LIGA/UV-LIGAメッキ｜金属微細構造/RFデバイス/慣性センサー/放熱微細構造アプリケーション

マイクロシステム（欧州用語）、MEMS（Micro Electro Mechanical System、米国用語）、マイクロマシン（日本用語）インテリジェントマイクロシステム実現のための5大要素の一つとして、MEMSは狭義のマイクロシステム技術とされ、本来はマイクロエレクトロニクス、情報学、光学、音響、化学、流体力学、自動制御、材料科学などの分野が交差する、単一または複数のアプリケーションのための総合フロンティア技術であると考えられています、MEMS技術は、情報学、光学、音響、化学、流体力学、自動制御、材料科学などの学際的な交差点であり、MEMS技術によって準備されたデバイスは、小型化、集積化、高安定性、大量生産され、情報、生物、自動車、軍事などの分野で幅広い応用が期待されているため、国が技術的リーダーシップを保つことに大きな意義がある。

MEMS技術における金属微細構造デバイスの加工要求と難易度が高まる中、電気めっきはMEMSデバイスの実現に不可欠なプロセスとなっている。めっき工程は、もはや表面保護層の塗布にとどまらず、微小面積めっきによってMEMSに必要な特定の金属機械微細構造、機能微細構造、相互接続微細構造、熱微細構造を作製することが求められています。このプロセスは、シード層の準備、リソグラフィー、エッチング、研削・研磨、レーザートリミング、多層積層など、ウェハベースの補助的なプロセス工程を必要とするため、比較的複雑なものとなっています。

LIGAとは、ドイツ語で「Lithography, Electroforming and Injection Moulding」の頭文字をとったもので、電鋳構造に基づく最初のMEMS加工技術の一つである。フォトリソグラフィーでは、導電性基板上に厚いフォトレジストを塗布する必要があり、一般的にはX線照射後に現像液で溶解する化学的性質を持つメタクリル酸メチル（PMMA）を使用する。LIGAメッキプロセスでは、微細構造の変形を引き起こさないよう、蒸着された金属に最小限の応力を与え、型開き工程で付着して微細構造に損傷を与えないことが要求されます。メッキされた金属微細構造モデルはコアと呼ばれ、フィルムレプリケーションプロセスは、コアからマイクロデバイスを量産するために使用されます。LIGAは、非常に高い平行度とX線の強度により、他の微細加工技術では不可能な、最大500のアスペクト比、数百ミクロンからミリメートルの厚さ、滑らかな側壁、サブミクロン単位の平行度偏差のある3次元構造体を作ることができる。また、LIGA技術と複数のマスクソケット、マスクの直線移動、基板の傾斜、裏面傾斜リソグラフィーを組み合わせることで、積層、面取り、曲面などの構造的特徴を持つ微小な3次元部品の作製が可能です。

LIGAプロセスは、非常に高価なX線光源と複雑なマスクの製造が必要なため、非常に高価であり、産業界への普及は限定的でした。そこで、低コストなリソグラフィー光源とマスクを用いて、LIGA技術に匹敵する製造性能を持つ、準LIGA技術またはLIGA類似技術と呼ばれる新しい製造プロセスが出現しました。中でも、紫外線光源を用いてフォトレジストを露光するUV-LIGAは、コストや工程が比較的シンプルで、感光性接着剤としてPMMAポジ接着剤の代わりにSU-8ネガ接着剤を用いるのが主流である。露光時間を短縮し、処理効率を高めることができる、最も一般的なMEMSプロセスの一つです。厚さ0.5mm以上、奥行きと幅の比が20:1以上、急峻で直線的な側壁と平坦な表面を持つ、最も一般的なMEMSプロセスの1つです。

UV-LIGA法は、比較的アスペクト比の高い金属微細構造、および高アスペクト比の歯車、支持体、マイクロチューブなどの単純構造を対象としている。UV-LIGAプロセスで知られている最大アスペクト比は、現在190：1以上と報告されており、これは米国ルイジアナ大学のCargille屈折率整合溶液を用いたSU-8リソグラフィギャップ補償法によって得られたものである。

慣性センサは、MEMS技術の代表的なアプリケーションの大きなカテゴリです。 MEMS慣性センサは主にMEMSジャイロスコープ、MEMS加速度センサ、慣性スイッチなどの代表的な製品を含み、統合、低消費電力、低コストのMEMS慣性センサ主に民間消費者のニーズを満たすために、高性能、MEMSセンサの環境での特殊用途は主に軍事分野で使用されています。ボディプロセスや表面微細加工を用いた慣性センサーの製造には、リソグラフィー装置のほか、DRIE、アノードボンディング、蒸着などの高価な装置がよく使われる。メッキ技術で実現するMEMS慣性センサーは、主にUVリソグラフィーと電鋳装置を使用し、UV-LIGA技術でジャイロスコープ、加速度センサー、慣性スイッチなどを作成することができる。

電気めっきプロセスは、MEMS RFデバイス、特に銅めっきや金めっきなどの高導電性金属を主構造とするデバイスの作成において、固有の技術的優位性を持っています。

MEMSデバイスで構成されるマイクロシステムは、高度に集積化、微細化、高性能化されていますが、同時にその構造からシステムの熱性能に高い要求があり、特にGaNなどの第3世代半導体材料が徐々に適用され、高表面熱流束、高嵩熱流束密度、熱積層に反映して、システムの熱密度と放熱困難が劇的に増加する結果となりました。デバイスの寿命を延ばすためには、システム稼働時のデバイスの温度を下げることが有効です。電解メッキ技術により、熱伝導性の高い金属銅をチャネル本体構造や補助構造として成膜し、独自の小型ヒートシンク構造を形成することができます。

電解メッキプロセスには、他の微細加工技術にはない典型的な利点がある。第一に、電気メッキは典型的な付加加工法であり、多層積層と同様の付加モードで使用できるため、3次元デバイス構造の形成が容易で、複雑な金属マイクロデバイスの作成に適している。 第二に、電気メッキは、特に銅やニッケルメッキに基づくデバイス応用において高価な真空環境装置が不要で、低コストでバッチ処理可能な方法であり、大きな可能性を秘めている。