(57)【要約】      （修正有）【課題】ナノ・マイクロマシンの開発期間短縮と開発コスト低減が可能なナノ・マイクロマシン設計・加工方法を提供する。【解決手段】ナノ・マイクロマシン設計・加工方法は、プロセス設計、加工データベース、加工パターン生成及び加工工程から構成される。プロセス設計から加工パターン生成に至る工程には、設計デバイス構造から加工プロセス及び加工パターンを求める逆問題シミュレーション工程が含まれる。【選択図】図２
2005074605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プロセス設計、加工データベース参照、加工パターン生成及び加工工程から構成されるナノ・マイクロマシン設計・加工方法であって、
前記プロセス設計から前記加工パターン生成に至る工程に、設計デバイス構造から加工プロセス及び加工パターンを求める逆問題シミュレーション工程を含む
ことを特徴とするナノ・マイクロマシン設計・加工方法。
【請求項２】
前記逆問題シミュレーション工程に前記加工データベース参照により呼び出された選択肢を設計者が選択することにより解を導く半自動設計手順を含むことを特徴とする請求項１に記載のナノ・マイクロマシン設計・加工方法。
【請求項３】
プロセス設計シミュレータ、加工データベース、加工パターン生成装置、加工装置を備えるナノ・マイクロマシン設計・加工システムであって、
前記プロセス設計シミュレータに、設計デバイス構造から加工プロセス及び加工パターンを求める逆問題シミュレータを含む
ことを特徴とするナノ・マイクロマシン設計・加工システム。
【請求項４】
前記逆問題シミュレータに、前記加工データベースから呼び出された選択肢を設計者が選択することにより解を導く半自動設計装置を含むことを特徴とする請求項３に記載のナノ・マイクロマシン設計・加工システム。
【請求項５】
加工パターンを加工対象物の表面に直接描画して、マイクロ構造を直接成形するパターン転写装置を備えることを特徴とする請求項３に記載のナノ・マイクロマシン設計・加工システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノテクノロジー及びマイクロマシン技術は次世代産業の基盤技術であり、情報・通信分野を初めとして、医療・福祉、環境・バイオ、エレクトロニクス等の広い分野で大きなブレークスルーを生み出しつつある技術である。
【０００３】
ナノ・マイクロマシンは、大別すると、次のように分類される。
（１）電子ビームやイオンビームの直接描画技術を利用して形成されるサブミクロンあるいはそれ以下のナノオーダーサイズの構造デバイス
（２）ホトリソグラフィやエッチングなど２次元的な半導体製造技術を転用したマイクロマシニングによるＭＥＭＳ型デバイス
（３）機械加工や放電加工などの３次元的な加工技術と手作業組立によるミニチュア立体構造デバイス
前記（１）及び（２）のデバイスは、クリーンルームの中でシリコンを主な素材として製作され、プリアセンブル構造の採用や電子回路との集積化が可能な高付加価値マシンである。しかし、これらは、マシン単品の寸法が超ＬＳＩなどの半導体チップに比べて大きくなることが多いため、あるいはナノオーダーサイズの構造体加工プロセスとマイクロマシニングプロセスとの混在が困難なため、現状ではコストアップを招く難点があった。また、クリーンルームを必要とする点もコストアップの要因となっていた。更には、前記（３）のデバイスは、各部品を一品づつ加工・組立するため、コストが割高になる難点がある。
【０００４】
前記の理由により、現状のナノ・マイクロマシンでは、高付加価値と性能を重視する傾向があり、それらのうちで低コスト化に成功した製品が実用に供されることが多かった。
【０００５】
そして、ナノ・マイクロマシンの開発には、半導体製造装置に類似の加工装置が必要であるが、半導体専用試作ラインをナノ・マイクロマシンの開発に転用することが困難であった。したがって、ナノ・マイクロマシンに関する新しいデバイスのアイデアが生まれても、その効果を確認する（プロトタイピング）ための設計加工設備あるいは試作に多大な費用と時間を必要とし、その開発を困難なものとしていた。
【０００６】
ナノ・マイクロマシンを短期間で開発できるプラットフォームを実現するためには、マイクロマシン分野におけるＣＡＤ/ＣＡＭの整備により、設計・加工の高効率化・高速化を図るとともに、加工・組立プロセス及び装置の標準化を徹底し、ナノ・マイクロマシンを効率よく迅速にプロトタイピングできる設計・加工システムが必要である。
【０００７】
従来技術に基づくナノ・マイクロマシンの設計・加工支援方法を、図１を参照しながら説明する。図１は、従来のナノ・マイクロマシンの設計・加工支援方法を説明するブロック図である。
【０００８】
消費者ニーズに基づく研究開発課題などに基づいて、ナノ・マイクロマシンであるデバイスの構造・形状設計を行ない（ステップ１ａ１）、その設計したデバイスの特性を解析（シミュレーション）により予測する（ステップ１ａ２）。これらの工程で、材料データベースとそれを利用した構造設計シミュレータ（ＣＡＤ）とが用いられている。ＭＥＭＳ用設計シミュレータとして、連成解析シミュレータが普及しつつある。
【０００９】
次いで、プロセス設計（ステップ１ａ３）、ホトマスク仮定（ステップ１ａ４）、加工形状予測（ステップ１ａ５）、ホトマスク設計（ステップ１ａ６）を行なう。ここで、設計者が経験として保有する加工データベースに基づき、プロセスを決定し、それに応じたマイクロ加工用マスクを設計する。この工程で、プロセスシミュレータやマスク設計ソフトが用いられる。特に、ナノ・マイクロマシンの加工プロセスとしてシリコン異方性ウェットエッチングを用いる場合は、プロセスシミュレータを用いて加工形状を予測しつつ、プロセス及びマスク設計を行っている。シリコン異方性エッチングについては、データベースとプロセスシミュレータが市販されている。
【００１０】
その後、上述した設計に基づいて、成膜、直描ホト及びエッチングなどからなるホトマスク製作（ステップ１ａ７）を行ない、次いで、成膜、転写ホト、エッチング及び接合・組み立てなどからなるデバイス試作（ステップ１ａ８）を実施する。そして、試作したデバイスを評価する（ステップ１ａ９）。必要に応じて設計見直し再試作を行ない、プロトタイピングから量産試作に段階を踏んでいく。この過程で、ファンドリサービス、パイロット試作ライン、量産試作ラインが用いられる。
【００１１】
次に、従来の個々の加工技術について説明する。
【００１２】
デバイス各部の寸法が数μｍ以下に小さくなると、微細なパターン転写技術が必要になってくる。その場合の加工装置としては、電子ビームを２次元平面上に走査してマスクレスで直接描画する電子ビーム露光法、マスクを用いる縮小投影露光法やＸ線露光法など、半導体製造分野において一般的な露光法が考えられる。
【００１３】
ナノ・マイクロマシン加工技術として、電気学会論文誌E １１７、No.１、pp.３４-４０（非特許文献１）には直描レーザビームアシスト加工法が発表され、Proceedings of MEMS'９４、pp.２９７-３０２（非特許文献２）にはステンシルマスクを用いるイオンビームアシスト加工法がそれぞれ発表されている。また、Proceedings of MEMS'００、 pp.２９７-３０２（非特許文献３）には、微細なミラーアレイデバイスを用いて、微小球面に縮小投影露光を行なうプロセスが発表されている。さらに、Applied Physics Letter、７７、No.１１、pp.１７１０-１７１２（非特許文献４）には、超微粒子を基板上に噴射させて成膜パターンを形成する方法が発表されている。
【００１４】
ナノ・マイクロマシンの加工に限定されない一般的なＣＡＤ/ＣＡＭ装置としては、特開平１０−５８２８０号公報（特許文献１）や、特開２００２−１１６８０７号公報（特許文献２）が公知である。
【００１５】
【特許文献１】特開平１０−５８２８０号公報
【００１６】
【特許文献２】特開２００２−１１６８０７号公報
【非特許文献１】電気学会論文誌E １１７、No.１、pp.３４-４０
【非特許文献２】Proceedings of MEMS'９４、pp.２９７-３０２
【非特許文献３】Proceedings of MEMS'００、 pp.２９７-３０２
【非特許文献４】Applied Physics Letter、７７、No.１１、pp.１７１０-１７１２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
半導体製品の分野では、以前から、ＣＡＤ／ＣＡＭの取り組みが盛んで、プロセスシミュレーション技術が発達し、実際に半導体製品を試作しなくても設計デバイスの性能予測が可能になっている。しかし、ナノ・マイクロマシンの分野では、ＣＡＤ／ＣＡＭの取り組みが緒についたばかりであるため、プロセスシミュレーション技術が十分に発達していると言えなかった。例えば、前述のＭＥＭＳ用シミュレータにおいては、材料およびプロセスに関するデータベースが不足しており、加工プロセスの設計機能がないことも問題である。
【００１８】
プロセス設計シミュレータとしては、シリコン異方性エッチング以外のデータベース及びナノ・マイクロマシン固有のプロセスシミュレータは未整備の状況である。特に、成膜プロセスは装置依存性が強く、共有データが未整備である。また、高速ドライエッチングの加工性能に関するデータベース及びプロセスシミュレータも未整備である。
【００１９】
図１に示す従来例においては、技術者の経験やノウハウなどの知見に基づいて、ＣＡＤデータから加工プロセスを決定し、マスクパターンを設計するが、この段階で非常に多大な時間及び労力が必要となっていた。例えば、マイクロマシニングは加工深さが特に大きいので、半導体加工と比べてプロセスシミュレーションの予測精度に限界があり、試行錯誤の回数が増加する傾向がある。したがって、試作開発期間も長期化することが多かった。
【００２０】
また、前記特許文献１、２の専用ＣＡＤに含まれるプロセス設計シミュレータは、一般的なマイクロマシニングプロセスで製作できるマイクロマシンの構造を入力して、三次元計算モデルを生成するための支援ツールであり、プロセス設計そのものを支援するツールではない。
【００２１】
さらに、新しい構造のデバイスを試作する場合、図１に示すようにプロセス設計以降の工程が１回で成功することは少なく、プロセスを修正しながら、数サイクルの試作を繰り返すことが多かった。ホトマスクは、そのたびに作り直すこととなり、デバイスの開発に長期間を要することになっていた。ナノ・マイクロマシン開発工程において、開発に要する時間に大きく影響するのは、プロセス設計とホトマスクの設計・製作時間である。プロセス設計において、現状では、プロセスシミュレーションを用いてエッチング用マスク形状を仮定して解析し、所望のエッチング形状が得られるまで解析を繰り返すことになる。これらの試行錯誤は、デバイスが複雑かつ高密度になるほど、著しく増大する。
【００２２】
一方、ナノ・マイクロマシン加工システムについては、以下の課題があった。
【００２３】
前述の電子ビーム露光法では、マイクロマシンのような広い面積のデバイスチップ加工を行なうためにきわめて長時間を要し、生産効率に課題がある。また、マスクを用いる露光技術では、マスクパターンの製作・修正に多大な時間と費用を要していた。さらに、縮小投影のため、露光可能領域の面積が非常に狭くなるといった問題があった。また、これらの露光法はいずれも外形寸法２〜３ｍ平方程度と大型かつ高価な装置を必要としていた。
【００２４】
前述の研究開発用直接描画加工法では、集束ビームによる一筆書き加工のため、加工速度に限界があり、生産効率に問題があった。
【００２５】
また、ミラーアレイデバイスによる露光プロセスでは、個々のミラー寸法の微細化が困難であるため、最小線幅は数μｍ程度となり、微細化に限界があった。超微粒子を基板上に噴射させる成膜法ではパターンの境界が不明瞭になり、パターニング精度が低下するので、ステンシルマスクを通してパターニングする方法を採用しており、加工精度向上に課題があった。
【００２６】
ナノテクノロジーを具現化するデバイスは、広い面積の加工が必要なマイクロ構造のうえに微細なナノ構造が搭載される構造を有するが、現状では、それら両方の寸法領域をカバー出来るような、高効率かつ高精度の加工プロセス及び装置は存在しない。
【００２７】
ナノ・マイクロマシンの加工に限定されない一般的なＣＡＤ/ＣＡＭ装置の公知例では、ナノ・マイクロマシン固有のプロセス技術やマスク図形データの変換機能が考慮されておらず、さらに、多岐にわたるプロセス手順を効率よく収束させるための工夫が凝らされていなかった。
【課題を解決するための手段】
【００２８】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、プロセス設計、加工データベース参照、加工パターン生成及び加工工程から構成されるナノ・マイクロマシン設計・加工方法であって、前記プロセス設計から前記加工パターン生成に至る工程に、設計デバイス構造から加工プロセス及び加工パターンを求める逆問題シミュレーション工程を含むようにしたことにある。ここで、より好ましくは、前記逆問題シミュレーション工程に、前記加工データベース参照により呼び出された選択肢を設計者が選択することにより解を導く半自動設計手順を含むようにすることである。
また、本発明は、プロセス設計シミュレータ、加工データベース、加工パターン生成装置、加工装置を備えるナノ・マイクロマシン設計・加工システムであって、前記プロセス設計シミュレータに、設計デバイス構造から加工プロセス及び加工パターンを求める逆問題シミュレータを含むようにしたことにある。ここで、より好ましくは、前記逆問題シミュレータに、前記加工データベースから呼び出された選択肢を設計者が選択することにより解を導く半自動設計装置を含むようにすることである。また、さらに好ましくは、加工パターンを加工対象物の表面に直接描画して、マイクロ構造を直接成形するパターン転写装置を備えるようにすることである。
【発明の効果】
【００２９】
係る本発明によれば、ナノ・マイクロマシンの開発に要する期間を短縮できると共に安価に開発することができるナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の一実施例について図２〜図１４を用いて説明する。
【００３１】
本発明のナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムの一実施例を、図２を参照しながら説明する。図２は、本発明の一実施例のナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムを説明するブロック図である。本実施例では、ナノ・マイクロマシンの設計からラピッドプロトタイピングまでの統合開発支援技術として、ナノ・マイクロマシンのプロセス設計・加工システムを提供する。
【００３２】
最初に、ナノ・マイクロマシンプロセス設計シミュレータについて、図２〜図１２を参照しながら説明する。
【００３３】
本実施例では、図２に示すように、消費者ニーズに基づく研究開発課題などに基づいて、コンピュータ１を用いて、ナノ・マイクロマシンであるデバイスの構造・形状設計を行ない（ステップ１ｂ１）、その設計したデバイスの特性を解析により予測する（ステップ１ｂ２）。これらの工程は、図１に示す従来技術と同様に行なわれる。次いで、コンピュータ１を用いて、プロセス設計（ステップ１ｂ３）、逆問題シミュレーションであるマスク形状逆解析（ステップ１ｂ４）、加工パターン生成である描画パターン生成（ステップ１ｂ５）を行なう。
【００３４】
上述した各工程はコンピュータ１を用いて行なう工程であるが、コンピュータ１においては、それぞれがデバイス構造・形状設計手段、デバイス特性解析手段、プロセス設計手段、マスク形状逆解析（シミュレーション）手段、描画パターン生成手段を構成するものであり、これらの手段（ツール）によって設計・加工システムが構成されている。
【００３５】
ナノ・マイクロマシン設計技術者が知識として所有する成膜工程、エッチング・メッキ工程での形状変化や寸法シフト量補正などの設計・加工ノウハウを知識データベース（ナレッジデータベース）１ｂ８に体系化し、それをもとにプロセス設計の道筋をガイダンスすることにより、形状データを変換しホトリソグラフィ描画パターンに変換する半自動設計機能を有する。
【００３６】
本実施例では、ホトマスク設計において、何回もマスク形状を仮定してプロセスシミュレータを稼動し加工形状を予測することなく、形状データから描画データへの変換が可能である。このように、直接描画ホトリソグラフィ（直描ホト）を利用することで、ホトマスク製作工程を省略できる。あるいは、従来と同様に、描画データをホトマスクの形状データとして利用し、転写ホトリソグラフィ（転写ホト）のためのホトマスク作成に利用してもよい。
【００３７】
本実施例の装置は、プロセス及びマスク設計に関するデータベースを有し、設計デバイス構造から、そのプロセスとマスク形状を求めるプロセス設計シミュレータである。本技術は、マイクロマシンの設計・試作における試行錯誤の回数を大幅に低減することを目指した開発支援技術であり、従来の一般的な加工形状予測用プロセスシミュレータとは逆に問題を解く、設計ガイダンス・エキスパートシステムである。
【００３８】
本実施例によるプロセス設計解析手順を従来例と比較して図３を参照しながら説明する。図３は本発明の一実施例のプロセス設計解析手順を従来例と比較して説明する図である。図３（ａ）は従来例、図３（ｂ）は本実施例を示す図である。
【００３９】
ナノ・マイクロマシンのプロセス設計において、従来例は、図３（ａ）に示すように、マスク形状を仮定して入力し、その場合の加工形状をプロセスシミュレータを用いて予測して出力し、プロセスを組み立てていく手法がとられている。この従来例では、微細な形状の高精度加工が必要なデバイスの場合、加工形状の予測を何回も繰り返すことになる。即ち、ナノ・マイクロマシンのプロセスにおいては多くの選択肢があり、プロセスシミュレータを逆にたどって、自動的にＣＡＤデータからマスクデータを生成するのは現実問題として困難である。
【００４０】
そこで、本実施例では、図３（ｂ）に示すように、加工プロセスデータベースから選択肢を呼び出して、加工プロセス設計の手順を各工程で設計者に選ばせることにより収束させる半自動設計手法を採用する。換言すれば、マイクロマシニングプロセスにおける成膜工程、エッチング・メッキ工程での形状変化や寸法シフト量補正などの加工プロセスデータを、知識データベースとして必要に応じてプロセス設計に反映させることが出来るように具備している。このような手法により、設計したデバイスの形状から加工パターンへの変換が可能になる。
【００４１】
マイクロマシン設計製作における加工形状データ変換機能及びプロセス設計の具体例を以下に説明する。
マイクロマシン設計製作における具体的な設計法として、例えば次に述べるものが挙げられる。
【００４２】
１．エッチングマスク設計での寸法シフト量補正
エッチング加工においては、マスクパターンに対してその周辺から内部にえぐれるようにエッチングが進行するアンダーカット（寸法シフト）が発生する。この量はエッチング設備、エッチング方法やエッチング深さなどによって変化する。そこで、マスク設計段階で、その寸法シフト量を見込んで寸法を決定する必要があり、技術者の経験に委ねられる。
２．エッチングマスク設計での角落ち補償パターン設計
エッチング加工において、パターンの角部はエッチング液が多方向からアタックするので、パターン形状が大きく変化する。そこで、マスク設計段階で、それを見込んだ補償パターンを付加する。特に異方性ウェットエッチングにおいては、各種の補償パターンが考案されている。
３．高精度複雑形状加工用多層マスクエッチングプロセス
何種類かの深さを有する構造体を加工する場合、パターン転写とエッチングを交互に繰り返すプロセスを採用すると、エッチング溝の上からパターン転写用の感光レジスト層を形成する必要があり、均一な厚さに塗布することが困難である。そこで何種類かのパターンが重なった厚さの異なる多層マスクを先に形成する。そしてパターンのエッチングが終わるたびにマスクをはがし、その下にあるマスクを露出させて次のエッチングを行なうプロセスを採用する。
４．異方性ウェットエッチングにおける曲面加工プロセス
異方性ウェットエッチングは単結晶シリコンの結晶方位を利用するエッチングであるので、その加工形状は矩形状になり、応力集中が起こり易く、構造体の強度が低下する。そこで、エッチング中にマスクを段階的に後退させるプロセスを採用することにより、曲面の形成が可能になる。
【００４３】
以上のような設計法をデータベース化して、ＣＡＤシステムと組み合せることにより、マイクロ加工プロセス開発における試行錯誤の回数を減らして開発期間を飛躍的に短縮することが可能になる。
図４に、本実施例におけるプロセス設計解析手順の具体的な例を示す。解析のための入力データとして、構造設計により決定した部品（デバイス）の形状データ１０を用いる。ここで、例として凸形状の部品１０１を用いて説明する。
【００４４】
凸形状の部品１０１を入力すると、本形状を得るための加工形状データ２１〜２４が加工データベースから加工形状選択肢２０として呼び出される。ここでは、単純にエッチングで形成する場合のエッチング形状データ２１だけだなく、膜の堆積を用いる場合の膜堆積形状データ２２、接合を用いる場合の接合形状データ２３、型成形を用いる場合の型成形形状データ２４など、各種の形状データが呼び出される。解析手順として、これらの中から設計者が自分の開発環境に適した形状データ（加工プロセス）を選択する。
【００４５】
ここで図４の実線矢印に示すエッチングプロセスを選択した場合には、その次の上流側のマスク形状データ３１〜３４などがマスク形状選択肢３０として呼び出される。ここでは、エッチング方法としてドライエッチングを用いる場合のドライエッチング用レジストマスク形状データ３１、ウェットエッチングを用いる場合のウェットエッチング用レジストマスク形状３２、レーザビームやイオンビームなどの高密度エネルギー源を用いて直接描画でエッチングする場合のビームスキャン用直接描画パターン形状データ３３、その他のプロセス３４など、各種のマスク形状データが呼び出される。これらのマスク形状データ３１〜３４の中から、設計者が自分の開発環境に適したマスク形状データを選択する。
【００４６】
ここで図４の実線矢印に示すウェットエッチング用レジストマスク形状３２を選択した場合には、そのエッチングのためのレジストマスクを露光するためのホトマスク形状データ４１〜４３がホトマスク形状選択肢４０として呼び出される。ここでは、ポジレジスト用ホトマスク形状４１、ネガレジスト用ホトマスク形状４２、その他のホトマスク形状４３など、各種のホトマスク形状データが呼び出される。ホトマスク形状選択肢４０のホトマスク形状４１〜４３中から設計者が自分の開発環境に適したマスク形状データを選択する。
【００４７】
ここで図４の実線矢印に示すポジレジスト用ホトマスク形状４１を選択した場合には、この形状データ４１がプロセス設計の出力となる。この形状データ４１が、設計形状データ１０を実現するためのホトマスク形状データである。
【００４８】
本実施例では、解析手順の中で設計者がどの形状データを選ぶかによって、さまざまなプロセス設計が可能になるよう、各種の形状データが加工データベースとして蓄積されている。
【００４９】
本実施例におけるプロセス設計解析手順の対象モデルとしてナノ・マイクロ加工工程を用いた例について、図５を参照しながら説明する。
【００５０】
第１の工程による加工部材５１には、被加工材５１３の上にプロセスマスク素材５１２、さらにその上にレジスト（マスク素材）５１１が形成されている（図５（ａ）参照）。
【００５１】
第２の工程で、電子ビーム、イオンビーム、あるいはレーザビームを用いた直描ホトリソグラフィによりレジスト５１１を加工し、レジストマスク５２１を形成する（図５（ｂ）参照）。
【００５２】
第３の工程で、ウェットエッチングなどのプロセスマスク加工方法でプロセスマスク素材５１２を加工し、プロセスマスク５３２を形成する（図５（ｃ）参照）。なお、第３の工程の中には、プロセスマスクを加工するためのレジストマスク５２１を除去する工程も含まれるが、図の中では省略している。このことは、以下の工程においても同様である。
【００５３】
第４の工程で、ドライエッチングなどのナノ加工により、プロセスマスク５３２を加工してナノ構造体５４３を形成する（図５（ｄ）参照）。
【００５４】
第５の工程で、ナノ構造体５４３に比べてはるかに大きいマイクロ構造を形成するため、被加工材５５３の上にプロセスマスク素材５５２、さらにその上にレジスト（マスク素材）５５１を形成した加工部材５５を用意する（図５（ｅ）参照）。
【００５５】
第６の工程で、加工部材５５の上にホトマスク５５０を配置し、転写ホトリソグラフィによりレジスト５５１を加工し、レジストマスク５６１を形成する（図５（ｆ）参照）。
【００５６】
第７の工程で、ウェットエッチングなどのプロセスマスク加工方法でプロセスマスク素材５５２を加工し、プロセスマスク５７２を形成する（図５（ｇ）参照）。
【００５７】
第８の工程で、異方性ウェットエッチングなどのマイクロ加工により、マイクロ構造を加工し、ナノ構造体５４３を含むナノ・マイクロ構造体５８が完成する（図５（ｈ）参照）。
【００５８】
次に、図５における加工部材５５からナノ・マイクロ構造体５８を加工するマイクロ加工工程について、プロセス設計解析手順の詳細を図６から図１１を参照しながら説明する。なお、図６から図１１において、図の簡略化のためにナノ・マイクロ構造体５４３に加工されたナノ構造体５４３の図示を省略する。
【００５９】
まず、設計形状を形成するための最終工程であるマイクロ加工工程（図５（ｇ）〜（ｈ）参照）の逆問題シミュレーション（プロセス設計解析）の詳細例を、図６を参照しながら説明する。
【００６０】
加工形状データ６１は、ナノ・マイクロ構造体５８のパターン幅寸法Ｗ３、段差寸法ｄ３、側壁傾斜角度θ３などの数値データから構成されている。この加工形状データ６１から加工工程を１段さかのぼったプロセスマスク形状データ６２は、プロセスマスク５７２のパターン幅寸法Ｗ２、段差寸法ｄ２、側壁傾斜角度θ２などの数値データから構成されている。マイクロ加工工程の加工データは、加工方法及び加工条件に基づく因果関係によって関連付けられた加工形状データ６１とプロセスマスク形状データ６２の組合せから構成される。図７にマイクロ加工工程の加工データの例を示す。形状データに加えて、加工方法及び加工条件によって決まる被加工材の加工速度ｅ３、プロセスマスク素材の加工速度ｅ２、被加工材の加工時間t３などから構成される。
【００６１】
次いで、図６で説明したマイクロ加工工程の１段上流になるプロセスマスク加工工程（図５（ｆ）〜（ｇ）参照）の逆問題シミュレーション（プロセス設計解析）の詳細例を、図８を参照しながら説明する。
【００６２】
図８のプロセスマスク形状データ６２は、図６に示したものである。このプロセスマスク形状データ６２から、加工工程を１段さかのぼったレジストマスク形状データ６３は、レジストマスク５６１のパターン幅寸法Ｗ１、薄膜厚さｄ１、側壁傾斜角度θ１などの数値データから構成される。そして、プロセスマスク加工工程の加工データは、加工方法及び加工条件に基づく因果関係によって関連付けられたプロセスマスク形状データ６２とレジストマスク形状データ６３の組合せから構成される。図９にプロセスマスク加工工程の加工データの例を示す。形状データに加えて、加工方法及び加工条件によって決まるプロセスマスク素材の加工速度ｅ２や、加工時間ｔ２などから構成される。
【００６３】
次いで、図８で説明したプロセスマスク加工工程の１段上流になるホトリソグラフィ工程（図５（ｅ）〜（ｆ）参照）の逆問題シミュレーションの詳細例を、図１０を参照しながら説明する。
【００６４】
図１０のレジストマスク形状データ６３は、図８に示したものである。このレジストマスク形状データ６３から、加工工程を１段さかのぼったホトマスク形状データ６４は、ホトマスク５５０のパターン幅寸法Ｗ０や薄膜厚さｄ０などの数値データから構成される。そして、ホトリソグラフィ工程の加工データは、加工方法及び加工条件に基づく因果関係によって関連付けられたレジストマスク形状データ６３とホトマスク形状データ６４の組合せから構成される。図１１にホトリソグラフィ工程の露光データの例を示す。形状データに加えて、露光方法及び露光条件によって決まる露光時間ｔ１などから構成されている。
【００６５】
図６から図１１で説明したプロセス設計が進む過程での形状データ変換をさらに異なる例を示す図１２を参照しながら説明する。図６、図８及び図１０に示した例に対応するように、設計者が選んだプロセスに一対一に対応した形状データが加工データベースから呼び出され、図１２に示すようにプロセス設計シミュレータの中でパターンが順次変換されていく。
【００６６】
図１２において、逆問題シミュレーションの入力である設計形状断面図（設計形状データ）７０に対し、その突出部分の平面形状を、突出部分設計形状平面図７０１に示す。図では、単純な矩形形状を示しているが、実際には自由な平面形状であることがほとんどで、その場合でももちろん問題はない。
【００６７】
設計形状７０において、その側壁傾斜角θがある特定の角度（約−３５.３度）の場合、その形状を加工するための加工プロセスは異方性ウェットエッチングになるように加工データ内の因果関係を決めておくようにする。この場合、エッチング形状断面図（エッチング形状データ）７１は設計形状７０と変わらないが、突出部分の側壁形状はエッチング形状平面図７１１に示すように若干異なることが一般的に知られている。この現象は、異方性ウェットエッチングの物理的メカニズムに基づくもので、やむを得ないことであり、設計解析手順としては、設計者がこのずれを容認できる場合は、このエッチング形状データを選択し、容認できない場合は、別の形状データを選択肢から選択すればよい。後者の場合は、それ以降全く別の加工プロセスをたどって行くことになる。
【００６８】
エッチング形状データ７１に対応するエッチングマスク形状をエッチングマスク形状断面図７２に示す。この場合、エッチングマスク形状データ７２の中の寸法数値（例えば、パターン幅寸法）は、エッチング形状データ７１の中の寸法数値に対し、一対一の因果関係で関連付けられている。さらに、突出部分のエッチングマスク形状をエッチングマスク形状平面図７２１に示す。本図でエッチング形状平面図７１１に対し、その各角部分に補償パターン７２２が付加されるような形状データが関連付けられるようにする。この補償パターン７２２は、本例では矩形形状であるが、多種多様な形状がノウハウとして知られており、形状データとして選択できるように具備しておくのが望ましい。
【００６９】
エッチングマスク形状データ７２に対応するレジストマスク形状をレジストマスク形状断面図７３に示す。この場合、レジストマスク形状データ７３の中の寸法数値（例えば、パターン幅寸法）は、エッチングマスク形状データ７２の中の寸法数値に対し、一対一の因果関係で関連付けられている。さらに、突出部分のレジストマスク形状をレジストマスク形状平面図７３１に示す。本図でエッチングマスク形状平面図７２１に対し、全体的に寸法シフトするような形状データが関連付けられるようにする。
【００７０】
レジストマスク形状データ７３に対応するホトマスク形状をホトマスク形状７４に示す。この場合、ホトマスク形状データ７４の中の寸法数値（例えば、パターン幅寸法）は、レジストマスク形状データ７３の中の寸法数値に対し、一対一の因果関係で関連付けられている。さらに、突出部分のホトマスク形状をホトマスク形状平面図７４１に示す。本図でレジストマスク形状平面図７３１に対し、全体的に寸法シフトするような形状データが関連付けられるようにする。このホトマスク形状平面図７４１が、本実施例になる逆問題シミュレーションの結果としての出力データとなる。
【００７１】
なお、本実施例では、ホトマスクを用いた転写ホトリソグラフィによる加工工程について説明したが、ホトマスクを用いない直描ホトリソグラフィによる加工工程についてもデータベース化することは容易である。この場合、その平面形状はホトマスク形状平面図７４１とは若干異なり、それも一選択肢として解析過程で呼び出されてくることになる。また、その場合の形状データは、直描ホトリソグラフィ用装置において、電子、イオン、あるいはレーザビームなどの高エネルギービームのスキャン用図形データとして用いられる。
【００７２】
次に、ナノ・マイクロマシン加工システムについて、図１３及び図１４を参照しながら説明する。
【００７３】
前記プロセス設計シミュレータで得られる図形データをもとに、直接描画でその構造体を転写成形するラピッドプロトタイピングに好適な直接描画加工装置の例を図１３に示す。
【００７４】
本直接描画加工装置は、２次元パターンを、ホトマスクを使用せずに、シリコン基板あるいは曲面を有する３次元形状素材に直接転写する加工技術を備えたものである。
【００７５】
本直接描画加工装置では、設計形状データから変換された図形データに基づき、加工すべき２次元パターンをレーザパターンジェネレータにより形成し、次いで加工対象物であるワーク８０に直接パターン描画して加工を行なう。その描画方法としては、レーザ８１を光源とし、レーザ光８２のミラー８３によるスキャンとワーク移動台８５の併用によるオートフォーカスで直接描画する方法を用いる。レーザ光８２のスキャンにおいては、ナノメータオーダーサイズからミリサイズの描画パターンに対応するために、ミラー８３及びレンズ８４にレーザ光の直径を大きく変化させる機構を具備している。さらに、多種類の素材を直接形成するために、対象マークを反応性雰囲気８６に置くとともに、あるいは、微粒子噴射供給装置８７でナノメーターオーダー直径の成型加工素材微粒子８８を供給しつつ、レーザ光８２を照射し、熱化学反応を利用してワーク８０の上にナノ・マイクロ構造体を形成する。
【００７６】
なお、ミラー８３とワーク移動台８５は、制御装置８９による制御下に置かれており、この制御装置８９の内部には、プロセス設計シミュレータ９０がインストールされている。この構成により、加工したいナノ・マイクロ構造体の形状デ−タを入力として、直接描画で前記構造体が加工できる。
【００７７】
加工の具体例としては、感光性材料への直描ホトリソグラフィ、局所的超撥水表面処理、反応性雰囲気を利用する除去加工、ナノ粒子供給による直接パターン転写加工などが好適である。また、ホトマスクを用いる転写ホトリソグラフィにも転用できる。
【００７８】
本直接描画加工装置により、圧電性材料などの機能性薄膜の直接低温形成、また、流体回路の直描形成、表面処理パターンの直接転写加工による超撥水結露防止表面、現状のディップによる全体被覆から進んで、レーザスキャン加熱による局所的処理が可能になる。さらにマイクロ構造の一部にナノ構造を有する高密度ナノ・マイクロデバイスの製作が可能になる。軸や円筒などの微小な立体形状加工対象物表面へのパターン転写加工についても、ワークの多自由度ハンドリング機構を用いることにより可能になり、立体構造ナノ・マイクロデバイスの微細加工にも応用できる。
【００７９】
以上のように、プロセス設計シミュレータによって得られた図形データに基づいて、ナノ・マイクロ加工を行なうことが容易になる。ナレッジデータベースを整備し、ナノ・マイクロ加工にＣＡＭを適用することにより、直接描画及び転写加工におけるパターンずれの修正（マスク修正、パターン補償）を含めたプロセス及びマスク設計時間が短縮されるので、ナノ・マイクロマシン開発の飛躍的な高効率化が実現できる。
【００８０】
次に、直接描画加工システムの例を図１４に示す。本システムは、直接描画加工装置を含む、ラピッドプロトタイピングに好適な汎用加工システムの例で、各種加工を行なう加工装置ユニットからなるクラスタ型加工システムである。生産対象物のフレキシビリティを高めるために、各ユニットを小型化し、必要に応じて構成を変えることも効果的である。中央には搬送・組立装置９１が位置し、周囲を各種加工装置ユニットが取り囲むクラスタ構造を採用している。
【００８１】
本システムの特徴は、直接パターン転写加工を基本とした複数のユニットからなるクラスタ型システムで、一例として以下のような構成が考えられる。２次元パターン転写によるエッチング、成膜、表面処理などの直接描画加工装置９６と、洗浄及びレジストワーク（洗浄・塗布・現像・ベーク）機能を有するワークロード／アンロードウェット加工装置９２と、多様な素材の接合組立を基本とした積層接合装置９３と、金型転写によるガラス・樹脂系マイクロマシンの型成形加工装置９４と、熱酸化、減圧ＣＶＤ、熱拡散処理が可能な成膜装置９５と、チャンバ洗浄機能を有するＲＩＥ・ＣＶＤ・表面処理兼用ドライ加工装置９６とを備えるシステムである。
【００８２】
本システムは、シリコン系及びガラス・樹脂系部品からなる多様なナノ・マイクロマシンを短期間で開発するためのラピッドプロトタイピングが可能で、高効率でフレキシブル開発が可能である。
【００８３】
上述した実施例によれば、効率よくナノ・マイクロマシンの構造を設計・解析し、設計構造の電子データを加工形状の電子データに変換し、それに基づいて直接ナノ・マイクロマシンを加工することの出来るナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムを提供できる。
【００８４】
本実施例のプロセス設計シミュレータは、プロセス及びマスク設計において、従来の設計者の経験とプロセスシミュレーションの繰り返しによる最適マスク形状パターン生成を、構造設計形状データから直接加工パターンを求める逆問題シミュレーションに置き換えたことで、プロセス設計が効率よく遂行され、マスクの製作が不要となり、また、加工形状最適化のたびに、マスク製作する必要がなくなるため、設計加工工程が大幅に短縮される。
【００８５】
さらに、本実施例の加工システムは、対象とする加工範囲を拡張していくことにより、より広範な生産対象物への対応も可能になり、汎用的な統合設計加工システムとして有効性が高められていくものである。なかでも、直接描画加工装置はマイクロマシニングプロセスに一般的に用いられているパターン投影用光源としても使用でき、多分野への応用が可能である。
【００８６】
これらの統合技術は、他分野のマイクロマシン関連技術応用製品の実用化に対して有効なソリューションとなる。なお、本発明の適用範囲に限定はなく、あらゆるナノ・マイクロマシンの開発に効果がある。
【００８７】
本実施例による設計・加工システムにより、新しいデバイスの開発初期段階で開発を断念することなく、さらには、研究開発のスピード及び効率を顕著に高め、新しいデバイスの実用化を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００８８】
【図１】従来例のナノ・マイクロマシン設計・加工方法を説明するためのブロック図である。
【図２】本発明の一実施例のナノ・マイクロマシン設計・加工方法及びシステムを説明するためのブロック図である。
【図３】本発明の一実施例のプロセス設計解析手順を従来例と比較して説明する図である。
【図４】本発明の一実施例におけるプロセス設計解析手順の具体的な例を示す図である。
【図５】本発明の一実施例におけるプロセス設計解析手順の加工工程図である。
【図６】本発明の一実施例におけるマイクロ加工工程の逆問題シミュレーションの詳細例を説明する図である。
【図７】図６のマイクロ加工工程のデータベース項目を示す図である。
【図８】本発明の一実施例におけるプロセスマスク加工工程の逆問題シミュレーションの詳細例を説明する図である。
【図９】図８のプロセスマスク加工工程のデータベース項目を示す図である。
【図１０】本発明の一実施例におけるホトリソグラフィ工程の逆問題シミュレーションの詳細例を説明する図である。
【図１１】図１０のホトリソグラフィ工程のデータベース項目を示す図である。
【図１２】本発明の一実施例における設計形状からホトマスク形状へのデータ変換例を示す図である。
【図１３】本発明に用いる直接描画加工装置の一実施例を示す図である。
【図１４】本発明に用いる直接描画加工システムの一実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００８９】
１０…設計形状データ、２０…加工形状選択肢、２１…エッチング形状データ、３０…マスク形状選択肢、４０…ホトマスク形状選択肢、５１…加工部材、５２１、５６１…レジストマスク、５３２、５７２…プロセスマスク、５４３…ナノ構造体、５８…ナノ・マイクロ構造体、６１…加工形状データ、６２…プロセスマスク形状データ、６３…レジストマスク形状データ、６４…ホトマスク形状データ、７０…設計形状データ、７１…エッチング形状データ、７２１…エッチングマスク形状、７２２…補償パターン、７３１…レジストマスク形状、７４１…ホトマスク形状、８０…ワーク、８１…レーザ、８２…レーザ光、８３…ミラー、８４…レンズ、８５…ワーク移動台、８６…反応性雰囲気、８７…微粒子噴射供給装置、８８…成型加工素材微粒子、８９…制御装置、９０…プロセス設計シミュレータ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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