(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
被処理体の表面に３次元構造物を形成する３次元構造物の形成方法であって、
前記被処理体の表面を覆うように、第１の前駆膜を形成する第１の工程と、
前記第１の前駆膜に第１の開口を選択的に形成することにより、第１の薄膜パターンを形成する第２の工程と、
前記第１の開口に、犠牲膜を選択的に形成する第３の工程と、
少なくとも前記第１の薄膜パターンおよび前記犠牲膜を覆うように、第２の前駆膜を形成する第４の工程と、
前記第２の前駆膜のうちの前記第１の開口に対応する部分に第２の開口を選択的に形成することにより、第２の薄膜パターンを形成する第５の工程と、
前記犠牲膜を選択的に除去することにより、前記被処理体の表面に、前記第１の薄膜パターンおよび前記第２の薄膜パターンを含んで構成された前記３次元構造物を形成する第６の工程と
を含み、
前記第１の工程および前記第４の工程において、
アーク放電のエネルギーを利用してカソードを蒸発させることにより成膜イオンを発生させ、この成膜イオンにより前記第１の前駆膜および前記第２の前駆膜をそれぞれ形成し、
前記第２の工程および前記第５の工程において、
エッチングイオンを含むプラズマを発生させ、このプラズマ中のエッチングイオンにより前記第１の開口および前記第２の開口をそれぞれ形成する
ことを特徴とする３次元構造物の形成方法。
【請求項２】
さらに、
前記第５の工程と前記第６の工程との間に、前記被処理体にパルス状電圧を印加した状態において、注入イオンを含むプラズマを発生させ、このプラズマ中の注入イオンを前記第１の薄膜パターンおよび前記第２の薄膜パターンに注入する第７の工程
を含むことを特徴とする請求項１記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項３】
前記被処理体として絶縁性を有するものを用いる
ことを特徴とする請求項１記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項４】
前記被処理体として、プラスチックにより構成されたものを用いる
ことを特徴とする請求項３記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項５】
前記第７の工程において、
前記被処理体に、正のパルス電圧と負のパルス電圧とを含むパルス状電圧を印加する
ことを特徴とする請求項４記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項６】
前記第２の工程および前記第５の工程において、
前記被処理体に負のパルス電圧を含むパルス状電圧を印加する
ことを特徴とする請求項１記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項７】
前記第１の工程および前記第４の工程において、
炭素を含む材料を用いて前記第１の前駆膜および前記第２の前駆膜をそれぞれ形成する
ことを特徴とする請求項１記載の３次元構造物の形成方法。
【請求項８】
前記第３の工程において、所定の溶剤に可溶な材料を用いて前記犠牲膜を形成し、
前記第６の工程において、前記所定の溶剤を用いて溶解させることにより前記犠牲膜を除去する
ことを特徴とする請求項１記載の３次元構造物の形成方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばプラスチック基板などの表面に、例えばマイクロマシンなどの３次元構造物を形成する３次元構造物の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、各種の工業分野において、一般に「ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）」と呼ばれる構造を有するマイクロマシンの開発がなされている。このマイクロマシンは、例えば、成膜処理やエッチング処理などを含む半導体プロセスを用いて、シリコン基板やガラス基板などの表面に各種の３次元構造物等が形成されることにより作製される。このマイクロマシンは、例えば、自動車に搭載される圧力センサやＤＭＤ（Digital micromirror device）などの各種デバイスを構成する部品として既に実用化されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来は、以下のように理由により、マイクロマシンを形成する際、基板の材質に係る適用範囲が限定されてしまうという問題があった。
【０００４】
すなわち、半導体プロセスを用いた場合、処理温度は約４００°Ｃ以上と高くなる。このため、マイクロマシンを形成する際、比較的融点の高いシリコン基板やガラス基板を用いた場合には問題が生じないが、比較的融点（または軟化点）の低い（約１００°Ｃ以下）プラスチックなどの樹脂基板などを用いた場合には、高熱に起因してプラスチック基板が変形または破損する可能性がある。従来、比較的耐熱性の高い樹脂材料としてポリイミド樹脂が知られているが、このポリイミド樹脂基板においても、その耐性温度（約３５０°Ｃ近傍）は十分とは言えない。
【０００５】
なお、樹脂材料により構成されたマイクロマシンとしては、従来、例えば、ＰＶＤＦ（Poly vinylidene fluoride）などの圧電性樹脂材料により構成された圧電アクチュエータが既に知られているが、この種のマイクロマシンを形成する場合においても、上記した基板の耐熱性に係る理由から、低融点のプラスチック基板でなく、高融点のシリコン基板などが用いられていた。
【０００６】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、変形や破損を招くことなく、プラスチック基板などの低融点基板の表面に３次元構造物を形成可能な３次元構造物の形成方法を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の３次元構造物の形成方法は、処理体の表面に３次元構造物を形成する方法であり、被処理体の表面を覆うように第１の前駆膜を形成する第１の工程と、第１の前駆膜に第１の開口を選択的に形成することにより第１の薄膜パターンを形成する第２の工程と、第１の開口に犠牲膜を選択的に形成する第３の工程と、少なくとも第１の薄膜パターンおよび犠牲膜を覆うように第２の前駆膜を形成する第４の工程と、第２の前駆膜のうちの第１の開口に対応する部分に第２の開口を選択的に形成することにより第２の薄膜パターンを形成する第５の工程と、犠牲膜を選択的に除去することにより、被処理体の表面に、第１の薄膜パターンおよび第２の薄膜パターンを含んで構成された３次元構造物を形成する第６の工程とを含み、第１の工程および第３の工程において、アーク放電のエネルギーを利用してカソードを蒸発させることにより成膜イオンを発生させ、この成膜イオンにより第１の前駆膜および第２の前駆膜をそれぞれ形成し、第２の工程および第４の工程において、エッチングイオンを含むプラズマを発生させ、このプラズマ中のエッチングイオンにより第１の開口および第２の開口をそれぞれ形成するようにしたものである。
【０００８】
本発明の３次元構造物の形成方法では、まず、第１の工程において、被処理体の表面を覆うように第１の前駆膜が形成される。続いて、第２の工程において、第１の前駆膜に第１の開口が選択的に形成されることにより第１の薄膜パターンが形成される。続いて、第３の工程において、第１の開口に犠牲膜が選択的に形成される。続いて、第４の工程において、少なくとも第１の薄膜パターンおよび犠牲膜を覆うように第２の前駆膜が形成される。続いて、第５の工程において、第２の前駆膜のうちの第１の開口に対応する部分に第２の開口が選択的に形成されることにより第２の薄膜パターンが形成される。続いて、第６の工程において、犠牲膜が選択的に除去されることにより、被処理体の表面に、第１の薄膜パターンおよび第２の薄膜パターンを含んで構成された３次元構造物が形成される。３次元構造物が形成される際には、第１の工程および第３の工程において、アーク放電のエネルギーを利用してカソードを蒸発させることにより成膜イオンが発生し、この成膜イオンにより第１の前駆膜および第２の前駆膜がそれぞれ形成され、第２の工程および第４の工程において、エッチングイオンを含むプラズマが発生し、このプラズマ中のエッチングイオンにより第１の開口および第２の開口がそれぞれ形成される。従来の半導体プロセスを用いる場合よりも成膜温度が低くなり、金属等よりも耐熱性の低い被処理体を用いることが可能となるため、熱の影響に起因する変形または破損等を招くことなく、被処理体の表面に３次元構造物を形成することが可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１０】
［第１の実施の形態］
まず、本発明の第１の実施の形態に係る３次元構造物の形成方法について説明する。図１は、本実施の形態に係る３次元構造物の形成方法に用いられる製造装置の構成の一例を表すものである。この製造装置は、例えば、プラスチック基板の表面に、各種の特徴的な構成を有する３次元構造物を形成するためのものである。
【００１１】
＜１．製造装置の構成＞
この製造装置１０は、例えば、金属等により構成された真空チャンバ１と、この真空チャンバ１の壁面に配設された複数（例えば３つ）の処理ソース２，３，４と、排気管１Ｋを介して真空チャンバ１と接続された真空ポンプ５と、処理ソース２〜４に対応してそれぞれ配設され、一端部が真空チャンバ１の内部に導入された複数（例えば３つ）の導入端子６（６Ａ，６Ｂ，６Ｃ）と、配線Ｓを介して導入端子６と接続され、導入端子６に対してバイアス電圧を印加するバイアス電源７とを備えている。各導入端子６Ａ〜６Ｃの一端部は、複数（例えば３つ）の基板ホルダ８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ）とそれぞれ連結されており、この基板ホルダ８に、処理対象となる基板Ｋが装着されている。基板Ｋは、図示しない移動アームにより、基板ホルダ８Ａ〜８Ｃ間を随時移動可能になっている。なお、図１では、基板Ｋが基板ホルダ８Ａに装着されている場合を示している。
【００１２】
処理ソース２は、例えば、カウフマン型イオンソースにより構成されており、主に、基板Ｋにエッチング処理を施すと共に、処理ソース４により基板Ｋの表面に形成される薄膜にイオンを注入するものである。この処理ソース２は、エッチング処理時には、エッチング処理に要するイオン（エッチングイオン）を生成可能なガス（エッチングガス）を用いてエッチングイオンを含むプラズマを真空チャンバ１内に発生させ、一方、イオン注入処理時には、イオン注入処理に要するイオン（注入イオン）を生成可能なガス（動作ガス）を用いて注入イオンを含むプラズマを真空チャンバ１の内部に発生させる。エッチングガスとしては、例えば、窒素（Ｎ2 ），酸素（Ｏ2 ），塩素（Ｃｌ2 ）等の反応性ガスやアルゴン（Ａｒ）等の不活性ガスが挙げられ、動作ガスとしては、例えば窒素，水素（Ｈ2 ），メタン（ＣＨ4 ）などが挙げられる。なお、処理ソース２によるイオン注入原理は、一般に、ＰＢＩＩ（Plasma-Based Ion-Implantation ）方式と呼ばれている。
【００１３】
処理ソース３は、例えば、ＤＣ（Direct Current）スパッタソースにより構成されており、主に、基板Ｋ等の表面に、処理ソース４により形成される成膜物以外の成膜物、例えば電極等を形成するものである。
【００１４】
処理ソース４は、例えば、ＦＣＶＡ（Filtered Cathodic Vacuum Arc）イオンソースにより構成されており、主に、基板Ｋの表面に薄膜を形成するものである。ＦＣＶＡイオンソースとは、カソードの溶融により生じた液滴を除去するための電磁フィルターを汎用のカソーディックアークソースに付設したものである。この処理ソース４は、例えば、イオン源として高密度カーボンロッドにより構成されたカソードを有し、ストライカートリガー電極を用いて発生させたアーク放電のエネルギーを利用してカソードを蒸発させることにより、真空チャンバ１の内部に炭素イオン（成膜イオン）を発生させる。そして、処理ソース４に搭載された２台のダクトコイルにより炭素イオンが基板Ｋ２に誘導され、炭素イオンが基板Ｋの表面に堆積することにより薄膜が形成される。処理ソース４では、エッチングイオンや注入イオンを発生させるためにエッチングガスや動作ガスを要する処理ソース２（カウフマン型イオンソース）とは異なり、イオン生成用のガスを用いずに成膜イオンを発生させることが可能であるため、高真空状態を維持しつつ成膜イオンを発生させることが可能となる。なお、カソード材料としては、上記したカーボンの他、例えばタングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），シリコン（Ｓｉ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），アルミニウム（Ａｌ），チタン（Ｔｉ），銅（Ｃｕ），鉄（Ｆｅ）などを用いることも可能である。
【００１５】
真空ポンプ５は、例えば、ターボ分子ポンプを含んで構成されており、主に、真空チャンバ１の内部に満たされているガス（例えば空気等）を排気管１Ｋを通じて排気し、所望の真空状態となるまで真空チャンバ１の内部を減圧するものである。
【００１６】
導入端子６（６Ａ〜６Ｃ）は、例えば、汎用の導入端子により構成されており、処理ソース２〜４の処理条件等に応じてそれぞれ図中の矢印Ｙ１の方向に移動可能になっている。この導入端子６には、例えば、冷媒循環用の配管６Ｈが組み込まれており、この配管６Ｈに冷媒Ｗを循環させることにより、基板ホルダ８に装着された基板Ｋを冷却可能になっている。なお、導入端子６は、例えば金属などの導電材料により構成されており、真空チャンバ１に設けられた支持部材１Ｂにより支持されている。この支持部材１Ｂは、例えば、セラミックなどの絶縁性材料により構成されており、真空チャンバ１と導入端子６とは支持部材１Ｂを介して電気的に分離されている。
【００１７】
バイアス電源７は、例えば高電圧真空管回路を含んで構成され、基板ホルダ８に装着された基板Ｋにパルス状電圧を印加するものである。もちろん、このバイアス電源７は、パルス状電圧の他、基板Ｋに定電圧を印加することも可能である。このバイアス電源７は、例えば、処理ソース２によるエッチング処理時において、必要に応じて基板Ｋに負のパルス電圧（−１０ｋＶ〜−２ｋＶ）を印加し、処理ソース２によるイオン注入処理時において、特に、基板Ｋが絶縁性を有するものである場合には、基板Ｋに正のパルス電圧と負のパルス電圧とを含むパルス状電圧を印加する。このバイアス電源７により基板Ｋに負のパルス電圧が印加されたときに、真空チャンバ１の内部に発生した成膜イオンや注入イオンが基板Ｋに引き寄せられ、一方、正のパルス電圧が印加されたときに電子が加速され、基板Ｋに成膜処理やイオン注入処理または電子線処理が施される。なお、パルス状電圧に関するパルスピーク値（パルス波高），パルス立ち上がり時間，パルス間隔，パルス幅等の条件は、各導入端子６Ａ〜６Ｃごとに独立して調整可能になっている。
【００１８】
基板ホルダ８（８Ａ〜８Ｃ）は、基板Ｋを保持するものであり、例えば、導入端子６と同様に、金属等の導電材料により構成されている。基板Ｋは、例えば、円盤状や矩形状の構造を有するものである。基板Ｋの材質としては、例えば、アモルファスポリオレフィン（ＡＰＯ；Amorphous Polyolefin），脂環式オレフィン，ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ；Polrmethyl Methacrylate ），脂環式アクリル，ポリカーボネート（ＰＣ；Polycarbonate ），ポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ；Polyethylene Terephthalate），アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン共重合体（ＡＢＳ；Acrylonitrile Butadien Styrene copolymer），ポリアセタール（ＰＯＭ；Polyacetal），四フッ化エチレン（ＰＴＦＥ；Poly Tetra Fuluoro Ethylen），ナイロン６，ポリエチレンなどの絶縁性を有するプラスチックが挙げられる。
【００１９】
なお、成膜処理１０は、上記した一連の構成要素の他、例えば、製造装置１０全体を制御するためのマイクロコンピュータ，処理ソース２等に各種ガスを供給するためのガスボンベ，真空チャンバ１の外部に導出された導入端子６の他端部と接続され、導入端子６を移動させるための駆動装置などを含んで構成されている。
【００２０】
＜２．本実施の形態に係る３次元構造物の形成方法＞
次に、図１〜図１１を参照して、本実施の形態に係る３次元構造物の形成方法の一例について説明する。以下では、例えば、プラスチックにより構成された基板Ｋの表面に、一部分が基板Ｋの表面から離間し、他の部分が基板Ｋの表面を被覆するような特徴的な梁構造（以下、「ビーム構造」という）を有するマイクロマシン（３次元構造物）を形成する場合について説明する。
【００２１】
この３次元構造物は、例えば、図１に示した製造装置１０を用いて、主に、成膜工程，エッチング工程，イオン注入工程等を順次経て形成される。図２〜図１０は、本実施の形態に係る３次元構造物の形成方法を説明するものである。図２〜図１０において、図２は第１の成膜工程，図３および図４は第１のエッチング工程，図５は犠牲膜の形成工程，図６は第２の成膜工程，図７および図８は第２のエッチング工程，図９はイオン注入工程，図１０は犠牲膜の除去工程をそれぞれ示している。また、図１１は、イオン注入処理時においてバイアス電源７により基板Ｋに印加されるパルス状電圧の波形（Ａ）および電流変化（Ｂ）をそれぞれ表している。なお、図２〜図１０において、（Ｂ）は各工程における基板Ｋ等の平面構成，（Ａ）は（Ｂ）に示したＡ−Ａ線に沿った基板Ｋ等の断面構成をそれぞれ示している。図２（Ａ）〜図１０（Ａ）では、基板Ｋ等と共に、製造装置１０の要部（基板Ｋの周辺部）の構成も示している。
【００２２】
プラスチックにより構成された基板Ｋの表面にマイクロマシンを形成する際には、作業者等により、以下のような準備作業が行われる。すなわち、まず、例えばＡＰＯ，ＰＭＭＡ，ＰＣなどにより構成された基板Ｋ（約１ｍｍ厚）が洗浄されたのち、基板ホルダ８Ｃに基板Ｋが装着される（図２参照）。続いて、真空チャンバ１の密閉状態が確認されたのち、キーボードなどの入力装置を介して一連の処理条件（処理ソース２〜４，真空ポンプ５，導入端子６，バイアス電源７等の動作条件等）が入力される。最後に、真空ポンプ５が稼動され、真空チャンバ１の内部が所望の真空状態となるまで減圧されると共に、バイアス電源７が稼動され、基板ホルダ８に電圧が印加される。また、配管６Ｈに冷媒Ｗが循環され、基板ホルダ８Ｃにより保持された基板Ｋが冷却される。
【００２３】
《２−１．第１の成膜工程（下地膜前駆膜の形成工程）》
準備作業が完了したのち、まず、図２に示したように、処理ソース４（ＦＣＶＡイオンソース）により、例えば、背景真空度＝約２．３×１０-4Ｐａ，処理ソース４の動作電圧＝約２５Ｖの条件下において、基板Ｋの表面に成膜処理を施す。これにより、真空チャンバ１の内部に、約２５ｅＶのエネルギーを有し、約０．７Ａのイオン電流を発生させる炭素イオン（成膜イオン）Ｎ１が連続かつ高密度に発生したのち、この炭素イオンＮ１が磁場中において選択的に濾過され、基板Ｋに誘導されることにより、基板Ｋの表面に、例えばｔａ−Ｃ（tetrahedral amorphous Carbon）よりなる下地前駆膜２１Ｐ（第１の前駆膜）が形成される。この下地前駆膜２１Ｐは、後工程においてパターニングされることにより、後述する下地膜２１（図４参照）となる前準備膜である。以下では、後工程においてパターニングされることとなる前準備膜を「前駆膜」と呼称する。第１の成膜処理を行う際には、例えば、下地前駆膜２１Ｐが約１００ｎｍの厚みを有するようにする。
【００２４】
《２−２．第１のエッチング工程（下地膜の形成工程）》
次に、図３に示したように、下地前駆膜２１Ｐ上に、例えばＰＭＭＡにより構成され、例えば矩形状の開口２２Ｕを有するマスク２２（約１０μｍ厚）を配設する。マスク２２を配設する際には、例えば、下地前駆膜２１Ｐが形成された基板Ｋを真空チャンバ１内から大気中に一旦取り出し、例えばスピンコートにより下地前駆膜２１Ｐ上にＰＭＭＡ層を形成したのち、フォトリソグラフィ処理を用いてＰＭＭＡ層をパターニングすることによりマスク２２を形成するようにしてもよいし、上記の一連の手順を経て形成されたマスク２２を予め真空チャンバ１内に準備しておき、基板Ｋ等を真空チャンバ１内から取り出すことなく、移動アームを用いて下地前駆膜２１Ｐ上にマスク２２を載置するようにしてもよい。
【００２５】
次に、図３に示したように、移動アームを用いて基板Ｋ等を基板ホルダ８Ａに移動させたのち、図４に示したように、マスク２２を用いると共に、エッチングガスとして例えば酸素ガスを用いて、処理ソース２により全体にエッチング処理を施す。エッチング処理を行う際には、例えば、エッチング条件として、エッチングガスの導入量＝約２．５×１０-7ｍ3 ／ｓ（約１５ｓｃｃｍ），イオンビーム加速電圧＝約２００Ｖ，イオンビーム加速電流＝約１０ｍＡ，背景真空度（イオン放出前における真空チャンバ１内の真空度）＝約２．３×１０-4Ｐａ，動作真空度（イオン放出後における真空チャンバ１内の真空度）＝約５．０×１０-2Ｐａとする。真空チャンバ１の内部に酸素イオン（エッチングイオン）Ｎ２を含むプラズマが発生し、このプラズマ中の酸素イオンＮ２がマスク２２の開口２２Ｕを通じて下地前駆膜２１Ｐに選択的に衝突する。これにより、下地前駆膜２１Ｐのうち、マスク２２の開口２２Ｕに対応する部分が選択的に除去され、例えば矩形状の開口２１Ｕ（第１の開口）を有する下地膜２１（第１の薄膜パターン）が形成される。なお、エッチング処理に要する時間を短縮したい場合には、例えば、エッチング処理時において、バイアス電源７により基板Ｋに、負のパルスピーク値＝−１０ｋＶ〜−２ｋＶの範囲内，具体的には−６ｋＶ，パルス幅＝約６０μ秒，周期＝約１ｍ秒の条件で負のパルス電圧を印加するようにするのが好ましい。上記範囲内の負のパルス電圧が基板Ｋに印加されると、真空チャンバ１内に発生した酸素イオンＮ２が基板Ｋまで効率よく誘導されることにより、エッチング速度が増加するためである。
【００２６】
《２−３．犠牲膜の形成工程》
次に、マスク２２を除去したのち、図５に示したように、開口２１Ｕにおける基板Ｋの露出面上に、犠牲膜２３を約１１０ｎｍの厚みで選択的に配設する。この犠牲膜２３は、後工程（後述する《２−４．第２の成膜工程》）において形成される後述する被覆前駆膜２４Ｐ（図６参照）を支持するための支持体として機能するものである。犠牲膜２３を配設する際には、例えば、その一側面（例えば図中の左側の側面）が、開口２１Ｕにおける下地膜２１の一側面（例えば図中の左側の側面）に隣接するようにする。犠牲膜２３の構成材料としては、例えば、後工程（後述する《２−７．犠牲膜の除去工程》）において溶解させることにより犠牲膜２３を除去することが可能となるように、所定の溶剤（例えばアセトン等）に可溶な樹脂材料（例えばＰＭＭＡ等）を用いるようにする。なお、犠牲膜２３の配設方法は、例えば、《２−２．第１のエッチング工程》におけるマスク２２の配設方法と同様である。
【００２７】
《２−４．第２の成膜工程（被覆前駆膜の形成工程）》
次に、図６に示したように、移動アームを用いて基板Ｋ等を基板ホルダ８Ｃに移動させたのち、《２−１．第１の成膜工程》と同様の条件下において、処理ソース４により、全体を覆うように、例えばｔａ−Ｃよりなる被覆前駆膜２４Ｐ（第２の前駆膜）を約１００ｎｍの厚みで形成する。被覆前駆膜２４Ｐは、その一部が犠牲膜２３上に乗り上げたクランク状の構造をなすこととなる。
【００２８】
《２−５．第２のエッチング工程（被覆膜の形成工程）》
次に、図７に示したように、被覆前駆膜２４Ｐ上に、例えばＰＭＭＡよりなるマスク２５（約１０μｍ厚）を配設する。マスク２５を形成する際には、例えば、開口２１Ｕに対応した位置に、「Ｕ」型形状の開口２５Ｕを有するようにする。なお、マスク２５の配設方法は、例えば、《２−２．第１のエッチング工程》におけるマスク２２の配設方法と同様である。
【００２９】
次に、図７に示したように、移動アームを用いて基板Ｋ等を基板ホルダ８Ａに移動させたのち、図８に示したように、マスク２５を用いて、《２−２．第１のエッチング工程》と同様の条件下において、処理ソース２により、全体にエッチング処理を施す。これにより、被覆前駆膜２４Ｐのうち、マスク２５の開口２５Ｕに対応する部分が選択的に除去され、例えば「Ｕ」型形状の開口２４Ｕ（第２の開口）を有する被覆膜２４（第２の薄膜パターン）が形成される。なお、被覆膜２４を形成する場合においても、エッチング処理に要する時間を短縮すべく、エッチング処理時において基板Ｋに負のパルス電圧を印加するようにしてもよい。
【００３０】
《２−６．イオン注入工程》
次に、マスク２５を除去したのち、図９に示したように、例えば動作ガスとして窒素ガスを用いて、処理ソース２（カウフマン型イオンソース）により、下地膜２１および被覆膜２４に対してイオン注入処理を施す。イオン注入処理を行う際には、例えば、加速電圧＝約２００Ｖ，動作ガスの導入量＝約２．５×１０-7ｍ3 ／ｓ（約１５ｓｃｃｍ），動作真空度＝約５．０×１０-2Ｐａ，イオン注入量＝約８．０×１０16ｉｏｎｓとすると共に、バイアス電源７により基板Ｋに対して、正のパルスピーク値Ｖ１＝約＋１０ｋＶ，負のパルスピーク値Ｖ２＝約−２０ｋＶ，正負のパルス幅Ｂ＝約６０μ秒，周期Ｔ＝約１ｍ秒の条件（図１１（Ａ）参照）で正のパルス電圧と負のパルス電圧とを含むパルス電圧を印加する。また、イオン注入処理は、処理ソース２からの窒素イオン電流が約１ｍＡのとき、バイアス電極におけるイオン電流と２次電子とによる電流のピーク値が約０．０５Ａとなるような電流条件下において約５分間行う（図１１（Ｂ））。処理ソース２により真空チャンバ１の内部に窒素イオン（注入イオン）Ｎ３を含むプラズマが発生し、この窒素イオンＮ３が下地膜２１および被覆膜２４に注入される。これにより、ｔａ−Ｃよりなる下地膜２１および被覆膜２４が改質され、それらのヤング率や降伏点強度などの物理特性が向上することとなる。
【００３１】
《２−７．犠牲膜の除去工程》
最後に、基板Ｋを真空チャンバ１内から大気中に一旦取り出したのち、例えばアセトンなどの溶剤中に基板Ｋ等を浸すことにより、犠牲膜２３にウエットエッチング処理を施す。下地膜２１の開口２１Ｕおよび被覆膜２４の開口２４Ｕを通じて犠牲膜２３が溶剤に晒され、犠牲膜２３が溶剤に溶解して選択的に除去されることにより、図１０に示したように、基板Ｋの表面に、下地膜２１および被覆膜２４により構成され、一部分（被覆膜２４の部分２４Ｔ）が基板Ｋの表面から離間し、他の部分（被覆膜２４のうちの部分２４Ｔ以外の部分および下地膜２１）が基板Ｋの表面を被覆するようなビーム構造を有するマイクロマシン１００が完成する。なお、下地膜２１および被覆膜２４により構成されたマイクロマシン１００の比抵抗率は、約３×１０-1Ωｃｍであった。
【００３２】
＜３．第１の実施の形態に係る作用および効果＞
以上説明したように、本実施の形態では、下地前駆膜２１Ｐおよび被覆前駆膜２４Ｐを形成するための成膜ソースとして処理ソース４（ＦＣＶＡイオンソース），下地膜２１（開口２１Ｕ）および被覆膜２４（開口２４Ｕ）を形成するためのエッチングソースとして処理ソース２（カウフマン型イオンソース）をそれぞれ用いると共に、所定の溶剤（アセトン等）に可溶な材料（ＰＭＭＡ等）により構成された犠牲膜２３を被覆前駆膜２４Ｐの支持体として利用している。このような場合には、以下のような理由により、処理時における基板Ｋの変形や破損等の不具合の発生を招くことなく、基板Ｋの表面に、ビーム構造を有するマイクロマシン１００を容易に形成することができる。
【００３３】
すなわち、マイクロマシン１００の形成手法として従来の半導体プロセスを用いる場合には、処理温度が比較的高く（約４００°Ｃ以上）なるため、基板Ｋの材質は、この高温条件下において耐性を有するもの、例えば約４００°Ｃ以上の比較的高い融点を有する金属などに限られてしまう。このような場合には、基板Ｋの材質として、約１００°Ｃ以下の比較的低い融点（または軟化点）を有するプラスチックを用いると、高熱に起因して基板Ｋが変形または破損する可能性があるため、プラスチックにより構成された基板Ｋの表面にマイクロマシン１００を形成する際の形成手法としては、従来の半導体プロセスを用いることができない。
【００３４】
これに対して、本実施の形態では、処理温度が比較的低い（約１５０°Ｃ以下）処理ソース４（ＦＣＶＡイオンソース）および処理ソース２（カウフマン型イオンソース）により成膜処理およびエッチング処理がそれぞれ行われるため、半導体プロセスを用いた場合のように、プラスチックの融点以上の高温環境に基板Ｋが晒されることがなく、基板Ｋ自体の温度も約１５０°Ｃ以下に維持される。このため、処理温度に応じて基板Ｋの材質が限定されず、基板Ｋの構成材料としてプラスチックを用いた場合においても、変形や破損等の不具合の発生を招くことなく、基板Ｋの表面にマイクロマシン１００を形成することが可能となる。
【００３５】
しかも、本実施の形態では、後工程において選択的に除去可能な犠牲膜２３を被覆前駆膜２４Ｐの支持体として利用しているため、この犠牲膜２３に部分的に乗り上げるように被覆前駆膜２４Ｐが形成される。このような場合には、被覆前駆膜２４Ｐの形成後、犠牲膜２３を選択的に除去することにより、犠牲膜２３を利用しない場合とは異なり、一部分（被覆膜２４の部分２４Ｔ）が基板Ｋの表面から離間し、他の部分（非腹膜２４のうちの部分２４Ｔ以外の部分および下地膜２１）が基板Ｋの表面を被覆するようなビーム構造を有するマイクロマシン１００を容易に形成することが可能となる。
【００３６】
また、本実施の形態では、マイクロマシン１００の物理特性（ヤング率，降伏点強度等）を向上させるべく、下地層２１および被覆層２４を改質するためのイオン注入ソースとして処理ソース２（カウフマン型イオンソース）を用いるようにしたので、イオン注入処理時における処理温度は、エッチングソースとして処理ソース２を用いた場合と同様に、従来の他のイオン注入手法（例えばダイナミックミキシング法等）を用いた場合の処理温度（約３００°Ｃ〜４００°Ｃ）よりも低くなる。このため、上記した基板Ｋの熱変形等に係る不具合の発生を抑制しつつ、イオン注入処理を利用してマイクロマシン１００の物理特性を向上させることができる。
【００３７】
また、本実施の形態では、イオン注入処理時に、バイアス電源７により基板Ｋに正のパルス電圧と負のパルス電圧とを含むパルス状電圧を印加するようにしたので、基板Ｋに残留した負の電荷が随時正の電荷によって中和されることにより、基板Ｋの材質として絶縁性を有するプラスチックを用いた場合においても、処理時において基板Ｋの内部に電荷が残留すること（チャージアップ）が抑制される。このため、チャージアップに起因するイオン注入処理の停滞現象を回避し、基板Ｋにイオンを円滑かつ均一に注入することができる。
【００３８】
また、本実施の形態では、エッチング処理時に、バイアス電源７により基板Ｋに負のパルス電圧（−１０ｋＶ〜−２ｋＶ）を含むパルス状電圧を印加するようにしたので、真空チャンバ１内に発生した酸素イオンＮ２が基板Ｋまで効率よく誘導され、エッチング速度が増加する。このため、エッチング処理を短時間で行うことができる。
【００３９】
＜４．第１の実施の形態に係る変形例＞
なお、本実施の形態では、マイクロマシン１００の形成対象としてプラスチックにより構成された基板Ｋを用いるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、プラスチックにより構成されたフィルムなどを用いるようにしてもよい。このような場合においても、上記実施の形態の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４０】
また、本実施の形態では、基板Ｋとしてプラスチックにより構成されたものを用いるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、例えば、プラスチック以外の絶縁性材料や、金属や半導体などの導電性材料により構成されたものを用いるようにしてもよい。このような場合においても、比較的低い（約１５０°Ｃ以下）処理環境中において基板Ｋの表面にマイクロマシン１００を形成することができる。なお、導電性材料により構成された基板Ｋを用いる場合には、例えば、パルス電源７により基板Ｋに対して負のパルス電圧のみを印加するようにしてもよい。
【００４１】
また、本実施の形態では、処理ソース４（ＦＣＶＡイオンソース）により成膜処理を行い、処理ソース２（カウフマン型イオンソース）によりエッチング処理およびイオン注入処理を行うようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、成膜処理，エッチング処理，イオン注入処理を行う場合における各処理ソースは自由に選択可能である。
【００４２】
また、本実施の形態では、マイクロマシン１００を下地膜１２および被覆膜２４の２層構成としたが、必ずしもこれに限られるものではなく、３層以上の層構成としてもよい。
【００４３】
また、本実施の形態では、下地膜１２および被覆膜２４のそれぞれの構成材料として互いに同一の材料（ｔａ−Ｃ）を用いて形成するようにしたが、必ずしもこれに限られるものではなく、互いに異なる材料を用いるようにしてもよい。
【００４４】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に係る３次元構造物の形成方法について説明する。
【００４５】
本実施の形態に係る３次元構造物の形成方法は、上記第１の実施の形態において形成したマイクロマシン１００（図１０参照）を利用して、例えば光制御デバイスなどの各種デバイスを作製するものである。
【００４６】
＜光制御デバイスの構成＞
まず、図１２および図１３を参照して、本実施の形態において作製される光制御デバイスの構成について説明する。図１２はマイクロマシン１００を利用して作製された光制御デバイスの断面構成の一例，図１３は図１２に示した光制御デバイスの要部（コイル等）の平面構成をそれぞれ示している。なお、マイクロマシン１００の形成方法の詳細については、その説明を省略するものとする。
【００４７】
この光制御デバイスは、図１２に示したように、主に、一面（図中の上面）にマイクロマシン１００が配設された基板Ｋと、一面（図中の下面）にコイル３１およびリード３２が配設されたフィルムＦとを含んで構成されている。基板ＫとフィルムＦとは、マイクロマシン１００の配設位置とコイル３１の配設位置とが対応することとなるように位置合わせされた状態において、例えば紫外線硬化型の接着剤を介して互いに接着されている。
【００４８】
フィルムＦは、例えば、約０．１ｍｍの厚みを有し、基板Ｋの構成材料と同様のプラスチックにより構成されている。コイル３１は、例えば、図１３に示したように渦巻状の構造をなしており、アルミニウムや銅などの導電材料により構成されている。コイル３１における内側の終端部には、例えば、引き出し電極としてのリード３２の一端が接続されている。このリード３２は、例えば、コイル３１と同様の構成材料により構成されている。コイル３１における外側の終端部およびリード３２の他端は、それぞれ配線５０を介して、光制御デバイスを駆動させるための電源４０と接続されている。なお、コイル３１は、例えば、ＦＣＶＡイオンソースによりフィルムＦの表面にアルミニウム膜や銅膜を形成したのち、これらのアルミニウム膜や銅膜を各種エッチング処理（例えばケミカルエッチング）によってパターニングすることにより形成される。
【００４９】
＜光制御デバイスの動作＞
次に、図１２〜図１５を参照して、光制御デバイスの動作について説明する。図１４および図１５は、光制御デバイスの動作を説明するものである。この光制御デバイスでは、電源４０によりコイル３１に電流が流れると、この電流に応じて生じた磁界により、コイル３１の延在面と垂直な方向に力Ｆが働く。この力Ｆの向き（上向きまたは下向き）は、コイル３１を流れる電流の向きに応じて決定される。このとき、図中の上向きに力Ｆ（ＦＵ）が働いた場合には、マイクロマシン１００を構成する被覆膜２４が力ＦＵに応じて伸張することにより部分２４Ｔが上向きに移動し（図１４参照）、一方、図中の下向きに力Ｆ（ＦＤ）が働いた場合には、被覆膜２４が力ＦＤに応じて収縮することにより、部分２４Ｔが下向きに移動することとなる（図１５参照）。この光制御デバイスによれば、例えば、部分２４Ｔに光を照射した状態において、コイル３１を流れる電流の向きを変化させることにより、部分２４Ｔ近傍における光の透過特性，屈折特性，反射特性等を自由に変化させることが可能となる。
【００５０】
＜第２の実施の形態に係る効果＞
本実施の形態では、上記第１の実施の形態において形成したマイクロマシン１００を利用して光制御デバイスを作製するようにしたので、上記第１の実施の形態の場合と同様の作用により、マイクロマシン１００の形成時における処理温度が比較的低くなる（約１５０°Ｃ以下）。このため、マイクロマシン１００の形成時における基板Ｋの変形や破損等の不具合を招くことなく、光制御デバイスを作製することができる。
【００５１】
＜第２の実施の形態に係る変形例＞
なお、本実施の形態では、マイクロマシン１００（部分２４Ｔ）を駆動させるための駆動源として、フィルムＦの表面にコイル３１等を配設するようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。図１６および図１７は、本実施の形態において作製される光制御デバイスに対する変形例としての光制御デバイスの構成の一例を表すものである。図１６は変形例としての光制御デバイスの断面構成，図１７は図１６に示した光制御デバイスの要部（電極板等）の平面構成をそれぞれ示している。この光制御デバイスでは、例えば、フィルムＦの表面に例えば矩形状の電極板６１が配設されると共に、マイクロマシン１００（被覆膜２４）および電極板６１が、それぞれ配線５０を介して電源４０と接続される。すなわち、マイクロマシン１００および電極板６１によって平行コンデンサが構成される。この光制御デバイスによれば、磁界に応じて発生した力Ｆを利用してマイクロマシン１００（部分２４Ｔ）を駆動させる上記実施の形態の場合とは異なり、マイクロマシン１００と電極板６１との間に生じる静電気に応じて発生した力Ｆを利用することにより、上記実施の形態の場合（図１４，図１５参照）と同様に、マイクロマシン（部分２４Ｔ）を駆動させることができる。なお、変形例としての光制御デバイスにおいて、上記以外の構成は、図１２〜図１５に示した場合と同様である。
【００５２】
また、本実施の形態では、光制御デバイスの構成要素として、ビーム構造を有するマイクロマシン１００を用いるようにしたが、必ずしもこれに限られるものではない。図１８は、本実施の形態において作製される光制御デバイスに対する他の変形例としての光制御デバイスの構成を表すものであり、（Ｂ）は他の変形例としての光制御デバイスを構成するマイクロマシン１００の平面構成，（Ａ）は（Ｂ）に示したマイクロマシン１００のＡ−Ａ線に沿った矢視断面構成をそれぞれ示している。また、図１９および図２０は、他の変形例としての光制御デバイスの構成および動作を説明するものである。この光制御デバイスでは、例えば、被覆膜２４の一部（部分２４Ｙ）が開口２４Ｕを横断するようなビーム構造を有するようにマイクロマシン１００が構成される。このマイクロマシン１００およびコイル３１を含んで構成された光制御デバイスによれば、上記実施の形態の場合（図１４，図１５参照）と同様に、上向きの力ＦＵに応じて部分２４Ｙが上向きに移動し（図１９参照）、一方、下向きの力ＦＤに応じて部分２４Ｙが下向きに移動することとなる（図２０参照）。なお、他の変形例としての光制御デバイスにおいて、上記以外の構成は、図１２〜図１５に示した場合と同様である。
【００５３】
また、本実施の形態では、光制御デバイスを複数集合させることにより大型のデバイスを構成するようにしてもよい。図２１は、本実施の形態において作製されるさらに他の変形例を表すものである。この光制御デバイスでは、例えば、上記実施の形態において作製した光制御デバイス（図１２参照）がマトリクス状（例えば縦５行×横４列）に配列される。この光制御デバイスによれば、各マイクロマシン１００ごとに駆動状態（部分２４Ｔの移動状態）を変化させることにより多様な光制御を行うことが可能となり、特に、ディスプレイなどに適用可能となる。
【００５４】
また、本実施の形態では、マイクロマシン１００を利用して光制御デバイスを構成する場合について説明したが、必ずしもこれに限られるものではなく、光制御デバイス以外の他の各種デバイスを構成することも可能である。「他の各種デバイス」としては、例えば、部分２４Ｔの駆動状態を周期的に変化させ、マイクロマシン１００を振動発生源として利用した場合には、超音波スピーカやツイータを構成する音波制御デバイスや、ヒートパイプなどの内部に配設される流体制御デバイスなどが挙げられる。
【００５５】
なお、本実施の形態に係る上記以外の作用、効果および変形例等は、上記第１の実施の形態の場合と同様である。
【００５６】
以上、いくつかの実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記各実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。例えば、上記第１の実施の形態において説明した３次元構造物の形成方法や製造装置の構成および上記第２の実施の形態において説明した光制御デバイスの構成等は、必ずしも上記各実施の形態において説明したものに限られるものではなく、処理温度が比較的低い（約１５０°Ｃ以下）ＦＣＶＡイオンソースやカウフマン型イオンソースを利用し、処理時における基板Ｋの変形等を招くことなく、基板Ｋの表面にマイクロマシン１００（３次元構造物）を形成することが可能な限り、自由に変更可能である。
【００５７】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の３次元構造物の形成方法によれば、アーク放電のエネルギーを利用してカソードを蒸発させることにより成膜イオンを発生させ、この成膜イオンにより第１の前駆膜および第２の前駆膜をそれぞれ形成し、エッチングイオンを含むプラズマを発生させ、このプラズマ中のエッチングイオンにより第１の開口および第２の開口をそれぞれ形成すると共に、選択的に除去可能な犠牲膜を覆うように第２の前駆膜を形成するようにしている。このような場合には、第１の前駆膜，第２の前駆膜，第１の開口および第２の開口を形成する際の処理温度（約１５０°Ｃ以下）が、従来の半導体プロセスを用いる場合（約４００°Ｃ以上）よりも低くなるため、処理温度に応じて被処理体の材質が限定されない。したがって、比較的融点の低い被処理体を用いた場合においても、変形や破損等の不具合の発生を招くことなく、被処理体の表面に３次元構造物を容易に形成することができる。
【００５８】
特に、請求項２記載の３次元構造物の形成方法によれば、被処理体にパルス状電圧を印加した状態において、注入イオンを含むプラズマを発生させ、このプラズマ中の注入イオンを第１の薄膜パターンおよび第２の薄膜パターンに注入するようにしたので、被処理体の熱変形等に係る不具合の発生を抑制しつつ、イオン注入処理を利用して３次元構造物の物理特性を向上させることができる。
【００５９】
また、請求項４記載の３次元構造物の形成方法によれば、被処理体としてプラスチックにより構成されたものを用いるようにしたので、比較的融点の低いプラスチックにより構成された被処理体を用いた場合においても、処理時における被処理体の変形や破損等の不具合を招くことなく、プラスチックにより構成された被処理体の表面に３次元構造物を形成することができる。
【００６０】
また、請求項５記載の３次元構造物の形成方法では、被処理体に、正のパルス電圧と負のパルス電圧とを含むパルス電圧を印加するようにしたので、処理時において被処理体の内部に電荷が残留すること（チャージアップ）が抑制される。このため、チャージアップに起因するイオン注入処理の停滞現象を回避し、被処理体にイオンを円滑かつ均一に注入することができる。
【００６１】
また、請求項６記載の３次元構造物の形成方法によによれば、被処理体に負のパルス電圧を含むパルス状電圧を印加するようにしたので、エッチングイオンが被処理体まで効率よく誘導され、エッチング速度が増加する。このため、エッチング処理を短時間で行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る３次元構造物の形成方法において用いられる製造装置の構成の一例を表す図である。
【図２】第１の成膜工程を説明するための図である。
【図３】第１のエッチング工程を説明するための図である。
【図４】図３に続く工程を説明するための図である。
【図５】犠牲膜の形成工程を説明するための図である。
【図６】第２の成膜工程を説明するための図である。
【図７】第２のエッチング工程を説明するための図である。
【図８】図７に続く工程を説明するための図である。
【図９】イオン注入工程を説明するための図である。
【図１０】犠牲膜の除去工程を説明するための図である。
【図１１】イオン注入処理時におけるパルス状電圧の波形および電流変化を表す図である。
【図１２】本発明の第２の実施の形態における３次元構造物の形成方法を利用して構成された光制御デバイスの断面構成の一例を表す断面図である。
【図１３】図１２に示した光制御デバイスの要部（コイル）の平面構成を表す平面図である。
【図１４】光制御デバイスの動作を説明するための図である。
【図１５】光制御デバイスの動作を説明するための図である。
【図１６】本発明の第２の実施の形態の光制御デバイスに対する変形例としての光制御デバイスの断面構成を表す断面図である。
【図１７】図１６に示した光制御デバイスの要部（電極板）の平面構成を表す平面図である。
【図１８】本発明の第２の実施の形態の光制御デバイスに対する他の変形例としての光制御デバイスの要部（マイクロマシン）の構成を表す断面図である。
【図１９】図１８に示した光制御デバイスの動作を説明するための図である。
【図２０】図１８に示した光制御デバイスの動作を説明するための図である。
【図２１】本発明の第２の実施の形態の光制御デバイスに対するさらに他の変形例としての光制御デバイスの断面構成を表す断面図である。
【符号の説明】
１…真空チャンバ、２，３，４…処理ソース、５…真空ポンプ、６（６Ａ、６Ｂ，６Ｃ）…導入端子、７…バイアス電源、８（８Ａ，８Ｂ，８Ｃ）…基板ホルダ、１０…製造装置、２１…下地膜、２１Ｐ…下地前駆膜、２２，２５…マスク、２１Ｕ，２２Ｕ，２４Ｕ，２５Ｕ…開口、２３…犠牲膜、２４…被覆膜、２４Ｐ…被覆前駆膜、３１…コイル、３２…リード、４０…電源、５０…配線、６１…電極板、１００…マイクロマシン、Ｆ…フィルム、Ｋ…基板、Ｎ１…成膜イオン、Ｎ２…エッチングイオン、Ｎ３…注入イオン。
【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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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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