JP4427989B2

JP4427989B2 - 微小構造体の製造方法

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Publication number: JP4427989B2
Application number: JP2003277815A
Authority: JP
Inventors: 宏之堀田; 高幸山田; 睦也高橋
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2003-07-22
Filing date: 2003-07-22
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2023-07-22
Also published as: US6890788B2; US20050020005A1; JP2005040900A

Description

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、極めて薄い膜を高い転写率で積層することができる微小構造体の製造方法に関する。

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。積層造形方法により造形された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。この技術に関連する先行技術文献情報としては次のものがある。
特開２０００−２３８０００号公報特開平１１−２８７６８号公報図７〜図９は、特許文献１に記載された微小構造体の製造方法を示す。初めに、図７（ａ）に示すように、Ｓｉウェハからなる基板１０１を準備し、この基板１０１の表面にポリイミドからなる離型層１０２をスピンコーティング法により２〜５μｍ形成する。

次に、図７（ｂ）に示すように、離型層１０２の上にスパッタリング法によりＡｌ薄膜１０３を８μｍ着膜し、その上にレジスト１０４を作製し、フォトリソ工程を経て、図７（ｃ）に示すように、Ａ１薄膜１０３をエッチングして所望の微小構造体の断面形状にパターニングし、複数の薄膜パターン１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを形成する。この基板をドナー基板１０６と呼ぶ。

次に、図８に示すように、真空槽１１０内のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸回りのθ方向にそれぞれ移動するｘｙθステージ１０７上にドナー基板１０６を固定し、ｚ軸方向に移動するｚステージ１０８上にターゲット基板１０９を固定する。次に、ｘｙθステージ１０７側のドナー基板１０６およびｚステージ１０８側のターゲット基板１０９のそれぞれの表面にＡｒ中性ビームからなるＦＡＢ（ＦａｓｔＡｔｏｍＢｅａｍ）を粒子ビーム出射端１１１，１１２から照射して、ドナー基板１０６及びターゲット基板１０９の表面の酸化膜や不純物等を除去して清浄な表面にする。

次に、図９（ａ）に示すように、ターゲット基板１０９の表面と、第１の薄膜パターン１０５ａの表面を接触させ、荷重５０ｋｇｆ／ｃｍ²で５分間押し付けておくと、ターゲット基板１０９と第１の薄膜パターン１０５ａが強固に接合される。

次に、図９（ｂ）に示すように、ｚステージ１０８を上昇させると、ドナー基板１０６上の第１の薄膜パターン１０５ａとその下の離型層１０２との密着力よりも、ターゲット基板１０９と第１の薄膜パターン１０５ａとの接合力の方が大きいため、第１の薄膜パターン１０５ａは、ドナー基板１０６からターゲット基板１０９側に転写される。

次に、ｘｙθステージ１０７を所定のピッチ移動させ、第１の薄膜パターン１０５ａの位置決めと同様にして、第２の薄膜パターン１０５ｂの位置決めを図８、図９（ａ），（ｂ）と同様に行い、位置決め・ＦＡＢ照射・転写の各工程を繰り返すことにより、微小構造体が完成する。その後、ｚステージ１０８からターゲット基板１０９を取り外し、ターゲット基板１０９を除去することにより、必要な微小構造体が得られる。

特許文献２に記載された従来の微小構造体の製造方法は、基板上に離型層を形成し、この離型層に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜パターンを形成した後、離型層を所定の深さエッチバックして凹部を形成し、複数の薄膜パターンを離型層から剥離し、ステージ上に積層して接合させて微小構造体を製造するものである。これによれば、基板を構成するガラスやＳｉウェハのかけら、あるいは金属の剥離片や微粉末等のパーティクルが基板とステージとの間に存在しても薄膜パターンとステージの面接触が妨げられることが無い。

しかしながら、従来の特許文献１においては、薄膜パターン１０５の膜厚が薄くなると、薄膜パターン１０５が離型層１０２の中に埋まり、ターゲット基板１０９の下面に対して薄膜パターン１０５と離型層１０２が同一面となり、両者に均一に荷重がかかることになる。本来の目的としては薄膜パターン１０５に荷重をかけることによってターゲット基板１０９に接合し転写することになるが、図１０に示すように、薄膜パターン１０５の周縁部近傍の離型層１０２が隆起してその隆起部１０２ａと薄膜パターン１０５とが同一面になることによって、薄膜パターン１０５にかかる荷重が不十分となり接合及び転写が不十分となる。

一方、従来の特許文献２においては、離型層のエッチバックを行ってはいるが、その目的はパーティクルによる転写歩留まりの減少を改善するための発明であるため、薄膜パターンの厚さや離型層の厚さに関わる条件が、本発明で解決しようとする条件とは異なるものである。そのため、転写工程において薄膜パターンの周縁部近傍の離型層の隆起の高さが薄膜パターンの厚さ以上となると解決できなくなる。

従って、本発明の目的は、極めて薄い膜を高い転写率で積層することができる微小構造体の製造方法を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、基板上に離型層を形成し、その上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜パターンを形成し、前記複数の薄膜パターンを対向基板上に順次転写を行って前記複数の薄膜パターンを積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造方法であって、前記転写の際に前記離型層上の前記薄膜パターンに所定の圧力を付与したとき、前記薄膜パターンの周縁部近傍における前記離型層の隆起の高さが前記薄膜パターンの厚さ以上となる前記離型層と前記薄膜パターンとの組合せを用いる場合において、前記転写前に前記複数の薄膜パターンの少なくとも周縁部近傍の前記離型層を前記隆起の高さよりも大きい深さでエッチバックすることを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。

上記構成によれば、複数の薄膜パターンの少なくとも周縁部近傍の離型層のエッチバックを行うことにより、転写工程において離型層が隆起しても、その隆起した部分が対向基板、あるいは対向基板に既に転写された薄膜パターンに接触するのを避けることができ、薄膜パターン全面に所定の圧力を付与することができる。

本発明の微小構造体の製造方法によれば、転写工程において薄膜パターンの周縁部近傍の離型層が隆起しても、その隆起した部分が対向基板、あるいは対向基板に既に転写された薄膜パターンに接触するのを避けることができるので、薄膜パターンに十分な荷重を確実にかけて転写することが可能となり、高い転写率で薄膜を積層することができる。また、極めて薄い薄膜を用いることができるので、積層方向の分解能が高くなる。

図１〜図３は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造方法を示す。初めに、図１（ａ）に示すように、Ｓｉウェハからなる基板１０１を準備し、この基板１０１の表面にポリイミド（日立化成製ポリイミドＰＩＸ３４００）からなる離型層１０２をスピンコーティング法により後工程で形成するＡｌ薄膜よりも厚い、例えば、２μｍに形成する。

次に、図１（ｂ）に示すように、離型層１０２の上にスパッタリング法により１μｍ以下の極薄のＡｌ薄膜１０３を、例えば、０．１７μｍ着膜し、その上にレジスト１０４を作製し、フォトリソ工程を経て、図１（ｃ）に示すように、Ａ１薄膜１０３をエッチングして所望の微小構造体の断面形状にパターニングし、複数の薄膜パターン１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを形成する。この基板をドナー基板１０６と呼ぶ。

次に、図１（ｄ）に示すように、例えば、離型層１０２の露出している領域をエッチングして所定の深さの凹部１０２ｂを形成する。エッチングには、液体に所定時間浸す「ウェットエッチング」と、真空装置内において行う「ドライエッチング」がある。図１（ｄ）は、ドライエッチングを行った場合を示す。このドライエッチングによれば、ドナー基板１０６に対してほぼ垂直にエッチング面が形成される。これに対してウェットエッチングだと、薄膜パターン１０５の下面にまでサイドエッチングが進んでしまうため、転写時に薄膜パターン１０５への荷重が十分にかからなくなる可能性がある。ただし、薄膜パターン１０５に要求される形状の精度によっては十分に利用することが可能である。

離形層１０２をエッチバックの際に用いるガスとしてはＣＦ₄とＯ₂の混合ガスなどが代表的であり、薄膜パターン１０５として選択したＡｌなどの金属をエッチングする速度は十分に小さいため、薄膜パターン１０５の表面に与える影響は無いと言える。このエッチバック工程をレジストが存在する段階でドライエッチングを行った場合は、ポリイミドのエッチバックと同時にレジストパターン２０１の膜厚が減少することになるが、薄膜パターン１０５の表面はエッチングされないので影響は無い。なお、レジストを除去した後に複数の薄膜パターン１０５をマスクとしてエッチバックを行ってもよい。

以上のようにして図１（ｅ）に示すドナー基板１０６が作製され、次の転写工程に移行する。転写工程では、図２に示すように、真空槽１１０内のｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸回りのθ方向にそれぞれ移動するｘｙθステージ１０７上にドナー基板１０６を固定し、ｚ軸方向に移動するｚステージ１０８上にターゲット基板１０９を固定する。次に、ｘｙθステージ１０７側のドナー基板１０６およびｚステージ１０８側のターゲット基板１０９のそれぞれの表面にＡｒ中性ビームからなるＦＡＢ（ＦａｓｔＡｔｏｍＢｅａｍ）を粒子ビーム出射端１１１，１１２から照射して、ドナー基板１０６及びターゲット基板１０９の表面の酸化膜や不純物等を除去して清浄な表面にする。

次に、図３（ａ）に示すように、ターゲット基板１０９の表面と、第１の薄膜パターン１０５ａの表面を接触させ、荷重５０ｋｇｆ／ｃｍ²で５分間押し付けておくと、ターゲット基板１０９と第１の薄膜パターン１０５ａが強固に接合される。引っ張り試験で測定した接合強度は、５０〜１００ＭＰａである。このときの状態を図３（ｂ）に示す。離型層１０２の露出している部分には凹部１０２ｂが形成されているため、転写工程において第１の薄膜パターン１０５ａの周縁部近傍の部分が隆起するが、その隆起部１０２ａはターゲット基板１０９に接触していない。

次に、図４に示すように、ｚステージ１０８を上昇させると、ドナー基板１０６上の第１の薄膜パターン１０５ａとその下の離型層１０２との密着力よりも、ターゲット基板１０９と第１の薄膜パターン１０５ａとの接合力の方が大きいため、第１の薄膜パターン１０５ａは、ドナー基板１０６からターゲット基板１０９側に転写される。

次に、ｘｙθステージ１０７を所定のピッチ移動させ、第１の薄膜パターン１０５ａの位置決めと同様にして、第２の薄膜パターン１０５ｂの位置決めを図２、図３（ａ）、図４と同様に行い、位置決め・ＦＡＢ照射・転写の各工程を繰り返すことにより、徴小構造体が完成する。ただし、ＦＡＢの照射は、ターゲット基板１０９側に転写された薄膜パターン１０５の表面と、次に転写されるドナー基板１０６側の薄膜パターン１０５の表面に対して行われる。その後、ｚステージ１０８からターゲット基板１０９を取り外し、ターゲット基板１０９を除去することにより、必要な微小構造体が得られる。

この第１の実施の形態によれば、離型層１０２の露出している領域をエッチバックしているので、転写工程において離型層が隆起しても、その隆起部１０２ａがターゲット基板１０９、あるいはターゲット基板１０９に既に転写された薄膜パターン１０５に接触するのを避けることができるので、薄膜パターン１０５に十分な荷重を確実にかけて転写することが可能となり、高い転写率で薄膜を積層することができる。また、極めて薄い薄膜を用いることができるので、積層方向の分解能が高くなる。なお、離型層１０２の露出している領域を全てエッチバックしなくても、薄膜パターン１０５の周縁部近傍のみをエッチバックしてもよい。

図５（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体の製造方法を示す。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態における離型層１０２のエッチング工程において、離形層１０２の厚さをゼロにするまでエッチバックした後に、更に、基板１０１のエッチバックを行って基板１０１に凹部１０１ａを形成するものである。基板１０１がＳｉやＳｉＯ₂からなる場合には、エッチングガスとしてＣＦ₄などが適している。この第２の実施の形態によれば、離型層１０２を薄くしても転写工程における離形層１０２の隆起部１０２ａの高さが薄膜パターン１０５の厚さよりも大きくなる場合には、基板１０１までエッチバックすることにより、転写工程の際に離型層１０２が横にはみ出してもその部分がターゲット基板１０９、あるいはターゲット基板１０９に既に転写された薄膜パターン１０５に接触するのを避けることができ、薄膜パターン１０５に十分な荷重を確実にかけることができる。

図６（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る微小構造体の製造方法を示す。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、基板１０１と離型層１０２の間に中間層３０１を形成しておき、離型層１０２のエッチバックに続いて、中間層３０１のエッチバックを行って中間層３０１に凹部３０１ａを形成するものである。中間層３０１がＳｉＯ₂からなる場合は、エッチバックはＣＦ₄などのガスによって可能である。この第３の実施の形態によれば、基板１０１よりもエッチバックが容易な中間層３０１を用いることにより、第２の実施の形態と同様に、転写工程の際に離型層１０２が横にはみ出してもその部分がターゲット基板１０９、あるいはターゲット基板１０９に既に転写された薄膜パターン１０５に接触するのを避けることができ、薄膜パターン１０５に十分な荷重を確実にかけることができる。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、種々変形実施が可能である。例えば、薄膜パターン１０５についてはＡｌ以外に、Ｃｕ，Ｔａ，Ｎｉ，Ｃｒなどの材料またはそれらの合金であっても構わない。また、離形層１０２についてはポリイミド以外に、ＳｉＯ₂，ＳｉＯＦ，フッ化ポリイミドなどであっても構わない。

また、エッチバックによる凹部の深さを、薄膜パターンの面積、ピッチ、周長等の薄膜パターンに関するパラメータと、離型層の材質、厚さ等の離型層に関するパラメータに応じて定めてもよい。この場合、薄膜パターンと離型層の各種の組み合わせにより隆起高さを測定し、この測定値を統計データとして判定装置に保持しておき、上記各パラメータを判定装置に入力してエッチバックが必要か否かの判定を行わせ、エッチバックが必要であると判定したときにエッチバックの深さを出力させるようにしてもよい。

また、対向基板を用いなくても直接ステージ等に薄膜パターンを転写してもよい。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す図である。（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す図、（ｂ）は（ａ）の部分拡大図である。本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す断面図である。（ａ）〜（ｄ）は、本発明の第３の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す断面図である。（ａ）〜（ｃ）は、従来の微小構造体の製造工程を示す断面図である。従来の微小構造体の製造工程を示す図である。（ａ），（ｂ）は、従来の微小構造体の製造工程を示す図である。従来の問題点を説明するための断面図である。

符号の説明

１０１基板
１０１ａ凹部
１０２離形層
１０２ａ隆起部
１０２ｂ凹部
１０３薄膜
１０４レジスト
１０５薄膜パターン
１０６ドナー基板
１０７ｘｙθステージ
１０８ｚステージ
１０９ターゲット基板
１１１，１１２粒子ビーム出射端
２０１レジストパターン
３０１中間層
３０１ａ凹部

Claims

基板上に離型層を形成し、その上に所定の２次元パターンを有する複数の薄膜パターンを形成し、前記複数の薄膜パターンを対向基板上に順次転写を行って前記複数の薄膜パターンを積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造方法であって、
前記転写の際に前記離型層上の前記薄膜パターンに所定の圧力を付与したとき、前記薄膜パターンの周縁部近傍における前記離型層の隆起の高さが前記薄膜パターンの厚さ以上となる前記離型層と前記薄膜パターンとの組合せを用いる場合において、
前記転写前に前記複数の薄膜パターンの少なくとも周縁部近傍の前記離型層を前記隆起の高さよりも大きい深さでエッチバックすることを特徴とする微小構造体の製造方法。
前記エッチバックは、前記離形層に加えて前記基板のエッチバックを行うことを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
前記離型層は、前記基板上に中間層を形成した上に形成され、
前記エッチバックは、前記離形層に加えて前記中間層をエッチバックすることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
前記エッチバックは、ドライエッチングによることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
前記エッチバックは、前記複数の薄膜パターンを形成する際に用いた前記複数の薄膜パターン上のレジストを前記離型層の前記エッチバックと同時にエッチングするものであることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
前記エッチバックは、前記複数の薄膜パターンをマスクとして用いることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
前記エッチバックの前記深さは、前記薄膜パターンの面積、ピッチ及び周長を含む前記薄膜パターンに関するパラメータと、前記離型層の材質及び厚さを含む前記離型層に関するパラメータとの各種の組み合わせによる前記隆起高さの測定値を統計データとして判定装置に保持し、前記パラメータを前記判定装置に入力して前記判定装置から出力される値を用いることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。