JP2006297571A - 微細金属構造体の製造方法、および微細金属構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 サブμｍ以下の微細構造体や薄い板状の微細構造体の転写が可能なナノインプリント技術を利用して、微細金属構造体をよりよい加工精度で製造する。
【解決手段】 １）第１の基板上の、流動状態にある被加工膜に、微細な凹凸パターンが形成された型を押し付け、２）流動状態にある被加工膜を硬化して、その硬化した被加工膜から型を剥離し、その型の凹凸パターンが転写されて構造体パターンを有する被加工膜を得、３）構造体パターンを形成した面を貼り付けて、被加工膜を、導電性を有する第２の基板に取り付け、４）その被加工膜の、構造体パターンを形成していない面を除去することにより構造体パターンを開口してその構造体パターンを通して第２の基板を露出し、５）その露出した第２の基板を電極としてめっきを行い、６）堆積しためっき金属を、第２の基板と被加工膜から分離することにより、微細金属構造体を製造する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えばＬＳＩをはじめとする半導体チップ用の機能部品、各種アクチュエータやプローブヘッドなどのマイクロマシンの部品などのように、微小な機械構造体、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などに使われる微細金属構造体に関する。および、その微細金属構造体の製造方法に関する。

従来、機械加工では製造困難な、数nm〜数μmスケールで、高いアスペクト比（構造体の幅に対する高さの比）を持つ微細金属構造体を、より高精度に、より低コストで製造する方法として、ＬＩＧＡ(Lithographie Galvanoformung Adformung)技術やシリコンのドライエッチング技術などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造技術で作製した型を用い、射出成形法を利用したものが知られている。

例えば特許文献１に開示されている製造方法によれば、Ｘ線リソグラフ法と電鋳とを利用して作製した親金型を用いて射出成形または反応性射出成形により樹脂型をつくり、その樹脂型を所定の厚さまで研磨して通孔パターンを有する型を作製する。そして、この型を導電性ペーストにより導電性基体に接着して電鋳型を形成し、その電鋳型を電極として電解めっきを行って後、導電性基体と導電性ペーストを除去する。

一方、微細パターンの形成方法として、従来の機械加工や光リソグラフィの限界に制限されない分解能を持ち、より低コストな方法であるナノインプリント法が、近年注目されている。

例えば特許文献２に開示されている内容によれば、図４に示すように、被加工膜１０３が形成された基板１０１と、２５nm程度以下の微細な凹凸パターンが形成された型１０２を用意する（図４（Ａ）参照）。ここで、被加工膜１０３は、基板１０１の表面に形成されるポリメチルメタクリレート等の熱可塑性樹脂よりなるレジスト膜である。そして、被加工膜１０３をガラス転移点以上にまで加熱することにより軟化して後、被加工膜１０３に型１０２を押し付ける（図４（Ｂ）参照）。それから、被加工膜１０３をガラス転移点以下になるまで冷却することにより固化して後、その固化した被加工膜１０３から型１０２を引き剥がして、型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンを被加工膜１０３に転写する（図４（Ｃ）参照）。

また、特許文献３に開示されている内容によれば、図５に示すように、表面に被加工膜１０３が形成された基板１０１と、石英やパイレックス（登録商標）等の光透過性の材料からなる型１０２を用意する（図５（Ａ）参照）。ここで、被加工膜１０３は、ＵＶ硬化樹脂等の光硬化性の物質からなる。そして、被加工膜１０３に型１０２を押し付ける（図５（Ｂ）参照）。それから、型１０２を通して光を照射することにより硬化させた被加工膜１０３から型１０２を引き剥がし、型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンを被加工膜１０３に転写する（図５（Ｃ）参照）。

以上のように、ナノインプリント法では、所望のパターンが形成された型を用意することができれば、至って簡単なプロセスで微細パターンを複製することができる。そして、静止している被加工膜に対して型を押し付けるという方法であるので、被加工膜が薄くて広い面積を持つような板状のものであっても、精度よく微細パターンを転写することができる。型としては、数nm〜数１０nmの解像度を持つ電子ビーム露光技術とエッチング技術により製造したシリコンや石英の型、またはこれらの型をマスターとした金属の型や数μmの解像度を持つＬＩＧＡ(Lithographie Galvanoformung Adformung)技術により製造した金属の型を使用することができる。

そして、ナノインプリント法を利用した従来の微細金属パターンの形成方法として、例えば特許文献４や特許文献５に開示されている内容によれば、表面の樹脂層にナノインプリント法により凹凸パターンが形成された基板に対して金属材料を蒸着する。次いで、樹脂層を除去することにより基板上に堆積された金属材料のみを残すリフトオフ法により、金属配線や電極を形成する。

また、特許文献６に開示されている内容によれば、ナノインプリント法により凹凸パターンを形成した絶縁性基板にシード層を形成する。その後、この絶縁基板上にスパッタ、蒸着、めっき等により金属材料を堆積させる。それから、堆積させた金属材料をエッチングや研磨により除去して、凹凸パターンの凹部に対応した金属配線を形成する。

他方、熱を利用したナノインプリント法は、従来から知られているホットエンボス法、つまり熱を利用したエンボス加工方法の解像性を向上させた技術ということができる。例えば、特許文献７に開示されているホットエンボス法を利用した微細金属構造体の製造方法によれば、図６に示すように、導電性基板２０１上に形成した樹脂からなる被加工膜２０３にＸ線リソグラフィで形成した金型２０２をホットエンボスする（図６（Ａ）参照）。次に、反応性イオンエッチングにより導電性基板２０１上に残る薄い被加工膜２０３を除去してその部分の導電性基板２０１を露出させる（図６（Ｂ）参照）。そして、露出した導電性基板２０２を電極としてニッケル電鋳を行って後、この電鋳膜を研磨、研削、切削などにより厚さ調整を行うとともに平滑化を行うことで、インクジェットヘッドなどの金属部品２０４を製造する（図６（Ｃ）参照）。

特開２００３‐１４７５７０号公報 米国特許第５７７２９０５号公報 特開２０００‐１９４１４２号公報 特開２００４‐３６３５８４号公報 特開２００４‐３３５７７４号公報 特開２００５‐５７２１号公報 特開２００１‐１４６０１７号公報

しかしながら、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造技術で作製した型を用い、射出成形法を利用した微細金属構造体の製造方法では、射出成形時の樹脂の流動性などに問題があり、サブμｍ以下の微細構造体や、板状などの薄くて広い面積を持つような微細構造体を高精度に製造することが困難である課題があった。

また、従来のナノインプリント法を利用した微細金属構造体の製造方法では、金属配線や電極など、全体の中で１つの機能を提供する微細な薄膜パターンの形成方法はあっても、各種アクチュエータやプローブヘッドなどの微細金属構造体の製造方法は開示されていなかった。

さらに、従来のホットエンボス法を利用した微細金属構造体の製造方法では、被加工膜の残渣を除去して導電性基板を露出させる際に構造体パターンが形成されている面から被加工膜をエッチングしなければならないため、このとき構造体パターンの側壁もエッチングされて加工精度が悪くなるという問題があった。特に構造体パターンの側壁がテーパを有している場合、この問題が顕著になる課題があった。

そこで、この発明の目的は、サブμｍ以下の微細構造体や薄い板状の微細構造体の転写が可能なナノインプリント技術を利用して、微細金属構造体をよりよい加工精度で製造することにある。

かかる目的を達成すべく、この発明の第一の態様は、
１）第１の基板上の、流動状態にある被加工膜に、微細な凹凸パターンが形成された型を押し付け、
２）前記流動状態にある被加工膜を硬化して、その硬化した被加工膜から前記型を剥離し、その型の凹凸パターンが転写されて構造体パターンを有する被加工膜を得、
３）前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を、導電性を有する第２の基板に取り付け、
４）その被加工膜の、前記構造体パターンを形成していない面を除去することにより前記構造体パターンを開口してその構造体パターンを通して前記第２の基板を露出し、
５）その露出した第２の基板を電極としてめっきを行い、
６）堆積しためっき金属を、前記第２の基板と前記被加工膜から分離し、
微細金属構造体を製造することを特徴とする、微細金属構造体の製造方法である。

前記被加工膜を、熱可塑性樹脂を用いてつくり、冷却することにより硬化する。もしくは、熱硬化性樹脂を用いてつくり、加熱することにより硬化する。または、前記被加工膜を、ＵＶ硬化樹脂や電子線硬化樹脂などの活性エネルギー硬化樹脂を用いてつくり、ＵＶ光や電子線などの活性エネルギーを照射することにより硬化する。

前記型を剥離して前記構造体パターンを有する被加工膜を得、その被加工膜から前記第１の基板を分離して後、前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を前記第２の基板に取り付ける。または、前記型を剥離して前記構造体パターンを有する被加工膜を得、前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を前記第１の基板とともに前記第２の基板に取り付けてから、前記第１の基板を前記被加工膜から分離する。

上記目的を達成すべく、この発明の第二の態様は、そのような微細金属構造体の製造方法を用いて製造してなることを特徴とする、微細金属構造体である。

この発明によれば、サブμｍ以下の微細構造体や薄い板状の微細構造体の転写が可能なナノインプリント技術を利用して、微細金属構造体を製造することができる。また、導電性を持つ基板を露出させる際に構造体パターンの側壁が影響を受けることがなく、よりよい加工精度で微細金属構造体を製造することができる。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の最良形態につき説明する。
図１（Ａ）ないし（Ｉ）には、この発明による微細金属構造体の製造工程を示す。

まず、微細金属構造体を製造するときには、第１の基板１上に被加工膜３を形成し、第１の基板１に対向して型２を配置する（図１（Ａ）参照）。

第１の基板１としては、シリコン基板、サファイア基板、石英基板など、一定の強度を持つものを使用することができる。図示例では、直径４インチのシリコン基板を使用している。その上に形成する被加工膜３としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、活性エネルギー硬化樹脂などの高分子樹脂材料を使用する。図示例では、熱可塑性樹脂である、厚さ１００μｍのポリメチルメタクリレートを使用している。

他方、型２は、ＬＩＧＡ(Lithographie Galvanoformung Adformung)技術やシリコンのドライエッチング技術などのＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）製造技術で作製することができる。図示例では、シリコンのドライエッチング技術により製造した、例えば直径４インチのシリコン製の型２を使用している。例えば、高さ５０μｍ、幅５μｍの静電アクチュエータのパターンを少なくとも１つ持つ。そして、型２の表面には、被加工膜３の剥離性を向上するための処理を施すことが好ましい。図示例では、型２の表面をフッ素系の離型剤（ダイキン工業株式会社製の「オプツールＤＳＸ」）で被覆している。

次に、被加工膜３をガラス転移点以上に加熱して軟化し、軟化して流動状態にある被加工膜３に型２を押し付ける（図１（Ｂ）参照）。型２には、微細な凹凸パターンが形成されている。図示例では、１３０℃程度にまで加熱し、３０ＭＰａの圧力で押し込む。

それから、流動状態にある被加工膜３をガラス転移点以下になるまで冷却することにより硬化させ、硬化した被加工膜３から型２を剥離することにより、型２の凹凸パターンが転写されて構造体パターンを有する被加工膜３を得る（図１（Ｃ）参照）。図示例では、８０℃程度になるまで冷却している。

その後、第１の基板１を研磨やエッチングにより除去して、被加工膜３から第１の基板１を分離する（図１（Ｄ）参照）。なお、被加工膜３から第１の基板１を分離する際は、第１の基板１を除去するのではなく、第１の基板１と被加工膜３との間に形成した二酸化シリコンなどの犠牲層（図示せず）のみをエッチングにより除去するようにし、作業効率を上げることもできる。

次いで、型２の凹凸パターンが転写された面を、接着剤や導電性ペーストによる接着、または超音波溶着などの溶着により貼り付けて、導電性を有する第２の基板７に被加工膜３を取り付ける（図１（Ｅ）参照）。第２の基板７としては、導電性を持つ基板の他、導電性を持つ膜を表面に形成した基板を使用することもできる。

微細金属構造体を第２の基板７から分離しやすくするために、微細金属構造体を構成する金属材料とエッチングの選択性を有する材料からなる導電性を持つ基板、または微細金属構造体を構成する金属材料とエッチングの選択性を有する材料からなる導電性を持つ膜を表面に形成した基板を使用することが好ましい。図示例では、第２の基板７として、蒸着により厚さ０．１μｍの動からなる導電性を持つ膜８を表面に形成したシリコン基板を使用している。

それから、被加工膜３に形成された型２の凹凸パターンが開口するまで、被加工膜３の、構造体パターンが形成されていない面を研磨やエッチングで除去することにより、構造体パターンを開口してその構造体パターンを通して第２の基板７を露出する（図１（Ｆ）参照）。

その後、被加工膜３に形成された構造体パターンを開口させることにより露出した導電性を持つ膜８を電極として電解めっきを行い、構造体パターンが形成された被加工膜３のパターン凹部にめっき金属４を堆積する（図１（Ｇ）参照）。めっき金属４としては、各種のめっき金属を使用することができる。図示例では、スルファミン酸ニッケル浴を使用し、ニッケル膜を堆積している。被加工膜３の凹部にめっき金属４を堆積させる際は、被加工膜３の凹部をはみ出して堆積させてもよい。そして、被加工膜３の凹部をはみ出すまで堆積させためっき金属を所望の厚さになるまで研磨やエッチングで除去することで、めっき金属４の厚さを均一化することができる。

次に、有機溶剤やプラズマアッシングで被加工膜３を選択的に除去し、またエッチングや研磨で第２の基板７を選択的に除去し、堆積しためっき金属４を第２の基板７と被加工膜３から分離する（図１（Ｈ）参照）。

そして、微細金属構造体６を構成する金属材料に対しては低く、導電性を持つ膜８に対しては高いエッチング選択性を持つエッチングにより、導電性を持つ膜８を選択的に除去して微細金属構造体６を形成する（図１（Ｉ）参照）。図示例では、銅めっき剥離液を使用して、導電性を持つ膜８を選択的に除去することで、微細金属構造体６が得られる。なお、導電性を持つ膜８を、微細金属構造体６を第２の基板７から分離させるための犠牲層として使用してもよい。そして、第２の基板７を除去するのではなく、導電性を持つ膜８のみをエッチングにより除去し、作業性を上げることもできる。

さて、上述した図示例では、第１の基板１上に形成する被加工膜３を、熱可塑性樹脂であるポリメチルメタクリレートを用いてつくり、冷却することにより硬化した。しかし、それに代えて、フェノール、エポキシ、メラミン、不飽和ポリエステルなどの熱硬化性樹脂を用いてつくり、それに同様に型２を押し付けて構造体パターンを形成してから、加熱することにより硬化し、またはＵＶ硬化樹脂や電子線硬化樹脂などの活性エネルギー硬化樹脂を用いてつくり、それに同様に型２を押し付けて構造体パターンを形成してから、ＵＶ光や電子線などの活性エネルギーを照射することにより硬化し、その硬化した被加工膜３から型２を剥離することにより、構造体パターンが形成された被加工膜３を得るようにしてもよい。

他方、上述した図示例では、型２を剥離して、構造体パターンが形成された被加工膜３を得、その被加工膜３から第１の基板１を分離し、構造体パターンを形成した面を貼り付けて、被加工膜３を第２の基板７に取り付けた。しかし、型２を剥離して構造体パターンが形成された被加工膜３を得て後、図２（Ａ）に示すように構造体パターンを形成した面を貼り付けて、被加工膜３を第１の基板１とともに、導電性を有する第２の基板７に取り付けてから、図２（Ｂ）に示すように第１の基板１を研磨やエッチングにより除去する。または、被加工膜３と第１の基板１との間に形成した二酸化シリコンなどの犠牲層（図示せず）をエッチングにより除去することで、第１の基板１を被加工膜３から分離するようにしてもよい。

また、型２を剥離して構造体パターンが形成された被加工膜３を得て後、図３（Ａ）に示すように、型２の凹凸パターンが転写された面を、接着剤や導電性ペーストによる接着、または超音波溶着などの溶着により貼り付けて被加工膜３を第１の基板１とともに、導電性を有する第２の基板７に取り付けてから、図３（Ｂ）に示すように第１の基板１と被加工膜３を同時に研磨やエッチングで除去するようにしてもよい。

（Ａ）ないし（Ｉ）はこの発明による微細金属構造体の製造工程図である。 別の製造工程の変更部分工程図である。 さらに別の製造工程の変更部分工程図である。 従来のナノインプリント法を用いた微細パターンの製造工程図である。 従来の別の微細パターンの製造工程図である。 従来のホットエンボス法を利用した微細金属構造体の製造工程図である。

符号の説明

１ 第１の基板
２ 型
３ 被加工膜
４ めっき金属
６ 微細金属構造体
７ 第２の基板
８ 導電性を持つ膜

Claims (7)

1. １）第１の基板上の、流動状態にある被加工膜に、微細な凹凸パターンが形成された型を押し付け、
   ２）前記流動状態にある被加工膜を硬化して、その硬化した被加工膜から前記型を剥離し、その型の凹凸パターンが転写されて構造体パターンを有する被加工膜を得、
   ３）前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を、導電性を有する第２の基板に取り付け、
   ４）その被加工膜の、前記構造体パターンを形成していない面を除去することにより前記構造体パターンを開口してその構造体パターンを通して前記第２の基板を露出し、
   ５）その露出した第２の基板を電極としてめっきを行い、
   ６）堆積しためっき金属を、前記第２の基板と前記被加工膜から分離し、
   微細金属構造体を製造することを特徴とする、微細金属構造体の製造方法。
2. 前記被加工膜を、熱可塑性樹脂を用いてつくり、冷却することにより硬化することを特徴とする、請求項１に記載の微細金属構造体の製造方法。
3. 前記被加工膜を、熱硬化性樹脂を用いてつくり、加熱することにより硬化することを特徴とする、請求項１に記載の微細金属構造体の製造方法。
4. 前記被加工膜を、活性エネルギー硬化樹脂を用いてつくり、活性エネルギーを照射することにより硬化することを特徴とする、請求項１に記載の微細金属構造体の製造方法。
5. 前記型を剥離して前記構造体パターンを有する被加工膜を得、その被加工膜から前記第１の基板を分離し、前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を前記第２の基板に取り付けることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１に記載の微細金属構造体の製造方法。
6. 前記型を剥離して前記構造体パターンを有する被加工膜を得、前記構造体パターンを形成した面を貼り付けて、前記被加工膜を前記第１の基板とともに前記第２の基板に取り付けてから、前記第１の基板を前記被加工膜から分離することを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１に記載の微細金属構造体の製造方法。
7. 請求項１ないし６のいずれか１に記載の微細金属構造体の製造方法を用いて製造してなることを特徴とする、微細金属構造体。

Images