JP2014511433A - 三次元構造を製造する方法及び三次元構造 - Google Patents

Abstract

発明は、三次元構造の製造に関する。本発明に係る方法は、複数の粒子が担体要素に塗布又は導入され、複数の粒子の間に形成される複数の空洞が少なくとも一部相互結合され、複数の粒子が互いに接点において接触する段階と、複数の粒子及び担体要素のシステムを被覆する工程によって、複数の粒子を互いに接点において接続させる段階とを備え、被覆工程で形成される層が、複数の空洞に少なくとも一定の程度入り込む。このような方法により、容易に三次元構造を製造することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、三次元構造を製造する方法に関する。

三次元構造を製造する様々な可能性について従来技術で知られている。例えば、様々な射出成形方法が挙げられる。非常に精密な構造を製造できる射出成形方法の一例として、粉末射出成形法がある。

多くの技術分野において、多孔質の三次元構造を、単純で正確な態様で製造できる方法が求められている。

本発明は、多孔質構造形成することが可能であり実行が複雑でない、三次元構造を製造する方法を提案する。

請求項１の特徴を有する方法を使用することにより、及び、請求項１８の特徴を有する三次元構造を使用することにより、上記の課題が達成される。従属項に記載される特徴により、有効な改良及び実施形態が得られる。

本発明によれば、第１粒子が担体要素に塗布される又は配置される。複数の粒子の間に形成される複数の空洞が少なくとも一部相互結合される。接点において、粒子同士が接触する。粒子は、例えば、ナイフコーティングを使用して、塗布される又は配置される。粒子は、任意の形状又は大きさを有してもよい。

複数の粒子が塗布される又は配置されると、接点において粒子同士が接続される。ここで、複数の粒子及び担体要素の構造が被覆されて、この被覆工程の間に生成される層が、空洞の少なくとも一部分に入り込む。被覆材は、望ましくは、常温で固体である。望ましくは、被覆材は、三次元構造での使用に適した温度の全範囲において固体である。したがって、被覆材は、望ましくは、液体ではない。さらに、被覆材は、望ましくは、常温で無視できるほどの蒸気圧を有する、すなわち、被覆材は、三次元構造が使用される通常の期間において、常温で蒸発しない。したがって、被覆材は、不揮発性の安定した層である。信頼性の高い被覆材を提供するべく、被覆材を設ける前及び設ける間は、粒子は乾燥した状態である。

望ましくは、ＣＶＤ法によって堆積される、及び、ＡＬＤ法又はＡＶＤ法によって堆積される任意の材料を、被覆材として使用してもよい。無機酸化物又は金属を堆積することが特に望ましい。酸化アルミニウムが特に好適であることが分かっている。

実施形態によっては、被覆工程の間も空洞が存在する状態のままであってもよい、すなわち、被覆によって粒子間の接続が行われるが、粒子間の空洞の多数が相互に連結したままであってもよい。これに替えて、複数の空洞のうちの少なくとも一部が、層によって閉じられて、空洞が閉気孔を形成してもよい。

配置された粒子の全てを互いに接続する必要はないことに注意されたい。同様に、被覆工程の間に複数の粒子の一部のみを接続することが可能である、すなわち、被覆工程の間に形成される層を、複数の空洞のうちの一部に入り込ませることが可能であるし、複数の空洞の全てに層を入り込ませることも可能である。複数の粒子のうちの実質的に全てが互いに接続される、すなわち、実質的に全ての空洞に層が入り込む場合、担体要素の粒子が塗布された又は配置された領域にも層が形成される。

本技術を適用する分野に応じて、導電粒子又は非導電粒子を使用してもよい。導電材料又は非導電材料を、被覆材として使用してもよい。三次元構造がマイクロ電子部品の要素である場合、導電材料を使用するのが望ましい。

比較的複雑でなく均一な態様で被覆材を設ける方法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）を使用することができ、特に、原子層成長法（ＡＬＤ）又は原子気相成長法（ＡＶＤ）を使用することができる。この場合、被覆材は、望ましくは、気相から成長される。原子層成長法では、気体の状態の２つの異なる構成要素が交互に導入されて、粒子又は担体要素の表面に堆積される。いずれの工程においても、基本的に、１原子層の厚みを有する連続した層が形成される。これにより、特に均一な層が形成される。層の厚みは、主に、第１構成要素と第２構成要素とがどのような頻度で交互に添加されるかによって制御できる。

設けられた層の厚みは、望ましくは、１原子層から５μｍの間であってよく、特に、５ｎｍから１μｍの間又は５０ｎｍから３００ｎｍの間であってよい。薄い層であればあるほど、短時間で形成でき、特に、密度が低く、空隙率の高い多孔質構造を製造できるというという利点を有する。反対に、上記した範囲の上限の厚みを有する層では、強固で信頼性の高い接続性を得られる。

粒子が塗布された又は配置された時に形成される空洞は、被覆されることにより、その体積がわずかに大きくなる。層の体積は、望ましくは、複数の空洞の体積の１％未満であることが望ましい。

本発明の方法では、粒子を、ランダムな方向及び配列に塗布又は配置してもよく、複雑な工程となる規則正しく粒子を配列するような塗布を行う必要はない。粒子は、２０μｍという相対的に小さな直径を有し、望ましくは、１０μｍ未満、より望ましくは、５μｍ未満の直径を有し、粒子がランダムに配置される場合であっても、三次元構造を正確に実現することができる。

被覆工程の間に、担体要素及び／又は粒子が損傷を受けるのを防ぐために、粒子及び担体要素が、少なくとも１００℃、望ましくは、１５０℃又は２００℃の耐熱性を有するのが有益である。上記のような耐熱性を有することによって、使用できる被覆方法の制約を少なくすることができる。また、高い耐熱性を有することにより、粒子が損傷を受ける及び／又は担体要素が過熱するのを心配することなく、方法を短時間で実行することが可能となる。

多孔質性が失われる又は低減してしまうのを防ぐために、粒子が接続される時に、粒子は基本的に不可逆的に変形しない。

望ましい一実施形態では、少なくとも２つの異なる材料で形成される粒子の混合物が配置される。異なる材料とは、少なくとも、互いに、１つの物理的性質又は化学的性質が異なるものを指す。例えば、粒子の硬さ、導電率、熱膨張率、及び／又は、電気化学的パラメータが異なるように選択されてもよい。混合比を異ならせる、ならびに、化学的性質及び物理的性質を異ならせることによって、三次元構造の特性を正確にそして信頼性高く、所望の条件に適合する及び調整することができる。

例えば、粒子の熱膨張率又は粒子の混合比を、担体要素の熱膨張率に調整してもよい。同様に、粒子の熱膨張率又は粒子の混合比を、接続された粒子が配列される構成要素に調整してもよい。

実施形態に応じて、塗布された若しくは配置された複数の粒子の一部のみ、又は、実質的に全ての粒子を、互いに接続させる。担体要素の構造が型で成形される場合には、特に、実質的に全ての粒子を接続する態様が有効である。

被覆工程の前に、複数の粒子を互いにゆるく接触させるように配置してもよい。この場合、被覆材を形成する前に、粒子間の接続を形成するための更なる工程が必要ない。被覆が行われると、このような態様で形成された三次元構造は強固なものとなる。

方法の実施形態に応じて、形成された又は付加された高さ構造を担体要素として使用してもよい。この構造は、望ましくは、接続された粒子により成形される。上記の構成に加えて、更なる凹部又は空洞を、高さ構造として基板に形成してもよい。同様に、構造化が行われた層の配置を、基板に適用してもよい。特に、三次元構造の場合には、凹部を有する基板を電子回路に使用してもよい。接続された複数の粒子は、凹部の対向する両側に配置された２つの要素の間の電気的接続を可能にしてもよい。

シリコン、ガラス又はセラミックで形成された基板が、特に好適であることが分かっている。基板は、例えば、ウエハ又はプレートであってもよい。マイクロエレクトロニクスの分野では、特に、シリコンウエハが好適である。

望ましい一実施形態では、被覆工程の間に、粒子よりも大幅に大きなサイズの要素を埋め込み、これらの要素が、粒子及び担体要素と接続される。例えば、チップ、特に、薄型のチップを埋め込んでもよい。被覆された粒子が、チップのコンタクトとして機能してもよい。このような構成により、薄型のチップの簡単な積層及び接続が可能となる。

実施形態に応じて、浅い空洞を実質的に完全に閉じることを意図したカバー層、及び／又は、粒子の最上層に閉じた層を形成することを意図したカバー層を、粒子及び担体要素の構成の少なくとも一部に適用してもよい。このカバー層は、望ましくは、例えば、研削又は研磨によって、実質的に平坦化される。カバー層が平坦化される場合、例えば、チップのような埋め込まれた大きな要素は、再び露出されてもよい。

別の実施形態では、粒子が被覆及び接続された後で、被覆されなかった担体要素及び場合によっては粒子は、少なくとも部分的に取り除かれる。例えば、エッチング工程によって取り除かれてもよい。担体要素を少なくとも部分的に取り除くことにより、様々な種類の三次元構造を製造することができ、例えば、担体要素の一部を取り除くことにより、接続された粒子を含む多孔質膜を形成してもよい。この多孔質膜を、例えば、担体要素の残りの部分によって形成されたフレームによって保持してもよい。これに替えて、膜の製造するために、担体要素の一部分を取り除くことにより、基板の残りの部分に適用される自己支持構造を形成してもよい。

これに替えて、担体要素を完全に取り除くことができる。そして、接続された粒子を異なる基板に適用してもよい。これにより、担体要素の表面形状を成形することができ、成形された接続された粒子を別の基板に移すことができる。

別の実施形態では、粒子を別の材料に塗布して、接続された粒子の少なくとも一部を、望ましくは、エッチングによって取り除いてもよい。この場合、複数の粒子自体を、犠牲層として使用して、粒子によって形成されている多孔質構造によって、犠牲層を特に簡単に及び短時間で取り除くことが可能となる。

上記で説明した三次元構造を製造する方法に加えて、発明は更に、このような方法を使用した三次元構造に関する。特に、本発明は、複数の粒子が層によって互いに接続されている点において、従来の三次元構造と異なる。粒子は、１つの層に配置されず、接続された粒子が占める空間は、全方向において、個々の粒子の直径よりも大きい。接続された粒子が占める空間は、望ましくは、全ての空間的方向において、粒子の直径の５倍以上の大きさであることが望ましい。

本発明の実施形態例を図面を参照して以下に説明する。

第１の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。 多孔質膜が形成される第２の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。 自己支持構造が形成される第３の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。 三次元構造を形成するべく、接続された粒子を別の基板に移す第４の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。 粒子が犠牲材料として使用される第５の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。 大きな物体が粒子間に埋め込まれる第６の実施形態例に係る三次元構造を製造する方法の様々な工程を示した図である。

図１には、本発明の方法の第１の実施形態が示されている。図１のｃ）に示すように、本方法は、相互結合された複数の粒子３で満たされた空洞２１を有するシリコン担体１を備える三次元構造を形成する。

第１の実施形態の工程では、シリコン基板１に、凹部２１が形成される。そして、図１のｂ）に示すように、複数の粒子２を凹部２１に注ぎ込む及び／又はナイフコーティングすることによって、凹部２１が複数の粒子２で満たされる。複数の粒子２の配置及び向きは、互いにランダムである。

次の工程では、化学気相成長法（ＣＶＤ）を使用して、より精密には、原子層成長法（ＡＬＤ）を使用して、約１００μｍ厚みを有する被覆材を形成する。被覆材を使用して、凹部の底及び凹部に隣接する部分の上に層４を形成するだけでなく、粒子の堆積も行う。凹部２１が満たされた後は、複数の粒子が接点において互いに接触した状態となることから、被覆材が堆積されると共に、粒子が互いに接続されて固められた粒子３による凝集体が形成される。粒子及び担体要素は、多孔質被覆工程の間に、約１００℃から２００℃に加熱される。粒子及び担体要素の材料は、適度な耐熱性を有する。

図示を明瞭に行う目的で、図の縮尺が選択されており、実寸ではない。例えば、凹部は、約４００μｍの深さ及び約８０μｍの幅を有する。例えば、粒子として、直径３ミクロンの酸化アルミニウム粒子が適している。一般的に、図示されているよりも、非常に多くの数の粒子が配置されることに注意されたい。原理的に、如何なる形状及び直径の粒子を選択して使用してもよい。

図２には、本発明の別の実施形態例が示されている。この実施形態では、まず、図１で説明したのと同様に、凹部２１が満たされた状態の基板が製造される。この実施形態では、ＡＬＤ法の処理パラメータが、ＡＬＤ層４が空洞を完全に透過しないように設定される、すなわち、全ての粒子が必ずしも互いに接続されない。そして、図２のｂ）に示すように、基板１の一部が取り除かれて、圧縮された粒子が基板の縁部でのみ固定されるようになり、中央領域６では自己支持膜５が形成される。接続されていない粒子がある場合、この段階で取り除かれる。自己支持膜５の厚みは、例えば、約４０μｍであってもよく、粒子２で満たされる凹部２１に入り込むＡＬＤ層の厚みによって決定される。特に、全ての粒子が接続され、被覆材が空洞２１の底にまで入り込む場合には、自己支持膜５の裏面は、被覆材が形成された時に基板１の表面に形成された実質的に閉じられたＡＬＤ層４によって覆われた状態であってもよい。

ＡＬＤ層４が存在する場合には、次の工程でＡＬＤ層４を除去することができる。例えば、イオンビームエッチングにより除去を行うことができる。本方法によって完成した三次元構造が、図２のｃ）に示されている。

図３には、本発明の第３の実施形態に係る方法の様々な工程におけるワークピースが図示されている。本実施形態では、シリコン基板９及び犠牲材８を備える担体要素７が使用される。例えば、フォトレジストである犠牲材８は、不連続で不均一な厚みで形成され、その結果、凹部２１が形成される。図１を参照して上記で説明したように、凹部に粒子が供給される。この実施形態では、次いで、被覆材がＡＬＤ法により堆積される。例えば、金属を含む層２２を、粒子及び犠牲材の上に形成する。粒子２の間の浅い空洞が、層２２によって閉じられる。犠牲材上に直接接する層２２の領域１１が除去されて、接続された粒子３の領域１０における層２２が、例えば、研削又は研磨によって、平坦化される。層２２の領域１１は、イオンビームエッチングによって除去されてもよい。強い物理的応力を加えることなく、局所的に正確に材料を取り除くことができるその他の方法を使用することもできる。

図３のｃ）に示す次の工程では、犠牲材８を、例えば、化学的エッチング法によって除去する。接続された粒子３及び形成された層２２によって、自己支持構造１３が形成され、自己支持構造１３は、基板９から一定の距離を有して領域１２に延在する。

本発明の方法の実施形態の別の利点が図４に示されている。本方法の第１段階として、図４のａ）からｃ）に示される工程は、図１の方法とほぼ同様である。しかしながら、粒子２が配置される前に、金属層１４が基板１の上部に形成される。凹部２１が粒子２で満たされ、固められた粒子３の部分を形成するべくＡＬＤ層４が形成された後で、基板１が取り除かれる。基板の除去は、例えば、化学的エッチング工程によって行われる。この場合、基板１を溶解し、金属層１４、固められた粒子３又はＡＬＤ層４と反応しない酸が選択される。基板１が取り除かれると、最終的な三次元構造を形成するために、固められた粒子３によって形成され金属層１４で被覆された部材が、別の基板１５に移されるが、部材は、金属層１４が別の基板１５と反対側を向くように配置される。

本発明の第５の実施形態に係る方法の利点が、図５に示す工程によって実現される。第５の実施形態に係る方法では、初めに、孔１７に接続される凹部２３を有する基板１６が用意される。次いで、粒子を凹部２３に配置し、ＡＬＤ層によって粒子を接続する。そして、相互結合された粒子３に隣接して形成されたＡＬＤ層を取り除いて、被覆材が粒子間及び凹部２３の底部にのみ残るようにする。ＡＬＤ層が取り除かれた後、接続されている粒子３に隣接して基板１６上に層１８を形成して、凹部２３の領域内の接続された粒子を完全に覆うようにする。

特に、滑らかな層１８を形成するためには、層１８を形成する前に（特に、相互結合した粒子に隣接するＡＬＤ層を取り除く前に）、上記で説明した図３のカバー層２２のように、カバー層を形成して更に研磨することにより、粒子の表面を平坦化してもよい。そして、粒子が付加された領域に隣接したＡＬＤ層と共にカバー層を除去してもよい。

次の工程では、空洞部２４及び空洞部２４の上側に金属層２０を有する別の基板１９を、凹部２３に配置された粒子３及び層１８を有する基板１６に重ね合わせる。

次の工程では、接続された粒子３、ＡＬＤ層４、及び、表面を滑らかにする層１８を可能とするべく形成されたカバー層（存在する場合）が、三次元構造から取り除かれる。除去は、エッチング工程を使用して行われてもよい。粒子には孔１７からのみアクセス可能であるが、多孔性によって粒子を迅速に除去するのに、エッチングを使用することができる。

上記の方法により、基板１６及び基板１９を備える筐体が形成され、筐体は、封止された空間２５と、孔１７を介して周辺部連通する空間２６とを有する。空間２５と空間２６との間には、本例では、気密性を有する自己支持膜を構成する層１８が配置される。層１８は、金属層２０と共にキャパシタを構成し、キャパシタの容量は、周囲圧力の関数として変化することから、図５のｄ）に示される構成を圧力センサとして使用することができる。

本発明の方法の第６実施形態を、図６を使用して説明する。この実施形態では、第１実施形態で実行された工程と同じ工程が実行される。加えて、粒子２を付加する前に、薄型チップ２７が凹部２１の底部に配置される。複数の粒子同士が接続された後に、別のチップ２８が接続された粒子３の上に配置されて、そこに固定される。そして、基板１、及び、場合によってはＡＬＤ層４を取り除き、２つのチップ２７及び２８の間に接続された粒子３が配置された構造が三次元構造として残される。

上記の実施形態例において、粒子の直径は、所望の態様で変化させてもよい。ＡＬＤ層の厚みも、広い範囲で変更可能である。ＡＬＤ層の厚み及び粒子の大きさに応じて、粒子間に存在する空洞が相互結合されて、開口した空隙を有する多孔質構造が形成される、又は、複数の空隙の少なくとも一部が閉じた状態となり、接続された粒子によって、孔が閉じた材料が形成される。

Claims (19)

1. 三次元構造を製造する方法であって、
   複数の粒子が担体要素に配置又は塗布され、前記複数の粒子の間に形成される複数の空洞が少なくとも一部相互結合され、前記複数の粒子が互いに接点において接触する段階と、
   前記複数の粒子及び前記担体要素を被覆する被覆工程によって、前記複数の粒子を互いに前記接点において接続させる段階とを備え、
   前記被覆工程で形成される層が、前記複数の空洞の少なくとも一部に入り込む方法。
2. 前記被覆工程が、化学気相成長法法（ＣＶＤ）、特に、原子層成長法（ＡＬＤ）又は原子気相成長法（ＡＶＤ）によって実行される請求項１に記載の方法。
3. 前記層が、１原子層から５μｍの間の厚み、望ましくは、５ｎｍから１μｍの間の厚み、より望ましくは、５０ｎｍから３００ｎｍの間の厚みを有する請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記複数の粒子は、ランダムな方向及びランダムな配列で塗布される又は配置される請求項１から３の何れか一項に記載の方法。
5. 前記複数の粒子及び／又は前記担体要素は、少なくとも１００℃、望ましくは、１５０℃又は２００℃の耐熱性を有する請求項１から４の何れか一項に記載の方法。
6. 前記複数の粒子が接続される時に、前記複数の粒子が基本的に不可逆的に変形しない請求項１から５の何れか一項に記載の方法。
7. 少なくとも２つの異なる材料で形成される前記複数の粒子の混合物が配置される請求項１から６の何れか一項に記載の方法。
8. 塗布された又は配置された前記複数の粒子の基本的に全てが、前記層によって互いに接続される請求項１から７の何れか一項に記載の方法。
9. 前記被覆工程の前に、前記複数の粒子が互いにゆるく接触した状態に配置される請求項１から８の何れか一項に記載の方法。
10. 配置された又は塗布された高さ構造を有する基板を用意する段階を更に備え、
    凹部もしくは空洞部、及び／又は、基板に設けられた構造化層が、前記担体要素として使用される請求項１から９の何れか一項に記載の方法。
11. 前記基板は、シリコン、ガラス又はセラミックで形成されている請求項１０に記載の方法。
12. 前記複数の粒子の一粒子あたりの平均体積の少なくとも１０倍の大きさの要素を埋め込む段階を更に備え、
    前記被覆工程の間に、前記要素が、前記複数の粒子及び前記担体要素と接続される請求項１から１１の何れか一項に記載の方法。
13. 前記複数の粒子及び前記担体要素が被覆された後に、カバー層を設ける段階を更に備え、
    前記カバー層の少なくとも一部は、望ましくは、浅い前記複数の空洞を完全に閉じ、
    前記カバー層は、望ましくは、後で平坦化される請求項１から１２の何れか一項に記載の方法。
14. 前記複数の粒子が被覆され接続された後に、前記担体要素、及び、場合によっては被覆されずに残っている前記複数の粒子を、望ましくはエッチングによって、少なくとも部分的に取り除く段階を更に備える請求項１から１３の何れか一項に記載の方法。
15. 前記担体要素の一部が取り除かれた後に、接続された前記複数の粒子が、前記担体要素の残りの部分上で自己支持構造を形成する、又は、自己支持膜を形成する請求項１４に記載の方法。
16. 前記担体要素が完全に取り除かれ、接続された前記複数の粒子が、異なる基板に移される段階を更に備える請求項１４に記載の方法。
17. 別の材料を、接続された前記複数の粒子に塗布する段階を更に備え、
    接続された前記複数の粒子の少なくとも一部が、望ましくはエッチングにより、後で取り除かれる請求項１から１６の何れか一項に記載の方法。
18. 前記被覆工程の間に、安定した不揮発性層が形成され、
    前記不揮発性層は、望ましくは、ＡＬＤ又はＡＶＤのようなＣＶＤ法を使用して形成される材料から構成され、特に望ましくは、金属又は酸化アルミニウムのような無機酸化物から形成されている請求項１から１７の何れか一項に記載の方法。
19. 請求項１から１７の何れか一項に記載の方法によって製造される三次元構造。

Images