JP4910495B2 - ３次元構造体およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数のロッドを３次元に組み合わせた構造の３次元構造体およびその製造方法に関する。

内部に周期的な屈折率分布を持つフォトニック結晶（photonic crystals）は、従来は個別に製作されていた光合分波器、光フィルタ、レーザー、光導波路、カプラ等を１つに集積化した超小型の光デバイスを得ることができるという特長がある。また、光以外の電磁波への応用も期待されている。

フォトニック結晶には、多層膜構造の１次元フォトニック結晶、屈折率分布が２次元の２次元フォトニック結晶、同３次元の３次元フォトニック結晶の３種類がある。

３次元フォトニック結晶に関するものとして、例えば、互いに直交するロッド状の薄膜断面パターンをドナー基板上に形成する第一の工程と、ドナー基板上の薄膜断面パターンを順次ターゲット基板上に接合・転写して積層する第二の工程から成る光学素子の製造方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

上記特許文献１に示された光学素子は、ストライプ状のパターンを有する薄膜をストライプが交差するように多層に積層し、１層おきに上下方向のストライプが重なる構造であるが、これに対して、Ｙ方向のロッドが積層方向にハーフピッチずれている構造の３次元フォトニック結晶（以下、ハーフピッチ型３次元フォトニック結晶という。）がある。このハーフピッチ型３次元フォトニック結晶について、以下に説明する。

図６は、ハーフピッチ型３次元フォトニック結晶による３次元構造体を示す。同図中、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）をＡ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）の平面図である。この３次元構造体１００は、例えば、Ｓｉ、ガラス等からなるターゲット基板１１１と、ターゲット基板１１１上に所定のピッチで複数のロッド状のパターンに形成された複数の第１の薄膜１１２と、第１の薄膜１１２と同様の形状を有して第１の薄膜１１２上に直交させて設けられた複数の第２の薄膜１１３と、第１の薄膜１１２と同様の形状を有して第１の薄膜１１２に対してハーフピッチずらせて第２の薄膜１１３上に設けられた複数の第３の薄膜１１４と、第２の薄膜１１３と同様の形状を有して第２の薄膜１１３に対してハーフピッチずらせて第３の薄膜１１４上に設けられた複数の第４の薄膜１１５とを備えて構成されている。上記第１〜第４の薄膜１１２〜１１５は、例えば、誘電体や、Ａｌ等の金属を用いることができる。

図６の３次元構造体１００は、別途用意したドナー基板から第１〜第４の薄膜１１２〜１１５を順次ターゲット基板１１１へ転写、接合および積層したものである。以下に、ドナー基板の構成について説明する。

図７は、ドナー基板の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。このドナー基板２００は、Ｓｉウェハ２０１上に熱酸化膜、ポリイミド、フッ素系樹脂等のフッ素を含む薄膜等からなる離型層２０２を蒸着または塗布し、この離型層２０２上の第１〜第４の薄膜形成領域２０３Ａ〜２０３Ｄに区分けして、第１〜第４の薄膜１１２〜１１５がストライプ状に設けられている。そして、第１〜第４の薄膜１１２〜１１５の表面粗さは算術平均粗さＲａで数ｎｍ以下であり、表面性は非常に良好である。

第１〜第４の薄膜１１２〜１１５は、ＦＯＲＭＵＬＡ（Formation ofμ-structures by Lamination）プロセスと呼ばれる微細加工技術を用いて、Ｓｉウェハ２０１の離型層２０２から順次剥離し、これをターゲット基板１１１へ転写して積層し、図６に示す３次元構造体を作製する。ＦＯＲＭＵＬＡプロセスは、例えば、以下の（１）〜（５）の工程を経て図６の３次元構造体を作製するものである。このＦＯＲＭＵＬＡプロセスについては、例えば、特許文献２に開示がある。

次に、図６の３次元構造体１００の製造方法について説明する。
（１）半導体薄膜プロセスにより、薄膜のパターンをＳｉウェハ２０１上に成膜した後、真空チャンバ内で、ドナー基板２００の表面をＦＡＢ処理により清浄化する。ＦＡＢ(Fast Atom Beam)処理とは、例えば、Ａｒガスを高電圧で加速してドナー基板２００の表面に照射し、該表面の酸化膜、不純物等を除去する処理をいう。
（２）ターゲット基板１１１をドナー基板２００の第１の薄膜１１２上に位置決めし、ターゲット基板１１１を降下させ、第１の薄膜１１２に圧接して常温接合し、ターゲット基板１１１を上昇させて第１の薄膜１１２をターゲット基板１１１に転写させる。常温接合とは、良好な表面粗さを有し、かつ上記ＦＡＢによって清浄化された薄膜面同士を常温雰囲気で接触させ、原子同士を直接結合させる接合方法をいう。
（３）ターゲット基板１１１をドナー基板２００の第２の薄膜１１３上に位置決めし、ついでターゲット基板１１１を降下させ、ターゲット基板１１１上の第１の薄膜１１２を第２の薄膜１１３に圧接して常温接合し、ターゲット基板１１１を上昇させて第２の薄膜１１３をターゲット基板１１１に転写させる。
（４）ターゲット基板１１１をドナー基板２００の第３の薄膜１１４上に位置決めし、ついでターゲット基板１１１を降下させ、ターゲット基板１１１上の第１，第２の薄膜１１２，１１３からなる積層体を第３の薄膜１１４に圧接して常温接合し、ターゲット基板１１１を上昇させて第３の薄膜１１４をターゲット基板１１１に転写させる。
（５）ターゲット基板１１１をドナー基板２００の第４の薄膜１１５上に位置決めし、ついでターゲット基板１１１を降下し、ターゲット基板１１１上の第１〜第３の薄膜１１２〜１１４からなる積層体を第４の薄膜１１５に圧接して常温接合し、ターゲット基板１１１を上昇させて第４の薄膜１１５をターゲット基板１１１に転写させる。以上により、第１〜第４の薄膜１１２〜１１５を積層した図６の３次元構造体１００が完成する。
特開２０００−１８０６０６号公報 特許第３１６１３６２号公報

しかし、従来の３次元構造体によると、図８のように、第２の薄膜１１３までを積層したターゲット基板１１１をドナー基板２００上の第３の薄膜１１４に位置合わせした後、ターゲット基板１１１を降下させると、図９に示すように、第１の薄膜１１２の薄膜断面パターンが存在しないオーバーハング（ブリッジ）になっている第２の薄膜１１３に第３の薄膜１１４が圧接して、第２の薄膜１１３が波形に変形してしまい、図６の３次元構造体１００を作製できないことがある。なお、この問題は、同様の構造をした３次元フォトニック結晶以外の流路デバイスのような３次元構造体にも共通する。

従って、本発明の目的は、オーバーハング（ブリッジ）に起因する変形が生じないようにした３次元構造体およびその製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明の一態様は、以下の３次元構造体およびその製造方法を提供する。

［１］後述の［５］又は［６］に記載の３次元構造体の製造方法により製造されたことを特徴とする３次元構造体。

上記［１］の構成によれば、薄膜部材を所定の面上に積層する際、荷重を受ける薄膜部材の部分がオーバーハング（ブリッジ）構造とならないため、薄膜部材が変形することがなくなる。上記垂直ロッドおよび水平ロッドには、板状体、多角形の断面形状の柱状体等も含まれる。

［２］前記複数の第１及び第２の垂直ロッドの一端は、前記所定の面に対応する基板の表面に接合されていることを特徴とする前記[１］に記載の３次元構造体。

［３］前記薄膜部材は、前記第１及び第２の水平ロッドの幅相当の厚さを有することを特徴とする前記［１］に記載の３次元構造体。水平ロッドを１枚の薄膜から構成することにより、積層回数を減らすことができる。なお、水平ロッドの幅以下の厚さを有する薄膜を用いてもよい。

［４］前記複数の第１及び第２の垂直ロッドおよび前記複数の第１及び第２の水平ロッドは、同方向間のロッドの配列がハーフピッチのずれを有することを特徴とする前記［１］に記載の３次元構造体。ハーフピッチを光の波長の約１／２とすることにより、所定の光が伝搬（透過）しないフォトニックギャップが得られる。

［５］所定の面に垂直な複数の第１の垂直ロッドと、前記複数の第１の垂直ロッドの背面に直交して連結された複数の第１の水平ロッドと、前記複数の第１の水平ロッドの背面に直交して連結された複数の第２の垂直ロッドと、前記複数の第２の垂直ロッドの背面に直交して連結された複数の第２の水平ロッドとを備え、前記複数の第１及び第２の垂直ロッドおよび前記複数の第１及び第２の水平ロッドは、金属からなり、全体が流路素子を構成している３次元構造体の製造方法において、前記３次元構造体の前記所定の面に平行な断面形状を有する複数の薄膜パターンをドナー基板に形成する第１の工程と、前記ドナー基板上の前記複数の薄膜パターンを順次ターゲット基板へ転写、接合して前記ターゲット基板上に前記３次元構造体を形成する第２の工程とを有することを特徴とする３次元構造体の製造方法。

上記［５］の構成によれば、ドナー基板とターゲット基板との間で接合・離間を繰り返すことにより、ドナー基板上の薄膜パターンがターゲット基板上に転写する。ドナー基板とターゲット基板とを接合する際、荷重を受ける薄膜の部分がオーバーハング（ブリッジ）構造とならないため、薄膜が変形することがなくなる。

［６］前記第２の工程は、常温接合によることを特徴とする前記［５］に記載の３次元構造体の製造方法。常温接合により薄膜パターンを接合することにより、薄膜パターンの形状や厚みの変化が少なく、高精度な３次元構造体が得られる。「常温接合」とは、被接合物の表面に中性原子ビーム、イオンビームなどを照射して表面を清浄化した後、被接合物を室温で接触させて原子同士を直接接合することをいう。

上記複数の薄膜パターンは、例えば、ドナー基板上に必要に応じて離型層を形成し、その上に薄膜を着膜し、その薄膜をパターニングすることにより形成される。

ドナー基板には、Ｓｉウェハ、石英基板、ガラス基板等を用いることができ、電鋳によって薄膜を形成する場合は、表面にメッキ層を有する絶縁性基板や、ＳＵＳ等の金属基板を用いることができる。ターゲット基板には、Ｓｉウェハ、石英基板、ガラス基板、金属基板等を用いることができる。薄膜の材料としては、Ａｌ，Ｎｉ、Ｃｕ等の金属や、セラミックス、シリコン、誘電体等の非金属等を用いることができる。

薄膜の着膜方法としては、例えば、電子ビーム加熱蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法等の真空蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。パターニングとしては、例えば、リソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法、電子ビーム直接描画法等を用いることができるが、高い平面形状精度が得られ、量産性が高い点で、リソグラフィー法が好ましい。また、膜厚が数10μｍという厚いパターンを形成するには電鋳を用いることが好ましい。

離型層は、例えば、ポリイミド、フッ化ポリイミド、酸化シリコン等の公知の材料を用いることができるが、ドナー基板の熱酸化処理を行って形成される熱酸化膜を用いてもよい。離型層のドナー基板上への形成は、スパッタ法、分子線ビームエピタキシャル法、化学気相堆積法、真空蒸着法、スピン塗布法等の一般的な薄膜形成方法を用いることができる。離型層を用いることにより、ドナー基板とターゲット基板とを圧接して離間したとき、薄膜パターンが離型層から容易に剥離してターゲット基板側に転写させることができる。

３次元構造体が形成されたターゲット基板は、その後、エッチング等によって３次元構造体から分離してもよく、ターゲット基板を分離せずに３次元構造体の支持部材として用いてもよい。

本発明によれば、オーバーハング（ブリッジ）に起因する変形が生じないようにすることができる。

（３次元構造体の構成）
図１は、本発明の実施の形態に係る３次元構造体を示す。また、図２は、図１の３次元構造体を示す、（ａ）正面図、（ｂ）平面図である。

３次元構造体１は、Ｓｉ、ガラス等からなるターゲット基板１１と、ターゲット基板１１上に立設された垂直ロッドとしての複数の第１のロッド１２と、第１のロッド１２の背面に水平に連結された水平ロッドとしての複数の第２のロッド１３と、第１のロッド１２に対して１／２ピッチ（ハーフピッチ）、すなわち、光の波長の約１／２（０．１〜数μｍ）ずらして第２のロッド１３の背面に連結された垂直ロッドとしての複数の第３のロッド１４と、第２のロッド１３に対してハーフピッチずらして第３のロッド１４の背面に水平に連結された水平ロッドとしての複数の第４のロッド１５とを備えて構成されている。上記第１〜第４のロッド１２〜１５は、例えば、Ｓｉ等の誘電体からなり、上記したＦＯＲＭＵＬＡプロセスにより積層される。なお、図１、図２では、垂直ロッド及び水平ロッドがそれぞれ４本しか示されていないが、必要に応じて、水平方向、垂直方向に４本以上の多数本の垂直ロッド及び水平ロッドが、前述の周期性を有して配列される。

図３は、ドナー基板の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。ドナー基板２には、ターゲット基板１１に転写するための第１〜第４のロッド１２〜１５が９層（第１の薄膜パターン２４ａ〜第９の薄膜パターン２４ｉ）に分割して設けられている。すなわち、ドナー基板２は、Ｓｉウェハ２１と、Ｓｉウェハ２１の表面に蒸着または塗布され、熱酸化膜、フッ素系樹脂等のフッ素を含む薄膜等からなる離型層２２と、離型層２２上の薄膜形成領域２３Ａ〜２３Ｉに区分けして設けられた第１〜第４のロッド１２〜１５を構成する薄膜パターン２４ａ〜２４ｉとを備えている。また、これらの薄膜パターンの表面粗さは数ｎｍ以下となっている。

本実施の形態における第１〜第４のロッド１２〜１５は、図１に示すように、ロッド１２〜１５をターゲット基板１１に立設した構成であるため、図２に示すように、ロッドの厚みを１層分とし、３次元構造体１の底部から頂部に向けて第１〜第９層に分け、９回の転写により第１〜第４のロッド１２〜１５の全体が完成できるように構成されている。

即ち、３次元構造体１の積層体の第１乃至第９層用の第１乃至第９の薄膜パターン２４ａ〜２４ｉが対応する薄膜形成領域２３Ａ〜２３Ｉに配置されており、その厚さは光の波長の半分以下に設定される。ここで、第１層が３次元構造体１の底部となり、第９層が頂部となる。

（３次元構造体の製造方法）
図４は、３次元構造体１の製造方法を示す。まず、図４の（ａ）のように、図３のドナー基板２の薄膜形成領域２３Ａからターゲット基板１１の所定の位置に第１の薄膜パターン２４ａを転写して、第１層を形成する。

次に、図４の（ｂ）のように、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｂからターゲット基板１１の第１の薄膜パターン２４ａ上に第２の薄膜パターン２４ｂを転写して、第２層を形成する。

次に、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｃからターゲット基板１１の第２の薄膜パターン２４ｂ上に第３の薄膜パターン２４ｃを転写して、第３層を形成する。

次に、図４の（ｃ）のように、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｄからターゲット基板１１の第３の薄膜パターン２４ｃ上に第４の薄膜パターン２４ｄを転写して、第４層を形成する。

次に、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｅからターゲット基板１１の第４の薄膜パターン２４ｄ上に第５の薄膜パターン２４ｅを転写して、第５層を形成する。

次に、図４の（ｄ）のように、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｆからターゲット基板１１の第５の薄膜パターン２４ｅ上に第６の薄膜パターン２４ｆを転写して、第６層を形成する。

次に、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｇからターゲット基板１１の第６の薄膜パターン２４ｆ上に第７の薄膜パターン２４ｇを転写して、第７層を形成する。

次に、図４の（ｅ）のように、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｈからターゲット基板１１の第７の薄膜パターン２４ｇ上に第８の薄膜パターン２４ｈを転写して、第８層を形成する。

最後に、ドナー基板２の薄膜形成領域２３Ｉからターゲット基板１１の第８の薄膜パターン２４ｈ上に第９の薄膜パターン２４ｉを転写して第９層を形成すれば、図４の（ｆ）および図１に示す３次元構造体１が完成する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、第１〜第４のロッド１２〜１５をターゲット基板１１に立設し、その長さ方向に複数回に分けて第１〜第９の薄膜パターン２４ａ〜２４ｉをドナー基板２からターゲット基板１１に転写する構成にしたため、図５（ａ）の正面図、（ｂ）の平面図に示すように、第２層の第２のロッド１３は、第１，第３のロッド１２，１４の正面に連結されており、オーバーハング（ブリッジ）に起因する変形を生じることがない。このため、本実施の形態によれば、所望の３次元フォトニック結晶を得ることができる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、上記実施の形態では、３次元構造体としてフォトニック結晶について説明したが、同様の構造を有するマイクロミキサーやマイクロクーラーなどの流路素子に適用することも可能である。このような流路素子は、電鋳によりＮｉ、Ｃｕなどから成るパターンをドナー基板上に形成した後、このパターンをターゲット基板に順次積層することにより作製される。流路素子ではロッドの幅、厚さは概略数１０μｍ〜数１００μｍである。本発明を用いれば、３次元フォトニック結晶を作製するときと同様に、オーバーハング（ブリッジ）に起因する変形が生じることがなくなるので、所望の形状をした流路素子を得ることができる。

本発明の実施の形態に係る３次元構造体を示す斜視図である。 図１の３次元構造体を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 本発明の実施の形態に係るドナー基板の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＣ−Ｃ断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の実施の形態に係る３次元構造体の製造方法を示す工程図である。 本発明の実施の形態に係る３次元構造体の第２層と第３層の接合を示す説明図であり、（ａ）は正面図、（ｂ）は平面図である。 従来のハーフピッチ型３次元構造体を示し、（ａ）は斜視図、（ｂ）は（ａ）をＡ方向から見た側面図、（ｃ）は（ａ）の平面図である。 従来の３次元構造体の製造に用いられるドナー基板の構成を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。 従来の３次元構造体の製造において、第２の薄膜までを積層したターゲット基板をドナー基板に位置合わせした状態を示す説明図である。 従来のハーフピッチ型３次元構造体においてオーバーハングが生じた状態を示す説明図である。

符号の説明

１ ３次元構造体
２ ドナー基板
１１ ターゲット基板
１２ 第１のロッド
１３ 第２のロッド
１４ 第３のロッド
１５ 第４のロッド
２１ Ｓｉウェハ
２２ 離型層
２３Ａ〜２３Ｉ の薄膜形成領域
２４ａ 第１の薄膜パターン
２４ｂ 第２の薄膜パターン
２４ｃ 第３の薄膜パターン
２４ｄ 第４の薄膜パターン
２４ｅ 第５の薄膜パターン
２４ｆ 第６の薄膜パターン
２４ｇ 第７の薄膜パターン
２４ｈ 第８の薄膜パターン
２４ｉ 第９の薄膜パターン
１００ ３次元構造体
１１１ ターゲット基板
１１２ 第１の薄膜
１１３ 第２の薄膜
１１４ 第３の薄膜
１１５ 第４の薄膜
２００ ドナー基板
２０１ Ｓｉウェハ
２０２ 離型層
２０３Ａ 第１の薄膜形成領域
２０３Ｂ 第２の薄膜形成領域
２０３Ｃ 第３の薄膜形成領域
２０３Ｄ 第４の薄膜形成領域

Claims (6)

1. 所定の面に垂直な複数の第１の垂直ロッドと、前記複数の第１の垂直ロッドの背面に直交して連結された複数の第１の水平ロッドと、前記複数の第１の水平ロッドの背面に直交して連結された複数の第２の垂直ロッドと、前記複数の第２の垂直ロッドの背面に直交して連結された複数の第２の水平ロッドとを備え、前記複数の第１及び第２の垂直ロッドおよび前記複数の第１及び第２の水平ロッドは、金属からなり、全体が流路素子を構成している３次元構造体の製造方法において、
   前記３次元構造体の前記所定の面に平行な断面形状を有する複数の薄膜パターンをドナー基板に形成する第１の工程と、
   前記ドナー基板上の前記複数の薄膜パターンを順次ターゲット基板へ転写、接合して前記ターゲット基板上に前記３次元構造体を形成する第２の工程とを含むことを特徴とする３次元構造体の製造方法。
2. 前記第２の工程は、常温接合によることを特徴とする請求項１に記載の３次元構造体の製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載の３次元構造体の製造方法により製造されたことを特徴とする３次元構造体。
4. 前記複数の第１及び第２の垂直ロッドの一端は、前記所定の面に対応する基板の表面に接合されていることを特徴とする請求項３に記載の３次元構造体。
5. 前記薄膜部材は、前記第１及び第２の水平ロッドの幅相当の厚さを有することを特徴とする請求項３に記載の３次元構造体。
6. 前記複数の第１及び第２の垂直ロッドおよび前記複数の第１及び第２の水平ロッドは、同方向間のロッドの配列がハーフピッチのずれを有することを特徴とする請求項３に記載の３次元構造体。

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