(57)【要約】本発明は、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する積層構造に対して、反応性イオンエッチングを用いることにより、酸化物あるいは酸化物と金属の積層にて構成され膜の表面状態を活性化させて化学的に反応を起こすことにより、反応生成物の堆積を活用して基板上に中空部を有する微細な構造体を形成する。
2004103893.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を形成し、その最上層に位置の特定を目的とするアライメントマークを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることでアライメントマークの形状を反映した微細構造体を生成することを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項２】
請求項１において、前記反応性イオンエッチング工程を経ることにより内部に中空部を有する構造体が製造され、前記構造体は前記アライメントマークの形状に応じた形状とされることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項３】
無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を形成し、その最上層に位置の特定を目的とするエッチング用フォトマスクを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることでエッチング用フォトマスクの形状を反映した微細構造体を生成することを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項４】
請求項３において、前記反応性イオンエッチング工程を経ることにより内部に中空部を有する構造体が製造され、前記構造体は前記エッチング用フォトマスクのパターン形状に応じた形状とされることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項において、前記反応性イオンエッチング工程により、前記無機酸化物層と前記金属層の化学的な反応を利用し、前記金属層の中の金属の原子またはイオンのマイグレーション作用及び化学的な活性反応を活用して自己組織化を引き起こして成長させることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項において、前記反応性イオンエッチング工程を経る間に、前記基板又は前記金属層及び前記無機酸化物層が前記反応性イオンエッチング工程による反応生成物の凝縮開始温度となることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項において、前記金属層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものであることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項８】
請求項１乃至請求項７のいずれか一項において、前記無機酸化物層は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｇａ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＧｅＯ，ＴｉＯ２の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものであることを特徴とする微細構造体の製造方法。
【請求項９】
無機材料もしくは高分子材料からなる基板と、
前記基板上に形成された複層と、
前記複層上に形成された内部に中空部を有する構造体と、
を具備する微細構造体であって、
前記複層は、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有し、且つ、最上層が無機酸化物層であり、
前記構造体は、前記複層がアライメントマーク又はエッチング用フォトマスクを用いた反応性イオンエッチング工程を経ることにより製造されることを特徴とする微細構造体。
【請求項１０】
請求項９において、前記金属層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものであることを特徴とする微細構造体。
【請求項１１】
請求項９又は請求項１０において、前記無機酸化物層は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｇａ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＧｅＯ，ＴｉＯ２の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものであることを特徴とする微細構造体。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細構造体の製造方法により製造された微細構造体に圧電膜を付加することを特徴とする圧電素子の製造方法。
【請求項１３】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体に圧電膜を付加したことを特徴とする圧電素子。
【請求項１４】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体に放熱機能、廃熱機能又は熱伝導機能を付加したことを特徴とするデバイス素子。
【請求項１５】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体に電圧を印加して電子放出させる機能を付加したことを特徴とする発光素子。
【請求項１６】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体の内部に蛍光材料を充填したことを特徴とする発光素子。
【請求項１７】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細構造体の製造方法により製造された微細構造体の内部に蛍光材料を充填することを特徴とする発光素子の製造方法。
【請求項１８】
請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の微細構造体の製造方法により製造された微細構造体の内部に触媒を担持することにより制御微少サイズの反応炉を製造することを特徴とするマイクロリアクタデバイス素子の製造方法。
【請求項１９】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体の内部に触媒を担持することにより制御微少サイズの反応炉としたことを特徴とするマイクロリアクタデバイス素子。
【請求項２０】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体の内部に触媒を担持したことを特徴とするカーボンナノチューブ／カーボンファイバー作製素子。
【請求項２１】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体の表面の光散乱乃至光回折特性を用いたことを特徴とする光学素子。
【請求項２２】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体を用いたことを特徴とする電気回路実装デバイス素子。
【請求項２３】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体を回路形成用トレンチ構造として用いたことを特徴とする半導体素子。
【請求項２４】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体を用いたことを特徴とするバイオチップデバイス。
【請求項２５】
請求項９乃至請求項１１のいずれか一項に記載の微細構造体を用いたことを特徴とする半導体素子実装用の金属バンプ素子。
【請求項２６】
請求項２５に記載の金属バンプ素子を用いて半導体素子を接合したことを特徴とする半導体素子付基盤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、反応性イオンエッチング法を用いて形成される微細構造体及びその製造方法に関する。本発明の微細構造体とは、オングストロームよりミリオーダーまでの大変広い単位範囲で微細な秩序を有した構造体である。
【背景技術】
【０００２】  本発明の構造体は従来には存在しない特異な物であるが、類似の微細構造を形成する手段としては、主として表面素材を電子線リソグラフィー法もしくはエッチング法に代表される、機械的および物理的切削によるか、別途個別に作成した構造体を接着や圧着などの物理的な接合方法により基盤表面に整列させてなるものであった。この構造体は本発明で示す様に多くの工業生産現場乃至研究分野で有用であるにも関わらす簡便に作成することが困難であった。【０００３】  また、これらの方法によると微細な形状にする場合の製造プロセスが複雑であったり、形状の制御や選択性に制約が大きい等、幾多の課題が存在している。この為、製造プロセスにかなりの時間を要する上、スループットが低く、装置も高価である為に製造コストが高価になってしまうなどの欠点があった。【０００４】  また、最近ではＥＣＲエッチング法（電子サイクロトロン共鳴型ドライエッチング法）等により、化学的に機械加工を施して基板上に柱状の構造体を製作する方法も開発がなされたが、エッチング法を行う場合は対象とされる材料や使用ガスを含む製造方法に制約を多く設ける為に、量産技術としてはその有用性が必ずしも高いとは考えられていない。
また、いずれの方法を活用した場合であっても、機械的に加工を施す為に出来上がった構造物の品位や信頼性等において不安定な要素が多く、安定性を欠いているとも考えられる。【０００５】  例えば半導体素子に用いる為に、トレンチと言われるアスペクト比が大きい形状の構造を形成する場合に、その技術的信頼性の確保の為に必要な情報に対し、これらの機械的加工技術については難易度が高い為に製造方法に依存することが高く、制限を多く設ける製造プロセスにおいては優位性が高いとは考え難い。【０００６】  また、例えば酸化物や金属の柱状結晶を作成して近接場用プローブの光インジェクション素子，あるいはその他の機能に活用するインジェクション素子などは、いずれも１０〜１００ｎｍ程度の円筒構造物を使用するが、これらはいずれも電子線リソグラフィーおよびドライエッチングを共用して機械的に加工を施す為に、加工形状の制御や製造自体が大変困難であり、形状の選択性にも限界があるとされている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】  本発明は、従来の機械的あるいは物理的に研磨や精密加工を行ったり、あるいは、別途作成された微細構造体を基盤表面上に配列させる為の別行程を要するのではなく、化学的に対象物に反応を起こして化学反応物を生成させて堆積し、その堆積物を自己組織化させることで構造物の成長を実現した新しい構造体の製造技術として、機械的かつ化学的に安定な構造体を簡便に形成する方法を提供する事を目的としてなされたものである。
この為、膨大な設備投資を要さず、汎用的に存在するドライプロセスの薄膜加工設備を用いて、極めて簡便に構造物の製作を可能にする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  我々は、上記目的を達成するために、試行錯誤と鋭意研鑽を重ねた結果、既存の薄膜製造ドライプロセスを用いながら、反応性イオンエッチング法にて化学的に活性である状態を適切に用いることにより、無機材料の物理化学反応による金属材料の自己組織化過程を活用した微細構造体製造に成功したものである。【０００９】  すなわち蒸着など適当な方法で作成された無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に金属および無機酸化物をスパッタ法乃至多元同時スパッタ法にて少なくとも２層以上の積層を成膜させてなる積層基板に、レジストマスクを用いて所望の幾何学構造すなわち、円、長方形、あるいは２次元格子等の任意の構造を指定した後、反応性イオンエッチングを行うことにより、中空の円筒、中空の角柱、あるいは溝状の構造体が得られることを特徴とする微細構造体およびその製造方法である。マスクによって与えられるサイズはサブナノ、ナノ、サブミクロン、ミクロン、サブミリおよびミリオーダーであってもよく、これは制限されない。【００１０】  本発明者らは、成長させる対象物に化学反応を起こし、その反応により得られた反応生成物に連続して二次的な化学反応を継続して起こさせることで反応生成物の自己組織化を促進させて、微細な組織およびその構造体を製造する方法を開発すべく鋭意研究を重ねた結果、基板のドライエッチング処理において、エッチングガスと該加工基板物質との反応を時間と温度を任意に制御することにより、反応生成物の構造や状態を制御することが可能になった。更に制御する反応生成物が凝縮を開始する温度に設定し、基板をドライエッチング処理すると、エッチングガス又は該反応生成物が部分的に凝縮し、これがエッチングに対するナノメータースケールの微細なマスクとなり、ナノメータースケールの微細加工が可能になること、そして基板に予めアライメントマーク又はエッチング用フォトマスクを形成させておけば、このアライメントマーク又はエッチング用フォトマスクを中心に前記凝縮が起こるので、極めて有利に微細加工を施しうることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成するに至った。【００１１】  尚、凝縮核とは、反応生成物が凝縮する際に、凝縮を誘導或いは凝縮箇所の特定をするマーキングを示唆するものである。
反応生成物の凝縮開始温度は、材料により適宜異なる。例えば、ＡｕやＡｌの場合は、その原子移動（マイグレーション作用）の起点となる２００℃〜２５０℃であり、Ｐｔは５００℃超、Ｔｉならば４００℃より５００℃程度の温度となる。この為、この原子移動開始温度を反応性イオンエッチング・プロセス時における凝縮開始温度と規定することが出来、時間は反応性イオンエッチングを行う時間となる。反応性イオンエッチングを行う時間とは、凝縮核の成長状態に応じて任意で変動させることが出来、時間が長ければ長いほど形成される微細構造体素子自体の高さに連動する。即ち、温度は微細構造体素子に適用される金属と無機酸化膜の材料によって特定されると考えられるが、時間についてはアスペクト比をどの程度にするかによって異なる。例えば、アスペクト比が２の円筒形状の微細構造体を形成させる場合には、この反応性イオンエッチングを行う時間は、３１分で実施することが好ましい。【００１２】  本発明に係る微細構造体の製造方法は、無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を形成し、その最上層に位置の特定を目的とするアライメントマークを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることでアライメントマークの形状を反映した微細構造体を生成することを特徴とする。【００１３】上記微細構造体の製造方法によれば、アライメントマーク下の複層が反応性イオンエッチング工程を経ることにより、無機酸化物層と金属層に化学的な反応を起こし、前記金属層の中の金属の原子またはイオンのマイグレーション作用及び化学的な活性反応を活用して自己組織化を引き起こして被エッチング対象物を成長させることができる。これにより、微細構造体を製造できる。
なお、アライメントマークとは、微細構造体を形成する位置を決めるためのマークである。【００１４】  また、本発明に係る微細構造体の製造方法においては、前記反応性イオンエッチング工程を経ることにより内部に中空部を有する構造体が製造され、前記構造体は前記アライメントマークの形状に応じた形状とされることが可能である。例えば、前記アライメントマークの形状が円形である場合は前記構造体が円柱形状又は円錐形状とされ、前記アライメントマークの形状が四角形である場合は前記構造体が角柱形状又は角錐形状とされる。【００１５】  本発明に係る微細構造体の製造方法は、無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を形成し、その最上層に位置の特定を目的とするエッチング用フォトマスクを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることでエッチング用フォトマスクの形状を反映した微細構造体を生成することを特徴とする。【００１６】上記微細構造体の製造方法によれば、複層上に位置の特定を目的とするエッチング用フォトマスクを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることにより、無機酸化物層と金属層に化学的な反応を起こし、前記金属層の中の金属の原子またはイオンのマイグレーション作用及び化学的な活性反応を活用して自己組織化を引き起こして被エッチング対象物を成長させることができる。これにより、微細構造体を製造できる。【００１７】  また、本発明に係る微細構造体の製造方法においては、前記反応性イオンエッチング工程を経ることにより内部に中空部を有する構造体が製造され、前記構造体は前記エッチング用フォトマスクのパターン形状に応じた形状とされることが可能である。例えば、前記エッチング用フォトマスクのパターン形状が円形である場合は前記構造体が円柱形状又は円錐形状とされ、前記エッチング用フォトマスクのパターン形状が四角形である場合は前記構造体が角柱形状又は角錐形状とされる。【００１８】  また、本発明に係る微細構造体の製造方法においては、前記反応性イオンエッチング工程を経る間に、前記基板又は前記金属層及び前記無機酸化物層が前記反応性イオンエッチング工程による反応生成物の凝縮開始温度となることが好ましい。【００１９】  また、本発明に係る微細構造体の製造方法において、前記金属層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものであることも可能である。好ましくは、Ｔｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｐｔの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものである。【００２０】  また、本発明に係る微細構造体の製造方法において、前記無機酸化物層は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｇａ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＧｅＯ，ＴｉＯ２の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものであることも可能である。好ましくは、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３もしくはその複合酸化物の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものである。【００２１】  本発明に係る微細構造体は、無機材料もしくは高分子材料からなる基板と、
前記基板上に形成された複層と、
前記複層上に形成された内部に中空部を有する構造体と、
を具備する微細構造体であって、
前記複層は、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有し、且つ、最上層が無機酸化物層であり、
前記構造体は、前記複層がアライメントマーク又はエッチング用フォトマスクを用いた反応性イオンエッチング工程を経ることにより製造されることを特徴とする。【００２２】  また、本発明に係る微細構造体において、前記金属層は、Ｓｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｔｉ，Ｚｒ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｗ，Ｍｏ，Ｖ，Ｃｏ，Ｚｎ，Ｉｎ，Ａｕ，Ａｇ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｒｕの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものであることも可能である。好ましくは、Ｔｉ，Ｍｏ，Ａｕ，Ｐｔの内の１元素以上で構成される金属材料膜を１種類成膜したもの、あるいは２乃至３種類を選択し順次成膜したものである。【００２３】  また、本発明に係る微細構造体において、前記無機酸化物層は、Ａｌ２Ｏ３，ＳｉＯ２，Ｇａ２Ｏ３，Ｉｎ２Ｏ３，ＳｎＯ２，ＺｎＯ，ＧｅＯ，ＴｉＯ２の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものであることも可能である。好ましくは、ＳｉＯ２及びＡｌ２Ｏ３もしくはその複合酸化物の内のいずれか１種類の材料からなる膜を成膜したもの、あるいは２乃至３種類の材料を選択し、各材料からなる膜を順次成膜したもの、もしくは各材料を複合させた膜を成膜したものである。【００２４】  こうして得られる微細構造体は種々の工業分野、乃至研究分野に供与される。以下に述べるのは本発明の微細構造体を用いることにより利便性が得られた応用分野であるが、記載されていなくとも本構造体を用いることにより容易に類推される特性が付与される用途は本発明に属する。
以下に応用例を述べる。【００２５】  本発明に係る圧電素子の製造方法は、前述した微細構造体の製造方法により製造された微細構造体に圧電膜を付加することを特徴とする。また、本発明に係る各種メモリ機能を有する容量素子の製造方法は、前述した微細構造体の製造方法により製造された微細構造体に圧電膜を付加することを特徴とする。
本発明に係る圧電素子は、前述した微細構造体に圧電膜を付加したことを特徴とする。また、本発明に係る各種メモリ機能を有する容量素子は、前述した微細構造体に圧電膜を付加したことを特徴とする。【００２６】  本発明に係るデバイス素子は、前述した微細構造体に放熱機能、廃熱機能又は熱伝導機能を付加したことを特徴とする。例えば、微細な構造物を並列した場合に表面積が大きくなること、および中空を利用して冷却機能を有する水あるいは有機材料を含有させたヒートシンク等の廃熱および放熱乃至熱伝導特性を用いるデバイス素子に適用できる。【００２７】  本発明に係る発光素子は、前述した微細構造体に電圧を印加して電子放出させる機能を付加したことを特徴とする。例えば、金属基板又は金属薄膜の上に作製される特徴から電圧を印加して電子放出させることが容易であり、それを特徴とするエミッターデバイス素子に適用できる。【００２８】  本発明に係る発光素子は、前述した微細構造体の内部に蛍光材料を充填したことを特徴とする。例えば、中空構造を活用して内部に蛍光材料を充填することにより作製される発光デバイス素子に適用できる。
本発明に係る発光素子の製造方法は、前述した微細構造体の製造方法により製造された微細構造体の内部に蛍光材料を充填することを特徴とする。【００２９】  本発明に係るマイクロリアクタデバイス素子の製造方法は、前述した微細構造体の製造方法により製造された微細構造体の内部に触媒を担持することにより制御微少サイズの反応炉を製造することを特徴とする。
本発明に係るマイクロリアクタデバイス素子は、前述した微細構造体の内部に触媒を担持することにより制御微少サイズの反応炉としたことを特徴とする。【００３０】  本発明に係るカーボンナノチューブ／カーボンファイバー作製素子は、前述した微細構造体の内部に触媒を担持したことを特徴とする。【００３１】  本発明に係る光学素子は、前述した微細構造体の表面の光散乱乃至光回折特性を用いたことを特徴とする。例えば、微細構造体をナノーオーダーで作製した結果、光の波長領域の構造体が得られ、それを利用して表面の光散乱乃至光回折特性を用いることを特徴とする光学素子に適用できる。
また、微細構造体の中空かつ貫通孔の形状を活用して光を焦光させることを特徴とする光プローブ素子に適用することもできる。【００３２】  本発明に係る電気回路実装デバイス素子は、前述した微細構造体を用いたことを特徴とする。半導体や電子部品に用いられる電気回路の実装方法として利用できる。また、プリント基板等に半田材と当該対象物とを接合させる為の接点材料およびそのデバイス素子としても適用できる。【００３３】  本発明に係る半導体素子は、前述した微細構造体を回路形成用トレンチ構造として用いたことを特徴とする。
Ｓｉ基板上にトレンチ（溝）を掘ってオン抵抗を低く出来るトレンチ構造の半導体素子は広く知られているが、従来はアバランシェ耐量が犠牲になったり、トレンチの形成が困難な為に、トランジスタの回路素子はＳｉウエハ表面に平滑に形成するプレーナ技術が広く使用されていた。しかし、本発明の微細構造体は形状が任意で制御出来ること、更には中空で貫通孔を設けることが容易なため、Ｓｉ基板上に本発明の該構造体を形成することで、２次元あるいは３次元構造を保有するトレンチの形成と回路素子の形成、およびその半導体素子への応用が可能になった。【００３４】  Ｓｉ基板上に微細構造体を形成し、この微細構造体を用いて容量素子を形成する例について説明する。この容量素子は、従来のトレンチ容量素子に相当するものである。
まず、Ｓｉ基板上に無機酸化膜を形成し、この無機酸化膜上にエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクをマスクとして前記無機酸化膜を反応性イオンエッチング法によりエッチングする。これにより、内部が中空の微細構造体、例えば円筒形状の構造体が形成される。
次いで、この円筒形状の構造体の内部に第１導電膜を充填し、円筒形状の構造体の外部に第２導電膜を形成する。これにより、第１導電膜と円筒形状の構造体と第２導電膜からなる容量素子を形成することができる。【００３５】  本発明に係るバイオチップデバイスは、前述した微細構造体を用いたことを特徴とする。つまり、この微細構造体はそのまま容器として活用することが可能であり、ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白などのバイオチップデバイスとして活用可能である。
また、本発明に係るマイクロアレイデバイスは、前述した微細構造体を用いたことを特徴とする。
また、本発明に係る半導体素子実装用の金属バンプ素子は、前述した微細構造体を用いたことを特徴とする。また、本発明に係る半導体素子付基盤は、前記金属バンプ素子を用いて半導体素子を接合したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００３６】  以上に説明したように本発明によれば、無機材料もしくは高分子材料からなる基板上に、金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を形成し、その最上層に位置の特定を目的とするアライメントマークを形成し、反応性イオンエッチング工程を経ることにより、アライメントマークの形状を反映した微細構造体を生成することができる。したがって、内部に中空部を有する微細構造体及びその製造方法を提供することができる。
発明を実施するための形態【００３７】  本発明の実施の形態による微細構造体の製造方法は、基板上に、ＳｉＯ２を主成分として、これにＡｌ２Ｏ３、Ｇａ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＳｎＯ２、ＺｎＯ、ＧｅＯ及びＴｉＯ２のうちのいずれか一種類以上の酸化物を０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下含有されてなるＳｉＯ２複合酸化物材料膜を形成する工程と、前記ＳｉＯ２複合酸化物材料膜上にエッチング用フォトマスク又はアライメントマークを形成する工程と、前記ＳｉＯ２複合酸化物材料膜を反応性イオンエッチング法によりエッチングする工程と、前記エッチング用フォトマスク又はアライメントマークを除去する工程と、を具備するものである。前記ＳｉＯ２複合酸化物材料膜の厚さは、５０〜２００ｎｍ程度であることが好ましい。【００３８】  なお、前記基板には、無機材料もしくは高分子材料からなる基板、表面に金属層を有する基板、又は金属層および無機酸化物層を少なくとも２層以上有する複層であって最上層が無機酸化物層である複層を有する基板が含まれる。また、前記基板には、Ｓｉウエハ又はガラス基板などからなる基板だけでなく、Ｓｉウエハ又はガラス基板などからなる基板の上に導電層又は絶縁層を単層又は複数層を積層させたものも含まれる。
また、前記エッチング用フォトマスク又はアライメントマークを形成する工程は、前記ＳｉＯ２複合酸化物材料膜上にレジスト膜を塗布および露光し、現像することにより、前記ＳｉＯ２複合酸化物材料膜上にレジストパターンからなるエッチングマスクを形成する工程であることが好ましい。【００３９】  また、前記エッチングする工程は、ＣＦ４、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８、の内のいずれか一つを主成分とする単独あるいは混合ガスを用いてエッチングする工程であることも可能である。【００４０】上記微細構造体の製造方法によれば、フォトリソグラフィー技術やエッチング技術を用いた従来の微細加工技術では形成できなかった内部に中空部を有する構造体を形成することが可能となる。【００４１】  また、上記製造方法により製造された微細構造体は、内部に中空部を有する構造体であって外観の形状としては円錐，角錐，円筒，角筒、更には円柱，角柱に任意で制御を行うことが可能である。微細構造体は、その幅が、１００〜１μｍ程度、その高さは１００ｎｍ〜２０μｍ程度が好ましい。また、円筒形状の微細構造体の場合、その径は５０ｎｍ〜２０μｍ程度が好ましい。前記中空部は前記微細構造体の頂点付近で開口されており、前記微細構造体はＡｕもしくはＡｇを主成分として含有されてなる複合材料からなるものであっても良い。【００４２】  また、上記製造方法により製造される微細かつ特殊な形状を保有する構造体を実現することで、従来広く使用されている電気機器や電子部品の基板や構造、特性に大きい影響を持つ技術が実現され、将来技術の布石ともなり得る可能性が極めて高い事が考えられる。尚、本発明は、こうした技術思想に基づいてなされたものであり、その技術思想が共通するものは本発明の範囲に含まれる。【００４３】  また、本発明は上記実施の形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。
【実施例】
【００４４】  以下、図面を参照して本発明の実施例について詳細に説明する。
以下の実施例で使用した化合物は、いずれも文献に記載の手法に基づいて合成したものである。【００４５】  図１（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例による微細構造体の製造方法を示す断面図である。図２は、図１（Ｂ）に示す微細構造体を拡大した写真である。【００４６】  まず、図１（Ａ）に示すように、基板１１を準備する。この基板１１はＳｉウエハ又はガラス基板などを用いることができる。次いで、この基板１１の上に下地の金属積層膜１２を形成する。この金属積層膜１２は、下層から順にＲＦマグネトロンスパッタリング法によりＴｉ，Ａｕを積層して形成した積層膜である。【００４７】  次に、金属積層膜１２の上にＲＦマグネトロンスパッタリング法によりＳｉＯ２を主成分とする複合酸化物材料膜１３を成膜する。この際のスパッタリングターゲットとしてはＳｉターゲットを使用し、Ｏ２反応性雰囲気下でＳｉとＯ２を反応させてスパッタを行う。このようにして金属積層膜１２の上にはＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３が形成される。【００４８】  なお、本実施例では、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３を成膜しているが、この複合添加元素は酸化物に限定されるものではなく、例えば窒化珪素を０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下含有するＳｉＯ２複合材料膜であれば、添加物の窒化珪素の含有量を種々変更することも可能である。【００４９】  次いで、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の上にレジスト膜を塗布し、このレジスト膜を露光、現像することにより、該ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３上にはレジストパターン１４が形成される。このレジストパターン１４は、直径が５００ｎｍ程度の円形パターンを等間隔に複数配置したものであり、この円形パターンの相互の間隔は５００ｎｍ程度である。【００５０】  この後、レジストパターン１４をマスクとしてＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３を反応性イオンエッチング法によりエッチングする。この際のエッチング条件は、ＣＦ４ガスを主成分とする混合ガスをエッチングガスとして用い、投入ガスの流量が５０ｓｃｃｍ，投入電力量が２００Ｗ，真空度が０．１Ｔｏｒｒの雰囲気下で約２０分反応させるものとする。【００５１】  次いで、レジストパターン１４を除去する。これにより、図１（Ｂ）に示すように、金属積層膜１２上には構造体１５が形成される。この構造体の写真は図２に示されている。【００５２】  前記構造体１５は、その外形が円錐形状からなり、内部に中空部１５ａを有する構造体であって、その中空部１５ａは前記構造体の頂点付近で開口されたものである。従って、構造体１５は、それ自体が中空部１５ａを介して貫通した構造となっている。また、構造体１５はＡｕを含有する複合材料膜からなるものである。また、構造体１５のサイズは、約３μの高さで直径が約２μ程度である。【００５３】  上述したような製造プロセスを経ることにより上記のような内部に中空部１５ａを有する構造体１５が形成されるのは、反応性イオンエッチングにて金属をエッチングする際に、活性ガスおよび不活性ガス，あるいはその複合ガスが金属の表面状態を活性状態にした際に、活性である表面の反応中に活性ガスの２次反応を、当該の被エッチング対象の元素に対して特定の別の金属と積層させることで引き起こすこと��可能であり、２次反応を起こした金属が化学的に活性になって浮遊した堆積粒子同士が結合して成長反応を起こすことが理由と考えられる。【００５４】  次に、構造体２５についてＥＰＭＡ法による元素定性分析にて測定した結果について説明する。この結果は表１に示されている。【００５５】
【表１】
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【００５６】  ＥＰＭＡ分析により、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の主成分であるＳｉ、このＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の下地に形成されるＡｕ膜の両元素が主成分として検出されると同時に、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３に含有される、Ｏ２（酸素），更には反応性イオンエッチング法にて装置内に依存するＣ等を主たる構成元素として確認することが出来る。【００５７】  この際、微細構造体と基板表面部の無機酸化物の含有元素としては、アルカリ元素が顕著に含有量に差異が生じており、この結果を鑑みた場合に、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３に含有する不純物アルカリ元素と、このＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の下地に構成されるＡｕ層とが、反応性イオンエッチングの際に、化学的な相互作用を引き起こして反応生成物を形成し、その反応生成物が自己組織化することで凝縮かつ堆積成長した結果として微細構造体を形成したものと考えられる。【００５８】  尚、上記実施例では、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３を最上層に用いているが、これに限定されるものではなく、ＳｉＯ２を主成分として、これにＧａ２Ｏ３、Ａｌ２Ｏ３、Ｉｎ２Ｏ３、ＺｎＯ及びＧｅＯのうちのいずれか一種類以上の酸化物あるいは、ＴａＮ、ＴｉＮ、Ｓｉ３Ｎ４等の窒化物を０．１ｗｔ％以上５０ｗｔ％以下含有されてなるＳｉＯ２複合材料膜を用いることも可能である。【００５９】  また、上記実施例では、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の上にレジストパターン１４を形成しているが、これに限定されるものではなく、ＳｉＯ２複合酸化物材料膜１３の上に他の材質からなるエッチングマスクを形成することも可能である。【００６０】  また、上記実施例では、エッチングガスとしてＣＦ４ガスとＯ２ガスとの混合ガスを用いているが、ＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６、Ｃ４Ｆ８の内のいずれか一つを主成分とする単独あるいは混合ガスをエッチングガスとして用いることも可能である。【００６１】  また、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、レジストパターン１４のパターン形状を長方形に変更することにより、図３（Ａ）に示すような内部が中空で底部が約１μｍ×２μｍで高さが約２．５μｍの長方柱形状の微細構造体を作製することができる。また、レジストパターン１４のパターン形状を正方形に変更することにより、図３（Ｂ）に示すような内部が中空で底部が約１μｍ×１μｍで高さが約２．５μｍの角柱形状の微細構造体を作製することができる。また、エッチング時間などのエッチング条件を変更することにより、図４に示すような内部が中空で直径が約１μｍで高さが約２．５μｍの円柱形状の微細構造体を作製することができる。【００６２】  また、本発明に係る微細構造体は、種々の用途に適用することができるが、例えば次の用途に適用することも可能である。【００６３】  前述した微細構造体に圧電膜を付加することにより作製した圧電素子又は各種メモリ機能を有する容量素子に適用できる。【００６４】  前述した微細構造体に放熱機能、廃熱機能又は熱伝導機能を付加することにより作製したデバイス素子、微細な構造物を並列した場合に表面積が大きくなること、および中空を利用して冷却機能を有する水���るいは有機材料を含有させたヒートシンク等の廃熱および放熱乃至熱伝導特性を用いるデバイス素子に適用できる。【００６５】  前述した微細構造体に電圧を印加して電子放出させる機能を付加した発光素子、金属基板又は金属薄膜の上に作製される特徴から電圧を印加して電子放出させることが容易であり、それを特徴とするエミッターデバイス素子に適用できる。【００６６】  前述した微細構造体の内部に蛍光材料を充填した発光素子、中空構造を活用して内部に蛍光材料を充填することにより作製される発光デバイス素子に適用できる。【００６７】  前述した微細構造体の製造方法により製造された微細構造体の内部に触媒を担持することにより制御微少サイズの反応炉を製造するマイクロリアクタデバイス素子に適用できる。【００６８】  前述した微細構造体の内部に触媒を担持したカーボンナノチューブ／カーボンファイバー作製素子に適用できる。【００６９】  前述した微細構造体の表面の光散乱乃至光回折特性を用いた光学素子、微細構造体をナノーオーダーで作製した結果、光の波長領域の構造体が得られ、それを利用して表面の光散乱乃至光回折特性を用いることを特徴とする光学素子に適用できる。
また、微細構造体の中空かつ貫通孔の形状を活用して光を焦光させることを特徴とする光プローブ素子に適用することもできる。【００７０】  前述した微細構造体を用いた電気回路実装デバイス素子に適用でき、半導体や電子部品に用いられる電気回路の実装方法として利用できる。また、プリント基板等に半田材と当該対象物とを接合させる為の接点材料およびそのデバイス素子としても適用できる。【００７１】  前述した微細構造体を回路形成用トレンチ構造として用いた半導体素子に適用できる。【００７２】  前述した微細構造体を用いたバイオチップデバイスに適用できる。つまり、この微細構造体はそのまま容器として活用することが可能であり、ＤＮＡ、ＲＮＡ、蛋白などのバイオチップデバイスとして活用可能である。
また、前述した微細構造体を用いた半導体素子実装用の金属バンプ素子に適用できる。また、前記金属バンプ素子を用いて半導体素子を少なくとも一つ以上接合した半導体素子付基盤に適用できる。【００７３】  次に、Ｓｉ基板上に微細構造体を形成し、この微細構造体を用いて容量素子を形成する例について説明する。
まず、Ｓｉ基板上に無機酸化膜を形成し、この無機酸化膜上にエッチングマスクを形成し、このエッチングマスクをマスクとして前記無機酸化膜を反応性イオンエッチング法によりエッチングする。これにより、内部が中空の微細構造体、例えば円筒形状の構造体が形成される。
次いで、この円筒形状の構造体の内部に第１導電膜を充填し、円筒形状の構造体の外部に第２導電膜を形成する。これにより、第１導電膜と円筒形状の構造体と第２導電膜からなる容量素子を形成することができる。【００７４】  上記容量素子により以下のメリットを実現できる。
ビアホールを形成せずに、基板上に形状やアスペクトを任意で設計して作製することが出来る。また、溝の壁面の両側（内側、外側）を用いて容量素子が形成できる為に３次元の容量素子構造が実現できる。また、微細構造体の材質を例えばＷにすることで、プラグ電極も３次元で形成することができる。このような事から、３次元のプラグやキャパシタセルを保有する半導体メモリを実現できる為に、大容量かつ効率的に基板を活用した設計ルールが適用出来る為、生産性や高集積化を合理的に実現出来る様になる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】［図１］（Ａ），（Ｂ）は、本発明の実施例による微細構造体の製造方法を示す断面図である。
［図２］図１（Ｂ）に示す微細構造体を拡大した写真である。
［図３］（Ａ）は、本発明に係る実施例の変形例による微細構造体を拡大して示す写真であり、（Ｂ）は、他の変形例による微細構造体を拡大して示す写真である。
［図４］本発明に係る実施例の他の変形例による微細構造体を示す写真である。
【符号の説明】
【００７６】  １１…基板
１２…金属積層膜
１３…ＳｉＯ２複合酸化物材料膜
１４…レジストパターン
１５…構造体
１５ａ…中空部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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