JP4238539B2

JP4238539B2 - Thin film three-dimensional structure and manufacturing method thereof

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Publication number: JP4238539B2
Application number: JP2002236934A
Authority: JP
Inventors: 徹石津谷
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2002-08-15
Filing date: 2002-08-15
Publication date: 2009-03-18
Anticipated expiration: 2022-08-15
Also published as: JP2004074340A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、薄膜により形成された立体の構造体、および、その製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、マイクロマシニング技術を用いて、基板上に形成した薄膜をフォトリソグラフィとエッチング等により加工することにより、微細な立体の構造体を形成できることが知られている。例えば、Sensors and Actuators A,33(1992)249-256、"Microfabricated Hinges"には、基板上に薄膜によりプレートとヒンジ構造を形成し、プレートを基板に対して垂直に起こし、ヒンジにより支えることにより、基板に垂直な構造体を形成することが開示されている。上記文献では、プレートを、ミラーとして用いている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のように、薄膜で形成したプレートを、薄膜で形成したヒンジで支える構造は、比較的容易に高さのある薄膜構造体を形成することが可能であるが、剛性が小さく、力が加わると容易に変形したり、倒れたりする。また、ある程度剛性があり、しかも、高さのある立体構造体を成膜とその加工により形成しようとすると、厚膜を成膜して所望のパターンに加工し、厚膜の厚さを立体構造体の高さとすることが考えられるが、膜厚が厚くなるにつれ膜にクラックが生じやすくなるため、高さを高くするのが難しい。しかも、立体構造体全体の重量が大きくなるという問題が生じる。また、成膜に長時間を要するという問題もある。また、クラックの問題を解消するために、薄膜を多層に積層して厚膜を形成することが考えられるが、立体構造体の重量が大きくなるという問題と、成膜に長時間を要するという問題は、解決できない。
【０００４】
本発明は、薄膜で形成した立体構造体であって、自重が軽く、かつ、剛性の得られる構造体を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、以下のような薄膜立体構造体が提供される。
【０００６】
すなわち、基板と、該基板上に順に積み重ねられた複数の単位構造部材を有し、
前記単位構造部材は、支持部と、前記支持部によって支持された平面部とを含み、該支持部および平面部は、連続した薄膜により一体に構成され、
積み重ねられた前記単位構造部材は、互いが接触する部分において、前記薄膜同士が固着していることを特徴とする薄膜立体構造体である。
【０００７】
上記薄膜立体構造体において、前記単位構造部材を構成する薄膜は、周縁に段差が形成されている構成にすることが可能である。
【０００８】
また、上記薄膜立体構造体において、上段に位置する前記単位構造部材の前記支持部が、すぐ下の段の前記単位構造部材の平面部に搭載された形状にすることが可能である。
【０００９】
また、上記薄膜立体構造体において、積み重ねられた前記単位構造部材は、上段に位置する前記単位構造部材ほど、前記支持部の数が少ない構成にすることができる。
【００１０】
上記薄膜立体構造体において、前記単位構造部材を構成する薄膜は、３層膜であり、該３層膜のうち最上層の膜と最下層の膜とは、同じ材質にすることが可能である。
【００１１】
また、本発明によれば、以下のような薄膜立体構造体が提供される。
【００１２】
すなわち、基板と、該基板上に順に積み重ねられた複数の単位構造部材を有し、
前記単位構造部材は、中空の開口を有する支持部と、前記開口を覆う平面部と、前記支持部の前記中空の開口を充填する充填材とを含み、前記支持部および前記平面部は、それぞれ薄膜によって形成され、
上段に位置する前記単位構成部材の前記支持部が、すぐ下の段の前記単位構造部材の前記平面部に搭載された形状であることを特徴とする薄膜立体構造体である。
【００１３】
上記薄膜立体構造体において、上段に位置する前記単位構造部材の前記支持部を構成する前記薄膜と、それを搭載する下の段の前記単位構造部材の前記平面部を構成する前記薄膜とが、固着している構成にすることができる。
【００１４】
また、本発明によれば、以下のような薄膜構造体の製造方法が提供される。
【００１５】
すなわち、基板上に犠牲層を形成し、該犠牲層に開口を設ける第１の工程と、前記犠牲層の上面、ならびに、前記開口の底面および側面に、連続した薄膜を形成し、該薄膜を所望の大きさにパターニングする第２の工程と、
前記薄膜の上に、犠牲層を形成し、該犠牲層に開口を設ける第３の工程と、
前記犠牲層の上面、ならびに、前記開口の底面および側面に、連続した薄膜を形成し、該薄膜を所望の大きさにパターニングする第４の工程と、
前記第３および第４の工程を、所望の回数繰り返した後、前記犠牲層を全て除去することにより、基板上に順に積み重ねられた複数の薄膜の単位構造部材からなる薄膜立体構造体を製造することを特徴とする薄膜立体構造体の製造方法である。
【００１６】
上記製造方法において、犠牲層として、レジスト層を用いることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００１８】
（第１の実施の形態）
第１の実施の形態の薄膜構造体１を図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）を用いて説明する。薄膜構造体１は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように４段の単位構造部材１１〜１４が積み重ねられて構成されている。１段目の単位構造部材１１は、Ｓｉ基板１０上に搭載されている。単位構造部材１１、１２，１３は、図１（ｃ）のように、いずれも複数の支持部５１と、平面部５２とを有している。平面部５２は、両端が支持部５１によって支えられている。１段目の単位構造部材１１は、４つの支持部５１と、これら間に支持された３つの平面部５２とを有する。２段目の単位構造部材１２は、１段目の単位構造部材１１の３つの平面部５２上にそれぞれ配置された３つの支持部５１と、３つの支持部５１の間に支持された２つの平面部５２とを有する。同様に、３段目の単位構造部材１３は、２段目の構造部材１２の２つの平面部５２の上にそれぞれ配置された２つの支持部５１と、その間に支持された１つの平面部５２とを有する。最上段の４段目の単位構造部材１４は、３段目の単位構造部材１３の１つの平面部５２上に配置された１つの支持部５１を有し、平面部５２は有していない。
【００１９】
単位構造部材１１〜１４は、それぞれＳｉＮ膜からなり、支持部５１と平面部５２は、連続したＳｉＮ膜によって一体に形成されている。支持部５１は、４つの側面と底面とを有し、これらが連続したＳｉＮ膜により形成されている。本実施の形態では、単位構造部材１１〜１４を構成するＳｉＮ膜の膜厚は、０．２μｍであり、１段の単位構造部材の高さは、４μｍである。よって、薄膜構造体１の全体の高さは、１６μｍである。
【００２０】
単位構造部材１１〜１４が互いに接する部分、すなわち支持部５１の底面と、それを搭載する平面部５２との間には、特別な接着層は配置されていないが、ＳｉＮ膜の成膜時に膜同士が固着する力により、固定されている。また、１段目の単位構造部材１１の支持部５１の底面は、成膜時にＳｉＮ膜がＳｉ基板１０に固着する力によって基板１０に固定されている。
【００２１】
単位構造部材１１〜１３において、複数の支持部５１の間隔は、その間の平面部５２が、ＳｉＮ膜の膜応力またはその上段の支持部５１から受ける重さによって撓みを生じない程度の間隔に定められている。しかも、支持部５１の間隔は、支持部５１を配置可能な面積の平面部５２が確保できる間隔となるように定められている。
【００２２】
また、いずれの単位構造部材１１〜１４も、ＳｉＮ膜の周縁部を２回屈曲させることによって形成した段差（折り返し）５３を有している。
【００２３】
薄膜構造体１は、支持部５１および平面部５２がいずれも薄膜（ＳｉＮ膜）で形成されているため、重量が軽く、薄膜（ＳｉＮ膜）で形成された支持部５１であっても平面部５２を十分に支持することが可能である。よって、１６μｍという高さの高い立体構造を十分に支持することができる。しかも、上段へ行くほど、支持部の数が減る（１段目：支持部５１が４つ→２段目：支持部５１が３つ→３段目：支持部５１が２つ→４段目（最上段）：支持部５１が１つ）というピラミッド構造をとっているため、上段に行くほど軽くなり、薄膜の支持部５１の負担を軽減している。
【００２４】
また、薄膜構造体１は、周縁に段差５３が形成されているので、０．２μｍという薄い膜で構成されているにも関わらず変形しにくく、薄膜構造体１の剛性を高めている。また、薄膜（ＳｉＮ膜）に内部応力が存在している場合であっても、段差５３によって、内部応力による変形を防止することができ、構造を保持できるという利点もある。
【００２５】
このように、第１の実施の形態によれば、自重が軽く、かつ、剛性のある薄膜構造体を実現することができる。
【００２６】
つぎに、図２（ａ）〜（ｆ）を用いて、薄膜構造体１の製造方法について説明する。
【００２７】
まず、基板１０としてＳｉ基板を用意し、厚さ１．９μｍの第１のレジスト層２１をスピンコートと加熱の工程により形成する。この第１のレジスト層２１の単位構造部材１１の支持部５１となる位置に、フォトリソグラフィーの手法により開口２１ａを設ける（図２（ａ））。
【００２８】
つぎに、第１のレジスト層２１上に、厚さ１．９μｍの第２のレジスト層２２をスピンコートと加熱の工程により形成し、フォトリソグラフィーの手法により、単位構造部材１１を形成すべき領域を残して周囲を除去する。同時に、単位構造部材１１の支持部５１となる位置に開口２２ａを設ける。これにより、第２のレジスト層２２のアイランドを形成する（図２（ｂ））。これらレジスト層２１，２２は、最終的には除去される層（犠牲層）である。
【００２９】
第２のレジスト層２２の上に厚さ０．２μｍのＳｉＮ膜を成膜する。この成膜の工程では、第２のレジスト層２２の上面のみならず、開口２２ａ，２１ａの側面及び底面にも連続したＳｉＮ膜が形成されるように成膜する。成膜したＳｉＮ膜をフォトリソグラフィーとエッチングの手法により、単位構造部材１１の形状にパターニングする（図２（ｃ））。第２のレジスト層２２のアイランドが形成されているため、ＳｉＮ膜の周縁部は、アイランドの縁で折れ曲がり、段差（折り返し）５３の形状となる。
【００３０】
つぎに、図２（ｃ）の構造の基板１０の全体に、スピンコートと加熱の工程により、厚さ１．９μｍの第３のレジスト層２３を形成し、フォトリソグラフィーの手法により、単位構造部材１１の上部のレジスト層２３を除去する。これにより、図２（ｄ）のように、単位構造部材１１で覆われた第２のレジスト層２２のアイランドが埋め込まれ、平坦化することができる。
【００３１】
この後は、図２（ａ）〜（ｄ）と同様の工程で、２段目の単位構造部材１２を形成する。具体的には、第４のレジスト層２４を形成し、開口２４ａを形成する（図２（ｅ））。さらに、第５のレジスト層２５を形成し、パターニングによりアイランド形状とする。ＳｉＮ膜を形成し、単位構造部材１２の形状にパターニングする。この後、第６のレジスト層２６により埋め込み、平坦化する（図２（ｆ））。同様の工程により、３段目および４段目（最上段）の単位構造部材１３，１４を形成したのち、最後に犠牲層であるレジスト層２１〜２６等をアッシングにより除去する。これにより、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示した構造の薄膜構造体１が完成する。
【００３２】
本実施の形態では、レジスト層を犠牲層として用いているため、塗布（スピンコート）工程と加熱により、厚さの厚い犠牲層を短時間に、しかも容易な手法で形成することができる。このため、単位構造部材１１〜１４の一つ一つの高さを、高くすることができるため、高さのある薄膜構造体１を少ない段数で、かつ、比較的簡単な工程で、効率よく製造することができる。
【００３３】
なお、薄膜構造体１の高さについては、犠牲層（レジスト層）の厚さにより可変できる。例えば、厚さ１０μｍのレジスト層も形成可能である。
【００３４】
また、本実施の形態では、単位構造部材１１〜１４を、同じ材質のＳｉＮ膜により形成したが、ＳｉＮ膜の代わりにＳｉＯ膜等の誘電体膜やＡｌ膜等の金属膜を用いることも可能である。また、単位構造部材１１〜１４を１段ずつ別々の材料により構成することも可能である。また、単位構造部材１１〜１４は、それぞれ１層の膜により構成するのではなく、複数の膜の積層体によって形成することができる。したがって、単位構造部材１１〜１４を、別の薄膜構造体を形成する工程によって、別の薄膜構造体の成膜およびパターニングの際に同時に成膜およびパターニングし、薄膜構造体１と別の薄膜構造体とを同時に形成することも可能である。
【００３５】
また、本実施の形態では、単位構造部材１１〜１４に段差５３を設けているため、単位構造部材１１〜１４の変形を防ぎ、剛性を得ることができる。また、単位構造部材１１〜１４を構成する膜に内部応力が存在する場合であっても、変形を防いで立体構造を得ることができるので、自由に成膜条件を選ぶことができる。また、高温な基板加熱が必要がないため、上述のようにレジスト層を犠牲層として使用することができる。
【００３６】
（第２の実施の形態）
つぎに、第２の実施の形態の薄膜構造体２について図３を用いて説明する。
【００３７】
図３は、薄膜構造体２の断面形状を示すものであり、上面形状は、図１（ａ）とほぼ同様であるため、図示を省略している。第２の実施の形態の薄膜構造体２は、第１の実施の形態の薄膜構造体１と同様に、支持部５１と平面部５２とを有する単位構造部材１１〜１３と、支持部５１のみを有する最上段の単位構造部材１４とを含む。第２の実施の形態の薄膜構造体２が、第１の実施の形態の薄膜構造体１と異なる点は、単位構造部材１１〜１４が、周縁部に段差を備えていない点と、単位構造部材１１〜１４が、それぞれ３層膜によって構成されている点である。これら以外の構成は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。
【００３８】
単位構造部材１１〜１４を構成する３層膜は、基板側から順に膜３１，膜３２，膜３３が積層された構成である。このように３層膜にしているのは、各膜３１，３２，３３の内部応力を打ち消し合わせ、残留応力がほとんどない３層膜により単位構造部材１１〜１４を構成するためである。内部応力を打ち消し合わせるために、最下層の膜３１と最上層の膜３３が同じ材質で構成され、同程度の膜厚であることが望ましい。第２の実施の形態では、最下層の膜３１と第上層の膜３３を同じ膜厚のＳｉＮ膜とし、これらに挟まれた膜３２をＡｌ膜としている。
【００３９】
このように、第２の実施の形態の薄膜構造体２は、単位構造部材１１〜１４を、内部応力を打ち消し合った３層膜により構成しているため、第１の実施の形態のように段差５３を形成しなくても、剛性を保つことが可能である。
【００４０】
第２実施の形態の薄膜構造体２は、段差５３を形成しない構造であるため、製造時にアイランド状のレジスト層を形成しなくてよいという利点がある。
【００４１】
（第３の実施の形態）
つぎに、第３の実施の形態の薄膜構造体３を図４を用いて説明する。
【００４２】
第３の実施の形態の薄膜構造体３は、図４に示すように、単位構造部材４１，４２を有している。１段目の単位構造部材４１は、円形の平面部４４と、平面部４４を支持する３本の支持部４３とを有する。３本の支持部４３は、円形の平面部４４の中心を中心として１２０°のおきに、すなわち正三角形の頂点の位置に配置されている。このように、薄膜構造体３の支持部４３は、第１の実施の形態の薄膜構造体１のように支持部５１が一直線上に並んでおらず、支持部４３が二次元的に配置されている。
【００４３】
２段目の単位構造部材４２は、１段目の単位構造部材４１と同じ大きさおよび形状である。２段目の単位構造部材４２の支持部４３は、１段目の単位構造部材４１の平面部４４によって支持されるように、１段目の単位構造部材４１の支持部４３から６０°ずつずれた角度に配置されている。
【００４４】
なお、図４の薄膜構造体３も、第１の実施の形態の薄膜構造体１と同様に、ＳｉＮ等の薄膜によって、支持部４３と平面部４４とが一体に形成されている。また、薄膜の周縁部には、段差（折り返し）５３が設けられ、単位構造部材４１，４２の変形を防ぎ、薄膜構造体３の剛性を保っている。
【００４５】
図４の薄膜構造体３は、第１の実施の形態の薄膜構造体と同様の製造手順により、製造することができる。
【００４６】
また、図４では、単位構造部材４１，４２が２段重ねられた薄膜構造体３を示しているが、同様に単位構造部材を３段以上積層することも可能である。
【００４７】
（第４の実施の形態）
つぎに、第４の実施の形態の薄膜構造体４を図５を用いて説明する。
【００４８】
第４の実施の形態の薄膜構造体４は、第１の実施の形態の薄膜構造体１の変形例である。第４の実施の形態の薄膜構造体４は、４段の単位構成部材６１，６２，６３，６４の全てにおいて、支持部５１の数が一つである。支持部５１の内部にはレジスト６５が充填されている。支持部５１の上部には、レジスト６５の蓋の役目をすると共に、上段の支持部５１を支える平面部６６がかぶせられている。
【００４９】
支持部５１の形状は、第１の実施の形態の支持部５１と同様であり、４つの側面と底面とが一つの膜により一体に形成されている。支持部５１を構成する膜の周縁部には、段差（折り返し）５３が形成されている。平面部６６を構成する膜の周縁部にも段差（折り返し）５３が形成されている。支持部５１の段差５３と、平面部６６の段差５３を構成する膜は、成膜時に生じる固着力により、密着している。
【００５０】
図５の薄膜構造体４は、すべての段において支持部５１の数が１つであり、単位構造部材６１〜６４が上方に直線状に積まれているため、狭い面積に高さの高い立体構造を形成することが可能である。
【００５１】
また、支持部５１の内側にはレジスト６５が充填されているため、支持部５１の内側が中空の場合と比較して支持強度が増している。これにより、図５のような直線状に積まれた構造であっても、強度を得ることができる。
【００５２】
支持部５１の内側に充填されているレジストは、犠牲層の一部であるため、第１の実施の形態と同様の工程で作成することが可能である。
【００５３】
なお、図５の薄膜構造体４の構成において、支持部５１の内部が充填されていない構成にすることも可能である。この構成は、支持部５１の一部に開口を設け、内部のレジストを犠牲層とともに除去することにより実現できる。
【００５４】
（第５の実施の形態）
第５の実施の形態として、光スイッチについて説明する。この光スイッチは、図６（ａ），（ｂ）に示した薄膜構造体５を用いている。
【００５５】
本実施の形態の光スイッチは、図６（ａ），（ｂ）に示した薄膜構造体５をミラーのストッパーとして用いるものである。薄膜構造体５は、第１の実施の形態の図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の薄膜構造体１とほぼ同様の構成であるが、最上段の単位構造部材１４に、最下段の単位構造部材１１の幅よりも突出する突起部７１を設けている点が薄膜構造体１とは異なる。この突起部７１が、図７のようにミラー１０１と接することにより、薄膜構造体５がミラー１０１を支える。
【００５６】
ミラー１０１は、可動板１０２の上に搭載されている。ミラー１０１は、可動板１０２上に形成した薄膜を垂直に起こしたものであり、同じく薄膜プロセスにより形成されたヒンジ１０３により支持されている。ヒンジ１０３のみでは、ミラー１０１を可動板１０２上に垂直に支持することは困難であるため、本実施の形態では、２つの薄膜構造体５をストッパーとしてミラー１０１の両脇に配置している。薄膜構造体５の突起部７１は、ミラー１０１と接触してミラー１０１を支え、ミラー１０１が倒れるのを防いでいる。本実施の形態の薄膜構造体５は、高さと剛性があるため、ミラー１０１をしっかりと支えることができる。薄膜構造体５は、ミラー１０１およびヒンジ１０３の製造工程と同様に、成膜とフォトリソグラフィの手法により形成することができる。薄膜構造体５の単位構造部材１１〜１４のうちのいくつかを、ミラー１０１やヒンジ１０３を構成する薄膜で形成することも可能である。
【００５７】
可動板１０２は、図８のように基板３０に搭載されている。可動板１０２は、窒化シリコン膜とＡｌ膜との２層構造により形成され、内部応力により、上向きに湾曲する性質を有する。可動板１０２は、一方の端部に設けられた脚部１０２ｃにより基板３０に固定されている。また、基板３０には、図示していないが、内部に電極が形成され、表面は絶縁膜で覆われている。よって、可動板１０２のＡｌ膜と、基板３０内部の電極との間に電圧を印加することにより、可動板１０２は静電力により基板３０に引き寄せられ、図９（ａ）のように基板３０に密着する。一方、可動板１０２のＡｌ膜と基板３０の内部の電極との間に電圧を印加していない状態では、可動板１０２は、窒化シリコン膜とＡｌ膜の応力により図９（ｂ）のように湾曲する。
【００５８】
また、本実施の形態の光スイッチは、図９（ａ），（ｂ）のように、切り換えるべき光を伝搬する２本の光導波路２４３，２４４が設けられた光導波路基板４０を有している。２本の光導波路２４３、２４４は、交差しており、交差する位置には、光導波路基板４０に溝２４６が形成されている。基板３０と光導波路基板４０とを位置合わせして重ねることにより、光スイッチが構成される。可動板１０２のＡｌ膜と基板３０内部の電極との間に電圧を印加している状態では、図９（ａ）のように可動板１０２が静電力により基板３０に引き寄せられ、ミラー１０１は、光導波路２４３、２４４より下側に位置する。よって、光導波路２４３および２４４を伝搬する光は、そのまま直進する。一方、可動板１０２のＡｌ膜と基板３０内部の電極との間に電圧を印加していない状態では、図９（ｂ）のように可動板１０２が、窒化シリコン膜とＡｌ膜の応力により湾曲し、ミラー１０１は、光導波路基板４０の溝２４６に挿入され、光導波路２４３、２４４を横切るように位置する。よって、例えば、光導波路２４３を伝搬する光は、ミラー１０１で反射されて、光導波路２４４に入射し、伝搬する。これにより、光の伝搬方向をスイッチングすることができる。
【００５９】
本実施の形態の薄膜構造体５は、高さが有り、剛性も大きいが、４枚の薄膜で構成されているため、軽量である。このため、可動板１０２に搭載しても、可動板１０２の動きを妨げないため、光スイッチのミラーのストッパーとして適している。
【００６０】
【発明の効果】
上述してきたように、本発明によれば、薄膜で形成した立体構造体であって、自重が軽く、かつ、剛性の得られる構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（ａ）は、第１の実施の形態の薄膜構造体１の上面図、図１（ｂ）は、図１（ａ）のＢ−Ｂ断面図、側面図、図１（ｃ）は、図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。
【図２】図２（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態の薄膜構造体１の製造工程を示す断面図である。
【図３】図３は、第２の実施の形態の薄膜構造体２の断面図である。
【図４】図４は、第３の実施の形態の薄膜構造体３の斜視図である。
【図５】図５は、第４の実施の形態の薄膜構造体４の断面図である。
【図６】図６（ａ）は、第５の実施の形態の薄膜構造体５の上面図、図６（ｂ）は、薄膜構造体５の側面図である。
【図７】図７は、第５の実施の形態の光スイッチの可動板１０２上のミラー１０１と薄膜構造体５の斜視図である。
【図８】図８は、第５の実施の形態の光スイッチの、可動板１０２が固定された基板３０の斜視図である。
【図９】図９（ａ）は、第５の実施の形態の光スイッチの、ミラー１０１が光を反射していない状態の断面図、図９（ｂ）は、光スイッチの、ミラー１０１が光を反射して伝搬方向を変更している状態の断面図である。
【符号の説明】
１，２，３，４，５…薄膜構造体、１０…基板、１１，１２，１３，１４…単位構造部材、２１，２２，２３，２４，２５，２６…レジスト層、３０…基板、４０…光導波路基板、４３…支持部、４４…平面部、５１…支持部、５２…平面部、５３…段差、６１，６２，６３，６４…単位構造部材、６６…平面部、７１…突起部、１０１…ミラー、１０２…可動板、１０３…ヒンジ、２４３，２４４…光導波路、２４６…溝。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional structure formed of a thin film and a method for manufacturing the same.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, it has been known that a fine three-dimensional structure can be formed by processing a thin film formed on a substrate by photolithography and etching using a micromachining technique. For example, in Sensors and Actuators A, 33 (1992) 249-256, "Microfabricated Hinges", a plate and a hinge structure are formed by a thin film on a substrate, and the plate is raised vertically with respect to the substrate and supported by a hinge. Forming a structure perpendicular to the substrate. In the above document, a plate is used as a mirror.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, a structure in which a plate formed of a thin film is supported by a hinge formed of a thin film can form a thin film structure having a relatively high height, but has a small rigidity and a force is applied. It easily deforms or falls over. In addition, when trying to form a three-dimensional structure that has rigidity to some extent and is formed by film formation and processing, a thick film is formed and processed into a desired pattern, and the thickness of the thick film is changed to a three-dimensional structure. Although it is conceivable that the height of the body is increased, it is difficult to increase the height because the film tends to crack as the film thickness increases. Moreover, there arises a problem that the weight of the entire three-dimensional structure increases. There is also a problem that a long time is required for film formation. In addition, in order to solve the problem of cracks, it is conceivable to form a thick film by laminating thin films, but the problem is that the weight of the three-dimensional structure increases and the film formation takes a long time. Cannot be resolved.
[0004]
An object of the present invention is to provide a three-dimensional structure formed of a thin film, having a light weight and a rigidity.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the present invention, the following thin film three-dimensional structure is provided.
[0006]
That is, a substrate and a plurality of unit structural members stacked in order on the substrate,
The unit structural member includes a support part and a flat part supported by the support part, and the support part and the flat part are integrally configured by a continuous thin film,
The unit structure members stacked are thin film three-dimensional structures in which the thin films are fixed to each other at a portion where the unit structure members are in contact with each other.
[0007]
In the thin-film three-dimensional structure, the thin film constituting the unit structural member can be configured such that a step is formed at the periphery.
[0008]
Further, in the thin film three-dimensional structure, the support portion of the unit structure member positioned in the upper stage can be formed in a shape mounted on the flat portion of the unit structure member in the immediately lower stage.
[0009]
Moreover, in the thin film three-dimensional structure, the unit structure members stacked can be configured such that the number of the support portions is smaller as the unit structure member located in the upper stage.
[0010]
In the thin film three-dimensional structure, the thin film constituting the unit structure member is a three-layer film, and the uppermost film and the lowermost film among the three-layer films can be made of the same material. .
[0011]
Moreover, according to this invention, the following thin film solid structures are provided.
[0012]
That is, a substrate and a plurality of unit structural members stacked in order on the substrate,
The unit structural member includes a support part having a hollow opening, a flat part covering the opening, and a filler filling the hollow opening of the support part, and the support part and the flat part are respectively Formed by a thin film,
The thin film three-dimensional structure is characterized in that the support portion of the unit constituent member located at the upper stage has a shape mounted on the flat portion of the unit structure member at the immediately lower stage.
[0013]
In the thin film three-dimensional structure, the thin film constituting the support portion of the unit structural member located in the upper stage, and the thin film constituting the flat portion of the unit structural member in the lower stage on which the thin film is mounted, The structure can be fixed.
[0014]
Moreover, according to this invention, the manufacturing method of the following thin film structures is provided.
[0015]
That is, a first step of forming a sacrificial layer on a substrate and providing an opening in the sacrificial layer; and forming a continuous thin film on the upper surface of the sacrificial layer and on the bottom and side surfaces of the opening; A second step of patterning to a desired size;
Forming a sacrificial layer on the thin film and providing an opening in the sacrificial layer;
A fourth step of forming a continuous thin film on the top surface of the sacrificial layer and the bottom and side surfaces of the opening, and patterning the thin film to a desired size;
After the third and fourth steps are repeated a desired number of times, the sacrificial layer is completely removed to manufacture a thin film three-dimensional structure composed of a plurality of thin film unit structure members stacked in order on the substrate. This is a method for producing a thin film three-dimensional structure.
[0016]
In the above manufacturing method, a resist layer can be used as the sacrificial layer.
[0017]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0018]
(First embodiment)
A thin film structure 1 according to a first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 (a), (b), and (c). The thin film structure 1 is configured by stacking four-stage unit structural members 11 to 14 as shown in FIGS. 1 (a), 1 (b), and (c). The unit structural member 11 at the first stage is mounted on the Si substrate 10. As shown in FIG. 1C, each of the unit structural members 11, 12, and 13 has a plurality of support portions 51 and a plane portion 52. Both ends of the flat portion 52 are supported by the support portions 51. The unit structural member 11 in the first stage has four support portions 51 and three plane portions 52 supported therebetween. The second-stage unit structural member 12 includes three support portions 51 disposed on the three plane portions 52 of the first-stage unit structure member 11, and two support portions 51 supported between the three support portions 51. And a plane portion 52. Similarly, the third-stage unit structural member 13 includes two support portions 51 disposed on the two plane portions 52 of the second-stage structure member 12 and one plane portion 52 supported therebetween. And have. The uppermost unit structure member 14 of the fourth stage has one support part 51 arranged on one plane part 52 of the unit structure member 13 of the third stage, and does not have the plane part 52.
[0019]
The unit structural members 11 to 14 are each made of a SiN film, and the support part 51 and the flat part 52 are integrally formed of a continuous SiN film. The support part 51 has four side surfaces and a bottom surface, and these are formed by a continuous SiN film. In the present embodiment, the thickness of the SiN film constituting the unit structural members 11 to 14 is 0.2 μm, and the height of the single unit structural member is 4 μm. Therefore, the overall height of the thin film structure 1 is 16 μm.
[0020]
A special adhesive layer is not disposed between the portion where the unit structural members 11 to 14 are in contact with each other, that is, the bottom surface of the support portion 51 and the flat portion 52 on which the unit structural member 11 is mounted. It is fixed by the force with which they stick together. Further, the bottom surface of the support portion 51 of the first-stage unit structural member 11 is fixed to the substrate 10 by the force with which the SiN film adheres to the Si substrate 10 during film formation.
[0021]
In the unit structural members 11 to 13, the interval between the plurality of support portions 51 is set to such an interval that the plane portion 52 therebetween does not bend due to the film stress of the SiN film or the weight received from the upper support portion 51. It has been. In addition, the interval between the support portions 51 is determined so that the plane portion 52 having an area where the support portions 51 can be arranged can be secured.
[0022]
In addition, each of the unit structural members 11 to 14 has a step (folded) 53 formed by bending the peripheral portion of the SiN film twice.
[0023]
The thin film structure 1 has a light weight because both the support part 51 and the flat part 52 are formed of a thin film (SiN film), and even if the support part 51 is formed of a thin film (SiN film), it is a flat part. 52 can be fully supported. Therefore, it is possible to sufficiently support a high three-dimensional structure of 16 μm. In addition, the number of support portions decreases as it goes up (first step: four support portions 51 → second step: three support portions 51 → third step: two support portions 51 → fourth step. (Top stage): Since it has a pyramid structure of one support part 51), it becomes lighter as it goes to the upper stage, and the burden on the support part 51 of the thin film is reduced.
[0024]
Further, since the thin film structure 1 is formed with a step 53 at the periphery, it is difficult to be deformed despite being formed of a thin film of 0.2 μm, and the rigidity of the thin film structure 1 is enhanced. Further, even when an internal stress is present in the thin film (SiN film), the step 53 can prevent deformation due to the internal stress, and there is an advantage that the structure can be maintained.
[0025]
Thus, according to the first embodiment, it is possible to realize a thin film structure that is light in weight and rigid.
[0026]
Next, a method for manufacturing the thin film structure 1 will be described with reference to FIGS.
[0027]
First, a Si substrate is prepared as the substrate 10 and a first resist layer 21 having a thickness of 1.9 μm is formed by spin coating and heating processes. An opening 21a is provided by a photolithography technique at a position of the first resist layer 21 to be the support portion 51 of the unit structure member 11 (FIG. 2A).
[0028]
Next, a second resist layer 22 having a thickness of 1.9 μm is formed on the first resist layer 21 by a spin coating and heating process, and the unit structure member 11 is to be formed by a photolithography technique. Remove the surroundings leaving At the same time, an opening 22a is provided at a position to be the support portion 51 of the unit structural member 11. Thereby, an island of the second resist layer 22 is formed (FIG. 2B). These resist layers 21 and 22 are layers (sacrificial layers) that are finally removed.
[0029]
A SiN film having a thickness of 0.2 μm is formed on the second resist layer 22. In this film forming step, the film is formed so that a continuous SiN film is formed not only on the upper surface of the second resist layer 22 but also on the side and bottom surfaces of the openings 22a and 21a. The formed SiN film is patterned into the shape of the unit structure member 11 by photolithography and etching techniques (FIG. 2C). Since the island of the second resist layer 22 is formed, the peripheral portion of the SiN film is bent at the edge of the island and becomes a stepped (folded) 53 shape.
[0030]
Next, a third resist layer 23 having a thickness of 1.9 μm is formed on the entire substrate 10 having the structure shown in FIG. 2C by spin coating and heating, and the unit structural member is formed by photolithography. 11 is removed. As a result, as shown in FIG. 2D, the island of the second resist layer 22 covered with the unit structure member 11 is buried and planarized.
[0031]
Thereafter, the second-stage unit structural member 12 is formed in the same process as in FIGS. Specifically, a fourth resist layer 24 is formed, and an opening 24a is formed (FIG. 2E). Further, a fifth resist layer 25 is formed and formed into an island shape by patterning. An SiN film is formed and patterned into the shape of the unit structure member 12. Thereafter, it is filled with a sixth resist layer 26 and flattened (FIG. 2F). After the third and fourth (uppermost) unit structural members 13 and 14 are formed by the same process, the sacrifice resist layers 21 to 26 and the like are finally removed by ashing. Thereby, the thin film structure 1 having the structure shown in FIGS. 1A, 1B, and 1C is completed.
[0032]
In this embodiment mode, since the resist layer is used as a sacrificial layer, a thick sacrificial layer can be formed in a short time and with an easy method by a coating (spin coating) process and heating. For this reason, since the height of each of the unit structural members 11 to 14 can be increased, the thin thin film structure 1 having a high height can be efficiently manufactured with a small number of steps and a relatively simple process. can do.
[0033]
The height of the thin film structure 1 can be varied depending on the thickness of the sacrificial layer (resist layer). For example, a resist layer having a thickness of 10 μm can be formed.
[0034]
In the present embodiment, the unit structural members 11 to 14 are formed of the same material SiN film, but a dielectric film such as a SiO film or a metal film such as an Al film may be used instead of the SiN film. It is. Further, the unit structural members 11 to 14 can be formed of different materials one by one. Each of the unit structural members 11 to 14 can be formed by a laminated body of a plurality of films, instead of being configured by a single film. Therefore, the unit structure members 11 to 14 are formed and patterned simultaneously with the formation and patterning of another thin film structure by the step of forming another thin film structure, and the thin film structure 1 and another thin film structure are formed. It is also possible to form the body at the same time.
[0035]
Moreover, in this Embodiment, since the level | step difference 53 is provided in the unit structural members 11-14, a deformation | transformation of the unit structural members 11-14 can be prevented and rigidity can be acquired. In addition, even if internal stress is present in the films constituting the unit structural members 11 to 14, since a three-dimensional structure can be obtained while preventing deformation, film formation conditions can be freely selected. Further, since there is no need for high-temperature substrate heating, the resist layer can be used as a sacrificial layer as described above.
[0036]
(Second Embodiment)
Next, the thin film structure 2 according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
[0037]
FIG. 3 shows a cross-sectional shape of the thin film structure 2, and the upper surface shape is substantially the same as FIG. Similarly to the thin film structure 1 of the first embodiment, the thin film structure 2 of the second embodiment includes unit structural members 11 to 13 each having a support part 51 and a flat part 52, and only the support part 51. And the uppermost unit structural member 14. The thin film structure 2 of the second embodiment is different from the thin film structure 1 of the first embodiment in that the unit structural members 11 to 14 are not provided with a step at the peripheral edge, and the unit structure. The members 11 to 14 are each constituted by a three-layer film. Since the configuration other than these is the same as that of the first embodiment, the description thereof is omitted.
[0038]
The three-layer film constituting the unit structural members 11 to 14 has a structure in which a film 31, a film 32, and a film 33 are stacked in this order from the substrate side. The reason why the three-layer film is formed is that the internal structural members 11 to 14 are constituted by three-layer films that cancel out the internal stresses of the films 31, 32, and 33 and have almost no residual stress. In order to cancel internal stress, it is desirable that the lowermost film 31 and the uppermost film 33 are made of the same material and have the same thickness. In the second embodiment, the lowermost film 31 and the upper film 33 are SiN films having the same thickness, and the film 32 sandwiched between them is an Al film.
[0039]
As described above, the thin film structure 2 according to the second embodiment includes the unit structural members 11 to 14 made of the three-layer film in which the internal stresses are canceled out, and thus, as in the first embodiment. Even if the step 53 is not formed, the rigidity can be maintained.
[0040]
Since the thin film structure 2 according to the second embodiment has a structure in which the step 53 is not formed, there is an advantage that it is not necessary to form an island-shaped resist layer at the time of manufacture.
[0041]
(Third embodiment)
Next, a thin film structure 3 according to a third embodiment will be described with reference to FIG.
[0042]
As shown in FIG. 4, the thin film structure 3 according to the third embodiment includes unit structural members 41 and 42. The unit structural member 41 in the first stage includes a circular plane part 44 and three support parts 43 that support the plane part 44. The three support portions 43 are arranged at intervals of 120 ° with the center of the circular plane portion 44 as the center, that is, at the positions of the apexes of the equilateral triangle. Thus, the support part 43 of the thin film structure 3 is not arranged in a straight line like the thin film structure 1 of the first embodiment, and the support part 43 is two-dimensionally arranged. ing.
[0043]
The second stage unit structural member 42 has the same size and shape as the first stage unit structural member 41. The support portion 43 of the second-stage unit structural member 42 is shifted by 60 ° from the support portion 43 of the first-stage unit structure member 41 so that it is supported by the flat portion 44 of the first-stage unit structure member 41. Are arranged at different angles.
[0044]
In the thin film structure 3 of FIG. 4 as well, the support part 43 and the flat part 44 are integrally formed of a thin film such as SiN, as in the thin film structure 1 of the first embodiment. Further, a step (folding) 53 is provided at the peripheral edge of the thin film, preventing deformation of the unit structure members 41 and 42 and maintaining the rigidity of the thin film structure 3.
[0045]
The thin film structure 3 of FIG. 4 can be manufactured by the same manufacturing procedure as that of the thin film structure of the first embodiment.
[0046]
4 shows the thin film structure 3 in which the unit structural members 41 and 42 are stacked in two stages, it is also possible to stack three or more unit structural members in the same manner.
[0047]
(Fourth embodiment)
Next, a thin film structure 4 according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
[0048]
A thin film structure 4 according to the fourth embodiment is a modification of the thin film structure 1 according to the first embodiment. In the thin film structure 4 of the fourth embodiment, the number of support portions 51 is one in all of the four-stage unit constituent members 61, 62, 63, 64. The support portion 51 is filled with a resist 65. A flat portion 66 that covers the upper support portion 51 and covers the upper portion of the support portion 51 is covered with the resist 65.
[0049]
The shape of the support portion 51 is the same as that of the support portion 51 of the first embodiment, and the four side surfaces and the bottom surface are integrally formed of one film. A step (folding) 53 is formed at the peripheral edge of the film constituting the support portion 51. A step (folding) 53 is also formed at the peripheral edge of the film constituting the flat portion 66. The film forming the step 53 of the support part 51 and the step 53 of the flat part 66 are in close contact with each other due to the fixing force generated during the film formation.
[0050]
The thin film structure 4 of FIG. 5 has one support portion 51 at all stages, and the unit structural members 61 to 64 are stacked in a straight line upward, so that the three-dimensional structure with a high height in a small area is provided. It is possible to form a structure.
[0051]
Further, since the resist 65 is filled inside the support portion 51, the support strength is increased as compared with the case where the inside of the support portion 51 is hollow. Thereby, even if it is the structure piled up linearly like FIG. 5, intensity | strength can be acquired.
[0052]
Since the resist filled inside the support portion 51 is a part of the sacrificial layer, it can be formed by the same process as in the first embodiment.
[0053]
In addition, in the structure of the thin film structure 4 of FIG. 5, it is also possible to make it the structure by which the inside of the support part 51 is not filled. This configuration can be realized by providing an opening in a part of the support portion 51 and removing the internal resist together with the sacrificial layer.
[0054]
(Fifth embodiment)
An optical switch will be described as a fifth embodiment. This optical switch uses the thin film structure 5 shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b).
[0055]
The optical switch of this embodiment uses the thin film structure 5 shown in FIGS. 6A and 6B as a mirror stopper. The thin film structure 5 has substantially the same configuration as the thin film structure 1 of FIGS. 1A, 1B, and 1C of the first embodiment, but the uppermost unit structure member 14 has the The thin film structure 1 is different from the thin film structure 1 in that a protrusion 71 protruding from the width of the lower unit structure member 11 is provided. The projection 71 comes into contact with the mirror 101 as shown in FIG. 7 so that the thin film structure 5 supports the mirror 101.
[0056]
The mirror 101 is mounted on the movable plate 102. The mirror 101 is a vertically formed thin film formed on the movable plate 102, and is supported by a hinge 103 formed by a thin film process. Since it is difficult to support the mirror 101 vertically on the movable plate 102 only with the hinge 103, in this embodiment, the two thin film structures 5 are arranged on both sides of the mirror 101 as stoppers. The protrusion 71 of the thin film structure 5 is in contact with the mirror 101 to support the mirror 101 and prevent the mirror 101 from falling down. Since the thin film structure 5 of the present embodiment has a height and a rigidity, the mirror 101 can be firmly supported. The thin film structure 5 can be formed by film deposition and photolithography techniques, as in the manufacturing process of the mirror 101 and the hinge 103. It is also possible to form some of the unit structural members 11 to 14 of the thin film structure 5 with a thin film constituting the mirror 101 and the hinge 103.
[0057]
The movable plate 102 is mounted on the substrate 30 as shown in FIG. The movable plate 102 is formed by a two-layer structure of a silicon nitride film and an Al film, and has a property of bending upward due to internal stress. The movable plate 102 is fixed to the substrate 30 by a leg portion 102c provided at one end portion. Although not shown, the substrate 30 has electrodes formed therein, and the surface is covered with an insulating film. Therefore, by applying a voltage between the Al film of the movable plate 102 and the electrode inside the substrate 30, the movable plate 102 is attracted to the substrate 30 by an electrostatic force, and is applied to the substrate 30 as shown in FIG. In close contact. On the other hand, in a state where no voltage is applied between the Al film of the movable plate 102 and the electrode inside the substrate 30, the movable plate 102 is subjected to stress of the silicon nitride film and the Al film as shown in FIG. Bend.
[0058]
Moreover, the optical switch of this embodiment has an optical waveguide substrate 40 provided with two optical waveguides 243 and 244 for propagating light to be switched, as shown in FIGS. 9A and 9B. Yes. The two optical waveguides 243 and 244 intersect each other, and a groove 246 is formed in the optical waveguide substrate 40 at the intersecting position. An optical switch is configured by aligning and overlapping the substrate 30 and the optical waveguide substrate 40. In a state where a voltage is applied between the Al film of the movable plate 102 and the electrode inside the substrate 30, the movable plate 102 is attracted to the substrate 30 by electrostatic force as shown in FIG. It is located below the optical waveguides 243 and 244. Therefore, the light propagating through the optical waveguides 243 and 244 goes straight as it is. On the other hand, when no voltage is applied between the Al film of the movable plate 102 and the electrode inside the substrate 30, the movable plate 102 is bent by the stress of the silicon nitride film and the Al film as shown in FIG. The mirror 101 is inserted into the groove 246 of the optical waveguide substrate 40 and positioned so as to cross the optical waveguides 243 and 244. Therefore, for example, the light propagating through the optical waveguide 243 is reflected by the mirror 101, enters the optical waveguide 244, and propagates. Thereby, the propagation direction of light can be switched.
[0059]
The thin film structure 5 of the present embodiment has a height and a large rigidity, but is light because it is composed of four thin films. For this reason, even if it is mounted on the movable plate 102, it does not hinder the movement of the movable plate 102, and is therefore suitable as a stopper for the mirror of the optical switch.
[0060]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a three-dimensional structure formed of a thin film and having a light weight and rigidity.
[Brief description of the drawings]
1A is a top view of a thin film structure 1 according to a first embodiment, FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. 1A, a side view, FIG. (C) is AA sectional drawing of Fig.1 (a).
FIGS. 2A to 2F are cross-sectional views showing manufacturing steps of the thin film structure 1 of the first embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a thin film structure 2 according to a second embodiment.
FIG. 4 is a perspective view of a thin film structure 3 according to a third embodiment.
FIG. 5 is a cross-sectional view of a thin film structure 4 according to a fourth embodiment.
6A is a top view of a thin film structure 5 according to a fifth embodiment, and FIG. 6B is a side view of the thin film structure 5. FIG.
FIG. 7 is a perspective view of a mirror 101 and a thin film structure 5 on a movable plate 102 of an optical switch according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a perspective view of a substrate 30 to which a movable plate 102 is fixed in an optical switch according to a fifth embodiment.
FIG. 9A is a cross-sectional view of the optical switch of the fifth embodiment in a state where the mirror 101 does not reflect light, and FIG. 9B is a cross-sectional view of the optical switch of the optical switch. It is sectional drawing of the state which reflects light and has changed the propagation direction.
[Explanation of symbols]
1, 2, 3, 4, 5 ... thin film structure, 10 ... substrate, 11, 12, 13, 14 ... unit structural member, 21, 22, 23, 24, 25, 26 ... resist layer, 30 ... substrate, 40 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Optical waveguide board | substrate, 43 ... Support part, 44 ... Plane part, 51 ... Support part, 52 ... Plane part, 53 ... Step, 61, 62, 63, 64 ... Unit structural member, 66 ... Plane part, 71 ... Projection part , 101 ... mirror, 102 ... movable plate, 103 ... hinge, 243, 244 ... optical waveguide, 246 ... groove.

Claims

A plurality of unit structural members stacked in order on the substrate;
The unit structural member includes a support part and a flat part supported by the support part, and the support part and the flat part are integrally configured by a continuous thin film,
The stacked unit structure member is a thin film three-dimensional structure in which the thin films are fixed to each other at a portion where the unit structure members are in contact with each other, and the number of the support portions is smaller as the unit structure member is positioned in the upper stage.

A plurality of unit structural members stacked in order on the substrate;
The unit structural member includes a support part and a flat part supported by the support part, and the support part and the flat part are integrally configured by a continuous thin film,
The stacked unit structure members are bonded to each other at a portion where they are in contact with each other, and the unit structure member located in the upper stage has a smaller number of support portions,
The thin film constituting the unit structural member has a step formed at the periphery thereof.

In the thin-film three-dimensional structure according to any one of claims 1 and 2,
The thin film constituting the unit structural member is a three-layer film, and the uppermost film and the lowermost film of the three-layer film are made of the same material.

A plurality of unit structural members stacked in order on the substrate;
The unit structural member includes a support part having a hollow opening, a flat part covering the opening, and a filler filling the hollow opening of the support part, and the support part and the flat part are respectively Formed by a thin film,
The stacked unit structure member has a shape in which the support portion of the unit component member located in the upper stage is mounted on the flat portion of the unit structure member in the immediately lower stage. Structure.

5. The thin film three-dimensional structure according to claim 4, wherein the thin film constituting the support portion of the unit structural member positioned in the upper stage and the planar portion of the unit structural member in the lower stage on which the thin film is mounted are configured. A thin three-dimensional structure characterized in that the thin film is fixed.