JP5508420B2 - Liga‐uv技術によるマルチレベル金属部品の製造方法 - Google Patents

Liga‐uv技術によるマルチレベル金属部品の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、UVフォトリソグラフィおよびガルバニック析出技術によるマルチレベル金属構造の製造方法に関する。
上の定義に対応する方法は周知である。特に、マイクロ電気機械システムジャーナル(第2巻、N deg.1993年6月2日)に発表された「感光性ポリイミド電気めっきモールドを用いて製造される金属マイクロ構造」という名称のA.B.Frazierらによる文献(非特許文献1)には、感光性樹脂層のフォトリソグラフィにより製作されるポリイミドモールドにおけるガルバニック成長によりマルチレベル金属構造を製造する方法が記載されている。この方法は、以下のステップを含む。
‐次のガルバニック成長のため金属犠牲層と下地層とを基板に形成するステップ。
‐感光性ポリイミドの層を塗布するステップ。
‐形成される構造の一つのレベルの輪郭と一致するマスクを通して、ポリイミド層にUV照射を行うステップ。
‐ポリイミドモールドを用意するように、非照射部分を溶解させることによりポリイミド層を現像するステップ。
ガルバニック成長によりモールドの高さまでニッケルをモールドに充填して、略平坦な上面を用意するステップ。
‐真空めっきにより上面全体に薄いクロム層を析出するステップ。
‐新しい感光性樹脂層をクロム層に析出するステップ。
‐用意される構造の次のレベルの輪郭と一致する新しいマスクを通して樹脂層に照射を行うステップ。
‐新しいモールドを用意するようにポリイミド層を現像するステップ。
‐ガルバニック成長によりモールドの高さまでニッケルを新しいモールドに充填するステップ。
‐マルチレベル構造およびポリイミドモールドを犠牲層および基板から分離するステップ。
‐マルチレベル構造をポリイミドモールドから分離するステップ。
今説明した方法が、理論上、二つ以上のレベルを有する金属構造を用意するように反復的に実行されることは明らかである。この方法の欠点の一つは、各ガルバニック析出ステップにおいて略平坦な上面を用意する必要があることである。この問題の解決法の一つは、ガルバニック析出ステップの後に金属構造およびモールドをその場で機械加工することにより所望の平坦面を用意できることを教示している欧州特許第1,835,050号に、開示されている。しかし、クリーンルーム機械加工設備を設けると、解決する数よりも多数の問題を発生させる可能性がある。機械加工設備とクリーンルームとの間に帰路を用意するという代替例は、フォトリソグラフィおよびガルバニック析出には概して極度の清潔さが必要であることとも矛盾する。
欧州特許第0,851,295号には、UVフォトリソグラフィにより製作されるモールドでマルチレベル金属構造を製造するための別の方法が開示されている。この第二の方法は、以下のステップを含む。
a)基板に金属犠牲層を形成するステップ。
b)150から700ミクロンの厚さを持つ感光性エポキシ樹脂の層を塗布するステップ。
c)析出される厚さに応じた時間にわたって90°から95°の温度でこの層を予備焼成するステップ。
d)用意される構造の一つのレベルの輪郭と一致するマスクを通して樹脂層にUV照射を行うステップ。
e)重合化のためこの層を事後焼成するステップ。
f)ステップb)からe)を少なくとも1回反復し、必要であれば、新しいフォトレジスト層を構築するための所望の輪郭に応じて、ステップd)に別のマスクを使用するステップ。
g)エポキシ樹脂モールドを用意するように非照射部分を溶解することにより、重複樹脂層を現像するステップ。
ii)モールドの表面全体に一次的金属被覆を行ってから、マルチレベル金属構造を形成するようにガルバニック析出によりモールドを完全に被覆するステップ。
h)エポキシ樹脂モールドと金属構造とにより形成されるアセンブリから基板を分離するステップ。
iii)マルチレベル構造を樹脂モールドから分離するステップ。
この第二の方法の長所の一つは、ガルバニック析出ステップに先立って樹脂モールドが完全に製作されることである。こうして、後でマルチレベル金属構造の機械加工がクリーンルームの外で実施されることが可能で、クリーンルームを汚す危険がない。しかしこの第二の方法にはいくつかの欠点も見られる。すなわち、重複樹脂層が同じステップで現像されることである。このような条件では、第2フォトレジスト層の予備焼成ステップは、必然的に第1層の事後焼成にも当たる。ゆえに、焼成の温度および時間を最適な形で適応させるのは非常に困難である。
欧州特許第1,835,050号 欧州特許第0,851,295号
A.B. Frazier et al., "Metallic Microstructures Fabricated Using Photosensitive Polyimide Electroplating Molds", Journal of Microelectromechanical Systems (Vol. 2, N deg. 2, June 1993
そのため、上述した先行技術の欠点を克服する、UVフォトリソグラフィおよびガルバニック析出技術を介してマルチレベル金属構造を製造する方法を提案することが、本発明の目的である。本発明は、次の方法によりこの目的を達成する。すなわち、
a)導電性表面を有する基板を用意するステップと、
b)基板の導電性表面を第1感光性樹脂層で被覆するステップと、
c)所望のパターン凹部と一致するマスクを通して第1感光性樹脂層に照射を行うステップと、
d)開口部をくり抜いて第1レベルの樹脂モールドを用意するように第1感光性樹脂層を現像し、第1樹脂層の開口部が基板の導電性表面を露出させるステップと、
e)現像された樹脂層を被覆して好ましくは開口部を充填するように、現像された樹脂層に新しい感光性樹脂層を析出するステップと、
f)所望のパターン凹部と一致するマスクを通して新しい感光性樹脂層を照射するステップと、
g)開口部をくり抜いてマルチレベル樹脂モールドを用意するように、新しい感光性樹脂層を現像し、マルチレベルモールドの開口部が基板の導電性表面を露出させるステップと、
h)ステップi)にそのまま進むか、所望であれば、最初に方法のステップe)からg)を反復してマルチレベルモールドに追加層を加えるステップと、
i)マルチレベル樹脂モールドの開口部に金属または合金をガルバニック析出するステップと、
j)基板を分離してから、開口部に析出される金属または合金により形成される多層金属構造を露出させるように樹脂層を除去するステップと、
を含むことを特徴とする、UVフォトリソグラフィおよびガルバニック析出により多層金属マイクロ構造を製造する方法を提供することにより、この目的を達成する。
先行技術の第二の方法のように、本発明によれば、マルチレベル金属部品が単一のガルバニック成長ステップ(ステップJ)で形成されることが明らかだろう。しかし、本発明では、フォトレジストモールドを形成する様々な樹脂層が、一つ一つ別々に現像される。ゆえに、上層の事前焼成と底層の事後焼成について温度および時間を別々に適応させることが可能である。
本発明による方法の別の長所は、上述した第一の方法では可能ではない、共通の側壁を2つのレベルで用意できることである。
本発明のまた別の長所は、上述した先行技術の第二方法とは異なり、多様なレベルに多様な性質の感光性樹脂を使用できることである。例えば、第1レベルにネガ型フォトレジストを、第2レベルにポジ型フォトレジストを使用することが考えられる。こうして、複雑な形状を有するある種の構造の製作が容易になる。
第一の変形実行例によれば、この方法は、前のステップで現像された樹脂層の残り部分に導電性表面を形成するステップを、ステップd)の後に含む。
あるいは第二の変形例によれば、第1感光性樹脂層に穿孔導電性表面を形成するステップが、ステップb)とステップc)との間、またはステップc)とステップd)との間に設けられる。また別の変形例によれば、フォトレジストモールドが製作されてから、ステップg)とステップh)との間に導電層が形成される。
本発明による方法の他の特徴および長所は、単に非限定的な例として挙げられた以下の説明を、添付図面を参照して読むことで明らかになるだろう。
本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。 本発明の方法の特定の実施に対応する方法の様々なステップが図示されている。
本発明によれば、導電性表面を有する基板を用意するステップが方法に含まれる。図に示された特定の実行例では、導電層2が予め蒸着された(図2)シリコン、ガラス、セラミックウェハ(図1)によって、基板1が形成される。次のガルバニック析出では、この導電層2が下地層として、つまり陰極として使用される。一般的に下地層2は、金または銅の層で被覆されたクロムまたはチタンの下層で形成される。
図示されていない変形例によれば、下地層2の析出に先立って、最初に、例えばアルミニウムで構成される犠牲層が基板に真空めっきされる。この層の厚さは一般的に、10分の1ミクロン程度であり、それは、方法の終了時にマルチレベル金属構造が基板から分離されるようにするためである。また別の変形例によれば、同じ金属被覆層が犠牲層と下地層の二重機能を果たす。さらに、真空めっきに代わって、犠牲層を形成するための技術としてガルバニック析出を使用することが可能である。
あるいは、ステンレス鋼板または別の金属により基板が形成されてもよい。このような条件では、導電層を析出する必要はない。しかし、使用前には概して下地面がクリーニングされる。
次のステップ(図3)は、第1感光性樹脂層で基板の導電性表面を被覆することである。使用される樹脂は、整理番号SU‐8でShell Chemicalから入手できる8官能基のエポキシ系樹脂であることが好ましい。この樹脂は、米国特許第4,058,401号に記載されているようなトリアリルスルホニウム塩の中から選択されるフォトイニシエータも含む。この樹脂は、UV照射の作用を介して重合化するように考えられたネガ型フォトレジストを形成する。
あるいは、感光性樹脂は、UV照射の作用を介して分解するように考えられたポジ型フォトレジストでもよい。わずかな特定タイプの感光性樹脂に本発明が限定されないことは明らかだろう。当該技術分野の者であれば、UVフォトリソグラフィに適した周知の樹脂すべての中から要件を満たす感光性樹脂をどのようにして選ぶかが分かるだろう。
例えば、円筒形アプリケーションまたは「固形」樹脂の積層などによるスピンコーティングといった当該技術分野の当業者に周知の技術を用いて、樹脂3が下地層2に析出される。感光性樹脂層3の厚さは、一般的に150から600ミクロンの間である。厚さおよび使用される技術に応じて、樹脂は一つまたはいくつかのステップで析出される。
本発明が対象とする特定の発明実行例によれば、ステップb)の後、溶剤を蒸発させるのに充分な時間、樹脂層3が90から95℃で再び予備焼成される。しかし、使用される樹脂の性質に応じて、この予備焼成ステップが必ずしも必要ではないことは、当該技術分野の当業者には明らかだろう。
この方法の次のステップ(図4)は、所望のマイクロ構造の第1レベルの輪郭を画定するマスク4の開口部を通したUV照射により樹脂層を照射することである。このUV照射は例えば、365および410nmのピーク強度を持つアライナ(不図示)により行われてもよい。照射幅は、樹脂の厚さに左右される。365nmの波長で測定されると、一般的には200から1,000mJ/cm3である。必要であれば、UV照射により誘発される重合化を完成させるのに、事後焼成ステップが要求される。この例で使用されるもののようなネガ型フォトレジストでは、事後焼成ステップは、15から30分間にわたって90℃と95℃の間で実施されることが好ましい。こうして、絶縁(光重合化)ゾーン3aは、大部分の現像液に反応しなくなる。しかし、非絶縁ゾーン3bは、適当な現像液により後で溶解する。
この方法の次のステップ(図5)は、感光性樹脂層3の現像である。この例では、使用されるフォトレジストはネガ型である。このような条件では、フォトレジストの現像は、非絶縁ゾーン3bを溶解するように樹脂を化学的にエッチングして、基板1の導電層2の何箇所かを露光させることを意味する。しかし、ポジ型フォトレジストの場合には、それが、溶解した絶縁層3aであるのは明らかである。当該技術分野の当業者であれば、感光性樹脂の製造者の指示に基づいてフォトレジスト現像ステップに適した現像液をどのように選択するかが分かるだろう。好都合な変形例によれば、次のステップの準備として樹脂モールドを適切にクリーニングしてその表面を活性化するように短時間のプラズマ露光を介して現像ステップを遂行することが可能である。
この方法の次のステップ(図6)は、前のステップで現像された樹脂層表面の残り部分を導電性にすることである。これを行うため、例えば真空めっきによって金属被覆層5が析出される。
図6は、側壁が絶縁性のままとなるように、金属被覆層5が水平面のみを被覆することが好ましいことを示す。しかし、導電性表面2のうち前のステップで露光した部分は、導電層5により被覆されず、この方法の妨げとならない。さらに、図示されていない変形例によれば、金属被覆は水平面ばかりでなく垂直面にも行われてもよい。
さらに、当該技術分野の当業者であれば、フォトレジストに固着する蒸着金属を選択すること、または次のガルバニック析出のため下地層5として使用できる金属を選択することは、特に困難ではないだろう。例えばクロムは両方の条件を満たす。さらに、もともと導電性であるフォトレジストが存在する。この特定の場合には、表面の金属被覆の実施は必ずしも必要ではない。
上記説明によれば、この例で対象となる実行例において、方法のステップd)の後で感光性樹脂層に導電性表面5が形成される。
あるいは、第二の変形例によれば、第1感光性樹脂層に導電性表面を形成するステップが、ステップb)とステップc)との間またはステップc)とステップd)との間に置かれる。ステップb)の後の析出の場合には、析出された後で導電性表面5が穿孔されるか、上記説明に従ってステップc)を可能にするように、または導電性表面5を実際にはマスク4として使用するため、所定の穿孔時に導電性表面が直接析出される。後者の場合には、樹脂3が必ずポジ型樹脂でなければならないことは明らかである。
ステップc)の後の析出の場合には、導電性表面5が析出の後で穿孔されるか、上記説明に従ってステップd)を可能とするようにマスク4の穿孔と一致する穿孔によって、導電性表面が直接析出される。そのため、ステップb)またはc)の後で導電性表面5が析出される場合には、図6に図示されているように、第1樹脂3の上ばかりでなく導電性表面2の一部にも、導電性表面が存在する。
また別の変形例によれば、フォトレジストモールドが製作された後で、ステップg)とステップh)の間に、導電層が穴の底面に形成される。
方法の次のステップ(図7)は、蒸着金属層5を被覆して現像済み樹脂層3の開口部を充填するように、蒸着金属層5に新しい感光性樹脂層6を析出することである。このステップのため、すでに現像された樹脂層3に形成された開口部が新しい層6からの樹脂で完全に充填されることが好ましい。スピンコーティング手段を用いた析出が充分な結果をもたらさない時には、新しいフォトレジスト層を製作するのに別の析出技術を使用することが可能である。例えば、Microchemical GmbHによるTi sprayなどのスプレーフォトレジストで被覆されるように表面にスプレーすること、または前もって希釈された従来のポジ型フォトレジストを使用することすら可能である。Shipley Ltd.によるPEPR 2400などのフォトレジストのガルバニック析出により新しい層6を形成することも可能である。
あるいは、フォトレジストに開口部を通過させないで層3を被覆するように、新しいフォトレジスト層6を形成することも可能である。この結果を得るため、例えば積層により接着される「固形」樹脂を使用することも例えば可能である。
この方法の次のステップ(図8)は、所望のマイクロ構造の第2レベルの輪郭を画定するマスク7の開口部を通したUV照射によって新しい樹脂層6に照射を行うことである。このステップでは、マスク7を第1レベル開口部と整合させる必要がある。当該技術の当業者であれば、例えば整合マークを使用することにより、どのようにしてこの整合を実施するかが分かるだろう。
さらに図8は、本発明による方法では二つ(以上)のレベルで延出する側面を形成できることを示している。上述のように、使用されるフォトレジストの性質に応じて、UV照射により誘発される重合化を完成させるため、事後焼成ステップがアセンブリに実施される。
この方法の次のステップ(図9)は、新しく照射された感光性樹脂層6を現像することである。この技術は、第1フォトレジスト層を現像するのに使用されたものと同じでよい。樹脂層6を現像するステップでは、二つのレベルの樹脂モールドが製作される。変形例によれば、このステップが実施されてから、所望であれば三つのレベルの樹脂モールドを用意するため図6から9に対応する以下のステップを反復することが可能である。
この方法の次のステップ(図10)は、マルチレベル樹脂モールドの開口部に金属または合金をガルバニック析出することである。好都合な変形例によれば、このステップに先立って、樹脂モールドの側面を形成する表面が、金属被覆された水平面とともに活性化される。表面の活性化は、ガルバニック析出の下地形成および均質性を向上させる。一般的にガルバニック析出に使用される金属は、ニッケル、銅、金および銀、または金‐銅、ニッケル‐コバルト、ニッケル‐鉄、ニッケル‐リンを含む群から選択される。概して、多層金属構造の全体が同じ合金または金属で製作される。しかし、性質の異なる少なくとも二つの層を含む金属構造を用意するように、ガルバニック析出ステップ中に金属または合金を変化させることも可能である。当該技術分野の当業者であれば、析出される金属または合金に応じて、ガルバニック析出の条件、特に槽の構成、システム形状、電圧、強度をどのように決定するかが分かるだろう。例えば、1984年に米国ニューヨークでVan Nostrand Reinhold Company Inc.からL.J.Durneyの監修で発行されたDi Bari G.A.の「電気鋳造」電気めっき工学ハンドブック第4版を参照するとよい。
再び図9を参照すると、樹脂モールドの開口部がすべて同じ奥行を持つわけではないことが分かる。いくつかの開口部では基板1の導電層2が露出しているのに対して、他の開口部は、第1レベルの感光性樹脂3を被覆している導電層5まで延在している。従来方法では、基板の導電層2が通電されたままで陰極として作用するようにガルバニック析出設備が構成される。本発明によれば、第1感光性樹脂層を被覆する導電層5は電圧源に接続されないことが好ましい。ゆえに、第1段階では、導電性表面2のみにガルバニック析出が実施される。導電層5と接触してこの層に通電するのは、電気めっきされた金属槽が第1樹脂層の高さに達してからである。この特徴のため、ガルバニック成長は様々な開口部で同時に進行し、これは、比較的平坦な表面を持つ構造が製作されることを意味する。
この方法の次のステップ(図11)は、前のステップで基板から用意された重合化フォトレジストと多層金属構造とにより形成されたアセンブリを分離することである。すでに説明したように、方法の開始時に形成された犠牲層が基板に設けられている場合には、(例えば、層がアルミニウムで製作されている場合には水酸化カリウム溶液(KOH)を用いて)犠牲層を溶解させることによってマルチレベル金属構造が分離される(図11)。
使用される材料に応じて、犠牲層のエッチングおよび溶解を必要とせずに、単に剥離によってマルチレベル金属構造と樹脂モールドとを分離することが可能である。これは特に、基板が固形金属ウェハである時に当てはまる。
多層金属構造とフォトレジストとが基板から外されてしまうと、次のステップ(図12)は、金属マイクロ構造を取り出すため感光性樹脂層を除去することである。
図示されていない変形例によれば、下地層2,5の残り部分を除去するためマルチレベル金属構造が再び層に載置される。
この説明が対象とする例では、ラッピングおよび研磨技術により多層構造の上部を平らにすることである最終ステップ(図13)が、方法にさらに含まれる。
添付の請求項により規定される本発明の範囲から逸脱することなく、この説明が対象とする実行例に対して、当該技術分野の当業者には自明である様々な変更および/または改良が行われてもよいことも明らかであろう。
1…基板、2…導電性表面、3…第1感光性樹脂層、3a…絶縁ゾーン、3b…非絶縁ゾーン、4、7…マスク、5…導電性表面、6…感光性樹脂層、8…多層金属構造。

Claims (8)

  1. UVフォトリソグラフィおよびガルバニック析出技術によるマルチレベル金属マイクロ構造の製造方法において、
    a)導電性表面(2)を有する基板(1)を用意するステップと、
    b)前記導電性表面(2)を第1感光性樹脂層(3)で被覆するステップと、
    c)所望のパターン凹部と一致する第1のマスク(4)を通して前記第1感光性樹脂層(3)に照射を行うステップと、
    d)開口部をくり抜いて第1レベルの樹脂モールドを用意するように前記第1感光性樹脂層(3)を現像し、前記第1樹脂層の前記開口部が前記基板の前記導電性表面(2)を露出させるステップと、
    e)前記現像済み樹脂層(3)を被覆して中の前記開口部を充填するように、前記現像済み樹脂層(3)の上に新しい感光性樹脂層(6)を析出するステップと、
    f)所望のパターン凹部と一致する第2のマスク(7)を通して前記新しい感光性樹脂層(6)に照射を行うステップと、
    g)開口部をくり抜いてマルチレベル樹脂モールドを用意するように前記新しい感光性樹脂層(6)を現像し、前記マルチレベルモールドの前記開口部が前記基板の前記導電性表面(2)を露出させるステップと、
    h)前記マルチレベル樹脂モールドの前記開口部に金属または合金をガルバニック析出するステップと、
    i)前記基板(1)を分離してから、前記開口部に析出された前記金属または合金により形成される多層金属構造(8)を露出させるように前記樹脂層(3,6)を除去するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
  2. 前記第1感光性樹脂層(3)に穿孔済み導電性表面(5)を形成するステップを、ステップb)の後に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1感光性樹脂層(3)に穿孔済み導電性表面(5)を形成するステップを、ステップc)の後に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  4. 前のステップで現像された前記樹脂層(3)の表面の残り部分に導電性表面(5)を形成するステップを、ステップd)の後に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  5. 前記開口部の底面に導電性表面(5)を形成するステップを、ステップg)の後に含むことを特徴とする、請求項1に記載の方法。
  6. ステップg)が完了してから、前記マルチレベルモールドに追加層を加えるように、ステップh)に移る前にステップe)〜g)が反復されることを特徴とする、請求項1乃至5のいずれかに記載の方法。
  7. 前記導電性表面(2,5)がクロムおよび金の層の積層体で形成されることを特徴とする、請求項1乃至6のいずれかに記載の方法。
  8. 前記樹脂および前記マルチレベル構造を同じレベルにするように前記樹脂および析出金属を平坦化するステップをステップh)の後に含むことを特徴とする、請求項1乃至7のいずれかに記載の方法。
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