JP2005219144A - 樹脂構造体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚０．２〜０．５ミリメートル程度で厚さ方向に微細構造を有する厚膜構造体の製造方法を、紫外線リソグラフィーにより提供する。
【解決手段】本発明の構造体の製造方法は、基板上に光感光性樹脂を塗布する工程と、前記光感光性樹脂のプレベーク工程と、マスクパターンと紫外光励起光源とマスクパターンを透過した光を前記基板上の前記光感光性樹脂に投影する光学系からなる露光装置を使用する露光工程と、前記基板上の前記光感光性樹脂の露光後ベーク工程と、現像工程と、からなる構造体の製造方法であって、前記構造体は最も厚い部分の厚さが０．２から０．５ミリメートルであり、位置によって厚さが異なる構造を有することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波などの電磁波を利用した無線通信装置などに利用される高周波回路および受動デバイスの製造方法に関する。

従来、マイクロ波からミリ波の周波数帯を利用した高周波無線通信装置の回路には、マイクロストリップ回路やコプレーナ回路などの平面回路技術が利用されている。これらは主に、誘電体基板の両面もしくは片面に金などの金属パターンを設けたもので、従来の半導体集積回路形成技術を利用して作成される。具体的には、誘電体基板上に生成した金属層の上に塗布した感光性フォトレジストへの露光により、あらかじめ作成したマスクの２次元パターンがフォトレジストへ転写され、現像過程により形成した転写レジストパターンを用いて下層の金属層を選択的エッチングし、任意の２次元的な金属パターンが形成されるというものである。

また、より複雑な回路構成を小型な基板上に実現するため、上記の過程で形成する誘電体基板からなる回路を積層し、層間をビアホール等で接続する構成の回路も利用されているが、これらは２次元パターンの回路の延長線上にあるものであり、２．５次元回路と言うべきものである。

フィルタやアンテナといった受動デバイスも、これらの２次元パターン回路形成技術を利用して形成されることが多い。

一方、マイクロマシン技術が著しく発達している。マイクロマシンとは、従来の半導体集積回路形成技術を応用し、より基板の厚み方向に加工の自由度をもたせた構造を作りこむことにより、２次元的な発想では形成なし得なかった３次元的な構造を持つデバイスを実現しているものである。例えば高周波回路に関連するものでは、マイクロ共振子や、インダクタ、ＲＦスイッチなどの研究が進められている（参考：マイクロ・ナノマシン技術入門（藤田博之著：工業調査会））。

これらのマイクロマシン・デバイスの多くは開発途上であるが、従来の２次元的形状のデバイスよりすぐれた性能や、小型化、実装が容易な形状とすることなどが大いに期待されている。

このようなマイクロマシンの加工には、厚みのある膜に対して、従来の半導体集積回路形成技術を応用することが必要になる。つまり、パターンの幅に対して、高さ方向が数倍から数十、数百倍に至るような高アスペクト比の加工技術が求められる。そのような加工を可能にする技術として、ＬＩＧＡプロセスがある。これはシンクロトロン放射によるＸ線を光源として用いるもので、Ｘ線の短波長性や高直進性を利用した高アスペクト比の微細加工が可能である。感光材料としては、ＰＭＭＡなどの高分子材料や、エポキシ樹脂であるＳＵ−８などがあった。しかし、高価な設備が必要になるため、特殊用途でしか利用されてこなかった。

一方、ＳＵ−８はｉ線で感光が可能な樹脂である。従来のフォトレジストに比べ厚い膜を形成することが可能で、そのため、紫外線リソグラフィーで高アスペクト比の構造が作製でき、マイクロマシンなどへの応用が期待されている。紫外線リソグラフィーは、水銀灯などを利用した安価な設備で実現できるため、一般に普及した技術であり広く行われている。

なお、ＳＵ−８とはＩＢＭ社で開発されたフォトレジストであり、主成分はビスフェノールＡノボラックで、これに酸発生剤を添加している。紫外線の照射を受けると酸を発生し、加熱することで架橋される（非特許文献１）。
Ｈ Ｌｏｒｅｎｚ、 Ｎ Ｆａｈｒｎｉ、 Ｎ ＬａＢｉａｎｃａ、 Ｐ Ｒｅｎａｕｄ ａｎｄ Ｐ Ｖｅｔｔｉｇｅｒ、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ． ７ （１９９７） ｐｐ１２１−１２４

前述のように、紫外線リソグラフィーによるパターニング・プロセスは容易に設備を整えることができるという特徴がある。またＳＵ−８は厚膜を形成することができるため注目を集めている材料である。しかし、高アスペクト比の構造を作成した報告例は、たかだか厚さ０．１ミリメートル程度の膜のプロセスにとどまっていた。

本発明の目的は、ＳＵ−８を材料とし、紫外線リソグラフィーを加工手段として、厚さ０．２〜０．５ミリメートル程度の膜における3次元的な形状を有する構造体の製造方法を提供することである。

本発明の構造体の製造方法は、基板上に光感光性樹脂を塗布する工程と、
前記光感光性樹脂のプレベーク工程と、
マスクパターンと紫外光励起光源とマスクパターンを透過した光を前記基板上の前記光感光性樹脂に投影する光学系からなる露光装置を使用する露光工程と、
前記露光工程後のの前記光感光性樹脂の露光後ベーク工程と、
現像工程と、を備えた構造体の製造方法であって、
前記構造体は最も厚い部分の厚さが０．２から０．５ミリメートルであり、位置によって厚さが異なる構造を有することを特徴とする、構造体の製造方法。

好ましい実施形態において前記構造体は、厚膜樹脂から構成され、
前記厚膜樹脂の一方の面は平面状で、金属パターンからなる線路を有し、
前記厚膜樹脂の他方の面は仮想的な基準平面からの距離が位置によって各々異なる表面形状を有し、前記厚膜樹脂の他方の面全体に金属部が形成されていることを特徴とする。

好ましい実施形態において、前記厚膜樹脂の他方の面の金属部は面内の一部のみに形成されていることを特徴とする。

好ましい実施形態において、前記厚膜樹脂の他方の面には金属部が形成されていないことを特徴とする。

好ましい実施形態において、紫外線リソグラフィーにより前記構造体を形成する。

本発明の製造方法によれば、ＳＵ−８の紫外線リソグラフィーにより、一般的に広く普及した安価な設備で、ミリメートルにいたるスケールで、高アスペクト比を持つ３次元的な微細構造の回路やデバイスを製造することができる。

ＳＵ−８などの厚膜樹脂を用い、一面に給電線路を有し、対向する面に高アスペクト比の表面形状を有する構造体であり、紫外線リソグラフィーにより作製する。その作製方法を図７に示す。図７は、構造体の表面に金属層、裏面にパターン線路を有するデバイスの作製方法である。作製方法は、裏面の線路の形成（７０１）、樹脂の塗布（７０２）、プレベーク（７０３）、露光（７０４）、露光後ベーク（７０６）、現像（７０７）、リンス及び乾燥（７０８）、基板の剥離・エッチング（７０９）、表面の金属層の形成（７１０）の各工程から構成される。多層化を行う場合は７０２〜７０４の工程を繰り返す（７０５）。このようにして、構造体が作製される。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態を説明する。

（実施形態１）
まずフォトレジスト（ＳＵ−８など）の厚膜を形成する。スピンコーティング法やノズルスキャン塗布法を用いる。スピンコーティング法の場合では、基板を回転させる回転速度や回転時間により所望の膜厚を得ることができる。基板を回転させながら薬液を吐出するダイナミック法と、基板を静止させた状態で吐出するスタティック法がある。ノズルスキャン法は廃液が生じないという特徴があり、主に薬液の固形分濃度により膜厚が決定される。フォトレジストの種類により適切に方法を選ぶことができる。ＳＵ−８では、０．５ミリメートル以上の厚さの膜が一度の塗布で生成できる。

なお、基板材料としては、シリコンなどの半導体、ニッケルなどの金属、サファイヤなどの酸化物単結晶基板、ガラス基板、エポキシ樹脂基板などが考えられる。これらもフォトレジストの種類や工程に応じて選択することができる。

なお、フォトレジストを塗布する前に、基板上に金などの金属層で回路パターンを形成しておき、その上にフォトレジストを塗布し、後の工程で基板から剥離、もしくは基板をエッチングするプロセスにより、パターン回路を有するデバイスの製造プロセスとすることも可能である。

次にプレベークを行う。ホットプレートや乾燥炉を使用して加熱を行う。加熱後は自然冷却して室温まで戻るのを待つ。

次に露光を行う。光源は水銀灯やハロゲンランプを用いる。ＳＵ−８の場合はｉ線を用いるため、フィルターを通して波長３５０ナノメートル以下の光を遮断して利用する。露光の方法は、密着露光・縮小投影露光のいずれも可能である。マスクパターンは、使用する波長をよく吸収する材料を用いて作成する。

次に露光後ベークを行う。プレベークと同様にホットプレートや乾燥炉を使用して加熱をした後、自然冷却して室温まで戻す。

なお、上記の工程によりフォトレジストのパターン化された層が１層形成されるが、フォトレジストの塗布、プレベーク、露光の工程を再度繰り返すことにより、２層以上のパターンの多層化も可能である。その場合は、全ての層の露光を終了した後で露光後ベークを行うことにより、層間の不連続性のないデバイスが作成できる。

次に現像とリンスを行うことで、フォトレジストの未硬化部分を除去し、成形が完了する。

次に硬化したフォトレジストの構造化した面に金属層を生成する。導電ペーストの塗布や電解めっき・無電解めっき・スパッタリング・蒸着などの方法が利用できる。

（実施例１）
以下、本発明の第１の実施形態に係るＳＵ−８を誘電体基板として用いたマイクロストリップ回路の、接地導体側に高アスペクト比の櫛型構造をもつ構造体の実施例を説明する。

シリコン基板１上にクロム犠牲層２を蒸着・スパッタリングなどの方法により形成する。（図２（ａ））。

なお、基板材料はシリコン、犠牲層はクロムという組み合わせに限られるものではない。本実施例では、作成したＳＵ−８厚膜で形成した回路を、ウェットエッチングによりシリコン基板から剥離する場合を示すが、これに従うならば、犠牲層としてＳｉＯ_２やアルミニウム、チタンなどの層を形成することも可能であり、材料に応じてエッチング液を選択すればよい。また、基板自体をエッチングして除去するプロセスによっても、同様のＳＵ−８厚膜回路が実現可能である。また、最終的にシリコン基板を残して利用する場合は、犠牲層は不要となる。

次に、裏面の回路パターンを形成する。パターン回路の形成用に一般的なフォトレジスト３（厚膜フォトレジストである必要はない）を塗布し（図２（ｂ））、パターン回路（本実施例ではストリップ線路）の形状のマスクパターン４−１の露光と現像により（図２（ｃ））、パターン回路に相当する形状のフォトレジストを形成する（図２（ｄ））。金６とクロム２をこの順に蒸着し（図２（ｅ））、フォトレジストをリフトオフすることにより、金とクロム層をパターン回路の形状に形成する（図３（ｆ））。

なお、パターン回路の形成は、上記プロセスに限られるものではなく、リフトオフの代わりとして、不要な部分を異方性エッチングにより除去するプロセスも可能である。パターン回路を形成する金属材料も金とクロムに限られるものではなく、例えば、銅やアルミニウムなどでも実現可能である。

次に、ＳＵ−８の第１層７−１を塗布する（図３（ｇ））。この層はＳＵ−８のベース層となる部分である。本実施例では、ノズルスキャン塗布法により、厚さ０．５ミリメートルのＳＵ−８厚膜を形成した。なお、塗布法はノズルスキャン法に限るものではなく、スピンコーティング法を用いることによっても実現可能である。

次にプレベークを行う。本実施例では、ホットプレートの２段階の昇温の後、自然冷却を行った。なお、プレベークの方法は前記方法に限るものではなく、他に乾燥炉を用いる方法でも実現可能である。

次に露光を行う（図３（ｈ））。第１層はベースになる部分であるので、作成する構造体の外形と同じパターンのマスク４−２を用いて並行投影の紫外線露光（ｉ線）を行った。なお、露光方法は、縮小投影によっても実現可能である。また、光源は、適用するフォトレジストに応じて水銀ランプ、エキシマレーザなどから適切に選択する必要がある。

次に、ＳＵ−８の第２層７−２を塗布する（図４（ｉ））。第２層は、くし型構造となる部分であり、０．１９ミリメートル程度の厚さの膜を形成した。方法はスピンコーティング法、ノズルスキャン塗布法などで実現可能である。さらに、第１層と同等の条件でプレベークを行った。

次に第２層の露光を行う（図４（ｊ））。第２層にはくし型構造を形成するので、前記構造を形成したパターンのマスク４−３を用いて紫外線露光（ｉ線）を行った。照射光の条件などは第１層の露光と同じである。

次に、露光後のベークを行う。本実施例ではホットプレートを用いた２段階昇温を行った後、自然冷却して室温まで戻した。なお、露光後ベークの方法は前記方法に限るものではなく、他に乾燥炉を用いる方法でも実現可能である。

次に、現像を行う。現像液はＭｉｃｒｏＣｈｅｍ社製を利用した。

次に、リンスを行った（図５（ｋ）は結果）。イソプロピルアルコール中で超音波洗浄を行った。

次に、クロム犠牲層のウェットエッチングを行う。エッチング液は、例えばＣｅ（ＮＯ_３）_４２ＮＨ_４ＮＯ_４・ｘＨ_２Ｏ（１６４ｇ）＋ＨＣｌＯ（４３ｍｌ）＋Ｈ_２Ｏ（１ｌ）などである。エッチング後は、パターン回路を有する金層６とＳＵ−８（７−１および７−２）からなる構造体とシリコン基板１が分離される（図５（ｌ））。

なお、犠牲層に他の材料を用いた場合でも、適切なエッチング液を選択して用いることができる。例えば、ＳｉＯ_２を犠牲層として用いた場合のエッチング液は、バッファードフッ酸（ＨＦ＋ＮＨ_４Ｆ）を用いることができる。同様に、アルミニウムを犠牲層として用いた場合は、
７６Ｈ_３ＰＯ_４＋４ＨＮＯ_３＋１５ＣＨ_３ＣＯＯＨ＋５Ｈ_２Ｏ
また、チタンを犠牲層として用いた場合は、
６０ＣＨ_３ＣＯＯＨ（Ｉ_２）＋１５ＨＮＯ_３＋５ＨＦ
を用いることができる。

最後に、銀ペースト８をくし型構造を有する面に塗布し（図５（ｍ））、真空脱気することにより（図６（ｎ））、くし型構造の溝の奥まで導電ペーストを満たすことができる。これを加熱乾燥して、接地導体側にくし型構造を有するマイクロストリップ線路の構造体が完成する（図６（ｏ））。

なお、櫛型構造部への金属層生成は前記の導電ペーストの真空脱気による方法に限られない。例えば、無電解めっきにより銅の層を生成し、その後電気めっきして層を成長させる方法などで実現可能である。

このようにして作成したマイクロストリップ線路の構造体の詳細図を図１に示す。図１はＳＵ−８での構造部のみを示している。それぞれの寸法は以下のとおり．Ｌ１：１０ｍｍ、Ｌ２：１０ｍｍ、Ｌ３：０．５６ｍｍ、Ｘｍ：０．０７５ｍｍ、Ｐｍ：０．０７５ｍｍ、Ｙｍ：２．００ｍｍ、Ｚｍ：０．１９ｍｍ．
以上の結果により、ＳＵ−８を用いて０．２ミリメートル程度の深さの溝の櫛型構造を有するマイクロストリップ線路が作成された。従って、紫外線露光を用いた簡便なプロセスにより、厚さ方向が０．２ミリメートル程度の３次元的な構造の形成が可能になる。

本発明の構造体の製造方法は、０．２ミリメートル程度の深さをもつ構造を有する回路基板やデバイスを、安価な設備で作成する手段として有用である。

本発明の第１の実施形態の実施例に関する具体的な寸法図 本発明の第１の実施形態において、紫外線リソグラフィプロセスを示す図 本発明の第１の実施形態において、紫外線リソグラフィプロセスを示す図 本発明の第１の実施形態において、紫外線リソグラフィプロセスを示す図 本発明の第１の実施形態において、紫外線リソグラフィプロセスを示す図 本発明の第１の実施形態において、紫外線リソグラフィプロセスを示す図 本発明の第１の実施形態における工程の流れ図

符号の説明

１ 基板
２ クロム
３ フォトレジスト
４−１〜４−３ フォトマスクパターン
５ ＵＶ
６ 金
７−１〜７−２ ＳＵ−８
８ 導電ペースト
９ 真空ポンプ

Claims (4)

1. 基板上に光感光性樹脂を塗布する工程と、
   前記光感光性樹脂のプレベーク工程と、
   マスクパターンと紫外光励起光源とマスクパターンを透過した光を前記基板上の前記光感光性樹脂に投影する光学系からなる露光装置を使用する露光工程と、
   前記基板上の前記光感光性樹脂の露光後ベーク工程と、
   現像工程とを、備えた厚膜構造体の製造方法であって、
   前記厚膜構造体は最も厚い部分の厚さが０．２から０．５ミリメートルであり、位置によって厚さが異なる構造を有することを特徴とする、構造体の製造方法。
2. 樹脂から構成され、
   前記樹脂の一方の面は平面状で、金属パターンからなる線路を有し、
   前記樹脂の前記面に対向する面は、位置によって厚さが異なる表面形状を有し、
   前記位置によって厚さが異なる表面形状を有する面上の全体に金属部が形成されていることを特徴とする、樹脂からなる構造体。
3. 前記構造体の位置によって厚さが異なる表面形状を有する面上の金属部は面内の一部のみに形成されていることを特徴とする、請求項２に記載の樹脂からなる構造体。
4. 前記構造体の位置によって厚さが異なる表面形状を有する面上に金属部が形成されていないことを特徴とする、請求項２に記載の樹脂からなる構造体。

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