(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板を準備し、
前記第１の基板上に接着層を介して１００μｍ乃至５００μｍの範囲の厚さを有する板状部材を貼り付け、
前記板状部材を微小構造体の複数の断面形状にパターニングして複数の断面パターン部材を形成し、
前記複数の断面パターン部材を、それらの各接合面を清浄化してから、圧接することにより、第２の基板上に順次接合転写して前記複数の断面パターン部材を積層することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項２】
前記第１の基板の準備は、前記第１の基板と前記接着層との間の接合力を前記接着層と前記板状部材との間の接合力より大きくする処理を含む構成の請求項１記載の微小構造体の製造方法。
【請求項３】
前記第１の基板の準備は、Ｓｉウェハからなる前記第１の基板の準備を含み、
前記処理は、前記Ｓｉウェハの前記接着層が形成される側の面に密着力強化材を塗布する処理を含む構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項４】
前記処理は、前記第１の基板の前記接着層が形成される側の面の粗さを大きくする処理を含む構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項５】
前記第１の基板の準備は、ガラスからなる前記第１の基板の準備であり、前記処理は、前記ガラスの前記接着層が形成される側の面の粗さを大きくする処理を含む構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項６】
前記板状部材の貼り付けは、前記接着層に貼り付けられる面、および前記面と反対側の面がミラー研磨されたＳｉウェハからなり、
前記反対側の面に酸化膜あるいは窒化膜が形成された前記Ｓｉウェハの貼り付けであり、
前記複数の断面パターン部材の形成は、前記酸化膜あるいは前記窒化膜をリソグラフィー法によりパターニングする工程と、パターニングされた前記酸化膜あるいは前記窒化膜をマスクとして異方性エッチング法により前記板状部材が貫通するまでエッチングする工程とを含む構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項７】
前記異方性エッチングは、ＩＣＰエッチングである構成の請求項６記載の微小構造体の製造方法。
【請求項８】
前記接着層は、フォトレジストである構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項９】
前記接着層は、ポリイミドである構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１０】
前記接着層は、ワックスである構成の請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１１】
前記複数の断面パターン部材の形成は、前記複数の断面パターン部材のうち少なくとも一部の断面パターン部材の側面に前記第１の基板に対して傾斜した傾斜面を形成する工程を含む構成の請求項１記載の微小構造体の製造方法。
【請求項１２】
前記傾斜面を形成する工程は、前記板状部材上に所定の２次元パターンを有するホトレジストを形成し、異方性ドライエッチング室内において前記第１の基板を傾けて行う構成の請求項１１記載の微小構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、積層造形方法によって製造される微小ギアや微細光学部品、あるいはこれらを形成する金型等の微小構造体の製造方法に関し、特に、高さが数百ミクロン以上となる微小構造体でも、短時間に製造することが可能な微小構造体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、部品製造において、積層造形方法がコンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短期間で形成する方法として急速に普及している。この積層造形方法で作製された３次元物体は、種々の装置の部品のモデル（プロトタイプ）として、部品の動作や形状の良否を調べるために利用されている。この積層造形方法は、サイズが数ｃｍ以上の比較的大きな部品に適用されることが多かったが、近年においては、精密に加工して形成される微小構造体、例えば、微小ギアや微細光学部品にもこの方法が適用されている。
【０００３】
この積層造形方法による従来の微小構造体の製造方法として、例えば、特開平１０−３０５４８８号公報に示されるものがある。
【０００４】
図８は、その微小構造体の製造工程を示す。まず、同図（ａ）に示すように、基板５１としてＳｉウェハを準備し、その基板５１の表面に離型層５２を０．１μｍ成長させ、その離型層５２の上にスパッタリング法によりＡｌ薄膜５３を０．５μｍの厚さで着膜する。
【０００５】
次に、同図（ｂ）に示すように、基板５１の表面にホトレジスト５４を塗布し、通常のフォトリソグラフィ法によりＡｌ薄膜５３をエッチングし、所望の微小構造体の第１の断面形状を有する第１のＡｌ薄膜５３０を形成する。第１のＡｌ薄膜５３０を形成した後、ホトレジスト５４を剥離液にて除去する。このようにして形成した第１のＡｌ薄膜５３０は、解像度１μｍ以下、精度０．１μｍ以下の微細かつ精密なものとなっている。
【０００６】
次に、同図（ｃ）に示すように、第１のＡｌ薄膜５３０が形成された基板５１を真空槽５５内に導入し、真空槽５５内にあるステージ５６と対向させ、真空槽５５内を約１０-6Ｐａ程度まで排気する。そしてステージ５６の表面、および第１のＡｌ薄膜５３０の表面にＡｒガス５７を源とするＦＡＢ（Fast Atom Bombardment）処理を施す。これはＡｒガス５７を１ｋＶ程度の電圧で加速して第１のＡｌ薄膜５３０およびステージ５６の表面に照射し、これらの表面の酸化膜、不純物などを除去し、清浄な表面を形成する工程である。
【０００７】
次に、同図（ｄ）に示すように、対向ステージ５６と基板５１を接近させ、清浄な対向ステージ５６の表面と清浄な第１のＡｌ薄膜５３０の表面とを接触させ、更に荷重として５０ｋｇｆ／ｃｍ2をかけ５分間押し付けて、対向ステージ５６と第１のＡｌ薄膜５３０の表面を接合する。
【０００８】
そして、同図（ｅ）に示すように、対向ステージ５６と基板５１を元の位置に引き離すと、第１のＡｌ薄膜５３０と対向ステージ５６との接合力の方が、第１のＡｌ薄膜５３０と基板５１表面の離型層５２との密着力よりも大きいため、第１のＡｌ薄膜５３０は、基板５１から対向ステージ５６側に転写される。
【０００９】
同様にして、第２のＡｌ薄膜５３０を形成してＦＡＢ処理を施し、接合転写することにより、第１のＡｌ薄膜５３０の上に第２のＡｌ薄膜５３０を積層する。最初の工程との違いは、ＦＡＢ処理の工程において、２回目のときは対向ステージ５６表面にＦＡＢ処理を施すのではなく、第１のＡｌ薄膜５３０の裏面（それまで基板５１に接触していた面）に照射し、そこを清浄化することである。また、第１のＡｌ薄膜５３０と第２のＡｌ薄膜５３０の相対的な位置出しを行うために、対向ステージ５６側あるいは基板５１側に、ｘ−ｙ（水平）平面内のアライメント機構（図示せず）が設けられている。
【００１０】
以上の各工程を繰り返して順にＡｌ薄膜５３０を積層することにより、同図（ｆ）に示すように、微小構造体５８が製造できる。このような方法により製造した微小構造体５８は、Ａｌ製であるが、他の材料で製造するには、基板５１上に形成する薄膜を銅、インジウム等の他の金属やセラミックス等の絶縁体（アルミナ、炭化けい素）にすれば良い。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の微小構造体の製造方法によると、厚さ０．５μｍの薄膜を積層するため、積層方向の寸法が数百ミクロン乃至数ｍｍの微小構造体を製造しようとする場合は、積層数が多くなり、製造に要する時間が長くなるという欠点がある。
この欠点を回避する方法として、薄膜の厚さを数ミクロン〜十数ミクロンに増やす方法が考えられるが、この場合は、真空蒸着法等の薄膜堆積法を使う限り、１層の膜厚はせいぜい十数ミクロンであり、それ以上厚い膜の形成は、膜のストレスに起因する膜はがれの問題や長い成膜時間を考慮すると、実現が困難となる。
【００１２】
従って、本発明の目的は、高さが数百ミクロン以上となる微小構造体でも、短時間に製造することが可能な微小構造体の製造方法を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の目的を実現するため、第１の基板を準備し、前記第１の基板上に接着層を介して１００μｍ乃至５００μｍの範囲の厚さを有する板状部材を貼り付け、前記板状部材を微小構造体の複数の断面形状にパターニングして複数の断面パターン部材を形成し、前記複数の断面パターン部材を、それらの各接合面を清浄化してから、圧接することにより、第２の基板上に順次接合転写して前記複数の断面パターン部材を積層することを特徴とする微小構造体の製造方法を提供する。上記構成によれば、厚さの比較的厚い板状部材を接合して積層することにより、積層枚数が減り、パターニング工程および積層時間が短くなる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す。まず、同図（ａ）に示すように、ベースとなる支持基板１上に接着層２を介して構造体となる板状部材３を貼り付ける。次に、同図（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィー法を用いて板状部材３を貫通するまでパターニングして、作製対象の微小構造体を構成する複数の断面パターン部材３０、例えば、第１，第２および第３の断面パターン部材３１，３２，３３を一括して形成する。引き続き同図（ｃ）に示すように、第１の断面パターン部材３１を対向基板４と向かい合わせ、第１の断面パターン部材３１を対向基板４の表面に接合して引き離すと、第１の断面パターン部材３１は、対向基板４側に転写する。これは、第１の断面パターン部材３１と対向基板４との間の接合力の方が、第１の断面パターン部材３１と接着層２との間の接着力よりも大きいためである。同様に同図（ｄ）に示すように、第２および第３の断面パターン部材３２，３３を接合転写すると、対向基板４の上にピラミッド状の微小構造体５が完成する。
【００１６】
この第１の実施の形態によれば、厚さが１００ミクロン乃至数百ミクロンの範囲で選択可能な断面パターン部材３１，３２，３３を接合して積層しているので、パターニング工程および積層時間を大幅に短縮でき、全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍの微小構造体５を短時間かつ容易に作製することができる。
【００１７】
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す。第１の実施の形態との違いは、微小構造体の各断面の断面パターン部材を形成するパターニング工程において、各断面パターン部材３１，３２，３３を同図（ａ）に示すように、逆テーパー形状としたことにある。すなわち、パターニング工程において、異方性ドライエッチング装置を用い、エッチング時のイオンビームに対して支持基板１を（９０°−α）だけ傾け、さらにこの傾斜軸の周りに支持基板１を回転させて、斜面３１ａ，３２ａ，３３ａを有する第１，第２および第３の断面パターン部材３１，３２，３３を一括して形成する。これらの断面パターン部材３１，３２，３３を積層すると、同図（ｂ）に示すように、斜面３１ａ，３２ａ，３３ａが滑らかに連続する微小構造体５が完成する。
【００１８】
この第２の実施の形態によれば、厚さが１００ミクロン乃至数百ミクロンの範囲で選択可能で、斜面３１ａ，３２ａ，３３ａを有する断面パターン部材３１，３２，３３を接合して積層しているので、パターニング工程および積層時間を大幅に短縮でき、斜面３１ａ，３２ａ，３３ａが滑らかに連続し、全体の高さが１ｍｍ乃至数ｍｍの微小構造体５を短時間かつ容易に作製することができる。
【００１９】
【実施例】
＜実施例１＞
【００２０】
図３は、本発明の実施例１に係る微小構造体の製造工程を示す。まず、同図（ａ）に示すように、両面に約１ミクロンの厚さの熱酸化膜１１０が形成されたシリコンウェハからなる支持基板１０１を準備する。支持基板１０１は、平面度に留意して平面度が数ミクロン程度のものを用いる。
【００２１】
次に、同図（ｂ）に示すように、支持基板１０１の熱酸化膜１１０の上面に密着力強化剤を噴霧塗布した後、その塗布した上面側にフォトレジストをスピン塗布して、接着層１２０を形成する。密着力強化剤を塗布することにより支持基板１０１と接着層１２０との間の接着力を接着層１２０と後述する板状部材１３０Ａとの間の接着力よりも大きくなるようにしている。
【００２２】
両面が鏡面研磨され、平面度が数ミクロン程度で、厚さ５００ミクロンのシリコンウェハからなり、上面にだけ酸化膜１４０が形成された板状部材１３０Ａを準備しておく。上記接着層１２０が乾く前に、同図（ｃ）に示すように、板状部材１３０Ａを貼り付け、その後、１５０度、３０分間ベイクして、２枚の基板１０１，１３０Ａを接着する。
【００２３】
引き続き同図（ｄ）に示すように、通常のフォトリソグラフィー法にて、板状部材１３０Ａ表面の酸化膜１４０を、作製する構造体の各断面形状に一括してパターニングしてパターン酸化膜１４１，１４２を得る。エッチングは図示しないレジストパターンをマスクとし、バッファードフッ酸を用いる。
【００２４】
次に、同図（ｅ）に示すように、この基板１０１を図示しない誘導結合型プラズマ（ＩＣＰ：inductively couled plasma）エッチング装置に導入し、パターン酸化膜１４１，１４２をマスクとして板状部材１３０Ａのシリコンウェハを貫通するまでエッチングする。ＩＣＰエッチング装置を用いれば、５００ミクロン厚のシリコンウェハも短時間でエッチングすることができ、エッチングした板状部材１３０Ａの側壁もサイドエッチングが少なく、ほぼ垂直にパターニングできる。以上の工程で、支持基板１０１上に構造体の各断面に対応する複数の断面パターン部材１３０Ｂ（ここでは第１の断面パターン部材１３１と、第１の断面パターン部材１３２を示す。）が一括して完成する。
【００２５】
図４は、積層プロセスを示す。上記のように断面パターン部材１３１，１３２が形成された支持基板１０１を、同図（ａ）に示すように、接合装置の真空チャンバー６内に導入し、対向基板４と向かい合わせて、対向基板４と第１の断面パターン部材１３１の表面にアルゴン原子ビーム７を照射して、表面を清浄化する。次に、同図（ｂ）に示すように第１の断面パターン部材１３１と対向基板４を圧接すると、両者が常温接合により強固に接合される。引き続き同図（ｃ）に示すように、対向基板４を引き上げると、第１の断面パターン部材１３１が支持基板１０１から剥離して対向基板４側に転写する。これは、常温接合による対向基板４と第１の断面パターン部材１３１との間の接合力が、第１の断面パターン部材１３１と接着層１２０との間の接着力よりも強いためである。さらに、同図（ｄ）に示すように、支持基板１０１を対向基板４に対して相対的に移動し、対向基板４と第２の断面パターン部材１３２とが向かい合うように位置決めする。以下は、同図（ａ）〜（ｄ）の工程を繰り返して対向基板４上に複数の断面パターン部材１３０Ｂを積層して、微小構造体を完成させる。
【００２６】
なお、支持基板１０１は、適当な機械的強度と表面粗さおよび平面度が満足されれば、セラミック、又はガラス基板若しくは石英基板でもよい。特にガラス基板は、表面粗さ、平面度、価格の点で好適である。
さらに、上記実施例１では、接着層１２０としてフォトレジストを用いたが、これ以外にもポリイミドやワックスを利用することもできる。ポリイミド層の形成は、上記フォトレジストの場合とほぼ同様であり、液体状の原料を支持基板１０１上にスピン塗布し、その上に板状部材１３０Ａを載せて貼り付け、ベイクすることにより接着できる。支持基板１０１との接着力はフォトレジストよりも強固な値にできる。一方ワックスを用いる場合は、支持基板１０１と板状部材１３０Ａを１００℃程度に加熱しておき、やはり加熱溶融させたワックスを支持基板１０１上にスピン塗布した後、板状部材１３０Ａを貼り付け、その後室温まで冷却して接着する。ワックスを用いると、塗布の工程が簡略化できるという効果がある。
【００２７】
＜実施例２＞
図５および図６は、本発明の実施例２の製造工程を示す。実施例１との違いは、構造体の断面にテーパー角度をつけて、側壁が傾斜した針状の構造体を製作する点にある。表面の酸化膜１４０をフォトリソグラフィー法によりパターニングする図３（ｄ）に示す工程までは、実施例１と同様である。
【００２８】
図５は、ＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）エッチング装置を示す。次に、酸化膜１４０がパターニングされた支持基板１０１を同図に示すＥＣＲエッチング装置１０に導入する。この装置１０は、装置本体１１の上部に設けられたイオン化室１１ａに石英窓１３を通して２．４５ＧＨｚのマイクロ波１４を供給し、外部磁気コイル１２を用いて放電を起こすものである。このマイクロ波１４と外部磁気コイル１２による磁界により電子は、サイクロトロン共鳴状態となる。励起された電子は、エッチングガス１５を解離させ、高密度のプラズマを発生させる。電離したイオンは、引き出し電極１６から発散磁界に沿って装置本体１１の下部に設けられたプロセス室１１ｂに入り、良好な指向性（異方性）エッチングを可能にする。一方、支持基板１０１は、傾斜角度を自由に設定可能な傾斜ステージ１７によって斜めに保持された基板ホルダ１８に取り付けられ、更に図示しないモータによって回転軸１９を中心に回転する。本実施例２では、エッチングガス１５として、例えば、ＣＣｌ4あるいはＳｉＣｌ4を用い、圧力を１０-4〜１０-3 Ｔｏｒｒ、マイクロ波１４の電力を１００〜５００Ｗ、基板ホルダ１８の傾斜角αを７０度とし、基板ホルダ１８を１０ｒｐｍで回転させながら板状部材１３０Ａをエッチングする。このように、エッチング時のイオンビーム１６ａに対して支持基板１０１を（９０°−α）だけ傾け、さらに回転軸１９を回転させることにより、逆テーパー形状の薄膜が形成される。
【００２９】
図６は、その逆テーパー形状の薄膜を示す。支持基板１は回転軸１９を中心に回転しているので、同図（ａ）に示すように、全周に斜面１３１ａ，１３２ａを有する逆テーパー形状の断面パターン部材１３０Ｂ（１３１，１３２）が得られる。なお、傾斜面１３１ａ，１３２ａの傾斜角αは構造体の傾斜角に合わせて、エッチング装置１０の傾斜ステージ１７の角度を調整することにより、任意に（垂直を含む）設定できる。エッチング後は通常のレジスト剥離工程を通し、同図（ｂ）のように全周に斜面１３１ａ，１３２ａが形成された逆テーパー形状の断面パターン部材１３０Ｂ（１３１，１３２）が完成する。この後の積層工程は、実施例１と同様である。
【００３０】
図７は、最終的に完成した微小構造体５を示す。高さが１ｍｍ以上で、側壁にテーパーがついているので、鋭い針状の微小構造体５が作製できた。
【００３１】
なお、本発明は、上記実施の形態、および上記実施例に限定されず、種々変形実施が可能である。例えば、板状部材表面の酸化膜は、窒化膜でもよい。また、板状部材は、表面研磨処理を施していないＳｉウェハでもよい。また、板状部材としてシリコン以外に、アルミナ等のセラミックを用いてもよい。また、支持基板と接着層との間の接着力を増すために、支持基板の接着層が形成される側の面の粗さを大きくする処理を施してもよい。例えば、水酸化カリウム溶液への浸漬による化学的方法、又はブラスト処理等の機械的方法が好適である。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、厚さの比較的厚い基板材料からなる構造体を接合して積層することにより、積層枚数が減るので、パターニング工程および積層時間が短くなり、高さが数百ミクロン以上となる構造体でも、短時間に製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す図である。
【図２】（ａ），（ｂ）は本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体の製造工程を示す図である。
【図３】（ａ）〜（ｆ）は本発明の実施例１に係るパターニング工程を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例１に係る積層プロセスを示す図である。
【図５】本発明の実施例２に係るエッチング装置を示す図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は図５に示すエッチング装置によるエッチング工程を示す図である。
【図７】本発明の実施例２による微小構造体を示す図である。
【図８】（ａ）〜（ｆ）は従来の微小構造体の製造工程を示す図である。
【符号の説明】
１  支持基板
２  接着層
３  板状部材
４  対向基板
５  微小構造体
６  真空チャンバー
７  アルゴン原子ビーム
１０  エッチング装置
１１ａ  イオン化室
１１ｂ  プロセス室
１１  装置本体
１２  外部磁気コイル
１３  石英窓
１４  マイクロ波
１５  エッチングガス
１６  電極
１６ａ  イオンビーム
１７  傾斜ステージ
１８  基板ホルダ
１９  回転軸
３１  断面パターン部材
３１ａ，３２ａ，３３ａ  斜面
３２，３３  断面パターン部材
５１  基板
５２  離型層
５３  薄膜
５４  ホトレジスト
５６  対向ステージ
５８  微小構造体
１０１  基板
１０１  支持基板
１０１  支持用基板
１１０  熱酸化膜
１２０  接着層
１３０Ａ  板状部材
１３０Ｂ，１３１，１３２  断面パターン部材
１３１ａ，１３２ａ  斜面
１３１，１３２  断面パターン部材
１４０  酸化膜
１４１，１４２  パターン酸化膜
５３０  薄膜
α  傾斜角
【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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