JP4608890B2

JP4608890B2 - 微小構造体の製造方法および装置

Info

Publication number: JP4608890B2
Application number: JP2004021203A
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: 2004-01-29
Filing date: 2004-01-29
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-01-29
Also published as: JP2005212028A

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および装置に関し、特に、膜厚方向の精度が高く、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および装置に関する。

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。

このようなニーズに鑑みてなされた従来の微小構造体の製造方法として、例えば、基板上に離型層を介して微小構造体の断面形状に対応した複数の薄膜パターンを形成し、この薄膜パターンをターゲット基板上に常温接合により積層して微小構造体を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

図１０および図１１は、その特許文献１に記載された微小構造体の製造方法を説明するための図である。Ｓｉウェハからなる基板１０１上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形成し、離型層１０２の上にスパッタリング法によりＡｌ薄膜を０．５〜８μｍ着膜し、そのＡｌ薄膜をフォトエッチング法により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１０５を形成する。これらの薄膜パターン１０５が形成された基板をドナー基板１０６という。

次に、ドナー基板１０６を真空槽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させる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）１１１をＦＡＢ出射部１１２Ａ，１１２Ｂから照射して、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させる。具体的には、真空槽１１０の中にＡｒガスを０．１Ｐａ程度導入し、ＦＡＢ出射部１１２Ａ，１１２Ｂへの電圧を１．５ｋＶ、電流を１５ｍＡにして、３０分間照射することによって、酸化層や異物を除去する（Ｓ１）。

次に、ターゲット基板１０９の表面と、第１の薄膜パターン１０５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１層目の薄膜パターン１０５が強固に接合される（Ｓ２）。

次に、ｚステージ１０８を上昇させると、ドナー基板１０６上の１層目の薄膜パターン１０５とその下の離型層１０２の密着力よりも、ターゲット基板１０９と１層目の薄膜パターン１０５の接合力の方が大きいため、１層目の薄膜パターン１０５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、１目の薄膜パターン１０５の位置決めと同様にして、２層目の薄膜パターン１０５の位置決めを行い、位置決め・ＦＡＢ照射・転写の各工程を繰り返すことにより（Ｓ３、Ｓ４）、徴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（Ｓ５）。
特開２０００−２３８０００号公報

しかしながら、従来の微小構造体の製造方法によると、１層の積層を行う度に、ＦＡＢを繰り返し照射するために、図１２に示すように、層数が増えるに従って薄膜パターン１０５の膜厚が減少していくという問題が生じている。例えば、光学薄膜を作製するために薄膜パターン１０５の厚さを０．１μｍ程度にした場合には、１回あたりのＦＡＢ１１１によって除去される膜厚が０．００５μｍ程度であるため１０回繰り返すと、除去される膜厚が０．０５μｍに達し、１０層目を積層する時には薄膜パターン１０５の膜厚のうち１／２が除去されてしまい、設計値よりも薄くなっている。光学薄膜は特に膜厚の精度が要求されるため、１／１０であっても問題となるため、薄膜パターン１０５の膜厚はおおよそ０．５μｍ以下となった場合には問題になることが分かる。

従って、本発明の目的は、膜厚方向の精度が高く、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および装置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、微小構造体の断面形状に対応した複数の薄膜パターンが形成されたドナー基板と前記複数の薄膜パターンが転写されるターゲット基板とを対向配置し、前記ターゲット基板側と前記ドナー基板側に粒子ビームを照射して表面清浄化処理を行い、前記複数の薄膜パターンを直接接触する接合によって前記ターゲット基板上に積層して前記微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、前記表面清浄化処理は、前記複数の薄膜パターンが形成された前記ドナー基板側と前記薄膜パターンが転写されていない前記ターゲット基板側に前記粒子ビームを照射する第１の工程と、１層目の前記薄膜パターンが前記ターゲット基板上に転写された後、２層目以降の前記薄膜パターンが前記ターゲット基板に転写される前に、前記２層目以降の薄膜パターンに粒子ビームを照射せずに前記ターゲット基板側に粒子ビームを照射する第２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。
本発明において、「ドナー基板側よりもターゲット基板側の方に多くの粒子ビームを照射する」とは、ドナー基板上の複数の薄膜パターンの膜厚の減少量の差異をできる限り少なくなるようにすることであり、具体的には、ドナー基板へのＦＡＢ（Fast Atom Beam）の照射を初回の1回のみ（時間）としたり、ドナー基板へのＦＡＢの初回以降においては電流量を少なくする（量）とすることにより、粒子ビームの照射量を制御することによりなされる。

本発明は、上記目的を達成するため、複数の薄膜パターンが形成されたドナー基板を支持する第１のステージと、前記ドナー基板に対向するようにターゲット基板を支持する第２のステージと、前記第１および第２のステージを相対的に移動させる移動手段と、前記移動手段を制御して前記ドナー基板上の前記薄膜パターンと前記ターゲット基板側とを圧接させる制御手段と、前記ドナー基板側に粒子ビームを照射して表面を清浄化処理する第１の照射手段と、記ターゲット基板側に粒子ビームを照射して表面を清浄化処理する第２の照射手段とを備え、前記制御手段は、前記複数の薄膜パターンが形成された前記ドナー基板側と前記薄膜パターンが転写されていない前記ターゲット基板側に前記粒子ビームを照射し、前記移動手段を制御して１層目の前記薄膜パターンを前記ターゲット基板上に転写した後、２層目以降の前記薄膜パターンを前記ターゲット基板に転写する前に、前記２層目以降の薄膜パターンに粒子ビームを照射せずに前記ターゲット基板側に粒子ビームを照射するように前記第１および第２の照射手段を制御することを特徴とする微小構造体の製造装置を提供する。

本発明の微小構造体の製造方法および装置によれば、０．５μｍ以下という薄い薄膜であっても、薄膜パターンの表面を清浄化した上で、薄膜パターンに十分な荷重をかけて転写工程を実施し、転写した裏側を削ることで次に転写する薄膜パターンの転写を容易にすることが可能となり、確実に高い転写率で薄膜を積層することができる。また、ドナー基板側よりもターゲット基板側の方に多くの粒子ビームを照射することにより、粒子ビームによって各薄膜パターンの除去される膜厚が等しくすることが可能となるので、膜厚方向の精度を高くすることができる。

図１（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの形成工程を示す。ここでは、目的とする微小構造体の断面形状に対応する複数の薄膜パターンを形成する。まず、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）からなり、後工程で形成するＡｌ薄膜よりも厚い、例えば、２μｍ厚さの離型層１０２をスピンコーティング法により形成する。

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０．５μｍ以下の極薄のＡｌ薄膜１０３を着膜し、その上にレジスト１０４を作製する。

次に、図１（ｃ）に示すように、Ａ１薄膜１０３をエッチングして目的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１０５を形成する。

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１０２ａ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１０４ａ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。また、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。また、エッチバックは、基板１０１まで行ってもよい。また、離型層１０２と基板１０１の間に基板１０１よりもエッチバックが容易なＳｉＯ₂等からなる中間層を形成し、エッチバックを中間層まで行ってもよい。

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。

図２および図３は、第１の実施の形態に係る転写動作を示し、図４は、その転写工程図である。まず、図２（ａ）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させる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ＳＵＳ等の金属からなる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）１１１をＦＡＢ出射端１１２Ａ，１１２Ｂから照射して、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させる。具体的には、真空槽１１０の中にＡｒガスを０．１Ｐａ程度導入し、ＦＡＢの電圧を１．５ｋＶ、電流を１５ｍＡにして、３０分間照射することによって、酸化層や異物を除去することが可能となる（Ｓ１０）。なお、時間を短縮するために電流を３０ｍＡ以上とし、照射時間を１０分以下にすることが望ましい。

次に、図２（ｂ）に示すように、ターゲット基板１０９の表面と、１層目の薄膜パターン１０５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１層目の薄膜パターン１０５が強固に接合される（Ｓ２０）。引っ張り試験で測定した接合強度は、５０〜１００ＭＰａである。

次に、図３（ａ）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１層目の薄膜パターン１０５とその下の離型層１０２の密着力よりも、ターゲット基板１０９と１層目の薄膜パターン１０５の接合力の方が大きいため、１層目の薄膜パターン１０５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、図３（ｂ）に示すように、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、すなわちドナー基板１０６の離型層１０２に接合していた面にＦＡＢ１１１を例えば５分間照射する（Ｓ３０、Ｓ４０）。

次に、ｘｙθステージ１０７を所定のピッチ移動させ、１層目の薄膜パターン１０５の位置決めと同様にして、２層目の薄膜パターン１０５の位置決めを行い、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、目的とする微小構造体が得られる。

この第１の実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（イ）ドナー基板１０６には１回のみＦＡＢ１１１を照射し、ターゲット基板１０９には薄膜パターン１０５を転写する度に、転写した薄膜パターン１０５の表面にＦＡＢ１１１を照射しているので、各薄膜パターン１０５の除去される膜厚が等しくなるので、所望の微小構造体を製造することができる。
（ロ）０．５μｍ以下という薄い薄膜であっても、薄膜パターンの表面を清浄化した上で、薄膜パターンに十分な荷重をかけて転写工程を行っているので、確実に高い転写率で薄膜を積層することができる。
（ハ）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１０２が隆起しても、その隆起部がターゲット基板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。
（ニ）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、ドナー基板１０６上の薄膜パターンは、上記ステップ１０において、一様に削られることになるため、予め削られる膜厚を測定しておき、図１（ｂ）に示すように、Ａ１薄膜１０３の成膜時に補正値として上乗せしておく。

図５および図６は、本発明の第２の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程を示す。この第２の実施の形態は、第１の実施の形態において、ステップＳ４０においてターゲット基板１０９にＦＡＢ１１１を照射する前に、図５に示すように、シャッター３０１によってドナー基板１０６を覆うものである（Ｓ３１）。なお、図５においてシャッター３０１は、図面に垂直な方向に移動するものとする。

このシャッター３０１は、ＦＡＢ１１１の粒子が回り込まないような面積にする必要がある。具体的には、ドナー基板１０６の中で転写に用いる領域が３０×３０ｍｍの場合に、シャッター３０１の面積は６０×６０ｍｍとし、ドナー基板１０６との距離は５ｍｍ以下にすることが望ましい。または、シャッター３０１を平板ではなく下面が空いた箱型またはドーム型として、ドナー基板１０６の上からかぶせるような形状にすることも望ましい。

この第２の実施の形態によれば、ＦＡＢ１１１を照射する際に、シャッター３０１によりドナー基板１０６を遮蔽しているので、ＦＡＢ１１１によってターゲット基板１０９及びｚステージ１０８の表面が削られることで発生した粒子がドナー基板１０６側に付着・堆積することを防ぐことができる。

図７および図８は、本発明の第３の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程を示す。この第３の実施の形態は、第１の実施の形態において、ステップＳ４０においてターゲット基板１０９にＦＡＢ１１１を照射する前に、図７に示すように、ＦＡＢ１１１の照射によって削られた粒子がドナー基板１０６上に堆積しない位置までドナー基板１０６を退避させるものである（Ｓ３２）。具体的には、ドナー基板１０６とターゲット基板１０９の距離をＬとした場合に、ドナー基板１０６の端面とターゲット基板１０９の端面を２Ｌ以上離間させることが必要となる。

この第３の実施の形態によれば、ＦＡＢ１１１を照射する際に、ドナー基板１０６を退避させているので、ＦＡＢ１１１によってターゲット基板１０９及びｚステージ１０８の表面が削られることで発生した粒子がドナー基板１０６側に付着・堆積することを防ぐことができる。

図９は、本発明の第４の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程を示す。この第４の実施の形態は、ターゲット基板１０９にＦＡＢ１１１を照射した後（Ｓ４０）、ドナー基板１０６にＦＡＢ１１１をターゲット基板１０９に照射している間か、または、照射した後に、予め求めておいた堆積物の膜厚分を除去するためのＦＡＢ１１１の照射を行うものである（Ｓ４１）。具体的には、ＦＡＢ１１１によってターゲット基板１０９を照射した際に、そこで削られた膜厚の約１／１０がドナー基板１０６上に堆積する例が知られているので、この１／１０に相当する膜厚を削るためのＦＡＢ１１１の照射が必要となる。

なお、薄膜パターン１０５は、Ａｌ以外に、Ｃｕ，Ｔａ，Ｎｉ，Ｃｒ等の他の材料、あるいはこれらの合金でもよい。また、離型層１０２は、ポリイミド以外に、ＳｉＯ₂，ＳｉＯＦ，フッ化ポリイミド等の他の材料でもよい。

（ａ）〜（ｅ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの形成工程を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの転写動作を示す断面図である。（ａ）、（ｂ）は、本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの転写動作を示す断面図である。本発明の第１の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程図である。本発明の第２の実施の形態に係る薄膜パターンの転写動作を示す断面図である。本発明の第２の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程図である。本発明の第３の実施の形態に係る薄膜パターンの転写動作を示す断面図である。本発明の第３の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程図である。本発明の第４の実施の形態に係る薄膜パターンの転写工程図である。従来の薄膜パターンの転写動作を示す断面図である。従来の薄膜パターンの転写工程図である。従来の微小構造体の製造方法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
１０２離型層
１０２ａ凹部
１０３Ａｌ薄膜
１０４レジスト
１０４ａレジストパターン
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
１１０真空槽
１１１ＦＡＢ
１１２Ａ，１１２ＢＦＡＢ出射部
３０１シャッター

Claims

微小構造体の断面形状に対応した複数の薄膜パターンが形成されたドナー基板と前記複数の薄膜パターンが転写されるターゲット基板とを対向配置し、
前記ターゲット基板側と前記ドナー基板側に粒子ビームを照射して表面清浄化処理を行い、
前記複数の薄膜パターンを直接接触する接合によって前記ターゲット基板上に積層して前記微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、
前記表面清浄化処理は、前記複数の薄膜パターンが形成された前記ドナー基板側と前記薄膜パターンが転写されていない前記ターゲット基板側に前記粒子ビームを照射する第１の工程と、１層目の前記薄膜パターンが前記ターゲット基板上に転写された後、２層目以降の前記薄膜パターンが前記ターゲット基板に転写される前に、前記２層目以降の薄膜パターンに粒子ビームを照射せずに前記ターゲット基板側に粒子ビームを照射する第２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。
前記表面清浄化処理は、前記第２の工程を行うことによって、前記ターゲット基板側から前記ドナー基板側に飛散した粒子を前記粒子ビームを照射して除去する第３の工程を含む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。
前記第２の工程により前記薄膜パターンの表層部を除去する膜厚は、前記薄膜パターンの膜厚全体の１／１０以下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。
前記複数の薄膜パターンの膜厚は、０．５μｍ以下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。
前記表面清浄化処理は、不活性ガスを加速して前記粒子ビームを照射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。
前記ドナー基板上への前記複数の薄膜パターンの形成は、前記ドナー基板上に前記薄膜パターンの前記ドナー基板側からの剥離を容易とする離型層を形成し、その離型層の上に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、前記薄膜パターンの少なくとも周縁部近傍がエッチバックされていることを特徴とする請求項６記載の微小構造体の製造方法。
複数の薄膜パターンが形成されたドナー基板を支持する第１のステージと、
前記ドナー基板に対向するようにターゲット基板を支持する第２のステージと、
前記第１および第２のステージを相対的に移動させる移動手段と、
前記移動手段を制御して前記ドナー基板上の前記薄膜パターンと前記ターゲット基板側とを圧接させる制御手段と、
前記ドナー基板側に粒子ビームを照射して表面を清浄化処理する第１の照射手段と、
前記ターゲット基板側に粒子ビームを照射して表面を清浄化処理する第２の照射手段とを備え、
前記制御手段は、前記複数の薄膜パターンが形成された前記ドナー基板側と前記薄膜パターンが転写されていない前記ターゲット基板側に前記粒子ビームを照射し、前記移動手段を制御して１層目の前記薄膜パターンを前記ターゲット基板上に転写した後、２層目以降の前記薄膜パターンを前記ターゲット基板に転写する前に、前記２層目以降の薄膜パターンに粒子ビームを照射せずに前記ターゲット基板側に粒子ビームを照射するように前記第１および第２の照射手段を制御することを特徴とする微小構造体の製造装置。