(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の薄膜と、第２の薄膜とを一定の荷重で圧接することにより、前記第１および第２の薄膜を積層してなる微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、
前記第２の薄膜に前記第１の薄膜との接触面積が所定の面積以下となるように空隙を形成し、前記第１の薄膜と前記空隙が形成された第２の薄膜とを前記一定の荷重で圧接することを特徴とする微小構造体の製造方法。
【請求項２】
前記空隙は、連通穴によって外気に連通されていることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
【請求項３】
前記連通穴は、前記第１および第２の薄膜に垂直な方向に形成されたことを特徴とする請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項４】
前記連通穴は、前記空隙から前記第２の薄膜の縁まで延びるスリットであることを特徴とする請求項２記載の微小構造体の製造方法。
【請求項５】
前記微小構造体は、前記第１の薄膜と前記空隙が形成された前記第２の薄膜とを交互に積層してなることを特徴とする請求項１記載の微小構造体の製造方法。
【請求項６】
前記第１の薄膜は、隣接する２つの前記第２の薄膜が有する前記空隙を連結する連結穴を備えたことを特徴とする請求項５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、製造装置が大型化せずに、微小構造体の強度低下を防止し、歩留まりを向上させることができる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６（ａ）〜（ｆ）は、その微小構造体の製造方法を示す。まず、同図（ａ）に示すように、基板１としてＳｉウェハを準備し、表面に離型層２として熱酸化膜を０．１μｍ成長させ、その上にスパッタリング法によりＡｌの薄膜３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１の表面にフォトレジスト４を塗布し、通常のフォトリソグラフィ法によりＡｌの薄膜３をエッチングし、所望の微小構造体の断面形状を有する複数の薄膜（第１〜第ｎの薄膜）３-1〜３-nを所定の間隔で形成する。なお、同図（ｂ）〜（ｅ）には第１の薄膜３-1のみを示す。複数の薄膜３-1〜３-nを形成した後、フォトレジスト４を剥離液にて除去する。このようにして形成した各薄膜３-1〜３-n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、薄膜３-1〜３-nが形成された基板１を真空槽５内に導入し、真空槽５内にあるステージ６と対向させ、真空槽５内を約１０-5Ｐａ程度まで排気する。そしてステージ６の表面及び第１の薄膜３-1の表面にＡｒガス７を源とするＦＡＢ（Ｆａｓｔ  Ａｔｏｍ  Ｂｅａｍ）処理を施す。これはＡｒガス７を１ＫＶ程度の電圧で加速して第１の薄膜３-1及びステージ６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、ステージ６と基板１を接近させ、清浄なステージ６の表面と清浄な第１の薄膜３-1の表面を接触させ、更に荷重として５０ｋｇｆ／ｃｍ2をかけ５分間押し付けて、ステージ６と第１の薄膜３-1の表面を接合する。
【０００８】
そして、同図（ｅ）に示すように、ステージ６と基板１を元の位置に引き離すと、第１の薄膜３-1とステージ６との接合力の方が、第１の薄膜３-1と基板１表面の離型層２との密着力よりも大きいため、第１の薄膜３-1は基板１からステージ６側に転写される。
【０００９】
引き続き、所定の間隔だけステージ６と基板１を相対的に移動し、同様にして第２の薄膜３-2にＦＡＢ処理を施し、接合転写することにより、第１の薄膜３-1の上に第２の薄膜３-2を積層する。最初の接合工程との違いは、ＦＡＢ処理の工程においてステージ６表面にＦＡＢ処理を施すのではなく、第１の薄膜３-1の裏面（それまで基板１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の薄膜３-1と第２の薄膜３-2の相対的な位置出しを行うために、ステージ６側又は基板１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薄膜を積層することにより、同図（ｆ）に示すように、微小構造体１０が製造される。この様な方法により製造した微小構造体１０はＡｌ製であるが、他の材料で製造するには、基板上に形成する薄膜を他の金属（銅、インジウムなど）やセラミックスなどの絶縁体（アルミナなど）にすればよい。
【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、薄膜間の接合強度を確保するため、薄膜同士の接触面積が大きくなると、これに従って圧接荷重を大きくする必要があることから、製造装置の剛性を高める必要が生じ、その結果、装置の大型化、高価格、低寿命を招くといった問題を生じる。例えば、六角錘状の構造体を作製する場合、図７に示すように、最下層（第１層）の薄膜３-1と第２層の薄膜３-2との接触面積は第５層の薄膜３-5と最上層（第６層）の薄膜３-6との接触面積に対し約２倍あるため、圧接に必要な荷重も２倍を要する。
【００１２】
一方、一定の荷重で圧接を行おうとすると、面積の大きな薄膜の圧接応力（単位面積あたりの荷重）が減少してしまい、その結果、薄膜同士の接合応力が減少するため、完成した微小構造体の強度が弱まったり、最悪の場合、作製の途中で薄膜が転写できずに歩留まりが著しく下がってしまうという問題を生じる。
【００１３】
従って、本発明の目的は、製造装置が大型化せずに、微小構造体の強度低下を防止し、歩留まりを向上させることができる微小構造体の製造方法を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を解決するため、第１の薄膜と、第２の薄膜とを一定の荷重で圧接することにより、前記第１および第２の薄膜を積層してなる微小構造体を製造する微小構造体の製造方法において、前記第２の薄膜に前記第１の薄膜との接触面積が所定の面積以下となるように空隙を形成し、前記第１の薄膜と前記空隙が形成された第２の薄膜とを前記一定の荷重で圧接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。
【００１５】
この構成によれば、微小構造体の断面形状に応じて空隙を設けることにより、薄膜同士の接触面積が小さくなり、必要な接合強度が得られる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体を示す。この微小構造体１０は、略六角錘状の構造体であり、Ａｌからなる第１層〜第６層の薄膜３−1，３−2，３−3，３−4，３−5，３−6を後述の製造方法により積層して製造される。第２層の薄膜３−2と第４層の薄膜３−４は、接触面積が一定の面積以下となるように、それぞれ内側に円形の空隙３ａを有する。
【００１７】
図１（ｂ）は、基板１上に離型層２を介して形成された第１層〜第６層の薄膜３-1，３-2，３-3，３-4，３-5，３-6を示す。第１層の薄膜３-1の一辺３ｂの長さは１００ミクロン程度、各層の薄膜３-1〜３-6の膜厚は約２ミクロン、微小構造体１０の全体の高さは１２ミクロン程度となる。
【００１８】
この第１の実施の形態によれば、第１層の薄膜３-1と第２層の薄膜３-2を接合する際には、薄膜３-1，３-2間の接触面積は第２層の薄膜３-2の上面の面積となるので、空隙３ａの面積だけ接触面積が減少し、その分圧接応力が増加し、接合強度が向上する。第３層を積層する場合も、接合面積は第２層の空隙３ａの面積だけ減少するので、やはり圧接応力が増加する。第４層以降も同様に空隙３ａの面積だけ圧接応力が増加する。なお、第６層の薄膜３-6の圧接においては空隙３ａがないため、圧接応力の増加は期待できないが、この微小構造体１０の例では、第６層の薄膜３-6の面積は十分に小さいため、空隙３ａを設けなくても、十分な圧接応力が得られる。積層後の微小構造体１０は、外部から見ても空隙３ａの存在は分からないため、外観を損ねることはなく、また強度も実際の使用に支障のない程度に設計することができる。
【００１９】
図２（ａ）は、本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体を示す。この微小構造体は、微小ギアの構造体であり、同図（ｂ）に示すように、基板１上に離型層２を介して形成された第１〜第６層の薄膜３-1〜３-6を積層して製造される。第１、第３、第５層の薄膜３-1，３-3，３-5は、８枚の歯３ｃを備え、中央に軸用の穴３ｄを有する。第２、第４、第６層の薄膜３-2，３-4，３-6は、第１、第３、第５層の薄膜３-1，３-3，３-5と同様に８枚の歯３ｃを備え、中央に軸用の穴３ｄを有し、さらに、穴３ｄの周囲にギヤの歯３ｃの強度を損なうことがないように８個の空隙３ａを有する。
【００２０】
この第２の実施の形態によれば、各層間の接触面積は、８個の空隙３ａの面積だけ減少するので、同一荷重を印加する場合に比べて圧接応力が増加し、接合強度が向上し、微小ギア全体の強度が向上する。
【００２１】
図３（ａ）は、本発明の第３の実施の形態に係る微小構造体を示す。この微小構造体１０は、第２の実施の形態と同様に、微小ギアの構造体であり、同図（ｂ）に示すように、基板１上に離型層２を介して形成された第１〜第６層の薄膜３-1〜３-6を積層して製造される。この第３の実施の形態は、奇数層の薄膜３-1，３-3，３-5に連結穴３ｅを設け、偶数層の薄膜３-2，３-4，３-6の空隙３ａを互いに連結した点が、第２の実施の形態と異なる。連結穴３ｅの大きさは気体が出入りできれば良いので、直径数ミクロン程度で十分である。
【００２２】
この第３の実施の形態によれば、第２層および第４層の薄膜３-2，３-4に設けた空隙３ａは、連結穴３ｅおよび空隙３ａを介して外気に連通しているので、各層の積層工程を真空槽内で行っても、積層後の空隙３ａが真空状態にならないため、微小ギヤを大気圧下若しくは高圧下で使用した場合の圧力差による歯３ｃの変形を防ぐことができる。
【００２３】
図４は、本発明の第４の実施の形態に係る微小構造体を示す。この第４の実施の形態は、第１の実施の形態において、空隙３ａが外気と連結するようにスリット３ｆを第２および第４層の薄膜３-2，３-4に設けたものである。これにより、第３の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００２４】
【実施例】
＜実施例１＞
図５は、本発明の実施例を示す。この実施例では、図３で示した微小ギアの製造を例に挙げてその手順について述べる。まず、基板１としてＳｉウエハを準備し、この表面にポリイミドをスピンコーティング法にて５ミクロン塗布し、硬化、表面のフッ化処理を施し離型層２を形成する。更にこの上にスパッタリング法によりＡｌの薄膜３を２ミクロン着膜する。膜厚は着膜中に水晶振動子でモニターすることにより正確に設定できる。引き続き通常のフォトリソグラフィーを用いて薄膜３をパターニングして微小ギアの各層の薄膜３-1〜３-6のパターンを一括して形成する。なお、同図には、第1層および第２層の薄膜３-1，３-2しか示していない。薄膜３のエッチングは湿式エッチングよりもドライエッチング、望ましくは反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の方が、パターンの角が丸まらず基板１の表面に対して端面が垂直となるので好ましい。
同様に図５（ｂ）に示すように、この基板１と対向するようにステージの表面に設けた対向基板１６を接合装置の真空槽内に導入し、以下、従来の技術で説明したのと同様に、位置決め工程、表面のＦＡＢ照射による清浄化工程、そして圧接工程を経て、第１層の薄膜３-1を対向基板１６に転写する。
引き続き同図（ｄ）のように、相対的な位置決めを行なった後、第１層の薄膜３-1上に第２層の薄膜３-2を積層転写する。この工程を繰り返すことにより、対向基板１６上には複数の薄膜３-1〜３-6からなる微小ギアが完成する。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の微小構造体の製造方法によれば、薄膜に設けた空隙によって薄膜同士の接触面積が小さくなり、必要な接合強度が得られるので、製造装置が大型化せずに、微小構造体の強度低下を防止し、歩留まりを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１の実施の形態に係る微小構造体の断面図、（ｂ）はその微小構造体の各断面に対応する薄膜パターンを示す図である。
【図２】（ａ）は本発明の第２の実施の形態に係る微小構造体の断面図、（ｂ）はその微小構造体の各断面に対応する薄膜パターンを示す図である。
【図３】（ａ）は本発明の第３の実施の形態に係る微小構造体の断面図、（ｂ）はその微小構造体の各断面に対応する薄膜パターンを示す図である。
【図４】（ａ）は本発明の第４の実施の形態に係る微小構造体の断面図、（ｂ）はその微小構造体の各断面に対応する薄膜パターンを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施例に係る微小構造体の製造工程を示す図である。
【図６】従来の微小構造体の製造工程を示す図である。
【図７】従来の微小構造体の各断面に対応する薄膜パターンを示す図である。
【符号の説明】
１  基板
２  離型層
３-1〜３-6  薄膜
３ａ  空隙
３ｂ  辺
３ｃ  歯
３ｄ  穴
３ｅ  連結穴
３ｆ  スリット
４  フォトレジスト
５  真空槽
６  ステージ
７  Ａｒガス
１０  微小構造体
１６  対向基板
【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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