JP2006523540A

JP2006523540A - ミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法

Info

Publication number: JP2006523540A
Application number: JP2006508015A
Authority: JP
Inventors: エドウィンイェーガー，; マグナスクロフ，
Original assignee: マイクロマッスルエービー
Priority date: 2003-04-17
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2006-10-19
Also published as: DE602004006742D1; ATE363454T1; WO2004092050A1; EP1620356B1; US20070050969A1; SE526192C2; US7322100B2; EP1620356A1; ES2287719T3; SE0301144L; DE602004006742T2; SE0301144D0

Abstract

膜層およびこの膜層の一面上の第一層およびこの膜層の反対面上の第二層を備えるミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、この方法は、以下：ｄ）膜層が、基板に塗布される工程；ｅ）基板上の窓が、この膜層が、この基板が加工の間にこの膜層を支持するフレームに作製される間に、この膜層の両側から層を添加することを自由に可能にするために、開放される工程；ｆ）少なくとも一つの層が、この膜の各面に、同時に添加されるか、または、一面に一度に添加される工程；ｄ）このデバイスが、切り出され、基板フレームから取り外される工程；を包含する、方法。

Description

（技術分野：）
本発明は、膜層およびこの膜層の一方の側上の第１層およびこの膜層の反対の側上の第２層を備えるミクロ機械加工された層状デバイスを作製する方法に関する。

（背景：）
非常に小さいデバイス（例えば、エレクトロニクス、センサーおよびアクチュエータ）のバッチ加工は、ウエハーハンドリング系に基づき得、ここで、このウエハーは、作製工程の間にその上にデバイスが構築される基板として機能する。このようなデバイスの作製は、主に、スタッキング方法を使用してなされる。このデバイスは、層上に層をスタッキングすることにより構築される。各層は、異なる物質からなり得、異なる厚さを有し得、持続的にデバイスの上に存在し得るか、または外側に閉じ込められ得る。この層の外側の形状は、標準的なフォトリソグラフィー技術および標準的な微細加工技術に基づいたパターン化する工程を含むことによって規定され得る。一般的な微細加工工程は、例えば、イオン拡散、酸化、（例えば、スピンコーティング、物理化学的沈着方法を用いた）金属の沈着、（例えば、湿式エッチング法および乾式エッチング法を用いた）物質の除去である。このような方法の概要については、Ｇ．Ｔ．Ａ．Ｋｏｖａｃｓ，Ｋ．ＰｅｔｅｒｓｅｎおよびＭ．Ａｌｂｉｎ、「Ｓｉｌｉｃｏｎｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ；Ｓｅｎｓｏｒｓｔｏｓｙｓｔｅｍｓ」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、１９９６、６８、ｐ．４０７Ａ−４１２Ａが参照される。最後の工程において、このデバイスは、基板から除去され得る。一般的な方法は、ダイシングおよび犠牲層（ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌｌａｙｅｒ）である。「差示的接着」と呼ばれる方法もまた用いられる。

ダイシングにおいて、デバイス（例えば、シリコンウエハ上に構築される集積回路（コンピュータチップ）は、その後、鋸（ｓａｗ）を用いて切り出される。この場合において、この基板は、製品の一部になる。これは、欠点となり得る。なぜならば、プロセスの間にデバイスを保持する材料に適した特性は、最終的なデバイスに必要な特性と必ずしも関係がないからである。

犠牲層の方法は、基板とデバイスとの間の中間の犠牲層を用いる。このデバイスは、犠牲層の上に構築される。次いで、このデバイスは、例えば、適切なエッチング液または溶媒を使用してこの層を溶解することにより、犠牲層を取り外すことにより基板から解放される。これらのエッチング液または溶媒は、そのデバイスの層を損傷し得る。またこの除去プロセスは、デバイスの大きい範囲に対しては、数時間を要し得る。

差示的接着方法は、基板の最上層とデバイスの下層との間の弱い接着に基づく。このデバイスは、上記微細加工工程を用いて構築される。作製の最終工程として、このデバイスは、このデバイスをゆるく「剥離すること」により基板から取り外される。差示的接着の技術は、ＵＳ６１０３３９９に記載される。

しかし、上記作製方法は全て、これらのプロセスが、ボトムアッププロセスであるという不利益な点を有する。加工には、片側のみが利用可能である。層は、デバイスの一方の側の互いの上端に付加される。このことは、デバイスの底側に付加される目的にかなった材料が、プロセスの間に化学物質によって損傷され得ることを意味する。デバイスの設計に起因して、これらの層は、このプロセスのより後の段階では付加され得ないので、このことは、これらの層が、デバイスの上面になることを意味する。プロセス工程の転換、すなわち、基板上の「最上層」で開始する工程は、常に可能であるというわけではない。例えば、電気メッキ工程および電子重合工程のようなプロセスの場合、電気的に伝導するシード層（ｓｅｅｄｌａｙｅｒ）が必要である。このデバイスは、基板／シード層／エレクトロプレート層としてのみ構築され得、逆は構築され得ない。

（発明の要旨）
従って、本発明の目的は、上記課題を解決することである。

上記課題は、以下の工程を包含する本発明に従った方法により解決される：
ａ）膜層が、基板に塗布される工程；
ｂ）基板上の窓が、膜層が、基板が加工の間にこの膜層を支持するフレームに作製される間に、この膜層の両側から層を添加することを自由に可能にするために、開放され；
ｃ）少なくとも一つの層が、膜の各面に、同時に添加されるか、または、一面に一度に添加される工程；
ｄ）デバイスが、切り出され、基板フレームから取り外される工程。

単語「膜」によって、プロセスの間に、基板部分の間に自由に掛かることもあり、そして、両側からの加工に対して接近可能である材質の一つ以上の層の薄いフィルムが意味される。

表現「層状デバイス」によって、薄いフィルムのいくつかの層からなる製品が意味されるだけでなく、薄いフィルム以外の他の非持続的な構成要素（例えば、外側に模様をつけた構造）を備えるデバイスもまた意味される。

本発明に従う方法は、加工しやすいデバイスの両面を作製する。このようにして、加工のより自由な選択がなされ得る。加工に使用される化学物質に感応性の材料層は、後半の段階で沈着され得る。

本発明に従う方法のさらなる利点は、本発明が、さらなる加工（例えば、エッチング液）なしにデバイスを切り出すことを可能にすることである。
本発明に従う方法の別の利点は、基板が最終デバイスの一部を形成しないことである。上記方法に従って、上記デバイスは、支持フレームから切り出される。これは、先行技術を超える利点である。なぜなら、使用される場合、基板を含むデバイスはかなり厚くなるので、そのデバイスは作動し得なくなるからである。

本発明に従う方法のさらに別の利点は、この方法が壊れやすいデバイスのバッチ製造に適していることである。

異なる方法が、任意の以下の方法を含む方法の工程ｂ）を実施するために使用され得る：レーザーアブレーション、湿式化学エッチング、溶解、および乾式エッチング（反応性イオンエッチングおよびスパッタエッチングを含む）。

異なる方法が、任意の以下の方法を含む方法の工程ｄ）を実施するために使用され得る：湿式化学エッチング、乾式エッチング（反応性イオンエッチングおよびスパッタエッチングを含む）、ダイシング／ソーイング、鋏もしくはナイフでの切り出し、レーザーアブレーション、またはパンチング。

工程ｄ）は、２つの工程に分割され得、ここで、上記デバイスは、第１の工程において部分的に切り出され、次いで活性化され、上記デバイスが上記基板から完全に切り出される工程が続く。工程ｄ）はまた、一工程作業であり得、その後、上記デバイスの切り出しの後の次の工程ｅ）において、上記デバイスが活性化される。

上記方法は、工程ａ）〜ｄ）に加えてさらなる工程を包含し得る。例えばフォトリソグラフィーまたはソフトリソグラフィーを使用する、例えば、付加層の外側の寸法を変更するためのパターン化工程である。

上記基板は、ポリマー材料、半導体材料（例えば、シリコン）、または金属（合金を含む）（例えばチタン）、ステンレス鋼であり得る。ガラスのような他の材料もまた、基板層に適切である。

上記デバイス層（すなわち、最終デバイスの層の全て／任意の層、膜層およびその後に付加された層の両方）は、使用の目的ごとに選択された種々の材料から作製され得る。例えば、デバイス層は、金属、金属酸化物、または金属（金、白金、チタンを含む）の合金、ステンレス鋼、酸化アルミニウム、およびニッケル−チタン合金の層から作製され得る。セラミック（例えば、ヒドロキシアパタイト）もまた、デバイス層として使用され得る。上記デバイス層用の他の適切な材料は、導電性ポリマー（ピロールポリマー、アニリンポリマー、チオフェンポリマー、ｐ−フェニレンポリマー、ビニレンポリマー、およびフェニレンポリマー、ならびにこれらのコポリマー（異なるモノマーの置換形態を含む）を含む）である。

また、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリ−（テトラフルオロエチレン（ｔｅｔｒａｆｌｕｏｒｅｔｈｙｌｅｎｅ））、ポリ−（ジメチルシロキサン）（シリコンゴム）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリエステル、ポリ（塩化ビニル）、ならびにポリエチレン（これらのコポリマーおよび異なるモノマーの置換形態を含む）、エポキシ、ならびに樹脂のようなポリマーが、デバイス層として適している。

本発明はまた、上記の方法により製造されるデバイスに関し、ここでこのデバイスとは、マイクロアクチュエータである。このマイクロアクチュエータとは、μｍ〜ｃｍスケールの外側寸法およびｎｍ〜ｍｍスケールの厚さを有するアクチュエータであることを意味する。

好ましくは、しかし必ずしもでないが、上記方法の工程ａ）〜ｄ）は、アルファベットの順番で行われる。

本発明の実施形態に従って、上記デバイスの膜層は、基板上に沈着される。その後、この基板は、例えば、少なくとも最終デバイスの大きさよりもわずかに大きい領域を覆う膜層の下での湿式化学エッチングにより、選択的に取り外される。ここで、この膜は、基板支持フレームにて自由に取り扱われており、そしてさらなる加工（例えば、いずれかの面または両面に１層以上の層を付加する工程）のために両面から接近され得る。最後の工程において、上記デバイスは、フレームから取り外される。

（発明の詳細な説明）
図１は、本発明の１つの実施形態を開示する。図１において、製造工程が概略的に示される。一例として、電気活性ポリマーアクチュエータの製造方法が示される。しかし、本発明は、このようなデバイスの製造に限定されない。

基板１として、チタンの厚いシートが使用される。この基板は、異なる構造（例えば、ウェーハ、小片、箔、および円盤）であり得、そして異なる材料（金属、半導体、プラスチックおよびガラスを含む）であり得る。この基板は、他の構造でもまた作製され得、ただし、使用可能であるためのパラメータは満たされる。例えば、基板上には付加層のための平面領域が存在する。基板１は、第１の面Ａ、および第２の反対の面Ｂを示す。基板１の面Ａ上には、例えば、熱蒸発またはスパッタリングを使用して、金の膜層２が沈着される（図１Ａ）。その後、フォトレジスト３の層が、従来の様式で基板１の両面上に沈着される（図１Ｂ）。標準的なフォトリソグラフィーを使用して、基板１の面Ｂ上のパターンが開けられる（図１Ｃ）。その後、チタン基板１は、湿式化学エッチングされる。基板１は、金層２に到達するまでエッチングされる。ここで、金膜が製造され、この金膜は一方の面または両面上で加工され得る（図１Ｄ）。アクチュエータデバイスを作製するために、デバイス加工が基板１の面Ｂに対して続けられ、他方面Ａ上の保護フォトレジスト層３は取り外されない。このフォトレジスト層は、面Ｂの加工の間、面Ａを保護する。ポリピロールの層４は、ピロールモノマーおよび塩を含む水性電解質からの電子重合を使用して、金層２の面Ｂ上に沈着される（図１Ｅ）。

上記保護フォトレジスト層３は取り外され（図１Ｆ）、そして例えば、スピンコーティングを使用して、構造ポリマー層５が面Ａに沈着される（図１Ｇ）。

アクチュエータ６はここで仕上げられ、そしてその最終側面形態で基板１から切り出され得る（図１Ｈ）。これは、例えば、湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング、ソーイング、鋏もしくはナイフでの切断、レーザーアブレーション、またはパンチングを使用して行われ得る。図１Ｉは、完成された切り出しデバイスを示す。

図２は、上記アクチュエータ６が基板１から切り出され、取り外された場合に、どのように活性化されるかを示す。図２Ａにおいて、アクチュエータ６は、不活性化の、新たに作製された状態である。図２Ｂにおいて、アクチュエータは活性化されており、曲がった状態である。この種類のアクチュエータは、電気化学的に活性化される。これらの電気化学的ポリマーアクチュエータについてのさらなる情報は、Ｅ．Ｓｍｅｌａ，「ＭｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｏｆＰＰｙｍｉｃｒｏａｃｔｕａｔｏｒｓａｎｄｏｔｈｅｒｃｏｎｊｕｇａｔｅｄｐｏｌｙｍｅｒｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．，１９９９，９（１），１〜１８頁に見出され得る。

上記の加工スキームは、デバイス（この場合において、電気化学的なポリマーアクチュエータ）を製造する一例である。上記方法は、三層アクチュエータを製造する加工に限定されない。当業者は、他の組み合わせが可能であることを理解する。層２、層４および層５は各々、いくつかの層、材料または厚さを含み得る。層４および層５は、連続層である必要はないが、これらはまた、パターン化された構造（例えば、梁、またはロッド形態のエレメント）を含み得る。この構造は、片面または両面上に付加され得る。図３は、このようなデバイスの一例を示す。ここで、４つの材料が使用され、２つがパターン化されている。膜を製造する工程は示されていないが、図１Ａ〜図１Ｄに示される様式に対応する様式で作製され得、その後フォトレジストは取り除かれる。すなわち、図１Ｄに示されているがフォトレジストを有さない構造は、図３Ａでは開始点である。膜の製造の後、第４の材料のパターン化された構造７は、膜の面Ａ上に沈着される（図３Ａ）。その後、第２の層４が面Ｂ上に沈着され（図３Ｂ）、続いてパターン化された第３の層５が面Ａ上に沈着される（図３Ｃ）。最終的に、デバイス８は、基板１から切り出される（図３Ｄ）。図３Ｅは、完成されたデバイス８を示し、これは、基板の外側で使用され得る。

上記デバイスへの材料の付加は、図１および図３に示されるような時間で１つの面に対して行われ得るが、これはまた、両面に対して同時に行われ得る。いくつかの沈着方法（例えば、導電性基板上への電気化学的沈着）は、加工が１つの面にだけ行われる場合、もう１つの面が同様に沈着されないように、もう１つの面は保護されることを必要とする。例えば、フォトレジストの層は、図１Ｄおよび図１Ｅに示されるような目的で使用され得る。他の沈着法（スピンコーティングおよび物理的蒸気沈着を含む）は、１つ面を覆うだけであり、図１Ｆ〜図１Ｇに見られるような保護層を必要としない。材料が付加されている面上の順番は、この方法にとって重要ではないが、加工パラメータ（例えば、付加される材料、デバイス、および製造法）に依存する。全ての材料は、最初に１つの面に沈着され、そして最後にもう１つの面に沈着されるか、またはどちらかの面に交互に沈着される。交互の手段を使用して、上記１層の層または何層かの層が、１つの面に沈着され、次いでもう１つの面に沈着される。

本発明の別の実施形態において、デバイス（例えばマイクロアクチュエータ）は、工程ａ〜ｃに従って製造される（図１Ａ〜図１Ｇ）。その後、このデバイスは、部分的に切り出され、続いてさらに加工される。次に、このデバイスは、完全に切り出され、従って、基板から取り外される。このデバイスがその支持するフレームから取り外されたので、このデバイスは、意図された、例えばマイクロアクチュエータとして使用され得る。この方法を使用する利点は、いくつかのマイクロアクチュエータが１つの反応で活性化され得ることである。

図において、１つのデバイスの製造が示される。上記方法は、多くのこのようなデバイスを単一の基板上に有することにより多くのこのようなデバイスを同時に製造するバッチを包含する。同時に製造されるデバイスは、同一でも異なっていてもよい。

図１は、本発明の１つの実施形態に従う製造工程を概略的に示す。図１は、本発明の１つの実施形態に従う製造工程を概略的に示す。図２は、基板から取り外された後のデバイスおよび活性化状態のデバイスを示す。図３は、本発明の第２の実施形態に従う製造工程を概略的に示す。

Claims

膜層および該膜層の一面上の第一層および該膜層の反対面上の第二層を備えるミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、該方法は、以下：
ａ）膜層が、基板に塗布される工程；
ｂ）基板上の窓が、該膜層が、該基板が加工の間に該膜層を支持するフレームに作製される間に、該膜層の両側から層を添加することを自由に可能にするために、開放される工程；
ｃ）少なくとも一つの層が、該膜の各面に、同時に添加されるか、または、一面に一度に添加される工程；
ｄ）該デバイスが、切り出され、基板フレームから取り外される工程；
を包含する、方法。
請求項１に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、工程ｂ）が、以下の方法：レーザーアブレーション、湿式化学エッチング、溶媒処理、ならびに、反応性イオンエッチングおよびスパッタエッチングを含むドライエッチングのいずれかを介してなされる、方法。
請求項１または２に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、工程ｄ）が、以下の方法：湿式化学エッチング、反応性イオンエッチング、ダイシング／ソーイング、鋏またはナイフによる切断、レーザーアブレーションまたはパンチングのいずれかを介してなされる、方法。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、工程ａ〜ｄが、外側を変化させるために、例えば、フォトリソグラフィーまたはソフトリソグラフィーを用いて模様をつける工程からなり得る、方法。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、前記基板が、高分子材料、シリコンのような半導体材料、チタンのような金属、ステンレス鋼のような合金またはガラスから作製される、方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、該方法は、さらなる層を付加する工程を包含し得、ここで、前記膜層を含む前記層のいずれかが、金属、金属酸化物、または、金、プラチナ、チタン、ステンレス鋼、酸化アルミニウムおよびニッケルチタン合金を含む金属の合金の層からなり得る、方法。またヒドロキシアパタイトのようなセラミックスが、デバイス層として使用され得る。
請求項１〜６のいずれか１項に記載のミクロ機械加工された層状デバイスを作製するための方法であって、該方法は、さらなる層を付加する工程を包含し得、ここで、前記膜層を含む前記層のいずれかが、ピロール、アニリン、チオフェン、パラフェニレン、ビニレン、およびフェニレンポリマーおよび該種々のモノマーの置換された形態を含むこれらのコポリマーからなり得る、方法。
請求項１〜７のいずれか１項に記載のミクロ加工された層状デバイスを作製するための方法であって、該方法は、さらなる層を付加する工程を包含し得、ここで、前記膜層を含む前記層のいずれかが、ポリイミド、ポリアミド、ポリウレタン、ポリ（テトラフルオロエチレン）、ポリ（ジメチルシロキサン）、（シリコンゴム）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリエステル、ポリ（塩化ビニル）、ならびに、これらの種々のモノマーのコポリマーおよび置換された形態を含むポリエチレン、エポキシ樹脂、レジン、ならびに合成物を含むポリマーの層からなり得る、方法。
請求項１〜８のいずれか１項に記載のミクロ加工された層状デバイスを作製するための方法であって、第１の工程ａ）は、前記基板層上に沈着される該デバイスの第１層からなるように実施され；その後、工程ｂ）において、前記最終的なデバイスの大きさより少なくともわずかに大きい領域を覆う該第１層の下で、該基板は、例えば、湿式化学エッチングによって選択的に除去され；その後、工程ｃ）において、前記膜が、前記基板支持フレーム中に自由に掛かり、さらなる加工のために両側から接近され得る場合、さらに少なくとも一つの層が、該膜のいずれかの側に同時に、または一度に一方の側に付加され；その後、工程ｄ）において、該デバイスは、該フレームから取り外される、方法。
請求項１〜９のいずれか１項に記載のミクロ加工された層状デバイスを作製するための方法であって、ここで、工程ｄ）は、二つの工程に分けられ、第１の工程において、該デバイスは部分的に切り出され、次いで、活性化され、その後、該デバイスは、該基板から完全に切り出される、方法。
請求項１〜９のいずれか１項に記載のミクロ加工された層状デバイスを作製するための方法であって、ここで、該デバイスは、アクチュエータであり、該方法は、工程ｅ）を包含し、該アクチュエータが、工程ｄ）の後に、活性化される、方法。
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の方法によって作製された、デバイス。
前記デバイスが、ミクロアクチュエータである、請求項１２に記載のデバイス。