(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
構造要素として微細な梁を有し、その弾性的な変位あるいは機械的な運動を検出もしくは駆動することを、動作機構の少なくとも一部として有する微細構造素子の作製方法において、
基板として用いる固体結晶材料の表面に、表面処理を行うことによって単原子ステップあるいは単分子ステップを形成し、その後、前記固体結晶材料を結晶成長させることにより、前記単原子ステップあるいは単分子ステップの束を形成する第１の工程と、
前記ステップの束に沿って、梁を構成するための梁材料を、選択的に成長させる第２の工程と、
前記梁材料の成長後、その下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより取り除き、前記梁材料からなる梁を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする微細構造素子の作製方法。
【請求項２】
前記第３の工程では、前記ステップの束に沿って成長した梁材料と交差する方向に対して、前記梁材料の一部および当該梁材料の下部の前記固体結晶材料のメサエッチングを行って、直線状の段差を形成し、この後、前記成長した梁材料の下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより除くことを特徴とする請求項１に記載の微細構造素子の作製方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、民生機器用素子、通信用として用いられる微細構造素子の作製方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
微細構造素子は、リソグラフィーによる微細加工技術の応用によって作製される。そして、微細構造素子は、構造要素として微細な梁（はり）を備える。つまり、リソグラフィーによる微細加工技術を応用し、微細構造素子には、微細なカンチレバーやビームなどの梁が作製される。微細構造素子は、作製された梁の弾性的・機械的性質や機能を用いる。この微細構造素子は、一般にマイクロマシンやＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）などと呼ばれ、高感度センサや光スイッチなどの民生機器用および通信用素子として、広く用いられている。
【０００３】
微細構造素子の作製で最も重要な点は、その弾性的・機械的な機能を有する梁の作製過程である。その一例として、半導体であるシリコンを用いて、片持梁、つまりカンチレバーをリソグラフィー技術により作製する過程を、図６に示す。この作製過程では、図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を用いる。ＳＯＩ基板は、単結晶シリコン基板１０１上に、酸化シリコン薄膜１０２と単結晶シリコン薄膜１０３とが形成されたものである。単結晶シリコン基板１０１は、シリコン結晶からなる基板であり、酸化シリコン薄膜１０２は、単結晶シリコン基板１０１の表面近傍に形成された酸化シリコン膜である。また、単結晶シリコン薄膜１０３は、酸化シリコン薄膜１０２を覆う単結晶シリコン薄膜である。このようなＳＯＩ基板は、一般に広く市販されている。
【０００４】
このＳＯＩ基板の面内形状を、図６（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィーの手法を用いてメサ型に加工する。つぎに、フッ酸を用いて、図６（ｃ）に示すように、酸化シリコン薄膜１０２のみを選択的にエッチングする。これによって、単結晶シリコン薄膜１０３と同じ厚さを持つシリコンカンチレバー１０３Ａが作製される。
【０００５】
このようにして形成されたシリコンカンチレバー１０３Ａは、上下方向に撓ませることができる。そして、この撓みを検出することにより、高感度の位置・加速度センサを作製することが可能となる。また、外部から電界等をかけることにより、シリコンカンチレバー１０３Ａの撓みを外部制御することを特徴とする素子も、原子間力顕微鏡の探針などに広く応用されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、前記の作製過程により生成された微細構造素子の応答速度、例えば、カンチレバーを用いた加速度センサの応答速度は、カンチレバーの持つ固有振動数の逆数によって与えられる。一般に、素子サイズが小さなカンチレバーほど、固有振動数が高い。したがって、高速応答を可能とするためには、カンチレバーのサイズを小さくしなければならない。
【０００７】
しかし、カンチレバーのサイズは、現在のリソグラフィー技術の加工精度による限界以下に低減することができない。その典型的な長さは、フォトリソグラフィーの場合には１ミクロン程度であり、電子ビームリソグラフィーの場合には数十ナノメーター程度である。
【０００８】
また、後者の電子ビームリソグラフィーの手法では、露光過程における高エネルギーかつ高強度の電子線照射、ならびに、引き続いて行われるエッチングが引き起こすダメージにより、結晶性が大きく劣化することが知られている。この結晶性の劣化は、梁の機械的な共振特性を著しく低下させるため、梁の機械的共振を用いた電荷センサー等の素子の検出感度に悪影響を与える。同様の問題は、このような極めて微細な梁を構造要素として含む、あらゆる素子に対して生じ、素子の応答速度と共振特性とに対する限界を与える。
【０００９】
この発明は、前記の課題を解決し、リソグラフィー技術の加工精度限界に比べて小さく、かつ、高い結晶性を維持した梁を作製できる、微細構造素子の作製方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、構造要素として微細な梁を有し、その弾性的な変位あるいは機械的な運動を検出もしくは駆動することを、動作機構の少なくとも一部として有する微細構造素子の作製方法において、基板として用いる固体結晶材料の表面に、表面処理を行うことによって単原子ステップあるいは単分子ステップを形成し、その後、前記固体結晶材料を結晶成長させることにより、前記単原子ステップあるいは単分子ステップの束を形成する第１の工程と、前記ステップの束に沿って、梁を構成するための梁材料を、選択的に成長させる第２の工程と、前記梁材料の成長後、その下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより取り除き、前記梁材料からなる梁を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする微細構造素子の作製方法である。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の微細構造素子の作製方法において、前記第３の工程では、前記ステップの束に沿って成長した梁材料と交差する方向に対して、前記梁材料の一部および当該梁材料の下部の前記固体結晶材料のメサエッチングを行って、直線状の段差を形成し、この後、前記成長した梁材料の下部の前記固体結晶材料のみを、選択的エッチングにより除くことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、第１の過程によって、結晶成長により単分子あるいは単原子ステップの束を形成する。そして、第２の過程と第３の過程とによって、そこへの選択的成長ならびに選択的エッチングを用いて、梁を作製する。この結果、従来のリソグラフィーを用いた手法に比較し、極めて微細かつ高品質な梁を有する微細構造素子を作製することが可能である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
つぎに、この発明の実施の形態について、図面を参照して詳しく説明する。この実施の形態では、微細構造素子の梁として、インジウム砒素カンチレバーを作成する場合を例としている。この実施の形態では、（１１１）Ａ方向に５度微傾斜した（１１０）ガリウム砒素基板１を用いる。結晶成長装置に導入されたガリウム砒素基板１を、表面からの砒素脱離を補うに足りる十分な量の砒素分子線を表面に供給した状態で、６００度に加熱する。これによって、ガリウム砒素基板１の表面を覆っていた酸化膜が熱分解して蒸発する。これにより、ガリウム砒素が露出した表面が形成される。さらに、１０分以上の加熱を継続すると、ガリウム砒素基板１の表面の単分子ステップが熱エネルギーにより均等に分布する。
【００１４】
こうして、ガリウム砒素基板１には、図１に示すように、この基板の表面に均等に分布して、単分子ステップ１Ａを形成する。
【００１５】
ガリウム砒素基板１の表面に均等に分布している単分子ステップ１Ａは、第１の条件を用いて、ガリウム砒素を結晶成長することにより次第に集合し、図２に示すように、単分子ステップの束１Ｂを形成する。この第１の条件について以下に述べる。
【００１６】
結晶成長あるいは結晶成長後の表面処理によって、固体表面に単分子ステップの束（あるいは単原子ステップの束）１Ｂを形成し、その表面に異なる材料を同じく結晶成長した場合、条件により、そのステップの束に選択的に結晶成長が進み、細線状の半導体が形成される現象は、いくつかの材料系で報告されている。
【００１７】
例えば、（１１０）という面方位から（１１１）Ａ方向に３〜６度微傾斜させたガリウム砒素基板１の上に、同じくガリウム砒素からなる薄膜をクラッキングしたアルシンをAsのソースとしたガスソースＭＢＥ（分子線エピタキシャル成長）を用いて、比較的遅い成長速度（約２００から４００ナノメートル／時程度）で結晶成長する（第１の条件）。これによって、高さが１０ナノメートル程度の分子ステップの束が形成される。これについては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、３４巻、第１部、８号、１９９５年、４４１１−４４１３頁（Japanese Journal of Applied Physics，Volume 34，Part 1，No.8，1995 pp.4411-4413）に、M. Takeuchiらにより報告されている。
【００１８】
こうして、前記第１の条件によって、ガリウム砒素基板１には単分子ステップの束１Ｂが形成される。以上が第１の過程である。
【００１９】
単分子ステップの束１Ｂが形成された表面に、第２の条件を用いてインジウム砒素を結晶成長すると、ステップの束の上に選択的にインジウム砒素の成長がおこり、図３に示すように、インジウム砒素の細線２が形成される。この第２の条件について、以下で述べる。
【００２０】
前記の第１の条件によって形成された単分子ステップの束（あるいは単原子ステップの束）の上に、５８０度程度といった分子ステップのない平坦なテラス部分に吸着したInAsが蒸発する温度において成長したインジウム砒素は、ステップの束に沿って選択的に成長する（第２の条件）。これについては、ジャパニーズ・ジャーナル・オブ・アプライド・フィジックス誌、３８巻、第１部、８号、１９９９年、４６７３−４６７５頁（Japanese Journal of Applied Physics，Volume 38，Part 1，No.8，1999 pp.4673-4675）に、S.Toriiらによって報告されている。
【００２１】
このような現象がおきる理由は、分子ステップ上では化学的に活性な不対ボンドが高密度に整列しているため、化学結合が形成されやすく、結晶成長が選択的に進むことによる。この現象によって形成された細線は、狭いものでナノメーター程度の幅を持つ。この細線は、電子ビームリソグラフィーによって人工的に作製された細線構造に比べて、はるかに小さなサイズを有す。また、前記の自然現象によって形成された細線では、高純度、高品質の結晶成長の手法を用いているため、前述の電子ビームリソグラフィーによる結晶性低下の問題が生じない。
【００２２】
こうして、単分子ステップの束１Ｂの上にインジウム砒素の細線２が形成される。以上が第２の過程である。
【００２３】
この後、ガリウム砒素基板１の表面にフォトリソグラフィーを用いて、硫酸、水、過酸化水素水を５：２５：１に混合した溶液を用いて、室温にてメサエッチングを行い、図４に示すように、インジウム砒素の細線２と交差する方向に直線状の段差１Ｃを作る。その後、アンモニア、水、過酸化水素水を１：３０：１２０に混合した溶液を用いて、室温においてガリウム砒素のみを選択的に数十秒間エッチングする。これにより、図５に示すように、インジウム砒素カンチレバー２Ａが形成される。以上が第３の過程である。
【００２４】
このように、この実施の形態によれば、微細構造の面内の形状を切り出す際に、リソグラフィーの手法を用いず、ステップの束に沿って成長した細線を選択エッチングによって切り出すことにより、リソグラフィー技術の加工精度限界より小さく、かつ高い結晶性を維持した梁を作製できる。
【００２５】
この結果、長さが３０ナノメーター、幅１０ナノメーター、厚さが６ナノメーターという、電子ビームリソグラフィーでは作製不可能な、極めて微細かつ高品質な半導体カンチレバーであるインジウム砒素カンチレバー２Ａを作製できた。
【００２６】
以上、この発明の実施の形態を詳述してきたが、具体的な構成はこの実施の形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等があっても、この発明に含まれる。
【００２７】
例えば、この実施の形態では、細線の形成後メサエッチングにより直線状の段差を作ったが、基板を劈開により切断し、その断面から選択エッチングを行う場合においても、この発明の本質的な部分を逸脱するものでないことは自明である。
【００２８】
また、この実施の形態では、いわゆる片持梁と呼ばれるカンチレバー構造について説明したが、この発明の本質的な部分を逸脱しない範囲において、両側が基板に固定されている両持梁構造など、他の弾性的に変位しうる、あるいは、機械的に運動しうる、あらゆる微細構造に適用可能であることはいうまでもない。
【００２９】
さらに、この実施の形態では、カンチレバーの材料としてインジウム砒素、基板材料としてガリウム砒素を用いたが、これらを構成する材料として、半導体のみならず、金属、絶縁体、超伝導材料等、単結晶薄膜の成長手法を適用できる、あらゆる種類の固体材料を用いることが可能であることは言うまでもない。
【００３０】
【発明の効果】
以上、説明したように、この発明によれば、結晶成長により単分子あるいは単原子ステップの束を形成し、そこへの選択的成長ならびに選択的エッチングを用いて梁を作製することにより、従来のリソグラフィーを用いた手法に比較し、極めて微細かつ高品質な梁を有する素子を作製することが可能である。これにより、応答速度や検出感度が著しく改善されたマイクロマシン、ＭＥＭＳ素子を作製することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図２】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図３】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図４】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図５】この発明の実施の形態による微細構造素子の作製方法を示す模式図である。
【図６】半導体であるシリコンを用いて片持梁を作製する従来の過程を示す模式図である。
【符号の説明】
１  ガリウム砒素基板
１Ａ  単分子ステップ
１Ｂ  単分子ステップの束
１Ｃ  直線状の段差
２  インジウム砒素の細線
２Ａ  インジウム砒素カンチレバー
【図１】
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【図２】
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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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