JP3972587B2 - Manufacturing method of fine structure - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ミクロンあるいはサブミクロンのマイクロ光学素子を備えた光スイッチングデバイス等のマイクロマシンを製造するのに適した微細構造体の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
プロジェクタなどの画像表示装置のライトバルブとして光をオンオフ制御できる画像表示デバイスとしては、液晶を用いたものが知られている。しかしながら、この液晶を用いた画像表示デバイスは、高速応答特性が悪く、たかだか数ミリ秒程度の応答速度でしか動作しない。このため、高速応答を要求されるような高解像度の画像を表示する装置、さらには、光通信、光演算、ホログラムメモリー等の光記録装置、光プリンターを、液晶を用いたスイッチングデバイスで実現するのは難しい。
【0003】
そこで、上記のような用途に対応できる高速動作可能なスイッチングデバイスあるいは画像表示デバイスが求められており、ミクロンオーダあるいはさらに小さなサブミクロンオーダの微細構造(マイクロストラクチャ)を備えたスイッチングデバイスの開発が鋭意進められている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
その1つが本願出願人が出願中の、光を全反射して伝達可能な導光部の全反射面に対しスイッチング部の抽出面を接触させてエバネセント光を抽出し、光学素子の1波長程度あるいはそれ以下の微小な動きによって、高速で光を変調制御可能な光スイッチングデバイスである。
【0005】
図1に、エバネセント光によるスイッチングを行う画像表示デバイス(光スイッチングデバイス)を用いた画像表示装置の一例としてプロジェクタ180の概略を示してある。このプロジェクタ180は、白色光源181と、この白色光源181からの光を3原色に分解して画像表示ユニット(光スイッチングユニット)55の導光板(光ガイド)1に入射させる回転色フィルタ182と、各色の光を変調して出射する画像表示ユニット55と、出射された光185を投映する投写用レンズ186とを備えている。そして、各色毎の変調された光185がスクリーン189に投写され、時間的に混色されることにより多諧調のマルチカラーの画像が出力される。プロジェクタ180は、さらに、画像表示ユニット55および回転色フィルタ182を制御してカラー画像を表示する制御回路184を備えている。画像表示ユニット55は、光ガイド1と以下に詳述する画像表示デバイス(光スイッチングデバイス)50とにより構成されており、この制御回路184からカラー画像を表示するためのデータφなどは画像表示デバイス50に供給される。
【0006】
このように、図1に示したプロジェクタ180は、光を全反射しながら伝達する光ガイド1に投影用の光を供給する光源181と共に光ガイド1から出射された光を投写するレンズ185を備えた光を入出力する手段と、光ガイド1に供給された投映用の光を変調する画像表示デバイス50とを備えており、画像表示デバイス50により光ガイド1から漏出するエバネセント光を制御して画像が表示される。
【0007】
図2に、エバネセント波(エバネセント光)を利用して光を変調する画像表示デバイス(エバネセント光スイッチングデバイス)50の概要を示してある。画像表示デバイス50は複数の光スイッチング素子(光スイッチング機構)10が2次元に配列されたスイッチングデバイスであり、個々の光スイッチング素子10は、単体では導入された光2を全反射して伝達可能な導光板(光ガイド)1に接近および離反して光を変調可能な光学素子(スイッチング部)3と、この光学素子3を駆動するアクチュエータ6とを備えている。そして、光学素子3の層およびアクチュエータ6の層が、アクチュエータ6を駆動する駆動回路およびデジタル記憶回路(記憶ユニット)が作りこまれた半導体基板20の上に積層され、1つの画像表示デバイス50として集積化されている。
【0008】
図2を参照してエバネセント光を利用した本例の画像表示デバイス50についてさらに詳しく説明しておく。個々の光スイッチング素子10をベースに説明すると、図2の左側に示した光スイッチング素子10aはオン状態であり、右側に示した光スイッチング素子10bがオフ状態である。光学素子3は、導波路としての機能を果たす導光板1の面(全反射面)1aに密着する面(接触面または抽出面)3aと、この面3aが全反射面1aに密着したときに漏れ出たエバネセント波を抽出するV字型のプリズム(マイクロプリズム4)と、このプリズム4の底面で導光板1に対しほほ垂直な方向に反射するための反射膜46と、V字型のプリズム4を支持するサポート構造5とを備えている。
【0009】
このアクチュエータ6は、光学素子3を静電駆動するタイプであり、そのために、光学素子3のサポート構造5と機械的に連結されて光学素子3と共に動く上電極(第1の電極)7と、この上電極7と対峙した位置で半導体基板20に固定された下電極(第2の電極)8を備えている。さらに、上電極7はアンカープレート9から上方に伸びた支柱11により支持されている。
【0010】
図2に示したように、導光板1には光源から照明光2が全反射面1aで全反射する角度で供給されており、その内部の全ての界面、すなわち、光学素子部(光スイッチング部)3に面した側1aと、上方の面(出射面)において光が繰り返し全反射し、導光板1の内部が光線で満たされる。したがって、この状態で巨視的には照明光2は導光板1の内部に閉じ込められ、その中を損失なく伝播している。一方、微視的には、導光板1の全反射している面1aの付近では、導光板1から光の波長程度のごく僅かな距離だけ、照明光2が一度漏出し、進路を変えて再び導光板1の内部に戻るという現象が起きている。このように面1aから漏出した光を一般にエバネッセント波と呼ぶ。このエバネッセント波は、全反射面1aに光の波長程度またはそれ以下の距離で他の光学部材を接近させることにより取り出すことができる。本例の光スイッチング素子10は、この現象を利用して導光板1を伝達する光を高速で変調、すなわち、スイッチング(オンオフ)することを目的としてデザインされている。
【0011】
たとえば、図2の光スイッチング素子10aでは、光学素子3が導光板1の全反射面1aに接触した第1の位置にあるので、光学素子3の面3aによりエバネセント波を抽出することができる。このため、光学素子3のマイクロプリズム4で抽出した光2は反射膜46で角度が変えられて出射光2aとなる。そして、この出射光2aが図1に示すプロジェクタ180の投映用の光185として利用される。一方、光スイッチング素子10bでは、電極7および8の間に働く静電力により光学素子3が導光板1から離れた第2の位置に動かされる。したがって、光学素子3によってエバネセント波は抽出されず、光2は導光板1の内部から出ない。
【0012】
エバネセント波を用いた光スイッチング素子は単独でも光をスイッチングできる装置として機能するが、図2に示したように、これらを1次元あるいは2次元方向、さらには3次元に並べて配置することができる構成になっている。特に、2次元にマトリクスあるいはアレイ状に並べて配置することにより、液晶あるいはDMDと同様に平面的な画像を表示可能な映像デバイスあるいは画像表示ユニット55を提供することができる。そして、エバネセント光を用いた画像表示デバイス50では、スイッチング部である光学素子3の移動距離がサブミクロンオーダとなるので、液晶より1桁あるいはそれ以上応答速度の速い光変調装置として利用でき、これを用いた高速動作が可能なプロジェクタ180あるいは直視型の画像表示装置を提供することが可能となる。さらに、エバネセント光を用いた光スイッチング素子10は、サブミクロンオーダの動きで光をほぼ100パーセントオンオフすることが可能であり、非常にコントラストの高い画像を表現することができる。このため、時間的な分解能を高くすることが容易であり、高コントラストの画像表示装置を提供できる。
【0013】
さらに、この光スイッチングデバイス50では、駆動回路などが作り込まれた半導体集積基板20にアレイ状に配置されたアクチュエータ6および光学素子3が積層された構成の画像表示デバイス50を1チップで提供することが可能である。すなわち、半導体基板20の上にアクチュエータ6および光学素子3といったマイクロストラクチャが構築されたマイクロマシンあるいは集積化デバイスである画像表示デバイス50と光ガイド1とを組み立てることにより画像表示ユニット55を供給でき、これを組み込むことにより動作速度が速く高解像で、さらに、高コントラストの画像を表示できるプロジェクタを提供できる。
【0014】
また、アクチュエータ6は、図2の上下1対の電極を備えたものに限定されず、上電極7および下電極8に加え、これらの間で動く中間電極を備えたもの、さらに、電極対を使用した静電アクチュエータの代わりに、ピエゾ素子などの他の電気信号により駆動力を供給可能な機構を用いてアクチュエータを構成することも可能でありアクチュエータとしてはいくつかのものが考えられている。したがって、以下、本明細書では、簡単のため上下電極の静電駆動タイプのアクチュエータに基づき説明するが、アクチュエータの構成はこれに限定されるものではない。
【0015】
このようなスイッチングデバイスは、フォトリソ技術などにより各層を、例えば、駆動性能の高いアクチュエータ層と、光学性能の高い光学素子層を備えたハイブリッドな微細構造体を製造することができる。
【0016】
しかしながら、各々の層の製造プロセスが異なるので、それぞれの層を異なった装置あるいは異なったタイミングで製造し、後に型転写や基板接合といった手法により、各々の層(アクチュエータ層と光学素子層)を組み合わせ、光スイッチングデバイスなどの微細構造体を製造することが検討されている。各々の製造プロセスを分離することにより、製造プロセスを最適化しやすく、品質管理も容易になるというメリットもあるが、その反面、2つの異なる基板上に製造されるパーツ(構造層)を組み合わせるときは、位置を精度良く一致させる必要があるという問題もある。例えば、アクチュエータの層と光学素子の層を別々で製造して重ね合わせる場合を考えると、これらの構造層は、各々の10μmから10数μm程度の非常に小さな部品であるが、これらが一対一に対応して積層されていないとスイッチング素子として作用しない、あるいは所望の動作(作用)が得られ難い。すなわち、上述した光スイッチングデバイスでは、アクチュエータの動きに追従して光学素子が所望の位置で光をオンオフするため、これらの位置合わせ(組み合わせ)が悪いと、コントラストの低下、画面の輝度低下が生じるなど画像品質の低下の要因となる。
【0017】
このように、各パーツの位置合わせ(アライメント)は、微小なズレがそのデバイス(微細構造体)の品質を左右する。一方、微細構造体では、各々のサイズが非常に小さいため、1つのウェハ(基板)上に、複数のデバイスを製造できることがメリットの1つでもあるが、それ故に、ウェハ全体にわたり、ばらつきのない均一な位置精度が要求される。さらに、別々に製造された構造層を貼り合わせるときに形成される構造層の間の層も、微細構造体、たとえば、スイッチングデバイスの構造の1つとなる。したがって、構造層を貼り付ける層の膜厚を管理することも精度の良い微細構造体を製造するために必要となる。このように、各々の構造層を組み合わせる製造方法では、間に挟まれる構造の膜厚、およびこれらのアライメントは、重要なファクターである。
【0018】
さらに、位置合わせ、あるいは膜厚管理に不具合があると、それらの層およびフォトリソグラフィ技術で半導体回路および構造層まで製造した高価な基板が無駄になるので、経済的なロスも大きい。
【0019】
そこで、本発明においては、微細構造を備えた各層を組み合わせて微細構造体を製造するのに適した製造方法を提供することを目的としている。さらに、全体的に均一な所望の厚みの層を形成し、同時に貼り合わせる上下の層の位置合わせを精度良く簡単に行え、信頼性の高い、高品質な微細構造体を、歩留り良く得られる製造方法を提供することを目的としている。
【0020】
【課題を解決するための手段】
このため、本発明では、個別の基板に形成された構造層を対面するように、間に新たな構造層を挟んで組み合わせる製造方法において、これらの対面する基板の間にギャップ材を含んだ樹脂層を挟み込むことで、基板全体にわたり新たに形成される構造層を同じ厚みに管理でき、さらに、ギャップ剤が上下の基板の間に介在することにより、それらの相対位置を合わせるアライメントの調整を容易に、精度良くできるようにしている。
【0021】
すなわち、本発明は、第1の構造層を備えた第1の基板と第2の構造層を備えた第2の基板とを第1および第2の構造層が対面するように組み合わせ、チップ化される微細構造体の一部となる第3の構造層を形成する工程を有する微細構造体の製造方法であって、第3の構造層を形成する工程は、第1および第2の構造層に挟まれるように第3の構造層となる第1の樹脂層を塗布すると共に、第1および第2の構造層に挟まれず、第1および第2の基板に挟まれるように、ギャップ材を含んだ第2の樹脂層を塗布する工程と、第1および第2の構造層の相対的位置が所望の状態になるように第1および第2の基板のアライメントを調整する工程と、第1の樹脂層を硬化させる工程とを備えていることを特徴としている。
【0022】
ギャップ材は、ほぼ均一なサイズに揃った粒状のものなので、これらにより、第1および第2の基板の間隔を制御することができる。さらに、ギャップ材を第2の樹脂層に含めて塗布することにより、対面する第1および第2の基板の間の所望の場所、すなわち、第1および第2の基板の内、微細構造体としてチップ化されない所にギャップ材を置くことが可能であり、第3の構造層に影響することなく、第3の構造層の厚みを管理できる。さらに、ギャップ材は粒状の固形物なので、これらを挟んで第1および第2の基板を重ねることにより、所望の隙間が開いた状態で、第1および第2の基板を相対的に容易に移動することが可能であり、アライメントの調整も容易となり、精度良くアライメントできる。したがって、本発明の製造方法により、構造層が作り込まれた基板を精度良く重ねて、それらの間に精度の高い第3の構造層を形成でき、これらの構造層が積層された、高品質な微細構造体を、歩留り良く製造できる。そして、本発明の製造方法により、位置合わせ不良、膜厚管理不良に伴うデバイスの歩留まりの低下を防止できるので、微細構造体を経済的に量産できる。
【0023】
また、第1または第2の構造層は、微細構造体の一部となる場合に限らず、第1または第2の基板に形成された転写型であっても良く、この場合は、本発明の製造方法により、第3の構造層、あるいは第3の構造層と第1または第2の構造層が組み合わさった微細構造体が製造される。
【0024】
第1および第2の基板の隙間を効率良く管理するためには、ギャップ材を含んだ第2の樹脂層は、第1および第2の基板の少なくとも3箇所に挟まれるように塗布することが望ましい。また、塗布する工程では、第1および第2の構造層を所望に位置に合わせるためのアライメントマークを避けて塗布することが望ましい。このため、塗布する第1および第2の樹脂、ギャップ材の流動性(粘性)などを考慮し、塗布量および塗布位置を決めることが望ましい。
【0025】
第3の構造層を形成する工程では、塗布する工程に続いて、または同時に、第1および第2の構造層の外側で第1および第2の基板に挟まれ、第1および第2の構造層を囲うように第3の樹脂層を塗布する工程を設けることが望ましい。これにより、第1および第2の基板を第3の構造層となる第1の樹脂層を挟んだ状態で、第1の樹脂層を第3の樹脂層により外界からシールできる。したがって、減圧環境や不活性ガスの環境で第3の樹脂層を形成した後に、外気に晒される場所に移動することが可能であり、製造工程がフレキシブルになり、また、製造途中のワークのハンドリング性が向上する。
【0026】
第1の樹脂層を硬化させる工程の前に、第2の樹脂層を硬化させる仮留め工程を設けることが望ましい。これにより、アライメントを調整した後に、短時間で第2の樹脂層を硬化し、位置決め、および厚みが決定された状態で第1の樹脂層を硬化することができる。また、第1の樹脂層と、第2の樹脂層の硬化方法が異なる場合でも対処が容易である。たとえば、仮留め工程で、第2の樹脂層はUV硬化(光硬化)し、その後に、第1の樹脂層を硬化する工程で、第1の樹脂層を熱硬化することが可能である。この製造方法であると、第1および/または第2の構造層に、アルミニウムなどの金属層を含んでいる場合でも、第1の樹脂層を硬化し、第3の構造層を備えた微細構造体を容易に製造できる。
【0027】
第2の樹脂層に含まれるギャップ材は、フィラーなどの多角形の粒状物であっても良いが、ギャップを高精度で管理し、さらに、第1および第2の基板を相対的に移動し易くするという点では、液晶パネルなどに用いられるような、所定の公差の直径の球状の部材であることが望ましい。
【0028】
第1および第2の基板の間隔にあわせたサイズのギャップ材を用いることも可能であるが、常に所望のギャップを管理するのに適したサイズのギャップ材があるわけではない。したがって、逆に、第2の樹脂層を塗布する第1および/または第2の基板の領域に、ギャップ材のサイズにあわせた構造を形成することが望ましい。これにより、第3の構造層の厚みを、ギャップ材のサイズに囚われず、それ以下あるいはそれ以上の厚みでも、一定の厚みに、ギャップ全体を管理できる。
【0029】
さらに、アライメントを調整する前に、ギャップ材を含んだ第2の樹脂層を加温する工程を設けることが望ましい。これにより、第2の樹脂層の流動性が向上するので、アライメントの際に基板同士を相対的に動かしやすくなる。第1の樹脂層も同様に加温することにより、流動性が増すので、基板同士を動かすときの抵抗力が小さくなり、アライメントがし易くなる。
【0030】
第3の構造層の形成により、複数の微細構造体が集合したチップエリアが複数個、第1および/または第2の基板により形成され、チップ単位でダイジングする工程を有し、塗布する工程では、ダイジングにより切り捨てられる、第1および第2の基板の領域に、第2の樹脂層を塗布することが望ましい。ダイジングする過程で第2の樹脂層は自動的に除去され、切り捨てられる。したがって、最終的に得られるチップ化された微細構造体には、第2の樹脂層は含まれず、この第2の樹脂層を除去するプロセスを新たに設ける必要もなく取扱いも容易である。
【0031】
また、これら第1および第2の基板は、本発明の製造方法で製造される微細構造体の一部となるものであっても良く、微細構造体が基板を含まないものであっても本発明の製造方法により製造できる。微細構造体として不要な基板、たとえば、第2の基板は、第2の構造層を剥離層を挟んで第2の基板に形成することにより、第3の構造層を形成した後に、第2の基板を剥離する工程を設けることで、第2の基板を含まない微細構造体を製造し、提供できる。
【0032】
また、第2の基板の少なくとも一部は、チップ化される微細構造体の一部であっても良い。すなわち、第2の基板自体を加工して、第2の構造層とすることも可能であり、本発明では、第2の構造層を、樹脂材に限らず無機材の構造層とした微細構造体を得る製造方法としても適用できる。
【0033】
さらに、上述したように、適当な形状が加工された型転写用の基板を、第2の基板として用いることも可能であり、この場合は、第3の構造層を形成した後に、この型転写基板である第2の基板を剥離する工程を設ける。
【0034】
上述した光スイッチングデバイスのようなマイクロマシンを本発明の微細構造体の製造方法で製造する場合は、第1の構造層がアクチュエータとして機能する部分を備えていれば良い。たとえば、静電アクチュエータを採用することが可能である。そして、第2および第3の構造層で、アクチュエータにより駆動される素子を構成することにより、マイクロマシンを製造できる。さらに、素子を光学素子とすることにより光スイッチングデバイスを製造できる。そして、本発明の微細構造体の製造方法によれば、マイクロマシンや、上記の図2に示したようなスイッチングデバイスを、低コストで、精度良く製造できる。
【0035】
【発明の実施の形態】
以下では、図2に示した光スイッチングデバイス50を本発明の製造方法によって製造する過程を示しながら、本発明についてさらに詳しく説明する。図3に、光スイッチング素子10を半導体基板20の上にアレイ状に並べて形成し、光スイッチングデバイス(画像デバイス)50を製造する一連の流れをフローチャートで示してある。また、図4〜図9にその各プロセスを模式的に示してある。本例のプロセスは、半導体基板20の上にアクチュエータ6を形成し、別の基板に光学素子3の一部を形成し、これらを組み合わせる。すなわち、微細構造体の構造層を別々の基板に製造してから接合あるいは貼り合わせて微細構造体を製造する方法である。
【0036】
先ず、図3のステップ111で、図4に示すように、CMOS回路が構成されている半導体基板(第1の基板)20の上面に第1の構造層となるアクチュエータ層60を形成する。本例のアクチュエータ6は、静電駆動型であり、電極8と、ばねを兼ねた上電極7がアルミニウム製である。そして、アモルファスシリコンを犠牲層99としてフォトリソグラフィー技術により製造されている。
【0037】
次に、ステップ112で、図5に示すように、第2の基板であるガラス基板96の上に、第2の構造層であるプリズム層42を形成する。このプリズム層42は、光学素子3のマイクロプリズム4となる。この過程では、このガラス基板96の表面に無機材のシラン(SiH4)を580℃程度の条件下でプラズマCVD法により蒸着し、アモルファスシリコンの剥離層97を形成する。さらに、プラズマCVD法により、TEOS(テトラエポキシドシラン)をプラズマソースとして基板温度300℃の低温な条件下で蒸着し、酸化シリコンのプリズム層(第2の構造層)42を形成する。そして、フォトリソ技術によりウェットエッチングで断面が三角形の形状の角度を備えたV溝(V字型)のプリズム層42を加工する。型転写、あるいはグレイマスクを用いたエッチング技術によりV字型の形状を成形することも可能である。さらに、このV字型のプリズム層42の形状に沿って表面42aにAl−Nd材をスパッタリングして、V字型の反射膜46を形成する。このようにしてガラス基板96にV字型のプリズム層42が形成される。
【0038】
次に、ステップ113で、図6および図7に示すように、第1の基板である半導体基板20に、第2の基板であるガラス基板96を、第1の構造層であるアクチュエータ層60と、第2の構造層であるプリズム層42とが向かい合うように貼り合わせて、これらの基板20および96の間に、第3の構造層となる支持層41を形成する。この支持層41が光学素子3の一部である樹脂製のサポート構造5となり、アクチュエータ6でプリズム層42を支持する。本例では、まず、図6に示すように、第2の構造層の界面(接続面)となる反射膜46の表面と、第1の構造層の界面となるアクチュエータ層60の表面をカップリング材で表面処理する。その後に、アクチュエータ層60の表面に、支持層41となる第1の樹脂材71であるエポキシ(EP)材を適当な量を複数の点に分けて塗布する。また、スピンコーティングにより均一な膜厚となるように塗布しておいても良い。さらに、本例では、詳しくは後述するが、基板20の外周などの第3の構造層となる支持層41が形成されない領域79に、球状のギャップ材72を含んだ第2の樹脂材73を塗布する。
【0039】
次に、図7に示したように、第2の基板96の上にV字型に加工されたプリズム層42と、第1の基板20の上のアクチュエータ層60の上に塗布されたEP材71とが対面するように、ガラス基板96と半導体基板20を組み合わせる。このときに、詳しくは図10以降で後述するが、支持層41を形成するためのEP材71が塗布された領域から外れた領域79で、第2の樹脂層73が第1の基板20および第2の基板96により挟まれるようになっている。この第2の樹脂層73は、所定の公差を備えた、2〜3μm程度の粒径となる球状のギャップ材72を含んだものである。したがって、このギャップ材72を含んだ第2の樹脂層73が第1の基板20と第2の基板96の間に介在するので、これらの基板20および96の間隔Gが所望の値に保持でき、その間に挟まれたEP材71により製造される支持層41の膜厚あるいは形状を均一にできる。
【0040】
さらに、ギャップ材72が第1および第2の基板20および96の間に存在し、ギャップ材72が粒状で基板20および96に点でほぼ接するので、第1および第2の基板20および96は相対的に動かしやすい。また、動かしても、それらの基板の間のギャップGはギャップ材72により規定されているので、厚みが変化することもない。したがって、上下の基板20および96の水平方向の相対位置を容易に調整でき、アライメントマークを見ながら、所望の位置にこれらの基板20および96をあわせ、各アクチュエータ層6、支持層41およびプリズム層42が所望の状態となるように積層することができる。
【0041】
そして、所望の位置を維持した状態で、180〜330℃の条件下で熱処理し、支持層41を形成する。この結果、アクチュエータ層60とプリズム層42に挟まれたEP材71は、V字型の支持層(第3の構造層)41に成形され、これによってプリズム層42をアクチュエータ層60に接合(接着)させることができる。
【0042】
この段階で、図7に示すように、アクチュエータ6により光学素子3を駆動するスイッチング素子としての構造(光スイッチングデバイス)を半導体基板20の上に構築することができる。さらに、本例では、プリズム層42を支持している第2の基板96を取外す。このため、プリズム層42と、ガラス基板96との間に形成しておいたアモルファスシリコンの剥離層97に、UV系のレーザを、例えば、308nm、230mJ/cm2の条件下で照射する。これにより、酸化シリコンのプリズム層42から半導体基板20の側の構成を半導体基板20に残して、ガラス基板96を分離(剥離)することができる。
【0043】
次に、図3で示すステップ114で、図8に示すシリコン基板20の上に積層された、アクチュエータ層60、支持層41およびプリズム層42を、光スイッチング素子10の単位になるように画素分離を行う。そのため、プリズム層42の表面42aに、カップリング処理をし、ここでは図示しないがフォトレジスト材をスピンコーティングし、プリベーキングし、画素パターンを形成し、さらに、ポストベーキングする。この現像されたパターニングに沿って、酸化シリコンのプリズム層42をC4F8+Ar+H2で、Al−Ndの反射膜46をCl2およびBCl3で、EP材の支持層41をO2でRIE加工する。このO2でRIE加工される過程で、画像パターニングを形成したフォトレジストも除去できる。
【0044】
これにより、図9に示すように、第2の構造層42および第3の構造層41からなる光学素子3が画素分離され、これら第2および第3の構造層に渡り垂直に隙間Sが形成される。さらに、この隙間Sを介して、XeF2によりシリコンの犠牲層99の一部を除去する。この結果、アレイ状に配置された光スイッチングデバイス55を得ることができる。
【0045】
そして、ステップ115で、複数の光スイッチング素子10を1セットとした、図1および図2に示したような光スイッチングデバイス50の単位に、ダイジングしチップ化する。この段階で、図6において塗布したギャップ材72入りの接着材73も切り捨てられる。
【0046】
そして、図3のステップ116で各チップ(光スイッチングデバイス)50の残っているシリコンの犠牲層99をXeF2により除去する。この結果、チップ化された光スイッチングデバイス(微細構造体)50が完成する。
【0047】
さらに、図10〜図17を参照しながら、各層が所望の相対的な位置の状態となるように、図3のステップ113における第3の構造層を形成するプロセスについて詳しく説明する。
【0048】
先ず、図10のステップ120で、第1および第2の樹脂層を塗布する。図11に示すように、樹脂層71および73となる材料をそれぞれ調合する。まず、第3の構造層(支持層)41に用いる第1の樹脂材71に、本例では、エポキシ系で、UV硬化および熱硬化可能なエポキシ系(EP材)のものを用いる。また、第2の樹脂層73としては、同じEP材を用い、これに対して0.5〜5重量%程度のギャップ材72を添加し混合させる。また、添加するギャップ材72は、例えば、液晶パネルのギャップ材として開発された積水化学工業(株)製のミクロパールSP−203などがあり、たとえば、平均粒子粒が3.00μm±0.05μm程度のものを利用できる。ミクロパールなどのギャップ材は、圧縮強度および耐熱性も高い。したがって、ギヤップ材72は、2つの基板の間に挟まれると、自身のサイズで厚みを規制する役割を担うことができる。これに加え、粒子状で点で基板に接するので、基板20および96を支持しながら転動したり、摩擦係数が小さい状態でこれらの基板20および96を支持できる。
【0049】
次に、第1の基板20を上から見た様子を模式的に示した図12に示すように、このように準備された2種類の樹脂材71および73を塗布する。まず、図5に示す加工された基板96の表面形状42aを測定し、図7に示す支持層41を形成するのに必要な第1の樹脂71の量(体積)を求める。そして、第1の樹脂材71を、基板20のアクチュエータ層60が形成された領域に複数に塗布する。本例では、0.1〜50mg程度の第1の樹脂材71をシリンジで計測し塗布する。また、ギャップ材72を含んだ第2の樹脂材73を、アクチュエータ層60の形成されていない領域79に塗布する。この際、基板20に付されているアライメントマークMを避けて、さらに、加圧した際にもマークMまで広がらない様に、適当な場所を選んで複数点塗布する。基板20の全面にわたり、適切な隙間Gを保持するために、少なくとも3箇所以上の場所にギャップ材入りの第2の樹脂材73を塗布することが望ましい。さらに、ギャップ材72を含んだ第2の樹脂材73も、シリンジで計測しながら16μg程度になるように塗布することにより、加圧されたときに所望の範囲外まで第2の樹脂材73が広がることを防止する。
【0050】
この第2の樹脂材73が塗布された領域79は、チップ化されない、後にダイジングされる(ステップ105)際に、切り捨てられる部分であり、アクチュエータ層60とプリズム層42に挟まれない位置であり、第1および第2の基板の両基板20および96に挟まれる位置である。
【0051】
さらに、本例では、第1の基板20の外周部20cに沿っても、適当な素材の第3の樹脂(第1または第2の樹脂と同じもので良い。)75を塗布する。この樹脂材75は、第1および第2の基板の間をシール(封止)するためのものであり、加圧されたときに外周部20cに沿って広がり、外周部20cを密閉できるようにする。この第3の樹脂層75により、基板20および96を貼りあわせた後は、内側の樹脂材71および73が大気と隔離されるようになる。
【0052】
次に、図10に戻りステップ121で、2つの基板20および96を対面するように組み合わせる。先ず、図13に示すように、樹脂材71、73および75が塗布された第1の基板20と、プリズム層42が形成されている第2の基板96を接合する治具100にセットする。この治具100は、上下に、それぞれ基板を支持するホルダー102および103を備えており、これらのホルダー102および103により、それぞれの基板20および96を、それぞれに形成された構造層60および42が対面するように上下に保持する。また、本図以降では、第1の基板20の上に形成されているアクチュエータ60の形状を省略して示すことにする。
【0053】
樹脂が塗布される片側の基板、本例では下側の基板20を保持するホルダー103には、ヒータ105が配置されており、このヒータ105を温度調整ユニット106により制御することにより、基板20の温度を調整できるようになっている。本例の製造方法では、第2の基板96を貼り合わせる前に、このヒータ105で、基板20を45℃程度に加熱し、その状態で5分間維持する。これにより、基板20に塗布された樹脂の温度を上げ、粘土を下げて、それらの流動性を向上させることができる。
【0054】
次に、図14に示すように、第1の基板20および第2の基板96を治具100を含めてチャンバー101に収め、チャンバー101の内部を約0.2Torr以下に減圧し、この状態を5分間維持する。これにより、塗布された樹脂、特に第1の樹脂71からガスを抜くことができ、成形した際に気泡が残ったり、製造した後にガスが発生して障害となるような事態を防止できる。さらに、本例では、基板20を加熱することにより樹脂も加熱しており、ガス抜きを容易に行えるようになっている。
【0055】
そして、図15に示すように、V字型のプリズム層42が形成された第2の基板96を、第1の基板20に重ね、第1の基板20と第2の基板96の貼り合せを行う。このとき、チャンバー内が0.2Torr以下に減圧されており、点塗布された樹脂が広がる際の阻害要因となる空気がなく、薄膜の形成が容易となる。また、画素分離工程でフォトリソグラフィを行う際に問題となるボンドの発生を抑制し、平滑な面を形成できる。この状態で5分間程度維持し、基板間の第1および第2の樹脂材71および73を馴染ませる。
【0056】
さらに、図16に示すように、貼り合わされた状態の第1および第2の基板20および96、すなわちワーク59を、チャンバー内101で、下方から加圧機107により0.3MP程度で加圧する。この状態を10分間程度、維持し、第1の樹脂材71を全体的に広げ、樹脂製の支持層41を形成する。後にも説明するが、この際に、基板20の領域79に塗布された第2の樹脂73のそれぞれのギャップ材72により、2つの基板に挟まれる間隔(本図では上下方向)Gを均一に保つことができる。したがって、基板全体にわたり均一な厚みに管理された支持層(第3の構造層)41が形成できる。
【0057】
また、基板20の周囲20cに沿って塗布された第3の樹脂材75が第1の基板20および第2の基板96の周囲20cにシール層を形成する。したがって、チャンバー101からワーク59を出しても第1の樹脂層71により形成された第3の構造層である支持層41は外気に晒されない状態となる。
【0058】
次に、図10のステップ122に示すように、アライメントの調整を行う。このため、貼り合わされた第1および第2の基板20および96を、チャンバー101から取り出し、UV露光機能の付いたアライメント装置(アライナー)にセットする。このUV露光装置は半導体プロセスのマスク合わせなどにも用いられるもので、例えば、カール・ズース・ジャパン(株)社製のボンドアライナBA6などを用いることができる。露光装置は、基板間のアライメントができるステージを備えており、1μmオーダで上下に重ねられた2枚の基板のアライメント調整が可能であり、その後、UV露光(照射)することにより、2枚の基板を仮留めすることができる。
【0059】
本例の製造方法では、このアライナーに、貼り合わされた基板20および96をセットし、基板20に付されているアライメントマークMをガイド(基準)にあわせてアライメントの調整をするが、このとき、それぞれの樹脂材は流動的な状態に維持されている。さらに、図17に一部を拡大して模式的に示すように、上下の基板20および96の間には、支持層41となる樹脂材71の他に、球状のギャップ材72が含まれた樹脂材(樹脂層)73が挟み込まれており、たとえば、基板96を基板20に対してギャップ材72で支持されている。ギャップ材72は、粒状なので基板96はほぼ点で支持された状態になっており、この点でも動かしやすい状態である。そして、ギャップ材72により常に上下(垂直)方向の位置(ギャップG)が規定されているので、基板20および96の位置を相対的に動かしても、上下の基板20および96は、全体的に均一に傾くことなく動き、所望のギャップGが維持できる。さらに、本例のギャップ材72は、特に球状であり、これらギャップ材72に接している基板20および96の間をベアリングのように転がり、さらに、動かしやすく、動いてもギャップGは変化しない。したがって、ワーク59(支持層41)の膜厚が管理された状態を維持しながら、これら基板20および96のアライメント(水平方向)の調整がスムーズにできる。
【0060】
そして、所望の相対位置となるようにアライメントの調整がされると、図10のステップ123で、第2の樹脂層がUV露光され硬化され、上下の基板20および96がアライメントされた状態で仮留めされる。このとき、もう一方の樹脂材71は、アルミニウム製の反射膜46が形成されているので、UVが樹脂材71に当らず硬化されない。しかしながら、第2の樹脂材70が硬化されることで、ワーク(貼り合わされた基板20および96)59は十分に精度良く固定される。
【0061】
次に、図10のステップ124で、アライメント装置から図16に示したワーク59を取り出し、オーブン(不図示)に入れ熱硬化処理する。本例では、120℃、60分の条件下で加熱し、樹脂製の支持層41を硬化させ、アクチュエータ層60とプリズム層42の間に、V字型の第3の構造層41が形成される。上述したように、本例のワーク59では、第2の構造層であるプリズム層42に反射型の層であるアルミニウム層46が含まれているために第3の構造層となる第1の樹脂層をUV硬化できない。そのために、熱硬化処理を採用しているが、チャンバー101の減圧下で第1の樹脂71を塗布したときに周囲に第3の樹脂層75を形成することによりチャンバー101からオーブンに移動する過程でワーク59が外気に出されても第1の樹脂層71が外気に触れないようにし、さらに、UVで第2の樹脂73を硬化して仮留めすることによってオーブンに移動しても位置精度が劣化しないようにしている。
【0062】
この段階で、第3の構造層となる支持層41が形成され、その後、先の図3で説明したように、第2の基板96を剥離し、画素分離し、チップ化(ダイジング)し、犠牲層99を取除くと、図2に示したような光スイッチングデバイス55を製造できる。
【0063】
本例の微細構造体は、光スイッチング素子10がアレイ状に配置された光スイッチングデバイスであり、それを1チップとして供給することができる。そして、それぞれのデバイスのサイズが非常に小さいため、1つのウェハ(基板)上に、複数のデバイス(チップ)を製造できることもメリットの1つであり、本例の製造方法であれば、上述したようにギャップ材72を介して、ウェハ全体を均一に所望の厚みに管理でき、アライメントも確保できる。このため、多数のチップを1回の製造工程で精度良く製造することが可能であり、微細構造体の大量生産に向いた製造方法となっている。そして、信頼性の高く、高品質な微細構造体が得られるので、位置合わせ不良、膜厚不良を防止でき、デバイスの歩留まりを大幅に向上できる。このため、半導体回路に加えてフォトリソグラフィー技術でアクチュエータ層まで製造した高価な基板20を無駄にすることなく、低コストで微細構造体を提供できる。
【0064】
さらに、本発明は、図18(a)〜(d)に模式的に示すように、型転写を用いる微細構造体の製造方法においても、同様に適用できる。先ず、図18(a)に示すように、所望のV字型(V溝)82が加工された転写型(転写基板)81を第2の基板として用意する。図18(b)に示すように、第1の基板であるアクチュエータ層60が形成された半導体基板20の側に、図4と同様に、第3の構造層41となるエポキシ系などの樹脂材71を塗布し、基板の周囲などにギャップ材72の入った樹脂材73を塗布する。これら樹脂材71および73を挟むように、基板20および81を対面するように組み合わせる。そして、樹脂を馴染ませながら、図18(c)に示すように、上方あるいは下方から適当な力で加圧する。このとき、本例の製造方法では、粒子状のギャップ材72により、全体的に基板20および81の平行度を保つことができ、基板81および20の間のギャップGを所望の厚みに維持でき、さらに、下方のアクチュエータ層60と、転写型81のV溝との相対的位置が所望の状態となるようにアライメントの調整ができることは上述したとおりである。
【0065】
そして、所望の位置合わせ等ができた段階で、UV照射し、樹脂材71および73を硬化させ、転写型81を取外すと、図18(d)に示すように、半導体基板20の上にアクチュエータ層60と、その上にV字型の支持層41が形成される。そして、図示しないが、この表面にアルミニウムなどの反射膜46を成膜する。さらに、型転写(平坦な基板を用いて)、上記と同様のプロセスを繰り返し、図7で示すプリズム層42を形成し、光スイッチング素子10の単位に画素分離などを施し、さらにダイジングしてチップ化すことで、図2に示したような光スイッチングデバイス50を得ることができる。したがって、図18で示す型転写81を用いる製造方法においても、本発明を適用することで、2つの基板の間に形成する構造層を均一に製造でき、さらに、この構造層と他の層との相対的位置を、簡単に調整できる。このため、精度の良い、信頼性の高い光スイッチングデバイス50を容易に低コストで製造できる。
【0066】
なお、上述した樹脂材は例示であり、それらに限定されない。たとえば、紫外線硬化型のエポキシ系接着材である協立化学産業(株)社製の”ワールドロックNo.XOC−03H2”、ビスフェノール型のエポキシ樹脂である(株)スリーボンド社製の”ThreeBond 2088F”などがある。変性脂環式ポリアミン・ポリアミドアミンを主成分とする樹脂はアウトガスの放出が少なく点が優れているが、ポットライフ(寿命)が短く、常温で1日程度であり、取扱いが面倒である。
【0067】
さらに、ギャップ材を含有した樹脂としては、上記に限らず、酸化アルミナ(セラミック)を含む東亜合成(株)社製の”アロンセラミック D,N,W,D−4,D−5.N4”がある。これは、アウトガスが出ない点は優れている。LED用エポキシ樹脂のデクスター(株)製の”HL4210J2”もある。これはポットライフは長く、熱をかけるまで硬化しない点で優れている。さらに、エポキシ系樹脂で、導電性フィラ(Agなど)を含有している藤倉化成(株)社製の”ドータイトXA−974”がある。このように、球状のギャップ材に限らず、多角形のものであっても、適当な公差の範囲の粒径を備えていれば、十分に本発明に適用できる。
【0068】
また、本例の製造方法では、図7で示すギャップ材72のサイズにあわせて、基板20または96の形状を加工することが望ましい。特に、ギャップ材72を含んだ第2の樹脂材73が塗布される領域は、構造層に影響しないため、任意に加工できる。例えば、図19に示すように、第2の基板96の側に、段差96dを設けている。この段差96dにより、用いるギャップ材72のサイズ(粒径)以下にも、樹脂材71による第3の構造層を均一に製造できる。この場合でも、ギャップ材72によりアライメントの調整が容易にできることは上述したとおりである。
【0069】
なお、本発明の微細構造体の製造方法は、上述したエバネセント光を利用した光スイッチングデバイス50に適用する例に限定されるものではない。例えば、図20に、本発明に係わる微細構造体の製造方法を適用可能なマイクロマシンである光スイッチ装置256を示してある。本例の光スイッチ装置256は、図20(a)で示す状態では、遮光物254が光信号257の伝達に障害とならないエリアに退避しており、出射側光ファイバー251から出射された光信号257が空間258を経て受光側光ファイバー252に受光され、光信号257が伝達される。一方、図20(b)では、遮光物254が空間258に現れており、この遮光物254で光信号257を遮断する事により、光信号257は受光側光ファイバー252に伝達されない状態となる。したがって、本例のマイクロマシンは、伝送される光信号257を空間258で遮光物254を用いてスイッチングすることができる光スイッチ装置256である。
【0070】
マイクロマシン光スイッチ装置256の構造は、本発明の製造方法の第3の構造層となる遮光部254が、第1の構造層となるピエゾアクチュエータ250に積層されており、このピエゾアクチュエータ250が、それを駆動するための回路211が作りこまれたシリコン基板(第1の基板)210に積層されている。駆動回路211はスイッチ212によりピエゾアクチェータ250に対する電源供給を制御する。さらに、このシリコン基板210の表面から第1の構造層で成形されるポスト202が伸びており、さらに、重ねてピエゾアクチェータ250および第3の構造層で形成される光ファイバー固定台253が積層されている。
【0071】
このような構造のマイクロマシンは、まず、第1の微細構造である駆動部のピエゾアクチュエータ250と、ポスト202がフォトリソグラフィ工程により基板210の上に製造される。そして、第3の構造物層である遮光物254および光ファイバー固定台253が第2の構造層を備えた型転写基板を第2の基板として製造される。同時に、固定台253には型転写により光ファイバーを固定する為の光ファイバ固定V溝255が形成される。転写型である第2の基板を重ねる際に、図6などで説明したように、遮光物254および固定台253を形成する樹脂材(接着材)71に加えて、適当な場所にギャップ材72を含んだ樹脂材73を塗布し、これにより転写型との隙間を制御し、さらに、転写型のアライメントを調整することができる。その結果、出射側光ファイバー251及び受光側光ファイバー252が所定の位置に精度よく固定でき、遮光部254で精度良く光をオンオフできる光スイッチングデバイスを提供できる。
【0072】
さらに、上記は光スイッチングデバイスを例に説明しているが、光以外の媒体を操作するマイクロスイッチングデバイスや、他の用途のマイクロマシンに対しても本発明の製造方法を提供することが可能であり、製品精度が高いマイクロマシンを歩留まり良く、低コストで量産することが可能となる。
【0073】
【発明の効果】
以上に説明したように、本発明においては、光学素子を有する光スイッチングデバイスなどのミクロンあるいはサブミクロンさらにそれ以下のオーダの構造を有する微細構造体を製造する際に、異なる基板上に形成された2つの微細構造層を重ね、ギャップ材を含んだ樹脂層を塗布することにより、それらの間に形成する第3の構造層の厚みを管理しながら、同時にそれぞれの構造層の相対位置を精度良く接合した状態で製造する方法を開示している。したがって、本発明により、信頼性の高い、高品質な微細構造体を、低コストで、簡単に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】エバネセント光を利用した映像表示デバイスを用いたプロジェクタの概要示す図である。
【図2】エバネセント光を利用した映像表示デバイス(スイッチングデバイス)の概要を示す図である。
【図3】図2に示すスイッチングデバイスの製造プロセスの概略を示すフローチャートである。
【図4】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、第1の基板上にアクチュエータ層を形成した状態を示す図である。
【図5】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、第2の基板上にプリズム層を形成する様子を示す図である。
【図6】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、図4に示した第1の基板上に、第1の樹脂およびギャップ材入りの第2の樹脂を塗布した様子を示す図である。
【図7】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、第1および第2の基板を対面させ、組み合わせ、第3の構造層を形成する様子を示す図である。
【図8】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、光スイッチング素子の単位に画素分離する様子を示す図である。
【図9】図2に示す光スイッチングデバイスの製造プロセスを示す図であり、チップ化し、犠牲層を除去し、光スイッチングデバイスが得られらた様子を示す図である。
【図10】本発明に係る第3の構造層を形成するプロセスを、さらに詳しく説明したフローチャートである。
【図11】図10に示す第1および第2の樹脂層の準備プロセスを模式的に示す図である。
【図12】図10に示す第1および第2の樹脂層を、第1の基板上に塗布した様子を平面的に示す図である。
【図13】図10に示す第1および第2の基板を貼り合せるプロセスを、各々の基板が治具にセットされた様子を模式に示す図である。
【図14】図13に示す各々の基板が治具にセットされ、基板上の樹脂を加温し馴染ませている様子を模式に示す図である。
【図15】図13に示す各々の基板が治具にセットされ、貼り合わされた様子を模式的に示す図である。
【図16】図15に示す貼合わされた基板を加圧する様子を模式的に示す図である。
【図17】図16に示した貼合わされた状態の一部を拡大し、模式的に示す図である。
【図18】さらに異なる本発明を適用した製造方法であって、型転写を用いたプロセスを模式的に示す図である。
【図19】異なる形状の基板に本発明に係るギャップ材を含む樹脂材が塗布された様子を模式的に示す図である。
【図20】本発明の微細構造体の製造方法に係るマイクロマシン光スイッチング装置の構造および動作の概要を示す図である。
【符号の説明】
1 光ガイド
2 照明光
3 光学素子(光学素子層)
4 マイクロプリズム(第2の構造体)
5 V型のサポート構造(第3の構造体)
6 アクチュエータ部、 60 アクチュエータ層(第1の構造層)
7 上電極およびばね構造
8 下電極
10 光スイッチング素子
20 半導体基板(第1の基板)
41 支持層(第3の構造層)
42 プリズム層(第2の構造層)
50 光スイッチングデバイス
55 光スイッチングユニット(画像表示装置)
71 第1の樹脂材
72 ギャップ材
73 第2の樹脂材
75 第3の樹脂材(シール材)
81 転写型(第2の基板)
96 ガラス基板(第2の基板)
97 剥離層
99 犠牲層
100 治具
105 温調装置
180 プロジェクタ装置[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a fine structure suitable for manufacturing a micromachine such as an optical switching device having micron or submicron micro optical elements.
[0002]
[Prior art]
As an image display device capable of controlling on / off of light as a light valve of an image display device such as a projector, a device using liquid crystal is known. However, the image display device using this liquid crystal has poor high-speed response characteristics and operates only at a response speed of about several milliseconds. Therefore, an apparatus that displays a high-resolution image that requires a high-speed response, an optical recording apparatus such as optical communication, optical calculation, hologram memory, and an optical printer are realized by a switching device using liquid crystal. Is difficult.
[0003]
Accordingly, there is a need for a switching device or an image display device capable of high-speed operation that can be used for the above-described applications, and eagerly develops a switching device having a micro structure on the micron order or a smaller submicron order. It is being advanced.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
One of them is an application filed by the applicant of the present application. The evanescent light is extracted by bringing the extraction surface of the switching unit into contact with the total reflection surface of the light guide unit capable of transmitting the light by total reflection. Alternatively, it is an optical switching device that can modulate and control light at a high speed by a minute movement smaller than that.
[0005]
FIG. 1 shows an outline of a
[0006]
As described above, the
[0007]
FIG. 2 shows an outline of an image display device (evanescent light switching device) 50 that modulates light using evanescent waves (evanescent light). The
[0008]
The
[0009]
The
[0010]
As shown in FIG. 2, the
[0011]
For example, in the
[0012]
An optical switching element using an evanescent wave functions as a device capable of switching light alone, but as shown in FIG. 2, a configuration in which these can be arranged side by side in a one-dimensional or two-dimensional direction, or even in a three-dimensional manner. It has become. In particular, by arranging two-dimensionally in a matrix or array, a video device or
[0013]
Furthermore, in this
[0014]
Further, the
[0015]
Such a switching device can manufacture a hybrid microstructure including each layer, for example, an actuator layer having a high driving performance and an optical element layer having a high optical performance, by a photolithography technique or the like.
[0016]
However, the manufacturing process of each layer is different, so each layer is manufactured with different equipment or at different timing, and then the layers (actuator layer and optical element layer) are combined by techniques such as mold transfer and substrate bonding. Manufacturing of fine structures such as optical switching devices has been studied. Separating each manufacturing process has the advantage of facilitating optimization of the manufacturing process and facilitating quality control, but on the other hand, when combining parts (structural layers) manufactured on two different substrates There is also a problem that the positions need to be matched with high accuracy. For example, considering the case where the actuator layer and the optical element layer are separately manufactured and overlapped, these structural layers are very small parts of about 10 μm to about 10 μm, but these are one-to-one. If it is not laminated corresponding to the above, it does not act as a switching element or it is difficult to obtain a desired operation (action). That is, in the optical switching device described above, the optical element turns on and off the light at a desired position following the movement of the actuator. Therefore, if the alignment (combination) of these is poor, the contrast is lowered and the screen brightness is lowered. It becomes a factor of image quality degradation.
[0017]
As described above, in the alignment (alignment) of each part, a minute shift affects the quality of the device (fine structure). On the other hand, in the fine structure, since each size is very small, one of the merits is that a plurality of devices can be manufactured on one wafer (substrate). Therefore, there is no variation over the entire wafer. Uniform positional accuracy is required. Furthermore, a layer between the structural layers formed when the separately manufactured structural layers are bonded together is also one of the structures of a microstructure, for example, a switching device. Therefore, it is necessary to manage the thickness of the layer to which the structural layer is attached in order to manufacture a fine structure with high accuracy. As described above, in the manufacturing method in which the respective structural layers are combined, the film thickness of the structure sandwiched between them and the alignment thereof are important factors.
[0018]
Further, if there is a problem in alignment or film thickness control, expensive layers produced by those layers and photolithography technology up to the semiconductor circuit and the structural layer are wasted, so that the economic loss is large.
[0019]
Therefore, an object of the present invention is to provide a manufacturing method suitable for manufacturing a microstructure by combining layers having a microstructure. Furthermore, it is possible to form a layer with a desired uniform thickness as a whole, and to easily and accurately align the upper and lower layers to be bonded at the same time, and to produce a highly reliable, high-quality microstructure with good yield. It aims to provide a method.
[0020]
[Means for Solving the Problems]
For this reason, in the present invention, in a manufacturing method in which a structural layer formed on an individual substrate faces and a new structural layer is sandwiched therebetween, a resin including a gap material between the facing substrates By sandwiching the layers, the newly formed structural layer can be managed to the same thickness over the entire substrate, and the gap agent is interposed between the upper and lower substrates, making it easy to adjust the alignment to match their relative positions. In addition, it is possible to do with high accuracy.
[0021]
That is, according to the present invention, the first substrate having the first structural layer and the second substrate having the second structural layer are combined so that the first and second structural layers face each other to form a chip. A method of manufacturing a microstructure having a step of forming a third structure layer that becomes a part of the microstructure to be formed, wherein the step of forming the third structure layer includes the first and second structure layers. The first resin layer to be the third structural layer is applied so as to be sandwiched between the first and second structural layers, and the gap material is sandwiched between the first and second substrates. Applying the included second resin layer; adjusting the alignment of the first and second substrates so that the relative positions of the first and second structural layers are in a desired state; And a step of curing the resin layer.
[0022]
Since the gap material is a granular material having a substantially uniform size, the gap between the first and second substrates can be controlled by these. Furthermore, the gap material is included in the second resin layer and applied to form a desired structure between the first and second substrates facing each other, that is, as a fine structure within the first and second substrates. It is possible to place a gap material in a place where the chip is not formed, and the thickness of the third structural layer can be managed without affecting the third structural layer. Further, since the gap material is a granular solid, the first and second substrates can be moved relatively easily with a desired gap opened by overlapping the first and second substrates sandwiching them. It is possible to adjust the alignment easily, and the alignment can be performed with high accuracy. Therefore, according to the manufacturing method of the present invention, the substrate in which the structure layer is built can be accurately stacked, and the third structure layer with high accuracy can be formed between them. Can be manufactured with good yield. Since the manufacturing method of the present invention can prevent a decrease in device yield due to poor alignment and poor film thickness management, the microstructure can be mass-produced economically.
[0023]
In addition, the first or second structure layer is not limited to being a part of the fine structure, and may be a transfer type formed on the first or second substrate. According to the manufacturing method, the third structural layer or the fine structure in which the third structural layer and the first or second structural layer are combined is manufactured.
[0024]
In order to efficiently manage the gap between the first and second substrates, the second resin layer including the gap material may be applied so as to be sandwiched between at least three locations of the first and second substrates. desirable. Further, in the applying step, it is desirable to apply while avoiding alignment marks for aligning the first and second structural layers in a desired position. For this reason, it is desirable to determine the application amount and the application position in consideration of the fluidity (viscosity) of the first and second resins to be applied and the gap material.
[0025]
In the step of forming the third structural layer, subsequent to or simultaneously with the coating step, the first and second structures are sandwiched between the first and second substrates outside the first and second structural layers. It is desirable to provide a step of applying the third resin layer so as to surround the layer. Accordingly, the first resin layer can be sealed from the outside by the third resin layer in a state where the first resin layer serving as the third structural layer is sandwiched between the first and second substrates. Therefore, after the third resin layer is formed in a reduced pressure environment or an inert gas environment, it is possible to move to a place where it is exposed to the outside air, making the manufacturing process flexible, and handling the workpiece in the middle of manufacturing. Improves.
[0026]
It is desirable to provide a temporary fixing step of curing the second resin layer before the step of curing the first resin layer. Thereby, after adjusting alignment, the 2nd resin layer can be hardened in a short time, and the 1st resin layer can be hardened in the state where positioning and thickness were determined. Further, even when the curing method of the first resin layer is different from that of the second resin layer, it is easy to cope with it. For example, the second resin layer can be UV cured (photocured) in the temporary fixing process, and then the first resin layer can be thermally cured in the process of curing the first resin layer. In this manufacturing method, even when the first and / or second structural layer includes a metal layer such as aluminum, the first resin layer is cured, and the microstructure having the third structural layer is provided. The body can be easily manufactured.
[0027]
The gap material included in the second resin layer may be a polygonal granular material such as a filler. However, the gap material is managed with high accuracy, and the first and second substrates are relatively moved. In terms of facilitating, a spherical member having a predetermined tolerance diameter, such as that used in liquid crystal panels, is desirable.
[0028]
Although it is possible to use a gap material having a size matching the distance between the first and second substrates, there is not always a gap material having a size suitable for managing a desired gap. Therefore, conversely, it is desirable to form a structure in accordance with the size of the gap material in the region of the first and / or second substrate on which the second resin layer is applied. Thereby, the thickness of the third structural layer is not restricted by the size of the gap material, and the entire gap can be managed to a constant thickness even if the thickness is smaller or larger.
[0029]
Furthermore, it is desirable to provide a step of heating the second resin layer including the gap material before adjusting the alignment. Thereby, since the fluidity of the second resin layer is improved, the substrates can be moved relatively easily during alignment. By similarly heating the first resin layer, the fluidity is increased, so that the resistance force when moving the substrates is reduced, and alignment is facilitated.
[0030]
In the coating step, a plurality of chip areas in which a plurality of fine structures are aggregated are formed by the first and / or second substrate by the formation of the third structural layer, and a dicing process is performed in units of chips. It is desirable to apply the second resin layer to the regions of the first and second substrates that are cut off by dicing. During the dicing process, the second resin layer is automatically removed and discarded. Therefore, the finally obtained microfabricated chip does not include the second resin layer, and it is not necessary to newly provide a process for removing the second resin layer, and the handling is easy.
[0031]
In addition, the first and second substrates may be a part of the microstructure manufactured by the manufacturing method of the present invention, and even if the microstructure does not include the substrate, It can be manufactured by the manufacturing method of the invention. A substrate unnecessary as a microstructure, for example, the second substrate is formed by forming the second structural layer on the second substrate with the release layer interposed therebetween, and then forming the third structural layer. By providing the step of peeling the substrate, a microstructure that does not include the second substrate can be manufactured and provided.
[0032]
Further, at least a part of the second substrate may be a part of a microstructure to be chipped. In other words, the second substrate itself can be processed into a second structure layer. In the present invention, the second structure layer is not limited to a resin material, but a fine structure including an inorganic material structure layer. It can also be applied as a production method for obtaining a body.
[0033]
Furthermore, as described above, it is also possible to use a mold transfer substrate with an appropriate shape processed as the second substrate. In this case, after forming the third structural layer, this mold transfer is performed. A step of peeling the second substrate which is the substrate is provided.
[0034]
When a micromachine such as the above-described optical switching device is manufactured by the method for manufacturing a fine structure of the present invention, the first structural layer only needs to have a portion that functions as an actuator. For example, an electrostatic actuator can be employed. A micromachine can be manufactured by forming an element driven by an actuator with the second and third structural layers. Furthermore, an optical switching device can be manufactured by using the element as an optical element. And according to the manufacturing method of the microstructure of the present invention, the micromachine and the switching device as shown in FIG. 2 can be manufactured with low cost and high accuracy.
[0035]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in more detail while showing a process of manufacturing the
[0036]
First, in
[0037]
Next, in step 112, as shown in FIG. 5, the
[0038]
Next, in
[0039]
Next, as shown in FIG. 7, the
[0040]
Further, since the
[0041]
And in the state which maintained the desired position, it heat-processes on the conditions of 180-330 degreeC, and forms the
[0042]
At this stage, as shown in FIG. 7, a structure (optical switching device) as a switching element for driving the optical element 3 by the
[0043]
Next, in
[0044]
As a result, as shown in FIG. 9, the optical element 3 composed of the second
[0045]
In
[0046]
Then, in
[0047]
Further, the process for forming the third structural layer in
[0048]
First, in step 120 of FIG. 10, the first and second resin layers are applied. As shown in FIG. 11, the material used as the resin layers 71 and 73 is prepared, respectively. First, as the
[0049]
Next, as shown in FIG. 12 schematically showing the
[0050]
The
[0051]
Further, in this example, a third resin (which may be the same as the first or second resin) 75 of an appropriate material is applied along the outer
[0052]
Next, returning to FIG. 10, in step 121, the two
[0053]
A
[0054]
Next, as shown in FIG. 14, the
[0055]
Then, as shown in FIG. 15, the
[0056]
Further, as shown in FIG. 16, the bonded first and
[0057]
In addition, the
[0058]
Next, as shown in
[0059]
In the manufacturing method of this example, the bonded
[0060]
Then, when the alignment is adjusted so as to be a desired relative position, in
[0061]
Next, in
[0062]
At this stage, the
[0063]
The microstructure of this example is an optical switching device in which the
[0064]
Furthermore, as schematically shown in FIGS. 18A to 18D, the present invention can be similarly applied to a manufacturing method of a fine structure using mold transfer. First, as shown in FIG. 18A, a transfer mold (transfer substrate) 81 in which a desired V-shaped (V groove) 82 is processed is prepared as a second substrate. As shown in FIG. 18B, on the side of the
[0065]
Then, when desired alignment and the like are completed, UV irradiation is performed, the
[0066]
In addition, the resin material mentioned above is an illustration and is not limited to them. For example, “World Lock No. XOC-03H2” manufactured by Kyoritsu Chemical Industry Co., Ltd., which is an ultraviolet curable epoxy adhesive, and “ThreeBond 2088F” manufactured by ThreeBond Co., Ltd., which is a bisphenol type epoxy resin. and so on. Resins based on modified alicyclic polyamines and polyamide amines are excellent in terms of less outgassing, but have a short pot life (about 1 day at room temperature) and are cumbersome to handle.
[0067]
Further, the resin containing the gap material is not limited to the above, but “Aron Ceramic D, N, W, D-4, D-5.N4” manufactured by Toa Gosei Co., Ltd. containing alumina oxide (ceramic). There is. This is excellent in that no outgassing occurs. There is also “HL4210J2” manufactured by Dexter Co., Ltd., an epoxy resin for LED. This is excellent in that it has a long pot life and does not cure until heated. Furthermore, there is “Dotite XA-974” manufactured by Fujikura Kasei Co., Ltd., which is an epoxy resin and contains a conductive filler (such as Ag). Thus, not only a spherical gap material but also a polygonal one can be applied to the present invention as long as it has a particle size within a suitable tolerance range.
[0068]
In the manufacturing method of this example, it is desirable to process the shape of the
[0069]
In addition, the manufacturing method of the microstructure of this invention is not limited to the example applied to the
[0070]
The structure of the micromachine
[0071]
In the micromachine having such a structure, first, the
[0072]
Furthermore, although the above has described an optical switching device as an example, it is possible to provide the manufacturing method of the present invention also for a micro switching device that operates a medium other than light or a micro machine for other uses. Therefore, it is possible to mass-produce micromachines with high product accuracy at a low yield.
[0073]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, when a microstructure having a structure on the order of micron or submicron or less, such as an optical switching device having an optical element, is formed on a different substrate. By superposing two fine structure layers and applying a resin layer containing a gap material, while controlling the thickness of the third structure layer formed between them, the relative position of each structure layer can be accurately adjusted at the same time. A method of manufacturing in a bonded state is disclosed. Therefore, according to the present invention, a highly reliable and high-quality microstructure can be easily manufactured at low cost.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing an outline of a projector using an image display device using evanescent light.
FIG. 2 is a diagram showing an outline of a video display device (switching device) using evanescent light.
FIG. 3 is a flowchart showing an outline of a manufacturing process of the switching device shown in FIG. 2;
4 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, and is a diagram showing a state in which an actuator layer is formed on a first substrate. FIG.
5 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, and is a diagram showing how a prism layer is formed on a second substrate. FIG.
6 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, in which a first resin and a second resin containing a gap material are applied on the first substrate shown in FIG. 4; FIG.
7 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, in which the first and second substrates are faced and combined to form a third structure layer. FIG.
8 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, and is a diagram showing a state of pixel separation in units of optical switching elements. FIG.
9 is a diagram showing a manufacturing process of the optical switching device shown in FIG. 2, and is a diagram showing a state in which the optical switching device is obtained by forming a chip and removing the sacrificial layer. FIG.
FIG. 10 is a flowchart illustrating in more detail the process of forming the third structural layer according to the present invention.
11 is a diagram schematically showing a preparation process of the first and second resin layers shown in FIG.
12 is a plan view showing a state in which the first and second resin layers shown in FIG. 10 are applied onto a first substrate. FIG.
13 is a diagram schematically showing a state in which each substrate is set on a jig in a process of bonding the first and second substrates shown in FIG. 10; FIG.
14 is a view schematically showing a state in which each substrate shown in FIG. 13 is set in a jig and the resin on the substrate is heated and acclimated. FIG.
15 is a view schematically showing a state in which each substrate shown in FIG. 13 is set on a jig and bonded together. FIG.
16 is a diagram schematically showing a state in which the bonded substrate shown in FIG. 15 is pressed.
17 is an enlarged schematic view of a part of the pasted state shown in FIG. 16. FIG.
FIG. 18 is a diagram schematically showing a process using mold transfer, which is a different manufacturing method to which the present invention is applied.
FIG. 19 is a diagram schematically illustrating a state in which a resin material including a gap material according to the present invention is applied to substrates having different shapes.
FIG. 20 is a diagram showing an outline of the structure and operation of a micromachine optical switching device according to a method for manufacturing a microstructure of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Light guide
2 Illumination light
3 Optical elements (optical element layers)
4 Microprism (second structure)
5 V-type support structure (third structure)
6 Actuator part, 60 Actuator layer (first structure layer)
7 Upper electrode and spring structure
8 Lower electrode
10 Optical switching element
20 Semiconductor substrate (first substrate)
41 Support layer (third structural layer)
42 Prism layer (second structural layer)
50 Optical switching devices
55 Optical switching unit (image display device)
71 1st resin material
72 Gap material
73 Second resin material
75 Third resin material (seal material)
81 Transfer mold (second substrate)
96 Glass substrate (second substrate)
97 Release layer
99 Sacrificial layer
100 jig
105 Temperature controller
180 Projector device
Claims (14)
前記第3の構造層を形成する工程は、前記第1および第2の構造層に挟まれるように前記第3の構造層となる第1の樹脂層を塗布すると共に、前記第1および第2の構造層に挟まれず、前記第1および第2の基板に挟まれるように、ギャップ材を含んだ第2の樹脂層を塗布する工程と、
前記第1および第2の構造層の相対的位置が所望の状態になるように前記第1および第2の基板のアライメントを調整する工程と、
前記第1の樹脂層を硬化させる工程とを備え、
前記第3の構造層を形成する工程では、前記塗布する工程に続いて、または同時に、前記第1および第2の構造層の外側で前記第1および第2の基板に挟まれ、前記第1および第2の構造層を囲うように第3の樹脂層を塗布する工程を備えている微細構造体の製造方法。A microstructure that is formed into a chip by combining a first substrate having a first structure layer and a second substrate having a second structure layer so that the first and second structure layers face each other. A method of manufacturing a microstructure having a step of forming a third structure layer that is a part of
In the step of forming the third structural layer, the first resin layer serving as the third structural layer is applied so as to be sandwiched between the first and second structural layers, and the first and second structural layers are applied. Applying a second resin layer containing a gap material so as to be sandwiched between the first and second substrates without being sandwiched between the structural layers;
Adjusting the alignment of the first and second substrates so that the relative positions of the first and second structural layers are in a desired state;
Curing the first resin layer,
In the step of forming the third structural layer, subsequent to or simultaneously with the applying step, the first structural layer is sandwiched between the first and second substrates outside the first and second structural layers. And a method of manufacturing a microstructure including a step of applying a third resin layer so as to surround the second structure layer.
前記第3の構造層を形成する工程は、前記第1および第2の構造層に挟まれるように前記第3の構造層となる第1の樹脂層を塗布すると共に、前記第1および第2の構造層に挟まれず、前記第1および第2の基板に挟まれるように、ギャップ材を含んだ第2の樹脂層を塗布する工程と、
前記第1および第2の構造層の相対的位置が所望の状態になるように前記第1および第2の基板のアライメントを調整する工程と、
前記第1の樹脂層を硬化させる工程とを備え、
前記第1の樹脂層を硬化させる工程の前に、前記第2の樹脂層を硬化させる仮留め工程を備えている微細構造体の製造方法。A microstructure that is formed into a chip by combining a first substrate having a first structure layer and a second substrate having a second structure layer so that the first and second structure layers face each other. A method of manufacturing a microstructure having a step of forming a third structure layer that is a part of
In the step of forming the third structural layer, the first resin layer serving as the third structural layer is applied so as to be sandwiched between the first and second structural layers, and the first and second structural layers are applied. Applying a second resin layer containing a gap material so as to be sandwiched between the first and second substrates without being sandwiched between the structural layers;
Adjusting the alignment of the first and second substrates so that the relative positions of the first and second structural layers are in a desired state;
Curing the first resin layer,
The manufacturing method of the microstructure provided with the temporary fixing process which hardens a said 2nd resin layer before the process of hardening a said 1st resin layer.
前記塗布する工程では、ダイジングにより切り捨てられる、前記第1および第2の基板の領域に、前記第2の樹脂層を塗布する微細構造体の製造方法。3. The chip structure according to claim 1, wherein a plurality of chip areas in which a plurality of fine structures are aggregated are formed by the first and / or second substrate by forming the third structural layer, and dicing in units of the chips. And having a process of
In the applying step, the microstructure is manufactured by applying the second resin layer to regions of the first and second substrates, which are cut off by dicing.
前記第3の構造層を形成した後に、前記第2の基板を剥離する工程を有する微細構造体の製造方法。In Claim 1 or 2, the 2nd structure layer is formed in the 2nd substrate on both sides of a exfoliation layer,
A method for manufacturing a microstructure including a step of peeling the second substrate after forming the third structural layer.
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