CN1578753A - 金属精细结构体的制造方法 - Google Patents

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平田嘉裕
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Abstract

本发明是一种用树脂模型(13)制造金属精细结构体(1)的制造方法，为了提供能设定树脂模型(13)的损坏少并且温和的制造条件，通过均匀的电铸大量制造高精度的金属精细结构体(1)的方法，本发明的金属精细结构体(1)的制造方法包括通过感光性聚合物(12)将树脂模型(13)固定在导电基板(11)上，形成树脂模型层合体(2)的工序，其中所述感光性聚合物(12)通过电子射线、紫外线或可见光线使化学组成改变，树脂模型(13)具有贯穿厚度方向的空穴部；用电子射线、紫外线或可见光线将所述树脂模型层合体(2)曝光的工序；除掉所述树脂模型(13)的空穴部中存在的感光后的感光性聚合物(12c)的工序；和通过电铸用金属(14)中填埋所述树脂模型层合体(2)的空穴部的工序。

Description

金属精细结构体的制造方法
技术领域
本发明涉及在微型机械等上使用的金属精细结构体的制造方法
背景技术
在大量制造高精度的金属精细结构体时，LIGA(LithographieGalvanoformung Abformung)法是有用的。即使在X射线中，使用指向性高的SR(同步加速器辐射)光的LIGA法也可以进行深入的光蚀刻。另外，可以以微米区域的精度加工数百μm高度的结构体，进而可以很容易地制造具有高纵横比的金属精细结构体。由于有上述等特征，可以期待在广泛的领域中得到应用。
LIGA法是光蚀刻法、电铸等的电镀与模塑组合的加工技术。若使用LIGA法，例如在导电基板上形成保护膜后，通过具有规定形状图形的吸收体罩(マスク)照射SR光，用这样的光蚀刻法，形成对应于吸收体罩的形状图形的保护膜结构体(树脂模型(樹脂型))，通过对该保护膜结构体的空穴部进行电铸，可以得到金属精细结构体。另外，把进一步继续电铸得到的高精度金属精细结构体作为金属模使用，也可以通过注射模塑成形等成型，得到树脂制的精细成形品。例如，在特开2002-217461号公报中，公开了用LIGA法制造金属精细结构体的金属模及制造精细成型品的方法。
但是，利用光蚀刻法制造金属精细结构体时，由于使用一次光蚀刻法只能得到一张保护膜结构体(树脂模型)，存在不适合大量生产的问题。而在树脂模型中进行电铸制造金属精细结构体时，如果不用粘接剂等将树脂模型高精度并且坚固地固定在导电基板上，则在其后的工序中由于树脂模型和导电基板之间尺寸变化或发生剥离，结果导致产品的精度下降，或作不成产品的问题。而为了解决产品的精度和不良产品的问题，在用一般的粘接剂将树脂模型固定在导电基板上时，若在树脂模型层合体的空穴部中残留有粘接剂，就存在不能电铸或电铸不充分，在用电铸形成的金属层上产生不均匀的问题。进而存在当为了除去残留在树脂模型层合体的空穴部内的粘接剂而蚀刻树脂模型层合体整体时，与此相应地，树脂模型自身也会受到一定损害的问题。
本发明的课题是提供一种使用树脂模型的金属精细结构体的制造方法，其能设定树脂模型损害少的温和条件，可以通过均匀电镀大量地得到高精度的金属精细结构体。
发明内容
本发明的金属精细结构体的制造方法包括：通过由电子射线、紫外线或可见光线引起化学组成变化的感光性聚合物，将具有贯穿厚度方向的空穴部的树脂模型固定在导电基板上，形成树脂模型层合体的工序，用电子射线、紫外线或可见光线使树脂模型层合体曝光的工序，除掉在树脂模型的空穴部存在的感光后的感光性聚合物的工序，和通过电铸用金属填补树脂模型层合体的空穴部的工序。
在用溶剂除去感光后的感光性聚合物时，优选使用对未感光的感光性聚合物及树脂模型材料的溶解度比对感光后的感光性聚合物的溶解度小的溶剂。而用干刻除去感光后的感光性聚合物时，优选使用对树脂模型材料的腐蚀速度比对感光后的感光性聚合物的腐蚀速度小的腐蚀气体。
固定在导电基板上的树脂模型优选通过吸收及反射遮断电子射线、紫外线或可见光线的95％或95％以上。作为这样的树脂模型，优选在固定在导电基板上的底面和与底面相对的顶面中，有两面或一面用吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料覆盖的形态；树脂模型含有吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料的形态；或树脂模型的顶面倾斜，使电子射线、紫外线或可见光线不垂直入射，并有凹凸的形态。曝光时，最好使用波长为300nm或300nm以下的紫外线。
附图说明
图1A～图1G是表示本发明的金属精细结构体制造方法的工序图；
图2A～图2D是表示树脂模型制造方法的工序图。
具体实施方式
本发明的金属精细结构体的制造方法包括：用光敏聚合物把树脂模型固定在导电基板上，形成树脂模型层合体的工序，曝光工序，除去感光后的光敏聚合物的工序和把金属埋入树脂模型层合体的空穴部中的工序。
关于本发明的金属精细结构体的制造方法，在图1A～图1G中概略表示一实施例。
通过光敏聚合物将树脂模型固定在导电基板上，形成树脂模型层合体的工序中，如图1A所示，通过旋转镀层等在导电基板11上形成厚度为数μm的光敏聚合物层12，接着，如图1B所示，在光敏聚合物层12上层压具有贯穿厚度方向的空穴部的树脂模型13。因此形成树脂模型层合体2。光敏聚合物12发挥使导电基板11和树脂模型13粘接并固定的作用。通过把导电基板11和树脂模型13牢固地固定，可以抑制在其后的工序中由于尺寸变化导致的精度下降。另外可以抑制导电基板11和树脂模型13的剥离。除了这样在导电基板上形成光敏聚合物层后，在光敏聚合物层上固定树脂模型的方式外，也可以采取在贯穿的树脂模型的底面上形成光敏聚合物层，把该树脂模型固定在导电基板上的方式(图中未示出)。
作为光敏聚合物，使用通过电子射线、紫外线或可见光线使化学组成产生变化的材料。即，使用通过电子射线、紫外线或可见光线使官能团改变或引起分解等化学变化，容易溶化在溶媒中等，易于除去的聚合物。在本发明中特别使用感光性聚合物是由于通过利用曝光使其发生化学变化并容易除去，可以使除去条件变得温和，同时可以减少清除导致的树脂模型损害。同样，作为光敏聚合物，使用在紫外线(波长10nm～400nm)或可见光线区域中具有吸收波长的材料是由于紫外线和可见光线与X射线等相比，具有通用性，另外能量小，通过使用这样的小能量光线作为曝光用的光源可以抑制树脂模型的损坏。在这些光线中，在能容易地提高曝光效率这一点上，优选波长为300nm或300nm以下的紫外线。波长为300nm或300nm以下的紫外线例如可以由XeF灯或插入遮断比300nm波长长的光线的带通滤波器的一般水银灯得到。使用这些光源，也通过调整光源的强度可以得到数mW/cm2的照度。
本发明中使用的光敏聚合物具有这样的感光性。同时具有如上所述的粘接性，具有在导电基板上固定树脂模型的功能。作为这样的光敏聚合物，具体地有苯酚系树脂、酚醛清漆树脂，其中在感光后可溶于碱水溶液这一点上，优点以醌二迭氮(キノンジアジド)化合物为主要成分，另外光敏聚合物层的厚度优选为1～70μm。若比1μm薄就不能得到足够的粘接强度，而若比70μm厚，由于很难得到垂直的断面，故有必要通过研磨等部分清除在后面得到的金属精细结构体的导电基板侧。
在图1A中表示使用导电基板11的例子，导电基板的厚度根据用途是各种各样的，厚度从数10μm到数mm以上，没有特别限定。作为这样的导电基板11的材质有SUS、Al、Cu等。另外，作为导电基板，也可以使用在没有导电性的基板上形成导电层的层合体(没有图示)。具体的可以使用在由Si、玻璃、陶瓷、塑料等形成的基板上真空镀敷由Ti、Al、Cu等或它们的合金等形成的导电层，用喷溅、电镀、CVD等形成的导电基板。也可以根据需要，在有导电性的基板上加上另一种金属薄膜。
通过光敏聚合物层12固定在导电基板11上的树脂模型13具有在厚度方向贯穿的空穴部(图1B)。树脂模型在下一工序中通过电子射线、紫外线或可见光线曝光时，虽然发挥作为吸收体罩的功能，使空穴部底的光敏聚合物曝光，但为了保护树脂模型正下方的光敏聚合物，保持导电基板和树脂模型的密合性。作为该种树脂模型的材料，有聚甲基甲基丙烯酸酯、聚丙烯、聚碳酸酯等。
在保护树脂模型正下方的光敏聚合物层不受后续工序的曝光所用的电子射线、紫外线或可视光线影响的功能强这一点上，树脂模型优选通过吸收和反射遮断电子射线、紫外线或可见光线中的95％或95％以上的电子射线、紫外线或可见光线。通过使用这样的树脂模型，防止树脂模型从基板上剥离，从而使金属精细结构体的稳定制造变得容易。
作为这样的树脂模型，优选固定在导电基板上的底面和与底面相对的顶面中，两面或一面用吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料覆盖的形态，树脂模型含有吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线材料的形态或树脂模型的顶面倾斜，使电子射线、紫外线或可见光线不垂直入射，具有容易漫反射的凹凸的形态，把这些形态适当组合的树脂模型也是有效的，包括注重吸收的形态，注重反射的形态，或注重吸收和反射双方的形态中的任意一种。进一步地，这些形态即使在由于树脂模型薄，不能使作为吸收体罩的功能充分起作用时也是有效的。
在固定在导电基板上的底面和与底面相对的顶面中两面或一面用吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料覆盖的树脂模型中，由吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料组成的层起遮光层的作用，保护树脂模型正下方的光敏聚合物。将由吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料组成的层设在底面或顶面时，设在底面的很有效。由吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料组成的层与光敏聚合物层之间的距离越短，由电子射线、紫外线或可见光线的衍射产生的蔓延变少，保护树脂模型正下方的光敏聚合物的效果变大。作为吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料可以使用Al、Ti、Cu、Cr、Au、Ni、Ag等金属或Cr2O3、WN(氮化钨)等金属化合物，或SiO2、Al2O3、SiC、AlN等陶瓷。形成树脂模型的底面和顶面的方法可以采用溅射法或镀敷等各种方法。
树脂模型含有吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料的形态在遮挡电子射线、紫外线或可见光线，保护树脂模型正下方的光敏聚合物的层功能强这一点上优选，作为吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料，可以使用上述的金属、金属化合物或陶瓷。另外，也可以使用着色剂、紫外线吸收剂等。进一步地在含有吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料的树脂模型形态中也包括树脂模型自身由吸收或反射电子射线、紫外线或可见光线的材料组成的形态。如前所述，曝光时，优选使用波长为300nm或300nm以下的紫外线，而作为吸收波长为300nm或300nm以下的紫外线的树脂，例如有サンラツド UXC201(三洋化成公司制)，由サンラツド UXC201制成的树脂模型，由于其对波长为300nm或300nm以下的紫外线吸收率大，故即使树脂模型的厚度薄，也可以很容易地遮断95％或95％以上的紫外线。因此，特别是用紫外线吸收剂覆盖树脂模型的底面或顶面，或把顶面作成有凹凸的粗糙面，即使不在树脂模型中添加紫外线吸收剂，也可以很容易地遮断紫外线，树脂模型的厚度也可以做得很薄。
树脂模型的顶面优选倾斜，使电子射线、紫外线或可见光线不垂直入射，并有凹凸。通过让树脂型的顶面倾斜使电子射线、紫外线或可见光线不垂直入射那样，可以使反射的光量大，加强对树脂模型正下方的光敏聚合物的保护。只要能使反射的光量加大，就可以考虑制造的容易性等后适当调整顶面的倾斜角。而若顶面是有凹凸的粗糙面，就可以通过漫反射，使透过树脂模型的光量减少，保护树脂模型正下方的光敏聚合物。这样的粗糙面可以用溅射法形成。另外，也可以通过用砂纸等进行机械加工形成。为了通过漫反射有效地减少透过的光量，树脂模型顶面的表面粗糙度(算术平均粗糙度Ra)优选为1μm或1μm以上。
在曝光工序中，用电子射线、紫外线或可见光线照射树脂模型层合体1分钟至10分钟，曝光。在导电基板上涂布光敏聚合物并在其上粘贴了树脂模型时，如图1B所示，在树脂模型层合体2的空穴部的底部存在光敏聚合物层12a。而在树脂模型的底面上涂布光敏聚合物后，将树脂模型固定在导电基板上时(图中未示出)，固定后剩余的光敏聚合物从树脂模型层合体的空穴部的底部流出。在该工序中，通过使树脂模型层合体曝光，如图1C所示，树脂模型13自身发挥吸收体罩的功能，使在树脂模型层合体空穴部底部的光敏聚合物12a曝光，变成由容易用溶剂和干刻蚀等除去的化学组分构成的聚合物12c。
除去感光后的聚合物的工序也可以用溶剂进行或用干刻蚀进行。清除在树脂模型空穴部底上的感光后的聚合物后的状态如图1D所示。通过该工序，在树脂模型层合体的空穴部上现出导电基板的干净的金属面。其结果是在后续工序中通过电镀可以把金属均匀埋入树脂模型层合体的空穴部部，可以得到高精度的金属精细结构体。
用溶剂除去感光后的聚合物的工序中，为了完全除去在树脂模型层合体空穴部底上的感光后的聚合物，并且保护树脂模型正下方的未感光的聚合物和树脂模型，优选使用对未感光聚合物和树脂模型材料的溶解度比对感光后的聚合物的溶解度小的溶剂(显影液)。对树脂模型材料的溶解度优选是对感光后的聚合物的溶解度的5％质量或以下，更优选3％质量或以下。例如在使用苯酚系树脂、酚醛清漆树脂或干薄膜电阻(ドライフィルムレジスト)作为光敏聚合物时，优选使用具有对树脂模型没有影响的碱性的溶剂(显影液)。具体地，作为光敏聚合物使用东京应化制的PMER P-LA100PM时，作为腐蚀液，优选使用东京应化制的PMER P-7G。
通过干刻蚀除去感光后的聚合物的工序中，为了完全清除树脂模型层合体空穴部底部的感光后的聚合物，并保护树脂模型，优选使用对树脂模型材料的腐蚀速度比对感光后的聚合物的腐蚀速度小的腐蚀气体。所谓腐蚀速度是指利用腐蚀气体的物理、化学效果除去对象物的速度。作为树脂模型的材质，优选聚丙烯或多环芳香族系树脂等具有耐干刻蚀性的树脂，当光敏聚合物是低分子量的苯酚系树脂或酚醛清漆树脂时，作为腐蚀气体，优选例如Ar、SF6、O2、CF4或这些气体的混合气体。
另外，优选FR功率为10W～400W，使导电基板冷却到0℃～100℃后进行蚀刻。若导电基板温度高，就会存在树脂模型正下方的未感光的聚合物和树脂模型也由于横向的蚀刻被侵蚀的倾向。但是，若导电基板处于0℃～100℃的低温，则可以抑制对树脂正下方的未感光的聚合物的侵蚀，可以选择地只腐蚀树脂模型的深度方向。干刻蚀作业工序少，由于是干燥的工序，在不需要大量的洗净工序这一点上，比上述的用溶剂进行清除的方法有利。
除去感光后的聚合物后，通过电铸将金属埋入树脂模型层合体的空穴部。埋入金属后的状态如图1E所示。所谓电铸是指用金属离子溶液在导电基板上形成金属层14。形成金属层14后，利用研磨或研削使其与规定的厚度一致。得到的金属精细结构体可以以附加导电基板的状态用于如电路基板等。另外，也可以从导电基板上拆下，只使用金属精细结构体。
除去导电基板上的树脂模型可以通过用氧等离子体等打磨等进行。其结果可以得到图1F所示的结构体。通过从该结构体上拆下导电基板，可以得到如图1G所示的金属精细结构体1。该金属精细结构体1是宽为数μm～数百μm，高度到数百μm的结构体，具有很大的纵横比。另外，也可以制造复杂的结构体，也不用部件的组装作业。前面所述的树脂模型可以按原型大量复制用LIGA法等作成的金属模，在此，也可以通过电铸大量制造金属精细结构体。
对于树脂模型的制造方法，在图2A～图2D中表示一实施形态。在图2A中表示有凸部24的金属模。使用这样的金属模，如图2B所示，进行注射模塑成形等成型，制造具有凹部的树脂模型23。图2C表示除去金属模后的具有凹部的树脂模型23。树脂模型的材质是聚甲基甲基丙烯酸酯、聚丙烯或聚碳酸酯等。具有凹部的树脂模型除通过注射模塑成形等的铸型外，也可以通过热固化或光固化制造。树脂模型的材质是丙烯酸系树脂或环氧系树脂等。研磨树脂模型23时，可以得到如图2D所示的在厚度方向贯穿的树脂模型23a。另外树脂模型的研磨也可以在将树脂模型粘接在导电基板上后进行。
可以认为，此次公布的实施方式和实施例在所有方面都是示例，不是限制的条件。本发明的范围不是上述的说明，而用权利要求来表示。打算包括意思和权利要求相同的及在权利要求内的所有变化。
产业适用性
根据本发明，可以使用树脂模型，采用对树脂模型损害少的温和制造条件大量制造高精度的金属精细结构体。

Claims (8)

1.一种金属精细结构体的制造方法，包括以下工序：
通过感光性聚合物(12)将树脂模型(13)固定在导电基板(11)上，形成树脂模型层合体(2)的工序，其中所述感光性聚合物(12)通过电子射线、紫外线或可见光线使化学组成改变，树脂模型(13)具有贯穿厚度方向的空穴部；
用电子射线、紫外线或可见光线将所述树脂模型层合体(2)曝光的工序；
除掉所述树脂模型(13)的空穴部中存在的感光后的感光性聚合物(12c)的工序；和
通过电铸用金属(14)填埋所述树脂模型层合体(2)的空穴部的工序。
2.权利要求1所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，在除去所述树脂模型(13)空穴部中存在的感光后的光敏聚合物(12c)的工序中，使用对未感光的光敏聚合物(12b)和树脂模型(13)材料的溶解度比对感光后的光敏聚合物(12c)的溶解度小的溶剂进行清除。
3.权利要求1所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，在除去所述树脂模型(13)空穴部中存在的感光后的光敏聚合物(12c)的工序中，使用对树脂模型(13)的材料的腐蚀速度比对感光后的光敏聚合物(12c)的腐蚀速度小的腐蚀气体进行干刻蚀。
4.权利要求1所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，所述树脂模型(13)通过吸收和反射遮断所述电子射线、紫外线或可见光线的95％或95％以上。
5.权利要求4所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，所述树脂模型(13)中，在固定于导电基板(11)上的底面和与该底面相对的顶面中，两面或一面用吸收或反射所述电子射线、紫外线或可见光线的材料覆盖。
6.权利要求4所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，所述树脂模型(13)含有吸收或反射所述电子射线、紫外线或可见光线的材料。
7.权利要求4所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，所述树脂模型(13)的顶面倾斜，使所述电子射线、紫外线或可见光线不垂直入射，并有凹凸。
8.权利要求4所述的金属精细结构体的制造方法，其特征在于，所述紫外线波长为300nm或300nm以下。
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