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JP3785463B2 - Microstructure fabrication method - Google Patents
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Description

本発明は、単結晶シリコンをパターンニングするに際して、従来行っていた複雑なマスキング作業を必要とせず、かつ、所定形状の微細機械加工を施す際の加工条件により、形成される微細パターンの高さを調節するようにした微細構造作製方法に関する。   The present invention does not require a complicated masking operation that has been conventionally performed when patterning single crystal silicon, and the height of the fine pattern to be formed depends on the processing conditions when performing micromachining of a predetermined shape. The present invention relates to a method for manufacturing a fine structure in which the control is adjusted.

従来より半導体製造に際しては、薄く切断した単結晶シリコンウエハの表面に光に感光するフォトレジストを塗布した後、この表面を露光マスクパターンで覆って遠紫外線を照射し感光させ、これを現像することによりマスクの模様をフォトレジストに転写している。次いでこれを酸化させ、このようにしてできたレジスト模様をエッチング処理することにより実回路の模様を形成している。このような技術は半導体製造に限らず、例えば単結晶シリコンを素材とする微小部材の成形等においても広く使用されている。   Conventionally, in semiconductor manufacturing, a photo-sensitive photoresist is applied to the surface of a thinly cut single crystal silicon wafer, and then this surface is covered with an exposure mask pattern to irradiate far ultraviolet rays to develop it. The mask pattern is transferred to the photoresist. Next, this is oxidized, and the pattern of the actual circuit is formed by etching the resist pattern thus formed. Such a technique is not limited to semiconductor manufacturing, and is widely used, for example, in the formation of minute members made of single crystal silicon.

なお、以下に示す発明が解決しようとする課題について、本発明と異なる手法で解決した技術として、本発明者等による下記の特許文献1が存在する。
特開2002−64080号公報
In addition, the following patent document 1 by the present inventors exists as a technique which solved the problem to be solved by the invention shown below by a method different from the present invention.
JP 2002-64080 A

このように単結晶シリコンをエッチングにより微細加工する際、フォトレジストの付着処理、遠紫外線の照射によるマスク模様の転写作業、酸化処理等が必要であり、複雑な工程を何度も行う必要があるため、多くの手数と時間がかかるという問題点があった。   As described above, when finely processing single crystal silicon by etching, it is necessary to perform a photoresist adhesion process, a mask pattern transfer operation by irradiation with far ultraviolet rays, an oxidation process, and the like, and it is necessary to perform complicated processes many times. Therefore, there is a problem that it takes a lot of work and time.

また、現在存在するパターンを変更するためには、露光マスクを作り直す必要があり、試作などの自由度を求められる微細構造製作には向かないという問題点もあった。   In addition, in order to change the existing pattern, it is necessary to recreate the exposure mask, and there is also a problem that it is not suitable for fine structure manufacturing that requires a degree of freedom such as trial manufacture.

更に、単結晶シリコンに対して各種形状の凹部や凸部を形成するに際しては、マスキングした部分を凸部として形成する以外ないので、凹部や凸部の形成方法が限定されてしまうという問題もあった。   Furthermore, when forming recesses and protrusions of various shapes on single crystal silicon, the masked portion must be formed as protrusions, so there is a problem that the method of forming the recesses and protrusions is limited. It was.

したがって、本発明は、単結晶シリコンをエッチングにより微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等を必要とせず、単に微細加工時の条件によって、任意の形状で任意の高さの微細構造物を製作することができるようにした微細構造作製方法を提供することを目的とする。   Therefore, the present invention does not require photoresist processing, far-ultraviolet irradiation work, oxidation treatment, etc. when finely processing single-crystal silicon by etching. It is an object of the present invention to provide a fine structure manufacturing method capable of manufacturing a fine structure.

従来より摩擦力顕微鏡(FFM)、あるいは原子間力顕微鏡(AFM)等の走査型プローブ顕微鏡(SPM)の技術を利用したマイクロ加工技術の研究がなされている。例えば、摩擦力顕微鏡の原理を利用したマイクロ加工機としては図19に示すように、従来の摩擦力顕微鏡において用いられる柔軟なカンチレバーに替えて高剛性の加工用カンチレバー4を用い、レーザーダイオード1からのレーザー光をレンズ2を介して、材料3の表面に接触しているダイヤモンド砥粒5を先端に設けた加工用カンチレバー4の先端裏面に照射し、その反射光を4分割フォトディテクタ6で受光するものである。   2. Description of the Related Art Conventionally, research on micromachining technology using a scanning probe microscope (SPM) technique such as a friction force microscope (FFM) or an atomic force microscope (AFM) has been made. For example, as shown in FIG. 19, as a micro processing machine using the principle of a friction force microscope, a high-rigidity processing cantilever 4 is used instead of a flexible cantilever used in a conventional friction force microscope, and laser diode 1 is used. Is irradiated to the back surface of the tip of the processing cantilever 4 provided at the tip with diamond abrasive grains 5 in contact with the surface of the material 3 via the lens 2, and the reflected light is received by the four-divided photodetector 6. Is.

その受光信号は加工用カンチレバー4の状態を光てこ方式で検出した信号であり、加工用カンチレバー4のたわみとねじれの状態を表しているので、その信号をフィードバック制御装置8に入力して現在の加工用カンチレバーのたわみとねじれを演算し、これを予め設定されている値と比較し、誤差信号をチューブ型のPZTスキャナ7に出力し、材料3をX、Y、Z方向に移動して所定の切り込み深さに維持しつつ、所定形状の加工を行うことができるようにしている。   The light reception signal is a signal obtained by detecting the state of the processing cantilever 4 by an optical lever system, and represents the state of deflection and twist of the processing cantilever 4. Deflection and torsion of the processing cantilever are calculated, compared with a preset value, an error signal is output to the tube-type PZT scanner 7, and the material 3 is moved in the X, Y, and Z directions to obtain a predetermined value. A predetermined shape can be processed while maintaining the depth of cut.

前記加工用カンチレバー4は図1(b)に拡大図で示すように、レバー10の先端に同図(c)に更に拡大して示すような先端をもったダイヤモンド砥粒5を取り付けたものであり、このカンチレバーは前記のように高剛性をなしている。このような工具を用いることにより材料表面を摩擦し、ナノメートルオーダの切り込みで微細な切削加工を行うことができるようになっている。   The processing cantilever 4 is obtained by attaching diamond abrasive grains 5 having a tip as shown in an enlarged view in FIG. 1C to the tip of a lever 10, as shown in an enlarged view in FIG. Yes, this cantilever has high rigidity as described above. By using such a tool, the material surface is rubbed, and fine cutting can be performed with a nanometer-order cut.

このようなマイクロ加工機を用いて所定のマスキング形状に沿ってダイヤモンド砥粒により微細な切削加工を行う。このとき、切削加工を施した後の表面には結晶性の乱れや残留応力が存在し、加工変質層が形成され、単結晶シリコンに対してこのような処理を行うとこの加工変質層が水酸化カリウムを用いた異方性エッチングに対してマスキング作用をなす。   Using such a micro processing machine, fine cutting is performed with diamond abrasive grains along a predetermined masking shape. At this time, there is a disorder of crystallinity or residual stress on the surface after the cutting process, and a work-affected layer is formed. Masking action is performed for anisotropic etching using potassium oxide.

このマスキング作用は、水酸化カリウム等のエッチング溶液の濃度によって異なることを発見し、上記特許文献1に示すような発明に至ったものであり、このたび特許査定が確定している。本発明者等は更にこの研究を進め、上記課題を他の手段によって解決することができることを見いだしたものであり、このような微細加工に際して、形成される微細パターンの高さを調節することにより、また、微細機械加工時の送り量を調節するのみで、エッチング液の濃度を調節することなく、形成される微細パターンの高さを調節することができることを発見し、本発明に至ったものである。   It was discovered that this masking action varies depending on the concentration of the etching solution such as potassium hydroxide, and the invention as shown in Patent Document 1 has been reached, and the patent assessment has been finalized. The present inventors have further advanced this research and found that the above problems can be solved by other means, and by adjusting the height of the fine pattern to be formed in such fine processing, In addition, it was discovered that the height of the fine pattern to be formed can be adjusted only by adjusting the feed amount at the time of micromachining, without adjusting the concentration of the etching solution, and has led to the present invention. It is.

より具体的には、本発明の微細構造作製方法は上記課題を解決するため、単結晶シリコン材料表面に所定形状の微細機械加工を施し、アルカリ水溶液のエッチング溶液により前記材料をエッチングすることによって所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、前記微細機械加工部分の垂直荷重を任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを調節するようにしたものである。 More specifically, in order to solve the above-described problem, the fine structure manufacturing method of the present invention performs a predetermined shape micromachining on the surface of a single crystal silicon material, and etches the material with an etching solution of an alkaline aqueous solution. In the microstructure manufacturing method for forming a fine pattern having a shape, the height of the formed fine pattern is adjusted by arbitrarily selecting the vertical load of the micromachined portion.

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、単結晶シリコン材料表面に所定形状の微細機械加工を施し、アルカリ水溶液のエッチング溶液により前記材料をエッチングすることによって所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、前記微細機械加工時の送り量任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを調節するようにしたものである。 In another fine structure manufacturing method according to the present invention, a fine pattern of a predetermined shape is formed by performing micromachining of a predetermined shape on the surface of a single crystal silicon material and etching the material with an etching solution of an alkaline aqueous solution. in the microstructure manufacturing method, by arbitrarily selecting a feed amount during the micromachining, in which so as to adjust the height of the fine pattern to be formed.

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、前記微細機械加工を摩擦力顕微鏡の機構により行うようにしたものである。   In another microstructure manufacturing method according to the present invention, the fine machining is performed by a mechanism of a friction force microscope.

また、本発明に係る他の微細構造作製方法は、前記微細機械加工において、工具先端部を適度に鈍くすることで、除去加工を行わずに、表面に加工変質層を形成し、微細パターンを得るようにしたものである。   Further, another microstructure manufacturing method according to the present invention is the above-described micromachining, in which the tool tip is moderately blunted to form a work-affected layer on the surface without performing removal processing, and to form a fine pattern. It ’s what you get.

上記のように、以前よりの研究結果によりFFM 加工後にエッチングを行うと、FFM 加工領域がマスキング効果を示し、凸状構造物を残留形成することが知られ、高さが一様な任意の微細構造物の作製が可能となることが明らかとなり、更にこれを利用してエッチング溶液の濃度によって凹凸形状を任意に形成することができるようになったが、本発明においては更に各種実験を行い、高さ方向を制御した3次元微細構造物を作製するために、FFM加工条件がエッチングレートに及ぼす影響について調べた。その結果、
1)垂直荷重の増加にともない、FFM加工部のエッチングレートは低下し凸状構造高さが増加する。
2)走査線送り量が小さくなると、各走査線が影響しあうことによってマスク層は強くなり、エッチングレートは低下する。
3)加工速度の変化は、マスキング効果に対してほとんど影響を与えない。
4)エッチング処理時間の増加にともない、FFM 加工部に形成される凸状構造高さは増加するが、マスキング効果がなくなると凸状構造高さはほとんど変化しない。
5)加工条件を変化させることにより、高さ方向を制御した3次元微細構造物の作製が可能となる。
6)工具の先端が適度に鈍いとき、材料の表面を除去することなく、表面にエッチングマスクとしての作用をもつ加工変質層を形成できる。
等の作用を奏することが明らかになった。また、加工条件をさらに高精度に制御することにより、さらに複雑な3次元微細構造物の作製が可能となる。
As described above, when etching is performed after FFM processing according to previous research results, it is known that the FFM processing region shows a masking effect, and a convex structure remains to be formed. It became clear that it was possible to produce a structure, and it was possible to arbitrarily form a concavo-convex shape depending on the concentration of the etching solution using this, but in the present invention, various experiments were further performed, In order to fabricate a three-dimensional microstructure having a controlled height direction, the influence of FFM processing conditions on the etching rate was investigated. as a result,
1) As the vertical load increases, the etching rate of the FFM processed portion decreases and the convex structure height increases.
2) When the scanning line feed amount is reduced, the influence of the scanning lines causes the mask layer to become stronger and the etching rate to decrease.
3) The change in the processing speed hardly affects the masking effect.
4) As the etching time increases, the height of the convex structure formed in the FFM processed portion increases, but the height of the convex structure hardly changes when the masking effect is lost.
5) By changing the processing conditions, it is possible to produce a three-dimensional microstructure having a controlled height direction.
6) When the tip of the tool is moderately dull, a work-affected layer having an action as an etching mask can be formed on the surface without removing the surface of the material.
It became clear that there existed these effects. Further, by controlling the processing conditions with higher accuracy, it becomes possible to manufacture a more complicated three-dimensional microstructure.

本発明は上記のような微細構造作製方法を採用することにより、単結晶シリコンをエッチングによって微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等を必要とせず、単に微細機械加工部分の垂直荷重を任意に選択することにより、あるいは微細機械加工時の送り量任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを任意に調節することができる。本発明の
という利点がある。
The present invention adopts the fine structure manufacturing method as described above, and does not require photoresist processing, far-ultraviolet irradiation work, oxidation treatment, etc. when finely processing single crystal silicon by etching, and it is simply micromachining. The height of the fine pattern to be formed can be arbitrarily adjusted by arbitrarily selecting the vertical load of the portion or by arbitrarily selecting the feed amount at the time of fine machining. There are advantages of the present invention.

本発明は、単結晶シリコンをエッチングにより微細加工するに際して、フォトレジスト処理、遠紫外線の照射作業、酸化処理等を必要とせず、単に微細加工時の条件によって、任意の形状で任意の高さの微細構造物を製作することができるようにするため、単結晶シリコン材料表面に所定形状の微細機械加工を施し、エッチング溶液により前記材料をエッチングすることによって所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、前記微細機械加工部分の垂直荷重を任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを調節するようにしたものである。 The present invention does not require photoresist processing, far-ultraviolet irradiation work, oxidation treatment, etc. when finely processing single crystal silicon by etching, and simply having an arbitrary shape and an arbitrary height depending on conditions during the fine processing. In order to be able to manufacture a fine structure, a fine structure is produced by forming a fine pattern of a predetermined shape by subjecting the surface of a single crystal silicon material to a predetermined shape of micro machining and etching the material with an etching solution. In the method, the height of the fine pattern to be formed is adjusted by arbitrarily selecting the vertical load of the micromachined portion.

以下、本発明について、この発明に至った経緯を含め詳細に説明する。前記のように、FFM加工後の試料に対しKOH水溶液でエッチングを行うとFFM加工面が強いマスク作用を示すため、凸状構造物が形成されることが明らかとなった。この現象はFFM加工によって形成される結晶性の低い酸化層に起因して生じる。   Hereinafter, the present invention will be described in detail including the background to the present invention. As described above, when the FFM processed sample is etched with a KOH aqueous solution, the FFM processed surface exhibits a strong masking action, and it has been clarified that a convex structure is formed. This phenomenon is caused by an oxide layer having low crystallinity formed by FFM processing.

これまでの実験では、エッチング前の表面を参照できなかったため、加工条件によるマスキング効果の強弱について充分な検討ができなかったが、エッチング前の表面を基準としたエッチングレート算出方法を導入することで、エッチングレートを正確に測定できるようになった。そこで前記図19に示す従来の加工装置とほぼ同様の装置を用い、但し、これまでの実験とは異なり図1(b)に示すように、先端11部分が切れ味の鈍い形状とした加工用カンチレバー10を用いて加工実験も併せて行った。これによって加工領域を除去することなく、隆起物が生成される条件でのマスク層の構造、厚さを制御し、エッチングレートの制御が可能となることから、FFM 加工による加工深さは小さくなり残留形成される凸状構造物の高さの制御も容易になる。   In previous experiments, we could not refer to the surface before etching, so we could not fully study the strength of the masking effect due to processing conditions, but by introducing an etching rate calculation method based on the surface before etching. The etching rate can be measured accurately. Accordingly, an apparatus that is almost the same as the conventional processing apparatus shown in FIG. 19 is used. However, unlike the previous experiments, as shown in FIG. 10 was also used for processing experiments. As a result, it is possible to control the structure and thickness of the mask layer under the condition that the protuberance is generated without removing the processing region, and the etching rate can be controlled, so that the processing depth by FFM processing is reduced. Control of the height of the remaining convex structure is also facilitated.

図2は本発明の作用、効果を確認するために必要となるエッチングレートの算出方法を示しており、最初に単結晶シリコン21上にSiOマスク22のマスクパターンを描画した加工実験用シリコンウエハ23を作製した。 シリコンウエハ23上には加工痕識別のため図3に示すように00〜99の数字を作製し、その下に高さ測定用に40×40μm の正方状のSiOマスクパターンを作製した。 このSiO膜のマスク近傍にFFM 加工を行い、加工痕の深さを測定する。次に図1(c)に示す装置によりこのシリコン材料3をエッチング溶液14に入れてエッチング処理を行い、凸状構造物の高さを測定する。図1(c)に示す例においては、超音波発生装置12を用いて内部の水13を振動させて、この振動状態の元でエッチング処理を行っており、それによりエッチングレートと表面粗さとを向上させている。その後フッ酸処理でSiOマスクを除去しマスク部の高さを測定する。これらの値より以下の式でエッチング量が与えられる。
E=Hm−(Hr+D) (1)
この値をエッチング時間で除することによりエッチングレートを算出することができる。
FIG. 2 shows a method for calculating an etching rate necessary for confirming the operation and effect of the present invention. First, a silicon wafer for processing experiment in which a mask pattern of a SiO 2 mask 22 is drawn on a single crystal silicon 21. 23 was produced. On the silicon wafer 23, numbers 00 to 99 were prepared as shown in FIG. 3 for identifying the processing marks, and a 40 × 40 μm square SiO 2 mask pattern was prepared thereunder for height measurement. FFM processing is performed in the vicinity of the mask of the SiO 2 film, and the depth of the processing mark is measured. Next, the silicon material 3 is put into the etching solution 14 by an apparatus shown in FIG. 1C to perform an etching process, and the height of the convex structure is measured. In the example shown in FIG. 1C, the internal water 13 is vibrated using the ultrasonic generator 12, and the etching process is performed under this vibration state, whereby the etching rate and the surface roughness are reduced. It is improving. Thereafter, the SiO 2 mask is removed by hydrofluoric acid treatment, and the height of the mask portion is measured. From these values, the etching amount is given by the following equation.
E = Hm− (Hr + D) (1)
The etching rate can be calculated by dividing this value by the etching time.

第1の実験は、マスキング作用に及ぼす加工条件の影響について調べるため、先端の鋭い加工用カンチレバーを用い、表1の条件で単結晶シリコンウェハ(100)面を加工し、次にフッ酸によりシリコンウェハ表面の自然酸化膜を除去し、表2の条件でKOH水溶液に超音波付加しながら試料をエッチング処理した。最後に流水洗浄を充分に行い、表面を乾燥させ加工部形状の変化を観察用カンチレバーで観察した。

Figure 0003785463
Figure 0003785463
In the first experiment, in order to investigate the influence of the processing conditions on the masking action, a single-crystal silicon wafer (100) surface was processed under the conditions shown in Table 1 using a sharp cantilever for processing, and then silicon with hydrofluoric acid. The natural oxide film on the wafer surface was removed, and the sample was etched while applying ultrasonic waves to the KOH aqueous solution under the conditions shown in Table 2. Finally, washing with running water was performed sufficiently, the surface was dried, and changes in the shape of the processed part were observed with an observation cantilever.
Figure 0003785463
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図4は垂直加重と加工部深さ及びエッチングレートとの関係である。微小垂直荷重(24μN)の場合、FFM加工部に隆起現象が生じ、凸状となる。垂直荷重の増加に伴い、除去加工に代わり、加工部の深さは大きくなる。加工部のエッチングレートは垂直荷重の増加に伴い、小さくなる。即ち、加工部のマスキング効果が垂直荷重の増加に伴い、強くなることがわかる。   FIG. 4 shows the relationship between the vertical load, the processed portion depth, and the etching rate. In the case of a minute vertical load (24 μN), a raised phenomenon occurs in the FFM processed portion, resulting in a convex shape. As the vertical load increases, the depth of the processed portion increases instead of the removal processing. The etching rate of the processed portion decreases as the vertical load increases. That is, it can be seen that the masking effect of the processed portion becomes stronger as the vertical load increases.

図5は走査線送り量と加工部の深さ及びエッチングレートとの関係である。走査線送り量の増加に伴い、加工部の深さは減少し、加工部のエッチングレートは大きくなる。即ち、加工部のマスキング効果は走査線送り量の減少に伴い、強くなることがわかる。また、この場合、加工部の表面粗さも小さくなる。   FIG. 5 shows the relationship between the scanning line feed amount, the depth of the processed portion, and the etching rate. As the scanning line feed amount increases, the depth of the processed portion decreases and the etching rate of the processed portion increases. That is, it can be seen that the masking effect of the processed portion becomes stronger as the scanning line feed amount decreases. In this case, the surface roughness of the processed part is also reduced.

図4と図5の関係を応用し、三次元微細構造を形成した。図6は高さが一様な微細構造の形成例である。垂直荷重180μN、走査線送り量40nmの加工条件で、面積約5μm×10μm、高さ約60nmの千葉県地図を形状を作成した。同図(a)は加工直後のAFM観察像(凹状)であり、(b)はエッチング処理後のAFM観察像(凸状)である。   Applying the relationship between FIG. 4 and FIG. 5, a three-dimensional microstructure was formed. FIG. 6 shows an example of forming a fine structure having a uniform height. A shape of a Chiba Prefecture map having an area of about 5 μm × 10 μm and a height of about 60 nm was created under the processing conditions of a vertical load of 180 μN and a scanning line feed amount of 40 nm. FIG. 4A is an AFM observation image (concave) immediately after processing, and FIG. 4B is an AFM observation image (convex) after etching.

図7は階段状の微細構造の作成例である。A部の垂直荷重90μN、B部の垂直荷重225μm、走査線送り量60nmで加工した(同図(a))。エッチング処理後、A部高さ68nm、B部高さ104nmの凸状段差が形成された(同図(b))。加工部のエッチングレートが垂直荷重の増加に伴い、小さくなることを利用した。   FIG. 7 shows an example of creating a staircase-like fine structure. Processing was performed at a vertical load of 90 μN in the A part, a vertical load of 225 μm in the B part, and a scanning line feed amount of 60 nm ((a) in the figure). After the etching process, a convex step with an A portion height of 68 nm and a B portion height of 104 nm was formed ((b) in the figure). The fact that the etching rate of the processed portion decreases as the vertical load increases is used.

図8は高さが変化する三次元微細構造の形成例である。外径10μm、凸台直径7μm、軸穴径4μm、歯部より凸台が高い段差がある三次元歯車を製作した。垂直荷重は凸台部90μNで、歯部18μNで、走査線送り量60nmで加工した。表2に示す条件でエッチング処理後、図8(a)のような三次元歯車を形成した。図8(b)は三次元歯車の断面図である。歯部高さが65nm、凸台高さが77nmである。   FIG. 8 shows an example of forming a three-dimensional fine structure whose height changes. A three-dimensional gear having an outer diameter of 10 μm, a convex base diameter of 7 μm, a shaft hole diameter of 4 μm, and a step having a convex base higher than the tooth portion was manufactured. The vertical load was 90 μN on the convex base part, 18 μN on the tooth part, and the scanning line feed amount was 60 nm. After the etching process under the conditions shown in Table 2, a three-dimensional gear as shown in FIG. FIG. 8B is a cross-sectional view of the three-dimensional gear. The tooth height is 65 nm and the height of the convex base is 77 nm.

上記のようにFFM加工部エッチングレートと加工条件の関係を調べた結果、垂直荷重を大きくするとマスキング効果の強さが大きくなり、走査線送り量を小さくするとマスキング効果の強さが大きくなることが確認された。   As a result of investigating the relationship between the etching rate of the FFM processed portion and the processing conditions as described above, the masking effect increases with increasing vertical load, and the masking effect increases with decreasing scanning line feed amount. confirmed.

FFM加工では、加工用カンチレバー先端の鋭さによって垂直荷重と除去深さの関係が変化することから、適度に切れ味の鈍い先端形状をもつ加工用カンチレバーを用いて下記のような第2の実験も行った。即ち、上記の現象を更に確認するために、下記のような第2の実験も行った。即ち、実験はマスキング作用に及ぼす加工条件の影響について調べるため 、表3に示すFFM 加工条件、表4に示すエッチング条件によって、垂直荷重加工速度および走査線送り量の加工条件を変化させながら行った。

Figure 0003785463
Figure 0003785463
In FFM processing, the relationship between the vertical load and the removal depth changes depending on the sharpness of the tip of the processing cantilever. Therefore, the following second experiment was also conducted using a processing cantilever with a moderately dull tip shape. It was. That is, in order to further confirm the above phenomenon, the following second experiment was also conducted. That is, in order to investigate the influence of the processing conditions on the masking action, the experiment was performed while changing the processing conditions of the vertical load processing speed and the scanning line feed amount according to the FFM processing conditions shown in Table 3 and the etching conditions shown in Table 4. .
Figure 0003785463
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図9は垂直荷重に対するエッチングレート、加工深さおよび凸状構造高さの変化を示している。垂直荷重が372μN 以下ではFFM 加工によって除去加工は行われずに、図10に示すように高さ1〜2nm程度の隆起物が形成された。この現象は、FFM 加工時の探針と試料表面において発生する物理化学現象によるものとされている。垂直荷重が増加するにつれ、この現象はなくなり433μN 以上では除去加工が行われた。一方、エッチングレートは隆起加工領域においては垂直荷重の増加にともない減少する傾向が見られた。このことから、垂直荷重の増加によってFFM 加工部の結晶性の乱れは大きくなり、マスキング効果は強くなったものと考えられる。一方、この条件では、除去加工領域になるとエッチングレートに大きな変化は見られなくなった。   FIG. 9 shows changes in the etching rate, processing depth, and convex structure height with respect to the vertical load. When the vertical load was 372 μN or less, the removal process was not performed by the FFM process, and a protrusion having a height of about 1 to 2 nm was formed as shown in FIG. This phenomenon is attributed to a physicochemical phenomenon that occurs on the probe and the sample surface during FFM processing. This phenomenon disappeared as the vertical load increased, and removal processing was performed at 433 μN or more. On the other hand, the etching rate tended to decrease as the vertical load increased in the raised region. From this, it is considered that the crystallinity disorder of the FFM processed part is increased by the increase of the vertical load, and the masking effect is enhanced. On the other hand, under this condition, no significant change was observed in the etching rate in the removal processing region.

図11には加工速度によるエッチングレートの変化を示しているが、このグラフから明らかなように、加工速度によるエッチングレートの変化はほとんど見られず、いずれの条件でもほぼ同じ高さの凸状構造物が形成される。したがって、加工速度の変化によるマスキング効果への影響はほとんどないものと考えられる。   FIG. 11 shows changes in the etching rate depending on the processing speed. As is apparent from this graph, there is almost no change in the etching rate depending on the processing speed, and the convex structure having almost the same height under any condition. Things are formed. Therefore, it is considered that there is almost no influence on the masking effect due to the change in the processing speed.

図12は走査線送り量に対するエッチングレート、加工深さおよび凸状構造高さの変化である。垂直荷重は310μN 一定とし、図9で示した隆起加工領域で条件を変化させた。走査線送り量が最も小さな29nmの場合、FFM 加工部ではほとんどエッチングは進行せず、高さ約330nmと非常に高い凸状構造物が形成された。走査線送り量の増加にともないマスキング効果は小さくなり、エッチングレートは増加していた。   FIG. 12 shows changes in the etching rate, processing depth, and convex structure height with respect to the scanning line feed amount. The vertical load was fixed at 310 μN, and the conditions were changed in the raised region shown in FIG. When the scanning line feed amount was 29 nm, which is the smallest, etching hardly progressed in the FFM processed portion, and a very high convex structure having a height of about 330 nm was formed. As the scanning line feed amount increased, the masking effect decreased and the etching rate increased.

図13は走査線送り量29、469nmの時のAFM観察像である。走査線送り量が小さい29nmの場合、(a)のようにFFM 加工領域には一様に強いマスク層が形成され凸状構造物が形成されている。一方、走査線送り量が大きくなると走査線上にはマスキング効果が発現しているが、走査線間ではマスキング効果が発現しないためエッチングが進行してFFM 加工領域はくし状になっている。また、このくし状の山の間隔は走査線送り量と一致している。   FIG. 13 is an AFM observation image when the scanning line feed amount is 29 and 469 nm. When the scanning line feed amount is 29 nm which is small, a strong mask layer is uniformly formed in the FFM processed region as shown in FIG. On the other hand, when the scanning line feed amount is increased, a masking effect appears on the scanning lines. However, since the masking effect does not appear between the scanning lines, the etching progresses and the FFM processing region becomes comb-like. Further, the interval between the comb-like peaks coincides with the scanning line feed amount.

以上のことから、走査線送り量が小さい場合、FFM 加工時に隣接する走査線によって加工変質層がさらに影響を受け、マスキング効果が強くなったものと考えられる。   From the above, it is considered that when the scanning line feed amount is small, the work-affected layer is further affected by the adjacent scanning line during FFM processing, and the masking effect is enhanced.

図14は前記のようにエッチングレートの違いが大きかった走査線送り量、29nm、59nmの2種類の条件でFFM加工した試料のエッチング処理時間に対するエッチングレートおよび凸状構造高さの変化である。マスキング効果の強い走査線送り量29nmの場合、エッチング処理時間が40分になるまでFFM 加工領域はほとんどエッチングされておらず、凸状構造高さはほぼ線形的に増加し、約950nmの凸状構造物が形成された。その後、60分に達するとFFM加工領域のマスク層は浸食されるため、マスキング効果は弱まりエッチングレートは急激に増加した。   FIG. 14 shows changes in the etching rate and the height of the convex structure with respect to the etching processing time of the sample processed by FFM under the two kinds of conditions of the scanning line feed amount, 29 nm, and 59 nm where the difference in etching rate was large as described above. When the scanning line feed amount is 29 nm, which has a strong masking effect, the FFM processing region is hardly etched until the etching processing time reaches 40 minutes, the convex structure height increases almost linearly, and the convex shape of about 950 nm. A structure was formed. Thereafter, when reaching 60 minutes, the mask layer in the FFM processing region was eroded, so that the masking effect was weakened and the etching rate was rapidly increased.

一方、走査線送り量59nmの場合、エッチング処理時間5分まではエッチングは行われないが、10分になるとFFM 加工部のマスキング効果は弱まり、その後凸状構造高さの変化は見られなかった。図15は走査線送り量29nmで加工した試料のエッチング処理時間40および60分後のAFM 観察像である。エッチング時間が10分のものと比較すると40分後のものは凸状構造物上面は平面となっているが、加工領域の形状は若干崩れ、幅が小さくなってきている。また、マスキング効果が低下した60分後の試料では凸状構造物上面は平面ではなくなり、エッチングが進行したために表面に凹凸が形成されている。   On the other hand, when the scanning line feed amount is 59 nm, the etching is not performed until the etching processing time is 5 minutes. However, when the scanning processing time is 10 minutes, the masking effect of the FFM processed portion is weakened, and thereafter the convex structure height is not changed. . FIG. 15 is an AFM observation image after 40 and 60 minutes of etching processing time of a sample processed with a scanning line feed amount of 29 nm. Compared with the etching time of 10 minutes, after 40 minutes, the upper surface of the convex structure is flat, but the shape of the processed region is slightly broken and the width is reduced. Further, in the sample 60 minutes after the masking effect is lowered, the upper surface of the convex structure is not flat, and the etching progresses, so that the surface is uneven.

図16はKOH 水溶液濃度に対するエッチングレートの変化である。加工条件は前記と同様とした。走査線送り量が29nmの場合濃度20wt%以下ではFFM加工領域はほとんどエッチングが行われず、濃度20%以上になると濃度の増加にともないエッチングレートは増加した。走査線送り量が59nmの場合、走査線送り量29nmよりもマスキング効果は小さいが、濃度が5wt%の時FFM 加工領域においてエッチングは行われなかった。濃度が10wt%以上になると濃度の増加にともないエッチングレートは増加し、濃度15wt%以降は大きな変化が見られなかった。   FIG. 16 shows the change in the etching rate with respect to the concentration of the KOH aqueous solution. The processing conditions were the same as described above. When the scanning line feed amount is 29 nm, the FFM processed region is hardly etched when the concentration is 20 wt% or less, and when the concentration is 20% or more, the etching rate increases as the concentration increases. When the scanning line feed amount is 59 nm, the masking effect is smaller than that of the scanning line feed amount 29 nm, but when the concentration is 5 wt%, etching is not performed in the FFM processing region. When the concentration was 10 wt% or more, the etching rate increased with increasing concentration, and no significant change was observed after the concentration of 15 wt%.

先に述べたように、SiOのエッチングレートはKOH水溶液濃度に依存する。このことから、KOH 水溶液濃度が高くなるとエッチング初期の段階でマスク層は消滅し、エッチングレートは増加する。一方、濃度5wt%の場合マスク層はKOH により浸食されにくいために、いずれの加工条件でもエッチングが行われていない。このことから加工条件によりエッチングレートを制御するためには濃度10〜20wt%が適切であると考えられる。 As described above, the etching rate of SiO 2 depends on the KOH aqueous solution concentration. For this reason, when the KOH aqueous solution concentration increases, the mask layer disappears at the initial stage of etching, and the etching rate increases. On the other hand, since the mask layer is less likely to be eroded by KOH when the concentration is 5 wt%, etching is not performed under any processing conditions. From this, it is considered that a concentration of 10 to 20 wt% is appropriate for controlling the etching rate according to the processing conditions.

上記の結果によってもFFM 加工条件、特に垂直荷重と走査線送り量を制御することによりFFM 加工部のマスキング効果に変化が生じ、凸状構造高さを制御できることがわかった。これを応用することで3次元微細構造物の作製が可能であることがわかる。   Also from the above results, it was found that by controlling the FFM processing conditions, in particular, the vertical load and the scanning line feed amount, the masking effect of the FFM processed portion changes, and the height of the convex structure can be controlled. It can be seen that by applying this, it is possible to produce a three-dimensional microstructure.

図17は垂直荷重を段階に変化させ作製した階段状構造物である。垂直荷重を(a)のAの側から124、248、372Nの段階に変化させFFM 加工を行った。FFM 加工後には加工部では隆起加工が行われているが、垂直荷重による高さの変化はほとんど見られない。(b)はFFM 加工後10wt%KOH水溶液で10分間のエッチング処理を行ったものである。図より垂直荷重が大きいほど、マスキング作用は強くなり、高い凸状構造物が形成されることがわかる。   FIG. 17 shows a step-like structure manufactured by changing the vertical load stepwise. FFM processing was performed by changing the vertical load from the A side to (124), 248, and 372N. After the FFM processing, uplift processing is performed in the processing portion, but almost no change in height due to vertical load is seen. (B) is the result of performing an etching process for 10 minutes with a 10 wt% KOH aqueous solution after FFM processing. It can be seen from the figure that the larger the vertical load, the stronger the masking action and the higher the convex structure is formed.

図18はさらに細かく垂直荷重を変化させ作製した段の階段状構造物である。垂直荷重は(a)のA側から124、186、248、310、372Nの段階で、同様のエッチング処理を行い作製したものである。   FIG. 18 shows a stepped structure produced by changing the vertical load more finely. The vertical load is produced by performing the same etching process at the stage of 124, 186, 248, 310, 372N from the A side of (a).

これらの結果より、加工条件を制御することにより高さを制御した3次元微細構造物の作製が可能であることがわかった。また。加工条件をさらに詳細に制御することで、高精度の3次元微細構造物の作製が可能であると考えられる。   From these results, it was found that it is possible to produce a three-dimensional microstructure having a height controlled by controlling the processing conditions. Also. It is considered that a highly accurate three-dimensional microstructure can be produced by controlling the processing conditions in more detail.

本発明は上記のように極めて微細な加工を容易に実施することができるので、電子産業、情報産業、光産業分野などで使用される各種機器の超精密加工として利用することができる。   Since the present invention can easily carry out extremely fine processing as described above, it can be used as ultra-precision processing of various devices used in the fields of the electronics industry, information industry, optical industry, and the like.

本発明を実施する装置の概要を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the outline | summary of the apparatus which implements this invention. 本発明におけるエッチングレートの算出方法を示す図である。It is a figure which shows the calculation method of the etching rate in this invention. 本発明において用いた加工実験用シリコンウエハを示す図である。It is a figure which shows the silicon wafer for a processing experiment used in this invention. 第1の実験における垂直荷重と加工部エッチングレートとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the vertical load in 1st experiment, and a process part etching rate. 第1の実験における走査線送り量と加工部エッチングレートとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the scanning line feed amount and the process part etching rate in 1st experiment. 第1の実験において製作した千葉県地図の形状の例である。It is an example of the shape of the Chiba map produced in the first experiment. 第1の実験において製作した階段状の微細構造の作成例である。It is an example of creating a staircase-like microstructure manufactured in the first experiment. 第1の実験において製作した三次元歯車の作成例である。It is an example of creation of the three-dimensional gear manufactured in the first experiment. 第2の実験において垂直荷重によるエッチングレートの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the etching rate by a perpendicular load in the 2nd experiment. 第2の実験において本発明における隆起加工痕のAFM観察像を示す図である。It is a figure which shows the AFM observation image of the protruding process trace in this invention in 2nd experiment. 第2の実験において加工速度によるエッチングレートの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the etching rate by processing speed in the 2nd experiment. 第2の実験において走査線送り量よるエッチングレートの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the etching rate by a scanning line feed amount in 2nd experiment. 第2の実験において本発明における走査線送り量によるエッチング後の形状変化を示す図である。It is a figure which shows the shape change after the etching by the scanning line feed amount in this invention in 2nd experiment. 第2の実験においてエッチング処理時間によるエッチングレートの変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the etching rate by etching processing time in the 2nd experiment. 第2の実験において本発明におけるエッチング処理時間による形状の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the shape by the etching processing time in this invention in 2nd experiment. 第2の実験においてスキング効果のKOH水溶液濃度依存性を示すグラフである。It is a graph which shows the KOH aqueous solution density | concentration dependence of the sking effect in 2nd experiment. 第2の実験において本発明における垂直荷重変化により作成した3段階の階段状構造物を示す図である。It is a figure which shows the three-step step-like structure created by the vertical load change in this invention in 2nd experiment. 第2の実験において本発明における垂直荷重変化により作成した5段階の階段状構造物を示す図である。It is a figure which shows the five-step step-like structure created by the vertical load change in this invention in 2nd experiment. 先に提案した微細構造作製方法を実施する装置の概要図である。It is a schematic diagram of the apparatus which implements the fine structure manufacturing method proposed previously.

符号の説明Explanation of symbols

1 レーザーダイオード
2 レンズ
3 材料
4 加工用カンチレバー
5 ダイヤモンド砥粒
6 4分割フォトディテクタ
7 チューブPZTスキャナ
8 フィードバック制御装置
10 カンチレバー
11 先端
12 超音波発生装置
13 水
14 エッチング液
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Laser diode 2 Lens 3 Material 4 Processing cantilever 5 Diamond abrasive grain 6 4 division | segmentation photodetector 7 Tube PZT scanner 8 Feedback control apparatus 10 Cantilever 11 Tip 12 Ultrasonic generator 13 Water 14 Etching liquid

Claims (4)

単結晶シリコン材料表面に所定形状の微細機械加工を施し、アルカリ水溶液のエッチング溶液により前記材料をエッチングすることによって所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、前記微細機械加工部分の垂直荷重を任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを調節することを特徴とする微細構造作製方法。 In a fine structure manufacturing method in which a fine pattern of a predetermined shape is formed by performing micromachining of a predetermined shape on the surface of a single crystal silicon material and etching the material with an etching solution of an alkaline aqueous solution, the vertical load of the micromachined portion A method for producing a fine structure, wherein the height of a fine pattern to be formed is adjusted by arbitrarily selecting. 単結晶シリコン材料表面に所定形状の微細機械加工を施し、アルカリ水溶液のエッチング溶液により前記材料をエッチングすることによって所定形状の微細パターンを形成する微細構造作製方法において、前記微細機械加工時の送り量任意に選択することにより、形成される微細パターンの高さを調節することを特徴とする微細構造作製方法。 In a fine structure manufacturing method in which a fine pattern of a predetermined shape is formed by performing micromachining of a predetermined shape on the surface of a single crystal silicon material and etching the material with an etching solution of an alkaline aqueous solution, a feed amount during the micromachining A method for producing a fine structure, wherein the height of a fine pattern to be formed is adjusted by arbitrarily selecting. 前記微細機械加工を摩擦力顕微鏡の機構により行うことを特徴とする請求項1又は請求項2記載の微細構造作製方法。 3. The microstructure manufacturing method according to claim 1, wherein the fine machining is performed by a mechanism of a friction force microscope. 前記微細機械加工において、工具先端部を適度に鈍くすることで、除去加工を行わずに、表面に加工変質層を形成し、微細パターンを得ることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一つに記載の微細構造作製方法。 4. The fine machining according to claim 1, wherein in the fine machining, the tool tip portion is appropriately blunted to form a work-affected layer on the surface without performing removal processing, thereby obtaining a fine pattern. The fine structure manufacturing method as described in any one.
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