JP3627482B2 - 微小構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層造形方法によって製造される微小ギアや微細光学部品、あるいはこれらを成形する金型等の微小構造体の製造方法に関し、特に、金属あるいは絶縁体からなる薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングし、これらを積層して微小構造体を形成する微小構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層造形方法は、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短納期で造形する方法として近年急速に普及している。積層造形方法で作成された３次元物体は、種々の装置の部品のモデル（プロトタイプ）として、部品の動作や形状の良否を調べるために利用される。この方法が適用される部品のサイズは、数ｃｍ以上の比較的大きな部品が多かったが、近年、精密に加工して形成される微小部品、例えば微小ギアや微細光学部品にもこの方法を適用したいというニーズがある。このようなニーズに対応するものとして、従来より以下の積層造形方法が知られている。
（１） 光造形法（以下「従来例１」という。）
（２） 粉末法（以下「従来例２」という。）
（３） シート積層法（以下「従来例３」という。）
（４） 薄膜を出発材料として用いる方法（以下「従来例４」という。）
【０００３】
図９は、従来例１の光造形法を示す。この「光造形法」は、紫外線等の光照射によって硬化する光硬化性樹脂１００を満たした槽１０１に、上面よりレーザ光１０２を３次元物体の断面形状データに応じて２次元走査を行い、樹脂層１００ａを硬化させ、ステージ１０３を１層分下げ、この工程を繰り返すことにより複数の樹脂層１００ａからなる３次元物体を造形するものである。この光造形法として、名古屋大学の生田らによって文献「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、１９９６、Ｎｏ４、ｐ１０３」に示されたものがある。この光造形法によれば、露光条件の最適化や樹脂特性の最適化等の工夫により平面形状精度５μｍ、積層方向の解像度３μｍを達成することができる。また、大阪大のＫａｗａｔａらによって文献「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＭＥＭＳ ９７， ｐ１６９」に示されたものがある。この光造形法によれば、２光子吸収現象という原理を用いることによって平面形状精度０．６２μｍ、積層方向の解像度２．２μｍを達成することができる。
【０００４】
図１０は、従来例２の粉末法を示す。この「粉末法」は、槽１０１内に粉体１０４を薄く敷き詰め、この薄い層（粉体層）１０４ａにレーザ光１０２を照射することにより粉体層１０４ａを所望の形状の薄層に焼結し、この工程を繰り返すことにより、複数の粉体層１０４ａからなる焼結体の３次元物体を造形するものである。この粉末法によれば、３次元物体として樹脂だけでなく、セラミックスや金属等の造形が可能である。
【０００５】
図１１は、従来例３のシート積層法に係る製造装置を示す図であり、特開平６−１９０９２９号公報に示されているものである。この製造装置において、フィルム供給部１１０からプラスチックフィルム１１１を供給すると、そのプラスチックフィルム１１１は、接着剤塗布部１２０によって下面に光硬化型接着剤１２１が一様に塗布されて接着層が形成され、ネガパターン露光部１３０によって接着層のうち微小構造体の断面形状に対応する領域以外の領域が露光され、硬化部と未硬化部が形成され、光硬化接合部１４０の押さえローラ１４１によって下方に押さえられ、線光源１４２からの光線によって未硬化部が硬化し、下側のプラスチックフィルム１１１に接合する。レーザ切断部１５０は、炭酸ガスレーザ源１５１からのレーザによってプラスチックフィルム１１１の後端を切断するとともに、レーザによって最上層のプラスチックフィルム１１１の不要領域の輪郭を除去する。この工程を繰り返して微小構造体が製造される。なお、同図において、１６０は、本装置を制御するワークステーションである。このシート積層法によれば、プラスチックシートからなる微小構造体が得られる。
【０００６】
図１２は、従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法を示す図であり、特開平８−１２７０７３号公報に示されているものである。この製造方法は、同図（ａ） に示すように、基材１７０に感光性樹脂膜１７１を形成し、同図（ｂ） に示すように、所望のパターンに露光して露光部１７１ａを形成する工程と、同図（ｃ） に示すように、樹脂膜１７１の混合を防止し、下層への露光を妨げる中間膜１７２を形成する工程を繰り返し、同図（ｄ） に示すように、樹脂膜１７１と中間膜１７２からなる多層構造物を形成した後、樹脂の現像液に浸漬して同図（ｂ） ，（ｃ） に示す露光部１７１ａを選択除去して同図（ｄ） に示すように、立体形状の微小構造体を得る方法である。この製造方法を用いれば、樹脂膜１７１と中間膜１７２はスピンコート法等が適用できるため、積層方向の解像度をμｍオーダーにできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例１の光造形法によれば、微小ギアや微細光学部品の製造に必要な積層方向の解像度１μｍ以下、膜厚精度０．１μｍ以下を達成できないという欠点がある。すなわち、出発材料（光硬化樹脂）を硬化させるために、層に垂直に入射する光を用いているため、垂直入射した光は表面から吸収されその強度を弱めながら深く進入していき、やがて硬化に必要な閾値レベル以下になる。そこまでの層の厚みが１層の厚みであるが、これは入射光の強度のばらつき、経時変化、出発材料の吸収係数のばらつき等により変化するため、高解像度化は難しい。
また、光硬化樹脂を用いるため、造形後に行われる完全硬化させるためのフルキュア工程で全体が１％〜数％収縮するという欠点があり、この工程で大幅に精度を落とすことになる。
また、製造できる３次元物体は比較的柔らかな光硬化樹脂に限られるため、金属等の固い材料で目的とする３次元物体を製造する場合は、この樹脂を型として電鋳法や射出成形法等により転写するしかなく、転写工程が必要となるという欠点がある。
【０００８】
また、従来例２の粉末法によれば、従来例１と同様に、層に垂直に入射する光を用いているため、積層方向の解像度が悪く、フルキュア工程における収縮により精度劣化を招く。また、金属等の固い材料の３次元物体を製造する場合は、転写工程を要するという欠点を有している。
【０００９】
また、従来例３のシート積層法によれば、積層方向の解像度はシートの厚さで決まり、その下限はシートの取り扱いを考慮すると数十μｍ程度であり、やはり積層方向の解像度１μｍ以下は不可能である。
【００１０】
また、従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法によれば、露光の工程でほぼ垂直に入射する光を用いるため、下層への露光を防ぐために中間膜（例えばＡｌ）が必要となり、１層当たりの解像度の点で不利になる。また、中間膜を省略するため、感光波長と溶媒の異なる２種類の感光性樹脂を交互に積層し、それぞれを露光し、最後に現像して３次元形状を形成する方法も当該公報に示されているが、溶媒が異なる樹脂同士の密着性に難があり、完成した部品の強度が低いこと、および最後の現像工程で感光性樹脂が膨潤し、寸法精度が悪くなるといった欠点がある。更に、感光性樹脂を用いているため、上記の光造形法と同様に金属や絶縁体等の材料には直接適用することは不可能で、型として使うしかなかった。
【００１１】
一方、微小ギヤのように機械要素として用いられる微小構造体は、一定の機械的強度が要求される。
【００１２】
従って、本発明の目的は、積層方向の解像度が高く、小さな接合荷重でも薄膜間の接合強度が高く、機械的強度の大きな微小構造体を得ることのできる微小構造体の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
平坦な基板上に、表面が少なくとも前記所定の荷重と必要とする前記薄膜間の接合強度とから定まる表面粗さを有するように前記複数の薄膜を形成する形成工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
本発明は、上記の目的を達成するため、微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
基板上に、中間層が所定の硬度を有する金属からなり、少なくとも最上層が前記金属より硬度の低い金属からなる複数層を積層して薄膜を着膜する着膜工程と、
前記着膜工程によって着膜された前記薄膜を前記微小構造体の断面形状にパターンニングして前記複数の薄膜を形成するパターニング工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る積層装置を示す。この積層装置１は、真空槽２を有し、この真空槽２の内部に、複数の薄膜３４を担持した薄膜担持体３を上面４ａに固定されるとともに、その薄膜担持体３をｘ軸方向，ｙ軸方向およびｚ軸周りのθ方向にそれぞれ移動させるｘ−ｙ−θステージ４と、薄膜担持体３のアライメント状態を検出する例えばＣＣＤカメラの如きアライメント検出部５と、ダミー基板６が表面７ａに形成されるとともに、ｚ軸方向に移動するｚステージ７と、ｘ−ｙ−θステージ４側およびｚステージ７側に粒子ビーム８をそれぞれ照射してＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ） 処理する第１の粒子ビーム出射端９Ａおよび第２の粒子ビーム出射端９Ｂと、真空槽２内の真空度を検出する真空計１０とを配設している。なお、「ＦＡＢ処理」とは、粒子ビームとして例えばアルゴン原子ビームを１ｋＶ程度の電圧で加速して材料の表面に照射し、材料表面の酸化膜，不純物等を除去して清浄な表面を形成する処理をいう。本実施の形態では、アルゴン原子ビームの照射条件を処理対象の材料に応じて加速電圧１〜１．５ｋＶ、照射時間１〜１０分の範囲で変更するようにしている。
【００１５】
ｘ−ｙ−θステージ４は、真空中で使用可能なものであり、薄膜担持体３をｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ移動させるｘステージ４０およびｙステージ４１と、ｚ軸周りに回転するθステージ４２とを備える。
【００１６】
ｚステージ７は、例えば、ステンレス，アルミニウム合金等の金属からなる。ダミー基板６は、ｚステージ７上に積層された複数の薄膜３４からなる微小構造体をｚステージ７から容易に取り出せるようにするため、予め、ｚステージ７の表面７ａに形成される。ダミー基板６の材料は、微小構造体の材料に応じて選択する。すなわち、微小構造体をアルミニウム等の金属で形成する場合は、ダミー基板６の材料として銅あるいはニッケルを選択し、ｚステージ７の表面７ａに銅あるいはニッケルをめっき法により例えば約５μｍ着膜する。微小構造体をアルミナ、窒化アルミ、炭化けい素、シリコン窒化膜等の絶縁体であるセラミックスで形成する場合は、ダミー基板６の材料としてアルミニウムを選択し、ｚステージ７の表面７ａにアルミニウムを真空蒸着法等により形成する。後述するようにダミー基板６上に複数の薄膜３４を積層して微小構造体を形成した後、ダミー基板６のみをエッチング除去することにより、微小構造体に外力を加えることなく、微小構造体のみをｚステージ７から容易に分離することができる。
【００１７】
図２は、積層装置１の制御系を示す。積層装置１は、本装置１全体の制御を司る制御部１１を有し、この制御部１１に、制御部１１のプログラムを含む各種の情報（例えばｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報）を記憶するメモリ１２、真空槽２内を真空にする真空ポンプ１３、第１および第２の粒子ビーム出射端９Ａ，９Ｂからそれぞれ粒子ビーム８を照射する第１のＦＡＢ処理部１４Ａおよび第２のＦＡＢ処理部１４Ｂ、ｘステージ４０を構成するｘ軸モータ４０ａおよびｘ軸位置検出部４０ｂ、ｙステージ４１を構成するｙ軸モータ４１ａおよびｙ軸位置検出部４１ｂ、θステージ４２を構成するθモータ４２ａおよびθ位置検出部４２ｂ、ｚステージ７を構成するｚ軸モータ７ｂおよびｚ軸位置検出部７ｃ、上記アライメント検出部５、および上記真空計１０を各々接続している。ｘ軸位置検出部４０ｂ，ｙ軸位置検出部４１ｂ，θ位置検出部４２ｂおよびｚ軸位置検出部７ｃは、例えば、レーザー干渉計やガラススケール等を用いることができる。これらを用いることにより、サブμｍの移動精度を実現できる。
【００１８】
第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂは、１〜１．５ｋＶの加速電圧を対応する第１および第２の粒子ビーム出射端１１Ａ，１１Ｂに付与するものである。
【００１９】
制御部１１は、メモリ１２が記憶するプログラムおよびｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、薄膜担持体３が載置されたｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチで移動させつつ、ｚステージ７の表面７ａにダミー基板６を介して複数の薄膜３４を所定の荷重を加えて順次接合することにより、複数の薄膜３４を積層してなる微小構造体を形成するように積層装置１の各部を制御するようになっている。
【００２０】
次に、上記構成の積層装置１を用いた微小構造体の製造方法を説明する。
【００２１】
図３（ａ） 〜（ｄ） は、着膜工程およびパターンニング工程を示す。
（１） 着膜
まず、同図（ａ） に示すように、基板３１としてシリコンウェハを準備し、この基板３１の上にポリイミド３２を８μｍスピンコーティング法により形成する。そして真空処理装置内に導入し、ＣＦ４ ガスによるプラズマ処理を施し、ポリイミド３２の表面をふっ化する。この工程により、この上に形成される薄膜３４が接合後容易に剥離できるようにするための離型層３３が形成される。なお、このふっ化処理は、この上に形成される薄膜３４の剥離を容易にするためのものであるが、必ずしも必要ではない。
次に、同図（ｂ） に示すように、スパッタリング法によりＡｌ薄膜３４ａを着膜する。本実施の形態では、インライン型のスパッタリング装置を用い、ターゲットには、高純度Ａｌを使用し、スパッタ圧力０．５Ｐａ、基板３１の温度は室温とした。ターゲットに直流電圧を印加し、放電領域に基板３１を搬送させると、一度の通過で厚さ０．５μｍのＡｌ薄膜３４ａが着膜した。一旦放電を止め、基板３１を最初の位置に戻し、二度目の放電および搬送を行うことにより、厚さ０．５μｍのＡｌ薄膜３４ｂが着膜し、合計膜厚１μｍの２層膜が形成された。この表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したところ、算術平均粗さＲａを４ｎｍと小さくすることができた。薄膜３４の着膜を一旦停止すると、結晶粒の連続成長が妨げられて最表面の結晶粒が小さくなるため、薄膜３４を多層に形成することにより、膜厚１μｍの薄膜３４を連続膜で形成する場合と比べて表面粗さが小さくなる。なお、薄膜３４は、２層でも、４層以上でもよい。
【００２２】
（２） パターンニング
次に、同図（ｃ） に示すように、基板３１上に形成した薄膜３４の表面にフォトレジスト３５を塗布し、通常のフォトリソグラフィー法によりフォトマスクを用いて薄膜３４をエッチングし、微小構造体３０の断面形状のパターン（断面パターン）を一括して形成する。本実施の形態ではドライエッチング法を用いた。引き続き、同じフォトマスクを用いてポリイミド３２を約３μｍエッチバックする。エッチングにはＡｌのエッチングと同様にドライエッチング法を用い、ガスとしてＣＦ４ とＯ２ を用いた。
その後、同図（ｄ） に示すように、レジスト３５を剥離して薄膜担持体３を得る。基板３１上に、所定のピッチで複数の薄膜３４が形成される。
【００２３】
（３） 薄膜担持体３の真空槽２への導入
薄膜担持体３を真空槽２内の下部にあるｘ−ｙ−θステージ４の上面４ａに固定する。このとき、ｘ−ｙ−θステージ４のθステージ４２に起立してある図示しない３つの位置決めピンに当接するように薄膜担持体３を配置する。
【００２４】
（４） アライメント調整
オペレータは、アライメント検出部５で薄膜担持体３を拡大観察しながら、ｘ薄膜担持体３のｘ軸方向およびｙ軸方向とｘ−ｙ−θステージ４のｘ軸方向およびｙ軸方向とが一致するようにθステージ４２を調整する。そして、ダミー基板６の直下に第１層の薄膜３４が概略位置するようにｘ−ｙ−θステージ４を位置決めする。なお、この工程はｘ−ｙ−θステージ４のｘ軸方向およびｙ軸方向と薄膜担持体３のｘ軸方向およびｙ軸方向とを合わせる作業なので、特に真空槽２内で行う必要はなく、ステージ４を真空槽２の外に取り出して普通の顕微鏡を用いて行ってもよい。
【００２５】
（５） 真空槽２内の排気
オペレータが、積層装置１の図示しない排気スイッチを押下すると、制御部１１は、真空計１０の検出値に基づいて真空ポンプ１３を制御して真空槽２内を１０−６Ｐａ台まで排気し、真空槽２内を高真空状態あるいは超高真空状態にする。
【００２６】
（６） ＦＡＢ処理
制御部１１は、図１に示すように、第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂを制御して第１の粒子ビーム出射端９Ａからダミー基板６の表面にアルゴン原子ビーム８を照射し、第２の粒子ビーム出射端９Ｂから薄膜３４の表面にアルゴン原子ビーム８を照射してＦＡＢ処理を施す。本実施の形態では、アルゴン原子ビーム８を１．５ｋＶの加速電圧で斜め４５度の角度から５分間照射し、表面約５ｎｍの汚染層を除去した。
【００２７】
（７） 薄膜転写
図４は、薄膜３４の表面粗さと接合強度の関係を示す。なお、同図において、Ｆ０ はバルク強度を示し、Ｐ１ 〜Ｐ４ は薄膜３４を接合する際の荷重を示す。薄膜３４の接合強度は、表面粗さが大きくなる程、また、荷重Ｐが小さい程低下する傾向にある。従って、本実施の形態では、接合強度をバルク強度Ｆ０ 並みにするため、接合強度がバルク強度Ｆ０ から下降しはじめる点Ｖ１ 〜Ｖ４ に対応する表面粗さＲａ１ 〜Ｒａ４ の薄膜を使用している。これにより、必要最小限の荷重Ｐを用いることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２８】
図５（ａ） ，（ｂ） は、転写工程を示す。制御部１１は、図５（ａ） に示すように、ｚ軸位置検出部７ｃの検出信号に基づいてｚ軸モータ７ｂを制御してｚステージ７を下降させてダミー基板６をｘ−ｙ−θステージ４上の薄膜担持体３に接近させ、清浄なダミー基板６の表面と清浄な第１層の薄膜３４の表面とを接触させ、所定の荷重（例えば、５０ｋｇｆ／ｃｍ２ ）を加えて所定の時間（例えば５分間）押し付ける。これにより、ダミー基板６と第１層の薄膜３４の表面とが強固に接合される。
その後、図５（ｂ） に示すように、ｚステージ７を元の位置に復帰させる。離型層３３と薄膜３４との接合力をｆ１ 、薄膜３４，３４同士の接合力をｆ２ 、薄膜３４とダミー基板６との接合力をｆ３ としたとき、ｆ２ ＞ｆ３ ＞ｆ１ の大小関係となるようにダミー基板６、離型層３３および薄膜３４の材料を選択している。従って、薄膜３４は薄膜担持体３側からｚステージ７側に転写される。
【００２９】
次に、制御部１１は、図６（ａ） に示すように、メモリ１１が記憶するプログラムおよびｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、ｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチ移動させる。これにより、ｚステージ７の直下に第２層の薄膜３４が位置する。
【００３０】
以下同様に、第２層の薄膜３４に対しＦＡＢ処理・転写することにより、第１層の薄膜３４の上に第２層の薄膜３４が積層される。最初の工程との唯一の違いは、ＦＡＢ処理工程において、２回目のときはｚステージ７上のダミー基板６の表面にアルゴン原子ビーム８を照射するのではなく、第１層の薄膜３４の裏面（それまで基板３１に離型層３３を介して接触していた面）に照射し、そこを清浄化することである。
【００３１】
図６（ｂ） は、完成した微小構造体を示す。上述した工程を薄膜３４の数だけ繰り返すことにより、複数の薄膜３４が積層され、ｚステージ７上のダミー基板６上に微小構造体３０が完成する。その後、ダミー基板６を除去することにより、微小構造体３０が得られる。
【００３２】
上記の構成によれば、以下の効果が得られる。
（イ） 膜厚１．０μｍの複数の薄膜３４を順次積層して微小構造体３０を製造しているので、積層方向の高解像度化が可能になる。
（ロ） 薄膜３４の表面粗さを１０ｎｍ以下にすることにより、実効的な接合面積が増加して薄膜３４間の接合強度を必要十分に大きくすることができるが、上記実施の形態では５ｎｍ以下にしているので、実効的な接合面積がより増加するので、小さな接合荷重でも接合強度をバルクのＡｌ並みにすることができ、機械的強度の高い微小構造体を製造することができた。
【００３３】
図７は、第２の実施の形態に係る製造方法を示す。この製造方法は、第１の実施の形態とは、薄膜３４の形成方法が異なり、他は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態では、図３（ｂ） に示す薄膜３４の着膜工程において、２つのターゲットを装着できるインライン型のスパッタリング装置を用い、一方のターゲットに高純度アルミニウムを用い、他方のターゲットにアルミニウム合金（Ａｌ−２％Ｃｕ合金）を用いた。そして最初に高純度Ａｌのターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させて図７に示すように高純度Ａｌ薄膜３４０を０．１μｍ着膜させた。放電を一旦停止し、基板３１を元の位置に戻し、今度はＡｌ−２％Ｃｕ合金のターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させてＡｌ−Ｃｕ合金薄膜３４１を０．８μｍ着膜させた。Ａ−Ｃｕ合金薄膜３４１は、高純度Ａｌ薄膜３４０に比べ、微量なＣｕ原子の存在により粒径が大きくなり難いため、膜厚を厚く形成しても表面粗さが大きくなり難い。また、この着膜の方法も、一度に０．８μｍを着膜してもよいが、第１の実施の形態と同様に複数回に分けて０．８μｍのＡｌ−Ｃｕ合金薄膜３４１を形成した方が表面粗さが小さくなるため、より望ましい。また、Ａｌ−Ｃｕ合金を用いることにより、剛性が純Ａｌよりも高いため、微小構造体の機械的強度を大きくできる。
次に、再び、高純度Ａｌのターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させて高純度Ａｌ薄膜３４０を０．１μｍ着膜させた。このような工程により、最上層と最下層を高純度Ａｌから形成し、中間層を機械的強度の高いＡｌ−Ｃｕ合金から形成することができた。この表面粗さをＡＦＭで測定したところ、Ｒａ＝２ｎｍを得た。
【００３４】
上記構成によれば、この薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングして積層転写したところ、Ａｌ−Ｃｕ合金のバルク並みの強度を有する微小構造体が得られた。
【００３５】
なお、薄膜３４の最上層と最下層を高純度Ａｌの替わりに金（Ａｕ）を用いてもよい。これによっても同様に機械的強度の大きな微小構造体を形成できた。ＡｕはＡｌよりも更に柔らかいため、圧接時に容易に変形し易く、実効的に広い面積で接合し易いが、Ａｕ自身の機械的強度が小さいため、膜厚は０．０５μｍと薄くした。また、Ａｕに限らず、他の比較的柔らかな金属でも同様の効果がある。
また、最上層のみをＡｌあるいはＡｕ等の材料で形成しても機械的強度の大きな微小構造体を形成できた。その理由は、薄膜パターンを積層転写した後、表面から露出する面は、それまで離型層３２の表面に倣って表面粗さが元々小さいからである。
また、中間層は、Ａｌ−Ｃｕ合金に限らず、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金や他のＡｌ以外を主成分とする金属やＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ 等の絶縁材料でもよい。
また、中間層は、２層以上の多層膜として形成してもよい。連続膜として形成する場合と比べ、小さい表面粗さを得る点で有利である。
【００３６】
図８（ａ） ，（ｂ） は、本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す。但し、薄膜の表面は凹凸を誇張して表している。この製造方法は、第１の実施の形態とは、薄膜３４の形成方法が異なり、他は第１の実施の形態と同様である。第１の実施の形態と同様に、基板３１の上にポリイミド３２を形成し、離型層３３を形成する。スパッタリング装置によってＡｌの薄膜３４を１μｍ着膜する。この時の表面粗さはＲａ＝１５ｎｍであった。次に、この薄膜３４の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ） 装置の研磨パッド１５を用いて数分間研磨することにより、表面粗さがＲａ＝２ｎｍに改善された。
【００３７】
上記構成によれば、この薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングして積層転写したところ、Ａｌのバルク並みの強度を有する微小構造体が得られた。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々な変形が可能である。例えば、薄膜３４は、表面粗さが大きい場合（例えば１０ｎｍを超えている場合）でも、薄膜３４を複数層から構成し、中間層を硬度の高い金属から形成し、最上層および最下層を硬度の低い金属から形成してもよい。この場合に、例えば、中間層をアルミニウム合金から形成し、最上層および最下層を高純度アルミニウムから形成してもよく、最上層および最下層を金を主成分とする材料から形成してもよい。このように構成することにより、最上層および最下層の表面の突部が接合荷重によって塑性変形し、実効的な接合面積が増加して薄膜間の接合強度が向上し、機械的強度の大きな微小構造体を得ることができる。
また、上記実施の形態では、基板上への薄膜の着膜方法として、スパッタリング法について説明したが、電子ビーム加熱蒸着法，抵抗加熱蒸着法，化学蒸着法等の他の真空蒸着法やスピンコート法を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、膜厚制御性が良好で基板全体に渡って膜厚均一性に優れたスパッタリング法等の着膜方法を用いて基板上に複数の薄膜を形成できるので、積層方向の高解像度化が可能になる。
また、表面が所定の表面粗さを有する薄膜を所定の荷重で接合しているので、小さな接合荷重でも薄膜間の接合強度が高く、機械的強度の大きな微小構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る積層装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る積層装置の制御系を示すブロック図である。
【図３】（ａ） 〜（ｄ） は着膜工程およびパターンニング工程を示す図である。
【図４】Ａｌ薄膜の表面粗さと接合強度の関係を示す図である。
【図５】（ａ） ，（ｂ） は転写工程を示す図である。
【図６】（ａ） は転写工程を示す図、（ｂ） は完成した微小構造体を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図８】（ａ） ，（ｂ） は本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図９】従来例１の光造形法を示す模式図である。
【図１０】従来例２の粉末法を示す模式図である。
【図１１】従来例３のシート積層法に係る製造装置を示す図である。
【図１２】（ａ） 〜（ｄ） は従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 積層装置
２ 真空槽
３ 薄膜担持体
４ ｘ−ｙ−θステージ
４ａ ｘ−ｙ−θステージの上面
４ｂ 位置決めピン
５ アライメント検出部
６ ダミー基板
７ ｚステージ
７ａ ｚステージの表面
７ｂ ｚ軸モータ
７ｃ ｚ軸位置検出部
８ 粒子ビーム
９Ａ 第１の粒子ビーム出射端
９Ｂ 第２の粒子ビーム出射端
１０ 真空計
１１ 制御部
１２ メモリ
１３ 真空ポンプ
１４Ａ 第１のＦＡＢ処理部
１４Ｂ 第２のＦＡＢ処理部
１５ 研磨パッド
３０ 微小構造体
３１ 基板
３２ ポリイミド
３３ 離型層
３４，３４ａ，３４ｂ Ａｌ薄膜
３５ フォトレジスト
４０ ｘステージ
４０ａ ｘ軸モータ
４０ｂ ｘ軸位置検出部
４１ ｙステージ
４１ａ ｙ軸モータ
４１ｂ ｙ軸位置検出部
４２ θステージ
４２ａ θモータ
４２ｂ θ位置検出部
３４０ 高純度Ａｌ薄膜
３４１ Ａｌ−Ｃｕ合金薄膜
Ｆ０ バルク強度
Ｐ１ 〜Ｐ４ 接合荷重
Ｒａ１ 〜Ｒａ４ 表面粗さ
Ｖ１ 〜Ｖ４ 接合強度がバルク強度から下降しはじめる点
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層造形方法によって製造される微小ギアや微細光学部品、あるいはこれらを成形する金型等の微小構造体の製造方法に関し、特に、金属あるいは絶縁体からなる薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングし、これらを積層して微小構造体を形成する微小構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層造形方法は、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短納期で造形する方法として近年急速に普及している。積層造形方法で作成された３次元物体は、種々の装置の部品のモデル（プロトタイプ）として、部品の動作や形状の良否を調べるために利用される。この方法が適用される部品のサイズは、数ｃｍ以上の比較的大きな部品が多かったが、近年、精密に加工して形成される微小部品、例えば微小ギアや微細光学部品にもこの方法を適用したいというニーズがある。このようなニーズに対応するものとして、従来より以下の積層造形方法が知られている。
（１） 光造形法（以下「従来例１」という。）
（２） 粉末法（以下「従来例２」という。）
（３） シート積層法（以下「従来例３」という。）
（４） 薄膜を出発材料として用いる方法（以下「従来例４」という。）
【０００３】
図９は、従来例１の光造形法を示す。この「光造形法」は、紫外線等の光照射によって硬化する光硬化性樹脂１００を満たした槽１０１に、上面よりレーザ光１０２を３次元物体の断面形状データに応じて２次元走査を行い、樹脂層１００ａを硬化させ、ステージ１０３を１層分下げ、この工程を繰り返すことにより複数の樹脂層１００ａからなる３次元物体を造形するものである。この光造形法として、名古屋大学の生田らによって文献「ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ、１９９６、Ｎｏ４、ｐ１０３」に示されたものがある。この光造形法によれば、露光条件の最適化や樹脂特性の最適化等の工夫により平面形状精度５μｍ、積層方向の解像度３μｍを達成することができる。また、大阪大のＫａｗａｔａらによって文献「Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＭＥＭＳ ９７， ｐ１６９」に示されたものがある。この光造形法によれば、２光子吸収現象という原理を用いることによって平面形状精度０．６２μｍ、積層方向の解像度２．２μｍを達成することができる。
【０００４】
図１０は、従来例２の粉末法を示す。この「粉末法」は、槽１０１内に粉体１０４を薄く敷き詰め、この薄い層（粉体層）１０４ａにレーザ光１０２を照射することにより粉体層１０４ａを所望の形状の薄層に焼結し、この工程を繰り返すことにより、複数の粉体層１０４ａからなる焼結体の３次元物体を造形するものである。この粉末法によれば、３次元物体として樹脂だけでなく、セラミックスや金属等の造形が可能である。
【０００５】
図１１は、従来例３のシート積層法に係る製造装置を示す図であり、特開平６−１９０９２９号公報に示されているものである。この製造装置において、フィルム供給部１１０からプラスチックフィルム１１１を供給すると、そのプラスチックフィルム１１１は、接着剤塗布部１２０によって下面に光硬化型接着剤１２１が一様に塗布されて接着層が形成され、ネガパターン露光部１３０によって接着層のうち微小構造体の断面形状に対応する領域以外の領域が露光され、硬化部と未硬化部が形成され、光硬化接合部１４０の押さえローラ１４１によって下方に押さえられ、線光源１４２からの光線によって未硬化部が硬化し、下側のプラスチックフィルム１１１に接合する。レーザ切断部１５０は、炭酸ガスレーザ源１５１からのレーザによってプラスチックフィルム１１１の後端を切断するとともに、レーザによって最上層のプラスチックフィルム１１１の不要領域の輪郭を除去する。この工程を繰り返して微小構造体が製造される。なお、同図において、１６０は、本装置を制御するワークステーションである。このシート積層法によれば、プラスチックシートからなる微小構造体が得られる。
【０００６】
図１２は、従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法を示す図であり、特開平８−１２７０７３号公報に示されているものである。この製造方法は、同図（ａ） に示すように、基材１７０に感光性樹脂膜１７１を形成し、同図（ｂ） に示すように、所望のパターンに露光して露光部１７１ａを形成する工程と、同図（ｃ） に示すように、樹脂膜１７１の混合を防止し、下層への露光を妨げる中間膜１７２を形成する工程を繰り返し、同図（ｄ） に示すように、樹脂膜１７１と中間膜１７２からなる多層構造物を形成した後、樹脂の現像液に浸漬して同図（ｂ） ，（ｃ） に示す露光部１７１ａを選択除去して同図（ｄ） に示すように、立体形状の微小構造体を得る方法である。この製造方法を用いれば、樹脂膜１７１と中間膜１７２はスピンコート法等が適用できるため、積層方向の解像度をμｍオーダーにできる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来例１の光造形法によれば、微小ギアや微細光学部品の製造に必要な積層方向の解像度１μｍ以下、膜厚精度０．１μｍ以下を達成できないという欠点がある。すなわち、出発材料（光硬化樹脂）を硬化させるために、層に垂直に入射する光を用いているため、垂直入射した光は表面から吸収されその強度を弱めながら深く進入していき、やがて硬化に必要な閾値レベル以下になる。そこまでの層の厚みが１層の厚みであるが、これは入射光の強度のばらつき、経時変化、出発材料の吸収係数のばらつき等により変化するため、高解像度化は難しい。
また、光硬化樹脂を用いるため、造形後に行われる完全硬化させるためのフルキュア工程で全体が１％〜数％収縮するという欠点があり、この工程で大幅に精度を落とすことになる。
また、製造できる３次元物体は比較的柔らかな光硬化樹脂に限られるため、金属等の固い材料で目的とする３次元物体を製造する場合は、この樹脂を型として電鋳法や射出成形法等により転写するしかなく、転写工程が必要となるという欠点がある。
【０００８】
また、従来例２の粉末法によれば、従来例１と同様に、層に垂直に入射する光を用いているため、積層方向の解像度が悪く、フルキュア工程における収縮により精度劣化を招く。また、金属等の固い材料の３次元物体を製造する場合は、転写工程を要するという欠点を有している。
【０００９】
また、従来例３のシート積層法によれば、積層方向の解像度はシートの厚さで決まり、その下限はシートの取り扱いを考慮すると数十μｍ程度であり、やはり積層方向の解像度１μｍ以下は不可能である。
【００１０】
また、従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法によれば、露光の工程でほぼ垂直に入射する光を用いるため、下層への露光を防ぐために中間膜（例えばＡｌ）が必要となり、１層当たりの解像度の点で不利になる。また、中間膜を省略するため、感光波長と溶媒の異なる２種類の感光性樹脂を交互に積層し、それぞれを露光し、最後に現像して３次元形状を形成する方法も当該公報に示されているが、溶媒が異なる樹脂同士の密着性に難があり、完成した部品の強度が低いこと、および最後の現像工程で感光性樹脂が膨潤し、寸法精度が悪くなるといった欠点がある。更に、感光性樹脂を用いているため、上記の光造形法と同様に金属や絶縁体等の材料には直接適用することは不可能で、型として使うしかなかった。
【００１１】
一方、微小ギヤのように機械要素として用いられる微小構造体は、一定の機械的強度が要求される。
【００１２】
従って、本発明の目的は、積層方向の解像度が高く、小さな接合荷重でも薄膜間の接合強度が高く、機械的強度の大きな微小構造体を得ることのできる微小構造体の製造方法を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を達成するため、微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
平坦な基板上に、表面が少なくとも前記所定の荷重と必要とする前記薄膜間の接合強度とから定まる表面粗さを有するように前記複数の薄膜を形成する形成工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
本発明は、上記の目的を達成するため、微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
基板上に、中間層が所定の硬度を有する金属からなり、少なくとも最上層が前記金属より硬度の低い金属からなる複数層を積層して薄膜を着膜する着膜工程と、
前記着膜工程によって着膜された前記薄膜を前記微小構造体の断面形状にパターンニングして前記複数の薄膜を形成するパターニング工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の実施の形態に係る積層装置を示す。この積層装置１は、真空槽２を有し、この真空槽２の内部に、複数の薄膜３４を担持した薄膜担持体３を上面４ａに固定されるとともに、その薄膜担持体３をｘ軸方向，ｙ軸方向およびｚ軸周りのθ方向にそれぞれ移動させるｘ−ｙ−θステージ４と、薄膜担持体３のアライメント状態を検出する例えばＣＣＤカメラの如きアライメント検出部５と、ダミー基板６が表面７ａに形成されるとともに、ｚ軸方向に移動するｚステージ７と、ｘ−ｙ−θステージ４側およびｚステージ７側に粒子ビーム８をそれぞれ照射してＦＡＢ（Ｆａｓｔ Ａｔｏｍ Ｂｏｍｂａｒｄｍｅｎｔ） 処理する第１の粒子ビーム出射端９Ａおよび第２の粒子ビーム出射端９Ｂと、真空槽２内の真空度を検出する真空計１０とを配設している。なお、「ＦＡＢ処理」とは、粒子ビームとして例えばアルゴン原子ビームを１ｋＶ程度の電圧で加速して材料の表面に照射し、材料表面の酸化膜，不純物等を除去して清浄な表面を形成する処理をいう。本実施の形態では、アルゴン原子ビームの照射条件を処理対象の材料に応じて加速電圧１〜１．５ｋＶ、照射時間１〜１０分の範囲で変更するようにしている。
【００１５】
ｘ−ｙ−θステージ４は、真空中で使用可能なものであり、薄膜担持体３をｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ移動させるｘステージ４０およびｙステージ４１と、ｚ軸周りに回転するθステージ４２とを備える。
【００１６】
ｚステージ７は、例えば、ステンレス，アルミニウム合金等の金属からなる。ダミー基板６は、ｚステージ７上に積層された複数の薄膜３４からなる微小構造体をｚステージ７から容易に取り出せるようにするため、予め、ｚステージ７の表面７ａに形成される。ダミー基板６の材料は、微小構造体の材料に応じて選択する。すなわち、微小構造体をアルミニウム等の金属で形成する場合は、ダミー基板６の材料として銅あるいはニッケルを選択し、ｚステージ７の表面７ａに銅あるいはニッケルをめっき法により例えば約５μｍ着膜する。微小構造体をアルミナ、窒化アルミ、炭化けい素、シリコン窒化膜等の絶縁体であるセラミックスで形成する場合は、ダミー基板６の材料としてアルミニウムを選択し、ｚステージ７の表面７ａにアルミニウムを真空蒸着法等により形成する。後述するようにダミー基板６上に複数の薄膜３４を積層して微小構造体を形成した後、ダミー基板６のみをエッチング除去することにより、微小構造体に外力を加えることなく、微小構造体のみをｚステージ７から容易に分離することができる。
【００１７】
図２は、積層装置１の制御系を示す。積層装置１は、本装置１全体の制御を司る制御部１１を有し、この制御部１１に、制御部１１のプログラムを含む各種の情報（例えばｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報）を記憶するメモリ１２、真空槽２内を真空にする真空ポンプ１３、第１および第２の粒子ビーム出射端９Ａ，９Ｂからそれぞれ粒子ビーム８を照射する第１のＦＡＢ処理部１４Ａおよび第２のＦＡＢ処理部１４Ｂ、ｘステージ４０を構成するｘ軸モータ４０ａおよびｘ軸位置検出部４０ｂ、ｙステージ４１を構成するｙ軸モータ４１ａおよびｙ軸位置検出部４１ｂ、θステージ４２を構成するθモータ４２ａおよびθ位置検出部４２ｂ、ｚステージ７を構成するｚ軸モータ７ｂおよびｚ軸位置検出部７ｃ、上記アライメント検出部５、および上記真空計１０を各々接続している。ｘ軸位置検出部４０ｂ，ｙ軸位置検出部４１ｂ，θ位置検出部４２ｂおよびｚ軸位置検出部７ｃは、例えば、レーザー干渉計やガラススケール等を用いることができる。これらを用いることにより、サブμｍの移動精度を実現できる。
【００１８】
第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂは、１〜１．５ｋＶの加速電圧を対応する第１および第２の粒子ビーム出射端１１Ａ，１１Ｂに付与するものである。
【００１９】
制御部１１は、メモリ１２が記憶するプログラムおよびｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、薄膜担持体３が載置されたｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチで移動させつつ、ｚステージ７の表面７ａにダミー基板６を介して複数の薄膜３４を所定の荷重を加えて順次接合することにより、複数の薄膜３４を積層してなる微小構造体を形成するように積層装置１の各部を制御するようになっている。
【００２０】
次に、上記構成の積層装置１を用いた微小構造体の製造方法を説明する。
【００２１】
図３（ａ） 〜（ｄ） は、着膜工程およびパターンニング工程を示す。
（１） 着膜
まず、同図（ａ） に示すように、基板３１としてシリコンウェハを準備し、この基板３１の上にポリイミド３２を８μｍスピンコーティング法により形成する。そして真空処理装置内に導入し、ＣＦ４ ガスによるプラズマ処理を施し、ポリイミド３２の表面をふっ化する。この工程により、この上に形成される薄膜３４が接合後容易に剥離できるようにするための離型層３３が形成される。なお、このふっ化処理は、この上に形成される薄膜３４の剥離を容易にするためのものであるが、必ずしも必要ではない。
次に、同図（ｂ） に示すように、スパッタリング法によりＡｌ薄膜３４ａを着膜する。本実施の形態では、インライン型のスパッタリング装置を用い、ターゲットには、高純度Ａｌを使用し、スパッタ圧力０．５Ｐａ、基板３１の温度は室温とした。ターゲットに直流電圧を印加し、放電領域に基板３１を搬送させると、一度の通過で厚さ０．５μｍのＡｌ薄膜３４ａが着膜した。一旦放電を止め、基板３１を最初の位置に戻し、二度目の放電および搬送を行うことにより、厚さ０．５μｍのＡｌ薄膜３４ｂが着膜し、合計膜厚１μｍの２層膜が形成された。この表面粗さをＡＦＭ（原子間力顕微鏡）で測定したところ、算術平均粗さＲａを４ｎｍと小さくすることができた。薄膜３４の着膜を一旦停止すると、結晶粒の連続成長が妨げられて最表面の結晶粒が小さくなるため、薄膜３４を多層に形成することにより、膜厚１μｍの薄膜３４を連続膜で形成する場合と比べて表面粗さが小さくなる。なお、薄膜３４は、２層でも、４層以上でもよい。
【００２２】
（２） パターンニング
次に、同図（ｃ） に示すように、基板３１上に形成した薄膜３４の表面にフォトレジスト３５を塗布し、通常のフォトリソグラフィー法によりフォトマスクを用いて薄膜３４をエッチングし、微小構造体３０の断面形状のパターン（断面パターン）を一括して形成する。本実施の形態ではドライエッチング法を用いた。引き続き、同じフォトマスクを用いてポリイミド３２を約３μｍエッチバックする。エッチングにはＡｌのエッチングと同様にドライエッチング法を用い、ガスとしてＣＦ４ とＯ２ を用いた。
その後、同図（ｄ） に示すように、レジスト３５を剥離して薄膜担持体３を得る。基板３１上に、所定のピッチで複数の薄膜３４が形成される。
【００２３】
（３） 薄膜担持体３の真空槽２への導入
薄膜担持体３を真空槽２内の下部にあるｘ−ｙ−θステージ４の上面４ａに固定する。このとき、ｘ−ｙ−θステージ４のθステージ４２に起立してある図示しない３つの位置決めピンに当接するように薄膜担持体３を配置する。
【００２４】
（４） アライメント調整
オペレータは、アライメント検出部５で薄膜担持体３を拡大観察しながら、ｘ薄膜担持体３のｘ軸方向およびｙ軸方向とｘ−ｙ−θステージ４のｘ軸方向およびｙ軸方向とが一致するようにθステージ４２を調整する。そして、ダミー基板６の直下に第１層の薄膜３４が概略位置するようにｘ−ｙ−θステージ４を位置決めする。なお、この工程はｘ−ｙ−θステージ４のｘ軸方向およびｙ軸方向と薄膜担持体３のｘ軸方向およびｙ軸方向とを合わせる作業なので、特に真空槽２内で行う必要はなく、ステージ４を真空槽２の外に取り出して普通の顕微鏡を用いて行ってもよい。
【００２５】
（５） 真空槽２内の排気
オペレータが、積層装置１の図示しない排気スイッチを押下すると、制御部１１は、真空計１０の検出値に基づいて真空ポンプ１３を制御して真空槽２内を１０−６Ｐａ台まで排気し、真空槽２内を高真空状態あるいは超高真空状態にする。
【００２６】
（６） ＦＡＢ処理
制御部１１は、図１に示すように、第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂを制御して第１の粒子ビーム出射端９Ａからダミー基板６の表面にアルゴン原子ビーム８を照射し、第２の粒子ビーム出射端９Ｂから薄膜３４の表面にアルゴン原子ビーム８を照射してＦＡＢ処理を施す。本実施の形態では、アルゴン原子ビーム８を１．５ｋＶの加速電圧で斜め４５度の角度から５分間照射し、表面約５ｎｍの汚染層を除去した。
【００２７】
（７） 薄膜転写
図４は、薄膜３４の表面粗さと接合強度の関係を示す。なお、同図において、Ｆ０ はバルク強度を示し、Ｐ１ 〜Ｐ４ は薄膜３４を接合する際の荷重を示す。薄膜３４の接合強度は、表面粗さが大きくなる程、また、荷重Ｐが小さい程低下する傾向にある。従って、本実施の形態では、接合強度をバルク強度Ｆ０ 並みにするため、接合強度がバルク強度Ｆ０ から下降しはじめる点Ｖ１ 〜Ｖ４ に対応する表面粗さＲａ１ 〜Ｒａ４ の薄膜を使用している。これにより、必要最小限の荷重Ｐを用いることができ、装置の小型化を図ることができる。
【００２８】
図５（ａ） ，（ｂ） は、転写工程を示す。制御部１１は、図５（ａ） に示すように、ｚ軸位置検出部７ｃの検出信号に基づいてｚ軸モータ７ｂを制御してｚステージ７を下降させてダミー基板６をｘ−ｙ−θステージ４上の薄膜担持体３に接近させ、清浄なダミー基板６の表面と清浄な第１層の薄膜３４の表面とを接触させ、所定の荷重（例えば、５０ｋｇｆ／ｃｍ２ ）を加えて所定の時間（例えば５分間）押し付ける。これにより、ダミー基板６と第１層の薄膜３４の表面とが強固に接合される。
その後、図５（ｂ） に示すように、ｚステージ７を元の位置に復帰させる。離型層３３と薄膜３４との接合力をｆ１ 、薄膜３４，３４同士の接合力をｆ２ 、薄膜３４とダミー基板６との接合力をｆ３ としたとき、ｆ２ ＞ｆ３ ＞ｆ１ の大小関係となるようにダミー基板６、離型層３３および薄膜３４の材料を選択している。従って、薄膜３４は薄膜担持体３側からｚステージ７側に転写される。
【００２９】
次に、制御部１１は、図６（ａ） に示すように、メモリ１１が記憶するプログラムおよびｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、ｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチ移動させる。これにより、ｚステージ７の直下に第２層の薄膜３４が位置する。
【００３０】
以下同様に、第２層の薄膜３４に対しＦＡＢ処理・転写することにより、第１層の薄膜３４の上に第２層の薄膜３４が積層される。最初の工程との唯一の違いは、ＦＡＢ処理工程において、２回目のときはｚステージ７上のダミー基板６の表面にアルゴン原子ビーム８を照射するのではなく、第１層の薄膜３４の裏面（それまで基板３１に離型層３３を介して接触していた面）に照射し、そこを清浄化することである。
【００３１】
図６（ｂ） は、完成した微小構造体を示す。上述した工程を薄膜３４の数だけ繰り返すことにより、複数の薄膜３４が積層され、ｚステージ７上のダミー基板６上に微小構造体３０が完成する。その後、ダミー基板６を除去することにより、微小構造体３０が得られる。
【００３２】
上記の構成によれば、以下の効果が得られる。
（イ） 膜厚１．０μｍの複数の薄膜３４を順次積層して微小構造体３０を製造しているので、積層方向の高解像度化が可能になる。
（ロ） 薄膜３４の表面粗さを１０ｎｍ以下にすることにより、実効的な接合面積が増加して薄膜３４間の接合強度を必要十分に大きくすることができるが、上記実施の形態では５ｎｍ以下にしているので、実効的な接合面積がより増加するので、小さな接合荷重でも接合強度をバルクのＡｌ並みにすることができ、機械的強度の高い微小構造体を製造することができた。
【００３３】
図７は、第２の実施の形態に係る製造方法を示す。この製造方法は、第１の実施の形態とは、薄膜３４の形成方法が異なり、他は第１の実施の形態と同様である。本実施の形態では、図３（ｂ） に示す薄膜３４の着膜工程において、２つのターゲットを装着できるインライン型のスパッタリング装置を用い、一方のターゲットに高純度アルミニウムを用い、他方のターゲットにアルミニウム合金（Ａｌ−２％Ｃｕ合金）を用いた。そして最初に高純度Ａｌのターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させて図７に示すように高純度Ａｌ薄膜３４０を０．１μｍ着膜させた。放電を一旦停止し、基板３１を元の位置に戻し、今度はＡｌ−２％Ｃｕ合金のターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させてＡｌ−Ｃｕ合金薄膜３４１を０．８μｍ着膜させた。Ａ−Ｃｕ合金薄膜３４１は、高純度Ａｌ薄膜３４０に比べ、微量なＣｕ原子の存在により粒径が大きくなり難いため、膜厚を厚く形成しても表面粗さが大きくなり難い。また、この着膜の方法も、一度に０．８μｍを着膜してもよいが、第１の実施の形態と同様に複数回に分けて０．８μｍのＡｌ−Ｃｕ合金薄膜３４１を形成した方が表面粗さが小さくなるため、より望ましい。また、Ａｌ−Ｃｕ合金を用いることにより、剛性が純Ａｌよりも高いため、微小構造体の機械的強度を大きくできる。
次に、再び、高純度Ａｌのターゲットだけを放電させ、ここに基板３１を搬送させて高純度Ａｌ薄膜３４０を０．１μｍ着膜させた。このような工程により、最上層と最下層を高純度Ａｌから形成し、中間層を機械的強度の高いＡｌ−Ｃｕ合金から形成することができた。この表面粗さをＡＦＭで測定したところ、Ｒａ＝２ｎｍを得た。
【００３４】
上記構成によれば、この薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングして積層転写したところ、Ａｌ−Ｃｕ合金のバルク並みの強度を有する微小構造体が得られた。
【００３５】
なお、薄膜３４の最上層と最下層を高純度Ａｌの替わりに金（Ａｕ）を用いてもよい。これによっても同様に機械的強度の大きな微小構造体を形成できた。ＡｕはＡｌよりも更に柔らかいため、圧接時に容易に変形し易く、実効的に広い面積で接合し易いが、Ａｕ自身の機械的強度が小さいため、膜厚は０．０５μｍと薄くした。また、Ａｕに限らず、他の比較的柔らかな金属でも同様の効果がある。
また、最上層のみをＡｌあるいはＡｕ等の材料で形成しても機械的強度の大きな微小構造体を形成できた。その理由は、薄膜パターンを積層転写した後、表面から露出する面は、それまで離型層３２の表面に倣って表面粗さが元々小さいからである。
また、中間層は、Ａｌ−Ｃｕ合金に限らず、Ａｌ−Ｓｉ−Ｃｕ合金や他のＡｌ以外を主成分とする金属やＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ 等の絶縁材料でもよい。
また、中間層は、２層以上の多層膜として形成してもよい。連続膜として形成する場合と比べ、小さい表面粗さを得る点で有利である。
【００３６】
図８（ａ） ，（ｂ） は、本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す。但し、薄膜の表面は凹凸を誇張して表している。この製造方法は、第１の実施の形態とは、薄膜３４の形成方法が異なり、他は第１の実施の形態と同様である。第１の実施の形態と同様に、基板３１の上にポリイミド３２を形成し、離型層３３を形成する。スパッタリング装置によってＡｌの薄膜３４を１μｍ着膜する。この時の表面粗さはＲａ＝１５ｎｍであった。次に、この薄膜３４の表面をＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ） 装置の研磨パッド１５を用いて数分間研磨することにより、表面粗さがＲａ＝２ｎｍに改善された。
【００３７】
上記構成によれば、この薄膜を微小構造体の断面形状にパターニングして積層転写したところ、Ａｌのバルク並みの強度を有する微小構造体が得られた。
【００３８】
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々な変形が可能である。例えば、薄膜３４は、表面粗さが大きい場合（例えば１０ｎｍを超えている場合）でも、薄膜３４を複数層から構成し、中間層を硬度の高い金属から形成し、最上層および最下層を硬度の低い金属から形成してもよい。この場合に、例えば、中間層をアルミニウム合金から形成し、最上層および最下層を高純度アルミニウムから形成してもよく、最上層および最下層を金を主成分とする材料から形成してもよい。このように構成することにより、最上層および最下層の表面の突部が接合荷重によって塑性変形し、実効的な接合面積が増加して薄膜間の接合強度が向上し、機械的強度の大きな微小構造体を得ることができる。
また、上記実施の形態では、基板上への薄膜の着膜方法として、スパッタリング法について説明したが、電子ビーム加熱蒸着法，抵抗加熱蒸着法，化学蒸着法等の他の真空蒸着法やスピンコート法を用いてもよい。
【００３９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明によれば、膜厚制御性が良好で基板全体に渡って膜厚均一性に優れたスパッタリング法等の着膜方法を用いて基板上に複数の薄膜を形成できるので、積層方向の高解像度化が可能になる。
また、表面が所定の表面粗さを有する薄膜を所定の荷重で接合しているので、小さな接合荷重でも薄膜間の接合強度が高く、機械的強度の大きな微小構造体を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る積層装置の構成図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る積層装置の制御系を示すブロック図である。
【図３】（ａ） 〜（ｄ） は着膜工程およびパターンニング工程を示す図である。
【図４】Ａｌ薄膜の表面粗さと接合強度の関係を示す図である。
【図５】（ａ） ，（ｂ） は転写工程を示す図である。
【図６】（ａ） は転写工程を示す図、（ｂ） は完成した微小構造体を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図８】（ａ） ，（ｂ） は本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図９】従来例１の光造形法を示す模式図である。
【図１０】従来例２の粉末法を示す模式図である。
【図１１】従来例３のシート積層法に係る製造装置を示す図である。
【図１２】（ａ） 〜（ｄ） は従来例４の薄膜を出発材料として用いる製造方法を示す図である。
【符号の説明】
１ 積層装置
２ 真空槽
３ 薄膜担持体
４ ｘ−ｙ−θステージ
４ａ ｘ−ｙ−θステージの上面
４ｂ 位置決めピン
５ アライメント検出部
６ ダミー基板
７ ｚステージ
７ａ ｚステージの表面
７ｂ ｚ軸モータ
７ｃ ｚ軸位置検出部
８ 粒子ビーム
９Ａ 第１の粒子ビーム出射端
９Ｂ 第２の粒子ビーム出射端
１０ 真空計
１１ 制御部
１２ メモリ
１３ 真空ポンプ
１４Ａ 第１のＦＡＢ処理部
１４Ｂ 第２のＦＡＢ処理部
１５ 研磨パッド
３０ 微小構造体
３１ 基板
３２ ポリイミド
３３ 離型層
３４，３４ａ，３４ｂ Ａｌ薄膜
３５ フォトレジスト
４０ ｘステージ
４０ａ ｘ軸モータ
４０ｂ ｘ軸位置検出部
４１ ｙステージ
４１ａ ｙ軸モータ
４１ｂ ｙ軸位置検出部
４２ θステージ
４２ａ θモータ
４２ｂ θ位置検出部
３４０ 高純度Ａｌ薄膜
３４１ Ａｌ−Ｃｕ合金薄膜
Ｆ０ バルク強度
Ｐ１ 〜Ｐ４ 接合荷重
Ｒａ１ 〜Ｒａ４ 表面粗さ
Ｖ１ 〜Ｖ４ 接合強度がバルク強度から下降しはじめる点
Claims (15)
- 微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
平坦な基板上に、表面が少なくとも前記所定の荷重と必要とする前記薄膜間の接合強度とから定まる表面粗さを有するように前記複数の薄膜を形成する形成工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法。 - 前記表面粗さは、１０ｎｍ以下である構成の請求項１記載の微小構造体の製造方法。
- 前記形成工程は、前記基板上に薄膜を着膜する着膜工程と、前記着膜工程によって着膜された前記薄膜を前記微小構造体の断面形状にパターンニングするパターニング工程を含む構成の請求項１記載の微小構造体の製造方法。
- 前記着膜工程は、複数層の薄膜を積層して前記薄膜を形成する構成の請求項３記載の微小構造体の製造方法。
- 前記複数層の薄膜は、スパッタリングによって間欠的に着膜された請求項４記載の微小構造体の製造方法。
- 前記複数層の薄膜は、中間層が所定の硬度を有する金属からなり、少なくとも最上層が前記金属より硬度の低い金属からなる構成の請求項４記載の微小構造体の製造方法。
- 前記中間層は、アルミニウム合金からなり、前記最上層は、高純度アルミニウムからなる構成の請求項６記載の微小構造体の製造方法。
- 前記最上層は、金を主成分とする構成の請求項６記載の微小構造体の製造方法。
- 前記形成工程は、前記着膜工程によって着膜された前記薄膜の表面を前記表面粗さを有するように研磨する研磨工程を含む構成の請求項３記載の微小構造体の製造方法。
- 前記研磨工程は、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ） 法によって研磨する構成の請求項９記載の微小構造体の製造方法。
- 前記着膜工程は、前記薄膜間の接合強度より低い接合強度で前記薄膜と接合される離型層を前記基板上に形成し、前記離型層の上に前記薄膜を着膜する構成の請求項４記載の微小構造体の製造方法。
- 前記離型層は、その表面が前記表面粗さを有するように形成される構成の請求項１１記載の微小構造体の製造方法。
- 微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜をステージ上に所定の荷重を加えて順次接合することにより、前記複数の薄膜を積層してなる前記微小構造体を製造する方法において、
基板上に、中間層が所定の硬度を有する金属からなり、少なくとも最上層が前記金属より硬度の低い金属からなる複数層を積層して薄膜を着膜する着膜工程と、
前記着膜工程によって着膜された前記薄膜を前記微小構造体の断面形状にパターンニングして前記複数の薄膜を形成するパターニング工程と、
前記基板から前記複数の薄膜を剥離し、この剥離した前記複数の薄膜を前記ステージ上に前記所定の荷重を加えて順次接合する接合工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法。 - 前記中間層は、アルミニウム合金からなり、前記最上層は、高純度アルミニウムからなる構成の請求項１３記載の微小構造体の製造方法。
- 前記最上層は、金を主成分とする構成の請求項１３記載の微小構造体の製造方法。
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