JP3099066B1

JP3099066B1 - 薄膜構造体の製造方法

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Publication number: JP3099066B1
Application number: JP11126680A
Authority: JP
Inventors: 明下河辺; 誠一秦
Original assignee: 東京工業大学長
Priority date: 1999-05-07
Filing date: 1999-05-07
Publication date: 2000-10-16
Anticipated expiration: 2019-05-07
Also published as: JP2000317900A; US7026696B2; US6998286B2; US20020072203A1; US20040166664A1; US20040166330A1; US6759261B2

Abstract

【要約】【課題】高い生産性と高い再現性とを有し、成形後の
形状安定性に優れた薄膜構造体及びその製造方法を提供
する。【解決手段】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に形成する。そして、この薄膜を
前記過冷却液体域に加熱し、薄膜の自重、機械的な外
力、静電的な外力などによって所定の形状に変形させ、
薄膜構造体を形成する。そして、前記過冷却液体域から
室温まで冷却することによって前記薄膜の変形を終了さ
せる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、薄膜構造体の製造
方法に関し、さらに詳しくはマイクロアクチュエータな
どのマイクロマシン、探針、触針、マイクロセンサなど
の各種センサ、及び走査型フローブ顕微鏡用フローブな
どの各種プローブの構造部品などとして好適に使用する
ことのできる、薄膜構造体の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】マイクロマシン、各種センサ、各種プロ
ーブなどは、基板面外へ作用する力の発生や、逆に基板
外の各種近接効果や流体の流動、他の電子回路の電圧な
どを検出する必要がある。このため、半導体製造に用い
られる薄膜成膜技術及び微細加工技術を応用したマイク
ロマシーニングにより、様々な薄膜からなる梁などの平
面構造体を立体的に湾曲・変形させた薄膜構造体が用い
られるようになってきている。

【０００３】従来、立体的な薄膜構造体を製造する方法
としては、以下の方法が用いられてきた。 1 )異なった熱膨張係数を有する２種類以上の層からな
る平面構造体を作製し、バイモルフ効果により、立体的
な薄膜構造体を製造する方法。２）ポリシリコンからなる平面構造体をマイクロプロー
ブで保持し、通電加熱により加熱・湾曲させ立体的な薄
膜構造体を製造する方法。３）スパッタリング法などによって薄膜を形成し、成膜
時の残留応力を利用して、立体的な薄膜構造体を製造す
る方法。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、バイモルフ効
果を利用した方法では、薄膜構造体を製造した後におい
ても熱膨張係数の違う層が存在するため、常温付近での
バイモルフ効果によって使用時の温度変化に起因して薄
膜構造体が経時的に変化してしまうという問題がある。

【０００５】また、ポリシリコンを加熱・湾曲させる方
法では、材料がポリシリコンに限定され、所望の強度、
弾性限界などの特性を構造に付与することが難しい。さ
らに作製した個々の平面構造体をマイクロプローブで保
持しなければならず、生産性に乏しいという問題があ
る。さらに、成膜時の残留応力を利用する方法では、再
現性に乏しく、残留応力の経時変化により薄膜構造体の
形状が変化するといった問題点があった。

【０００６】本発明は、高い生産性と高い再現性とを有
し、成形後の形状安定性に優れた薄膜構造体の製造方法
を提供することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明は、過冷却液体域
を有する非晶質材料からなる薄膜を所定の基板上に形成
する工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、
前記薄膜に対して微細針状部材による機械的な外力を負
荷することにより、前記薄膜を湾曲させて薄膜構造体を
形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域か
ら室温まで冷却させる工程とを含むことを特徴とする、
薄膜構造体の製造方法である。

【０００８】また、本発明は、過冷却液体域を有する非
晶質材料からなる薄膜を所定の基板上に形成する工程
と、前記薄膜に隣接させて導電性材料からなる電極層を
形成する工程と、前記電極層に対向させて対向電極を設
ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱する
とともに、前記対向電極に電圧を印加し、前記薄膜に対
して前記電極層と前記対向電極との間に生じた静電的な
外力を負荷することにより、前記薄膜を湾曲させて薄膜
構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却
液体域から室温まで冷却させる工程とを含むことを特徴
とする、薄膜構造体の製造方法である。

【０００９】さらに、本発明は、過冷却液体域を有する
非晶質材料からなる薄膜を所定の基板上に形成する工程
と、前記薄膜に隣接させて磁性材料からなる磁性層を形
成する工程と、前記磁性層に対向させて対向磁石を設け
る工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱して、
前記薄膜に対して前記磁性層と前記対向磁石との間に生
じた磁気的な外力を負荷することにより、前記薄膜を湾
曲させて薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体
を前記過冷却液体域から室温まで冷却させる工程とを含
むことを特徴とする、薄膜構造体の製造方法である。

【００１０】また、本発明は、過冷却液体域を有する非
晶質材料からなる薄膜を所定の基板上に形成する工程
と、前記薄膜に隣接させて内部応力を有する補助層を形
成する工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し
て、前記薄膜と前記補助層との間の内部応力差によって
生じた応力により、前記薄膜を湾曲させて薄膜構造体を
形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域か
ら室温まで冷却させる工程とを含むことを特徴とする、
薄膜構造体の製造方法である。

【００１１】本発明者らは、上記問題点を解決すべく、
新たな薄膜構造体の製造方法を開発すべく研究を重ね
た。その結果、薄膜構造体を過冷却液体域を有する非晶
質材料からなる薄膜から構成するとともに、この薄膜を
前記過冷却液体域にまで加熱し、前記薄膜の温度が前記
過冷却液体域にあるときに、前記薄膜を上記のような機
械的手段、静電的手段、又は磁気的手段によって、湾曲
させることによって上記問題を解決できることを見出し
た。

【００１２】すなわち、過冷却液体域を有する非晶質材
料からなる薄膜を前記過冷却液体域まで加熱すると、前
記薄膜はガラス転位現象を生じる。すると、それまで固
体状で高い剛性を有していた薄膜は半固体状（過冷却液
体）となり、粘度が１０⁸ 〜１０¹³Ｐａ・Ｓの粘性流動
を示すようになる。そして、前記薄膜は極めて軟性を示
すため、上記のような手段による外部的な力を印加する
ことにより、所望するあらゆる形状に湾曲させることが
できる。

【００１３】そして、前記薄膜が前記過冷却液体域より
も低い温度に冷却されると、再び前記薄膜は固体状とな
って高い剛性を示すようになる。したがって、前記過冷
却液体域において所望する形状に作製された前記薄膜
は、その形状を維持したまま高い剛性を有する固体状物
となる。本発明は、過冷却液体域を有する非晶質材料か
らなる薄膜の上記のような特性を見出すとともにこの特
性に着目し、この特性を利用することによってなされた
ものである。

【００１４】本発明の薄膜構造体の製造方法によれば、
非晶質材料からなる薄膜が過冷却液体域に加熱されたと
きのみ、前記薄膜が粘性流動を示すため簡易に前記薄膜
の形状を変化させることができる。そして、室温近傍の
通常の使用状態においては前記薄膜の剛性が極めて高く
なるため、前記薄膜の形状をほとんど変化させることが
できなくなる。したがって、高い生産性と高い再現性と
を有し、成形後の形態安定性に優れた薄膜構造体を提供
することが可能となる。

【００１５】なお、本発明における「過冷却液体域」と
は、ガラス転移温度( Ｔｇ) から結晶化開始温度( Ｔ
ｘ) までの温度領域（△Ｔｘ）をいう。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明を発明の実施の形態
に則して詳細に説明する。本発明の薄膜構造体は、過冷
却液体域を有する非晶質材料の薄膜から構成されること
が必要である。非晶質材料の種類としては、酸化物ガラ
ス（ＳｉＯ_２，パイレツクスガラス等) 、カルコゲナ
イド半導体( Ａｓ−Ｓ, Ｓｉ−Ａｓ−Ｔｅ等）、及び一
部の非晶質合金( Ｚｒ−Ｃｕ−ＡｌやＰｄ−Ｃｕ−Ｓｉ
など) の金属ガラスを例示することができる。

【００１７】そして、過冷却液体域のガラス転移温度が
２００〜６００℃の温度範囲にある非晶質材料を使用す
ることが好ましく、さらには２５０〜４００℃の温度範
囲にある非晶質材料を使用することが好ましい。非晶質
材料がこのような比較的低いガラス転移温度を有するこ
とによって、薄膜の加熱行程が簡素化される。

【００１８】また、非晶質材料を成膜する基板や、基板
を保持する治具などの材料選択の幅が広がる。ガラス転
移温度周辺の非晶質材料は、一般的に１０¹³〜１０¹¹Ｐ
ａ・Ｓの粘度を有するので、薄膜の粘度が低下しすぎて
短時間に大きく湾曲することにより、薄膜自体が過剰に
変形したり、破壊したりすることを防止できる。また、
このような非晶質材料からなる薄膜は室温近傍において
極めて高い剛性を有する。したがって、過冷却液体域で
薄膜を湾曲させることによって得た形状が、室温近傍に
おける使用過程においてほとんど変化しなくなる。した
がって、極めて形状安定性に優れた薄膜構造体の提供が
可能となる。

【００１９】さらに、過冷却液体域の温度幅は２０℃以
上であることが望ましい。このように比較的広い過冷却
液体域を有することによって、薄膜の加熱工程が簡易化
される。また、このように比較的広い過冷却液体域を有
することによって、加熱時の温度変動による影響を低減
することができる。このような非晶質材料としては、Ｚ
ｒ₆₆Ｃｕ₃₃Ａｌ、Ｐｄ₇₆Ｃｕ₆Ｓｉ₁₈及び酸化ボロンな
どを例示することができる。

【００２０】本発明の薄膜構造体は、前記のような非晶
質材料からなる薄膜を過冷却液体域まで加熱して製造す
ることが必要である。薄膜を加熱する手段としては、赤
外線加熱、誘導加熱、抵抗加熱などの公知の加熱手段を
用いることができる。

【００２１】さらに、本発明の薄膜構造体は、前記薄膜
を過冷却液体域に加熱した後、前記薄膜がこの温度状態
にあるときに前記薄膜を湾曲させることが必要である。
薄膜を湾曲させる手段としては、本発明にしたがって、
薄膜に対して機械的な外力、静電的な外力、磁気的な外
力を加えて行う他、バイモルフ効果を利用する方法など
がある。以下、それぞれについて説明する。

【００２２】（機械的な外力によって湾曲させる方法）この場合においては、薄膜を過冷却液体域まで加熱する
前に前記薄膜にマイクロマニピュレータなどに取り付け
られた微細針などにより外力を与えて湾曲させ、過冷却
液体域の加熱行程中、この外力を保持する。そして、こ
の状態で前記薄膜を過冷却液体域まで加熱すると、薄膜
が軟化して外力による変形の応力を緩和するため永久ひ
ずみを生じるようになる。そして、この永久ひずみを持
って薄膜の変形量とするものである。なお、薄膜の湾曲
は、過冷却液体域に加熱した後に微細針などにより外力
を与え、前記薄膜を加熱保持している最中に直接的に行
うこともできる。

【００２３】（静電的な外力によって湾曲させる方法）スパッタなど公知の成膜方法により、金などの導電性材
料からなる電極層を前記薄膜と隣接するように形成す
る。そして、前記電極層と対向するようにして対向電極
を設ける。そして、前記電極層と前記対向電極とを外部
電源を接続して電圧を印加し、この間に静電力を発生さ
せ、過冷却液体域にある前記薄膜を湾曲させる。薄膜の
変形量は、前記薄膜と前記対向電極とのギャップ、印加
する電圧、および加熱温度と加熱時間により制御でき
る。なお、電圧印加による静電力の発生は、前記薄膜の
加熱前後のいずれでもよい。

【００２４】（磁気的な外力によって湾曲させる方法）磁気的な外力によって薄膜を湾曲させる場合は、前記薄
膜と隣接させて磁性層を形成する。そして、前記磁性層
と対向させて永久磁石又は電磁石などの対向磁石を設置
する。そして、前記磁性層と前記対向電極との間に発生
する磁力による吸引あるいは反発によって、過冷却液体
域にある前記薄膜を湾曲させる。

【００２５】このように磁気的な外力によって薄膜を湾
曲させる場合、前記磁性層を構成する磁性材料のキュリ
ー点が、過冷却液体域を有する前記薄膜のガラス転位温
度よりも高いことが必要である。これによって、前記薄
膜を過冷却液体域に加熱した場合においても、前記磁性
層は磁性を維持することが可能であるため、本方法によ
って前記薄膜を湾曲させることができる。薄膜の変形量
は前記薄膜などと磁石とのギャップ、磁束密度、及び加
熱温度、加熱時間により制御することができる。

【００２６】また、本方法による場合、前記磁性層を構
成する磁性材料のキュリー点が２１０〜１２００℃であ
ることが好ましく、さらには３５０〜１１５０℃である
ことが好ましい。これによって、前記薄膜を過冷却液体
域まで加熱した場合においても前記薄膜などが十分に大
きい磁化を有するため、前記ギャップや前記磁束密度な
どで決定される磁気的な外力のみによって、前記薄膜を
所望の形状に簡易に形成することができる。このような
磁性材料としてはＦｅ、Ｎｉ、Ｃｏ及びＮｉ₃Ｆｅを好
ましくは用いることができる。

【００２７】（バイモルフ効果によって湾曲させる方
法）バイモルフ効果によって薄膜を湾曲させるためには、前
記薄膜と内部応力の異なる補助層を前記薄膜と隣接させ
て形成する。そして、前記薄膜を過冷却液体域に加熱し
た際に、前記薄膜と前記補助層との内部応力差に起因
し、両者の界面に発生した応力によって前記薄膜を湾曲
させる。具体的には、スパッタ時の雰囲気圧などの成膜
条件を操作することによって内部応力を発生させた補助
層を直接形成したり、基板を構成する材料と前記薄膜を
構成する材料との混合層から補助層を構成したりするこ
とができる。

【００２８】内部応力を有する補助層としては、内部応
力の絶対値が１ＭＰａ〜３ＧＰａ、さらに好ましくは１
０ＭＰａ〜１００ＭＰａである材料、具体的には直流ス
パッタ法によりスパッタ時のアルゴン雰囲気圧力０．３
Ｐａ、スパッタ電圧５００Ｖで成膜されたＣｒ層などを
用いることができる。

【００２９】また、この場合において補助層の厚さを大
きくし過ぎると「従来の技術」で述べたように、常温付
近のバイモルフ効果によって薄膜構造体の形状が経時的
に変化してしまう場合がある。したがって、前記補助層
の厚さは薄い方が好ましい。具体的な厚さは前記薄膜と
前記補助層とのヤング率によって決定されるが、両者の
ヤング率が同じ程度の場合、前記補助層の厚さは前記薄
膜の厚さの１／１００以下が好ましく、さらには１０〜
２００ｎｍの範囲にあることが好ましい。

【００３０】また、基板と過冷却液体域を有する非晶質
材料からなる混合層で前記補助層を構成する場合は、ス
パッタリングによって前記薄膜を形成する過程におい
て、例えばスパッタ時の雰囲気圧力及びスパッタ出力な
どのスパッタリング条件を制御することによって、前記
基板が逆スパッタされるようにする。すると、前記薄膜
中に基板構成粒子が混入し、前記のような混合層を形成
することができる。

【００３１】この場合においても混合層の厚さが前記薄
膜の厚さに比べて大きくなり過ぎると、常温付近でのバ
イモルフ効果によって、薄膜構造体の形状が経時的に変
化する場合がある。したがって、補助層を混合層によっ
て構成する場合においても、前記同様の厚さによる制限
を課すことが好ましい。

【００３２】本方法によって薄膜を湾曲させる場合、薄
膜の変形量は、前記薄膜及び前記補助層のヤング率及び
厚さにおける差と、加熱温度及び加熱時間とに依存す
る。

【００３３】上記のようにして薄膜を湾曲させ、薄膜構
造体を形成した後は、熱放射などによる自然冷却、冷却
用ガス導入による冷却、冷却盤との接触による冷却など
の冷却手段を用いて室温まで冷却する。また、磁気的な
外力によって湾曲させる場合は、水冷した電磁石などに
接触させることによっても行うことができる。また、過
冷却液体域を有する非晶質材料からなる薄膜を基板上に
形成する手段としては、スパッタリング、蒸着法などの
物理蒸着法や、ＣＶＤ法などの化学蒸着法などによって
形成することができる。

【００３４】本発明の薄膜構造体を構成する前記薄膜の
厚さは特に限定されず、用途に応じてあらゆる厚さに形
成することができる。しかしながら、各種センサや各種
プローブなどに使用する場合は、一般に１〜２０μｍの
厚さに形成する。また、前記薄膜は用途に応じてウエッ
トエッチング法、ドライエッチング法、及びリフトオフ
法などによって、予め所望の平面構造体に形成しておく
こともできる。

【００３５】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づいて詳細に説明
する。実施例１本実施例においては、過冷却液体域を有する非晶質材料
からなる薄膜を、機械的な外力によって湾曲させた。図
１〜５は、本実施例による薄膜構造体の製造工程を示す
工程図である。図１は、本発明の薄膜構造体の製造方法
における最初の工程を示す平面図であり、図２〜５は、
それぞれ図１に続く工程を経時的に示す断面図である。
また、図３は、図２に示す平面図のII−II線における断
面図を示したものである。基板４０には、厚さ２００μ
ｍ、結晶方位１００面の単結晶シリコンウェハを用い
た。

【００３６】図１に示すように、基板４０の主面４０Ａ
上にスピンコート法によりレジストを厚さ１μｍで塗布
し、露光装置により長方形の犠牲層４１をパターニング
して形成した。次いで、基板４０の主面４０Ａ上におい
て、犠牲層４１の全体を覆うようにして酸化ボロン（Ｂ
₂Ｏ₃ ）からなる薄膜４２を、ＣＶＤ法によって厚さ約
２μｍに形成した。次いで、基板４０の裏面４０Ｂに、
レジストを同じくスピンコート法により厚さ０. ５μｍ
に塗布した後、パターニングしてマスク４３を形成し
た。

【００３７】次いで、このマスク４３を利用することに
よって、基板４０を８０℃の水酸化カリウム(ＫＯＨ）
水溶液(濃度４０重量％）に1.６時間浸漬してエッチン
グを行い、犠牲層４１まで達する貫通穴４４を形成し
た。次いで、図２及び３に示すように、図示しないレジ
ストからなる保護膜を薄膜４２上に形成した後、フッ酸
緩衝液に浸漬してエッチングを行い、薄膜４２を両持ち
梁形状に形成した。その後、犠牲層４１及びマスク４３
をメチルエチルケトンで剥離・除去した。

【００３８】次いで、図４に示すように、ＳＵＳ３０４
製の治具４６を貫通穴４４より薄膜４２に押し当てた状
態で、ヒータと温度制御器からなる加熱装置４７に載置
した。次いで、５６０℃まで加熱速度１０℃／分で加熱
し, この温度で２分間保持した。なお、薄膜４２を構成
する酸化ボロンのガラス転移温度Ｔｇは５５３℃であっ
た。その後、ヒータ加熱によって自然冷却を制御するこ
とにより、１０℃／分の冷却速度で薄膜４２を室温まで
冷却し、加熱装置４７と治具４６を取り外した。する
と、図５に示すような立体的な薄膜構造体４８が得られ
た。

【００３９】実施例２本実施例においては、過冷却液体域を有する非晶質材料
からなる薄膜を、静電的な外力によって湾曲させた。図
６〜１０は、本実施例による薄膜構造体の製造工程を示
す工程図である。図６は、本発明の薄膜構造体の製造方
法における最初の工程を示す平面図であり、図７〜１０
は、それぞれ図６に続く工程を経時的に示す断面図であ
る。また、図８は、図７に示す平面図のIII −III 線に
おける断面図を示したものである。基板５０には厚さ２
５０μｍ, 結晶方位１００面の単結晶シリコンウェハを
用いた。

【００４０】最初に、図６に示すように、基板５０の主
面５０Ａ上にクロム薄膜５１をスパッタリング法により
厚さ５０ｎｍに形成した。次いで、クロム薄膜５１上に
酸化ボロンからなる薄膜５２をＣＶＤ法により厚さ約２
μｍに形成した。次いで、図７及び８に示すように、薄
膜５２上に図示しないレジストからなる保護膜を形成し
た後、フッ酸緩衝液に浸漬してエッチングを行い、薄膜
５２及びクロム薄膜５１をパターニングした。次いで、
基板５０の裏面５０Ｂに図示しないレジストからなる保
護膜を形成した後、基板５０を８０℃の水酸化カリウム
水溶液(濃度４０重量％）に２時間浸漬させてエッチン
グを行い、エツチピット５４を形成した。

【００４１】次いで、図９に示すように、薄膜５２の上
方に直径５０μｍのガラスビーズ６０を介して成形用電
極５９を設置した。成形用電極５９は、酸化シリコンか
らなる絶縁層５８と、クロム電極５７と、石英ガラス５
６とが積層されて構成されている。次いで、基板５０と
成形用電極５９とを外部電源６１に接続し、両者に一定
の電圧Ｖを印加することによって、クロム薄膜５１と成
形用電極５９との間に静電力を発生させ、これによって
薄膜５２を成形用電極５９に吸着させた。

【００４２】次いで、基板５０の裏面５０側に加熱装置
６２を設ける。そして、基板５０を加熱速度１０℃／分
で５６０℃まで加熱し、２分間保持した。なお、酸化ボ
ロンのガラス転移温度Ｔｇは５５３℃であった。その
後、加熱装置により自然冷却を制御することによって冷
却速度１０℃／分で室温まで冷却した。その結果、図１
０に示すような薄膜構造体６３が得られた。

【００４３】本実施例では、基板５０と成形用電極５９
との間に高電圧を印加し、これらの間に大きな静電力を
発生させている。したがって、薄膜５２を過冷却液体域
に加熱する以前において、薄膜５２が成形用電極５９に
吸着している。しかしながら、基板５０と成形用電極５
９との間に比較的低い電圧を印加した場合においても、
薄膜５２を過冷却液体域に加熱することにより薄膜５２
が粘性流動を示すため、薄膜５２が成形用電極５９に吸
着して薄膜構造体６３を形成することができる。

【００４４】実施例３本実施例では、過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を、磁気的な外力によって湾曲させた。図１１〜
１６は、本実施例による薄膜構造体の製造工程を示す工
程図である。図１１は、本発明の薄膜構造体の製造方法
における最初の工程を示す平面図であり、図１２は、図
１１に示す平面図のIV−IV線における断面図を示したも
のである。そして、図１３〜１６は、それぞれ図１１及
び１２に続く工程を経時的に示す断面図である。基板７
０には厚さ２５０μｍ, 結晶方位１００面の単結晶シリ
コンウェハを用いた。

【００４５】最初に、図１１及び１２に示すように、基
板７０の主面７０Ａ上にスピンコート法によってポリイ
ミド膜を厚さ５μｍに形成した後、ＲＩＥによって片持
ち梁形状のネガパターン７２を形成した。次いで、図１
３に示すように、スパッタリング法により、基板７０の
主面７０Ａ上にＰｄ_６１Ｐｔ_１５Ｃｕ_６Ｓｉ_１８の金属
ガラスからなる薄膜７３を、ネガパターン７２を覆うよ
うにして厚さ２μm に形成した。次いで、薄膜７３上に
強磁性体であるＣｏからなる磁性層７４を厚さ０．５μ
ｍとなるように、スパッタリング法によって形成した。
さらに、基板７０の裏面７０Ｂ上にレジストからなる保
護層７５を、スピンコートにより厚さ約１μｍに形成し
た。

【００４６】次いで、図１４に示すように、８０℃に加
熱した水酸化カリウム（濃度４０重量％）に基板７０を
２時間浸漬させることによってウエットエッチングを行
い、ネガパターン７２を除去することによって、薄膜７
３と磁性層７４とをパターニング（リフトオフ）した。
そして、基板７０を異方性エッチングすることによっ
て、エツチピット７７を形成した。その後、保護層７５
をメチルエチルケトンに５分間浸漬させることによって
エッチング除去した。次いで、図１５に示すように基板
７０の裏面７０Ｂ側に加熱装置７８を設け、この加熱装
置７８によって, 薄膜７３を加熱速度1 0 ℃/ 分で４２
５℃まで加熱した。なお、Ｐｄ_６１Ｐｔ_１５Ｃｕ_６Ｓｉ
_１８のガラス転位温度Ｔｇは３５７℃であった。

【００４７】そして、薄膜７３の温度が４２５℃になっ
たところで、図示しない直動機構によって駆動されるシ
ャフト７９に接続された永久磁石８０を磁性層７４に接
近させた。この場合において、基板７０と永久磁石８０
とのギャップは、前記直動機構に具備された変位センサ
のデータより決定される。また、永久磁石８０の極性
は、薄膜７３と対向する側をＮ極とし、反対側をＳ極と
した。さらに永久磁石８０を熱より保護する目的で、冷
却管８１を永久磁石８０内に設けた。なお、Ｃｏのキュ
リー点は１１３１℃であるので, 前記のように４２５℃
まで加熱した場合においても、その強磁性を失うことが
ない。

【００４８】上記温度に薄膜７３を加熱することによっ
て、薄膜７３は過冷却液体域にあって軟化しているた
め、磁性層７４が永久磁石８０に吸引されるのにしたが
って湾曲する。薄膜７３の変形が進んで磁性層７４が永
久磁石８０に吸着すると、薄膜７３は冷却され、ガラス
転移温度３５７℃以下になった時点で変形が固定され
る。これによって図１６に示すような薄膜構造体８２を
得ることができた。なお、磁性層７４は薄膜構造体８２
を得た後に、必要に応じ塩酸などでエッチング除去する
こともできる。

【００４９】実施例４本実施例では、過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を、バイモルフ効果によって湾曲させた。図１７
〜２２は、本実施例による薄膜構造体の製造工程を示す
工程図である。図１７は、本発明の薄膜構造体の製造方
法における最初の工程を示す平面図であり、図１８は、
図１７に示す平面図のＶ−Ｖ線における断面図を示した
ものである。そして、図１９〜２２は、それぞれ図１７
及び１８に続く工程を経時的に示す断面図である。基板
９０には厚さ２００μｍ、結晶方位１００面の単結晶シ
リコンウェハを用いた。

【００５０】最初に、図１７及び１８に示すように、基
板９０の主面９０Ａ上にポリイミド膜をスピンコート法
によって厚さ５μｍに形成した後、ＲＩＥによって片持
ち梁形状のネガパターン９２を形成した。次いで、図１
９に示すようにＰｄ_６１Ｐｔ_１５Ｃｕ_６Ｓｉ_１８の金属
ガラスからなる薄膜９３をスパッタリング法により、厚
さ２μｍに形成した。さらに、基板９０の裏面９０Ｂに
レジストからなる保護層９４を、スピンコートにより厚
さ約１μｍに形成した。

【００５１】次いで、図２０に示すように、８０℃に加
熱した水酸化カリウム（濃度４０重量％）に３時間浸漬
することによりウェットエッチングを行い、ネガパター
ン９２を除去することにより薄膜９３をパターニング
(リフトオフ) して、片持ち梁形状の薄膜９５を形成し
た。さらに、基板９０を異方性エッチングすることによ
って、基板９０の基部９６のみが残るようにした。その
後、保護膜９４をメチルエチルケトンに５分間浸漬させ
ることによって除去した。

【００５２】次いで、図２１に示すように、このアセン
ブリを加熱装置９７を有する図示しないスパッタリング
装置内に入れた。その後、スパッタリング装置内を１０
^―３Ｐａまで真空排気した後に、アルゴンガスを圧力が
０．４Ｐａとなるように導入した。そして、加熱速度１
０℃／分で４２５℃まで加熱するとともに、加熱温度が
３５５℃を超えた時点で、スパッタリングによってクロ
ム層９８を片持ち梁形状の薄膜９５上に、厚さ約０．１
μｍに形成した。なお、Ｐｄ_６１Ｐｔ_１５Ｃｕ_６Ｓｉ
_１８のガラス転位温度Ｔｇは上記したように３５７℃で
あった。

【００５３】薄膜９５の温度が３５７℃を超えた時点に
おいて、クロム層９８内部に発生した圧縮応力により、
薄膜９５とクロム層９８との界面には薄膜９５を下方へ
引っ張る力が作用する。その結果、薄膜９５は下方へ垂
れ下がった形状を呈するようになった。

【００５４】そして、クロム層９８の形成が完了すると
ともに加熱を終了し、加熱装置により放射冷却を制御す
ることによって、１０℃／分の冷却速度で室温まで冷却
した。薄膜９５の温度が薄膜９５を構成する金属ガラス
の過冷却液体域より低くなると、薄膜９５の変形は終了
する。したがって、最終的に図２２に示すような薄膜構
造体９９を得た。薄膜構造体９９を得た後、クロム層９
８は必要に応じて塩酸でエッチング除去することもでき
る。

【００５５】実施例６本実施例では、過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を、バイモルフ効果によって湾曲させた。但し、
実施例５と異なり、基板と前記薄膜を構成する非晶質材
料とからなる混合層を形成し、この混合層と前記薄膜と
のバイモルフ効果を利用した。

【００５６】図２３〜２７は、本実施例による薄膜構造
体の製造工程を示す工程図である。図２３は、本発明の
薄膜構造体の製造方法における最初の工程を示す平面図
であり、図２４は、図２３に示す平面図のVI−VI線にお
ける断面図を示したものである。そして、図２５〜２７
は、それぞれ図２３及び２４に続く工程を経時的に示す
断面図である。基板１００には厚さ２００μｍ、結晶方
位１００面の単結晶シリコンウェハを用いた。

【００５７】最初に、図２３及び２４に示すように、基
板１００の主面１００Ａ上にスピンコート法によってポ
リイミド膜を厚さ５μｍに形成した。そして、ＲＩＥに
より片持ち梁形状のネガパターン１２を形成した。次い
で、図２５に示すように、Ｚｒ_６６Ｃｕ_３３Ａｌ_１の金
属ガラスからなる薄膜１０４を、高周波マグネトロンス
パックリング法により基板１００の主面１００Ａ上に厚
さ２μｍに形成した。そして、薄膜１０４を形成する際
に、スパッタリング条件を雰囲気圧力０．０３Ｐａ、ス
パッタ出力１５０Ｗとすることによって、基板１００の
主面１００Ａが薄膜１０４を構成する元素によって逆ス
パッタされるようにした。その結果、基板１００と薄膜
１０４との間に、前記金属ガラス粒子と基板を構成する
シリコン粒子とが混合して形成された約２０ｎｍの厚さ
の混合層１０５が形成された。

【００５８】次いで、基板１００の裏面１００Ｂ側にレ
ジストからなる保護層１０６をスピンコートにより厚さ
約１μｍに形成した。次いで、図２６に示すように、８
０℃に加熱した水酸化カリウム（濃度約４０重量％）に
２時間浸漬させることによってウェットエッチングを行
い、ネガパターン１０２を除去した。さらに、薄膜１０
４及び混合層１０５をパターニング（リフトオフ）する
とともに、基板１０４を異方性エッチングすることによ
ってエツチピット1 ０７を形成した。その後、基板１０
０の全体をメチルエチルケトンに５分間浸漬させること
によって保護層１５を除去した。

【００５９】次いで、図２７に示すように、薄膜１０４
上に熱電対１７及びチタン箔（厚さ５０μm)のカバー１
８を設置し、このアセンブリを真空容器１９中に入れ
た。そして、赤外線ヒータ２１によって加熱速度１０℃
／分で６６０℃まで薄膜１０４を加熱した。すると、混
合層１０５及び薄膜１０４の熱膨脹係数の差から両者の
界面に応力が生じる。この場合、混合層１０５の熱膨脹
係数が薄膜１０４の熱膨脹係数よりも小さいので、薄膜
１０４には混合層１０５から圧縮応力が作用する。した
がって、薄膜１０４は下方に向かって変形した。

【００６０】図２８は、薄膜１０４のたわみ量を加熱前
後で測定した結果を示すものである。図２８から明らか
なように、加熱前において薄膜１０４はほとんど変化し
ていないが、加熱後においてはバイモルフ効果によって
大きくたわんでいることが分かる。すなわち、本実施例
の方法によって片持ち梁構造の薄膜構造体を形成できる
ことが確認された。

【００６１】以上、具体例を挙げながら、本発明の発明
の実施に形態に則して説明してきたが、本発明は上記内
容に限定されるものではなく、本発明の範疇を逸脱しな
い限りにおいて、あらゆる変形や変更が可能である。

【００６２】

【発明の効果】本発明の薄膜構造体は、過冷却液体域を
有する非晶質材料から薄膜構造体を構成し、このような
非晶質材料の過冷却液体域前後による特異な物性を利用
して薄膜構造体を形成するようにしている。このため、
高い生産性と高い再現性とを有し、成形後の形状安定性
に優れた薄膜構造体を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の薄膜構造体の製造方法の一例におけ
る、最初の工程を示す平面図である。

【図２】図１に示す工程の後の工程を示す平面図であ
る。

【図３】図２に示す平面図のII−II線における断面図
である。

【図４】図３に示す工程の後の工程を示す断面図であ
る。

【図５】図４に示す工程の後の工程を示す断面図であ
る。

【図６】本発明の薄膜構造体の製造方法の他の例にお
ける、最初の工程を示す平面図である。

【図７】図６に示す工程の後の工程を示す平面図であ
る。

【図８】図７に示す平面図の III−III 線における断
面図である。

【図９】図８に示す工程の後の工程を示す断面図であ
る。

【図１０】図９に示す工程の後の工程を示す断面図で
ある。

【図１１】本発明の薄膜構造体の製造方法のその他の
例における、最初の工程を示す平面図である。

【図１２】図１１に示す平面図のIV―IV線における断
面図である。

【図１３】図１１及び１２に示す工程の後の工程を示
す断面図である。

【図１４】図１３に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図１５】図１４に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図１６】図１５に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図１７】本発明の薄膜構造体の製造方法の一例にお
ける、最初の工程を示す平面図である。

【図１８】図１７に示す平面図のＶ―Ｖ線における断
面図である。

【図１９】図１７及び１８に示す工程の後の工程を示
す断面図である。

【図２０】図１９に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図２１】図２０に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図２２】図２１に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図２３】本発明の薄膜構造体の製造方法の他の例に
おいて、最初の工程を示す平面図である。

【図２４】図２３に示す平面図のVI−VI線における断
面図である。

【図２５】図２３及び２４に示す工程の後の工程を示
す断面図である。

【図２６】図２５に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図２７】図２６に示す工程の後の工程を示す断面図
である。

【図２８】本発明の薄膜構造体を構成する薄膜の、過
冷却液体域に加熱する前後におけるたわみ量を示す図で
ある。

【符号の説明】

１７熱電対１８カバー１９真空容器２０石英ガラス窓２１赤外線ヒータ２２温度調節器４０、５０、７０、９０、１００基板４１犠牲層４２、５２、７３、９３薄膜４３マスク４４貫通孔４６治具４７、６２、７８、９７加熱装置４８、６３、８２、９９薄膜構造体５１クロム薄膜５４、７７、１０７エッチピット５６石英ガラス窓５７クロム電極５８絶縁層５９成形用電極６０ガラスビーズ６１外部電源７２、９２、１０２ネガパターン７４磁性層７５、９４、１０６保護層７９シャフト８０永久磁石８１冷却管９５片持ち梁構造の薄膜９６基板の基部９８クロム層１０５混合層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩＧ０１Ｒ 1/073 Ｇ０１Ｒ 1/073 Ｆ (56)参考文献特開平９−126833（ＪＰ，Ａ) 特開平９−237906（ＪＰ，Ａ) 特開平９−234630（ＪＰ，Ａ) 特開平11−58244（ＪＰ，Ａ) 特開平５−309427（ＪＰ，Ａ) 特開平８−199318（ＪＰ，Ａ) 特開平８−74010（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−74059（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B81C 1/00 C03B 23/00 C23C 45/00 C23C 30/00 C23C 14/35 G01R 1/073

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に形成する工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜に対
して微細針状部材による機械的な外力を負荷することに
より、前記薄膜を湾曲させて薄膜構造体を形成する工程
と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、薄膜構造体の製造
方法。
【請求項２】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に形成する工程と、前記薄膜に隣接させて導電性材料からなる電極層を形成
する工程と、前記電極層に対向させて対向電極を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱するとともに、前
記電極層と前記対向電極との間に電圧を印加し、前記薄
膜に対して前記電極層と前記対向電極との間に生じた静
電的な外力を負荷することにより、前記薄膜を湾曲させ
て薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、薄膜構造体の製造
方法。
【請求項３】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に形成する工程と、前記薄膜に隣接させて磁性材料からなる磁性層を形成す
る工程と、前記磁性層に対向させて対向磁石を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜に対
して前記磁性層と前記対向磁石との間に生じた磁気的な
外力を負荷することにより、前記薄膜を湾曲させて薄膜
構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、薄膜構造体の製造
方法。
【請求項４】前記磁性層は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ及びＭ
ｎから選ばれる少なくとも１種の磁性材料からなること
を特徴とする、請求項３に記載の薄膜構造体の製造方
法。
【請求項５】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に形成する工程と、前記薄膜に隣接させて内部応力を有する補助層を形成す
る工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜と前
記補助層との間の界面に生じた応力により、前記薄膜を
湾曲させて薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、薄膜構造体の製造
方法。
【請求項６】前記補助層は、前記基板を構成する材料
と前記薄膜を構成する材料とが混合してなる混合層であ
ることを特徴とする、請求項５に記載の薄膜構造体の製
造方法。
【請求項７】前記補助層の厚さが、前記薄膜の厚さの
１／１００以下であることを特徴とする、請求項５又は
６に記載の薄膜構造体の製造方法。
【請求項８】前記薄膜は、Ｚｒ₆₆Ｃｕ₃₃Ａｌ、Ｐｄ₇₆
Ｃｕ₆Ｓｉ₁₈及び酸化ボロンの少なくとも一種からなる
ことを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一に記載の
薄膜構造体の製造方法。
【請求項９】過冷却液体域を有する非晶質材料からな
る薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する工
程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜に対
して微細針状部材による機械的な外力を負荷することに
より、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍの薄膜構
造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、センサ用薄膜構造
体の製造方法。
【請求項１０】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて導電性材料からなる電極層を形成
する工程と、前記電極層に対向させて対向電極を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱するとともに、前
記対向電極に電圧を印加し、前記薄膜に対して前記電極
層と前記対向電極との間に生じた静電的な外力を負荷す
ることにより、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍ
の薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、センサ用薄膜構造
体の製造方法。
【請求項１１】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて磁性材料からなる磁性層を形成す
る工程と、前記磁性層に対向させて対向磁石を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜に対
して前記磁性層と前記対向磁石との間に生じた磁気的な
外力を負荷することにより、前記薄膜を湾曲させて厚さ
１〜２０μｍの薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、センサ用薄膜構造
体の製造方法。
【請求項１２】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて内部応力を有する補助層を形成す
る工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜と前
記補助層との間の内部応力差によって生じた応力によ
り、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍの薄膜構造
体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、センサ用薄膜構造
体の製造方法。
【請求項１３】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱し、前記薄膜に対
して微細針状部材による機械的な外力を負荷することに
より、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍの薄膜構
造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、プローブ用薄膜構
造体の製造方法。
【請求項１４】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて導電性材料からなる電極層を形成
する工程と、前記電極層に対向させて対向電極を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱するとともに、前
記対向電極に電圧を印加し、前記薄膜に対して前記電極
層と前記対向電極との間に生じた静電的な外力を負荷す
ることにより、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍ
の薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、プローブ用薄膜構
造体の製造方法。
【請求項１５】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて磁性材料からなる磁性層を形成す
る工程と、前記磁性層に対向させて対向磁石を設ける工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱して、前記薄膜に
対して前記磁性層と前記対向磁石との間に生じた磁気的
な外力を負荷することにより、前記薄膜を湾曲させて厚
さ１〜２０μｍの薄膜構造体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、プローブ用薄膜構
造体の製造方法。
【請求項１６】過冷却液体域を有する非晶質材料から
なる薄膜を所定の基板上に厚さ１〜２０μｍに形成する
工程と、前記薄膜に隣接させて内部応力を有する補助層を形成す
る工程と、前記薄膜を前記過冷却液体域まで加熱して、前記薄膜と
前記補助層との間の内部応力差によって生じた応力によ
り、前記薄膜を湾曲させて厚さ１〜２０μｍの薄膜構造
体を形成する工程と、前記薄膜構造体を前記過冷却液体域から室温まで冷却さ
せる工程とを含むことを特徴とする、プローブ用薄膜構
造体の製造方法。