(57)【要約】多層マイクロ構造装置は、嵌め合い位置合わせ構造体により、互いに対して位置合わせが行われている第１，第２層を、備えている。第１層は、多数のマイクロ構造要素を備えているマイクロ構造マスターのポジティブ複製であり、第２層は、同じマイクロ構造マスターのネガティブ複製であり、一対の嵌め合い位置合わせ構造体の各々は、マスター上の同じマイクロ構造要素から由来している。
2005531816.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２層（２ａ，２ｂ）からなり、両層が嵌め合い位置合わせ構造体（３ａ，３ｂ）によって互いに対して位置合わせされている、多層マイクロ構造装置（１）であって、
第１層（２ａ）がマイクロ構造マスター（１０）のポジティブ複製であり、
第２層（２ｂ）が同じマイクロ構造マスター（１０）のネガティブ複製であり、
嵌め合い位置合わせ構造体（３ａ，３ｂ）の各対が、マスター（１０）上の同じマイクロ構造要素（３ａ，３ｂ）に由来していることを特徴とする多層マイクロ構造装置。
【請求項２】
ポジティブ又はネガティブ複製が、位置合わせ構造体以外のマイクロ構造要素を備えている、請求項１記載の多層マイクロ構造装置。
【請求項３】
マイクロ構造マスター（１０）が、少なくとも１つの深いマイクロ規模構造体（３ａ，３ｂ，４）と、少なくとも１つの浅い表面レリーフ（７）とを、備えており、それらが、上記嵌め合い位置合わせ構造体（３ａ，３ｂ）によって互いに対して位置合わせされている、請求項１又は２に記載の多層マイクロ構造装置。
【請求項４】
深いマイクロ規模構造体が、ファイバー位置合わせ溝（４）である、請求項３記載の多層マイクロ構造装置。
【請求項５】
浅い表面レリーフが、機能要素の少なくとも一部を構成している構造体の中から選択されており、機能要素は、マイクロ光学構造体、回折構造体（７）、マイクロ流体構造体、化合物や粒子の固定化用基板構造体、超小型電子回路、マイクロ機械構造体、及びそれらの組み合わせの中から選択されている、請求項３記載の多層マイクロ構造装置。
【請求項６】
多層マイクロ構造装置の製造方法であって、該装置が、第１及び第２層からなっており、該両層が、少なくとも１つの機能要素と、該機能要素に関連した信号導体を位置合わせするための構造体とを、備えており、両層が、嵌め合い位置合わせ構造体によって互いに対して位置合わせできるものであり、製造方法が、以下の工程を備えていることを特徴とする多層マイクロ構造装置の製造方法。
（ａ）上記装置の上記第１及び第２層を表す多数の部分を備えたマスターを、製造する工程；
（ｂ）マスターが、両層と、リソグラフィー法の有効な精度によって互いに対して機能要素と同様に位置合わせされる信号導体とを、位置合わせするための両構造体を、備えるように、所望の機能要素及び位置合わせマイクロ構造体を形成する工程；
（ｃ）上記マスターと同じ極性を有する第１コピー体及び逆の極性を有する第２コピー体である、上記マスターの２つのコピー体を、形成する工程；
（ｄ）同じマスターから由来している位置合わせ構造体を有する多層装置の両層を持っている、第１及び第２プラスチックディスクを、形成する工程；及び
（ｅ）ディスクを、多層装置の個々の第１及び第２層へ、さいの目状に切る工程。
【請求項７】
シリコン・マスターが、電子ビームリソグラフィー及び／又はフォトリソグラフィーのような、リソグラフィー法を、用いて製造される、請求項６記載の方法。
【請求項８】
工程（ｃ）のコピー体が、金属で電気メッキすることによって作られる、請求項６記載の方法。
【請求項９】
工程（ｄ）のプラスチックディスクが、工程（ｃ）のコピー体を成形表面として用いて、射出成形又は他の成形方法によって作られる、請求項６記載の方法。
【請求項１０】
請求項６記載の方法の中間生成物であって、同じマスターから由来している位置合わせ構造体を有する多層装置の、少なくとも１つの層を持っている、熱可塑性プラスチックディスクからなっていることを特徴とする中間生成物。
【請求項１１】
請求項６〜１０のいずれかに記載の方法によって得ることができる多層装置。
【請求項１２】
同じマスターから由来しており且つ少なくとも約±５μｍの位置合わせ精度を示す位置合わせ構造体を、有する多層装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
発明の属する分野
本発明は、多層マイクロ構造装置であって、特に、嵌め合い位置合わせ構造体を備えている多層マイクロ構造装置に関する。
【０００２】
発明の背景
光ファイバーは、最新の通信システムのためだけでは無い、重要な要素を提供する。結合光をファイバーに入出力するため、高効率なファイバー／導波管コネクタが開発されることが必要である。
【０００３】
光ファイバーは、以前より、例えば、主要都市間を結ぶ、光基幹ネットワーク内における、長距離情報移送で使用されてきた。送信器と受信機との間の距離が短くなるにつれて、安価な導波管コネクタの需要が増加した。例えば、家庭まで接続されているファイバー網（ＦＴＴＨ）のアプリケーションにおいて、エンド・ユーザが使用している１又は複数の光ファイバーに接続されている装置は、電話線のジャックやプラグといった受容者の製品が、これに相当する。他のアプリケーションは、光ファイバーと、信号を送受信するための部品の間をつなぐ、あらゆるインターフェースを含むものである。
【０００４】
導波管接続の幾つかのタイプのものが、既に知られている基板／担体として、エッチングされたシリコン・チップを用いて組み立てられている。シリコン・チップは、しかしながら、製造コストが高く、且つ、導波管接続が押さえられたときに、受けやすいが、強い力で押されると、壊れやすい。ファイバーオプティックコネクタを大規模に使用するため、マイクロ装置化したコネクタは、特に、コストについての解法を備え、強度的に強く完成できるものでなければならない。
【０００５】
幸い、大半のマイクロ構造体は、例えば、シリコンやガラス基板等に、技術的に、製造することができるものであり、また、熱可塑性プラスチック材料で複製することができるものである。自身の複製は、費用のかかる処理ではないため、例えば、フォトリソグラフィー、電子ビームリソグラフィー、ウェット／ドライ・プラズマエッチング処理等の、装置を製造する進歩したマイクロメカトロニクス・システム（ＭＥＭＳ）を、用いる経済的な余裕がある。
【０００６】
シリコンに比べ、熱可塑性プラスチック材料は、良好な絶縁特性を有している。熱可塑性プラスチック材料は、また、透明であり、所望する場合には、このことは、集積光学上の利点になる。更に、熱可塑性プラスチックは、シリコンよりも安価な原料である性質を持つ。
【０００７】
複製された重合基板は、ファイバーオプティック送信機／受信機のモジュールを構成するのに使用できる。該モジュールは、ファイバー位置合わせ溝と、光ファイバーと、ＰＮダイオード、ＬＥＤ、面発光型半導体レーザ（ＶＣＳＥＬｓ）、増幅器、駆動電子機器、集積回路等の半導体構成部品といった、マイクロ構造装置を有している。基板は、また、結合された光を整える改良されたビーム用のマイクロ光学面や、所望の方法でハーネスライトを生成する回折光学要素といった、統合機能要素や部品を内包する。
【０００８】
マイクロ機械加工技術により、小型化されたコネクタを製造することができ、且つ、複製技術が、プラスチック材料を用いた低コストの装置を製造するのに使用することができる。
【０００９】
所望の機械特性や光学特性を達成するため、１又はそれ以上の複製要素が、しばしば、重層構造体を形成している各々の頂部上に接着される。異なる層は、それゆえ、異なる機能を有することもある。例えば、米国特許US.5,984,534号には、光ファイバーを調整するＶ字溝を備えている第１層と、光ファイバー用の蓋と保持装置として機能する第２層とを備えている二重層のマイクロ構造装置が、開示されている。
【００１０】
多層マイクロ構造装置内の層が、高精度で互いに対して位置合わせが行われているということは、たびたび、非常に重要なことになる。位置合わせは、連続する層の対向面内の位置合わせ構造体の形成により、又は、組み立て手順内の能動的な位置合わせを行う工程により、実行することができる。しかしながら、既存の位置合わせ構造体を用いて正確な位置合わせを高い次元で実行することは難しい。というのは、追加の能動的な位置合わせが、しばしば、要求され、且つ、能動的な位置合わせは、時間を費やし、費用がかかるためである。
【００１１】
発明の概要
本発明の目的は、従来の多層マイクロ構造装置の課題を解決した、新しい多層マイクロ構造装置を提供することである。これは、請求項１で明確にされている多層マイクロ構造装置により達成される。この装置の製造方法は、請求項６で明確にされている。本発明の好ましい実施例は、従属する請求項により明確にされている。添付されている請求項は、以下に参照文として取り込まれる。
【００１２】
多層マイクロ構造構成装置の１つの利点は、改良された正確な位置合わせが、嵌め合い位置合わせ構造体によって得られることであり、高精度な位置決めを実行するために、能動的な位置合わせを行う必要が無くなることである。
【００１３】
他の利点は、多層マイクロ構造装置を製造する方法が、低コストであることである。さらに他の利点は、本発明の方法が、容量の大きな製品に非常に適していることである。
【００１４】
さらに、他の利点は、２重層のマイクロ構造装置における何れの層も、単一のマスターから製造されることである。
【００１５】
更なる問題と、その解法と、その利点は、説明や例から自明と成るであろう。
【００１６】
図面の簡単な説明
本発明は、以下の図面を参照しつつ詳細に説明される。
【００１７】
図１は、本発明の多層マイクロ構造装置の断面図を示す。
【００１８】
図２ａは、本発明の実施例の多層マイクロ構造装置を製造するためのマスター・レイアウトの平面図を示す。
【００１９】
図２ｂは、図２ａのマスター・レイアウトのポジティブ複製のＡ-Ａ断面図を示す。
【００２０】
図２ｃは、図２ａのマスター・レイアウトのネガティブ複製のＡ-Ａ断面図を示す。
【００２１】
図３は、本発明の実施例の中間生成物を詳細に示す図である。
【００２２】
好ましい実施例の詳細な説明
一般に、本発明の多層マイクロ構造装置は、少なくとも、第１，第２のマイクロ複製された層を備えている。層は、熱可塑性プラスチック材料や同様の材料等の高分子材料の射出成形により形成されている。しかしながら、例えば、紫外線硬化型樹脂を使用する複製のような、マイクロ複製された層を生成する他の方法が、使用されてもよい。
【００２３】
所望の機械的、光学的特性を得るため、層は、嵌め合い位置合わせ構造体により、互いに対して位置合わせが行われている。正確な位置合わせを高い次元で実行するため、層は、以下のように形成される。即ち、層は、第１層が、マイクロ構造マスターのポジティブ複製であり、第２層が、同じマイクロ構造マスターのネガティブ複製であり、更には、一対の嵌め合い位置合わせ構造体が、マスター上の同じマイクロ構造要素から由来するように、形成される。
【００２４】
本発明の多層マイクロ構造装置の特性は、ここでは、光ファイバー導波管接続の形態で詳細に説明されるが、本発明の多層マイクロ構造装置は、多層マイクロ構造装置が２又はそれ以上の層の高精度な位置合わせを必要とする数々の状況に合うようになっていることが理解されるはずである。
【００２５】
上記装置の例には、機能要素が、光ファイバー、導電線や同様のもの、又は、通信路や細孔等、の信号導体に、接続され、且つ、位置合わせされる、あらゆるコネクタがある。上記装置は、生体素子やその部分、マイクロ流体構造体、マイクロ機械構造体、マイクロメカトロニクス構造体、光電気構造体、光機械構造体、光学構造体、その組合せと同様に、コンピュータや遠隔通信のアプリケーションのための構成部品を形成する。上記装置は、また、生体素子、マイクロ流体構造体、マイクロ機械構造体、マイクロメカトロニクス構造体、光学構造体、又は、それらの組合せ、を構成するものでもよい。
【００２６】
機能要素は、信号導体を介して、入出力される、信号やデータに、相互作用する、あらゆる機能要素がある。機能要素の例には、回折や屈折構造体、例えば、回折光学要素、コリメータ・フレネルレンズ，軸外回折レンズ，散開要素のようなレンズといった、マイクロ光学構造体が含まれている。機能要素の更なる例には、導体からの何れかの信号、又は、導体に接触した時にもたらされる環境や標本、に対して、物理的、科学的、生化学的に相互作用する要素であって、導体を介して導かれた信号を発信するものが、含まれる。科学的、物理的、生化学的なセンサは、上記要素の例である。これらは、例えば、表面上に所望の物質を堆積し、固定する技術等、周知の技術により表面に製造できる。ここで、“物質”とは、非常に広い概念であり、ペプチド、プロテイン、高分子、細胞小器官、細胞、微生物のような生物学上の物を含む、有機・生物学上の化合物と同様に、金属、不活性化合物や反応性化合物、のような、無機の物質や化合物を含む。
【００２７】
図１は、第１、即ち、上部層２ａと、第２、即ち、下部層２ｂとを備えているファイバーコネクタ１の概断面図を示す。ファイバーコネクタ１は、更に、それぞれ第１，第２の層２ａ，２ｂ内に形成されている位置合わせ構造体３ａ，３ｂを備えている。Ｖ字溝４は、第２層２ｂ内に形成されており、所定の位置に光ファイバー５を保持するようになっている。Ｖ字溝４は、光ファイバー５からの光を、機能要素、ここでは、第１層２ａ内に形成されている、例えば、伝送可能な回折要素である、マイクロ光学面７へと反射するのに使用される、端部の傾斜した彫面６を、有している。
【００２８】
コネクタは、例えば、高密度波分割多重送信（ＤＷＤＭ)システムにおいて使用することができる。該システムでは、ファイバーを通り搬送された異なる波長の信号が、異なる受信機へと到達するように分割することができる。対称性のため、反対のケースの場合、異なる送信機からの光は、同一の光ファイバー５へと結合される、ことが理解される。
【００２９】
ファイバー位置合わせ溝の終端部分は、単独で用いられるとはいえ、複数の形態のファイバーにも対応していることが、理解される。本発明のある実施例によれば、装置は、リボン・ファイバー、及び／又は、多数のファイバー、を受け取るようになっている。配列のアプリケーションにおいて、本発明の装置は、多数のファイバー位置合わせ溝を有しており、各ファイバーは、１又は複数の機能要素、好ましくは１つの機能要素に関して、相対的な位置合わせが行われている。
【００３０】
更に、ファイバー位置合わせ溝に関し、ファイバーの、その軸方向に関する正確な位置合わせ、言い換えれば、ファイバーの、端部の彫面６と、例えば、マイクロ光学面７のような機能要素と、に対する正確な挿入を確実にするため、装置の上部や下部、好ましくは上部部分に、へりや段部を用意するのに適した多くのアプリケーションがある。これは、図示されていない。好ましくは、このへりや段部は、光ファイバーが、他の信号導体により置き換えられている場合、光ファイバーからの光の伝送、及び／又は、反射、又は、信号を妨げることのないように、何れも小さく、また、方向付けられている。
【００３１】
上述したように、本発明の改良された位置合わせ装置は、単一のマスター１０上の同一構造から、それぞれ由来する、第１，第２の層２ａ，２ｂの位置合わせ構造体３ａ，３ｂ上に設けられている。図２ａは、これにより達成される、マスター・レイアウト１０を示す。図２ａは、コネクタ１のマスター・レイアウト１０の平面図である。図２ｃは、図２ａのＡ-Ａ断面図である。図示されるように、マスター１０の全ての構造体は、ネガティブ（凹状）であるのに対して、図２ｂには、マスターのポジティブ（凸状）複製が示されている。
【００３２】
図２ｂに示すように、コネクタ１内の第１層２ａは、マスター１０のポジティブ複製１１内のＣ-Ｃ線から左側の部分に相当する。図２ｃに示すように、コネクタ１内の第２層２ｂは、マスターのネガティブ複製１２内のＢ-Ｂ線から右側の部分に相当する。このように、２つの層２ａ，２ｂを一緒にした場合、嵌め合い位置合わせ構造体３ａ，３ｂが、マスター１０上の同一構造体から由来し、これにより、それらは、互いに完全に一致する。この高いレベルの精度は、構造物が、個々のマスターから由来する場合には、得ることができない。というのは、２つのマスターを、特性、寸法を要求されたとおり、同じに製造することは、非常に難しいためである。
【００３３】
図２ｂ，図２ｃから明らかなように、層２ａは、層２ｂの頂部に合う前に、図２ａにおけるＤ-Ｄ回転軸に沿って回転しなければならない。この回転のため、嵌め合い位置合わせ構造体３ａ，３ｂの形状は、図２ａのＡ-Ａ線に平行な法線を備えている中央線に沿って正確に反射させた面について、対象な構造体に制限される。
【００３４】
本発明のある実施例によれば、装置１は、以下の手順で製造される。
【００３５】
最初に、シリコン・ウェハ１０の形の第１マスター１０が、生成される。マスター１０は、コネクタ１の層２ａ，２ｂを表す多数の部分を包含している。各マスター・ウェハ１０上の複数の層部分は、各コネクタ層２ａ，２ｂの寸法を特定する。各コネクタ層部分２ａ，２ｂは、以下の工程で、マスター・ウェハ１０内に形成される。
ａ）結晶面（１０）である、シリコン・ウェハ１０上の表面に用いられたフォトレジスト層に、電子ビームリソグラフィーによる直接描写を行い、続いて、プラズマ・ドライ・エッチングを行うことにより、シリコン・ウェハ１０内にマイクロ光学面７を形成する。これにより、ここでは、マイクロ光学面７である、機能要素の表面レリーフは、シリコン・ウェハ１０の表面へと転写される。マイクロ光学面７は、コリメータ・フレネルレンズ，軸外回折レンズ，散開要素のような、複数の異なるタイプのものであってもよい。
ｂ）ウェハ１０上に窒化ケイ素層を堆積させる。
ｃ）フォトリソグラフィーを行い、続いて、ＫＯＨ内のシリコンに対して、窒化プラズマ・エッチングとウェット・エッチングとを行い、Ｖ字溝４と位置合わせマイクロ構造体３ａ，３ｂとを形成する。
ｄ）ウェット・エッチングにより、残っている窒化物を除去する。
【００３６】
これにより、全く同じマスター１０は、ここでは、ビームを方向付けるためのマイクロ光学面７である機能要素と同様に、後に行う、ファイバー位置合わせと二重層構造体の自己位置合わせとのための、深い構造体３ａ，３ｂと深い構造体４との両方であって、リソグラフィー法の有効な精度によって、全て、互いに対して位置合わせが行われている、深い構造体３ａ，３ｂと深い構造体４とを備えている。
【００３７】
その後、構造化されたシリコン・マスター１０の２つのコピー体は、例えば、ニッケル等の金属による電気メッキ工程により造られ、第１の複製は、（凹状の構造体部分を有している）マスター１０と同一極性の物であり、第２の複製は、（凸状の構造体部分を有している）反対の極性の物である。電気メッキによりマスターのコピー体を生成する工程は、マイクロ複製技術の分野で周知であるため、ここでは詳細な説明を行わない。
【００３８】
２つの金属のコピー体は、以下、第１，第２のプラスチックディスク（又は、熱硬化性やＬＴＶ硬化性樹脂）の射出成形（又は、例えば、型押しや鋳造のような他の成形過程）を行うための成形面として利用される。第２プラスチックディスクは、（凹状の構造体部分を有している）マスター１０と同一極性の物であり、コネクタ１内の第２層２ｂとして表されている。これにより、第１プラスチックディスクは、反対の極性を有しており、（凸状の構造体部分を内包している）コネクタ１内の第１層２ａとして表されている。
【００３９】
成形されたディスクは、この後、コネクタ層部分２ａ，２ｂへとさいの目状に切られている。これにより、光ファイバーからの光を、マイクロ光学面に向けて、反射する、第２コネクタ層部分２ｂが、周知技術により金属蒸着される。
【００４０】
最後に、第１コネクタ層部分２ａは、Ｖ字溝に置かれ、一緒に固着された光ファイバーを備えている、対応する第２コネクタ層部分２ｂの頂部に、配置される。
【００４１】
コネクタ層部分２ａ，２ｂは、マスター１０上の同一の構造物から由来する、嵌め合い位置合わせ構造体３ａ，３ｂを備えているため、位置合わせの精度は、リソグラフィー法の精度のオーダーの範囲内にある。
【００４２】
得られる位置合わせの精度は、嵌め合い位置合わせ構造体以外の追加の位置合わせを伴うことなく、コネクタ層部分２ａ，２ｂを用いて評価された。マイクロスコープは、複数のコネクタ１の位置合わせの精度を判定するために用いられ、測定値は、得られる位置合わせの精度が、リソグラフィー法の位置合わせの精度、本例の場合、約±２μｍよりも僅かに低い値（約±５μｍ）を示した。
【００４３】
他の実施例が図３に示されている。図３は、単一のマスターのポジティブ、ネガティブのインプリントの両方を持っている、形成プラスチックディスク１３の部分を略示している。コネクタ層部分１４は、ディスクから抽出された物であり、上述した位置合わせ構造体３ａ，３ｂと、その表面に機能要素１５を有している。ディスクは、対称線Ｄ-Ｄを有しており、図３の左側には、反対の位置合わせ構造体３ｂとファイバー係合Ｖ字溝４とを持っている、反対のコネクタ層部分を、確認することができる。
【００４４】
本発明は、発明者が現在認識している最良のモードを構成する、好ましい実施例に関して説明したが、当業者により、ここに添付する請求項に記載の発明の範囲を逸脱することなく、種々の変更や改良を行うことができることは、自明である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】本発明の多層マイクロ構造装置の断面図を示す。
【図２ａ】本発明の実施例の多層マイクロ構造装置を製造するためのマスター・レイアウトの状態図を示す。
【図２ｂ】図２ａのマスター・レイアウトのポジティブ複製のＡ-Ａ断面を示す。
【図２ｃ】図２ａのマスター・レイアウトのネガティブ複製のＡ-Ａ断面を示す。
【図３】本発明の実施例の中間生成物を詳細に示す図である。
【図１】
2005531816.tif 000003
2005531816.tif 000004
【図３】
2005531816.tif 000005
【国際調査報告】
2005531816.tif 000006
2005531816.tif 000007