Method for forming a vertical hollow needle in a semiconductor substrate

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【技術分野】 本発明は、一般的に、針の形成に関する。 本発明は、特に、半導体基板内に垂直な中空針を形成する技術に関する。 【０００２】 【背景技術】 針は伝統的にステンレススチールで作られてきた。 近年、半導体から針を作る技術が開示された。 半導体基板内に針を作るいくつかの技術において、半導体基板の水平面内に針は形成されている。 例えば、アルバート・ピー・ピサノと、カイル・エス・レボイツにより発明された米国特許第５９２８２０７号（発明の名称「等方的にエッチングされた先端を備える微小針及びそういった装置を製造する方法」）の技術は等方性エッチングを用いて半導体基板の水平面内に微小針を形成する。 この特許（本出願の譲受人に譲渡されている）は、参照のためにここに組み入れられる。 【０００３】 半導体基板で針を作る別の技術がネイル・エイチ・タルボット、クリストファ・ジー・ケラー、アルバート・ピー・ピサノにより、１９９８年３月１８日出願の米国特許出願第０９／０４４３９８号（発明の名称「２体型内の等角堆積を介して針を作る装置及び方法」）に開示されている。 この技術は、２体の型によって形成される水平向きのチャンバ内での等角堆積を介して針を形成している。 【０００４】 カイル・エス・レボイツと、アルバート・ピー・ピサノはまた、表皮を剥がし、それにより経皮薬の浸透を高めるために用いる「剥がし器」を形成する等方的にエッチングされた先端のマトリックス（マトリックス配列されたもの）を開発した。 この技術は、１９９８年６月２９日出願の米国特許出願第０９／１０６９
９１号（発明の名称「等方的にエッチングされた先端を備える経皮プローブ及びそのような装置を製作する方法」）に説明されている。 この特許出願（本願の譲受人に譲渡されている）もまた、参照のためにここに組み入れられる。 この特許出願に開示された構造体は等方性エッチングのみを使用して形成されている。 この構造体は貫通孔を有していない。 さらに、この構造体マトリックスは、剥がし器を形成する単一の構造体として使用されるため、個々の針に切断されていない。 【０００５】 １つの関連した経皮薬浸透装置がエス・ヘンリ他によりジャーナル・オブ・ファーマスーティカル・サイエンス（Journal of Pharmaceutical Sciences）第８
７巻，No. ８，９２２−９２５頁「微細加工された微小針：経皮薬浸透に関する革新的アプローチ」に開示されている。 この刊行物は、経皮薬浸透に用いることができる中実針の配列を開示している。 この技術を改良したものが、１９９９年に日本の仙台での講演の集録「Trandsducers '99 Conference Proceedings, 10
98-1101頁」のヴィ・デー・マクアリスタ他著による「３次元中空微細針及び微細管アレイ」に説明されている。 この刊行物に記載された針のアレイは内部チャンネルを有する。 著者は、開示されたアレイが薬浸透又は制御された微細燃焼にどのように応用されるかを説明している。 【０００６】 半導体ベースの針の製造に関する最近の進展にもかかわらず、針の成形技術の改良が望まれている。 例えば、種々の縦スロープを備える針の壁を形成する技術が望まれている。 種々の形状の針先端を形成する技術を提供することもまた望まれている。 【０００７】 【発明の開示】 針を形成する方法は非等方的に半導体基板の裏側にチャンネルをエッチングするステップを含む。 次ぎに、半導体基板の表側を等方的にエッチングしてチャンネルを囲む垂直な軸方向面を形成する。 【０００８】 【発明の実施形態】 発明をより理解するために、添付の図面に関連する以下の説明を参照しなければならない。 【０００９】 図１は、本発明の実施形態にしたがってなされる処理ステップ２０を示す。 図１に示す処理の第１ステップはウェーハを準備すること（ステップ２２）である。 例えば、出発物質は、両面が研磨された５００ないし５５０μｍ厚の＜１００
＞シリコンウェーハである。 ウェーハは標準技術を用いてクリーニングされる。
次ぎに、ウェーハは、例えば、水平式大気圧反応器を１１００℃で用いて酸化され、ウェーハの表側と裏側に約２.０μｍ厚の酸化物層が形成される。 図２ａは、表側酸化物層２６と、裏側酸化物層２８を備えるウェーハ２４を示す。 【００１０】 図１に示す次の処理ステップはウェーハの裏側をパターン形成するもの（ステップ３０）である。 ウェーハの裏側は、針内にチャンネルの裏側開口の外形を形成するようにフォトリソグラフィを使用してパターン形成される。 例えば、ホトレジストは１.３μｍ厚のシプレイ（Shilpley）S3813波長多重ポジ型レジスト層とすることができ、該レジスト層は露光現像された後に約３０分間焼成硬化される。 酸化物層２８の裏側は次に、例えば、ＣＦ _４ ／ＣＨＦ _３を用いてプラズマエッチングされる。 その結果、図２ｂに示す構造となる。 図２ｂは、内部にチャンネル孔が形成されている裏側酸化物層２８とホトレジスト層３０を示す。 【００１１】 半導体基板の裏側を次にエッチングしてチャンネルを形成する（ステップ３２
）ことである。 非等方的な深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ=Deep Reactive
Ion Etching）を用いてまっすぐな壁を有する孔を形成する。 処理は、表側酸化物層２６において、あるいは、表側酸化物層２６の少し手前（例えば、１０μｍ
手前）において停止される。 この結果、図２ｃの構造となる。 図２ｃは半導体基板２４内に形成されたチャンネル３６を示す。 チャンネル３６は半導体基板２４
内に垂直に形成されていることが観察される。 【００１２】 代替的なチャンネル形成操作において、ファンネル（漏斗形状）部を備えるチャンネルが形成される。 フアンネル部は，ＤＲＩＥのエッチング時間に比べてパッシベーションタイム（不活性化時間）を徐々に増加させることによって形成される。 この結果、エッチングが半導体基板２４内に進むにつれてチャンネル寸法が小さくなる。 図３は、この技術にしたがって形成されたファンネル部３８を備えるチャンネル３６を示す。 こういったファンネル部３８を形成する他の技術も当業者に知られている。 例えば、小径孔におけるエッチングレートが大径孔におけるエッチングレートよりもずっと小さいということを利用することができる。
したがって、徐々に小径となる一連の開口をチャンネル回りに設けることができる。 非等方的なＤＲＩＥは、小径開口におけるよりも大径開口における方がよりエッチングを進めることができる。 非等方的なＤＲＩＥは、段階的にエッチングされる層間の遷移を滑らかにするため、したがって、傾斜ファンネル部を生じさせるために使用される。 【００１３】 ステップ３２の裏側エッチングに関連する最終操作は、後に続く処理ステップのときにチャンネルを保護するために、チャンネル壁に酸化物層を成長させることである。 図２ｄはチャンネル３６の壁を覆うチャンネル酸化物層４２を示す。 【００１４】 図１に示す次の処理ステップはフォトリソグラフィによる表側のパターン形成（ステップ４０）である。 表側パターンは、針を上から見たときに、針の外周を形成する。 例として、ホトレジストは１.３μｍ厚のシプレイ（Shilpley）S3813
波長多重ポジ型レジスト層とすることができ、該レジスト層は露光現像された後に約３０分間焼成硬化される。 酸化物層は次に、例えば、ＣＦ _４ ／ＣＨＦ _３を用いてプラズマエッチングされる。 その結果、図２ｅに示す構造となる。 図２ｅは、エッチングされた酸化物層２６と表側ホトレジスト層４３を示す。 【００１５】 次の処理ステップは半導体基板の表側をエッチングして垂直針を形成する（ステップ４４）ことである。 針は、エッチングされた酸化物層２６と表側ホトレジスト層４３によって形成されたパターンを等方的にエッチングすることによって創成される。 このホトレジスト／酸化物マスクの等方的な深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を約２００μｍの深さまで行なう。 この等方的エッチングは、
細い円形先端から幅の広い円形ベースまで傾斜する滑らかな側壁を形成する。 【００１６】 針の形状を変えるために、等方的なＤＲＩＥを非等方的なエッチングと共に進めることができる。 この場合、針の上部シャフトは非常に険しくなる。 換言すれば、ベースと先端との間の一様なスロープは先端への比較的険しい遷移に置き換えられる。 このように、等方的エッチングステップは、針の比較的険しい垂直な軸方向面を形成するための初期非等方的処理ステップを含むことができる。 【００１７】 この処理ポイントにおける結果の装置を図２ｆに示す。 図２ｆは等方的にエッチングされて半導体基板２４内に形成された側壁４６を示す。 図２ｆの構造はチャンネル先端５０（図２ｇ）を有し、該先端は水平面内のその周囲において一様である。 本発明に従い、テーパ付きのチャンネル端を形成することもまた可能である。 具体的に言えば、本発明に従い単一の周線尖端を備える傾斜先端を形成することができる。 そのような先端を図３に示す。 【００１８】 この構造は、半導体基板の裏側上のチャンネルマスクのセンタラインを半導体基板の表側上の針マスクのセンタラインからずらすことによって形成される。 図３は、針マスクセンタライン４９から距離Δだけずれたチャンネルマスクセンタライン５１を示す。 このずれにより非対称のエッチングが生じ、この非対称エッチングは図３に示すように単一の周線尖端５４を備える傾斜先端を生じさせる。 【００１９】 図１に示す次の処理ステップはウェーハを剥ぎ取りすること（ステップ５８）
である。 このことは、例えば、５：１ＢＨＦを用いて、酸化物を除去することを必要とする。 ウェーハは次にリンスされ乾燥されて図２ｇの構造となる。 【００２０】 ウェーハは次にカットされる（ステップ６０）。 図４は、製作された一連の針７０と関連する一連のチャンネル孔５０を含む半導体基板２４の上面を示す。 図４はまた、ウェーハ２４が個々の針７０を形成するように切断されるための切断線となる水平スクライブライン６２と、垂直スクライブライン６４を示す。 針７
０は、表側チャンネル孔５０と裏側チャンネル孔５２の間に形成されるチャンネル３６を含む。 チャンネル３６は、それを囲む垂直な軸方向面５３によって形成される。 垂直な軸方向面５３は、針７０を形成するためにエッチングされた水平基板の両側面に対して垂直である。 等方的エッチングは先端５０と比較的幅広の垂直ベースとの間に滑らかな傾斜側壁４６を形成することが観察される。 【００２１】 多くの従来技術の装置において、針は基板の水平面に形成される。 したがって、例えば、基板の上面は、基板内に水平方向に形成された針の軸形状を示す。 このような構成は、基板内に形成される針の数を制限する。 本発明においては対照的に、図４に示すように基板の上面は針７０の先端５０を示すだけであり、１つの基板に比較的高密度に針を配列することができる。 【００２２】 図１に関連して開示した例示的なプロセスにより、垂直高さが約２００μｍ、
チャンネル径が約２５μｍの針を作ることができた。 本発明に従い、もちろん他のサイズの針も作ることができる。 【００２３】 開示された針は、多様な生物医学的な応用に有利に使用できる。 先端が尖った針は皮膚のような材質を容易に貫くことができる。 中空針の内部チャンネルは、
ガスや液体を注射することに使用でき、また、集積装置を用いて解析されるようなガスや液体を抜き出すために使用できる。 さらに、本発明の装置は計器装備に用いることができ、さらには、電磁波を内部チャンネルに案内するガイドとして使用することもできる。 製作された構造はまた造型用の型として用いることができる。 【００２４】 上記説明は発明を説明することを目的とし、発明の全体的な理解を与えるために特定の名称を用いた。 しかしながら、当業者であれば、発明を実施するために特定の詳細は必要でないことは明らかである。 例えば、良く知られた回路及び装置は、発明の趣旨から不必要に逸脱することを避けるために、ブロック線図の形で示される。 したがって、本発明の特定の実施形態に関する上記説明は図示及び説明のためのものであり、発明をその実施形態に限定するものではない。 上記実施形態に関して変形や変更をなすことが可能であることは明らかである。 実施形態は発明の原理及び実施例を最もよく説明するために選択され説明されたものであり、当業者が本発明や特定の使用に適する種々の変更を備える種々の実施形態を利用できるようにするものである。 発明の範囲は本明細書の特許請求の範囲と、それに同等なものによって定められることを意図するものである。 【図面の簡単な説明】 【図１】 本発明の実施形態に従い実行される処理ステップを示す図である。 【図２】 図２ａ−２ｈは本発明の実施形態に従い垂直な中空針を製造するプロセスを示す断面図である。 【図３】 本発明の実施形態に従い製造されるファンネル部を備える垂直な中空針の拡大断面図である。 【図４】 本発明の実施形態に従い半導体基板内に形成される複数の垂直な中空針の平面図である。

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