JP4769962B2 - 金属系微細構造物の作製方法及びその装置 - Google Patents

Description

本発明は、微細加工技術、特に、金属系微細構造物の作製方法、及びそれに使用する装置に関するものであり、更に詳しくは、本発明は、電気めっき法を用いた金属系微細構造物の作製方法、及びその装置に関するものである。本発明は、例えば、マイクロマシン、電子部品等の技術分野において、従来、例えば、リソグラフィーと電気めっきを使用して微細部品を作製していた微細加工技術に関して、高額な装置を使用することなく、環境にやさしいプロセスで、簡便な操作工程で、微細加工を行うことが可能な新規微細加工技術を提供するものである。

近年、例えば、マイクロマシン、通信、バイオテクノロジー等の多くの技術分野において、装置の集積化、微細化の推進に伴い、微細部品の製作技術が非常に注目され、微細加工技術の研究が活発になってきている。その中で、特に、リソグラフィーと電気めっきを使用して微細構造物を形成するＬＩＧＡ（Lithograph Galvanformung und Abformung）法の研究が盛んである。

例えば、先行文献には、電気めっきとリソグラフィーを使用して、型インサートを製造する方法（特許文献１）、また、プローブ用金型を板状部品に押し当てて、当該プローブに対応する形状を有する型を作製し、当該型の面上にプローブとなるめっき構造物を形成する方法（特許文献２）、が提案されている。

微細構造物の作製目標は、特に、より高アスペクト比、そして、より微細な微細構造物を形成することにあり、例えば、シンクロトロン放射Ｘ線（非特許文献１）を使用した深い厚さ１ｍｍ以上のＰＭＭＡのリソグラフィーの使用等が試みられている。

ここで、従来のＬＩＧＡ法について具体的に説明するために、その基本工程を図１に示す。図１に示す従来のＬＩＧＡ法のプロセスでは、まず、図１（ａ）に示すように、レジスト層（３２）を所望の厚みで基板（３３）上に形成した後、金などの重金属の吸収材（３１）をパターンとするマスク（３０）を用いて、Ｘ線等でレジスト層（３２）を露光する。次いで、現像を行うことで、図１（ｂ）に示すように、レジストパターン（３４）が作製される。

次に、レジストパターン（３４）を有する基板を、めっき液に漬け、電気めっきによって、金属の構造物を堆積させる（図３（ｃ））。続いて、図１（ｄ）に示すように、レジストを除くことで、金属系微細構造物を作製することができる。このＬＩＧＡ法は、例えば、光学素子、センサ、アクチュエーター等の製造に利用することができ、その応用範囲は広い。

しかしながら、上述の方法は、より高さの高い微細部分を有する構造物、もしくはより微細な構造物を作製しようとするほど、レジスト材を露光するための設備が複雑、かつ高額となること、そして、その製造方法については、現像液等に関する環境問題を解決する必要があること、そして、工程数が多く、複雑になること、等が主な問題点として挙げられる。

このように、従来、ＬＩＧＡ法によりレジスト材を用いて金属系微細構造物を作製することが行われていたが、より高さの高い微細部分を有する構造物、あるいはより微細な構造物を作製するには、複雑、かつ高額な装置の問題、環境問題、工程数が多く、複雑な製造プロセスの問題等があり、当技術分野では、それらの問題を解決することが可能な新しい微細加工技術の開発が強く要請されていた。

特表平１０−５１０４８３号公報 特開２００４−１０１３５１号公報 応用物理，第７３巻，第４号（２００４）４６６−４６９

このような状況の中で、本発明者は、上記従来技術に鑑みて、従来技術の問題点を確実に解決することが可能な新しい微細加工技術を開発することを目標として鋭意研究を積み重ねた結果、レジスト材を使用しないで、電気めっき法を応用して金属系微細構造物を作製する手法を確立することに成功し、本発明を完成するに至った。

本発明は、以上のとおりの事情に鑑みてなされたものであり、従来技術の問題点を解決することができ、設備費が安価であり、レジスト材を用いないプロセスで、環境にやさしく、少ない工程数で、金属系微細構造物を効率良く作製することが可能な金属系微細構造物の新規作製方法とその装置を提供することを目的とするものである。

上記課題を解決するための本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）金属系微細構造物を電気めっき法により作製する方法において、基板の上に、貫通穴を具備する型板を駆動可能に設置し、上記貫通穴を介して基板の上にめっき処理を行い、上記型板を基板から離れていく方向に移動させることにより、基板上に金属系構造物を形成する、ことからなる金属系微細構造物の作製方法であって、
基板に、所望の金属系微細構造物の底面形状に略対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板を極めて近接又は密着させて設置し、駆動手段により、型板を基板から離れていく方向に、８０〜１００００ｎｍ／分の速度で、移動させることを特徴とする金属系微細構造物の作製方法。
（２）電極＋及び型板と電極−及び基板をめっき液に浸し、電流を流し、基板の上にめっき処理を行う前記（１）に記載の方法。
（３）前記（１）又は（２）に記載の金属系微細構造物の作製方法で使用する装置であって、
電気めっき槽と、基板と、該基板の上に設置する所望の金属系微細構造物の底面形状に対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板と、該型板を上記基板から離れていく方向に移動させる駆動手段と、上記基板上にめっき処理するための電極とを有することを特徴とする金属系微細構造物の作製装置。
（４）槽内に、電極−及び基板と、電極＋及び型板を設置した前記（３）に記載の金属系微細構造物の作製装置。
（５）めっき槽（１１）内に位置する、電極−及び基板（１７）と、該電極に対向し、距離を可変できる駆動部（１９）に連結しているホルダー（１３）及び他方の電極＋（１２）と、槽内で電極間に位置した所望の金属系微細構造物の底面形状に対応した輪郭を有する複数個の貫通穴（２０）を具備する型板（１８）と、電極間を接続する電線と、その間に位置する電源とを具備してなる装置であって、
電極−及び基板（１７）に型板（１８）を極めて近接又は密着させた状態で、前記槽内の両電極（１２，１７）と型板（１８）をめっき液（１２）に浸し、電流を流している間に８０〜１００００ｎｍ／分の速度で駆動部（１９）により電極＋及び型板（１８）が電極−及び基板（１７）から離れていく方向に移動させ、電極−及び基板（１７）上に金属系微細構造物を形成する操作を実行できるようにした、前記（３）又は（４）に記載の金属系微細構造物の作製装置。

次に、本発明について、更に詳細に説明する。
本発明は、金属系微細構造物を電気めっき法により作製する方法であって、電気めっき槽に、基板と、該基板の上に、所望の金属系微細構造物の底面形状に略対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板を駆動可能に設置し、上記貫通穴を介して基板の上にめっき処理を行い、同時に、上記型板を基板から離れていく方向に移動させることにより、基板上に連続的に金属系構造物を形成することを特徴とするものである。

本発明において、上記型板は、基板に極めて近接又は密着させて設置され、該型板は、めっき処理と同時に、駆動手段により、基板から離れていく方向に所定の速度で移動可能に設置される。めっき処理は、例えば、電極＋及び型板と電極−及び基板をめっき液に浸し、電流を流し、基板の上にめっき処理を行うことで実施される。

また、上記型板は、所望の金属系微細構造物の底面形状に対応した輪郭を有する複数個の貫通穴の形状、大きさ及び個数等は、目的とする金属系微細構造物の形状、構造等に応じて任意に設計することができる。

次に、図２に示した、本発明の金属系微細構造物の作製を可能とする金属系微細構造物の作製装置の概略図を参照して、本発明を具体的に説明する。本装置は、電気めっき装置に、電極間に貫通穴（２０）を有する型板（１８）を設置し、該型板（１８）と電極＋（１２）は、電極−（基板）（１７）から離れていく方向に移動可能に設置されている。電極−（基板）（１７）から極めて近接、もしくは密着した状態で、電流を流すと、電流は貫通穴（２０）を有する部分のみに流れ、貫通穴底面に類似した底面を有する金属系構造物が電極−（基板）（１７）に形成される。

図２及び図３に示すように、電極−（基板）（１７）から型板（１８）と電極＋（１２）が離れていく際に、構造物が基板に形成される速度と同程度の速度で基板（１７）から型板（１８）を移動することにより、貫通穴を有する部分のみにめっきが施され、それにより、結果として、基板に金属系微細構造物（２１）が形成される。

該方法では、電流を止めることにより、金属系微細構造物（２１）の形成を停止させることが可能であり、該構造物の形成速度をTry and Errorにより認知することで、高さを制御した構造物を任意に得ることができる。また、貫通穴（２０）の形状を任意に設計することにより、さまざまな底面形状を有する構造物を、底面形状を保持して形成することができる。更に、槽に入れるめっき液としては、電気めっき法により、電極−（基板）（１７）上にめっき処理ができるものであれば何れのめっき液でも使用が可能である。

また、上記方法では、電極−（基板）（１７）から型板（１８）と電極＋（１２）を離していく方式を取っているが、本発明では、駆動部（１９）を電極−（基板）（１７）側に取り付け、型板（１８）と電極＋（１２）から電極−（基板）（１７）を離していく方式、又は両側に駆動部（１９）を設け、両側を駆動させる方式を採用することも適宜可能である。

更に、上記方法では、電極−（基板）（１７）を槽内に設置しているが、槽の壁、あるいは槽の底に貫通穴（２０）を具備し、駆動部を電極−（基板）（１７）側に装着し、槽外から貫通穴（２０）に電極−（基板）（１７）を密着させ、電流を流し、型板（１８）から電極−（基板）（１７）を離していく形態を採用することも適宜可能である。

また、本発明では、めっき液（１０）に接触する部分は、電極（１２，１７）を除いては、絶縁材料である必要がある。また、電極間の距離は、構造物の物性に大きく影響を与えることから、型板（１８）と電極＋（１２）の位置を自由に変えることができる機構を設けることも可能である。また、本発明では、各箇所での構造物の形成速度を均一にするために、多電極で、各極の制御ができる機構を設けることも可能である。更に、本発明では、作業の利便性を考慮して、電極−と基板を別々のものとすることができる。電流を流すことで、構造物の形成が開始するが、形成部に新鮮な液を常時供給するために、めっき液の流れを制御する輸液ポンプを設置し、形成部に新鮮な液がいくような手段を講じることが好ましい。

本発明において、上記金属系微細構造物の材料としては、例えば、金、銀、銅、白金、クロム、ニッケル、亜鉛、カドミウム、すず、鉛、鉄、アルミニウム、及びこれらを基礎とする合金、及び分散材含有金属もしくは合金が例示される。本発明では、上記金属の種類は、特に制限されるものではないが、好適には、例えば、ニッケル、及びニッケル合金が例示される。

また、本発明において、上記金属系微細構造物とその微細構造は、特に制限されるものではなく、従来、ＬＩＧＡ法によりレジスト材を用いて微細加工されていた微細構造物と同様の微細構造物、例えば、円柱、多角柱、断面が直線と曲線とにより構成された柱状構造体を対象とすることができる。具体的には、例えば、高集積化、微細化が進行している集積回路、電子デバイス等に対応する微細部材が例示される。

本発明では、電気めっき槽に、基板と、該基板の上に、所望の金属系微細構造物の底面形状に略対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板が駆動可能に設置されるが、この場合、上記型板は、駆動手段により、基板から離れていく方向に８０〜１００００ｎｍ／分の速度で移動可能に設置される。駆動手段としては、例えば、ピエゾ駆動ステージ、ＡＣサーボ駆動ステージ、もしくはそれらの複合駆動ステージが例示され、好適には、クローズドループにより変位制御するピエゾステージが使用される。これらの手段の具体的な構成及び駆動条件等は、対象とする微細構造物の種類、形状及び構造、材質等に応じて、任意に設計及び選定することができる。

本発明において、電気めっきの手法及び手段については、特に制限されるものではなく、適宜の方法及び手段を使用することができる。構造体材、基板、駆動手段及び型板の具体的な構成は、例えば、構造体材としては電気めっき金属として最も用いられているニッケル、基板としては平面度を出すためのラッピング、ＣＰＭ（Chemical Mechanical Polishing）によって研磨され、アルカリ脱脂、酸洗等表面処理された銅、駆動手段としては静電容量センサーを有し、クローズドループにより変位制御のできるピエゾステージ、型板としては、単数もしくは複数の断面が円形、多角形を有する貫通穴を有し、厚さが直径、一辺の５倍以下程度である構造で、材質が絶縁体、例えば、ナイロン、ポロカーボネイト、ポリエチレン、ペット樹脂、ポリプロピレン、テフロン（登録商標）、アクリル、塩化ビニール、エポキシ、ウレタン、フェノール樹脂、が例示される。

従来法として、高集積化、微細化が進行した半導体集積回路等に対応する高精度のプローブを製造する際に、例えば、プローブ用金型を板状部材に押し当てて、当該プローブに対応する形状を有する型を作製すること、そして、プローブ型凹部に電気めっきによりめっき構造体を形成することで、高精度に微細加工されたプローブを作製することが行われている。

しかし、従来、基板に貫通穴を有する型板を設置し、該型板を基板から離れていく方向に移動させながら、該貫通穴を介して、基板上にめっき構造物を堆積させて、所定の微細構造を有する構造物を作製することは行われていなかった。本発明は、上記特定の構成を採用することで、任意の形態の微細構造物、特に、従来技術では、作製することが困難であった、より高さの高い微細部分を有する構造物やより微細な構造物を高精度で効率良く作製することが可能な新しい微細加工技術を提供することを可能にするものである。

本発明の作製方法と作製装置により、以下のような効果が奏される。
（１）従来技術の代表的な問題点である、設備費が高価であること、環境問題、工程数が多いこと等の問題を解消した金属系微細構造物を作製することを可能とする、金属系微細構造物の作製方法と金属系微細構造物の作製装置を提供できる。
（２）レジスト材を用いる従来のＬＩＧＡ法に代わる、金属系微細構造物の新しい加工技術を提供できる。
（３）従来のＬＩＧＡ法と比べ、簡便な構造で低コストの装置により、簡便な製造プロセスで、微細加工することが可能な、新しい微細加工技術を提供できる。
（４）工程数が少なく、低エネルギー消費で、環境低負荷型の金属系微細構造物の微細加工技術を提供できる。
（５）構造体の高さを設定する場合に、レジスト材の基板への塗布条件を設定する従来法（特許文献１、２、非特許文献１等）と比べ、形成時間を設定するだけという簡便な製造プロセスで、高さの異なる構造体を得ることができる微細加工技術を提供できる。
（６）型板の駆動範囲を広げることにより、高アスペクト比を有する構造体を形成可能とする微細加工技術を提供できる。
（７）１つの構造体で作製した型を消費する必要のある従来法（特許文献１、２、非特許文献１等）と異なり、何度でも繰り返し型板を使用することができる、ランニングコストの低い微細加工技術を提供できる。

次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。

（１）金属系微細構造物の作製装置の構築
本実施例では、直径が０．１ｍｍで、ピッチが０．３ｍｍの貫通穴を４９個（縦７行、横７列）有する厚さ０．０２ｍｍのアクリル材を型板として用いた。図４に、型板の構造の平面図を示す。この型板は、直径０．１ｍｍ、ピッチ０．３ｍｍの円４９個（縦７行、横７列）を有する。電極＋及び基板には、Ｎｉを用いた。電気めっき槽内に、上記型板を基板に極めて近接させて設置した。型板（１８）の貫通穴近傍にひずみゲージ（図示せず）が設置されており、始めに、型板（１８）を基板（１７）と接触させ、その後、基板（１７）から離れる方向に型板（１８）を駆動させ、ひずみが検出されないところを出発位置とした（図２、３）。

（２）金属系微細構造物の形成
次いで、表１に示す条件で、電気めっき処理を行い、同時に、クローズドループにより変位制御のできるピエゾステージからなる駆動手段により、型板を基板から離れていく方向に１．４μｍ／分の速さで移動させ、７０分で、基板上に連続的に金属系構造物を形成し、直径０．１ｍｍ、ピッチ０．３ｍｍ、高さ０．１ｍｍの円柱４９個（縦７行、横７列）を有するＮｉ微細構造物を作製した。

（３）構造物の評価
上記Ｎｉ微細構造物について、走査型電子顕微鏡により側面から観察し、基板から先端までの微細構造体円柱の側長の評価を行った結果、高さ１０２μｍの構造物であった。

（１）金属系微細構造物の作製装置の構築
本実施例では、実施例１と同様に、直径０．１ｍｍ、ピッチ０．３ｍｍの貫通穴を４９個（縦７行、横７列）有する厚さ０．０２ｍｍのアクリル材を型板として用いた。電極＋には、白金、基板には、Ｃｕを用いた。電気めっき槽内に、上記型板を基板に極めて近接させて設置した。型板（１８）の貫通穴近傍にひずみゲージ（図示せず）が設置されており、始めに、型板（１８）を基板（１７）と接触させ、その後、基板（１７）から離れる方向に型板（１８）を駆動させ、ひずみが検出されないところを出発位置とした（図２、３）。

（２）金属系微細構造物の形成
次いで、表２に示す条件で、電気めっき処理を行い、同時に、クローズドループにより変位制御のできるピエゾステージからなる駆動手段により、型板を基板から離れていく方向に０．６μｍ／分の速さで移動させ、１２０分で、基板上に連続的に金属系構造物を形成し、直径０．１ｍｍ、ピッチ０．３ｍｍ、高さ０．０８ｍｍの円柱４９個（縦７行、横７列）を有するＮｉ−Ｗ微細構造物を作製した。

（３）構造物の評価
上記Ｎｉ−Ｗ微細構造物について、走査型電子顕微鏡により側面から観察し、基板から先端までの微細構造体円柱の側長の評価を行った結果、高さ７６μｍの構造物であった。

以上詳述したように、本発明は、金属系微細構造物の作製方法、及びその装置に係るものであり、本発明は、設備費が安価であり、環境にやさしく、工程数が少ない金属系微細構造物の作製方法とその作製装置を提供することを可能とする。本発明は、高集積化、微細化が進行している集積回路、電子デバイス等に対応する微細部品の加工技術を提供するものとして高い技術的意義を有する。

従来のＬＩＧＡ法のプロセスを示す模式図である。 本発明に係る作製装置の概略図である。 構造物形成の様子を示す模式図である。 型板の構造の平面図である。

符号の説明

１０ 液
１１ 槽
１２ 電極＋
１３ 電極＋と型板のホルダー
１４ 電源
１５ 電線
１６ 電極−（基板）ホルダー
１７ 電極−（基板）
１８ 型板
１９ 駆動部
２０ 貫通穴
２１ 金属系微細構造物
３０ マスク
３１ 重金属の吸収材
３２ レジスト層
３３ 基板
３４ レジストパターン
３５ 金属系微細構造物

Claims (5)

1. 金属系微細構造物を電気めっき法により作製する方法において、基板の上に、貫通穴を具備する型板を駆動可能に設置し、上記貫通穴を介して基板の上にめっき処理を行い、上記型板を基板から離れていく方向に移動させることにより、基板上に金属系構造物を形成する、ことからなる金属系微細構造物の作製方法であって、
   基板に、所望の金属系微細構造物の底面形状に略対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板を極めて近接又は密着させて設置し、駆動手段により、型板を基板から離れていく方向に、８０〜１００００ｎｍ／分の速度で、移動させることを特徴とする金属系微細構造物の作製方法。
2. 電極＋及び型板と電極−及び基板をめっき液に浸し、電流を流し、基板の上にめっき処理を行う請求項１に記載の方法。
3. 請求項１又は２に記載の金属系微細構造物の作製方法で使用する装置であって、
   電気めっき槽と、基板と、該基板の上に設置する所望の金属系微細構造物の底面形状に対応した輪郭を有する複数個の貫通穴を具備する型板と、該型板を上記基板から離れていく方向に移動させる駆動手段と、上記基板上にめっき処理するための電極とを有することを特徴とする金属系微細構造物の作製装置。
4. 槽内に、電極−及び基板と、電極＋及び型板を設置した請求項３に記載の金属系微細構造物の作製装置。
5. めっき槽（１１）内に位置する、電極−及び基板（１７）と、該電極に対向し、距離を可変できる駆動部（１９）に連結しているホルダー（１３）及び他方の電極＋（１２）と、槽内で電極間に位置した所望の金属系微細構造物の底面形状に対応した輪郭を有する複数個の貫通穴（２０）を具備する型板（１８）と、電極間を接続する電線と、その間に位置する電源とを具備してなる装置であって、
   電極−及び基板（１７）に型板（１８）を極めて近接又は密着させた状態で、前記槽内の両電極（１２，１７）と型板（１８）をめっき液（１２）に浸し、電流を流している間に８０〜１００００ｎｍ／分の速度で駆動部（１９）により電極＋及び型板（１８）が電極−及び基板（１７）から離れていく方向に移動させ、電極−及び基板（１７）上に金属系微細構造物を形成する操作を実行できるようにした、請求項３又は４に記載の金属系微細構造物の作製装置。