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JP2006341500A - 積層構造体、ドナー基板、および積層構造体の製造方法 - Google Patents

積層構造体、ドナー基板、および積層構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 電鋳によって形成された導電膜の膜厚に差が生じても、積層構造体を精度良く、また、歩留まり良く作製することができる積層構造体、ドナー基板、、および積層構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】 ドナー基板１０Ａは、所定のパターンによる第１の電鋳膜２と、第１の電鋳膜２上に形成された軟質膜の第２の電鋳膜３とにより構成された複数の導電膜パターン１１Ａ〜１１Ｅを有する。ドナー基板１０Ａとターゲット基板との圧接、離間を繰り返すことにより、ドナー基板１０Ａ上の各導電膜パターン１１Ａ〜１１Ｅが順次ターゲット基板上に転写してターゲット基板上に電鋳積層構造体が形成される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電鋳パターンを積層して得られる微小光学部品や微小機械部品や微小流路部品、あるいは、これらを形成する金型などの積層構造体、ドナー基板、および積層構造体の製造方法に関する。
積層造形方法は、コンピュータで設計された複雑な形状の３次元物体を短納期で形成する方法として近年急速に普及している。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る。この方法が適用される部品のサイズは、数ｃｍ以上の比較的大きな部品が多かったが、精密に加工して形成される微小光学部品や微小機械部品などの微小構造体の製造にも、この方法を適用したいという要求がある。
微小構造体の製造方法として、例えば、Ｓｉウェハ基板にポリイミドや熱酸化膜による離型層、及び導電層を順次形成し、この導電層上に断面パターンの反転パターンであるレジストパターン層を形成し、このレジストパターン層の空間内に、メッキにより断面パターン部材を形成し、更にレジストパターン層を除去してドナー基板を作製し、ドナー基板に、ターゲット基板を対向配置し、このターゲット基板を断面パターン部材に位置合わせして圧接した後、離間を行う処理を繰り返して、断面パターン部材をターゲット基板に転写ならびに積層して積層構造体を製造する方法が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−３５８６０２号公報（［００２７］〜［００３５］、図１〜図６）
しかし、従来の積層構造体の製造方法によると、ドナー基板を電鋳プロセスにより作製しようとすると、膜厚プロファイルが悪いという電鋳に固有の問題がある。膜厚プロファイルは、電鋳表面に傾斜が生じる、レジスト近傍の膜厚が厚くなる、電鋳表面がドーム状になる、レジストの間隔に疎密があると膜厚に差異が生じる、等の現象として現れる。このため、積層構造体を精度良く、また歩留まり良く作製することができない。
従って、本発明の目的は、電鋳によって形成された導電膜の膜厚に差が生じても、積層構造体を精度良く、また、歩留まり良く作製することができる積層構造体、ドナー基板、、および積層構造体の製造方法を提供することにある。
本発明の第１の態様は、上記目的を達成するため、所定の硬度を有する第１の導電膜と、前記所定の硬度よりも低い硬度を有する第２の導電膜とを交互に積層してなることを特徴とする積層構造体を提供する。
上記第１の態様によれば、第１の導電膜の膜厚に差が生じても、その上に第２の導電膜を形成することにより、第１および第２の導電膜からなる導電膜パターンの表面が平坦化して導電膜パターンの膜厚が均一化され、膜厚プロファイルを良好にすることができる。
前記第１の導電膜の厚さは、前記第２の導電膜の厚さよりも厚い構成としてもよい。硬度の高い方の第１の導電膜を主体として積層構造体を構成することができ、全体として変形し難いものとすることができる。
前記第２の導電膜は、前記第１の導電膜の膜厚の最大値と最小値の差厚よりも大なる膜厚を有することが好ましい。これにより、第２の導電膜が塑性変形したとき、電膜パターンの表面が平坦化して導電膜パターンの膜厚が均一化される。
前記第１の導電膜の表面粗さは、Ｒａ値で２０ｎｍ以下であることが好ましい。第１の導電膜と第２の導電膜とが強固に密着される。
前記第１の導電膜は、ニッケル、ニッケル合金、銅または銅合金からなり、前記第２の電鋳膜は、金からなるものとしてもよい。
相接する前記第１および第２の導電膜を１つの導電膜パターンとし、前記導電膜パターン間に第３の導電膜を有する構成としてもよい。
本発明の第２の形態は、上記目的を達成するため、基板と、前記基板上に形成された所定の硬度を有する複数の第１の導電膜と、前記複数の第１の導電膜上に形成され、前記所定の硬度よりも低い硬度を有する複数の第２の導電膜とを備えたことを特徴とするドナー基板を提供する。
上記第２の形態によれば、第１の導電膜の膜厚に差が生じても、その上に第２の導電膜を形成することにより、第１および第２の導電膜からなる導電膜パターンの表面が平坦化して導電膜パターンの膜厚が均一化され、膜厚プロファイルを良好にすることができる。
前記基板は、金属からなるものを用いてもよい。金属からなる基板を用いることにより、第１および第２の導電膜を電鋳により形成することができる。
前記基板は、表面粗さがＲａ値で１０ｎｍ以下とするのが好ましい。基板の表面粗さをＲａ値で１０ｎｍ以下とすることにより、離型層を省略することができる。
前記基板は、非金属からなり、前記第１の導電膜と前記基板との間に第３の導電膜を有するものでもよい。
本発明の第３の形態は、上記目的を達成するため、導電性を有する第１の基板を準備する第１の工程と、前記第１の基板上に電鋳により所定の硬度を有する第１の導電膜を形成し、前記第１の導電膜上に電鋳により前記所定の硬度よりも低い硬度を有する第２の導電膜を形成する第２の工程と、前記第１および第２の導電膜を所定のパターンにパターニングして複数の導電膜パターンを形成する第３の工程と、前記第１の基板と前記第２の基板との圧接、離間を繰り返すことにより、前記第１の基板上の前記複数の導電膜パターンを前記第２の基板上に順次転写する第４の工程とを含むことを特徴とする積層構造体の製造方法を提供する。
上記第３の形態によれば、第１の基板上に第１の導電膜の形状と相補関係にあるレジスト膜を形成し、レジスト膜間に第１の導電膜を電鋳により形成した場合、第１の導電膜の表面は、傾斜したり、凹状やドーム状になったり、レジスト膜の間隔に疎密があるために膜厚に差異が生じたりするが、第１の導電膜の表面に第２の導電膜を形成することにより、第２の導電膜が塑性変形しやすいので第４の工程で圧接すると導電膜パターンの膜厚均一性が得られることになる。
前記第１の工程は、前記第１の基板として金属基板を用いてもよい。金属基板上に直接電鋳により第１および第２の導電膜を形成することができる。
前記第１の工程は、前記金属基板の表面を研磨する研磨工程を含む構成としてもよい。
この場合、前記研磨工程は、前記金属基板の表面を研磨によりＲａ値で１０ｎｍ以下にするのが好ましい。金属基板の表面粗さを小さくすることにより、金属基板の表面に離型層を形成しなくても導電膜パターンを第１の基板から第２の基板側へ転写することができる。
前記第４の工程は、前記第１の基板と前記第２の基板とを圧接する際、前記導電膜パターンに生じる応力が、前記第２の導電膜の降伏応力以上で、かつ前記第１の導電膜の降伏応力以下となるようにしてもよい。第１の基板と第２の基板とを圧接したとき、第２の導電膜が塑性変形し、導電膜パターンの均一な膜厚が得られる。
前記第１の工程は、前記第１の基板として非金属基板上に第３の導電膜を形成したものを用いてもよい。非金属基板上に形成した第３の導電膜により第１および第２の導電膜を電鋳により形成することができる。
本発明によれば、電鋳によって形成された導電膜の膜厚に差が生じても、積層構造体を精度良く、また、歩留まり良く作製することができる。
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係る電鋳積層構造体の製造方法をドナー基板の作製と導電膜パターンの転写に分けて説明する。
（１）ドナー基板の作製
図１（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態に係るドナー基板の作製工程を示す。まず、ステンレス等の鉄系の金属、または銅等の非鉄系の金属からなる第１の基板としての金属基板１を用意する。金属基板１の板厚は、０．１〜５ｍｍ、望ましくは０．５〜１ｍｍのものを用いる。
次に、金属基板１の表面１ａを鏡面研磨する。この研磨は、電解研磨、遊離砥粒による機械研磨等を用いて、粗研磨から仕上げ研磨までを複数のステップで行う。最終的に、表面粗さ（算術平均粗さＲａ）を１０ｎｍ以下にするが、望ましくは５ｎｍ以下にする。表面粗さが小さいほど、パターン形成後の密着力が低くなり、後の接合転写の歩留まりが向上するからである。しかし、小さすぎると、電鋳の成長中や成長後の洗浄、レジスト剥離工程で、予期せぬ膜の脱離が発生することがある。従って、表面粗さは、３〜５ｎｍ程度が望ましい。
表面粗さの計測は、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ：Atomic Force Microscope）、白色干渉計、触針式表面プロファイラ等を使用することができる。
次に、図１（ａ）に示すように、金属基板１の鏡面研磨された表面１ａに、例えば３０μｍの厚みに厚膜レジストを塗布してレジスト膜４を形成する。
次に、図１（ｂ）に示すように、所定のパターンを有するフォトマスク５をレジスト膜４上に設置する。次に、図１（ｃ）に示すように、図示しない露光手段によりフォトマスク５の開口部を通してレジスト膜４を露光する。これにより、目的の構造体の断面パターンに対応してポジネガ反転によるレジストパターンが形成される。
次に、図１（ｃ）に示す状態の金属基板１をめっき浴に浸し、図１（ｄ）に示すように、電解めっきにより、ニッケルによる第１の導電膜としての第１の電鋳膜２を、例えば２５μｍの厚みに成長させる。このとき、断面パターンの場所や形状によって、膜厚に２４〜２６μｍ程度のばらつきを生じることがある。例えば、図１（ｄ）に示すように、傾斜が生じた電鋳表面２ａ、レジスト膜４の近傍の膜厚が厚くなって凹状となった電鋳表面２ｂ、ドーム状になった電鋳表面２ｃ、レジスト膜４の間隔に疎密があるために膜厚に差異が生じた電鋳表面２ｄ、２ｅなどが現れる。なお、第１の電鋳膜２のニッケルに代えて、ニッケル合金、銅、銅合金等を用いることもできる。
次に、図１（ｅ）に示すように、別のめっき浴に移して電解めっきを行ったり、スパッタリングや抵抗加熱蒸着法などの真空蒸着法により、金等の軟質膜による第２の導電膜としての第２の電鋳膜３を成長させる。第２の電鋳膜３は、第１の電鋳膜２よりも硬度が低く、薄い膜厚を有する。電鋳膜２を電解めっきにより形成する場合は、レジスト膜の高さを超えない範囲で行う。また真空蒸着法により形成する場合は、この第２の電鋳膜３は、第１の電鋳膜２の表面だけでなく、レジスト膜４の表面にも形成してもよい。レジスト膜４上の第２の電鋳膜３は、レジスト膜４を剥離したとき、レジスト膜４と共に除去されるので金属基板１側に残留することはない。
第２の電鋳膜３の膜厚は、第１の電鋳膜２の膜厚分布を考慮して決定される。すなわち、第１の電鋳膜２の膜厚の最大値と最小値の差Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３よりも第２の電鋳膜３の膜厚が大きくなるようにする。例えば、Δｔ１、Δｔ２、Δｔ３のうちΔｔ１が最も大きい値のときはΔｔ１よりも第２の電鋳膜３の膜厚を厚くする。本実施の形態では、第２の電鋳膜３は、２μｍに成膜している。
次に、レジスト膜４を剥離液で除去することにより、図１（ｆ）に示すように、第１の電鋳膜２と第２の電鋳膜３からなる複数の導電膜パターン１１Ａ〜１１Ｅを有したドナー基板１０Ａが完成する。
（２）導電膜パターンの転写
図２（ａ）〜（ｆ）は、導電膜パターンの転写工程を示す。この電鋳積層構造体は、図１の方法により作製したドナー基板１０Ａ上の５つの導電膜パターン１１Ａ〜１１Ｅを第２の基板としてのターゲット基板２０の表面に順次転写して、積層することにより作製される。
まず、下部ステージ及び上部ステージ(いずれも図示せず)を内蔵している真空槽（図示せず）の上部ステージにターゲット基板２０をセットし、下部ステージ上にドナー基板１０Ａをセットする。ここで、ドナー基板１０Ａ及びターゲット基板２０の表面にＦＡＢ(Fast Atom Beam)等を照射し、両者の表面を清浄化する。
次に、真空槽内を排気し、高真空状態あるいは超真空状態にする。この状態を維持したまま、下部ステージと上部ステージを相対的に移動させ、図２（ａ）に示すように、ターゲット基板２０をドナー基板１０Ａの１層目の導電膜パターン１１Ａ上に位置させる。この状態のまま、上部ステージを降下させると、図２（ｂ）に示すように、ターゲット基板２０の下面が導電膜パターン１１Ａの上面に接触する。このとき、上部ステージは、所定の荷重を所定の時間にわたって下方に付与している。
上部ステージによる荷重（圧接応力）は、第２の電鋳膜２の降伏応力以上、第１の電鋳膜３の降伏応力以下にする。これにより、図１（ｆ）に示すように、第１の電鋳膜２の上面が平坦でない場合でも、軟らかい第２の電鋳膜３が押圧されて第２の電鋳膜３の表面は金属基板１に平行になると共に、ターゲット基板２０の下面に常温接合される。
次に、上部ステージを上昇させると、図２（ｃ）に示すように、１層目の導電膜パターン１１Ａは金属基板１から剥離し、ターゲット基板２０に転写する。このとき、金属基板１の表面１ａは、鏡面研磨されているので、導電膜パターン１１Ａは容易に金属基板１から剥離する。
次に、上部ステージを２層目の導電膜パターン１１Ｂの上方へ相対的に移動させ、図２（ｄ）に示すように、ターゲット基板２０上の導電膜パターン１１Ａと導電膜パターン１１Ｂを対向させる。この状態のまま、上部ステージを下降させると、図２（ｅ）に示すように、導電膜パターン１１Ａが導電膜パターン１１Ｂに接触する。この状態で、図２（ｂ）の工程と同様に、所定の荷重を導電膜パターン１１Ｂに所定の時間付与する。
次に、上部ステージを上昇させると、図２（ｆ）に示すように、２層目の導電膜パターン１１Ｂは金属基板１から剥離し、１層目の導電膜パターン１１Ａの下面に転写し、１層目の導電膜パターン１１Ａと２層目の導電膜パターン１１Ｂが積層される。以後、同様にして３層目以降の導電膜パターン１１Ｃ〜１１Ｅを２層目の導電膜パターン１１Ｂ側に転写して積層することにより、ターゲット基板２０上に電鋳積層構造体が形成される。
図３は、そのターゲット基板２０上に形成された電鋳積層構造体を示す。この後、ターゲット基板２０上に転写された電鋳積層構造体３０Ａを上部ステージから取り外し、ターゲット基板２０を除去すると、電鋳積層構造体３０Ａが得られる。
（第１の実施の形態の効果）
この第１の実施の形態によれば、下記の効果を奏する。
（イ）導電膜パターン１１は、構造体を主に形成する硬度の高いニッケルによる第１の電鋳膜２と、第１の電鋳膜２よりも硬度の低い金による第２の電鋳膜３とによる２層構造であるため、第１の電鋳膜２の膜厚に差が生じても、積層構造体を精度良く、また、歩留まり良く作製することができる。
（ロ）転写時の上部ステージおよび下部ステージにより導電膜パターン１１に発生する圧接応力は、第２の金属膜３の降伏応力以上で、かつ第１の金属膜２の降伏応力以下にすることにより、導電膜パターン１１の膜厚が均一化され、高精度な電鋳積層相構造体を得ることができる。
（ハ）金属基板１の表面粗さをＲａ値で１０ｎｍ以下とすることにより、金属基板１から導電膜パターン１１を容易に剥離し、ターゲット基板２０へ転写することができる。
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態に係る電鋳積層構造体の製造方法をドナー基板の作製と導電膜パターンの転写に分けて説明する。
（１）ドナー基板の作製
図４（ａ）〜（ｆ）は、第２の実施の形態に係るドナー基板の作製工程を示す。まず、図４（ａ）に示すように、Ｓiウェハ基板１０１上に、離型層１０２を形成し、この上に導電層１０３を形成し、その上に、例えば３０μｍの厚みに厚膜レジストを塗布してレジスト膜４を形成する。
次に、図４（ｂ）に示すように、所定のパターンを有するフォトマスク５をレジスト膜４上に設置する。次に、図４（ｃ）に示すように、図示しない露光手段によりフォトマスク５の開口部を通してレジスト膜４を露光する。これにより、目的の構造体の断面パターンに対応してポジネガ反転によるレジストパターンが形成される。
次に、図４（ｃ）に示す状態のＳiウェハ基板１０１をめっき浴に浸し、図４（ｄ）に示すように、電解めっきにより、ニッケルによる第１の電鋳膜２を、例えば２５μｍの厚みに成長させる。このとき、断面パターンの場所や形状によって、膜厚に２４〜２６μｍ程度のばらつきを生じることがある。例えば、図４（ｄ）に示すように、傾斜が生じた電鋳表面２ａ、レジスト膜４の近傍の膜厚が厚くなって凹状となった電鋳表面２ｂ、ドーム状になった電鋳表面２ｃ、レジスト膜４の間隔に疎密があるために膜厚に差異が生じた電鋳表面２ｄ、２ｅなどが現れる。なお、第１の電鋳膜２のニッケルに代えて、ニッケル合金、銅、銅合金等を用いることもできる。
次に、図４（ｅ）に示すように、スパッタリングや抵抗加熱蒸着法などの真空蒸着法により、第１の実施の形態と同様に金による第２の電鋳膜３を成長させる。
次に、レジスト膜４を剥離液で除去し、第１および第２の電鋳膜２，３をマスクにして導電層１０３をエッチングする。これにより、図４（ｆ）に示すように、第１の電鋳膜２、第２の電鋳膜３および導電層１０３からなる複数の導電膜パターン１１０Ａ〜１１０Ｅを有したドナー基板１０Ｂが完成する。
（２）導電膜パターンの転写
次に、第１の実施の形態と同様に、ドナー基板１０Ｂ上の５つの導電膜パターン１１０Ａ〜１１０Ｅをターゲット基板２０の表面に順次転写して、積層することにより電鋳積層構造体が作製される。
図５は、そのターゲット基板２０上に形成された電鋳積層構造体を示す。この後、ターゲット基板２０上に転写された電鋳積層構造体３０Ｂを上部ステージから取り外し、ターゲット基板２０を除去すると、電鋳積層構造体３０Ｂが得られる。
（第２の実施の形態の効果）
この第２の実施の形態によれば、導電膜パターン１１０は、構造体を主に形成する硬度の高いニッケルによる第１の電鋳膜２と、第１の電鋳膜２よりも硬度の低い金による第２の電鋳膜３と、導電層１０３とからなる３層構造であるため、第１の電鋳膜２の膜厚に差が生じても、積層構造体を精度良く、また、歩留まり良く作製することができる。
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、本発明の要旨を逸脱あるいは変更しない範囲内で種々な変形が可能である。
（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係るドナー基板の作製工程を示す断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係る導電膜パターンの積層工程を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係る電鋳積層構造体の断面図である。 （ａ）〜（ｆ）は、本発明の第２の実施の形態に係るドナー基板の作製工程を示す断面図である。 本発明の第２の実施の形態に係る電鋳積層構造体の断面図である。
符号の説明
１ 金属基板
２ 第１の電鋳膜
２ａ〜２ｅ 電鋳表面
３ 第２の電鋳膜
４ レジスト膜
５ フォトマスク
１０Ａ，１０Ｂ ドナー基板
１１Ａ〜１１Ｅ 導電膜パターン
２０ ターゲット基板
３０Ａ，３０Ｂ 電鋳積層構造体
１０１ Ｓｉウェア基板
１０２ 離型層
１０３ 導電層
１１０Ａ〜１１０Ｅ 導電膜パターン

Claims (16)

  1. 所定の硬度を有する第１の導電膜と、前記所定の硬度よりも低い硬度を有する第２の導電膜とを交互に積層してなることを特徴とする積層構造体。
  2. 前記第１の導電膜の厚さは、前記第２の導電膜の厚さよりも厚いことを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
  3. 前記第２の導電膜は、前記第１の導電膜の膜厚の最大値と最小値の差厚よりも大なる膜厚を有することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
  4. 前記第１の導電膜の表面粗さは、Ｒａ値で２０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
  5. 前記第１の導電膜は、ニッケル、ニッケル合金、銅または銅合金からなり、
    前記第２の電鋳膜は、金からなることを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
  6. 相接する前記第１および第２の導電膜を１つの導電膜パターンとし、前記導電膜パターン間に第３の導電膜を有することを特徴とする請求項１に記載の積層構造体。
  7. 基板と、
    前記基板上に形成された所定の硬度を有する複数の第１の導電膜と、
    前記複数の第１の導電膜上に形成され、前記所定の硬度よりも低い硬度を有する複数の第２の導電膜とを備えたことを特徴とするドナー基板。
  8. 前記基板は、金属からなることを特徴とする請求項７に記載のドナー基板。
  9. 前記基板は、表面粗さがＲａ値で１０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項８に記載のドナー基板。
  10. 前記基板は、非金属からなり、
    前記第１の導電膜と前記基板との間に第３の導電膜を有することを特徴とする請求項７に記載のドナー基板。
  11. 導電性を有する第１の基板を準備する第１の工程と、
    前記第１の基板上に電鋳により所定の硬度を有する第１の導電膜を形成し、前記第１の導電膜上に電鋳により前記所定の硬度よりも低い硬度を有する第２の導電膜を形成する第２の工程と、
    前記第１および第２の導電膜を所定のパターンにパターニングして複数の導電膜パターンを形成する第３の工程と、
    前記第１の基板と前記第２の基板との圧接、離間を繰り返すことにより、前記第１の基板上の前記複数の導電膜パターンを前記第２の基板上に順次転写する第４の工程とを含むことを特徴とする積層構造体の製造方法。
  12. 前記第１の工程は、前記第１の基板として金属基板を用いることを特徴とする請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
  13. 前記第１の工程は、前記金属基板の表面を研磨する研磨工程を含むことを特徴とする請求項１２に記載の積層構造体の製造方法。
  14. 前記研磨工程は、前記金属基板の表面を研磨によりＲａ値で１０ｎｍ以下にすることを特徴とする請求項１３に記載の積層構造体の製造方法。
  15. 前記第４の工程は、前記第１の基板と前記第２の基板とを圧接する際、前記導電膜パターンに生じる応力が、前記第２の導電膜の降伏応力以上で、かつ前記第１の導電膜の降伏応力以下であることを特徴とする請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
  16. 前記第１の工程は、前記第１の基板として非金属基板上に第３の導電膜を形成したものを用いることを特徴とする請求項１１に記載の積層構造体の製造方法。
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