JP7279263B2 - レーザー支援材料相変化及び排出微細加工プロセス - Google Patents

Description

（関連出願の相互参照）
本出願は、２０１９年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／９３２，９１４号の関連出願であり、この仮出願の優先権を主張する。米国出願第６２／９３２，９１４号に記載された全ての記載内容を援用する。

（技術分野）
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に関し、特に、レーザー支援微細加工プロセスに関する。

微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）は、医療、家庭用電化製品、自動車、エネルギーなどの分野で幅広く応用されている。ところが、ＭＥＭＳ製造におけるリソグラフィベースの微細加工プロセスに限界があるため、新しいＭＥＭＳデバイスの発展が停滞している。第一に、これらのプロセスに必要とするフォトリソグラフィシステム、マスクアライナー、蒸着及びエッチングツールなど微細加工ツールが高価である。また、これらのプロセスのプロセス開発に時間が掛かる。リソグラフィベースの微細加工プロセスに関連する設備が高価であり、開発時間が長いため、ＭＥＭＳの研究開発に適せず、その生産量も少量である。

第２に、製造材料は主にシリコンや、酸化ケイ素及び窒化ケイ素などのシリコン系材料に限られている。製造材料の選択が制限られると、ＭＥＭＳの設計及び製造種類も制限される。例えば、磁気ＭＥＭＳは、静電アクチュエータ又は圧電アクチュエータに比べ、高強度、極性、長い作動距離などで明らかに優れるかもしれないが、磁性材料がリソグラフィベースのＭＥＭＳ製造プロセス［１］と親和性がないため、磁気ＭＥＭＳの製造が困難である。また、製造材料の選択が制限されているため、ＭＥＭＳデバイスの性能が低下する。例えば、ばね鋼は、ＭＥＭＳ用の高性能マイクロスプリングの製造には優れた選択肢であるが、リソグラフィベースのＭＥＭＳ製造プロセスと互換性がないため、通常シリコンを使用している。

最後に、ＭＥＭＳの設計と製造において、最も困難なこと［２］は、様々な材料と、対応する製造プロセスを統合することである。リソグラフィベースの製造プロセスでは、ＭＥＭＳは、モノリシック方式により材料層を一層ずつ堆積し、パターン化することで製造される。各材料層は、以前に堆積された材料と互換性を必須とする特有のプロセスにより堆積かつパターン化されなければならない。ところが、材料の非互換性、熱的制限（例えば、ポリマー部品をＬＰＣＶＤによるシリコンの堆積のような高温処理ステップにかけることができない）、及び中間構造の機械的安定性により、これらのプロセスの統合は、困難になっている。上述のように、従来のリソグラフィベースのＭＥＭＳ製造プロセスはコストが高く、しばしば製造材料の選択が制限され、様々な材料の統合が困難である。

レーザー微細加工は、従来の微細加工プロセスに代わる魅力的な方法ではあるが、ＭＥＭＳの製造において、穴あけ［１］、［２］、マイクロトレンチのフライス加工［３］、及びミリメートルスケール構造の製造［３］～［５］にしか使用できない。このように用途が限られるのは、レーザー微細加工プロセスの２つの制限によるものである。

まず、ＭＥＭＳを製造するには、小側面フィーチャサイズ（通常は１０μｍ以下）を持ち、高アスペクト比（通常は１０：１以上）の微細構造を作製することが求められる。それに対し、レーザー微細加工で、低アスペクト比と、大フィーチャサイズを持つ構造を作製する。従って、レーザー微細加工は、直径が４０～５０マイクロメートルオーダーである低アスペクト比の穴あけ又は表面のパターン化にしか適用しない。

次に、レーザー微細加工部品は、周りに数十ミクロンオーダーであるマイクロバリや破片が生じるため、ＭＥＭＳ製造には不向きである。ＭＥＭＳ微細構造の部品が繊細なため、これらのマイクロバリを除去することは困難である。ＭＥＭＳ構造は、脆弱であるため、その製造に超音波処理や物理的スクラブなどの方法は実用的ではない。ＭＥＭＳ部品は、サイズがバリのサイズと同じオーダーであるため、エッチングプロセスにより、ＭＥＭ構造がバリと共に溶解することがよくある。これらの理由から、レーザー微細加工プロセスは、主に、パターン化された表面、穴及びトレンチなど、物理的なスクラブ又は超音波処理によりバリを除去できる剛性部品の製造に使用されている。

レーザー微細加工プロセスは、高アスペクト比、且つ小側面フィーチャーを有する微細加工部品を製造できれば、非常に望ましいことである。また、電気バリ取りプロセスによりレーザー微細加工部品のバリを除去して、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）などの従来の微細加工プロセスによる部品と同等のクリーンなものを製造できることも望ましいことである。

本発明は、レーザー支援材料相変化及び排出（Ｌａｓｅｒ－Ａｓｓｉｓｔｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｐｈａｓｅ－ｃｈａｎｇｅ ａｎｄ Ｅｘｐｕｌｓｉｏｎ，ＬＡＭＰＥ）微細加工と称するレーザー微細加工プロセスに関する。更に、本発明は、ＭＥＭＳの製造に用いられるレーザー微細加工されたラミネートの多層組立（ＭＡＬＬ）と呼ばれる新たなＭＥＭＳ製造プロセスに関する。ＭＡＬＬプロセスにおいて、まず、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによって微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の各層を作製する。次に、作製された微細構造のラミネート層をスタックにより組み立て、接合することでＭＥＭＳを製造する。ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスは、材料の選択がより広く、統合がよりし易く、設計の自由度がより高いものとすることができる。また、低製造コスト、迅速な開発、及び統合されたパッケージングを可能とする。

本発明の目的は、レーザー支援材料相変化及び排出（ＬＡＭＰＥ）微細加工プロセスと呼ばれるレーザー微細加工プロセスにより、１０：１の高アスペクト比を持つサブ回折限界の側面フィーチャーの構造を作製することである。このような特徴は、これまでの従来のレーザー微細加工プロセスでは実現できなかった。

また、本発明の目的は、ＬＡＭＰＥ微細加工又はレーザー微細加工された金属部品からマイクロバリを除去するための電気バリ取りプロセスを提供することである。これらのマイクロバリが、レーザー微細加工の間の溶融金属の凝固により形成され、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造におけるこれら金属部品の適用を妨げるのである。開示したプロセス及び用途において、これらのバリを除去することで、従来の深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスにより製造された部品と同等な、ＭＥＭＳ製造に適するクリーンな部品を製造することができる。更に、開示した電気バリ取りプロセスを用いて、マイクロミリングプロセスにより製造された金属部品をバリ取りすることができる。それにより、バリ取りされた金属部品はＭＥＭＳの製造に使用できる。

更に、本発明の目的は、ＬＡＭＰＥプロセスをシリコン微細加工に用いることで、小側面フィーチャー及び高アスペクト比（１０：１）の構造を迅速に製造することである。このプロセスでは、レーザーを使用してシリコンを酸化させ（相変化を誘発させ）、部分的に気化したシリコンにより生じた圧力によって、新しく形成された粒状の酸化シリコンを除去する。
更に、本発明の目的は、シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工またはレーザー微細加工中に形成されたマイクロバリを除去するための電気バリ取りプロセスを提供することである。これらのバリは、微細加工プロセス中に形成されたシリコンと酸化シリコンの凝固によって形成され、ＭＥＭＳの製造におけるこれらの部品の適用を妨げている。開示したプロセスによって、これらのバリを除去することで、ＭＥＭＳ製造に適したクリーンな部品を製造する。

更に、本発明の目的は、ＬＡＭＰＥプロセスをダイヤモンドの微細加工に用いて、回折限界側面フィーチャー及び超高アスペクト比の構造を製造することである。よって、このプロセスは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）用のダイヤモンド部品を製造することができる。

更に、本発明の目的は、ＭＥＭＳを製造するための、レーザー微細加工ラミネートの多層組立（ＭＡＬＬ）と呼ばれる新たなＭＥＭＳ製造プロセスを提供することにある。このプロセスにおいて、まず、ＬＡＭＰＥ微細加工によりＭＥＭＳの各層を作製する。次に、電気バリ取りプロセスにより、ＬＡＭＰＥ微細加工部品からマイクロバリを除去する。続いて、各層をスタックにより組み立て、接合してＭＥＭＳを製造する。ＭＥＭＳにおける独立型の微細構造を製造する場合は、四つ目のステップに犠牲層を溶解することがよく用いられる。小フィ－チャーと高アスペクト比を求めないＭＥＭＳの場合、ＭＥＭＳ層は従来のレーザー微細加工プロセスと電気バリ取りプロセスとにより製造できる。

更に、本発明の目的は、ＭＡＬＬを用いたロール・ツー・ロールＭＥＭＳ製造プロセスにより、ＭＥＭＳの量産を図ることである。このプロセスでは、ＭＥＭＳの各層がレーザー微細加工により同時に作製される。ローラーセットを使用して、これらの層をまとめて接合することでＭＥＭＳを形成する。

更に、本発明の目的は、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセス用のツールパスを生成するためのポストプロセッサを提供することである。このポストプロセッサは、ＬＡＭＰＥの微細加工を保証するために、所望のプロセス変数とその設定値を含むツールパスプログラムを生成する。

更に、本発明の目的は、ＬＡＭＰＥ微細加工用の極薄金属箔（厚さ１０マイクロメートル未満）の製造プロセス、及びそのＭＥＭＳ製造への応用にある。このプロセスでは、水溶性膜は、金属が電着された基板膜として使用される。金属基板膜にレーザー微細加工とラミネート加工を施し、水溶性膜を除去することでＭＥＭＳを製造する。

最後に、本発明の目的は、ＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板上のＭＥＭＳの製造にＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを用いることである。このプロセスでは、まず、ＬＡＭＰＥ微細加工によりＳＯＩウェーハのデバイス層をパターン化する。次に、埋込酸化層をフッ化水素酸（ＨＦ）エッチングにより熔解して独立型のＭＥＭＳ構造を作製する。

以下、本発明の特徴を示す図を説明する。
ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによる高アスペクト比構造の製造を示す概略図である。 シートの溶融領域を強調した画像である。溶融した材料は下へ排出される。 図２Ａ～図２Ｂは、ＰＬＡ微細加工とＬＡＭＰＥ微細加工により作製された側面フィーチャサイズ（ＦＳ）の比較図である。これらの部品は、電気バリ取りプロセスによりバリが除去されたものである。図２Ａは、パルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）微細加工による側面フィーチャーを示す。 ＬＡＭＰＥ微細加工による側面フィーチャサイズを示している。 ＬＡＭＰＥ微細加工により加工された穴を示しており、達成可能な最小フィーチャサイズを示している。穴の直径は５μｍである。 図４Ａ～図４Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工された穴の電気バリ取りを示しており、図４Ａは電気バリ取り前を示す。 電気バリ取り後を示している。 図５Ａ～図５Ｆは、パルスレーザー加工により、異なるピッチにおいて確認された材料の溶融及び除去を示している。図５Ａでは、ピッチ＝２０μｍである。 ピッチ＝２０μｍである。 ピッチ＝１０μｍである。 ピッチ＝１０μｍである。 ピッチ＝５μｍである。 ピッチ＝５μｍである。 図６Ａ～図６Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工による高アスペクト比の微細加工を示しており、図６Ａは、ＬＡＭＰＥ微細加工によって、厚さ１００μｍの銅シート上に加工された幅１０μｍのマイクロスリットを示す。 該マイクロスリットの寸法を示す拡大画像である。 ＬＡＭＰＥ微細加工された銅シートの裏側を示すＳＥＭ画像であり、再凝固した溶融物の排出を示している。 従来技術におけるリン酸中の銅の分極曲線を示すグラフであり、電気バリ取り プロセスに使用される分極曲線の領域を示している。 図９Ａ～図９Ｂは、ＬＡＭＰＥマイクロ機械加工部品のマイクロバリを除去するための電気バリ取りを示しており、図９Ａは、電気バリ取り前を示す。 電気バリ取り後を示している。 図１０Ａ～図１０Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工された高アスペクト比のインターデジタルフィンガーを示しており、図１０Ａは、インターデジタルフィンガーの低倍率画像である。 アスペクト比１０：１であるフィンガーの拡大画像であり、側面フィーチャサイズは１０μｍである。 図１１Ａ～図１１Ｂは、パルス幅２０ｎｓのパルスレーザーを使用した場合のシリコンのパルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）を示している。図１１Ａはパルス幅５．６μＪによるアブレーションプロファイルを示しており、穴の直径は９．５１μｍで、深さは３．２９μｍである。 パルス幅５６μＪによるアブレーションプロファイルを示し、穴の直径は１８．６μｍで、深さは６．８μｍである。 シリコンのレーザー支援酸化を示す断面画像である。図１２に示すように、レーザー支援酸化によって、光の有効侵入深さが大幅に増加されることが分かる。 光学顕微鏡により確認された酸化シリコンの画像である。挿入図に示されているエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）の画像には、酸化ケイ素が存在することを更に確認している。拡大ボックスの明るい色の領域は酸化ケイ素であり、残りはシリコンである。 図１４Ａ～図１４Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工されたシリコンの高アスペクト比の微細構造の一例を示す図である。図１４Ａは、加工されたインターデジタルフィンガー構造の低倍率画像である。 フィンガー間の距離を示す高倍率画像である。 多層組立を示す概略図である。 多層組立を示す概略図である。 多層組立を示す概略図である。 櫛形駆動アクチュエータを示す概略図であり、設計パラメータを示している。 櫛形駆動アクチュエータを示す概略図であり、設計パラメータを示している。 図１８Ａ～図１８Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工により作製された銅の櫛形駆動デバイス層を示す図である。図１８Ａは、ＬＡＭＰＥ微細加工部品にあるマイクロバリを示す光学顕微鏡画像である。 フィンガー間にあるマイクロバリを示す拡大画像である。これらのバリにより、２組のフィンガー間で短絡が発生する。 図１９Ａ～図１９Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工により加工された櫛形駆動構造の、フィンガー間のマイクロバリを除去するための電気バリ取りを示す図である。図１９Ａは、電気バリ取り前を示している。 電気バリ取り後、綺麗な櫛形駆動フィンガーを示している。 ＬＡＭＰＥ微細加工により作製された複数の櫛形駆動アクチュエータ層を示す図である。デバイスに使用される銅層と、基板層に使用される酸化アルミニウム層とが示されている。 複数の櫛形駆動アクチュエータ層を積層して接合したものを示す図である。 レーザー切断により、積層された複数の層から切り出されたデバイスを示す図である。 製造された櫛形駆動アクチュエータを示すＳＥＭ画像である。 図２３Ａ～２３Ｂは、製造された櫛形駆動アクチュエータの特徴を示す図である。図２３Ａでは、静電櫛形フィンガー間の距離が１０μｍである。 マイクロビームの幅が２０μｍである。 図２４Ａ～図２４Ｂは、レーザー微細加工により加工されたシリコンの２．５Ｄ構造を示す図である。図２４Ａは、レーザー微細加工によりパターン化された窒化ケイ素マスク層を示す。 ＫＯＨ異方性エッチングにより加工された２．５Ｄ構造を示している。 図２５Ａ～図２５Ｂは、マイクロミリングの後に電気バリ取りにより加工された２．５Ｄ構造を示す図である。図２５Ａは、電気バリ取り後、マイクロミリングにより加工された正方形の窪みを示す図である。この方法は、フィーチャサイズを１００μｍに加工することができる。 マイクロミリング加工による高度な制御により、深さがそれぞれ、５μｍ、１０μｍ及び１５μｍに加工された窪みを示す図である。 剛性フレームが用いられた極薄金属箔のレーザー微細加工及び操作を示す図である。まず、剛性フレームに窓を微細加工する。次に、該剛性フレームに厚さ１０μｍの金属箔をラミネートする。最後に、レーザー微細加工によって微細構造を製造する。 独立構造と、厚さ１２．５μｍの接着層を有る基板との間のギャップ１２．５μｍを示す図である。 ビームスポット径がＩ０＝２１．２ＭＷ／ｃｍ２である集束レーザービームの強度プロファイルを示すグラフである。 ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスを示すフローチャートである。 一つのＭＥＭＳ層の加工工程を示すフローチャートである。 層の材料に応じてＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを決定するためのフローチャートである。 ＬＡＭＰＥ微細加工による金属層の加工を示すフローチャートである。 ＬＡＭＰＥが用いられるシリコンの微細加工のフローチャートである。 アライメントピンを使用した個別の薄層シートのマイクロアセンブリを示す図である。 アライメント穴内に差し込まれたアライメントピンを示す図である。 アライメントピンとアライメント穴の間のクリアランスを示す図である。 アライメント精度が２μｍまで達し、整列されたアライメントマークを示すＳＥＭ画像である。挿入図は、アライメントマークの黒背景の光学画像である。 電気バリ取りプロセスを示すフローチャートである。 図面は本発明を理解しやすくするためのものであって、図示された各要素は本発明の範囲を限定するものではない。

１ レーザー支援材料相変化及び排出（ＬＡＭＰＥ）微細加工
１．１ はじめに
金属は、幅広い機械的及び電気的特性を有するため、ＭＥＭＳ製造に最適である。また、これらの特性は合金化プロセスによって調整することができる。金属を使用してＭＥＭＳを製造することは、ＭＥＭＳ設計の新しいパラダイムを強化する。更に、ＭＥＭＳ製造に使用される金属箔は低コストであり、ロール成形加工［６１］により加工し易い。しかし、既存のウェットエッチング及びドライエッチングは等方性であるため、ＭＥＭＳ製造に求められる高アスペクト比の微細構造の製造に不向きである。

マクロスケールでは、よくレーザーを利用して金属板を切断する。このプロセスでは、レーザーによって金属を溶融し、溶融した材料を高圧エアジェットによって除去する。しかし、レーザー微細加工構造が繊細な性質を有するため、マイクロスケールでは高圧ジェットを使用できない。このため、レーザー微細加工では、気化によって材料を除去するが、気化プロセスによる微細加工部品のアスペクト比が低い。

気化を用いたパルスレーザーアブレーション微細加工によるアスペクト比が低い理由は、次の通りである。第一に、アブレーションプロセスにおいて、気化した材料により、アブレーションされた領域の上に、レーザー光を吸収するプラズマが生成されるため、アブレーションに利用できるエネルギーが減らされる。アブレーションによる穴が深くなるにつれ、プラズマによるレーザー吸収が顕著になり、ターゲットの材料を処理するためのレーザーエネルギーが不足になる。これにより、ＰＬＡレーザー微細加工プロセスによる微細加工可能な最大深度が制限される。

また、アスペクト比は光の材料への侵入深さによって異なる。金属の場合、吸収係数μ＞１０⁵ｃｍ^-1［５５］であり、光の侵入深さ１／αは数ナノメートルのオーダーである。従って、一般的なレーザーは、表面熱源として、エネルギーが極薄層の表面に限定される。金属の表面が加熱されると、等方性の熱伝導により、全ての方向に等しい温度勾配が生じるため、アブレーションプロファイルのアスペクト比が約１：１になる。一方、ガウス強度の特殊なレーザーの場合、ガウス分布により、ガウシアンビームの中心での強度が高いため、アブレーションプロファイルの深さが幅よりも大きくなる。

最後に、材料は気化でアブレーションされた領域周りの大きな溶解プールとなる。この溶解した材料は、高圧漏出蒸気によって移動されることにより、アブレーション領域の幅が増加する。

１．２ ＬＡＭＰＥ微細加工
本発明は、材料の光の侵入深さ及び熱拡散長を著しく超える高アスペクト比構造を製造するためのレーザー微細加工材料シートの新たな加工方法に関する。該方法は、レーザー支援材料相変化及び排出（ＬＡＭＰＥ）プロセスを使用して、小側面フィーチャーを維持しながら、高アスペクト比を実現する。該方法において、まず、低出力レーザーを使用して、材料の相変化を誘発させる。次に、材料の部分的な気化によってレーザーと材料の界面で形成される蒸気泡により生じた圧力を利用して、相変化した材料を排出する。

排出された液体金属は、ＬＡＭＰＥ微細加工部品の端部で再び凝固する。そして、本開示の電気バリ取りプロセスを使用して、再凝固した液体金属バリを除去することができる。このプロセスにおいて、端部における鋭利なバリに対し高密度電流を流すことで、ＬＡＭＰＥの微細加工部品の寸法に大きな影響を与えることなく、バリを選択的に電気化学エッチングする。なお、小側面フィーチャーで高アスペクト比の構造を求めないＭＥＭＳの場合、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造に、従来のパルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）微細加工と電気バリ取りプロセスが使用できる。１．５．１節では、電気バリ取りプロセスについて説明する。ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより、側面フィーチャサイズが回折限界のスポットサイズよりも小さく、レーザービーム光の侵入深さを大幅に超える超深層構造を製造することができる。

レーザー支援の材料相変化及び排出プロセスでは、レーザー出力の設定に注意を払わなければならない。レーザー出力がこのレベルより低いと、材料が部分的に気化せず、除去が発生しない。一方、レーザー出力がこのレベルを超えると、材料が完全気化し、大きな溶融プールが生じて、フィーチャサイズが大きくなる。

ＬＡＭＰＥ微細加工は、金属、シリコン、ダイヤモンドなど幅広い材料の加工に使用可能である。金属シートのＬＡＭＰＥ微細加工において、まず、レーザービームで材料を溶融させる（即ち、相変化を誘発させる）。次に、液相金属をシートの裏面から排出する。その結果、フィーチャサイズが、回折限界のスポットサイズと同じくらい小さく、集束ビームのレイリー長と同じくらい深い部品を製造できる。気化による材料の除去を用いた従来のレーザー微細加工では、このような小フィーチャサイズと高アスペクト比を実現できない。

同様に、シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工において、低出力パルスレーザーを使用してシリコンを酸化させる（即ち、相変化を誘発させる）。レーザー光（吸収係数が低いため）は、新たに形成された酸化ケイ素を透過することで、更に下のシリコンを酸化させる。これにより、光のシリコンへの侵入深さを大幅に超える酸化が可能である。形成された粒状の酸化ケイ素は、材料の部分的な気化によりレーザーと材料との界面で形成された蒸気泡により生じた圧力を利用して、ウェーハの裏面から排出される。

同様に、ダイヤモンドのＬＡＭＰＥ微細加工において、まず、レーザーを使用してダイヤモンドをグラファイトに変換させる（即ち、相変化を誘発させる）。次に、新たに形成されたグラファイトを、二酸化炭素に酸化させることで除去する。ダイヤモンドにＬＡＭＰＥ微細加工を使用することにより、アスペクト比が非常に高いダイヤモンドの加工が実現される。

ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを使用して、側面フィーチャーが１μｍ、アスペクト比が２０：１であるバリのない部品を製造できる。これらのフィーチャーは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）などの従来のリソグラフィベース微細加工プロセスにより加工されたフィーチャーと同等である。ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより、側面フィーチャサイズがビームの回折限界のスポットサイズよりも小さく、アスペクト比が、レイリー長が光の材料への侵入深さを大幅に超えるほど大きい。

ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスは、レーザーブレーション微細加工に比べ、下記の点で優れている。まず、ＬＡＭＰＥ微細加工に必要なレーザー出力は、気化を用いたレーザー微細加工に必要なレーザー出力より大幅に低い。これは、融解エンタルピーが気化エンタルピーより小さいからである。また、図１Ａ～図１Ｂに示されるように、蒸気プラズマがないため、レーザーの吸収がなく、全てのレーザー出力が材料処理に利用できる。第２に、材料の溶融中における熱的及び機械的衝撃は、気化中よりも少ない。その結果、ＬＡＭＰＥ微細加工における熱影響部（ＨＡＺ）は、気化を起因するＨＡＺよりも小さい。

１．３ ＰＬＡ微細加工とＬＡＭＰＥ微細加工との違い
従来のパルスレーザーアブレーション（Ｐｕｌｓｅｄ Ｌａｓｅｒ Ａｂｌａｔｉｏｎ，ＰＬＡ）を用いるレーザー微細加工とＬＡＭＰＥ微細加工プロセスとの違いは次の通りである。

１．従来のパルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）微細加工では、気化によって材料を除去するため、ターゲットの加工後の質量が減少する。それに対し、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスでは、金属が溶融し、レーザーと材料の界面で形成された蒸気泡により生じた圧力を使用して、シートの裏面から液体金属を排出する。排出された液体金属は、微細加工された部品の端部で再凝固する。従って、ターゲットの質量が変化しない。ＬＡＭＰＥ微細加工では、電気バリ取りプロセスを使用して材料を除去する。

２．ＰＬＡ微細加工に必要なレーザーフルエンスは、気化エンタルピーが融解エンタルピーより高いため、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスより高い。ＬＡＭＰＥ微細加工は、低レーザーフルエンスでよいため、レーザー光源のコストが大幅に抑えられる。

３．従来のＰＬＡレーザー微細加工プロセスを用いて、重なり合うパルス照射スポット［６２］［６３］をラスタ走査によって２．５Ｄ構造を製造することができる。それに対し、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスは、微細加工材料シートに限定されている。

４．ＰＬＡ微細加工では、アブレーション領域の周りに大きな溶融プールが形成されるため、側面フィーチャーが回折限界のスポットサイズよりも大きい。それに対し、３．４節で説明されるように、ＬＡＭＰＥ微細加工により、側面フィーチャーが回折限界のスポットサイズと同じくらい小さい部品を加工できる。図２は、ＰＬＡ微細加工プロセス及びＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによる側面フィーチャサイズを示している。図から分かるように、ＰＬＡ微細加工により加工された最小フィーチャサイズは２８μｍであり、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより加工された最小フィーチャサイズは８μｍである。

５．従来のレーザー微細加工では、気化した材料によりアブレーション領域の上にプラズマが生成される。このプラズマはレーザービームを吸収するため、気化に用いられるエネルギーが減少し、微細加工の達成可能な深さが制限される。一方、ＬＡＭＰＥ微細加工では蒸気プラズマが形成されず、アスペクト比はレーザービームのレイリー長のみに影響される。

１．４ ＬＡＭＰＥ微細加工の側面フィーチャサイズ
達成可能な最小フィーチャサイズは、集束ビームスポットサイズとレーザーパルス持続時間によって異なる。従来のパルスアブレーションプロセスでは、気化によって材料を除去すると、材料の格子において大きな溶融プール、プラズマプルーム、及び熱衝撃が発生する。その結果、最小フィーチャサイズは理論限界［６４］［６５］［６６］［６２］を大幅に超える。しかし、レーザー支援材料相変化及び排出（ＬＡＭＰＥ）微細加工を使用すると、理論限界と同様のフィーチャサイズを実現できる。また、ＬＡＭＰＥ微細加工を使用すると、従来以上の高アスペクト比を実現できる。

図３は、ビームスポットサイズが１０マイクロメートルのレーザーを使用した場合、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによって加工できる最小フィーチャサイズ５μｍを示している。これは、ターゲットである銅に対し、波長５３２ｎｍ、パルス幅２０ｎｓの単一パルスレーザーを照射して加工される。パルスエネルギーは５．６μＪである。これは、外部減衰器を使用して、元のパルスエネルギー５６１μＪの１％まで減らすことによって設定される。ターゲットである銅の反射率μ＝０．４７である。従って、材料処理に用いられる有効エネルギーは３．２μＪである。レーザービームは、開口数ＮＡ＝０．６５の顕微鏡対物レンズを使用して集束させる。集束ビームスポット径が１μｍであり、ガウス分布の中心での最大強度がＩ₀＝７１．５ＧＷ／ｃｍ²となる。表１は、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスに使用されるレーザー条件を示している。

ＬＡＭＰＥ微細加工では、レーザーを使用して材料を溶融し、排出することにより、パルスアブレーションプロセスに存在する気化の不足を解消したため、フィーチャサイズを小さくすることができる。排出された液体金属は、穴の縁で再凝固し、本発明で開発された電気バリ取りプロセスを使用して除去できる（１．５．１節）。図３～図４は、再凝固した金属を除去する前後のＬＡＭＰＥにより加工された穴を示している。

なお、材料は大部分が溶融する（ほんの一部が気化する）。この仮説は、ピッチ距離を変化させて一連のドットアレイ加工を実行することにより、実験検証できる。図５Ａ～図５Ｆは、ピッチ距離がそれぞれ、２０μｍ、１０μｍ、５μｍである場合の微細加工されたドットアレイを示している。図５Ａでは、加工されたドットがかけ離れており、溶融した金属が上向きに押し出されて、穴が加工される。ドットパターンが重なると、気化による材料の除去を用いるパルスレーザーアブレーションプロセスにより、凹みが発生し、又は２．５Ｄに微細加工［６３］される。一方、図５Ｃに示すように、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによりスラグが再凝固する。このスラグは、ドットが重なるときに、溶融した材料の僅かな移動及び再凝固によって形成される。これらの発見から、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスでは気化が最小限であり、微細加工プロセスが液体金属の排出により影響されることが確認できる。

１．５ ＬＡＭＰＥ微細加工による高アスペクト比
前節では、短パルスレーザーは、材料の溶融、部分的気化、及び排出に用いられている。レーザー支援溶融及び排出を実現するために必要なパルス持続時間及びパルスエネルギー閾値ＥＬＡＭＰＥは、分析モデル及びプロセス開発を用いて、実験により推定することができる。

図１Ａから図１Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより加工された高アスペクト比（ＨＡＲ）構造を示す概略図である。高アスペクト比は、パルスレーザーを使用してラミネート層（図１Ｂに示す）の垂直面を徐々に溶かし、それを下向きに排出することによって得られる。レーザーパルスエネルギーは、溶融及び排出を確保し、気化を発生させないよう、ＥＬＡＭＰＥに設定されている。ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスによる金属シートの高アスペクト比（ＨＡＲ）加工は、マクロスケールで使用される厚い金属シートのレーザー切断加工に似ている。マクロスケールでの金属のレーザー切断加工では、レーザーにより金属を溶解させ（気化させず）、溶解した材料を高圧エアジェットによって排出する。一方、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスでは、材料の部分的な気化により、レーザーと金属の界面で形成された蒸気泡により生じた圧力によって金属を排出する。図７に示すように、排出された材料はシートの裏面で再凝固する。

図６Ａ～図６Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工により、厚さ１００μｍの銅シート上に製造された幅１０μｍのマイクロスライトを示している。高アスペクト比（ＨＡＲ）構造は、パルスエネルギー５６μＪのパルスレーザーを使用して製造される。パルスエネルギー５６μＪは、外部減衰器を使用して元のパルスエネルギー５６１μＪの１０％まで低減させることによって設定された値である。ターゲットである銅は反射率μ＝０．４７である。従って、材料処理に用いられる有効エネルギーは３２μＪである。レーザービームは焦点距離１００ｍｍのレンズを使用して集束され、集束ビームのスポット径が１２．９８μｍである。表２は、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスに使用されるレーザー条件示している。

ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスでは、排出された金属が微細加工部品の端部にて再凝固することにより、マイクロバリが生成される。図７は、ＬＡＭＰＥ微細加工により加工された銅シートの裏側のＳＥＭ画像であり、マイクロバリを示している。これらのマイクロバリは、レーザー微細加工部品がＭＥＭＳ製造に用いられるよう、除去する必要がある。次の節では、これらのマイクロバリを除去するために開発された電気バリ取りプロセスについて説明する。

１．５．１ ＬＡＭＰＥ微細加工された金属層の電気バリ取り
ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより、小側面フィーチャー及び高アスペクト比が得られる。しかし、微細加工された部品には再凝固によるマイクロバリが生じるため、ＭＥＭＳ製造が次の２点で困難になっている。まず、一般的なＭＥＭＳにおいて、微細構造部品間の距離が非常に近く（通常、５μｍ～１０μｍ）、異なる電位に保持されることがよくある。例えば、静電櫛形駆動アクチュエータでは、静電力を高めるために近接させた櫛形フィンガー間にバイアス電圧が印加される。突き出たバリは、これらのフィンガー間に電気的接触を引き起こす可能性がある。第２に、鋭利な金属突起により生成された電界放出電子によって、空気の絶縁破壊を引き起こし、それによってＭＥＭＳに損傷を与える恐れがある［６９］。

ＭＥＭＳ微細構造におけるバリの除去が困難である理由は２つある。第一に、ＭＥＭＳ構造は、サイズが小さく繊細な性質を有するため、物理的スクラブや研磨ジェットなどマクロスケールにおけるバリ取りプロセスが利用できない。第２に、マクロスケールでは、エッチングプロセスは部品の寸法に大きな影響を与えることなくバリをエッチングすることができる。しかし、ＭＥＭＳ部品において、バリと部品のフィーチャーが同じオーダーであるため、これらの方法を使用すると部品が大幅にエッチングされる。

ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにおいて生じたバリには、２つの興味深い特徴がある。バリは、第一に鋭利な特徴を有し、表面積が大きいことと、第２に微細加工された部品の端部にあることである。バリのこれらの特性を利用して、バリを選択的に除去するための電気バリ取りと呼ばれる新たなプロセスを開発する。電気バリ取りプロセスは、ＬＡＭＰＥまたはレーザー微細加工部品としてのアノードとカソードを備えた電気化学セルで構成されている。電圧が印加されると、アノードからカソードへのイオンの移動により、セルに電流が流れる。これら２つの理由、則ちバリの鋭利な特徴と、バリが電流密度の高い端部にあることにより、バリの近くで電流密が度高くなる。その結果、バリにおける電界及び利用可能な質量輸送速度が高いため、エッチング速度が速くなる。セル電圧が電解研磨電圧を超えると、バリにおけるエッチング速度も大幅に上がる。一方、他のエリアにおけるエッチング速度は、飽和しているため、一定に保っている。この現象を利用して、微細加工部品の寸法に大きな影響を与えることなく、バリを選択的にエッチングすることができる。

図９Ａ～図９Ｂは、５Ｖで、１４Ｍリン酸中で銅の電気バリ取りを３０秒間行った様子を示している。表面酸化を防ぐため、電気バリ取りの後に金の電気めっきを行ってもよい。図３～図１１は、ＬＡＭＰＥ微細加工を使用して製造された高アスペクト比のインターデジタルフィンガーを示している。このような小フィーチャーと高アスペクト比は、これまでは深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりしか得られなかった。なお、小側面フィーチャーと高アスペクト比を求めないＭＥＭＳの場合、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳの製造には、電気バリ取りプロセスと、従来のパルスレーザーアブレーション（ＰＬＡ）微細加工が利用できる。

１．６ シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工
シリコンは、ＭＥＭＳを製造するための機械的材料として広く使用されている［７１］。従来、シリコンは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）によりＭＥＭＳの製造に使用されていた［７２］。しかし、ＤＲＩＥツール及びエッチングガスは高価である。その代わりに、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスは、高アスペクト比（ＨＡＲ）の微細構造のシリコンラミネートの製造に魅力的である。図１１Ａ～図１１Ｂは、シリコンのパルスレーザーアブレーションを示している。また、ＭＡＬＬプロセスを利用して、これらのＬＡＭＰＥ微細加工されたシリコンラミネートでＭＥＭＳを製造できる。

ＬＡＭＰＥプロセスにおいて、まず、レーザーによりシリコンを酸化ケイ素に変換させる（即ち、相変化を誘発させる）。次に、シリコンの部分的な気化によりレーザーシリコン界面に形成された蒸気泡から生成された圧力を利用して、粒状の酸化ケイ素をウェーハの裏面から排出する。

シリコンは、酸素環境で低出力レーザーを照射されると、アブレーションを引き起こすことなく酸化シリコンに変換される。ＳｉＯ₂の吸収係数はα＜１ｃｍ^-1［５５］である。従って、光の侵入深さはｌα＞１ｃｍである。酸化ケイ素の吸収係数が低いため、レーザーエネルギーの大部分は新たに形成された酸化ケイ素を透過し、更に下のケイ素を酸化させる。このように、高アスペクト比の構造を、光のシリコンへの侵入深さ以上に酸化させることができる。図１２は、レーザー支援シリコンの酸化を示している。図から分かるように、酸化長は光の侵入深さを大幅に超えている。シリコンの酸化は、光学顕微鏡を用いて、図１３に示すようにエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＳ）画像から確認できる。

シリコンの酸化は、ウェーハの底部まで進行し続ける。酸化されたシリコンは粒状であり、シリコンウェーハに緩く接合している。その結果、シリコンの部分的な気化により生じた小さな反跳圧力により、ウェーハの底部から粒状の酸化シリコンを排出できるため、微細加工を実現している。

達成可能な最大アスペクト比は、２つの理由によって制限される。まず、粒状である酸化シリコンは、有効吸収係数が光散乱によるバルクの酸化シリコンより大きい。第２に、酸化ケイ素は、酸化がウェーハの底部に達するまでしか排出されない。そのため、厚いウェーハの場合、ウェーハの裏面に到達する前に酸化が減衰し停止する恐れがあるため、微細加工を実現できない。ＬＡＭＰＥ微細加工によるアスペクト比は、ＨＦ蒸気で微細加工を行うことで更に向上させることができる。ＨＦ蒸気は、ガス状のＳｉＦ₄を形成することにより、酸化ケイ素の選択的除去を促進することができる。

図１４Ａ～図１４Ｂは、ＬＡＭＰＥ微細加工によるシリコンの高アスペクト比の微細構造の例を示している。図１４Ａは、加工されたインタディジットフィンガー構造の低倍率画像であり、図１４Ｂは、フィンガー間の距離を示す高倍率画像である。

２ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造
レーザー微細加工ラミネート（ＭＡＬＬ）の多層組立を使用してＭＥＭＳを製造するための新たな方法が開示される。図１５Ａ～図１５Ｂは、ＭＡＬＬ製造プロセスを示す概略図である。該プロセスは、２つのステップが含まれる。まず、レーザー微細加工を使用してＭＥＭＳの各層を製造する。次に、各層を積層し接合することによって、ＭＥＭＳを製造する。前節では、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを用いて複数の微細構造層の製造について説明した。本節では、多層組立及びこれらの複数の微細構造層の接合によるＭＥＭＳの製造について説明する。

ダウエルピンとアライメント穴を使用するラミネートの機械的アライメントは、精密マクロ製造において広く使用されており、微細構造ラミネートのアライメント及び接合にも使用されている。図１６は、アライメントピンとアライメント穴の組立プロセスを示す概略図である。この方法を使用すると、アライメント精度が２．５μｍを超えることが実証される。４－１節では、多層組立プロセスについて説明する。

２．１ ＭＡＬＬ 加工による櫛形駆動アクチュエータ
櫛形駆動アクチュエータの製造を例に、ＭＥＭＳデバイスの製造におけるＭＡＬＬの応用を紹介する。櫛形駆動アクチュエータは、構造材料として銅を使用して製造されている。櫛形駆動アクチュエータが選ばれる理由として、そのインターデジタル櫛形フィンガー構造が、光シャッター［２１］、マイクログリッパー［８３］、マイクロエンジン［８４］、加速度計［２２］、共振器［２３］、及び電気機械式フィルタ［２４］など多くのＭＥＭＳにおいて必要不可欠な構成要素であるからである。インターデジタル櫛形フィンガー構造の製造に銅を使用すれば、ＭＥＭＳのコストを大幅に削減できる。また、櫛形フィンガーは、小側面フィーチャー、高アスペクト比の構造が求められるため、製造が困難である。これまでは、同等のフィーチャーとアスペクト比を備えた櫛形フィンガーは、シリコンでリソグラフィベースの深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセス［２８］によってしか製造できなかった。しかし、本発明において、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを使用すれば、このような構造は金属から製造することができる。

２．１．１ 櫛形駆動アクチュエータの設計
図１７Ａ～図１７Ｂは、櫛形駆動アクチュエータの設計を示している。図１８Ａ～図１８Ｂは、櫛形駆動デバイス層の作製を示している。

２．１．２ 櫛形駆動アクチュエータの製造
櫛形駆動アクチュエータは、下記の２つのステップにより製造される。第一ステップは、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを使用してデバイスの各層を製造することである。図１９Ａ～図１９Ｂは、櫛形駆動デバイス構造を含むＬＡＭＰＥ微細加工された銅シートを示す光学顕微鏡画像である。図１９Ａで分かるように、微細加工された部品には、炭素の堆積とマイクロバリが生じている。マイクロバリは、２組の櫛形フィンガー間の電気的接触を引き起こすため、除去しなければならない。

マイクロバリは、１．５．１節で説明された電気バリ取りプロセスを使用して除去する。電気バリ取りプロセスはリン酸内で行われ、ＬＡＭＰＥ微細加工部品がアノード、別の銅シートがカソードとして使用される。電気バリ取りは５Ｖで３０秒間行われる。図１９Ｂは、マイクロバリが除去された後の櫛形駆動構造を示すＳＥＭ画像である。

微細加工された厚さ１００μｍの酸化アルミニウムシートは、絶縁基板として使用される。酸化アルミニウム基板を微細加工する前に、厚さ５０μｍのＢステージ状態のエポキシ接着膜を酸化アルミニウム基板に接合する。この接着層は、後で銅デバイス層を酸化アルミニウム基板層に接合するために使用される。図２０は、製造された櫛形駆動アクチュエータの各層を示している。各層毎に、デバイス構造と共にアライメント穴が加工される。続いて、これらのアライメント穴は、多層組立に使用される。各層が接合されると（図２１Ａ）、レーザー切断により積層構造からデバイスを切り出す（図２１Ｂ）。

図２２は、製造された櫛形駆動アクチュエータを示している。櫛形駆動フィンガー間のギャップは１０μｍで、ビームスプリングの厚さが２０μｍ（図２３Ａ～図２３Ｂ）である。フィンガー間のギャップは、銅層の厚みを減らすことで更に小さくすることができる。

２．２ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造についての検討
以下、ＭＡＬＬ製造プロセスの様々な側面について説明する。

２．２．１ ２．５Ｄ構造の製造
従来、ＭＥＭＳ構造は、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）と異方性ウェットエッチングプロセス［８２］［１１７］を利用して、微細加工により製造される。これらのプロセスは、エッチングの深さをコントロールすることで、２．５次元（２．５Ｄ）の構造を製造できる。ただし、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスは各微細加工層に限定されている。

この制限を解消する方法の１つは、従来のパルスアブレーションレーザー微細加工プロセスを使用してポリマーで製造された２．５Ｄ構造を使用することである。もう一つの方法は、レーザー微細加工をシリコン異方性エッチングプロセスと統合することである。この方法では、まず、レーザー微細加工（図２４Ａ）を使用して窒化ケイ素マスク層を除去し、次に、水酸化カリウムによるエッチング［２］を行って２．５Ｄ構造を製造する（図２４Ｂ）。三つ目の方法は、マイクロミリング加工の後に電気バリ取りプロセス（１．５．１節）を行って、２．５Ｄ構造を製造する。マイクロミリングにより、５μｍの小ささの垂直フィーチャーが得られるが、側面方向の達成可能な最小フィーチャーは５０μｍまでしか得られない。図２５Ａ～図２５Ｂは、マイクロミリングにより異なる深さに加工された２．５Ｄの窪みを示している。

ＭＡＬＬプロセスにおいて、ＭＥＭＳ構造は薄い材料シートで製造され、手作業か、ロール・ツー・ロール方式により積層される。通常、手作業及びロール・ツー・ロール式の積層プロセスは、膜厚２０μｍ以上の金属箔に適用できる。ラミネート層の厚みが薄くなるほど、極薄ラミネート層の取り扱いが困難になる。

厚さ２０μｍ～５μｍの厚みのシートが必要なＭＥＭデバイスを製造する場合、剛性又は柔軟性のあるフレームを利用できる。図２６は、フレームにより支持された１０μｍの薄い微細構造を示している。この構造の製造工程として、最初に、厚さ２００μｍのシリコン基板に窓穴を微細加工する。次に、該シリコン基板に厚さ１０μｍの銀箔を接合する。最後に、レーザー微細加工により、接合された銀箔上にデバイス構造を製造する。厚さ５μｍ～１μｍオーダーの金属箔が必要なＭＥＭＳを製造する場合、所望の金属を水又は水溶性フィルム上に電着させて、このようなラミネート層を使用してＭＥＭＳを製造することができる。

２．２．２ ラミネート層間のギャップ
ＭＡＬＬプロセスにおいて、独立構造と基板との間のギャップは、接着層の厚みによって異なる。本発明では、厚さ１２．５μｍの接着層により１２．５μｍの小ささのギャップが形成できることを示している。図２７は、構造と基板との間のギャップが１２．５μｍであるカンチレバーを示している。ラミネート層に接着層を直接スピンコートすることで、ギャップを更に減らすことができる。このスピンコートされた層は、犠牲層として非常に小さなギャップの作製に使用される。

２．２．３ アライメント精度
アラインメント精度は、キネマティックカップリング［１２３］とパッシブメカニカルアラインメントフィーチャー［１２４］を利用することで向上される。

２．３ ＭＡＬＬを使用したＭＥＭＳの大量生産
深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）では、多くのデバイスを並行して製造できるため、部品の生産率が高い。それに対し、ＭＡＬＬで使用されるレーザー直接書き込み微細加工プロセスがシリアルプロセスであり、ＭＥＭＳは一度に１つのデバイスで製造されるため、ＭＡＬＬプロセスにおける部品の生産率が低い。ＭＡＬＬプロセスは少量生産に適し、初期投資も少ない。それに対し、１００万ドルを超える投資の場合、ＤＲＩＥプロセスの部品の生産率は大幅に増加する。

ＭＡＬＬプロセスによる部品の生産率は、次の変更を行うことで向上する。

１．ロール・ツー・ロール積層プロセスを利用して、組み立てを自動化する。

２．検流計スキャナーミラーを使用してラミネート層の上にレーザーを照射することにより、レーザー微細加工とロール・ツー・ロール積層プロセスを統合させる。このシステムでは、デバイスの各層を同時に製造し、積層することで、ＭＥＭＳを製造できる。ロール・ツー・ロール積層プロセスとレーザー微細加工を併用することにより、パターンを空間的にオフセットして精確なアライメントを保証できるため、層のアライメントも不要になる。

３．複数のレーザービームを使用して、複数のデバイスを並行して製造する。複数のビームは、異なるレーザー光源からのものでもよく、単一の高出力レーザービームから分割されたものでもよい。

４．大きなフィーチャーには、高出力レーザーと、エンボス加工、マイクロミリング、ナイフカット、ワイヤーＥＤＭなど他の精密加工方法を使用して、高加工速度で加工し、小さなフィーチャーには、低エッチング速度でレーザー微細加工を行う。

５．積層プロセスにパッケージ層を含めることにより、ＭＥＭＳパッケージをロール・ツー・ロール積層プロセスと統合する。これらのパッケージ層は、エンボス加工、マイクロミリング加工、及びその他の従来の製造ツールを使用して製造できる。

従来のＭＥＭＳ製造では、１５０ｍｍウェーハ設備から３００ｍｍウェーハ設備へのアップグレードにはコストが非常に高い。しかし、ＭＡＬＬ製造では、並行製造用のレーザーの追加は簡単で、コストは一定の増加となる。従って、ＭＡＬＬの部品生産率はＤＲＩＥと一致させることができる。

２．４ ＭＡＬＬによるＭＥＭＳの卓上製造
微小電気機械システムは、医療、自動車、及び家庭用電化製品において潜在的応用が多岐に渡っている。しかし、設備が高価なため、ＭＥＭＳの研究は主に微細加工設備を備えた企業や大学でしか行われていない。上記のように、多くの科学コミュニティがＭＥＭＳの研究に参入すると、微細加工ツールに多額の設備投資が必要である。また、設備のメンテナンスや、シリコンウェーハ、フォトレジスト、現像液、エッチング液などの消耗品のコストが高いため、大部分の科学コミュニティのＭＥＭＳ製造への参入を更に遅らせている。

それに対し、ＭＡＬＬプロセスにレーザー微細加工システムが用いられると、３つのメリットがある。まず、単一の機器が、微細加工に必要な一連のツール、主にスピンコーター、マスクアライナー、露光システム、及びＤＲＩＥシステムに取って代わる。第２に、レーザー微細加工システムのコストは、従来の微細加工ツールより大幅に抑えられる。第三に、消耗品は電解研磨液と金属箔のみである。デバイスあたりの材料コストは０．００１５ドルで、従来のＭＥＭＳ製造で使用されるシリコンウェーハより極めて安価である。

レーザー微細加工システムは主にレーザー光源のコストが高い。レーザー光源のコストはその平均出力によって異なる。高出力レーザーには高強度の励起源が必要なため、レーザーのコストが高くなる。例えば、本発明に使われている、発光ダイオード（ＬＥＤ）のアレイを使用してレーザー媒質を励起させるダイオード励起レーザーは、ダイオードアレイに特殊な大電流電源と冷却システムが必要なため、高価だけでなく、設置スペースも大きい。

ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスでは、平均出力が２８０ｍＷ（表３．２）であり、必要とするレーザーの出力が非常に低いため、高強度の励起源が必要ない。その結果、コストが削減され、設置スペースが節約できる。低コストのレーザーシステムと、低コストの製造設備との併用により、低コストの卓上ＭＥＭＳ製造システムを開発できる。卓上型ＭＥＭＳ製造により、ＭＥＭＳ製造のコストが削減され、試作を早めることで、ＭＥＭＳ製造の汎用化、微小電気機械システムの新規開発を加速させることができる。

２．５ 従来技術との比較
ＤＲＩＥは、小側面フィーチャーと高アスペクト比の加工に適しているが、製造材料の選択が限られている。ＬＩＧＡプロセスはＤＲＩＥに続いて、小側面フィーチャーと高アスペクト比の加工に適しているが、独立型の微細構造の製造には不十分であり、Ｘ線源が高価である。

本発明に開示されたＭＡＬＬプロセスに用いられる積層プロセスは、ＰＣＢ－ＭＥＭＳ、ラミネートＭＥＭＳ、及びポップアップブックＭＥＭＳで使用されている積層プロセスと同様である。ただし、ＭＡＬＬプロセスと他のラミネートＰＣＢ－ＭＥＭＳ、ラミネートＭＥＭＳ、及びポップアップブックＭＥＭＳプロセスとは２つ大きな違いがある。これらの違いについては、次節で説明する。

２．５．１ 高アスペクト比と小側面フィーチャー
従来のＭＥＭＳ製造プロセスでは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して、アスペクト比が高く、側面フィーチャーが小さい構造を製造している。通常、アスペクト比１０：１、側面フィーチャー５～１０μｍの構造は、ＤＲＩＥを使用して微細加工することができる［２０］。インターデジタル櫛形フィンガーやビームスプリングなど、ＭＥＭＳデバイス平面に平行して移動できるＭＥＭＳ構造には、高アスペクト比加工が必要である。これらの構造は、櫛形駆動アクチュエータ［２１］、加速度計［２２］、共振器［２３］、電気機械フィルタ［２４］など多くのＭＥＭＳにおいて一般的である。

ＰＣＢ－ＭＥＭＳでは、ＭＥＭＳの各層は、フォトリソグラフィーに続きウェットエッチングを使用して製造される。しかし、ウェットエッチングプロセスは等方性であるため、得られるアスペクト比が低い。同様に、ラミネートＭＥＭＳにおける各層は、スタンピング、レーザー切断、電鋳［６］など様々なプロセスを使用して製造される。これらのプロセスにより製造された構造は、フィーチャーがＤＲＩＥよりも大きく、アスペクト比も限界がある。従って、これらのＭＥＭＳの性能は、ＤＲＩＥが用いられる従来の微細加工プロセスを使用して製造されたＭＥＭＳとはかけ離れている［４］［２５］［２６］［２７］［１１］。また、低アスペクト比の構造は、デバイス平面の方向における移動が制限されており、デバイスに対して垂直な方向における動作が制限される。その結果、ＰＣＢ－ＭＥＭＳとラミネートＭＥＭＳは、ＭＥＭＳ ＲＦスイッチ［４］やマイク［１１］など、積層面に対して垂直に移動する構造を有するＭＥＭＳにしか応用されていない。

ＭＡＬＬプロセスでは、ＭＥＭＳの各層がＬＡＭＰＥ微細加工を使用して製造される。ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスにより、１０：１の大きさのアスペクト比と１０μｍの小ささのフィーチャーを持つ微細積層構造を製造できる。このような小側面フィーチャー及び高アスペクト比は、ＰＣＢ－ＭＥＭＳ、ラミネートＭＥＭＳ、及びポップアップブックＭＥＭＳ製造プロセスでは得られない。実際、伝統的に、このような高アスペクト比と小側面フィーチャーは、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）［２８］によってしか得られない。ＬＡＭＰＥ微細加工により製造された構造は、ＤＲＩＥと同様の小フィーチャーと高アスペクト比が得られる。従って、ＭＡＬＬ製造プロセスにより、ＤＲＩＥと同様のＭＥＭＳが製造できる。

２．５．２ ６自由度の独立構造
従来のＭＥＭＳ製造では、自立型の微細構造は表面微細加工［４８］［４９］［５０］を使用して製造される。まず、犠牲層を基板上に堆積し、フォトリソグラフィーとエッチングによりパターン化させる。次に、犠牲層の上に構造層を堆積しパターン化させる。最後に、犠牲層を除去して、独立型の微細構造を製造する。犠牲層と構造層の堆積に使用される化学蒸着（ＣＶＤ）などの堆積プロセスにより、堆積材料の厚み、及び構造と基板の間のギャップを高度に制御できる。

積層プロセスによる同じ薄さの独立構造の製造が困難である理由は２つある。第一に、ラミネート層が薄くなると、極薄層のハンドリングや微細加工が難しくなる。第２に、独立構造は、該独立構造を含む層と基板との間でパターン化され挟まれた離隔層を使用して作成される。独立構造と基板との間のギャップは隔離層の厚みによって決定される。このギャップと独立構造のサイズが減少すると、極薄隔離層の操作とパターン化が難しくなる。その結果、ＰＣＢ－ＭＥＭＳ及びラミネートＭＥＭＳは、マイクロ流体デバイス［５１］［５２］や光学ＭＥＭＳ［７］のような独立構造のないＭＥＭＳの製造や、ＭＥＭＳマイクロフォンや電磁スイッチ［４］［１１］［８］［２５］［２７］のような独立構造と基板との間のギャップが大きいＭＥＭＳの製造に大きく限定されている。

ＭＡＬＬにレーザー微細加工プロセスを利用すると、Ｂステージエポキシ接着層のパターン化が簡単になる。本発明では、パターン化された接着層を隔離層として、タックボンディングプロセス、及び高アライメント精度により、構造間のギャップが１２．５μｍである独立構造の製造を示している（図５－６を参照）。同様に、本発明では、操作用に極薄膜を剛性フレームに接合し、ＬＡＭＰＥ微細加工を行うことにより、厚さ１０μｍ独立構造の製造を示している（図５－５を参照）。これらの微細構造は、６自由度（ＤＯＦ）の移動可能な小フィーチャーと満足のいくアスペクト比が得られる。

２．６ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造のメリット
ＭＡＬＬ製造プロセスは、従来のリソグラフィベースのＭＥＭＳ製造プロセスに比べ、材料の選択がより広く、統合がよりし易く、低製造コスト、開発の迅速化、パッケージングの統合などのメリットがある。これらのメリットについては、次の節で詳しく説明する。

２．６．１ より広い製造材料の選択
リソグラフィベースのＭＥＭＳ製造プロセスで使用される製造材料は、主にシリコンに限定されている。一方、ＭＡＬＬプロセスでは、金属、セラミック、ポリマー、複合材料など、様々な材料を使用可能である。幅広い材料を使用してＭＥＭＳを製造することで、これらのシステムの機能とパフォーマンスが大幅に向上させることができる。例えば、磁性、圧電、焦電、熱電、超伝導などの興味深い特性を有する材料を使用すれば、新たなＭＥＭＳを設計することができる。

金属のＭＥＭＳの製造への応用は特に興味深いことである。金属の幅広い機械的及び電気的特性は合金化プロセスによって調整できる。また、ロール成形プロセスを利用すれば、金属箔の製造コストや手間をシリコンウェーハより大幅に削減できる。

２．６．２ 製造に互換性のない材料を使用
従来の微細加工プロセスでは、ＭＥＭＳは、材料層を一層ずつ堆積し、パターン化させることによって製造される。各材料層は、前に堆積された材料と互換性のある特殊のプロセスを利用して堆積及びパターン化しなければならない。材料の非互換性と熱的制約により、これらのプロセスの統合はしばしば困難となる。それに対し、ＭＡＬＬ製造プロセスでは、ＭＥＭＳは、各層を個別に製造し、スタックにより組み立てて、接合することにより作成される。その結果、材料が非互換製造プロセスで任意の順に互いに接合して、ＭＥＭＳを製造することができる。

２．６．３ 低製造コスト
ＭＥＭＳ製造のコストが高いのは２つの理由がある。まず、露光システム、マスクアライナー、化学蒸着（ＣＶＤ）、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）システムなどの微細加工ツールへの設備投資が高額である。第２に、原材料や、フォトレジスト、現像液、エッチング液、ガスなどの化学薬品、及びシリコンウェーハのコストが高い。それに対し、ＭＡＬＬプロセスに使用されるレーザー微細加工システムと電気化学エッチングツールは、従来の微細加工ツールに比べ、所有経費が非常に低い。同様に、ＭＡＬＬの製造に使用される金属箔、ポリマー、及びセラミック等の原材料は、従来のＭＥＭＳ製造プロセスに使用されるシリコンウェーハに比べ、費用対効果が高い。

２．６．４ 迅速な開発
ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスは、以下に説明するように、材料統合、プロセス開発、及び設計と試作の繰り返しを加速させることによって、迅速な開発を実現することができる。

２．６．４．１ 迅速な材料統合
従来のリソグラフィベースの製造プロセスでは、ＭＥＭＳは一層ずつ製造される。各層は、化学蒸着（ＣＶＤ）、フォトレジストのスピンコーティング、レジストの露光と現像、ウェットエッチング又はドライエッチングなど一連の堆積とパターン化によって製造される。各層の製造プロセスは、前に堆積した材料と互換性があるよう、最適化しなければならない。この１工程ずつの最適化と統合には、非常に時間がかかる。また、従来のＭＥＭＳ製造では、ＭＥＭＳチップとパッケージは個別に製造され、後の段階で統合される。このチップとパッケージの統合は、開発時間を更に長引かせている。

ＭＡＬＬ製造プロセスでは、最小限のプロセス開発により各層を独立して製造し、容易に接合することで、ＭＥＭＳを製造することができる。その結果、デバイスの開発時間が大幅に短縮される。また、ＭＡＬＬで使用されるレーザー微細加工システムは、他のマクロ製造装置（フライス盤、成形機、エンボス加工機など）と並んで設置可能であり、同様のコンピューター支援設計（ｃｏｍｐｕｔｅｒ－ａｉｄｅｄ ｄｅｓｉｇｎ，ＣＡＤ）及びコンピューター支援製造（ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｉｄｅｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ，ＣＡＭ）ツールを利用する。これにより、ＭＥＭＳの設計とパッケージングの統合が可能となり、同時製造、及び迅速な統合を実現することができる。

従来のＭＥＭＳ製造では、３次元ＭＥＭＳ設計は、製造用に一連の２次元リソグラフィマスクに変換される。一方、ＭＡＬＬでは、レーザー微細加工ツールパスが統合されたＣＡＤ／ＣＡＭ設計ツールから直接エクスポートできる。このように、ＭＥＭＳの設計、製造、及び有限要素解析（ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ，ＦＥＡ）を１つの環境において統合することで、設計、シミュレーション、及び試作の繰り返しを加速させることができる。

２．６．４．２ 迅速なプロセス開発
ＤＲＩＥでは、所望のＭＥＭＳ構造をエッチングするには、ある程度のプロセス開発が必要である。エッチングプロセスのパラメータは、エッチングパラメータを変化させて、一連のエッチングサイクルを行って決定される。各エッチングサイクルに行われるウェーハのロードとアンロードは、よく手作業で行われるため、プロセス開発には相当の時間がかかる。

それに対し、ＭＡＬＬプロセスでは、一連の微細加工テストを実行すれば、レーザー出力、パルス周波数、送り速度、パルス持続時間など様々なレーザー微細加工パラメータを１サイクルで試験できる。その結果、プロセス開発時間が大幅に短縮される。レーザー微細加工プロセスのための新規材料又は新たなシートの厚みの開発時間は約６時間である。

２．６．４．３ 迅速な設計の繰り返し
ＭＡＬＬでは、ＰＬＡ又はＬＡＭＰＥ微細加工の微細加工速度は、デバイス面積（又は設計）に影響されない。その結果、多くの設計がプロセス開発なしにテストできる。しかし、ＤＲＩＥでは、エッチング速度は負荷効果［１１３］［７２］によりデバイス面積に影響される。その結果、ＭＥＭＳ設計するたびに、新たなＤＲＩＥプロセスパラメータを決める必要があり、設計の繰り返しが大幅に妨げられ、デバイスの開発時間が長くなる。

２．６．５ 最初のプロトタイプまで超短時間
ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスは、最初のプロトタイプの製造時間が大幅に短縮される。本節では櫛形駆動アクチュエータの製造を例に説明する。コンセプトから作成までのサイクルとして、まず、デバイスを設計し、所望の製造材料を選択する。設計と材料を決めると、次は、所定の厚みの材料シートを微細加工するために必要なレーザー微細加工パラメータを決定する。

プロセスパラメータを決定するために、異なる幅の水平ラインと垂直ラインが含まれた微細加工パターンは、テストパターンとして使用される。テストパターンは、例えば、様々なレーザー出力、レーザー周波数、送り速度、及びパルス幅で微細加工される（本発明では、パルス持続時間は２０ｎｓとしている）。走査型電子顕微鏡でこれらの微細加工パターンを観察し、フィーチャーが最も小さいパターンを決め、当該パターンに対応するレーザー微細加工設定を、デバイス微細加工に使用する。レーザー微細加工プロセスのための新規材料又はシートの厚みの開発時間は約６時間である。決められたレーザー微細加工パラメータは、櫛形駆動構造の製造に使用される。このプロセスは、設計によっては数分から１時間かかる場合がある。これを基に、デバイス全体の微細加工に１時間かかると想定する。

次に、電気バリ取りを行う。電気バリ取りの場合、必要な電解液に関する情報は参考文献［９０］から得られる。レーザー微細加工部品がアノードとして、同じ金属の他の部分がカソードとして使用される。電解研磨電圧に関する情報も、参考文献［９０］から得られる。１．５．１節で説明したように、バリを選択的にエッチングするには、電気バリ取りの電圧を電解研磨電圧より高くする必要がある。新規材料にはある程度のプロセス開発が必要かもしれないが、電解研磨電圧を超える電圧であれば、電気バリ取りができる。最も簡単な方法は、泡がアノードに現れ始めるまで電圧を上げ、この電圧で電気バリ取りを行うことである。通常、３０秒でバリを完全に取り除くことができる。これを基に、電解研磨プロセスに合計１時間かかると想定する。

最後に、個別のデバイス層を整列して積層する。この実験では、デュポンＦＲ１５００と３Ｍ熱接着フィルム５８３を使用している。これらの接着フィルムは非常によく研究されており、プロセス開発の必要がない。従って、接合は合計１時間で行われる（ハンドリング３０分と接着剤硬化サイクル３０分）。最初のプロトタイプの製造に必要な時間は合計約１０時間である。なお、製造材料が同じである場合、新しいＭＥＭＳデバイスのプロトタイプの製造には約４時間かかる。

２．６．６ 統合されたパッケージング
過酷な環境からシステムを保護するためには、ＭＥＭＳのパッケージングが必要不可欠である。また、ＭＥＭＳでは、パッケージは、ＭＥＭＳシステムと外部環境の間のインターフェースとして機能する場合もある。ＭＥＭＳチップの製造に使用される微細加工プロセスは、ＭＥＭＳパッケージの製造に使用されるマクロ加工プロセスと互換性がないため、ＭＥＭＳダイとパッケージは個別に製造されてから統合される。この統合プロセスは困難であり、開発時間とコストが増加する。多くの場合、ＭＥＭＳチップの製造よりもＭＥＭＳパッケージのコストの方が高い。

ＭＡＬＬでは、製造プロセスと材料はマクロ加工プロセスと互換性があるため、ＭＥＭＳ層とパッケージ層を同時に製造することができる。また、複数の層をワンストップで積層できるため、パッケージが統合されたＭＥＭＳを製造することができる。しかし、ＭＡＬＬによる統合パッケージは、積層プロセスにおいて、パッケージ層の接合に使用されるポリマー接着フィルムが水分子を透過する［１１５］［１１６］ため、ハーメチックシールが必要なＭＥＭＳパッケージには使用できない。

３ プロセスの詳細な説明
以下、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスについて詳しく説明する。

３．１ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造に必要なツール
以下は、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳの製造に必要なツールのリストである。

１．レーザー微細加工システム。オックスフォードレーザー社［５６］のレーザー微細加工システムが好ましい。

２．走査型電子顕微鏡又は高解像度光学顕微鏡は、デバイスのフィーチャサイズに応じて、製造においてＭＥＭＳデバイスの検査に使用される。低倍率実体顕微鏡も迅速な検査に役立つ。

３．化学フードと電圧源は、電気バリ取りプロセスに使用される。

４．臨界点乾燥機が必要な場合がある。金属で製造されたＭＥＭＳの場合、デバイスをイソプロパノール（ＩＰＡ）に浸し、ホットプレート上で乾燥させるだけで十分であるが、シリコンで製造され、小フィーチャーのＭＥＭＳの場合、臨界点乾燥機が望ましい。

５．ホットプレートは、ウェーハをすばやい乾燥に使用される。

６．高温での硬化が必要な特定の接着剤には、温度調節機能付きオーブントースターが必要である。特に、特定のＭＥＭリレーで使用されるデュポンＦＲ１５００接着剤は、１８５℃で焼く必要がある。接着剤のもう一つの例として、３Ｍ熱接着フィルム ５８３は、溶媒活性化又は圧力活性化できるため、焼く必要がない。

７．レーザー微細加工プロセス後のデリケートなシートの操作を容易にするために、真空ピンセットが望ましい。

８．ＭＥＭＳデバイスによっては、デバイスのテストに追加ツールが必要な場合がある。例えば、半導体パラメータアナライザは、ＭＥＭリレー、又はその他の簡易なデバイスのテストに使用され、プローブステーションはデバイスの電気テストに使用される。

９．卓上精密フライス盤は、ＭＥＭリレーの最下層の製造など特定のＭＥＭＳデバイスに使用される。ＬＡＭＰＥ微細加工に役立つ主なツールは、オックスフォードレーザー微細加工システム［５６］である。このシステムについては、以下で詳しく説明する。

３．１．１ レーザー微細加工システム
このシステムは、主に、１）レーザー光源と、２）集束光学系と、３）モーションシステムとにより構成される。以下は、これらの構成要素について説明する。

３．１．１．１ レーザー光源
レーザー光源は、レーザー微細加工システムの重要な構成要素として、処理できる材料のフィーチャサイズとタイプによって異なる。レーザー微細加工では、パルスレーザーと連続波（ｃｗ）レーザーの２種類のレーザーが使用されている。パルスレーザーは、連続波レーザーに比べ、２つの利点がある。まず、短パルスレーザーは、ターゲットに放出されるエネルギーを細かく制御できるため、小フィーチャーの加工に不可欠である。第２に、個別のパルスレーザーの最大出力は、レーザーの平均出力よりも数桁高いため、平均出力の低いパルスレーザーを使用しても材料をアブレーションすることができる。

本発明に使用されるレーザー光源は、Ｑスイッチ周波数２倍のＮｄ：ＹＡＧダイオード励起ソリッドステート（ＤＰＳＳ）レーザーである。該レーザーの波長は５３２ｎｍで、パルス持続時間は２０ｎｓである。レーザービームのモードはＴＥＭ００で、ビーム品質はＭ²＜１．２である。レーザーの平均出力Ｐ_avgは、パルス周波数によっては、２～６．５Ｗである。パルス繰り返し率５ＫＨｚでの平均出力は２．８Ｗである。パルス繰り返し率５ＫＨｚでのパルスエネルギーは５６１μＪである。平均出力が６．５Ｗ未満であっても、最大出力はキロワットのオーダーである。レーザーパルスの最大出力は、材料のアブレーションに関わっている。パルス繰り返し率５ＫＨｚでの最大出力は２８ｋＷである。表３は、本発明に使用されたレーザーのパラメータ値を示している。

３．１．１．２ ビーム伝送及び集光光学系
レーザービームは、一連のミラー、レンズ、及びその他の光学素子によりターゲット材料に伝送される。まず、光源から放射されたレーザービームをビームエキスパンダにより拡大させる。ビーム拡大後のレーザービーム径は１０ｍｍである。次に、レーザービームを可変減衰器に通過させて減衰させることにより、ターゲットに放出されるエネルギーを制御する。最後に、レンズ又は顕微鏡の対物レンズでターゲットにレーザービームを集束させる。

集束ビーム径
本発明に使用されるレーザーは、波長λ＝５３２ｎｍ、ビームウエスト（又は開口径）ｄ＝１０ｍｍ、焦点距離ｆ＝１００ｍｍである。算出されたフォーカススポットサイズ２ω₀＝１２．９８μｍである。集束ビームのスポットサイズ２ω₀は、レーザー微細加工により達成可能な最小フィーチャサイズを決定する重要なパラメータである。レンズに加えて、顕微鏡の対物レンズもビームの集光に使用することができる。一般に、無限遠補正対物レンズは、レーザーの微細加工と結像を同時に行うことができ、付属の光学部品を簡単に挿入できるため、望ましい。無限遠補正された対物レンズにより、光は光軸に平行して効果的通過するため、光学フィルタ、偏光子、ビームスプリッターなど付属の光学部品は、チューブレンズの間に挿入することができる。無限遠補正された対物レンズで画像を作成するには、チューブレンズを使用して画像の焦点を合わせる必要がある。

集束ビームの強度
５ＫＨｚでのレーザーパルスの最大出力は２８Ｗであり、集束ビームのスポット径ω＝１２．９８μｍである。従って、パルス強度は２１．２ＧＷ／ｃｍ²である。図２８の右のｙ軸は、パルス周波数に対するパルス強度Ｉ_pの変化を示している。図に示されるように、ガウスビームの中央ピークの強度は、レーザーパルスの平均強度の２倍である。パルス周波数５ＫＨｚでのレーザーの最大出力はＰ＝２８ＫＷ（表２．１）である。ビームの中心での最大強度はＩ₀＝２Ｉ_p＝４２．４ＧＷ／ｃｍ²である。図２８に、レーザービームの強度プロファイルを示している。

レイリー長
本発明に使用されるレーザーの場合、波長λ＝５３２ｎｍ、ビームウエスト（又は開口径）ｄ＝１０ｍｍ、焦点距離ｆ＝１００ｍｍである。得られた集束レーザービームのレイリー長は、Ｚ_R＝８５０μｍである。

３．１．１．３ モーションシステム
２軸ステージを使用して、レーザーに対してターゲットを移動させて、レーザー微細加工を行う。各軸の分解能は０．２５０μｍ、反復率は０．７５０μｍ、精度は＋／－２μｍである。到達可能な最大速度は２５０ｍｍ／ｓ、到達可能な最大加速度又は減速度は１０，０００ｍｍ／ｓ²である。なお、ＭＥＭＳ部品は、サイズが小さく、ステージの加速／減速が制限されているため、その微細加工において到達可能な最大速度は、実質上１ｍｍ／ｓ以下に制限されている。

レーザー微細加工プロセスにおけるフィーチャサイズは、ターゲットに放出されるレーザーエネルギーによって異なる。放出エネルギーは、パルスエネルギーと、連続するレーザーパルス露光間のオーバーラップを変更することによって制御される。小フィーチャーが求められるＭＥＭＳの場合、２軸ステージの代わりに検流計スキャナーを使用することが望ましい。検流計は、より高い送り速度で、ターゲットに放出されるエネルギーを細かく制御できるため、小フィーチャーを加工できる。また、送り速度が高くなると、微細加工速度を向上させることができる。一般的な２軸検流計ミラーは１００Ｈｚ［６０］で動作できる。スキャン距離を１ｍｍとすると、送り速度１００ｍｍ／ｓを簡単に実現できる。

３．２ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造に必要な材料
以下は、ＭＡＬＬの製造に必要な材料のリストである。

１．ＭＡＬＬ ＭＥＭＳの製造に使用される主な材料は金属箔である。これらの金属箔は、ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｍｃｍａｓｔｅｒ．ｃｏｍ／から入手できる。

２．本発明に使用される主な接着層は、デュポンＦＲ１５００、３Ｍ熱接着フィルム５８３、及びスコッチ両面テープである。これらの接着剤は、それぞれのベンダーから調達できる。

３．電気バリ取りプロセス用の電解液。銅の場合、硫酸銅又はリン酸を使用できる。

４．アライメント用にダウエルピン又はゲージピンが使用される。

３．３ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造のＭＥＭＳ設計手順
ＭＥＭＳの設計はＦｕｓｉｏｎ３６０を使用してもよい。このソフトウェアは、コンピューター支援設計（ＣＡＤ）とコンピューター支援製造（ＣＡＭ）を統合するというメリットがあり、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳの設計に最適である。ＭＡＬＬプロセスは積層プロセスであるため、ＭＥＭＳシステムを層状に設計すること好ましい。設計が完了した場合、Ｆｕｓｉｏｎ３６０プログラムのＣＡＭインターフェースを使用してレーザーツールパスのｇコードをエクスポートする。このｇコードプログラムは、レーザー微細加工の実行に使用される。

ＭＥＭＳデバイスの設計に応じて、２つの異なるレーザーツールパスをエクスポートすることが好ましい。一つのツールパスは、小フィーチャーを求めない領域に対し、高出力レーザーを使用して、高微細加工速度で材料を除去するために使用される。二つ目のツールパスはＭＥＭＳ設計の部品用であり、これら部品は、小フィ－チャーを有し、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを要する。

３．４ ＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスのフローチャート及びフローの説明
図２９のフローチャートは、ＭＡＬＬ ＭＥＭＳの製造プロセスを示している。

製造工程は次の通りである。

１．ＬＡＭＰＥ微細加工又はレーザー微細加工を使用してＭＥＭＳの各層を作製する。

２．ＭＥＭＳの各層を整列して接合する。

３．犠牲層を溶解する。

４．レーザー切断を使用してダイスデバイスを切り出す。

３．４．１ 各ＭＥＭＳ層の製造
ＭＥＭＳデバイスは材料層から構成されている。各層には、側面フィーチャサイズ、アスペクト比、形状（２Ｄ、２．５Ｄ、又は３Ｄ）などの特徴がある。製造プロセスはこれらの特徴によって変わる。例えば、側面フィーチャサイズが１００μｍを超えるデバイス層の場合は、マイクロミリング加工、ワイヤー放電加工、エンボス加工など従来の製造プロセスを使用する。一方、側面フィーチャサイズが１００μｍ～２５μｍであるデバイス層の場合は、レーザー微細加工プロセスを使用する。側面のフィーチャサイズが１０μｍ未満、アスペクト比が１０：１を超えるデバイス層の場合は、ＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを使用する。図３０のフローチャートは、各ＭＥＭＳ層の製造プロセスを示している。

３．４．２ ＭＥＭＳ層のＬＡＭＰＥ微細加工
本発明では、オクスフォードレーザー社［５６］の市販のレーザー微細加工システムを使用してレーザー微細加工を行う。ＬＡＭＰＥ微細加工の一般的な工程は次の通りである。

１．クリップで材料箔をステージに固定する。２０μｍ厚までの材料箔の場合、ピンセットで操作できる。ただし、厚さ２０μｍ未満の場合は、剛性フレームに金属箔を取り付ける方が操作しやすい。

２．レーザー光源の選択：金属の場合、レーザーの吸収がＵＶ、Ｖｉｓ、及びＩＲの範囲で低いため、レーザー微細加工プロセスは一般にレーザー波長を選ばない。小さいフィーチャサイズを得るには、レーザーのパルス持続時間が重要である。方程式又は表を使用して、所望のフィーチャサイズの加工に必要なパルス持続時間を決定する。多くの場合、レーザーのパルス持続時間は固定され、ユーザーの制御はパルスパワーの制御のみである。

３．集光系の選択：フィーチャサイズに応じて、所望のレンズ又は対物レズを取り付ける。レーザー微細加工システムには、サンプル検査用のデジタルカメラが装着されている。サンプルがレンズの焦点面に運ばれイメージシステムで検査することができる。

４．レーザー出力の選択とプロセス開発：この計算したレーザー出力に近似の一連の出力テストから、最小フィーチャサイズが得られる出力の的確な値を決定し、この値でレーザー微細加工を行う。なお、フィーチャサイズは、サンプルの焦点面における具合にも影響される。通常、出力テストを行う前に、一連のフォーカステストを実行して最適なフォーカスを決定する。レーザー微細加工プロセス中にレーザー微細加工部品が脱落しない場合は、もう一度行う必要がある。

図３０のフローチャートに従って、層の材料に応じてＬＡＭＰＥ微細加工プロセスを決定する。

３．４．２．１ 金属のＬＡＭＰＥ微細加工
図３１のフローチャートに示された工程に従って、ＬＡＭＰＥ微細加工によって金属層を作製する。

厚さ１０μｍ未満の金属膜を加工する場合は、材料の吸収係数に関係なく、超短パルスレーザーを使用するとよい。超短パルスレーザー微細加工では、パルスあたりの微細加工の深さは、光の材料の侵入深さに等しい。高パルスエネルギーと繰返し率（１００ＫＨｚ）で、スポットあたりに十分なパルス照射が行われて、加工深さが１０μｍオーダーになる。

電気バリ取り
電気バリ取りの工程（図３５に要約）は次の通りである。

１．電解液の選択：電解液の選択は、バリ取り金属によって異なる。電気バリ取りプロセスは、電解研磨及び電気めっきプロセスに似ているため、電解液は、電解研磨又は電気めっきに使用されるものと同じである。様々な金属に利用できる電解質について多く研究されている。本発明では、ＭＥＭＳ製造に銅が使用されている。銅の場合、電解液として１４Ｍリン酸を使用る。

２．電気バリ取りのセットアップ：レーザー微細加工された銅部品はアノードに接続され、他の銅シートがカソードに接続される。両方の電極を４Ｍリン酸溶液に浸す。

３．電気バリ取りの電圧の選択：バリを除去するには、適切な電圧の設定が重要である。図２８に示すように、バリを確実に除去するには、電気バリ取りの電圧を電解研磨の温度より高く設定しなければならない。電解研磨プロセスはよく研究されており、特定の金属及び電解質の電解研磨の電圧値は文献に記載されている。電気バリ取りの電圧はこの値を超えなければならない。本発明では、レーザー微細加工部品の電気バリ取りは、５Ｖで３０秒間行われている。一般に、電気バリ取りの電圧は、気泡がアノードで形成し始める電圧より少し低い。

４．ＭＥＭＳデバイスによっては、金属の酸化を防ぐために金の電気めっきを行う場合がある。

５．電気バリ取り後、レーザー微細加工された部品を脱イオン水で洗い流した後、イソプロパノールで洗浄する。洗浄されたレーザー微細加工部品は、室温又はオーブン内で８５℃で風乾する。

３．４．２．２ シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工
以下、シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工のフローについて説明する。

以下の工程に従って、ＬＡＭＰＥ微細加工を使用して金属層を作製する。

ＨＦ蒸気環境でシリコンのＬＡＭＰＥ微細加工を行われば、シリコンのＬＡＭＰＥ微細加工におけるアスペクト比を更に向上させる。ＨＦ蒸気は新たに形成されたＳｉＯ２と反応して無色のガス状の四フッ化ケイ素ＳｉＦ４を生成することで、効率的に除去できる。ここで、材料が除去されるときにフォーカスを徐々に下に移動することにより、微細加工の深さを更に深めることができる。ＬＡＭＰＥまたはレーザー微細加工部品のバリは、電気バリ取りプロセスを利用して除去される。シリコン微細加工部品をアノード、ＨＦを電解液として使用される。

３．４．３ 多層組立及び接合
ＭＡＬＬプロセスの第２のステップは、ＬＡＭＰＥ微細加工された複数のラミネート層をスタックにより組み立ててＭＥＭＳを製造することである。多くのＭＥＭＳでは、アライメント精度が数マイクロメートル以上であることが望まれる。ラミネート層の機械的アライメントに使用されるダウエルピンとアライメント穴は、精密マクロ加工で広く使用されている。この方法は、微細構造ラミネート層の整列及び接合に使用され、アライメント精度が２．５μｍを超えていると示されている。

図３４Ａ～図３４Ｄは、アライメントピンとアライメント穴の組み立てプロセスを示す概略図である。長い作動距離と大きな焦点深度を備えた接眼レンズのない実体顕微鏡の下で手作業によって正確に組み立てる［８５］。顕微鏡はマルチレンチキュラー技術を使用して真の奥行き感覚を提供し、手と目の協調を支援する。その結果、マイクロアセンブリプロセスが容易になる。

直径５０８μｍの精密切削されたアライメントピンを４本使って、アライメントを行う。アライメントピンとアライメント穴の間のクリアランスは、アライメントの精度に影響するため、最小でなければならない。まず、所定のアライメントピンに対して、いくつかの穴が微細加工される（図３４Ａ）。続いて、アライメントピンを差し込み、ピンと穴との間のクリアランスを測定する（図３４Ｂ）。最後に、クリアランスが最も小さい穴は、微細加工アライメント穴としてレーザー微細加工に使用される（図３４Ｃ）。

アライメントの精度を見極めるために、アライメントマークの付いた２つの層を組み立てて接合する。接合された層は背面から照らされ、光学顕微鏡を使用してアライメントマークを確認する。図３４Ｄの挿入図は、裏面から照射された光が整列された２つのマークを透過する場合を示している。スリットの幅は１０μｍで、２つの整列されたマーカー間の重なりは７５％を超えている。従って、アライメント精度は２．５μｍより高いことが分かる。ラミネート層にパッシブアライメント特性を作成することで、アライメント精度を更に向上させることができる［８６］［８７］［８８］。

整列された層は、デュポンＦＲ１５００と３Ｍ熱接着フィルム５８３を使用して接合される。接合について、デュポンＦＲ１５００は、デバイスの設計にもよるが、１８５℃で５～２０分間硬化できる。同様に、３Ｍ熱接着フィルム５８３は、圧力を利用して、又は溶剤を塗布して、或いは１２０℃で加熱することによって接合できる。デバイスによっては、まず１つの層に接着シートをタックボンドして、次に別の層を取り付けて、完全な硬化を行って積層することが望ましい。タックボンディングの場合、ＦＲ１５００シートは１２０℃で１０分間硬化され、３Ｍ熱接着フィルム５８３は圧力又は溶剤により活性化される。

積層の工程は次の通りである。

１．積層プロセスでは、まず、基板層に接着層をタックボンドする。デュポンＦＲ１５００接着層をタックボンディングする場合、１２０℃で硬化を行う。

２．接着層が基板に接合されると、バッキング層を除去し、最上部にデバイス層を取り付ける。アライメントピンを使ってアライメントを行う。高いアライメント精度が求められるデバイスの場合、直径５００μｍのアライメントピンを使用すればアライメント精度を向上させることができる。一方、高いアライメント精度を求めないデバイスの場合は、より太いアライメントピン（例えば、直径１．５ｍｍのダウエルピン）を使用して、組み立てプロセスを簡素化できる。

３．アライメントが完了すると、積層構造をオーダーメイドの固定具で挟み、ペーパークリップを使用してクランプし、オーブン内に入れて完全に硬化させる。オーブンの温度を１８５℃に設定し、デバイスと接着層の厚みに応じて５～２０分間焼く。

４．積層プロセスの後、レーザー切断加工により積層構造からＭＥＭＳデバイスを切り出すことができる。ただし、この工程はデバイス開発中には必要ない。

３．４．４ ＭＥＭＳデバイスのテスト
デバイスをテストするための工程は、デバイスの実際の設計によって異なる。多くのＭＥＭＳデバイスに共通する一般的な工程は次の通りである。

１．デバイスの製造後、光学顕微鏡でデバイスを検査して、デバイスの完全性を確認することが望ましい。

２．ＭＥＭＳデバイスは非常に壊れやすいため、取り扱いには注意が必要である。空気を吹き付けてほこりの粒子を乾かしたり取り除いたりすると、デバイスが破損する恐れがある。

３．電気テストの場合、プローブステーションのプローブを使用して電気的接続を行う。ワイヤーボンダーも使用できる。銅製のデバイスの場合、１００℃で金のボールボンディングを使用すると非常に効果的である。

４ まとめ
上述したように、本発明に開示されたＭＡＬＬ ＭＥＭＳ製造プロセスは、従来の微細加工プロセスに代わって、ＭＥＭＳ製造に使用することができる。ＭＡＬＬプロセスは、幅広い材料をＭＥＭＳ加工できるため、ＭＥＭＳの設計、機能、及び応用における新しいパラダイムを強化する。また、ＭＡＬＬ加工では、金属箔のような低コストの製造材料を使用できるため、デバイスあたりの製造コストを削減できる。それに対し、従来の微細加工では、製造材料は主にシリコンであるため、ＭＥＭＳの設計、機能、及び応用に限界があり、デバイスあたりの製造コストが高い。

ＭＡＬＬにおいて、デバイス層の開発が独立しており、統合が簡単であるため、開発時間とコストが少ない。ＭＡＬＬプロセスは、開発コストが低いため、独創的且つ需要の少ないＭＥＭＳ市場に最適である。それに対し、従来の微細加工で新たなＭＥＭＳデバイスを製造する場合、様々な材料の堆積及びエッチングプロセスを開発して統合する必要があるため、開発時間とコストが掛かる。従って、デバイスあたりの製造コストは低くても、デバイスあたりの総コストは高い。この制限により、ＭＥＭＳ製品は、開発の高コストを補うことができる莫大な需要がある場合しか商品化できない。

ＭＡＬＬ製造の工具と材料費は約２５，０００ドルであり、多くの科学コミュニティにとって手頃な価格である。このＭＥＭＳ製造の汎用化は、新しいＭＥＭＳシステムの開発を促進することができる。従来、新しいＭＥＭＳデバイスの研究開発は、設備のコストが高いため、主にいくつかの企業や大学にしか行われていない。

本発明の特徴を理解しやすくするために、様々な説明及び図面が提示されている。当業者は、本発明の精神から逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。これらの変更及び変形は、本発明の範囲内である。
（参考文献）

Claims (27)

1. オブジェクトについて、各層が切断面を有する複数の層を作製すること、
   材料を蒸発させずに表面材料を溶融して液体材料を排出するために又は前記表面材料を酸化するために強度、パルス幅およびパルスレートが設定されたパルスレーザーを使用して各層の前記切断面に複数のフィ－チャーを切り出すこと、
   通常の電解研磨電位よりも高い電位を用いて、希酸溶液で前記切断面を電気バリ取りすることにより、前記切り出し後の各層の前記切断面からバリを除去すること、及び
   前記複数の層を積層組立して前記オブジェクトを形成すること、を含む、レーザー微細加工及び組立プロセス。
2. 前記複数の層は金属である、請求項１に記載のプロセス。
3. 前記金属は銅である、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記パルスレーザーは、エネルギーが約５６ｕＪである場合、前記表面において約３２ｕＪの有効エネルギーが得られる、請求項３に記載のプロセス。
5. 前記レーザーは、波長が５３２ｎｍであり、焦点距離が１００ｍｍであるレンズを有する、請求項３に記載のプロセス。
6. 前記レーザーは、ビームスポット径が約１２．９８ｕｍである、請求項３に記載のプロセス。
7. 前記複数の層は、金属合金である、請求項２に記載のプロセス。
8. 前記複数の層は、金属、セラミック、ポリマー、複合材料からなるグループから選択される、請求項１に記載のプロセス。
9. 前記複数の層は、磁気、圧電、焦電、熱電、又は超伝導の性質を有する、請求項１に記載のプロセス。
10. 前記複数の層において複数のアライメント穴を備えた複数のアライメントピンを使用して、積層組立において前記複数の層をアライメントすることを更に含む、請求項１に記載のプロセス。
11. 前記バリを除去することは、約５ボルトで３０秒間の間、リン酸中で行われる、請求項１に記載のプロセス。
12. 各層は、前記切り出し中に基板に結合されるか、又は電気めっきされる金属箔である、請求項１に記載のプロセス。
13. 複数の異なる層は、製造に互換性のない材料を含む、請求項１に記載のプロセス。
14. 材料を蒸発させずに溶融して液体材料を排出するために強度、パルス幅およびパルスレートが設定されたパルスレーザーを使用して前記材料の切断面に複数のフィ－チャーを切り出すこと、及び
    通常の電解研磨電位よりも高い電位を用いて、希酸溶液で前記切断面を電気バリ取りすることにより、前記切り出し後の前記切断面からバリを除去すること、を含む、レーザー微細加工プロセス。
15. 前記切断面は金属である、請求項１４に記載のプロセス。
16. 前記金属は銅である、請求項１５に記載のプロセス。
17. 前記パルスレーザーは、エネルギーが約５６ｕＪである場合、前記表面において約３２ｕＪの有効エネルギーが得られる、請求項１６に記載のプロセス。
18. 前記レーザーは、波長が５３２ｎｍであり、焦点距離が１００ｍｍであるレンズを有する、請求項１７に記載のプロセス。
19. 前記レーザーは、ビームスポット径が約１２．９８ｕｍである、請求項１７に記載のプロセス。
20. 前記切断面は、金属合金である、請求項１６に記載のプロセス。
21. 前記切断面は、金属、セラミック、ポリマー、複合材料からなるグループから選択される、請求項１５に記載のプロセス。
22. 前記切断面は、磁気、圧電、焦電、熱電、又は超伝導の性質を有する、請求項１５に記載のプロセス。
23. 前記バリを除去することは、約５ボルトで３０秒間の間、リン酸中で行われる、請求項１５に記載のプロセス。
24. 切断面と裏面とを有するシリコン又はシリコン系ウェーハのレーザー微細加工プロセスであって、
    強度、パルス幅およびパルスレートが設定されたパルスレーザーを使用して前記ウェーハに前記切断面から前記ウェーハを介して前記裏面に複数のフィ－チャーを切り出し、切除したシリコンを粒状の酸化ケイ素に酸化すること、
    前記シリコンの部分的な気化により前記切り出し中に形成された蒸気泡からの圧力で、前記ウェーハの前記裏面から前記粒状の酸化ケイ素を排出すること、及び
    前記切り出し 後に、電位の存在下で希酸溶液を用いて前記切断面を電気バリ取りすることにより、前記切断面からバリを除去すること、を含む、シリコンウェーハ又はシリコン系のレーザー微細加工プロセス。
25. シリコンウェーハ又はシリコン系のレーザー微細加工プロセスであって、
    強度、パルス幅およびパルスレートが設定されたパルスレーザーを使用して前記ウェーハの切断面に複数のフィ－チャーを切り出し、切除したシリコンを粒状の酸化ケイ素に酸化すること、
    前記切り出し後に、前記ウェーハをフッ化水素酸の蒸気に晒して、前記粒状酸化ケイ素をガス状フッ化ケイ素に変換させて除去すること、及び
    前記切り出し後に、電位の存在下で希酸溶液を用いて前記切断面を電気バリ取りすることにより、前記切断面からバリを除去すること、を含むシリコン又はシリコン系ウェーハのレーザー微細加工プロセス。
26. 前記希酸溶液は、フッ化水素酸を含む、請求項２４に記載のプロセス。
27. 前記希酸溶液は、フッ化水素酸を含む、請求項２５に記載のプロセス。

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