JP3627486B2 - 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。このため、高精度のものが要求される場合には、歩留りが悪くなる。
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き、歩留り低下の問題がある。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以下は不可能であり、従来例１と同様に歩留り低下の問題がある。
【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。このため、従来例１と同様に歩留り低下の問題がある。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】
従って、本発明の目的は、積層方向の解像度が高く、歩留りの高い微小構造体の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【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、基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板の反りを緩和する反り制御層を設ける工程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、基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板単体の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記複数の薄膜を形成する第３の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、基板上に離型層を介して所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、前記基板上の前記離型層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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板上に少なくとも前記離型層を形成したときの前記基板の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記離型層を介して前記複数の薄膜を形成する第３の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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
図３（ａ） 〜（ｅ） 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の上に離型層３３を形成し、離型層３３の上にパターニングされた複数の薄膜３４を形成したときの基板３１の反りの方向および反りの量を求める。基板３１の反りの方向および反りの量は、基板３１，離型層３３および薄膜３４の各内部応力を測定し、その内部応力から予測する。なお、サンプルを作製して基板３１の反りの方向および反りの量を求めてもよい。本実施の形態では、基板３１が凹形状に反っている場合について説明する。
【００２１】
次に、同図（ｂ） に示すように、基板３１を準備する。基板３１としては、ガラス基板、Ｓｉウエハ等の金属、セラミックス等を用いることができる。本実施の形態では、基板３１としてシリコンウェハを用いた。
【００２２】
この基板３１の表面を保護する基板表面保護層３５としてスパッタリング法によってＡｌ薄膜を０．５μｍ着膜する。
【００２３】
引き続き、基板３１の反りの方向および反りの量に基づいて、基板３１に貼着したときに基板３１の反りを緩和する反り制御層３２を基板３１に形成する。反り制御層３２の材料としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔａ等の金属、Ａｌ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ ，Ｔａ２ Ｏ５ 等の酸化物、レジスト、ピリイミド等の有機膜等いずれでもよい。これらは、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の真空蒸着法やスピンコート法等の成膜方法により形成される。材料、成膜方法および成膜条件を適宜選択することにより圧縮応力あるいは引っ張り応力を示す反り制御層３２を得ることができ、かつ、応力の大きさも制御できる。圧縮応力を有する反り制御層３２を用いる場合は、基板３１の凹側の面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、引っ張り応力を有する反り制御層３２を用いる場合は、基板３１の凸側の面に引っ張り応力を有する反り制御層３２を形成する。本実施の形態では、反り制御層３２として引っ張り応力を有するポリイミドを用い、基板３１が凹形状に反っているので、基板３１の凸側である裏面に引っ張り応力を有するポリイミドをスピンコート法により膜厚約６μｍ塗布し、最高温度３５０℃でベークした。
【００２４】
次に、同図（ｃ） に示すように、Ａｌエッチャントに浸漬して、基板表面保護層３５のみを選択的に除去した。このとき、基板３１の中央部に対し周辺部は約３０μｍ沿った凸形状となった。
【００２５】
次に、同図（ｄ） に示すように、基板３１の表面に離型層３３を形成する。離型層３３としては、フッ素あるいは有機物含有材料等が好適であり、これらはスピンコート法により成膜される。また、ＳｉＯＦ等のフッ素含有無機材料を用いてもよい。離型性向上の他の方法として、フッ素原子を有するガスの放電に晒し、薄膜３４を形成する直前に現れている表面をフッ化する方法がある。離型層３３としては、ＳｉＯＦ等のフッ素含有無機材料を用いてもよい。離型性向上の他の方法として、フッ素原子を有するガスの放電に晒し、薄膜を形成する直前に現れている表面をフッ化する方法がある。適当な離型層３３を用いることにより、薄膜３４をｚステージ７側に転写する際、基板３１からの離型性が向上する。本実施の形態では、基板３１の表面にカップラー剤を塗布後、フッ化ポリイミド（日立化成製）をスピンコート法により塗布し、最高温度３５０℃でベークし、離型層３３を形成した。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。
【００２６】
次に、離型層３３の上全体に薄膜３４を着膜する。薄膜３４の材料としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔａ等の金属やＡｌ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ ，Ｔａ２ Ｏ５ 等の酸化物が用いられ、目的に応じて選択される。本実施の形態では、離型層３３の上にスパッタリング法によりＡｌ薄膜３４を０．５μｍ着膜した。また、ターゲットには、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金を使用し、スパッタ圧力０．５Ｐａ、基板３１の温度は室温とした。着膜中は水晶振動子式膜厚計で常時膜厚をモニターし、０．５μｍに達したところで着膜を終了した。基板３１内の膜厚分布は０．５±０．０２μｍ以下が得られた。この時点で、離型層３３およびＡｌ薄膜３４が有する引っ張り応力により基板３１は同図（ｃ） の大きく反った凸形状から僅かに反った凸形状となった。このときの反り量は１０μｍだった。
【００２７】
なお、必要に応じて反り制御層３２の上に弾性層を形成してもよい。適当な弾性層を用いることにより、薄膜３４を接合するときに薄膜３４同士の面接触が行われ易くなる。弾性層としては、樹脂材料等が好適であり、スピンコート法により成膜される。
【００２８】
（２） パターンニング
次に、同図（ｅ） に示すように、基板３１上に形成したＡｌ薄膜３４の表面にフォトレジスト（図示せず）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Ａｌ薄膜３４をエッチングし、所望の微小構造体の断面形状にパターニングした。フォトレジストにはポジ型を用い、フォトマスク（図示せず）を用いてレジストを露光した。Ａｌ薄膜３４をエッチングした後、フォトレジストを剥離液にて除去した。これにより、同図（ｅ） に示すように、基板３１上に、所定のピッチで複数の薄膜３４が形成された薄膜担持体３が形成される。
【００２９】
なお、パターニングには、上記フォトリソグラフィー法以外に、ステンレス等からなるマスクを基板３１上に重ねて薄膜３４の着膜と同時にパターン形成を行う方法、選択ＣＶＤ法を用いて直接薄膜パターンを基板３１上に形成する方法、集束イオンビームあるいは電子ビームを基板３１上に照射し、断面形状の境界線あるいは不要部分を除去する方法等がある。フォトリソグラフィー法を用いることにより、薄膜パターンの平面内寸法精度は０．１μｍ以下が達成可能である。
【００３０】
（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。
【００３１】
（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。
【００３２】
（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。
【００３３】
（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１分間照射し、表面約１０ｎｍの汚染層を除去した。この程度の膜減り量なら目的とする精度０．１μｍに比べて一桁小さいので無視できる。
【００３４】
図４（ａ） ，（ｂ） および図５（ａ） ，（ｂ） は、転写工程を示す。制御部１１は、図４（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４（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。
【００３５】
次に、制御部１１は、図５（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。
【００３６】
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。
【００３７】
上述した工程を薄膜３４の数だけ繰り返すことにより、図５（ｂ） に示すように、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。
【００３８】
上記の構成によれば、以下の効果が得られる。
（イ） 膜厚０．５μｍ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） 基板３１の反りを少なくするとにより、薄膜３４接合時に、肩当たりを生じないので、面全体が接触し、接合不良が少なくなって歩留りが向上する。
【００３９】
図６（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、圧縮応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の上面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、反り制御層３２の上全体に薄膜３４を形成し、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングし、所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４０】
第２の実施の形態によば、基板３１が単体で凹形状を示す場合でも、圧縮応力を有する反り制御層３２を基板３１の凹側に形成することにより、基板３１の反りを緩和して平坦にすることができ、歩留りの向上を図ることができる。
【００４１】
図７（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、引っ張り応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の下面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、基板３１の上面全体に薄膜３４を形成し、同図（ｃ） に示すように、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングして所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４２】
第３の実施の形態によば、基板３１が単体で凹形状を示す場合でも、引っ張り応力を有する反り制御層３２を基板３１の凸側に形成することにより、基板３１の反りを緩和して平坦にすることができ、歩留りの向上を図ることができる。
【００４３】
図８（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第４の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、薄膜３４が形成された基板３１を僅かに凸形状とするための圧縮応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の上面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、反り制御層３２の上面全体に薄膜３４を形成し、同図（ｃ） に示すように、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングして所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。このとき、薄膜３４が形成された基板３１は僅かに凸形状（例えば反り量２０μｍ以下）となる。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４４】
この第４の実施の形態によれば、薄膜３４が形成された基板３１を僅かに凸形状となるように反り制御層３２を用いているので、接合工程時に基板３１の中央部分から接触してゆくため、基板３１のエッジ部分からｚステージ７上のダミー基板６に接触してゆくことはなく、エッジ部分でのパーティクル発生を防止できる。
【００４５】
【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、基板の反りを緩和する反り制御層を用いているので、薄膜接合時に面全体が接触し、接合不良が少なくなるので、歩留り向上が図れる。
【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） 〜（ｅ） 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】（ａ） ，（ｂ） は転写工程を示す図である。
【図５】（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６】（ａ） 〜（ｃ） は本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図７】（ａ） 〜（ｃ） 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８】（ａ） 〜（ｃ） は本発明の第４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 反り制御層
３３ 離型層
３４ 薄膜
３５ 基板表面保護層
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
【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。このため、高精度のものが要求される場合には、歩留りが悪くなる。
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き、歩留り低下の問題がある。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以下は不可能であり、従来例１と同様に歩留り低下の問題がある。
【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。このため、従来例１と同様に歩留り低下の問題がある。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】
従って、本発明の目的は、積層方向の解像度が高く、歩留りの高い微小構造体の製造方法を提供することにある。
【００１２】
【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、基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板の反りを緩和する反り制御層を設ける工程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、基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板単体の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記複数の薄膜を形成する第３の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、基板上に離型層を介して所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、前記基板上の前記離型層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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、前記基板上に少なくとも前記離型層を形成したときの前記基板の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記離型層を介して前記複数の薄膜を形成する第３の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。
【００１３】
【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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
図３（ａ） 〜（ｅ） 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の上に離型層３３を形成し、離型層３３の上にパターニングされた複数の薄膜３４を形成したときの基板３１の反りの方向および反りの量を求める。基板３１の反りの方向および反りの量は、基板３１，離型層３３および薄膜３４の各内部応力を測定し、その内部応力から予測する。なお、サンプルを作製して基板３１の反りの方向および反りの量を求めてもよい。本実施の形態では、基板３１が凹形状に反っている場合について説明する。
【００２１】
次に、同図（ｂ） に示すように、基板３１を準備する。基板３１としては、ガラス基板、Ｓｉウエハ等の金属、セラミックス等を用いることができる。本実施の形態では、基板３１としてシリコンウェハを用いた。
【００２２】
この基板３１の表面を保護する基板表面保護層３５としてスパッタリング法によってＡｌ薄膜を０．５μｍ着膜する。
【００２３】
引き続き、基板３１の反りの方向および反りの量に基づいて、基板３１に貼着したときに基板３１の反りを緩和する反り制御層３２を基板３１に形成する。反り制御層３２の材料としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔａ等の金属、Ａｌ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ ，Ｔａ２ Ｏ５ 等の酸化物、レジスト、ピリイミド等の有機膜等いずれでもよい。これらは、電子ビーム蒸着法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の真空蒸着法やスピンコート法等の成膜方法により形成される。材料、成膜方法および成膜条件を適宜選択することにより圧縮応力あるいは引っ張り応力を示す反り制御層３２を得ることができ、かつ、応力の大きさも制御できる。圧縮応力を有する反り制御層３２を用いる場合は、基板３１の凹側の面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、引っ張り応力を有する反り制御層３２を用いる場合は、基板３１の凸側の面に引っ張り応力を有する反り制御層３２を形成する。本実施の形態では、反り制御層３２として引っ張り応力を有するポリイミドを用い、基板３１が凹形状に反っているので、基板３１の凸側である裏面に引っ張り応力を有するポリイミドをスピンコート法により膜厚約６μｍ塗布し、最高温度３５０℃でベークした。
【００２４】
次に、同図（ｃ） に示すように、Ａｌエッチャントに浸漬して、基板表面保護層３５のみを選択的に除去した。このとき、基板３１の中央部に対し周辺部は約３０μｍ沿った凸形状となった。
【００２５】
次に、同図（ｄ） に示すように、基板３１の表面に離型層３３を形成する。離型層３３としては、フッ素あるいは有機物含有材料等が好適であり、これらはスピンコート法により成膜される。また、ＳｉＯＦ等のフッ素含有無機材料を用いてもよい。離型性向上の他の方法として、フッ素原子を有するガスの放電に晒し、薄膜３４を形成する直前に現れている表面をフッ化する方法がある。離型層３３としては、ＳｉＯＦ等のフッ素含有無機材料を用いてもよい。離型性向上の他の方法として、フッ素原子を有するガスの放電に晒し、薄膜を形成する直前に現れている表面をフッ化する方法がある。適当な離型層３３を用いることにより、薄膜３４をｚステージ７側に転写する際、基板３１からの離型性が向上する。本実施の形態では、基板３１の表面にカップラー剤を塗布後、フッ化ポリイミド（日立化成製）をスピンコート法により塗布し、最高温度３５０℃でベークし、離型層３３を形成した。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。
【００２６】
次に、離型層３３の上全体に薄膜３４を着膜する。薄膜３４の材料としては、Ａｌ，Ｓｉ，Ｔａ等の金属やＡｌ２ Ｏ３ ，ＳｉＯ２ ，Ｓｉ３ Ｎ４ ，Ｔａ２ Ｏ５ 等の酸化物が用いられ、目的に応じて選択される。本実施の形態では、離型層３３の上にスパッタリング法によりＡｌ薄膜３４を０．５μｍ着膜した。また、ターゲットには、アルミニウム（Ａｌ）を主成分とするアルミニウム合金を使用し、スパッタ圧力０．５Ｐａ、基板３１の温度は室温とした。着膜中は水晶振動子式膜厚計で常時膜厚をモニターし、０．５μｍに達したところで着膜を終了した。基板３１内の膜厚分布は０．５±０．０２μｍ以下が得られた。この時点で、離型層３３およびＡｌ薄膜３４が有する引っ張り応力により基板３１は同図（ｃ） の大きく反った凸形状から僅かに反った凸形状となった。このときの反り量は１０μｍだった。
【００２７】
なお、必要に応じて反り制御層３２の上に弾性層を形成してもよい。適当な弾性層を用いることにより、薄膜３４を接合するときに薄膜３４同士の面接触が行われ易くなる。弾性層としては、樹脂材料等が好適であり、スピンコート法により成膜される。
【００２８】
（２） パターンニング
次に、同図（ｅ） に示すように、基板３１上に形成したＡｌ薄膜３４の表面にフォトレジスト（図示せず）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Ａｌ薄膜３４をエッチングし、所望の微小構造体の断面形状にパターニングした。フォトレジストにはポジ型を用い、フォトマスク（図示せず）を用いてレジストを露光した。Ａｌ薄膜３４をエッチングした後、フォトレジストを剥離液にて除去した。これにより、同図（ｅ） に示すように、基板３１上に、所定のピッチで複数の薄膜３４が形成された薄膜担持体３が形成される。
【００２９】
なお、パターニングには、上記フォトリソグラフィー法以外に、ステンレス等からなるマスクを基板３１上に重ねて薄膜３４の着膜と同時にパターン形成を行う方法、選択ＣＶＤ法を用いて直接薄膜パターンを基板３１上に形成する方法、集束イオンビームあるいは電子ビームを基板３１上に照射し、断面形状の境界線あるいは不要部分を除去する方法等がある。フォトリソグラフィー法を用いることにより、薄膜パターンの平面内寸法精度は０．１μｍ以下が達成可能である。
【００３０】
（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。
【００３１】
（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。
【００３２】
（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。
【００３３】
（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１分間照射し、表面約１０ｎｍの汚染層を除去した。この程度の膜減り量なら目的とする精度０．１μｍに比べて一桁小さいので無視できる。
【００３４】
図４（ａ） ，（ｂ） および図５（ａ） ，（ｂ） は、転写工程を示す。制御部１１は、図４（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４（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。
【００３５】
次に、制御部１１は、図５（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。
【００３６】
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。
【００３７】
上述した工程を薄膜３４の数だけ繰り返すことにより、図５（ｂ） に示すように、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。
【００３８】
上記の構成によれば、以下の効果が得られる。
（イ） 膜厚０．５μｍ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） 基板３１の反りを少なくするとにより、薄膜３４接合時に、肩当たりを生じないので、面全体が接触し、接合不良が少なくなって歩留りが向上する。
【００３９】
図６（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、圧縮応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の上面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、反り制御層３２の上全体に薄膜３４を形成し、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングし、所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４０】
第２の実施の形態によば、基板３１が単体で凹形状を示す場合でも、圧縮応力を有する反り制御層３２を基板３１の凹側に形成することにより、基板３１の反りを緩和して平坦にすることができ、歩留りの向上を図ることができる。
【００４１】
図７（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第３の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、引っ張り応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の下面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、基板３１の上面全体に薄膜３４を形成し、同図（ｃ） に示すように、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングして所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４２】
第３の実施の形態によば、基板３１が単体で凹形状を示す場合でも、引っ張り応力を有する反り制御層３２を基板３１の凸側に形成することにより、基板３１の反りを緩和して平坦にすることができ、歩留りの向上を図ることができる。
【００４３】
図８（ａ） 〜（ｃ） は、本発明の第４の実施の形態に係る製造方法を示す。基板３１が単体で凹形状を示し、薄膜３４が形成された基板３１を僅かに凸形状とするための圧縮応力を有する反り制御層３２を使用する場合について説明する。また、離型層を用いない場合について説明する。まず、同図（ａ） に示すように、基板３１の上面に圧縮応力を有する反り制御層３２を形成し、同図（ｂ） に示すように、反り制御層３２の上面全体に薄膜３４を形成し、同図（ｃ） に示すように、薄膜３４をフォトリソグラフィー法等によってパターニングして所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜３４を形成する。このとき、薄膜３４が形成された基板３１は僅かに凸形状（例えば反り量２０μｍ以下）となる。後は、第１の実施の形態と同様に複数の薄膜３４を積層して接合し、微小構造体を形成する。
【００４４】
この第４の実施の形態によれば、薄膜３４が形成された基板３１を僅かに凸形状となるように反り制御層３２を用いているので、接合工程時に基板３１の中央部分から接触してゆくため、基板３１のエッジ部分からｚステージ７上のダミー基板６に接触してゆくことはなく、エッジ部分でのパーティクル発生を防止できる。
【００４５】
【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、基板の反りを緩和する反り制御層を用いているので、薄膜接合時に面全体が接触し、接合不良が少なくなるので、歩留り向上が図れる。
【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） 〜（ｅ） 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】（ａ） ，（ｂ） は転写工程を示す図である。
【図５】（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６】（ａ） 〜（ｃ） は本発明の第２の実施の形態に係る製造方法を示す図である。
【図７】（ａ） 〜（ｃ） 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８】（ａ） 〜（ｃ） は本発明の第４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 反り制御層
３３ 離型層
３４ 薄膜
３５ 基板表面保護層
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
Claims (12)
- 基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、
前記基板の反りを緩和する反り制御層を設ける工程を含むことを特徴とする微小構造体の製造方法。 - 基板上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、
前記基板単体の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、
前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、
前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記複数の薄膜を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法。 - 前記第２の工程は、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、圧縮応力あるいは引っ張り応力を有する前記反り制御層を準備する構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
- 前記第３の工程は、前記圧縮応力を有する反り制御層を用いる場合は、前記基板の凹側の面に前記反り制御層を設け、前記引っ張り応力を有する前記反り制御層を用いる場合は、前記基板の凸側の面に前記反り制御層を設ける構成の請求項３記載の微小構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記基板に設けたときに前記基板の反りを前記複数の薄膜が形成される側に凸形状とする前記反り制御層を準備する構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
- 前記反り量は、２０μｍ以下である構成の請求項５記載の微小構造体の製造方法。
- 基板上に離型層を介して所定の２次元パターンを有する複数の薄膜を形成し、前記基板上の前記離型層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対向するステージ上に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微小構造体を製造する方法において、
前記基板上に少なくとも前記離型層を形成したときの前記基板の反りの方向および反りの量を求める第１の工程と、
前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、前記基板に設けたときに前記基板の反りを緩和する反り制御層を準備する第２の工程と、
前記基板に前記反り制御層を設け、前記基板上に前記離型層を介して前記複数の薄膜を形成する第３の工程とを含むことを特徴とする微小構造体の製造方法。 - 前記第１の工程は、少なくとも前記基板および前記離型層の内部応力をそれぞれ求め、前記内部応力に基づいて前記基板の反りの方向および反りの量を求める構成の請求項７記載の微小構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記反りの方向および前記反りの量に基づいて、圧縮応力あるいは引っ張り応力を有する前記反り制御層を準備する構成の請求項７記載の微小構造体の製造方法。
- 前記第３の工程は、前記圧縮応力を有する反り制御層を用いる場合は、前記基板の凹側の面に前記圧縮応力を有する反り制御層を設け、前記引っ張り応力を有する反り制御層を用いる場合は、前記基板の凸側の面に前記引っ張り応力を有する反り制御層を設ける構成の請求項９記載の微小構造体の製造方法。
- 前記第２の工程は、前記基板に設けたときに前記基板の反りを前記複数の薄膜が形成される側に凸形状とする反り制御層を準備する構成の請求項７記載の微小構造体の製造方法。
- 前記反り量は、２０μｍ以下である構成の請求項１１記載の微小構造体の製造方法。
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