JP2002120199A - マイクロチューブとマイクロボールおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 大きさ、形状、材料を任意に選択でき、複雑
な構造も作成できるマイクロチューブおよびマイクロボ
ールの製造法を提供し、マイクロマシンなどの部品に応
用すること。 【解決手段】 基板上に形成したマイクロチューブの形
成方法において、（１）基板１上にバッファ層２を堆積
する工程、（２）前記バッファ層に下半円形状の溝を形
成する工程、（３）マイクロチューブの下半円部分を形
成する工程、（４）マイクロチューブの円柱部を形成す
る工程、（５）マイクロチューブの上半円部分を形成す
る工程、（６）基板からマイクロチューブを切り離す工
程、からなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体微細加工技
術を用いて形成するマイクロチューブ（微小管）および
マイクロボール（微小球）に関し、原子の状態を見るよ
うな特殊な顕微鏡の駆動部や超音波ポンプ、マイクロマ
シンなどに利用できるマイクロチューブとマイクロボー
ルおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、様々なマイクロマシンおよびその
部品に関して提案および研究されている。その部品の一
つであるマイクロチューブに関しても提案されている。
例えば図２２ａ，ｂ，ｃ，ｄのようなセラッミックスの
窒化アルミニウム膜から室温でマイクロチューブを成形
する技術（日刊工業新聞平成１２年９月１９日号６面）
が提案されている。アルミニウムの膜７の上に窒化アル
ミニウム膜８を作り、一端からアルミニウム膜を塩酸で
溶かしていくと、酸に強い窒化アルミニウム膜が残り、
アルミニウム膜が溶けた部分から曲がって管を形成す
る。このとき、膜厚が０．５マイクロメートルなら直径
０．２ミリメートル、４マイクロメートルなら直径１ミ
リメートルの管ができる。

【０００３】

【課題が解決しようとする課題】上記したようなマイク
ロチューブを簡単に安価で作成できるが、いくつかの点
について問題がある。第１の問題点はこの方法では材料
が１つに限られる。第２の問題点は管の断面の大きさの
制御を窒化アルミニウム膜の膜厚で行うので制御性がに
問題があり、高い精度で作成することが難しい。第３の
問題点は管の直径を０．２ミリメートルよりも小さく、
例えば１マイクロメートルにすることが難しい。第４の
問題点はチューブの長手方向の形状を直線状以外の形状
に形成することが難しい。第５の問題点はチューブの長
手方向の管の断面の大きさおよび形状を連続的に変化さ
せることが難しい。第６の問題点はチューブの中にさら
に１つ以上のチューブを入れることが難しい。第７の問
題点は同じ大きさの場合、２巻き以上のチューブに比べ
て１巻きのチューブは折り曲げの強度が弱い。第８の問
題点はマイクロチューブの側面に穴を設けることは難し
い。第９の問題点は３本以上のチューブが接続したマイ
クロチューブを形成することは難しい。

【０００４】本発明は上記問題点に鑑みなされたもので
あって、その目的とするところは、様々な材料、例えば
シリコン・窒化膜・シリコン酸化膜・アルミニウムなど
の無機材料、ポリイミドなどの有機材料のどれか１つも
しくは２つ以上の材料から成り、管の直径が１マイクロ
メートル前後の微小な大きさまでを、サブミクロンの高
い精度で形成でき、チューブ長手方向の形状を任意の
形、例えば曲線、渦巻きの形などに作り、１本のチュー
ブの断面の形状を円形、楕円形、多角形などに様々な形
状と大きさに連続的に形成し、チューブの中にさらにチ
ューブを１つ以上入れることができ、チューブの折り曲
げの強度および柔軟性を増すことが可能で、マイクロチ
ューブの側面の任意の位置に穴をあけることができ、さ
らに例えば三つ又形状または箒形状など、３本以上のチ
ューブが接続した形状を持つマイクロチューブおよびそ
の製造方法を提供することにある。またこの方法を用い
て作成できるマイクロボールおよびその製造方法も提供
する。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
め、本発明によるマイクロチューブの形成法は、基板上
に形成したマイクロチューブの形成方法において、
（１）基板上にバッファ層を堆積する工程、（２）前記
バッファ層に下半円形状の溝を形成する工程、（３）マ
イクロチューブの下半円部分を形成する工程、（４）マ
イクロチューブの円柱部を形成する工程、（５）マイク
ロチューブの上半円部分を形成する工程、（６）基板か
らマイクロチューブを切り離す工程、を含むことを特徴
とする。

【０００６】本発明は、従来の半導体加工技術であるフ
ォトリソグラフィ工程において露光量制御用マスクを用
いた露光方法、およびエッチング工程においてエッチバ
ック法などを駆使してマイクロチューブを形成すること
を特徴とするものであり、従来のマイクロチューブと比
べて、様々な形状を高精度に、さらに立体的な形状のマ
イクロチューブを形成できるという利点がある。

【０００７】

【実施例】以下、本発明のマイクロチューブの構成とそ
の作成方法について図面に基づいて説明する。図１から
図５は本発明のマイクロチューブの作成工程を表す概略
図である。図１において基板１の上のバッファ層２の上
に図のような下半円形状の溝を形成する。図２において
チューブの下半分を形成するために、溝の内面にチュー
ブの材料３を形成する。図３においてチューブの空洞部
分となる溝の上に円柱形状４を形成する。図４において
チューブの上半分を形成するために、円柱形状を覆うよ
うにチューブ材料３を形成する。この後、チューブの内
部の材料および土台をエッチングして図５のようにチュ
ーブを基板から取り去ることができる。

【０００８】次に、図６から図１３の断面図をもとに作
成方法について詳述する。 １）まず、基板１上にバッファ層２として、例えば窒化
シリコンを堆積し、次にフォトリソグラフィ工程にてレ
ジストを塗布、露光および現像を行う。このとき使用す
るフォトマスクは光量を連続的に調節することができる
露光量制御用マスク（透過型露光装置の場合は透過光量
が、反射型露光装置の場合は反射光量を連続的に調節す
ることが可能なフォトマスクを示す）を用いることによ
り、図６のような下半円形状の溝のレジスト５の断面が
形成される。 ２）次に、エッチング工程において、前記レジストの断
面形状を下層のバッファ層に転写エッチングする。例え
ば異方性ドライエッチング条件を用いてレジストとバッ
ファ層を同じエッチング量でエッチバックを行うと、エ
ッチング終了とともにレジストはなくなり、図７のよう
なバッファ層に下半円形状の溝が形成される。 ３）次に、次の工程で基板前面にバッファ層の材料と異
なるチューブの材料、例えばアルミニウムを堆積し、フ
ォトリソ工程で通常のフォトマスクを用いて露光、現像
を行い図８のように溝の部分だけレジストを残す。 ４）次にエッチング工程で露出している部分をエッチン
グし、レジストを除去するとチューブの下半円の部分の
図９が得られる。 ５）次に、チューブの内側の空洞部分、円柱形状にあた
る所を形成するために、この場合基板、バッファ層およ
チューブの材料と異なる材料、例えばシリコン酸化膜を
溝の部分でチューブの内径と等しい厚みを堆積する。さ
らにフォトリソ工程で露光制御用マスクを用いて露光、
現像を行い図１０のような上半円形状のレジストが形成
される。 ６）次に、エッチング工程では、２）と同様に転写エッ
チングを行うと図１１のようなチューブの内径部分に円
柱が形成される。 ７）次に、３）と同様に、この基板上にチューブの材料
であるアルミニウムを堆積し、フォトリソ工程にて図１
２のようなチューブとなる部分の円柱形状の上だけ覆わ
れたレジスト形状が得られる。 ８）エッチング工程にて露出しているアルミニウムをエ
ッチングして、レジストを除去すると図１３のようなア
ルミウムのチューブが出来上がる。

【０００９】図には示していないが、この後円筒部のシ
リコン酸化膜をエッチング除去すると内部が空洞のマイ
クロチューブが作成できる。さらにバッファ層の窒化シ
リコンをエッチング除去すると基板からマイクロチュー
ブを切り離し、マイクロチューブ単体が完成する。基板
の材料はシリコン基板、ガラス基板などの無機材料やプ
ラスチックなどの有機材料を用いることができる。図１
４ａ，ｂ，ｃは前記の作成方法を応用して形成できる基
板面に対して断面が垂直なチューブの一例を示してい
る。ここではチューブの断面形状を円形状で示している
が、多角形など任意の形状も形成できる。また１本のチ
ューブに様々な断面形状を連続して形成できる。さらに
断面の大きさも任意に変えることができる。またチュー
ブの任意の位置に第３、第４などの多数の穴を設けるこ
ともでき、そこから新しい別のチューブと接続すること
もできる。またマイクロチューブ同士を平面的に接続し
たり、もしくは立体的に積層することで、強度を増した
構造のマイクロチューブのまとまりを作成できる。

【００１０】次に前記作成方法を応用して、ら旋形マイ
クロチューブを形成する方法を示す。図１５ａ，ｂ，
ｃ，ｄは作成工程を示す平面図である。 １）平面図である図１５ａは図１の斜視図に対応してい
て、バッファ層に溝が形成されていることを示してい
る。 ２）図１５ｂは図２の斜視図に対応していて、溝の内部
に下半円形状の斜め状の梯子パターンが形成されてい
る。 ３）図１５ｃは図３の斜視図に対応していて、チューブ
の空洞に相当する円柱部分が形成されている。 ４）図１５ｄは図４の斜視図に対応していて、前記１）
の梯子パターンと逆方向の梯子パターンの上半円形状が
形成される。すなわち上下の梯子パターン同士が各々接
続することでら旋構造のチューブが形成される。

【００１１】前記の作成方法で形成されたら旋チューブ
の斜視図が図１６ａである。図１６ｂは２種類の異なる
材料で１本のチューブを形成した例を示す。図１６ｃは
円環のチューブとその外側にら旋チューブを形成した例
である。１本の普通のチューブよりもら旋チューブの中
に円環のチューブを入れた構造のため折り曲げなどに対
して強い構造になっている。逆に円環のチューブの中に
ら旋チューブを入れた構造にも形成できる。

【００１２】次に基板面に対して垂直なら旋チューブの
形成方法について図１７ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，ｇ，
ｈの断面図を用いて説明する。 １）基板１の上にバッファ層２、例えば窒化シリコンを
堆積し、さらにチューブの土台となる材料３、例えばシ
リコン酸化膜を堆積する。前記基板をフォトリソ工程に
おいて露光制御用マスクを用いて露光、現像すると図１
７ａのような右下斜めに傾斜したレジスト５の断面形状
が得られる。 ２）次にエッチング工程において転写エッチングを行
い、図１７ｂのような右下斜めに傾斜した土台３が形成
される。 ３）前記基板の上にチューブの材料４、例えばアルミニ
ウムを堆積し、フォトリソ工程で土台の上に円環の半分
のレジストパターン５を形成する。ここでは土台と円環
の大きさを等しく描いているが、必ずしも等しくなくて
も良い。 ４）エッチングして露出しているアルミニウムを除去
し、レジストを剥離すると図１７ｄのような傾斜した土
台の上にチューブの材料４、アルミニウムが形成され
る。 ５）前記基板の上に土台３の材料であるシリコン酸化膜
を図１７ａの時の２倍の膜厚になるように堆積し、次に
ファトリソ工程において図１７ａのレジストの断面形状
とは逆方向に図１７ｅのような左下斜めに傾斜したレジ
スト形状５を形成する。 ６）エッチング工程において転写エッチングを行い、図
１７ｆのような左下斜めに傾斜した土台３が形成され
る。この時、４）で形成した円環の半分の一端が図のよ
うに露出された状態になる。この部分には次の工程図１
７ｇで堆積するアルミニウムと接続することになる。 ７）図１７ｃと同様に基板にチューブの材料４、アルミ
ニウムを堆積し、フォトリソ工程において３）で用いた
円環の半分の残り半分の円環のパターンが描かれたマス
クを用いて露光、現像すると、図１７ｇのような断面形
状のレジスト５が形成される。 ８）前記基板上の露出しているアルミニウムをエッチン
グおよびレジストを除去すると、図１７ｈのような断面
形状のチューブの一部が形成できる。これを上から眺め
ると、ら旋構造の一巻きが得られる。上記工程１）〜
８）を繰り返すことにより、所望の巻き数を持つら旋チ
ューブを形成する。 ９）この後、バッファ層をエッチングして除去すること
で、基板からマイクロチューブを切り離す。

【００１３】前記の作成方法で形成された縦形ら旋チュ
ーブの斜視図が図１８ａである。図１８ｂは内側に円環
チューブと組み合わせたら旋チューブを示している。円
環のチューブの中にら旋チューブを入れた構造にも形成
できることを記しておく。ら旋チューブの隙間を埋める
ことにより一体化したチューブも形成できる。横形ら旋
チューブと縦形ら旋チューブの各々の作成方法を組み合
わせることにより図１９ａおよび図１９ｂのような円環
チューブをら旋構造にした形状にも形成できる。いずれ
の方法においても、必ずしもバッファ層を設ける必要は
なく、基板自体をエッチングして、マイクロチューブを
切り離すこともできる。他方基板から切り離さずに、基
板上に搭載した状態で、他の電子回路部品やマイクロマ
シンの部品として応用することもできる。

【００１４】このことは、上記に示したチューブの作成
方法を用いて、所望の位置に、所望の材料で、所望の大
きさの、所望の形状のチューブを作成できることを示唆
している。以下にその応用例としてマイクロボールに関
して図２０ａ，ｂ，ｃを用いて説明する。 １）図２０ａのような球殻構造のマイクロボールを形成
する方法は、まず最初に下半球部分を形成し、次に上半
球部分を形成して完成する。この時内部の材料は残った
ままになる。もし、内部の材料を除去するには、例えば
マイクロボール完成後に、天頂部に小さな穴を開けてウ
ェットエッチングなどで除去し、最後に穴を埋めること
で内部が空洞のマイクロボールを形成することもでき
る。 ２）図２０ｂは、６重構造の球殻をしたマイクロボール
を示している。これの形成方法はまず下半球の最外周の
半球部分を形成し、順に内側の下半球を形成していく。
下半球部分が完成した後に、上半球部分の最も内側の半
球部分から順に外側の上半球部分を形成していくことで
多重の球を一つにしたマイクロボールが形成できる。 ３）図２１ｂはスパイラル状のマイクロボールを示して
いる。この作成方法も同じように最外周の下半球部分か
ら内側に形成していき、上半球を最も内側から外側に向
かって形成していく。ただし、この時下の半球と異なる
大きさの上半球を組み合わせることで形成することがで
きる。前記以外でも例えば卵形状、瓢箪形状、瓜形状な
ど多様な形状も形成できることを記しておく。

【００１５】図２１ａ，ｂ，ｃも本提案している作成方
法を用いることにより形成できる一例、水平のチューブ
と垂直のチューブを９０度の角度で組み合わせた構造を
示す。以下に簡単に作成手順を記す。 ａ）最初に、図２１ａのような水平なチューブの下半分
の半円構造を形成する。 ｂ）次に、水平なチューブの上半分を形成して、水平な
チューブを完成したのが図２１ｂである。水平なチュー
ブの一端は垂直なチューブと接続する部分である。 ｃ）水平なチューブの一端に接続するように、垂直なチ
ューブを形成して完了したのが図２１ｃである。

【発明の効果】以上説明したように、様々な形状のマイ
クロチューブおよびマイクロボールを形成することによ
り、用途に応じて、例えば医療器具やマイクロマシンな
どのメカニカル部品として応用が期待できる。

【０００８】

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す斜視図である。

【図２】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す斜視図である。

【図３】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す斜視図である。

【図４】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す斜視図である。

【図５】 本発明のマイクロチューブの斜視図であ
る。

【図６】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図７】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図８】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図９】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図１０】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図１１】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図１２】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図１３】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す断面図である。

【図１４】 本発明のマイクロチューブの斜視図であ
る。

【図１５】 本発明の横型ら旋マイクロチューブの作成
工程を示す平面図である。

【図１６】 本発明の横型ら旋マイクロチューブの斜視
図である。

【図１７】 本発明の縦型ら旋マイクロチューブの作成
工程を示す断面図である。

【図１８】 本発明の縦型ら旋マイクロチューブの斜視
図である。

【図１９】 本発明のマイクロチューブの断面図であ
る。

【図２０】 本発明のマイクロボールの斜視図である。

【図２１】 本発明のマイクロチューブの作成工程を示
す斜視図である。

【図２２】 従来のマイクロチューブの作成方法を示す
図である。

【符号の説明】

１…基板 ２…バッファ層 ３…チューブ ４…チューブ内部 ５…レジスト ６…土台

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上に形成した基板面に水平な円筒形
   マイクロチューブの形成方法において、（１）基板上に
   バッファ層を堆積する工程、（２）前記バッファ層に下
   半円形状の溝を形成する工程、（３）マイクロチューブ
   の下半円部分を形成する工程、（４）マイクロチューブ
   の円柱部を形成する工程、（５）マイクロチューブの上
   半円部分を形成する工程、（６）基板からマイクロチュ
   ーブを切り離す工程、を含むことを特徴とする円筒形マ
   イクロチューブ形成方法。
2. 【請求項２】 請求項１に記載された円筒形マイクロチ
   ューブの形成方法に関して、（２）の工程において、梯
   子形斜めパターンを形成する工程、（４）の工程におい
   て、前記（２）とは逆の梯子形斜めパターンを形成する
   工程、を含むことを特徴とするら旋形マイクロチューブ
   形成方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２のいずれかに記載され
   た方法により製造されたマイクロチューブ。
4. 【請求項４】 請求項１または２に記載された方法によ
   り製造されたマイクロチューブを組み合わせたマイクロ
   チューブ。
5. 【請求項５】 基板上に形成した基板面に垂直なら旋形
   マイクロチューブの形成方法において、（１）基板上に
   バッファ層を堆積する工程、（２）前記バッファ層の上
   に傾斜した土台を形成する工程、（３）前記土台の上に
   円環状の半分のマイクロチューブを形成する工程、
   （４）前記マイクロチューブを含む土台の上に（２）で
   形成した傾斜した土台とは逆方向に傾斜した土台を形成
   する工程、（５）前記土台の上に（３）で形成した円環
   状の他方の半分を形成する工程、前記工程（２）から
   （５）を繰り返して積層し、（６）基板からマイクロチ
   ューブを切り離す工程、を含むことを特徴とするら旋形
   マイクロチューブ形成方法。
6. 【請求項６】 請求項５に記載された方法により製造さ
   れたマイクロチューブ。
7. 【請求項７】 請求項５に記載された方法により製造さ
   れたら旋形マイクロチューブと円筒形マイクロチューブ
   を組み合わせたマイクロチューブ。
8. 【請求項８】 請求項１および５に記載された方法を組
   み合わせて製造されたマイクロチューブ
9. 【請求項９】 請求項１に記載された方法を用いて製造
   されたマイクロボール。
10. 【請求項１０】 請求項１に記載された方法を用いて製
    造された水平なマイクロチューブと垂直なマイクロチュ
    ーブを組み合わせたマイクロチューブ。