JP4229103B2

JP4229103B2 - 金属微細構造体の製造方法

Info

Publication number: JP4229103B2
Application number: JP2005242776A
Authority: JP
Inventors: 潤依田; 嘉裕平田; 剛羽賀
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2005-08-24
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2006035424A

Description

本発明はマイクロマシンなどに使用する金属微細構造体の製造方法に関する。

精度のよい金属微細構造体を大量に製造する場合、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセスは有用である。Ｘ線の中でも指向性の高いＳＲ光を用いるＬＩＧＡプロセスはディープなリソグラフィが可能であり、また、数１００μｍの高さの構造体をミクロン領域の精度で加工することができ、さらに、高いアスペクト比を有する金属微細構造体を容易に製造することができるなどの特徴を有するため、広範な分野での応用が期待されている。

ＬＩＧＡプロセスは、リソグラフィ、電鋳などのメッキおよびモールドを組合わせた加工技術である。ＬＩＧＡプロセスによれば、たとえば導電性基板上にレジスト膜を形成した後、所定の形状パターンを有する吸収体マスクを介してＳＲ光を照射し、このようなリソグラフィにより吸収体マスクの形状パターンに応じたレジスト構造体（樹脂型）を形成し、このレジスト構造体の空孔部を電鋳することにより金属微細構造体が得られる。また、電鋳をさらに進めて得られた高精度の金属微細構造体を金型として用い、射出成形などのモールドにより樹脂製の微細成形品を得ることもできる。たとえば、特開２００２−２１７４６１号公報には、ＬＩＧＡプロセスにより金属微細構造体である金型を製造し、微細成形品を製造する方法が開示されている（特許文献１参照）。
特開２００２−２１７４６１号公報（［００１８］〜［００２８］）

しかし、リソグラフィを利用して金属微細構造体を製造する場合、１回のリソグラフィにより１枚のレジスト構造体（樹脂型）しか得られないため大量生産には不向きであるという問題があった。一方、樹脂型に電鋳をして金属微細構造体を製造する場合は、樹脂型を導電性基板上に接着剤などによって精度良く堅固に固定しておかなければ、その後の工程において樹脂型と導電性基板との間で寸法の変化あるいは剥離が生じる結果、製品の精度が落ちたり、製品にならなかったりするという問題があった。また、製品の精度と不良品の問題を解決するために、樹脂型を導電性基板に通常の接着剤を用いて固定した場合、樹脂型積層体の空孔部に接着剤が残っていると、電鋳ができなかったり不十分になったりして、電鋳により形成される金属層にムラが生じるという問題があった。さらに、樹脂型積層体の空孔部に残っている接着剤を除去する目的で、樹脂型積層体の全体をエッチングしようとすると、それに応じて樹脂型自体も一定のダメージを被るという問題があった。

本発明の課題は、樹脂型を用いた金属微細構造体の製造方法であって、樹脂型のダメージが少ない温和な条件を設定することができ、均一な電鋳により精度の高い金属微細構造体を大量に得ることができる製造方法を提供することにある。

本発明の金属微細構造体の製造方法は、凹部を有する樹脂型を形成する工程と、紫外線または可視光線により化学組成が変化する感光性ポリマを用いて、凹部を有する樹脂型を導電性基板上に貼り付けて樹脂型積層体を形成する工程と、凹部を有する樹脂型を研磨して厚さ方向に貫通した樹脂型を形成する工程と、樹脂型積層体を紫外線または可視光線により露光する工程と、樹脂型の空孔部に存在する感光後の感光性ポリマを除去する工程と、樹脂型積層体の空孔部を電鋳により金属で埋める工程とを有する。

感光後の感光性ポリマの除去を溶剤により行なうときは、未感光の感光性ポリマおよび樹脂型材料に対する溶解度が感光後の感光性ポリマに対する溶解度より小さい溶剤を用いることが好ましい。また、感光後の感光性ポリマの除去をドライエッチングにより行なうときは、樹脂型材料に対するエッチング速度が感光後の感光性ポリマに対するエッチング速度より小さいエッチングガスを用いることが好ましい。

導電性基板上に固定する貫通した樹脂型は、吸収および反射により紫外線または可視光線の９５％以上を遮断するものが好ましい。このような貫通した樹脂型としては、導電性基板上に固定する底面と、底面の反対側にある天面とのうち、両面または片面が、紫外線または可視光線を吸収する材料で覆われている態様、貫通した樹脂型が紫外線または可視光線を吸収する材料を含有している態様、または貫通した樹脂型の天面が、紫外線または可視光線が垂直入射しないように傾斜し、凹凸を有する態様が好ましい。露光に際しては、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を使用することが好ましい。

本発明によれば、樹脂型を用いて、樹脂型のダメージが少ない温和な製造条件により精度の高い金属微細構造体を大量に製造することができる。

本発明の金属微細構造体の製造方法は、樹脂型を感光性ポリマにより導電性基板上に固定して樹脂型積層体を形成する工程と、露光する工程と、感光後の感光性ポリマを除去する工程と、樹脂型積層体の空孔部に金属を埋める工程とを有する。

本発明の金属微細構造体の製造方法について、図１（ａ）〜（ｇ）に、一実施の形態を概略的に示す。

樹脂型を感光性ポリマを介して導電性基板上に固定して樹脂型積層体を形成する工程では、図１（ａ）に示すとおり、導電性基板１１上に厚さ数μｍの感光性ポリマ層１２をスピンコートなどにより形成し、つぎに図１（ｂ）に示すとおり、感光性ポリマ層１２上に、厚さ方向に貫通した空孔部を有する樹脂型１３を積層する。これにより樹脂型積層体２が形成される。感光性ポリマ層１２は、導電性基板１１と樹脂型１３とを接着し、固定する機能を発揮する。導電性基板１１と樹脂型１３とを堅固に固定することにより、その後の工程での寸法変化による精度の低下あるいは導電性基板１１と樹脂型１３との剥離を抑えることができる。このように導電性基板上に感光性ポリマ層を形成した後、感光性ポリマ層上に樹脂型を固定する態様のほか、貫通した樹脂型の底面に感光性ポリマ層を形成し、この樹脂型を導電性基板の上に固定する態様（図示していない。）をとることもできる。

感光性ポリマとしては、紫外線または可視光線により化学組成が変化するものを用いる。すなわち、紫外線または可視光線によって官能基が変化し、または、分解するなどの化学変化を起こし、溶媒に易溶化するなど、除去し易くなるポリマを使用する。本発明で特に感光性のものを用いるのは、露光により化学変化を起こさせ、除去しやすくすることにより、除去の条件を温和にすることが可能となり、これに伴い、除去による樹脂型のダメージを少なくすることができるからである。同様に、感光性ポリマとして、紫外線（波長１０ｎｍ〜４００ｎｍ）または可視光線の領域に吸収波長を持つものを用いるのは、紫外線や可視光線はＸ線などに比べて汎用性があり、またエネルギが小さく、露光用の光源として、このようなエネルギの小さいものを用いることにより樹脂型のダメージを抑えるためである。これらの光線の中では、容易に露光効率を高めることができる点で、波長が３００ｎｍ以下の紫外線が好ましい。波長が３００ｎｍ以下の紫外線は、たとえば、ＸｅＦランプ、または、３００ｎｍより長波長の光線を遮断するバンドパスフィルタを挿入した通常の水銀ランプにより得ることができる。これらの光源により、光源の強度にもよるが、数ｍＷ／ｃｍ²の照度が得られる。

本発明に使用する感光性ポリマは、このような感光性を有するとともに、前述のとおり接着性を有し、導電性基板上に樹脂型を固定する機能を有する。このような感光性ポリマとしては具体的にはフェノール系樹脂、ノボラック樹脂があり、これらの中では感光後にアルカリ水溶液に可溶となる点で、キノンジアジド化合物を主成分とするものが好ましい。また、感光性ポリマ層の厚さは１〜７０μｍが好ましい。１μｍより薄いと十分な接着強度が得られず、一方７０μｍより厚いと垂直な断面を得ることが難しくなるため、後で得られる金属微細構造体の導電性基板側を研磨などで部分的に除去する必要が生じる。

図１（ａ）には、導電性基板１１を用いた例を示す。導電性基板の厚さは用途によって様々であり、数１０μｍ程度の薄いものから、数ｍｍ以上の厚いものまであり、特に限定されるものではない。このような導電性基板１１の材質としては、ＳＵＳ、Ａｌ、Ｃｕなどがある。また、導電性基板として、導電性を有しない基板の上に導電性層を形成した積層体（図示していない）を用いることもできる。具体的には、Ｓｉ、ガラス、セラミックス、プラスチックなどからなる基板上に、Ｔｉ、Ａｌ、Ｃｕなど、またはこれらの合金などからなる導電性層を真空蒸着、スパッタリング、メッキ、ＣＶＤなどにより形成したものを用いることができる。また、導電性を有する基板上に必要に応じて別種の金属薄膜を付することもできる。

感光性ポリマ層１２を介して導電性基板１１上に固定する樹脂型１３は、厚さ方向に貫通した空孔部を有する（図１（ｂ））。樹脂型は、次工程における紫外線または可視光線による露光に際して、吸収体マスクとしての機能を発揮し、空孔部の底にある感光性ポリマは露光させるが、樹脂型直下の感光性ポリマを保護するため、導電性基板と樹脂型との密着性が保持される。このような樹脂型の材料としては、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどがある。

樹脂型は、次工程の露光で使用する紫外線または可視光線から、樹脂型直下の感光性ポリマ層を保護する機能が大きい点で、吸収および反射により、紫外線または可視光線の９５％以上を遮断するものが好ましい。かかる樹脂型を用いることにより、樹脂型の基板からの剥離を防止し、金属微細構造体の安定した製造が容易となる。

このような樹脂型としては、導電性基板上に固定する底面と、底面の反対側にある天面のうち、両面または片面が、紫外線または可視光線を吸収する材料で覆われている態様、樹脂型が紫外線または可視光線を吸収する材料を含有している態様、または樹脂型の天面が、紫外線または可視光線が垂直入射しないように傾斜し、乱反射しやすい凹凸を有する態様が好ましい。かかる態様を適宜組合せた樹脂型も有効であり、吸収に重きを置く態様、反射に重きを置く態様または吸収と反射の双方に重きを置く態様のいずれも含まれる。さらに、これらの態様は、樹脂型が薄いために吸収体マスクとしての機能を十分に果たさない場合においても有効である。

導電性基板上に固定する底面と、底面の反対側にある天面のうち、両面または片面が、紫外線または可視光線を吸収する材料で覆われている樹脂型においては、紫外線または可視光線を吸収する材料からなる層が遮光層として機能し、樹脂型直下の感光性ポリマが保護される。紫外線または可視光線を吸収する材料からなる層を、底面または天面に設ける場合には、底面に設ける方が効果的である。紫外線または可視光線を吸収する材料からなる層と感光性ポリマ層との距離が短いほど、紫外線または可視光線の回折による回り込みが少なくなり、樹脂型直下の感光性ポリマを保護する効果が大きくなる。紫外線または可視光線を吸収する材料としては、Ａｌ、Ｔｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｎｉ、Ａｇなどの金属、Ｃｒ₂Ｏ₃、ＷＮ（窒化タングステン）などの金属化合物、または、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＳｉＣ、ＡｌＮなどのセラミックスを使用することができる。樹脂型の底面および天面に形成する方法は、スパッタ法、または蒸着法など種々方法を採用することができる。

樹脂型が、紫外線または可視光線を吸収する材料を含有する態様も、紫外線または可視光線を遮光し、樹脂型直下の感光性ポリマ層を保護する機能が大きい点で好ましい。紫外線または可視光線を吸収する材料としては、前述の金属、金属化合物またはセラミックスを使用することができる。また、着色剤、紫外線吸収剤などを使用することもできる。さらに、紫外線または可視光線を吸収する材料を含有する樹脂型の態様には、樹脂型自体が、紫外線または可視光線を吸収する材料からなる態様も含まれる。前述のとおり、露光には、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を用いることが好ましいが、波長が３００ｎｍ以下の紫外線を吸収する樹脂としては、たとえば、サンラッドＵＸＣ２０１（三洋化成社製）があり、サンラッドＵＸＣ２０１からなる樹脂型は、波長３００ｎｍ以下の紫外線に対する吸収率が大きいので、樹脂型の厚さを薄くしても、９５％以上の紫外線を容易に遮断することができる。このため、特に、樹脂型の底面または天面を紫外線吸収剤で覆ったり、天面を凹凸のある粗面としたり、また樹脂型中に紫外線吸収剤を添加しなくても、紫外線を容易に遮断することができ、樹脂型の厚さも薄くすることができる。

樹脂型の天面は、紫外線または可視光線が垂直入射しないように傾斜し、凹凸を有するものが好ましい。紫外線または可視光線が垂直入射しないように、樹脂型の天面を傾斜させることにより、反射する光量を大きくして、樹脂型直下の感光性ポリマの保護を強化することができる。反射する光量を大きくすることができれば、天面の傾斜角は、製造の容易性などを考慮して適宜調整することができる。一方、天面が凹凸のある粗面であると、乱反射により、樹脂型を透過する光量を減少させて、樹脂型直下の感光性ポリマを保護することができる。かかる粗面は、スパッタ法により形成することができる。また、サンドペーパなどで機械的に加工することによっても形成することができる。乱反射により、透過する光量を効果的に低減するため、樹脂型の天面の表面粗さ（算術平均粗さＲａ）は１μｍ以上が好ましい。

露光工程では、紫外線または可視光線により樹脂型積層体を１分間〜１０分間照射して露光する。導電性基板上に感光性ポリマを塗布し、その上に樹脂型を貼り付けた場合には、図１（ｂ）に示すとおり樹脂型積層体２の空孔部の底には感光性ポリマ層１２ａが存在している。一方、樹脂型の底面に感光性ポリマを塗布した後、樹脂型を導電性基板に固定した場合（図示していない）においても、固定後、余剰の感光性ポリマが樹脂型積層体の空孔部の底に流れ出している。本工程において樹脂型積層体を露光することにより、図１（ｃ）に示すとおり、樹脂型１３自体が吸収体マスクの機能を果たし、樹脂型積層体の空孔部の底にある感光性ポリマ１２ａは露光され、溶剤やドライエッチングにより除去されやすい化学組成からなるポリマ１２ｃに変化する。

感光後のポリマを除去する工程は、溶剤により行なうこともでき、またドライエッチングにより行なうこともできる。樹脂型の空孔部の底にある感光後のポリマを除去した後の状態を図１（ｄ）に示す。本工程により樹脂型積層体の空孔部に導電性基板のきれいな金属面が現れる。この結果、次工程における電鋳により樹脂型積層体の空孔部を金属で均一に埋めることができるようになり、精度の高い金属微細構造体を得ることができる。

感光後のポリマを溶剤により除去する工程では、樹脂型積層体の空孔部の底にある感光後のポリマをきれいに除去し、かつ樹脂型直下の未感光のポリマおよび樹脂型を保護するために、未感光のポリマおよび樹脂型材料に対する溶解度が感光後のポリマに対する溶解度より小さい溶剤（現像液）を用いることが好ましく、樹脂型材料に対する溶解度が感光後のポリマに対する溶解度の５質量％以下である溶剤がより好ましく、３質量％以下である溶剤が特に好ましい。たとえば感光性ポリマとしてフェノール系樹脂、ノボラック樹脂またはドライフィルムレジストを用いたときには、樹脂型に影響のない程度のアルカリ性を有する溶剤（現像液）を用いることが好ましい。具体的には、感光性ポリマとして東京応化製のＰＭＥＲＰ−ＬＡ１００ＰＭを用いたときは、エッチング液として東京応化製のＰＭＥＲＰ−７Ｇを用いることが好ましい。

感光後のポリマをドライエッチングにより除去する工程では、樹脂型積層体の空孔部の底にある感光後のポリマをきれいに除去し、かつ樹脂型を保護するために、樹脂型材料に対するエッチング速度が感光後のポリマに対するエッチング速度より小さいエッチングガスを用いることが好ましい。エッチング速度とは、エッチングガスの物理的、化学的効果により対象物を除去する速度をいう。樹脂型の材質としては、ポリプロピレンや多環芳香族系樹脂など、耐ドライエッチング性のある樹脂が好ましく、感光性ポリマが低分子量のフェノール系樹脂やノボラック樹脂であるときは、たとえばエッチングガスとしてＡｒ、ＳＦ₆、Ｏ₂、ＣＦ₄、または、これらの混合ガスが好ましい。

また、ＲＦパワーを１０〜４００Ｗとし、導電性基板を０〜−１００℃に冷却してエッチングを行なうことが好ましい。導電性基板が高温であると、樹脂型直下の未感光のポリマや樹脂型も横方向のエッチングにより侵食される傾向がある。しかし、導電性基板を０〜−１００℃の低温にすれば、樹脂型直下の未感光のポリマに対する侵食を抑制し、樹脂型の深さ方向のみを選択的にエッチングすることができるようになる。ドライエッチングは、作業工程数が少なく、ドライな工程であるために多数の洗浄工程などを必要としない点で、前述の溶剤により除去する方法に比べて有利である。

感光後のポリマを除去した後、電鋳により樹脂型積層体の空孔部に金属を埋める。金属を埋めた後の状態を図１（ｅ）に示す。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１４を形成することをいう。金属層１４を形成した後、研磨または研削により所定の厚さに揃える。得られた金属微細構造体は導電性基板をつけた状態で、たとえば回路基板などの用途に用いることができる。一方、導電性基板から取外して金属微細構造体のみを用いる場合には、以下の処理を行なう。

導電性基板上の樹脂型の除去は、酸素プラズマなどによるアッシングなどにより行なう。その結果、図１（ｆ）に示す構造体が得られる。この構造体から導電性基板を取り外すことにより図１（ｇ）に示す金属微細構造体１が得られる。この金属微細構造体１は、幅が数μｍ〜数１００μｍ、高さが数１００μｍまでの構造体であり、大きなアスペクト比を有する。また、複雑な構造体も製造することができ、部品の組立作業も不要である。先に示した樹脂型は、ＬＩＧＡプロセスなどにより作成された金型を元に大量に複製でき、これに電鋳することにより金属微細構造体も大量に製造できる。

樹脂型の製造方法について、図２（ａ）〜（ｄ）に、一実施の形態を示す。凸部２４を有する金型を図２（ａ）に示す。このような金型を用いて、図２（ｂ）に示すとおり、射出成形などのモールドを行ない、凹部を有する樹脂型２３を製造する。金型を除いた後の凹部を有する樹脂型２３を図２（ｃ）に示す。樹脂型の材質は、ポリメチルメタクリレート、ポリプロピレンまたはポリカーボネートなどである。凹部を有する樹脂型は、射出成形などのモールド以外に、熱硬化または光硬化により製造してもよい。樹脂型の材質は、アクリル系樹脂またはエポキシ系樹脂などである。樹脂型２３を研磨すると、図２（ｄ）に示す厚さ方向に貫通した樹脂型２３ａが得られる。また、樹脂型の研磨は、樹脂型の凹部が形成されている面を導電性基板に接着してから行なうこともできる。

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。

本発明の金属微細構造体の製造方法を示す工程図である。樹脂型の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１金属微細構造体、２樹脂型積層体、１１導電性基板、１２感光性ポリマ層、１３樹脂型、１４金属層、２４凸部。

Claims

凹部を有する樹脂型を形成する工程と、
紫外線または可視光線により化学組成が変化する感光性ポリマを用いて、前記凹部を有する樹脂型を導電性基板上に貼り付けて樹脂型積層体を形成する工程と、
前記凹部を有する樹脂型を研磨して厚さ方向に貫通した樹脂型を形成する工程と、
樹脂型積層体を紫外線または可視光線により露光する工程と、
前記樹脂型の空孔部に存在する感光後の感光性ポリマを除去する工程と、
前記樹脂型積層体の空孔部を電鋳により金属で埋める工程と、
を有する金属微細構造体の製造方法。
前記樹脂型の空孔部に存在する感光後の感光性ポリマを除去する工程において、未感光の感光性ポリマおよび樹脂型材料に対する溶解度が感光後の感光性ポリマに対する溶解度より小さい溶剤を用いて除去することを特徴とする請求項１記載の金属微細構造体の製造方法。
前記樹脂型の空孔部に存在する感光後の感光性ポリマを除去する工程において、樹脂型材料に対するエッチング速度が感光後の感光性ポリマに対するエッチング速度より小さいエッチングガスを用いてドライエッチングすることを特徴とする請求項１記載の金属微細構造体の製造方法。
前記貫通した樹脂型は、吸収および反射により前記紫外線または可視光線の９５％以上を遮断することを特徴とする請求項１記載の金属微細構造体の製造方法。
前記貫通した樹脂型は、導電性基板上に固定する底面と、該底面の反対側にある天面とのうち、両面または片面が、前記紫外線または可視光線を吸収する材料で覆われていることを特徴とする請求項４記載の金属微細構造体の製造方法。
前記貫通した樹脂型は、前記紫外線または可視光線を吸収する材料を含有することを特徴とする請求項４記載の金属微細構造体の製造方法。
前記貫通した樹脂型の天面は、前記紫外線または可視光線が垂直入射しないように傾斜し、凹凸を有することを特徴とする請求項４記載の金属微細構造体の製造方法。
前記紫外線は、波長が３００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４記載の金属微細構造体の製造方法。