マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法
マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法が提供される。前記マイクロメカニカル構造体は、シリコン（Ｓｉ）系基板と、前記基板上に直接形成されたマイクロメカニカル要素と、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成されたアンダーカットと、を備えるものであり、前記アンダーカットは、前記シリル系基板に形成された凹部状のものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の半導体製造技術では、オプトエレクトロニクスデバイスやマイクロエレクトロニクスデバイスにおいて、ワイドバンドギャップを有する材料が一般的に用いられている。このような材料の一例として窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。ＧａＮは、バンドギャップが広く（たとえば、Ｅｇ〜３．４ｅＶ（３００Ｋ））、弾性係数が高く、圧電係数および圧電抵抗係数が高く、化学的に不活性であるという性質を有する。このように、ＧａＮは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）に適用するための材料として適しており、特に、高温圧電性や高い破壊電圧などが要求される条件のような厳しい条件下において用いられるものに適したものである。
【０００３】
一般的に、ＧａＮの単結晶が不足しているため、オプトエレクトロニクスデバイスやマイクロエレクトロニクスデバイス用のＧａＮヘテロエピタキシャル層は、格子不整合度が約１６％であるサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板や格子不整合度が約３．４％である炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板などの「異材料」からなる基板上で成長が行なわれる。なお、このような「異材料」からなる基板は典型的なものであり、必ずしも望ましいものではない。たとえば、サファイア基板上で成長させたＧａＮフィルムは、ＧａＮのエピ層と基板との間の格子不整合度および熱膨張率の差が大きいため、格子欠陥（たとえば、主として、貫通転位）を高密度で含むものである。
【０００４】
「異材料」からなる基板の代わりとして、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板やシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板などのＧａＮのヘテロエピタキシャル成長に用いることができる他の基板が挙げられる。Ｓｉ（１１１）基板上でＧａＮの成長を行なう方法により、従来用いられている基板の代わりとして、より安価で、より入手し易いシリコンを用いるという選択が可能となる。そもそも、ＧａＮ系のデバイスは、十分に確立されたシリコンプロセス技術に基づいて集積されている。しかしながら、格子定数および熱膨張係数の差異が大きいため、有機金属化学成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、Ｓｉ基板上に優れた品質を有するＧａＮフィルムを形成することができなかった。Ｓｉ上に形成されるＧａＮの品質を改善するために、ＡｌＮ層やＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ／ＡｌＮ層のような別の緩衝層や中間層を使用する方法が提案されている。この方法によれば、適切な条件により成長を行なうことで、格子定数および熱的性質が大きく異なってしまうことを避けることができる。高温のＡｌＮ緩衝層は別にして、「“Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111) substrates”, Appl. Phys. Lett. 85, 5881 (2004)」に開示されたＷａｎｇらによる方法によれば、シリコンをデルタドープした中間層を用いることで、クラックや伸張ストレスの低減を可能としている。
【０００５】
優れた品質を有するウルツ鉱型ＧａＮエピ層が、Ｓｉ（１００）基板またはＳＯＩ基板上で成長可能であれば、シリコンエレクトロニクスによるＧａＮ系のデバイスの集積が可能となる。Ｚｈｏｕらは、「“Comparison of the properties of GaN grown on complex Si-based structures”, Appl. Phys. Lett., 86, 081912 (2005)」において、集積化のために、ＳＯＩ（１１１）上にＧａＮを成長させる技術を開示している。ＳＯＩ系の技術は、一般的に、エレクトロニックデバイスやマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを含むマイクロスケール用途において用いられ、この場合においては、工程制御に優れ、かつ、電気的および機械的性質の信頼性が改善されているという利点を有するシリコン単結晶を提供することができる。ＳＯＩウェハは、一般的に、ウェハボンディングやスマートカットなどの各工程や、いわゆるイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ；Separation by Implantation of Oxygen）のような方法を用いて調製することができる。ＳＯＩ基板を用いることで、サファイア基板やＳｉＣ基板を用いた場合よりも、複数の利点がある。このような利点としては、大きなサイズの基板（たとえば、１２インチ以上）を使用できることが挙げられ、これにより、コストを低減でき、さらには、Ｓｉ系のマイクロエレクトロニクスによる集積をより容易にすることが可能となる。
【０００６】
Ｍ.Ａ. Ｓｈａｈ、Ｓ.Ｖｉｃｋｎｅｓｈ、Ｌ. Ｓ. Ｗａｎｇ、Ｊ. Ａｒｏｋｉａｒａｊ、Ａ. Ｒａｍａ、Ｓ. Ｊ. ＣｈｕａおよびＳ. Ｔｒｉｐａｔｈｙは、「“Fabrication of Freestanding GaN Micromechanical Structures on Silicon-on-Insulator Substrates”, Electrochem. Solid-State Lett., 8, G275 (2005)」において、ＭＯＣＶＤを用いたＳＩＭＯＸ法により調製した（１００）配向のＳＯＩ基板上にＧａＮ系エピ層を成長させ、ＳＯＩプラットフォーム上にＧａＮ系のマイクロメカニカル構造体を形成するための製造方法を開示している。Ｌ. Ｓ. Ｗａｎｇ、Ｓ. Ｔｒｉｐａｔｈｙ、Ｓ. Ｊ. ＣｈｕａおよびＫ. Ｙ. Ｚａｎｇは、「“InGaN/GaN multi-quantum-well structures on (111)-oriented bonded silicon-on-insulator substrates”, Appl. Phys. Lett., 87 111908 (2005)」において、（１１１）配向の貼り合わせＳＯＩ基板上に、明確な界面を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷｓ；multi-quantum-well）を成長させる点が開示されている。
【０００７】
ＧａＮ系のＭＥＭＳの開発における一つの問題として、犠牲層をエッチングするための優れたエッチング液がないことが挙げられる。Ｒ. Ａ. ＢｅａｃｈおよびＴ. Ｃ. ＭｃＧｉｌｌによる「“Fabrication of GaN suspended microstructures”, Appl. Phys. Lett., 78 3226 (2001)」、Ａ. Ｒ. Ｓｔｏｎａｓ、Ｎ. Ｃ. ＭａｃＤｏｎａｌｄ、Ｋ. Ｌ. Ｔｕｒｎｅｒ、Ｓ. Ｐ. ＤｅｎＢａａｒｓおよびＥ. Ｌ. Ｈｕによる「“Photoelectrochemical undercut etching for fabrication of GaN microelectromechanical systems”, J. Vac. Sci. Technol., B 19 2838 (2001)」、ならびに、Ａ. Ｒ. Ｓｔｏｎａｓ、Ｐ. Ｋｏｚｏｄｏｙ、Ｈ. Ｍａｒｃｈａｎｄ、Ｐ. Ｆｉｎｉ、Ｓ. Ｐ. ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｕ. Ｋ. ＭｉｓｈｒａおよびＥ. Ｌ. Ｈｕによる「“Backside-illuminated photoelectrochemical etching for the fabrication of deeply undercut GaN structures”, Appl. Phys. Lett., 77 2610 (2000)」などによれば、化学エッチングを用いたIII族窒化物系のＭＥＭＳの製造方法が開示されている。
【０００８】
Ｓ. Ｄａｖｉｅｓ、Ｔ. Ｓ. Ｈｕａｎｇ、Ｍ. Ｈ. Ｇａｓｓ、Ａ. Ｊ. Ｐａｐｗｏｒｔｈ、Ｔ. Ｂ. ＪｏｙｃｅおよびＰ. Ｒ.Ｃｈａｌｋｅｒによる「“Fabrication of GaN cantilevers on silicon substrates for microelectromechanical devices”, Appl. Phys. Lett., 84 2556 (2004)」、Ｓ. Ｄａｖｉｅｓ、Ｔ. Ｓ. Ｈｕａｎｇ、Ｒ. Ｔ. Ｍｕｒｒａｙ、Ｍ. Ｈ. Ｇａｓｓ、Ａ. Ｊ. Ｐａｐｗｏｒｔｈ、Ｔ. Ｂ. ＪｏｙｃｅおよびＰ. Ｒ.Ｃｈａｌｋｅｒによる「“Fabrication of epitaxial III-nitride cantilevers on silicon (111) substrates”, J. Mat. Sci., 15 705 (2004)」、Ｚ. Ｙａｎｇ、Ｒ. Ｎ. Ｗａｎｇ、Ｓ. Ｊｉａ、Ｄ. Ｗａｎｇ、Ｂ. Ｓ. Ｚｈａｎｇ、Ｋ. Ｍ. ＬａｕおよびＫ. Ｊ. Ｃｈｅｎによる「“Mechanical characterization of suspended GaN microstructures fabricated by GaN-on-patterned-silicon technique”, Appl. Phys. Lett., 88, 041913 (2006)」、ならびに、Ｚ. Ｙａｎｇ、Ｒ. Ｗａｎｇ、Ｄ. Ｗａｎｇ、Ｂ. Ｚｈａｎｇ、Ｋ. Ｍ. ＬａｕおよびＫ.Ｊ. Ｃｈｅｎによる「“GaN-on-patterned-silicon (GPS) technique for fabrication of GaN-based MEMS”, Sensors and Actuators A, Accepted for Publication (Inpress)」などによれば、乾式および湿式の化学エッチング工程を組み合わせることで、Ｓｉ（ＩＩＩ）基板上に、ＧａＮ表面がマイクロマシン化されてなるマイクロ構造体を得ることができる点が開示されている。しかしながら、犠牲層のエッチングに湿式の化学エッチングを用いると、マイクロ構造体が、メニスカス力（静止摩擦力）により崩壊してしまうことを防ぐため、開放されたマイクロ構造体（released microstructures）をある程度乾燥する必要があるという問題がある。
【０００９】
すなわち、表面がマイクロマシン化されたフリースタンディングの構造体を得るための典型的な製造過程においては、脱イオン（ＤＩ）水を使用して湿式の化学エッチング液を洗い流して、化学エッチング液の含まれていない構造体を得て、得られた構造体をエバポレーションにより乾燥する必要がある。この製造過程を用いる場合には、エアギャップ中における水滴の毛細管力により、しなやかなマイクロ構造体を、基板に引き下ろさせることができ、これにより、マイクロ構造を完全に乾燥させた後においても、マイクロ構造体を基板にくっつけておくことができる。また、複数の研究によれば、ソリッドブリッジング（solid bridging）や、ファンデルワールス力、静電気力などの要因も静止摩擦力を与えることができると報告されている。
【００１０】
ＧａＮに加えて、フォトニクスやエレクトロニクスに用いるのに適したその他の材料として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。ＺｎＯは、一般的に、半導体、光伝導、圧電センサおよび光学電波管など広い分野において用いられている。ＺｎＯは、ダイレクトワイドバンドギャップ（たとえば、Ｅｇ〜３．３ｅＶ（３００Ｋ））を有し、励起状態における結合エネルギーが大きい（〜６０ｍｅＶ）などの特有の特性を多く有する。ＺｎＯは、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣまたはＧａＮなどの各材料と比較して放射線耐性に優れるため、一般的に、宇宙空間や原子炉などの厳しい環境下で動作する半導体デバイスに用いられる。
【００１１】
ＺｎＯをＭＥＭＳに適用するために用いる場合には、ＺｎＯ材料が、犠牲層をエッチングする際に一般的に用いられる湿式の化学エッチング液に容易にエッチングされてしまうという問題がある。そのため、ＺｎＯを用いたＭＥＭＳを得るためには、ドライ開放技術（dry-releasing technique）の開発が望まれている。
【００１２】
上記に加えて、厳しい環境に用いられるＭＥＭＳを開発するためのさらに別の材料として、微結晶ダイヤモンドやナノ結晶性ダイヤモンド（ＮＣＤ）が挙げられる。これらの材料は、十分な機械強度を有しており、化学的に不活性であり、熱的安定性およびトライボロジー性能も十分である。フリースタンディングのＮＣＤメカニカル構造体は、通常、犠牲層としてＳｉＯ２を使用して製造される。しかしながら、ＳｉＯ２犠牲層は、通常、フッ化水素（ＨＦ）水および／またはフッ化水素ガスによるエッチングを用いて除去される。そのため、犠牲層のエッチングに湿式の化学エッチングを用いると、マイクロ構造体が、メニスカス力（上述した静止摩擦力）により崩壊してしまうことを防ぐため、開放されたダイヤモンドマイクロ構造体（released diamond microstructures）をある程度乾燥する必要があるという問題がある。
【００１３】
したがって、静止摩擦力による問題を避けながら、ワイドバンドギャップを有する超ナノ結晶性ダイヤモンドや超微結晶ダイヤモンドのマイクロメカニカル構造体、および／または表面がマイクロメカニカル化されたＧａＮやＺｎＯのマイクロ構造体を得るためには、ドライ開放技術（dry release technique）の開発が望まれている。
【００１４】
シリコンをエッチングするためには、シリコンのエッチャントとして、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いた気相パルスエッチング（gas phase pulse etching）が用いられている。ＸｅＦ２は、ＣｌＦ３、ＢｒＦ３、ＢｒＦ５およびＩＦ５などを含むフッ素系のシリコンのエッチャントのうちの一種である。ＸｅＦ２の蒸気が、シリコンに対するフッ素エッチング化学のメカニズムの研究に最初に用いられた際に、ＸｅＦ２は、室温下において、エッチング速度が速く反応率も高いことが見出された。シリコンのエッチャントとして、ＸｅＦ２は、活性化剤や外部からのエネルギー源がなくてもエッチング可能であり、そのため、従来から集積回路を製造する際に用いられている多くの金属、誘電体、高分子に対して高い選択性を示し、かつ、等方性のエッチングを行なうことができ、さらには、穏やかな乾式の反応エッチングを行うことができるという特有の性質を有している。ＸｅＦ２は、室温、大気圧下では、白色の固体状物質である一方で、真空環境下では、固体のＸｅＦ２は、即座に昇華し、物理的に励起される必要なく、等方的にシリコンをエッチングする。
【００１５】
Ｈｏｆｆｍａｎらは、「"3D structures with piezoresistive sensors in standard CMOS," Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS '95), 288 (1995)において、バルク状のマイクロマシン化されたチップを得るために、ＸｅＦ２を用いた標準的なＣＭＯＳ製造工程において、ピエゾ抵抗センサで三次元構造を作製している。さらに、米国特許第７０４１２２４号明細書、米国特許第６９４２８１１号明細書、米国特許第６９６０３０５号明細書、および米国特許第７０２７２００号明細書には、改良された装置（たとえば、エッチング工程の終了時点を、正確に決めることのできる装置）や、マイクロメカニカル構造体のシリコン犠牲層のエッチングを行なう際に、気相エッチャントを用いる方法（たとえば、露光時の投影を制御するためのマイクロミラーアレイを用い、シリコン系からなるＭＥＭＳ要素を避ける方法）、さらに、該方法において、プラズマを用いない方法（ＸｅＦ２を１または２以上の希釈剤とともに用いる方法など）が開示されている。このように、シリコンは、チタン、金、アルミニウムおよびこれらの化合物のほか、炭化ケイ素、窒化ケイ素、種々のフォトレジスト、ポリイミド、および酸化ケイ素などのシリコン以外の材料と比較して優先的にエッチングすることができる。Ｊａｎｇらは、米国特許出願公開第２００３／０１９３２６９号明細書において、所定の周波数信号に対して共振活性を有する領域を備えたフィルム・バルク・アコースティック・レゾネータ（ＦＢＡＲ）を形成する方法を開示している。この方法においては、犠牲層としてポリシリコン層を形成し、これに続いて、ＸｅＦ２を用いて該犠牲層を除去することで、対応するエアギャップを形成している。さらに、この方法においては、シリコンやＧａＡｓなどの半導体基板上に、ＡｌＮやＺｎＯなどの誘電体材料からなる薄膜層を形成することで、該薄膜層の圧電特性を用いて、共振特性を発現させている。
【００１６】
上述の公報においては、乾式エッチングのためにＸｅＦ２を用いるものであるため、ＸｅＦ２を用いたドライエッチングの後にエアギャップを形成するために、犠牲層を堆積し、パターン化を行なうという付加的な工程が必要となる。しかしながら、このような犠牲層の堆積およびパターン化は、製造過程をより複雑にし、かつ、コスト増を招くものである。
【００１７】
これに対して、マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法において、上述の問題を解決することが望まれている。
【発明の概要】
【００１８】
本発明によれば、シリコン（Ｓｉ）系基板と、前記基板上に直接形成されたマイクロメカニカル要素と、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成されたアンダーカットと、を備え、前記アンダーカットは、前記シリル系基板に形成された凹部状のものであることを特徴とするマイクロメカニカル構造体が提供される。
【００１９】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板である。
【００２０】
前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みは、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択される。
【００２１】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びている。
【００２２】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である。
【００２３】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものである。
【００２４】
前記ＳＯＩ基板の結晶配向は、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択される。
【００２５】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００２６】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなる。
【００２７】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００２８】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されている。
【００２９】
前記凹部が、ドライエッチングプロセスを用いて、Ｓｉ系基板中に形成されたものである。
【００３０】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものである。
【００３１】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスである。
【００３２】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスである。
【００３３】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００３４】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【００３５】
また、本発明の他の側面によれば、シリコン（Ｓｉ）系基板を準備する工程と、前記基板上に直接、マイクロメカニカル要素を形成する工程と、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に、凹部状のアンダーカットを形成する工程と、前記Ｓｉ系基板に凹部を形成する工程と、を有するマイクロメカニカル構造体の製造方法が提供される。
【００３６】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板である。
【００３７】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みを選択する工程をさらに有する。
【００３８】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びている。
【００３９】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である。
【００４０】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものである。
【００４１】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板の結晶配向を選択する工程をさらに有する。
【００４２】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００４３】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなる。
【００４４】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００４５】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されている。
【００４６】
前記凹部状のアンダーカットの形成が、ドライエッチングプロセスを用いて行なわれる。
【００４７】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものである。
【００４８】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスである。
【００４９】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスである。
【００５０】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００５１】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１（ａ）は、一実施形態に係るシリコン・オン・インシュレータのイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ）（１００）基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）層からなるサンプルを示す概略図である。図１（ｂ）は、ＧａＮ層についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行った際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。図１（ｃ）は、ＧａＮ層についてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った際における、波長に対するＰＬ強度を示すグラフである。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、４５ｄｅｌｔａ Ｔの一定時間間隔で二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）エッチングした後のサンプルの顕微鏡写真である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示すサンプルについてマイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、別の実施形態に係るより大きい膜サイズを有するサンプルの顕微鏡写真である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すサンプルについてマイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。図３（ｃ）は、図１（ａ）に示すＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板上のＧａＮカンチレバー構造サンプルの下に形成されているエアギャップを示す走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図３（ｄ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）プラットフォームサンプル上のフリースタンディングメンブレンに接触してなるＧａＮ梁部サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。
【図４】図４（ａ）は、図２（ｃ）に示すサンプルのＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図４（ｂ）は、図２（ｃ）に示すサンプルのラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図５】図５（ａ）は、一実施形態に係るＳｉ（１１１）基板上に成長させた高温窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層を有するＧａＮエピ層からなるサンプルを示す概略図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＰＬスペクトルのＰＬ強度とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は、図５（ａ）に示すサンプルの開放されたＧａＮ構造体の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示す図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図６（ｄ）は、図６（ａ）のＧａＮ構造体のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図７】図７（ａ）は、図５（ａ）に示すサンプルのフリースタンディングＧａＮカンチレバー構造を示すＳＥＭ写真である。図７（ｂ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＧａＮカンチレバー構造のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図７（ｃ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＧａＮカンチレバー構造のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図８】図８（ａ）は、別の実施形態に係るサンプルを示す概略図である。図８（ｂ）は、７７Ｋ〜３７０Ｋの間で、図８（ａ）に示すサンプルについて、温度依存マイクロ−ＰＬ測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｃ）は、ＺｎＯ層について室温におけるＰＬスペクトル測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｄ）は、図８（ａ）に示すサンプルの切断面のＳＥＭ写真である。
【図９】図９（ａ）は、図８（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なう前のカンチレバー構造の顕微鏡写真である。図９（ｂ）は、図８（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のカンチレバー構造の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０（ａ）は、一実施形態に係るサンプルを示す概略図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルについてＰＬスペクトル測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のＺｎＯブリッジ構造を示す顕微鏡写真である。図１１（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のカンチレバー構造を示す顕微鏡写真である。
【図１２】図１２（ａ）は、図１０（ａ）に示すサンプルの開放されたＺｎＯブリッジ構造のＳＥＭ写真である。図１２（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのカンチレバー構造のＳＥＭ写真である。
【図１３】図１３（ａ）は、図１１（ａ）に示すブリッジ構造についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、図１１（ｂ）に示すカンチレバー構造について、マイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｃ）は、図１１（ａ）に示すＺｎＯマイクロ−ブリッジ構造におけるＥ２フォノンピーク強度のラマンマッピング図である。
【図１４】図１４（ａ）は、別の実施形態に係るバルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム上の開放されたＺｎＯブリッジ構造のＳＥＭ写真である。図１４（ｂ）は、該実施形態におけるバルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム上のカンチレバー構造のＳＥＭ写真である。
【図１５】図１５（ａ）は、一実施形態に係るフリースタンディングのナノ結晶性ダイヤモンド（ＮＣＤ）カンチレバー構造のＳＥＭ写真である。図１５（ｂ）は、図１５（ｂ）は、該実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤブリッジ構造のＳＥＭ写真である。
【図１６】図１６（ａ）は、別の実施形態に係る化学成長法（ＣＶＤ）により成長させたマイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体を示す切断面のＳＥＭ写真である。図１６（ｂ）は、該実施形態における多結晶／マイクロ結晶ダイヤモンドカンチレバーを示すＳＥＭ写真である。図１６（ｃ）は、該実施形態における多結晶／マイクロ結晶マイクロ−ブリッジ構造を示すＳＥＭ写真である。
【図１７】図１７（ａ）は、別の実施形態に係るバルクのシリコンプラットフォーム上に形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）マイクロ構造体を示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｂ）は、該実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）カンチレバーを示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｃ）は、該実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造体を示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｄ）は、該実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバーを示す光学顕微鏡写真である。
【図１８】図１８（ａ）は、さらに別の実施形態に係るマイクロディスクＬＥＤ構造体の光学顕微鏡写真である。図１８（ｂ）は、該実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体のＳＥＭ写真である。図１８（ｃ）は、該実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体についてエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した際における、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度と波長との関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、マイクロメカニカル構造体の形成方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明は、添付図面と共に以下の本発明の実施形態の説明を参照することによって、より良く理解され、当業者に明らかなものとなるであろう。
【００５４】
以下に説明する本実施形態によれば、ドライ開放技術（dry releasing technique）により、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板上に直接成長させた、ワイドバンドギャップを有し、かつ、表面がマイクロマシン化されたナノ／マイクロメカニカル構造体（たとえば、ＺｎＯ、ＧａＮおよびナノ結晶性ダイヤモンドからなる構造体）を提供することができる。本実施形態のドライ開放技術においては、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板に形成されているＳｉ被覆層およびＳＯＩ被覆層を選択的にエッチング可能な二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いた気相パルスエッチングを行ない、これにより、ワイドバンドギャップを有する材料をアンダーカットする。本実施形態においては、ドライ開放技術は、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板上に形成されているＳｉまたはＳｉ被覆層を犠牲層とし、これらをエッチングするために用いられ、これにより、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板の表面上に成長させたワイドバンドギャップを有する材料に、エアギャップを形成する。そして、これにより、本実施形態においては、専用の犠牲層をさらに設け、これをパターンニングする必要がなくなる。他方、本実施形態では、所望のＳｉ被覆層厚みを有するＳＯＩ基板を準備することで、エアギャップの厚みの制御を可能とすることができる。言い換えれば、このような態様においては、たとえば、エアギャップの厚み制御を、基板上にＧａＮ、ＺｎＯ、ＮＣＤなどの各材料を堆積するデバイス集積工程と別に行うことができるという利点があり、むしろ、ウェハボンディングやＳＩＭＯＸなどの既に確立されているＳＯＩ形成技術において、単にシリコンの厚みの制御を行うことにより、ＳＯＩウェハ製造の前工程に組み入れることができる。
【００５５】
ＳＩＭＯＸを用いてシリコンの厚みを制御する際には、Ｍ. Ｂｒｕｅｌによる「“Silicon on insulator material technology”, Electron. Lett., 31, 1201 (1995)」、Ｍ. Ｂｒｕｅｌ、Ｂ. Ａｓｐａｒおよび Ａ. Ｊ. Ａｕｂｅｒｔｏｎ−Ｈｅｒｖｅによる「Smart-Cut: A New Silicon On Insulator Material Technology Based on Hydrogen Implantation and Wafer Bonding”, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 36, 1636 1997」、ならびに、Ｏ. Ｗ. Ｈｏｌｌａｎｄ、Ｄ. ＦａｔｈｙおよびＤ. Ｋ. Ｓａｄａｎａによる「“Formation of ultrathin, buried oxides in Si by O+ ion implantation ”, Appl. Phys. Lett., 69, 674 1996」などを参照することができる。
【００５６】
基板を製造する際にシリコン被覆層の厚みを制御することにより、形成されるエアギャップの厚みを制御することができる。そして、ワイドバンドギャップを有する材料の下に配置される基板に形成されるシリコン被覆層をデザインすることによって、ワイドバンドギャップを有する材料の残存応力を制御することができる。本実施形態においては、ＸｅＦ２は、誘電体に対して高い選択性を有するため、ＸｅＦ２は、基板に形成されているシリコン被覆層を選択的にエッチングし、これにより、対応するエアギャップを形成することができる。その一方で、ＸｅＦ２は、ＳＯＩ基板のシリコン被覆層の下に形成されているＳｉＯ２層については、エッチングしない。このように、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２層は、エッチングを停止するために機能する。
【００５７】
以下においては、本実施形態について詳細に説明する前に、本実施形態におけるサンプルの調製／形成方法、および特性解析方法を簡単に紹介する。
【００５８】
一実施形態においては、ＭＯＣＶＤを用いたＳＩＭＯＸ法により製造された市販の（１００）配向および（１１１）配向のＳＯＩ基板上にＧａＮ系エピ層を成長させる。このような基板は、厚み約１５０〜３５０ｎｍの埋め込み酸化膜層、および厚み約５０〜２００ｎｍのＳｉ被覆層を有している。バルクのＳｉ（１１１）上に、直接ＧａＮマイクロメカニカル構造体を形成するドライ開放技術の可能性を強調するために、あるサンプルにおいては、薄膜のＡｌＮバッファ層が形成されたＧａＮ層を、Ｓｉ（１１１）基板上に成長させる。このような例においては、周期的にデルタドーピングを行うことにより、バルクのシリコン（１１１）基板およびＳＯＩ基板上にＧａＮ層を成長させることで、クラックや伸張応力を低減する。ＡｌＮバッファ層などの上に層を成長させ、かつ、ＭＯＣＶＤを行なう際に周期的にデルタドーピングを行なうことにより、Ｓｉ（１１１）上に、良好なＧａＮエピタキシーを製造できることが理解されると推察できる。このような成長法は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１１１）基板およびＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板にも応用することができる。さらには、別の態様においては、他のワイドバンドギャップを有する材料を用いた場合について明らかにするために、ＺｎＯサンプルを、ＳＩＭＯＸ法により製造された（１１１）配向のＳＯＩ基板やウェハボンディングされたＳＯＩ基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリングなどにより、堆積／成長させる。このサンプルにおいては、埋め込み酸化膜層の厚みが約３７０ｎｍ〜２．０μｍであり、Ｓｉ被覆層の厚みが２００ｎｍ〜３．０μｍである。
【００５９】
ＺｎＯサンプルおよびＧａＮサンプルは、マイクロ−フォトルミネッセンス（ＰＬ）およびマイクロ−ラマン測定などの光学技術により、その特性の測定が行なわれる。
【００６０】
さらに、別の態様においては、約２．０μｍの厚みの超ナノ結晶性ダイヤモンド（ＵＮＣＤ）フィルムを、マイクロ波プラズマ化学気相堆積技術によりＳｉ系の基板上に、成長させる。これらのフィルムは、超平滑表面を有するダイヤモンドであり、その結晶品質特性は、マイクロ−ラマン分光法により調べることができる。
【００６１】
上述のようにして作製される各サンプルは、切断され、２×２ｃｍ角のサンプルとされ、クラス１００のクリーンルーム内において、溶剤としてアセトンおよびメタノールを用いて、超音波槽中にて、各溶剤につき約５分ずつの条件にて、洗浄される。その後、前記サンプルについて、ＤＩ水を用いて、すすぎを行い、Ｎ２ガスを用いて乾燥し、約９０℃、約１０分間、オーブン（たとえば、Ｍｅｍｍｅｒｔ）中でプリベイク（pre-bake）を行なう。加熱後、前記サンプルに、スピンコーター（たとえば、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ＩＮＣ．製のＣＥＥ １００）を用いて、回転数約５０００ｒｐｍ、約３０秒の条件で、ＡＺ４３３０フォトレジスト（ＰＲ）を、スピンコートする。その後、前記サンプルは、オーブン中に入れられ、約９０℃、３０分間の条件でソフトベイクが行なわれる。その後、Ｋａｒｌ Ｓｕｓｓマスクアライナー（ＭＡ８）のＩ−ｌｉｎｅを用いて、約４．５〜５ｍＷの強度の紫外光（約３６５ｎｍ）により、フォトリソグラフィーが行なわれる。本実施形態では、それぞれ異なるメンブレン構造、カンチレバー構造およびブリッジ構造を有する３インチのマスクプレートを複数用いて、パターンニングを行なう。フォトリソグラフィーの後であり、エッチングの前に、パターン化されたサンプルについて、フォトレジストの厚みを測定したところ、約３μｍであった。
【００６２】
エッチングに際しては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）チャンバー（約２ＭＨｚで稼動）およびサンプルを静電チャックするためにＲＦバイアス（約１３．５６ＭＨｚ）からなるロードロック型の高密度プラズマエッチングシステム（ＵｎａｘｉｓのＳＬＲ７７０）中にて、エッチングを行なう。この際には、前記サンプルの基板温度をより効果的にコントロールするために、ヘリウムによる冷却を同時に行う。前記サンプルは、エッチングチャンバーに導入される前に、８インチのＳｉキャリアウェハ上に、真空グリースを用いてマウントされ、純度９９．９９９％の三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）ガスおよび塩素（Ｃｌ２）ガスが構造体のエッチングのために導入される。前記サンプルは、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）の電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の条件で、ワイドバンドギャップを有する材料の種類に応じた時間で、ＩＣＰチャンバー中でエッチングされる。
【００６３】
エッチングの後、残存する材料およびフォトレジストのエッチング深度が、表面観測装置（ＫＬＡ ＴｅｎｃｏｒのＰ−１０）を用いて決定される。そして、フォトレジストをアセトンを用いて取り除き、エッチングされた材料のステップ高さを、表面観測装置により再び測定する。これは、エッチングするための犠牲層に続いて形成されているワイドバンドギャップを有する材料の下に位置する下層（もともと基板に形成されている層）の露光条件を求めるためである。前記各サンプルに対して、カスタマイズされたペンタバキュームシステム中で、ＸｅＦ２を用いて、基板に形成されたＳｉ被覆層についての犠牲層エッチングを行うことで、ワイドバンドギャップを有する材料を開放（リリース）する（releasing）ことができる。開放された（released）ワイドバンドギャップ構造体の像は、解像度約３．５ｎｍ、加速電圧５ｋＶ〜１０ｋＶである走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（ＪＥＯＬのＪＳＭ ５６００）の二次電子像（ＳＥＩ）モードを用いて、捕らえることができる。
【００６４】
さらに、開放されたサンプル（released samples）は、空間分解ラマン散乱を用いて、室温下、後方散乱にて、特性の測定が行なわれる。アルゴンイオンレーザーの５１４．５ｎｍ線を、ラマン散乱測定に用いる。散乱光は、液体窒素で冷却された電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器を備えた三重単色光分光システム（ＪＹ−Ｔ６４０００）を通って、散乱させられる。ラマン測定の精度は、約０．２ｃｍ−１で、方位空間分解能が約１．２μｍである。前記サンプルは、基板の軸と直交方向に励起され、後方散乱光は、入射レーザー光を照射するための照準と同じ目的により、検出される。
【００６５】
上述した前記サンプルの調製／形成技術、および特性解析技術の簡単な紹介に続いて、以下、本実施形態について詳細に説明する。
【００６６】
図１（ａ）は、一実施形態に係るＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１００）基板１０４上に形成されたＧａＮ層１０２からなるサンプル１００を示す概略図である。ＧａＮ層１０２は約１．５〜１．７μｍであり、付加的な層あるいは、後に除去される犠牲層を堆積させることなく、基板１０４上に直接形成されている。基板１０４には、厚み約２００ｎｍの“固有の（inherent）”Ｓｉ被覆層１０６、および厚み約３５０ｎｍの“固有の”埋め込み酸化膜層１０８が最初から形成されている。サンプル１００は、標準的なフォトリソグラフィー法により、様々な膜サイズとなるようにパターン化され、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）の電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の条件で、約２μｍの深さまで、約１１分間の間エッチングが行われる。
【００６７】
したがって、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みをコントロールすることにより、デバイス集積工程とは別に、エアギャップの厚みを制御することができるという利点があることが理解できる。
【００６８】
図１（ｂ）は、ＧａＮ層１０２についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行った際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフであり、図１（ｃ）は、ＧａＮ層１０２についてＰＬスペクトル測定を行った際における、波長に対するＰＬ強度を示すグラフである。
【００６９】
そして、サンプル１００に対して、連続的かつ、一定のタイミングの単一パルスを用いながら、Ｓｉ被覆層１０６についてＸｅＦ２エッチングを行う。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、４５ｄｅｌｔａ Ｔ（Ｔは、時間［秒］）の一定時間間隔でＸｅＦ２エッチングした後のサンプル１００の顕微鏡写真である。図２（ａ）〜図２（ｃ）から、サンプル１００のメンブレン２０２のコントラストが変化することが観察でき、このことは、メンブレン２０２の下にエアギャップが形成されていることを示している。図２（ｃ）において、メンブレン２０２全体のコントラストは、サンプル１００のプラットフォーム２０４と比較して明るくなっており、このことは、フリースタンディングのＧａＮメンブレン２０２が、ＳＯＩ基板１０４（図１（ａ））上に形成されていることを示している。図２（ｃ）に示される開放されたメンブレン２０２（released membrane 202）は、プラットフォーム２０４、開放されたメンブレン２０２および梁部２０６の３点について、マイクロ−ラマン法によるスペクトル測定を行うことで、その特性を特定することができる（差し込み図１を参照）。図２（ｄ）は、マイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。
【００７０】
図２（ｄ）の測定において、５１４．５ｎｍの可視アルゴンイオンレーザーを用いることで、その貫通深さにより、シリコン被覆層１０６（図１（ａ））と同様にＧａＮ層１０２（図１（ａ））全体を、精査することができる。プラットフォーム２０４は、メンブレン２０２および梁部２０６に続いて測定される。図２（ｄ）に示すスペクトルより、プラットフォーム２０４は、ＧａＮのＥ２フォノン強度が５６５．９ｃｍ−１（符号２１０参照）において、最も弱くなっている一方で、５２０ｃｍ−１（符号２０８参照）に強いＳｉ強度を有していることが観察できる。開放されたメンブレン２０２および梁部２０６については、Ｓｉ強度は、５２０．５ｃｍ−１（符号２１６および２１８参照）において、最も弱くなっている一方で、それぞれ、５６７．３ｃｍ−１（符号２１２参照）および５６７．１ｃｍ−１（符号２１４参照）において、Ｅ２フォノン強度が最も強くなっている。Ｅ２フォノン周波数は、ＧａＮメンブレンにおける内面応力を観察するために用いることができ、梁部２０６およびメンブレン２０２のＥ２フォノン列（E2 phonon line）と比較して、ＳＯＩ基板（たとえば、プラットフォーム２０４）上に形成されているＧａＮメンブレンのＥ２フォノン列は、低エネルギー側への偏移することとなる。赤方偏移が観察されるのは、４００μｍの厚みのフリースタンディングのＧａＮにおいて応力がかかっていない状態を標準状態とした場合に、該標準状態における参照フォノンピークと比較して、引っ張り張力が存在していることによる。４００μｍの厚みのフリースタンディングのＧａＮにおいて応力がかかっていない標準状態における参照フォノンピークとしては、Ｒ．Ａｒｍｉｔａｇｅ、Ｑ．Ｙａｎｇ、Ｈ．Ｆｅｉｃｋ、Ｊ．Ｇｅｂａｕｅｒ、Ｅ．Ｒ．Ｗｅｂｅｒ、Ｓ．ＳｈｉｎｋａｉおよびＫ．Ｓａｓａｋｉによる「“Lattice-matched HfN buffer layers for epitaxy of GaN on Si”, Appl. Phys. Lett., 81, 1450 (2002)」や、Ｌ．Ｓ．Ｗａｎｇ、Ｋ．Ｙ．Ｚａｎｇ、Ｓ．ＴｒｉｐａｔｈｙおよびＳ．Ｊ．Ｃｈｕａによる「“Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si (111) substrates”, Appl. Phys. Lett., 85, 5881 (2004)」などを参照することができる。開放されたメンブレンおよび梁部（符号２１２および２１４参照）の強いＥ２フォノン強度は、約２００ｎｍの厚みのＳｉ被覆層１０６（図１（ａ））が完全にエッチングされていることを明確に示している。このことは、図２（ｄ）のマイクロ−ラマンスペクトルおよび図２（ｃ）に示す開放されたメンブレン２０２の顕微鏡写真のコントラストを用いても、示すことができる。
【００７１】
ＸｅＦ２を用いたＳｉのエッチングは非常に選択的であり、また時間に依存するものでもある。図３（ａ）は、別の実施形態に係るより大きい膜サイズを有するサンプル３００の顕微鏡写真である。サンプル３００を、ＸｅＦ２によりエッチングし、プラットフォーム３０２、メンブレン３０４および梁部３０６について、マイクロ−ラマンスペクトル測定を行なう。ＸｅＦ２によるエッチングは、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すサンプル１００のＸｅＦ２エッチングと同様のタイミングで実行される。図３（ａ）より、メンブレン３０４の中心は、メンブレン３０４のエッジ３０８および梁部３０６などと比較して、より暗いコントラストを有していることが観測される。メンブレン３０４のエッジ３０８および梁部３０６は、プラットフォーム３０２と同程度のコントラストを有している。
【００７２】
図３（ｂ）は、マイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。プラットフォーム３０２の測定は、まず、メンブレン３０４および開放された梁部３０６（released beam 306）から行なわれる。スペクトルより、プラットフォーム３０２は、５２０ｃｍ−１（符号３１０参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、５６５．９ｃｍ−１（符号３１２参照）にＥ２フォノン強度の弱い信号を有していることが観測できる。開放されていないメンブレン３０４（unreleased membrane 304）は、５２０ｃｍ−１（符号３１４参照）に中程度のＳｉ強度を有しており、また、５６６．９ｃｍ−１（符号３１６参照）にＧａＮの最も弱いＥ２フォノン強度を有している。これに対して、開放された梁部３０６（released beam 306）は、５６７．３ｃｍ−１（符号３１８参照）に最も強いＥ２フォノン強度および５２０ｃｍ−１（符号３２０参照）に最も弱いＳｉ強度を有している。ＳＯＩ基板（たとえば、プラットフォーム３０２）上のＧａＮのＥ２フォノン線は、開放された梁部３０６のＥ２フォノン線と比較して低くなっている。これに対して、開放されていないＧａＮメンブレン３０４のＥ２フォノン線は、開放された梁部３０６のＥ２フォノン線と同程度であり、これのことは、Ｓｉピーク（符号３１４参照）が存在していることにより、メンブレン３０４がＳｉ被覆層（不図示）から完全に開放されていないということを示しているというよりも、メンブレン３０４が歪みのないものに近づいていることを示している。ＸｅＦ２エッチングの時間をより長くすることで、メンブレン３０４を開放することが可能であることがわかる。
【００７３】
上記実施形態においては、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すサンプル１００の開放されたメンブレンおよびカンチレバー構造のそれぞれについて調べるために、切断面のＳＥＭを用いることができる。
【００７４】
図３（ｃ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板１０４上のＧａＮカンチレバー構造サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。図３（ｄ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）プラットフォームサンプル上のフリースタンディングのメンブレンに接触してなるＧａＮ梁部サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。図３（ｃ）および図３（ｄ）のＳＥＭ写真は、厚み約１．７μｍであり、エアギャップが約２００ｎｍであるＧａＮフリースタンディング構造を示している。
【００７５】
図４（ａ）は、図２（ｃ）に示すサンプル１００のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図４（ｂ）は、図２（ｃ）に示すサンプル１００のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。無応力状態の４００μｍ厚のフリースタンディングＧａＮのラマンピークをリファレンスとして用いることで、ＳＯＩ基板上のＧａＮに基づく赤方遷移したフォノンピーク４０２は、面内の引張応力の存在によるものであるということが確認できる。引張応力の大きさは、関係式Δω＝Ｋσを用いて算出することができる。ここにおいて、Ｋは、比例定数（４．３ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近づいていることが、ラマン測定により示されている。開放されたＧａＮメンブレン２０２（図２（ｃ））の応力の範囲は、約＋０．１〜＋０．２ＧＰａである一方で、ＧａＮ／ＳＯＩ（１００）プラットフォーム２０４（図２（ｃ））における応力は約０．４５±０．０５ＧＰａである。上述の各実験は、基板にもともと存在している、Ｓｉ被覆層の厚みを、それぞれ約５０、約１００および約２００ｎｍに変化させたＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１１１）基板を用いて行なわれた。２００ｎｍのＳＯＩ（１１１）基板においては、残留応力は、約０．３２〜０．４０ＧＰａの範囲であることが確認され、また、５０ｎｍのＳＯＩ（１１１）基板上にＧａＮを成長させた場合に、残留応力が約０．２ＧＰａに減少したことが確認された。このような成長により生ずる応力を制御することにより、ドライ開放を行なった後のマイクロ構造体のカールや屈曲を最小限に抑えることができることが確認された。
【００７６】
別の実施形態においても、ＧａＮ／ＳＯＩ（１１１）プラットフォームについて、同様にして、ＸｅＦ２ドライエッチング工程および特性解析が行われる。
【００７７】
また、さらに別の実施形態においては、付加的な層あるいは後に除去される犠牲層を堆積することなく、バルクのＳｉ（１１１）基板上に直接形成されたＧａＮ層上に、表面マイクロマシンニングが行なわれる。このことは、大きなエアギャップをドライエッチングにより形成することの実現可能性を示すことができるとともに、ドライエッチングを行なった後に形成されたフリースタンディングＧａＮメンブレンおよびカンチレバーの機械的安定性のチェックにも用いることができる。
【００７８】
図５（ａ）は、本実施形態における、Ｓｉ（１１１）基板５０４上に成長させた高温ＡｌＮバッファ層を有するＧａＮエピ層５０２を有するサンプル５００を示す概略図である。ＧａＮエピ層５０２は、厚さ約１．７μｍである。図５（ｂ）は、サンプル５００のＰＬスペクトルのＰＬ強度とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。また、Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定や、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による測定、ラマン測定（いずれも不図示）により、バルクのＳｉ（１１１）上に成長した単結晶ＧａＮは、良好な光学特性を有するものとすることができることが示されている。
【００７９】
サンプル５００は、標準フォトリソグラフィーを用いて、それぞれの膜サイズ特性に応じて、パターン化され、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約９分間、深さ約２．５μｍまでエッチングされる。続いて、サンプル５００について、単一のパルスを連続的に印加することで、ＳｉハンドルウェハのＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００８０】
連続的にＸｅＦ２のパルスを印加することでエッチングされたサンプル５００の顕微鏡写真より、サンプル５００のメンブレンのコントラストが変化することが確認でき、このことは、エアギャップの存在を示している（図２（ａ）〜図２（ｃ）を比較）。図６（ａ）は、開放されたＧａＮ構造体６０２のＳＥＭ写真６００である。構造体６０２は、プラットフォーム６０４、開放された梁部６０６，６０８およびメンブレン６１０からなる。構造体６０２は、マイクロ−ラマン法を用いて、その特性の測定が行なわれる。図６（ｂ）は、ＧａＮ構造体６０２についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。プラットフォーム６０４、開放された梁部６０６，６０８およびメンブレン６１０の４箇所についてスペクトルの測定が行なわれる。測定は、まず、プラットフォーム６０４について行なわれ、次いで、メンブレン６１０および２つの梁部６０６，６０８について行なわれる。
【００８１】
図６（ｂ）より、プラットフォーム６０４は、５２０ｃｍ−１（符号６１２参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、５６４．９ｃｍ−１（符号６１４参照）にプラットフォーム６０４に対するＧａＮのＥ２フォノン強度が最も弱くなることが観測できる。開放されたメンブレン６１０および梁部６０６，６０８については、５６６．９ｃｍ−１（符号６１６，６１８，６２０参照）において、ＧａＮのＥ２フォノン強度が最も強くなっており、かつ、５２０ｃｍ−１（符号６２２，６２４，６２６参照）において、Ｓｉ強度が最も弱くなっている。このことは、下層に存在するＳｉ（１１１）ハンドルウェハ基板５０４（図５（ａ））がエッチングされこれにより、不定状のエアギャップが形成されていることを示している。ＸｅＦ２を用いてＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１００）基板上のＧａＮをエッチングした後に観察されたものと同様に（たとえば、図３（ａ）と比較）、より大きなサイズを有するＧａＮメンブレンは、Ｓｉ基層のエッチングの時間に依存することにより、フリースタンディングなものとはならない。
【００８２】
図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体６０２のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図６（ｄ）は、図６（ａ）のＧａＮ構造体６０２のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。側壁をエッチングした際のＥ２ラマン強度は、光散乱効果の影響により、わずかに高くなる。ラマン測定によって、ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近いものとなることが示されている。開放されたＧａＮメンブレン６１０における応力の範囲は、約＋０．１５〜−０．１０ＧＰａである一方で、ＧａＮ／Ｓｉ（１１１）プラットフォーム６０４における応力は約０．６５±０．０５ＧＰａである。この実施形態はバルクのＳｉ（１１１）上のＧａＮメカニカル構造体に関連し、バルクのＳｉ（１１１）の厚みは固定されているため、ＧａＮ層の厚みおよび層間の条件は、エピ層における応力をコントロールすることとなる。
【００８３】
図７（ａ）は、サンプル５００（図５（ａ））のフリースタンディングＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４を示すＳＥＭ写真７００である。ＳＥＭ写真７００は、厚み約２３μｍのエアギャップ７０６を示しており、ここにおいては、基板５０４（図５（ａ））のＳｉ層は、ＸｅＦ２によりエッチングされる。ＳＥＭ写真７００から確認できるカンチレバーの配列は、開放された構造７０２，７０４、およびプラットフォーム７０８の光学顕微鏡写真におけるコントラストの変化を示している。しかしその一方で、エッチング停止層（たとえば、ＳｉＯ２）が存在しないため、基板５０４（図５（ａ））に基づくＳｉ材料全体は、マスキング工程を全く経ずに、エッチングされることとなる。このように、バルクのＳｉ（１１１）基板上に被覆させるのにＳＯＩウェハを用いることが好ましい理由の一つとして、基板を形成する間におけるエアギャップのサイズをコントロールすることで、ＳＯＩウェハ上におけるＳｉ被覆層および下層であるＳｉＯ２層の厚みを精密に制御することができる点が挙げられる。残留応力は、予め定められたＳＯＩ層の厚みを用いることで、コントロールすることができる。
【００８４】
図７（ｂ）は、サンプル５００（図５（ａ））のＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図７（ｃ）は、サンプル５００（図５（ａ））のＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。ラマン測定により、ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近いものとなることが示されている。開放されたＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４における応力の範囲は、約−０．０５〜＋０．２０ＧＰａであり、これに対して、ＧａＮ／Ｓｉ（１１１）プラットフォーム７０８における応力は約０．６０±０．０５ＧＰａである。この実施形態はバルクのＳｉ（１１１）上のＧａＮメカニカル構造体に関するものであり、バルクのＳｉ（１１１）の厚みは固定されているため、ＧａＮ層の厚みおよび層間の条件は、エピ層における応力をコントロールするために用いることができる。したがって、Ｔｒｉｐａｔｈｙらの「“Micro-Raman probing of residual stress in freestanding GaN-based micromechanical structures fabricated by a dry release technique”, J. Appl. Phys. 101, 063525 (2007)」を参照することができる。
【００８５】
別の実施形態においては、従来から用いられているＲＦマグネトロンシステムを用いて、約５００〜６００ｎｍの厚みのＺｎＯ材料を、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）ウェハ上に直接スパッタリングにより形成する。
【００８６】
図８（ａ）は、この実施形態に係るサンプル８００を示す概略図である。サンプル８００は、厚さ約３７０ｎｍの“固有の”ＳｉＯ２層８０４、厚さ２００ｎｍの“固有の”Ｓｉ被覆層８０６を含むＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）基板８０２を有する。またサンプル８００は、付加的な層または後に取り除かれる犠牲層を堆積することなく、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）基板８０２上に（Ｓｉ被覆層８０６上に）スパッタリングにより形成された厚さ６００ｎｍのＺｎＯ層８０８をさらに有する。
【００８７】
このように、エアギャップの厚みをコントロールすることを、デバイスを集積する工程と別にすることができるという利点があり、また、エアギャップの厚みのコントロールは、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みを制御することにより達成できるものであることが理解される。
【００８８】
図８（ｂ）は、７７Ｋ〜３５０Ｋの間で、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ基板８０２上にスパッタリングにより形成したＺｎＯ層８０８について温度依存マイクロ−ＰＬ測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｂ）より、低温（７７Ｋ）のＰＬスペクトルにおいて、シャープなドナーアクセプター対（ＤＡＰ）発光（符号８１０参照）が観測される。ＤＡＰ発光は、約３５０Ｋまで温度を上昇させると、弱まってしまう。同様に、バンド−エッジフリー励起子発光（ＦＸ）（符号８１２参照）は、７７ＫにおけるＰＬスペクトルにおいて狭い幅で観測され、温度が上昇するに従って、ブロードになっていく。
【００８９】
図８（ｃ）は、Ｓｉ被覆層８０６上にスパッタリングにより形成したＺｎＯ層８０８について室温におけるＰＬスペクトル測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｄ）は、サンプル８００の切断面のＳＥＭ写真である。
【００９０】
この実施形態においては、標準的なフォトリソグラフィー法により、ブリッジ部およびカンチレバー部の長さを変化させながら、ＺｎＯ層８０８をパターン化し、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約６２０ｎｍの深さまで、約１０分間の間エッチングが行われる。サンプル８００は、それぞれ約１００秒間のパルスが２回照射されることで、Ｓｉ被覆層８０６のＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００９１】
図９（ａ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なう前のサンプル８００（図８（ａ））のカンチレバー構造９０２の顕微鏡写真９００である。図９（ｂ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル８００（図８（ａ））のカンチレバー構造体９０２の顕微鏡写真９０４である。図９（ｂ）を図９（ａ）と比較すると、ＺｎＯプラットフォーム９０６およびカンチレバー構造９０８においてコントラストの変化が起こっており、このことは、下層であるＳｉ被覆層８０６（図８（ａ））が完全にエッチングされていることを示している。
【００９２】
このことは、ＺｎＯブリッジから構成される別の実施形態、および１００ｎｍのＳｉ被覆層上にスパッタリングにより形成した５００ｎｍのＺｎＯ層から構成されるさらに別の実施形態についても、同様な効果が観察される。
【００９３】
図９（ａ）および図９（ｂ）に戻り、開放されたＺｎＯ構造体９０２は、マイクロ−ラマンスペクトル測定を用いて、さらなる特性の測定が行なわれる。４３８ｃｍ−１付近に観測されるＺｎＯのＥ２フォノンは、残留応力の評価に用いられる。ＺｎＯ構造体は、本来は多結晶であるため、約０．１５ＧＰａの残留応力が、フォノンピークシフトから、関係式Δω＝Ｋσの関係を用いて測定される。ここにおいて、Ｋは、比例定数（６．７ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。ＺｎＯ構造体フィルムにおける初期成長に起因する残留応力の低減は、基板に起因する。さらに、開放された構造体９０２は、１００ＭＰａの単位の引張曲げ応力を有していることが観測され、この応力は、「カンチレバーのサイズ／ブリッジのサイズ」により決定されていると考えられる。曲げ応力は、フォノンピーク位置がさらに変化する原因となる。ＺｎＯ集積工程のために、基板に形成されているＳｉ被覆層の厚みを約１００ｎｍ〜約３．０μｍの間で変化させたＳＯＩ基板を用いることで複数の実験が行なわれた。成長により引き起こされる応力は、Ｓｉ被覆層の厚みの変化に応じて、約０．２０〜０．４５ＧＰａの範囲でサンプルごとに変化する結果となった。成長方向に沿った方向である縦方向の応力は、ドライエッチングによりデバイスを開放した後の残留応力をコントロールする結果となった。ＳＯＩプラットフォーム上の開放されたＺｎＯカンチレバー部およびＺｎＯマイクロ−ブリッジ部における残留応力は、約−０．０５ＧＰａ〜約０．４０ＧＰａ範囲であった。残留応力の変化は、メカニカル構造体の幾何学的なサイズ、成長に起因ずる応力およびＳＯＩ上のＺｎＯ層の厚みに依存している。
【００９４】
別の実施形態においては、ＺｎＯは、貼り合わせＳＯＩ基板上にスパッタリングにより形成される。基板は、Ｓｉ（１１１）デバイス層（約３±０．５μｍ厚）、２．０〜２．５μｍ厚の埋め込みＳｉＯ２層およびＳｉ（１１１）ハンドル基板（約４００±２５μｍ厚）からなる２インチまたは４インチの直径を有する商用品のＳＯＩ構造体で形成することができる。ＳＯＩ（１１１）層の配向方向は、０．５°〜４°軸外に傾いている。標準的なＲＦマグネトロンシステムを用いて、厚みが約２．５μｍおよび約１．０μｍのＺｎＯ材料を、貼り合わせＳＯＩ基板上に、それぞれ直接スパッタリングにより形成する。
【００９５】
図１０（ａ）は、この実施形態に係るサンプル１０００を示す概略図である。サンプル１０００は、厚さ約２．０μｍの“固有の”ＳｉＯ２層１００４および厚さ約３．０μｍの“固有の”Ｓｉ被覆層１００６を含むＳｉ（１１１）貼り合わせＳＯＩ基板１００２を有している。また、サンプル１０００は、付加的な層または後に除去される犠牲像を堆積させることなく、Ｓｉ被覆層１００６上にスパッタリングにより形成された厚さ約２．５μｍのＺｎＯ層１００８をさらに有している。
【００９６】
このように、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みをコントロールすることにより、デバイス集積工程とは別に、エアギャップの厚みを制御することができるという利点があることがわる。
【００９７】
マイクロ−ＰＬ装置を用いて、７７ＫにおけるＰＬ測定が行なわれる。図１０（ｂ）は、Ｓｉ被覆層１００６上にスパッタリングにより形成されたＺｎＯ層１００８についてスペクトル測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）から、近接バンド−エッジフリー励起子発光（ＦＸ）（符号１０１０参照）、および低温下におけるドナーボンド励起子発光（ＤＸ）の存在を示すスペクトルが確認できる。ドナーアクセプター対発光（ＤＡＰ）は、７７Ｋにおいてより強いものとなっている（符号１０１２参照）。
【００９８】
この実施形態においては、標準的なフォトリソグラフィー法により、ブリッジ部およびカンチレバー部の長さを変化させながら、ＺｎＯ層１００８をパターン化し、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約３．０μｍの深さまで、約２０分間の間エッチングが行われる。サンプル１０００は、それぞれ約３０秒間のパルスを１回照射されることで、Ｓｉ被覆層１００６のＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００９９】
図１１（ａ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル１０００（図１０（ａ））のＺｎＯのブリッジ構造１１０２を示す顕微鏡写真１１００である。図１１（ｂ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル１０００（図１０（ａ））のカンチレバー構造１１０６を示す顕微鏡写真１１０４である。図１１（ａ）においては、ＺｎＯのブリッジ構造１１０２は、貼り合わせＳＯＩウェハ上において二つの縁部１１０６，１１０８上に保持された構造１１０２として、フリースタンディングなものとして観測される。ブリッジ構造１１０２のコントラストは、支持構造１１１０，１１１２と比較して、より明るいものとして観測される。ブリッジ構造全体の顕微鏡写真を挿入図５として示す。図１１（ｂ）において、ＺｎＯのカンチレバー構造１１０６は、縁部１１１４において保持されたカンチレバー構造１１０６として、貼り合わせＳＯＩウェハ上において、フリースタンディングなものとして観測される。カンチレバー構造１１０６のコントラストは、支持構造１１１６と比較して、より明るいものとして観測される。カンチレバー構造全体の顕微鏡写真を挿入図６として示す。長いカンチレバー構造１１１８，１１２０が、ＺｎＯ材料の組み込み応力（in-built stress）により、上方に向かってカールしていることが観測できる。
【０１００】
図１２（ａ）は、サンプル１０００（図１０（ａ））の開放されたＺｎＯブリッジ構造１２０２のＳＥＭ写真１２００である。図１２（ｂ）は、サンプル１０００（図１０（ａ））のカンチレバー構造１２０６，１２０８のＳＥＭ写真１２０４である。図１２（ａ）より、ＺｎＯブリッジ構造１２０２は、約２．５μｍの厚みであり、また、約３μｍのエアギャップ１２１０が形成されている。ブリッジ構造全体のＳＥＭ写真を挿入図７として示す。図１２（ｂ）より、カンチレバー構造１２０６，１２０８は約２．５μｍの厚みであり、また、エアギャップ１２１２が形成されている。ＺｎＯ材料の組み込み応力（in-built stress）により、カンチレバー構造１２０６，１２０８は上方に向かってカールしている。カンチレバー構造全体のＳＥＭ写真を挿入図８として示すが、ここにおいて、カンチレバー構造全体は上方にカールしていることが示されている（符号１２１４参照）。
【０１０１】
本実施形態においては、開放されたＺｎＯマイクロ−ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））およびカンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））は、空間分解マイクロ−ラマン技術により、さらなる特性の測定が行なわれる。図１３（ａ）は、ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））のマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、カンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））のマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ａ）より、二つの支持構造またはプラットフォーム１１１０，１１１２が、５２０ｃｍ−１（符号１３０２参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、４３７ｃｍ−１（符号１３０４参照）において、Ｅ２フォノン強度が最も弱くなることが観測できる。開放された多結晶構造体１１０２において残留曲げ応力が存在することにより、Ｅ２フォノンピーク位置が若干変化していることが観測できる。図１３（ｂ）より、カンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））においても同様の効果が観測できる。応力に対して反応し易いＥ２フォノンピークシフトは、関係式Δω＝Ｋσを用いて応力プロファイルを見積もるのに用いられる。ここにおいて、Ｋは、比例定数（６．７ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。このような関係は、ラマンデータおよびフォノン歪みの可能性を用いて導かれる。ＺｎＯの弾性スティフネス定数は、比例定数を決定するのに用いられる。これらの算出にあたっては、Ｖｉｃｋｎｅｓｈらの「“Surface micromachined freestanding ZnO microbridge and cantilever structures on Si(111) substrates”, Appl. Phys. Lett. 90, 091913 (2007).」を参照することができる。
【０１０２】
図１３（ｃ）は、ＺｎＯのマイクロ−ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））におけるＥ２フォノン強度のラマンマッピング図である。中心部分１３０６は、シリコン被覆層１００６（図１０（ａ））を選択的に除去することにより、最大のラマン強度を示している。多結晶ＺｎＯ中における残留応力は、支持構造またはプラットフォーム１１１０，１１１２（図１１（ａ））およびそのままの状態のフィルム（as-grown films）において、約０．２２〜０．１１ＧＰａの範囲で変化している。“そのままの状態のフィルム”とは、多結晶のＺｎＯである。プラットフォーム領域における応力は、そのままの状態のフィルムと同様であった。ドライ開放により形成されたフリースタンディング領域は、異なる応力値を有していた。引張曲げ応力は、フリースタンディングのカンチレバー１１０６（図１１（ｂ））において、約０．１５〜−０．０５ＧＰａの範囲で変化していることがラマン測定により示される。幾何的な効果および成長に起因する機械的な特性は、フリースタンディングのカンチレバー１１０６（図１１（ｂ））において、傾き残留応力の変化を引き起こしている可能性がある。ＺｎＯ集積工程のために、基板に形成されているＳｉ被覆層の厚みを約１００ｎｍ〜約３．０μｍの間で変化させたＳＯＩ基板を用いることで複数の実験が行なわれた。成長により引き起こされる応力は、Ｓｉ被覆層の厚みの変化に応じて、約０．２０〜０．４５ＧＰａの範囲でサンプルごとに変化する結果となった。成長方向に沿った方向である縦方向の応力は、ドライエッチングによりデバイスを開放した後の残留応力に依存する結果となった。ＳＯＩプラットフォーム上の開放されたＺｎＯカンチレバー部およびＺｎＯマイクロ−ブリッジ部における残留応力は、約−０．０５ＧＰａ〜約０．４０ＧＰａの範囲となった。残留応力の変化は、メカニカル構造体の幾何学的なサイズ、成長に起因ずる応力およびＳＯＩ上のＺｎＯ層の厚みに依存している。
【０１０３】
別の実施形態においては、ＺｎＯは、バルクのＳｉ（１１１）基板上に形成される。この実施形態においては、ＸｅＦ２ドライ開放／エッチングを行なう前および後における、ブリッジ構造およびカンチレバー構造のＳＥＭ写真から、アンダーカットエッチングを確認することができる。光学顕微鏡写真（不図示）において、ＺｎＯプラットフォームおよびＺｎＯブリッジ部におけるコントラストの変化は、下層に形成されているＳｉ材料基板がエッチングされたことを示している。
【０１０４】
図１４（ａ）は、バルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム１４０４，１４０６上の開放されたＺｎＯブリッジ構造１４０２を示すＳＥＭ写真１４００である。図１４（ｂ）は、バルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム１４１２上に形成されたカンチレバー構造１４１０のＳＥＭ写真１４０８である。エアギャップ１４１４，１４１６のサイズはそれぞれ約４．３μｍであり、ブリッジ構造１４０２およびカンチレバー構造１４１０における、アンダーカットエッチングが、明確に視認できる。ラマン分析から、本実施形態においては、バルクのＳｉ（１１１）上に形成されたそのままの状態のＺｎＯフィルム（as-grown ZnO films）（約１．７μｍ厚）は、約０．５５±０．０３ＧＰａの残留引張応力を示すことが確認された。パターン化された構造のプラットフォーム領域１４０４，１４０６，１４１２から、応力値は、実質的に変化しないままであり、約０．５２〜０．５５ＧＰａ程度である。図１４（ａ）より、５０μｍの長さのフリースタンディングのマイクロ−ブリッジ構造１４０２における残留応力の範囲は、ラマンラインスキャンから、約０．３３±０．０３〜約０．４２±０．０３ＧＰａの範囲であると見積もられる。図１４（ｂ）より、５０μｍの長さのカンチレバー構造１４１０における残留応力の範囲は、ラマンラインスキャンから、約０．２９±０．０３〜約０．４０±０．０３ＧＰａの範囲であると見積もられる。長さ約４００μｍを上限として伸びている梁部を有するカンチレバー構造１４１０には、カンチレバー構造１４１０のエッジ部分において、わずかに高い引張応力（約０．４３±０．０３ＧＰａ未満）が観測される。
【０１０５】
さらに別の実施形態においては、ナノ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体および微結晶ダイヤモンドメカニカル構造体が、シリコン上に形成される。ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）マイクロ構造体は、ＸｅＦ２エッチングに先立ち、ＩＣＰエッチングによりパターン化される。ＩＣＰエッチングに際しては、Ａｒ／Ｏ２プラズマを用いたダイヤモンドのドライエッチングに、Ａｌハードマスクが用いられる。
【０１０６】
図１５（ａ）は、この実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤカンチレバー構造１５０２のＳＥＭ写真である。ＮＣＤカンチレバー構造１５０２は、約２分間、ＸｅＦ２エッチングが行なわれる。カンチレバー構造１５０２領域内におけるコントラストの変化が、挿入図として示した顕微鏡写真１５０４において観測される。また、コントラストの変化は、ＳＥＭ写真１５００でも観測することができる。
【０１０７】
図１５（ｂ）は、本実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤブリッジ構造１５０８のＳＥＭ写真１５０６である。ＮＣＤブリッジ構造１５０８は、約２分間、ＸｅＦ２エッチングが行なわれる。ブリッジ構造１５０８領域内におけるコントラストの変化が、挿入図として示した顕微鏡写真１５１０において観測される。また、コントラストの変化は、ＳＥＭ写真１５０６でも観測することができる。
【０１０８】
この実施形態において、ダイヤモンドメカニカル構造体１５０２，１５０８は、機械的に安定である。
【０１０９】
別の実施形態においては、同様な形成工程を、化学蒸着（ＣＶＤ）により成長したマイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体においても適用することができる。図１６（ａ）は、この実施形態におけるＣＶＤ成長マイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体を示す切断面のＳＥＭ写真１６００である。図１６（ｂ）は、この実施形態における多結晶／マイクロ結晶ダイヤモンドカンチレバー１６０４を示すＳＥＭ写真１６０２である。図１６（ｃ）は、この実施形態における多結晶／マイクロ結晶マイクロ−ブリッジ構造１６０８を示すＳＥＭ写真１６０６である。
【０１１０】
別の実施形態においては、ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）マイクロ構造体および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）マイクロ構造体が提供される。フォトニックセンサおよびメカニカルセンサを形成するために、フリースタンディングのＬＥＤおよび電界効果トランジスタが、シリコンおよびＳＯＩプラットフォーム上に形成される。
【０１１１】
図１７（ａ）は、この実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造膜１７０４を示す光学顕微鏡写真１７０２である。図１７（ｂ）は、この実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバー１７０８を示す光学顕微鏡写真１７０６である。図１７（ｃ）は、この実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造膜１７１２を示す光学顕微鏡写真１７１０である。図１７（ｄ）は、この実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバー１７１６を示す光学顕微鏡写真１７１４である。
【０１１２】
この実施形態においては、アンダーエッチングの行なわれた構造体が、ＸｅＦ２ドライ開放技術により作製される。このようなメカニカル構造体は、フォトニックセンサとして好適である。ＩｎＧａＮ／ＧａＮを用いることはさておき、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＦＥＴカンチレバーは、バルクのシリコンプラットフォームおよびＳＯＩプラットフォームの両方の上に形成することができる。メカニカル構造体のアンダーカットエッチングは、非常に選択的であり、また、最終的なデバイスの開放は、シリコンおよびＳＯＩのＸｅＦ２ドライエッチングにより達成される。
【０１１３】
さらに別の実施形態では、ＧａＮ系アンダーカットマイクロディスクＬＥＤ構造体が提供される。図１８（ａ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０２の光学顕微鏡写真１８００である。図１８（ｂ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０６のＳＥＭ写真１８０４である。図１８（ｃ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０６についてエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した際におけるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度と波長との関係を示すグラフである。
【０１１４】
この実施形態においては、鉛直なマイクロディスクＬＥＤ構造体は、上面にｐ−結合パッドおよびｐ−接合メタライゼーションの形成処理が行なわれる。このようなマイクロディスクＬＥＤデバイスの代表的なエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを図１８（ｃ）に示す。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を有するアンダーカットＬＥＤは、下層であるＳｉ層をＸｅＦ２エッチングすることなくマイクロ構造とされたＬＥＤと比較して、青および緑のＥＬ強度を増大させることができることが確認された。ＸｅＦ２エッチングによりＳｉを選択的に除去することによって、可視光抽出効率を大きく改善できることが、このようなマイクロディスクＬＥＤを、一般的な照明へ適用できるという可能性を示している。このようなアンダーエッチングされた構造体においては、エッジの接合部温度が高いため、白色光に適用するために必要となる高い駆動電流条件下においても、波長安定性を保つことができる。このようなＬＥＤの形成工程は、マイクロ−オプトメカニカルシステムやレゾネータにも適用することができる。
【０１１５】
図１９は、マイクロメカニカル構造体の形成方法を示すフローチャート１９００である。ステップ１９０２においては、シリコン（Ｓｉ）系基板が供給される。ステップ１９０４においては、マイクロメカニカル要素が基板上に直接形成される。ステップ１９０６においては、アンダーカットが、凹部状に、マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成される。ステップ１９０８では、凹部がＳｉ系基板に形成される。
【０１１６】
上述した実施形態においては、ＩＩ−ＶＩ幅のバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体や、ＩＩＩ−Ｖ幅のバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体を、ＳＯＩ基板上に形成することができる。ＳＯＩ基板は、ウェハボンディングおよび／または酸素注入による分離（ＳＩＭＯＸ）により調製することができる。ＳＯＩプラットフォームは、（１００）および（１１１）の両方の配向を有することとなる。シリコン被覆層の厚みを精密に制御することで、異なる配向性を有するＳＯＩ基板における応力を調整することができる。ＩＩ−ＶＩのワイドバンドギャップを有する構造体としては、様々な厚みの単一構造およびヘテロ構造の形状を有する材料であるＺｎＯ、Ｚｎ（Ｍｇ）Ｏ、Ｚｎ（Ｃｄ）ＯおよびＺｎＳが含まれる。ＩＩＩ−Ｖのワイドバンドギャップを有する構造体としては、様々な厚みの単一構造およびヘテロ構造の形状を材料であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＮが含まれる。この実施形態においては、バルクのＳｉ基板およびＳＯＩ基板上に形成された多結晶ダイヤモンドマイクロメカニカル構造体およびナノ結晶ダイヤモンドマイクロメカニカル構造体にも適用することができる。ＩＩ−ＶＩおよびＩＩＩ−Ｖのワイドバンドギャップ層は、張出し構造を実現するために用いられ、また、シリコンの犠牲層エッチング後における残留応力を制御することができる。ドライエッチングのためのシリコン基板は、標準的なリソグラフィー技術により照射が行なわれる。また、この実施形態によれば、バルクのＳｉプラットフォームまたはＳＯＩプラットフォーム上に形成されたＩｎＧａＮ/ＧａＮ系、ＡｌＧａＮ/ＧａＮ系、ＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ系などの発光ダイオード（ＬＥＤ）のような材料からなる光電子デバイスなどのワイドバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体を提供することができる。さらに、この実施形態によれば、ＡｌＧａＮ/ＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ/ＧａＮ系、ＺｎＯ/ＧａＮ系などのハイブリッド電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）および高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）のような材料からなるマイクロ光電子デバイスなどのワイドバンドギャップを有する半導体メカニカル構造体を提供することができる。
【０１１７】
上述した実施形態では、ＳｉおよびＳＯＩの犠牲的な開放を、種々の成長技術を用いて、ワイドバンドギャップを有する構造体の堆積を行なった後に行う。ＳＯＩおよびバルクのＳｉ上に、格子が不整合であったり熱的に不整合である材料を成長させることによる成長に起因する応力が存在する。デバイスを開放した後においては、曲げ応力成分が発生し、このような曲げ応力成分は層の厚さおよび幾何学的なサイズに依存する。このような応力は、予めデザインされた成長に起因ずる応力により、大きく影響されることとなる。このように、これらのパラメータをコントロールすることにより、犠牲的なドライ開放を用いて、機械的な構造が、予測される応力値とともにデザインされる。
【０１１８】
上述の特定の実施形態に示されているように、広く規定された本発明の趣旨および範囲内において、様々な変更および／または修正を行うことができることは本技術分野における当業者であれば、理解することができる。それゆえ、上述の本実施形態は、本発明を説明するためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在の半導体製造技術では、オプトエレクトロニクスデバイスやマイクロエレクトロニクスデバイスにおいて、ワイドバンドギャップを有する材料が一般的に用いられている。このような材料の一例として窒化ガリウム（ＧａＮ）が挙げられる。ＧａＮは、バンドギャップが広く（たとえば、Ｅｇ〜３．４ｅＶ（３００Ｋ））、弾性係数が高く、圧電係数および圧電抵抗係数が高く、化学的に不活性であるという性質を有する。このように、ＧａＮは、マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）に適用するための材料として適しており、特に、高温圧電性や高い破壊電圧などが要求される条件のような厳しい条件下において用いられるものに適したものである。
【０００３】
一般的に、ＧａＮの単結晶が不足しているため、オプトエレクトロニクスデバイスやマイクロエレクトロニクスデバイス用のＧａＮヘテロエピタキシャル層は、格子不整合度が約１６％であるサファイア（α−Ａｌ２Ｏ３）基板や格子不整合度が約３．４％である炭化ケイ素（ＳｉＣ）基板などの「異材料」からなる基板上で成長が行なわれる。なお、このような「異材料」からなる基板は典型的なものであり、必ずしも望ましいものではない。たとえば、サファイア基板上で成長させたＧａＮフィルムは、ＧａＮのエピ層と基板との間の格子不整合度および熱膨張率の差が大きいため、格子欠陥（たとえば、主として、貫通転位）を高密度で含むものである。
【０００４】
「異材料」からなる基板の代わりとして、たとえば、シリコン（Ｓｉ）基板やシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板などのＧａＮのヘテロエピタキシャル成長に用いることができる他の基板が挙げられる。Ｓｉ（１１１）基板上でＧａＮの成長を行なう方法により、従来用いられている基板の代わりとして、より安価で、より入手し易いシリコンを用いるという選択が可能となる。そもそも、ＧａＮ系のデバイスは、十分に確立されたシリコンプロセス技術に基づいて集積されている。しかしながら、格子定数および熱膨張係数の差異が大きいため、有機金属化学成長法（ＭＯＣＶＤ）によって、Ｓｉ基板上に優れた品質を有するＧａＮフィルムを形成することができなかった。Ｓｉ上に形成されるＧａＮの品質を改善するために、ＡｌＮ層やＡｌ０．２７Ｇａ０．７３Ｎ／ＡｌＮ層のような別の緩衝層や中間層を使用する方法が提案されている。この方法によれば、適切な条件により成長を行なうことで、格子定数および熱的性質が大きく異なってしまうことを避けることができる。高温のＡｌＮ緩衝層は別にして、「“Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si(111) substrates”, Appl. Phys. Lett. 85, 5881 (2004)」に開示されたＷａｎｇらによる方法によれば、シリコンをデルタドープした中間層を用いることで、クラックや伸張ストレスの低減を可能としている。
【０００５】
優れた品質を有するウルツ鉱型ＧａＮエピ層が、Ｓｉ（１００）基板またはＳＯＩ基板上で成長可能であれば、シリコンエレクトロニクスによるＧａＮ系のデバイスの集積が可能となる。Ｚｈｏｕらは、「“Comparison of the properties of GaN grown on complex Si-based structures”, Appl. Phys. Lett., 86, 081912 (2005)」において、集積化のために、ＳＯＩ（１１１）上にＧａＮを成長させる技術を開示している。ＳＯＩ系の技術は、一般的に、エレクトロニックデバイスやマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）デバイスを含むマイクロスケール用途において用いられ、この場合においては、工程制御に優れ、かつ、電気的および機械的性質の信頼性が改善されているという利点を有するシリコン単結晶を提供することができる。ＳＯＩウェハは、一般的に、ウェハボンディングやスマートカットなどの各工程や、いわゆるイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ；Separation by Implantation of Oxygen）のような方法を用いて調製することができる。ＳＯＩ基板を用いることで、サファイア基板やＳｉＣ基板を用いた場合よりも、複数の利点がある。このような利点としては、大きなサイズの基板（たとえば、１２インチ以上）を使用できることが挙げられ、これにより、コストを低減でき、さらには、Ｓｉ系のマイクロエレクトロニクスによる集積をより容易にすることが可能となる。
【０００６】
Ｍ.Ａ. Ｓｈａｈ、Ｓ.Ｖｉｃｋｎｅｓｈ、Ｌ. Ｓ. Ｗａｎｇ、Ｊ. Ａｒｏｋｉａｒａｊ、Ａ. Ｒａｍａ、Ｓ. Ｊ. ＣｈｕａおよびＳ. Ｔｒｉｐａｔｈｙは、「“Fabrication of Freestanding GaN Micromechanical Structures on Silicon-on-Insulator Substrates”, Electrochem. Solid-State Lett., 8, G275 (2005)」において、ＭＯＣＶＤを用いたＳＩＭＯＸ法により調製した（１００）配向のＳＯＩ基板上にＧａＮ系エピ層を成長させ、ＳＯＩプラットフォーム上にＧａＮ系のマイクロメカニカル構造体を形成するための製造方法を開示している。Ｌ. Ｓ. Ｗａｎｇ、Ｓ. Ｔｒｉｐａｔｈｙ、Ｓ. Ｊ. ＣｈｕａおよびＫ. Ｙ. Ｚａｎｇは、「“InGaN/GaN multi-quantum-well structures on (111)-oriented bonded silicon-on-insulator substrates”, Appl. Phys. Lett., 87 111908 (2005)」において、（１１１）配向の貼り合わせＳＯＩ基板上に、明確な界面を有するＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸（ＭＱＷｓ；multi-quantum-well）を成長させる点が開示されている。
【０００７】
ＧａＮ系のＭＥＭＳの開発における一つの問題として、犠牲層をエッチングするための優れたエッチング液がないことが挙げられる。Ｒ. Ａ. ＢｅａｃｈおよびＴ. Ｃ. ＭｃＧｉｌｌによる「“Fabrication of GaN suspended microstructures”, Appl. Phys. Lett., 78 3226 (2001)」、Ａ. Ｒ. Ｓｔｏｎａｓ、Ｎ. Ｃ. ＭａｃＤｏｎａｌｄ、Ｋ. Ｌ. Ｔｕｒｎｅｒ、Ｓ. Ｐ. ＤｅｎＢａａｒｓおよびＥ. Ｌ. Ｈｕによる「“Photoelectrochemical undercut etching for fabrication of GaN microelectromechanical systems”, J. Vac. Sci. Technol., B 19 2838 (2001)」、ならびに、Ａ. Ｒ. Ｓｔｏｎａｓ、Ｐ. Ｋｏｚｏｄｏｙ、Ｈ. Ｍａｒｃｈａｎｄ、Ｐ. Ｆｉｎｉ、Ｓ. Ｐ. ＤｅｎＢａａｒｓ、Ｕ. Ｋ. ＭｉｓｈｒａおよびＥ. Ｌ. Ｈｕによる「“Backside-illuminated photoelectrochemical etching for the fabrication of deeply undercut GaN structures”, Appl. Phys. Lett., 77 2610 (2000)」などによれば、化学エッチングを用いたIII族窒化物系のＭＥＭＳの製造方法が開示されている。
【０００８】
Ｓ. Ｄａｖｉｅｓ、Ｔ. Ｓ. Ｈｕａｎｇ、Ｍ. Ｈ. Ｇａｓｓ、Ａ. Ｊ. Ｐａｐｗｏｒｔｈ、Ｔ. Ｂ. ＪｏｙｃｅおよびＰ. Ｒ.Ｃｈａｌｋｅｒによる「“Fabrication of GaN cantilevers on silicon substrates for microelectromechanical devices”, Appl. Phys. Lett., 84 2556 (2004)」、Ｓ. Ｄａｖｉｅｓ、Ｔ. Ｓ. Ｈｕａｎｇ、Ｒ. Ｔ. Ｍｕｒｒａｙ、Ｍ. Ｈ. Ｇａｓｓ、Ａ. Ｊ. Ｐａｐｗｏｒｔｈ、Ｔ. Ｂ. ＪｏｙｃｅおよびＰ. Ｒ.Ｃｈａｌｋｅｒによる「“Fabrication of epitaxial III-nitride cantilevers on silicon (111) substrates”, J. Mat. Sci., 15 705 (2004)」、Ｚ. Ｙａｎｇ、Ｒ. Ｎ. Ｗａｎｇ、Ｓ. Ｊｉａ、Ｄ. Ｗａｎｇ、Ｂ. Ｓ. Ｚｈａｎｇ、Ｋ. Ｍ. ＬａｕおよびＫ. Ｊ. Ｃｈｅｎによる「“Mechanical characterization of suspended GaN microstructures fabricated by GaN-on-patterned-silicon technique”, Appl. Phys. Lett., 88, 041913 (2006)」、ならびに、Ｚ. Ｙａｎｇ、Ｒ. Ｗａｎｇ、Ｄ. Ｗａｎｇ、Ｂ. Ｚｈａｎｇ、Ｋ. Ｍ. ＬａｕおよびＫ.Ｊ. Ｃｈｅｎによる「“GaN-on-patterned-silicon (GPS) technique for fabrication of GaN-based MEMS”, Sensors and Actuators A, Accepted for Publication (Inpress)」などによれば、乾式および湿式の化学エッチング工程を組み合わせることで、Ｓｉ（ＩＩＩ）基板上に、ＧａＮ表面がマイクロマシン化されてなるマイクロ構造体を得ることができる点が開示されている。しかしながら、犠牲層のエッチングに湿式の化学エッチングを用いると、マイクロ構造体が、メニスカス力（静止摩擦力）により崩壊してしまうことを防ぐため、開放されたマイクロ構造体（released microstructures）をある程度乾燥する必要があるという問題がある。
【０００９】
すなわち、表面がマイクロマシン化されたフリースタンディングの構造体を得るための典型的な製造過程においては、脱イオン（ＤＩ）水を使用して湿式の化学エッチング液を洗い流して、化学エッチング液の含まれていない構造体を得て、得られた構造体をエバポレーションにより乾燥する必要がある。この製造過程を用いる場合には、エアギャップ中における水滴の毛細管力により、しなやかなマイクロ構造体を、基板に引き下ろさせることができ、これにより、マイクロ構造を完全に乾燥させた後においても、マイクロ構造体を基板にくっつけておくことができる。また、複数の研究によれば、ソリッドブリッジング（solid bridging）や、ファンデルワールス力、静電気力などの要因も静止摩擦力を与えることができると報告されている。
【００１０】
ＧａＮに加えて、フォトニクスやエレクトロニクスに用いるのに適したその他の材料として、酸化亜鉛（ＺｎＯ）が挙げられる。ＺｎＯは、一般的に、半導体、光伝導、圧電センサおよび光学電波管など広い分野において用いられている。ＺｎＯは、ダイレクトワイドバンドギャップ（たとえば、Ｅｇ〜３．３ｅＶ（３００Ｋ））を有し、励起状態における結合エネルギーが大きい（〜６０ｍｅＶ）などの特有の特性を多く有する。ＺｎＯは、Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＳｉＣまたはＧａＮなどの各材料と比較して放射線耐性に優れるため、一般的に、宇宙空間や原子炉などの厳しい環境下で動作する半導体デバイスに用いられる。
【００１１】
ＺｎＯをＭＥＭＳに適用するために用いる場合には、ＺｎＯ材料が、犠牲層をエッチングする際に一般的に用いられる湿式の化学エッチング液に容易にエッチングされてしまうという問題がある。そのため、ＺｎＯを用いたＭＥＭＳを得るためには、ドライ開放技術（dry-releasing technique）の開発が望まれている。
【００１２】
上記に加えて、厳しい環境に用いられるＭＥＭＳを開発するためのさらに別の材料として、微結晶ダイヤモンドやナノ結晶性ダイヤモンド（ＮＣＤ）が挙げられる。これらの材料は、十分な機械強度を有しており、化学的に不活性であり、熱的安定性およびトライボロジー性能も十分である。フリースタンディングのＮＣＤメカニカル構造体は、通常、犠牲層としてＳｉＯ２を使用して製造される。しかしながら、ＳｉＯ２犠牲層は、通常、フッ化水素（ＨＦ）水および／またはフッ化水素ガスによるエッチングを用いて除去される。そのため、犠牲層のエッチングに湿式の化学エッチングを用いると、マイクロ構造体が、メニスカス力（上述した静止摩擦力）により崩壊してしまうことを防ぐため、開放されたダイヤモンドマイクロ構造体（released diamond microstructures）をある程度乾燥する必要があるという問題がある。
【００１３】
したがって、静止摩擦力による問題を避けながら、ワイドバンドギャップを有する超ナノ結晶性ダイヤモンドや超微結晶ダイヤモンドのマイクロメカニカル構造体、および／または表面がマイクロメカニカル化されたＧａＮやＺｎＯのマイクロ構造体を得るためには、ドライ開放技術（dry release technique）の開発が望まれている。
【００１４】
シリコンをエッチングするためには、シリコンのエッチャントとして、二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いた気相パルスエッチング（gas phase pulse etching）が用いられている。ＸｅＦ２は、ＣｌＦ３、ＢｒＦ３、ＢｒＦ５およびＩＦ５などを含むフッ素系のシリコンのエッチャントのうちの一種である。ＸｅＦ２の蒸気が、シリコンに対するフッ素エッチング化学のメカニズムの研究に最初に用いられた際に、ＸｅＦ２は、室温下において、エッチング速度が速く反応率も高いことが見出された。シリコンのエッチャントとして、ＸｅＦ２は、活性化剤や外部からのエネルギー源がなくてもエッチング可能であり、そのため、従来から集積回路を製造する際に用いられている多くの金属、誘電体、高分子に対して高い選択性を示し、かつ、等方性のエッチングを行なうことができ、さらには、穏やかな乾式の反応エッチングを行うことができるという特有の性質を有している。ＸｅＦ２は、室温、大気圧下では、白色の固体状物質である一方で、真空環境下では、固体のＸｅＦ２は、即座に昇華し、物理的に励起される必要なく、等方的にシリコンをエッチングする。
【００１５】
Ｈｏｆｆｍａｎらは、「"3D structures with piezoresistive sensors in standard CMOS," Proceedings of Micro Electro Mechanical Systems Workshop (MEMS '95), 288 (1995)において、バルク状のマイクロマシン化されたチップを得るために、ＸｅＦ２を用いた標準的なＣＭＯＳ製造工程において、ピエゾ抵抗センサで三次元構造を作製している。さらに、米国特許第７０４１２２４号明細書、米国特許第６９４２８１１号明細書、米国特許第６９６０３０５号明細書、および米国特許第７０２７２００号明細書には、改良された装置（たとえば、エッチング工程の終了時点を、正確に決めることのできる装置）や、マイクロメカニカル構造体のシリコン犠牲層のエッチングを行なう際に、気相エッチャントを用いる方法（たとえば、露光時の投影を制御するためのマイクロミラーアレイを用い、シリコン系からなるＭＥＭＳ要素を避ける方法）、さらに、該方法において、プラズマを用いない方法（ＸｅＦ２を１または２以上の希釈剤とともに用いる方法など）が開示されている。このように、シリコンは、チタン、金、アルミニウムおよびこれらの化合物のほか、炭化ケイ素、窒化ケイ素、種々のフォトレジスト、ポリイミド、および酸化ケイ素などのシリコン以外の材料と比較して優先的にエッチングすることができる。Ｊａｎｇらは、米国特許出願公開第２００３／０１９３２６９号明細書において、所定の周波数信号に対して共振活性を有する領域を備えたフィルム・バルク・アコースティック・レゾネータ（ＦＢＡＲ）を形成する方法を開示している。この方法においては、犠牲層としてポリシリコン層を形成し、これに続いて、ＸｅＦ２を用いて該犠牲層を除去することで、対応するエアギャップを形成している。さらに、この方法においては、シリコンやＧａＡｓなどの半導体基板上に、ＡｌＮやＺｎＯなどの誘電体材料からなる薄膜層を形成することで、該薄膜層の圧電特性を用いて、共振特性を発現させている。
【００１６】
上述の公報においては、乾式エッチングのためにＸｅＦ２を用いるものであるため、ＸｅＦ２を用いたドライエッチングの後にエアギャップを形成するために、犠牲層を堆積し、パターン化を行なうという付加的な工程が必要となる。しかしながら、このような犠牲層の堆積およびパターン化は、製造過程をより複雑にし、かつ、コスト増を招くものである。
【００１７】
これに対して、マイクロメカニカル構造体およびマイクロメカニカル構造体の製造方法において、上述の問題を解決することが望まれている。
【発明の概要】
【００１８】
本発明によれば、シリコン（Ｓｉ）系基板と、前記基板上に直接形成されたマイクロメカニカル要素と、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成されたアンダーカットと、を備え、前記アンダーカットは、前記シリル系基板に形成された凹部状のものであることを特徴とするマイクロメカニカル構造体が提供される。
【００１９】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板である。
【００２０】
前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みは、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択される。
【００２１】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びている。
【００２２】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である。
【００２３】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものである。
【００２４】
前記ＳＯＩ基板の結晶配向は、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択される。
【００２５】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００２６】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなる。
【００２７】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００２８】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されている。
【００２９】
前記凹部が、ドライエッチングプロセスを用いて、Ｓｉ系基板中に形成されたものである。
【００３０】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものである。
【００３１】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスである。
【００３２】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスである。
【００３３】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００３４】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【００３５】
また、本発明の他の側面によれば、シリコン（Ｓｉ）系基板を準備する工程と、前記基板上に直接、マイクロメカニカル要素を形成する工程と、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に、凹部状のアンダーカットを形成する工程と、前記Ｓｉ系基板に凹部を形成する工程と、を有するマイクロメカニカル構造体の製造方法が提供される。
【００３６】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板である。
【００３７】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みを選択する工程をさらに有する。
【００３８】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びている。
【００３９】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲である。
【００４０】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものである。
【００４１】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板の結晶配向を選択する工程をさらに有する。
【００４２】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００４３】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなる。
【００４４】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）である。
【００４５】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されている。
【００４６】
前記凹部状のアンダーカットの形成が、ドライエッチングプロセスを用いて行なわれる。
【００４７】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものである。
【００４８】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスである。
【００４９】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスである。
【００５０】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）である。
【００５１】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）である。
【図面の簡単な説明】
【００５２】
【図１】図１（ａ）は、一実施形態に係るシリコン・オン・インシュレータのイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ）（１００）基板上に形成された窒化ガリウム（ＧａＮ）層からなるサンプルを示す概略図である。図１（ｂ）は、ＧａＮ層についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行った際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。図１（ｃ）は、ＧａＮ層についてフォトルミネッセンス（ＰＬ）測定を行った際における、波長に対するＰＬ強度を示すグラフである。
【図２】図２（ａ）〜図２（ｃ）は、４５ｄｅｌｔａ Ｔの一定時間間隔で二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）エッチングした後のサンプルの顕微鏡写真である。図２（ｄ）は、図２（ｃ）に示すサンプルについてマイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。
【図３】図３（ａ）は、別の実施形態に係るより大きい膜サイズを有するサンプルの顕微鏡写真である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示すサンプルについてマイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。図３（ｃ）は、図１（ａ）に示すＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板上のＧａＮカンチレバー構造サンプルの下に形成されているエアギャップを示す走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図３（ｄ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）プラットフォームサンプル上のフリースタンディングメンブレンに接触してなるＧａＮ梁部サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。
【図４】図４（ａ）は、図２（ｃ）に示すサンプルのＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図４（ｂ）は、図２（ｃ）に示すサンプルのラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図５】図５（ａ）は、一実施形態に係るＳｉ（１１１）基板上に成長させた高温窒化アルミニウム（ＡｌＮ）バッファ層を有するＧａＮエピ層からなるサンプルを示す概略図である。図５（ｂ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＰＬスペクトルのＰＬ強度とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。
【図６】図６（ａ）は、図５（ａ）に示すサンプルの開放されたＧａＮ構造体の走査型顕微鏡（ＳＥＭ）写真である。図６（ｂ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示す図である。図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図６（ｄ）は、図６（ａ）のＧａＮ構造体のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図７】図７（ａ）は、図５（ａ）に示すサンプルのフリースタンディングＧａＮカンチレバー構造を示すＳＥＭ写真である。図７（ｂ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＧａＮカンチレバー構造のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図７（ｃ）は、図５（ａ）に示すサンプルのＧａＮカンチレバー構造のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。
【図８】図８（ａ）は、別の実施形態に係るサンプルを示す概略図である。図８（ｂ）は、７７Ｋ〜３７０Ｋの間で、図８（ａ）に示すサンプルについて、温度依存マイクロ−ＰＬ測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｃ）は、ＺｎＯ層について室温におけるＰＬスペクトル測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｄ）は、図８（ａ）に示すサンプルの切断面のＳＥＭ写真である。
【図９】図９（ａ）は、図８（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なう前のカンチレバー構造の顕微鏡写真である。図９（ｂ）は、図８（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のカンチレバー構造の顕微鏡写真である。
【図１０】図１０（ａ）は、一実施形態に係るサンプルを示す概略図である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルについてＰＬスペクトル測定を行なった際における、ＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。
【図１１】図１１（ａ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のＺｎＯブリッジ構造を示す顕微鏡写真である。図１１（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのＸｅＦ２エッチングを行なった後のカンチレバー構造を示す顕微鏡写真である。
【図１２】図１２（ａ）は、図１０（ａ）に示すサンプルの開放されたＺｎＯブリッジ構造のＳＥＭ写真である。図１２（ｂ）は、図１０（ａ）に示すサンプルのカンチレバー構造のＳＥＭ写真である。
【図１３】図１３（ａ）は、図１１（ａ）に示すブリッジ構造についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、図１１（ｂ）に示すカンチレバー構造について、マイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｃ）は、図１１（ａ）に示すＺｎＯマイクロ−ブリッジ構造におけるＥ２フォノンピーク強度のラマンマッピング図である。
【図１４】図１４（ａ）は、別の実施形態に係るバルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム上の開放されたＺｎＯブリッジ構造のＳＥＭ写真である。図１４（ｂ）は、該実施形態におけるバルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム上のカンチレバー構造のＳＥＭ写真である。
【図１５】図１５（ａ）は、一実施形態に係るフリースタンディングのナノ結晶性ダイヤモンド（ＮＣＤ）カンチレバー構造のＳＥＭ写真である。図１５（ｂ）は、図１５（ｂ）は、該実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤブリッジ構造のＳＥＭ写真である。
【図１６】図１６（ａ）は、別の実施形態に係る化学成長法（ＣＶＤ）により成長させたマイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体を示す切断面のＳＥＭ写真である。図１６（ｂ）は、該実施形態における多結晶／マイクロ結晶ダイヤモンドカンチレバーを示すＳＥＭ写真である。図１６（ｃ）は、該実施形態における多結晶／マイクロ結晶マイクロ−ブリッジ構造を示すＳＥＭ写真である。
【図１７】図１７（ａ）は、別の実施形態に係るバルクのシリコンプラットフォーム上に形成した発光ダイオード（ＬＥＤ）マイクロ構造体を示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｂ）は、該実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）カンチレバーを示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｃ）は、該実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造体を示す光学顕微鏡写真である。図１７（ｄ）は、該実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバーを示す光学顕微鏡写真である。
【図１８】図１８（ａ）は、さらに別の実施形態に係るマイクロディスクＬＥＤ構造体の光学顕微鏡写真である。図１８（ｂ）は、該実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体のＳＥＭ写真である。図１８（ｃ）は、該実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体についてエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した際における、エレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度と波長との関係を示すグラフである。
【図１９】図１９は、マイクロメカニカル構造体の形成方法を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００５３】
本発明は、添付図面と共に以下の本発明の実施形態の説明を参照することによって、より良く理解され、当業者に明らかなものとなるであろう。
【００５４】
以下に説明する本実施形態によれば、ドライ開放技術（dry releasing technique）により、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板上に直接成長させた、ワイドバンドギャップを有し、かつ、表面がマイクロマシン化されたナノ／マイクロメカニカル構造体（たとえば、ＺｎＯ、ＧａＮおよびナノ結晶性ダイヤモンドからなる構造体）を提供することができる。本実施形態のドライ開放技術においては、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板に形成されているＳｉ被覆層およびＳＯＩ被覆層を選択的にエッチング可能な二フッ化キセノン（ＸｅＦ２）を用いた気相パルスエッチングを行ない、これにより、ワイドバンドギャップを有する材料をアンダーカットする。本実施形態においては、ドライ開放技術は、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板上に形成されているＳｉまたはＳｉ被覆層を犠牲層とし、これらをエッチングするために用いられ、これにより、Ｓｉ基板および／またはＳＯＩ基板の表面上に成長させたワイドバンドギャップを有する材料に、エアギャップを形成する。そして、これにより、本実施形態においては、専用の犠牲層をさらに設け、これをパターンニングする必要がなくなる。他方、本実施形態では、所望のＳｉ被覆層厚みを有するＳＯＩ基板を準備することで、エアギャップの厚みの制御を可能とすることができる。言い換えれば、このような態様においては、たとえば、エアギャップの厚み制御を、基板上にＧａＮ、ＺｎＯ、ＮＣＤなどの各材料を堆積するデバイス集積工程と別に行うことができるという利点があり、むしろ、ウェハボンディングやＳＩＭＯＸなどの既に確立されているＳＯＩ形成技術において、単にシリコンの厚みの制御を行うことにより、ＳＯＩウェハ製造の前工程に組み入れることができる。
【００５５】
ＳＩＭＯＸを用いてシリコンの厚みを制御する際には、Ｍ. Ｂｒｕｅｌによる「“Silicon on insulator material technology”, Electron. Lett., 31, 1201 (1995)」、Ｍ. Ｂｒｕｅｌ、Ｂ. Ａｓｐａｒおよび Ａ. Ｊ. Ａｕｂｅｒｔｏｎ−Ｈｅｒｖｅによる「Smart-Cut: A New Silicon On Insulator Material Technology Based on Hydrogen Implantation and Wafer Bonding”, Jpn. J. Appl. Phys., Part 1, 36, 1636 1997」、ならびに、Ｏ. Ｗ. Ｈｏｌｌａｎｄ、Ｄ. ＦａｔｈｙおよびＤ. Ｋ. Ｓａｄａｎａによる「“Formation of ultrathin, buried oxides in Si by O+ ion implantation ”, Appl. Phys. Lett., 69, 674 1996」などを参照することができる。
【００５６】
基板を製造する際にシリコン被覆層の厚みを制御することにより、形成されるエアギャップの厚みを制御することができる。そして、ワイドバンドギャップを有する材料の下に配置される基板に形成されるシリコン被覆層をデザインすることによって、ワイドバンドギャップを有する材料の残存応力を制御することができる。本実施形態においては、ＸｅＦ２は、誘電体に対して高い選択性を有するため、ＸｅＦ２は、基板に形成されているシリコン被覆層を選択的にエッチングし、これにより、対応するエアギャップを形成することができる。その一方で、ＸｅＦ２は、ＳＯＩ基板のシリコン被覆層の下に形成されているＳｉＯ２層については、エッチングしない。このように、ＳＯＩ基板のＳｉＯ２層は、エッチングを停止するために機能する。
【００５７】
以下においては、本実施形態について詳細に説明する前に、本実施形態におけるサンプルの調製／形成方法、および特性解析方法を簡単に紹介する。
【００５８】
一実施形態においては、ＭＯＣＶＤを用いたＳＩＭＯＸ法により製造された市販の（１００）配向および（１１１）配向のＳＯＩ基板上にＧａＮ系エピ層を成長させる。このような基板は、厚み約１５０〜３５０ｎｍの埋め込み酸化膜層、および厚み約５０〜２００ｎｍのＳｉ被覆層を有している。バルクのＳｉ（１１１）上に、直接ＧａＮマイクロメカニカル構造体を形成するドライ開放技術の可能性を強調するために、あるサンプルにおいては、薄膜のＡｌＮバッファ層が形成されたＧａＮ層を、Ｓｉ（１１１）基板上に成長させる。このような例においては、周期的にデルタドーピングを行うことにより、バルクのシリコン（１１１）基板およびＳＯＩ基板上にＧａＮ層を成長させることで、クラックや伸張応力を低減する。ＡｌＮバッファ層などの上に層を成長させ、かつ、ＭＯＣＶＤを行なう際に周期的にデルタドーピングを行なうことにより、Ｓｉ（１１１）上に、良好なＧａＮエピタキシーを製造できることが理解されると推察できる。このような成長法は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１１１）基板およびＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板にも応用することができる。さらには、別の態様においては、他のワイドバンドギャップを有する材料を用いた場合について明らかにするために、ＺｎＯサンプルを、ＳＩＭＯＸ法により製造された（１１１）配向のＳＯＩ基板やウェハボンディングされたＳＯＩ基板上に、ＲＦマグネトロンスパッタリングなどにより、堆積／成長させる。このサンプルにおいては、埋め込み酸化膜層の厚みが約３７０ｎｍ〜２．０μｍであり、Ｓｉ被覆層の厚みが２００ｎｍ〜３．０μｍである。
【００５９】
ＺｎＯサンプルおよびＧａＮサンプルは、マイクロ−フォトルミネッセンス（ＰＬ）およびマイクロ−ラマン測定などの光学技術により、その特性の測定が行なわれる。
【００６０】
さらに、別の態様においては、約２．０μｍの厚みの超ナノ結晶性ダイヤモンド（ＵＮＣＤ）フィルムを、マイクロ波プラズマ化学気相堆積技術によりＳｉ系の基板上に、成長させる。これらのフィルムは、超平滑表面を有するダイヤモンドであり、その結晶品質特性は、マイクロ−ラマン分光法により調べることができる。
【００６１】
上述のようにして作製される各サンプルは、切断され、２×２ｃｍ角のサンプルとされ、クラス１００のクリーンルーム内において、溶剤としてアセトンおよびメタノールを用いて、超音波槽中にて、各溶剤につき約５分ずつの条件にて、洗浄される。その後、前記サンプルについて、ＤＩ水を用いて、すすぎを行い、Ｎ２ガスを用いて乾燥し、約９０℃、約１０分間、オーブン（たとえば、Ｍｅｍｍｅｒｔ）中でプリベイク（pre-bake）を行なう。加熱後、前記サンプルに、スピンコーター（たとえば、Ｂｒｅｗｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ， ＩＮＣ．製のＣＥＥ １００）を用いて、回転数約５０００ｒｐｍ、約３０秒の条件で、ＡＺ４３３０フォトレジスト（ＰＲ）を、スピンコートする。その後、前記サンプルは、オーブン中に入れられ、約９０℃、３０分間の条件でソフトベイクが行なわれる。その後、Ｋａｒｌ Ｓｕｓｓマスクアライナー（ＭＡ８）のＩ−ｌｉｎｅを用いて、約４．５〜５ｍＷの強度の紫外光（約３６５ｎｍ）により、フォトリソグラフィーが行なわれる。本実施形態では、それぞれ異なるメンブレン構造、カンチレバー構造およびブリッジ構造を有する３インチのマスクプレートを複数用いて、パターンニングを行なう。フォトリソグラフィーの後であり、エッチングの前に、パターン化されたサンプルについて、フォトレジストの厚みを測定したところ、約３μｍであった。
【００６２】
エッチングに際しては、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）チャンバー（約２ＭＨｚで稼動）およびサンプルを静電チャックするためにＲＦバイアス（約１３．５６ＭＨｚ）からなるロードロック型の高密度プラズマエッチングシステム（ＵｎａｘｉｓのＳＬＲ７７０）中にて、エッチングを行なう。この際には、前記サンプルの基板温度をより効果的にコントロールするために、ヘリウムによる冷却を同時に行う。前記サンプルは、エッチングチャンバーに導入される前に、８インチのＳｉキャリアウェハ上に、真空グリースを用いてマウントされ、純度９９．９９９％の三塩化ホウ素（ＢＣｌ３）ガスおよび塩素（Ｃｌ２）ガスが構造体のエッチングのために導入される。前記サンプルは、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）の電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の条件で、ワイドバンドギャップを有する材料の種類に応じた時間で、ＩＣＰチャンバー中でエッチングされる。
【００６３】
エッチングの後、残存する材料およびフォトレジストのエッチング深度が、表面観測装置（ＫＬＡ ＴｅｎｃｏｒのＰ−１０）を用いて決定される。そして、フォトレジストをアセトンを用いて取り除き、エッチングされた材料のステップ高さを、表面観測装置により再び測定する。これは、エッチングするための犠牲層に続いて形成されているワイドバンドギャップを有する材料の下に位置する下層（もともと基板に形成されている層）の露光条件を求めるためである。前記各サンプルに対して、カスタマイズされたペンタバキュームシステム中で、ＸｅＦ２を用いて、基板に形成されたＳｉ被覆層についての犠牲層エッチングを行うことで、ワイドバンドギャップを有する材料を開放（リリース）する（releasing）ことができる。開放された（released）ワイドバンドギャップ構造体の像は、解像度約３．５ｎｍ、加速電圧５ｋＶ〜１０ｋＶである走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）（ＪＥＯＬのＪＳＭ ５６００）の二次電子像（ＳＥＩ）モードを用いて、捕らえることができる。
【００６４】
さらに、開放されたサンプル（released samples）は、空間分解ラマン散乱を用いて、室温下、後方散乱にて、特性の測定が行なわれる。アルゴンイオンレーザーの５１４．５ｎｍ線を、ラマン散乱測定に用いる。散乱光は、液体窒素で冷却された電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器を備えた三重単色光分光システム（ＪＹ−Ｔ６４０００）を通って、散乱させられる。ラマン測定の精度は、約０．２ｃｍ−１で、方位空間分解能が約１．２μｍである。前記サンプルは、基板の軸と直交方向に励起され、後方散乱光は、入射レーザー光を照射するための照準と同じ目的により、検出される。
【００６５】
上述した前記サンプルの調製／形成技術、および特性解析技術の簡単な紹介に続いて、以下、本実施形態について詳細に説明する。
【００６６】
図１（ａ）は、一実施形態に係るＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１００）基板１０４上に形成されたＧａＮ層１０２からなるサンプル１００を示す概略図である。ＧａＮ層１０２は約１．５〜１．７μｍであり、付加的な層あるいは、後に除去される犠牲層を堆積させることなく、基板１０４上に直接形成されている。基板１０４には、厚み約２００ｎｍの“固有の（inherent）”Ｓｉ被覆層１０６、および厚み約３５０ｎｍの“固有の”埋め込み酸化膜層１０８が最初から形成されている。サンプル１００は、標準的なフォトリソグラフィー法により、様々な膜サイズとなるようにパターン化され、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、反応イオンエッチング（ＲＩＥ）の電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の条件で、約２μｍの深さまで、約１１分間の間エッチングが行われる。
【００６７】
したがって、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みをコントロールすることにより、デバイス集積工程とは別に、エアギャップの厚みを制御することができるという利点があることが理解できる。
【００６８】
図１（ｂ）は、ＧａＮ層１０２についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行った際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフであり、図１（ｃ）は、ＧａＮ層１０２についてＰＬスペクトル測定を行った際における、波長に対するＰＬ強度を示すグラフである。
【００６９】
そして、サンプル１００に対して、連続的かつ、一定のタイミングの単一パルスを用いながら、Ｓｉ被覆層１０６についてＸｅＦ２エッチングを行う。図２（ａ）〜図２（ｃ）は、４５ｄｅｌｔａ Ｔ（Ｔは、時間［秒］）の一定時間間隔でＸｅＦ２エッチングした後のサンプル１００の顕微鏡写真である。図２（ａ）〜図２（ｃ）から、サンプル１００のメンブレン２０２のコントラストが変化することが観察でき、このことは、メンブレン２０２の下にエアギャップが形成されていることを示している。図２（ｃ）において、メンブレン２０２全体のコントラストは、サンプル１００のプラットフォーム２０４と比較して明るくなっており、このことは、フリースタンディングのＧａＮメンブレン２０２が、ＳＯＩ基板１０４（図１（ａ））上に形成されていることを示している。図２（ｃ）に示される開放されたメンブレン２０２（released membrane 202）は、プラットフォーム２０４、開放されたメンブレン２０２および梁部２０６の３点について、マイクロ−ラマン法によるスペクトル測定を行うことで、その特性を特定することができる（差し込み図１を参照）。図２（ｄ）は、マイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。
【００７０】
図２（ｄ）の測定において、５１４．５ｎｍの可視アルゴンイオンレーザーを用いることで、その貫通深さにより、シリコン被覆層１０６（図１（ａ））と同様にＧａＮ層１０２（図１（ａ））全体を、精査することができる。プラットフォーム２０４は、メンブレン２０２および梁部２０６に続いて測定される。図２（ｄ）に示すスペクトルより、プラットフォーム２０４は、ＧａＮのＥ２フォノン強度が５６５．９ｃｍ−１（符号２１０参照）において、最も弱くなっている一方で、５２０ｃｍ−１（符号２０８参照）に強いＳｉ強度を有していることが観察できる。開放されたメンブレン２０２および梁部２０６については、Ｓｉ強度は、５２０．５ｃｍ−１（符号２１６および２１８参照）において、最も弱くなっている一方で、それぞれ、５６７．３ｃｍ−１（符号２１２参照）および５６７．１ｃｍ−１（符号２１４参照）において、Ｅ２フォノン強度が最も強くなっている。Ｅ２フォノン周波数は、ＧａＮメンブレンにおける内面応力を観察するために用いることができ、梁部２０６およびメンブレン２０２のＥ２フォノン列（E2 phonon line）と比較して、ＳＯＩ基板（たとえば、プラットフォーム２０４）上に形成されているＧａＮメンブレンのＥ２フォノン列は、低エネルギー側への偏移することとなる。赤方偏移が観察されるのは、４００μｍの厚みのフリースタンディングのＧａＮにおいて応力がかかっていない状態を標準状態とした場合に、該標準状態における参照フォノンピークと比較して、引っ張り張力が存在していることによる。４００μｍの厚みのフリースタンディングのＧａＮにおいて応力がかかっていない標準状態における参照フォノンピークとしては、Ｒ．Ａｒｍｉｔａｇｅ、Ｑ．Ｙａｎｇ、Ｈ．Ｆｅｉｃｋ、Ｊ．Ｇｅｂａｕｅｒ、Ｅ．Ｒ．Ｗｅｂｅｒ、Ｓ．ＳｈｉｎｋａｉおよびＫ．Ｓａｓａｋｉによる「“Lattice-matched HfN buffer layers for epitaxy of GaN on Si”, Appl. Phys. Lett., 81, 1450 (2002)」や、Ｌ．Ｓ．Ｗａｎｇ、Ｋ．Ｙ．Ｚａｎｇ、Ｓ．ＴｒｉｐａｔｈｙおよびＳ．Ｊ．Ｃｈｕａによる「“Effects of periodic delta-doping on the properties of GaN:Si films grown on Si (111) substrates”, Appl. Phys. Lett., 85, 5881 (2004)」などを参照することができる。開放されたメンブレンおよび梁部（符号２１２および２１４参照）の強いＥ２フォノン強度は、約２００ｎｍの厚みのＳｉ被覆層１０６（図１（ａ））が完全にエッチングされていることを明確に示している。このことは、図２（ｄ）のマイクロ−ラマンスペクトルおよび図２（ｃ）に示す開放されたメンブレン２０２の顕微鏡写真のコントラストを用いても、示すことができる。
【００７１】
ＸｅＦ２を用いたＳｉのエッチングは非常に選択的であり、また時間に依存するものでもある。図３（ａ）は、別の実施形態に係るより大きい膜サイズを有するサンプル３００の顕微鏡写真である。サンプル３００を、ＸｅＦ２によりエッチングし、プラットフォーム３０２、メンブレン３０４および梁部３０６について、マイクロ−ラマンスペクトル測定を行なう。ＸｅＦ２によるエッチングは、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すサンプル１００のＸｅＦ２エッチングと同様のタイミングで実行される。図３（ａ）より、メンブレン３０４の中心は、メンブレン３０４のエッジ３０８および梁部３０６などと比較して、より暗いコントラストを有していることが観測される。メンブレン３０４のエッジ３０８および梁部３０６は、プラットフォーム３０２と同程度のコントラストを有している。
【００７２】
図３（ｂ）は、マイクロ−ラマンスペクトルを測定した際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。プラットフォーム３０２の測定は、まず、メンブレン３０４および開放された梁部３０６（released beam 306）から行なわれる。スペクトルより、プラットフォーム３０２は、５２０ｃｍ−１（符号３１０参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、５６５．９ｃｍ−１（符号３１２参照）にＥ２フォノン強度の弱い信号を有していることが観測できる。開放されていないメンブレン３０４（unreleased membrane 304）は、５２０ｃｍ−１（符号３１４参照）に中程度のＳｉ強度を有しており、また、５６６．９ｃｍ−１（符号３１６参照）にＧａＮの最も弱いＥ２フォノン強度を有している。これに対して、開放された梁部３０６（released beam 306）は、５６７．３ｃｍ−１（符号３１８参照）に最も強いＥ２フォノン強度および５２０ｃｍ−１（符号３２０参照）に最も弱いＳｉ強度を有している。ＳＯＩ基板（たとえば、プラットフォーム３０２）上のＧａＮのＥ２フォノン線は、開放された梁部３０６のＥ２フォノン線と比較して低くなっている。これに対して、開放されていないＧａＮメンブレン３０４のＥ２フォノン線は、開放された梁部３０６のＥ２フォノン線と同程度であり、これのことは、Ｓｉピーク（符号３１４参照）が存在していることにより、メンブレン３０４がＳｉ被覆層（不図示）から完全に開放されていないということを示しているというよりも、メンブレン３０４が歪みのないものに近づいていることを示している。ＸｅＦ２エッチングの時間をより長くすることで、メンブレン３０４を開放することが可能であることがわかる。
【００７３】
上記実施形態においては、図２（ａ）〜図２（ｃ）に示すサンプル１００の開放されたメンブレンおよびカンチレバー構造のそれぞれについて調べるために、切断面のＳＥＭを用いることができる。
【００７４】
図３（ｃ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）基板１０４上のＧａＮカンチレバー構造サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。図３（ｄ）は、ＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１００）プラットフォームサンプル上のフリースタンディングのメンブレンに接触してなるＧａＮ梁部サンプルの下に形成されているエアギャップを示すＳＥＭ写真である。図３（ｃ）および図３（ｄ）のＳＥＭ写真は、厚み約１．７μｍであり、エアギャップが約２００ｎｍであるＧａＮフリースタンディング構造を示している。
【００７５】
図４（ａ）は、図２（ｃ）に示すサンプル１００のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図４（ｂ）は、図２（ｃ）に示すサンプル１００のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。無応力状態の４００μｍ厚のフリースタンディングＧａＮのラマンピークをリファレンスとして用いることで、ＳＯＩ基板上のＧａＮに基づく赤方遷移したフォノンピーク４０２は、面内の引張応力の存在によるものであるということが確認できる。引張応力の大きさは、関係式Δω＝Ｋσを用いて算出することができる。ここにおいて、Ｋは、比例定数（４．３ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近づいていることが、ラマン測定により示されている。開放されたＧａＮメンブレン２０２（図２（ｃ））の応力の範囲は、約＋０．１〜＋０．２ＧＰａである一方で、ＧａＮ／ＳＯＩ（１００）プラットフォーム２０４（図２（ｃ））における応力は約０．４５±０．０５ＧＰａである。上述の各実験は、基板にもともと存在している、Ｓｉ被覆層の厚みを、それぞれ約５０、約１００および約２００ｎｍに変化させたＳＩＭＯＸ ＳＯＩ（１１１）基板を用いて行なわれた。２００ｎｍのＳＯＩ（１１１）基板においては、残留応力は、約０．３２〜０．４０ＧＰａの範囲であることが確認され、また、５０ｎｍのＳＯＩ（１１１）基板上にＧａＮを成長させた場合に、残留応力が約０．２ＧＰａに減少したことが確認された。このような成長により生ずる応力を制御することにより、ドライ開放を行なった後のマイクロ構造体のカールや屈曲を最小限に抑えることができることが確認された。
【００７６】
別の実施形態においても、ＧａＮ／ＳＯＩ（１１１）プラットフォームについて、同様にして、ＸｅＦ２ドライエッチング工程および特性解析が行われる。
【００７７】
また、さらに別の実施形態においては、付加的な層あるいは後に除去される犠牲層を堆積することなく、バルクのＳｉ（１１１）基板上に直接形成されたＧａＮ層上に、表面マイクロマシンニングが行なわれる。このことは、大きなエアギャップをドライエッチングにより形成することの実現可能性を示すことができるとともに、ドライエッチングを行なった後に形成されたフリースタンディングＧａＮメンブレンおよびカンチレバーの機械的安定性のチェックにも用いることができる。
【００７８】
図５（ａ）は、本実施形態における、Ｓｉ（１１１）基板５０４上に成長させた高温ＡｌＮバッファ層を有するＧａＮエピ層５０２を有するサンプル５００を示す概略図である。ＧａＮエピ層５０２は、厚さ約１．７μｍである。図５（ｂ）は、サンプル５００のＰＬスペクトルのＰＬ強度とバンドギャップエネルギーとの関係を示すグラフである。また、Ｘ線回折によるロッキングカーブ測定や、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）による測定、ラマン測定（いずれも不図示）により、バルクのＳｉ（１１１）上に成長した単結晶ＧａＮは、良好な光学特性を有するものとすることができることが示されている。
【００７９】
サンプル５００は、標準フォトリソグラフィーを用いて、それぞれの膜サイズ特性に応じて、パターン化され、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約９分間、深さ約２．５μｍまでエッチングされる。続いて、サンプル５００について、単一のパルスを連続的に印加することで、ＳｉハンドルウェハのＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００８０】
連続的にＸｅＦ２のパルスを印加することでエッチングされたサンプル５００の顕微鏡写真より、サンプル５００のメンブレンのコントラストが変化することが確認でき、このことは、エアギャップの存在を示している（図２（ａ）〜図２（ｃ）を比較）。図６（ａ）は、開放されたＧａＮ構造体６０２のＳＥＭ写真６００である。構造体６０２は、プラットフォーム６０４、開放された梁部６０６，６０８およびメンブレン６１０からなる。構造体６０２は、マイクロ−ラマン法を用いて、その特性の測定が行なわれる。図６（ｂ）は、ＧａＮ構造体６０２についてマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における、ラマンシフトに対する強度を示すグラフである。プラットフォーム６０４、開放された梁部６０６，６０８およびメンブレン６１０の４箇所についてスペクトルの測定が行なわれる。測定は、まず、プラットフォーム６０４について行なわれ、次いで、メンブレン６１０および２つの梁部６０６，６０８について行なわれる。
【００８１】
図６（ｂ）より、プラットフォーム６０４は、５２０ｃｍ−１（符号６１２参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、５６４．９ｃｍ−１（符号６１４参照）にプラットフォーム６０４に対するＧａＮのＥ２フォノン強度が最も弱くなることが観測できる。開放されたメンブレン６１０および梁部６０６，６０８については、５６６．９ｃｍ−１（符号６１６，６１８，６２０参照）において、ＧａＮのＥ２フォノン強度が最も強くなっており、かつ、５２０ｃｍ−１（符号６２２，６２４，６２６参照）において、Ｓｉ強度が最も弱くなっている。このことは、下層に存在するＳｉ（１１１）ハンドルウェハ基板５０４（図５（ａ））がエッチングされこれにより、不定状のエアギャップが形成されていることを示している。ＸｅＦ２を用いてＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１００）基板上のＧａＮをエッチングした後に観察されたものと同様に（たとえば、図３（ａ）と比較）、より大きなサイズを有するＧａＮメンブレンは、Ｓｉ基層のエッチングの時間に依存することにより、フリースタンディングなものとはならない。
【００８２】
図６（ｃ）は、図６（ａ）に示すＧａＮ構造体６０２のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図６（ｄ）は、図６（ａ）のＧａＮ構造体６０２のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。側壁をエッチングした際のＥ２ラマン強度は、光散乱効果の影響により、わずかに高くなる。ラマン測定によって、ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近いものとなることが示されている。開放されたＧａＮメンブレン６１０における応力の範囲は、約＋０．１５〜−０．１０ＧＰａである一方で、ＧａＮ／Ｓｉ（１１１）プラットフォーム６０４における応力は約０．６５±０．０５ＧＰａである。この実施形態はバルクのＳｉ（１１１）上のＧａＮメカニカル構造体に関連し、バルクのＳｉ（１１１）の厚みは固定されているため、ＧａＮ層の厚みおよび層間の条件は、エピ層における応力をコントロールすることとなる。
【００８３】
図７（ａ）は、サンプル５００（図５（ａ））のフリースタンディングＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４を示すＳＥＭ写真７００である。ＳＥＭ写真７００は、厚み約２３μｍのエアギャップ７０６を示しており、ここにおいては、基板５０４（図５（ａ））のＳｉ層は、ＸｅＦ２によりエッチングされる。ＳＥＭ写真７００から確認できるカンチレバーの配列は、開放された構造７０２，７０４、およびプラットフォーム７０８の光学顕微鏡写真におけるコントラストの変化を示している。しかしその一方で、エッチング停止層（たとえば、ＳｉＯ２）が存在しないため、基板５０４（図５（ａ））に基づくＳｉ材料全体は、マスキング工程を全く経ずに、エッチングされることとなる。このように、バルクのＳｉ（１１１）基板上に被覆させるのにＳＯＩウェハを用いることが好ましい理由の一つとして、基板を形成する間におけるエアギャップのサイズをコントロールすることで、ＳＯＩウェハ上におけるＳｉ被覆層および下層であるＳｉＯ２層の厚みを精密に制御することができる点が挙げられる。残留応力は、予め定められたＳＯＩ層の厚みを用いることで、コントロールすることができる。
【００８４】
図７（ｂ）は、サンプル５００（図５（ａ））のＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４のＥ２フォノンピーク強度のマッピング図である。図７（ｃ）は、サンプル５００（図５（ａ））のＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４のラマン応力プロファイル（Raman stress profile）のマッピング図である。ラマン測定により、ＸｅＦ２ドライエッチングにより開放されたＧａＮは、無応力状態のフォノンピークに近いものとなることが示されている。開放されたＧａＮカンチレバー構造７０２，７０４における応力の範囲は、約−０．０５〜＋０．２０ＧＰａであり、これに対して、ＧａＮ／Ｓｉ（１１１）プラットフォーム７０８における応力は約０．６０±０．０５ＧＰａである。この実施形態はバルクのＳｉ（１１１）上のＧａＮメカニカル構造体に関するものであり、バルクのＳｉ（１１１）の厚みは固定されているため、ＧａＮ層の厚みおよび層間の条件は、エピ層における応力をコントロールするために用いることができる。したがって、Ｔｒｉｐａｔｈｙらの「“Micro-Raman probing of residual stress in freestanding GaN-based micromechanical structures fabricated by a dry release technique”, J. Appl. Phys. 101, 063525 (2007)」を参照することができる。
【００８５】
別の実施形態においては、従来から用いられているＲＦマグネトロンシステムを用いて、約５００〜６００ｎｍの厚みのＺｎＯ材料を、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）ウェハ上に直接スパッタリングにより形成する。
【００８６】
図８（ａ）は、この実施形態に係るサンプル８００を示す概略図である。サンプル８００は、厚さ約３７０ｎｍの“固有の”ＳｉＯ２層８０４、厚さ２００ｎｍの“固有の”Ｓｉ被覆層８０６を含むＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）基板８０２を有する。またサンプル８００は、付加的な層または後に取り除かれる犠牲層を堆積することなく、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ（１１１）基板８０２上に（Ｓｉ被覆層８０６上に）スパッタリングにより形成された厚さ６００ｎｍのＺｎＯ層８０８をさらに有する。
【００８７】
このように、エアギャップの厚みをコントロールすることを、デバイスを集積する工程と別にすることができるという利点があり、また、エアギャップの厚みのコントロールは、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みを制御することにより達成できるものであることが理解される。
【００８８】
図８（ｂ）は、７７Ｋ〜３５０Ｋの間で、ＳＩＭＯＸ＿ＳＯＩ基板８０２上にスパッタリングにより形成したＺｎＯ層８０８について温度依存マイクロ−ＰＬ測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｂ）より、低温（７７Ｋ）のＰＬスペクトルにおいて、シャープなドナーアクセプター対（ＤＡＰ）発光（符号８１０参照）が観測される。ＤＡＰ発光は、約３５０Ｋまで温度を上昇させると、弱まってしまう。同様に、バンド−エッジフリー励起子発光（ＦＸ）（符号８１２参照）は、７７ＫにおけるＰＬスペクトルにおいて狭い幅で観測され、温度が上昇するに従って、ブロードになっていく。
【００８９】
図８（ｃ）は、Ｓｉ被覆層８０６上にスパッタリングにより形成したＺｎＯ層８０８について室温におけるＰＬスペクトル測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図８（ｄ）は、サンプル８００の切断面のＳＥＭ写真である。
【００９０】
この実施形態においては、標準的なフォトリソグラフィー法により、ブリッジ部およびカンチレバー部の長さを変化させながら、ＺｎＯ層８０８をパターン化し、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約６２０ｎｍの深さまで、約１０分間の間エッチングが行われる。サンプル８００は、それぞれ約１００秒間のパルスが２回照射されることで、Ｓｉ被覆層８０６のＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００９１】
図９（ａ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なう前のサンプル８００（図８（ａ））のカンチレバー構造９０２の顕微鏡写真９００である。図９（ｂ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル８００（図８（ａ））のカンチレバー構造体９０２の顕微鏡写真９０４である。図９（ｂ）を図９（ａ）と比較すると、ＺｎＯプラットフォーム９０６およびカンチレバー構造９０８においてコントラストの変化が起こっており、このことは、下層であるＳｉ被覆層８０６（図８（ａ））が完全にエッチングされていることを示している。
【００９２】
このことは、ＺｎＯブリッジから構成される別の実施形態、および１００ｎｍのＳｉ被覆層上にスパッタリングにより形成した５００ｎｍのＺｎＯ層から構成されるさらに別の実施形態についても、同様な効果が観察される。
【００９３】
図９（ａ）および図９（ｂ）に戻り、開放されたＺｎＯ構造体９０２は、マイクロ−ラマンスペクトル測定を用いて、さらなる特性の測定が行なわれる。４３８ｃｍ−１付近に観測されるＺｎＯのＥ２フォノンは、残留応力の評価に用いられる。ＺｎＯ構造体は、本来は多結晶であるため、約０．１５ＧＰａの残留応力が、フォノンピークシフトから、関係式Δω＝Ｋσの関係を用いて測定される。ここにおいて、Ｋは、比例定数（６．７ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。ＺｎＯ構造体フィルムにおける初期成長に起因する残留応力の低減は、基板に起因する。さらに、開放された構造体９０２は、１００ＭＰａの単位の引張曲げ応力を有していることが観測され、この応力は、「カンチレバーのサイズ／ブリッジのサイズ」により決定されていると考えられる。曲げ応力は、フォノンピーク位置がさらに変化する原因となる。ＺｎＯ集積工程のために、基板に形成されているＳｉ被覆層の厚みを約１００ｎｍ〜約３．０μｍの間で変化させたＳＯＩ基板を用いることで複数の実験が行なわれた。成長により引き起こされる応力は、Ｓｉ被覆層の厚みの変化に応じて、約０．２０〜０．４５ＧＰａの範囲でサンプルごとに変化する結果となった。成長方向に沿った方向である縦方向の応力は、ドライエッチングによりデバイスを開放した後の残留応力をコントロールする結果となった。ＳＯＩプラットフォーム上の開放されたＺｎＯカンチレバー部およびＺｎＯマイクロ−ブリッジ部における残留応力は、約−０．０５ＧＰａ〜約０．４０ＧＰａ範囲であった。残留応力の変化は、メカニカル構造体の幾何学的なサイズ、成長に起因ずる応力およびＳＯＩ上のＺｎＯ層の厚みに依存している。
【００９４】
別の実施形態においては、ＺｎＯは、貼り合わせＳＯＩ基板上にスパッタリングにより形成される。基板は、Ｓｉ（１１１）デバイス層（約３±０．５μｍ厚）、２．０〜２．５μｍ厚の埋め込みＳｉＯ２層およびＳｉ（１１１）ハンドル基板（約４００±２５μｍ厚）からなる２インチまたは４インチの直径を有する商用品のＳＯＩ構造体で形成することができる。ＳＯＩ（１１１）層の配向方向は、０．５°〜４°軸外に傾いている。標準的なＲＦマグネトロンシステムを用いて、厚みが約２．５μｍおよび約１．０μｍのＺｎＯ材料を、貼り合わせＳＯＩ基板上に、それぞれ直接スパッタリングにより形成する。
【００９５】
図１０（ａ）は、この実施形態に係るサンプル１０００を示す概略図である。サンプル１０００は、厚さ約２．０μｍの“固有の”ＳｉＯ２層１００４および厚さ約３．０μｍの“固有の”Ｓｉ被覆層１００６を含むＳｉ（１１１）貼り合わせＳＯＩ基板１００２を有している。また、サンプル１０００は、付加的な層または後に除去される犠牲像を堆積させることなく、Ｓｉ被覆層１００６上にスパッタリングにより形成された厚さ約２．５μｍのＺｎＯ層１００８をさらに有している。
【００９６】
このように、“固有の”Ｓｉ被覆層の厚みをコントロールすることにより、デバイス集積工程とは別に、エアギャップの厚みを制御することができるという利点があることがわる。
【００９７】
マイクロ−ＰＬ装置を用いて、７７ＫにおけるＰＬ測定が行なわれる。図１０（ｂ）は、Ｓｉ被覆層１００６上にスパッタリングにより形成されたＺｎＯ層１００８についてスペクトル測定を行なった際におけるＰＬ強度と波長との関係を示すグラフである。図１０（ｂ）から、近接バンド−エッジフリー励起子発光（ＦＸ）（符号１０１０参照）、および低温下におけるドナーボンド励起子発光（ＤＸ）の存在を示すスペクトルが確認できる。ドナーアクセプター対発光（ＤＡＰ）は、７７Ｋにおいてより強いものとなっている（符号１０１２参照）。
【００９８】
この実施形態においては、標準的なフォトリソグラフィー法により、ブリッジ部およびカンチレバー部の長さを変化させながら、ＺｎＯ層１００８をパターン化し、ＢＣｌ３の流量が約２０ｓｃｃｍ、Ｃｌ２の流量が約１０ｓｃｃｍ、ＩＣＰの電力が５００Ｗ、ＲＩＥの電力が２００Ｗ、５ｍＴｏｒｒの圧力、および温度６℃の一定条件で、約３．０μｍの深さまで、約２０分間の間エッチングが行われる。サンプル１０００は、それぞれ約３０秒間のパルスを１回照射されることで、Ｓｉ被覆層１００６のＸｅＦ２エッチングが行なわれる。
【００９９】
図１１（ａ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル１０００（図１０（ａ））のＺｎＯのブリッジ構造１１０２を示す顕微鏡写真１１００である。図１１（ｂ）は、ＸｅＦ２エッチングを行なった後のサンプル１０００（図１０（ａ））のカンチレバー構造１１０６を示す顕微鏡写真１１０４である。図１１（ａ）においては、ＺｎＯのブリッジ構造１１０２は、貼り合わせＳＯＩウェハ上において二つの縁部１１０６，１１０８上に保持された構造１１０２として、フリースタンディングなものとして観測される。ブリッジ構造１１０２のコントラストは、支持構造１１１０，１１１２と比較して、より明るいものとして観測される。ブリッジ構造全体の顕微鏡写真を挿入図５として示す。図１１（ｂ）において、ＺｎＯのカンチレバー構造１１０６は、縁部１１１４において保持されたカンチレバー構造１１０６として、貼り合わせＳＯＩウェハ上において、フリースタンディングなものとして観測される。カンチレバー構造１１０６のコントラストは、支持構造１１１６と比較して、より明るいものとして観測される。カンチレバー構造全体の顕微鏡写真を挿入図６として示す。長いカンチレバー構造１１１８，１１２０が、ＺｎＯ材料の組み込み応力（in-built stress）により、上方に向かってカールしていることが観測できる。
【０１００】
図１２（ａ）は、サンプル１０００（図１０（ａ））の開放されたＺｎＯブリッジ構造１２０２のＳＥＭ写真１２００である。図１２（ｂ）は、サンプル１０００（図１０（ａ））のカンチレバー構造１２０６，１２０８のＳＥＭ写真１２０４である。図１２（ａ）より、ＺｎＯブリッジ構造１２０２は、約２．５μｍの厚みであり、また、約３μｍのエアギャップ１２１０が形成されている。ブリッジ構造全体のＳＥＭ写真を挿入図７として示す。図１２（ｂ）より、カンチレバー構造１２０６，１２０８は約２．５μｍの厚みであり、また、エアギャップ１２１２が形成されている。ＺｎＯ材料の組み込み応力（in-built stress）により、カンチレバー構造１２０６，１２０８は上方に向かってカールしている。カンチレバー構造全体のＳＥＭ写真を挿入図８として示すが、ここにおいて、カンチレバー構造全体は上方にカールしていることが示されている（符号１２１４参照）。
【０１０１】
本実施形態においては、開放されたＺｎＯマイクロ−ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））およびカンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））は、空間分解マイクロ−ラマン技術により、さらなる特性の測定が行なわれる。図１３（ａ）は、ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））のマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ｂ）は、カンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））のマイクロ−ラマンスペクトル測定を行なった際における強度とラマンシフトとの関係を示すグラフである。図１３（ａ）より、二つの支持構造またはプラットフォーム１１１０，１１１２が、５２０ｃｍ−１（符号１３０２参照）に強いＳｉ強度を有しており、かつ、４３７ｃｍ−１（符号１３０４参照）において、Ｅ２フォノン強度が最も弱くなることが観測できる。開放された多結晶構造体１１０２において残留曲げ応力が存在することにより、Ｅ２フォノンピーク位置が若干変化していることが観測できる。図１３（ｂ）より、カンチレバー構造１１０６（図１１（ｂ））においても同様の効果が観測できる。応力に対して反応し易いＥ２フォノンピークシフトは、関係式Δω＝Ｋσを用いて応力プロファイルを見積もるのに用いられる。ここにおいて、Ｋは、比例定数（６．７ＧＰａ−１ｃｍ−１）である。このような関係は、ラマンデータおよびフォノン歪みの可能性を用いて導かれる。ＺｎＯの弾性スティフネス定数は、比例定数を決定するのに用いられる。これらの算出にあたっては、Ｖｉｃｋｎｅｓｈらの「“Surface micromachined freestanding ZnO microbridge and cantilever structures on Si(111) substrates”, Appl. Phys. Lett. 90, 091913 (2007).」を参照することができる。
【０１０２】
図１３（ｃ）は、ＺｎＯのマイクロ−ブリッジ構造１１０２（図１１（ａ））におけるＥ２フォノン強度のラマンマッピング図である。中心部分１３０６は、シリコン被覆層１００６（図１０（ａ））を選択的に除去することにより、最大のラマン強度を示している。多結晶ＺｎＯ中における残留応力は、支持構造またはプラットフォーム１１１０，１１１２（図１１（ａ））およびそのままの状態のフィルム（as-grown films）において、約０．２２〜０．１１ＧＰａの範囲で変化している。“そのままの状態のフィルム”とは、多結晶のＺｎＯである。プラットフォーム領域における応力は、そのままの状態のフィルムと同様であった。ドライ開放により形成されたフリースタンディング領域は、異なる応力値を有していた。引張曲げ応力は、フリースタンディングのカンチレバー１１０６（図１１（ｂ））において、約０．１５〜−０．０５ＧＰａの範囲で変化していることがラマン測定により示される。幾何的な効果および成長に起因する機械的な特性は、フリースタンディングのカンチレバー１１０６（図１１（ｂ））において、傾き残留応力の変化を引き起こしている可能性がある。ＺｎＯ集積工程のために、基板に形成されているＳｉ被覆層の厚みを約１００ｎｍ〜約３．０μｍの間で変化させたＳＯＩ基板を用いることで複数の実験が行なわれた。成長により引き起こされる応力は、Ｓｉ被覆層の厚みの変化に応じて、約０．２０〜０．４５ＧＰａの範囲でサンプルごとに変化する結果となった。成長方向に沿った方向である縦方向の応力は、ドライエッチングによりデバイスを開放した後の残留応力に依存する結果となった。ＳＯＩプラットフォーム上の開放されたＺｎＯカンチレバー部およびＺｎＯマイクロ−ブリッジ部における残留応力は、約−０．０５ＧＰａ〜約０．４０ＧＰａの範囲となった。残留応力の変化は、メカニカル構造体の幾何学的なサイズ、成長に起因ずる応力およびＳＯＩ上のＺｎＯ層の厚みに依存している。
【０１０３】
別の実施形態においては、ＺｎＯは、バルクのＳｉ（１１１）基板上に形成される。この実施形態においては、ＸｅＦ２ドライ開放／エッチングを行なう前および後における、ブリッジ構造およびカンチレバー構造のＳＥＭ写真から、アンダーカットエッチングを確認することができる。光学顕微鏡写真（不図示）において、ＺｎＯプラットフォームおよびＺｎＯブリッジ部におけるコントラストの変化は、下層に形成されているＳｉ材料基板がエッチングされたことを示している。
【０１０４】
図１４（ａ）は、バルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム１４０４，１４０６上の開放されたＺｎＯブリッジ構造１４０２を示すＳＥＭ写真１４００である。図１４（ｂ）は、バルクのＳｉ（１１１）プラットフォーム１４１２上に形成されたカンチレバー構造１４１０のＳＥＭ写真１４０８である。エアギャップ１４１４，１４１６のサイズはそれぞれ約４．３μｍであり、ブリッジ構造１４０２およびカンチレバー構造１４１０における、アンダーカットエッチングが、明確に視認できる。ラマン分析から、本実施形態においては、バルクのＳｉ（１１１）上に形成されたそのままの状態のＺｎＯフィルム（as-grown ZnO films）（約１．７μｍ厚）は、約０．５５±０．０３ＧＰａの残留引張応力を示すことが確認された。パターン化された構造のプラットフォーム領域１４０４，１４０６，１４１２から、応力値は、実質的に変化しないままであり、約０．５２〜０．５５ＧＰａ程度である。図１４（ａ）より、５０μｍの長さのフリースタンディングのマイクロ−ブリッジ構造１４０２における残留応力の範囲は、ラマンラインスキャンから、約０．３３±０．０３〜約０．４２±０．０３ＧＰａの範囲であると見積もられる。図１４（ｂ）より、５０μｍの長さのカンチレバー構造１４１０における残留応力の範囲は、ラマンラインスキャンから、約０．２９±０．０３〜約０．４０±０．０３ＧＰａの範囲であると見積もられる。長さ約４００μｍを上限として伸びている梁部を有するカンチレバー構造１４１０には、カンチレバー構造１４１０のエッジ部分において、わずかに高い引張応力（約０．４３±０．０３ＧＰａ未満）が観測される。
【０１０５】
さらに別の実施形態においては、ナノ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体および微結晶ダイヤモンドメカニカル構造体が、シリコン上に形成される。ナノ結晶ダイヤモンド（ＮＣＤ）マイクロ構造体は、ＸｅＦ２エッチングに先立ち、ＩＣＰエッチングによりパターン化される。ＩＣＰエッチングに際しては、Ａｒ／Ｏ２プラズマを用いたダイヤモンドのドライエッチングに、Ａｌハードマスクが用いられる。
【０１０６】
図１５（ａ）は、この実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤカンチレバー構造１５０２のＳＥＭ写真である。ＮＣＤカンチレバー構造１５０２は、約２分間、ＸｅＦ２エッチングが行なわれる。カンチレバー構造１５０２領域内におけるコントラストの変化が、挿入図として示した顕微鏡写真１５０４において観測される。また、コントラストの変化は、ＳＥＭ写真１５００でも観測することができる。
【０１０７】
図１５（ｂ）は、本実施形態におけるフリースタンディングのＮＣＤブリッジ構造１５０８のＳＥＭ写真１５０６である。ＮＣＤブリッジ構造１５０８は、約２分間、ＸｅＦ２エッチングが行なわれる。ブリッジ構造１５０８領域内におけるコントラストの変化が、挿入図として示した顕微鏡写真１５１０において観測される。また、コントラストの変化は、ＳＥＭ写真１５０６でも観測することができる。
【０１０８】
この実施形態において、ダイヤモンドメカニカル構造体１５０２，１５０８は、機械的に安定である。
【０１０９】
別の実施形態においては、同様な形成工程を、化学蒸着（ＣＶＤ）により成長したマイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体においても適用することができる。図１６（ａ）は、この実施形態におけるＣＶＤ成長マイクロ結晶ダイヤモンドメカニカル構造体を示す切断面のＳＥＭ写真１６００である。図１６（ｂ）は、この実施形態における多結晶／マイクロ結晶ダイヤモンドカンチレバー１６０４を示すＳＥＭ写真１６０２である。図１６（ｃ）は、この実施形態における多結晶／マイクロ結晶マイクロ−ブリッジ構造１６０８を示すＳＥＭ写真１６０６である。
【０１１０】
別の実施形態においては、ＧａＮ系発光ダイオード（ＬＥＤ）マイクロ構造体および電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）マイクロ構造体が提供される。フォトニックセンサおよびメカニカルセンサを形成するために、フリースタンディングのＬＥＤおよび電界効果トランジスタが、シリコンおよびＳＯＩプラットフォーム上に形成される。
【０１１１】
図１７（ａ）は、この実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造膜１７０４を示す光学顕微鏡写真１７０２である。図１７（ｂ）は、この実施形態におけるバルクのシリコンプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバー１７０８を示す光学顕微鏡写真１７０６である。図１７（ｃ）は、この実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＬＥＤマイクロ構造膜１７１２を示す光学顕微鏡写真１７１０である。図１７（ｄ）は、この実施形態におけるＳＯＩプラットフォーム上に形成したＦＥＴカンチレバー１７１６を示す光学顕微鏡写真１７１４である。
【０１１２】
この実施形態においては、アンダーエッチングの行なわれた構造体が、ＸｅＦ２ドライ開放技術により作製される。このようなメカニカル構造体は、フォトニックセンサとして好適である。ＩｎＧａＮ／ＧａＮを用いることはさておき、ＡｌＧａＮ／ＧａＮのＦＥＴカンチレバーは、バルクのシリコンプラットフォームおよびＳＯＩプラットフォームの両方の上に形成することができる。メカニカル構造体のアンダーカットエッチングは、非常に選択的であり、また、最終的なデバイスの開放は、シリコンおよびＳＯＩのＸｅＦ２ドライエッチングにより達成される。
【０１１３】
さらに別の実施形態では、ＧａＮ系アンダーカットマイクロディスクＬＥＤ構造体が提供される。図１８（ａ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０２の光学顕微鏡写真１８００である。図１８（ｂ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０６のＳＥＭ写真１８０４である。図１８（ｃ）は、この実施形態におけるマイクロディスクＬＥＤ構造体１８０６についてエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを測定した際におけるエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）強度と波長との関係を示すグラフである。
【０１１４】
この実施形態においては、鉛直なマイクロディスクＬＥＤ構造体は、上面にｐ−結合パッドおよびｐ−接合メタライゼーションの形成処理が行なわれる。このようなマイクロディスクＬＥＤデバイスの代表的なエレクトロルミネッセンス（ＥＬ）スペクトルを図１８（ｃ）に示す。ＩｎＧａＮ／ＧａＮ多重量子井戸を有するアンダーカットＬＥＤは、下層であるＳｉ層をＸｅＦ２エッチングすることなくマイクロ構造とされたＬＥＤと比較して、青および緑のＥＬ強度を増大させることができることが確認された。ＸｅＦ２エッチングによりＳｉを選択的に除去することによって、可視光抽出効率を大きく改善できることが、このようなマイクロディスクＬＥＤを、一般的な照明へ適用できるという可能性を示している。このようなアンダーエッチングされた構造体においては、エッジの接合部温度が高いため、白色光に適用するために必要となる高い駆動電流条件下においても、波長安定性を保つことができる。このようなＬＥＤの形成工程は、マイクロ−オプトメカニカルシステムやレゾネータにも適用することができる。
【０１１５】
図１９は、マイクロメカニカル構造体の形成方法を示すフローチャート１９００である。ステップ１９０２においては、シリコン（Ｓｉ）系基板が供給される。ステップ１９０４においては、マイクロメカニカル要素が基板上に直接形成される。ステップ１９０６においては、アンダーカットが、凹部状に、マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成される。ステップ１９０８では、凹部がＳｉ系基板に形成される。
【０１１６】
上述した実施形態においては、ＩＩ−ＶＩ幅のバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体や、ＩＩＩ−Ｖ幅のバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体を、ＳＯＩ基板上に形成することができる。ＳＯＩ基板は、ウェハボンディングおよび／または酸素注入による分離（ＳＩＭＯＸ）により調製することができる。ＳＯＩプラットフォームは、（１００）および（１１１）の両方の配向を有することとなる。シリコン被覆層の厚みを精密に制御することで、異なる配向性を有するＳＯＩ基板における応力を調整することができる。ＩＩ−ＶＩのワイドバンドギャップを有する構造体としては、様々な厚みの単一構造およびヘテロ構造の形状を有する材料であるＺｎＯ、Ｚｎ（Ｍｇ）Ｏ、Ｚｎ（Ｃｄ）ＯおよびＺｎＳが含まれる。ＩＩＩ−Ｖのワイドバンドギャップを有する構造体としては、様々な厚みの単一構造およびヘテロ構造の形状を材料であるＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮおよびＩｎＮが含まれる。この実施形態においては、バルクのＳｉ基板およびＳＯＩ基板上に形成された多結晶ダイヤモンドマイクロメカニカル構造体およびナノ結晶ダイヤモンドマイクロメカニカル構造体にも適用することができる。ＩＩ−ＶＩおよびＩＩＩ−Ｖのワイドバンドギャップ層は、張出し構造を実現するために用いられ、また、シリコンの犠牲層エッチング後における残留応力を制御することができる。ドライエッチングのためのシリコン基板は、標準的なリソグラフィー技術により照射が行なわれる。また、この実施形態によれば、バルクのＳｉプラットフォームまたはＳＯＩプラットフォーム上に形成されたＩｎＧａＮ/ＧａＮ系、ＡｌＧａＮ/ＧａＮ系、ＺｎＭｇＯ/ＺｎＯ系などの発光ダイオード（ＬＥＤ）のような材料からなる光電子デバイスなどのワイドバンドギャップを有する半導体マイクロメカニカル構造体を提供することができる。さらに、この実施形態によれば、ＡｌＧａＮ/ＧａＮ系、ＩｎＡｌＮ/ＧａＮ系、ＺｎＯ/ＧａＮ系などのハイブリッド電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）および高電子移動トランジスタ（ＨＥＭＴ）のような材料からなるマイクロ光電子デバイスなどのワイドバンドギャップを有する半導体メカニカル構造体を提供することができる。
【０１１７】
上述した実施形態では、ＳｉおよびＳＯＩの犠牲的な開放を、種々の成長技術を用いて、ワイドバンドギャップを有する構造体の堆積を行なった後に行う。ＳＯＩおよびバルクのＳｉ上に、格子が不整合であったり熱的に不整合である材料を成長させることによる成長に起因する応力が存在する。デバイスを開放した後においては、曲げ応力成分が発生し、このような曲げ応力成分は層の厚さおよび幾何学的なサイズに依存する。このような応力は、予めデザインされた成長に起因ずる応力により、大きく影響されることとなる。このように、これらのパラメータをコントロールすることにより、犠牲的なドライ開放を用いて、機械的な構造が、予測される応力値とともにデザインされる。
【０１１８】
上述の特定の実施形態に示されているように、広く規定された本発明の趣旨および範囲内において、様々な変更および／または修正を行うことができることは本技術分野における当業者であれば、理解することができる。それゆえ、上述の本実施形態は、本発明を説明するためのものであって、本発明を限定するためのものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン（Ｓｉ）系基板と、
前記基板上に直接形成されたマイクロメカニカル要素と、
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成されたアンダーカットと、を備え、
前記アンダーカットは、前記シリル系基板に形成された凹部状のものであることを特徴とするマイクロメカニカル構造体。
【請求項２】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項３】
前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みは、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項４】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びていることを特徴とする請求項２または３に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項５】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項６】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものであることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項７】
前記ＳＯＩ基板の結晶配向は、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択されることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項８】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項９】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１０】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項９に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１１】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１２】
前記凹部が、ドライエッチングプロセスを用いて、Ｓｉ系基板中に形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１３】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものであることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１４】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１５】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１６】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１７】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１８】
シリコン（Ｓｉ）系基板を準備する工程と、
前記基板上に直接、マイクロメカニカル要素を形成する工程と、
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に、凹部状のアンダーカットを形成する工程と、
前記Ｓｉ系基板に凹部を形成する工程と、を有するマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板であることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２０】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みを選択する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２１】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びていることを特徴とする請求項１９または２０に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２２】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項２０または２１に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２３】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものであることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２４】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板の結晶配向を選択する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９〜２３のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２５】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項２４に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２６】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロメカニカル構造の製造方法体。
【請求項２７】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項２６に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２８】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されていることを特徴とする請求項１８〜２７のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２９】
前記凹部状のアンダーカットの形成が、ドライエッチングプロセスを用いて行なわれることを特徴とする請求項１８〜２８のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３０】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものであることを特徴とする請求項２９に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３１】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１８〜３０のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３２】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１８〜３１のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３３】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項３１に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３４】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項３２に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項１】
シリコン（Ｓｉ）系基板と、
前記基板上に直接形成されたマイクロメカニカル要素と、
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に形成されたアンダーカットと、を備え、
前記アンダーカットは、前記シリル系基板に形成された凹部状のものであることを特徴とするマイクロメカニカル構造体。
【請求項２】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項３】
前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みは、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択されることを特徴とする請求項２に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項４】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びていることを特徴とする請求項２または３に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項５】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項３または４に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項６】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものであることを特徴とする請求項２〜５のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項７】
前記ＳＯＩ基板の結晶配向は、前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために選択されることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項８】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項７に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項９】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１０】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項９に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１１】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されていることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１２】
前記凹部が、ドライエッチングプロセスを用いて、Ｓｉ系基板中に形成されたものであることを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１３】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものであることを特徴とする請求項１２に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１４】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１５】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１６】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項１４に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１７】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項１５に記載のマイクロメカニカル構造体。
【請求項１８】
シリコン（Ｓｉ）系基板を準備する工程と、
前記基板上に直接、マイクロメカニカル要素を形成する工程と、
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の下に、凹部状のアンダーカットを形成する工程と、
前記Ｓｉ系基板に凹部を形成する工程と、を有するマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項１９】
前記Ｓｉ系基板が、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板であることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２０】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚みを選択する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２１】
前記凹部が、実質的に、前記ＳＯＩ基板のＳｉ被覆層の厚さ部分まで伸びていることを特徴とする請求項１９または２０に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２２】
前記厚みが、約１０ｎｍ〜１０μｍの範囲であることを特徴とする請求項２０または２１に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２３】
前記ＳＯＩ基板が、ウェハボンディング若しくはイオン打ち込み法（ＳＩＭＯＸ）、またはこれらの両方の方法を用いて得られたものであることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２４】
前記マイクロメカニカル要素の開放された部分の応力をコントロールするために、前記ＳＯＩ基板の結晶配向を選択する工程をさらに有することを特徴とする請求項１９〜２３のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２５】
前記結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項２４に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２６】
前記Ｓｉ系基板が、バルクのＳｉ基板からなることを特徴とする請求項１８に記載のマイクロメカニカル構造の製造方法体。
【請求項２７】
前記バルクのＳｉ基板の結晶配向が、（１００）または（１１１）であることを特徴とする請求項２６に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２８】
前記マイクロメカニカル要素が、ＺｎＯ、Ｚｎ(Ｍｇ)Ｏ、Ｚｎ(Ｃｄ)Ｏ、ＺｎＳ、ＧａＮ、ＡｌＮ、ＡｌＧａＮ、ＩｎＧａＮ、ＩｎＮ、多結晶ダイヤモンド、およびナノ結晶ダイヤモンドからなる群から選択される１または２以上の材料で構成されていることを特徴とする請求項１８〜２７のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項２９】
前記凹部状のアンダーカットの形成が、ドライエッチングプロセスを用いて行なわれることを特徴とする請求項１８〜２８のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３０】
前記ドライエッチングプロセスが、ＸｅＦ２を用いるものであることを特徴とする請求項２９に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３１】
前記マイクロメカニカル要素が、オプトエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１８〜３０のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３２】
前記マイクロメカニカル要素が、マイクロエレクトロニクスデバイスであることを特徴とする請求項１８〜３１のいずれかに記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３３】
前記オプトエレクトロニクスデバイスが、発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする請求項３１に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【請求項３４】
前記マイクロエレクトロニクスデバイスが、１または２以上の電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）であることを特徴とする請求項３２に記載のマイクロメカニカル構造体の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【公表番号】特表２０１０−５０９０８１（Ｐ２０１０−５０９０８１Ａ）
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５３６２０５（Ｐ２００９−５３６２０５）
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００７／０００３８６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５７０５５
【国際公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（５０９１２８８９０）エージェンシー フォー サイエンス， テクノロジー アンド リサーチ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＥＮＣＹ ＦＯＲ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【住所又は居所原語表記】２０ Ｂｉｏｐｏｌｉｓ Ｗａｙ， ＃０７−０１ Ｃｅｎｔｒｏｓ， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ １３８６６８
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２２年３月２５日（２０１０．３．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１１月９日（２００７．１１．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＳＧ２００７／０００３８６
【国際公開番号】ＷＯ２００８／０５７０５５
【国際公開日】平成２０年５月１５日（２００８．５．１５）
【出願人】（５０９１２８８９０）エージェンシー フォー サイエンス， テクノロジー アンド リサーチ (1)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＥＮＣＹ ＦＯＲ ＳＣＩＥＮＣＥ，ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＡＮＤ ＲＥＳＥＡＲＣＨ
【住所又は居所原語表記】２０ Ｂｉｏｐｏｌｉｓ Ｗａｙ， ＃０７−０１ Ｃｅｎｔｒｏｓ， Ｓｉｎｇａｐｏｒｅ １３８６６８
【Ｆターム（参考）】
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