(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
保持部４、片持ちばり１８およびセンサーチップ２１より成り、そのすべてが単結晶シリコンの基板から作られたモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、センサーチップ２１は片持ちばり１８の表面から突出しており、また三面で境界を定められ、以下のステップ、すなわち
Ａ．単結晶（１００）−シリコンウェーハ１の酸化、
Ｂ．ウェーハ１の下部からの前記単結晶シリコンの薄層化によるいずれも単結晶シリコンより成る保持部４および片持ちばり１８の事前パターン形成、
Ｃ．ウェーハ１の下部からの片持ちばり１８の自由端部、および片持ちばり１８と同じ単結晶シリコンより成るセンサーチップ２１の２側面部１４，１５のパターン形成、
Ｄ．ウェーハ１の上部からの単結晶シリコンの薄層化による片持ちばり１８およびセンサーチップ２１の製造、
のステップより成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項２】
請求項１記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＢが
下部の酸化ケイ素層３での保持部４のフォトリトグラフィー（写真平板）による製造、
保持部４と、後で片持ちばり１８になるシリコン膜６を製造するためのウェーハ１下部の湿式化学エッチング、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項３】
請求項２記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＣが
事前パターン形成されたシリコンウェーハ１の酸化と、ウェーハ１上部への窒化ケイ素層８の塗装、
片持ちばり１８の自由端部の境界面１４，１５をパターン形成するためのマスクの製造、
シリコンマクロエッチングによる片持ちばり１８のセンサーチップ２１の生産、およびその深さが少なくともセンサーチップ２１の望ましい高さプラス形成される片持ちばり１８の厚みと一致する凹部１３の製作、
凹部１３でまた片持ちばり１８の境界面１４，１５に関して横方向に基板材料を薄層化することによる片持ちばり１８の製造、および
窒化ケイ素層８と酸化ケイ素層との除去、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項４】
請求項３記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここで片持ちばり１８の自由端部での境界面のパターン形成のためのマスクの製作が、
ウェーハ１下部でのフォトレジストの塗装とパターン形成、
フォトマスクの移転と塗装されない酸化ケイ素層の除去、および
続くフォトレジストの除去、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項５】
請求項４記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここで片持ちばり１８のパターン形成によるマスクの生産が、
事前パターン形成されたウェーハ１下部へのフォトレジストの塗装およびパターン形成、
フォトマスクの酸化ケイ素層への移転、および
続くフォトレジストの除去、
酸化ケイ素層の部分的薄層化と、酸化ケイ素層での段部１０の形成
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項６】
請求項３記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、
シリコンウェーハ１の酸化、
凹部１３の基礎面１７に形成される酸化ケイ素層の除去、およびシリコンに関して選択的に働く標的酸化物乾式エッチング法によるウェーハ１下部への片持ちばりマスクの移転、
製造される片持ちばり１８の厚みを越えるエッチング深さでのウェーハ１下部の湿式化学エッチング、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれか１項記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＤが、
ウェーハ１上部の選択的乾式エッチング、および酸化ケイ素層２の除去、
ウェーハ１上部でのシリコンウェーハ１の湿式化学エッチング、および
片持ちばり１８の望ましい厚みに到達する場合の操業停止、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、保持部、片持ちばりおよびセンサーチップを持つＳＰＭセンサーを製造する方法に関し、このセンサーチップが片持ちばりの面から突出し、また片持ちばりの自由端部で三面により境界を定められるＳＰＭセンサーを製造する方法に関する。
【０００２】
走査プローブ顕微鏡（ＳＰＭｓ）は一般に公知であり、原子分解能を持つ精緻なセンサーを使用して、標本の表面を実際に走査するために使用される。ＳＰＭｓはＳＴＭｓ（走査トンネル顕微鏡）およびＡＦＭｓ（原子間力顕微鏡）として、一般に公知であるものを含む。
【０００３】
【従来の技術】
これらすべての公知の顕微鏡は、以下で片持ちばりとして引用される微小規模のベンディングバーを持つセンサーを使用し、この片持ちばりは一端に保持部と、他の端部にセンサーチップを持ち、それらにより標本は走査される。片持ちばりの自由端部に配設されるこのセンサーチップは、それが自由端部を越えて突出し、または越えて突出しないように形成される。使用される特定のセンサーは、対応する顕微鏡での装置に依存する。顕微鏡のチップが塗装されており、そのアラインメントを行うことが難しいという状況が存在する。
【０００４】
前記の型のＳＰＭセンサーは、例えばアメリカ合衆国特許番号第５，８１１，０１７号から公知である。この場合では、出発原料は絶縁体によりシリコン（絶縁体上シリコン（ＳＯＩ））より成る複合材料であり、ここでは少なくとも３個のリトグラフィーステップが、シリコンから製作される保持部、矩形片持ちばりおよびセンサーチップを持つＳＰＭセンサーを製造するために必要とされる。出発原料としてのＳＯＩ物質の使用は、単結晶シリコンを使用する場合よりも著しくコストが高い。この方法では、センサーチップの境界を定める３個の面の２個の面のために費用のかかる単一ウェーハ乾式エッチングプロセスが必要とされる。
【０００５】
アメリカ合衆国特許番号第５，０２１，３６４号は、同様にＳＰＭセンサーを開示しており、ここではシリコンセンサーチップは、例えば窒化物片持ちばり上に配置される。片持ちばり材料は蒸着されるため、従ってバラ物資材ではない。この場合もまた、費用のかかる単一ウェーハ乾式エッチングプロセスが、シリコン膜を通じてエッチングするために使用され、また片持ちばりあるいはセンサーチップの境界を定める三面の内の二面を製作するために使用される。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この従来の技術を基礎に研究を進めて、本発明は、ＳＰＭセンサーが単一バッチランで有利に生産できるＳＰＭセンサーを、更に可能な方法で生産することを提案するのが本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に従って、この目的は請求項１記載の特徴を持つ方法により達成され、前記課題を解決することができる。
【０００８】
（１）保持部４、片持ちばり１８およびセンサーチップ２１より成り、そのすべてが単結晶シリコンの基板から作られたモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、センサーチップ２１は片持ちばり１８の表面から突出しており、また三面で境界を定められ、以下のステップ、すなわち
Ａ．単結晶（１００）−シリコンウェーハ１の酸化、
Ｂ．ウェーハ１の下部からの前記単結晶シリコンの薄層化によるいずれも単結晶シリコンより成る保持部４および片持ちばり１８の事前パターン形成、
Ｃ．ウェーハ１の下部からの片持ちばり１８の自由端部、および片持ちばり１８と同じ単結晶シリコンより成るセンサーチップ２１の２側面部１４，１５のパターン形成、
Ｄ．ウェーハ１の上部からの単結晶シリコンの薄層化による片持ちばり１８およびセンサーチップ２１の製造、
のステップより成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【０００９】
（２）前記（１）記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＢが
下部の酸化ケイ素層３での保持部４のフォトリトグラフィー（写真平板）による製造、
保持部４と、後で片持ちばり１８になるシリコン膜６を製造するためのウェーハ１下部の湿式化学エッチング、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１０】
（３）前記（２）記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＣが
事前パターン形成されたシリコンウェーハ１の酸化と、ウェーハ１上部への窒化ケイ素層８の塗装、
片持ちばり１８の自由端部の境界面１４，１５をパターン形成するためのマスクの製造、
シリコンマクロエッチングによる片持ちばり１８のセンサーチップ２１の生産、およびその深さが少なくともセンサーチップ２１の望ましい高さプラス形成される片持ちばり１８の厚みと一致する凹部１３の製作、
凹部１３でまた片持ちばり１８の境界面１４，１５に関して横方向に基板材料を薄層化することによる片持ちばり１８の製造、および
窒化ケイ素層８と酸化ケイ素層との除去、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１１】
（４）前記（３）記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここで片持ちばり１８の自由端部での境界面のパターン形成のためのマスクの製作が、
ウェーハ１下部でのフォトレジストの塗装とパターン形成、
フォトマスクの移転と塗装されない酸化ケイ素層の除去、および
続くフォトレジストの除去、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１２】
（５）前記（４）記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここで片持ちばり１８のパターン形成によるマスクの生産が、
事前パターン形成されたウェーハ１下部へのフォトレジストの塗装およびパターン形成、
フォトマスクの酸化ケイ素層への移転、および
続くフォトレジストの除去、
酸化ケイ素層の部分的薄層化と、酸化ケイ素層での段部１０の形成
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１３】
（６）前記（３）記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、
シリコンウェーハ１の酸化、
凹部１３の基礎面１７に形成される酸化ケイ素層の除去、およびシリコンに関して選択的に働く標的酸化物乾式エッチング法によるウェーハ１下部への片持ちばりマスクの移転、
製造される片持ちばり１８の厚みを越えるエッチング深さでのウェーハ１下部の湿式化学エッチング、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１４】
（７）前記（１）乃至（６）のいずれか１項記載のモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法であって、ここでステップＤが、
ウェーハ１上部の選択的乾式エッチング、および酸化ケイ素層２の除去、
ウェーハ１上部でのシリコンウェーハ１の湿式化学エッチング、および
片持ちばり１８の望ましい厚みに到達する場合の操業停止、
より成ることを特徴とするモノリシック単結晶シリコンＳＰＭセンサー２２を製造する方法。
【００１５】
【発明の実施の形態】
本発明の方法の特別な特徴は、単結晶（１００）−シリコンウェーハから出発して行われるという事実に存在し、従って、全生産プロセスは単一バッチランで行うことができる。
【００１６】
更に従来の技術との比較を行うと、本発明では、ごく僅かの乾式プロセスと、よりコストのかからない湿式化学エッチングプロセスとが行われる。とりわけ従来の技術によるものと比べて、矩形片持ちばりは湿式化学エッチングプロセスにより製造され、乾式でパターン形成されないという特徴がある。パターン形成、すなわちマスクの塗装と形状化（リトグラフィーステップ）は、ウェーハの単一面、すなわちセンサーチップの反対側であるウェーハ下部からのみで生じる。ウェーハの上面は、センサーチップが形成される面を意味するものと理解される。従って反対側はウェーハの下部である。この前後関係において、薄層化ステップは、形状化ステップを意味するものとは理解されない。ウェーハ上部の形状化は、全表面にわたり行われる薄層化ステップに限定され、これは片持ちばりの厚みを設定するのに使用され、その間にセンサーチップが形成される。
【００１７】
本発明は、以下で添付の図面に関連してより詳細に説明される。図１乃至図１０は、本製造法の個別ステップを示すものである。
【００１８】
図１は約３００乃至５００μｍの厚みを持つ（１００）−シリコンウェーハ１を示し、その上部は酸化ケイ素層２で塗装され、またその下部は、例えば熱酸化により酸化ケイ素層３で塗装され、これらの層の厚さは数１００ｎｍである。
【００１９】
次に保持部４の生産のためのマスクは、フォトリトグラフィーで製作される。このために、フォトレジストがウェーハ１下部に塗装され、パターン形成される。次いでウェーハ１下部の酸化ケイ素層３は、塗装されない位置で除去され、領域５のみがウェーハ１下部の場所に残る。ウェーハ１上部は、既にそれまでに保護レジストで塗装されていた。すべてのフォトレジストは、フォトマスクが酸化ケイ素に移転された後に除去されている。これらは一般に標準の従来技術による方法である。実施例により、この場合フォトレジストは、スピニングプロセスで塗装され、標準溶媒で除去される。酸化ケイ素層は緩衝フッ化水素酸（ＨＦ）で除去される。この結果は図２で示される。
【００２０】
次いで次のステップでは、図３で示されるように、例えば水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などによる湿式化学エッチングプロセスが、ウェーハ１から基板材料を薄層化し、これによって保持部４を生産するために使用される。このプロセスで形成されるシリコン膜６の厚さは、それが少なくとも形成されるセンサーチップ２１の高さと、同じく形成されるＳＰＭセンサー片持ちばり１８の望ましい最終厚みの合計と一致するように選択される。
【００２１】
次いでウェーハ１の両側面が酸化され、窒化ケイ素層がＰＥＣＶＤプロセス（プラズマ増強化学蒸着法）でウェーハ１上部に塗装される。図４では、下部の酸化ケイ素層が符号７で指示され、上部の窒化ケイ素層が符号８で指示される。
【００２２】
次にマスクが、形成される片持ちばり１８の自由端部の境界面を産出する目的で製作され、これらの面は同時に産出されるセンサーチップ２１の二面を同時に定めるものとなる。この目的のために、フォトレジストが事前パターン形成されたウェーハ１下部に塗装され、パターン形成される。実施例においては、フォトレジストはスプレーコーティングプロセスで塗装され、投影リトグラフィーによりパターン形成される。しかし原則的には、他の既知の方法も利用可能である。フォトマスクは酸化ケイ素層７に移転され、これにより部分的除去が領域９で行われる。ウェーハ上部にある窒化ケイ素層８は、このプロセスで僅かに薄層化される。次いでフォトレジストが除去される。その結果、下部での酸化ケイ素層で段部１０が形成される。この関係で、図５ａは、各種の厚み領域を持つ酸化ケイ素層７のウェーハ１下部の斜視図を示しており、その結果図５での段部１０が形成される。領域５と１１は、残存領域により厚みを持つ。領域９は塗装されないケイ素部分である。
【００２３】
次のプロセスステップは、公知のＡＳＥ（先端シリコンエッチング）プロセスを望ましくは使用するシリコンマクロエッチングであり、シリコンウェーハ１の背面部に垂直側壁を産出し、そのため凹部１３が図５で示されるように領域９のシリコン膜６で形成される。使用されるエッチングマスクは、形成される片持ちばり１８の自由端部の境界面１４と１５（図５ａ）の算出のための前記酸化ケイ素マスクである。凹部１３の深さは、形成されるセンサーチップの望ましい高さと、形成されるＳＰＭセンサー片持ちばり１８の厚みとの合計に一致する。シリコン膜６の厚みは、シリコン膜６が図６で示されるように、このプロセスで必ずしも全体を完全にエッチングしないように選択される。
【００２４】
次いで、シリコンウェーハ１は、ウェーハ１下部で酸化され、このプロセスの間凹部１３の側壁１６と基礎面１７は酸化ケイ素２０で塗装される（図７）。
【００２５】
次にウェーハ１下部は、標的乾式エッチングプロセスを受け、これはケイ素に関連して選択的に処置し、また凹部１３と領域１２の基礎面１７にある酸化ケイ素層（図５ａ参照）は除去される。このプロセスで、片持ちばりマスクは、ウェーハ１の下部に移転される。これに続き湿式化学エッチングステップが、例えばＫＯＨなどにより行われ、ここで片持ちばり１８は丁度移転されたマスクをベースにして事前パターン形成される。事前パターン形成された片持ちばり１８のエッチング深み、従って厚みは、産出されるＳＰＭセンサー２２の最終片持ちばり１８の厚みよりも大きくなる（例えば２０％）ように選択される。この処置の結果は、図７ａと図７ｂで図示されており、図７ａは片持ちばり１８を持つシリコン基板の下部を示し、この片持ちばり１８は基板材料の表面１９から立上り、垂直面１４と１５を有している。図７ｂは断面図を示している。面１４と１５は、酸化ケイ素層で塗装される。酸化シリコン層１１も片持ちばり１８で見られる。
【００２６】
次いですべての酸化層と窒化層２，２０および８は、フッ化水素酸で除去される。次に、ウェーハ１下部を酸化ケイ素層２０ａで完全に塗装するために、更なる酸化ステップが行われる。次いでウェーハ１の上部の酸化ケイ素層２が、シリコンに関連して選択されるように選ばれる乾式エッチングステップで除去される。この処置の結果は、図８で見ることができる。
【００２７】
最後に、ウェーハ１は湿式化学エッチングステップを受ける。このプロセスでは、シリコン膜６がウェーハ１の上部から薄層化される。このプロセスは、事前パターン形成片持ちばり１８が望ましい厚みまで薄層化された時に停止される。センサーチップ２１は、片持ちばり１８の酸化ケイ素で塗装されていない開放部で形成され、このチップ２１は１４および１５面ならびに（１１１）−結晶面により境界が定められている。チップ２１の高さは、凹部１３に一致し（図９）、典型的には５−２５μｍである。片持ちばり１８の厚みは、典型的には０．５−１０μｍである。
【００２８】
最終的には、残存酸化ケイ素層は、湿式化学法で除去され、そのため図１０で図示されるように、保持部４、片持ちばり１８とセンサーチップ２１を持つＳＰＭセンサー２２が形成される。形成されるセンサーチップ２１は更なる低温、例えば１０００℃以下で行われる低温酸化、また成長する酸化層の除去により先端部を尖らせることができる。
【００２９】
前記の方法と関連して、望ましいとされる材料は、対応するような作用を持ち、また当業者が熟知する別の材料のものと取り替えて使用することは十分に可能である。
【００３０】
【発明の効果】
本発明に基づき、保持部４、片持ちばり１８およびセンサーチップ２１を備えるＳＰＭセンサー２２を製造することができる。その方法は、主として費用のかからない湿式化学エッチングステップによるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】  酸化シリコン層２、３で塗装されるシリコンウェーハ１を示す図
【図２】  ウェーハ１下部の酸化ケイ素層３が一部を除き除去されたことを示す図
【図３】  湿式化学エッチングがウェーハ１に行われ、薄層化により保持部４が形成されたことを示す図
【図４】  再度酸化ケイ素層７および新たに窒化系ケイ素層８でそれぞれウェーハ１下部と上部に塗装されたことを示す図
【図５ａ】  段部１０が形成され、また領域９が形成されたことを示す図
【図５ｂ】  図５ａの斜視図
【図６】  凹部１３が形成されたことを示す図
【図７ａ】  凹部１３の側壁１６と基礎面１７が酸化ケイ素層２０で塗装されたことを示す図
【図７ｂ】  図７ａの斜視図
【図７ｃ】  図７ａの断面図
【図８】  すべての酸化ケイ素層と窒化ケイ素層を除去した後、更なる酸化でシリコン膜６を形成したことを示す図
【図９】  片持ちばり１８形成のためにシリコンウェーハ１を薄層化した図
【図１０】  保持部４、片持ちばり１８、センサーチップ２１を備えたＳＰＭセンサー２２を示す図
【符号の説明】
１  シリコンウェーハ
２  酸化ケイ素層
３  酸化ケイ素層
４  保持部
５  領域
６  シリコン膜
７  酸化ケイ素層
８  窒化ケイ素層
９  領域
１０  段部
１１  領域
１２  領域、残存領域
１３  凹部
１４  側面部、境界面、垂直面
１５  側面部、境界面、垂直面
１６  側壁
１７  基礎面
１８  片持ちばり
１９  面部
２０  酸化ケイ素層
２１  センサーチップ
２２  ＳＰＭセンサー
２３  結晶面
【図１】
0003813592.tif 000002
【図２】
0003813592.tif 000003
【図３】
0003813592.tif 000004
【図４】
0003813592.tif 000005
【図５ａ】
0003813592.tif 000006
【図５ｂ】
0003813592.tif 000007
【図６】
0003813592.tif 000008
【図７ａ】
0003813592.tif 000009
【図７ｂ】
0003813592.tif 000010
【図７ｃ】
0003813592.tif 000011
【図８】
0003813592.tif 000012
【図９】
0003813592.tif 000013
【図１０】
0003813592.tif 000014