JP3696513B2

JP3696513B2 - 針状体の製造方法

Info

Publication number: JP3696513B2
Application number: JP2001042373A
Authority: JP
Inventors: 一夫笠井; 一行末田
Original assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Precision Products Co Ltd
Priority date: 2001-02-19
Filing date: 2001-02-19
Publication date: 2005-09-21
Anticipated expiration: 2021-02-19
Also published as: JP2002239014A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば薬物を経皮的に身体に注入する際などに使用されるシリコン製の針状体を、シリコンウェハに対するエッチングにより製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薬剤を被験者の身体に経皮的に注入する器具として、被験者に痛みを与えないシリコン製の針状体（マイクロニードル）の利用が試みられている。この針状体は、所望のテーパ角度を有して先端が尖っており、その先端部を薬液に浸漬またはその先端部に薬剤を塗布した針状体を、被験者の皮膚に先端から刺し込むことにより、それらの薬物を身体内に注入する。薬物が付着した先端部が、皮膚の表皮部を貫通して毛細血管，神経終末が存する真皮部まで到達すれば、薬物注入は有効となるため、その針状体の長さは１５０μｍ程度あれば良い。
【０００３】
このようなシリコン製の針状体の製造には、半導体集積回路の作製技術を適用できる。そして従来では、プラズマ処理装置を用いて、反応ガスとしてＳＦ₆／Ｏ₂ガスの導入によって生成したプラズマによるシリコンウェハに対するエッチングにより、図９の斜視図に示すような多数の針状体５１を製造している。この従来の針状体５１にあっては、その基端部から先端部にかけて全体にテーパ状に形成されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の製造手法では、所望のテーパ形状を得るためのプロセス制御特にＳＦ₆ガスとＯ₂ガスとの導入比率の制御が難しい。また、所望のテーパ形状を得るためのマスクの作製が困難である。このような課題により、従来では所定のテーパ形状を有する針状体を歩留り良く製造できないという問題がある。また、製造効率の向上を図るために、針状体の高密度化も望まれている。
【０００５】
本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせることにより、所定のテーパ形状を有する針状体を容易に歩留り良く製造できる針状体の製造方法を提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の他の目的は、高密度化を図れて、製造効率を高めることができる針状体の製造方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る針状体の製造方法は、シリコンウェハに対するエッチングにより、所定のテーパ形状を有するシリコン製の針状体を製造する方法において、前記針状体を形成すべき部分にマスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第１工程と、前記マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第２工程と、前記マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第３工程とを有しており、前記第２工程にあって、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して異方性エッチングを施すことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に係る針状体の製造方法は、先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部と該先端部に連なる長手方向にわたって同一径の基端部とを有し、前記先端部から前記基端部に向かって貫通孔が形成されているシリコン製の針状体を、シリコンウェハに対するエッチングにより製造する方法であって、前記貫通孔を形成すべき部分以外に第１マスクを設けて前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第１工程と、前記針状体を形成すべき部分に第２マスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第２工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第３工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第４工程とを、この順に有することを特徴とする。
【００１２】
請求項３に係る針状体の製造方法は、先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部と該先端部に連なる長手方向にわたって同一径の基端部とを有し、前記先端部から前記基端部に向かって貫通孔が形成されているシリコン製の針状体を、シリコンウェハに対するエッチングにより製造する方法であって、前記貫通孔を形成すべき部分以外に第１マスクを設けて前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第１工程と、前記針状体を形成すべき部分に第２マスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第２工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第３工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第４工程とを有しており、前記第１工程及び／または第３工程にあって、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して異方性エッチングを施すことを特徴とする。
【００１３】
第１発明では、シリコンウェハに対して、等方性エッチング，異方性エッチング，等方性エッチングをこの順に施して、先端に所定のテーパ角度を有するシリコン製の針状体を製造する。即ち、第１工程の等方性エッチングにて、ある程度の針形状を作成し、次に、第２工程の異方性エッチングにて、針状体として必要な長さだけ厚さ方向に選択的にエッチングし、最後に、第３工程の等方性エッチングにて、先端を尖らせて所定のテーパ角度を実現する。第１発明にて製造される針状体は、異方性エッチングにて作成された円柱状の基端部と、等方性エッチングにて作成された円錐状の先端部とにて構成される。
【００１４】
第２発明では、シリコンウェハに対して、異方性エッチング，等方性エッチング，異方性エッチング，等方性エッチングをこの順に施して、先端に所定のテーパ角度を有し長手方向に貫通孔を有するシリコン製の針状体を製造する。即ち、第１工程の異方性エッチングにて、貫通孔を形成し、次に第２工程の等方性エッチングにて、ある程度の針形状を作成し、次に、第３工程の異方性エッチングにて、針状体として必要な長さだけ厚さ方向に選択的にエッチングし、最後に、第４工程の等方性エッチングにて、先端を尖らせて所定のテーパ角度を実現する。第２発明にて製造される針状体は、第１発明にて製造される上記針状体に更に貫通孔が形成されたものである。
【００１５】
本発明の製造方法では、プロセス処理が安定している等方性エッチングにて先端部のテーパ形状を作成するため、所望のテーパ角度を容易に実現できる。また、本発明の針状体は先端部のみがテーパ状をなしているだけであるため、全体にテーパ状をなしている従来の針状体に比べて、製造できる針状体の密度を高くでき、製造効率の向上につながる。
【００１６】
また、異方性エッチングを行う第１発明の第２工程または第２発明の第１，第３工程において、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返すことにより、より高精度の異方性エッチングを行える。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をその実施の形態を示す図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、本発明に係る針状体の製造方法（シリコンの等方性エッチング及び異方性エッチング）を実施するための誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）装置）の構成図である。
【００１８】
このＩＣＰ装置では、コイルに交流電力を印加して低圧反応ガスのプラズマを発生させ、試料を載置した基板電極に交流電力を印加して、この発生させたプラズマを引き込み、引き込んだプラズマによってエッチングを行う。また、このＩＣＰ装置を使用する場合、エッチングの異方性を高めるために、反応ガスとしてエッチングガス（例えばＳＦ₆）と堆積ガス（例えばＣ₄Ｆ₈）とを交互に導入してプラズマ化させて、エッチングステップと堆積ステップとを繰り返すＡＳＥ^TM（Advanced Silicon Etching）手法が実施される。
【００１９】
図１において、１は反応器であり、コイル３への通電によってプラズマを発生させる上方側のプラズマ発生室２ａと、発生されたプラズマを引き込んで試料２０に対してエッチング処理を行う下方側の反応室２ｂとを有する。
【００２０】
プラズマ発生室２ａは、セラミック製の中空円筒の形状を有しており、その周面には同心状にコイル３が囲繞されている。コイル３には、マッチングユニット７を介して所定周波数の電源８が接続されており、所望の大きさの交流電力がコイル３に印加されるようになっている。また、プラズマ発生室２ａの上部壁中央には、反応器１内へ反応ガス（ＳＦ₆またはＣ₄Ｆ₈）を導入するガス導入管４が、貫通する態様で連結されている。そして、コイル３への交流電力の印加によって、プラズマ発生室２ａ内にて反応ガスのプラズマを発生させるようになっている。
【００２１】
反応室２ｂの側部壁には、図示しない排気装置を接続した排気口５が開口されている。反応室２ｂの底部には、エッチング対象の試料２０を載置する基板電極１１を有するプラテン６が配設されている。プラテン６には、マッチングユニット９を介して所定周波数の電源１０が接続されており、所望の大きさの交流電力が基板電極１１に印加されるようになっている。そして、基板電極１１への交流電力の印加によって、プラズマ発生室２ａ内で発生されたプラズマが反応室２ｂ内に引き込まれ、その引き込まれたプラズマにより試料２０がエッチングされるようになっている。
【００２２】
（第１実施の形態）
図２（ａ）は、第１実施の形態における複数の針状体３１を示す斜視図、図２（ｂ）は、１つの針状体３１の断面図であり、各針状体３１は、先端に向かって細径化したテーパ状をなす円錐状の先端部３１ａ（最大径：７５μｍ，高さ：５０μｍ）とその先端部３１ａに連なる円柱状の基端部３１ｂ（径：７５μｍ，高さ：１００μｍ）とから構成されている。
【００２３】
このような構成の針状体３１を使用する場合、先端部３１ａを薬液に浸漬または先端部３１ａの周囲に薬剤を塗布した針状体３１を、被験者の皮膚に先端部３１ａから刺し込むことにより、それらの薬物を身体内に注入することができる。また、多数の針状体３１を形成したものを被験者の皮膚に刺し込んで、身体の電位を測定することも可能である。
【００２４】
このような構成の針状体３１の製造工程について以下に説明する。図３は、この第１実施の形態の製造工程における試料（シリコンウェハ）２０の形状の推移を示す図である。
【００２５】
まず、針状体３１を形成すべき部分にマスク２１を設けた試料（シリコンウェハ）２０をプラテン６に載置する（図３（ａ））。なお、試料（シリコンウェハ）２０の厚さは２００μｍ程度である。そして、以下の条件に従って、試料（シリコンウェハ）２０の表面から深さ５０μｍ程度にわたる等方性エッチング（第１工程）を行って、先端部のある程度の形状を作成する（図３（ｂ））。
【００２６】
（エッチング条件）
導入する反応ガスの流量：ＳＦ₆を１３０ｓｃｃｍ
ガス圧力：１．４７Ｐａエッチング時間：２０分
コイル３への印加電力：８００Ｗ基板電極１１への印加電力：２０Ｗ
【００２７】
次に、以下の条件に従って、エッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返すことにより、厚さ方向にエッチング選択性を有する異方性エッチング（第２工程）を行って、深さ１００μｍ程度の穴を作成する（図３（ｃ））。この際、エッチングステップ（１回あたり１３秒）と堆積ステップ（１回あたり５秒）とを交互に繰り返して、合計１５分の異方性エッチングを実行する。なお、試料（シリコンウェハ）２０の先端部は、マスク２１に被われているので、この第２工程においてエッチング抑止用の堆積膜が形成されない。
【００２８】
（エッチングステップの条件）
導入する反応ガスの流量：ＳＦ₆を１３０ｓｃｃｍ
ガス圧力：１．４７Ｐａ１回あたりの処理時間：１３秒
コイル３への印加電力：６００Ｗ基板電極１１への印加電力：１５Ｗ
（堆積ステップの条件）
導入する反応ガスの流量：Ｃ₄Ｆ₈を５０ｓｃｃｍ
ガス圧力：１．６０Ｐａ１回あたりの処理時間：５秒
コイル３への印加電力：６００Ｗ基板電極１１への印加電力：０Ｗ
【００２９】
最後に、上記第１工程の場合と同じ条件に従って、再び等方性エッチング（第３工程）を行って、所定のテーパ形状を有する円錐状の先端部３１ａとそれに連なる円柱部３１ｂとで構成される針状体３１を作製する。（図３（ｄ））。
【００３０】
（第２実施の形態）
図４は、第２実施の形態における針状体４１を示す断面図であり、針状体４１は、針状体３１の先端部３１ａ及び基端部３１ｂと同様の先端部４１ａ及び基端部４１ｂとを有しており、その径方向中心に長手方向に貫通する貫通孔４２（径：１５μｍ）が形成されている。
【００３１】
このような構成の針状体４１を使用する場合、一般的な注射針と同様に、貫通孔４２内に吸引した薬液を無駄なく被験者の皮膚内に注入することができる。
【００３２】
このような構成の針状体４１の製造工程について以下に説明する。図５，図６は、この第２実施の形態の第１例の製造工程における試料２０の形状の推移を示す図である。
【００３３】
使用する試料２０は、エッチング対象のシリコンウェハ２０ａ（厚さ：１５０μｍ）とキャリアウェハ２０ｂとをレジスト２０ｃにて貼付した構成をなす。シリコンウェハ２０ａ側で貫通孔４２を形成すべき部分以外の領域にマスク２２を設けた試料２０をプラテン６に載置する（図５（ａ））。
【００３４】
そして、以下の条件に従って、エッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返すことにより、厚さ方向にエッチング選択性を有する異方性エッチング（第１工程）を行って、貫通孔４２となる深さ１５０μｍの穴をシリコンウェハ２０ａを貫通して作成する（図５（ｂ））。この際、以下の条件では、径１５μｍの穴のエッチングレートは２．３μｍ／分であるので、深さ１５０μｍの穴を形成するために、エッチングステップ（１回あたり８秒）と堆積ステップ（１回あたり５秒）とを交互に繰り返して、合計６５分の異方性エッチングを実行する。
【００３５】
（エッチングステップの条件）
導入する反応ガスの流量：ＳＦ₆を１１０ｓｃｃｍ，Ｃ₄Ｆ₈を５ｓｃｃｍ
ガス圧力：４Ｐａ１回あたりの処理時間：８秒
コイル３への印加電力：６００Ｗ基板電極１１への印加電力：２５Ｗ
（堆積ステップの条件）
導入する反応ガスの流量：ＳＦ₆を５ｓｃｃｍ，Ｃ₄Ｆ₈を９０ｓｃｃｍ
ガス圧力：３Ｐａ１回あたりの処理時間：５秒，
コイル３への印加電力：６００Ｗ基板電極１１への印加電力：３Ｗ
【００３６】
次に、第１実の形態の第１工程と同様に、レジストのスピンコート法により、針状体４１を形成すべき部分にマスク２３を設けて（図５（ｃ））、シリコンウェハ２０ａの表面から深さ５０μｍ程度にわたる等方性エッチング（第２工程）を行って、先端部のある程度の形状を作成する（図６（ｄ））。なお、この際のエッチング条件は、上述した第１実の形態の第１工程の場合と同一である。
【００３７】
次に、第１実の形態の第２工程と同様に、異方性エッチング（第３工程）を行って、レジスト２０ｃまで達する深さ１００μｍ程度の穴をシリコンウェハ２０ａに作成する（図６（ｅ））。なお、この際のエッチング条件は、上述した第１実の形態の第２工程の場合と同一である。
【００３８】
最後に、第１実の形態の第３工程と同様に、再び等方性エッチング（第４工程）を行って、所定のテーパ形状を有する円錐状の先端部４１ａとそれに連なる円柱部４１ｂとを有し、長手方向に貫通孔４２が形成された針状体４１を作製する（図６（ｆ））。なお、この際のエッチング条件は、上述した第１実の形態の第３工程の場合、言い換えるとこの第２実施の形態の第２工程の場合と同一である。そして、単一の針状体４１を得たい場合には、アセトンによりレジスト２０ｃを溶解させれば良い。
【００３９】
図７は、この第２実施の形態に利用できる試料２０の他の例を示す図であり、この試料２０は、下地のシリコン体２０ｄと絶縁体としてのＳｉＯ₂膜２１ｅとエッチング対象のシリコン膜２０ｆ（厚さ：１５０μｍ）とを積層した構成をなす。
【００４０】
このような構成の試料２０においても、シリコン膜２０ｆに対して、上記例のシリコンウェハ２０ａと同様のエッチング処理を施すことにより針状体４１を作製できる。なお、この例では、単一の針状体４１を得たい場合、フッ酸によりＳｉＯ₂膜２１ｅを除去すれば良い。
【００４１】
図８は、この第２実施の形態の第２例の製造工程における試料２０の形状の推移を示す図である。上記第１例では、マスク２３を設ける際に、その材料となるレジストのスピンコート条件が悪い場合には、既に形成されている貫通孔４２にレジストが流れ込んでそれを塞いでしまう可能性がある。以下の第２例は、このような可能性の発生を防いだ手法である。
【００４２】
第１例と同様なマスク２２を設けて同様の条件にて異方性エッチング（第１工程）を行うが、第１例のようにシリコンウェハ２０ａを完全に貫通した貫通孔４２を形成するのではなく、エッチング時間を調整して２０〜３０μｍは残した時点で穴２４の形成を終了する（図８（ａ））。そして、このシリコンウェハ２０ａをレジスト２０ｃから外し、それを逆向きにして別のキャリアウェハ２０ｂ′にレジスト２０ｃ′にて貼付してなる試料２０′を作製する（図８（ｂ））。
【００４３】
次に、穴２４が形成されていないシリコンウェハ２０ａの表面側に、第１例と同様に、マスク２３を設ける（図８（ｃ））。この際、穴２４が表面まで到達していないので、レジストが穴２４に入り込む虞は全くない。そして、第１例と同様の等方性エッチング（第２工程），異方性エッチング（第３工程）及び等方性エッチング（第４工程）を順次行う。この結果、残存してある厚さ２０〜３０μｍの部分についても先細りとなって、最終的には貫通孔４２が形成されることになる（図８（ｄ））。
【００４４】
なお、上述した第１実施の形態では、シリコン単体の試料に対してエッチングを施して針状体を製造する場合について説明したが、第２実施の形態のようにＳｉＯ₂膜等の下地体にシリコン膜を形成してなる試料についても同様に行えることは勿論である。
【００４５】
【発明の効果】
以上詳述した如く、本発明では、シリコンウェハに対して、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて、先端に所定のテーパ角度を有するシリコン製の針状体を製造するようにしたので、所定のテーパ形状を有する針状体を容易に歩留り良く製造することができる。
【００４６】
また本発明では、針状体の必要な部分のみがテーパ状をなしているので、全体にテーパ状をなしているものに比べて、針状体の作製密度を高くできて、製造効率を向上することができる。
【００４７】
更に本発明では、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して異方性エッチングを行うようにしたので、高精度の異方性エッチングを施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る針状体の製造方法を実施するための誘導結合型プラズマ装置（ＩＣＰ装置）の構成図である。
【図２】第１実施の形態における針状体を示す斜視図及び断面図である。
【図３】第１実施の形態における針状体の製造工程における試料の形状の推移を示す図である。
【図４】第２実施の形態における針状体を示す断面図である。
【図５】第２実施の形態の第１例における針状体の製造工程における試料の形状の推移を示す図である。
【図６】第２実施の形態の第１例における針状体の製造工程における試料の形状の推移を示す図である。
【図７】第２実施の形態に利用できる試料の他の例を示す図である。
【図８】第２実施の形態の第２例における針状体の製造工程における試料の形状の推移を示す図である。
【図９】従来例における針状体を示す斜視図である。
【符号の説明】
１反応器
３コイル
４ガス導入管
６プラテン
１１基板電極
２０試料
３１，４１針状体
３１ａ，４１ａ先端部
３１ｂ，４１ｂ基端部
４２貫通孔

Claims

シリコンウェハに対するエッチングにより、所定のテーパ形状を有するシリコン製の針状体を製造する方法において、前記針状体を形成すべき部分にマスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第１工程と、前記マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第２工程と、前記マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第３工程とを有しており、前記第２工程にあって、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して異方性エッチングを施すことを特徴とする針状体の製造方法。
先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部と該先端部に連なる長手方向にわたって同一径の基端部とを有し、前記先端部から前記基端部に向かって貫通孔が形成されているシリコン製の針状体を、シリコンウェハに対するエッチングにより製造する方法であって、前記貫通孔を形成すべき部分以外に第１マスクを設けて前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第１工程と、前記針状体を形成すべき部分に第２マスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第２工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第３工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第４工程とを、この順に有することを特徴とする針状体の製造方法。
先端に向かって細径化したテーパ状をなす先端部と該先端部に連なる長手方向にわたって同一径の基端部とを有し、前記先端部から前記基端部に向かって貫通孔が形成されているシリコン製の針状体を、シリコンウェハに対するエッチングにより製造する方法であって、前記貫通孔を形成すべき部分以外に第１マスクを設けて前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第１工程と、前記針状体を形成すべき部分に第２マスクを設けて前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第２工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに、その厚さ方向に選択エッチング性を有する異方性エッチングを施す第３工程と、前記第２マスクを設けた態様で前記シリコンウェハに等方性エッチングを施す第４工程とを有しており、前記第１工程及び／または第３工程にあって、反応ガスを切り替えてエッチングステップと堆積ステップとを交互に繰り返して異方性エッチングを施すことを特徴とする針状体の製造方法。