JP4469194B2

JP4469194B2 - 電鋳用型、電鋳方法、及びその電鋳用型の製造方法

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Publication number: JP4469194B2
Application number: JP2004070803A
Authority: JP
Inventors: 隆新輪; 徳男千葉; 幸一郎重城; 拓也村住; 剛嗣千葉
Original assignee: Seiko Instruments Inc
Current assignee: Seiko Instruments Inc
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-05-26
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005256110A

Description

本発明は、電鋳法で使用される型の構造、および、電鋳の方法に関するものであり、特に、高アスペクト比で微細な部品の製造に用いる電鋳用型の構造と製造方法、および、その電鋳用型を用いた電鋳方法に関する。

電鋳法は微細な形状を有する部品や金型を製造するのに適した加工方法として、広く利用されている。

従来の電鋳用型としては、シリコンウエハにアルカリ性のエッチャントを用いた結晶異方性ウエットエッチングによって型構造体が形成され、通電膜を型構造体の全面に形成する構成が開示されている。

図７に示すように、特許文献１に開示されている電鋳用型は、シリコンウエハ６１上の酸化膜６２にフォトレジスト６３を塗布し、レーザ光を用いてピットパターンを露光し、フォトリソグラフィ工程によって酸化膜６２をパターニングし、フォトレジスト６３を剥離した後に、アルカリ性のエッチャントを用いた異方性ウエットエッチングによってピット６４を形成し、酸化膜６２を除去した後に通電膜６５としてニッケルを原盤のピット６４が形成された面の全面に形成して原盤を作製した後、電鋳法によってニッケルでできたスタンパー６６を作製している。

また、図８に示すように、特許文献２では、シリコンや水晶からなる基板に対して異方性ウエットエッチングを用いてアスペクト比の高い電鋳用型７１を作製した後、通電膜７２としてスパッタリングによってニッケルを異方性ウエットエッチングによって形成した構造体の全面に形成し、電鋳法によって電鋳用型の形状を転写して金型７３を形成している。

また、従来の電鋳用型としては、導電性を有する基板上に、フォトレジストからなる型構造体が形成されている構成が開示されている。

図９示すように、特許文献３に開示されている電鋳用型は、導電性を有する基板８２上に塗被された感光不溶性材料８１に対して、マスク８３を通して紫外線を照射する露光工程と、感光不溶性材料８１の紫外線で露光されていない未露光部分のみを溶解除去する現像工程によって型構造体８４を形成し、電鋳用型を作製している。感光不溶性材料８１、すなわち、型構造体８４の厚さは、約６０μｍと厚い（例えば特許文献１〜３参照）。
特開平５−１２７２２号公報特開平５−４２３２号公報特開２００３−１１９５８８号公報

しかしながら、特許文献１では、Siの結晶性を利用した型加工であるため、作製可能な平面方向の形状が主に矩形となり、自由曲線や円などの形状を作製するのが困難であるという形状自由度が低い問題があった。

また、特許文献２で示すような矩形の孔の底面と側面の両方に電極を形成し、電鋳を行う場合、孔の底面および側面の両方から金属膜が成長してしまう。電鋳が進行するにした
がって、孔径が小さくなり、電解液の出入りが困難となり、成膜速度が低下してしまい、電鋳で作製される部品または金型に凹凸ができてしまう。また、孔の上部で析出した金属によって孔がふさがれてしまい、電鋳で作製される部品や金型に空洞部分ができてしまう問題があった。

また、特許文献３では、Siの結晶性を利用しないため、作成可能な形状の自由度が高いものの、レジストを紫外光で露光して型を作製しているため、露光時の光の回折の影響によって、レジスト構造体の矩形パターンのエッジ部が丸くなったり、あるいは深さ方向に光が発散したりして、レジスト構造体の垂直性が低下してしまう。このため、電鋳によって製造される部品や金型の所望の形状が得られなかったり、寸法精度が低下したりするという問題があった。

本発明は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、形状精度や寸法精度が高い部品を作製できる電鋳用型とその電鋳用型を用いた電鋳方法を提供することを目的とする。

そこで、本発明では、シリコンで形成された支持基板と、支持基板の上面に形成された絶縁接続層と、絶縁接続層の支持基板に接する面と反対の面に接し、かつ、支持基板に対して略垂直な側壁を有するシリコンで形成された複数の型構造体と、型構造体の側壁および上面を被覆する絶縁体と、絶縁接続層の露出している面の少なくとも一部が除去されて形成された絶縁接続層の上面と下面とを貫く貫通孔と、を備えることを特徴とする電鋳用型とした。
また、支持基板がＮ型のシリコン基板であることを特徴とする電鋳用型とした。また、支持基板がＰ型のシリコン基板であることを特徴とする電鋳用型とした。また、支持基板に、不純物がドープされたドープエリアを有しており、ドープエリアに電気的接続が可能な窓が形成されていることを特徴とする電鋳用型とした。また、ドープエリアが、支持基板の型構造体が形成されている面と反対側の面に形成されていることを特徴とする電鋳用型とした。また、ドープエリアが、支持基板の上面に形成されており、絶縁接続層の貫通孔の少なくとも一つが窓であることを特徴とする電鋳用型とした。また、絶縁接続層の貫通孔が、文字、模様、あるいは、これらの組み合わせであることを特徴とする電鋳用型とした。また、上記の電鋳用型を用い、支持基板の少なくとも一カ所と電気的な接続をし、支持基板を通して電流を流し、絶縁接続層の貫通孔から金属を成長させることを特徴とする電鋳方法とした。また、ドープエリアの少なくとも一カ所と電気的な接続を行うことを特徴とする電鋳方法とした。

また、シリコンで形成された支持基板と、支持基板の上面に形成された酸化膜層と、酸化膜層の上面に形成された活性層とで形成された基板において、支持基板の一部に電極を形成する工程と、活性層の酸化膜層と接する面と反対の面に熱酸化膜を形成する工程と、フォトリソグラフィを用いて熱酸化膜のマスクを形成する工程と、活性層をエッチングし、型構造体を形成する工程と、型構造体において、少なくともエッチングにより露出した面に絶縁体を形成する工程と、絶縁体の型構造体と接する面と反対の面にレジストパターンを形成する工程と、酸化膜層の露出している面の一部に前記酸化膜層の上面と下面を貫く貫通孔を形成し、酸化膜層から絶縁接続層を形成する工程と、レジストパターンを除去する工程と、を有することを特徴とする電鋳用型の製造方法とした。また、電極が支持基板に不純物を導入して形成されるドープエリアである事を特徴とする電鋳用型の製造方法とした。また、ドープエリアは、支持基板の表面に露出している事を特徴とする電鋳用型の製造方法とした。また、ドープエリアは、支持基板の酸化膜層と接する面と反対の面に形成されることを特徴とする電鋳用型の製造方法とした。また、ドープエリアは貫通孔に露出することを特徴とする電鋳用型の製造方法とした。また、酸化膜層が二酸化ケイ素のＢＯＸ層であり、活性層がＳｉ活性層であることを特徴とする電鋳用型の製造方法とした。

したがって、高精度、かつ、形状の自由度が高い加工法で作製されたシリコンを型とした電鋳用型を製造でき、型の底面から電鋳法によって金属を析出させることができる。

したがって、本発明では、形状精度や寸法精度の良い部品や金型を作製できる。また、貫通孔の上面から見た形状が、会社名、製品名、ロゴなどの文字や図柄などである場合、電鋳部品の装飾性が向上し、付加価値の高い部品や金型を提供できる。

図１は、本発明の実施例１に係る電鋳用型１００の断面図である。電鋳用型１００は、支持基板３、支持基板３の上に形成された絶縁接続層２、絶縁接続層２の上に形成された型構造体１、型構造体１を覆うように形成された絶縁体４、支持基板３の型構造体１が形成された面とは反対側の面に形成されたドープエリア６と、ドープエリア６以外の部分を覆う絶縁体５からなり、絶縁接続層２に形成された貫通孔７が形成されている。型構造体１の材質は、シリコンである。また、絶縁接続層２、絶縁体４、および絶縁体５は、二酸化珪素や窒化シリコンなどの絶縁体である。また、支持基板３は、ｎ型のシリコン、または、ｐ型のシリコンであり、ドープエリア６は、イオン・インプランテーションや封管拡散などの不純物導入方法によって、支持基板３にリン、ボロン、ヒ素などの不純物を導入し、熱拡散によって不純物を再分布させて形成した部分である。支持基板３の厚さは、200μｍ以上、１ｍｍ以下である。絶縁接続層２の厚さは、数１０ｎｍ以上、２０μｍ以下である。また、型構造体１の厚さは、数μｍ以上、数ｍｍ以下である。また、型構造体１の側壁の角度は、略９０度である。また、絶縁体４の厚さは、１μｍ以下であり、後述する電鋳工程時の絶縁破壊を防止するために数１０ｎｍ以上あればよい。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００の製造方法を説明する図である。まず、図２（ａ）に示すように、スタート基板として、支持基板２３と、支持基板２３上に形成された埋め込み酸化膜層（以下、ＢＯＸ層）２２、および、ＢＯＸ層２２の上に形成された活性層２１からなるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎＯｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）ウエハを用意する。支持基板２３および活性層２１の材質は、シリコンであり、ＢＯＸ層２２の材質は、二酸化珪素である。支持基板２３、ＢＯＸ層２２および活性層２１の厚さは、それぞれ、支持基板３、絶縁接続層２、および型構造体１の厚さと同じである。

次に、図２（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程を用いて支持基板２３上にマスク２４を形成する。マスク２４の材料は、たとえば、フォトレジストや二酸化珪素である。その後、支持基板２３にマスク２４側からイオン・インプランテーションや封管拡散などの不純物導入方法によって、リン、ボロン、ヒ素などの不純物を導入する。その後、マスク２４を除去し、活性層２１および支持基板２３の表面に熱酸化膜を形成する。熱酸化膜形成工程は、９００℃から１１００℃の高温での工程であるため、導入された不純物は、熱酸化工程によって支持基板２３内で拡散する。

次に、図２（ｃ）に示すように、活性層２１上の熱酸化膜をフォトリソグラフィ工程によってパターニングし、型構造体マスク２６を形成する。フォトリソグラフィ工程で用
いるエッチング方法は、リアクティブイオンエッチング（以下、ＲＩＥ）をはじめとするドライエッチングやフッ化水素酸や緩衝フッ酸などを用いたウエットエッチングが用いられる。また、支持基板２３上の熱酸化膜をフォトリソグラフィ工程によってパターニングし、窓パターン２５を形成し、熱酸化形成工程で不純物が拡散してできたドープエリア２７を露出させる。型構造体マスク２６の厚さは、数１００ｎｍ以上、数μｍ以下であり、型パターンマスク２６を形成するためのフォトレジストの厚さは、数１００ｎｍ以上、数μｍ以下である。特許文献３で用いられているフォトレジストの厚さ数１０μｍに比べ、本発明で用いるフォトレジストの厚さが薄いため、露光時の光の回折による影響が少なく、フォトマスクのパターンをフォトレジストへ形状精度や寸法精度が良く転写することができ、かつ、フォトレジストのパターンを形状精度や寸法精度良く型構造体マスク２６に転写することができる。

次に、図２（ｄ）に示すように、活性層２１をドライエッチングによってパターニングする。ここで、活性層２１を加工する方法として、ドライエッチングであるディープリアクティブイオンエッチング（ＤＲＩＥ）を用いる。ＤＲＩＥは、エッチング工程と側壁への保護膜形成工程を繰り返しながらシリコンをエッチングする加工方法であり、シリコンを高アスペクト比で加工できる装置である。ＤＲＩＥ加工によって形成されるシリコンパターンのアスペクト比は、大きいもので２０程度である。また、ＤＲＩＥは、エッチング形状の側壁を保護しながら深さ方向に加工する方法であるため、活性層２１は、型構造体マスク２６のパターンを形状精度や寸法精度よく転写したアスペクト比の高いパターンとなる。

次に、図２（ｅ）に示すように、化学気相合成法（ＣＶＤ）、スパッタ、熱酸化などの方法によって、絶縁体２８をパターニングした活性層２１の表面に形成する。なお、絶縁体２８の形成方法が熱酸化の場合、支持基板２３の表面にも絶縁体２８が形成されるが、その後にフォトリソグラフィ工程を行うことで窓パターン２５と同等のパターンを形成することができる。絶縁体２８の材料は、二酸化珪素や窒化シリコンなどの絶縁体である。

次に、図２（ｆ）に示すように、絶縁体２８の上にレジストパターン２９をフォトリソグラフィ工程を用いて形成する。レジストパターン２９を形成するためのフォトレジストは、スピンコートやスプレーコートなどの方法を用いて塗布する。なお、フォトレジストを絶縁体２８の側壁にも均一性よく塗布するためには、フォトレジストの塗布方法は、スプレーコートが望ましい。また、露光工程は、コンタクトマスクアライナを用いても良いし、投影露光方式のアライナを用いてＢＯＸ層２２近傍に焦点を合わせて露光を行っても良い。また、レーザ光や電子線などを直接フォトレジストに照射する直描方式によってフォトレジストを感光しても良い。

次に、図２（ｇ）に示すように、ＲＩＥやプラズマエッチングなどのドライエッチングやフッ化水素酸水溶液や緩衝フッ酸を用いたウエットエッチングなどの方法によって貫通孔７を形成し、レジストパターン２９を除去することによって、電鋳用型１００が形成できる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００を用いた電鋳工程を説明する図である。電鋳漕１１に電鋳液１０が満たされており、電鋳液１０に、電鋳用型１００と電極９が浸されている。電鋳液１０は、析出させる金属によって異なるが、たとえば、ニッケルを析出させる場合、スルファミン酸ニッケル水和塩を含む水溶液を使用する。また、電極９の材料は、析出させたい金属とほぼ同一の材料であり、ニッケルを析出させる場合は、ニッケルとし、ニッケル板や、チタンバスケットにニッケルボールを入れたものを電極９として用いる。なお、本発明の製造方法で析出する材料はニッケルに限定されるわけではない。銅（Ｃｕ）、コバルト（Ｃｏ）、スズ（Ｓｎ）等、電鋳可能な材料すべてに適用可能である。電鋳用型１００のドープエリア６と、電極９は、電源Ｖに接続されている。ドープエリア６が形成されていることによって、電源Ｖと支持基板３は、オーミックコンタクトとなり、安定した電流供給をすることが可能である。なお、支持基板３の抵抗値が、電源Ｖとオーミックコンタクトがとれる程度小さい場合、ドープエリア６は、必ずしも必要ではない。電源Ｖの電圧によって、支持基板３中を電流が流れ、貫通孔７から電子が供給されることによって、貫通孔７から徐々に金属が析出する。析出した金属は、支持基板３の厚さ方向に成長するとともに、支持基板３の厚さ方向と直交する方向にも成長する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００を用いて作製した電鋳部品８を説明する図である。その後、析出した金属は、絶縁体４で囲まれた型構造体１に沿って成長し、最終的に図４（ａ）に示す電鋳部品８となる。電鋳終了後、図４（ｂ）に示すように、電鋳用型１００から電鋳部品８を取り出し、電鋳部品８を得る。所望の部品厚さとするために、電鋳部品８を研磨しても良い。また、研磨によって、貫通孔７の形状に相当する凸部分を除去しても良い。また、貫通孔７の上面から見た形状が、会社名、製品名、ロゴなどの文字や図柄などとしても良く、この場合、電鋳部品８の装飾性が向上する。

以上説明したように、本発明の実施の形態１で説明した電鋳用型１００によれば、高精度、かつ、作製形状の自由度が高いドライエッチングであるＤＲＩＥにより加工された高アスペクト比なシリコンを型として用いることができ、型の底面から電鋳法によって金属を析出させることができるため、形状精度や寸法精度の良い部品や金型を作製できる。また、貫通孔７の上面から見た形状が、会社名、製品名、ロゴなどの文字や図柄などである場合、電鋳部品８の装飾性が向上し、付加価値の高い部品や金型を提供できる。

なお、上記では、電鋳用型１００を用いて、電鋳部品８を得るための説明をしたが、電鋳法によって、金属を析出させ、その金属でできた形状を型として、樹脂でできた部品を形成しても良い。

図５は、本発明の実施例２に係る電鋳用型２００を説明する図である。なお、実施の形態１で説明した電鋳用型１００と同じ構成要素については、同一符号を使用し、説明を省略する。電鋳用型２００において、ドープエリア６が貫通孔７の下に形成されている点と、支持基板３の型構造体１が形成されている面と反対側の面のすべてに析出防止層３１が形成されている点が、電鋳用型１００と異なる点である。

図６は、本発明の実施の形態２に係る電鋳用型２００を用いた電鋳工程を説明する図である。ドープエリア６の少なくとも一カ所が、電源Vに接続される。電源Ｖの電圧によって、支持基板３中を電流が流れ、貫通孔７から電子が供給されることによって、貫通孔７から徐々に金属が析出する。

析出防止層３１は、二酸化珪素や窒化シリコンなどの絶縁体である。また、支持基板３がｎ型のシリコンである場合、析出防止層３１は、ｐ型の不純物を拡散したものであっても良い。この場合、ｐｎ接合が形成され、電鋳を実施するときには、逆バイアス状態となるため、析出防止膜層３１上には、金属が析出しない。なお、析出防止層３１は必ずしも必要ではなく、析出防止層３１がない場合、支持基板３の型構造体１が形成されている面と反対側の面にも金属が析出する。電鋳用型２００は、貫通孔７の少なくとも一つから電気的接続を行うことによって、電鋳用型１００と同様に電鋳を実施することができる。

以上説明したように、本発明の実施の形態２に係る電鋳用型２００によれば、実施の形態１で説明した効果に加え、パターニングを必要とする構成要素を基板の片側だけとすることができるため、容易に電鋳用型を得ることができ、電鋳用型２００の作製コストを低くすることができる。また、電鋳用型２００が、析出防止層３１を有している場合、支持基板３の型構造体１が形成された面と反対側の面に金属が析出しない。したがって、電極９の消耗を抑えることができるため、長時間の電鋳を実施することができたり、電鋳液１０の組成が安定するため、安定した組成の金属を析出することができる。

本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００の断面図である。本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００の製造方法を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００を用いた電鋳工程を説明する図である。本発明の実施の形態１に係る電鋳用型１００を用いて作製した電鋳部品８を説明する図である。本発明の実施の形態２に係る電鋳用型２００を説明する図である。本発明の実施の形態２に係る電鋳用型２００を用いた電鋳工程を説明する図である。従来の技術を説明する図である。従来の技術を説明する図である。従来の技術を説明する図である。

１・・・型構造体
２・・・絶縁接続層
３・・・支持基板
４・・・絶縁体
５・・・絶縁体
６・・・ドープエリア
７・・・貫通孔
８・・・電鋳部品

Claims

シリコンで形成され、不純物がドープされたドープエリアを有しており、前記ドープエリアに電気的接続が可能な窓が形成されている支持基板と、
前記支持基板の上面に形成された絶縁接続層と、
前記絶縁接続層の前記支持基板に接する面と反対の面に接し、かつ、前記支持基板に対して略垂直な側壁を有するシリコンで形成された複数の型構造体と、
前記型構造体の側壁、および上面の熱酸化膜上を被覆する絶縁体と、
前記絶縁接続層の露出している面の少なくとも一部が除去されて形成された絶縁接続層の上面と下面とを貫く貫通孔と、
を備えることを特徴とする電鋳用型。
前記支持基板がＮ型のシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の電鋳用型。
前記支持基板がＰ型のシリコン基板であることを特徴とする請求項１に記載の電鋳用型。
前記ドープエリアが、前記支持基板の前記型構造体が形成されている面と反対側の面に形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれかの一つに記載の電鋳用型。
前記ドープエリアが、前記支持基板の上面に形成されており、前記貫通孔の少なくとも一つが前記窓であることを特徴とする請求項１から３のいずれかの一つに記載の電鋳用型。
前記貫通孔が、文字、模様、あるいは、これらの組み合わせであることを特徴とする請求項１から５のいずれか一つに記載の電鋳用型。
請求項１から６のいずれかに記載の電鋳用型を用い、前記支持基板の少なくとも一カ所と電気的な接続をし、前記支持基板を通して電流を流し、前記貫通孔から金属を成長させることを特徴とする電鋳方法。
前記ドープエリアの少なくとも一カ所と電気的な接続を行うことを特徴とする請求項７に記載の電鋳方法。
シリコンで形成された支持基板と、前記支持基板の上面に形成された酸化膜層と、前記酸化膜層の上面に形成され、シリコンで形成された活性層と、で形成された基板において、
前記支持基板の一部に電極を形成する工程と、
前記活性層の前記酸化膜層と接する面と反対の面に熱酸化膜を形成する工程と、
フォトリソグラフィを用いて前記熱酸化膜のマスクを形成する工程と、
前記活性層をエッチングし、型構造体を形成する工程と、
前記型構造体において、エッチングにより露出した面に絶縁体を形成する工程と、
前記絶縁体の前記型構造体と接する面と反対の面にレジストパターンを形成する工程と、
前記酸化膜層の露出している面の一部に前記酸化膜層の上面と下面を貫く貫通孔を形成し、前記酸化膜層から絶縁接続層を形成する工程と、
前記レジストパターンを除去する工程と、
を有することを特徴とする電鋳用型の製造方法。
前記電極が前記支持基板に不純物を導入して形成されるドープエリアである事を特徴とする請求項９に記載の電鋳用型の製造方法。
前記ドープエリアは、前記支持基板の表面に露出している事を特徴とする請求項１０に記載の電鋳用型の製造方法。
前記ドープエリアは、前記支持基板の前記酸化膜層と接する面と反対の面に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の電鋳用型の製造方法。
前記ドープエリアは前記貫通孔によって露出することを特徴とする請求項１１に記載の電鋳用型の製造方法。
前記酸化膜層が二酸化ケイ素のＢＯＸ層であり、前記活性層がＳｉ活性層であることを特徴とする請求項９から１３のいずれか１つに記載の電鋳用型の製造方法。