マイクロ・ナノ加工｜MEMSファインプロセッシング

1.6 犠牲層技術

犠牲層技術は、分離層技術とも呼ばれる。犠牲層技術では、化学気相成長法によりシリコン基板上に微細部品を形成し、その周囲の空隙に分離層を付加し、最後に溶解またはエッチングにより分離層を除去して微細部品を基板から分離します。

1.7 エピタキシ

エピタキシャル成長は、基板と同じ結晶方位を保つことができるため、エピタキシャル層に様々な横方向、縦方向のドーピング分布やエッチング処理を施すことができ、様々な構造を作り出すことができるという特徴があり、微細加工において最も重要なツールの一つです。

1.8 LIGAと準LIGA技術

(1) LIGAテクノロジー

LIGA技術は、カールスルーエのドイツ核物理研究センターが最初に開発したもので、新しい三次元微細加工技術として認知されている。最も重要なステップは高精度のマスクの製作であり、波長0.2～0.6nmの電子磁気加速器で発生させ、エネルギー密度と平行度の高い光線を生成する放射光源を用いたリソグラフィーである。

X線リソグラフィーは、X線が深く透過するため、高さ1mm、周辺寸法がミクロン、サブミクロンのマイクロマシンを作ることができます。

カンチレバーを用いた構造体を作製するために、犠牲層LIGA技術が開発されました。犠牲層LIGA技術は、マイクロドライバーやマイクロセンサーの製造、カンチレバーを持つ微細構造の製造、マイクロエレクトロニクス回路の接続に重要なマイクロメカニカル手法である。

LIGA技術の限界は、放射光X線源を使用する必要があること、処理時間が長いこと、プロセスが複雑であること、コストが高いこと、曲面を持つ微細構造の作成が困難であることです。

(2) 準LIGA技術

LIGA技術は、加工できる材料の幅が広く、精度が高いという独自の利点がありますが、一方で、上記のような欠点もあります。LIG-を克服するために

シリコン擬似LIGA技術、UVディープリソグラフィー、UVステレオリソグラフィー、レーザーLIGA技術など、擬似LIGA技術に関するプロセス技術の欠陥、国際的な研究。

シリコンの準LIGA技術。シンクロトロンX線ディープリソグラフィーの代わりにディープエッチングプロセスを行い、その後、マイクロエレクトロフォーミングと

マイクロコピープロセスでは、高価なシンクロトロン光源や特殊なLIGAマスクプレートは必要ありません。高アスペクト比のプラスチックやシリコンをエッチングする誘導結合プラズマ（ICD：inducively coupled plasma）エッチング装置、シリコンウェハーや金属モールドから直接マイクロエレクトリックキャスト、そしてマイクロコピー工程を行うことで、マイクロメカニカルデバイスの大量生産が可能となる。この技術により、非シリコン材料で高アスペクト比の微細構造を作製することができ、マイクロエレクトロニクス技術との親和性が向上します。本システムは、主なエッチングガスとしてSF6を使用し、後処理工程を必要としないことが特徴である。この高アスペクト比エッチング技術は、シリコンマイクロメカニクスの応用において大きな前進であり、これまでLIGA技術でしか実現できなかった高アスペクト比のモールド構造の製造を可能にします。

レーザーLIGA技術。X線リソグラフィーの代わりに193nmのエキシマレーザーを用いて、PMMAフォトレジストを直接アブレーションする技術です。エキシマレーザーは作動ガスを定期的に交換する必要があるため、ガスの消費量が多く、頻繁にメンテナンスを行う必要があり、生産工程にも影響を及ぼす可能性があります。YAG固体レーザーは、KTP結晶とBBO結晶を通して4倍周波数の遠紫外レーザーを製造することができ、エキシマレーザーの上記の欠点を回避し、長期間の運転が可能で、より安定した信頼できるリソグラフィー品質を持つことができます。

1.9 特殊な微細加工技術

(1) マイクロEDM

マイクロ放電加工機の原理は、通常の放電加工機と基本的に変わりません。マイクロ放電加工のポイントは、マイクロ軸（工具電極）の製作、マイクロエネルギー放電電源、工具電極のマイクロサーボ送り、加工状態の検出、システム制御、加工プロセスである。微細電極の製造は極めて困難または不可能であるため、従来の放電加工法による微細3次元輪郭加工は実用的ではなく、CNCフライスによる微細3次元輪郭加工の放電加工に単純な形状の電極を使用することが検討され始めています。マイクロ放電加工技術の応用により、直径2.5μmのマイクロシャフトや直径5μmのマイクロホールが加工できるようになり、長さ0.5mm、幅0.2mm、深さ0.2mmのマイクロカーモールドが作成できるようになった。また、直径0.3mm、モジュール0.1mmのマイクロギアも製造可能です。

(2) 微細電解加工

電解加工は、金属アノードの電気化学的溶解の原理を利用して、イオン溶解の形で材料を除去する製造技術であり、電解加工による微細加工を可能にする。電解加工の精度を制限する大きな要因として、大きな加工間隙が必要であることが挙げられますが、加工間隙を大幅に縮小することができれば、加工精度が大幅に向上し、電解加工を用いた微細加工の可能性が高まると考えられます。加工電圧と電解液濃度を下げることで、加工ギャップを10μm以下に制御することに成功した。マイクロフィードと金属マイクロチューブ電極を用いることで、0.2mmのニッケルのプレートに0.17mmの小穴を加工した。

電解加工は、微細な軸部品の仕上げにも使われています。極細線電極の放電加工と同様に、移動する金属線を陰極として、陽極軸と陰極線の間に電解液を噴射し、軸表面に電気化学的な微小腐食を生じさせる。この方法は、直径数十ミクロンの小径シャフトの研磨において、良好な加工結果を得ている。

電解微細加工は、シリコン微細加工やLIGA技術で実現できる極小サイズに比べ、そのサイズ範囲は非常に広い。

(3) 超微細な超音波処理

結晶シリコン、光学ガラス、エンジニアリングセラミックスなど、硬くて脆い材料がマイクロメカニクスに広く用いられるようになり、硬くて脆い材料の高精度な3次元微細加工が重要な研究課題となっています。現在、硬脆材料の加工には、リソグラフィー、放電加工、電解加工、レーザー加工、超音波加工が主に用いられている。放電加工、電解加工、レーザー加工と比較して、超音波加工は材料の電気伝導率に依存せず、熱物理的な影響はありません。リソグラフィーと比較して、セラミックス、半導体シリコン、その他の非金属の硬脆材料の処理で超音波加工を決定する3次元構造の幅比に高い深さを処理できる利点を持っている

勢いです。

マイクロ超音波は、加工サイズが小さいことを除けば、従来の超音波と同じ原理と特性を持っています。従来の超音波診断に必要な振幅は一般に0.01～0.1mmであり、圧電や磁歪の変形は0.005～0.01mmと非常に小さいため、太い上部振幅棒と細い下部振幅棒で振幅を拡張する必要があった。微細な超音波の場合、圧電や磁歪の振幅はすでに微細加工で十分なので、振幅棒は必要ない。

超音波微細加工技術により、エンジニアリングセラミックス材料にワークの振動を利用して最小径5μmの微細穴を加工しました。

(4) レーザーによる微細加工

レーザー成形は、従来の特殊加工とは異なり、材料を削るのではなく、材料を加えるものである。加工する材料や仕組みによって、レーザー成形は光硬化成形、選択的レーザー焼結成形、積層造形などさまざまなタイプに分けられる。

光硬化成形は、液状の感光性樹脂をベースに、遠紫外線光源を集光して液状樹脂の表面に照射し、露光部を硬化させる。光硬化により、10μmから1mm程度の微細構造を得ることができる。バッチ生産の問題を解決するために、精密な光ファイバーアレイを使用して、一度に多数の微細構造を製造することができます。

(i)深さ精度は積層された層の厚みに制限される、(ii)寸法効果（液体感光性樹脂の粘性、表面張力）の影響、(iii)微細構造変形の影響、など。

にとってこれらの影響を排除するために、レーザー成形という新しい方法が登場しました。

集光したレーザービームを樹脂浴中で3次元的に走査し、焦点位置で露光閾値を超えたときのみ樹脂を硬化させることで、自由に動かせる微細構造体を作ることができる。この手法の利点は

(1)レーザー集光点の大きさで深さと周辺精度が決まり、3次元で1μm以上の高精度を実現(2)支持部品やマスクが不要(3)液体感光樹脂タンク内に可動部がないため、樹脂粘度や表面張力の影響を排除できる。

(5) 精密電鋳

穴の電鋳は、切削加工とは異なり、穴の芯を作り、その周りに電鋳金属を成長させ、最後に芯を抜いたり溶かしたりする方法である。極めて微細な穴や、高い内面粗さが要求されるワーク、特殊な断面形状のワークなど、従来の除去加工では実現できない場面では、電鋳を利用することができる。

芯材には主にアルミニウム合金が使われ、水酸化ナトリウムの水溶液で溶けますが、ニッケルは損傷しないので安心して加工できます。ただし、ニッケルの表面を腐食させず、真鍮を速やかに溶解する適切な液体を使用した場合に限ります。

穴の形状がどうであれ、その寸法精度や表面粗さは芯の品質で決まるので、どんなに微細な穴でも、芯を作るための加工方法が決まっていれば、電鋳法で加工することができるのですね。