JP2007204809A

JP2007204809A - ３次元微細構造体の製造方法

Info

Publication number: JP2007204809A
Application number: JP2006024486A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Haga; 剛羽賀
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-08-16

Abstract

【課題】環境負荷が小さく、製造コストの低廉な３次元微細構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】３次元微細構造体１の製造方法は、リソグラフィにより樹脂型３ｂを形成する工程と、導電性基板６上で、樹脂型に金属製の構成部品層１ｂを電鋳により形成する工程と、研磨または研削により平坦化する工程と、樹脂型を除去する工程とを備える構成部品層を形成する第１の工程と、構成部品層上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層２ａ’を形成する第２の工程と、研磨または研削により平坦化する第３の工程とを備える３次元微細構造体の製造方法であって、第１から第３までの工程を複数回繰り返し、構成部品層と低融点金属層とを有する構造体を形成する工程と、得られた構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程とを備えることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、環境負荷が小さく、製造が容易で、コストの安い３次元微細構造体の製造方法に関する。

マイクロマシンなどに使用する３次元微細構造体の製造方法が開発されている。たとえば、複雑な形状を有する３次元微細構造体は、パターン化したマスクを用いて電鋳により製造することができる（特許文献１と２参照）。この方法を図２に示す。まず、図２（ａ）に示すように、導電性基板２９上に、マスク２６ａと支持体２８ａからなるマスク構造体２４ａをセットし、電鋳を行ない、Ｃｕなどの犠牲金属層２２ａを堆積し、マスク構造体２４ａを除去する（図２（ｂ））。つぎに、図２（ｃ）に示すように、マスク２６ｂと支持体２８ｂからなるマスク構造体２４ｂをセットし、電鋳を行ない、Ｔｉなどの構成部品層２１ｂを堆積し、マスク構造体２４ｂを除去する（図２（ｄ））。

同様にして、図２（ｅ）に示すように、マスク２６ｃと支持体２８ｃからなるマスク構造体２４ｃをセットし、電鋳を行ない、犠牲金属層２２ｃを堆積し、マスク構造体２４ｃを除去する（図２（ｆ））。つぎに、図２（ｇ）に示すように、マスク２６ｄと支持体２８ｄからなるマスク構造体２４ｄをセットし、電鋳を行ない、構成部品層２１ｄを堆積し、マスク構造体２４ｄを除去する。その後も、同様に、マスク２６ｅと支持体２８ｅからなるマスク構造体２４ｅにより、犠牲金属層２２ｅを堆積し（図２（ｈ））、マスク２６ｆと支持体２８ｆからなるマスク構造体２４ｆにより、構成部品層２１ｆを堆積する（図２（ｉ））。

このような工程を経て、図２（ｊ）に示すような、基板２９上に、３次元微細構造体２１と犠牲金属層２２とを有する構造体を形成した後、電鋳により形成した犠牲金属層２２をエッチングにより除去すると、図２（ｋ）に示すような、基板２９上に、３次元微細構造体２１を得ることができる。その後、図２（ｌ）に示すように、必要に応じて、基板２９を除去する。
特開２００１−３５５０９５号公報特開２００２−１１７００号公報

しかし、電鋳により形成した犠牲金属層２２のエッチングには長時間を必要とし、大量のエッチング液が必要である。また、エッチング液は環境負荷が大きいため、環境汚染を防止する設備が必要であり、エッチング液の処理コストが高い。さらに、構成部品と犠牲金属との間でエッチングレートが大きく異なる場合にしか適用できないため、選択できる金属の種類が狭い。

本発明の課題は、環境負荷が小さく、製造コストの低廉な３次元微細構造体の製造方法を提供することにある。また、使用できる金属の選択範囲が広い３次元微細構造体の製造方法を提供することにある。

本発明の３次元微細構造体の製造方法は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で、樹脂型に金属製の構成部品層を電鋳により形成する工程と、研磨または研削により平坦化する工程と、樹脂型を除去する工程とを備える構成部品層を形成する第１の工程と、構成部品層上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層を形成する第２の工程と、研磨または研削により平坦化する第３の工程とを備え、第１から第３までの工程を複数回繰り返し、構成部品層と低融点金属層とを有する構造体を形成する工程と、得られた構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程とを備えることを特徴とする。

導電性基板は、チタンまたは銅またはアルミニウム製のコート層を有する金属製の基板が好ましい。構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程の後、基板上のコート層をエッチングすることにより基板を除去することができる。また、基板上のコート層を境にして機械的に引き剥がすことにより基板を除去することができる。低融点金属は、融点が１５０℃以下のものが好ましく、Ｉｎおよび／またはＢｉを含む合金が好ましい。

構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程においては、７０℃以上の温水または沸騰水を用いて、洗浄または加圧洗浄または煮沸により低融点金属層を溶融除去する態様が好ましい。また、１５０℃以上の水蒸気により低融点金属層を溶融除去することができる。

本発明の製造方法は、環境負荷の大きいエッチング液が大量に発生することがないため、環境負荷が小さく、製造コストが安い。

本発明の３次元微細構造体の製造方法は、完成品を構成する部品層を形成する第１の工程と、構成部品層上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層を形成する第２の工程と、研磨または研削により平坦化する第３の工程とを備える。また、第１から第３までの工程を複数回繰り返し、構成部品層と低融点金属層とを有する構造体を形成する工程と、得られた構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程とを備えることを特徴とする。

犠牲金属として低融点金属を選択し、構成部品層上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層を形成し、構成部品層の形成後、低融点金属層のみを溶融除去する。低融点金属層の溶融除去は、温水への浸漬または煮沸などにより容易に行なうことができ、微細部分においても、熱水流または水蒸気を当てることにより、簡単に短時間で行なうことができる。また、犠牲金属層を電鋳により形成した後、エッチング除去する方法と異なり、エッチング液を使用しないため、環境負荷が小さく、製造コストが低廉である。さらに、エッチング廃液の処理が不要であり、エッチングの際に発生する有害ガスの除去なども不要となる。したがって、製造コストをより一層低減することができる。

本発明の３次元微細構造体の製造方法を図１に例示する。この方法は、完成品の構成部品を形成する第１の工程と、構成部品層上に低融点金属層を形成する第２の工程と、研磨または研削により平坦化する第３の工程とを備える。構成部品を形成する第１の工程は、図１（ａ）に示すように、導電性基板６上にレジスト３を形成する。導電性基板として、たとえば、Ｃｕ、Ｎｉ、ステンレス鋼などからなる金属製基板を使用することができる。また、Ｔｉ、Ｃｒなどの金属をスパッタリングしたＳｉ基板などを用いることもできる。レジストには、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂、または紫外線（ＵＶ）もしくはＸ線に感受性を有する化学増幅型樹脂などを用いる。レジストの厚さは、形成しようとする構造体の大きさに合せて任意に設定することができ、たとえば、４０μｍ〜５００μｍとすることができる。

つぎに、レジスト３上にマスク４を配置し、マスク４を介してＵＶまたはＸ線５などを照射する。厚さが１００μｍを超え、高いアスペクト比を有する構造体が必要な場合、または±２μｍ程度の高精度の構造体が必要な場合は、ＵＶ（波長２００ｎｍ）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用するのが好ましい。また、Ｘ線の中でも指向性の高いシンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用する態様がより好ましい。ＳＲを用いるＬＩＧＡ法は、ディープなリソグラフィが可能であり、厚さ数１００μｍの構造体をミクロンオーダの高精度で大量に製造することができる。一方、ＵＶを用いると、コスト面でメリットを追求することができる。

マスク４は、製造する構造体の形状に応じて形成した、ＵＶまたはＸ線５などの吸収層４ａと、透光性基材４ｂとからなる。透光性基材４ｂには、Ｘ線用マスクでは、窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用い、ＵＶ用マスクでは、石英ガラスなどを用いる。また、吸収層４ａには、Ｘ線用マスクの場合は、金、タングステン、タンタルなどの重金属またはその化合物などを用い、ＵＶ用マスクの場合は、クロムなどを用いる。ポジレジストを用いた場合、Ｘ線５またはＵＶの照射により、レジスト３のうち、レジスト３ａは露光され変質するが、レジスト３ｂは吸収層４ａにより露光されない。このため、現像により、変質（分子鎖が切断）した部分３ａのみが除去され、図１（ｂ）に示すように、レジスト３ｂからなる樹脂型が得られる。一方、ネガ型レジストを使用した場合は、逆に露光部が残り、非露光部が除去されるので、ポジ型レジストの場合とは逆のマスクパターンを使用する。

つぎに、図１（ｃ）に示すように、導電性基板６上で、樹脂型に金属製の構成部品層１ｂを電鋳により形成し、研磨または研削により平坦化し、たとえば、３０μｍ〜２００μｍの厚さに調製する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属層を形成することをいう。導電性基板６をめっき電極として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属製の構成部品層１ｂを堆積することができる。金属の材質は、製造する３次元微細構造体に高い靭性および硬度が要求される場合には、ＮｉまたはＮｉ系合金が好ましく、Ｎｉ系合金は、Ｎｉを４０質量％以上含有するものが好ましい。ＮｉまたはＮｉ系合金は、ＬＩＧＡ法による製造に適している点でも好ましい。一方、製造する３次元微細構造体に高い耐熱性が要求される場合には、Ｎｉ−Ｍｎ合金が好適である。Ｍｎの含有量が３質量％以下がより好ましい。電気的な特性が求められる場合には、ＣｕまたはＣｕ系合金が好ましく、ＣｕおよびＣｕ系合金もＬＩＧＡ法による製造に適している点で好ましい。Ｃｕ系合金としては、Ｃｕ−ＳｎまたはＣｕ−Ｚｎなどがある。その後、図１（ｄ）に示すように、ウェットエッチングまたはプラズマエッチングにより、樹脂型を除去する。樹脂型の除去により、構成部品層を形成する第１の工程が完了する。

構成部品層を形成する第１の工程の後、図１（ｅ）に示すように、構成部品層１ｂ上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層２ａ’を形成する第２の工程を実施する。低融点金属は、７０℃以上の温水または沸騰水を用いて、洗浄または加圧洗浄または煮沸により容易に短時間で溶融除去できる点で、融点が９５℃以下の金属が好ましく、８０℃以下がより好ましい。かかる融点を有する金属としては、たとえば、Ｉｎおよび／またはＢｉを含む合金が挙げられ、具体的には、大阪アサヒメタル工場製Ｕ−アロイが好ましい。たとえば、Ｕ−アロイ７８は、融点が７８．８℃であり、Ｉｎ−Ｂｉ−Ｓｎ合金である。Ｕ−アロイ９５は、融点が９５℃であり、Ｂｉ−Ｐｂ−Ｓｎ合金である。また、除去する低融点金属層が構造体の内側にある場合、また複雑で微細な形状を有する場合などにおいては、１５０℃以上の水蒸気を当てることにより低融点金属層を溶融除去する態様が好ましい。Ｕ−アロイ１２４は、融点が１２４℃であり、Ｂｉ−Ｐｂ合金である。金属により、溶融開始点と溶融終結点を有し、これらの溶融区域の中に、降伏点を有する種類があるが、本明細書においては、このような金属の融点は、降伏点を指すものとする。

低融点金属層を形成する第２の工程の後、図１（ｆ）に示すように、研磨または研削により平坦化する第３の工程を実施し、基板６上に、構成部品層１ｂと低融点金属層２ａを有する構造体が得られる。

つづいて、構成部品層を形成する第１の工程（図１（ａ）〜図１（ｄ））と、低融点金属層を形成する第２の工程（図１（ｅ））と、研磨または研削により平坦化する第３の工程（図１（ｆ））とを、さらに繰り返し、構成部品層と低融点金属層とを有する構造体を形成する。すなわち、リソグラフィにより樹脂型を形成し（図１（ｇ））、樹脂型に構成部品層１ｄを電鋳により形成した後、研磨または研削により平坦化し、樹脂型を除去する第１の工程を実施する（図１（ｈ））。その後、構成部品層１ｄ上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層を形成する第２の工程を実施し、研磨または研削により平坦化する第３の工程を実施することにより、構成部品層１ｄと低融点金属層２ｃを有する構造体が得られる（図１（ｉ））。第１〜第３の工程の繰り返し回数は、目的とする３次元微細構造体の形状に応じて任意に設定することができる。

さらに、構成部品層を形成する第１の工程（図１（ａ）〜図１（ｄ））を実施し、構成部品層を有する構造体を形成する。すなわち、製造する３次元微細構造体の形状に応じて、リソグラフィにより樹脂型を形成し（図１（ｊ））、樹脂型に構成部品層１ｆを電鋳により形成した後、研磨または研削により平坦化し、樹脂型を除去する第１の工程を実施する（図１（ｋ））。

つぎに、図１（ｌ）に示すように、構造体中の低融点金属層２ａ，２ｃを溶融して除去することにより、基板６上に、目的の形状を有する３次元微細構造体１が得られる。構造体の微細形状により、また低融点金属の選択などにより、７０℃以上、好ましくは８０℃以上の温水または沸騰水を用いて、洗浄、加圧洗浄または煮沸により低融点金属層を簡単に短時間で溶融除去することができる。また、除去する低融点金属層が構造体の内側にある場合、また複雑で微細な形状を有する場合などにおいては、１５０℃以上の水蒸気を当てることにより低融点金属層を溶融除去する態様が好ましい。

溶融し、除去した低融点金属は、洗浄後、水と既に分離しているため、容易に回収することができる。また、回収した低融点金属および水は、再利用が可能である。したがって、電鋳により形成した犠牲金属層をエッチングにより除去する方法と異なり、環境負荷が小さく、廃液処理および有毒ガスの除去などが不要であり、製造コストが低廉である。

構造体中の低融点金属層を溶融除去した後、図１（ｍ）に示すように、必要に応じて、基板６を除去することができ、３次元微細構造体１が得られる。基板の除去は、酸もしくはアルカリを用いたウェットエッチングにより、または機械的に引き剥がすことにより行なうことができるが、ＴｉまたはＣｕまたはＡｌ製のコート層を有する金属製の基板を用いることにより、エッチングおよび機械的剥離を容易にすることができる。コート層の厚さは、０．１μｍ〜２μｍが好適である。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

環境負荷が小さく、廃液処理および有毒ガスの除去などが不要であり、製造コストの低廉な３次元微細構造体の製造方法を提供することができる。

本発明の３次元微細構造体の製造方法を例示する工程図である。従来の３次元微細構造体の製造方法を例示する工程図である。

符号の説明

１３次元微細構造体、１ｂ，１ｄ，１ｆ構成部品層、２ａ，２ｃ低融点金属層、３レジスト、４マスク、５Ｘ線、６基板。

Claims

リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、
導電性基板上で、前記樹脂型に金属製の構成部品層を電鋳により形成する工程と、
研磨または研削により平坦化する工程と、
樹脂型を除去する工程と
を備える構成部品層を形成する第１の工程と、
構成部品層上に、溶融した低融点金属を充填した後、冷却し、固化して低融点金属層を形成する第２の工程と、
研磨または研削により平坦化する第３の工程と
を備える３次元微細構造体の製造方法であって、
第１から第３までの前記工程を複数回繰り返し、構成部品層と低融点金属層とを有する構造体を形成する工程と、
得られた構造体中の低融点金属層を溶融して除去する工程と
を備えることを特徴とする３次元微細構造体の製造方法。
前記導電性基板は、チタンまたは銅またはアルミニウム製のコート層を有する金属製の基板である請求項１に記載の３次元微細構造体の製造方法。
構造体中の低融点金属層を溶融して除去する前記工程の後、基板上のコート層をエッチングすることにより基板を除去する請求項２に記載の３次元微細構造体の製造方法。
構造体中の低融点金属層を溶融して除去する前記工程の後、基板上のコート層を境にして機械的に引き剥がすことにより基板を除去する請求項２に記載の３次元微細構造体の製造方法。
前記低融点金属は、融点が１５０℃以下である請求項１に記載の３次元微細構造体の製造方法。
前記低融点金属は、Ｉｎおよび／またはＢｉを含む合金である請求項１に記載の３次元微細構造体の製造方法。
構造体中の低融点金属層を溶融して除去する前記工程において、７０℃以上の温水または沸騰水を用いて、洗浄または加圧洗浄または煮沸により低融点金属層を溶融除去する請求項１に記載の３次元微細構造体の製造方法。
構造体中の低融点金属層を溶融して除去する前記工程において、１５０℃以上の水蒸気により低融点金属層を溶融除去する請求項１に記載の３次元微細構造体の製造方法。