JP2008260114A - ポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造 - Google Patents

Abstract

【課題】少なくとも１つの微細構造の静止部と少なくとも１つの微細構造の可動部からなる微細構造において可動部を変位させる自己組織化構造を提供する。
【解決手段】静止部５３と可動部５４との間に設けた弾性結合部５２は、感光性ポリイミド薄膜材料からなる。ポリイミド弾性結合部５２は、高温リフロープロセスの後に収縮する。硬化したポリイミドの表面張力により、微細構造の自己組織化完了に際して微細構造の可動部を回転させ、持ち上げることが可能となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、弾性結合部としてポリイミド薄膜を用いた自己組織化微細構造を提供する。その微細構造は、簡単、高速且つ経済的な特性を有する集積的小型化平面技術を用いて、従来の自己組織化技術の問題点を解決するものである。

小型化技術の開発と応用は、近代科学の主要トレンドである。特に、自己組織化技術は、近年、ミクロの世界の基礎となる方法である。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により製造された微小回転ファンにおいて、付属書１に示すように、微小回転ファンのスクラッチ駆動アクチュエータ(ＳＤＡ)と微小ブレード構造間の部分は、自己組織化技術とマルチユーザーＭＥＭＳプロセス（ＭＵＭＰｓ）によって形成される。

いわゆる自己組織化技術は、微細構造が、最終解放プロセスの完了後に自己整合するものである。付属書２に示すように、自己組織化技術を用いて製造された従来の微細構造には、以下のような３タイプがある。

タイプ１は、付属書２の図１に示すように、製造プロセスにおける残留応力を用いて、変形を生じさせ、結果として微細構造の変位をもたらす。付属書２の図１はＬｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ社によって開発された三次元微小光学スイッチを示す。

タイプ２は、付属書２の図２に示すように、超音波によって発生した表面音響波を用いて、振動により微細構造をプリセット位置に移動させる。

タイプ３は、ソルダーボール、フォトレジストまたは他のポリマーを用いて、微小ヒンジ上に弾性結合部を形成する。弾性結合部の溶融は高温リフロープロセスによって行われ、このプロセスによって、付属書２の図３に示すように、微細構造を引っ張り上げる表面張力を生じさせる。
Ryan. J. Linderman、Paul. E. Kladitis、Victor. M. Bright、「微小回転ファンの開発」、センサーとアクチュエータ A、 ９５巻、２００２、１３５〜１４２ページ

しかしながら、従来の自己組織化技術によるタイプ１とタイプ２は、静的な用途あるいは固定微細構造に対してのみ適用可能であり、微小ファン用途などの動的あるいは回転微細構造に対しては適していない。

タイプ３の自己組織化技術に関しては、弾性結合部製作に適した多くの材料が用いられている。これらの材料はそれぞれ欠点を有する。ソルダーボールを１例として以下説明する。

鉛汚染： ソルダーボールは錫と鉛（６３Ｓｎ／３７Ｐｂ）からできている。リフロープロセス中には、設備や環境が鉛に汚染される。

高コスト： 表面をマイクロマシン化した微細構造のほとんどは、通常多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）により形成されており、ここで、金パッドの層は、ソルダーボールとＰｏｌｙ−Ｓｉとを相互に接続する被膜として形成されている。この追加プロセスにより、必然的に生産が困難となり、コストが増加する。

低精度： 微細構造の立ち上げ角度あるいは変位を計算するためには、ソルダーボールの寸法が正確に制御されなければならない。しかしながら、従来のソルダーボールは、体積のばらつきが２５％にものぼり、立ち上げ角度や変位の精度が制御不能となる。

手作業処理： 今のところ、ソルダーボールの金パッドへの取付は、いまだ手作業による芯出し処理でおこなわれている。

小型化実現不可： 現時点では、ソルダーボールの最小寸法は１００μｍ以上であり、はんだを用いる装置の最小サイズに限界がある。

フォトレジストにより形成される弾性結合をもう1つの例を参照して説明する。

フォトレジストにより形成される弾性結合の製造プロセスは、ソルダーボールを用いたプロセスほど複雑ではなく、低コストでもある。しかしながら、微細構造の解放にはドライまたはウエットエッチング処理が必要である。

ドライエッチングでは、液体二酸化炭素を用いて微細構造を解放し、水分子を置換して微細構造の吸着効果を防止しているが、この方法に使用される臨界超過ＣＯ２乾燥除去装置は非常に高価であり、このためこのプロセスのコストは比較的高い。

ウエットエッチングでは、余計な製造装置は不要であり、コストはかからない。しかしながら、希フッ化水素酸（ＨＦ）溶液あるいは緩衝酸化物エッチング（ＢＯＥ）を用いて犠牲層をエッチングした後、さらにイソプロピル・アルコール（ＩＰＡ）を塗布し、水分子を急速に気化させる。ＩＰＡはフォトレジストを溶解させる特性を有するため、初めに作られたフォトレジストベースの弾性結合部を損傷する。

つまり、生産コスト、プロセス統合、小型化性能を考慮して、ソルダーボールやフォトレジストにより形成される弾性結合から生じる様々な問題を解決するために、まったく新しい製造プロセスが緊急に求められている。

上記した事情に鑑み、本発明は、ポリイミドベースの薄膜自己組織化構造を提供するものであり、同構造は、微細構造層を有する少なくともの１つの静止部と、微細構造層少なくともの１つの可動部とを具備し、前記静止部と前記可動部との弾性結合部は一体化ポリイミド薄膜からなり、高温リフロープロセス後に、前記弾性結合部から大きな表面張力が発生し、前記微細構造の可動部を回転させ持ち上げ可能とした。

本発明の自己組織化微細構造は以下の特徴を有する。
（１）微細構造層を有する少なくともの１つの静止部と、微細構造層少なくともの１つの可動部とを具備し、前記静止部と前記可動部との弾性結合部は一体化ポリイミド薄膜からなり、高温リフロープロセス後に、前記弾性結合部から大きな表面張力が発生し、前記微細構造の可動部を回転させ持ち上げ可能とした。
（２）微小ファンの自己組織化に適用したことを特徴とする。
（３）前記微小ファンが、本体と一組の微小ブレードとを具備し、前記ポリイミド薄膜を用いて前記弾性結合部を前記本体と前記微小ブレードとの間に形成し、前記リフロープロセスにより、前記弾性結合部に前記表面張力を発生させ前記微小ブレードを回転し持ち上げ可能としたことを特徴とする。
（４）本発明のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造は、微小虫状チップの自己組織化、スクラッチ駆動アクチュエータの自己組織化、微小光学ベンチチップの自己組織化、微小光学スイッチの自己組織化、微小受動素子の自己組織化、に適用できる。前記微小受動素子は、微小誘導体、或いは微小キャパシタであることを特徴とする。

（５）ポリイミド薄膜膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造の製作プロセスは、
ａ．シリコン基板上に犠牲層を蒸着し、前記犠牲層上に低応力微細構造層を蒸着するステップと、
ｂ．前記犠牲層上に形成された低応力微細構造をパターン化しエッチングするステップと、
ｃ．前記微細構造層上にポリイミド薄膜を被覆するステップと、
ｄ．前記ポリイミド薄膜上に形成された弾性結合部をパターン化しエッチングするステップと、
ｅ．前記犠牲層の予め画定された輪郭部をエッチングし除去するためのウエットエッチングプロセスを実行するステップと、
ｆ．ポリイミドのリフロープロセスを実行して弾性結合部を収縮させ、前記微細構造層の予め画定された部分を回転させ持ち上げるステップからなることを特徴とする。

（６）前記犠牲層が燐酸シリケートガラス（ＰＳＧ）であることを特徴とする
（７）前記低応力微細構造層が多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であることを特徴とする。

本発明は、多くの小型化業界に広く適用されるので、従来技術を問題を解決して、低コスト化、製造プロセスの簡素化及び、小型化を図ることができる。

本発明は、図１に示すポリイミド薄膜自己組織化微細構造に関し、その微細構造には、少なくとも１つの微細構造の静止部５３と少なくとも１つの微細構造の可動部を含む。静止部５３と可動部５４との間に置かれた弾性結合部５２は、感光性ポリイミド薄膜材料でできている。ポリイミド弾性結合部５２は、高温リフロープロセスの後に収縮する。硬化されたポリイミドの表面張力により、微細構造の自己組織化完了に際して微細構造の可動部５４を回転させ、持ち上げることができる。

図２に示すように、本発明の自己組織化微細構造の製造プロセスを以下に述べる。

プロセス１：プラズマ助長化学蒸着（ＰＥＣＶＤ）法により犠牲層２０として燐酸シリケートガラス（ＰＳＧ）をシリコン基板１０上に蒸着し、さらに、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）法により微細構造層３０として低応力Ｐｏｌｙ−Ｓｉを犠牲層２０上に蒸着する。

プロセス２：第一のフォトリソグセフィプロセスを行い、微細構造層３０を誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）エッチング法を用いてエッチングし、全体的な輪郭を画定する。

プロセス３：スピンコーターを用いて感光性ポリイミド薄膜４０を微細構造層３０上に蒸着する。

プロセス４：第二のフォトリソグラフィプロセスを行い、ポリイミド弾性結合部４１の形状輪郭を画定する。

プロセス５：ウエハーをＢＯＥ中に浸漬し、犠牲層２０のあらかじめ画定した部分をウエットエッチングし、その後微細構造層を解放する。

プロセス６：高温炉を用いてポリイミド薄膜のリフロープロセスを行うことによって、３８０℃〜４０５℃の高温下で弾性結合部４１が溶融する。付属書３に示すように、加熱されたポリイミド弾性結合部４１は収縮変形し、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ微細構造層３０のあらかじめ画定した部分を回転させ持ち上げる。

先ず最初に、本発明により形成されたポリイミド弾性結合部とソルダーボールのそれぞれの長所と短所を比較してみると以下の通りである。

本発明では、鉛汚染は生じない。

本発明では、連結インターフェースを被覆する金パッドを追加する必要はなく、簡単で費用のかからない製造プロセスを提供することができる。

本発明では、フォトリソグラフィ技術によって、相当高い精度で位置合わせを行い、より良い精度を提供できる。

本発明は、一体的小型化平面自己組織化処理を行うことができる。

本発明の小型化寸法には限界が無い。

さらに、本発明により形成されたポリイミド弾性結合部とフォトレジストを用いて形成されたポリイミド弾性結合部のそれぞれ長所と短所を比較すると以下の通りである。

感光性ポリイミドとフォトレジストは共にポリマー材料として分類されるが、ポリイミドは、より大きい表面張力を有し、同じ微細構造層であればより大きな角度で立ち上げることができる。その結果、本発明は、弾性結合部がＩＰＡによって溶解により損傷を受ける心配が無い。

感光性ポリイミド薄膜は、十分な耐有機溶液性を有するので、費用のかからないウエットエッチングプロセスで形成できる。従って、本発明の製作コストは低く、比較的おさえることができる。

要約すれば、本発明は、製造プロセスを簡素化し、コストを下げ、ソルダーボールやフォトレジストにより形成される弾性結合部から生じる問題を完全に解決することができる。

微小ファンに適用した微小ブレード構造の自己組織化プロセスを以下に示す。

最初に、燐酸シリケートガラス（ＰＳＧ）犠牲層をシリコン基板上に蒸着し、低応力微細構造層を前記犠牲層上に蒸着する。

図３に示すように、Ｐｏｌｙ−Ｓｉ微細構造層をパターン化しエッチングして、フォトリソグラフィプロセスにより本体５０と微小ファンの微小ブレード５１を形成する。

微細構造層を感光性ポリイミド薄膜で被覆する。

フォトリソグラフィプロセスによりポリイミド薄膜をパターン化しエッチングして、微小ブレード５１と本体５０の間に弾性結合部５２を形成する。

ウエットエッチングプロセスを行い微小ブレード層の下方の犠牲層をエッチングし、微小ブレード構造５１を解放する。

最後に、ポリイミドのリフロープロセスを進めることで、弾性結合部５２を収縮し、さらに微細構造の自己組織化の完了に際して微小ブレード５１を回転させ持ち上げる。

上記のポリイミドベースの微細構造設計によって、本発明は、ハンダボールあるいはフォトレジストベースの微細構造から生じる様々な問題を完全に解決する。本発明は多くの小型化業界に広く適用することが可能であるので、従来技術のすべての問題を解決し、低コスト、製造プロセスの単純化および小型化といった要求を満足することができる。従って、本発明は、新規で進歩的なだけではなく、産業上の利用性も有する。

図１は本発明によるシリコン基板上の持ち上げられた状態の微細構造を示す概略図である。 図２は本発明の製造プロセスを示す概略図である。 図３は本発明を適用した未解放自己組織化微小ファンを示す概略図（Ｉ）である。 図４は本発明を適用した開放自己組織化微小ファンを示す概略図（ＩＩ）である。

符号の説明

１０ シリコン基板
２０ 犠牲層
３０ 微細構造層
４０ 感光性ポリイミド薄膜
４１ ポリイミド弾性結合部
５０ 本体
５１ 微小ブレード
５２ 弾性結合部
５３ 静止部
５４ 可動部

Claims (13)

1. 微細構造層を有する少なくともの１つの静止部と、
   微細構造層少なくともの１つの可動部とを具備し、
   前記静止部と前記可動部との弾性結合部は一体化ポリイミド薄膜からなり、高温リフロープロセス後に、前記弾性結合部から大きな表面張力が発生し、前記微細構造の可動部を回転させ持ち上げ可能とした自己組織化微細構造。
2. 微小ファンの自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
3. 前記微小ファンが、本体と一組の微小ブレードとを具備し、前記ポリイミド薄膜を用いて前記弾性結合部を前記本体と前記微小ブレードとの間に形成し、前記リフロープロセスにより、前記弾性結合部に前記表面張力を発生させ前記微小ブレードを回転し持ち上げ可能としたことを特徴とする、請求項２に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
4. 微小虫状チップの自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
5. スクラッチ駆動アクチュエータの自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
6. 微小光学ベンチチップの自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
7. 微小光学スイッチの自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
8. 微小受動素子の自己組織化に適用したことを特徴とする、請求項１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
9. 前記微小受動素子が微小誘導体であることを特徴とする、請求項８に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
10. 前記微小受動素子が微小キャパシタであることを特徴とする、請求項８に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
11. ポリイミド薄膜膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造であって、前記微細構造の製作プロセスは、
    ａ．シリコン基板上に犠牲層を蒸着し、前記犠牲層上に低応力微細構造層を蒸着するステップと、
    ｂ．前記犠牲層上に形成された低応力微細構造をパターン化しエッチングするステップと、
    ｃ．前記微細構造層上にポリイミド薄膜を被覆するステップと、
    ｄ．前記ポリイミド薄膜上に形成された弾性結合部をパターン化しエッチングするステップと、
    ｅ．前記犠牲層の予め画定された輪郭部をエッチングし除去するためのウエットエッチングプロセスを実行するステップと、
    ｆ．ポリイミドのリフロープロセスを実行して弾性結合部を収縮させ、前記微細構造層の予め画定された部分を回転させ持ち上げるステップからなることを特徴とする請求項１記載のポリイミド薄膜膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
12. 前記犠牲層が燐酸シリケートガラス（ＰＳＧ）であることを特徴とする、請求項１１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。
13. 前記低応力微細構造層が多結晶シリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）であることを特徴とする、請求項１１に記載のポリイミド薄膜弾性結合部を用いた自己組織化微細構造。

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