【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、フォトニクス分野、電磁波分野、マイクロマシン分野、マイクロリアクター分野、等において好適に用いられる３次元構造体の製造方法に関する。さらに、本発明はその製造方法を具現化するための鍵となる３次元構造体製造用部品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
３次元の構造体を作製する一手法として、目的の３次元構造の断層形状に対応するレイヤーを順次、積層して元の３次元構造を復元形成する積層造形法が知られている。積層造形法は、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元構造体を短納期で製造する方法として、特にラピッドプロトタイピングの用途に、近年急速に普及している。積層造形方法に属する製造方法として、光造形法、粉末焼結法、シート積層法、等が既に実用に供されているが、これらの手法はどれも各レイヤーを逐次作製するものであって、各レイヤー作製毎に断層形状に応じ、光硬化性樹脂を硬化させるため、粒子同士を焼結させるため、あるいは輪郭を切断するための、特殊なレーザーによる走査露光が必要であることから、生産性が低く、大量生産には向かないと云う問題があり、その用途はラピッドプロトタイピングに限定されていると云うのが現状である。さらに、レーザー露光装置は、非常に高価であり、よってこれらの積層造形方法を採る製造装置は非常に高額のものとなってしまうと云う問題もあった。
【０００３】
これらの問題を払拭し、低コスト、高生産性を実現し得る積層造形方法として、必要なレイヤーを前もって一括して作製しておき、それを順次、転写積層して目的の３次元構造体を形成するＦＯＲＭＵＬＡ法が開発された（特許文献１、非特許文献１）。
【特許文献１】
特許第３１６１３６２号公報
【非特許文献１】
山田ら，精密工学会誌，Ｖｏｌ．６６，ｐｐ．１２６５−１２６９（２０００）
【０００４】
ＦＯＲＭＵＬＡ法では、必要なレイヤー全てを前もって一括して作製することから、上述の従来法では不可欠な各レイヤーの積層時毎のレーザー露光は不要であり、著しい生産性の向上が達成される。また、各レイヤーの形状に応じたパターニングを一括して行えるため、従来法では不可欠なレーザーによる直接描画法を用いる必然性はなく、マスクを用いての一括露光方式や機械加工方式等の簡便な方法を採用することが可能となり、さらなる生産性の向上、装置の低額化等の好ましい効果が齎される。
【０００５】
ＦＯＲＭＵＬＡ法では、ドナー基板上に配置された薄膜に所定のパターンを施すことで、所望の３次元構造体を構成する全ての断層形状に対応するレイヤーを用意し、これをアクセプター基板上に順次、転写積層することによって３次元構造体を作製する。各レイヤーを転写積層する際の各レイヤー間の接合は、常温接合あるいは適当な接着性材料を用いて行われる。ここで、上手くドナー基板上からレイヤーを剥離し、転写を行うためには、ドナー基板とレイヤーとの接着性が、積層するレイヤー同士の接着性以下であることが必須であり、この観点からはドナー基板とレイヤーとの接着性は、小さければ小さい程、好ましい。しかしながら、ドナー基板とレイヤーとの接着性を極端に低く設定すると、パターニング時等にドナー基板からレイヤーが剥がれてしまう等のハンドリング上の問題が生ずる。現行のＦＯＲＭＵＬＡ法においては、ドナー基板とレイヤーとの間に適当な接着性を有するポリイミド等からなる中間層を設け、ドナー基板とレイヤーとの接着性を適当な値に制御することによって、この問題の回避を図っているが、必ずしも適当な中間層材料があるとは限らず、適用できるレイヤー材料種の制限、レイヤー間の接着方法／接着材料の制限、転写不良、ハンドリング時のレイヤーの位置ずれによる作製精度の低下、等の問題が依然として残されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、積層造形法における上述の実情に鑑みなされたものであって、適用材料種が豊富で、低コスト、高生産性および高精度を実現できる３次元構造体の製造方法を提供することを目的とする。また、本発明は、本製造方法において好適に用いることができる３次元構造体製造用部品を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者は、上述のＦＯＲＭＵＬＡ法の問題を解決すべく鋭意検討を行った結果、ドナー基板とレイヤーとの間に外部エネルギーの供給によって接着性が低下する特性を有する中間層を設けることによって、パターニング時等に必要とされる高い接着保持性と転写積層時に要求される高い剥離性を両立し得ることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、本発明は、ドナー基板上に所定のパターンを有する複数のレイヤーを形成する第１の工程と、アクセプター基板を用いて各レイヤーを順次ドナー基板上から剥離してアクセプター基板上に転写積層する第２の工程とを含む３次元構造体の製造方法であって、前記ドナー基板とレイヤーとの間に外部エネルギーによりレイヤー側の接着面の接着強度が低下する中間層を設け、前記レイヤーをドナー基板上から剥離する際に、前記中間層に接着強度低下を誘起する外部エネルギーを供給するものである。
【０００９】
ここで、各レイヤーを転写積層する際の各レイヤー間の接合は接着性樹脂によって行うことができる。また、前記外部エネルギーは熱または光とすることができる。
【００１０】
また、本発明は、上述の３次元構造体の製造方法において用いる３次元構造体製造用部品であって、基板と、前記基板上に配置された外部エネルギーにより基板と反対側の接着面の接着強度が低下する中間層と、前記中間層上に配置された所定のパターンを有する複数のレイヤーとを備えたものである。ここで、前記複数のレイヤーは、積層されたとき積み木（Ｗｏｏｄｐｉｌｅ）状の３次元構造体を形成するパターンをそれぞれ有することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の３次元構造体の製造方法を具現化するための製造システムの一例を示すブロック図である。この製造システムは、ドナー基板上に中間層を介して薄膜を保持させる成膜装置１と、該薄膜に所望のパターンを施し、目的の３次元構造体の断層構造に相応するレイヤーを準備するパターニング装置２と、該レイヤー上に接着性材料を供給する供給装置５と、該レイヤーをアクセプター基板上に積層接合する転写装置３とを有して構成されている。
【００１２】
成膜装置１は、Ｓｉウエハ、ガラス基板、セラミックス基板、プラスチック基板等からなるドナー基板の上に、中間層を介して、薄膜を形成するサブシステムである。薄膜を形成するに当たって、該薄膜が自立性を有する場合には、別途、薄膜を用意し、それを単に中間層の接着性によりドナー基板上に貼り付ける方式を採ることができる。また、ドナー基板上に中間層を貼付し、その上に、公知の成膜方法によって薄膜を作製してもよい。成膜方法としては、例えば、加熱蒸着法、電子ビーム蒸着法、イオン化蒸着法、スパッタリング法、微粒子ジェットプリンティング法、ＭＢＥ（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｂｅａｍ Ｅｐｉｔａｘｙ）法、レーザーアブレーション法、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、等の乾式成膜法、ならびにスピンコート法、インクジェット法、メッキ法、無電解メッキ法、電解析出法、電気泳動堆積法、ＣＢＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｂａｔｈ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ゾル−ゲル法、ＬＢ法、液相エピタキシー法、射出成形法、等の湿式成膜法が挙げられる。
【００１３】
薄膜を構成する材料としては、用途、目的に応じ適当な材料を選択する必要があるのは勿論のことであるが、製造原理的には特に制約はない。例えば、Ｗ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｌ、Ｔｉ、Ｎｉ、Ｚｒ、Ｃｕ、Ｆｅ、等の金属あるいはそれらの合金；アルミナ、シリカ、チタニア、ジルコニア、マグネシア、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム、フェライト、酸化亜鉛、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ＦＴＯ（Ｆｌｏｒｉｎｅ−ｄｏｐｅｄ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）、ゼオライト等のセラミックス；Ｓｉ、ＧａＡｓ、ＩｎＰ、ＣｄＳ、ＣｄＴｅ、ＧａＮ、ＣｕＩｎＳ２、ＣｕＩｎＳｅ２、ＺｎＳ、ＦｅＳ、ＦｅＳｉ２等の無機半導体；エンジニアリングプラスチック、導電性高分子等の有機材料；無機材料または有機材料を樹脂中に分散させた複合材料；等が挙げられる。
【００１４】
ドナー基板と薄膜の間に設ける中間層は本発明の特徴を為すものであり、その接着性によりドナー基板と薄膜を一体保持する役目を担う。さらに、該中間層として、外部エネルギーにより薄膜側の接着面の接着強度が低下する特性を有するものを用いることによって、後述の転写工程において各レイヤーをドナー基板上から剥離する際に望ましい剥離性が発揮されることになる。
【００１５】
外部エネルギーにより接着強度が低下する特性を有する材料としては、例えば、紫外光により硬化する成分を配合させた粘着剤が知られている。この材料においては、紫外光照射により硬化収縮が起こり、その応力で接着性が低下する。この種の材料を基体上に塗布してテープ状にしたものが、半導体デバイス製造時の表面保護、あるいは一時固定用に実用化されており（例えば、古河電工社製ＵＶ剥離テープ「ＵＣシリーズ」、バンドー化学社製ＵＶ剥離テープ「ウルトラテープ」、等）、本発明の中間層としても好適に利用できる。また、ある温度以上に加熱することによって接着性が不可逆に低下する特性を有する粘着テープが製品化されており（日東電工社製熱剥離テープ「リバアルファ」）、これも本発明の中間層に好適に利用できる。
【００１６】
パターニング装置２は、例えば、フォトリソグラフ法、リフトオフ法、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法、電子ビーム直接描画法、機械的加工法、等によって、薄膜を複数のレイヤーのセットに分割すると共に、各レイヤーに所望のパターンを施すものである。
【００１７】
尚、図１においては、成膜工程とパターニング工程を別々に行う例を示したが、成膜とパターニングを同時に行う方法、例えば、蒸着法やＣＶＤ法等においてメタルマスクを用いパターン状に薄膜を堆積させる方法等を用いてもよい。また、成膜後および／またはパターニング後の薄膜に、加熱処理、紫外線照射処理、オゾン処理、研磨処理、等の各種処理を施してもよい。
【００１８】
レイヤー間の接合を接着性材料にて行う場合には、接着材料供給装置５にて、レイヤーの表面に接着性材料の供給を行う。供給方法としては、スピンコート法、インクジェット法、浸漬塗布法、キャスト法等の湿式塗布法、あるいはラミネート法、ソリッドインクジェット法、射出成形法、蒸着法、等が挙げられる。この接着性材料の供給は、複数のレイヤーの全てに一度に行ってもよいが、転写工程毎に、転写するレイヤーのみに選択的に行ってもよい。また、転写工程毎にこの接着性材料の供給を行う場合には、ドナー基板側ではなく、アクセプター基板側に供給してもよい。接着性材料としては、接着性を有するものであれば、如何なるものでも構わないが、レイヤーが変形あるいは破壊されない温度ならびに圧力条件にて、可塑変形可能な有機樹脂を用いることが、特に好ましい。有機樹脂の具体例としては、ＪＳＲ製Ａｒｔｏｎ樹脂、アクリル樹脂、ポリエステル樹脂、ブチラール樹脂、ポリアミド樹脂、ポリカーボネート樹脂等の熱可塑性樹脂；ベンゾシクロブテン樹脂、フェノール樹脂、メラミン樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性または紫外線硬化樹脂；等が挙げられる。
【００１９】
図２は、転写装置３の一例を示す模式構成図である。転写装置３は、ドナー基板４００が載置される基板ホルダ３０１と、ドナー基板４００上に後述する中間層４０１を介して保持されたレイヤー４０２が転写されるアクセプター基板５００が載置されるステージ３０２と、ステージ３０２に取り付けられ、基板４００上のアライメントマーク４０３（図４）を検出する顕微鏡の如きマーク検出部３０６と、ステージ３０２をｘ軸モータ（図示省略）によってｘ軸方向（図２において左右方向）に移動させると共に、ｘ軸位置検出部（図示省略）によってステージ３０２のｘ軸上の位置を検出するｘ軸テーブル３１０と、ステージ３０２をｙ軸モータ（図示省略）によってｙ軸方向（図２において紙面に垂直な方向）に移動させると共に、ｙ軸位置検出部（図示省略）によってステージ３０２のｙ軸上の位置を検出するｙ軸テーブル３２０とが配設されている。アクセプター基板５００は、例えば、Ｓｉウエハ、ガラス基板、セラミックス基板、プラスチック基板、等からなる。また、転写装置３は、基板ホルダ３０１をｚ軸モータ（図示省略）によってｚ軸方向（図２において上下方向）に移動させると共に、ｚ軸位置検出部（図示省略）によって基板ホルダ３０１のｚ軸上の位置を検出するｚ軸テーブル３３０と、アライメント調整の際にθモータ（図示省略）によって基板ホルダ３０１をｚ軸回りに回転させると共に、θ位置検出部（図示省略）によって基板ホルダ３０１のθ方向の角度位置を検出するθテーブル３４０、とを具備している。ｘ軸位置検出部、ｙ軸位置検出部、ｚ軸位置検出部およびθ位置検出部は、例えば、レーザー干渉計やガラススケール等を用いることによって実現することができる。
【００２０】
次に、本製造システムの動作を図３〜図５を参照して説明する。
図３は、下記実施例にて作製した３次元構造体の部分的斜視図である。図４は、本発明の３次元構造体製造用部品を作製するパターニング工程の一例を示す模式図で、（ａ）および（ｂ）は断面図、（ｃ）は平面図である。図３の３次元構造体４は、図４の３次元構造体製造用部品により作製することができる。この３次元構造体製造用部品は、ストライプ状に２次元配列した角材群からなるレイヤーのセット４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄをＷｏｏｄｐｉｌｅ（積み木）状に基板の上に積み重ねたものである。本製造用部品はハンドリング性が高く、本発明の製造方法による３次元構造体の製造に当たって、歩留まりの向上、等の好ましい効果を齎す。以下、実施例にて詳細を説明する。
【００２１】
（実施例）
Ｓｉにて構成されるＷｏｏｄｐｉｌｅ状３次元構造体の作製は次のようにして行われる。
［１］ドナー基板上への薄膜の形成： 図４（ａ）に示すように、ドナー基板
４００としてガラス基板を準備し、ＰＥＴ基体の一方に通常の粘着剤層、他方に熱剥離性の粘着剤層を設けた両面タイプの接着テープ（日東電工製リバアルファ）を通常の粘着剤層側でガラス基板に貼り付け、中間層４０１とした。尚、用いたリバアルファの熱剥離温度は１５０℃であった。表面に中間層４０１を貼付したドナー基板の上に、３次元構造体を形成する材料薄膜として、３００μｍ厚のＳｉウエハを貼り付けた。
【００２２】
［２］薄膜のパターニング： 次に、パターニング装置２を用いて、通常のフォトリソグラフ法により、図４（ｂ）および（ｃ）に示すように、３次元構造体４の断層形状に対応するレイヤー４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄを形成した。すなわち、ドナー基板４００上に中間層４０１を介して貼付したＳｉウエハ４０２の表面にポジ型のフォトレジストをスピンコート法にて塗布し、フォトマスクを介してフォトレジストを露光し、露光した部分のフォトレジストを溶剤によって取り去った後、薄膜４０２が露出した部分を湿式エッチング法にてエッチングし、さらにその後、未露光のフォトレジストを剥離液にて除去して、それぞれパターンが施された４セットのレイヤーを得た。尚、図４（ｃ）に示すように、このパターニング工程で、次工程においてドナー基板４００の位置決めのために使用する複数のアライメントマーク４０３も形成しておいた。
【００２３】
［３］レイヤー上への有機樹脂の供給： 各レイヤー表面の、積層時のレイヤー間での接点に対応する個所に、熱圧着性有機樹脂であるＪＳＲ製Ａｒｔｏｎ樹脂のトルエン溶液をピエゾ方式のインクジェット塗布装置によって供給し、１１０℃にて３０分間、乾燥した。尚、用いたＡｒｔｏｎ樹脂のガラス転移温度は１６５℃であった。
［４］転写積層工程： 図５（ａ）〜（ｆ）は、転写積層工程を模式的に示したものである。
【００２４】
図５（ａ）に示すように、パターニングされ且つ表面にＡｒｔｏｎ樹脂６００が供給されたレイヤーを有するドナー基板４００を転写装置３の基板ホルダ３０１上に、アクセプター基板５００としてのＳｉウエハを転写装置３のステージ３０２上に、それぞれ載置した。
【００２５】
アクセプター基板５００とドナー基板４００とのアライメント調整をアライメントマーク４０３（図４）に従って行った。すなわち、ｘ軸モータおよびｙ軸モータを制御してステージ３０２をｘ方向およびｙ方向に移動してマーク検出部３０６（図２）からマーク検出信号を取り込み、このマーク検出信号に基づいてアライメントマーク４０３とアクセプター基板５００との相対的位置関係を測定し、この相対的位置関係の測定結果に基づいてアライメントマーク４０３およびアクセプター基板５００が原点位置に達するようにｘ軸モータ、ｙ軸モータおよびθモータを制御した。これにより、レイヤーが形成されたドナー基板４００を載置する位置にずれがあっても、アクセプター基板５００とアライメントマーク４０３の相対的な位置出しが正確に行われる。
【００２６】
そして、図５（ｂ）及び（ｃ）に示すように、ｚ軸位置検出部の検出信号に基づいてｚ軸モータを制御して基板ホルダ３０１を上昇させ、アクセプター基板５００の表面に、レイヤー４ａの表面を接触させ、ステージ３０２に取り付けた抵抗加熱器７００によってアクセプター基板を１７５℃に加熱しながら、所定の荷重（本実施例では１ｋｇｆ／ｃｍ２）にて所定の時間（本実施例では５分間）、押し付けた後、加熱を止め、常温まで冷却するのを待って、ステージ３０２の４辺に取り付けたカッター５０１を押し下げ、ｚ軸位置検出部の検出信号に基づいてｚ軸モータを駆動して、基板ホルダ３０１を元の位置まで下降させた。この過程により、Ａｒｔｏｎ樹脂６００によってレイヤー４ａがアクセプター基板に熱圧着され強固に接合され、且つ中間層４０１の熱剥離性によって、ドナー基板とレイヤー４ａとの接着性が低下していることから、レイヤー４ａのドナー基板４００からアクセプター基板５００への転写が、スムーズに実現される。
【００２７】
続いて、図５（ｄ）に示すように、上記と同様にｘ軸モータおよびｙ軸モータを制御してステージ３０２をｘ方向およびｙ方向に移動してステージ３０２をレイヤー４ｂ上に位置決めする。そして、図５（ｅ）に示すように、ｚ軸位置検出部の検出信号に基づいてｚ軸モータを制御して基板ホルダ３０１を上昇させ、前述と同様な処理を行う。次に、上記と同様にｚ軸位置検出部の検出信号に基づいてｚ軸モータを駆動して、図５（ｆ）に示すように、基板ホルダ３０１を元の位置まで下降させた。
【００２８】
以降、同様にして各レイヤーを順次、転写積層することにより、目的とするＳｉから構成されるＷｏｏｄｐｉｌｅ状３次元構造体４（図３）を得た。尚、各ストライプの幅は３００μｍ、ストライプの周期は６００μｍとした。本実施例にて作製された３次元構造体は、ミリ波領域の電磁波に対するフォトニック結晶素子として応用することができる。
本実施例では、抵抗加熱器７００をアクセプター基板側のステージ３０２に取り付けているが、これをドナー基板側の基板ホルダ３０１に取り付けることもできる。この場合、抵抗加熱器は基板ホルダ３０１の少なくとも各レイヤーに対応する位置に配置される。これはアクセプター基板側のステージ３０２が小さく抵抗加熱器の取り付けが困難な場合に特に有効である。
【００２９】
また、本実施例では、抵抗加熱法によって加熱を行ったが、高周波誘導加熱法、赤外線照射加熱法、サーマルヘッド加熱法等の方法によって加熱を行ってもよい。
尚、中間層として紫外線剥離性のものを用いる場合には、紫外線照射装置を用いることができる。
上記の通り、本発明は、３次元構造体の簡便且つ高生産性を誇る新規な製造方法を提供するものであり、前述の従来技術の諸問題を解決し得るものである。
尚、本発明は、３次元構造体の製造を対象とするものであるが、勿論、１次元、２次元の構造体の製造にも適用することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によって齎される効果を以下に列挙する。
［イ］３次元構造体を構成する複数のレイヤーを含んだ製造部品を一括して形成するため、その後は転写積層の工程を繰り返すだけで３次元構造体を作製できることから、全行程に要する時間が短くて済む。
［ロ］一つの基板上に、複数の同一または異なる３次元構造体に対応するレイヤーセットを形成しておけば、一連の工程で、複数の同一または異なる３次元構造体を一気に作製することができ、非常に高い生産性が実現される。
［ハ］適用可能な構成材料の制約が少ない。
［ニ］中間層によって薄膜がドナー基板に強固に固定されているため、パターニング時等に薄膜が剥げ落ちたり、位置ずれを起こしたりすると云った問題が解消され、該製造部品の高いハンドリング性が確保される。
［ホ］転写積層時には、熱、紫外線等の外部エネルギーによって、中間層とレイヤーとの接着性が低減されているため、転写不良の発生が著しく低減される。また、レイヤー間の接着強度に求められる下限値が緩和されることから、接着剤の選択自由度が格段に向上する。
［ヘ］本製造方法によって製造される３次元構造体を鋳型として、プラスチック等を、射出成形法、エンボス成形法等によって、成形加工することにより、マイクロレンズアレイ、グレーティング等の微小光学部品等を大量に生産することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法に係る製造システムの一例を示すブロック図である。
【図２】本発明の製造方法に係る転写装置の一例を示す模式図である。
【図３】本発明の製造方法で製造される３次元構造体の一例を示す部分的斜視図である。
【図４】本発明の３次元構造体製造用部品を作製するパターニング工程の一例を示す模式図で、（ａ）および（ｂ）は断面図、（ｃ）は平面図である。
【図５】（ａ）〜（ｆ）は本発明の製造方法に係る転写工程の一例を示す模式図である。
【符号の説明】
１ 成膜装置
２ パターニング装置
３ 転写装置
４ ３次元構造体
４ａ〜４ｂ ３次元構造体を構成する各レイヤー
５ 接着材料供給装置
３０１ 基板ホルダ
３０２ ステージ
３１０ ｘ軸テーブル
３２０ ｙ軸テーブル
３３０ ｚ軸テーブル
３４０ θテーブル
４００ ドナー基板
４０１ 中間層
４０２ 薄膜
４０３ アライメントマーク
５００ アクセプター基板[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a three-dimensional structure suitably used in the fields of photonics, electromagnetic waves, micromachines, microreactors, and the like. Further, the present invention relates to a component for manufacturing a three-dimensional structure, which is a key for realizing the manufacturing method.
[0002]
[Prior art]
As one method of manufacturing a three-dimensional structure, a layered manufacturing method of sequentially stacking layers corresponding to a tomographic shape of a target three-dimensional structure to restore and form an original three-dimensional structure is known. The additive manufacturing method is rapidly spreading in recent years, particularly for rapid prototyping, as a method of manufacturing a three-dimensional structure having a complicated shape designed by a computer in a short delivery time. As a manufacturing method belonging to the additive manufacturing method, an optical modeling method, a powder sintering method, a sheet laminating method, and the like have already been put to practical use, but all of these methods are for sequentially manufacturing each layer, Each layer requires a special laser scanning exposure to cure the photocurable resin, sinter the particles, or cut the contours according to the tomographic shape for each layer production. However, it is not suitable for mass production, and its use is currently limited to rapid prototyping. Further, there is a problem that a laser exposure apparatus is very expensive, and thus a manufacturing apparatus employing these additive manufacturing methods becomes very expensive.
[0003]
As a method of additive manufacturing that can eliminate these problems and realize low cost and high productivity, necessary layers are manufactured in advance in a lump, and they are sequentially transferred and laminated to form the desired three-dimensional structure. A FORMULA method for forming has been developed (Patent Document 1, Non-Patent Document 1).
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3161362 [Non-Patent Document 1]
Yamada et al., Journal of the Japan Society for Precision Engineering, Vol. 66, pp. 1265-1269 (2000)
[0004]
In the FORMULA method, since all the necessary layers are prepared in advance in a lump, laser exposure for laminating each layer, which is indispensable in the above-described conventional method, is not necessary, and remarkable improvement in productivity is achieved. In addition, since patterning according to the shape of each layer can be performed collectively, there is no necessity to use a direct drawing method using a laser, which is indispensable in the conventional method, and simple methods such as a batch exposure method using a mask and a machining method are used. Can be adopted, and favorable effects such as a further improvement in productivity and a reduction in the cost of the apparatus can be brought about.
[0005]
In the FORMULA method, a layer corresponding to all tomographic shapes constituting a desired three-dimensional structure is prepared by applying a predetermined pattern to a thin film disposed on a donor substrate, and the layers are sequentially formed on an acceptor substrate. A three-dimensional structure is produced by transfer and lamination. The bonding between the layers when the layers are transferred and laminated is performed at room temperature or using an appropriate adhesive material. Here, in order to successfully peel the layer from the donor substrate and perform transfer, it is essential that the adhesiveness between the donor substrate and the layer be equal to or less than the adhesiveness between the layers to be laminated, and from this viewpoint, The smaller the adhesion between the donor substrate and the layer, the better. However, if the adhesiveness between the donor substrate and the layer is set extremely low, handling problems such as peeling of the layer from the donor substrate during patterning or the like occur. In the current FORMULA method, an intermediate layer made of polyimide or the like having an appropriate adhesive property is provided between a donor substrate and a layer, and the adhesive property between the donor substrate and the layer is controlled to an appropriate value. However, there is not always an appropriate intermediate layer material, and there are no restrictions on the type of layer material that can be applied, the method of bonding / bonding material between layers, transfer failure, and misalignment of layers during handling. However, problems such as a decrease in manufacturing accuracy due to the above-mentioned problems still remain.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention has been made in view of the above-described circumstances in the additive manufacturing method, and provides a method of manufacturing a three-dimensional structure capable of realizing low cost, high productivity, and high accuracy with a wide variety of applied materials. With the goal. Another object of the present invention is to provide a component for manufacturing a three-dimensional structure that can be suitably used in the present manufacturing method.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
The present inventor has conducted intensive studies to solve the problem of the above-mentioned FORMULA method, and as a result, by providing an intermediate layer having a property that adhesiveness is reduced by supply of external energy between a donor substrate and a layer, The present inventors have found that it is possible to achieve both the high adhesion retention required at the time of patterning and the high releasability required at the time of transfer lamination, and completed the present invention.
[0008]
That is, in the present invention, a first step of forming a plurality of layers having a predetermined pattern on a donor substrate, and using an acceptor substrate, each layer is sequentially peeled off from the donor substrate and transferred and laminated on the acceptor substrate. A method of manufacturing a three-dimensional structure, the method comprising: providing an intermediate layer between the donor substrate and the layer, the external layer having a lower bonding strength on a bonding surface on a layer side due to external energy; When peeling off from the substrate, the intermediate layer is supplied with external energy which induces a decrease in adhesive strength.
[0009]
Here, the bonding between the respective layers when the respective layers are transferred and laminated can be performed with an adhesive resin. The external energy may be heat or light.
[0010]
According to the present invention, there is provided a component for manufacturing a three-dimensional structure used in the above-described method for manufacturing a three-dimensional structure, wherein the bonding between the substrate and the bonding surface opposite to the substrate is performed by external energy disposed on the substrate. It has an intermediate layer having a reduced strength, and a plurality of layers having a predetermined pattern arranged on the intermediate layer. Here, each of the plurality of layers may have a pattern that forms a three-dimensional structure in a woodpile shape when stacked.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a manufacturing system for embodying the method for manufacturing a three-dimensional structure of the present invention. This manufacturing system includes a film forming apparatus 1 for holding a thin film on a donor substrate via an intermediate layer, and a patterning for applying a desired pattern to the thin film and preparing a layer corresponding to a tomographic structure of a target three-dimensional structure. The apparatus includes a device 2, a supply device 5 for supplying an adhesive material on the layer, and a transfer device 3 for stacking and bonding the layer on an acceptor substrate.
[0012]
The film forming apparatus 1 is a subsystem that forms a thin film on a donor substrate formed of a Si wafer, a glass substrate, a ceramic substrate, a plastic substrate, or the like via an intermediate layer. In forming the thin film, if the thin film has autonomy, a method of separately preparing a thin film and simply attaching it to the donor substrate by the adhesive property of the intermediate layer can be adopted. Alternatively, an intermediate layer may be attached to a donor substrate, and a thin film may be formed thereon by a known film forming method. As a film forming method, for example, a heating evaporation method, an electron beam evaporation method, an ionization evaporation method, a sputtering method, a fine particle jet printing method, an MBE (Molecular Beam Epitaxy) method, a laser ablation method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, and the like. Dry film forming method, spin coating method, inkjet method, plating method, electroless plating method, electrolytic deposition method, electrophoretic deposition method, CBD (Chemical Bath Deposition) method, sol-gel method, LB method, liquid phase Wet film formation methods such as an epitaxy method and an injection molding method are exemplified.
[0013]
As a material for forming the thin film, it is needless to say that an appropriate material needs to be selected according to the use and purpose, but there is no particular limitation on the manufacturing principle. For example, metals such as W, Pt, Au, Al, Ti, Ni, Zr, Cu, Fe and alloys thereof; alumina, silica, titania, zirconia, magnesia, barium titanate, lithium niobate, ferrite, zinc oxide , ITO (Indium Tin Oxide), FTO (Florine-doped Tin Oxide), ceramics such as zeolite; inorganic semiconductors such as Si, GaAs, InP, CdS, CdTe, GaN, CuInS 2 , CuInSe 2 , ZnS, FeS, and FeSi 2 An organic material such as an engineering plastic or a conductive polymer; a composite material in which an inorganic material or an organic material is dispersed in a resin;
[0014]
The intermediate layer provided between the donor substrate and the thin film is a feature of the present invention, and plays a role of integrally holding the donor substrate and the thin film by its adhesiveness. Furthermore, by using a material having a property that the bonding strength of the bonding surface on the thin film side is reduced by external energy as the intermediate layer, a desirable peeling property is obtained when each layer is peeled off from the donor substrate in a transfer step described later. Will be demonstrated.
[0015]
As a material having a property that the adhesive strength is reduced by external energy, for example, a pressure-sensitive adhesive containing a component that is cured by ultraviolet light is known. In this material, curing shrinkage occurs due to irradiation with ultraviolet light, and the stress reduces adhesiveness. A tape formed by applying this kind of material on a substrate has been put to practical use for surface protection or temporary fixing during semiconductor device manufacturing (for example, UV peeling tape "UC series" manufactured by Furukawa Electric Co., Ltd.). And UV release tape “Ultra Tape” manufactured by Bando Kagaku Co., Ltd.) and the like, and can also be suitably used as the intermediate layer of the present invention. In addition, a pressure-sensitive adhesive tape having the property of irreversibly reducing the adhesiveness when heated to a certain temperature or higher has been commercialized (Nitto Denko Corporation's thermal release tape “Riba Alpha”), which is also used as the intermediate layer of the present invention. It can be suitably used.
[0016]
The patterning apparatus 2 divides a thin film into a set of a plurality of layers by, for example, a photolithography method, a lift-off method, a focused ion beam (FIB) method, an electron beam direct writing method, a mechanical processing method, and the like. In a desired pattern.
[0017]
Although FIG. 1 shows an example in which the film forming step and the patterning step are performed separately, a method of simultaneously performing film forming and patterning, for example, a thin film is formed in a pattern using a metal mask in a vapor deposition method, a CVD method, or the like. A deposition method or the like may be used. Further, the thin film after film formation and / or patterning may be subjected to various processes such as a heat treatment, an ultraviolet irradiation treatment, an ozone treatment, and a polishing treatment.
[0018]
When bonding between layers is performed using an adhesive material, the adhesive material supply device 5 supplies the adhesive material to the surface of the layer. Examples of the supply method include a wet coating method such as a spin coating method, an inkjet method, a dip coating method, and a casting method, or a laminating method, a solid inkjet method, an injection molding method, and a vapor deposition method. The supply of the adhesive material may be performed to all of the plurality of layers at once, or may be selectively performed only to the layer to be transferred in each transfer process. When the adhesive material is supplied for each transfer step, the adhesive material may be supplied not to the donor substrate but to the acceptor substrate. As the adhesive material, any material may be used as long as it has adhesiveness. However, it is particularly preferable to use an organic resin that can be plastically deformed under the temperature and pressure conditions under which the layer is not deformed or broken. Specific examples of the organic resin include thermoplastic resins such as Arton resin, acrylic resin, polyester resin, butyral resin, polyamide resin, and polycarbonate resin manufactured by JSR; thermosetting such as benzocyclobutene resin, phenol resin, melamine resin, and epoxy resin. Or a UV-curable resin.
[0019]
FIG. 2 is a schematic configuration diagram illustrating an example of the transfer device 3. The transfer apparatus 3 includes a substrate holder 301 on which a donor substrate 400 is mounted, and a stage 302 on which an acceptor substrate 500 on which a layer 402 held on the donor substrate 400 via an intermediate layer 401 described later is transferred. A mark detection unit 306 such as a microscope attached to the stage 302 and detecting the alignment mark 403 (FIG. 4) on the substrate 400, and the stage 302 are moved in the x-axis direction (right and left in FIG. 2) by an x-axis motor (not shown). Direction) and an x-axis table 310 for detecting the position of the stage 302 on the x-axis by an x-axis position detector (not shown), and the stage 302 is moved in the y-axis direction (see FIG. 2 in a direction perpendicular to the plane of the drawing), and the y-axis position detector (not shown) moves the stage 302 And y-axis table 320 for detecting the position on the axis are provided. The acceptor substrate 500 includes, for example, a Si wafer, a glass substrate, a ceramic substrate, a plastic substrate, and the like. In addition, the transfer device 3 moves the substrate holder 301 in the z-axis direction (vertical direction in FIG. 2) by a z-axis motor (not shown), and the z-axis of the substrate holder 301 by a z-axis position detection unit (not shown). The z-axis table 330 for detecting the upper position, the substrate holder 301 is rotated around the z-axis by a θ motor (not shown) at the time of alignment adjustment, and the θ of the substrate holder 301 is Θ table 340 for detecting the angular position of the direction. The x-axis position detection unit, the y-axis position detection unit, the z-axis position detection unit, and the θ position detection unit can be realized by using, for example, a laser interferometer or a glass scale.
[0020]
Next, the operation of the present manufacturing system will be described with reference to FIGS.
FIG. 3 is a partial perspective view of a three-dimensional structure manufactured in the following example. FIGS. 4A and 4B are schematic views showing an example of a patterning step for producing a component for producing a three-dimensional structure of the present invention, wherein FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views and FIG. 4C is a plan view. The three-dimensional structure 4 in FIG. 3 can be manufactured using the three-dimensional structure manufacturing parts in FIG. This component for manufacturing a three-dimensional structure is obtained by stacking a set of layers 4a, 4b, 4c, and 4d each composed of a group of squares two-dimensionally arranged in a stripe shape on a substrate in a Woodpile (building block) shape. The parts for manufacture of the present invention have high handleability, and bring about favorable effects such as improvement of the yield in manufacturing a three-dimensional structure by the manufacturing method of the present invention. Hereinafter, details will be described with reference to examples.
[0021]
(Example)
A Woodpile-like three-dimensional structure made of Si is manufactured as follows.
[1] Formation of Thin Film on Donor Substrate: As shown in FIG. 4 (a), a glass substrate is prepared as a donor substrate 400, and a normal pressure-sensitive adhesive layer is applied to one of the PET substrates and a heat-peelable adhesive is applied to the other. A double-sided adhesive tape (Nitto Denko Riba Alpha) provided with an agent layer was attached to the glass substrate on the side of the ordinary adhesive layer to form an intermediate layer 401. In addition, the thermal peeling temperature of the used River Alpha was 150 ° C. A 300 μm-thick Si wafer was attached as a material thin film for forming a three-dimensional structure on the donor substrate having the intermediate layer 401 attached on the surface.
[0022]
[2] Patterning of Thin Film: Next, using a patterning device 2, a layer corresponding to the tomographic shape of the three-dimensional structure 4 as shown in FIGS. 4B and 4C by a normal photolithography method. 4a, 4b, 4c and 4d were formed. That is, a positive photoresist is applied to the surface of the Si wafer 402 attached to the donor substrate 400 via the intermediate layer 401 by a spin coating method, the photoresist is exposed through a photomask, and the exposed portion is exposed. After removing the photoresist with a solvent, the exposed portion of the thin film 402 is etched by a wet etching method, and thereafter, the unexposed photoresist is removed by a stripping solution, and each of the four sets of patterned patterns is removed. Got layers. As shown in FIG. 4C, in this patterning step, a plurality of alignment marks 403 used for positioning the donor substrate 400 in the next step were also formed.
[0023]
[3] Supply of organic resin onto the layer: A piezo-type inkjet printing of a toluene solution of JSR Arton resin, which is a thermocompression-bondable organic resin, is applied to the surface of each layer corresponding to the point of contact between the layers during lamination. It was supplied by a coating device and dried at 110 ° C. for 30 minutes. The glass transition temperature of the used Arton resin was 165 ° C.
[4] Transfer Lamination Step: FIGS. 5A to 5F schematically show the transfer lamination step.
[0024]
As shown in FIG. 5A, a donor substrate 400 having a patterned and surface-supplied Arton resin 600 on a surface is placed on a substrate holder 301 of the transfer device 3 and a Si wafer as an acceptor substrate 500 is transferred to the transfer device 3. Were placed on the stage 302.
[0025]
The alignment between the acceptor substrate 500 and the donor substrate 400 was adjusted according to the alignment mark 403 (FIG. 4). That is, the stage 302 is moved in the x direction and the y direction by controlling the x-axis motor and the y-axis motor, and a mark detection signal is fetched from the mark detection unit 306 (FIG. 2). And the acceptor substrate 500 are measured, and based on the measurement result of the relative positional relationship, the x-axis motor, the y-axis motor, and the θ motor are moved so that the alignment mark 403 and the acceptor substrate 500 reach the origin positions. Controlled. Accordingly, even if the position where the donor substrate 400 on which the layer is formed is displaced, the relative positioning between the acceptor substrate 500 and the alignment mark 403 is accurately performed.
[0026]
Then, as shown in FIGS. 5B and 5C, the z-axis motor is controlled based on the detection signal of the z-axis position detection unit to raise the substrate holder 301, and the layer 4a is formed on the surface of the acceptor substrate 500. Are brought into contact with each other, and the acceptor substrate is heated to 175 ° C. by the resistance heater 700 attached to the stage 302, and a predetermined load (1 kgf / cm 2 in this embodiment) is applied for a predetermined time (5 in this embodiment). After pressing, the heating is stopped, and after cooling to room temperature, the cutter 501 attached to the four sides of the stage 302 is pushed down, and the z-axis motor is driven based on the detection signal of the z-axis position detection unit. Then, the substrate holder 301 was lowered to the original position. In this process, the layer 4a is thermocompression-bonded to the acceptor substrate by the Arton resin 600, and is firmly bonded. Further, the adhesiveness between the donor substrate and the layer 4a is reduced due to the thermal releasability of the intermediate layer 401. The transfer from the donor substrate 400 to the acceptor substrate 500 of 4a is smoothly realized.
[0027]
Subsequently, as shown in FIG. 5D, the stage 302 is moved in the x and y directions by controlling the x-axis motor and the y-axis motor in the same manner as described above, and the stage 302 is positioned on the layer 4b. Then, as shown in FIG. 5E, the z-axis motor is controlled based on the detection signal of the z-axis position detection unit to raise the substrate holder 301, and the same processing as described above is performed. Next, the z-axis motor was driven based on the detection signal of the z-axis position detector in the same manner as described above, and the substrate holder 301 was lowered to the original position as shown in FIG.
[0028]
Thereafter, each layer was sequentially transferred and laminated in the same manner to obtain a Woodpile-like three-dimensional structure 4 (FIG. 3) composed of the target Si. The width of each stripe was 300 μm, and the period of the stripe was 600 μm. The three-dimensional structure manufactured in this embodiment can be applied as a photonic crystal element for an electromagnetic wave in a millimeter wave region.
In this embodiment, the resistance heater 700 is mounted on the stage 302 on the acceptor substrate side, but it can be mounted on the substrate holder 301 on the donor substrate side. In this case, the resistance heater is arranged at a position corresponding to at least each layer of the substrate holder 301. This is particularly effective when the stage 302 on the acceptor substrate side is small and it is difficult to mount a resistance heater.
[0029]
In this embodiment, the heating is performed by the resistance heating method. However, the heating may be performed by a method such as a high-frequency induction heating method, an infrared irradiation heating method, or a thermal head heating method.
In the case where an ultraviolet-releasing material is used as the intermediate layer, an ultraviolet irradiation device can be used.
As described above, the present invention is to provide a novel method for producing a three-dimensional structure easily and with high productivity, and can solve the above-mentioned problems of the prior art.
Although the present invention is directed to the production of a three-dimensional structure, the present invention can, of course, be applied to the production of a one-dimensional or two-dimensional structure.
[0030]
【The invention's effect】
The effects provided by the present invention are listed below.
[A] Since a manufacturing part including a plurality of layers constituting the three-dimensional structure is formed at once, the three-dimensional structure can be manufactured only by repeating the transfer lamination process. Is short.
[B] If a layer set corresponding to a plurality of the same or different three-dimensional structures is formed on one substrate, a plurality of the same or different three-dimensional structures can be manufactured at once in a series of steps. And very high productivity is achieved.
[C] There are few restrictions on applicable constituent materials.
[D] Since the thin film is firmly fixed to the donor substrate by the intermediate layer, problems such as peeling off or misalignment of the thin film during patterning or the like are solved, and the high handling property of the manufactured part is improved. Secured.
[E] At the time of transfer lamination, the adhesiveness between the intermediate layer and the layer is reduced by external energy such as heat and ultraviolet rays, so that the occurrence of transfer failure is significantly reduced. Further, since the lower limit required for the adhesive strength between the layers is relaxed, the degree of freedom in selecting the adhesive is remarkably improved.
[F] Using a three-dimensional structure manufactured by the present manufacturing method as a mold, a plastic or the like is molded by an injection molding method, an embossing molding method, or the like, thereby forming a micro optical element such as a microlens array or a grating. It can be produced in large quantities.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram showing an example of a manufacturing system according to a manufacturing method of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram illustrating an example of a transfer device according to a manufacturing method of the present invention.
FIG. 3 is a partial perspective view showing an example of a three-dimensional structure manufactured by the manufacturing method of the present invention.
FIGS. 4A and 4B are schematic views showing an example of a patterning step for producing a component for producing a three-dimensional structure of the present invention, wherein FIGS. 4A and 4B are cross-sectional views, and FIG.
FIGS. 5A to 5F are schematic diagrams showing an example of a transfer step according to the manufacturing method of the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Film-forming apparatus 2 Patterning apparatus 3 Transfer apparatus 4 Three-dimensional structure 4a-4b Each layer which comprises a three-dimensional structure 5 Adhesive material supply apparatus 301 Substrate holder 302 Stage 310 X-axis table 320 Y-axis table 330 Z-axis table 340 θ table 400 donor substrate 401 intermediate layer 402 thin film 403 alignment mark 500 acceptor substrate
