(57)【要約】【課題】メカニカルに動作（振動）する可動構造体を、より高い機械的強度で支持された状態とし、振動のＱ値や共振周波数の低下などが抑制できるようにする。【解決手段】基部パターン１０３ｂの基板１０１の露出部との境界線を含む基板１０１の平面に垂直な平面に平行な第１方向より反応性イオン１０４を基板１０１に入射させることで基板１０１をエッチングし、ストライプパターン１０３ａの延在方向に垂直な方向の第１の側より基板１０１に第１空間１１１を形成する。第１方向を、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度とする。例えば、法線と４５°の角度を成して、反応性イオン１０４を基板１０１に入射させる。このことにより、第１空間１１１が、ストライプパターン１０３ａの下部にかけて形成された状態とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の上に所定の方向に延在する所定の幅の第１パターンおよびこの第１パターンが連結して前記第１パターンより幅広の第２パターンが形成された状態とするマスクパターン形成工程と、
前記第１パターンおよび前記第２パターンをマスクとし、前記第２パターンの基板の露出部との境界線を含む前記基板平面に垂直な平面に平行な第１方向よりエッチング粒子を前記基板に入射させることで前記基板をエッチングし、前記第１パターンの延在方向に垂直な第１の側より前記基板に第１空間を形成する第１エッチング工程と、
前記第１パターンおよび前記第２パターンをマスクとし、前記第２パターンの基板の露出部との境界線を含む前記基板平面に垂直な平面に平行かつ前記第１方向とは異なる第２方向よりエッチング粒子を前記基板に入射させることで前記基板をエッチングし、前記第１パターンの第１の側に対向する第２の側より前記第１空間に接続する第２空間を前記基板に形成する第２エッチング工程と
を少なくとも含み、
前記第１方向および前記第２方向の少なくとも１つは、前記第１パターンの中心部に向かう側に前記基板の平面の法線と所定の角度とされ、
前記第１空間および前記第２空間の少なくとも１つは、前記第１パターンの下部にかけて形成されている
ことを特徴とする微小メカニカル素子の作製方法。
【請求項２】
請求項１記載の微小メカニカル素子の作製方法によって作成された微小メカニカル素子であって、
前記第２パターンの下部の前記基板の上に形成された支持部と、
前記支持部に連結して前記第１パターンの下部領域に形成された可動構造体と
を備え、
前記可動構造体は前記第１エッチング工程および前記第２エッチング工程により新たに形成された前記基板の表面と離間して形成されている
ことを特徴とする微小メカニカル素子。
【請求項３】
請求項２記載の微小メカニカル素子において、
前記可動構造体の延在方向に垂直な断面の形状は、少なくとも３つの辺を有する多角形である
ことを特徴とする微小メカニカル素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高感度な各種センサやレゾネータなどに利用される微小メカニカル素子およびその作製方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の微小メカニカル素子は、基板の上に予め設計された形状のレジストパターンを形成するリソグラフィー技術、形成したレジストパターンの形状を基板に転写するドライエッチング技術およびウエットエッチング技術などを用い、設計されたメカニカルな動作をする微小部分を形成することで作製されている。場合によっては、基板の上に薄膜を形成する薄膜形成技術も用いられている。また、形成された微小部分は、電気回路と組み合わせることで、微細な機械やセンサ素子として用いられている（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、近年では、上述したような微小メカニカル素子の動作部分をさらに微細にすることで、センサの感度を大幅に向上させ、また、共振周波数を大幅に向上させたナノ電気機械システムが注目されている（非特許文献２，３参照）。
【０００４】
ここで、メカニカルに動作する微小部分を形成する技術として最も一般に用いられている方法では、溶液を用いたウエットエッチングにより微小部分の直下をエッチングし、微小部分を基板の上に離間した状態に形成している。この具体的な作製方法について説明すると、まず、図２（ａ）に示すように、基板２０１を用意し、次に、図２（ｂ）に示すように、基板２０１の上に薄膜２０２が形成された状態とする。次いで、図２（ｃ）に示すように、薄膜２０２の上に感光性を有するレジスト膜２０３が形成された状態とする。
【０００５】
次に、公知のリソグラフィー技術によりレジスト膜２０３をパターニングし、図２（ｄ）に示すように、薄膜２０２の上に、後述する微小動作部分となるパターン部を備えたレジストパターン２０３ａが形成された状態とする。次いで、図２（ｅ）に示すように、レジストパターン２０３ａをマスクとし、いわゆる真空状態に減圧された処理装置内で、反応性イオン２０４の照射によるドライエッチングで、レジストパターン２０３ａの形状が、薄膜２０２および基板２０１に転写され、薄膜２０２には、取り付け部２０２ａおよびこれに連結する可動構造体である微小振動部分２０２ｂが形成された状態とする。
【０００６】
次に、レジストパターン２０３ａを除去した後、今度は、パターンが転写された薄膜２０２をマスクとした等方的なウエットエッチングにより、選択的に基板２０１をエッチングする。このエッチングでは、薄膜２０２に対して基板２０１を選択的に溶解する溶液をエッチング液として用いる。このウエットエッチング処理により、図２（ｆ）に示すように、幅が狭い微小振動部分２０２ｂの下の部分は除去され、微小振動部分２０２ｂは、基板２０１の上に離間した状態となる。また、取り付け部２０２ａは、基板２０１の支持部２０１ａの上に支持された状態となる。
【０００７】
【非特許文献１】江刺  正喜  監修、「マイクロマシン」、産業技術サービスセンター発行、２００２年。
【非特許文献２】D.Rugar, et al., "Single Spin detection by magnetic resonance force microscopy", Nature, Vol.430, pp.329-332, 2004.
【非特許文献３】Xue Ming Henry Huang, et al., "Nanodevice motion at microwave frequencies", Nature, Vol.421, p.496, 2003.
【非特許文献４】A.N.Cleland and M.L.Roukes, "Fabrication of high frequency nanometer scale mechanical resonators from bulk Si crystals", Appl. Phys. Lett., Vol.69, No.18, pp.2653-2655, 1996.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した作製方法では、溶液を用いた等方的なエッチングにより基板２０１をエッチング除去しているので、微小振動部分２０２ｂの下部に加えて、図２（ｇ）に示すように、取り付け部２０２ａの下部の一部までエッチングされる。なお、図２（ｇ）は、図２（ｆ）の一点鎖線で示す面の断面を模式的に示している。このため、取り付け部２０２ａの機械的強度が不充分となり、微小振動部分２０２ｂを支持する機械的強度が高くなく、メカニカル素子の動作として微小振動部分２０２ｂを例えば振動させると、この動作が不安定になるという問題がある。例えば、微小振動部分２０２ｂを共振させると、振動エネルギーの一部が取り付け部２０２ａの動きによって散逸し、振動のＱ値が低下するという問題が発生する。加えて、取り付け部２０２ａが動くので、微小振動部分２０２ｂの共振周波数が、設計値より低下するという問題がある。
【０００９】
また、ウエットエッチングではなく、等方的なドライエッチングを用いて上述同様に微小振動部分を形成する技術も提案されている（非特許文献４参照）。しかしながら、この方法においても、等方的にエッチングを行うため、上述同様に、取り付け部の下部がエッチングされることになり、上述同様の問題が発生する。
【００１０】
本発明は、以上のような問題点を解消するためになされたものであり、メカニカルに動作（振動）する可動構造体を、より高い機械的強度で支持された状態とし、振動のＱ値や共振周波数の低下などが抑制できるようにすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明に係る微小メカニカル素子の作製方法は、基板の上に所定の方向に延在する所定の幅の第１パターンおよびこの第１パターンが連結して第１パターンより幅広の第２パターンが形成された状態とするマスクパターン形成工程と、第１パターンおよび第２パターンをマスクとし、第２パターンの基板の露出部との境界線を含む基板平面に垂直な平面に平行な第１方向よりエッチング粒子を基板に入射させることで基板をエッチングし、第１パターンの延在方向に垂直な第１の側より基板に第１空間を形成する第１エッチング工程と、第１パターンおよび第２パターンをマスクとし、第２パターンの基板の露出部との境界線を含む基板平面に垂直な平面に平行かつ第１方向とは異なる第２方向よりエッチング粒子を基板に入射させることで基板をエッチングし、第１パターンの第１の側に対向する第２の側より第１空間に接続する第２空間を基板に形成する第２エッチング工程とを少なくとも含み、第１方向および第２方向の少なくとも１つは、第１パターンの中心部に向かう側に基板の平面の法線と所定の角度とされ、第１空間および第２空間の少なくとも１つは、第１パターンの下部にかけて形成されているようにしたものである。従って、第１パターンの下部に、第１エッチング工程および第２エッチング工程により新たに形成された基板の表面と離間している可動構造体が形成されるようになる。
【００１２】
また、本発明に係る微小メカニカル素子は、上述した微小メカニカル素子の作製方法によって作成された微小メカニカル素子であって、第２パターンの下部の基板の上に形成された支持部と、支持部に連結して第１パターンの下部領域に形成された可動構造体とを備え、可動構造体は第１エッチング工程および第２エッチング工程により新たに形成された基板の表面と離間して形成されているものである。可動構造体の延在方向に垂直な断面の形状は、少なくとも３つの辺を有する多角形である。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明によれば、第２パターンの基板の露出部との境界線を含む前記基板平面に垂直な平面に平行な第１方向および第２方向よりエッチング粒子を基板に入射させることで基板をエッチングし、第１パターンの第１の側および第２の側より基板に第１空間および第２の空間を形成し、これら空間を接続させるようにしたので、メカニカルに動作（振動）する可動構造体を、より高い機械的強度で支持された状態とし、振動のＱ値や共振周波数の低下などが抑制できるようになるという優れた効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。図１（ａ）〜図１（ｆ）は、本発明の実施の形態における微小メカニカル素子の作製方法を説明するための工程図である。まず、図１（ａ）の模式的な断面図に示すように、基板１０１を用意する。基板１０１は、例えば単結晶シリコンから構成されたものである。また、酸化シリコンなどの絶縁性基板であってもよい。
【００１５】
次に、図１（ｂ）の模式的な断面図に示すように、基板１０１の上に感光性を有する樹脂から構成されたレジスト膜１０３が形成された状態とする。例えば、よく知られた回転塗布法により、基板１０１の上にレジスト材料を塗布することで、レジスト膜１０３が形成可能である。
【００１６】
次に、レジスト膜１０３に所定のパターンを露光して潜像を形成し、次いで、これを現像することで、図１（ｃ）の斜視図および図１（ｃ’）の模式的な断面図に示すように、基板１０１の上に、所定の幅で所定の方向に延在するストライプ状のストライプパターン（第１パターン）１０３ａおよびこれが連結する基部パターン（第２パターン）１０３ｂが形成された状態とする。なお、図１（ｃ’）は、図１（ｃ）の一点鎖線で示す面の断面を模式的に示している。また、図１（ｄ）および図１（ｅ）も同様である。
【００１７】
ここで、ストライプパターン１０３ａの延在方向に垂直で基板１０１の平面に平行な方向の幅は、基部パターン１０３ｂの幅より狭く形成されている。言い換えると、基部パターン１０３ｂは、ストライプパターン１０３ａよりも幅広に形成されている。なお、本実施の形態では、ストライプパターン１０３ａは、基部パターン１０３ｂの基板１０１の露出部との境界線に対して垂直な方向に延在している。
【００１８】
次に、図１（ｄ）および図１（ｅ）の模式的な断面図に示すように、ストライプパターン１０３ａをマスクとし、反応性イオン（エッチング粒子）１０４を用いた公知のドライエッチング法により、基板１０１をパターニング（加工）する。このドライエッチング法によれば、いわゆる垂直異方性を備えた状態でエッチングが成される。なお、反応性イオンに限らず、例えば、電界をかけることで所定方向に飛行させた中性粒子（ラジカル）など、定まった方向に飛行して基板１０１をエッチング可能なエッチング粒子であればよい。
【００１９】
ここで、まず、図１（ｄ）に示すように、基部パターン１０３ｂの基板１０１の露出部との境界線を含む基板１０１の平面に垂直な平面に平行な第１方向より反応性イオン１０４を基板１０１に入射させることで基板１０１をエッチングし、ストライプパターン１０３ａの延在方向に垂直な方向の第１の側より基板１０１に第１空間１１１を形成する。この実施の形態では、第１方向を、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度とする。例えば、法線と４５°の角度を成して、反応性イオン１０４を基板１０１に入射させる。このことにより、第１空間１１１が、ストライプパターン１０３ａの下部にかけて形成された状態とする。
【００２０】
次いで、図１（ｅ）に示すように、基部パターン１０３ｂの基板１０１の露出部との境界線を含む基板１０１の平面に垂直な平面に平行で、第１方向とは異なる第２方向より反応性イオン１０４を基板１０１に入射させることで基板１０１をエッチングし、ストライプパターン１０３ａの第１の側に対向する第２の側より第１空間１１１に接続する第２空間１１２を基板１０１に形成する。この実施の形態では、第２方向も、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度とする。例えば、法線と４５°の角度を成して、反応性イオン１０４を基板１０１に入射させる。このことにより、第２空間１１２も、ストライプパターン１０３ａの下部にかけて形成された状態となり、第１空間１１１に接続する状態が得られる。
【００２１】
以上の２つのエッチング工程により、図１（ｅ）に示すように、ストライプパターン１０３ａの下部の基板１０１に、空間が形成された状態とする。言い換えると、上記エッチングにより新たに形成された基板１０１の表面上に、この表面とは離間した状態にメカニカルに動作（振動）する可動構造体１０１ａが形成された状態とする。本実施の形態では、可動構造体１０１ａは、この延在方向に垂直な断面の形状が３角形に形成される。
【００２２】
また、いずれのエッチングにおいても、第１方向および第２方向は、基部パターン１０３ｂの基板１０１の露出部との境界線を含む基板１０１の平面に垂直な平面に平行としているので、この境界線より基部パターン１０３ｂ側の基板１０１（基部パターン１０３ｂの下の基板１０１）がエッチングされることがない。また、境界線における基板１０１のエッチング側面（加工側面）は、基板１０１の平面に対して垂直な状態となる。
【００２３】
この後、ストライプパターン１０３ａおよび基部パターン１０３ｂを除去することで、図１（ｆ）の斜視図に示すように、支持部１０１ｂに支持されて基板１０１上に離間する可動構造体１０１ａが形成された状態が得られる。ここで、前述したように、基部パターン１０３ｂの下部はエッチングされることがなく、可動構造体１０１ａが連結されている支持部１０１ｂの側面は、基板１０１の平面に対して垂直に形成される。このため、可動構造体１０１ａが連結している支持部１０１ｂの端部が動くことがなく、高い機械的強度を備えた状態に形成される。この結果、本実施の形態における可動構造体１０１ａは、安定した動作を行うことが可能となる。
【００２４】
また、本実施の形態によれば、マスクとなるパターンに対して選択比が得られる状態で、基板１０１をエッチングすればよいため、材料の選択の自由度が向上ずる。
【００２５】
なお、上述した実施の形態では、第１方向を、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度（例えば４５°）とすることで、第１空間１１１が、ストライプパターン１０３ａの下部にかけて形成された状態としたがこれに限るものではない。
【００２６】
例えば、第１方向は、基板１０１の平面の法線方向とし、ストライプパターン１０３ａの第１の側に、基板１０１の平面に対して垂直に掘られた第１空間が形成されるようにしてもよい。このように形成された第１空間に対し、例えば、第２方向を、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と４５°として第２空間を形成すれば、第２空間を第１空間に接続させることができる。
【００２７】
また、第２方向は基板１０１の平面の法線方向とし、第１方向を、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度（例えば４５°）としてもよい。いずれにしても、第１方向と第２方向とが異なり、少なくとも一方が、ストライプパターン１０３ａの中心部に向かう側に基板１０１の平面の法線と所定の角度とされていればよい。
【００２８】
また、反応性イオン１０４の基板１０１平面に対する斜めの入射角度、およびストライプパターン１０３ａ形成やエッチング処理の回数を変更することにより、可動構造体１０１ａの延在方向に垂直な断面の形状が制御可能である。可動構造体の延在方向に垂直な断面の形状は、３角形，４角形，５角形など、少なくとも３つの辺を有する多角形にするとができる。この断面形状は、可動構造体１０１ａの機械的特性の因子となるが、本実施の形態によれば、この断面形状を制御できるため、可動構造体の機械的特性を細かく制御できることになる。
【００２９】
なお、上述では、片持ち梁構造の可動構造体１０１ａを形成する場合について説明したが、これに限るものではなく、両持ち梁構造など他の構造の微細振動部分も同様に形成できる。また、上述では、マスクとしてレジストパターンを用いるようにしたが、これに限るものではなく、レジストパターンを用いて転写した無機材料からなる薄膜のパターンをマスクとして用いるようにしてもよい。また、公知のリフトオフ法により形成したパターンをマスクとして用いるようにしてもよい。
【００３０】
また、上述では、可動構造体１０１ａを単層の薄膜から形成するようにしたが、これに限るのではなく、例えば、異なる材料が積層された多層膜から、上述同様に可動構造体を形成することも可能である。例えば、スパッタリング法および蒸着法などにより、種々の材料の薄膜を積層し、各薄膜材料に適した１種または複数種の反応性イオン１０４（反応性イオン）により、垂直異方性を有する状態で上述同様の２方向からの斜めエッチングを行うことで、多層膜から構成された可動構造体を形成することができる。
【００３１】
なお、以上に例示した本発明における実施の形態は、本発明により考え得る形態の一部であり、例えば、ドライエッチングの方法、リソグラフィーの方法、目的とする微小メカニカル素子の機能・構造によって、本発明は多数の実施形態をとり得るものである。具体的な組み合わせは、用いるマスクやドライエッチングの方法、目的とする微小メカニカル素子の機能／構造に応じ、適宜最適なものを選択すればよく、適切な組み合わせにより前述同様の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の実施の形態における微小メカニカル素子の作製方法を説明するための工程図である。
【図２】従来の微小メカニカル素子の作製方法を説明するための工程図である。
【符号の説明】
【００３３】
１０１…基板、１０１ａ…可動構造体、１０１ｂ…支持部、１０３…レジスト膜、１０３ａ…ストライプパターン（第１パターン），１０３ｂ…基部パターン（第２パターン）、１０４…反応性イオン（エッチング粒子）、１１１…第１空間、１１２…第２空間。
【図１】
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【図２】
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