(57)【要約】【課題】陽極酸化法を利用して製造されたナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１高さを有する第１領域と第１高さよりも高い第２高さを有する第２領域とを備えるアルミニウム基板１１０からなる第１層と、アルミニウム基板１１０上に形成されているアルミナからなり、第２領域と連結されている本体部と当該本体部から第１領域上に突出しており、第１領域の表面から離隔されている突出部とを備えるカンチレバー１２０からなる第２層と、カンチレバー１２０上に積層された金属薄膜層１３０からなる第３層と、金属薄膜層１３０上に積層された第４層１４０と、を備える。【選択図】図２
2007121306.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１高さを有する第１領域と前記第１高さよりも高い第２高さを有する第２領域とを備えるアルミニウム基板からなる第１層と、
前記アルミニウム基板上に形成されているアルミナからなり、前記第２領域と連結されている本体部と当該本体部から前記第１領域上に突出しており、前記第１領域の表面から離隔されている突出部とを備えるカンチレバーからなる第２層と、
前記カンチレバー上に積層された金属薄膜層からなる第３層と、
前記金属薄膜層上に積層された第４層と、
を備えるマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項２】
前記第４層は、感光膜層であることを特徴とする請求項１に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項３】
前記第４層は、ナノビーズ層、キャビタンドレセプタ層、高分子薄膜層、金属酸化物薄膜層、生物受容体層、またはＳＡＭ層であることを特徴とする請求項１に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項４】
前記カンチレバーは、ナノサイズの微細ホールを備える多孔性構造であることを特徴とする請求項１に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項５】
第１高さを有する第１領域と前記第１高さより高い第２高さを有する第２領域とを備えるアルミニウム基板からなる第１層と、
前記アルミニウム基板上に形成されているアルミナからなり、前記アルミニウム基板の第２領域と連結されている本体部と当該本体部から前記第１領域上に突出しており、前記第１領域の表面から離隔されている突出部とを備え、さらに、外部に露出されたナノサイズの微細ホールを備えるカンチレバーからなる第２層と、
を備えるマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項６】
前記カンチレバーは、ナノサイズの微細ホールを備える多孔性構造であることを特徴とする請求項５に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項７】
前記カンチレバー構造物は、前記カンチレバーの下部バリア層のないメンブレン構造であることを特徴とする請求項１または請求項５に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項８】
前記カンチレバー構造物は、前記微細ホールに所定物質を備えることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項９】
前記所定物質は、金属、金属酸化物、伝導性高分子、磁性物質、圧電物質、蛍光物質、発光物質、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ＤＮＡ、または幹細胞であることを特徴とする請求項８に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項１０】
前記微細ホールは、断面が六角形であることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項１１】
前記微細ホールは、断面が円形、三角形、または四角形であることを特徴とする請求項４または請求項６に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項１２】
前記金属薄膜層は、アルミニウム薄膜層であることを特徴とする請求項１に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物。
【請求項１３】
（ａ）アルミニウム基板を陽極酸化して複数個のナノサイズの微細ホールを有するアルミナ層を形成する段階と、
（ｂ）前記アルミナ層上に金属薄膜層及び感光膜層を順次に積層させて１次構造物を形成する段階と、
（ｃ）前記１次構造物上に凸断面状のパターンを有するマスクを整列させた後に露光及び現像し、前記凸断面状の感光層パターンを形成する段階と、
（ｄ）前記感光層パターンをマスクとして利用して金属エッチング溶液で湿式エッチングを実施し、前記感光層パターンによって覆われていない領域の前記金属薄膜層を除去し、前記凸断面状の金属薄膜層パターンを形成する段階と、
（ｅ）前記金属薄膜層パターンをマスクとして利用してアルミナエッチング溶液で湿式エッチングを実施し、前記金属薄膜層パターンで覆われていない前記アルミナ層を除去することにより、凸断面状の２次構造物を形成する段階と、
（ｆ）前記アルミニウム基板に電解研磨を実施し、表面反応により前記２次構造物で遮蔽されていない第１領域のアルミニウム基板の上層部を除去することにより、前記アルミニウム基板の第１領域の表面から離隔されているカンチレバーを形成する段階と、
を含むマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１４】
前記（ａ）段階の陽極酸化に使われる電解質は、リン酸、シュウ酸、硫酸、スルホン酸、またはクロム酸の水溶液であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１５】
前記カンチレバーは、ナノサイズの微細ホールを備える多孔性構造であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１６】
前記微細ホールは、断面が六角形であることを特徴とする請求項１５に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１７】
前記微細ホールは、断面が円形、三角形、または四角形であることを特徴とする請求項１５に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１８】
前記（ｆ）段階の後に、前記感光膜層を除去し、前記金属薄膜層上にナノビーズ層、キャビタンドレセプタ層、高分子薄膜層、金属酸化物薄膜層、生物受容体層、またはＳＡＭ層を形成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項１９】
前記（ａ）段階の後に、前記ナノサイズの微細ホール内に所定物質を充填する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２０】
前記所定物質は、金属、金属酸化物、伝導性高分子、磁性物質、圧電物質、蛍光物質、発光物質、カーボンナノチューブ、ナノワイヤ、ＤＮＡ、または幹細胞であることを特徴とする請求項１９に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２１】
前記金属薄膜層は、アルミニウム薄膜層であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２２】
前記金属エッチング溶液は、アルミニウムエッチング溶液であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２３】
前記アルミニウムエッチング溶液は、Ｈ３ＰＯ４：Ｈ２Ｏ：ＣＨ３ＣＯＯＨ：ＨＮＯ３＝１６：２：１：１の質量比よりなる溶液であることを特徴とする請求項２２に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２４】
前記アルミナエッチング溶液は、５重量％のＨ３ＰＯ４溶液であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２５】
前記（ｅ）段階の後に、有機溶媒を使用して前記感光膜層を除去し、湿式エッチングを実施して前記金属薄膜層を除去することにより、カンチレバーの微細ホールを露出させる段階をさらに含むことを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２６】
前記（ｆ）段階の電解研磨で使われたアルミニウムエッチング溶液は、過塩素酸：エタノール＝１：４の体積比よりなる溶液であることを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【請求項２７】
前記（ｅ）段階の後に、前記感光膜層及び前記金属薄膜層を除去する段階をさらに含み、前記（ｆ）段階の後に、前記アルミナの下層部に湿式エッチングを実施してバリア層を除去する段階をさらに含むことにより、メンブレン構造のカンチレバーを形成することを特徴とする請求項１３に記載のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法に係り、さらに詳細には、陽極酸化法及び電解研磨を用いて製造されたナノサイズの微細ホールを有する多孔性のマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気的または光学的に微細物質を感知するシステムは、従来、ＱＣＭ（Ｑｕａｒｔｚ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｍａｓｓ  ｂａｌａｎｃｅ）があったが、ＱＣＭは、石英（ｑｕａｒｔｓ）単結晶が崩れやすいために、小さく、かつ薄く作り難く、量産に適さないという問題があった。
【０００３】
しかし、近年、電気と機械部品とを超小型に一体化させるマイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）工程を基にして小型化されたセンサは、速い応答と高感度を備え、そして量産に適しているために、関心の対象になっている。
【０００４】
ＭＥＭＳ工程は、蒸着やエッチングのような過程を反復する半導体微細工程技術を適用して低廉に超小型製品の量産を可能にし、駆動力は、電荷間の相互引き付け力である静電気的引力、磁性力、熱膨張差による駆動力などを利用し、そのサイズが超小型であって電力消費量も大きく引き下げることができるために、ナノ技術及びシステムオンチップ（ＳＯＣ：Ｓｙｓｔｅｍ  Ｏｎ  Ｃｈｉｐ）技術の登場と共に、その重要性が大きくなっている。
【０００５】
近年、物理的な現像または化学的反応の感知のために、これらのＭＥＭＳ工程によって製造されたカンチレバーを基にするセンサの開発に多くの研究が進められている。
【０００６】
図１Ａないし図１Ｃは、かかるカンチレバー構造物の製造方法の典型的な例を示す工程手順図である。まず、基板１上に犠牲層２を形成し、次に、犠牲層２上にマスクを利用して犠牲層パターンを形成する（図１Ａ参照）。次に、カンチレバーになる物質３を犠牲層パターン上に蒸着した後、他のマスクを使用してカンチレバーになる物質３のパターンを形成する（図１Ｂ）。その後、犠牲層２を除去すれば、図１Ｃに示されるような典型的なカンチレバー構造物が形成される。
【０００７】
現在研究されているカンチレバーを利用したセンサは、熱またはガスの吸着による質量変化によるカンチレバーの静的な反りをレーザのような光源を利用して測定している。しかし、レーザのような光源を利用した従来のセンサは、光源が構成されねばならないので、センサのサイズを小さくするのに限界がある。
【０００８】
このようなレーザを用いた静的な反りに対するセンシング以外に、共振周波数変化を利用してセンシングする方法がある。Ｏａｋ  Ｒｉｄｇｅ  Ｎａｔｉｏｎａｌ  ＬａｂのＴｈｕｎｄａｔらは、下記の非特許文献１で、共振周波数測定によってマイクロカンチレバー表面のＮａ＋イオン吸着による弾性係数変化を測定できるということを示し、ＩＢＭのスイス・チューリッヒ研究所を始めとする何人かの研究者は、空気中の所定ガスを感知するのに、共振周波数測定によるセンシングが利用できうるということを報告した。
【０００９】
しかし、上記の方法は、いずれもカンチレバー表面での反応を利用するものであるから、低い駆動電圧で高い感度を得るためには、表面積が大きいことが有利であるが、一定のサイズのカンチレバー構造物で表面積を大きくするには限界がある。また、カンチレバー構造物表面に、電子ビーム、ＳＴＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｔｕｎｎｅｌｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）などを利用したリソグラフィ法を利用してナノホールを製作し、表面積を大きくする方法もあるが、かかる方法は、コストがかさみ、かつその製造工程が複雑であり、生産性がきわめて制限されるという問題点がある。
【非特許文献１】Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ  ８０，ｐｐ．２２１９−２２２１（２００２）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたものである。したがって、本発明の第１の技術的課題は、陽極酸化法と電解研磨とを利用して製造されたナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物を提供することである。
【００１１】
また、本発明の第２の技術的課題は、前記ナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物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】
【００１２】
本発明の上記課題は、以下で説明される本発明の構成によっていずれも達成されうる。
【００１３】
上記第１の技術的課題を達成するために、本発明は、第１高さを有する第１領域と前記第１高さより高い第２高さを有する第２領域とを備えるアルミニウム基板からなる第１層と、前記アルミニウム基板上に形成されているアルミナからなり、前記第２領域と連結されている本体部と当該本体部から前記第１領域上に突出しており、前記第１領域の表面から離隔されている突出部とを備えるカンチレバーからなる第２層と、前記カンチレバー上に積層された金属薄膜層からなる第３層と、前記金属薄膜層上に積層された第４層と、を備えるマルチスケールのカンチレバー構造物を提供する。
【００１４】
また、上記第１の技術的課題を達成するために、本発明は、第１高さを有する第１領域と前記第１高さより高い第２高さを有する第２領域とを備えるアルミニウム基板からなる第１層と、前記アルミニウム基板上に形成されているアルミナからなり、前記アルミニウム基板の第２領域と連結されている本体部と当該本体部から前記第１領域上に突出しており、前記第１領域の表面から離隔されている突出部を備え、さらに、外部に露出されたナノサイズの微細ホールを備えるカンチレバーからなる第２層と、を備えるマルチスケールのカンチレバー構造物を提供する。
【００１５】
また、上記第２の技術的課題を達成するために、本発明は、（ａ）アルミニウム基板を陽極酸化して複数個のナノサイズの微細ホールを有するアルミナ層を形成する段階と、（ｂ）前記アルミナ層上に金属薄膜層及び感光膜層を順次に積層させて１次構造物を形成する段階と、（ｃ）前記１次構造物上に凸断面状のパターンを有するマスクを整列させた後に露光及び現像し、前記凸断面状の感光層パターンを形成する段階と、（ｄ）前記感光層パターンをマスクとして利用して金属エッチング溶液で湿式エッチングを実施し、前記感光層パターンによって覆われていない領域の前記金属薄膜層を除去し、前記凸断面状の金属薄膜層パターンを形成する段階と、（ｅ）前記金属薄膜層パターンをマスクとして利用してアルミナエッチング溶液で湿式エッチングを実施し、前記金属薄膜層パターンで覆われていない前記アルミナ層を除去することにより、凸断面状の２次構造物を形成する段階と、（ｆ）前記アルミニウム基板に電解研磨を実施し、表面反応により前記２次構造物で遮蔽されていない前記第１領域のアルミニウム基板の上層部を除去することにより、前記アルミニウム基板の第１領域の表面から離隔されているカンチレバーを形成する段階と、を含むマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法を提供する。
【００１６】
なお、本発明で使われた「マルチスケール」という用語は、本発明のカンチレバー構造物が多層構造（ｍｕｌｔｉ  ｓｃａｌｅ）に形成されているということを意味する。
【００１７】
本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法は、陽極酸化法を介して形成されたアルミナを利用してカンチレバー構造物内にナノサイズの微細ホールを形成することにより、従来の電子ビームリソグラフィ法のような複雑であり、かつ高価な工程を必要とせずにナノサイズの微細ホールを備えるので、カンチレバー構造物の表面積が急激に拡大し、敏感度と選択性との向上した精巧なセンサとして使われうる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によるナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物は、陽極酸化法を介して製造されたアルミナ内に、多数のナノサイズの微細ホールを有する構造を有しており、従来技術でのように表面積を拡大させるのに必要な複雑であり、かつ高価な工程が必要なくしてカンチレバー構造物の表面積を画期的に拡大させることができる。
【００１９】
従って、本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法を利用すれば、敏感度と選択性との向上した精巧なセンサをいたって簡単に得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物、及びその製造方法について詳細に説明する。
【００２１】
図２は、本発明の第１実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物を示す斜視図であり、図３は、図２の１０−１０’線に沿った断面図である。
【００２２】
図２及び図３を参照すれば、本実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物は、第１高さｔ１を有する第１領域、及び第１高さｔ１より高い第２高さｔ２を有する第２領域からなるアルミニウム基板（第１層）１１０と、アルミニウム基板１１０上に形成されているアルミナからなるカンチレバーであって、第２領域と連結されている本体部、及び本体部から第１領域上に突出しており、第１領域の表面から離隔されている突出部を備えるカンチレバー（第２層）１２０と、カンチレバー上に積層された金属薄膜層（第３層）１３０と、金属薄膜層上に積層された第４層１４０と、を備える構造を有している。
【００２３】
本実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物において、第４層１４０は、エッチングにより他の構造物への転換が容易なように、感光層であることが望ましい。
【００２４】
また、本実施形態の変形例によるマルチスケールのカンチレバー構造物において、第４層１４０は、ナノビーズ（ｎａｎｏｂｅａｄｓ）層、キャビタンドレセプタ（ｃａｖｉｔａｎｔ  ｒｅｃｅｐｔｏｒ）層、高分子薄膜層、金属酸化物薄膜層、生物受容体層、またはＳＡＭ（Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｙ  Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）層であり、これらの物質を第４層として使用したマルチスケールのカンチレバー構造物は、カンチレバーの応答速度や選択性が向上されうる。
【００２５】
本実施形態において、カンチレバー１２０は、アルミナからなっており、その内部に、高密度に集積されたナノサイズの径を有する微細ホールが形成されている。カンチレバー１２０に形成されているナノサイズの微細ホールの直径１２０Ｃ、微細ホール間の距離１２０Ｄ、及び単位面積当たり微細ホールの個数は、陽極酸化過程で、電解質の種類、電解質の温度、印加電圧などにより容易に調節可能であり、カンチレバー１２０の厚さもまた、陽極酸化過程で電圧や時間などによって調節が可能である。
【００２６】
図４は、本発明の第２実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物を示す断面図である。
【００２７】
図４を参照すれば、本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物は、第１高さｔ１を有する第１領域、及び第１高さｔ１より高い第２高さｔ２を有する第２領域からなるアルミニウム基板（第１層）１１０と、アルミニウム基板上に形成されているアルミナからなるカンチレバーであって、アルミニウム基板の第２領域と連結されている本体部、及び本体部から第１領域上に突出しており、第１領域の表面から離隔されている突出部を備え、外部に露出された複数個のナノサイズの微細ホールを備えるカンチレバー（第２層）と、を備える構造を有している。
【００２８】
図４に示された本発明の第２実施形態におけるマルチスケールのカンチレバー構造物は、図３に示された本発明の第１実施形態におけるマルチスケールのカンチレバー構造物の金属薄膜層及び第４層が除去された構造である。
【００２９】
カンチレバー１２０上に存在する金属薄膜層１３０、及び金属薄膜層１３０上に存在する第４層１４０は、電解研磨を介してアルミニウム基板１１０に、ｔ２−ｔ１の段差を形成するとき、カンチレバー１２０を保護する役割を果たす。従って、一般的に、金属薄膜層１３０及び第４層１４０が除去される場合には、カンチレバー１２０に加えられる被害を最小に減らすために、最後に除去されることが望ましい。
【００３０】
ただし、本実施形態では、カンチレバー１２０を形成した後に金属薄膜層１３０を除去する場合、金属薄膜層１３０の除去過程で、カンチレバー１２０が損傷されることを最小化するために、２次構造物の製造過程でアルミナ層をエッチングした後で、アセトンのような有機溶媒でもって第４層１４０を除去し、湿式エッチングを実施して金属薄膜層１３０をあらかじめ除去した後、電解研磨を行うことにより、微細ホールの露出されたカンチレバー１２０を形成した。
【００３１】
図５は、本実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物の変形例を示す断面図である。
【００３２】
図５を参照すれば、アルミニウム基板を陽極酸化してアルミナを形成した後、まずボルテージドロップ（ｖｏｌｔａｇｅ  ｄｒｏｐ）などを用いてバリア１２０Ｂを薄くした後、以後の工程を進めて２次構造物を形成し、第４層１４０及び金属薄膜層１３０を除去してカンチレバー構造物を形成した後、さらに湿式エッチングを介して薄くなったバリア１２０Ｂを除去すれば、図５のように、メンブレン構造を有するマルチスケールのカンチレバー構造物を形成できる。メンブレン構造を有するマルチスケールのカンチレバー構造物は、表面積がさらに拡大し、カンチレバーの応答速度及び選択性がさらに向上しうる。
【００３３】
図６は、本実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物のまた別の変形例を示す断面図である。
【００３４】
図６を参照すれば、本変形例のマルチスケールのカンチレバー構造物は、カンチレバー１２０の微細ホールに所定物質１５０を含むことができる。ここで、所定物質は、金属、金属酸化物、伝導性高分子、磁性物質、圧電物質、蛍光物質、発光物質、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ、ＤＮＡ、または幹細胞でありうる。なお、図６には、金属薄膜層１３０及び第４層１４０が除去された形態が示されているが、本発明の第１実施形態における金属薄膜層１３０及び第４層１４０が除去されていないマルチスケールのカンチレバー構造物の微細ホールにも、所定物質１５０が含まれうる。
【００３５】
本発明で、アルミナ内に形成されたナノサイズの微細ホールは、六角形の好ましく整列された構造を有していることが普通であるが、それ以外の整列された構造が必要である場合には、円形、三角形、または四角形の構造のような他の形態の微細ホールでありうる。かかる他の形態の微細ホールを形成する方法は、陽極酸化を実施する前に、ナノインデンタ（ｎａｎｏ  ｉｎｄｅｎｔｏｒ）を利用して所望の構造をまず掘り込んだ後、陽極酸化を実施してアルミナを形成することにより、上述した形態のような他の形態のナノサイズの微細ホールを形成することができる。
【００３６】
図７Ａないし図７Ｆは、本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【００３７】
図７Ａないし図７Ｆを参照すれば、本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法は、（ａ）アルミニウム基板を陽極酸化して複数個のナノサイズの微細ホールを有するアルミナ層を形成する段階と、（ｂ）アルミナ層上に金属薄膜層及び感光膜層を順次に積層させて１次構造物を形成する段階と、（ｃ）１次構造物上に凸断面状のパターンを有するマスクを整列させた後で露光及び現像し、凸断面状の感光層パターンを形成する段階と、（ｄ）感光層パターンをマスクとして利用して金属エッチング溶液で湿式エッチングを実施し、パターンによって覆われていない領域の金属薄膜層を除去し、凸断面状の金属薄膜層パターンを形成する段階と、（ｅ）金属薄膜層パターンをマスクとして利用してアルミナエッチング溶液で湿式エッチングを実施し、金属薄膜層パターンで覆われていないアルミナ層を除去することにより、凸断面状の２次構造物を形成する段階と、（ｆ）アルミニウム基板に電解研磨を実施し、表面反応により２次構造物で遮蔽されていない第１領域のアルミニウム基板の上層部を除去することにより、アルミニウム基板の第１領域の表面から離隔されているカンチレバーを形成する段階と、を含む。
【００３８】
以下、図７Ａないし図７Ｆを参照しつつ、本発明のマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法について詳細に説明する。
【００３９】
まず、図７Ａは、アルミニウム基板１１０を陽極酸化して複数個のナノサイズの微細ホール１２０Ａを有するアルミナ層１２０Ｅを形成する段階を示す図である。ここで、陽極酸化によるアルミナ層１２０Ｅ及びアルミナ層内の微細ホール１２０Ａの製造過程について詳細に説明すれば、下記の通りである。
【００４０】
まず、アルミニウム基板１１０の表面粗度（ザラザラ）を除去するために、電解研磨を行う。次に、リン酸、シュウ酸、硫酸、スルホン酸、またはクロム酸の電解質水溶液内で、アルミニウム基板１１０を陽極に設定した後、約１ないし約２００Ｖの直流電圧を印加することにより、アルミニウム基板１１０を数ｎｍサイズの径を有する微細ホール１２０Ａを備えるアルミナ層１２０Ｅに転換する。アルミニウム基板がアルミナ層に転換される程度は、陽極酸化工程の時間に比例する。具体的な例を挙げれば、反応温度１５℃、印加電圧４０Ｖ、０．３Ｍシュウ酸水溶液の条件で陽極酸化工程を行った場合、アルミナ層に転換される厚さは、１０分当たり約１μｍほどである。
【００４１】
陽極酸化法によってアルミナ層１２０Ｅに形成される微細ホール１２０Ａの形態は、六角形状を有することができる。また、陽極酸化を実施する前にナノインデンタを利用し、円形、三角形、四角形など所望の構造をまず掘り込んだ後で、陽極酸化を実施してアルミナを形成させれば、上記形態のような他の形態のナノサイズの微細ホールを形成することができる。
【００４２】
微細ホールの直径１２０Ｃ、微細ホールと微細ホールとの間の距離１２０Ｄ、及び単位面積当たり形成される微細ホールの個数は、印加電圧、電解質の種類、電解質の濃度、電解質の温度のような陽極酸化工程の条件によって調節されうる。具体的な例を挙げれば、印加電圧２５Ｖ、反応温度１０℃、０．３Ｍ硫酸水溶液で陽極酸化を実施する場合、形成される微細ホールの直径１２０Ｃは、約２０ｎｍ、微細ホールと微細ホールとの間の距離１２０Ｄは、約６０ｎｍほどであり、印加電圧４０Ｖ、反応温度１５℃、０．３Ｍシュウ酸水溶液で陽極酸化を行う場合に形成される微細ホールの直径１２０Ｃは、約４０ｎｍ、微細ホールと微細ホールとの間の距離１２０Ｄは、約１００ｎｍほどであり、印加電圧１６０Ｖ、反応温度０℃、０．３Ｍリン酸水溶液で陽極酸化を行う場合に形成される微細ホールの直径１２０Ｃは、約１００ｎｍ、微細ホールと微細ホールとの間の距離１２０Ｄは、約４５０ｎｍほどである。単位面積当たり形成される微細ホールの個数は、一般的に１０８〜１０１１個／ｃｍ２ほどを有し、この数値は、印加電圧によって変わりうる。陽極酸化法を介して形成することができる微細ホールの直径１２０Ｃは、約４ｎｍないし約３００ｎｍほどである。微細ホールの直径１２０Ｃは、単位面積当たり形成される微細ホールの個数の変化なしに、リン酸や水酸化ナトリウムなどを利用した化学的な後処理を介しても調節可能である。
【００４３】
図７Ｂは、アルミナ層上に金属薄膜層及び感光膜層を順次に積層させ、１次構造物を形成する段階を示す図である。ここで、「１次構造物」は、エッチングが進められる前段階の４層に形成された構造物を意味する。
【００４４】
図７Ｂを参照すれば、陽極酸化により形成されたアルミナ層１２０Ｅ上に、スパッタリング法または電子ビーム蒸着法を利用して金属薄膜層１３０を蒸着し、このように蒸着された金属薄膜層１３０上にスピンコーティング法を利用して感光膜層１４０Ｅを形成する。ここで、金属薄膜層は、アルミニウム薄膜層であることが望ましい。
【００４５】
図７Ｃは、１次構造物上に凸断面状のパターンを有するマスクを整列させた後で露光及び現像し、凸断面状の感光層パターンを形成する段階を示す図である。
【００４６】
図７Ｃを参照すれば、まず、感光膜層１４０Ｅ上に凸形態のマスク１６０を載せた後、露光を実施してマスクにより遮蔽されていない感光膜層の部分をエッチングする。その後、マスクを除去すれば、図７Ｃのように凸型となる感光膜層１４０Ｅパターンを現像できる。図７Ｃで、右側の図面は、感光層エッチング及びマスク除去以後の構造物の断面図を表し、下側の図面は、感光層エッチング以前に、マスクが感光膜層１４０Ｅに積層されたときの構造物の平面図を示す。下側の図面から分かるように、エッチング及びマスク除去が完了すれば、凸型のパターンを有する感光膜層１４０Ｅが最上部に位置する構造を形成する。
【００４７】
図７Ｄは、感光層パターンをマスクとして利用し、金属エッチング溶液で湿式エッチングを実施し、パターンによって覆われていない領域の金属薄膜層１３０を除去し、凸断面状の金属薄膜層パターンを形成する段階を示す図である。
【００４８】
図７Ｄを参照すれば、感光層パターンを備える構造物上に金属をエッチングできるエッチング溶液を適用し、凸型の感光膜層パターンの外側の部分をエッチングする。本発明で、金属薄膜層がアルミニウム薄膜層である場合には、エッチング溶液は、アルミニウムエッチング溶液であることが望ましく、例えば、Ｈ３ＰＯ４：Ｈ２Ｏ：ＣＨ３ＣＯＯＨ：ＨＮＯ３＝１６：２：１：１質量比よりなる溶液を使用できる。アルミニウム薄膜層のエッチングは、本発明の構造物を常温でエッチング溶液に浸漬して２０分間撹拌し、アルミニウム層１３０を除去することにより、感光膜層１４０Ｅに現像されたパターンをアルミニウム層１３０に移すことにより実施できる。ここで、アルミニウムのエッチング溶液は、アルミナ層１２０Ｅに対するエッチング能を有しており、長時間浸漬しすぎれば、カンチレバーを形成するアルミナ層１２０がエッチングされて所望形態のカンチレバーを形成できないために、一定時間ほどエッチング溶液に浸漬せねばならない。
【００４９】
図７Ｅは、金属薄膜層パターンをマスクとして利用してアルミナエッチング溶液で湿式エッチングを実施し、金属薄膜層パターンで覆われていないアルミナ層を除去することにより、凸断面状の２次構造物を形成する段階を示す図である。
【００５０】
図７Ｅを参照すれば、図７Ｄで形成された金属薄膜層１３０をマスクとして利用し、アルミナエッチング溶液に湿式エッチングを実施する。本発明で使われたアルミナエッチング溶液は、５重量％のＨ３ＰＯ４溶液であって常温で使用でき、溶液に浸漬して撹拌し、アルミナ層１２０をエッチングさせることによって凸型となる２次構造物を形成する。このとき、撹拌時間は、アルミナ層１２０Ｅの厚さによって決定される。ここで、「２次構造物」は、電解研磨によるアルミニウム基板のエッチングが進められる前段階の４層により形成された構造物であり、凸型となる構造物を意味する。
【００５１】
本発明により、カンチレバー１２０の微細ホールを外部に露出させようとする場合には、（ｅ）段階後、アセトンのような有機溶媒を使用して感光膜層１４０Ｅを除去し、湿式エッチングを実施して金属薄膜層１３０を除去することにより、カンチレバーの微細ホールを露出させる段階をさらに含むことができる。
【００５２】
図７Ｆは、アルミニウム基板に電解研磨を実施し、表面反応により２次構造物で遮蔽されていない第１領域のアルミニウム基板の上層部１１０Ａを除去することにより、アルミニウム基板の第１領域の表面から離隔されているカンチレバーを形成する段階を示す図である。
【００５３】
図７Ｆを参照すれば、２次構造物のアルミナ層１２０Ｅ下方の第１領域のアルミニウムを電解研磨を用いて除去することにより、一方の端部が浮き上がっているカンチレバーを有する構造物を完成する。アルミニウムだけではなく、アルミナまでもエッチングできるエッチング溶液を使用して電解研磨を実施すれば、所望の形態のカンチレバー構造物を形成できないために、アルミニウムだけを選択的にエッチングできるエッチング溶液を使用することが望ましい。本発明で、アルミニウムのエッチング溶液は、過塩素酸：エタノール＝１：４体積比の溶液であることが望ましく、溶液は、温度５℃、印加電圧２０Ｖで電解研磨を行うことができる。ここで、「電解研磨」とは、アルミニウム基板の第１領域部分をアルミニウムエッチング溶液に浸漬した後、アルミニウム基板に正の電圧を印加して白金または炭素電極に負の電圧を印加することにより、アルミニウム基板からアルミニウム金属イオンがイオン化され、アルミニウム基板がエッチングされるということをいう。電解研磨時間は、要求されるカンチレバーの幅によって変わりうる。
【００５４】
本発明によってカンチレバーを形成した後、メンブレン構造のカンチレバーを形成するためには、（ｅ）段階後、感光膜層１４０Ｅ及び金属薄膜層１３０を除去する段階をさらに含み、また、（ｆ）段階後、アルミナの下層部に湿式エッチングを実施してバリア層を除去する段階をさらに含むことにより、メンブレン構造のカンチレバーを形成できる。
【００５５】
本発明で、上記過程により形成されたマルチスケールのカンチレバー構造物のカンチレバー１２０は、その内部に高密度に集積されたナノサイズの微細ホールを備える。
【００５６】
また、本発明は、（ｆ）段階後、感光膜層１４０Ｅを除去し、金属薄膜層１３０上にナノビーズ層、キャビタンドレセプタ層、高分子薄膜層、金属酸化物薄膜層、生物受容体層またはＳＡＭ層を形成する段階をさらに含むことができる。この過程を通じて形成された物質層を備えるマルチスケールのカンチレバー構造物は、カンチレバーの応答速度または選択性がさらに向上しうる。
【００５７】
また、本発明は、（ａ）段階後に、アルミナ内のナノサイズの微細ホール内に所定物質１５０を充填して入れた後に、上述した金属薄膜層１３０及び感光膜層１４０Ｅの形成過程及びこの除去過程を反復すれば、ナノサイズの微細ホール内に所定物質を含んでいるカンチレバー構造物を製造できる。ここで、所定物質は、金属、金属酸化物、伝導性高分子、磁性物質、圧電物質、蛍光物質、発光物質、カーボンナノチューブ（ＣＮＴ）、ナノワイヤ、ＤＮＡ、または幹細胞でありうる。
【００５８】
図８は、本発明で提示された方法で製造されたカンチレバー構造物の一例を示す走査電子顕微鏡写真である。図８から分かるように、本発明によって製造されたカンチレバー構造物は、カンチレバー下方のアルミニウム基板が除去され、前記アルミニウム基板の表面から一端が離隔されたカンチレバーを備えているということを確認することができる。
【００５９】
一方、上述の本発明の明細書では、具体的な実施形態を介して説明したが、さまざまな変形が本発明の範囲から外れずに実施されうる。よって、本発明の範囲は、説明された実施形態によって決まるのではなく、特許請求の範囲によりのみ決まるものである。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明のナノサイズの微細ホールを有するマルチスケールのカンチレバー構造物及びその製造方法は、例えば、微小物質感知用のセンサ関連の技術分野に効果的に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１Ａ】従来のカンチレバー構造物の製造方法を示す工程手順図である。
【図１Ｂ】従来のカンチレバー構造物の製造方法を示す工程手順図である。
【図１Ｃ】従来のカンチレバー構造物の製造方法を示す工程手順図である。
【図２】本発明の第１実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物を示す斜視図である。
【図３】図２の１０−１０’に沿った断面図である。
【図４】本発明の第２実施形態によるマルチスケールのカンチレバー構造物を示す断面図である。
【図５】図４に示すマルチスケールのカンチレバー構造物の変形例を示す断面図である。
【図６】図４に示すマルチスケールのカンチレバー構造物のまた別の変形例を示す断面図である。
【図７Ａ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図７Ｂ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図７Ｃ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図７Ｄ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図７Ｅ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図７Ｆ】本発明によるマルチスケールのカンチレバー構造物の製造方法の一実施形態を示す工程手順図である。
【図８】本発明によって製造されたマルチスケールのカンチレバー構造物の一例を示す走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。
【符号の説明】
【００６２】
１    基板、
２    犠牲層、
３    カンチレバー物質、
１１０    アルミニウム基板、
１１０Ａ    アルミニウム基板の上層部、
１２０    カンチレバー、
１２０Ａ    微細ホール、
１２０Ｂ    バリア、
１２０Ｃ    微細ホールの直径、
１２０Ｄ    微細ホールの距離、
１２０Ｅ    アルミナ層、
１３０    金属薄膜層、
１４０    第４層、
１４０Ｅ    感光膜層、
１５０    所定物質、
１６０    マスク。
【図１Ａ】
2007121306.tif 000003
【図１Ｂ】
2007121306.tif 000004
【図１Ｃ】
2007121306.tif 000005
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2007121306.tif 000009
【図６】
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【図７Ａ】
2007121306.tif 000011
【図７Ｂ】
2007121306.tif 000012
【図７Ｃ】
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【図７Ｄ】
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【図７Ｅ】
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【図７Ｆ】
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【図８】
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