添加物入りフォトレジストとこれを用いた構造体
【課題】基板に形成する熱分離しやすい薄膜の構造体で、画一的で所望の形状、厚み、寸法が容易に形成でき、かつ強度の大きい構造体を形成するための材料と構造体を提供する。
【解決手段】添加物として、ファイバや発泡剤を混入した添加物入りのフォトレジストを提供する。露光用光源の波長に対して透明な細く短いファイバを添加物としたフォトレジストで、パターン化した強度を高めた薄膜による構造体を提供する。また、添加物として発泡剤を混入させた材料とし、塗布や貼り付けなどで形成して露光、現像のパターン形成後に発泡処理を行い、薄膜を膨張させて膜厚を増加させて、疎な薄膜にして熱伝導率を下げると共に曲げ強度を増加させた薄膜による平面的もしくは立体的な構造体を提供する。
【解決手段】添加物として、ファイバや発泡剤を混入した添加物入りのフォトレジストを提供する。露光用光源の波長に対して透明な細く短いファイバを添加物としたフォトレジストで、パターン化した強度を高めた薄膜による構造体を提供する。また、添加物として発泡剤を混入させた材料とし、塗布や貼り付けなどで形成して露光、現像のパターン形成後に発泡処理を行い、薄膜を膨張させて膜厚を増加させて、疎な薄膜にして熱伝導率を下げると共に曲げ強度を増加させた薄膜による平面的もしくは立体的な構造体を提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトレジストとそれを用いた基板から熱分離しやすい薄膜の構造体に関し、フォトレジストに微細な繊維や発泡剤などを添加物として混入させて、フォトリソグラフィを用いて、所望の平面的もしくは立体的構造体を形成するためのフォトレジストの提供とこれを用いた強度が大きい微細な平面的もしくは立体的構造体を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシーニング技術による微細な立体的構造体は、例えば、フォトリソグラフィ技術を利用して、単結晶シリコン（Si)の異方性エッチング技術や犠牲層エッチングにより所定の形状の空洞を形成して、その上部にシリコン酸化膜、窒化シリコン膜やSOI層膜などの無機薄膜を用いた架橋構造、カンチレバやダイアフラム構造の宙に浮いた薄膜を形成していた（特許文献１）。この基板から熱分離した宙に浮いた薄膜を赤外線の受光部として用いる熱型赤外線センサ、薄膜ヒータや薄膜温度センサを形成するフローセンサなどに利用していた。しかしながら、これらの無機薄膜は、機械的なショックや熱的歪に弱く、クラックが発生したりするという問題があった。また、シリコン酸化膜や窒化シリコン膜の形成には、歪みを小さくするために、化学的気相成長法（CVD法）などで形成することが多かった。しかし、製作には高温（例えば、８００℃）を要するために、犠牲層を形成するにもそれ以上の温度の融点を有する物質を選択する必要があった。さらに、その設備も高価であり、安価な宙に浮いた薄膜形成が困難であった。また、SOI層膜を利用して基板から熱分離する薄膜にするには、SOI基板を用いれば、容易であるが、普通のシリコン基板に対して、SOI基板は、１０倍以上の高価であるという問題もあった。
【０００３】
本発明者は、先に、空洞により基板から熱分離した宙に浮いた構造の薄膜をフォトレジスト膜で形成し、多重層化したサーモパイルを温度センサとして形成して、これを赤外線センサの受光部として利用し、薄膜ヒータも形成してフローセンサにすることを提案した（特願２０１１−４４６０４）。しかしながら、一般に有機薄膜であるフォトレジスト膜は、機械的ショックによる破損などに対する耐性が大きいが、その曲げ強度が不足し、自立的な薄膜構造体には、不向きであった。
【０００４】
基板から熱分離するためには、基板への熱の逃げを小さくする構造が必要であり、このために空洞の上に薄膜を形成して、熱コンダクタンスを小さくさせていた。しかし、空洞の形成には、犠牲層の材料、基板の材料、エッチャント、処理温度、薄膜の材料など多くの制限要素があり、これらをすべて満足する材料や条件の設定が困難になっていた。また、それらの薄膜の形状には、フォトリソフラフィを用いるので、工程数の少なく単純な工程で所望の微細な形状で、しかも、画一的な構造体となる基板から熱分離させる方法や構造体が求められていた。
【０００５】
さらに、薄膜でありながら、薄膜の曲げ強度を大きくすると共に、その薄膜に形成した薄膜ヒータや赤外線受光部などからの熱伝導を小さくするような立体的構造体が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８４１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、基板に形成する熱分離しやすい薄膜の構造体で、画一的な所望の形状、厚み、寸法が容易に形成でき、かつ強度の大きい構造体を形成するための材料と構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる添加物入りフォトレジストは、フォトレジストに、該フォトレジストには溶解しない固体の添加物を混入したことを特徴とするものである。
【０００９】
一般に、感光性樹脂であるフォトレジストには、液状になっているものとシート状になっているものがある。液状になっているものは、基板にスピンコートやスプレーコートなどで塗布して、乾燥後、所望のパターン形状に光を照射し（露光）、パターン形状のうち、未反応の領域のフォトレジストを溶出させてパターンを形成する（現像）の工程を経た後、一般には、加熱して硬化させる。また、露光時における光を照射した箇所が現像時に溶出されないで残るタイプをネガタイプのフォトレジストといい、露光時における光を照射した箇所が現像時に溶出して残存しなくなるタイプをポジタイプと呼んでいる。
【００１０】
シート状のフォトレジストも初期には、液状であり、この液状のときに粉末や微細なファイバなどを混入させて、均一になるように混ぜ合わせることができる。白い粉末は、本来可視光線では、透明な物質であり、空気との屈折率の差で白く見えるものである。したがって、粉末や微細なファイバなどの間に液体が入りこめば、屈折率の差が少なくなりほぼ透明な状態になるものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物入りフォトレジストを基板に形成し、露光と現像の結果、パターン化された添加物入りフォトレジストの膜が前記基板に残存するようにした場合である。
【００１２】
添加物入りフォトレジストが、ネガタイプでも、ポジタイプでも、液状の時には、基板にスピンコータなどで塗布し、シート状の時には、貼り付けて形成すると良い。
【００１３】
本発明の請求項３に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物をファイバとした場合である。
【００１４】
添加物は、必ずしも一種類とは限らないが、少なくともその一つにファイバを添加した場合である。ファイバには、ガラスファイバ、アルミナなどのセラミックスファイバ、ナイロンファイバやカーボンナノチューブなどを短くして混入することができる。基板から熱分離した薄膜は、一般に空洞上に形成することが多い。この薄膜としてフォトレジスト膜を使用すると、その薄膜の所望の箇所に所定の形状の高精度の穴を形成することが容易にできる。しかし、一般にフォトレジスト膜は、ＰＭＭＡ膜やポリイミドフイルムなどの有機薄膜なので、柔らかく空洞を架橋する架橋構造の場合やダイアフラム構造の場合は、幾分形状を保持することができるが、それでも無機材の薄膜と異なり、空洞の中央部付近での弛みが無視できないことが多い。また、カンチレバ構造による基板からの熱分離構造では、膜厚を十分大きくしないと、カンチレバ構造体の形状維持が困難になる。
【００１５】
本発明では、添加物としてガラスファイバなどの細くて短いファイバを液状のフォトレジストに混入しておいた添加物入りフォトレジストを、例えば、犠牲層を有する基板に塗布して、必要なフォトリソグラフィ工程で、所望の形状にパターン化して、熱硬化などさせた後、犠牲層をエッチング除去すれば、この箇所が空洞となり、基板の上に形成された空洞の上に宙に浮いた薄膜（基板から熱分離した薄膜）を、添加物としてのファイバを含む添加物入りフォトレジスト膜で構成することができる。例えば、直径１マイクロメートル(μｍ)で、長さ１０μｍ程度の細くて短いガラスファイバを液状のフォトレジストに混入してアルミニウムなどの犠牲層（例えば、幅３００μｍ、高さ２０μｍ)を有する基板の上に２μｍ厚程度にスピンコート法により塗布すれば、添加物入りフォトレジストの粘度にもよるが、ガラスファイバの長さ方向は、基板や犠牲層の面に沿って配向され（スピンコートのために、その回転の遠心力方向にガラスファイバの長さ方向が向くことが多い）、添加物入りフォトレジストの厚み方向には飛び出さないで済み、ほぼ平坦な添加物入りフォトレジスト膜が形成される。各ガラスファイバは、互いに接触しながらフォトレジスト膜塗布層内で配列し、フォトレジスト膜の熱硬化によりガラスファイバ同士が結び付けられ強固な添加物入りフォトレジスト薄膜となる。その後、アルミニウムなどの犠牲層をそのエッチャントである希塩酸などでエッチング除去すれば、宙に浮いた弛みの少ない基板から熱分離した添加物入りフォトレジスト薄膜の立体的な構造体が形成される。もちろん、この宙に浮いた基板から熱分離した添加物入りフォトレジスト薄膜の上に、サーモパイルなどの温度センサ及び赤外線吸収膜などを形成しておけば、熱型赤外線センサが提供できるし、薄膜ヒータと温度センサとを組み合わせて形成すれば、フローセンサなどが提供できる。このようにして、温度センサや薄膜ヒータの材料を除けば、大部分が添加物入りフォトレジストからなる立体的構造体が提供できる。
【００１６】
添加物入りフォトレジストは、感光性材料であるからフォトリソグラフィにより、任意の形状のパターン化が形成できる。添加物入りフォトレジストを塗布してパターン化して、その上に薄膜温度センサ、薄膜ヒータや電極などを形成したのち、さらにこれらの工程を繰り返して添加物入りフォトレジスト膜の立体的な多層化薄膜を形成することもできる。各多重層間の電極同士を添加物入りフォトレジスト膜に形成した貫通孔を利用して金属パターンで導通させることもできる。このようにして高感度のセンサやセンサの組み合わせで高機能のセンサを実現させることができる。貫通孔を形成するときには、その直径を添加物としてのガラスファイバの長さよりも大きくする方がよい。
【００１７】
薄膜で宙に浮いた立体的構造体を形成するときには、薄膜構造体の強度が重要であるからガラスファイバなどの添加物入りフォトレジスト膜が好適であるが、基板に形成されている領域は、単に絶縁膜として用いる場合など、必ずしも曲げ強度などの必要がないので、添加物入りでない普通のフォトレジスト膜が好適である場合がある。このような場合は、普通のフォトレジスト膜の領域と、添加物入りフォトレジスト膜の領域とで組み合わせた構造にすることもできる。
【００１８】
本発明の請求項４に係わる添加物入りフォトレジストは、ファイバとしてフォトレジストの露光に使用する光の波長に対して透明であるような材料を選択した場合である。
【００１９】
一般に、フォトレジストの露光には、紫外線が用いられる。フォトレジストの中にこの紫外線に対して不透明な固体や散乱体が存在すると、それらにより、それらの下部にあるフォトレジスト領域が未露光状態となり、ネガタイプのフォトレジストの場合は、この未露光状態の領域は、現像によりフォトレジスト成分が溶け出し、添加物入りフォトレジストが無くなってしまうことになる。したがって、露光用の紫外線に対して、透明な添加物の材料選択が重要である。また、厚みを大きくして添加物の陰の部分の露光に散乱光を利用することもできるが、透明な添加物でも表面からの反射や散乱もあるので、添加物が無いときのフォトレジストに対して露光時間を長めにする必要がある。
【００２０】
本発明の請求項５に係わる添加物入りフォトレジストは、ファイバの寸法を、添加物入りフォトレジストにより形成される予定の構造体の最小厚みよりも細く、フォトレジストによる構造体の最小パターンの長さよりも短くさせた場合である。
【００２１】
添加物入りフォトレジストの添加物としてファイバとした場合であり、所定のパターンを形成したときに、フォトレジスト膜の厚みよりもファイバの直径が小さくないと（細くないと）、フォトレジスト膜がファイバのために凸凹してしまう。また、例えば、フォトレジスト膜に形成する孔を露光、現像でパターン化したときに、その孔の直径よりもファイバの長さが大きいと、孔をファイバで塞いでしまうという問題が生じる。また、細長いフォトレジスト膜のパターンを基板上に残したい場合でも、そのパターンの幅よりもファイバの長さが大きいと、そのパターンからファイバが大きくはみ出し、精度のよいパターンが形成できない。しかし、ファイバの長さがパターンの幅以下であれば、パターンの幅程度の精度でパターン形成が可能である。また、基板上に犠牲層を形成して、その上に添加物入りフォトレジストを塗布し、パターン化して硬化後、犠牲層をエッチング除去して空洞を形成して、添加物入りフォトレジスト膜を構造体とした橋を形成する場合、犠牲層の厚みよりもファイバの長さが大きいと、橋の脚部において、ファイバが橋の上に飛び出す状況になる。橋の脚部の大きさは犠牲層の厚みにより決定されるので、ファイバの長さを犠牲層の厚みよりも短くなるような添加物としてのファイバの長さの調整が重要である。
【００２２】
本発明の請求項６に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物として発泡剤を用いた場合である。
【００２３】
ゴム系フォトレジストを用いると、例えば、２００℃程度で軟化するので、この温度で発泡する発泡剤を添加物として用いることができる。炭酸水素ナトリウムは、固体の白い粉末であり、加熱すると炭酸ガスを発生して発泡剤となる。白い粉末は、２７０℃で熱分解するが、水分を含むと分解温度が低下する。また、紫外線に対しても透明であり、液状のフォトレジストに充分混ぜるとほぼ透明になる。また、有機系発泡剤であるアゾジカルボンアミドは、橙色微粉末であり、助剤を併用して発泡させる。分解温度は２００℃であり、亜鉛化合物との併用等により分解温度を調節も可能である。このように、発泡剤と助剤とを組み合わせて添加物とすることができる。これらの発泡剤により炭酸ガスや窒素ガスを発生させて、添加物入りフォトレジストのフォトレジスト部分を微細な泡を生じ占めて軟化したフォトレジスト膜の体積を膨張させて、例えば、疎な材料になるために断熱材料として利用することができる。
【００２４】
本発明の請求項７に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物入りフォトレジストを基板に形成して、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした場合である。
【００２５】
添加物入りフォトレジストとして、ネガタイプでもポジタイプでも良いが、液状のフォトレジストに添加物として発泡剤や助剤を混入しておき、これを基板に塗布しても良いし、発泡剤や助剤を混入してある添加物入りフォトレジストがシート状であり、これを基板に貼り付け形成しても良い。これらを、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした場合である。
【００２６】
発泡剤として、必ずしも加熱による分解ばかりでなく、例えば、発泡剤の吸収波長を照射して、光化学反応により発泡させるようにすることもできるし、液体薬品に浸し、混入した発泡剤と化学反応させるようにして発泡させることもできる。
【００２７】
本発明の請求項８に係わるフォトレジスト構造体は、構造体の少なくとも一部に上述の添加物入りフォトレジストを用いて形成したことを特徴とするものである。
【００２８】
有機系、無機系の発泡材や助剤の適当な選択により、発泡させる熱分解温度を調整することができる。もちろん、金属やセラミックスなどの構造体の一部として添加物入りフォトレジストを用いて組み合わせた平面的もしくは立体的な構造体を形成することもできる。
【００２９】
また、添加物入りフォトレジストの添加物としてファイバと助剤を含む発泡剤を混入することもできる。添加物入りフォトレジストのフォトレジスト成分は、容易に露光によりパターン化できるので、所望の形状で発泡して膨らんだ添加物入りフォトレジストからなる構造体を形成することもできる。ファイバを入れてあることから、さらに強度が大きい平面的もしくは立体的構造体が提供できる。
【００３０】
一般に板の曲げ強度は、その板の厚みの３乗に比例するので、例えば、厚みが２倍になると８倍の曲げ強度が得られる。このように、実効的に厚い膜になるので、断熱構造としながら、基板から熱分離する宙に浮いた薄膜の材料として用いることにより、曲げ強度の大きい宙に浮いた薄膜からなる構造体を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、塗布と露光により所望の形状のパターン形状を、高精度に容易に形成できるフォトレジストとこれに種々の機能を有する固体の添加物を入れることができるので、所望の形状で必要な機能を具備した平面的もしくは立体的な構造体を形成できるという利点がある。
【００３２】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、添加物として、細くて短いファイバを混入し、露光用光源の波長に対して透明な材料にすると、所望のパターンの露光が達成できるので、所定の形状で、例えば、空洞の上に形成される宙に浮いた橋やカンチレバやダイアルラム型の薄膜で、曲がりや弛みの少ない薄膜を形成できるという利点がある。
【００３３】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、発泡剤を混入し、発泡剤の分解温度の選択により、露光、現像してパターン化させた後、当初、薄膜であるフォトレジスト膜を加熱して軟化状態にして、発泡剤の熱分解温度での微細な発泡により体積膨張させて厚膜状態の平面的もしくは立体的構造体を形成することもできる。
【００３４】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、発砲による疎な材料にすることができるので、熱伝導率が小さくなり断熱性のあるフォトレジストの平面的もしくは立体的構造体を形成できる。さらに、空洞と組み合わせて一層断熱性の宙に浮いた薄膜を形成できる。例えば、フォトレジスト膜だけでは、曲げ強度が小さいために、カンチレバ構造を形成することが困難であったが、発泡による膨張で実効的に厚みが大きくできるので、長いカンチレバ構造が形成できるという利点がある。
【００３５】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、フォトレジスト膜の多重層薄膜構造にすることにより、一層強度が大きく、さらに所望の厚膜を形成しやすいという利点がある。
【００３６】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、ファイバや発泡剤などの種々の透明な添加物の混入により、一層強度の大きい構造体を形成することができると共に、金属やセラミックスなどの他の材料による構造体と組み合わせて、さらに大きな構造体も提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の添加物入りフォトレジストの概念を説明するための一実施例を示す横断面概略図で、添加物としてファイバを用いて実施した場合である。（実施例１）
【図２】本発明の添加物入りフォトレジストの概念を説明するための他の一実施例を示す横断面概略図で、添加物として発泡剤を用いて実施した場合である。（実施例２）
【図３】本発明の添加物入りフォトレジストの薄膜で、図２における添加物として発泡剤を用いて実施した場合で、パターン化したのち発泡処理を施した場合の平面的構造体の横断面概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の添加物入りフォトレジストによる立体的構造体としてカンチレバ構造を形成した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例３）
【図５】図４に示す本発明の添加物入りフォトレジストによるカンチレバ構造を形成した場合において、添加物としてファイバを用いた場合の拡大図を示す横断面概略図である。（実施例３）
【図６】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体であり、温度センサとしてサーモパイルを用いて、熱型赤外線センサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例４）
【図７】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、温度センサとしてサーモパイルを用いて、熱型赤外線センサとして実施した場合の他の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例５）
【図８】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、温度センサとしてサーモパイルを用いて、フローセンサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例６）
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の添加物入りフォトレジスト等の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３９】
図１は、本発明の添加物入りフォトレジスト６の概念を説明するための一実施例を示す構成概略図の横断面図で、添加物３としてファイバ４を用いて実施した場合である。基板１上にフォトレジスト２にガラスファイバであるファイバ４を混入させた場合で、スピンコート前の液状の添加物入りフォトレジスト６の様子を示している。ガラスファイバとしては、例えば、２マイクロメートル（μｍ）程度の厚みにスピンコートする場合には、直径１μｍ以下のファイバにした方がよい。また、塗布した添加物入りフォトレジスト膜に露光、現像でコンタクトホールなどを形成するときには、そのコンタクトホールの直径よりもファイバ直径が、小さい方が好適である。例えば、コンタクトホールの直径が２０μｍの場合は、２０μｍ以下である、例えば１０μｍ程度の方がよい。また、基板１の上に空洞を有する橋を添加物入りフォトレジスト膜で形成する場合は、ガラスファイバの長さが橋脚の高さとなる空洞の高さと同程度か、もしくは小さくさせるとよい。
【実施例２】
【００４０】
図２は、本発明の添加物入りフォトレジスト６の概念を説明するための他の一実施例を示す横断面概略図で、添加物３として発泡剤５を用いて実施した場合である。フォトレジスト２に発泡剤５を混入させた場合で、スピンコート前の液状の添加物入りフォトレジストを基板１上に載せた様子を示している。発泡剤５としては、例えば、炭酸水素ナトリウムや炭酸アンモニウムなどを用いることができる。炭酸水素ナトリウムは、白い粉末であり、熱分解温度は２７０℃程度であるが、水分を多少含むことにより２００℃程度またはそれ以下に調整することもできる。炭酸水素ナトリウムの粉末をフォトレジスト２と充分均一に混ぜるとフォトレジスト２の色であるほぼ淡黄色の透明な液状の添加物入りフォトレジストになる。
【００４１】
図３は、本発明の添加物入りフォトレジスト３の薄膜で、図２における添加物として発泡剤５を用いて実施した構造体１１で、発砲７により膨張した添加物入りフォトレジスト１２の様子を示した場合で、パターン化したのち発泡処理を施して膨張させて厚膜状態にした場合である。２００℃程度に昇温させるとゴム系のフォトレジスト２は軟化させることができるので、この温度での熱分解による発泡７で膨張した厚膜は、疎なフォトレジスト２の薄膜９（実際には厚膜となっている）の構造体１１となる．この疎なフォトレジスト２の薄膜９は、熱伝導度が低下し断熱性があり、基板１から熱分離した平面的な構造の薄膜として利用することもできる。なお、発泡剤５によるパターン化した薄膜９を膨張させて体積を増加させるので、その膨張による薄膜９の寸法をパターン設計の時点で考慮しておく必要がある。同図には、パターンの溶出部８がフォトレジスト膜の孔となっていることも示してある。
【００４２】
上述では、炭酸水素ナトリウムの無機系の発泡剤５を利用した場合であるが、有機系発泡剤であるアゾジカルボンアミドは、橙色微粉末であり、助剤を併用して発泡させる。分解温度は２００℃であり、助剤としての亜鉛化合物との併用等により分解温度を調節も可能である。このように、発泡剤と助剤とを組み合わせて添加物とすることができる。
【実施例３】
【００４３】
図４は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１としてカンチレバ構造を形成した場合の一実施例を示す横断面概略図である。シリコン単結晶などの基板１上に、アルミニウムなどで犠牲層を形成して、その上に添加物入りフォトレジスト６をスピンコートなどで塗布し、カンチレバ構造となるパターンで露光、現像によりパターン化して加熱硬化させた後、犠牲層をエッチング除去して空洞１０を形成する。このようにして、カンチレバ構造の構造体１１が形成できる。添加物としてファイバ４や発泡剤５を入れて、強度を増したカンチレバ構造の構造体１１とすることができる。一般に、膜の曲げ強度はその厚みの３乗に比例するので、厚みの増加とともに急激に曲げ強度を増加させることができる。このように発泡剤の発泡効果による薄膜の厚みを増加させると、膜の曲げ強度の増加につながる。また、添加物３としてファイバ４と発泡剤５との両方を入れて、さらに強度を増すようにすることもできる。このカンチレバ構造の立体的な構造体１１に、薄膜ヒータ３５や温度センサなどを形成しておき、フローセンサや熱型赤外線センサを形成することもできる。
【００４４】
また、図５には、上記図４に示す本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１としてカンチレバ構造を形成した場合において、添加物３としてファイバ４を用いた場合の拡大図である。添加物入りフォトレジスト６の中に極めて細く短い（例えば、直径０．５μm、長さ１０μm程度）ファイバ４を添加物３として用いており、互いにファイバ４同士がくっつき合い薄膜９の強度を高めている。
【実施例４】
【００４５】
図６は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１として、サーモパイル１３を温度センサとした熱型赤外線センサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。シリコン単結晶の（１００）面に予め形成してある空洞１０にエッチングしやすく、低融点の亜鉛などの犠牲物質を充填しておいた基板１に、添加物入りフォトレジスト６の膜を塗布して所望のパターンを露光、現像等により形成して、その上に更に公知の技術によりサーモパイル１３や赤外線吸収膜２５を形成した後、犠牲物質をエッチング除去して空洞１０を形成する。このようにして、熱型赤外線センサの受光部１５が基板１から熱分離した形で構造体１１を形成した場合である。ここでは、サーモパイル１３の接点B１９(例えば、温接点)を宙に浮いた受光部１５の中心部付近に形成してあり、この中心部付近に均一な温度領域を形成するためのフォトレジスト膜などによる絶縁層２８を介して厚めの金属膜などの熱伝導薄膜２６を形成した場合である。なお、添加物入りフォトレジスト６の添加物としてファイバ４や発泡剤５を入れて、強度を増したカンチレバ構造の構造体１１とすることができる。また、添加物としてファイバ４と発泡剤５との両方を入れてさらに強度を増すようにすることもできる。発泡剤５による薄膜９の膜厚膨張で、疎な薄膜９となり熱伝導率を小さくさせることができると共に、厚みの増加により曲げ強度を大きくできる。したがって、弛みが小さい赤外線の受光部１５が形成できる。
【実施例５】
【００４６】
図７は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１として、サーモパイル１３を温度センサとした熱型赤外線センサとして実施した場合の他の一実施例を示す横断面概略図である。ここでは、基板１の上方に空洞１０を形成した場合の例である。空洞１０は、この部分に犠牲層を形成しておき、その上に添加物入りフォトレジスト６を形成して、フォトリソグラフィによりパターン化させて硬化させて、サーモパイル１３や赤外線吸収膜２５などを形成した後、犠牲層をエッチング除去により形成できる。基板１の上方に空洞１０を形成してあるので、基板１に増幅器や演算回路、更には駆動回路などを含むシステムも含めた集積回路１１０を、受光部１５の真下にも形成してある場合である。また、サーモパイル１３は、温度差センサであるので、基板１にダイオードやトランジスタなどの絶対温度センサ３４も形成してある場合である。また、サーモパイル１３の接点A１８（例えば、冷接点）を熱容量の大きな基板１に形成してある場合である。サーモパイル１３の出力は基板１に形成した拡散領域３２を通して取り出せるようになっている。
【実施例６】
【００４７】
図８は、本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、サーモパイルと薄膜ヒータを形成して熱伝導型センサとして気体などの流体の流れを計測する気体などのフローセンサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。
【００４８】
熱伝導型センサとして、気体の流れ計測用のガスフローセンサとして実施した場合、薄膜ヒータ３５にヒータ電極６５を介して電流を流し、例えば、無風状態で室温よりも例えば１０℃程度温度上昇させるように電流値を定めて駆動する。この添加物入りフォトレジスト６の薄膜９をガスの流れに晒すと、加熱された薄膜９から熱が奪われて冷却し、そのときの温度差や温度変化に基づくサーモパイル１３の出力変化を計測して、予め用意した校正データを利用してガスの流れの量が計測できる。このような原理によりガスフローセンサが提供できる。
【００４９】
本実施例では、薄膜９にスリット３６が形成されてあり、薄膜ヒータ３５が形成されている架橋構造の中央付近の薄膜９に対して、気流方向の下流側の薄膜９と上流側の薄膜９が、架橋構造の中央付近で、同一の薄膜９で連結されている構造としている。この連結部分を通して、下流側の薄膜９が、薄膜ヒータ３５の熱を受け取り温度上昇する。無風状態では、これらの下流側の薄膜９と上流側の薄膜９の中央付近の接点Ｂ１９（温接点）の温度は、薄膜ヒータ３５の中心の温度よりは数℃低いが、ほぼ同一となっている。気流が存在すると、薄膜ヒータ３５の熱が下流側の薄膜９を一層熱するが、上流側の薄膜９は、周囲温度の気流により冷やされて、温度の低下を招く。この時、下流側の薄膜９と上流側の薄膜９とにそれぞれ形成しているサーモパイル１３の出力差から、予め用意してある校正データを利用して、微小の気流および気流の変化を計測することができる。もちろん、それぞれのサーモパイル１３の単独の出力データを利用しても、気流の大きさを計測することもできる。本実施例では、基準となる絶対温度を計測する絶対温度センサ３４をシリコンの基板１に形成してある。
【００５０】
本発明の添加物入りフォトレジスト６や構造体１１は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の添加物入りフォトレジスト６は、添加物３としてファイバ４や発泡剤５などを混入させたものであり、露光、現像してパターン化した後に、これらの添加物３も混入した状態で基板１に残存するようにしている。ガラスファイバなどのファイバ４を添加して構造体１１が形成されるので、薄膜９の強度が増すので、立体的な構造体１１も自立できる。また、発泡剤５の混入により膜厚が発泡により増加できるので、薄膜９の強度が増すことになり、添加物入りフォトレジスト６による平面的または立体的な構造体１１も、感光性樹脂であるフォトレジスト２を用いているから、再現性があり、大量生産させても画一的な形状が得られ、所望の形状にフォトリソグラフィにより容易に形成することができる。この構造体１１の中に温度センサであるサーモパイルを形成して、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計やイメージセンサ、特に耳式体温計の温度差センサとしても有望であり、また、薄膜ヒータ３５や温度センサと組み合わせるなどして、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出用センサ、熱伝導型センサとしての微流量の液体や気体のフローセンサ、薄膜ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなど、温度差計測に最適な構造体も提供できる。もちろん、センサに限らず、微細な平面的または立体的構造体を提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 基板
２ フォトレジスト
３ 添加物
４ ファイバ
５ 発泡剤
６ 添加物入りフォトレジスト
７ 発泡
８ パターンのレジスト溶出部
９ 薄膜
１０ 空洞
１１ 構造体
１２ 膨張した添加物入りフォトレジスト
１３ サーモパイル
１５ 受光部
１６ 熱電導体Ａ
１７ 熱電導体Ｂ
１８ 接点Ａ
１９ 接点Ｂ
２０ 配線
２１Ａ、２１Ｂ 電極端子Ａ
２２Ａ、２２Ｂ 電極端子Ｂ
２３ 電極
２５ 赤外線吸収膜
２６ 熱伝導薄膜
２８ 絶縁層
３０ コンタクトホール
３１ オーミックコンタクト
３２ 拡散領域
３４ 絶対温度センサ
３５ 薄膜ヒータ
３６ スリット
３７ エッチング孔
５１ シリコン酸化膜
６５ ヒータ電極
１１０ 集積回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フォトレジストとそれを用いた基板から熱分離しやすい薄膜の構造体に関し、フォトレジストに微細な繊維や発泡剤などを添加物として混入させて、フォトリソグラフィを用いて、所望の平面的もしくは立体的構造体を形成するためのフォトレジストの提供とこれを用いた強度が大きい微細な平面的もしくは立体的構造体を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロマシーニング技術による微細な立体的構造体は、例えば、フォトリソグラフィ技術を利用して、単結晶シリコン（Si)の異方性エッチング技術や犠牲層エッチングにより所定の形状の空洞を形成して、その上部にシリコン酸化膜、窒化シリコン膜やSOI層膜などの無機薄膜を用いた架橋構造、カンチレバやダイアフラム構造の宙に浮いた薄膜を形成していた（特許文献１）。この基板から熱分離した宙に浮いた薄膜を赤外線の受光部として用いる熱型赤外線センサ、薄膜ヒータや薄膜温度センサを形成するフローセンサなどに利用していた。しかしながら、これらの無機薄膜は、機械的なショックや熱的歪に弱く、クラックが発生したりするという問題があった。また、シリコン酸化膜や窒化シリコン膜の形成には、歪みを小さくするために、化学的気相成長法（CVD法）などで形成することが多かった。しかし、製作には高温（例えば、８００℃）を要するために、犠牲層を形成するにもそれ以上の温度の融点を有する物質を選択する必要があった。さらに、その設備も高価であり、安価な宙に浮いた薄膜形成が困難であった。また、SOI層膜を利用して基板から熱分離する薄膜にするには、SOI基板を用いれば、容易であるが、普通のシリコン基板に対して、SOI基板は、１０倍以上の高価であるという問題もあった。
【０００３】
本発明者は、先に、空洞により基板から熱分離した宙に浮いた構造の薄膜をフォトレジスト膜で形成し、多重層化したサーモパイルを温度センサとして形成して、これを赤外線センサの受光部として利用し、薄膜ヒータも形成してフローセンサにすることを提案した（特願２０１１−４４６０４）。しかしながら、一般に有機薄膜であるフォトレジスト膜は、機械的ショックによる破損などに対する耐性が大きいが、その曲げ強度が不足し、自立的な薄膜構造体には、不向きであった。
【０００４】
基板から熱分離するためには、基板への熱の逃げを小さくする構造が必要であり、このために空洞の上に薄膜を形成して、熱コンダクタンスを小さくさせていた。しかし、空洞の形成には、犠牲層の材料、基板の材料、エッチャント、処理温度、薄膜の材料など多くの制限要素があり、これらをすべて満足する材料や条件の設定が困難になっていた。また、それらの薄膜の形状には、フォトリソフラフィを用いるので、工程数の少なく単純な工程で所望の微細な形状で、しかも、画一的な構造体となる基板から熱分離させる方法や構造体が求められていた。
【０００５】
さらに、薄膜でありながら、薄膜の曲げ強度を大きくすると共に、その薄膜に形成した薄膜ヒータや赤外線受光部などからの熱伝導を小さくするような立体的構造体が求められていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１８４１５１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述の問題を解決するためになされたもので、基板に形成する熱分離しやすい薄膜の構造体で、画一的な所望の形状、厚み、寸法が容易に形成でき、かつ強度の大きい構造体を形成するための材料と構造体を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる添加物入りフォトレジストは、フォトレジストに、該フォトレジストには溶解しない固体の添加物を混入したことを特徴とするものである。
【０００９】
一般に、感光性樹脂であるフォトレジストには、液状になっているものとシート状になっているものがある。液状になっているものは、基板にスピンコートやスプレーコートなどで塗布して、乾燥後、所望のパターン形状に光を照射し（露光）、パターン形状のうち、未反応の領域のフォトレジストを溶出させてパターンを形成する（現像）の工程を経た後、一般には、加熱して硬化させる。また、露光時における光を照射した箇所が現像時に溶出されないで残るタイプをネガタイプのフォトレジストといい、露光時における光を照射した箇所が現像時に溶出して残存しなくなるタイプをポジタイプと呼んでいる。
【００１０】
シート状のフォトレジストも初期には、液状であり、この液状のときに粉末や微細なファイバなどを混入させて、均一になるように混ぜ合わせることができる。白い粉末は、本来可視光線では、透明な物質であり、空気との屈折率の差で白く見えるものである。したがって、粉末や微細なファイバなどの間に液体が入りこめば、屈折率の差が少なくなりほぼ透明な状態になるものである。
【００１１】
本発明の請求項２に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物入りフォトレジストを基板に形成し、露光と現像の結果、パターン化された添加物入りフォトレジストの膜が前記基板に残存するようにした場合である。
【００１２】
添加物入りフォトレジストが、ネガタイプでも、ポジタイプでも、液状の時には、基板にスピンコータなどで塗布し、シート状の時には、貼り付けて形成すると良い。
【００１３】
本発明の請求項３に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物をファイバとした場合である。
【００１４】
添加物は、必ずしも一種類とは限らないが、少なくともその一つにファイバを添加した場合である。ファイバには、ガラスファイバ、アルミナなどのセラミックスファイバ、ナイロンファイバやカーボンナノチューブなどを短くして混入することができる。基板から熱分離した薄膜は、一般に空洞上に形成することが多い。この薄膜としてフォトレジスト膜を使用すると、その薄膜の所望の箇所に所定の形状の高精度の穴を形成することが容易にできる。しかし、一般にフォトレジスト膜は、ＰＭＭＡ膜やポリイミドフイルムなどの有機薄膜なので、柔らかく空洞を架橋する架橋構造の場合やダイアフラム構造の場合は、幾分形状を保持することができるが、それでも無機材の薄膜と異なり、空洞の中央部付近での弛みが無視できないことが多い。また、カンチレバ構造による基板からの熱分離構造では、膜厚を十分大きくしないと、カンチレバ構造体の形状維持が困難になる。
【００１５】
本発明では、添加物としてガラスファイバなどの細くて短いファイバを液状のフォトレジストに混入しておいた添加物入りフォトレジストを、例えば、犠牲層を有する基板に塗布して、必要なフォトリソグラフィ工程で、所望の形状にパターン化して、熱硬化などさせた後、犠牲層をエッチング除去すれば、この箇所が空洞となり、基板の上に形成された空洞の上に宙に浮いた薄膜（基板から熱分離した薄膜）を、添加物としてのファイバを含む添加物入りフォトレジスト膜で構成することができる。例えば、直径１マイクロメートル(μｍ)で、長さ１０μｍ程度の細くて短いガラスファイバを液状のフォトレジストに混入してアルミニウムなどの犠牲層（例えば、幅３００μｍ、高さ２０μｍ)を有する基板の上に２μｍ厚程度にスピンコート法により塗布すれば、添加物入りフォトレジストの粘度にもよるが、ガラスファイバの長さ方向は、基板や犠牲層の面に沿って配向され（スピンコートのために、その回転の遠心力方向にガラスファイバの長さ方向が向くことが多い）、添加物入りフォトレジストの厚み方向には飛び出さないで済み、ほぼ平坦な添加物入りフォトレジスト膜が形成される。各ガラスファイバは、互いに接触しながらフォトレジスト膜塗布層内で配列し、フォトレジスト膜の熱硬化によりガラスファイバ同士が結び付けられ強固な添加物入りフォトレジスト薄膜となる。その後、アルミニウムなどの犠牲層をそのエッチャントである希塩酸などでエッチング除去すれば、宙に浮いた弛みの少ない基板から熱分離した添加物入りフォトレジスト薄膜の立体的な構造体が形成される。もちろん、この宙に浮いた基板から熱分離した添加物入りフォトレジスト薄膜の上に、サーモパイルなどの温度センサ及び赤外線吸収膜などを形成しておけば、熱型赤外線センサが提供できるし、薄膜ヒータと温度センサとを組み合わせて形成すれば、フローセンサなどが提供できる。このようにして、温度センサや薄膜ヒータの材料を除けば、大部分が添加物入りフォトレジストからなる立体的構造体が提供できる。
【００１６】
添加物入りフォトレジストは、感光性材料であるからフォトリソグラフィにより、任意の形状のパターン化が形成できる。添加物入りフォトレジストを塗布してパターン化して、その上に薄膜温度センサ、薄膜ヒータや電極などを形成したのち、さらにこれらの工程を繰り返して添加物入りフォトレジスト膜の立体的な多層化薄膜を形成することもできる。各多重層間の電極同士を添加物入りフォトレジスト膜に形成した貫通孔を利用して金属パターンで導通させることもできる。このようにして高感度のセンサやセンサの組み合わせで高機能のセンサを実現させることができる。貫通孔を形成するときには、その直径を添加物としてのガラスファイバの長さよりも大きくする方がよい。
【００１７】
薄膜で宙に浮いた立体的構造体を形成するときには、薄膜構造体の強度が重要であるからガラスファイバなどの添加物入りフォトレジスト膜が好適であるが、基板に形成されている領域は、単に絶縁膜として用いる場合など、必ずしも曲げ強度などの必要がないので、添加物入りでない普通のフォトレジスト膜が好適である場合がある。このような場合は、普通のフォトレジスト膜の領域と、添加物入りフォトレジスト膜の領域とで組み合わせた構造にすることもできる。
【００１８】
本発明の請求項４に係わる添加物入りフォトレジストは、ファイバとしてフォトレジストの露光に使用する光の波長に対して透明であるような材料を選択した場合である。
【００１９】
一般に、フォトレジストの露光には、紫外線が用いられる。フォトレジストの中にこの紫外線に対して不透明な固体や散乱体が存在すると、それらにより、それらの下部にあるフォトレジスト領域が未露光状態となり、ネガタイプのフォトレジストの場合は、この未露光状態の領域は、現像によりフォトレジスト成分が溶け出し、添加物入りフォトレジストが無くなってしまうことになる。したがって、露光用の紫外線に対して、透明な添加物の材料選択が重要である。また、厚みを大きくして添加物の陰の部分の露光に散乱光を利用することもできるが、透明な添加物でも表面からの反射や散乱もあるので、添加物が無いときのフォトレジストに対して露光時間を長めにする必要がある。
【００２０】
本発明の請求項５に係わる添加物入りフォトレジストは、ファイバの寸法を、添加物入りフォトレジストにより形成される予定の構造体の最小厚みよりも細く、フォトレジストによる構造体の最小パターンの長さよりも短くさせた場合である。
【００２１】
添加物入りフォトレジストの添加物としてファイバとした場合であり、所定のパターンを形成したときに、フォトレジスト膜の厚みよりもファイバの直径が小さくないと（細くないと）、フォトレジスト膜がファイバのために凸凹してしまう。また、例えば、フォトレジスト膜に形成する孔を露光、現像でパターン化したときに、その孔の直径よりもファイバの長さが大きいと、孔をファイバで塞いでしまうという問題が生じる。また、細長いフォトレジスト膜のパターンを基板上に残したい場合でも、そのパターンの幅よりもファイバの長さが大きいと、そのパターンからファイバが大きくはみ出し、精度のよいパターンが形成できない。しかし、ファイバの長さがパターンの幅以下であれば、パターンの幅程度の精度でパターン形成が可能である。また、基板上に犠牲層を形成して、その上に添加物入りフォトレジストを塗布し、パターン化して硬化後、犠牲層をエッチング除去して空洞を形成して、添加物入りフォトレジスト膜を構造体とした橋を形成する場合、犠牲層の厚みよりもファイバの長さが大きいと、橋の脚部において、ファイバが橋の上に飛び出す状況になる。橋の脚部の大きさは犠牲層の厚みにより決定されるので、ファイバの長さを犠牲層の厚みよりも短くなるような添加物としてのファイバの長さの調整が重要である。
【００２２】
本発明の請求項６に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物として発泡剤を用いた場合である。
【００２３】
ゴム系フォトレジストを用いると、例えば、２００℃程度で軟化するので、この温度で発泡する発泡剤を添加物として用いることができる。炭酸水素ナトリウムは、固体の白い粉末であり、加熱すると炭酸ガスを発生して発泡剤となる。白い粉末は、２７０℃で熱分解するが、水分を含むと分解温度が低下する。また、紫外線に対しても透明であり、液状のフォトレジストに充分混ぜるとほぼ透明になる。また、有機系発泡剤であるアゾジカルボンアミドは、橙色微粉末であり、助剤を併用して発泡させる。分解温度は２００℃であり、亜鉛化合物との併用等により分解温度を調節も可能である。このように、発泡剤と助剤とを組み合わせて添加物とすることができる。これらの発泡剤により炭酸ガスや窒素ガスを発生させて、添加物入りフォトレジストのフォトレジスト部分を微細な泡を生じ占めて軟化したフォトレジスト膜の体積を膨張させて、例えば、疎な材料になるために断熱材料として利用することができる。
【００２４】
本発明の請求項７に係わる添加物入りフォトレジストは、添加物入りフォトレジストを基板に形成して、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした場合である。
【００２５】
添加物入りフォトレジストとして、ネガタイプでもポジタイプでも良いが、液状のフォトレジストに添加物として発泡剤や助剤を混入しておき、これを基板に塗布しても良いし、発泡剤や助剤を混入してある添加物入りフォトレジストがシート状であり、これを基板に貼り付け形成しても良い。これらを、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした場合である。
【００２６】
発泡剤として、必ずしも加熱による分解ばかりでなく、例えば、発泡剤の吸収波長を照射して、光化学反応により発泡させるようにすることもできるし、液体薬品に浸し、混入した発泡剤と化学反応させるようにして発泡させることもできる。
【００２７】
本発明の請求項８に係わるフォトレジスト構造体は、構造体の少なくとも一部に上述の添加物入りフォトレジストを用いて形成したことを特徴とするものである。
【００２８】
有機系、無機系の発泡材や助剤の適当な選択により、発泡させる熱分解温度を調整することができる。もちろん、金属やセラミックスなどの構造体の一部として添加物入りフォトレジストを用いて組み合わせた平面的もしくは立体的な構造体を形成することもできる。
【００２９】
また、添加物入りフォトレジストの添加物としてファイバと助剤を含む発泡剤を混入することもできる。添加物入りフォトレジストのフォトレジスト成分は、容易に露光によりパターン化できるので、所望の形状で発泡して膨らんだ添加物入りフォトレジストからなる構造体を形成することもできる。ファイバを入れてあることから、さらに強度が大きい平面的もしくは立体的構造体が提供できる。
【００３０】
一般に板の曲げ強度は、その板の厚みの３乗に比例するので、例えば、厚みが２倍になると８倍の曲げ強度が得られる。このように、実効的に厚い膜になるので、断熱構造としながら、基板から熱分離する宙に浮いた薄膜の材料として用いることにより、曲げ強度の大きい宙に浮いた薄膜からなる構造体を形成することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、塗布と露光により所望の形状のパターン形状を、高精度に容易に形成できるフォトレジストとこれに種々の機能を有する固体の添加物を入れることができるので、所望の形状で必要な機能を具備した平面的もしくは立体的な構造体を形成できるという利点がある。
【００３２】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、添加物として、細くて短いファイバを混入し、露光用光源の波長に対して透明な材料にすると、所望のパターンの露光が達成できるので、所定の形状で、例えば、空洞の上に形成される宙に浮いた橋やカンチレバやダイアルラム型の薄膜で、曲がりや弛みの少ない薄膜を形成できるという利点がある。
【００３３】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、発泡剤を混入し、発泡剤の分解温度の選択により、露光、現像してパターン化させた後、当初、薄膜であるフォトレジスト膜を加熱して軟化状態にして、発泡剤の熱分解温度での微細な発泡により体積膨張させて厚膜状態の平面的もしくは立体的構造体を形成することもできる。
【００３４】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、発砲による疎な材料にすることができるので、熱伝導率が小さくなり断熱性のあるフォトレジストの平面的もしくは立体的構造体を形成できる。さらに、空洞と組み合わせて一層断熱性の宙に浮いた薄膜を形成できる。例えば、フォトレジスト膜だけでは、曲げ強度が小さいために、カンチレバ構造を形成することが困難であったが、発泡による膨張で実効的に厚みが大きくできるので、長いカンチレバ構造が形成できるという利点がある。
【００３５】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、フォトレジスト膜の多重層薄膜構造にすることにより、一層強度が大きく、さらに所望の厚膜を形成しやすいという利点がある。
【００３６】
本発明の添加物入りフォトレジストでは、ファイバや発泡剤などの種々の透明な添加物の混入により、一層強度の大きい構造体を形成することができると共に、金属やセラミックスなどの他の材料による構造体と組み合わせて、さらに大きな構造体も提供できるという利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の添加物入りフォトレジストの概念を説明するための一実施例を示す横断面概略図で、添加物としてファイバを用いて実施した場合である。（実施例１）
【図２】本発明の添加物入りフォトレジストの概念を説明するための他の一実施例を示す横断面概略図で、添加物として発泡剤を用いて実施した場合である。（実施例２）
【図３】本発明の添加物入りフォトレジストの薄膜で、図２における添加物として発泡剤を用いて実施した場合で、パターン化したのち発泡処理を施した場合の平面的構造体の横断面概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の添加物入りフォトレジストによる立体的構造体としてカンチレバ構造を形成した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例３）
【図５】図４に示す本発明の添加物入りフォトレジストによるカンチレバ構造を形成した場合において、添加物としてファイバを用いた場合の拡大図を示す横断面概略図である。（実施例３）
【図６】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体であり、温度センサとしてサーモパイルを用いて、熱型赤外線センサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例４）
【図７】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、温度センサとしてサーモパイルを用いて、熱型赤外線センサとして実施した場合の他の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例５）
【図８】本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、温度センサとしてサーモパイルを用いて、フローセンサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。（実施例６）
【発明を実施するための形態】
【００３８】
以下、本発明の添加物入りフォトレジスト等の実施例について、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００３９】
図１は、本発明の添加物入りフォトレジスト６の概念を説明するための一実施例を示す構成概略図の横断面図で、添加物３としてファイバ４を用いて実施した場合である。基板１上にフォトレジスト２にガラスファイバであるファイバ４を混入させた場合で、スピンコート前の液状の添加物入りフォトレジスト６の様子を示している。ガラスファイバとしては、例えば、２マイクロメートル（μｍ）程度の厚みにスピンコートする場合には、直径１μｍ以下のファイバにした方がよい。また、塗布した添加物入りフォトレジスト膜に露光、現像でコンタクトホールなどを形成するときには、そのコンタクトホールの直径よりもファイバ直径が、小さい方が好適である。例えば、コンタクトホールの直径が２０μｍの場合は、２０μｍ以下である、例えば１０μｍ程度の方がよい。また、基板１の上に空洞を有する橋を添加物入りフォトレジスト膜で形成する場合は、ガラスファイバの長さが橋脚の高さとなる空洞の高さと同程度か、もしくは小さくさせるとよい。
【実施例２】
【００４０】
図２は、本発明の添加物入りフォトレジスト６の概念を説明するための他の一実施例を示す横断面概略図で、添加物３として発泡剤５を用いて実施した場合である。フォトレジスト２に発泡剤５を混入させた場合で、スピンコート前の液状の添加物入りフォトレジストを基板１上に載せた様子を示している。発泡剤５としては、例えば、炭酸水素ナトリウムや炭酸アンモニウムなどを用いることができる。炭酸水素ナトリウムは、白い粉末であり、熱分解温度は２７０℃程度であるが、水分を多少含むことにより２００℃程度またはそれ以下に調整することもできる。炭酸水素ナトリウムの粉末をフォトレジスト２と充分均一に混ぜるとフォトレジスト２の色であるほぼ淡黄色の透明な液状の添加物入りフォトレジストになる。
【００４１】
図３は、本発明の添加物入りフォトレジスト３の薄膜で、図２における添加物として発泡剤５を用いて実施した構造体１１で、発砲７により膨張した添加物入りフォトレジスト１２の様子を示した場合で、パターン化したのち発泡処理を施して膨張させて厚膜状態にした場合である。２００℃程度に昇温させるとゴム系のフォトレジスト２は軟化させることができるので、この温度での熱分解による発泡７で膨張した厚膜は、疎なフォトレジスト２の薄膜９（実際には厚膜となっている）の構造体１１となる．この疎なフォトレジスト２の薄膜９は、熱伝導度が低下し断熱性があり、基板１から熱分離した平面的な構造の薄膜として利用することもできる。なお、発泡剤５によるパターン化した薄膜９を膨張させて体積を増加させるので、その膨張による薄膜９の寸法をパターン設計の時点で考慮しておく必要がある。同図には、パターンの溶出部８がフォトレジスト膜の孔となっていることも示してある。
【００４２】
上述では、炭酸水素ナトリウムの無機系の発泡剤５を利用した場合であるが、有機系発泡剤であるアゾジカルボンアミドは、橙色微粉末であり、助剤を併用して発泡させる。分解温度は２００℃であり、助剤としての亜鉛化合物との併用等により分解温度を調節も可能である。このように、発泡剤と助剤とを組み合わせて添加物とすることができる。
【実施例３】
【００４３】
図４は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１としてカンチレバ構造を形成した場合の一実施例を示す横断面概略図である。シリコン単結晶などの基板１上に、アルミニウムなどで犠牲層を形成して、その上に添加物入りフォトレジスト６をスピンコートなどで塗布し、カンチレバ構造となるパターンで露光、現像によりパターン化して加熱硬化させた後、犠牲層をエッチング除去して空洞１０を形成する。このようにして、カンチレバ構造の構造体１１が形成できる。添加物としてファイバ４や発泡剤５を入れて、強度を増したカンチレバ構造の構造体１１とすることができる。一般に、膜の曲げ強度はその厚みの３乗に比例するので、厚みの増加とともに急激に曲げ強度を増加させることができる。このように発泡剤の発泡効果による薄膜の厚みを増加させると、膜の曲げ強度の増加につながる。また、添加物３としてファイバ４と発泡剤５との両方を入れて、さらに強度を増すようにすることもできる。このカンチレバ構造の立体的な構造体１１に、薄膜ヒータ３５や温度センサなどを形成しておき、フローセンサや熱型赤外線センサを形成することもできる。
【００４４】
また、図５には、上記図４に示す本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１としてカンチレバ構造を形成した場合において、添加物３としてファイバ４を用いた場合の拡大図である。添加物入りフォトレジスト６の中に極めて細く短い（例えば、直径０．５μm、長さ１０μm程度）ファイバ４を添加物３として用いており、互いにファイバ４同士がくっつき合い薄膜９の強度を高めている。
【実施例４】
【００４５】
図６は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１として、サーモパイル１３を温度センサとした熱型赤外線センサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。シリコン単結晶の（１００）面に予め形成してある空洞１０にエッチングしやすく、低融点の亜鉛などの犠牲物質を充填しておいた基板１に、添加物入りフォトレジスト６の膜を塗布して所望のパターンを露光、現像等により形成して、その上に更に公知の技術によりサーモパイル１３や赤外線吸収膜２５を形成した後、犠牲物質をエッチング除去して空洞１０を形成する。このようにして、熱型赤外線センサの受光部１５が基板１から熱分離した形で構造体１１を形成した場合である。ここでは、サーモパイル１３の接点B１９(例えば、温接点)を宙に浮いた受光部１５の中心部付近に形成してあり、この中心部付近に均一な温度領域を形成するためのフォトレジスト膜などによる絶縁層２８を介して厚めの金属膜などの熱伝導薄膜２６を形成した場合である。なお、添加物入りフォトレジスト６の添加物としてファイバ４や発泡剤５を入れて、強度を増したカンチレバ構造の構造体１１とすることができる。また、添加物としてファイバ４と発泡剤５との両方を入れてさらに強度を増すようにすることもできる。発泡剤５による薄膜９の膜厚膨張で、疎な薄膜９となり熱伝導率を小さくさせることができると共に、厚みの増加により曲げ強度を大きくできる。したがって、弛みが小さい赤外線の受光部１５が形成できる。
【実施例５】
【００４６】
図７は、本発明の添加物入りフォトレジスト６による構造体１１として、サーモパイル１３を温度センサとした熱型赤外線センサとして実施した場合の他の一実施例を示す横断面概略図である。ここでは、基板１の上方に空洞１０を形成した場合の例である。空洞１０は、この部分に犠牲層を形成しておき、その上に添加物入りフォトレジスト６を形成して、フォトリソグラフィによりパターン化させて硬化させて、サーモパイル１３や赤外線吸収膜２５などを形成した後、犠牲層をエッチング除去により形成できる。基板１の上方に空洞１０を形成してあるので、基板１に増幅器や演算回路、更には駆動回路などを含むシステムも含めた集積回路１１０を、受光部１５の真下にも形成してある場合である。また、サーモパイル１３は、温度差センサであるので、基板１にダイオードやトランジスタなどの絶対温度センサ３４も形成してある場合である。また、サーモパイル１３の接点A１８（例えば、冷接点）を熱容量の大きな基板１に形成してある場合である。サーモパイル１３の出力は基板１に形成した拡散領域３２を通して取り出せるようになっている。
【実施例６】
【００４７】
図８は、本発明の添加物入りフォトレジストによる構造体として、サーモパイルと薄膜ヒータを形成して熱伝導型センサとして気体などの流体の流れを計測する気体などのフローセンサとして実施した場合の一実施例を示す横断面概略図である。
【００４８】
熱伝導型センサとして、気体の流れ計測用のガスフローセンサとして実施した場合、薄膜ヒータ３５にヒータ電極６５を介して電流を流し、例えば、無風状態で室温よりも例えば１０℃程度温度上昇させるように電流値を定めて駆動する。この添加物入りフォトレジスト６の薄膜９をガスの流れに晒すと、加熱された薄膜９から熱が奪われて冷却し、そのときの温度差や温度変化に基づくサーモパイル１３の出力変化を計測して、予め用意した校正データを利用してガスの流れの量が計測できる。このような原理によりガスフローセンサが提供できる。
【００４９】
本実施例では、薄膜９にスリット３６が形成されてあり、薄膜ヒータ３５が形成されている架橋構造の中央付近の薄膜９に対して、気流方向の下流側の薄膜９と上流側の薄膜９が、架橋構造の中央付近で、同一の薄膜９で連結されている構造としている。この連結部分を通して、下流側の薄膜９が、薄膜ヒータ３５の熱を受け取り温度上昇する。無風状態では、これらの下流側の薄膜９と上流側の薄膜９の中央付近の接点Ｂ１９（温接点）の温度は、薄膜ヒータ３５の中心の温度よりは数℃低いが、ほぼ同一となっている。気流が存在すると、薄膜ヒータ３５の熱が下流側の薄膜９を一層熱するが、上流側の薄膜９は、周囲温度の気流により冷やされて、温度の低下を招く。この時、下流側の薄膜９と上流側の薄膜９とにそれぞれ形成しているサーモパイル１３の出力差から、予め用意してある校正データを利用して、微小の気流および気流の変化を計測することができる。もちろん、それぞれのサーモパイル１３の単独の出力データを利用しても、気流の大きさを計測することもできる。本実施例では、基準となる絶対温度を計測する絶対温度センサ３４をシリコンの基板１に形成してある。
【００５０】
本発明の添加物入りフォトレジスト６や構造体１１は、本実施例に限定されることはなく、本発明の主旨、作用および効果が同一でありながら、当然、種々の変形がありうることは言うまでもない。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
本発明の添加物入りフォトレジスト６は、添加物３としてファイバ４や発泡剤５などを混入させたものであり、露光、現像してパターン化した後に、これらの添加物３も混入した状態で基板１に残存するようにしている。ガラスファイバなどのファイバ４を添加して構造体１１が形成されるので、薄膜９の強度が増すので、立体的な構造体１１も自立できる。また、発泡剤５の混入により膜厚が発泡により増加できるので、薄膜９の強度が増すことになり、添加物入りフォトレジスト６による平面的または立体的な構造体１１も、感光性樹脂であるフォトレジスト２を用いているから、再現性があり、大量生産させても画一的な形状が得られ、所望の形状にフォトリソグラフィにより容易に形成することができる。この構造体１１の中に温度センサであるサーモパイルを形成して、微小温度差を高精度で、しかも高感度に計測する必要がある赤外線放射温度計やイメージセンサ、特に耳式体温計の温度差センサとしても有望であり、また、薄膜ヒータ３５や温度センサと組み合わせるなどして、水素などの可燃性ガスセンサにおける微小発熱量の計測による水素などのガス検出用センサ、熱伝導型センサとしての微流量の液体や気体のフローセンサ、薄膜ピラニ真空計、熱型湿度センサや気圧センサなどの圧力センサなど、温度差計測に最適な構造体も提供できる。もちろん、センサに限らず、微細な平面的または立体的構造体を提供することができる。
【符号の説明】
【００５２】
１ 基板
２ フォトレジスト
３ 添加物
４ ファイバ
５ 発泡剤
６ 添加物入りフォトレジスト
７ 発泡
８ パターンのレジスト溶出部
９ 薄膜
１０ 空洞
１１ 構造体
１２ 膨張した添加物入りフォトレジスト
１３ サーモパイル
１５ 受光部
１６ 熱電導体Ａ
１７ 熱電導体Ｂ
１８ 接点Ａ
１９ 接点Ｂ
２０ 配線
２１Ａ、２１Ｂ 電極端子Ａ
２２Ａ、２２Ｂ 電極端子Ｂ
２３ 電極
２５ 赤外線吸収膜
２６ 熱伝導薄膜
２８ 絶縁層
３０ コンタクトホール
３１ オーミックコンタクト
３２ 拡散領域
３４ 絶対温度センサ
３５ 薄膜ヒータ
３６ スリット
３７ エッチング孔
５１ シリコン酸化膜
６５ ヒータ電極
１１０ 集積回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フォトレジストに、該フォトレジストには溶解しない固体の添加物を混入したことを特徴とする添加物入りフォトレジスト。
【請求項２】
添加物入りフォトレジストを基板に形成し、露光と現像の結果、パターン化された添加物入りフォトレジストの膜が前記基板に残存するようにした請求項１記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項３】
添加物をファイバとした請求項１もしくは２のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項４】
ファイバとしてフォトレジストの露光に使用する光の波長に対して透明であるような材料を選択した請求項３記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項５】
ファイバの寸法を、添加物入りフォトレジストにより形成される予定の構造体の最小厚みよりも細く、フォトレジストによる構造体の最小パターンの長さよりも短くさせた請求項３もしくは４のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項６】
添加物として発泡剤を用いた請求項１から５のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項７】
添加物入りフォトレジストを基板に形成して、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした請求項６記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項８】
構造体の少なくとも一部に請求項１から７のいずれかに記載した添加物入りフォトレジストを用いて形成したことを特徴とするフォトレジスト構造体。
【請求項１】
フォトレジストに、該フォトレジストには溶解しない固体の添加物を混入したことを特徴とする添加物入りフォトレジスト。
【請求項２】
添加物入りフォトレジストを基板に形成し、露光と現像の結果、パターン化された添加物入りフォトレジストの膜が前記基板に残存するようにした請求項１記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項３】
添加物をファイバとした請求項１もしくは２のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項４】
ファイバとしてフォトレジストの露光に使用する光の波長に対して透明であるような材料を選択した請求項３記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項５】
ファイバの寸法を、添加物入りフォトレジストにより形成される予定の構造体の最小厚みよりも細く、フォトレジストによる構造体の最小パターンの長さよりも短くさせた請求項３もしくは４のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項６】
添加物として発泡剤を用いた請求項１から５のいずれかに記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項７】
添加物入りフォトレジストを基板に形成して、露光、現像処理後に、発砲処理を施し、フォトレジストを膨らませるようにした請求項６記載の添加物入りフォトレジスト。
【請求項８】
構造体の少なくとも一部に請求項１から７のいずれかに記載した添加物入りフォトレジストを用いて形成したことを特徴とするフォトレジスト構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−２２６０２１（Ｐ２０１２−２２６０２１Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−９１６０８（Ｐ２０１１−９１６０８）
【出願日】平成２３年４月１６日（２０１１．４．１６）
【出願人】（３９１０２５７４１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１５日（２０１２．１１．１５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１６日（２０１１．４．１６）
【出願人】（３９１０２５７４１）
【Ｆターム（参考）】
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