JPH09239570A - 微細加工方法および微細加工構造物 - Google Patents
微細加工方法および微細加工構造物Info
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Abstract
工技術を提供する。 【解決手段】 シリコン基板10にカンチレバー11の
ような微細構造物を形成し、カンチレバー11の一部に
レーザー光を照射して加熱することにカンチレバー11
を折り曲げる。この折り曲げられた2本のカンチレバー
11は、あらかじめ加工された水晶基板10の貫通穴1
4に通され、先端部15を加熱する。加熱された先端部
15は、太くなると同時に短くなっていくため、水晶基
板12をシリコン基板10上にがたつきなく固定するこ
とができる。このような方法で微細構造物の一部を加熱
することによって、塑性変形を生じさせ、折り曲げ加
工、変形加工を行うことにより、立体的な微細加工構造
物の構築、組立を行う。
Description
造物を形成する微細加工方法およびその加工方法によっ
て形成された微細加工構造物に関する。
する、いわゆるマイクロマシニングは、様々な分野での
応用が期待されている。現在の微細加工技術としては、
2次元的なフォトリソグラフィー技術と異方性エッチン
グ技術を組み合わせた方法が主に用いられ、数マイクロ
メートルから数ミリメートル程度の微細構造物を形成す
ることが行われている。この他に、レーザー光によっ
て、被加工物を切断して、2次元的な構造を形成する技
術もある。また、接合技術としては、陽極接合技術など
によって、シリコン基板どうし、あるいはシリコン基板
とガラス基板などの接合が行えることが知られている。
加工技術における限界は、複数の部品を組み合わせて、
3次元的な構造を形成した場合においても、構造物の3
次元的な高さは、元の基板の厚さに制約されてしまうと
いう点である。この点は、可動構造物や三次元センサー
などを作る上で大きな障害になっている。
物を作ることが難しいという点も挙げられる。この多層
構造の構築については、基板の接合技術があるが、基板
の接合においては、接合のために加熱などの処理が必要
であり、熱膨張率の差や接合面の状態に依存した接合強
度や耐久性にばらつきが生じやすい。また、一定の範囲
の接合面を必要とすることから、基板の中に占める接合
面の面積が機能部分に対して大きくならざるを得なくな
るとともに、複雑な構造を組み立てるのには不向きであ
るという種々の問題点があった。
物の形成における課題を解決するために、本発明は、微
細構造物に対して、加熱手段によって局所的に加熱する
ことによって、塑性変形を生じさせ、3次元的な構造物
を形成するようにした。またこのような加工方法によ
り、熱可塑性を有する微細構造物の塑性変形部からなる
3次元的構造物で形成された微細加工構造物が得られる
ようにした。さらに、複数の微細構造物を塑性変形部に
よって接合することにより、さらに複雑な微細加工構造
物を得ることが可能となる。
いて、加熱手段によって局所的に加熱することによって
塑性変形を生じさせ、3次元的な構造物を形成するよう
にしたものである。
トリソグラフィーおよび異方性エッチング技術によって
容易に形成することができる。上記加熱手段は電磁波の
照射にともなう電磁波エネルギーの微細構造物における
吸収によって加熱するものが効果的である。さらに、そ
の電磁波としてはレーザー光線が容易に適用できる。
ー様の構造を有するようにし、そのカンチレバー様の構
造の一部を加熱することによってカンチレバーを折り曲
げて、3次元的な構造物を形成することもできる。ある
いは、上記微細構造物は内部に細い接続部を有するよう
にし、その接続部を加熱することによって、接続部を折
り目として3次元的な構造物を形成するようにもでき
る。
レバー様の構造を有し、そのカンチレバー様の構造の先
端部分を加熱することで、先端部分を溶解し、カンチレ
バーの先端部分の径を溶解前より太く形成することも可
能である。そしてまた、カンチレバー様の構造を有する
第1の微細構造物のカンチレバーを、貫通穴を有する第
2の微細構造物の貫通穴に通し、貫通したカンチレバー
の先端を加熱手段で加熱することによって塑性変形さ
せ、第1の微細構造物と第2の微細構造物を接合するこ
ともできる。
て、保護するのがよい。その電磁波遮光材料は金属薄膜
がよい。電磁波は導波体によって伝搬するようにし、導
波体端面からの電磁波の照射によって局所的な加熱を行
うようにすることができる。
端部の端面に微小開口が形成されるべく、電磁波遮断材
料で被覆するとよい。そして、弾性部を有する導波体の
先端部分の弾性的変位を検出し、導波体の先端部分が所
定の位置となるように制御することにより、導波体の先
端部分が被加工物表面に弱い力で接触して加工すること
により、さらに微細でかつ広範囲な加工が可能となる。
を有する微細構造物の、局所的な加熱によって形成され
る塑性変形部からなる3次元的構造物で形成された微細
加工構造物が得られる。上記微細構造物は単結晶基板に
対するフォトリソグラフィーおよび異方性エッチング技
術によって形成することができる。
水晶が適している。そして、複雑な加工構造物でも、カ
ンチレバー様の構造を有する第1の微細構造物と、貫通
穴を有する第2の微細構造物からなり、第1の微細構造
物のカンチレバーを第2の微細構造物の貫通穴に通し、
貫通したカンチレバーの先端部を加熱して形成される塑
性変形部により第1の微細構造物と第2の微細構造物を
接合して3次元的構造物を形成することにより容易に実
現可能となる。
して説明する。図1は、本発明の微細加工方法の一例を
示したものである。シリコン単結晶基板1上にフォトリ
ソグラフィーおよび異方性エッチング技術によって形成
したカンチレバー2の一部に、炭酸ガスレーザー3から
発生されレンズ4等の光学系で収束されたレーザー光5
を照射すると、レーザー光5が照射された部分では、光
エネルギーを吸収することによって、熱が発生し、この
熱によって、レーザー光5を照射した側のシリコンの一
部が融解し、この融解部分の表面張力によって、レーザ
ー光5を照射した側にカンチレバー2を折り曲げること
ができる。すなわち、この加工により図1(a)から図
1(b)へと変形する。
カンチレバー2に対して、カンチレバー先端からみて垂
直よりも大きな角度にすることによって、折り曲げる角
度を90度以上にすることも可能である。また、レーザ
ー光5のビーム径を大きくすることによって、曲げ部分
の曲率を大きくすることができ、逆にビーム径を小さく
することで、曲率を小さくできる。
せる折り曲げ方法を示したものである。図2において、
構造内部に部分的に細く形成された接続部7を有するシ
リコン単結晶基板6の接続部7に炭酸ガスレーザー3の
レーザー光5を順次繰り返し照射することで、接続部7
を軟化させることによって、重力あるいは加えた力の方
向に角度を変えることができる。すなわち、この加工に
より図2(a)から図2(b)へと変形する。
ザー光5のビームの位置やビーム径の制御が重要である
が、被加工部位の周辺を電磁波を遮断する金などの金属
材料によって、あらかじめ被覆しておくことで、エネル
ギーの吸収は被覆されていない部分で選択的に起こるた
め、加工精度を上げることができる。
の例を示したものである。ここでは、図1で示した折り
曲げ加工を施したカンチレバー8の先端部9を加熱する
ことで、先端部9を溶解し、その表面張力によって球状
に変形させることにより、カンチレバー8の先端部9の
径を溶解前より大きくすることができることを示してい
る。
わせることによって、微細構造物の組立を行うことがで
きる。図4は、水晶発振用の回路等を内蔵し、カンチレ
バー11状の構造を形成したシリコン基板10と、音叉
型水晶振動子13を含み周辺に貫通穴14を有する水晶
基板12とを一体化する方法を示したものである。
1状の構造を有するシリコン基板10について、図1に
示した加工方法により、図4(b)のようにカンチレバ
ー11の折り曲げを行う。この折り曲げられた2本のカ
ンチレバー11は、図4(c)のようにあらかじめ加工
された水晶基板10の貫通穴14に通され、貫通した先
端部15が加熱される。加熱された先端部15は、太く
なると同時に短くなっていくため、図4(d)のように
水晶基板12をシリコン基板10上に、がたつきなく固
定することができる。
の電極パターンの電気的な接続は、ワイヤボンディング
によって、容易に行うことができる。また、シリコン基
板を同様に積み上げることで、多層構造のICの構成が
可能である。この接合は、個々の部品に分離した後行う
方法と、ウエハー単位で接合し、後で、個々のチップに
切断する方法とがある。
用いる圧力センサー20の構成方法を示す。まず、図5
(b)のように中央に電極21を有し、4本のカンチレ
バー23を形成したシリコン基板22について、カンチ
レバー23部分を図1で示した方法で折り曲げる。次
に、図5(a)のような、電極25を形成したダイヤフ
ラム26を有するシリコン基板24に、貫通穴27を形
成する。カンチレバー23をこの貫通穴27に通し、貫
通したカンチレバー23の先端を加熱することで、シリ
コン基板22とシリコン基板24を接合させることがで
きる。
ー20を組み立てることができる。なお、低粘度の高分
子系接着剤を両基板の間に塗布することによって、さら
に基板間の気密性を高めることもできる。次に、本発明
の加工技術を用いた微小自走機構30の構成例について
説明する。図6において、くし歯型の変位機構32が2
つ形成されたZ板水晶基板31に、8つの貫通穴33を
形成する。また、くし歯型変位機構35が1つ形成され
たZ板水晶基板34には2つのカンチレバー36を形成
する。図では、簡単のためZ板水晶基板34は1枚しか
描かれていないが、4枚のZ板水晶基板34の各カンチ
レバー36を8つの貫通穴33に通した後、貫通したカ
ンチレバー36の先端を、図3に示した方法を用いて加
熱変形させる。このようにして、1枚のZ板水晶基板3
1に対して4枚のZ板水晶基板34が、塑性変形部によ
って接合された3次元構造物が形成される。ここで、く
し歯型の変位機構32、35の部分には、図6中に縞線
で示した水晶棒の4面に個別に電極が形成されており、
電圧を印加することで、水晶板のX結晶軸方向の変位が
得られるようになっている。
の動作の説明図を示す。図7(a)で、上部の台となる
1枚のZ板水晶基板31が、脚となる4枚のZ板水晶基
板34に支えられている。各Z板水晶基板34に形成さ
れたくし歯型変位機構が、矢印で示す方向に伸縮するこ
とにより、微小自走機構30の可動部を構成する。図7
(b)では、中央の2本の脚を伸ばし両端の2本の脚を
縮めることによって、中央の2本の脚で本体を支えると
ともに、上部の変位機構の一方を伸ばし一方を縮めてい
る。次に、図7(c)では、両端の2本の脚を伸ばし中
央の2本の脚を縮めることによって、両端の2本の脚で
本体を支えるとともに、上部の変位機構の伸縮を逆転さ
せる。このような図7(b)と図7(c)の動作を繰り
返すことによって、自走機構30を図7(c)の矢印の
方向に移動させることができる。
加速度センサー40の構成例を示したものである。図8
(a)において、Z板水晶板41には、平面的に3つの
加速度センサー42、43、44が形成されている。各
加速度センサーは、おもり45、4面個々に電極を配置
したセンサー部46、およびたわみによってセンサー部
46に生じる電荷を検出するための電極端子47によっ
て構成されており、水晶のX結晶軸方向の変位に対して
電荷が発生するようになっている。この平面的に形成さ
れた水晶板に対して、図8(b)に示すように、中央の
センサー部43を基準に1つのセンサー部42を垂直方
向に折り曲げ、もう一つのセンサー部44を水平方向9
0度に折り曲げることによって、3次元加速度センサー
40を構成することができる。この3次元加速度センサ
ー40は、さらに駆動回路を構成したシリコン基板の上
に既に示した実施例の加工方法に従って取り付けること
も可能である。各加速度センサーの配線に関しては、あ
らかじめワイヤーボンディング法によって、平面的に結
線した後折り曲げ操作を行うことも可能である。
モーター50の構成例を示す。図9(a)に示すよう
に、静電モーターは、ローター51、上部軸受け52お
よび下部軸受け53から構成される。ローター51は、
直径60マイクロメートル程度の石英ファイバーの中央
部に低融点ガラスのキャピラリを融着して形成されてお
り、ローター51の片側のみに電荷を与えるために、片
側の面に電極53が蒸着されている。
されており、下部軸受け基板54の支柱55を通すため
の4つの貫通穴56が形成されているとともに、ロータ
ー51を通すための穴が中央に形成されている。中央の
穴には、ローター51に対して電気的な接続を行うため
に、斜線部で示す部分に電極57が形成されている。
成されており、ローター51を通すための穴が中央に形
成されているとともに、ローター51を回転させるため
の電極を形成した8本の支柱55が、本発明の折り曲げ
技術によって形成されている。この支柱のうち4本が長
い支柱で、4本が短い支柱である。短い支柱は、上部軸
受け基板52を支え、長い支柱は上部軸受け基板52を
貫通し、本発明の接続技術によって、貫通した支柱の先
端部が融解され、上部と下部の軸受けの接合が行われ
る。ローター51の軸についても、ローターとして回転
できる範囲で、両端部が融解される。
の断面図を図9(b)に示す。ローター51に正または
負の電荷を与え、支柱55に与える電荷を順次変化させ
ることによって、ローターを回転させることができる。
このようにして形成した静電モーター50は、ローター
長を従来の基板のエッチングで形成した静電モーターに
比べて軸方向に長くできるため、より大きなトルクを得
ることができる。
リソグラフィーおよび異方性エッチング技術によって形
成された微細構造物を加熱手段によって局所的に加熱す
ることによって、塑性変形を生じさせ、3次元的な構造
物を形成することができる。なお、加工対象物は、単結
晶基板に関わらず、レーザーによって、切断加工された
ガラス基板なども適用可能である。
酸ガスレーザーを用いたが、この他に、一酸化炭素レー
ザー、エキシマレーザー、YAGレーザー、アルゴンイ
オンレーザーなど各種のレーザーを利用することができ
る。この際、レーザー光の被加工物におけるエネルギー
吸収率に応じて、照射光の強度を変化させる必要があ
る。炭酸ガスレーザーによって、100nm径のシリコ
ン基板のカンチレバーを折り曲げるのには、1〜10W
程度の出力強度のレーザー装置が必要である。
ようなレーザーに限られるものではなく、加工対象とな
る試料に吸収波長を有するような電磁波であればよい。
上記実施例では、そのような電磁波の中で一般的な、レ
ーザー光線を用いたものである。
ービームをレンズで集光して、加工を行ったが、この場
合は、炭酸ガスレーザーでは、波長の制約から加工分解
能は10マイクロメートル程度となる。さらに微細な加
工を行う必要がある場合は、導波路を用いればよい。炭
酸ガスレーザーの場合は、銀ハライド(塩化銀、臭化
銀)系多結晶ファイバーあるいはカルゴゲン元素(S、
Se、Te)系のガラスファイバー等を導波路として用
いることができる。
路60に、先端部以外を金などの電磁波反射材料61で
コーティングすることによって、1マイクロメートル程
度の領域にレーザー光を照射することも可能である。こ
の場合、被加工物62に対して、近接した状態で、水平
方向に移動させて加工を行う。ここで、導波路60先端
と被加工物62の距離を制御することによって、より精
度良い加工を行うことができる。
物62の距離を制御するための機構の構成例を示したも
のである。図11では、弾性を有するカンチレバー状の
導波路プローブ63を被加工物62に近づけ、変位検出
手段64によって、導波路プローブ63の弾性的なたわ
みを検出することで、弱い力で、導波路プローブ63の
先端が被加工物62に接触するようになっている。この
距離制御のために、Z軸変位手段65が用いられ、XY
走査手段66によって、平面方向の移動が行われ、これ
らは、コントローラ67によって、制御される。この方
法によれば、被加工物の形状を導波路プローブ63の先
端でトレースすることによって、モニターすることがで
き、より精度の高い加工を行うことができる。
され、以下に記載されるような効果を奏する。微細構造
物に対して、加熱手段によって局所的に加熱することに
よって、塑性変形を生じさせることによって、従来の加
工技術では、困難であった、微細構造物の折り曲げ加工
および微細な先端部の変形加工を行うことが可能になっ
た。これによって、従来の加工法では難しかった、微細
構造物どうしの接合を可能にし、3次元的な構造物を形
成することが可能になった。
の折り曲げ加工法の説明図である。
曲げ法の説明図である。
の加工方法の説明図である。
基板と水晶振動子基板の接合法の説明図である。
型圧力センサーの構成法の説明図である。
説明図である。
の動作機構の説明図である。
センサーの形成方法の模式図である。
ターの構成と加工方法の法の模式図である。
模式図である。
駆動装置の模式図である。
Claims (18)
- 【請求項1】 微細構造物の加工において、加熱手段に
よって局所的に加熱することによって塑性変形を生じさ
せ、3次元的な構造物を形成することを特徴とする微細
加工方法。 - 【請求項2】 前記微細構造物が単結晶基板に対するフ
ォトリソグラフィーおよび異方性エッチング技術によっ
て形成される請求項1記載の微細加工方法。 - 【請求項3】 前記加熱手段が電磁波の照射にともなう
電磁波エネルギーの微細構造物における吸収によって加
熱するものである請求項1記載の微細加工方法。 - 【請求項4】 前記電磁波がレーザー光線である請求項
3記載の微細加工方法。 - 【請求項5】 前記微細構造物は一部にカンチレバー様
の構造を有し、該カンチレバー様の構造の一部を加熱す
ることによって前記カンチレバーを折り曲げ、3次元的
な構造物を形成する請求項1記載の微細加工方法。 - 【請求項6】 前記微細構造物は内部に細い接続部を有
し、該接続部を加熱することによって、前記接続部を折
り目として3次元的な構造物を形成する請求項1記載の
微細加工方法。 - 【請求項7】 前記微細構造物が一部にカンチレバー様
の構造を有し、該カンチレバー様の構造の先端部分を加
熱することで、該先端部分を溶解し、前記カンチレバー
の先端部分の径を溶解前より太く形成する請求項1記載
の微細加工方法。 - 【請求項8】 カンチレバー様の構造を有する第1の微
細構造物の前記カンチレバーを、貫通穴を有する第2の
微細構造物の前記貫通穴に通し、貫通した前記カンチレ
バーの先端を前記加熱手段で加熱することによって前記
カンチレバーの先端を塑性変形させ、前記第1の微細構
造物と前記第2の微細構造物を接合する請求項1記載の
微細加工方法。 - 【請求項9】 被加工部位の周辺が電磁波遮光材料によ
って、保護されている請求項3記載の微細加工方法。 - 【請求項10】 前記電磁波遮光材料が金属薄膜である
請求項9記載の微細加工方法。 - 【請求項11】 前記電磁波が導波体によって伝搬さ
れ、前記導波体端面からの電磁波の照射によって局所的
な加熱を行う請求項3記載の微細加工方法。 - 【請求項12】 前記導波体の先端部分が尖鋭化され、
前記先端部の端面に微小開口が形成されるべく、電磁波
遮断材料で被覆された請求項11記載の微細加工方法。 - 【請求項13】 前記導波体には弾性を有する部分が有
り、前記導波体の先端部分の弾性的な変位を検出して、
前記導波体の先端部分が所定の位置となるように制御す
ることにより、前記導波体の先端部分が被加工物表面に
弱い力で接触して加工する請求項11記載の微細加工方
法。 - 【請求項14】 熱可塑性を有する微細構造物の、局所
的な加熱によって形成される塑性変形部を有する3次元
的構造物で形成されることを特徴とする微細加工構造
物。 - 【請求項15】 前記微細構造物が単結晶基板に対する
フォトリソグラフィーおよび異方性エッチング技術によ
って形成される請求項14記載の微細加工構造物。 - 【請求項16】 前記単結晶基板がシリコンで構成され
る請求項15記載の微細加工構造物。 - 【請求項17】 前記単結晶基板が水晶で構成される請
求項15記載の微細加工構造物。 - 【請求項18】 少なくとも、カンチレバー様の構造を
有する第1の微細構造物と、貫通穴を有する第2の微細
構造物とからなり、前記第1の微細構造物のカンチレバ
ーを前記第2の微細構造物の貫通穴に通し、貫通した前
記カンチレバーの先端部を加熱して形成される塑性変形
部により前記第1の微細構造物と前記第2の微細構造物
を接合した3次元的構造物が形成される請求項14記載
の微細加工構造物。
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