(57)【要約】【課題】ケイ素の結晶異方性エッチングにより先端を鋭利に加工した電気生理学の研究に用いられる電極つき探針を提供する。【解決手段】結晶面（１  ０  ０）の単結晶ケイ素基板に対してケイ素結晶異方性エッチングを行い、結晶面｛２  ２  １｝を表出させた形状を持つ電極付き探針を作製する。同形状を持つ電極付き探針は、先端が鋭利であるため試料に突き刺したときの力学的抵抗が小さくなり、また、厚みのある基板の加工が容易となるために、壊れにくい電極付き探針を作製することが容易になる。また、プラズマエッチング装置などの高価な設備を使用せずに作製できるため、安価に、また、高スループットに作製することが可能である。【選択図】  図５
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【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を主成分とする単結晶基板から作製される電極付き探針であって、探針に備えられた針の外周の少なくとも一部分にケイ素結晶の結晶面｛２  ２  １｝を表出させた外壁面を有する電極つき探針。
【請求項２】
請求項１に記載の電極付き探針であって、探針の外壁面を薄膜で被覆した電極付き探針。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の電極付き探針であって、針１本に対して１個乃至１５個の電極を有する電極付き探針。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電極付き探針であって、１探針に対して複数の針を有する電極付き探針。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、電気生理学研究などに用いられる、電極付き探針に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（微小電気機械システム）技術を用いて電極付き探針を作製することは既に公知の技術として行われてきた（江刺正喜「医用電子と生体工学」１９８３年第２１巻第７号５７頁）。探針の針の先端を鋭利な形状に加工するためには、鋭利な形状をもつマスクパタンに従ってエッチングを行うことが行われている。
【０００３】
マスクパタンに従って鋭利な形状を得ようとする場合には、エッチング手法が限られる。たとえば、ドライエッチング装置は高価であり、安価な作製に向かず、また、真空を利用するためスループットも非真空プロセスには及ばない。ウェットエッチングであれば安価な作製が可能であるが、結晶異方性エッチングの場合には、エッチングの遅い結晶面がエッチングされずに表出してくるために、マスクのパタンどおりの鋭利な形状は得られない。
【０００４】
ケイ素を主成分とする基板から作製される電極付き探針は折れやすいという欠点を持っており、機械的な強度を保つために相当の厚みの基板から作製する必要がある。これをエッチング加工によって針に加工するには、ケイ素を主成分とする基板の厚み程度の深溝加工を必要とする。深溝加工においてはサイドエッチングによってマスク下部の基板が大きく除去される。等方性エッチング（図１）のサイドエッチングはエッチング量を制御するのが困難であるために、大きなサイドエッチングが生じてしまう針を作製すると、形状精度が悪くなるという問題がある。すなわち、マスクの境界部分から均一な速度でサイドエッチング面がマスクの下に潜り込むことはなく、再現性のない不均一な速度で潜り込んでしまうために、直線である境界を持つマスクであってもできあがる針の外形が不均一に波打つ形状になってしまう。
【０００５】
【非特許文献１】江刺正喜「医用電子と生体工学」１９８３年第２１巻第７号５７頁
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００６】
生体または試料に突き刺す時の力学的抵抗が小さい鋭利な先端形状をもった、結晶異方性エッチングにより作製できる安価で壊れにくい、電極付き探針を作製する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
考案者は、特殊なマスクパタンを使用することで、結晶異方性エッチングによって探針の針の先端に鋭利な形状を作製し、前述の課題を解決しうる電極付き探針を作製した。
【０００８】
面及び方位を表すのに、本考案では、ミラー指数を用いる。すなわち、（ｈ  ｋ  ｌ）はミラー指数により示される特定の結晶面を、［Ｈ  Ｋ  Ｌ］はミラー指数により示される特定の結晶方位を表現するものとする。また、｛ｈ  ｋ  ｌ｝は結晶面（ｈ  ｋ  ｌ）と等価な面の集合を指すものとする。ケイ素の結晶は立方晶であるため、結晶面｛２  ２  １｝は、結晶面（２  ２  １）と等価な２４個の結晶面の集合と等価である。すなわち、ｈ＝２又は−２、ｋ＝２又は−２、ｌ＝１又は−１であるときに得られるｈ・ｋ・ｌの組み合わせ８通り全てについて存在する、結晶面（ｈ  ｋ  ｌ）、（ｋ  ｌ  ｈ）、（ｌ  ｈ  ｋ）全ての集合となる。
【０００９】
コの字形状のマスク（２１）は、結晶面（１  ０  ０）単結晶ケイ素基板のオリエンテーションフラットに対して４５度傾斜して配置される。すなわち、コの字形状の各辺が結晶方位［０  １  ０］および［０  ０  １］と平行になる。マスクの材料は、エッチング液に侵されないあるいは、ケイ素と比較して侵されにくい材質であればよい。マスクで覆われていない部分をアルカリ水溶液によって結晶異方性エッチングを行う。
【００１０】
エッチングを行うと、深さ方向へのエッチングの進行と同時に、針の側壁にあたる外壁面が深さ方向へのエッチング速度と等速で後退する。この外壁面は結晶面（０  １  ０）（２４）となる。針の先端も後退し、その結果、形状２２を得る。２５は結晶面（２  ２  １）を有する外壁面、２６は結晶面（２  １  ２）を有する外壁面であり、平坦ではない。すなわち図中２５（または２６）で示される外壁面は、主に結晶面（２  ２  １）（または結晶面（２  １  ２））が表出した外壁面となるが、他の結晶面も表出した外壁面となる。
【００１１】
図２では隠れていて見ることのできない紙面裏側に相当する外壁面については、線対称のマスクを使用しているために線対称の構造となる。すなわち、紙面裏側には、結晶面（２  −２  １）を有する外壁面と結晶面（２  −１  ２）を有する外壁面が存在している。
【００１２】
図中２５（または２６）で示される外壁面に占める結晶面（２  ２  １）（または結晶面（２  １  ２））の面積の割合は、エッチング液の種類やエッチング反応種の濃度、温度や撹拌条件、エッチングに使用した回数などの条件によって変化する。
【００１３】
コの字形状の２隅から直角二等辺三角形を切り取った形状のマスク（３１）は、結晶面（１  ０  ０）単結晶ケイ素基板のオリエンテーションフラットに対して４５度傾斜して配置される。すなわち、コの字形状の各辺が結晶方位［０  １  ０］および［０  ０  １］と平行になり、直角二等辺三角形を切り取った境界線は結晶方位［０  １  １］および［０  −１  １］と平行になる。マスクの材料は、エッチング液に侵されないあるいは、ケイ素と比較して侵されにくい材質であればよい。マスクで覆われていない部分をアルカリ水溶液によって結晶異方性エッチングを行う。
【００１４】
エッチングを行うと、深さ方向へのエッチングの進行と同時に、針の側壁にあたる外壁面が深さ方向へのエッチング速度と等速で後退する。この外壁面は結晶面（０  １  ０）（３４）となる。針の先端も後退するが、コの字形状の２隅から直角二等辺三角形を切り取った形状のマスクを使用しているために、図中２２に示す形状に比較して先端はより鋭利となる。得られる形状は、３２に示される。３５は結晶面（２  ２  １）を有する外壁面であり、平坦ではない。すなわち、図中３５で示される外壁面は、主に結晶面（２  ２  １）が表出した外壁面となるが、他の結晶面も表出した外壁面となる。
【００１５】
図３では隠れていて見ることのできない紙面裏側に相当する外壁面については、線対称のマスクを使用しているために線対称の構造となる。すなわち、紙面裏側には、結晶面（２  −２  １）を有する外壁面が存在している。
【００１６】
エッチングに用いるアルカリ水溶液は、例えば水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液やエチレンジアミンピロカテコール水溶液があげられる。
【考案の効果】
【００１７】
本考案の電極付き探針は、先端が鋭利であるために突き刺し時の抵抗を軽減することが可能である。さらに、相当の厚みのある基板から作製する本考案の電極付き探針は、差し込み時に折れにくい強度を有する。また、ドライエッチング装置などの高価な装置を使用しないため、安価に電極付き探針を作製することが可能である。
【実施例１】
【００１８】
結晶面（１  ０  ０）の単結晶ケイ素基板（４０１）を使用して、電極付き探針を作製する工程を以下に示す。本工程は実施の１例であり、本考案の請求の範囲は、本実施形態に限定されるものではない。作製過程は図４に示す。
【００１９】
結晶面（１  ０  ０）の単結晶ケイ素基板を使用する（４１）。ケイ素基板に保護被膜を作製する（４２）。図２のマスクを使用し、裏面から結晶異方性エッチングを行い、鋭利な針の形状を作製する（４３）。表面に導電性薄膜を作製し、フォトリソグラフィーとエッチングにより導電性薄膜を配線形状に加工する（４４）。絶縁性樹脂により先端部の電極とボンディングパッドのみを露出させるように配線を被覆する（４５）。針の形状に合わせて表面の保護被膜を除去する（４６）。ケイ素のエッチングを行い、針の形状を完成させる（４７）。ダイシングを行い探針を切り出す。完成した電極付き探針図５に示す。
【００２０】
作製に使用する単結晶ケイ素基板は、結晶面（１  ０  ０）の一般的なケイ素基板でよい。不純物拡散がなされている物であってもよく、不純物の元素及び濃度は問わない。厚みは作製する電極付き探針の厚みに応じて選択する。考案者はリンを拡散したｎ型基板を使用した。
【００２１】
図４工程４１においては、保護被膜（４０２）は、たとえば、ケイ素窒化膜やケイ素酸化膜、ケイ素酸窒化膜、スピンオンガラス、その他のケイ素をエッチングする溶液に侵されないまたはケイ素に比べて侵されにくい材料で構成されていて配線に対して絶縁物と見なせる程度の電気抵抗を有する膜であれば良い。また、ケイ素基板に不純物を高濃度に拡散したものを配線としてその上をケイ素酸化膜を始めとする絶縁膜で被覆することも可能である。
【００２２】
図４工程４３においては、考案者は、図２のマスクについて、長軸方向に３００マイクロメートル、短軸方向に２００マイクロメートルのコの字形状のものを使用し、ケイ素上の保護被膜を除去した。次いで、アルカリ水溶液によって、ケイ素の異方性エッチングを行い、５０マイクロメートルの深さに掘り下げた。これにより、針の幅は１００マイクロメートルとなった。
【００２３】
エッチングを行う装置は、マグネチックスターラーを用いてエッチング液を撹拌する機構、エッチング液が蒸発して減少するのを防ぐための蒸気の還流機構、ケイ素をエッチングする際に生じる気泡が除去されやすいようにするために基板を縦に固定する機構を有している。エッチング液は、数十回使用することができるが、エッチング面に異常な凹凸が生じる場合には、液の劣化が進んでいるために液を交換するのが望ましい。
【００２４】
エッチング液の温度は高温である方がより速くエッチングすることが可能であり、摂氏１００度以下の任意の温度にエッチング液を加熱して、適切なエッチング速度を与える温度においてエッチングを行うことができる。
【００２５】
異方性エッチングを行った後、保護膜をいったん全て除去し、改めて前面に保護膜を作製することも可能である。この工程により、ケイ素基板がむき出しとなることを防ぎ、ケイ素基板の電位を安定化させる効果、差し込み時の摩擦を軽減する効果を得ることができる。
【００２６】
図４工程４４においては、配線を形成する材料（４０３）は、金、白金、イリジウム、チタンやタングステンを始めとする金属および合金、導電性樹脂、不純物を高濃度に拡散した半導体であってもよい。また、配線の作製方法は、エッチングに限らず、リフトオフによっても良い。
【００２７】
図４工程４５においては、配線を被覆する材料（４０４）は樹脂に限らず絶縁性の材料であれば良く、シリカ膜を始めとする無機膜であっても良い。また、配線面のみではなく針の側壁や裏面を同時に被覆することも可能である。この様な被覆によってケイ素基板を絶縁することが可能となり、ノイズ低減を実現できる。
【００２８】
電極付き探針に配置する電極は、単一であっても、複数であってもよい。電極を複数配置する場合、電極に至る配線同士が短絡しないために距離を置いて配置する必要があり、４マクロメートル以上の幅の配線と２マイクロメートル以上の幅の配線間隔を確保することが望ましい。１００マイクロメートルの幅の針を作製すると、同一平面内に１５本の配線を平行に配置することが可能となる。そのため、探針の針に配置することができる電極の数も１５カ所作製することができる。
【００２９】
電極付き探針は、複数の針を櫛歯のように有する構造にすることも可能である（図６）。すなわち、図５の構造を並列して複数配置することにより、櫛歯のように複数の針を有する電極付き探針を作製することが可能である。これにより、測定箇所数を増加させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の等方性エッチングで作製した形状とマスク
【図２】異方性エッチングで作製した針の形状とマスクの１例
【図３】異方性エッチングで作製した針の形状とマスクの１例
【図４】電極付き探針の作製方法
【図５】電極付き探針
【図６】複数の針を有する電極付き探針
【符号の説明】
【００３１】
１１  エッチングマスク
１２  エッチングで作製した形状
１３  不均一な境界
２１  エッチングマスク
２２  エッチングで作製した形状
２３  結晶面（１  １  １）及び結晶面（１  −１  １）
２４  結晶面（０  １  ０）
２５  主に結晶面（２  １  ２）が表出した外壁面
２６  主に結晶面（２  ２  １）が表出した外壁面
３１  エッチングマスク
３２  エッチングで作製した形状
３３  結晶面（１  １  １）及び結晶面（１  −１  １）
３４  結晶面（０  １  ０）
３５  主に結晶面（２  １  ２）が表出した外壁面
４１〜４７  電極付き探針の作製過程の断面図
４０１  ケイ素基板
４０２  保護皮膜
４０３  金属配線
４０４  絶縁樹脂
【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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