JP2006299371A - 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】 残渣膜を除去する必要なしに、ナノインプリント法で形成された被加工膜のパターンに電解めっきを施すことができる微細金属構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】 １）基板１上の、導電性を持つ高分子膜でつくった流動状態にある被加工膜３に、微細な凹凸パターンが形成された型２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）その被加工膜を電極としてめっきを行って、前記構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部にめっき金属４を堆積し、４）その堆積しためっき金属を前記被加工膜から分離し、微細金属構造体５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。

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１に開示されている内容によれば、図５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５（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５（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５（Ｃ）参照）。

また、特許文献２に開示されている内容によれば、図６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６（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６（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６（Ｃ）参照）。

以上のように、ナノインプリント法では、所望の凹凸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な凹凸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、精度よく凹凸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、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。

次に、このナノインプリント法を応用して微細な金属製構造体を製造する方法を説明する。例えば図７に示すように、まず前述したナノインプリント法によって型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンが転写された被加工膜１０３を用意する（図７（Ａ）参照）。被加工膜１０３は、導電性を持つ基板１０１の上に形成されている。

そして、型の凹凸パターンが転写された被加工膜にパターン凹部を形成し、そのパターン凹部底面に生じる残渣膜を、エッチングやエキシマレーザ等で除去する（図７（Ｂ）参照）。次に、露出した導電性を持つ基板１０１を電極として電解めっきを行い、型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンが転写された被加工膜１０３のパターン凹部にめっき金属１０４を堆積する（図７（Ｃ）参照）。そして、被加工膜１０３をプラズマアッシングや有機溶剤により除去し、基板１０１をエッチングにより除去し、微細金属構造体１０５を得る（図７（Ｄ）参照）。

図８には、ナノインプリント法を応用して微細な金属製構造体を製造する別の方法を示す。まず前述したナノインプリント法によって型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンが転写された被加工膜１０３を用意し、この被加工膜１０３を基板１０１から分離する（図８（Ａ）参照）。

次に、分離された被加工膜１０３の凹凸パターンが転写された面を導電性を持つ第２の基板１０７に接着する（図８（Ｂ）参照）。そして、被加工膜１０３に転写された凹凸パターンが開口するまで被加工膜１０３の凹凸パターンが転写されていない面を研磨やエッチングにより除去する（図８（Ｃ）参照）。それから、導電性を持つ第２の基板１０７を電極として電解めっきを行い、型１０２の微細な凹凸パターンの反転パターンが転写された被加工膜１０３のパターン凹部にめっき金属１０４を堆積する（図８（Ｄ）参照）。その後、被加工膜１０３をプラズマアッシングや有機溶剤により除去し、基板１０１をエッチングにより除去し、微細金属構造体１０５を得る（図８（Ｅ）参照）。

米国特許第５７７２９０５号公報 特開２０００‐１９４１４２号公報

しかしながら、従来のナノインプリント法では、型の破損を防ぐために、型が基板に接触しない深さまでしか型を被加工膜に押し付けることができず、また樹脂の流動性の影響からも、型の凹凸パターンが転写された被加工膜のパターン凹部底面に残渣膜を生じていた。このために、被加工膜の下層にある導電性を持つ基板、または基板表面に形成された導電性を持つ膜を電極として電解めっきを行うには、その残渣膜をエッチング、エキシマレーザ、研磨などの手段を用いて除去する必要があり、生産性が悪く、加工精度が低下するなどの問題があった。

そこで、この発明の目的は、残渣膜を除去する必要なしに、ナノインプリント法で形成された被加工膜のパターンに電解めっきを施すことができる微細金属構造体の製造方法を提供することにある。

また、微細金属構造体を生産性よく製造する微細金属構造体の製造方法を提供することにある。また、型と基板の接触を確実に防ぐことができる微細金属構造体の製造方法を提供することにある。

かかる目的を達成すべく、この発明の第一の態様は、
１）基板上の、導電性を持つ高分子膜でつくった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）その被加工膜を電極としてめっきを行って、前記構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部にめっき金属を堆積し、
４）その堆積しためっき金属を前記被加工膜から分離し、
微細金属構造体を製造する、微細金属構造体の製造方法である。

例えば、前記被加工膜としては、導電性樹脂組成物を使用する。前記基板としては、絶縁性のものを使用する。

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、その被加工膜を電極としてめっきを行い、前記被加工膜の表裏のめっき金属と前記基板を除去し、前記被加工膜を除去してパターン凹部に堆積しためっき金属を前記被加工膜から分離する。また、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基板を分離して後、前記構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部を除いて前記被加工膜を絶縁性材料で被覆し、その絶縁性材料をマスクとして前記被加工膜を電極としてめっきを行って、前記パターン凹部にめっき金属を堆積するとよい。さらに、前記被加工膜を前記型の凹凸パターンの高さより厚くするとよい。

この発明の第二の態様は、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、微細金属構造体である。

この発明によれば、基板上の、導電性を持つ高分子膜でつくった被加工膜に、微細な凹凸パターンが形成された型を押し付けるので、型の凹凸パターンを転写して後の被加工膜に対して電解めっきを施すことができる。したがって、型の凹凸パターンが転写された被加工膜に構造体パターンを形成し、そのパターン凹部底面に生じる残渣膜を、エッチング、エキシマレーザ、研磨などにより除去する工程を必要とせず、ナノインプリント法で形成された被加工膜の構造体パターンに電解めっきを施すことができ、生産性が改善されるとともに、追加工による加工精度の低下を防止した加工精度の高い微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

また、この微細金属構造体を得るプロセスは、構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部底面に生じる残渣膜の量に依存しない。よって、型の凹凸パターンの高さよりも被加工膜を十分に厚く形成することができる。したがって、型が基板に接触することがなくなり、型の破損を確実に防止することができる。

また、被加工膜として、成形加工用に使用される導電性樹脂組成物を使用すれば、高い成形性を維持しながら、型の凹凸パターンを転写した被加工膜に導電性を持たせることができ、加工精度の高い微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

また、基板として絶縁性を有するものを使用すれば、電解めっきの工程において、基板にはめっき金属は堆積せず、電解めっき後に基板のみを容易に除去することができる。したがって、被加工膜をその表面と裏面の両面から除去することが可能になり、被加工膜の除去効率を上げ、生産性を向上した微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

また、型を剥離して凹凸パターンが転写された被加工膜を得、その被加工膜から基板を分離すれば、被加工膜を単体で取り扱うことが容易になり、被加工膜のパターン凹部底面に生じる残渣膜を除去する工程を必要とせず、被加工膜から基板を直接剥離し、生産性を向上した微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

また、電解めっきのマスクとして、被加工膜に対して選択的に絶縁性材料を塗布するようにすれば、めっき金属が堆積しない領域を被加工膜に形成することができる。したがって、被加工膜を除去する際の起点となる領域が広くなり、被加工膜の除去効率を上げ、生産性を向上した微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

また、被加工膜を型の凹凸パターンの高さよりも厚くすると、型と基板の接触を確実に防いで型を破損するおそれのない微細金属構造体の製造方法を提供することができる。

さらに、この発明によれば、上述した効果を有する微細金属構造体を提供することができる。

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（Ｆ）には、この発明による微細金属構造体の製造工程を示す。

この微細金属構造体を製造する工程では、まず、基板１上に、スピンコート法やシートの貼り付けなどで被加工膜３を形成し、基板１と対向する位置に型２を配置する（図１（Ａ）参照）。

基板１としては、各種金属基板を用いることができ、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。絶縁性を有する基板を使用することが好ましく、ここでは絶縁性基板である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、導電性樹脂組成物などの導電性を持つ高分子を使用することができる。導電性樹脂組成物は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂などの高分子樹脂材料に、カーボン、炭素繊維、金属微粒子、繊維状金属などの導電性フィラーを混合、分散させて、その体積抵抗率が１０^−２Ω・cm以下となるような金属並みに高い導電性を持つようにしたものである。被加工膜３としては、成形加工用の導電性樹脂組成物を使用することが好ましい。ここでは、被加工膜３として、分散補助材としての金属微粒子を介して導電性フィラーとしての低融点金属、またはそれらの合金を熱可塑性樹脂に混合、分散させた成形加工用の導電性樹脂組成物を使用する。その体積抵抗率は、１０^−４Ω・cmである。

また、被加工膜３は、任意の厚さで形成しても構わないが、転写された型２の凹凸パターンの高さよりも十分に厚い厚さで形成することが好ましく、ここでは厚さを１５０μｍとしている。

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。ここでは、型２として、ＬＩＧＡ技術、つまりＸ線リソグラフィと電鋳により製造したニッケル製のものを使用しており、例えば高さ１００μｍ、幅２０μｍのばね構造体のパターンを少なくとも１つ持っている。

型２の、被加工膜３からの剥離性を向上するために、型２の表面に離型処理を施すことが好ましい。ここでは、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」）で型２の表面を被覆している。

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。ここでは、５０ＭＰａの圧力で型２を押し込む。

それから、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）。例えば、被加工膜３として熱硬化性樹脂を用い、加熱することにより硬化してもよい。また、被加工膜として、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、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てもよい。

その後、被加工膜３を電極として電解めっきを行い、構造体パターンを有する被加工膜３のパターン凹部にめっき金属４を堆積する（図１（Ｄ）参照）。このめっき金属４としては、各種のめっき金属を使用することができる。ここでは、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。

次いで、研磨やエッチングにより除去して、被加工膜３の表裏のめっき金属と基板１を分離する（図１（Ｅ）参照）。

それから、研磨やエッチングで除去してめっき金属４の厚さを調整して後、有機溶剤やプラズマアッシングによりパターン凹部に堆積しためっき金属４を被加工膜３から分離し、被加工膜３を表面と裏面の両面から選択的に除去することにより、微細金属構造体５が得られる（図１（Ｆ）参照）。

なお、上述した例では、基板１として絶縁性基板であるシリコン基板を使用し、基板１を研磨やエッチングにより除去して被加工膜３から基板１のすべてを分離した。しかし、図２（Ａ）に示すように、表面に絶縁性を有する薄膜７を形成した基板１を使用し、その絶縁性を有する薄膜７を除去することにより、同図（Ｂ）に示すように被加工膜３から基板１を分離するようにしてもよい。

以上のように、被加工膜３を、導電性を持つ高分子膜により形成すれば、型２の凹凸パターンを転写して後の被加工膜３に対して電解めっきを施すことができ、エッチング、エキシマレーザ、研磨などの残渣膜の除去工程を経ずに、型２の凹凸パターンが転写された被加工膜３から微細金属構造体５を得ることができる。したがって、生産性が改善されるとともに、追加工による加工精度の低下を防止することができる。

また、被加工膜として、成形加工用に使用される導電性樹脂組成物を使用すれば、高い成形性を維持しながら、型２の凹凸パターンを転写した被加工膜３に導電性を持たせることができる。したがって、より高い加工精度で微細金属構造体５を得ることができる。

さらに、この微細金属構造体５を得るプロセスは、構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部底面に生じる残渣膜の量に依存しない。よって、型２の凹凸パターンの高さよりも被加工膜３を十分に厚く形成することができる。したがって、型２が基板１に接触することがなくなり、型２の破損を確実に防止することができる。

またさらに、基板１として絶縁性を有する基板を使用すれば、電解めっきの工程において、基板１にはめっき金属は堆積せず、電解めっき後に基板１のみを容易に除去することができる。したがって、被加工膜３をその表面と裏面の両面から除去することが可能になり、被加工膜３の除去効率を上げることができる。つまり、生産性を向上することができる。

図３（Ａ）ないし（Ｄ）には、この発明による微細金属構造体の別の製造工程を示す。
この微細金属構造体を製造する工程では、上述した例と同様に、基板１上に、スピンコート法やシートの貼り付けなどで被加工膜３を形成し、その基板１と対向する位置に型２を配置して、被加工膜３をガラス転移点以上に加熱することにより軟化し、流動状態にある被加工膜３に、微細な凹凸パターンが形成された型２を押し付け、冷却したり加熱したり活性エネルギーを照射したりして硬化した被加工膜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た被加工膜３を得る（図３（Ａ）参照）。

次に、エッチングや研磨により基板１を除去して後、構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部を除いて、電解めっきのマスクとして、被加工膜に対して選択的に絶縁性材料６をスピンコート、スプレーコート、刷毛塗りなどの方法で被覆する（図３（Ｂ）参照）。

それから、被加工膜３を電極として電解めっきを行い、構造体パターンを有する被加工膜３のパターン凹部にめっき金属４を堆積して後、研磨やエッチングで除去してめっき金属４の厚さを調整する（図３（Ｃ）参照）。

その後、絶縁性基材６を有機溶剤やプラズマアッシングで除去して後、絶縁性基材６が塗布されてめっき金属が堆積していない領域を起点として、有機溶剤やプラズマアッシングにより被加工膜３も選択的に除去して、微細金属構造体５が得られる（図３（Ｄ）参照）。

以上のように、電解めっきのマスクとして、被加工膜３に対して選択的に絶縁性材料６を塗布するようにすれば、めっき金属が堆積しない領域を被加工膜３に形成することができる。したがって、被加工膜を除去する際の起点となる領域が広くなり、被加工膜３の除去効率を上げ、生産性を向上することができる。

図４（Ａ）ないし（Ｄ）には、この発明による微細金属構造体のさらに別の製造工程を示す。
この微細金属構造体を製造する工程では、被加工膜３の厚さを型２の凹凸パターンの高さよりも十分に高くした場合に、被加工膜３を型の凹凸パターンを転写して後に、基板である支持体８上に形成された被加工膜３を支持体８から剥離するようにしている。

例えば、厚さ１mmで、シート状の被加工膜３を支持体８で保持し、支持体８と対向する位置に型２を配置する（図４（Ａ）参照）。支持体８としては、一定の強度を有する各種基板だけでなく、この発明の微細金属構造体を製造する装置の構成要素を使用することができる。ここでは、この発明の微細金属構造体を製造する装置の加熱機構を支持体８として使用している。

そして、上述した例と同様に、例えば被加工膜３をガラス転移点以上に加熱することにより軟化し、流動状態にある被加工膜３に、微細な凹凸パターンが形成された型２を押し付け、冷却したり加熱したり活性エネルギーを照射したりして硬化した被加工膜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４（Ｂ）参照）。なお、型２は、例えば高さ１５０μｍのパターンを有している。

次に、被加工膜３を支持体８から剥離して後、被加工膜３を電極として電解めっきを行い、構造体パターンを有する被加工膜３のパターン凹部にめっき金属４を堆積する（図４（Ｃ）参照）。なお、被加工膜３の支持体８からの剥離を容易にするために、支持体８の表面を離型剤などで離型処理することが好ましい。また、電解めっきを行う際には、電解めっきのマスクとして、被加工膜３に対して絶縁性材料（図示せず）を選択的に塗布することもできる。

それから、被加工膜３とめっき金属４を研磨やエッチングで除去してめっき金属４の厚さを調整して後、有機溶剤やプラズマアッシングにより被加工膜３を選択的に除去して、微細金属構造体５が得られる（図４（Ｄ）参照）。

以上のように、型２を剥離して凹凸パターンが転写された被加工膜３を得、その被加工膜３から、基板である支持体８を分離すれば、被加工膜３を単体で取り扱うことが容易になり、エッチングや研磨などの除去工程を経ずに、被加工膜３から支持体８を直接剥離し、生産性を向上することができる。また、被加工膜３を型２の凹凸パターンの高さよりも厚くすると、型２と支持体８の接触を確実に防ぐことができる。

（Ａ）ないし（Ｆ）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。 またさらに別の製造工程図である。 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。 従来のナノインプリント法を用いた別の微細パターンの製造工程図である。 ナノインプリント法を応用して微細な金属製構造体を製造する従来の製造工程図である。 また別の従来の製造工程図である。

符号の説明

１ 基板
２ 型
３ 被加工膜
４ めっき金属
５ 微細金属構造体
６ 絶縁性材料
７ 絶縁性を有する薄膜
８ 支持体

Claims (7)

1. １）基板上の、導電性を持つ高分子膜でつくった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）その被加工膜を電極としてめっきを行って、前記構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部にめっき金属を堆積し、
   ４）その堆積しためっき金属を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. 前記被加工膜として導電性樹脂組成物を使用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. 前記基板として絶縁性のものを使用することを特徴とする、請求項１または２に記載の微細金属構造体の製造方法。
4. 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、その被加工膜を電極としてめっきを行い、前記被加工膜の表裏のめっき金属と前記基板を除去し、前記被加工膜を除去してパターン凹部に堆積しためっき金属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３のいずれか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基板を分離して後、前記構造体パターンを有する被加工膜のパターン凹部を除いて前記被加工膜を絶縁性材料で被覆し、その絶縁性材料をマスクとして前記被加工膜を電極としてめっきを行って、前記パターン凹部にめっき金属を堆積することを特徴とする、請求項４に記載の微細金属構造体の製造方法。
6. 前記被加工膜を前記型の凹凸パターンの高さより厚くすることを特徴とする、請求項１ないし５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。

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