(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
残留磁束密度Ｂｒが０．００１Ｔ≦Ｂｒ＜０．３Ｔであり、かつ飽和磁束密度ＢｓがＢｓ≧０．３Ｔである、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有する軟磁性材料からなる、基体より分離可能な微小なマイクロマシン部品を、磁力を利用して吸着させて取り扱うことを特徴とするマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【請求項２】
電磁石を使用したマイクロ磁気ピンセットにより操作することを特徴とする請求項１のマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【請求項３】
前記マイクロマシン部品に磁場を印加し前記基体上に保持することを特徴とする請求項１に記載のマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、超小型の可動型デバイス、いわゆるマイクロマシンに関する。特にフォトリソグラフィー等により作製されたマイクロマシンを構成する微小な部品およびその取り扱い方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
今までの機械にくらべはるかに小さい機械、マイクロマシンは大きさが小さいことから非常に多くの分野での発展が期待されている。マイクロマシンの基本部品の製造方法にはいくつかの方法が提案されているが、なかでもフォトリソグラフィーによるパターニングとめっき成膜を組み合わされる手法が注目されている。例えば、「金属」、1993年3月号38ページには、LIGAプロセスによるフォトリソグラフィーによる各種のマイクロマシンが紹介されている。構造体、または型となる金属部分はめっき法により製造されているが、Ni、Cu、Auなどが使用されている。電気めっきのポイントとしてはボイドのないこと、内部応力の小さいことなどに重点が置かれていた。合金めっきも検討されているが、この目的も上記と同様であった。すなわち、基体上にいかにマイクロ機械部品を形成するかにのみ注意が払われているに過ぎなかった。
【０００３】
また,Electrochemical Society, Fall meeting, Extended Abstracts, 94-2, 497ページにはNiFe合金を用いて磁気バルブ、片持ちはりを試作することが紹介されている。そして片持ちはりに外部から磁界を印加してはりが変形することが示されている。これらは、基体上に多くのマイクロマシン部品を一括して形成することを開示している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、実際にマイクロマシンとして使用するためには特殊なケースを除いて基体上に形成されたマイクロ機械部品を組み立てる作業が必要である。ここで、極めて微小な部品のハンドリングが大きな課題となった。すなわち、機械的なピンセット等ではうまく掴めない、あるいは部品を破損することが多発する。また基体上から分離された微小部品は容易に散乱し、取り扱いは極めて困難であった。
【０００５】
さらに、製造工程途中で一時的にマイクロマシン部品が基体から分離状態になる工程が生じることもある。従来技術ではこのような工程が生じるとマイクロマシン部品が基体から分離散乱してしまった。このため様々な工夫を行いマイクロマシン部品が基体から分離状態になる工程が生じないようにプロセス設計を行っていた。このためプロセスが複雑化し歩留まり低下の一因となっていた。
【０００６】
本発明は以上のような事情を考慮して考え出されたものであり、マイクロマシンの部品である微小なマイクロ機械部品等を効率よく取り扱うことを可能とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、下記の（１）〜（８）の本発明により達成される。
【０００８】
（１）残留磁束密度Brが0.001T≦Br＜0.3Tでありかつ飽和磁束密度BsがBs≧0.3Tである軟磁性材料からなる基体より分離可能なことを特徴とするマイクロマシン部品。
【０００９】
（２）残留磁束密度Brが0.001T≦Br＜0.2Tでありかつ飽和磁束密度BsがBs≧0.4Tである軟磁性材料からなることを特徴とする（１）のマイクロマシン部品。
【００１０】
（３）電気めっき法により形成されたことを特徴とする（１）または（２）のマイクロマシン部品。
【００１１】
（４）アモルファス構造を示す軟磁性材料からなることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかのマイクロマシン部品。
【００１２】
（５）B、P、Mo、Wから選ばれる少なくとも１種以上の元素とNi、Fe、Coから選ばれる少なくとも１種以上の元素との両者を少なくとも２種類以上含有することを特徴とする（１）乃至（４）のいずれかのマイクロマシン部品。
【００１３】
（６）残留磁束密度Brが0.001T≦Br＜0.3Tであり、かつ、飽和磁束密度BsがBs≧0.3Tである軟磁性材料からなる基体より分離可能な微小なマイクロマシン部品を、磁力を利用して取り扱うことを特徴とするマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【００１４】
（７）電磁石を使用したマイクロ磁気ピンセットにより操作することを特徴とする（６）のマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【００１５】
（８）前記マイクロマシン部品に磁場を印加し前記基体上に保持することを特徴とする（６）に記載のマイクロマシン部品の取り扱い方法。
【００１６】
【作用】
本発明のマイクロマシン部品は所定の軟磁気特性を有するアモルファス磁性合金で形成されているために外部からの磁力により取り扱うことが出来る。電磁石により強い力で保持しておくことが可能なため、たとえば電磁石を用いたマイクロ磁気ピンセットによりつまみ上げることが可能である。同様に工程途中でも基体上に磁力で固定しておくことが可能なため工程の簡略化が達成される。さらに外部磁界を取り去った後には磁化が残らないために不都合が生じない。
【００１７】
本発明の軟磁性合金は残留磁束密度Brが0.001T≦Br＜0.3T、特に好ましくは0.001T≦Br＜0.2Tである。前記範囲以上では、一度磁化した後に残留磁化の影響でマイクロ部品同時が影響を及ぼしあったり、磁気ピンセットから離れない等の問題を生じる。前記範囲未満では、軟磁性を保ったままではこれ以下の特性の材料を得ることは困難なためである。また飽和磁束密度BsはBs≧0.3T、特に好ましくはBs≧0.4Tである。前記範囲未満では部品の重量と磁気力の関係から磁気的に操作することが困難で、電磁石で回収したり磁気ピンセットで操作することが困難となる等の問題を生じる。
【００１８】
所望のBsの値を得るためには 強磁性金属であるNi、Fe、Coから選ばれる少なくとも１種以上の元素を含有することが必要である。またBrが低いめっき軟磁性膜としてアモルファスめっき膜が特に好ましい。アモルファス化の為には膜中にB、P、Mo、Wから選ばれる少なくとも１種以上の元素が含有されることが必要である。これらの非磁性元素の好ましい膜中含有量は０．０５wt%以上２０wt%以下である。前記範囲未満ではアモルファス化されず、Brが十分に低下しない。また前記範囲を超えるとBsが低下してしまう。なお、本発明でのアモルファス合金とは通常のＸ線回折パターンにおいて鋭い特定の結晶配向ピークが見られない状態の合金を指す。電子線回折で特定の回折が確認されたり、高分解能電子顕微鏡観察により微小な部分に特定の結晶構造が認められても差し支えない。
【００１９】
本発明の磁性合金はめっき法により成膜される。基体上にまず犠牲層として有機物レジスト層、アルミナ層等を形成する。本犠牲層は、途中の工程において除去され、マイクロ部品を基体から分離するために使用される。犠牲層を除去するには、犠牲層を剥離できて、しかも、磁性層等にダメージを与えない溶媒、例えば、アルカリ溶媒、有機溶媒等が用いられる。下地導電膜をスパッタ法等で形成した後、通常のフォトリソグラフィーによるパターニングで形成されたレジストがパターン形成のための壁となり、部品が基体上に形成される。めっき浴は通常の軟磁性アモルファス合金めっき浴が使用できる。
【００２０】
めっき後に、犠牲層が剥離されマイクロ部品が基体から分離される。基体から分離された一般のマイクロ部品は極めて取り扱いが困難であるが、本発明の磁性合金からなるマイクロ部品は磁気により取り扱うことが出来る。特に電磁石を用いることで着脱が容易であり、磁気ピンセットにより１つ１つの保持が出来る。磁気ピンセットは電磁石の磁極を細い軟磁性合金で製造したもので先端部をμmオーダーに加工することも可能である。
【００２１】
また、最終的に基体から分離しない構造の場合にもプロセス途中で基体から分離する工程が含まれることがある。たとえばインボリュート曲線で構成される歯を有する２個の歯車を組み合わせて回転数を変化させる単純な平歯車動力伝達機構をマイクロマシン手法で製造する場合には、歯と歯のかみ合い部分の製造が困難である。常時、歯の一部分が接触している状態の２個の歯車を一度のフォトリソグラフィーで製造することは出来ない。また極めて近接状態にある歯車もフォトリソグラフィー手法から見れば高アスペクト比のレジストパターンを形成する必要があり困難である。２つの歯車の歯と歯の間隔を大きくすれば一度のフォトリソグラフィーで製造することは可能だが、いわゆる遊びの多い歯車組合せになってしまう。
【００２２】
以上のような組み合わせの平歯車の場合、２回に分けフォトリソグラフィーで製造することが必要である。具体的には、第１図に示すように、第１の歯車１を本発明の磁性合金で形成した後に、その歯車の高さ（厚さ）より厚い犠牲層（図示せず）を周囲に形成し、この歯車に隣接する所定の位置に第２の歯車３を形成する。そして該犠牲層を剥離し、第２の歯車３を第１の歯車１とかみ合う位置まで移動する。このときに基体５裏面に永久磁石６を配置することで第２の歯車２が基体から分離することが防止される。永久磁石６を配置した状態で軸２，４の頂点部分のみ残しレジストでカバーする。そして永久磁石６をはずすが、この状態では歯車１，３が基体５から分離することはもはやない。そしてめっき成膜を行うことでマッシュルーム形状の歯車脱離防止部（図示せず）が形成される。このように一時的に磁力により基体からの脱離防止が可能となったことでプロセス面での自由度が拡大し従来不可能であった工程が可能となる。
【００２３】
本発明のマイクロマシン部品とは、マイクロ歯車を代表とするもので、ばね、軸受け等の支持部品等特に限定はない。大きさは従来広く使用されている通常のピンセット等では取り扱いが困難となる大きさで、かつフォトリソプロセスで効率よく製造できることから最大の部分の長さが１mm以下、特に好ましくは0.1mm以下の物に特に有効である。重量は1000μg以下、特に好ましくは10μg以下である。最小寸法は特に制限はないが磁気力を使用するために最大の部分の長さが1μm以上、特に好ましくは10μm以上あることが望ましい。
【００２４】
【実施例】
本発明の実施例を図を参照しながら詳細に説明する。
【００２５】
本発明において、３インチガラスウエハー基体上にアルミナを1μm成膜した上に下地導電膜としてCuを0.01μmの厚さにスパッタ法にて成膜する。このウエハー上に直径100μm、ピッチ10μmのマイクロギヤパターンをフォトリソグラフィーにより厚さ25μmとなるように形成する。一枚のウエハー内にギヤは10,000個形成される。そして表１に示す各種の金属、合金を電気めっき法にて膜厚20μmに成膜する。Co-8Fe-4P合金は硫酸コバルト、硫酸鉄を使用したコバルト鉄めっき浴に亜燐酸イオンを添加する。Fe-4B合金は硫酸鉄めっき浴にジメチルアミンボランを、Fe-12P合金は硫酸鉄めっき浴に亜燐酸イオンを添加する。Niはスルファミンニッケル浴から、Cuは硫酸銅浴を用いる。それぞれ膜厚が20μmとなるようにめっき時間を決定する。例えば、Co-8Fe-4P合金では電流密度2A/dm2にて約３０分間である。
【００２６】
成膜後レジストを剥離し、真空イオンミリングで下地導電膜をエッチングした後に、アルカリ溶液に浸積し、アルミナ層を溶解し直径100μmの微小ギヤを得る。微小ギヤはアルカリ溶液中に分散したため、パーマロイを磁気コアとする電磁石を溶液中に挿入し、磁力にて回収し、そのまま超純水にて洗浄する。Bsの小さな合金で形成された試料では洗浄過程で電磁石から脱離してしまう試料もある。また非磁性のため、磁気的な方法で回収出来なかった試料はろ紙でろ過することで回収したが洗浄、ろ紙上からの回収の過程で収率が大幅に低下した。
【００２７】
つぎに、別途、基体上に形成された高さ30μm、直径10μmの軸に、このマイクロギヤを差し込む作業工程を行う。個数はすべて100個である。磁性を有する金属、合金からなるギヤは先端が10μm径に加工された円柱状のパーマロイを磁極先端とする電磁石ピンセットを用い、電流を入切することで操作する。この際にBrが大きい試料では電流を遮断後も磁化が残るために速やかな作業が出来なくなる。磁性を有しない金属、合金からなるギヤはマイクロピンセットで作業を行ったが、つかみ方によっては破損することも多く困難な作業である。表２に、本発明の実施例および比較例の軸にギヤをさし込む作業に要した時間、完成率を示す。
【００２８】
なお、ギヤの合金の組成および磁気特性は別途に同じ条件下で1cm2の面積に成膜した膜の特性値にて代用している。飽和磁束密度、残留磁束密度、保磁力は振動試料型磁力計（ＶＳＭ）にて、透磁率は0.5MHzにて８の字コイル法により膜厚１μmの試料を測定する。また膜組成は試料を溶解しプラズマ発光分析にて測定しａｔ％に換算した。結晶構造はCuターゲットのX線回折装置を用いる。
【００２９】
図２は、本発明の各工程段階の成形状態を示した図である。なお、説明のために各層の厚さは実際の厚さの比とは異なる。
【００３０】
本実施例では、図２の各成形工程に基づいて、マイクロ歯車を２個噛み合わせた構造体を作製している。２個の歯車は同一形状で基準ピッチ円の半径３５μｍ，歯先円半径４０μｍ，全歯たけ１０μｍ，歯数１４である。３インチガラス基体５上に同時に３０組の構造体を形成する。まずスパッタ法により第１の下地層１１として金を３０００Å成膜した後に歯車の中心軸部分を残してフォトレジスト（第１の犠牲層８）でカバーする。なお、電気めっき下地導電層として形成したこの最初の金層は最終的にも残り歯車を潤滑に寄与するためにやや厚く成膜する。レジスト上から更に金を５００Å（第４の下地層１５および第２の下地層１２）スパッタし、更に第１の歯車１とその中心軸である第１の歯車軸２、第２の歯車３の中心軸である第２の歯車軸４をさらに新規なフォトレジストパターニング（図示せず）の後に、電気メッキ法によりCo-8Fe-4P合金にて形成した。これらを全てカバーする第２の犠牲層９を形成した上に第３の下地層１３として金５００Åを有する第２の歯車３のパターンを形成し、第１の歯車１と同じ電気めっき法により第２の歯車３をCo-8Fe-4P合金で形成する。
【００３１】
この基体５裏面に永久磁石６を固定した後、全ての第１の犠牲層８，第２の犠牲層９，第１のレジスト層１０を剥離する。剥離は超音波洗浄漕で専用レジスト剥離液を用いる。剥離後、第１の歯車１と第２の歯車３はかみ合っていることを確認している。更に両歯車の中心軸を残して第２のレジスト層１４でカバーしたの後、電気めっきでマッシュルーム状の歯車脱離防止部７を形成する。そしてレジストを剥離する。
【００３２】
光学顕微鏡で歯車の状態を観察したところ３０組の構造体の内で２７組がうまく歯車がかみ合った状態の良品であることを確認している。
【００３３】
また、Co-8Fe-4P合金の替わりに銅にて同様の構造体の形成を試みたが犠牲層剥離工程で歯車が基体から分離してしまい、完成には至らなかった。
【００３４】
【発明の効果】
以上の実施例で説明したように、従来取り扱いが困難であった，マイクロマシンの部品である微少なマイクロ機械部品等を効率よく取り扱うことを可能とするものである。また、この部品は電磁石を利用した磁気ピンセットで取り扱うことで破損が防止でき作業性も大幅に向上し、さらに、工程途中で該部品が基体から分離するのを磁力により固定できるため工程の自由度が増加し、工程簡略化が可能である。
【００３５】
【表１】
0003842318.tif 000002
【００３６】
【表２】
0003842318.tif 000003
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の断面図を示す図である。
【図２】図２は、本発明の各工程段階の成形状態を示した図である。
【符号の説明】
１．第１の歯車
２．第１の歯車軸
３．第２の歯車
４．第２の歯車軸
５．基体
６．永久磁石
７．歯車脱離防止部
８．第１の犠牲層
９．第２の犠牲層
１０．第１のレジスト層
１１．第１の下地層
１２．第２の下地層
１３．第３の下地層
１４．第２のレジスト層
１５．第４の下地層
【図１】
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【図２】
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