JP5876203B2 - 複合物の作製プロセス - Google Patents
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Description
本発明は、複合機能ボディ／基板を作製するためのプロセスに関する。
シリコン・ベースのマイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）の出現は主として、基本的に二次元（２Ｄ）の集積回路を製造するために開発されたプロセスから生まれたものである。ＭＥＭ技術を、三次元（３Ｄ）の応用例、例えばマイクロ流体バルブ、インクジェット・ノズル、プロジェクタ・マイクロ・ミラーに拡張するために、高アスペクト比のパターニング技術が開発された。例えば「ＬＩＧＡ」またはＸ線フォトレジスト・プロセシングである（例えば、エム．ジェイ．マドウ（M. J. Madou）、「微細加工の基礎（Fundamentals of Microfabrication）」第６章、ＣＲＣプレス、ボカ・ラートン（Boca Raton）、ＦＬ、１９９７年を参照）。
選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）は、金属、セラミックスまたはポリマーの粉末供給原料から複雑な三次元コンポーネントを製造するために従来から実施されてきたプロセスである。このプロセスは、高い密度および均質性を示す複雑な構成要素、例えば工具ダイスや医療用インプラントを製造するために用いられてきた（例えば、欧州公開特許公報第１４１８０１３号を参照）。
エム．ジェイ．マドウ、「微細加工の基礎」第６章、ＣＲＣプレス、ボカ・ラートン、ＦＬ、１９９７年 欧州公開特許公報第１４１８０１３号
エム．ジェイ．マドウ、「微細加工の基礎」第６章、ＣＲＣプレス、ボカ・ラートン、ＦＬ、１９９７年
本発明は、異種複合物を作製する際に選択的溶融を実施することができるという認識に基づいている。より詳細には、本発明は、有向エネルギー・ビームを用いた選択的溶融により複合機能ボディ／基板を作製する改善プロセスに関する。
したがって、本発明の一態様においては、複合機能ボディ／基板を作製するためのプロセスであって、有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料の構築物を基板上に配置することと、有向エネルギー・ビームを用いて、機能材料の構築物を選択的に溶融することと、溶融した機能材料から複合機能ボディ／基板の機能ボディを形成することとを含むプロセスが提供される。本発明のプロセスは、優位なことに、マイクロ・システムおよびラボ・チップ技術で用いる“スマート”・マイクロ・マシンおよびメカニズムを製造するための新しい手段を開くものである。
本発明のプロセスは、複合機能ボディ／基板として、例えば航空宇宙もしくは自動車産業用（機能ボディは、熱交換器もしくはスマート・マテリアルである）またはエレクトロニクス産業用（機能ボディは、冷／熱交換器である）のものを作製する際に優位である。
有向エネルギー・ビームは、レーザ・ビームであっても良いし電子ビームであっても良い。好ましくは、レーザ・ビームであり、選択的溶融のステップは選択的レーザ溶融法（ＳＬＭ）のステップである。
好ましくは、複合機能ボディ／基板は、一部または多層複合物（例えばサンドイッチ層複合物）である。基板は基板層であっても良い。機能ボディは機能層であっても良い。あるいは、機能ボディは三次元であっても良い（例えば、円柱状もしくは柱状または複雑な３Ｄ構造もしくは構築物）。機能材料の構築物は機能材料の層であっても良い。隣接する層を、結合層と交互に重ねても良い。
複合機能ボディ／基板は、一体の部品、デバイスまたは構造を含んでいても良い。一体の部品、デバイスまたは構造は、層状であっても良いし、三次元であっても良い。一体の部品、デバイスまたは構造は、機能的であっても良い。
好ましくは、複合機能ボディ／基板は三次元複合物であり、特に好ましくは、高アスペクト比の三次元複合物である。典型的なアスペクト比（複合物の幅またはＸ−Ｙにおける複合物の寸法を、底面からの高さで割ったもの）は１０００を超える。この値は、投影をベースとして２．５Ｄ複合物を生成する従来のプロセスでは実現することができない。
基板は誘電体であっても良い。基板は半導体であっても良い。基板は電子基板であっても良い。電子基板は、１つまたは複数の電子部品、デバイスまたは構造を含んでいても良い。例えば、電子基板は、プリント配線板（その上に電子部品が実装される）であっても良いし、半導体ダイ（その上に電子デバイスが製造される）でも良い。
本発明のプロセスでは、基板は、シリコンおよび／または二酸化ケイ素であっても良いし、これらを含んでいても良い。通常、基板はシリコンであるか、またはシリコンを含む。基板は、絶縁体層（例えば二酸化ケイ素絶縁層）を含んでいても良い。例えば、本発明のプロセスでは、シリコン層に、酸化（例えば熱酸化）を施して二酸化ケイ素絶縁層を生成しても良い。基板はウェハであっても良い。
好ましくは、金属コンタクト層によって（例えば、ニッケル、チタン、あるいはアルミニウム薄膜コンタクト層などのアルミニウム・コンタクト層によって）基板はメタライズされる。例えば、本発明のプロセスにはさらに、アルミニウム・コンタクト層によって（例えば、アルミニウム薄膜コンタクト層によって）基板をメタライズすることが含まれていても良い。本プロセスにはさらに、アルミニウム・コンタクト層をパターニングすることが含まれていても良い。パターニングは、湿式エッチ・プロセスによって行なっても良い。
機能ボディは、望ましい電気、磁気、機械、光学または熱特性を伴うボディであっても良い。例えば、機能ボディは、圧電性であっても良いし、オーセチックであっても良いし、形状記憶を示しても良い。これに関連して、複合機能ボディ／基板は、エレクトロニクス分野においてアクチュエータとして有用である。好ましくは、機能材料は、第１のエネルギー・タイプを第２のエネルギー・タイプに変換することができる。特に好ましくは、第１のエネルギー・タイプまたは第２のエネルギー・タイプは、電気エネルギーである。特に好ましくは、第１のエネルギー・タイプまたは第２のエネルギー・タイプは、機械的エネルギーである。あるいは、機能ボディは、触媒活性であっても良い。
特に好ましい実施形態において、機能ボディは、圧電性ボディ（例えば、ポリマー圧電性ボディまたはセラミック圧電性ボディ）である。圧電性ボディは、鉛含有材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛セラミックなどの鉛セラミック）、クォーツ、またはポリマー（例えば、ポリビニルハロゲン化物）からなっていても良い。具体例は、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸ランタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはチタン酸バリウムである。好ましくは、以下の材料からなる群から選択される圧電材料である。ＰＶＤＦ（ｄ３３、約２３ｐｍ／Ｖ（ＩＥＥＥ 第５回マイクロ・マシンおよび人間科学に関する国際シンポジウム会報（名古屋、１９９４年１０月、７５頁）を参照））、ＰＺＴ（ｄ３３、約２５０〜３００ｐｍ／Ｖ）、およびＢａＴｉＯ３（ｄ３３、約１５０ｐｍ／Ｖ）。
特に好ましい実施形態においては、機能ボディは形状記憶を示す。例えば、機能ボディは形状記憶合金からなっていても良い。形状記憶合金は、チタン・ニッケル合金（例えば、ニチノール（ＮＩＴＩＮＯＬ）などの５０：５０のＴｉ：Ｎｉ合金）であっても良い。
特に好ましい実施形態においては、機能ボディはオーセチック・ボディである。
特に好ましい実施形態においては、機能ボディは触媒活性である。例えば、機能ボディは、化学的に機能化された材料またはドープされた材料からなっていても良い。
特に好ましい実施形態においては、機能ボディは触媒活性である。例えば、機能ボディは、化学的に機能化された材料またはドープされた材料からなっていても良い。
機能ボディは、素性が均一であっても良いし、不均一であっても良い。例えば、機能ボディは、複数の一体化された別個の要素を有していても良い。機能ボディは、均一または不均一な物理的または化学的特性を有していても良い。機能ボディは、不均一または均一に熱的または電気的絶縁性であっても良い。好ましくは、機能ボディは、均一または不均一に熱的または電気的伝導性であっても良い。
機能ボディは、異なる特徴（例えば、異なる化学的または物理的特徴）または特性（例えば、化学的または物理的特性）を伴う複数の一体化された別個の要素を有していても良い。例えば、機能ボディは、電気的または熱的伝導性の第１の一体化された別個の要素と、電気的または熱的絶縁性の第２の一体化された別個の要素とを有していても良い。
好ましい実施形態において、機能ボディは熱管理が可能である。特に好ましい実施形態においては、機能ボディは熱管理が可能であり、かつ、基板は電子基板である。熱管理が可能な機能ボディは、基板から（例えば拡散によって）熱を移す熱拡散ボディ、または冷媒（例えば、機能ボディの中、上または付近を通過する冷却液）へ熱を移す熱交換器ボディであっても良い。機能ボディが熱管理可能である複合物を作製するための本発明のプロセスの実施形態が有する、熱管理特性を伴う配置を作製するための既存のプロセスに対する優位性としては、以下のものが挙げられる。単一ブロック材料からの加工と比べると廃棄物が最小であること、選択的除去の製造方法（例えばチャンネル）では実現できない熱拡散器／交換器の実現可能性、外部の熱管理システムをサーマル・ビアまたは熱管理層などの電子基板に一体化された要素と一体化すること。
有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は通常、固体である。好ましくは、有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は粒子、特に好ましくは粉末状である。有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は、元素状態で存在していても良いし、元素状態で存在していなくても良い。
有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は熱可塑性であっても良い。
好ましくは、有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は金属含有である。金属含有の機能材料には、１つまたは複数の金属種（例えば、元素金属、金属化合物、金属複合材料、金属合金、金属セラミックスまたは有機金属）が含まれていても良い。好ましい金属含有の機能材料は、金属合金（例えば、青銅およびコバルト・クロムなどの低融点合金）、亜鉛、チタン、アルミニウム酸化物、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸ランタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、および鋼鉄（例えば、ステンレス鋼）である。
好ましくは、有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は金属含有である。金属含有の機能材料には、１つまたは複数の金属種（例えば、元素金属、金属化合物、金属複合材料、金属合金、金属セラミックスまたは有機金属）が含まれていても良い。好ましい金属含有の機能材料は、金属合金（例えば、青銅およびコバルト・クロムなどの低融点合金）、亜鉛、チタン、アルミニウム酸化物、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸ランタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、チタン酸バリウム、硫化カドミウム、および鋼鉄（例えば、ステンレス鋼）である。
有向エネルギー・ビームによって溶融可能な機能材料は、金属含有ではない機能材料であっても良い。金属含有ではない機能材料の具体例は、炭化ケイ素である。
好ましくは、機能材料は、複数の材料成分（例えば、粉末状の材料成分）を含む機能材料組成物であって、そのうちの少なくとも１つ（好ましくは複数、より好ましくはすべて）の成分は、機能材料成分（例えば、粉末状の機能材料成分）である。特に好ましくは、材料成分は、少なくとも１つの物理的または化学的特性が異なっている。より好ましくは、機能材料組成物は、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ照射）にさらしたときに、不均一な挙動を示す。例えば、少なくとも１つの材料成分は、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ照射）にさらしたときに、別の材料成分とは異なる挙動を示す。有向エネルギー・ビームにさらされたときに異なる挙動（例えば、レーザ損傷に対して異なる閾値）を示すことによって、本発明のプロセスのこの実施形態を用いることで、選択的な素性（例えば、均一な素性または不均一な素性）を伴う機能ボディを作製することが実現可能である。例えば第１の材料成分はポリマーであっても良く、第２の材料成分は金属であっても良い。この実施形態においては、高いレーザ・パワーによって第１の材料成分を蒸発させて金属（すなわち第２の材料成分）だけを後に残し、均一な機能ボディを形成しても良い。より低いレーザ・パワーにおいて、どちらの材料成分も蒸発させずに、不均一な（すなわち金属−プラスチックの）機能ボディを形成しても良い。これは、例えば電気絶縁性要素と電気伝導性要素とを機能ボディ内に作製する際に、優位であり得る。
好ましくは、機能材料は、複数の材料成分（例えば、粉末状の材料成分）を含む機能材料組成物であって、そのうちの少なくとも１つ（好ましくは複数、より好ましくはすべて）の成分は、機能材料成分（例えば、粉末状の機能材料成分）である。特に好ましくは、材料成分は、少なくとも１つの物理的または化学的特性が異なっている。より好ましくは、機能材料組成物は、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ照射）にさらしたときに、不均一な挙動を示す。例えば、少なくとも１つの材料成分は、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ照射）にさらしたときに、別の材料成分とは異なる挙動を示す。有向エネルギー・ビームにさらされたときに異なる挙動（例えば、レーザ損傷に対して異なる閾値）を示すことによって、本発明のプロセスのこの実施形態を用いることで、選択的な素性（例えば、均一な素性または不均一な素性）を伴う機能ボディを作製することが実現可能である。例えば第１の材料成分はポリマーであっても良く、第２の材料成分は金属であっても良い。この実施形態においては、高いレーザ・パワーによって第１の材料成分を蒸発させて金属（すなわち第２の材料成分）だけを後に残し、均一な機能ボディを形成しても良い。より低いレーザ・パワーにおいて、どちらの材料成分も蒸発させずに、不均一な（すなわち金属−プラスチックの）機能ボディを形成しても良い。これは、例えば電気絶縁性要素と電気伝導性要素とを機能ボディ内に作製する際に、優位であり得る。
好ましい実施形態においては、機能材料は、圧電材料（例えば、ポリマー圧電材料またはセラミック圧電材料）である。圧電材料は、鉛含有材料（例えば、チタン酸ジルコン酸鉛セラミックなどの鉛セラミック）、クォーツ、またはポリマー（例えば、ポリビニルハロゲン化物）であっても良い。具体例は、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコン酸ランタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはチタン酸バリウムである。好ましくは、以下の材料からなる群から選択される圧電材料である。ＰＶＤＦ（ｄ３３、約２３ｐｍ／Ｖ（ＩＥＥＥ 第５回マイクロ・マシンおよび人間科学に関する国際シンポジウム会報（名古屋、１９９４年１０月、７５頁）を参照）、ＰＺＴ（ｄ３３、約２５０〜３００ｐｍ／Ｖ）、およびＢａＴｉＯ３（ｄ３３、約１５０ｐｍ／Ｖ）。
好ましい実施形態においては、機能材料は形状記憶を示しても良い。例えば、機能材料は形状記憶合金であっても良い。形状記憶合金は、チタン・ニッケル合金（例えば、ニチノールなどの５０：５０のＴｉ：Ｎｉ合金）であっても良い。
好ましい実施形態においては、機能材料はオーセチックであっても良い。
好ましい実施形態においては、機能材料は触媒活性であっても良い。例えば、機能材料は、化学的に機能化されていても良いし、ドープされていても良い。
好ましい実施形態においては、機能材料は触媒活性であっても良い。例えば、機能材料は、化学的に機能化されていても良いし、ドープされていても良い。
本発明のプロセスでは、機能材料を基板上に配置することで、それらを近傍に配置するかまたは接触させても良い。例えば、機能材料を基板表面上に塗布しても（例えば、コーティングするか、あるいは伸ばしても）良い。
好ましくは、基板には界面材料が設けられる（例えばコーティングされる）。好ましくは、プロセスはさらに、機能材料を基板に配置させる前に、基板に界面材料を塗布することを含む。
界面材料は、機能ボディの付着を促進することができる点で有用である。界面材料は、基板に対する損傷を防止することができる点で有用である。界面材料は、熱伝達を促進することができる点で優位である。これは、機能ボディが熱管理可能であり、かつ、基板が電子基板である場合に利用されると特に有用である。
好ましくは、界面材料は金属含有材料である。例えば、界面材料は、金属含有膜（例えば金属膜）などの金属含有層であっても良い。金属含有界面材料には、１つまたは複数の金属種（例えば、元素金属、金属化合物、金属複合材料、金属合金、金属セラミックスまたは有機金属）が含まれていても良い。好ましくは、金属種は遷移金属種である。
好ましくは、金属含有界面材料は、基板および機能ボディに付着することができる。好ましくは、金属含有界面材料の耐熱性は低い。好ましくは、金属含有界面材料は、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ）の反射を最小にするために不活性化することができる。
好ましい金属含有界面材料は、元素または合金（例えば、遷移金属合金または元素）である。特に好ましい金属含有界面材料は、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｎｉおよびステンレス鋼である。他の金属含有界面材料も、機能材料の種類によっっては好適であり得る。金属含有界面材料の基板への塗布は、蒸着、プラズマ溶射、スピン・コーティング、コールド・ガス動的スプレー、または選択的レーザ溶融法によって行なっても良い。
選択的溶融のステップでは、基板および機能材料の構築物は静止していても良いし、あるいは動いていても良い（例えば回転運動）。選択的溶融のステップでは、有向エネルギー・ビームは静止していても良いし、あるいは動いていても良い。好ましくは、基板および機能材料の構築物を回転させて、有向エネルギー・ビーム（例えば、レーザ）源を半径方向に往復させる。この結果、らせん状の構成を伴う機能ボディが形成されるため優位である。らせん状の構成によって、異なる流体（例えば冷媒）を運ぶのに有用たり得る経路が規定される。
機能ボディには、流体用のチャンネル、ダクト、トラックまたはチャンバを作製しても良い。機能ボディは、ランダム、疑似ランダムまたは規則的な格子からなっていても良い。必要な格子を得るために、あるいはチャンネル、ダクト、トラックまたはチャンバを導入するために、本発明のプロセスをソフトウェア制御しても良い。
本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは一般に、実質的に無酸素の環境（例えばアルゴン環境）で行なわれる。
好ましくは、本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは、機能材料の化学的特徴が実質的に変わらないように行なわれる。
好ましくは、本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは、機能材料の化学的特徴が実質的に変わらないように行なわれる。
通常、本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは、従来のレーザを用いて行なわれる。例えば、レーザは赤外（例えば近赤外）レーザであっても良い。レーザは通常、波長可変レーザである。
通常、有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ）の波長は７００ｎｍ以上、好ましくは７００〜５０００ｎｍの範囲の波長、特に好ましくは９００〜１２００ｎｍの範囲の波長、より好ましくは１０００〜１１００ｎｍの範囲の波長である。選択的溶融のステップは、イッテルビウム・ファイバ・レーザ、電子ビームＮｄ：ＹＡＧレーザ、またはＣＯ２レーザを用いて行なっても良い。好ましいレーザの具体例は、１０６８〜１０９５ｎｍの範囲で動作可能なイッテルビウム・ファイバ・レーザである。
好ましくは、本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは、軸外で（すなわち、基板表面の法線に対してある角度をもって）行なわれる。この結果、有害な後方反射がオフセットされるため優位である。
好ましくは、機能材料の構築物を基板上に配置するステップは、機能材料の構築物を基板上に配置する複数の連続的なステップを含む。
好ましくは、有向エネルギー・ビームを用いて機能材料の構築物を選択的に溶融するステップは、有向エネルギー・ビームを用いて機能材料の構築物を選択的に溶融する複数の連続的なステップを含む。
好ましくは、有向エネルギー・ビームを用いて機能材料の構築物を選択的に溶融するステップは、有向エネルギー・ビームを用いて機能材料の構築物を選択的に溶融する複数の連続的なステップを含む。
好ましくは、機能材料の構築物を基板上に配置する連続的なステップと、有向エネルギー・ビームを用いて機能材料の構築物を選択的に溶融する連続的なステップとを交互に行なうことによって、機能ボディを徐々に形成する。
有向エネルギー・ビーム（例えばレーザ）源のパワー出力、電流、照射時間および焦点パラメータ（例えば、ビーム・スポット・サイズ）は、要求に従って（例えば、機能材料の化学的特徴が実質的に変わらないことを確実にするために）当業者が選択しても良い。
好ましくは、溶融した機能材料から複合機能ボディ／基板の機能ボディを形成するステップは、溶融した機能材料を冷却することを含む。これは、自然に行なわれても良いし、冷却手段にさらすことによって行なっても良い。溶融した機能材料から複合機能ボディ／基板の機能ボディを形成するステップによって、付着が生じても良い。
本発明のプロセスにおける選択的溶融のステップは、好都合なことに、ＭＣＰトーリング・テクノロジズ（MCP Tolling Technologies）（英国 ストーン）から販売されているＭＣＰリアライザにおいて、あるいはトライアンフ（Triumph）、ＥＯＳ、コンセプト・レーザ社（Concept Laser GmbH）、およびアルカン（Arcam）によって製造されているシステムにおいて行なわれても良い。本発明のプロセスを行なうための装置が、国際公開特許公報第２００４／０８３９８号に記載されている。
好ましくは、基板には機能性薄膜が設けられる（例えば、コーティングされる）。好ましい実施形態においては、プロセスはさらに、機能材料を基板に配置させる前に、基板に薄膜材料を塗布して機能性薄膜を生成することを含む。
薄膜材料は、機能材料に対して先に規定されるのと同じであっても良い。好ましい薄膜材料はポリビニルハロゲン化物、特に好ましくはＰＶＤＦである。
好ましくは、薄膜材料を基板に塗布するステップは、薄膜材料を基板上にコーティング（例えば、スピン・コーティング）することを含む。
好ましくは、薄膜材料を基板に塗布するステップは、薄膜材料を基板上にコーティング（例えば、スピン・コーティング）することを含む。
機能性薄膜は、アルミニウム・コンタクト・パッド（例えば、アルミニウム薄膜コンタクト・パッド）を用いてメタライズされても良い。アルミニウム・コンタクト・パッドは、アルミニウム・コンタクト・パッド層であっても良い。プロセスはさらに、アルミニウム・コンタクト・パッドをパターニングすることを含んでいても良い。パターニングは、湿式エッチングによって行なわれても良い。
プロセスはさらに、機能性薄膜をパターニングすることを含んでいても良い。パターニングは、乾式エッチング（例えば、乾式プラズマ・エッチング）によって行なわれても良い。こうする上で、先に記載した本発明の実施形態により適用されるアルミニウム・コンタクト・パッドは、有用なエッチング・マスクである。
機能性薄膜は、数μｍ（例えば、３〜５μｍ）の厚さであっても良い。
プロセスはさらに、炭素繊維または炭素複合材料を複合機能ボディ／基板に設けることを含んでいても良い。これは、接合または超音波固化によって行なわれても良い。
プロセスはさらに、炭素繊維または炭素複合材料を複合機能ボディ／基板に設けることを含んでいても良い。これは、接合または超音波固化によって行なわれても良い。
さらなる態様において、本発明は、複合ＰＶＤＦ薄膜／基板を作製するための方法を提供し、その方法は、ＰＶＤＦを基板に付着させて複合ＰＶＤＦ薄膜／基板の機能性ＰＶＤＦ薄膜を形成することを含む。
好ましくは、ＰＶＤＦを基板に付着させるステップは、ＰＶＤＦを基板上にコーティング（例えばスピン・コーティング）することを含む。
機能性ＰＶＤＦ薄膜は、数μｍ（例えば３〜５μｍ）の厚さであっても良い。
機能性ＰＶＤＦ薄膜は、数μｍ（例えば３〜５μｍ）の厚さであっても良い。
好ましくは、本方法はさらに、アルミニウム・コンタクト・パッド（例えば、アルミニウム薄膜コンタクト・パッド）を用いて、機能性ＰＶＤＦ薄膜をメタライズすることを含む。アルミニウム・コンタクト・パッドは、アルミニウム・コンタクト・パッド層であっても良い。本方法はさらに、アルミニウム・コンタクト・パッドをパターニングすることを含んでいても良い。パターニングは、湿式エッチングによって行なわれても良い。
本方法はさらに、機能性ＰＶＤＦ薄膜をパターニングすることを含んでいても良い。パターニングは、乾式エッチング（例えば、乾式プラズマ・エッチング）によって行なわれても良い。こうする上で、アルミニウム・コンタクト・パッドは、有用なエッチング・マスクである。
本発明の方法において、基板は、シリコンおよび／または二酸化ケイ素からなっていても良い。通常、基板はシリコンであるか、あるいはシリコンを含む。基板は、絶縁体層（例えば、二酸化ケイ素絶縁層）を含んでいても良い。例えば、本発明の方法においては、シリコン層に酸化（例えば熱酸化）を施して、二酸化ケイ素絶縁層を生成しても良い。基板はウェハであっても良い。
好ましくは、基板は、アルミニウム・コンタクト層（例えば、アルミニウム薄膜コンタクト層）を用いてメタライズされる。例えば、本発明の方法はさらに、アルミニウム・コンタクト層（例えば、アルミニウム薄膜コンタクト層）を用いて基板をメタライズすることを含んでいても良い。本方法はさらに、アルミニウム・コンタクト層をパターニングすることを含んでいても良い。パターニングは、湿式エッチ・プロセスによって行なわれても良い。この実施形態では、Ａｌコンタクト層とＡｌコンタクト・パッドの間に機能性ＰＶＤＦ薄膜が挟まれた複合ＰＶＤＦ薄膜／基板を作製することができるため優位である。
さらなる態様において、本発明は、先に規定されるようなプロセスによって得られる複合機能ボディ／基板を提供する。
複合機能ボディ／基板、機能ボディおよび基板は、先に規定されるのと同じであっても良い。
複合機能ボディ／基板、機能ボディおよび基板は、先に規定されるのと同じであっても良い。
さらなる態様において、本発明は、先に規定したような方法によって得られる複合ＰＶＤＦ薄膜／基板を提供する。
複合ＰＶＤＦ薄膜／基板、ＰＶＤＦ薄膜および基板は、先に規定されるのと同じであっても良い。
複合ＰＶＤＦ薄膜／基板、ＰＶＤＦ薄膜および基板は、先に規定されるのと同じであっても良い。
好ましい実施形態においては、ＰＶＤＦ薄膜は、アルミニウム・コンタクト層とアルミニウム・コンタクト・パッドの間に挟まれる。
以下、実施例および添付の図面を参照して、非限定的な意味において本発明を説明する。
以下、実施例および添付の図面を参照して、非限定的な意味において本発明を説明する。
ウェハ・パターニング
シリコン・ウェハ・プラットフォーム（図１ａを参照）を、従来のクリーン・ルーム・ステップを用いて処理した。Ｓｉ（１００）ウェハ（１）にＳｉＯ２絶縁層（２）を熱的に成長させた（１０００°Ｃで１０時間）ものをまずメタライズした。メタライズは、Ａｌ薄膜（５００ｎｍ）を真空下で蒸着してＡｌコンタクト層（３）を生成することによって行なった。スピン・コーティングしたポジ型フォトレジスト膜を、ウェハ内で２０秒間ＵＶ露光してパターニングした後、現像した。保護されたＡｌを、ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏが８：１：１の湿式エッチを用いて、ウェハ内部にまでパターニングした。
シリコン・ウェハ・プラットフォーム（図１ａを参照）を、従来のクリーン・ルーム・ステップを用いて処理した。Ｓｉ（１００）ウェハ（１）にＳｉＯ２絶縁層（２）を熱的に成長させた（１０００°Ｃで１０時間）ものをまずメタライズした。メタライズは、Ａｌ薄膜（５００ｎｍ）を真空下で蒸着してＡｌコンタクト層（３）を生成することによって行なった。スピン・コーティングしたポジ型フォトレジスト膜を、ウェハ内で２０秒間ＵＶ露光してパターニングした後、現像した。保護されたＡｌを、ＨＣｌ／Ｈ２Ｏ２／Ｈ２Ｏが８：１：１の湿式エッチを用いて、ウェハ内部にまでパターニングした。
選択的レーザ溶融法
図２は、ＭＣＰリアライザの概略図であり、粉末の連続層１０３を示している。粉末の連続層１０３は、堆積されて（第１の層は基板１０２上に堆積される）ワイパおよび粉体堆積メカニズム１００によって均一に拡げられている。こうするために、基板１０２を支持する支持テーブル１０４は、ワイパおよび粉体堆積メカニズム１００の動作と同期して降下する。１００Ｗのイッテルビウム・ファイバ・レーザ（波長１０６８〜１０９５ｎｍ）１０１は、コンピュータ生成された特定のパターンに従って、粉末の連続層１０３を溶融する。単一成分の粉末粒子１０６は、粉末の連続層１０３上にレーザ・ビームがデザインを描くにつれて、レーザ・ビームによって完全にまたは部分的に溶融される。構築物の厚みは、走査当たり２００μｍもの高い値とすることができる。その後、溶融材料は固化され、こうして得られる作製物１０５は十分に高密度である。
図２は、ＭＣＰリアライザの概略図であり、粉末の連続層１０３を示している。粉末の連続層１０３は、堆積されて（第１の層は基板１０２上に堆積される）ワイパおよび粉体堆積メカニズム１００によって均一に拡げられている。こうするために、基板１０２を支持する支持テーブル１０４は、ワイパおよび粉体堆積メカニズム１００の動作と同期して降下する。１００Ｗのイッテルビウム・ファイバ・レーザ（波長１０６８〜１０９５ｎｍ）１０１は、コンピュータ生成された特定のパターンに従って、粉末の連続層１０３を溶融する。単一成分の粉末粒子１０６は、粉末の連続層１０３上にレーザ・ビームがデザインを描くにつれて、レーザ・ビームによって完全にまたは部分的に溶融される。構築物の厚みは、走査当たり２００μｍもの高い値とすることができる。その後、溶融材料は固化され、こうして得られる作製物１０５は十分に高密度である。
可変フォーカス用の光学部品は、シル（Sill）３００ｍｍ焦点距離レンズである。このレンズにより、フォーカスされたビーム・スポット・サイズとして６０μｍ直径のものが８０ワット・パワーで生成される。粉末の連続層１０３はプロセス中に溶融を受けるため、ＳＬＭ処理される部分を酸化から保護することが必須である。このため、すべての粉末処理はアルゴン雰囲気（Ｏ２が０．２％未満）中で行なわれる。プロセスの制御は、専用の制御ソフトウェアのフスコ（Fusco）を用いて行なった。
実施例１
メタライズされたＳｉ（１００）ウェハ（１）上に、平均粒径が５０μｍの鋼鉄粉末を用いて、高アスペクト比の３ＤのＳＬＭ構築物を実現した。図４ａ〜図４ｃに、ＳＬＭ鋼鉄製ボディの光学顕微鏡写真を示す。図４ａでは、整列した鋼鉄製の柱状物（詳細には図面の挿入画を参照）が示されている。図４ｂおよび図４ｃは、より複雑なボディを示している。このような鋼鉄製ボディの作製時間はおよそ１０分間である。図５は、メタライズされたＳｉ基板（１）上のＳＬＭ鋼鉄製構築物を首尾良くするために必要なレーザ・パワー、照射時間およびレーザ光学焦点距離の間の相関関係を示す。
メタライズされたＳｉ（１００）ウェハ（１）上に、平均粒径が５０μｍの鋼鉄粉末を用いて、高アスペクト比の３ＤのＳＬＭ構築物を実現した。図４ａ〜図４ｃに、ＳＬＭ鋼鉄製ボディの光学顕微鏡写真を示す。図４ａでは、整列した鋼鉄製の柱状物（詳細には図面の挿入画を参照）が示されている。図４ｂおよび図４ｃは、より複雑なボディを示している。このような鋼鉄製ボディの作製時間はおよそ１０分間である。図５は、メタライズされたＳｉ基板（１）上のＳＬＭ鋼鉄製構築物を首尾良くするために必要なレーザ・パワー、照射時間およびレーザ光学焦点距離の間の相関関係を示す。
メタライズされたＳｉ（１００）ウェハ上のＳＬＭ構築物を首尾良くするためには、ＭＣＰリアライザにおいて“軸外で”その構築が行なわれる必要がある。すなわち構築物は、レーザ光学／基板表面の法線に対してある角度をもって構成される。これは、高反射性のＳｉ／Ａｌ表面に向かってパルスしているときにＭＣＰレーザ光学において起こる“後方反射”をオフセットするためである。
実施例２
本発明のプロセスの第２の実施形態においては、圧電性のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、圧電率ｄ３３〜２３ｐｍ／Ｖ（ＩＥＥＥ 第５回マイクロ・マシンおよび人間科学に関する国際シンポジウム会報（名古屋、１９９４年１０月、７５頁）を参照））を用いることを示している。こうするために、極小位置決め装置（図３）を作製した。極小位置決め装置は一般に、一対のアクチュエータ１０、静止レグ１１、および電気接地／バイアス・コンタクト１３／１４を備えている。一対のアクチュエータ１０は、本発明のプロセスの実施形態によって作製される圧電素子１６からなる。駆動時、偏向アーム１５の移動は、移動式顕微鏡を用いて設定され得る。
本発明のプロセスの第２の実施形態においては、圧電性のポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ、圧電率ｄ３３〜２３ｐｍ／Ｖ（ＩＥＥＥ 第５回マイクロ・マシンおよび人間科学に関する国際シンポジウム会報（名古屋、１９９４年１０月、７５頁）を参照））を用いることを示している。こうするために、極小位置決め装置（図３）を作製した。極小位置決め装置は一般に、一対のアクチュエータ１０、静止レグ１１、および電気接地／バイアス・コンタクト１３／１４を備えている。一対のアクチュエータ１０は、本発明のプロセスの実施形態によって作製される圧電素子１６からなる。駆動時、偏向アーム１５の移動は、移動式顕微鏡を用いて設定され得る。
レーザ溶融ステップの間にＰＶＤＦに何らかの化学変化が起きたか否かを判定するために、ＳＬＭ条件のある範囲においてラマン分光法による検査を行なった。図６に結果を示す。レーザ・パワーが増加するにつれて、スペクトル中のピークはグラファイトの存在を示し、最終的には、わずかな痕跡ＰＶＤＦピークも無い、グラファイトの特徴だけが存在するラマン・スペクトルになる（図６ｅ）。図６は、ＰＶＤＦのレーザ溶融にとっての最適なＳＬＭ条件（１０Ａのレーザ電流、デフォーカスされたレーザ・スポットに相当する）を強調している（図６ｂのラマン・スペクトルと未溶融のＰＶＤＦ粉末から得られるスペクトル（図６ａを参照）との間の類似性によって示されるように）。
活性なＰＶＤＦ層の厚みは、極小位置決め装置の圧電機能において重要な因子である。ＳＬＭ構築物プロセスにおいて実現することができる最も薄い活性領域は、ＰＶＤＦ粉粒体の直径（すなわち、この実験では１００μｍ）に依存する。
実施例３
本発明のさらなる実施形態においては、ウェハ・パターニングの間に、ＰＶＤＦ層を薄膜（４）の内部にまでパターニングした。これを実現するために必要な付加的なステップ（図１ｂ〜図１ｄを参照）には、ＰＶＤＦ粉末を最初にＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶媒へ溶解する（１５〜２０重量％のＰＶＤＦ）ことが含まれる。パターニングされたウェハ上にＰＶＤＦ溶液をスピン・コーティングし、（３〜５）μｍの厚みのＰＶＤＦ薄膜（４）を生成した。次に、第２のＡｌメタライゼーション／フォトレジスト・ステップ（前述した第１のメタライゼーションと同じ）をＰＶＤＦで覆われたウェハに施し、Ａｌコンタクト・パッド（５）を生成した。次に、エッチ・マスクとしてＡｌコンタクト・パッド（５）を使用した誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）Ｏ２異方性プラズマ乾式エッチ（６）によって、ＰＶＤＦ薄膜内にパターンを移動させた（図１ｄおよび図７を参照）。活性なＰＶＤＦ薄膜（４）は、Ａｌコンタクト層（３）とＡｌコンタクト・パッド（５）の間に挟まれている。鋼鉄製ボディは、前述した本発明の実施形態によりパターニングされたＡｌコンタクト・パッド（５）の上に作製されても良い。
本発明のさらなる実施形態においては、ウェハ・パターニングの間に、ＰＶＤＦ層を薄膜（４）の内部にまでパターニングした。これを実現するために必要な付加的なステップ（図１ｂ〜図１ｄを参照）には、ＰＶＤＦ粉末を最初にＮ，Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）溶媒へ溶解する（１５〜２０重量％のＰＶＤＦ）ことが含まれる。パターニングされたウェハ上にＰＶＤＦ溶液をスピン・コーティングし、（３〜５）μｍの厚みのＰＶＤＦ薄膜（４）を生成した。次に、第２のＡｌメタライゼーション／フォトレジスト・ステップ（前述した第１のメタライゼーションと同じ）をＰＶＤＦで覆われたウェハに施し、Ａｌコンタクト・パッド（５）を生成した。次に、エッチ・マスクとしてＡｌコンタクト・パッド（５）を使用した誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）Ｏ２異方性プラズマ乾式エッチ（６）によって、ＰＶＤＦ薄膜内にパターンを移動させた（図１ｄおよび図７を参照）。活性なＰＶＤＦ薄膜（４）は、Ａｌコンタクト層（３）とＡｌコンタクト・パッド（５）の間に挟まれている。鋼鉄製ボディは、前述した本発明の実施形態によりパターニングされたＡｌコンタクト・パッド（５）の上に作製されても良い。
Claims (5)
- ボディ／基板複合体を作製するための選択的レーザ溶融プロセスであって、
有向レーザ・ビームによって選択的に溶融可能な粒子状固体を基板上に配置するステップであって、このステップは複数回にわたって繰り返し行われることと、
有向レーザ・ビームを用いて前記粒子状固体を選択的に溶融するステップであって、このステップは複数回にわたって繰り返し行われ、前記粒子状固体を基板上に配置するステップは、有向レーザ・ビームを用いて前記粒子状固体を選択的に溶融するステップと交互に行われることと、
溶融した前記粒子状固体からボディ／基板複合体のボディを形成するステップと
を含むプロセスであって、前記粒子状固体はチタン・ニッケル合金であり、前記ボディが形状記憶性を示すことを特徴とするプロセス。 - 前記ボディ／基板複合体は１０００を超えるアスペクト比の三次元複合物である請求項１に記載のプロセス。
- 有向レーザ・ビームを用いて前記粒子状固体を選択的に溶融するステップの間、前記基板および前記粒子状固体が動いているか、あるいは有向レーザ・ビームが動いている請求項１または２に記載のプロセス。
- 前記粒子状固体を選択的に溶融するステップは、基板表面の法線に対してある角度をもって行なわれる請求項１〜３のいずれか一項に記載のプロセス。
- 溶融した前記粒子状固体からボディ／基板複合体のボディを形成するステップは、溶融した前記粒子状固体を冷却することを含む請求項１〜４のいずれか一項に記載のプロセス。
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