(57)【要約】複数の連続したプラズマ並びにウェット等方性および異方性エッチングのステップによって、マイクロ突起物アレイを、シリコンウェーハから形成する。得られるマイクロ突起物（１４）は、ウェット等方性エッチングによって形成された鋭利な先端（１８）またはカッティングされた端を有し、各マイクロ突起物は、凹面を有する各側面（１６）を備えた実質的に角錐の形状を有する。各マイクロ突起物の先端は、ベース（１２）と平行に延びる実質的に平坦な上面（２０）を有する。
2004524172.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
パターン化されたマスキング層を前記上面上の複数の領域に形成するステップであって、前記パターン化されたマスキング層の前記領域は、マイクロ突起物に対応する所定の寸法を有し、前記マスキング層の前記領域の周囲の前記基板の前記上面の露出領域を規定するステップと、
前記基板の前記上面の前記露出領域を、複数のマイクロ突起物を形成するのに十分な深さまでエッチングするステップと、
前記基板から前記マスキング層を除去して、前記マイクロ突起物を露出させるステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
【請求項２】
前記基板の前記上面上に酸化物層を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記パターン化されたマスキング層は窒化物層であることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板はシリコンからなることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
パターン化されたマスキング層を前記ベースの前記底面上に適用して、前記底面を通って前記マイクロ突起物の上端に至るチャネルをエッチングするステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記基板の前記底面上に酸化物層を提供するステップと、
前記マイクロ突起物の下方に配置された、前記基板の前記底面上の前記酸化物層の領域をエッチングするステップと、
前記底面と前記上面との間に延びるチャネルをエッチングするステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の方法。
【請求項７】
前記窒化物層を形成する前に、
前記支持体の前記底面上の前記酸化物層内の複数の領域をエッチングすることと、
第２の連続した窒化物層を前記底面上に適用して、前記底面上の前記酸化物層とエッチングされた領域とを覆うことと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記底面上の前記酸化物層の前記エッチングの後に、
前記底面上の前記窒化物層をエッチングして、前記底面上の前記酸化物層内の前記エッチングされた領域を露出させることと、
前記基板を通り前記ベースの前記底面と前記上面との間に延びるチャネルをエッチングすることと、
を含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記上面と前記マイクロ突起物との上に酸化物層を形成するステップと、
前記マイクロ突起物上の前記酸化物層の一部をエッチングして、前記マイクロ突起物の先端部分を露出させるステップと、
前記マイクロ突起物の前記露出した先端部分をエッチングして、前記マイクロ突起物の前記先端部分と前記ベースの前記底面との間に延びるチャネルを形成するステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
フォトレジスト層を、前記マイクロ突起物に適用するステップをさらに含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記各マイクロ突起物上の前記フォトレジスト層の周囲の前記上面をエッチングして、環状の柱を形成するステップをさらに含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
マスキング層のついた上面を有するシリコン基板を提供するステップと、
前記マスキング層の一部を除去して、前記マスキング層の複数の実質的にリング形状の部分を前記上面上に形成するステップと、
前記シリコン基板の前記上面をエッチングして、前記各リング形状部分の中心を通って延びるチャネルを形成し、かつ、前記各リング形状部分の周囲に環状の柱を形成するステップと、
前記マスキング層の前記リング形状部分を除去して、マイクロ突起物アレイを形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
【請求項１３】
前記マスキング層は、前記基板上の酸化物層であることを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記マスキング層の前記リング形状部分を除去する前に、
前記リング形状の酸化物部分の周囲の前記シリコン基板をエッチングして、鋭利な先端を形成すること、
を特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
複数のリング形状の窒化物部分を前記酸化物層上に形成し、かつ、前記リング形状の窒化物部分の周囲の前記酸化物層をエッチングして、前記酸化物層から前記リング形状部分を形成することを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記リング形状の酸化物部分を除去した後に、
第２の酸化物層を前記マイクロ突起物アレイ上に形成して、前記マイクロ突起物を鋭利にするステップと、
前記第２の酸化物層を除去して、前記鋭利なマイクロ突起物を露出させるステップと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
フォトレジスト層を、前記マイクロ突起物上の前記第２の酸化物層に適用することと、
前記チャネルおよび環状部分をエッチングする前記ステップの前に、前記第２の酸化物層をエッチングしてリング形状の酸化物層を形成することと、
を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
酸化物層を、前記環状の柱の内側および外側の表面に適用して、その後に前記リング形状の酸化物部分の周囲の前記シリコンをエッチングして、鋭利な先端を前記柱上に形成すること、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記マイクロ突起物内に前記チャネルをエッチングする前に、前記第１の酸化物層上に窒化物層を適用することをさらに含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記チャネルを形成する前に、前記窒化物層と前記基板の上面との上にフォトレジスト層を適用することをさらに含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記環状の柱を形成する前記ステップの前に、前記フォトレジスト層を除去するステップを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記環状の柱を形成する前に、窒化物層を前記基板の前記上面とリング形状部分とに適用することと、
フォトレジスト層を、前記リング形状の酸化物部分の上に重なる前記窒化物層に適用することと、
前記チャネルを形成し、その後に前記柱を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項２３】
酸化物層を、前記柱の外側表面と前記チャネルの内側表面との上に形成することと、
前記窒化物層を前記柱から除去し、さらに前記柱の外端における前記シリコンをエッチングして鋭利な先端を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記シリコン基板をエッチングする前に、
酸化物層を、前記柱の外側表面と前記チャネルの内側表面との上に形成することであって、前記柱の上端の一部には前記酸化物層がないように形成することと、
前記柱の前記上端の前記一部をエッチングして、傾斜のついた先端を形成することと、
をさらに含むことを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記柱上に、傾斜のついた先端をカッティングすることをさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
【請求項２６】
ダイシングソーを提供して、前記傾斜のついた先端を前記ダイシングソーでカッティングすることをさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記傾斜をカッティングする前に、前記柱を支持媒体中に入れることをさらに含むことを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
前記支持媒体はワックスであることを特徴とする請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
複数の凹部を前記上面内に形成するステップであって、前記凹部は、前記上面の平面に対して傾斜した表面を規定し、前記傾斜した表面は鋭利な先端のアレイを形成するステップと、
前記鋭利な先端の周囲の前記基板の一部を除去して、前記鋭利な先端によって形成される外端を有するマイクロ突起物アレイを形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
【請求項３０】
前記基板は、シリコン、酸化ケイ素、窒化ケイ素、エポキシ樹脂、ニッケル、およびアルミニウムからなる群から選択される材料であることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記基板はポリシリコンまたはアモルファスシリコンであることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記傾斜した表面は、異方性エッチング剤を前記基板の前記上面に適用し、傾斜の付いた表面を前記基板の結晶面内に形成することによって、形成されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記異方性エッチング剤は、水酸化カリウム、エチレンジアミンピロカテコール、水酸化アンモニウム、水酸化ナトリウム、ＣｓＯＨ、およびＮ2Ｈ4からなる群から選択されることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
前記傾斜した表面は、等方性エッチング剤を前記基板の前記上面に適用することによって形成されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記等方性エッチング剤は、フッ化水素酸と酢酸と硝酸との混合物を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記マイクロ突起物アレイは、前記鋭利な先端の周囲の前記基板の前記上面を機械加工することによって形成されることを特徴とする請求項２９に記載の方法。
【請求項３７】
上面と底面とを有する基板を提供するステップと、
前記基板の前記上面上にマイクロ突起物アレイを形成するステップであって、前記マイクロ突起物は上面を有するステップと、
前記各マイクロ突起物の前記上面上に少なくとも１つの傾斜を形成するステップと、
を含むことを特徴とするマイクロ突起物アレイの形成方法。
【請求項３８】
前記マイクロ突起物は外側表面を有し、前記傾斜を形成する前記ステップは、
非酸化層を前記マイクロ突起物の前記外側表面上に形成することと、
酸化物層を前記マイクロ突起物の前記上面上に形成することと、
前記非酸化層をエッチングして前記マイクロ突起物上に露出領域を形成することと、
前記露出領域内の前記マイクロ突起物をエッチングして前記傾斜を形成することと、
を含むことを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
非エッチング層を前記非酸化層上に適用することをさらに含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記非酸化層を除去することを含むことを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記マイクロ突起物は、前記基板を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
前記傾斜は、前記基板を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【請求項４３】
前記傾斜は、前記マイクロ突起物を選択エッチングすることによって形成されることを特徴とする請求項３７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロデバイスおよびマイクロ突起物アレイ(microprotrusion array)を指向する。また本発明は、患者の皮膚を通じて物質を送達または回収するためのマイクロデバイス、特にマイクロ突起物アレイの製造方法を指向する。
【背景技術】
【０００２】
様々な作業を行う種々のマイクロデバイスが、当該技術分野において知られている。近年、関心を集めている適用分野の１つは、流体制御デバイスおよびマイクロバルブ(microvalves)の分野におけるものである。マイクロバルブは、薬物送達、内燃機関用の燃料供給システムだけでなく、インクジェットプリンタの分野なども含む多くの産業用途において有用であることが分かっている。これらのデバイスは、多くの異なるプロセスによって作製されている。
【０００３】
電子デバイスおよび集積回路チップの製造において普通に用いられる多くの技術が、マイクロメカニカルデバイスのマイクロ機械加工に適している。これらのマイクロデバイスは通常、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）と呼ばれる。デバイスは極めて小さく、多くの種類の材料から作製することができる。一般的な材料は、集積回路産業で使用されるようなシリコンウェーハの形態のシリコンである。使用できる他の材料としては、ガラスおよびセラミックスがある。
【０００４】
マイクロバルブの例が、Ｊｏｈｎｓｏｎらにより開示されている（例えば、特許文献１参照）。そこで開示されたマイクロバルブは、弁座を有するシリコンダイアフラムおよび流路を備えている。ダイアフラムは、ダイアフラムがそらされたときに弁座に接することができるように位置付けられている。ダイアフラムは、シリコンボディ(silicon body)を、エッチングおよび機械加工することによって形成される。別個の作動力をダイアフラムに適用して、バルブが開閉する。ダイアフラムの一方の側に力を適用するために、作動デバイスを、加圧流体またはソレノイドメカニズムとすることができる。
【０００５】
ガスクロマトグラフィのアセンブリにおける、バルブのソレノイド作動が知られており、Ｔｅｒｒｙらにより開示されている（例えば、特許文献２参照）。バルブ構造は、所望の形状を形成するように、バルブ本体をエッチングおよび機械加工することによって形成される。ソレノイド作動のデバイスは作製するには高価であり、デバイスの一部を効率的に製造することができない。
【０００６】
マイクロデバイスの他の領域は、患者の皮膚を通して物質を送達またはサンプリングするためのデバイス分野におけるものである。マイクロデバイスは通常、所望の深さまで皮膚に侵入するための小さいゲージ針(gauge needles)または針状デバイスである。マイクロ針デバイスは、患者に対して最小限の痛みまたは不快感で、皮膚を通じて物質を送達または回収することができるので、それらは多くの用途において望ましい。
【０００７】
注目を得ているデバイスの１つのタイプは、標準的なカニューレよりも少ない痛みまたは不快感で、皮膚の外層に侵入することができるマイクロデバイスである。これらのマイクロデバイスは通常、数ミクロンから数１００ミクロンの長さの針を有している。皮膚を通じて薬物を送達するためのマイクロデバイスは、角質層を通じる微細な孔または切り口を作る。角質層に侵入して、角質層の中または下の皮膚に薬物を送達することによって、多くの薬物を効果的に投与することができる。角質層に侵入するためのデバイスは一般的に、表皮を完全に通過することなく、角質層に侵入するための長さを有するミクロンサイズの複数の針または刃を備えている。これらのデバイスの例が、Ｇｏｄｓｈａｌｌら、Ｌｅｅら、Ａｌｌｅｎらによって開示されている（例えば、特許文献３、特許文献４、特許文献５、および特許文献６を参照）。
【０００８】
種々の方法が、従来の薬物送達デバイスのマイクロ針およびマイクロ刃を作製するために用いられている。しかしこれらの方法では、マイクロ針またはマイクロ刃の形状および寸法が制限されている。したがって製造業においては、マイクロデバイスの形成方法を改善することが、継続して必要とされている。
【０００９】
【特許文献１】
米国特許第６,０５６,２６９号明細書
【特許文献２】
米国特許第４,５８２,６２４号明細書
【特許文献３】
米国特許第５,８７９,３２６号明細書
【特許文献４】
米国特許第５,２５０,０２３号明細書
【特許文献５】
国際公開第９７／４８４４０号パンフレット
【特許文献６】
米国特許第６,３３４,８５６号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、マイクロデバイス、特にマイクロ突起物を指向する。また本発明は、マイクロデバイスの形成方法も指向する。
【００１１】
したがって本発明の主要な目的は、マイクロデバイス、特にマイクロ突起物アレイを、効率的かつ経済的な方法で形成するプロセスを提供することである。
【００１２】
本発明の他の目的は、患者の皮膚を通して物質を送達または回収するためのマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【００１３】
本発明のさらに他の目的は、シリコンウェーハのウェットエッチングによってマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【００１４】
本発明のさらなる目的は、基板をエッチングして実質的に角錐形状を有するマイクロ突起物を作製することによって、マイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【００１５】
本発明の他の目的は、ウェット等方性エッチング剤を用いて円錐形状のマイクロ突起物を形成する、エッチングプロセスを提供することである。
【００１６】
本発明のさらなる目的は、マイクロ突起物を通る軸方向の通路(passage)を有するマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【００１７】
本発明のさらに他の目的は、マイクロ突起物を形成した後にマイクロ突起物内に軸方向の通路を製造するためのエッチングプロセスを提供することである。
【００１８】
本発明のさらなる目的は、基板をエッチングして環状本体と円錐形状の先端とを有するマイクロ突起物を形成することによってマイクロ突起物を形成するためのプロセスを提供することである。
【００１９】
本発明の他の目的は、環状面の上に連続的な鋭い隆起部を有する、環状のマイクロチューブを形成するためのプロセスを提供することである。
【００２０】
本発明のさらなる目的は、マイクロ突起物の先端上に酸化物層を形成し、かつ酸化物層を除去し、鋭利な先端を形成するプロセスを提供することである。
【００２１】
本発明のさらに他の目的は、基板上にリング形状のマスキング層を形成し、かつ基板をエッチングして環状のマイクロ突起物を形成することによって、マイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【００２２】
本発明のさらなる目的は、傾斜が付けられた先端を有するマイクロ突起物を形成するためのエッチングプロセスを提供することである。
【００２３】
本発明の他の目的は、外側環状面を備えたマイクロ突起物を有するマイクロ突起物アレイであって、外側環状面が複数の鋭利な尖端を有するマイクロ突起物アレイを形成するためのプロセスを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本発明のこれらおよび他の目的は基本的に、幅および長さ、上面および底面を有するベースと、アレイに配置された複数のマイクロ突起物であって、ベースの上面から延び、ベースと一体的に形成され、各マイクロ突起物はそれらの外端へ延びる少なくとも１つの面を有するマイクロ突起物とを備える、一体式のマイクロ突起物デバイスを提供することによって達成される。
【００２５】
本発明の目的はさらに、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、パターン化されたマスキング層を上面上の複数の領域に形成するステップであって、パターン化されたマスキング層の領域は、マイクロ突起物に対応する所定の寸法を有し、マスキング層の領域の周囲の基板上面の露出領域を規定するステップと、基板上面の露出領域を、複数のマイクロ突起物を形成するのに十分な深さまでエッチングするステップと、基板からマスキング層を除去して、マイクロ突起物を露出させるステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【００２６】
本発明の目的は、さらにまた、マスキング層のついた上面を有するシリコン基板を提供するステップと、マスキング層の一部を除去して、マスキング層の複数の実質的にリング形状の部分を上面上に形成するステップと、シリコン基板の上面をエッチングして、各リング形状部分の中心を通って延びるチャネルを形成し、かつ、各リング形状部分の周囲に環状の柱を形成するステップと、マスキング層のリング形状部分を除去して、マイクロ突起物アレイを形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【００２７】
本発明の目的はさらに、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、複数の凹部を上面内に形成するステップであって、凹部は、上面の平面に対して傾斜した表面を規定し、傾斜した表面は鋭利な先端のアレイを形成するステップと、鋭利な先端の周囲の基板の一部を除去して、鋭利な先端によって形成される外端を有するマイクロ突起物アレイを形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【００２８】
本発明の目的は、さらにまた、上面と底面とを有する基板を提供するステップと、基板の上面上にマイクロ突起物アレイを形成するステップであって、マイクロ突起物は上面を有するステップと、各マイクロ突起物の上面上に少なくとも１つの傾斜を形成するステップとを含むマイクロ突起物アレイの形成方法を提供することによって達成される。
【００２９】
本発明の目的、利点、および他の顕著な特徴は、この最初の開示の一部を構成する、添付図面と本発明の以下の詳細な説明とを考慮することによって、当該技術分野における当業者にとって明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
本発明は、マイクロ突起物デバイスおよびマイクロ突起物デバイスの形成方法を指向する。より詳細には、本発明は、一体式マイクロ突起物アレイとマイクロ突起物アレイからのマイクロデバイスとの製造方法を指向する。
【００３１】
好ましい実施態様における本発明のマイクロデバイスは、患者の皮膚を通して物質を送達または回収するために、選択された深さまで患者の皮膚に侵入するためのマイクロ突起物アレイである。「マイクロ突起物」という用語は、本明細書で用いる場合、所望する深さまで患者の皮膚の１つまたは複数の層に侵入することができる構造を指す。本発明の好ましい実施態様におけるマイクロ突起物は、鋭利な先端を有し、円錐形状または角錐形状にすることができる。この用語が本明細書で用いられる場合、マイクロ突起物は、本明細書で述べるいくつかの実施態様の場合のように、尖端もしくは鋭利な先端またはカッティング(cutting)もしくはスクレーピング(scraping)した端を有することもあるし、有さないこともある四角形または円形の横断面を有する突出部材を備える。またマイクロ突起物には、軸方向の通路を有する環形状の柱も包含される。
【００３２】
図１〜３は、本発明のマイクロデバイス１０の１つの実施態様を示す。マイクロデバイス１０は、ベース１２と複数のマイクロ突起物１４とを備える。本実施態様においては、マイクロ突起物１４は、実質的に均一に間隔を置いて配置された行および列で、間隔を置いて配置されている。マイクロ突起物１４は、実質的に角錐形状を有し、各側面１６は凹面を有している。側面１６は、先端１８に集中する。各マイクロ突起物１４の先端１８は、ベース１２に平行に広がる実質的に平坦な上面２０を有する。図３の上面図に示すように、上面２０は実質的に四角形の形状を有する。
【００３３】
マイクロデバイス１０は、複数の突出部材を有し、かつ、患者に物質を送達するまたは患者から物質を回収することに対して、選択された深さまで患者の皮膚に侵入させるために主に使用される。好ましい実施態様においては、マイクロデバイス１０は、物質、特に医薬組成物を患者に送達するための貯蔵所(reservoir)に結合されている。あるいは、マイクロデバイス１０は、好適な抽出デバイス、吸収性デバイスまたは患者からの流体(fluid)を回収して保管するための物質を備える。患者からサンプリングすることができる物質の例としては、薬物、検体、およびグルコースが含まれる。
【００３４】
本発明のマイクロ突起物１４は、身体が吸収して利用することができる物質を送達するために所望の深さまで患者の皮膚内へ侵入するのに適した長さおよび幅を有する。マイクロ突起物１４の長さは一般に、送達される物質および皮膚上の送達領域によって決められる。本発明の実施態様においては、マイクロ突起物１４は、約１０μｍから約２ｍｍの長さを有することができる。１つの実施態様においては、マイクロデバイス１０は、患者に対する痛みおよび刺激を最小限にするように、角質層を貫通することなく皮膚の角質層に侵入するための送達デバイスである。この実施態様においては、マイクロ突起物は、約１０μｍから約１００μｍ、一般的に約１０μｍから約５０μｍの長さを有することができる。皮膚の選択された層に侵入するように意図された、送達およびサンプリングデバイスは、約１００μｍから約１０００μｍの長さを有することができる。他の実施態様においては、マイクロデバイス１０は、皮膚を通して物質を送達または回収するために、角質層内にまたは角質層を通して溝(grooves)を掘るかまたは刻むためのマイクロ研磨器(microabrader)内に組み入れらる。
【００３５】
マイクロデバイス１０を、意図する使用および送達またはサンプリングする物質に応じて、種々の材料から作製することができる。好適な例としては、金属、例えば金、ポリマー材料、例えばポリカーボネート、および他の非金属が含まれる。好ましい実施態様においては、マイクロデバイス１０はシリコンから作製される。シリコンウェーハは容易に入手可能で、既知の種々のプロセスを用いて機械加工および成形することができるので、シリコンは好ましい材料である。
【００３６】
マイクロデバイス１０は好ましくは、ＭＥＭＳ処理（マイクロエレクトロメカニカルシステム）によってシリコンウェーハから作製される。シリコンは、３つの形態、すなわち結晶、多結晶、およびアモルファスが存在する元素である。シリコンは、本発明のマイクロデバイスに特に適する、弾性があって強固な材料である。電子産業において入手できる超高純度の電子グレード(electronic grade)のシリコンウェーハが、本発明の使用に適している。
【００３７】
多結晶シリコン（通常ポリシリコンと言われる）およびアモルファスシリコンは一般的に、５μｍ未満の一般的な厚みで薄膜として基板上に堆積させられる。結晶シリコン基板は、円形ウェーハとして市販されている。これらのシリコンウェーハは一般的に、直径１００ｍｍおよび直径約１５０ｍｍで入手可能である。直径１００ｍｍのシリコンウェーハは、約５２５μｍの厚みである。
【００３８】
シリコンウェーハの機械特性は、シリコンの結晶方位に依存する。後でより詳細に説明するように、結晶方位によってシリコンウェーハの面選択性エッチングが決められる。シリコンは、単純立方晶形(simple cubic shape)とみなすことができるダイアモンド格子結晶構造を有する。結晶内の特定の方向および面は、当該技術分野で知られているように、大括弧、カレット(carets)、丸括弧、および中括弧内に囲まれた３つの整数の表記法を用いて主軸に関して指定される。例えば［１００］は、立方体の特定のベクトル方向を表わし、＜１００＞は６つの方向を示している。同様に、（１１１）は［１１１］ベクトルに垂直な面である。｛１１１｝ベクトルは、８つの等価な結晶面を全て表わしている。当該技術分野で知られているように、多くのエッチングプロセスは、｛１００｝面を選択エッチングするが、｛１１１｝面をエッチングしないので、｛１００｝と｛１１１｝との間の角度は、マイクロ機械加工プロセスにおいては重要である。完成品の形状を制御するために、あるエッチングプロセスでは異なる面を異なる速度でエッチングすることができるが、他では同様の速度でエッチングする。市販のシリコンウェーハの大部分は｛１００｝方位であり、これは上面が｛１００｝面であることを示す。
【００３９】
好ましい実施態様におけるマイクロデバイス１０は、シリコンウェーハから、種々の連続するマスキングおよび選択エッチングのステップによって作製される。図１〜３の実施態様において、マイクロデバイス１０は、パターン化されたマスクをシリコンウェーハの上面上に形成することによって作製される。マスクは、マイクロ突起物アレイの間隔および所望のパターンに対応して、間隔を置いて配置されるドットのアレイとして形成される。図１〜３の実施態様においては、実質的に四角い先端を有するマイクロ突起物を製造するために、ドットは実質的に四角い形状を有している。マスク材料のドットの寸法によって、マイクロ突起物の最終的な寸法が決められる。好ましい実施態様においては、マスクは、シリコンウェーハの表面に適用され、かつ、光源に露出されてフォトレジスト層にパターンを形成するといったフォトレジスト材料である。
【００４０】
フォトレジストを所望のパターンに形成した後に、露出したシリコンをエッチングして、シリコンの一部を除去する。例示した実施態様においては、シリコンをエッチングして、マイクロ突起物の側面の傾斜した表面を形成する。この形状は通常、ウェット水酸化カリウムエッチング溶液によって得られる。
【００４１】
本発明のマイクロデバイスは、種々のマスキングおよびエッチングプロセスによって作製され、異なる形状のマイクロデバイスが得られる。１つの実施態様におけるマスクは、フォトリソグラフィによって形成され、フォトレジストの所望のパターンが得られる。あるいはマスクを、窒化ケイ素または酸化ケイ素層から形成することができる。エッチングのステップを、ウェットエッチング、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）、およびディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）により行うことができる。
【００４２】
リソグラフィは、フォトレジスト層を基板上に適用する、ＭＥＭＳ製造プロセスにおいて普通に用いられるプロセスである。フォトレジスト層は、光に露出された場合に可溶性および不溶性のパターンを形成する感光性のエマルジョン層である。フォトレジスト層を露出して、マスクの像を層上に印刷する。マスクは、ガラスなどの透明な支持体上にパターン化された不透明なクロム層である。完成したフォトレジスト層のパターンは、マスクによって規定される。
【００４３】
選択されたパターンにフォトレジスト層を露出した後、層を水性の現像液中に浸して、露出部分を溶解し潜像を作製する。ポジ型フォトレジストは、感光剤を含有する有機樹脂材料である。フォトレジストは多くの場合、シリコンウェーハ上に、約０．５μｍから１０μｍの厚さまでスピンコートされる。感光剤によって、現像液中に浸している間の未露出フォトレジストの溶解が妨げられる。２００から４５０ｎｍの範囲の光への露出によって感光剤が分解されるため、露出領域は即座に現像液中で溶解し始める。ネガ型フォトレジストでは、未露出領域が現像液中に溶解して、露出領域が残る。
【００４４】
基板およびコーティングを、種々のエッチングプロセスによってエッチングすることができる。使用するエッチングプロセスによって、マイクロデバイスの最終形状が決められるため、エッチングプロセスはそれ相応に選択される。エッチングプロセスを選択する中で考慮される要因としては、等方性、エッチ媒体、他の材料に対するエッチの選択性が含まれる。
【００４５】
等方性エッチング剤は、基板を全ての方向に実質的に均一な速度でエッチングし、丸みを帯びた横断面の特徴を作製する。対照的に、異方性エッチング剤は、主に１つの方向にエッチングする。通常、異方性エッチング剤は、シリコンウェーハの特定の結晶面に沿ってエッチングする。異方性エッチング剤の中には、主に１つの結晶面に沿ってエッチングし、かつ、より少ない程度に他の面に沿ってエッチングして、種々の形状を形成するものがある。異方性エッチング剤を用いて、平坦かつ明確な表面によって輪郭が描かれた、明確な深い溝(trenches)または空洞(cavities)が作製される。結晶面、このようにエッチング面は、必ずしもシリコンウェーハの表面に垂直ではない。ウェットエッチング剤は、等方性または異方性にすることができ、またコストおよび取り扱いの容易さのために、本発明において一般的に好まれる。
【００４６】
本発明で用いる等方性ウェットエッチング剤としては、フッ化水素酸（ＨＦ）、並びにＨＮＡとしばしば言われる、フッ化水素酸、硝酸（ＨＮＯ3）、および酢酸（ＣＨ3ＣＯＯＨ）の混合物が含まれる。硝酸は、シリコンを酸化させて二酸化ケイ素にする。二酸化ケイ素は、フッ化水素酸によって除去される。シリコンのエッチング速度は、混合物中の酸の割合を調整することによって、１μｍ／分から５μｍ／分まで変えることができる。
【００４７】
ウェット異方性エッチング剤としては、金属水酸化物、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化セシウムなどが含まれる。他の好適な水酸化物としては、水酸化アンモニウムおよびテトラメチルアンモニウム（（ＣＨ3）4ＮＯＨ）が含まれる。他の好適な異方性エッチとしては、エチレンジアミンとピロカテコールとの水性混合物（ＥＤＰ）が含まれる。
【００４８】
水酸化カリウムが、最も普通に使用される異方性エッチング剤である。水酸化カリウムは、｛１００｝面をエッチングする場合よりも１００倍遅い速度で、シリコンを｛１１１｝面に沿ってエッチングする。この結果、水酸化カリウムによってシリコンウェーハを効果的にエッチングして、｛１１１｝結晶面によって正確に輪郭が描かれるＶ形状の溝および深い溝を形成することができる。シリコンに対する水酸化カリウムのエッチング速度は、エッチング剤の温度および濃度に応じて、１分間あたり約０．５μｍから２μｍである。
【００４９】
水性の異方性エッチング剤を用いるシリコンのエッチングは、結晶面を交差することによって形成される３次元のファセット構造(faceted structures)を作製する。マスキングパターンのデザインによって、得られる構造の全体的な形状が決められる。
【００５０】
完成したデバイスの所望の形状は、シリコンウェーハの結晶方位によってある程度決められる。例えばＶ形状の空洞を形成するためには、｛１００｝方位のウェーハが通常用いられる。エッチングの最前部は、マスクの開口部で始まって、垂直方向（＜１００＞方向）に進み、平坦な底面と傾斜した側面とを有する空洞を作製する。エッチングは最終的には、４つの交差面に対して自己制限(self-limiting)し、上下逆の角錐またはＶ形状の谷間(trough)を形成する。
【００５１】
エッチング中、｛１１１｝面によって境界を付けられた凹形の角部は損なわれずにいる。しかし、凸形の角部のわずかな腐食によって、｛１１１｝以外の面が露出されるから、凸形の角部は、エッチング剤によって即座に攻撃される。このようにして、マスクレイアウト内の凸形の角部はエッチング中にアンダーカットされるため、エッチングの最前部はマスクの真下へ進む。
【００５２】
一般的なドライエッチングプロセスは、プラズマ相エッチ(plasma-phase etch)である。プラズマエッチングは基本的に、反応性中性種(neutrals)とイオンとを電界または磁界の作用の下で化学的に形成することと、粒子をターゲットの方へ加速することとを含む。反応種としては、ＳＦ6、ＣＦ4、Ｃｌ2、ＣＣｌＦ3、およびＮＦ3が含まれる。プラズマエッチングの１つのタイプは、一般的にリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）と言われる。誘導結合プラズマ式リアクティブイオンエッチング（ＩＣＰ−ＲＩＥ）では、外部から適用されたＲＦ磁界を用いる。ディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）は、シリコンを異方性エッチングすることができる高速エッチングである。
【００５３】
本発明のマスキング材料は、完成品を形成するために用いるエッチングプロセスに従って選択される。例えば窒化ケイ素は、水酸化カリウム中でのエッチングに対抗する優れたマスキング材料である。二酸化ケイ素は、水酸化カリウム中での短いエッチに対するマスキング層として用いることができる。フォトレジスト材料は、アルカリ溶液中で容易にエッチングされ、シリコンエッチのマスキングには適さない。二酸化ケイ素および窒化ケイ素は本質的に、テトラメチル水酸化アンモニウムおよびエチレンジアミンピロカテコールによってエッチングされないため、これらのエッチング剤に対する良好なマスキング材料である。
【００５４】
シリコン上の二酸化ケイ素層を、ドライ酸素中または蒸気中、８５０〜１１５０℃の温度で、シリコンを酸化させることによって作製することができる。二酸化ケイ素層のみならず窒化ケイ素層も、大気圧での化学気相成長法（ＣＶＤ）、減圧での化学気相成長法（ＬＰＣＶＤ）、またはプラズマ化学気相成長法（ＰＥＣＶＤ）によって形成することができる。窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）は多くの場合、シラン（ＳｉＨ4）とアンモニア（ＮＨ3）とを約７００℃から９００℃で反応させることによって、大気圧において堆積させられる。
【００５５】
二酸化ケイ素及び窒化ケイ素を、種々のエッチング剤によって選択エッチングすることができる。例えばフッ化水素酸は、二酸化ケイ素に対しては好適なウェットエッチング剤であるが、窒化ケイ素に対してはそうではない。リン酸（Ｈ3ＰＯ4）は、窒化ケイ素に対しては好適なエッチング剤であるが、二酸化ケイ素に対してはそうではない。またプラズマエッチングを用いれば、エッチングガスを選択することによって、二酸化ケイ素または窒化ケイ素を選択エッチングすることができる。例えば酸素とＣＨＦ3とを用いて、二酸化ケイ素をプラズマエッチングすることができる。窒化ケイ素を、ＳＦ6を用いてエッチングすることができる。
【００５６】
以下の実施態様においては、図面を参照しながら本発明のプロセスを述べる。図面は、形成ステップを概略的に例示し、得られる構造を横断面で示す。図面が唯一のマイクロ突起物を示す場合、実際のデバイスは、アレイに配列された複数のマイクロ突起物を含むことが分かる。本プロセスで使用する種々のマスキング材料及びエッチング剤は、シリコン基板の適切な面に沿って所望のエッチングを得るために選択される。シリコン基板は通常、所望の形状のマイクロ突起物を得るために配向された結晶面を有するように選択されたシリコンウェーハである。また所望の深さまで基板をエッチングして、所望の結果を得るために、種々のエッチングのステップが選択される。通常、完成したマイクロ突起物は、長さが約５０から１０００μｍで、幅が約５０から約２００μｍである。
【００５７】
図４Ａ〜４Ｈの実施態様
本実施態様においては、シリコンウェーハ２４を、図４Ａ〜４Ｇに示す種々のステップによってエッチングして、図４Ｈに示すマイクロ突起物アレイを作製する。図４Ａを参照して、上面２６と底面２８とを有するシリコンウェーハ２４を用いて、アレイを形成する。酸化ケイ素層３０を上面２６上に形成し、かつ、酸化ケイ素層３２をシリコンウェーハ２４の底面２８上に形成する。酸化ケイ素層３２および３０は、種々のプロセス、例えば減圧化学気相成長法によって形成することができる。フォトレジスト層を、酸化ケイ素層３２上に形成し、かつ、現像して、間隔を置いて配置された複数の円形の開口領域３４を酸化ケイ素層３２内に形成する。開口領域３４は、各マイクロ突起物に対する内部通路の寸法に対応しており、完成品のマイクロ突起物の所望の間隔に対応する距離で間隔を置いて配置されている。
【００５８】
図４Ｂに示すように、酸化ケイ素層３２の開口領域３４は、シリコン基板２４の一部を露出させている。図４Ｃに示すように、窒化ケイ素層３６を下部酸化ケイ素層３０上に形成し、窒化ケイ素層３８を上部酸化ケイ素層３２および開口部分３４上に形成する。窒化ケイ素層３６および３８を、減圧化学気相成長法を含む種々のプロセスによって形成することができる。
【００５９】
フォトレジスト層を窒化ケイ素層３６上に形成し、かつ、現像して、開口領域３４と反対側の窒化ケイ素層３６上にフォトレジストマスクを形成する。フォトレジスト層の寸法は、完成したマイクロ突起物の所望の形状および寸法に対応する。図４Ｄに示すように、窒化ケイ素層３６および酸化ケイ素層３０の露出部分を、プラズマエッチでエッチングして、シリコン基板２４の露出表面４２を囲む窒化物マスク４０を作製する。
【００６０】
ウェット等方性エッチング剤を、シリコン基板２４の表面４２に適用してシリコン基板２４および酸化物層３０をエッチングして、図４Ｅに示す構造を有するマイクロ突起物４４を作製する。図４Ｆに示すように、窒化物層４０および３８を、ウェット窒化物エッチングによって除去する。この段階において、酸化ケイ素層３２は、シリコン基板２４の下側における露出領域３４を規定している。
【００６１】
図４Ｇに示すように、シリコン基板２４の下面および露出領域３４にプラズマエッチを適用して、マイクロ突起物４４を通る軸方向の通路４６を形成する。プラズマエッチは、シリコン基板２４の平面に垂直に延びる実質的に滑らかな壁に囲まれたチャネルを形成するような方法で適用される。図４Ｇに示すように、通路４６は、シリコン基板２４の底面からエッチングされて、酸化ケイ素層３０まで延びる。図４Ｈに示すように、酸化ケイ素層３０および３２を、酸化ケイ素エッチによって除去して、マイクロ突起物アレイ２２を得る。好ましくは、酸化ケイ素層を、ウェットエッチングプロセスによって除去する。
【００６２】
本実施態様では、シリコン基板２４上の選択された位置に、マスキング層を形成することによって、シリコン基板内に複数のマイクロ突起物４４を同時に作製することができる。マイクロ突起物４４の形状および長さは、エッチングプロセス、マスキング層の形状および寸法、並びにエッチング剤の適用時間によって決められる。例示した実施態様においては、窒化ケイ素マスキング層４０は、円錐形状のマイクロ突起物４４を作製する実質的に円形な形状を有する。別の実施態様においては、窒化ケイ素マスク４０は四角い形状を有することができ、その結果、エッチングのステップによって角錐形状のマイクロ突起物が作製される。
【００６３】
図５Ａ〜５Ｉの実施態様
本実施態様においては、図５Ｉに示すマイクロ突起物アレイ４８を、図５Ａ〜５Ｈに示すようにシリコン基板５０から形成する。図５Ａを参照して、シリコン基板５０は、上面５２と底面５４とを有する。窒化ケイ素層５６を、シリコン基板５０の上面５２上に堆積させる。フォトレジスト層を、窒化ケイ素層５６上に適用した後、露出および現像して、図５Ｂに示すように、シリコン基板５０の上面５２上に窒化ケイ素マスク５８を形成する。窒化ケイ素マスク５８は、マイクロ突起物先端の所望の形状に対応する形状および寸法を有する。図５Ｃを参照して、異方性ウェットエッチをシリコン基板５０の上面５２に適用して、シリコン基板５０を傾斜面に沿ってエッチングし、円錐形部分６０を形成する。通常、異方性エッチング剤は、図５Ｃに示すように傾斜面に沿ってエッチングする水酸化カリウムである。
【００６４】
図５Ｄに示すように、窒化ケイ素マスク５８を窒化物エッチによって除去して、シリコン基板５０から延びる円錐形状の突起物６２を得る。酸化ケイ素層６４を、シリコン基板５０の上面に適用して、円錐形突起物６２とエッチングされた表面６６とを完全に覆う。フォトレジスト層を酸化物層６４に適用する。フォトレジスト層を露出および現像して、傾斜面６０の上に重なるフォトレジストマスクを形成し、かつ、エッチングされる表面６６と円錐形突出部６２の先端６８との上に重なる酸化物層６４の部分を露出する。次に酸化物層６４を選択エッチングして、酸化物層の露出部分を除去する。フォトレジストマスクを除去して、突出部材６２の傾斜表面６０上に酸化物マスク７０が得られる。図５Ｆに示すように、円錐台(frustoconical)形状の酸化物マスク７０が、突出部材６２の傾斜表面６０上に残る。
【００６５】
酸化物層７０は、シリコン基板５０の上面６６と先端６８とを露出させる。次にフォトレジスト層を、酸化物層７０、先端６８、およびエッチングされた表面６６の上に適用する。次にフォトレジスト層を露出および現像して、図５Ｇに示すようにフォトレジストマスク７２を形成する。フォトレジストマスク７２は実質的に、酸化物層７０と基板５０の表面６６とを覆い、先端６８を露出させる。
【００６６】
軸方向の通路７４を、上面から基板５０を通してエッチングして、円錐形突起物６２を通って基板５０の底面５４まで延びる連続したチャネルを形成する。図５Ｈに示すように、フォトレジストマスク７２を除去して、表面６６を露出させる。好ましくは、軸方向の通路７４を、プラズマエッチによって形成し、シリコン基板５０の底面５４に実質的に垂直な平面に沿った軸方向の通路７４を形成する。
【００６７】
次にプラズマエッチを表面６６に適用して、底面５４に垂直な平面に沿ってエッチングし、図５Ｉに示すように、実質的に環状の面７６を円錐形表面６０の周囲に形成する。図５Ｉに示すように、得られるマイクロ突起物４８は、基板５０から垂直に延び、円錐形の上面６０と鋭利な先端７８とで末端部をなす実質的に円筒形の側壁７６を備える。軸方向の通路７４が、先端７８から底面５４まで延びる。
【００６８】
図６Ａ〜６Ｍの実施態様
本実施態様では、マイクロ突起物アレイを、上面８２と底面８４とを有するシリコン基板８０から形成する。酸化物層８６を、シリコン基板８０の上面８２上に形成する。フォトレジスト層を酸化物層８６上に形成する。フォトレジスト層をパターン化および現像して、図６Ｂに示すように、実質的に環形状のフォトレジストマスク８８を、各マイクロ突起物に対して形成する。フォトレジストマスク８８は、酸化物層８６の中央の露出領域９０と周囲の露出領域９２とを規定する。酸化物層８６の露出領域９０および９２を、エッチングによって、例えばプラズマエッチによって、除去する。酸化物エッチングは、環形状の酸化物マスク９４を、シリコン基板８０の上面８２上にもたらす。
【００６９】
フォトレジストマスク８８を除去して、図６Ｃに示すように、酸化物マスク９４を露出させる。酸化物マスク９４は、シリコン基板８０の上面８２の内側表面９６と周囲表面９７とを規定する。等方性エッチを表面９６および９８に適用して、エッチングされた表面１００から酸化物マスク９４まで延びる湾曲面９８を形成する。図６Ｄに示すように、等方性エッチは、酸化物マスク９４の真下のシリコン基板８０の一部をエッチングして、酸化物マスク９４の下方の突起部分１０２を規定する。好ましくは、等方性エッチは、当該技術分野において知られているような、ウェットエッチである。
【００７０】
酸化物マスク９４を、酸化物エッチによって除去する。好ましくは、酸化物エッチは、例えばフッ化水素酸を用いるウェットエッチである。酸化物エッチは、酸化物マスク９４を除去して、湾曲面９７および上面１０４によって規定される突起部分１０２を露出させる。図６Ｅに示すように、突起部分１０２の上面１０４は、元の上面８２に対応する実質的に平坦な表面を有する。突起部分１０２は、シリコン基板８０から上方に延びる実質的に環状な形状を有する。
【００７１】
次に酸化物層１０６を、シリコンボディ８０の上面上に形成する。酸化物層１０６は、当該技術分野において知られる種々のプロセスを用いて形成することができる。１つの実施態様においては、シリコンボディ８０の上面を酸素含有雰囲気中で加熱する。好ましくは、酸化物層１０６を、シリコンボディ８０の外側表面の一部を消費するような方法で形成する。図６Ｆに示すように、酸化物層１０６を、突起部分１０２の対向する湾曲面９７が消費され、かつ、合体して、鋭利な先端１０８を形成するような厚さまで形成する。
【００７２】
フォトレジスト層を、形成された酸化物層１０６上に適用する。フォトレジスト層を露出および現像して、環状の形状を有して鋭利な先端１０８の上に重なるフォトレジストマスク１１０を形成する。酸化物層１０６の露出領域を選択エッチングして、フォトレジストマスク１１０を除去する。この結果、図６Ｇおよび６Ｈに示すように、鋭利な先端１０８の上に重なる酸化物マスク１１２が得られる。図６Ｈに示すように、酸化物マスク１１２は、シリコン基板８０の内側表面１１４と外側表面１１６とを規定する。
【００７３】
マスキング材料１１８をシリコン基板８０の表面１１６に適用し、中央部分１１４を露出させた状態にする。異方性エッチ、例えばプラズマエッチを、中央部分１１４に適用して、図６Ｉに示すように、酸化物マスク１１２によって囲まれた、シリコン基板８０内の実質的に円筒形状の凹部１２０をエッチングする。次にマスキング材料１１８を除去して、図６Ｊに示すように、酸化物マスク１１２を囲むシリコン基板の上面１２２を露出させる。
【００７４】
次に異方性エッチ、例えばプラズマエッチを上面１２２に適用し、かつ、シリコン基板８０を完全に貫くように凹部１２０をエッチングして、軸方向のチャネル１２４を形成するために適用する。また異方性エッチは、上面１２２をエッチングして、エッチングされた上面１３０から垂直に延びる、実質的に円筒形の壁１２８を有する環形状のマイクロ突起物１２６を形成する。次に酸化物マスク１１２を選択エッチングによって除去して、鋭利な先端１０８を露出させる。図６Ｌおよび６Ｍに示すように、得られるマイクロ突起物１２６は、基板８０から上方に延びる。本実施態様における鋭利な先端１０８は、マイクロ突起物１２６の上面の周囲に完全に広がり、連続した隆起部を形成する。
【００７５】
図７Ａ〜７Ｊの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面１３６と底面１３８とを有するシリコン基板１３４から形成する。窒化物層１４０を、上面１３６上に形成する。図７Ａに示すように、酸化物層１４２を、窒化物層１４０を覆うように低温形成プロセスによって形成する。フォトレジスト層を酸化物層１４２上に形成した後に、露出および現像して、フォトレジストマスクを形成する。本実施態様においては、フォトレジストマスクは、作製すべきマイクロ突起物の横方向の寸法に一致する環状の形状を有する。窒化物層１４２と酸化物層１４０との露出領域をエッチングして、環形状のマスク１４４を形成する。図７Ｂに示すように、マスク１４４は、シリコン基板１３４の中央領域１４６と外側領域１４８とを規定する。
【００７６】
図７Ｃに示すように、フォトレジスト層を、露出表面１４８とマスク１４４とに適用する。通常は、フォトレジスト層１５０を連続層として適用した後に、露出および現像してマスクを作製する。図７Ｃに示したように、シリコン基板１３４の中央部分１４６は露出しており、フォトレジスト層１５０によって覆われていない。異方性エッチ、例えばプラズマエッチを上面に適用して、中央部分１４６をエッチングし、図７Ｄに示すように、シリコン基板１３４を完全に貫く円筒形状の通路１５２を形成する。好ましくは、通路１５２を、プラズマエッチによって形成し、シリコン基板１３４の上面１３６に実質的に垂直な平面に沿ってエッチングする。
【００７７】
図７Ｅに示すように、フォトレジストマスク１５０を除去した後に、第２の異方性エッチを行って、シリコン基板１３４の上面１３６の露出表面をエッチングする。図７Ｆに示すように、異方性エッチを行って、シリコン基板１３４の底面１３８に垂直に延びる実質的に円筒形状の側壁１５６を有する環状の柱１５４を形成する。
【００７８】
図７Ｇを参照して、酸化物層１５８を、シリコン基板１３４の露出表面上に形成する。図示したように、酸化物層１５８は、柱１５４の外側表面１５６とチャネル１５２の内側表面とを覆う。ウェット窒化物エッチを適用して、図７Ｈに示すように、マスク１４４の露出する窒化物層の一部をエッチングする。窒化物エッチは、マスク１４４の窒化物層の縁の周囲の一部をエッチング除去して、環状の柱１５４の上面の一部を露出させる。窒化物エッチはマスク１４４の窒化物層の内側および外側の縁を攻撃するため、得られる窒化物層は、環状の柱１５４の上面の寸法よりも小さい寸法を有する。
【００７９】
次に等方性エッチを、マスク１４４の周囲の露出するシリコンに用いて、凹面形状の表面１６２を有する鋭利な先端１６０を形成する。残りの酸化物層１５８と窒化物層１４０とを、当該技術分野において知られている選択エッチまたはストリッピングプロセスによって除去する。図７Ｊに示した、得られるマイクロ突起物１６３は、柱１５８から上方に延びる環形状の鋭利な先端１６０を有する環状の柱１５８によって規定される。
【００８０】
図８Ａ〜８Ｌの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面１６６と底面１６８とを有するシリコン基板１６４から形成する。図８Ａに示すように、酸化物層１７０を上面１６６上に形成する。前の実施態様の場合と同様に、フォトレジスト層を酸化物層１７０上に形成した後、現像して、所望するマイクロ突起物の寸法に対応する、実質的に環状の形状を有するフォトレジストマスク１７２を作製する。図８Ｂに示すように、酸化物層１７０を選択エッチングして酸化物マスク１７４を作製する。酸化物マスク１７４は、フォトレジストマスク１７２の形状に対応する環状の形状を有する。次にフォトレジストマスク１７２を除去する。
【００８１】
等方性エッチをシリコン基板１６４の上面１６６に適用して、酸化物マスク１７４の下方の凹面１７６によって規定されるエッチングされた表面を形成する。図８Ｃに示すように、等方性エッチは、マスク１７４の下方のシリコンの一部をエッチングして、マスク１７４の幅よりもわずかに小さい寸法を有する環形状の突起部分１７８を形成する。
【００８２】
図８Ｄを参照して、窒化物層１８０を、シリコン基板１６４の上面と酸化物マスク１７４との上に堆積させる。フォトレジストマスク１８２を、窒化物層１８０上に形成する。図８Ｅに示すように、フォトレジストマスク１８２は、酸化物マスク１７４の中央の開口部の上に重なる露出した層を有する。等方性エッチを上面に適用して、露出する窒化物層１８０を通り、かつ、シリコン基板１６４を通って底面１６８に至る軸方向の通路１８４をエッチングする。好ましくは、異方性エッチは、プラズマエッチであり、シリコン基板１６４の底面１６８に実質的に垂直な平面に沿ってエッチングする。図８Ｇに示すように、フォトレジスト層１８２を除去する。異方性エッチ、好ましくはプラズマエッチを、上面に適用して、図８Ｈに示すように、窒化物層１８０およびシリコン基板１６４をエッチングして環状の柱１８６を形成する。前の実施態様の場合と同様に、環状の柱１８６は、シリコン基板１６４の底面１６８に垂直に延びる実質的に円筒形の外側壁１８８によって規定される。
【００８３】
図８Ｉに示すように、酸化物層１９０をシリコン基板１６４の露出表面上に形成して、環状の柱１８６の外側表面と軸方向の通路１８４の内側表面とを覆う。窒化物エッチ液、例えばリン酸を適用して、図８Ｊに示すように、窒化物層１８０の残りの部分を除去し、突起部分１７８の凹面１７６を露出させる。図８Ｋに示すように、次に等方性シリコンエッチを、露出した凹面１７６に適用して、鋭利な先端１９２を環状の柱１８６上に形成する。次に残りの酸化物層１９０を、酸化物エッチ液、例えばフッ化水素酸によって除去する。図８Ｌに示すように、得られるマイクロ突起物１９４は、環状の柱１８６と環状の先端１９２とによって規定される。
【００８４】
図９Ａ〜９Ｏの実施態様
本実施態様においては、マイクロ突起物アレイを、上面１９８と底面２００とを有するシリコン基板１９６から形成する。前の実施態様の場合と同様、図９Ａに示すように、酸化物層２０２を上面１９８上に形成する。得られるマイクロ突起物の形状を規定するために、フォトレジストマスク２０４を酸化物層２０２上に形成する。フォトレジストマスク２０４は、実質的に環状の形状を有し、前の実施態様の場合と同様に、露出され現像されるフォトレジスト層から形成される。
【００８５】
酸化物層２０２の露出領域を、例えばプラズマエッチによって選択エッチングして、環形状の酸化物マスク２０６を形成する。図９Ｃに示すように、フォトレジストマスク２０４を除去して、シリコン基板１９６の上面１９８を、等方性エッチング剤によってエッチングする。等方性エッチング剤は、酸化物マスク２０６の方へ集中する凹面状の外側表面２１０によって規定される環形状の突起部分２０８を作製する。前の実施態様の場合と同様、図９Ｃに示すように、等方性エッチング剤は、酸化物マスク２０６の真下のシリコンの一部を除去する。
【００８６】
図９Ｄを参照して、窒化物層２１２を上面上に堆積させて、シリコン基板１９６と酸化物マスク２０６とを完全に覆う。図９Ｅを参照して、フォトレジストマスク２１４を窒化物層２１２上に形成する。フォトレジストマスク２１４は、酸化物マスク２０６の小さい範囲の上に重なる。図９Ｅに示すように、フォトレジストマスク２１４は、酸化物マスク２０６の外側縁の上に重なり、酸化物マスク２０６の小さな弓状の部分を覆う。好ましい実施態様においては、フォトレジストマスク２１４は、酸化物マスク２０６の円周の約４分の１を下回る円弧を覆う。次に窒化物層２１２を選択的にエッチングして、図９Ｅおよび９Ｆに示すように、フォトレジストマスク２１４の形状および寸法に一致する窒化物マスク２１６を形成する。好ましくは、この段階でシリコンのエッチングが実質的にまったく起こらないように、窒化物エッチは選択的に働く。
【００８７】
図９Ｇに示すように、次にフォトレジストマスク２１４を取り去って、窒化物マスク２１６を露出させる。窒化物マスク２１６は、フォトレジストマスク２１４の寸法に実質的に対応し、図９Ｇに示すように、酸化物マスク２０６の外側縁の小部分の上に重なる。例示した実施態様においては、窒化物マスク２１４は酸化物マスクの一部分のみを覆う。以下に述べるように、窒化物マスク２１４の寸法によって、マイクロ突起物の最終的な形状が決められる。
【００８８】
フォトレジストマスク２１８を、シリコン基板１９６の上面、酸化物マスク２０６、および窒化物マスク２１６の上に適用する。フォトレジスト層を適用、パターン化、および現像して、図９Ｈに示すように、酸化物マスク２０６によって囲まれたシリコン基板１９６の上面２１９を露出させるフォトレジストマスク２１８を形成する。
【００８９】
図９Ｉを参照して、異方性エッチを上面に適用して、シリコン基板１９６を通って底面２００まで完全に延びる軸方向の通路２２０をエッチングする。図９Ｊに示すように、次にフォトレジスト層２１８を除去する。図９Ｋに示すように、異方性プラズマエッチを適用して、円筒形の側壁２２４を有する環形状の柱２２２を形成する。図９Ｋに示すように、プラズマエッチは、底壁２００に実質的に垂直な平面に沿ってシリコン基板１９６をエッチングする。またプラズマエッチは、窒化物マスク２１６の一部を除去して、酸化物マスク２０６の下にある窒化物マスク２１６の一部２２６を残す。次に酸化物層２２８を、シリコン基板１９６の露出表面と酸化物マスク２０６との上に形成する。図９Ｌに示すように、酸化物層２２８は、窒化物マスク２１６には適用されないため、窒化物マスク２１６は露出している。窒化物エッチ液、例えばリン酸を適用して窒化物層の部分２２６を除去し、それによって開口部を形成して、図９Ｍに示すように、環状の柱２２２上に形成された凹面２１０を露出させる。
【００９０】
次に等方性シリコンエッチを、部分２２６を除去する窒化物エッチによって形成された開口部を通じて、環状の柱２２２の露出表面に適用する。等方性シリコンエッチは、酸化物層２２８内の開口部から離れて広がる界面に沿ってシリコンをエッチングし、図９Ｎに示すように、湾曲状にエッチングされた外側表面２３０を形成する。シリコンエッチは、面２３０をエッチングして鋭利な先端２３２を形成するのに十分な時間、適用される。１つの実施態様においては、シリコンエッチは等方性エッチである。さらなる実施態様においては、シリコンエッチは、プラズマエッチ、ウェット等方性エッチ、または水酸化カリウムを用いたウェット異方性エッチとすることができる。
【００９１】
次に酸化物層２２８を、例えばフッ化水素酸によって選択的に除去して、マイクロ突起物２３４を露出させる。マイクロ突起物２３４は、湾曲した内側面２３０によって規定される外側表面と鋭利な先端２３２とを備えた円筒形状を一般的に有する。
【００９２】
図１０の実施態様
本発明の他の実施態様においては、実質的に円筒形の側壁２３８とベース２４０とを有するマイクロ突起物２３６を形成する。前の実施態様の場合と同様に、マイクロ突起物２３６を、フォトリソグラフィによってシリコンウェーハから形成する。すなわち環形状のマスクを形成した後、異方性エッチングによって、円筒形の側壁２３８と軸方向の通路とを有するマイクロ突起物を形成する。マイクロ突起物の寸法を規定して鋭利な先端２４２を作製するために、マスクをシリコンウェーハ上に形成する。１つの好ましい実施態様においては、先端２４２は、マイクロ突起物２３６の円周の周りに間隔を置いて配置されている。隣接する先端２４２間に湾曲した隆起部２４４が形成されるように、各先端２４２を凹面で形成する。
【００９３】
本発明を例示するためにいくつかの実施態様を選択したが、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の範囲から逸脱することなく種々の変形および変更が行えることを、当該技術分野における当業者ならば理解するであろう。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】本発明の第１の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを示す側面図である。
【図２】図１の実施態様のマイクロ突起物アレイを示す斜視図である。
【図３】図２のマイクロ突起物アレイを示す上面図である。
【図４Ａ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｂ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｃ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｄ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｅ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｆ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｇ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図４Ｈ】本発明の第２の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ａ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｂ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｃ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｄ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｅ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｆ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｇ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｈ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図５Ｉ】本発明の第３の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ａ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｂ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｃ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｄ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｅ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｆ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｇ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｈ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｉ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｊ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｋ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｌ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図６Ｍ】本発明の第４の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ａ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｂ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｃ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｄ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｅ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｆ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｇ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｈ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｉ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図７Ｊ】本発明の第５の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ａ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｂ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｃ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｄ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｅ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｆ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｇ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｈ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｉ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｊ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｋ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図８Ｌ】本発明の第６の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ａ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｂ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｃ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｄ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｅ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｆ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｇ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｈ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｉ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｊ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｋ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｌ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｍ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｎ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図９Ｏ】本発明の第７の実施態様におけるマイクロ突起物アレイを形成する連続ステップを示す図である。
【図１０】本発明の第８の実施態様におけるマイクロ突起物を示す斜視図であって、環状面上の複数の鋭利な先端を示す図である。
【図１】
2004524172.tif 000003
【図２】
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【図３】
2004524172.tif 000005
【図４Ａ】
2004524172.tif 000006
【図４Ｂ】
2004524172.tif 000007
【図４Ｃ】
2004524172.tif 000008
【図４Ｄ】
2004524172.tif 000009
【図４Ｅ】
2004524172.tif 000010
【図４Ｆ】
2004524172.tif 000011
【図４Ｇ】
2004524172.tif 000012
【図４Ｈ】
2004524172.tif 000013
【図５Ａ】
2004524172.tif 000014
【図５Ｂ】
2004524172.tif 000015
【図５Ｃ】
2004524172.tif 000016
【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図５Ｆ】
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【図５Ｇ】
2004524172.tif 000020
【図５Ｈ】
2004524172.tif 000021
【図５Ｉ】
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【図６Ａ】
2004524172.tif 000023
【図６Ｂ】
2004524172.tif 000024
【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図６Ｅ】
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【図６Ｆ】
2004524172.tif 000028
【図６Ｇ】
2004524172.tif 000029
【図６Ｈ】
2004524172.tif 000030
【図６Ｉ】
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【図６Ｊ】
2004524172.tif 000032
【図６Ｋ】
2004524172.tif 000033
【図６Ｌ】
2004524172.tif 000034
【図６Ｍ】
2004524172.tif 000035
【図７Ａ】
2004524172.tif 000036
【図７Ｂ】
2004524172.tif 000037
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
2004524172.tif 000039
【図７Ｅ】
2004524172.tif 000040
【図７Ｆ】
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【図７Ｇ】
2004524172.tif 000042
【図７Ｈ】
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【図７Ｉ】
2004524172.tif 000044
【図７Ｊ】
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【図８Ａ】
2004524172.tif 000046
【図８Ｂ】
2004524172.tif 000047
【図８Ｃ】
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【図８Ｄ】
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【図８Ｅ】
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【図８Ｆ】
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【図８Ｇ】
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【図８Ｈ】
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【図８Ｉ】
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【図８Ｊ】
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【図８Ｋ】
2004524172.tif 000056
【図８Ｌ】
2004524172.tif 000057
【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図９Ｆ】
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【図９Ｇ】
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【図９Ｈ】
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【図９Ｉ】
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【図９Ｊ】
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【図９Ｋ】
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【図９Ｌ】
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【図９Ｍ】
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【図９Ｎ】
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【図９Ｏ】
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【図１０】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004524172.tif 000119
2004524172.tif 000120
【国際調査報告】
2004524172.tif 000121
2004524172.tif 000122