(57)【要約】【課題】連続した曲面などの立体的な形状の構造体を容易に、且つ簡単な工程により、高精度で微細加工する。【解決手段】３次元立体形状に成形したアルニミウム又はアルミニウム合金母型基材１０を電界研磨などにより表面を平滑化した後、アノード酸化皮膜２０を形成し、めっきする金属塩を含む溶液中でこの酸化皮膜をレーザー光３０照射により所定のパターンに除去してその酸化膜剥離部３５にめっき４０し、その後基材及び酸化皮膜を溶解除去することにより三次元立体構造体４１〜４４を得る、【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面を所定の立体形状に成形した後、研磨により平滑化したアルミニウム又はアルミニウム合金基材にアノード酸化により酸化皮膜を形成し、
レーザー光照射により酸化皮膜を剥離してパターニングを行い
酸化皮膜を剥離・除去した素地金属パターン上に電気的又は化学的めっきにより所定金属のめっき層を形成し、
素地基材及び酸化膜の溶解により、めっき層からなる三次元構造体を分離する
三次元微細構造体の製造方法。
【請求項２】
上記アノード酸化膜がポーラス型酸化膜でありその形成後、封孔処理を行うことを特徴とする、請求項１記載の三次元微細構造体の製造方法。
【請求項３】
上記酸化膜形成後アリザリンレッドＳなどのレーザー光を吸収する物質の溶液に浸漬してこれらの色素を浸透着色することを特徴とする請求項１乃至２記載の三次元微細構造体の製造方法。
【請求項４】
レーザー光照射が、水等の大気を遮断する液体又はめっき金属塩を含む溶液中で行われることを特徴とする請求項１乃至３記載の三次元微細構造体の製造方法。
【請求項５】
上記めっき金属が、Ｎｉ、Ｃｕ、又はＡｕであることを特徴とする請求項１乃至４記載の三次元微細構造体の製造方法。
【請求項６】
上記めっき金属が、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄから選ばれた一種又はこれらの合金、又はこれらの金属・合金とセラミックスからなる複合めっきであることを特徴とする請求項１乃至４記載の三次元微細構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、めっきにより形成した金属層による成形体を得る電鋳法に関し、特に微細な三次元立体構造の成形法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、ナノテクノロジーの技術開発が著しく進み、種々のマイクロマシンや各種の機能を有するデバイスなどが試みられているが、これらの要素技術が微細加工／成形法であり、フォトリソグラフィーなどの手法がマイクロマシンや各種のデバイス作成に適用されている。
しかしながら、これらの手法は主として半導体デバイスの製造技術として培われてきたもので、いずれも２次元平面のパターニング法として開発されてきたものであるため、微細なパターニングを高精度で実現でき、高生産性を有するが、３次元の立体構造に関しては必ずしも適したものといえない。たとえば、マイクロマシンなどでは、メカニズム上立体的な配置構造を有しており、各構成要素自体も３次元で屈曲した構造が求められることが少なくないが、半導体製造に用いられていたフォトリソグラフィーの手法では基板の平面を基準としてパターニングするため、そのままでは立体形状に適用できない。
【０００３】
また、これらの立体形状を機械的・物理的手段により作成し、或いはフォトリソグラフィーによる成型後にこれらの加工法を適用することは、その微細な構造上困難であるばかりでなく、これらの加工法においては加工に伴う歪や残留応力が生じるため、精密な形状を再現することが困難であり、また、デバイスの特性上残留応力の発生など好ましくない場合が少なくない。
【０００４】
このようなことから現在、マイクロマシンなどの立体形状を有する微細構造体を作成するには、これらのフォトリソグラフィーの手法を適用して基板上に形成しためっき層などをパターニングした後、基板電極などを溶解して分離して得た成形体を組み立てて立体構造を構成することによって行われている。
【０００５】
しかしながら、この方法によっては連続した曲面を形成したり、角度を付したい場合、或いは複雑な立体構造については、工程が複雑となり、また組み立て加工することにも限界がある。
また、これらマイクロマシン等の開発・実証段階にあるものや、少量生産であって高精度を要求される分野などにあっては、これらの加工条件に対して柔軟性と共に少ない工程で容易に加工できることが求められるが、フォトリソグラフィーは、フォトマスク製造やフォトレジスト形成工程を含むため、工程も複雑で大掛かりとなってこのような要請に応えることが困難である。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
連続した曲面などの立体的な形状の構造体を容易に、且つ簡単な工程により、高精度で微細加工する手法を実現する。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、３次元立体形状に成形したアルニミウム基材を電界研磨などにより表面を平滑化した後、アノード酸化皮膜を形成し、めっきする金属塩を含む溶液中でこの酸化皮膜をレーザー照射により所定のパターンに除去してその酸化膜剥離部にめっきし、その後基材及び酸化皮膜を溶解除去することにより三次元立体構造体を得る、
ことを最も主要な特徴とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
本発明においては、３次元立体形状をアルミニウム基材上に予め成形しておき、一方これに対してレーザー照射光によって平面パターニングを行なうことにより、これら二つのパターニングを組合わせた立体三次元構造体の成形を可能とした。
すなわち、フォトマスクやフォトレジストによるパターニングと異なり、アルミニウム又はアルミニウム合金基材を３次元立体形状の母型とし、そのアノード酸化皮膜の特性を応用してめっきマスクパターンとするのであり、レーザー光直接描画による精密なパターニングを可能とし、簡単且つ柔軟性のある加工法が実現できた。
【０００９】
この手法におけるレーザー光によるアノード酸化膜のパターニングは、発明者らがアルミニウムの局部表面処理法の研究成果を通じてかねてより明らかにしてきたもので、レーザー光に対して透明な酸化膜は下地金属表面に達して照射域を瞬間的に加熱し、素地金属のいわゆるレーザーアブレーションによってその上の酸化膜を剥離させるもので、確実に下地金属表面の露出したパターニングが可能である。
そして、この照射処理をめっき金属塩を含む溶液中で、レーザー光を石英窓などを通して行ない、露出した下地金属表面に対して直接めっき工程に移行することにより、下地のアルミニウム表面を酸化させることなく均一なめっき層を形成することができる。これは、レーザー光照射によって酸化膜が剥離する際に溶液中のめっき金属が（微粒状に）析出してめっき下地層を形成することによると解されるが、このようにして通常はアルミニウム表面に形成される酸化皮膜のため困難なアルミニウムへのめっきを可能とした。
このレーザ照射の際の酸化防止効果は、めっき処理において有効であるが、特に化学めっきにおいては、通常必要とされる表面活性化処理に換えて直接めっき工程が可能であり、めっき皮膜の特性も優れている特徴がある。また、このレーザー照射処理の際の酸化防止効果は、必ずしもめっき金属の塩などを含まなくとも大気を遮断する液体であれば、例えば水を用いても効果があり、レーザー照射処理後大気に直接触れないようにめっき液に浸漬することによって効果的に発揮することができた。
（表面技術、Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．１１（１９９８）「レーザー照射およびを局部Ｎｉめっきによるアルミニウム表面のパターニング、Ｉ．レーザー照射によるアノード酸化皮膜の破壊挙動」、及び「　ＩＩ．レーザー照射部における局部Ｎｉめっきと微細パターン作製」、高橋　英明、ほか、表面技術、Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．８（１９９９）「Ａｌのアノード酸化とレーザー照射を利用した金属微細構造の作製−新ＬＩＧＡプロセスを目指してー」高橋　英明、ほか、及び、表面技術、Ｖｏｌ．５０，Ｎｏ．９（１９９９）「Ａｌのアノード酸化／レーザー照射／電気めっきを用いた微細回路板の作製」高橋　英明、ほか、）
また、両性金属であるアルミニウムをめっき母型に使用できるためその後の三次元立体構造体の分離においても、目的とする成形金属を母型基材から分離する溶解処理の際に成形金属を傷めず、また溶解液として成形金属に適したものを選択しやすく、その後の処理を容易としている。
【００１０】
基材の３次元形状は、微細な機械加工の容易な円柱、三角柱などの加工線材などのほか、フォトリソグラフィーによって形成した微細な階段状の立体、或いはケミカルミーリング等によって厚みを変化させた傾斜形状など、が適用でき、レーザー照射可能で、めっきのつきまわりが可能であればその形状に格別の制限はない。また、レーザー光の照射はこれら軸対称な立体形状である場合には、母型を回転しながら軸方向に移動して行なうことによって自由なパターニングが可能であるが、平面上でパターニング可能な形状の場合には、母型をＸＹテーブル上で２次元移動するのみで行なうことができる。
したがって、以下に説明するコイル状や角状コイルなどの幾何学的な連続形状のほか、マイクロマシンなどで用いる角度付レバーやアームなどの形状も容易に成形可能である。
【００１１】
めっきの種類に関しても、電気めっきと化学めっきを問わない。レーザー照射の際にめっき金属を含む溶液中でパターニングを行なうことにより、酸化皮膜剥離と同時にめっき金属の析出による下地層が形成されて、めっきの付着性を損なう酸化皮膜の形成が防止され、レーザー照射後、直ちにめっき工程を行なうことができる。
また、さらにめっき金属は、その後の三次元立体構造体として利用するためにその用途に応じた性質、機能が求められるが、材質上は上記したようにめっき可能な金属・物質であれば本発明の適用上格別の制約はない。
以下の実施例ではＮｉを挙げるが、その他Ｃｕ、Ａｕでも確認しており、その他、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｎ、Ｐｂ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ　或いはこれらの合金を挙げることができ、また、これら合金のみでなくこれらの金属、合金をマトリックスとしてセラミックスを分散させた複合めっきなども対象とすることができる。
要は、めっき可能であれば良いのであって、これらの金属／合金及びそれらとセラミックスなどからなる複合材料などの種々の合金・材料の組合わせに適用可能である。
このような本発明の特徴は、形成された三次元立体構造体が、強度や弾性などの機械的性質のみでなく、デバイスとして電磁気的性質等の特性が求められる場合等に極めて有用である。
【００１２】
【実施例】
図１は、円柱状のアルミニウム基材を用いてコイル状の微細構造体を製作する本発明の工程を示す。
図左端より順次工程を示す。
（１）前処理
アルミニウム丸棒（径２．０ｍｍ、純度９９．５％）を電解研磨し表面の平滑化をおこなった。
アノード酸化：研磨試料を０．１６Ｍ−Ｈ２Ｃ２Ｏ４溶液に浸漬し、１００Ａｍ−２の定電流アノード酸化（１０〜２４０分間）を行い、ポーラス型酸化皮膜を形成した。ポーラスにする意味は、アノード酸化皮膜をテンプレートとして働かせるため、ある程度の厚さを必要とするからである。
酸化皮膜を形成して後、試料を０．０２９Ｍ−アルザリンレッドＳ溶液中に５分間浸漬して皮膜を着色した。酸化皮膜の着色により、レーザー光を効率よく吸収させることができ、また、レーザー照射の際に照射域の酸化膜を加熱して脆化し、剥離を促進することによってめっきマスクとして残存する皮膜にクラックが発生するのを防ぐことができる。
その後、沸騰２回蒸留水中に１５分間浸漬して封孔処理を施した。封孔処理により、めっきをする際の定電位カソード分極によってレーザー照射部のポーラス酸化皮膜を剥離した微細加工パターンの面積以外にも金属が析出することを防止する。
【００１３】
（２）　レーザー照射
試料を０．３１Ｍ−ＮｉＳＯ４／０．４Ｍ−Ｈ３ＢＯ３　混合溶液（２９３Ｋ、以下Ｎｉめっき溶液という。）中に保持した後、パルスＮｄ−ＹＡＧレーザー（２倍高調波：波長５３２ｎｍ、周波数１０ＨＺ、パルス幅８ｎｓ）をライン照射し、アノード酸化皮膜を局部的に破壊・除去した。波長依存度及び使える波長範囲の限度範囲はＮｄ−ＹＡＧレーザーの基本波の波長の１０６４ｎｍ、及び４倍高調波まで可能である。
１０６４ｎｍ〜２６６ｎｍの波長範囲が使用範囲である。
極短紫外レーザーを用いると、波長域はさらに短い範囲が使用可能である。レーザー照射においては、焦点距離６０ｍｍの平凸レンズを用いてレーザー光を集光するとともに、ＸＹＺθステージを用いて試料を移動・回転させた。
【００１４】
（３）パターン形成
レーザー照射の後、定電位カソード分極（−１．２Ｖ　ｖ．ｓ．Ａｇ／ＡｇＣｌ）を１５分間行い、レーザー照射部にＮｉを析出させた。
【００１５】
（３）三次元構造体の分離
Ｎｉめっきした試料を１．０〜３．０Ｍ−ＮａＯＨ溶液中（室温）に浸漬し、素地のアルミニウム及び酸化皮膜を溶解・除去して、めっき層からなる三次元構造体を分離した。
【００１６】
このようにして得られたコイル状構造体の電界放射型走査電子顕微鏡（ＦＥ−ＳＥＭ）による映像を図２に、同じくコイル状の構造に軸方向のＮｉラインを８本形成した構造体を図３に、さらにアルミニウムの角柱（１辺２ｍｍ）を素地金属として形成した四角い籠状のＮｉ構造体を図４に示す。
これらのＮｉ微細コイルのライン巾は、４０μｍ、肉厚１５μｍであった。図２の微細コイルが若干歪んでいるのは、めっき層が薄く、自重による変形によるもので、コイル径を小さくするか、めっき層の厚さを５０μｍ程度にすれば解消する。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の三次元構造体の製造方法によれば、アルミニウムアノード酸化皮膜処理後レーザー光照射によってパターニングし、直接めっきした後母型溶解による分離工程によって所定の三次元構造体が得られ、その設備上も、レーザー光照射装置と、ＸＹＺθステージを具えためっき設備があればよいのであって、加工対象として種々の三次元立体形状と平面パターニングとの組合わせからなる微細加工が可能であり、多品種／少量の成形に応じ、また、マイクロマシンなどの実証開発などの要請に柔軟に対応することができる。
【００１８】
加工精度及び微細化についても、実施例では比較的サイズの大きい例（径２ｍｍの丸棒）を挙げているが、加工精度上ライン巾５μｍ以上のサイズでの加工が可能であり、レーザー光波長の短波長化などの改良により更に大幅な微細化が可能である。
従って、これらの特徴を応用することにより、マイクロマシンなどに限らず、ナノテクノロジーの広い分野において要望される微細加工技術として適用可能であって、再生医療分野における視神経結合に用いられる１０μｍオーダーの電極構造や電子部品の三次元多電極構造、高周波・サブミリ波・テラヘルツ光の送受信アンテナ、など多くの応用が考えられ、その加工特性としても従来のリソグラフィーによる加工では困難であった数μｍオーダーの精度を保って２０ｃｍの長さを有する多チャンネル細線電極など、容易に製作可能である。
これらの応用が期待される例として
ナノテクノロジー研究材料の微細加工
タンパク質、遺伝子などの生体研究用微細電極
再生医療用神経結合電極
マイクロロボットの微細部品
液晶、ＥＬ、半導体など電子部品の多層微細電極
Ｘ線・テラヘルツ級光二次元多チャンネルイメージングディスプレイデバイス
三次元微細プリント配線基板、マイクロコイル
等を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の三次元微細構造体の作成手順。
【図２】コイル状微細構造体。
【図３】籠状微細構造体。
【図４】四角籠状微細構造体
【符号の説明】
１０　　アルミニウム素地金属基材
２０　　酸化膜
３０　　レーザー光
３１　　剥離した酸化皮膜
３５　　レーザー光の照射により露出した素地金属パターン
４０　　めっき層
４１　　コイル状構造体
４２　　コイル軸方向にラインを形成した籠上構造体
４３　　帯状コイル構造体
４４　　リング状構造体
【図１】
2004091878.tif 000003
【図２】
2004091878.tif 000004
【図３】
2004091878.tif 000005
【図４】
2004091878.tif 000006