JP2004223637A - 積層構造体の製造方法および積層構造体 - Google Patents
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Abstract
【課題】積層方向の高さが数百μｍ以上の高い積層構造体であっても短時間で製造することができる積層構造体の製造方法および積層構造体を提供する。
【解決手段】構造体の断面パターンに対応する複数の断面形状部材１１−１〜１１−３が、枠状部材１２に連結部材１３で一体に連結されたパターン部材１を、板状の金属部材をパターンニング加工して形成する。このパターン部材１を、支持台３に粘着シート２を介して固定する。そして、パターン部材１における各断面形状部材１１−１〜１１−３を、ターゲット基板４に順次転写しながら積層し、構造体５を製造する。
【選択図】 図１
【解決手段】構造体の断面パターンに対応する複数の断面形状部材１１−１〜１１−３が、枠状部材１２に連結部材１３で一体に連結されたパターン部材１を、板状の金属部材をパターンニング加工して形成する。このパターン部材１を、支持台３に粘着シート２を介して固定する。そして、パターン部材１における各断面形状部材１１−１〜１１−３を、ターゲット基板４に順次転写しながら積層し、構造体５を製造する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層造形方法によって製造される微小ギアや光学部品、あるいは流体の流路部品等の積層構造体の製造方法および積層構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、部品製造において、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短期間で形成する方法として積層造形方法が急速に普及している。この方法で製造された３次元物体は、各種装置の部品のモデル（プロトタイプ）として、部品の動作や形状の良否を調べるために利用されている。この積層造形方法は、サイズが数ｃｍ以上の比較的大きな部品に適用されることが多かったが、近年においては、精密に加工して形成される微小構造体、例えば、微小ギアや微小光学部品にもこの方法が適用されている。
【０００３】
このような積層造形方法を適用した従来の積層構造体の製造方法として、例えば、特開２０００−２３８０００号公報に示されるものがある（特許文献１）。
【０００４】
図１２（ａ）〜（ｆ）は、その特許文献１に示された積層構造体の製造方法を示す。まず、図１２（ａ）に示すように、基板としてＳｉ（シリコン）ウェハ１０１を準備し、この表面に熱酸化膜１０６を０．１μｍ成長させ、その上にスパッタリング法によりＡｌ（アルミニウム）薄膜１０２を０．５μｍの厚さで着膜する。
【０００５】
次に、図１２（ｂ）に示すように、Ａｌ薄膜１０２の上にフォトレジスト１０７を塗布した後、通常のフォトリソグラフィ法によりＡｌ薄膜１０２をエッチングし、所望の微小構造体の第１の断面形状を有する薄膜（第１のＡｌ薄膜）１０３を形成する。第１のＡｌ薄膜１０３を形成した後、フォトレジスト１０７を剥離液にて除去する。このようにして形成した第１のＡｌ薄膜１０３は、解像度１μｍ以下、精度０．１μｍ以下の微細かつ精密なものとなっている。
【０００６】
次に、図１２（ｃ）に示すように、第１のＡｌ薄膜１０３が形成されたＳｉウェハ１０１を真空槽１０９内に導入し、このＳｉウェハ１０１を真空槽１０９内の上方に配置されたステージ１０４と対向させ、真空槽１０９内を約１０−６Ｐａ程度まで排気する。そして、ステージ１０４の表面及び第１のＡｌ薄膜１０３の表面にＡｒガス１０８を源とするＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ）処理を施す。これはＡｒガス１０８を、１ＫＶ程度の電圧で加速して第１のＡｌ薄膜１０３及びステージ１０４の表面１０３ａ，１０４ａに照射し、これらの表面１０３ａ，１０４ａの酸化膜、不純物などを除去し清浄な表面１０３ａ，１０４ａを形成する工程である。
【０００７】
次に、図１２（ｄ）に示すように、ステージ１０４とＳｉウェハ１０１を接近させ清浄なステージ１０４の表面１０４ａと清浄な第１のＡｌ薄膜１０３の表面１０３ａとを接触させ、さらに、荷重として５０ｋｇｆ／ｃｍ２をかけて５分間押し付け、ステージ１０４と第１のＡｌ薄膜１０３との表面１０３ａ，１０４ａを接合する。
【０００８】
そして、図１２（ｅ）に示すように、ステージ１０４とＳｉウェハ１０１を元のように引き離すと、第１のＡｌ薄膜１０３とステージ１０４との接合力の方が、第１のＡｌ薄膜１０３とＳｉウェハ１０１上の熱酸化膜１０６との密着力よりも大きいため、第１のＡｌ薄膜１０３はＳｉウェハ１０１からステージ１０４側に転写される。
【０００９】
同様にして、第２のＡｌ薄膜を形成してＦＡＢ処理を施し、接合転写することにより、第１のＡｌ薄膜１０３の上に第２のＡｌ薄膜を積層する。最初の工程との違いは、ＦＡＢ処理の工程において、２回目のときはステージ１０４の表面１０４ａにＦＡＢ処理をするのではなく、第１のＡｌ薄膜１０３の裏面（それまでＳｉウェハ１０１に接触していた面）１０３ｂに照射し、そこを清浄化することである。また、第１のＡｌ薄膜１０３と第２のＡｌ薄膜の相対的な位置出しを行うために、ステージ１０４側又はＳｉウェハ１０１側に、ｘ−ｙ（水平）平面内のアライメント機構（図示せず）が設けられている。
【００１０】
以上の各工程を繰り返して、図１２（ｆ）に示すように、順にＡｌ薄膜を積層することにより、微小構造体１０５を製造することができる。この様な方法により製造した微小構造体１０５はＡｌ製であるが、他の材料で製造するには、基板上に形成する薄膜を他の金属（銅、インジウムなど）や、セラミックスなどの絶縁体（アルミナ、炭化けい素）にすれば良い。
【００１１】
この製造方法によれば、膜厚均一性に優れたスパッタリング法を用いてＡｌ薄膜を形成しているので、積層方向の高解像度化が可能となる。
【００１２】
その他に、従来の積層構造体の製造方法として、例えば、特開平１１−４８３４２号公報（特許文献２）およびＵＳ６２３０４０８Ｂ１公報（特許文献３）に示されるものがある。
【００１３】
特許文献２に示された積層構造体の製造方法は、第１層のマイクロパーツを膜Ａを介して基板Ａ上に形成し、第２層のマイクロパーツを膜Ｂを介して基板Ｂ上に形成し、第１層と第２層のマイクロパーツが対向するように基板Ａ、Ｂを配置し、第１層と第２層のマイクロパーツを突き合わせ接合した後、膜Ｂを溶剤により除去して第２層のマイクロパーツを基板Ｂから分離する。これを順次繰り返して複数の層からなるマイクロマシンを製造するものである。
【００１４】
特許文献３に示された積層構造体の製造方法は、基板上に所定のパターンを有する複数の電鋳層を形成し、複数の電鋳層をピン結合して複数層からなる熱交換器を製造するものである。
【００１５】
【特許文献１】
特開２０００−２３８０００号公報
【特許文献２】
特開平１１−４８３４２号公報
【特許文献３】
ＵＳ６２３０４０８Ｂ１公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の積層構造体の製造方法においては、厚さ０．５μｍと極薄の薄膜を積層するため、積層方向の寸法（高さ寸法）が数百μｍ乃至数ｍｍの構造体を製造しようとする場合、積層数が多くなり、製造に要する時間が長くなるという問題がある。
【００１７】
この問題を回避する方法として、薄膜の厚さを数μｍ〜十数μｍに増やす方法が考えられる。しかしながら、この場合、真空蒸着法などの薄膜堆積法を使う限り、１層の膜厚はせいぜい十数μｍであり、それ以上厚い膜の形成は、膜のストレスに起因する膜はがれの問題や長い成膜時間を考慮すると、実現が困難であった。
【００１８】
従って、本発明の目的は、積層方向の高さが数百μｍ以上の高い積層構造体であっても短時間で製造することができる積層構造体の製造方法および積層構造体を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、構造体の断面パターンに対応する複数の断面形状部材が連結部材によって連結されたパターン部材をパターニング加工によって形成する第１の工程と、前記パターン部材を支持台上に固定する第２の工程と、前記パターン部材における前記複数の断面形状部材を、ターゲット基板に順次転写して積層する第３の工程とを備え、前記第３の工程における前記複数の断面形状部材の転写は、前記連結部材が破断して行われることを特徴とする積層構造体の製造方法を提供する。
この構成によれば、パターン部材の厚みを厚くすることにより、厚い断面形状部材を用いることができ、積層枚数が減る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る積層構造体の製造工程を示す。図１（ａ）の平面図、および図１（ａ）のＹ１−Ｙ１断面図の図１（ｂ）に示すように、微小構造体の断面パターンに対応した複数の断面形状部材１１−１，１１−２，１１−３を有するパターン部材１を準備する。このパターン部材１は、ステンレス、Ｎｉ（ニッケル）等の金属からなり、エッチング法等の公知のメタルマスク製造技術により形成される。
【００２１】
このパターン部材１は、複数の断面形状部材１１−１〜１１−３と、これらを所定のピッチで連結部材１３により保持する枠状部材１２とからなる。これらの全ての部材を含むパターン部材１は、同時に一括して製造される。
【００２２】
次に、このパターン部材１を、粘着シート２を介して支持台３に固定する。粘着シート２は、その粘着面でパターン部材１を固定し、その裏面は静電チャックを有する支持台３に固定される。
【００２３】
次に、図１（ｃ）に示すように、支持台３上に粘着シート２を介して固定されたパターン部材１を、図示しない真空チャンバーに導入し、上方に配置されたターゲット基板４と向かい合せにして、従来技術と同様の方法にて、まず、第１の断面形状部材１１−１をターゲット基板４に接合転写する。このとき、ターゲット基板４と第１の断面形状部材１１−１との接合力は数十ＭＰａ以上であるのに対し、第１の断面形状部材１１−１と粘着シート２との接着力は数ＭＰａ程度であるため、第１の断面形状部材１１−１はターゲット基板４に転写する。この際、連結部材１３は十分細く、この連結部材１３と比較して枠状部材１２は十分太いため、連結部材１３は破断される。
【００２４】
その後、第２、第３の断面形状部材１１−２，１１−３を繰り返し転写することにより、図１１（ｄ）に示すように、ターゲット基板４に断面形状部材１１−１〜１１−３からなる積層構造体５が完成する。なお、連結部材１３の一部が積層構造体５に残る場合があるが、積層構造体５の機能に支障のない場所に位置付けることにより、特に問題とはならない。
【００２５】
本実施の形態の積層構造体の製造方法によれば、積層構造体５の各断面形状部材１１−１〜１１−３の厚さｔは、数十μｍ乃至百数十μｍに選択可能なので、従来の厚さ０．５μｍ等の極薄の薄膜を積層する場合に比べ、積層枚数が減る。この結果、積層回数を大幅に減らすことができるので、積層方向の全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍの積層構造体を容易に短時間で製造することができる。また、パターン部材１は、所望の板厚を有するステンレス板などを母材としたパンチング（打ち抜き）加工、エッチング加工、レーザー加工や、電鋳などのメッキ加工など、公知の大量生産技術で製造可能であるため、構造体を低コストで供給することができる。
【実施例】
以下、このような効果を奏する積層構造体の製造方法によって、液体，気体等の流体の熱交換を行う熱交換器、および流体を混合するマイクロリアクタの実施例を説明する。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施例に係る熱交換器を示す。この熱交換器１５Ａは、第１から第５層の断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを下から順に積層したものである。第１層の断面形状部材１１０ａ、および第３層の断面形状部材１１０ｃは、Ａ層に属し、第２層の断面形状部材１１０ｂ、および第４層の断面形状部材１１０ｄは、Ｂ層に属し、最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅは、熱交換器１５Ａの蓋となるＣ層に属する。最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅには、複数の貫通穴１１４ａ〜１１４ｄが形成されている。
【００２７】
矢印ａ（ｉｎ）で示すように、最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅに形成された貫通穴１１４ｃから流入した流体ａは、第１層および第３層の断面形状部材１１０ａ，１１０ｃの内部に矢印ｆａ１，ｆａ２で示す水平方向に形成された流路を通って、矢印ａ（ｏｕｔ）で示すように貫通穴１１４ａから流出するようになっている。また、矢印ｂ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１１４ｂから流入した流体ｂは、第２層および第４層の断面形状部材１１０ｂ，１１０ｄの内部に矢印ｆｂ１，ｆｂ２で示す水平方向に形成された流路を通って、矢印ｂ（ｏｕｔ）で示すように貫通穴１１４ｄから流出するようになっている。すなわち、熱交換器１５Ａは、流体ａと流体ｂが互いに異なる層を混ざることなく流れる間に、熱が移動する構成となっている。なお、図２では合計５層からなる場合を示してあるが、層数は任意である。
【００２８】
次に、図２に示した熱交換器１５Ａの製造方法について説明する。まず、熱交換器１５Ａの断面パターンを含むパターン部材を、通常のメタルマスクを製造するのと同様のエッチング法を用いて製造する。
【００２９】
図３は、そのパターン部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の詳細図、（ｃ）は（ａ）のＹ２−Ｙ２断面図である。このパターン部材１１９は、熱交換器１５ＡのＡ層に属する第１層の断面形状部材１１０ａと、熱交換器１５ＡのＢ層に属する第２層の断面形状部材１１０ｂと、Ａ層に属する第３層の断面形状部材１１０ｃと、Ｂ層に属する第４層の断面形状部材１１０ｄと、熱交換器１５Ａの蓋に対応するＣ層に属する断面形状部材１１０ｅと、断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。本実施例では、パターン部材１１９はステンレスからなり、各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅの１辺の長さは１０ｍｍ、これらの配置ピッチＰは１１ｍｍとした。
【００３０】
Ａ層に属する第１層および第３層の断面形状部材１１０ａ，１１０ｃは、図面中横方向に溝１１５ａが形成されており、Ｂ層に属する第２層および第４層の断面形状部材１１０ｂ，１１０ｄは、図面中縦方向に溝１１５ｂが形成されている。これらの溝１１５ａ，１１５ｂは、図３（ｃ）に示すように、層厚の概略半分だけ除去されて流体が水平方向に流れる水平流路を形成している。第２層の断面形状部材１１０ｂには、２つの貫通穴１１４ａ，１１４ｃが形成され、第３層から第５層の断面形状部材１１０ｃ〜１１０ｅには、４つの貫通穴１１４ａ〜１１４ｄが形成されている。各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを積層することにより、貫通穴１１４ａ〜１１４ｄは、流体が垂直方向に流れる垂直流路として機能する。
【００３１】
枠状部材１２０は、各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを所定のピッチＰで並べておくために必要な部材であり、本実施例では幅２ｍｍとした。
【００３２】
連結部材１３０は、パターン部材１１９を準備する段階では各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを一体化するために必要であり、また、後の積層工程では転写工程で破断しやすいように適度な細さにしておく必要がある。この理由から本実施例では、連結部材１３０を幅１００μｍとし、さらに、図３（ｂ）に第１層の断面形状部材１１０ａとの連結部分を代表して示すように、連結部材１３０の連結部分にノッチ１３０ａを入れ、破断しやすいようにしてある。
【００３３】
次に、このパターン部材１１９を図示しない粘着シートに貼り付ける。粘着シートはＳｉウェハのダイシングの際に用いるシートが好適である。なお、適当な基板（ガラス基板やＳｉウェハ）に接着剤をスピンコーティングなどで均一に塗布した後、これに貼り付けても良い。このシートまたは基板を接合装置に導入し、ステージ上の静電チャックに固定する。また、工業用両面粘着テープを用い、パターン部材を直接ステージ上に貼り付けても良い。
【００３４】
図４（ａ）〜（ｄ）は、積層プロセスを示す。図４（ａ）に示すように、支持台３上に粘着シート２によって接着されたパターン部材１１９を真空槽１０９内に導入する。真空槽１０９内において、パターン部材１１９の第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０と向かい合わせて、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０の表面にアルゴン原子ビーム１４２を照射し、各表面を清浄化する。次に、図４（ｂ）に示すように、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０を圧接すると、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０が常温接合により強固に接合される。
【００３５】
引き続き、図４（ｃ）のようにターゲット基板１４０を引き上げると、第１層の断面形状部材１１０ａが粘着シート２から剥離してターゲット基板１４０に転写する。これは、常温接合による接合力が、粘着シート２の接着力よりも十分に大きいためである。また、連結部材１３０は十分に細いため、転写時にノッチ１３０ａの部分から破断する。
【００３６】
引き続き、図４（ｄ）に示すように、パターン部材１１９をターゲット基板１４０に対して相対的に矢印Ｙ３で示す方向へ１１ｍｍ移動し、第１層の断面形状部材１１０ａが第２層の断面形状部材１１０ｂと向かい合う様に位置決めする。以降、図４（ａ）〜（ｃ）の工程を繰り返してターゲット基板１４０上に第２層の断面形状部材１１０ｂを積層する。同様に、図２に示した熱交換器１５Ａの第３層、第４層、さらに第５層の断面形状部材１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅを順次積層して、熱交換器１５Ａを完成させる。
【００３７】
この第１の実施の形態によれば、厚さ数十から百数十μｍ、３０ｃｍ角程度のステンレス板を母材として、エッチング法によって合計数百層分の断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを一度に準備することが可能である。また、この熱交換器１５Ａによれば、２つの流体を用いて熱交換を行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施例では、パターン部材１１９の材質はステンレスとしたが、ニッケルや銅など他の金属材料を用いても良い。また、ターゲット基板１４０との接合を容易にするためにエッチング加工後に、その片面若しくは両面に薄く金などのやわらかい材料をコーティングしても良い。コーティングは真空蒸着やメッキなどの方法が適用できる。また、上記実施例では、ステンレス板をエッチング法により一括してパターニングしたが、別の方法、例えば薄板をパンチングによりパターニングしても良い。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器を示す。この熱交換器１５Ｂは、第１から第９層の断面形状部材１５４−１〜１５４−９を下から順に積層したものである。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９には、貫通穴１６２ａ，１６２ｂが形成されている。矢印ａ（ｉｎ）で示すように第９層の断面形状部材１５４−９の貫通穴１６２ａから流入した液体ａは、第４層および第８層の断面形状部材１５４−４，１５４−８で水平方向ｆ４，ｆ８に形成された流路を通って矢印ａ（ｏｕｔ）で示すように第１層の断面形状部材１５４−１の貫通穴１６２ａから流出するようになっている。また、第９層の断面形状部材１５４−９の貫通穴１６２ｂから流入した液体ｂは、第２層および第６層の断面形状部材１５４−２，１５４−６で水平方向ｆ２，ｆ６に形成された流路を通って矢印ｂ（ｏｕｔ）で示すように第１層の断面形状部材１５４−１の貫通穴１６２ｂから流出するようになっている。すなわち、熱交換器１５Ｂは、流体ａと流体ｂが互いに混ざることなく流れる間に、熱が移動する構成となっている。なお、図５では合計９層からなる場合を示してあるが、層数は任意である。
【００４０】
次に、図５に示した熱交換器１５Ｂの製造方法について説明する。まず、熱交換器１５Ｂの断面パターンを含むパターン部材を、通常のフォトリソグラフィ法を用いて製造する。
【００４１】
図６は、パターン部材の製造工程を示す。この熱交換器１５Ｂ用のパターン部材は、第１の実施例のパターン部材１１９と異なり、メッキによるニッケル（Ｎｉ）で製造される。まず、図６（ａ）に示すように、ステンレス基板１５０の上にフォトレジスト１５２をスピンコートする。次に、図６（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてフォトレジスト１５２を熱交換器の断面パターンの反転パターン形状にパターニングする。そして、この基板１５０を図示せぬメッキ槽に浸漬し、図６（ｃ）に示すように、レジスト１５２のない領域にだけ、Ｎｉをメッキにより成長させ、Ｎｉメッキ層１５４を形成する。Ｎｉメッキ層１５４の膜厚は、レジスト１５２の膜厚を超えないようにする。その後、図６（ｄ）に示すように、レジスト１５２を剥離し、ステンレス基板１５０からＮｉメッキ層１５４を分離する。これによって、Ｎｉメッキによるパターン部材１６０が完成する。
【００４２】
図７は、そのパターン部材１６０を示す。この熱交換器１５Ｂは、第１の実施例の熱交換器１５Ａとは異なるタイプのものである。パターン部材１６０は、熱交換器１５Ｂを構成する約１０ｍｍ角の第１層から第９層の断面形状部材１５４−１〜１５４−９と、断面形状部材１５４−１〜１５４−９を所定のピッチＰで複数の連結部材１５６によって保持する枠状部材１５５とを備える。連結部材１５６には、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチが形成されている。パターン部材１６０は、本実施例ではニッケルからなる。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９は、ストライプ状の細長い長方形の貫通穴１６２ａ，１６２ｂに流体が流れる構造となっている。
【００４３】
このようなパターン部材１６０を、支持台として機能する図示せぬマグネットチャックに吸着させる。パターン部材１６０はＮｉでできているので、そのままの状態でマグネットチャックに固定することが可能である。
【００４４】
この後の積層工程は、第１の実施例と同様である。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９を、順にターゲット基板上に接合転写してゆく。このとき、連結部材１５６はターゲット基板側に引張られたときに、破断されるよう、十分細い形状となっている。また、マグネットチャックの吸着力は、パターン部材１６０の固定には十分であり、常温接合のターゲット基板への接合力よりも小さい値に設定されている。
【００４５】
この第２の実施例によれば、比較的厚いパターン部材を形成できるので、少ない積層枚数で熱交換器を製造することができる。また、この熱交換器１５Ｂによれば、２つの流体を用いて熱交換を行うことができる。
【００４６】
なお、ＦＡＢの照射によりパターン部材１６０の空隙部分に対応するマグネットチャック表面が、エッチング除去される不都合が生じることが考えられるので、マグネットチャックとパターン部材１６０との間に、薄いシート（磁性体でも非磁性体でも可能）を挿入するのが好ましい。これにより、マグネットチャックの表面を保護する効果が期待できる。また、このシートの材質や厚みを変えることにより、マグネットチャックに吸着する力を任意に調整することができる。
【００４７】
また、Ｎｉ製のパターン部材１６０を電気的に接地電位に接続し、ターゲット基板を適当な電源に接続しておき、各断面形状部材１５４−１〜１５４−９をターゲット基板に転写する際に、この間に電流を流すことにより、連結部材１５６に電流が集中して溶融し、破断を促進することも可能である。電流量を増やすことにより、溶融のみで完全に連結部材１５６が破断するようにしても良い。このようにすると、連結部材１５６の設計自由度が増し、レイアウト上の制約が減る。
【００４８】
本実施例ではメッキとしてＮｉを用いた例を示したが、材料はこれに限定されるものではなく、メッキ可能な他の材料、例えば銅や金でもよく、これらメッキ可能な材料の複合体でも良い。また、本実施例では、１枚のフォトレジスト１５２を用いた単純な形状のメッキ膜を用いたが、２枚以上のフォトレジストを用いて膜厚方向に段差があるような（第１の実施例で示した貫通部と非貫通部があるような形状）、より複雑なメッキ膜を用いてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の第３の実施例に係る積層構造体としてのマイクロリアクタを示す。このマイクロリアクタ１５Ｃは、第１層から第５層の断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅを下から順に積層したものである。第２層から第５層の断面形状部材１７０ｂ〜１７０ｅには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃが形成され、第１層の断面形状部材１７０ａには、貫通穴１７１ａが形成されている。矢印ａ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１７１ａから流入した流体ａは、貫通穴１７１ａを通り、第２層および第４層の断面形状部材１７０ｂ，１７０ｄの内部に形成された流路を通って貫通穴１７１ｃに流入し、矢印ｂ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１７１ｂから流入した流体ｂは、貫通穴１７１ｂを通り、第１層および第３層の断面形状部材１７０ａ，１７０ｃの内部に形成された流路を通って貫通穴１７１ｃに流入する。貫通穴１７１ａから流入した流体ａと貫通穴１７１ｂから流入した流体ｂは、貫通穴１７１ｃで混合され、矢印ａ＋ｂ（ｏｕｔ）で示すように、最上層の第１層の断面形状部材１７０ｅの貫通穴１７１ｃから流出するようになっている。
【００５０】
このような構造のマイクロリアクタ１５Ｃの断面パターンを含むパターン部材は、第１の実施例と同様にエッチング法を用いて製造される。
【００５１】
図９（ａ）は、そのパターン部材を示す。このパターン部材１７３は、マイクロリアクタ１５Ｃを構成する第１層から第５層の断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅと、断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。連結部材１３０には、図９（ｂ）に示すように、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチ１３０ａが形成されている。第１層の断面形状部材１７０ａには、図９（ａ）のＹ４−Ｙ４断面図同図（ｃ）に示すように、溝１７２が形成され、第２層の断面形状部材１７０ｂには、貫通穴１７１ｂ，１７１ｃ、および溝１７２が形成され、第３層および第４層の断面形状部材１７０ｃ，１７０ｄには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ、および溝１７２が形成され、第５層の断面形状部材１７０ｅには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃが形成されている。矩形状の貫通穴１７１ｃは、流体ａと流体ｂの混合領域として機能し、溝１７２は流体ａ，ｂの流路として機能する。
【００５２】
この第３の実施例によれば、第１の実施例と同様に、少ない積層枚数でマイクロリアクタを製造することができる。また、このマイクロリアクタ１５Ｃは、流体ａと流体ｂを最上層から流入させると、それらの混合流体を最上層から流出させることができる。
【００５３】
図１０は、本発明の第４の実施例に係るマイクロリアクタを示す。このマイクロリアクタ１５Ｄは、第１層から第１１層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋを上から順に積層したものである。最上層の第１層の断面形状部材１８０ａには、２つの貫通穴１８１ａ，１８１ｂが形成され、最下層の第１１層の断面形状部材１８０ｋには、１つの貫通穴１８１ａが形成されている。このマイクロリアクタ１５Ｄは、矢印ａ（ｉｎ）で示すように、最上層の第１層の断面形状部材１８０ａに形成された貫通穴１８１ａから流体ａを流入され、最下層の第１１の断面形状部材１８０ｋの貫通穴１８１ａから流体ｂを流入させると、流体ａと流体ｂは第２層から第１０層の断面形状部材１８０ｂ〜１８０ｊの内部で混合され、その混合流体は、矢印ａ＋ｂ（ｏｕｔ）で示すように、最上層の第１の断面形状部材１８０ａの貫通穴１８１ｂから流出するようになっている。
【００５４】
このような構造のマイクロリアクタ１５Ｄの構成要素を含むパターン部材は、第１の実施例と同様にエッチング法を用いて製造される。
【００５５】
図１１は、そのパターン部材を示す。このパターン部材１８３は、マイクロリアクタ１５Ｄを構成する第１層から第１１層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋと、断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。連結部材１３０には、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチが形成されている。第１層から第１０層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｊには、複数の貫通穴１８１ａ，１８１ｂが形成され、第１１層の断面形状部材１８０ｋには、１つの貫通穴１８１ａが形成され、第４層、第６層および第８層の断面形状部材１８０ｄ，１８０ｆ，１８０ｈには、貫通穴１８１ｂに至る溝１８２が形成されている。第３層から第９層の断面形状部材１８０ｃ〜１８０ｉに形成された大きい開口の貫通穴１８１ｂは、流体ａと流体ｂの混合領域として機能し、溝１８２は流体ａ，ｂの流路として機能する。
【００５６】
この第４の実施例によれば、第３の実施例と同様に、少ない積層枚数でマイクロリアクタを製造することができる。また、このマイクロリアクタ１５Ｄは、流体ａを最上層から流入させ、流体ｂを最下層から流入させると、それらの混合流体を最上層から流出させることができる。また、第３の実施例では流体ａと流体ｂは同一層には混在していないのに対し、本実施例では同一層にこれらが混在し、かつ貫通穴１８１ｂでは２種類の流体が縦横市松状に流入するので、第３の実施例よりも混合効率が高くなる。
【００５７】
以上の実施例では、熱交換器およびマイクロリアクタを製造する例を示したが、これに限らずインクジェットノズルなどのいわゆるマイクロマシンの製造に広くて起用可能である。また、複数の断面形状部材を積層して成形型を製造してもよい。また、上記の実施例では連結部材が断面形状部材の積層の際に機械的応力により破断される場合について説明したが、パターン部材とターゲット基板との間に電流を流すことにより、連結部材が焼き切られて破断するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の積層構造体の製造方法および積層構造体によれば、ターゲット基板に順次積層されるパターン部材の各断面形状部材の厚みを数十μｍ乃至百数十μｍの様に厚く選択可能であるので、積層方向の全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍのように高い構造体を製造する際に、従来の厚さ０．５μｍ等の極薄の薄膜を積層する場合に比べ、積層回数を大幅に減らすことが可能となり、短時間で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態に係る構造体の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は第１の実施例に係るパターン部材の平面図、（ｂ）は連結部材の拡大図、（ｃ）は（ａ）のＹ２−Ｙ２断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は積層工程を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は第２の実施例に係るパターン部材の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係るパターン部材の平面図である。
【図８】本発明の第３の実施例に係るマイクロリアクタの外観を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は本発明の第３の実施例に係るパターン部材の平面図、（ｂ）は連結部材の拡大図、（ｃ）は（ａ）のＹ４−Ｙ４断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係るマイクロリアクタの外観を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施例に係るパターン部材の平面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｆ）は従来の構造体の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１，１１９，１６０ パターン部材
２ 粘着シート
３ 支持台
４，１４０ ターゲット基板
５ 積層構造体
１１−１〜１１−３，１５４−１〜１５４−９ 断面形状部材
１２，１２０，１５５ 枠状部材
１３，１３０，１５６ 連結部材
１０１ Ｓｉウェハ
１０２ Ａｌ薄膜
１０３ 第１のＡｌ薄膜
１０４ ステージ
１０５ 微小構造体
１０６ 熱酸化膜
１０７，１５２ フォトレジスト
１０８ Ａｒガス
１０９ 真空槽
１１２ 熱交換器
１１０ａ〜１１０ｅ 断面形状部材
１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ 流路
１１５ａ，１１５ｂ 溝
１１９ パターン部材
１３０ 連結部材
１３０ａ 連結部材のノッチ
１４２ Ａｒ原子ビーム
１５０ ステンレス基板
１５４−１〜１５４−９ 断面形状部材
１５５ 枠状部材
１５６ 連結部材
１６０ パターン部材
１６２ａ，１６２ｂ 貫通穴
１７０ａ〜１７０ｅ 断面形状部材
１７１ａ，１７１ｂ 貫通穴
１７２ 溝
１７３ パターン部材
１８０ａ〜１８０ｋ 断面形状部材
１８１ａ，１８１ｂ 貫通穴
１８２ 溝
１８３ パターン部材
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層造形方法によって製造される微小ギアや光学部品、あるいは流体の流路部品等の積層構造体の製造方法および積層構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、部品製造において、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短期間で形成する方法として積層造形方法が急速に普及している。この方法で製造された３次元物体は、各種装置の部品のモデル（プロトタイプ）として、部品の動作や形状の良否を調べるために利用されている。この積層造形方法は、サイズが数ｃｍ以上の比較的大きな部品に適用されることが多かったが、近年においては、精密に加工して形成される微小構造体、例えば、微小ギアや微小光学部品にもこの方法が適用されている。
【０００３】
このような積層造形方法を適用した従来の積層構造体の製造方法として、例えば、特開２０００−２３８０００号公報に示されるものがある（特許文献１）。
【０００４】
図１２（ａ）〜（ｆ）は、その特許文献１に示された積層構造体の製造方法を示す。まず、図１２（ａ）に示すように、基板としてＳｉ（シリコン）ウェハ１０１を準備し、この表面に熱酸化膜１０６を０．１μｍ成長させ、その上にスパッタリング法によりＡｌ（アルミニウム）薄膜１０２を０．５μｍの厚さで着膜する。
【０００５】
次に、図１２（ｂ）に示すように、Ａｌ薄膜１０２の上にフォトレジスト１０７を塗布した後、通常のフォトリソグラフィ法によりＡｌ薄膜１０２をエッチングし、所望の微小構造体の第１の断面形状を有する薄膜（第１のＡｌ薄膜）１０３を形成する。第１のＡｌ薄膜１０３を形成した後、フォトレジスト１０７を剥離液にて除去する。このようにして形成した第１のＡｌ薄膜１０３は、解像度１μｍ以下、精度０．１μｍ以下の微細かつ精密なものとなっている。
【０００６】
次に、図１２（ｃ）に示すように、第１のＡｌ薄膜１０３が形成されたＳｉウェハ１０１を真空槽１０９内に導入し、このＳｉウェハ１０１を真空槽１０９内の上方に配置されたステージ１０４と対向させ、真空槽１０９内を約１０−６Ｐａ程度まで排気する。そして、ステージ１０４の表面及び第１のＡｌ薄膜１０３の表面にＡｒガス１０８を源とするＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ ）処理を施す。これはＡｒガス１０８を、１ＫＶ程度の電圧で加速して第１のＡｌ薄膜１０３及びステージ１０４の表面１０３ａ，１０４ａに照射し、これらの表面１０３ａ，１０４ａの酸化膜、不純物などを除去し清浄な表面１０３ａ，１０４ａを形成する工程である。
【０００７】
次に、図１２（ｄ）に示すように、ステージ１０４とＳｉウェハ１０１を接近させ清浄なステージ１０４の表面１０４ａと清浄な第１のＡｌ薄膜１０３の表面１０３ａとを接触させ、さらに、荷重として５０ｋｇｆ／ｃｍ２をかけて５分間押し付け、ステージ１０４と第１のＡｌ薄膜１０３との表面１０３ａ，１０４ａを接合する。
【０００８】
そして、図１２（ｅ）に示すように、ステージ１０４とＳｉウェハ１０１を元のように引き離すと、第１のＡｌ薄膜１０３とステージ１０４との接合力の方が、第１のＡｌ薄膜１０３とＳｉウェハ１０１上の熱酸化膜１０６との密着力よりも大きいため、第１のＡｌ薄膜１０３はＳｉウェハ１０１からステージ１０４側に転写される。
【０００９】
同様にして、第２のＡｌ薄膜を形成してＦＡＢ処理を施し、接合転写することにより、第１のＡｌ薄膜１０３の上に第２のＡｌ薄膜を積層する。最初の工程との違いは、ＦＡＢ処理の工程において、２回目のときはステージ１０４の表面１０４ａにＦＡＢ処理をするのではなく、第１のＡｌ薄膜１０３の裏面（それまでＳｉウェハ１０１に接触していた面）１０３ｂに照射し、そこを清浄化することである。また、第１のＡｌ薄膜１０３と第２のＡｌ薄膜の相対的な位置出しを行うために、ステージ１０４側又はＳｉウェハ１０１側に、ｘ−ｙ（水平）平面内のアライメント機構（図示せず）が設けられている。
【００１０】
以上の各工程を繰り返して、図１２（ｆ）に示すように、順にＡｌ薄膜を積層することにより、微小構造体１０５を製造することができる。この様な方法により製造した微小構造体１０５はＡｌ製であるが、他の材料で製造するには、基板上に形成する薄膜を他の金属（銅、インジウムなど）や、セラミックスなどの絶縁体（アルミナ、炭化けい素）にすれば良い。
【００１１】
この製造方法によれば、膜厚均一性に優れたスパッタリング法を用いてＡｌ薄膜を形成しているので、積層方向の高解像度化が可能となる。
【００１２】
その他に、従来の積層構造体の製造方法として、例えば、特開平１１−４８３４２号公報（特許文献２）およびＵＳ６２３０４０８Ｂ１公報（特許文献３）に示されるものがある。
【００１３】
特許文献２に示された積層構造体の製造方法は、第１層のマイクロパーツを膜Ａを介して基板Ａ上に形成し、第２層のマイクロパーツを膜Ｂを介して基板Ｂ上に形成し、第１層と第２層のマイクロパーツが対向するように基板Ａ、Ｂを配置し、第１層と第２層のマイクロパーツを突き合わせ接合した後、膜Ｂを溶剤により除去して第２層のマイクロパーツを基板Ｂから分離する。これを順次繰り返して複数の層からなるマイクロマシンを製造するものである。
【００１４】
特許文献３に示された積層構造体の製造方法は、基板上に所定のパターンを有する複数の電鋳層を形成し、複数の電鋳層をピン結合して複数層からなる熱交換器を製造するものである。
【００１５】
【特許文献１】
特開２０００−２３８０００号公報
【特許文献２】
特開平１１−４８３４２号公報
【特許文献３】
ＵＳ６２３０４０８Ｂ１公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の積層構造体の製造方法においては、厚さ０．５μｍと極薄の薄膜を積層するため、積層方向の寸法（高さ寸法）が数百μｍ乃至数ｍｍの構造体を製造しようとする場合、積層数が多くなり、製造に要する時間が長くなるという問題がある。
【００１７】
この問題を回避する方法として、薄膜の厚さを数μｍ〜十数μｍに増やす方法が考えられる。しかしながら、この場合、真空蒸着法などの薄膜堆積法を使う限り、１層の膜厚はせいぜい十数μｍであり、それ以上厚い膜の形成は、膜のストレスに起因する膜はがれの問題や長い成膜時間を考慮すると、実現が困難であった。
【００１８】
従って、本発明の目的は、積層方向の高さが数百μｍ以上の高い積層構造体であっても短時間で製造することができる積層構造体の製造方法および積層構造体を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するため、構造体の断面パターンに対応する複数の断面形状部材が連結部材によって連結されたパターン部材をパターニング加工によって形成する第１の工程と、前記パターン部材を支持台上に固定する第２の工程と、前記パターン部材における前記複数の断面形状部材を、ターゲット基板に順次転写して積層する第３の工程とを備え、前記第３の工程における前記複数の断面形状部材の転写は、前記連結部材が破断して行われることを特徴とする積層構造体の製造方法を提供する。
この構成によれば、パターン部材の厚みを厚くすることにより、厚い断面形状部材を用いることができ、積層枚数が減る。
【００２０】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の実施の形態に係る積層構造体の製造工程を示す。図１（ａ）の平面図、および図１（ａ）のＹ１−Ｙ１断面図の図１（ｂ）に示すように、微小構造体の断面パターンに対応した複数の断面形状部材１１−１，１１−２，１１−３を有するパターン部材１を準備する。このパターン部材１は、ステンレス、Ｎｉ（ニッケル）等の金属からなり、エッチング法等の公知のメタルマスク製造技術により形成される。
【００２１】
このパターン部材１は、複数の断面形状部材１１−１〜１１−３と、これらを所定のピッチで連結部材１３により保持する枠状部材１２とからなる。これらの全ての部材を含むパターン部材１は、同時に一括して製造される。
【００２２】
次に、このパターン部材１を、粘着シート２を介して支持台３に固定する。粘着シート２は、その粘着面でパターン部材１を固定し、その裏面は静電チャックを有する支持台３に固定される。
【００２３】
次に、図１（ｃ）に示すように、支持台３上に粘着シート２を介して固定されたパターン部材１を、図示しない真空チャンバーに導入し、上方に配置されたターゲット基板４と向かい合せにして、従来技術と同様の方法にて、まず、第１の断面形状部材１１−１をターゲット基板４に接合転写する。このとき、ターゲット基板４と第１の断面形状部材１１−１との接合力は数十ＭＰａ以上であるのに対し、第１の断面形状部材１１−１と粘着シート２との接着力は数ＭＰａ程度であるため、第１の断面形状部材１１−１はターゲット基板４に転写する。この際、連結部材１３は十分細く、この連結部材１３と比較して枠状部材１２は十分太いため、連結部材１３は破断される。
【００２４】
その後、第２、第３の断面形状部材１１−２，１１−３を繰り返し転写することにより、図１１（ｄ）に示すように、ターゲット基板４に断面形状部材１１−１〜１１−３からなる積層構造体５が完成する。なお、連結部材１３の一部が積層構造体５に残る場合があるが、積層構造体５の機能に支障のない場所に位置付けることにより、特に問題とはならない。
【００２５】
本実施の形態の積層構造体の製造方法によれば、積層構造体５の各断面形状部材１１−１〜１１−３の厚さｔは、数十μｍ乃至百数十μｍに選択可能なので、従来の厚さ０．５μｍ等の極薄の薄膜を積層する場合に比べ、積層枚数が減る。この結果、積層回数を大幅に減らすことができるので、積層方向の全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍの積層構造体を容易に短時間で製造することができる。また、パターン部材１は、所望の板厚を有するステンレス板などを母材としたパンチング（打ち抜き）加工、エッチング加工、レーザー加工や、電鋳などのメッキ加工など、公知の大量生産技術で製造可能であるため、構造体を低コストで供給することができる。
【実施例】
以下、このような効果を奏する積層構造体の製造方法によって、液体，気体等の流体の熱交換を行う熱交換器、および流体を混合するマイクロリアクタの実施例を説明する。
【００２６】
図２は、本発明の第１の実施例に係る熱交換器を示す。この熱交換器１５Ａは、第１から第５層の断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを下から順に積層したものである。第１層の断面形状部材１１０ａ、および第３層の断面形状部材１１０ｃは、Ａ層に属し、第２層の断面形状部材１１０ｂ、および第４層の断面形状部材１１０ｄは、Ｂ層に属し、最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅは、熱交換器１５Ａの蓋となるＣ層に属する。最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅには、複数の貫通穴１１４ａ〜１１４ｄが形成されている。
【００２７】
矢印ａ（ｉｎ）で示すように、最上層の第５層の断面形状部材１１０ｅに形成された貫通穴１１４ｃから流入した流体ａは、第１層および第３層の断面形状部材１１０ａ，１１０ｃの内部に矢印ｆａ１，ｆａ２で示す水平方向に形成された流路を通って、矢印ａ（ｏｕｔ）で示すように貫通穴１１４ａから流出するようになっている。また、矢印ｂ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１１４ｂから流入した流体ｂは、第２層および第４層の断面形状部材１１０ｂ，１１０ｄの内部に矢印ｆｂ１，ｆｂ２で示す水平方向に形成された流路を通って、矢印ｂ（ｏｕｔ）で示すように貫通穴１１４ｄから流出するようになっている。すなわち、熱交換器１５Ａは、流体ａと流体ｂが互いに異なる層を混ざることなく流れる間に、熱が移動する構成となっている。なお、図２では合計５層からなる場合を示してあるが、層数は任意である。
【００２８】
次に、図２に示した熱交換器１５Ａの製造方法について説明する。まず、熱交換器１５Ａの断面パターンを含むパターン部材を、通常のメタルマスクを製造するのと同様のエッチング法を用いて製造する。
【００２９】
図３は、そのパターン部材を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の詳細図、（ｃ）は（ａ）のＹ２−Ｙ２断面図である。このパターン部材１１９は、熱交換器１５ＡのＡ層に属する第１層の断面形状部材１１０ａと、熱交換器１５ＡのＢ層に属する第２層の断面形状部材１１０ｂと、Ａ層に属する第３層の断面形状部材１１０ｃと、Ｂ層に属する第４層の断面形状部材１１０ｄと、熱交換器１５Ａの蓋に対応するＣ層に属する断面形状部材１１０ｅと、断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。本実施例では、パターン部材１１９はステンレスからなり、各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅの１辺の長さは１０ｍｍ、これらの配置ピッチＰは１１ｍｍとした。
【００３０】
Ａ層に属する第１層および第３層の断面形状部材１１０ａ，１１０ｃは、図面中横方向に溝１１５ａが形成されており、Ｂ層に属する第２層および第４層の断面形状部材１１０ｂ，１１０ｄは、図面中縦方向に溝１１５ｂが形成されている。これらの溝１１５ａ，１１５ｂは、図３（ｃ）に示すように、層厚の概略半分だけ除去されて流体が水平方向に流れる水平流路を形成している。第２層の断面形状部材１１０ｂには、２つの貫通穴１１４ａ，１１４ｃが形成され、第３層から第５層の断面形状部材１１０ｃ〜１１０ｅには、４つの貫通穴１１４ａ〜１１４ｄが形成されている。各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを積層することにより、貫通穴１１４ａ〜１１４ｄは、流体が垂直方向に流れる垂直流路として機能する。
【００３１】
枠状部材１２０は、各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを所定のピッチＰで並べておくために必要な部材であり、本実施例では幅２ｍｍとした。
【００３２】
連結部材１３０は、パターン部材１１９を準備する段階では各断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを一体化するために必要であり、また、後の積層工程では転写工程で破断しやすいように適度な細さにしておく必要がある。この理由から本実施例では、連結部材１３０を幅１００μｍとし、さらに、図３（ｂ）に第１層の断面形状部材１１０ａとの連結部分を代表して示すように、連結部材１３０の連結部分にノッチ１３０ａを入れ、破断しやすいようにしてある。
【００３３】
次に、このパターン部材１１９を図示しない粘着シートに貼り付ける。粘着シートはＳｉウェハのダイシングの際に用いるシートが好適である。なお、適当な基板（ガラス基板やＳｉウェハ）に接着剤をスピンコーティングなどで均一に塗布した後、これに貼り付けても良い。このシートまたは基板を接合装置に導入し、ステージ上の静電チャックに固定する。また、工業用両面粘着テープを用い、パターン部材を直接ステージ上に貼り付けても良い。
【００３４】
図４（ａ）〜（ｄ）は、積層プロセスを示す。図４（ａ）に示すように、支持台３上に粘着シート２によって接着されたパターン部材１１９を真空槽１０９内に導入する。真空槽１０９内において、パターン部材１１９の第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０と向かい合わせて、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０の表面にアルゴン原子ビーム１４２を照射し、各表面を清浄化する。次に、図４（ｂ）に示すように、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０を圧接すると、第１層の断面形状部材１１０ａとターゲット基板１４０が常温接合により強固に接合される。
【００３５】
引き続き、図４（ｃ）のようにターゲット基板１４０を引き上げると、第１層の断面形状部材１１０ａが粘着シート２から剥離してターゲット基板１４０に転写する。これは、常温接合による接合力が、粘着シート２の接着力よりも十分に大きいためである。また、連結部材１３０は十分に細いため、転写時にノッチ１３０ａの部分から破断する。
【００３６】
引き続き、図４（ｄ）に示すように、パターン部材１１９をターゲット基板１４０に対して相対的に矢印Ｙ３で示す方向へ１１ｍｍ移動し、第１層の断面形状部材１１０ａが第２層の断面形状部材１１０ｂと向かい合う様に位置決めする。以降、図４（ａ）〜（ｃ）の工程を繰り返してターゲット基板１４０上に第２層の断面形状部材１１０ｂを積層する。同様に、図２に示した熱交換器１５Ａの第３層、第４層、さらに第５層の断面形状部材１１０ｃ，１１０ｄ，１１０ｅを順次積層して、熱交換器１５Ａを完成させる。
【００３７】
この第１の実施の形態によれば、厚さ数十から百数十μｍ、３０ｃｍ角程度のステンレス板を母材として、エッチング法によって合計数百層分の断面形状部材１１０ａ〜１１０ｅを一度に準備することが可能である。また、この熱交換器１５Ａによれば、２つの流体を用いて熱交換を行うことができる。
【００３８】
なお、上記実施例では、パターン部材１１９の材質はステンレスとしたが、ニッケルや銅など他の金属材料を用いても良い。また、ターゲット基板１４０との接合を容易にするためにエッチング加工後に、その片面若しくは両面に薄く金などのやわらかい材料をコーティングしても良い。コーティングは真空蒸着やメッキなどの方法が適用できる。また、上記実施例では、ステンレス板をエッチング法により一括してパターニングしたが、別の方法、例えば薄板をパンチングによりパターニングしても良い。
【００３９】
図５は、本発明の第２の実施例に係る熱交換器を示す。この熱交換器１５Ｂは、第１から第９層の断面形状部材１５４−１〜１５４−９を下から順に積層したものである。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９には、貫通穴１６２ａ，１６２ｂが形成されている。矢印ａ（ｉｎ）で示すように第９層の断面形状部材１５４−９の貫通穴１６２ａから流入した液体ａは、第４層および第８層の断面形状部材１５４−４，１５４−８で水平方向ｆ４，ｆ８に形成された流路を通って矢印ａ（ｏｕｔ）で示すように第１層の断面形状部材１５４−１の貫通穴１６２ａから流出するようになっている。また、第９層の断面形状部材１５４−９の貫通穴１６２ｂから流入した液体ｂは、第２層および第６層の断面形状部材１５４−２，１５４−６で水平方向ｆ２，ｆ６に形成された流路を通って矢印ｂ（ｏｕｔ）で示すように第１層の断面形状部材１５４−１の貫通穴１６２ｂから流出するようになっている。すなわち、熱交換器１５Ｂは、流体ａと流体ｂが互いに混ざることなく流れる間に、熱が移動する構成となっている。なお、図５では合計９層からなる場合を示してあるが、層数は任意である。
【００４０】
次に、図５に示した熱交換器１５Ｂの製造方法について説明する。まず、熱交換器１５Ｂの断面パターンを含むパターン部材を、通常のフォトリソグラフィ法を用いて製造する。
【００４１】
図６は、パターン部材の製造工程を示す。この熱交換器１５Ｂ用のパターン部材は、第１の実施例のパターン部材１１９と異なり、メッキによるニッケル（Ｎｉ）で製造される。まず、図６（ａ）に示すように、ステンレス基板１５０の上にフォトレジスト１５２をスピンコートする。次に、図６（ｂ）に示すように、公知のフォトリソグラフィー技術を用いてフォトレジスト１５２を熱交換器の断面パターンの反転パターン形状にパターニングする。そして、この基板１５０を図示せぬメッキ槽に浸漬し、図６（ｃ）に示すように、レジスト１５２のない領域にだけ、Ｎｉをメッキにより成長させ、Ｎｉメッキ層１５４を形成する。Ｎｉメッキ層１５４の膜厚は、レジスト１５２の膜厚を超えないようにする。その後、図６（ｄ）に示すように、レジスト１５２を剥離し、ステンレス基板１５０からＮｉメッキ層１５４を分離する。これによって、Ｎｉメッキによるパターン部材１６０が完成する。
【００４２】
図７は、そのパターン部材１６０を示す。この熱交換器１５Ｂは、第１の実施例の熱交換器１５Ａとは異なるタイプのものである。パターン部材１６０は、熱交換器１５Ｂを構成する約１０ｍｍ角の第１層から第９層の断面形状部材１５４−１〜１５４−９と、断面形状部材１５４−１〜１５４−９を所定のピッチＰで複数の連結部材１５６によって保持する枠状部材１５５とを備える。連結部材１５６には、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチが形成されている。パターン部材１６０は、本実施例ではニッケルからなる。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９は、ストライプ状の細長い長方形の貫通穴１６２ａ，１６２ｂに流体が流れる構造となっている。
【００４３】
このようなパターン部材１６０を、支持台として機能する図示せぬマグネットチャックに吸着させる。パターン部材１６０はＮｉでできているので、そのままの状態でマグネットチャックに固定することが可能である。
【００４４】
この後の積層工程は、第１の実施例と同様である。各断面形状部材１５４−１〜１５４−９を、順にターゲット基板上に接合転写してゆく。このとき、連結部材１５６はターゲット基板側に引張られたときに、破断されるよう、十分細い形状となっている。また、マグネットチャックの吸着力は、パターン部材１６０の固定には十分であり、常温接合のターゲット基板への接合力よりも小さい値に設定されている。
【００４５】
この第２の実施例によれば、比較的厚いパターン部材を形成できるので、少ない積層枚数で熱交換器を製造することができる。また、この熱交換器１５Ｂによれば、２つの流体を用いて熱交換を行うことができる。
【００４６】
なお、ＦＡＢの照射によりパターン部材１６０の空隙部分に対応するマグネットチャック表面が、エッチング除去される不都合が生じることが考えられるので、マグネットチャックとパターン部材１６０との間に、薄いシート（磁性体でも非磁性体でも可能）を挿入するのが好ましい。これにより、マグネットチャックの表面を保護する効果が期待できる。また、このシートの材質や厚みを変えることにより、マグネットチャックに吸着する力を任意に調整することができる。
【００４７】
また、Ｎｉ製のパターン部材１６０を電気的に接地電位に接続し、ターゲット基板を適当な電源に接続しておき、各断面形状部材１５４−１〜１５４−９をターゲット基板に転写する際に、この間に電流を流すことにより、連結部材１５６に電流が集中して溶融し、破断を促進することも可能である。電流量を増やすことにより、溶融のみで完全に連結部材１５６が破断するようにしても良い。このようにすると、連結部材１５６の設計自由度が増し、レイアウト上の制約が減る。
【００４８】
本実施例ではメッキとしてＮｉを用いた例を示したが、材料はこれに限定されるものではなく、メッキ可能な他の材料、例えば銅や金でもよく、これらメッキ可能な材料の複合体でも良い。また、本実施例では、１枚のフォトレジスト１５２を用いた単純な形状のメッキ膜を用いたが、２枚以上のフォトレジストを用いて膜厚方向に段差があるような（第１の実施例で示した貫通部と非貫通部があるような形状）、より複雑なメッキ膜を用いてもよい。
【００４９】
図８は、本発明の第３の実施例に係る積層構造体としてのマイクロリアクタを示す。このマイクロリアクタ１５Ｃは、第１層から第５層の断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅを下から順に積層したものである。第２層から第５層の断面形状部材１７０ｂ〜１７０ｅには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃが形成され、第１層の断面形状部材１７０ａには、貫通穴１７１ａが形成されている。矢印ａ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１７１ａから流入した流体ａは、貫通穴１７１ａを通り、第２層および第４層の断面形状部材１７０ｂ，１７０ｄの内部に形成された流路を通って貫通穴１７１ｃに流入し、矢印ｂ（ｉｎ）で示すように、貫通穴１７１ｂから流入した流体ｂは、貫通穴１７１ｂを通り、第１層および第３層の断面形状部材１７０ａ，１７０ｃの内部に形成された流路を通って貫通穴１７１ｃに流入する。貫通穴１７１ａから流入した流体ａと貫通穴１７１ｂから流入した流体ｂは、貫通穴１７１ｃで混合され、矢印ａ＋ｂ（ｏｕｔ）で示すように、最上層の第１層の断面形状部材１７０ｅの貫通穴１７１ｃから流出するようになっている。
【００５０】
このような構造のマイクロリアクタ１５Ｃの断面パターンを含むパターン部材は、第１の実施例と同様にエッチング法を用いて製造される。
【００５１】
図９（ａ）は、そのパターン部材を示す。このパターン部材１７３は、マイクロリアクタ１５Ｃを構成する第１層から第５層の断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅと、断面形状部材１７０ａ〜１７０ｅを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。連結部材１３０には、図９（ｂ）に示すように、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチ１３０ａが形成されている。第１層の断面形状部材１７０ａには、図９（ａ）のＹ４−Ｙ４断面図同図（ｃ）に示すように、溝１７２が形成され、第２層の断面形状部材１７０ｂには、貫通穴１７１ｂ，１７１ｃ、および溝１７２が形成され、第３層および第４層の断面形状部材１７０ｃ，１７０ｄには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃ、および溝１７２が形成され、第５層の断面形状部材１７０ｅには、貫通穴１７１ａ，１７１ｂ，１７１ｃが形成されている。矩形状の貫通穴１７１ｃは、流体ａと流体ｂの混合領域として機能し、溝１７２は流体ａ，ｂの流路として機能する。
【００５２】
この第３の実施例によれば、第１の実施例と同様に、少ない積層枚数でマイクロリアクタを製造することができる。また、このマイクロリアクタ１５Ｃは、流体ａと流体ｂを最上層から流入させると、それらの混合流体を最上層から流出させることができる。
【００５３】
図１０は、本発明の第４の実施例に係るマイクロリアクタを示す。このマイクロリアクタ１５Ｄは、第１層から第１１層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋを上から順に積層したものである。最上層の第１層の断面形状部材１８０ａには、２つの貫通穴１８１ａ，１８１ｂが形成され、最下層の第１１層の断面形状部材１８０ｋには、１つの貫通穴１８１ａが形成されている。このマイクロリアクタ１５Ｄは、矢印ａ（ｉｎ）で示すように、最上層の第１層の断面形状部材１８０ａに形成された貫通穴１８１ａから流体ａを流入され、最下層の第１１の断面形状部材１８０ｋの貫通穴１８１ａから流体ｂを流入させると、流体ａと流体ｂは第２層から第１０層の断面形状部材１８０ｂ〜１８０ｊの内部で混合され、その混合流体は、矢印ａ＋ｂ（ｏｕｔ）で示すように、最上層の第１の断面形状部材１８０ａの貫通穴１８１ｂから流出するようになっている。
【００５４】
このような構造のマイクロリアクタ１５Ｄの構成要素を含むパターン部材は、第１の実施例と同様にエッチング法を用いて製造される。
【００５５】
図１１は、そのパターン部材を示す。このパターン部材１８３は、マイクロリアクタ１５Ｄを構成する第１層から第１１層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋと、断面形状部材１８０ａ〜１８０ｋを所定のピッチＰで複数の連結部材１３０によって保持する枠状部材１２０とを備える。連結部材１３０には、第１の実施例と同様に、破断が容易となるようにノッチが形成されている。第１層から第１０層の断面形状部材１８０ａ〜１８０ｊには、複数の貫通穴１８１ａ，１８１ｂが形成され、第１１層の断面形状部材１８０ｋには、１つの貫通穴１８１ａが形成され、第４層、第６層および第８層の断面形状部材１８０ｄ，１８０ｆ，１８０ｈには、貫通穴１８１ｂに至る溝１８２が形成されている。第３層から第９層の断面形状部材１８０ｃ〜１８０ｉに形成された大きい開口の貫通穴１８１ｂは、流体ａと流体ｂの混合領域として機能し、溝１８２は流体ａ，ｂの流路として機能する。
【００５６】
この第４の実施例によれば、第３の実施例と同様に、少ない積層枚数でマイクロリアクタを製造することができる。また、このマイクロリアクタ１５Ｄは、流体ａを最上層から流入させ、流体ｂを最下層から流入させると、それらの混合流体を最上層から流出させることができる。また、第３の実施例では流体ａと流体ｂは同一層には混在していないのに対し、本実施例では同一層にこれらが混在し、かつ貫通穴１８１ｂでは２種類の流体が縦横市松状に流入するので、第３の実施例よりも混合効率が高くなる。
【００５７】
以上の実施例では、熱交換器およびマイクロリアクタを製造する例を示したが、これに限らずインクジェットノズルなどのいわゆるマイクロマシンの製造に広くて起用可能である。また、複数の断面形状部材を積層して成形型を製造してもよい。また、上記の実施例では連結部材が断面形状部材の積層の際に機械的応力により破断される場合について説明したが、パターン部材とターゲット基板との間に電流を流すことにより、連結部材が焼き切られて破断するようにしてもよい。
【００５８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の積層構造体の製造方法および積層構造体によれば、ターゲット基板に順次積層されるパターン部材の各断面形状部材の厚みを数十μｍ乃至百数十μｍの様に厚く選択可能であるので、積層方向の全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍのように高い構造体を製造する際に、従来の厚さ０．５μｍ等の極薄の薄膜を積層する場合に比べ、積層回数を大幅に減らすことが可能となり、短時間で製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施の形態に係る構造体の製造工程を示す図である。
【図２】本発明の第１の実施例に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。
【図３】（ａ）は第１の実施例に係るパターン部材の平面図、（ｂ）は連結部材の拡大図、（ｃ）は（ａ）のＹ２−Ｙ２断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は積層工程を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施例に係る熱交換器の外観を示す斜視図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は第２の実施例に係るパターン部材の製造工程を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施例に係るパターン部材の平面図である。
【図８】本発明の第３の実施例に係るマイクロリアクタの外観を示す斜視図である。
【図９】（ａ）は本発明の第３の実施例に係るパターン部材の平面図、（ｂ）は連結部材の拡大図、（ｃ）は（ａ）のＹ４−Ｙ４断面図である。
【図１０】本発明の第４の実施例に係るマイクロリアクタの外観を示す斜視図である。
【図１１】本発明の第４の実施例に係るパターン部材の平面図である。
【図１２】（ａ）〜（ｆ）は従来の構造体の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１，１１９，１６０ パターン部材
２ 粘着シート
３ 支持台
４，１４０ ターゲット基板
５ 積層構造体
１１−１〜１１−３，１５４−１〜１５４−９ 断面形状部材
１２，１２０，１５５ 枠状部材
１３，１３０，１５６ 連結部材
１０１ Ｓｉウェハ
１０２ Ａｌ薄膜
１０３ 第１のＡｌ薄膜
１０４ ステージ
１０５ 微小構造体
１０６ 熱酸化膜
１０７，１５２ フォトレジスト
１０８ Ａｒガス
１０９ 真空槽
１１２ 熱交換器
１１０ａ〜１１０ｅ 断面形状部材
１１４ａ，１１４ｂ，１１５ａ，１１５ｂ 流路
１１５ａ，１１５ｂ 溝
１１９ パターン部材
１３０ 連結部材
１３０ａ 連結部材のノッチ
１４２ Ａｒ原子ビーム
１５０ ステンレス基板
１５４−１〜１５４−９ 断面形状部材
１５５ 枠状部材
１５６ 連結部材
１６０ パターン部材
１６２ａ，１６２ｂ 貫通穴
１７０ａ〜１７０ｅ 断面形状部材
１７１ａ，１７１ｂ 貫通穴
１７２ 溝
１７３ パターン部材
１８０ａ〜１８０ｋ 断面形状部材
１８１ａ，１８１ｂ 貫通穴
１８２ 溝
１８３ パターン部材
Claims (16)
- 構造体の断面パターンに対応する複数の断面形状部材が連結部材によって連結されたパターン部材をパターニング加工によって形成する第１の工程と、
前記パターン部材を支持台上に固定する第２の工程と、
前記パターン部材における前記複数の断面形状部材を、ターゲット基板に順次転写して積層する第３の工程とを備え、
前記第３の工程における前記複数の断面形状部材の転写は、前記連結部材が破断して行われることを特徴とする積層構造体の製造方法。 - 前記第１の工程における前記パターン部材は、前記複数の断面形状部材が前記連結部材を介して支持部材に連結され、
前記第３の工程における前記複数の断面形状部材の転写は、前記連結部材が破断され、前記断面形状部材が前記支持部材から切り離されることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。 - 前記第１の工程は、金属からなる板状部材をパターニング加工して前記パターン部材を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第１の工程における前記パターニング加工は、金属からなる板状部材をパンチングあるいたエッチングによって行うものであることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第１の工程は、前記パターン部材の表面に、電着およびメッキの何れかによって、前記第３の工程における積層時に前記断面形状部材が互いに接合しやすい金属膜を形成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記パターン部材を前記支持台に粘着シートを介して接着固定する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記パターン部材のうち少なくとも枠部材または連結部材を前記支持台に粘着シートを介して接着固定する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記パターン部材に磁性材料を用いるとともに、前記支持台にマグネットチャックを用い、前記パターン部材を前記マグネットチャックに吸着する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第２の工程において、前記パターン部材を前記マグネットチャックに吸着する際に、前記パターン部材と前記マグネットチャックの間にシート状部材を挟むことを特徴とする請求項８記載の積層構造体の製造方法。
- 前記シート状部材は、磁性材料であることを特徴とする請求項９記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第３の工程における積層は、常温接合によって前記断面形状部材を接合させながら行うことを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第３の工程における積層は、前記連結部材が機械的応力により破断されることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第３の工程における積層は、前記連結部材が前記パターン部材と前記ターゲット基板との間に電流を流すことにより焼き切られることを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。
- 前記第１の工程は、前記複数の断面形状部材の全部あるいは一部に１つあるいは２つ以上の貫通穴を有するように前記パターン部材を形成し、
前記第３の工程は、前記複数の断面形状部材を積層することにより、前記貫通穴を流体の流路とする熱交換器を形成することを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。 - 前記第１の工程は、前記複数の断面形状部材の全部あるいは一部に１つあるいは２つ以上の貫通穴を有するように前記パターン部材を形成し、
前記第３の工程は、前記複数の断面形状部材を積層することにより、最下層あるいは最上層の前記断面形状部材に形成された３つの前記貫通穴を、それぞれ第１の流体が流入される第１の流入口、第２の流体が流入される第２の流入口、および前記第１および第２の流体を混合した混合流体が流出される流出口とし、前記最下層および前記最上層以外の前記断面形状部材に形成された前記貫通穴を前記第１および第２の流体を混合する領域とするマイクロリアクタを形成することを特徴とする請求項１記載の積層構造体の製造方法。 - 複数の断面形状部材を積層してなる積層構造体において、
最上層の前記断面形状部材は、第１の流体が流入する第１の流入口を有し、
最下層の前記断面形状部材は、第２の流体が流入する第２の流入口を有し、
前記複数の断面形状部材のうち前記最上層および前記最下層の断面形状部材を除く複数の断面形状部材は、前記第１および第２の流入口から流入された前記第１および第２の流体を混合する混合流路が形成され、
前記最上層あるいは前記最下層の前記断面形状部材は、前記混合流路で混合された前記第１および第２の流体の混合流体を流出する流出口を有することを特徴とする積層構造体。
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