(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
パターン基板上に形成された複数の薄膜を所定の順序で対向基板上に圧接することにより前記対向基板上に前記複数の薄膜を積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、
前記複数の薄膜を前記対向基板上へ圧接する前に、２５０ｎｍ以下の表面算術平均粗さを有した１μｍ以下の平面度の平面に、裏面の表面算術平均粗さを１０ｎｍ以下にした前記パターン基板を前記裏面側から吸着させて、前記パターン基板の表面を１μｍ以下の平面度にすることを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項２】
前記平面への前記パターン基板の吸着は、前記平面として静電的に所定の極性にされた電極板と一体になった誘電体板を前記所定の極性にし、前記パターン基板を静電的に前記所定の極性と反対の極性にすることにより行う請求項１記載の微小構造体の製造方法。
【請求項３】
前記誘電体板は、セラミックスを用いる請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項４】
パターン基板上に形成された複数の薄膜を所定の順序で対向基板上に圧接することにより前記対向基板上に前記複数の薄膜を積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造装置において、
２５０ｎｍ以下の表面算術平均粗さを有した１μｍ以下の平面度の平面によって形成され、裏面の表面算術平均粗さを１０ｎｍ以下にした前記パターン基板を前記裏面側から吸着して、前記パターン基板の表面を１μｍ以下の平面度にする平面度設定手段を備えたことを特徴とする微小構造体の製造装置。
【請求項５】
前記平面度設定手段は、静電的に所定の極性にされた電極板と、前記電極板と一体になって前記所定の極性にされた１μｍ以下の平面度を有した誘電体板を有し、前記パターン基板は、静電的に前記所定の極性と反対の極性にされて前記誘電体板に吸着される構成の請求項４記載の微小構造体の製造装置。
【請求項６】
前記誘電体板は、セラミックスである請求項５記載の微小構造体の製造装置。
【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、あるいはこれらを成形する金型等の微小構造体の製造方法および製造装置に関し、特に、歩留りおよび断面形状精度を向上させることができる微小構造体の製造方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
積層造形方法は、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短納期で造形する方法として近年急速に普及している。積層造形方法により造形された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る。この方法が適用される部品のサイズは、数ｃｍ以上の比較的大きな部品が多かったが、近年、精密に加工して形成される微小部品、例えば微小ギアや微細光学部品にもこの方法を適用したいというニーズがある。このようなニーズに対応する従来の微小構造体の製造方法および装置として、例えば、特開平１０−３０５４８８号公報に示されるものがある。
【０００３】
図８は、この従来の微小構造体の製造方法および装置に係る積層装置を示す。積層装置３は、積層工程が行われる真空槽３００を有し、この真空槽３００の内部に、基板４００が載置される基板ホルダ３０１と、基板４００上に形成される薄膜が転写されるステージ３０２と、ステージ３０２に取り付けられ、基板４００上のアライメントマークを検出する顕微鏡の如きマーク検出部３０６と、ステージ３０２をｘ軸方向に移動させるＸ軸テーブル３１０と、ステージ３０２をＹ軸方向に移動させるＹ軸テーブル３２０とを備え、真空槽３００の外部に、基板ホルダ３０１をＺ軸方向に移動させるＺ軸テーブル３３０と、基板ホルダ３０１をＺ軸回りに回転させるθテーブル３４０とを備える。
【０００４】
図９(a) 〜(c) は、製造工程を示す。この微小構造体の製造方法は、同図(a) に示すように、基板４００上に真空蒸着法等によってアルミ等の薄膜４０２をポリイミド等の離型層４０１を介して着膜した後、その薄膜４０２を同図(b) および(c) に示すようにフォトリソグラフィー法によりパターニングして微小構造体の各断面形状に対応した複数の薄膜４０２ａを所定のピッチで形成するとともに、アライメントマーク４０３も所定の位置に同時に形成する。次に、その複数の薄膜４０２ａが形成された基板（パターン基板）４００を図８に示す真空槽３００内の基板ホルダ３０１上に載置し、マーク検出部３０６を用いてアライメントマーク４０３を観察し、アライメントマーク４０３が原点位置に達するようにＸ軸テーブル３１０、Ｙ軸テーブル３２０およびθテーブル３４０によって位置決めする。次に、ステージ３０２が１層目の薄膜（同図の例では最も径の大きい薄膜）４０２ａ上に位置するようにＸ軸テーブル３１０およびＹ軸テーブル３２０によってステージ３０２を原点位置から予め定められた距離を移動させる。基板ホルダ３０１を上昇させてステージ３０２上の対向基板（図示せず）に接合させた後、基板ホルダ３０１を下降させると、薄膜４０２ａが基板４００から剥離してステージ３０２側に転写される。２層目以降の薄膜（同図の例では２番目に大きい径の大きい薄膜）４０２ａを接合する場合は、ステージ３０２が2 層目の薄膜４０２ａ上に位置するようにＸ軸テーブル３１０およびＹ軸テーブル３２０によってステージ３０２を所定のピッチ移動させ、同様に２層目の薄膜４０２ａを１層目の薄膜４０２ａ上に転写し、これを繰り返すことにより、図１０に示すように、対向基板上に複数の薄膜４０２ａが積層された微小構造体４１０が形成される。この製造方法によると、膜厚制御性が良好で基板全体に渡って膜厚均一性に優れたスパッタリング法等の着膜方法を用いて複数の薄膜を形成できるので、積層方向の解像度が高い微小構造体を製造することができる。
【０００５】
【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および装置によると、基板の初期形状や離型層および薄膜の内部応力によりパターン基板に反りが生じるため、薄膜転写時に、対向基板へ薄膜を面全体で接触させることが困難になり、対向基板への薄膜の転写性が低下する。また、対向基板に対し基板が凹形状に反っていると、薄膜転写時に、対向基板が基板のエッジ部分から接触してゆくことになり、その結果、基板のエッジ部分が欠けてパーティクルを発生することがある。従って、歩留りを低下させるという問題がある。
一方、基板の初期形状や離型層および薄膜の内部応力を事前に測定し、それから基板上に離型層および薄膜を形成したときの基板の反りの方向や反りの量を求め、求めた反りの方向および反りの量に基づいて、基板に形成したときに基板の反りを緩和する反り制御層の材料および形成条件を決定し、決定された材料および形成条件に基づいて基板に反り制御層を形成することにより、基板の反りを緩和して歩留りを向上させる微小構造体の製造方法が、本出願人によって提案されているが、この方法によるとパターン基板を製造するのに多くの工程が必要となり、パターン基板の製造時間が増大するという問題がある。
【０００６】
また、従来の微小構造体の製造方法および装置によると、薄膜と対向基板を接合した後、両者を離す時に基板が動くことがあり、この場合、各層の薄膜毎に位置がずれてしまい、その結果、断面形状精度が低下するという問題がある。
【０００７】
従って、本発明の目的は歩留りおよび断面形状精度を向上させることができる微小構造体の製造方法および装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記の目的を達成するため、パターン基板上に形成された複数の薄膜を所定の順序で対向基板上に圧接することにより前記対向基板上に前記複数の薄膜を積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、前記複数の薄膜を前記対向基板上へ圧接する前に、２５０ｎｍ以下の表面算術平均粗さを有した１μｍ以下の平面度の平面に、裏面の表面算術平均粗さを１０ｎｍ以下にした前記パターン基板を前記裏面側から吸着させて、前記パターン基板の表面を１μｍ以下の平面度に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ものである。
【０００９】
また、本発明は上記の目的を達成するため、パターン基板上に形成された複数の薄膜を所定の順序で対向基板上に圧接することにより前記対向基板上に前記複数の薄膜を積層して微小構造体を製造する微小構造体の製造装置において、２５０ｎｍ以下の表面算術平均粗さを有した１μｍ以下の平面度の平面によって形成され、裏面の表面算術平均粗さを１０ｎｍ以下にした前記パターン基板を前記裏面側から吸着して、前記パターン基板の表面を１μｍ以下の平面度にする平面度設定手段を備えたことを特徴とする微小構造体の製造装置を提供するものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の微小構造体の製造方法および装置を添付図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１１】
図１は本発明の第１の実施の形態に係る積層装置を示す。この積層装置１は、真空槽２を有し、この真空槽２の内部に、ｘ軸方向，ｙ軸方向及びｚ軸回りのθ方向にそれぞれ移動させるｘ−ｙ−θステージ４と、ｘ−ｙ−θステージ４上に設けられ、基板上に複数の薄膜を形成してなるパターン基板３を静電力により吸着面５ａに吸着して固定する静電チャック５と、対向基板６が表面７ａに形成されるとともに、ｚ軸方向に移動するｚステージ７と、ｘ−ｙ−θステージ４側およびｚステージ７側に粒子ビーム８をそれぞれ照射してＦＡＢ（Fast Atom Beam）処理を施す第１の粒子ビーム出射端９Ａおよび第２の粒子ビーム出射端９Ｂと、真空槽２内の真空度を検出する真空計１０と、ｘ―ｙ−θステージ４に向けてｚステージ７に設けられ、パターン基板３に形成された位置マークを検出することによりパターン基板３のアライメント状態を検出する例えば顕微鏡の如きマーク検出部（図示せず）を配設している。なお、「ＦＡＢ処理」とは、粒子ビーム８として例えばアルゴン原子ビームを１ｋＶ程度の電圧で加速して材料の表面に照射し、材料表面の酸化膜，不純物等を除去して清浄な表面を形成する処理をいう。本実施の形態では、ＦＡＢの照射条件を処理対象の材料に応じて加速電圧１〜１．５ｋＶ、照射時間１〜１０分の範囲で変更するようにしている。
【００１２】
ｘ−ｙ−θステージ４は、真空中で使用可能なものであり、パターン基板３をｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ移動させるｘステージ４０およびｙステージ４１と、ｚ軸回りに回転するθステージ４２とを備える。
【００１３】
ｚステージ７は、例えば、ステンレス，アルミニウム合金等の金属からなる。対向基板６は、１０ｍｍ角からなり、ｚステージ７上に積層された複数の薄膜からなる微小構造体をｚステージ７から容易に取り出せるようにするため、予め、ｚステージ７の表面７ａに形成される。
【００１４】
図２は積層装置１の制御系を示す。積層装置１は、本装置１全体の制御を司る制御部１１を有し、この制御部１１に、制御部１１のプログラムを含む各種の情報（ｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報等）を記憶するメモリ１２、真空槽２内を真空にする真空ポンプ１３、第１および第２の粒子ビーム出射端９Ａ，９Ｂからそれぞれ粒子ビーム８を照射する第１のＦＡＢ処理部１４Ａ及び第２のＦＡＢ処理部１４Ｂ、上記静電チャック５に、所定の電圧（例えば、５００Ｖ）を印加する静電チャック駆動部１７、ｘステージ４０を構成するｘ軸モータ４０ａ及びｘ軸位置検出部４０ｂ、ｙステージ４１を構成するｙ軸モータ４１ａ及びｙ軸位置検出部４１ｂ、θステージ４２を構成するθモータ４２ａ及びθ位置検出部４２ｂ、ｚステージ７を構成するｚ軸モータ７ｂ及びｚ軸位置検出部７ｃ、上記マーク検出部１８、及び上記真空計１０を各々接続している。ｘ軸位置検出部４０ｂ，ｙ軸位置検出部４１ｂ，θ位置検出部４２ｂ及びｚ軸位置検出部７ｃは、例えば、エンコーダやレーザー干渉計，ガラススケール等を用いることができる。これらを用いることにより、サブμｍの移動精度を実現できる。
【００１５】
第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂは、１〜１５ｋＶの加速電圧を、対応する第１および第２の粒子ビーム出射端９Ａ，９Ｂに付与するものである。
【００１６】
制御部１１は、メモリ１２が記憶するプログラム及びｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、パターン基板３が載置されたｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチで移動させつつ、ｚステージ７の表面７ａに対向基板６を介して順次積層して接合させることにより微小構造体を形成するように積層装置１の各部を制御するようになっている。
【００１７】
図３は静電チャック５の構成を示す。静電チャック５は、後述する電極板５２と大地間に所定の電圧（例えば、５００Ｖ）を印加する電源５１と、電源５１の正極に接続され、静電的に正極にさせられる電極板５２と、電極板５２上に一体に設けられ、電極板５２によって静電的に正極にさせられる誘電体板５３を備え、誘電体板５３の表面である吸着面５ａに静電的に負極にさせられたパターン基板３を静電力により吸着させる構成を有している。なお、電源５１の正負を反対にして誘電体板５３を静電的に負極にし、静電的に正極にさせられたパターン基板３を静電力により吸着させるようにしても良い。
【００１８】
誘電体板５３は、吸着面５ａを形成する表面を１μｍ以下の平面度で形成して構成され、パターン基板３に反りがあっても、吸着したときそれを平坦に矯正して固定するようになっている。誘電体板５３を構成する材料としては、例えば、アルミナなどから成るセラミック系や、シリコーンゴムなどから成る高分子系があるが、平面精度が極めて高いセラミック系が好ましい。また、吸着面５ａは、２５０ｎｍ以下、更に望ましくは５０ｎｍ以下の表面算術平均粗さを有しており、パターン基板３を強固に固定して薄膜転写時のパターン基板３のずれを防ぐようになっている。また、同じ理由でパターン基板３の裏面を１０ｎｍ以下、更に望ましくは１ｎｍ以下の表面算術平均粗さとしている。
【００１９】
次に、第１の実施の形態の積層装置１を用いた微小構造体の製造方法を説明する。
【００２０】
図４の(a) 〜(c) 、図５の(a),(b) 、図６の(a),(b) 、及び図７は、製造工程を示す。
【００２１】
(1) 着膜
まず、図４の(a) に示すように、基板３１として両面を研磨したＳｉウェハを準備し、この基板３１の上にポリイミド（日立化成製ポリイミドＰＩＸ３４００）をスピンコーティング法により塗布し、最高温度３５０℃でベークし、離型層３２を形成する。このとき、基板３１はポリイミドの応力により中央部に対し周辺部が約３０μｍ反った凹形状となった。なお、基板３１の裏面の算術平均粗さは１ｎｍであった。
【００２２】
次に、図４の(b) に示すように、離型層３２の上にスパッタリング法によりＡ１薄膜３３を０．５μｍ着膜する。なお、ターゲットには高純度Ａ１を使用し、スパッタ圧力０．５Ｐａ、基板３１の温度は室温とする。着膜中は水晶振動子式膜厚計で常時膜厚をモニターし、膜厚が０．５μｍに達したところで着膜を終了する。この結果、基板３１上のＡ１薄膜３３の膜厚分布は、０．５±０．０２μｍ以下が得られた。なお、Ａｌ薄膜３３の応力は小さいため、基板形状に影響を及ぼすことはなかった。
【００２３】
(2) パターンニング
次に、図４の(c) に示すように、基板３１の表面にフォトレジスト（図示せず）を塗布し、通常のフォトリソグラフィー法によりＡ１薄膜３３をエッチングし、所望の微小構造体の断面形状にパターニングして複数のパターン薄膜３４を形成してパターン基板３を形成する。フォトレジストにはポジ型を用い、フォトマスク（図示せず）を用いてレジストを露光した。Ａ１薄膜３３をエッチングした後、フォトレジストを剥離液にて除去する。断面形状をパターニングする際、同時に、基板３１とｚステージ７のｘｙ面内の相対的位置合わせを行うための位置合わせマーク（図示せず）を所定の位置に形成する。なお、パターニングを行った後も基板形状に変化はなかった。
【００２４】
(3) パターン基板３の真空槽２への導入
次に、図５の(a) に示すように、複数のパターン薄膜３４が形成されたパターン基板３を真空槽２内のｘ−ｙ―θステージ４上の静電チャック５にセツトし、固定する。すなわち、制御部１１により静電チャック駆動部１７を制御して、電源５１により静電チャック５の電極板５２と大地間に電圧を印加し、誘電体板５２を静電的に正極にすることにより吸着面５ａに静電的に負極にさせられたパターン基板３を静電力により吸着して固定する。本実施の形態では、吸着面５ａの平面度が１μｍ以下、算術平均粗さが１００ｎｍを有するアルミナ製誘電体板５２を用い、電源５１の印加電圧を５００Ｖとした。この固定でパターン基板３の反り量は１μｍ以下となり、パターン基板３は平坦となった。
【００２５】
(4) アライメント調整（位置決め）
オペレータは、マーク検出部１８によりパターン基板３を拡大観察しながらそれに形成された位置マークを検出することによりパターン基板３のアライメント状態、つまり対向基板６とパターン基板３の相対位置関係を測定し、対向基板６の直下に１層目のパターン薄膜３４が位置するようにｘ−ｙ−θステージ４を調整する。
【００２６】
(5) 真空槽２内の排気
オペレータが、積層装置１の図示しない排気スイッチを押下すると、制御部１１は、真空計１０の検出値に基づいて真空ポンプ１３を制御して真空槽２内を１０-6Ｐａ台まで排気し、真空槽２内を高真空状態あるいは超高真空状態にする。
【００２７】
(6) ＦＡＢ処理
制御部１１は、第１および第２のＦＡＢ処理部１４Ａ，１４Ｂを制御して第１の粒子ビーム出射端９Ｂから対向基板６の表面に粒子ビーム８としてアルゴン原子ビームを照射し、第２の粒子ビーム出射端９Ａからパターン薄膜３４の表面に粒子ビーム８として同じくアルゴン原子ビームを照射してＦＡＢ処理を施す。本実施の形態では、アルゴン原子ビームを電圧１．５ｋＶ、電流１５ｍＡで１０分間照射した。
【００２８】
(7) 薄膜転写
制御部１１は、図５(b) に示すように、ｚ軸位置検出部７ｃの検出信号に基づいてｚ軸モータ７ｂを制御してｚステージ７を下降させ、１層目のパターン薄膜３４に接近させて清浄な対向基板６の表面と１層目のパターン薄膜３４の表面とを接触させ、更に所定の荷重（例えば、５０ｋｇｆ／ｃｍ2 ）で所定の時間（例えば５分間）押し付けておくと、対向基板６と１層目のパターン薄膜３４が強固に接合される。なお、接合強度を引っ張り試験により評価したところ、５０〜１００ＭＰａであった
【００２９】
次に、図６(a) に示すように、ｚステージ７を上昇させて元の位置に復帰させると、パターン基板３１上の１層目のパターン薄膜３４とその下の離型層３２の密着力よりも、対向基板６と１層目のパターン薄膜３４の接合力の方が大きいため、１層目のパターン薄膜３４はパターン基板３１から対向基板６側に転写される。このとき、静電チャック５の吸着面５ａ，及びパターン基板３の裏面の表面粗さが良好であったため、静電チャック５上でパターン基板３が動くことがなかった。
【００３０】
次に、制御部１１は、図６(b) に示すように、メモリ１２が記憶するプログラムおよびｘ−ｙ−θステージ４の移動ピッチ情報に基づいて、ｘ−ｙ−θステージ４を所定のピッチ移動させる。これにより対向基板６の直下に２層目のパターン薄膜３４が位置する。
【００３１】
この後、上述したのと同様に、位置決め・ＦＡＢ照射・転写を行うことにより、図７に示すように、１層目のパターン薄膜３４に２層目のパターン薄膜３４が積層される。最初の工程との唯一の違いは、ＦＡＢ処理工程において、２回目のときはｚステージ７上の対向基板６の表面にアルゴン原子ビームを照射するのではなく、１層目のパターン薄膜３４の裏面（それまで基板３１に離型層３２を介して接触していた面）に照射し、そこを清浄化することである。以降、位置決め・ＦＡＢ照射・転写の各工程を繰り返すことにより、対向基板６上に徴小構造体完成する。その後、対向基板６を除去することにより、微小構造体が得られる。
【００３２】
上述した第１の実施の形態によれば、以下の効果が得られる。
(1) パターン基板３を静電チャック５上に固定したとき、１μｍ以下の平面度の吸着面５ａの形状に倣ってパターン基板３が１μｍ以下の平面度になるため、薄膜転写時に面全体が接触し、対向基板６にパターン薄膜３４を確実に転写することができる。また、対向基板６がパターン基板３のエッジ部分に接触することがなく、パーティクルの発生を防ぐことができる。その結果、歩留りを向上させることができる。
(2) 静電チャック５の吸着面５ａの算術平均粗さが２５０ｎｍ以下に、また、基板３１の裏面の算術平均粗さが１０ｎｍ以下になっているため、両者の接触面積が増加し、吸着面５ａにパターン基板３を強固に固定することができる。このため、薄膜転写時において対向基板６をパターン基板３から引き離す際、パターン基板３が動いて位置ずれするのを防ぐことができ、その結果、微小構造体の断面形状精度を向上させることができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明の微小構造体の製造方法及び装置によると、複数の薄膜を対向基板上へ圧接する前に、所定の表面算術平均粗さを有した所定の平面度の平面にパターン基板を吸着させてパターン基板を所定の平面度にするようにしたため、歩留りおよび微小構造体の断面形状精度を向上させることができる。
【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積層装置を示す説明図。
【図２】第１の実施の形態に係る積層装置の制御系を示すブロック図。
【図３】第１の実施の形態に係る積層装置の静電チャックを示す説明図。
【図４】第１の実施の形態に係る着膜工程及びパターニング工程を示す断面図。
【図５】第１の実施の形態に係る転写工程を示す説明図。
【図６】第１の実施の形態に係る転写工程を示す説明図。
【図７】第１の実施の形態に係る転写工程を示す説明図。
【図８】従来の微小構造体の製造方法に係る積層装置を示す説明図。
【図９】従来の着膜工程およびパターニング工程を示す説明図。
【図１０】従来の製造方法により完成された微小構造体を示す斜視図。
【符号の説明】
１ 積層装置
２ 真空槽
３ パターン基板
４ ｘ−ｙ−θステージ
５ 静電チャック
５ａ 吸着面
６ 対向基板
７ ｚステージ
７ａ ｚステージの表面
７ｂ ｚ軸モータ
７ｃ ｚ軸位置検出部
８ 粒子ビーム
９Ａ 第１の粒子ビーム出射端
９Ｂ 第２の粒子ビーム出射端
１０ 真空計
１１ 制御部
１２ メモリ
１３ 真空ポンプ
１４Ａ 第１のＦＡＢ処理部
１４Ｂ 第２のＦＡＢ処理部
１７ 静電チャック駆動部
１８ マーク検出部
３１ 基板
３２ 離型層
３３ 薄膜
３４ パターン薄膜
４０ ｘステージ
４０ａ ｘ軸モータ
４０ｂ ｘ軸位置検出部
４１ ｙステージ
４１ａ ｙ軸モータ
４１ｂ ｙ軸位置検出部
４２ θステージ
４２ａ θモータ
４２ｂ θ位置検出部
５１ 電源
５２ 電極板
５３ 誘電体板
【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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