６に示すように、金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０は、基準圧力室となる空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された第１の金属ガラス薄膜３と、第１の金属ガラス薄膜３上に配置される歪ゲージ２１と、基板の開口部２Ａをシールするシール部１４と、を備えている。すなわち、図４に示す圧力センサ用ダイアフラム１０Ａにさらに歪ゲージを付加した構成となっている。この場合、開口部２Ａとなる空洞は真空にしてもよい。このようなシール部１４としては、ガラス基板などを使用することができる。
【００３６】
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０の感度は、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の下部面の歪により決まり、下記（１）式で表わされる。
ε＝αｐａ2／（Ｅｔ2）                    （１）
ここで、εは歪、αは定数、ｐは圧力センサ２０に印加される圧力、ａはダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の実効直径、Ｅは弾性率、ｔは金属ガラス薄膜３の厚さである。
したがって、圧力センサ２０の感度は、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の直径を大きくし、その厚さを薄くすると共に、より弾性率の小さい材料を用いれば向上することができる。
【００３７】
金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０に用いる基板２や金属ガラス薄膜３は、第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン１と同様な材料を用いることができる。これを製造する場合は、図２で説明した製造方法に、さらに第１の金属ガラス薄膜３上に歪ゲージ２１を形成する工程を追加することで製作することができる。歪ゲージ２１は、電気機械素子、例えば圧電性を有する材料を用いて製作することができる。
【００３８】
本発明の金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ２０によれば、第１の金属ガラス薄膜３からなるダイアフラムの弾性係数が従来のステンレス鋼よりも小さく、かつ、弾性限ひずみが大きいことから、従来の圧力センサに比較して、高感度でダイナミックレンジが広い圧力センサを提供することができる。さらに優れた耐食性を発揮することは、相対的な表面積の大きなマイクロマシン（ＭＥＭＳ）構造においては極めて有用であり、様々な環境での使用が可能である。
【００３９】
本発明による第４の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサについて説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサを模式的に示す断面図である。図７に示すように、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサ３０は、空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２表面に形成された金属ガラス薄膜からなるカンチレバー（片持ち梁）３２と、カンチレバー３２の表面に形成されるセンサ部３４と、から構成されている。このセンサ部３４としては、金属ガラス薄膜からなるカンチレバー３２に生じる機械的振動、質量、温度、電磁波などの変化を感知できるものであれば何でもよい。このようなセンサ部３４としては、例えば、圧電材料（電気機械変換材料）などを用いることができる。センサ部３４としては、図示するように、圧電材料からなる圧電層３５の上下に電極３６，３７を設けた構造としてもよい。このような圧電材料としては、ＺｎＯ、ＡｌＮやＰＺＴなどを用いることができる。
【００４０】
圧電層３５からなるセンサ部３４を用いた場合には、電極３６，３７を発振器の一構成要素として発振させることができる。この発振周波数は、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバー３２へ印加される機械的振動、質量、温度などの変化により変わる。したがって、本発明のセンサ３０によれば、金属ガラス薄膜からなるカンチレバー３２に生じる変化を周波数変化として検出することができる。
【００４１】
本発明による第４の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサの変形例について説明する。
図８は、本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーの変形例を模式的に示す断面図である。図８に示すように、金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサの別の変形例は、図６に示したセンサにおいて、さらに、カンチレバー３２の裏面に検知層３８を設けた構造としている。検知層３８としては、各種物質を感知できる層とすればよい。検知層３８を選ぶことにより、化学物質、たんぱく質や酵素（エンザイム）などの生体材料を検知することができる。
【００４２】
次に、本発明による第５の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたセンサについて説明する。
図９は本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘに沿う模式的な断面図である。図１０（Ｂ）に示すように、金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０は、空洞２Ａを備えた基板２と、この基板２の表面に形成された金属ガラス薄膜４１と、金属ガラス薄膜４１の表面に形成されるセンサ部４２と、センサ部４２の表面に形成される２組の櫛状電極４４，４５と、金属ガラス薄膜４１の裏面に検知層４６を設けた構造を備えている。
【００４３】
図示の場合には、センサ部４２は圧電材料からなる圧電層４３とし、この圧電材料としてはＺｎＯ、ＡｌＮやＰＺＴなどを用いることができる。
【００４４】
検知層４６としては、各種物質を感知できる層とすればよい。検知層４６を選ぶことにより、化学物質やたんぱく質やエンザイムなどの生体材料を検知することができる。
【００４５】
金属ガラス薄膜４１を不純物が添加された厚さが１〜３μｍのＳｉ薄膜とし、圧電層４３の厚さを０．２μｍ〜１μｍとしたセンサは、一般にたわみ板波（ＦＰＷ：Ｆｌｅｘｕｒａｌ  Ｐｌａｔｅ  Ｗａｖｅ）センサと呼ばれているが、本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０も同様に動作する。金属ガラス薄膜４１の厚さを振動モードの波長よりも薄くしておけば、金属ガラス薄膜４１と圧電層４３とが強く結合し、単一の波が金属ガラス薄膜４１を通して伝播する。櫛状電極の入力側４４を増幅器に接続し、増幅器の出力を櫛状電極の出力側４５に接続すれば、センサ４０の有する固有周波数で発振する。この発振周波数は、金属ガラス薄膜４１へ印加される機械的振動、質量、温度などの変化により変わる。したがって、本発明のセンサ４０によれば、金属ガラス薄膜４１に生じる変化を周波数変化として検出することができる。
【００４６】
ここで、圧電層４３は金属ガラス薄膜４１上に形成されているので、圧電層４３の電気エネルギーから機械エネルギーへの変換係数又は機械エネルギーから電気エネルギーへの変換係数を増大させることができる。
【００４７】
本発明の金属ガラス薄膜を用いたセンサ４０は、圧電層の下部に配置されるＳｉ薄膜を用いた従来のセンサに比較すると製造が容易にできる。単結晶によるＳｉ薄膜は脆いが、金属ガラス薄膜４１は機械的強度が高いので、より薄い薄膜を形成することができ、センサ感度を向上させることができる。
【実施例１】
【００４８】
以下、本発明に関する実施例をさらに詳細に説明する。
実施例１として、図３に示したダイアフラム１０を、図５で説明した製造方法を用いて製作した。
具体的には、（１００）面を有する単結晶シリコン基板２にスパッタリング法によりＳｉＯ2薄膜を堆積し、ＵＶ−リソグラフィによって異方性エッチングのための開口部を作製した。ダイアフラムとなる開口部２Ａの寸法は１、２、４ｍｍ角の３種類とした。ＵＶ−リソグラフィに用いたレーザー描画装置は、波長４０５ｎｍの固体レーザー源を備え、分解能０．１μｍ、描画範囲５０ｍｍ×５０ｍｍの装置である。ＮＣ工作機械に用いられる汎用Ｇコードによって一筆書きで描画を行う点に特徴がある。
【００４９】
さらに、Ｓｉ基板２の裏面に金属ガラス薄膜３をスパッタリング法により形成した。装置としては、逆スパッタ機構を備えているＲＦマグネトロン・スパッタリング装置を用い、スパッタリングの前処理として逆スパッタによりプラズマクリーニングを行った。このため、金属ガラス薄膜３のＳｉ基板２への膜の密着度が向上した。なお、スパッタリング条件は、成膜圧力が０．３６Ｐａ、ＲＦ電力は８０Ｗ、成膜時間は７５分であり、膜厚は約９６０ｎｍであった。
【００５０】
スパッタリング装置に用いられるターゲットの組成と、スパッタリング法により得られる薄膜の組成は異なることが知られている（非特許文献５参照）。実施例１では、目標とする金属ガラス薄膜の組成を、Ｚｒ55Ｃｕ30Ｎｉ5Ａｌ10とした。本合金組成の金属ガラスは、本発明者の井上等により見出されたもので、広い過冷却液体域を有する代表的な金属ガラスの一つである(非特許文献２参照)。アモルファス形成能に優れるため、メルトスピニング法による薄膜ばかりでなく、銅鋳型鋳造法によるバルク形状の素材が得られている。銅合金のガラス遷移温度はＴｇ＝６８２Ｋ、結晶化温度Ｔｘ＝７６７Ｋ、過冷却液体温度域ΔＴｘ（＝Ｔｘ−Ｔｇ）＝８５Ｋであり、室温での弾性係数Ｅ＝８７ＧＰａ、引張り強さ（σmax）＝１．８ＧＰａである。
【００５１】
まず、これと上記組成と同じターゲットを作製してスパッタリングを行い、得られた金属ガラス薄膜のＥＰＭＡ組成解析を行ったところ、表１に示すように、目標の組成に比べてＺｒが少なく、Ｎｉ、Ａｌが多い結果となった。また、この金属ガラス薄膜を示差走査熱量計（ＤＳＣ）により熱分析を行った結果、金属ガラス特有の過冷却液体領域の発生が不明瞭であった。
【表１】
2008155333.tif 000003
【００５２】
上記結果を基に、新たなターゲット（Ｚｒ：Ｃｕ：Ｎｉ：Ａｌ（元素比）＝６４．４：２６．２：２．１：５．３））を作製し、得られたスパッタ薄膜について同様の測定を行った。スパッタリング法で得た金属ガラス薄膜の組成分析の結果、表２に示すようにＺｒ60.7Ｃｕ26.8Ｎｉ4Ａｌ8.5と同定され、目標組成に近い金属ガラス薄膜３を得た。
【表２】
2008155333.tif 000004
【００５３】
図１０は、実施例１で形成した金属ガラス薄膜３のＸ線回折パターンを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度２θ（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。
図１０から明らかなように、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３においては、結晶を示唆するピークは見られず、スパッタリング法によりアモルファス薄膜が形成されたことがわかる。
【００５４】
図１１は、実施例１で形成した金属ガラス薄膜３のＤＳＣ測定結果を示す図である。図の縦軸はＤＳＣ（ｍＷ）であり、横軸は温度（Ｋ）である。
図１１から明らかなように、金属ガラス薄膜３は明瞭な過冷却液体領域と一つの結晶化ピークが得られた。この測定結果から、金属ガラス薄膜３の特性として、ガラス遷移温度Ｔｇ＝６６５Ｋ、結晶化開始温度Ｔｘ＝７４０Ｋ、過冷却液体領域ΔＴｘ＝７５Ｋと求められた。
【００５５】
次に、金属ガラス薄膜３を過冷却液体領域まで加熱して熱処理を行い、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３の内部応力を開放した。熱処理は４００℃で５分行った。最後に、Ｓｉ基板２を３０％ＫＯＨ溶液（温度７０℃）で異方性エッチングして、実施例１の金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０を製作した。図１２は実施例２で製作した金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０の光学顕微鏡像であり、（Ａ）がダイアフラムの表面を、（Ｂ）がダイアフラムの裏面を示している。図１２から、金属ガラス薄膜３が平坦に形成されていることが分かる。金属ガラス薄膜の熱処理を行わない場合には、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜にはシワが発生した。このように、ダイアフラムとなる金属ガラス薄膜３の熱処理を行うことで、内部応力の緩和ができることが判明した。
【００５６】
実施例１の金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０の弾性解析シミュレーションを行った結果、このダイアフラム１０を圧力センサに用いた場合には、１０Ｐａ〜０．１ＭＰａの範囲で動作することが分かった。
【実施例２】
【００５７】
Ｓｉ基板２に開口部を形成するマスクとして、第２の金属ガラス薄膜４を用いて、金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム１０を製作した。製造方法は図２に示した方法と同じであるのでその説明は省略し、製造条件等を詳細に説明する。
金属ガラス薄膜の堆積は、ＤＣマグネトロン・スパッタリング装置（アルバック製）を用いて行った。アルゴン圧力は０．１〜０．５Ｐａとし、直流入力は１００Ｗとし、約１μｍの金属ガラス薄膜を作製し、それぞれ、第１及び第２の金属ガラス薄膜３，４とした。実施例１と同様に、金属ガラス薄膜３，４には、熱処理を施した。最後に、Ｓｉ基板２を３０％ＫＯＨ溶液（温度７０℃）で１９時間異方性エッチングして、実施例２の金属ガラス薄膜を用いたダイアフラム１０を製作した。
【００５８】
実施例１と同様の測定を行い、実施例２で得た金属ガラス薄膜３の評価を行った。図１３は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３のＸ線回折パターンを示す図である。図の縦軸は回折Ｘ線強度（任意目盛り）を示し、横軸は角度２θ（°）、すなわちＸ線の原子面への入射角θの２倍に相当する角度である。
図１３から明らかなように、スパッタリング法で形成した金属ガラス薄膜３においては、結晶を示唆するピークは見られず、スパッタリング法によりアモルファス薄膜が形成されたことがわかる。金属ガラス薄膜３の組成は、Ｚｒ48.4Ｃｕ31.2Ｎｉ8.7Ａｌ11.6と同定された。
【００５９】
図１４は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３のＤＳＣ測定結果を示す図である。図の縦軸はＤＳＣ（ｍＷ）であり、横軸は温度（Ｋ）である。図１４から明らかなように、金属ガラス薄膜３は明瞭な過冷却液体領域と一つの結晶化ピークが得られ、これにより、ガラス遷移温度Ｔｇ＝６９２Ｋ、結晶化開始温度Ｔｘ＝７８８Ｋ、過冷却液体領域ΔＴｘ＝９６Ｋと求められた。
【００６０】
図１５は、実施例２で形成した金属ガラス薄膜の表面の透過電子顕微鏡像を示す図である。図１５及びその左上に示す制限視野電子線回折パターン（ＳＡＥＤ）から、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３はアモルファス構造であることが分かる。
【００６１】
図１６は、（Ａ）が実施例２で形成した金属ガラス薄膜３の表面、（Ｂ）が実施例１で形成したＳｉＯ2膜表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図である。図１６から明らかなように、実施例２で成膜した金属ガラス薄膜３の表面粗さは、Ｒａ＝０．２ｎｍであり、実施例１のスパッタリング法で形成したＳｉＯ2膜の表面粗さは、Ｒａ＝０．９ｎｍであり、実施例２で形成した金属ガラス薄膜３は原子レベルで滑らかな表面であることが判明した。
【００６２】
実施例２で形成した金属ガラス薄膜の強度は約１０．３ＧＰａ（ビッカース硬さはＨｖ＝５５０（ＵＭＩＳナノナノインデンター使用、最大荷重１５ｍＮ））であり、ヤング率は、１２８ＧＰａであった。
【実施例３】
【００６３】
Ｓｉ基板上に、ＦｅＰｔＢＺｒからなる金属ガラス薄膜３をスパッタリング法で０．３μｍ〜約１μｍの厚さに堆積した。この場合、スパッタリング法は、Ｆｅ72Ｐｔ30Ｂ18合金からなるターゲットとＺｒからなるターゲット、つまり２つのターゲットを用いて、（Ｆｅ0.496Ｐｔ0.402Ｂ0.102）100-xＺｒxからなる組成の金属ガラス薄膜を製作した。ここで、金属ガラスとなる組成はｘが約７．７以上であり、ｘが約１９．３までは金属ガラスとなることを確認した。したがって、組成は、Ｆｅ45.7Ｐｔ37.1Ｂ9.4Ｚｒ9.4〜Ｆｅ40Ｐｔ32.4Ｂ8.2Ｚｒ19.3程度となる。このＦｅＰｔＢＺｒからなる金属ガラス薄膜３を、イオンビームエッチング装置（日立製作所製、ＦＢ２１００）を用いて、マスクレスでパターンを形成した。アクセル電圧は４０ＫｅＶ、エミッション電流は３．２μＡ、デュエルタイムは３〜４μｓとした。
【００６４】
（比較例１）
比較のために、実施例３と同じ条件で結晶からなるＦｅＰｔＢ薄膜にもパターンを形成した。
【００６５】
実施例３においては、最小約１０ｎｍの線幅のパターンを形成することができた。
図１７は、パターンの走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ａ）が実施例３を、（Ｂ）が比較例１を示している。電子の加速電圧は１５ｋＶであり、倍率は８５００倍である。
図１７（Ａ）から明らかなように、厚さが０．５μｍで、Ｆｅ43.5Ｐｔ35.6Ｂ11.1Ｚｒ9.8からなる金属ガラス薄膜３の場合には、シャープなパターンが形成されていることが分かる。
一方、図１７（Ｂ）から明らかなように、ＦｅＰｔＢからなる薄膜は、アモルファスではなく結晶性であるので、Ｆｅ43.5Ｐｔ35.6Ｂ11.1Ｚｒ9.8からなる金属ガラス薄膜３に比較するとパターンがよく形成されていないことが分かった。
【００６６】
本発明は、上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、マイクロマシンの構造や、金属ガラス薄膜の厚さ、形状、機能、使用するセンサ部は各種のものを適宜に用いて設計することができ、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明により、従来のＳｉやＳｉＯ２、金属配線などで形成されていたマイクロマシンに新たに金属ガラス薄膜を使用した、所謂Ｓｉ基板と金属ガラス薄膜のハイブリッド構造のマイクロマシンやこのマイクロマシンを用いた各種センサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンを模式的に示す断面図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシンの製造方法を模式的に示す工程図である。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムを模式的に示す断面図である。
【図４】図３の圧力センサ用ダイアフラムの変形例を模式的に示す断面図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサ用ダイアフラムの製造方法を模式的に示す工程図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いた圧力センサを模式的に示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーを有するセンサを模式的に示す断面図である。
【図８】本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたカンチレバーの変形例を模式的に示す断面図である。
【図９】本発明の第４の実施形態に係る金属ガラス薄膜を用いたセンサを示す図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘに沿う模式的な断面図である。
【図１０】実施例１で形成した金属ガラス薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１１】実施例１で形成した金属ガラス薄膜のＤＳＣ測定結果を示す図である。
【図１２】実施例２で製作した金属ガラス薄膜３を用いたダイアフラム１０の光学顕微鏡像であり、（Ａ）がダイアフラムの表面を、（Ｂ）がダイアフラムの裏面を示している。
【図１３】実施例２で形成した金属ガラス薄膜のＸ線回折パターンを示す図である。
【図１４】実施例２で形成した金属ガラス薄膜のＤＳＣ測定結果を示す図である。
【図１５】実施例２で形成した金属ガラス薄膜表面の透過電子顕微鏡像を示す図である。
【図１６】（Ａ）が実施例２で形成した金属ガラス薄膜の表面、（Ｂ）が実施例１で形成したＳｉＯ2膜表面の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）像を示す図である。
【図１７】パターンの走査電子顕微鏡像を示す図であり、（Ａ）が実施例３を、（Ｂ）が比較例１を示している。
【符号の説明】
【００６９】
１：金属ガラス薄膜を用いたマイクロマシン
２：Ｓｉ基板
２Ａ：開口部（空洞）
３：第１の金属ガラス薄膜
４：第２の金属ガラス薄膜
４Ａ：開口部
６：レジストパターン
７：レジスト
１０、１０Ａ：圧力センサ用ダイアフラム
１２：絶縁層（ＳｉＯ2膜）
１４：シール部
２０：圧力センサ
２１：歪ゲージ
３０：カンチレバーを有するセンサ
３２：カンチレバー
３４，４２：センサ部
３５：圧電層
３６，３７：電極
３８，４６：検知層
４０：ＦＰＷセンサ
４１：金属ガラス薄膜
４４，４５：櫛状電極
【図１】
2008155333.tif 000005
【図２】
2008155333.tif 000006
【図３】
2008155333.tif 000007
【図４】
2008155333.tif 000008
【図５】
2008155333.tif 000009
【図６】
2008155333.tif 000010
【図７】
2008155333.tif 000011
【図８】
2008155333.tif 000012
【図９】
2008155333.tif 000013
【図１０】
2008155333.tif 000014
【図１１】
2008155333.tif 000015
【図１３】
2008155333.tif 000016
【図１４】
2008155333.tif 000017
【図１２】
2008155333.tif 000018
【図１５】
2008155333.tif 000019
【図１６】
2008155333.tif 000020
【図１７】
2008155333.tif 000021