JP2001115293A

JP2001115293A - 微細形状部品の製造方法

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Publication number: JP2001115293A
Application number: JP29702799A
Authority: JP
Inventors: Tomoo Ikeda; 池田　　智夫
Original assignee: Citizen Watch Co Ltd
Current assignee: Citizen Watch Co Ltd
Priority date: 1999-10-19
Filing date: 1999-10-19
Publication date: 2001-04-24

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、非常に微細な形状を有し、且つ、
信頼性に優れ剛性の高い微細形状部品の製造方法を提供
することを目的としている。【解決手段】電鋳法によって微細パターンを有する金
属層を積層し、その後、加熱処理を加えることによっ
て、積層した金属層の一体化を行う。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は微細な形状、特に微
細な穴形状や微細な溝形状、を有する部品の製造方法に
関する。

【０００２】

【従来の技術】近年における装置の小型化、複雑化にあ
って、微細な形状、特に微細な穴形状や微細な溝形状、
の加工が要求されることが多々ある。以下に一般に知ら
れている微細加工法を挙げると、切削加工法、パンチン
グ加工法、エッチング加工法、レーザー加工法、電鋳加
工法などが挙げられる。

【０００３】切削加工法は１００μｍ以上の寸法の加工
を得意とし、穴加工にも溝加工にも対応でき、さらに金
属材料、プラスチック材料どちらでも加工可能であると
いうのが利点である。

【０００４】パンチング加工法は部材を破断させる加工
法であるが、加工可能な寸法は加工する部材の厚みによ
って限定される。加工する部材が薄ければ５０μｍ程度
の寸法の加工も可能である。但しパンチング加工法の場
合、加工部は完全に貫通してしまうので溝加工には適し
ていない。

【０００５】エッチング加工法の場合、加工する幅に対
して最大加工できる深さは同程度の寸法である。よっ
て、板厚の厚い部材に貫通穴を空ける加工を試みた場
合、その穴の直径は板厚以上になってしまう。しかしな
がら加工する深さが浅ければ微細な加工も可能であり、
例えば加工する部材の厚みが２０μｍ厚であれば直径２
０μｍの微細な穴を加工することも可能である。またエ
ッチング法の場合、パンチング加工法と異なり、途中で
エッチングを停止させることによって、貫通していない
溝加工のような形状も加工可能である。

【０００６】レーザー加工法はその名の通りレーザーを
用いて部材を加工するものであり、特にプラスチック材
料のような加工しやすい材料であれば非常に微細な加工
が可能である。

【０００７】電鋳加工法は、上記の部材の一部を除去し
て形状を形成する加工法とは異なり、部材をメッキ成長
させて形状を形成する電気メッキ法の一種である。電鋳
加工法の場合、電鋳型という形状を決定するための元型
が必要で、この電鋳型をいかに微細に精度良く形成する
かが重要である。電鋳型は最終的には除去されるので、
その材料としては溶解や蒸発で除去しやすい樹脂材料が
適している。樹脂材料からなる電鋳型の形成には、上述
のレーザー加工法やＬＳＩ分野で一般に用いられている
フォトリソグラフィー法が有効であり、どちらも微細形
状の形成には適した方法である。

【０００８】上記に挙げた加工法の中で、最も微細な加
工が可能な加工法は、フォトリソグラフィー法で電鋳型
を形成して行う電鋳加工法である。数μｍ程度の形状の
加工も可能である。但しこの電鋳加工法にも加工可能な
形状の限界があり、加工する幅に対してその厚みもしく
は深さは約１．５倍が限界で、それ以上の厚み、深さの
加工はできない。

【０００９】そこで、フォトリソグラフィー法で電鋳型
を形成する工程と電鋳法により部材を成長させる工程と
を交互に繰り返し行うことによって、電鋳してなる金属
部材を積層させてその厚みを厚くする方法を考案した。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは前述のフ
ォトリソグラフィー法で電鋳型を形成する工程と電鋳法
により部材を成長させる工程とを交互に行うことによっ
て、電鋳してなる部材を積層させその厚みを厚くする方
法を繰り返し実験した。その結果、安定した加工条件を
見いだすことができ、加工幅に対する部材の厚みを１．
５倍以上にすることができた。しかしながら、その加工
してできた部品において、電鋳法により積層した各々の
部材間の接合強度が非常に弱いと言うことが判明した。
それはわずかな衝撃でも容易に剥がれてしまうため、部
品完成後の取り扱いが非常に難しかった。その結果、部
品完成後に破壊して不良品になってしまうことも多くあ
り、微細形状部品の信頼性は非常に低いものであった。

【００１１】本発明の目的は、加工幅に対し加工部の厚
みもしくは深さが十分に厚い（深い）微細形状を有した
微細形状部品の製造方法を提供することであって、さら
にその微細形状部品に十分な強度を与え、高剛性の信頼
性が高い微細形状部品の製造方法を提供することであ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明の微細形状部品の製造方法は、導電性を有す
る基板上に塗被された非導電性材料を所望の形状にパタ
ーン化し非導電性材料からなる第１の電鋳型を形成する
工程と、導電性を有する前記基板に電流を流して電鋳を
行うことによって、前記基板上に第１の金属層を形成す
る工程と、前記第１の金属層と前記第１の電鋳型の上部
に塗被された非導電性材料を所望の形状にパターン化し
非導電性材料からなる第２の電鋳型を形成する工程と、
前記第１の金属層に電流を流して電鋳を行うことによっ
て、前記第１の金属層上に第２の金属層を形成する工程
と、前記基板、前記第１の電鋳型、前記第２の電鋳型を
除去する工程と、８００〜１５００℃の温度で前記第１
の金属層と前記第２の金属層を加熱する工程とを有して
いることを特徴としている。

【００１３】さらに、微細形状部品の強度をより増すた
めに、上記加熱工程において、第１の金属層に第２の金
属層を１０〜１０００ｇｆ／ｃｍ²の圧力で押しつけて
いることを特徴としている。

【００１４】また、前記第１の金属層および前記第２の
金属層がＮｉからなることを特徴としている。

【００１５】また、前記第１の電鋳型もしくは前記第２
の電鋳型をフォトリソグラフィー法を用いて形成したこ
とを特徴としている。

【００１６】（作用）本発明は、上記手段により、加工
幅に対し加工部の厚みもしくは深さが十分に厚い（深
い）微細形状を達成するとともに、さらにその微細形状
部品に十分な強度を与えることができたため、従来はわ
ずかな衝撃でも容易に剥がれてしまい取り扱いが難し
く、破壊による不良が多く発生していたという課題をす
べて解決することができた。

【００１７】

【発明の実施の形態】（第１の実施形態）図１は本発明
の微細形状部品の製造方法を示した図である。図１に示
す製造方法をもとにして、本第１の実施形態を説明す
る。なお第１の実施形態は微細穴を備えた微細形状部品
を製造した例である。まず導電性を有する基板３００上
に非導電性材料からなる第１の電鋳型２０１を所望の形
状でパターン化して形成する（図１（ａ））。

【００１８】第１の実施形態では硼珪酸ガラス上に銅
（Ｃｕ）を成膜した基板３００のＣｕが成膜された面上
にフォトリソグラフィー法を用いて非導電性の感光性レ
ジストからなる第１の電鋳型２０１をパターン化して形
成した。本実施形態のように基板３００はそのすべてが
導電性でなくてもよく、その一部に導電性を有したもの
をであってもかまわない。第１の実施形態でパターン化
された第１の電鋳型２０１は、直径５０μｍ、高さ５５
μｍの円柱形状をしている。

【００１９】本実施形態での第１の電鋳型２０１のパタ
ーン化は以下の方法で行った。まず基板３００のＣｕが
成膜された面上にＪＳＲ社製感光性レジストＴＨＢ−１
３０Ｎをスピンコート法で５０μｍの厚さで塗布した。
その時のスピンコート条件は回転数１０００ｒｐｍ、処
理時間１０秒であった。

【００２０】次にレジストが塗布された基板３００をホ
ットプレート上で９０℃の温度で５分間加熱し、レジス
ト内の溶剤を蒸発させレジストを固化させる。この工程
を一般にプリベークと呼ぶ。

【００２１】その後、所望の形状が施された露光用マス
クを用いて、感光性レジストＴＨＢ−１３０Ｎの任意の
部分のみを露光する。露光にはユニオン光学社製露光機
ＰＥＭ１０００を用い、３００ｍＪ／ｃｍ²の露光量で
露光を行った。

【００２２】最後に、レジストが露光された基板３００
を０．５％ＴＭＡＨ水溶液中に２分間浸漬させて現像を
行った。ＴＨＢ−１３０Ｎは感光不溶性のレジスト（一
般にネガレジストと呼ぶ。）であるため、未露光部が溶
解し除去され、露光部のみがパターン化して形成され
る。よって図１（ａ）に示す第１の電鋳型２０１は露光
された部分である。

【００２３】以上のような第１の電鋳型２０１のパター
ン化方法を一般にフォトリソグラフィー法と呼ぶ。この
パターン化方法は、微細に且つ精度良くパターニングで
きる手法としてＬＳＩ分野で広く用いられている方法で
あり、微細形状を形成するのに適している。なお、第１
の電鋳型２０１の形状が数百μｍ程度であれば、レーザ
ー加工法、切削加工法など別の方法でのパターン化も可
能である。

【００２４】基板３００上に第１の電鋳型２０１を形成
した後、基板３００に電流を流しながら行う電鋳法で第
１の金属層１０１を形成する（図１（ｂ））。第１の金
属層１０１は電流の流れている面にしか成長しないの
で、非導電性の第１の電鋳型２０１上には形成されな
い。

【００２５】第１の実施形態ではニッケル（Ｎｉ）電鋳
法を用いてＮｉからなる第１の金属層１０１を５０μｍ
の厚さで形成した。５０μｍ厚のＮｉからなる第１の金
属層１０１は、５０℃の温度のスルファミン酸ニッケル
メッキ液中で１Ａ／ｄｍ２の電流密度で５時間処理を行
うことで達成できた。

【００２６】次に図１（ｃ）に示すように、第１の電鋳
型２０１上に第２の電鋳型２０２を位置合わせして形成
する。第１の電鋳型２０１の形成と同様にフォトリソグ
ラフィー法を用いれば、誤差１μｍ以内での位置合わせ
は可能である。

【００２７】第１の実施形態において、第２の電鋳型２
０２も第１の電鋳型２０１と同様に直径５０μｍ、高さ
５１μｍの円柱形状でパターン化して形成されている。
またそのパターン化方法も第１の電鋳型２０１の場合と
同じ条件で行った。

【００２８】さらに図１（ｄ）に示すように、今度は第
１の金属層１０１に電流を流しながら電鋳法を行い、第
１の金属層１０１上に第２の金属層１０２を形成する。

【００２９】本実施形態では、第２の金属層１０２もＮ
ｉ電鋳法によって５０μｍの厚さで形成した。Ｎｉ電鋳
法の条件は第１の金属層１０１の形成の時と同じ条件で
処理した。

【００３０】その後、図１（ｅ）に示すように、積層し
て形成された第１の金属層１０１、第２の金属層１０２
から基板３００、第１の電鋳型２０１、第２の電鋳型２
０２を除去する。この時点で第１の金属層１０１と第２
の金属層１０２は接合強度は非常に弱いが、かろうじて
接合されている。また、第１の電鋳型２０１、第２の電
鋳型２０２が除去されたことで、第１の金属層１０１、
第２の金属層１０２には連通し貫通した微細穴１００が
空けられている。この微細穴１００の大きさは直径５０
μｍ、深さ１００μｍである。

【００３１】本実施形態では、まず感光性レジスト（Ｔ
ＨＢ−１３０Ｎ）からなる第１の電鋳型２０１と第２の
電鋳型２０２を、６０℃に加熱した１０％水酸化カリウ
ム（ＫＯＨ）水溶液中に３０分間浸漬させることで、溶
解除去させた。その状態では、まだＮｉからなる第１の
金属層１０１、第２の金属層１０２とＣｕが成膜された
硼珪酸ガラスからなる基板３００は分離されていない状
態にある。その後、硝酸系のＣｕエッチング液に上記状
態のまま３０分間浸漬させることで、硼珪酸ガラス上の
Ｃｕ膜がエッチング除去され、無理な外力が加わること
なく第１の金属層１０１、第２の金属層１０２から硼珪
酸ガラスのみとなった基板３００を分離することができ
た。

【００３２】最後に、第１の金属層１０１、第２の金属
層１０２を真空中もしくはアルゴン（Ａｒ）ガス雰囲気
中で８００℃〜１５００℃の温度で１時間加熱すると、
それぞれの金属層の界面が反応して一体化し、図１
（ｆ）に示すような一体化した微細形状部品１０が完成
した。なお、８００℃以下では界面での反応が起こらず
一体化せず、１５００℃以上では金属層自体が変形もし
くは変質するおそれが生じるため、本発明に適した加熱
温度は８００℃〜１５００℃の範囲といえる。

【００３３】本実施形態の微細形状部品を用いて、未加
熱のサンプルと８００℃で加熱したサンプルで、接合強
度の比較を行った。図２はその比較実験の詳細を示した
図である。その結果、未加熱のサンプル（図２（ａ））
は２００ｇｆの力で引っ張ると容易に第１の金属層１０
１と第２の金属層１０２が剥離してしまった。一方、８
００℃で加熱したサンプル（図２（ｂ））は１０００ｇ
ｆの力でようやく剥離した。以上の結果から加熱工程に
より十分に接合強度が増加していることがわかる。

【００３４】さらに、８００℃で加熱しながら第１の金
属層１０１と第２の金属層１０２を互いに１０ｇｆ／ｃ
ｍ²以上の圧力で加圧してみたところ、１０００ｇｆ以
上の力でも剥離は起こらなかった。但し、強力な加圧は
微細形状部品を傷つけるおそれがあり、さらに加圧のた
めに大きな労力がかさむ事などを考慮すると、１０００
ｇｆ／ｃｍ²以下の加圧が望ましい。

【００３５】（第２の実施形態）図３は本発明による第
２の実施形態を示した図である。図３の微細形状部品１
２はフォトリソグラフィー法を用いた電鋳型の形成とＮ
ｉ電鋳法による金属層の形成をそれぞれ交互に４回繰り
返して行い、その後加熱処理を行って完成させたもので
ある。厚さ１００μｍの板状の微細形状部品１２の中央
付近には直径２０μｍの貫通した微細穴１２０が空けら
れている。また積層して形成された、第１の金属層１２
１、第２の金属層１２２、第３の金属層１２３、第４の
金属層１２４は、加熱処理工程の効果で十分な接合強度
を得てそれぞれ接合されており、一枚板のごとく剥がれ
ることはなかった。

【００３６】本第２の実施形態の各工程について詳しく
説明する。まず計４回のＮｉ電鋳法による金属層の形成
工程で、第１の金属層１２１、第２の金属層１２２、第
３の金属層１２３、第４の金属層１２４が順にそれぞれ
２５μｍの厚さで形成されていった。なお、各々の金属
層の形成におけるＮｉ電鋳法の処理条件はすべて同条件
であり、５０℃の温度のスルファミン酸ニッケルメッキ
液中で１Ａ／ｄｍ²の電流密度で２．５時間の処理であ
った。

【００３７】また、それぞれの電鋳工程前に行われる４
回の電鋳型形成は、塗布したレジストの厚みと露光した
パターン形状以外、第１の実施形態とほぼ同じフォトリ
ソグラフィー条件で行った。その結果、直径２０μｍ、
高さ３０μｍの円柱形状の電鋳型が毎回形成された。

【００３８】加熱処理工程は１００ｇｆ／ｃｍ²の圧力
で加圧しながら１０００℃の温度で１時間行った。

【００３９】本実施形態で形成した微細形状部品１２
は、Ｎｉからなる板状の部材に直径２０μｍ、深さ１０
０μｍという微細穴１２０が空けられたものであるが、
これは従来の方法では加工が不可能な形状である。切削
加工法やパンチング加工法では直径２０μｍという微細
な穴は空けることができない。またエッチング加工法で
は、直径２０μｍの穴を空けようとした場合、深さに限
界があり１００μｍという深さは達成できない。レーザ
ー加工法の場合、プラスチック材料であれば可能な領域
であるが、本実施形態のような金属材料を微細に深く加
工することはできない。本発明は従来達成できなかった
微細形状の加工を達成するものである。

【００４０】（第３の実施形態）第３の実施形態では微
細溝を備えた微細形状部品を製造した。図４は本発明に
よる微細溝を備えた微細形状部品の製造途中の状態と製
造後の状態を示した図である。

【００４１】本実施形態の製造工程は以下の通りであ
る。（１）基板３１０上に電鋳法により底部金属層１１１を
形成する。（２）底部金属層１１１上に第１の電鋳型２１１を所望
の形状で形成する。（３）底部金属層１１１上に電鋳法で第１の壁部金属層
１１２を形成する。（４）第１の電鋳型２１１上に第２の電鋳型２１２を所
望の形状で形成する。（５）第１の壁部金属層１１２上に電鋳法によって第２
の壁部金属層１１３を形成する（図４（ａ））。（６）基板３１０、第１の電鋳型２１１、第２の電鋳型
２１２を除去する。（７）加熱処理を行い、一体化した微細溝１１０を備え
た微細形状部品１１が完成する（図４（ｂ））。

【００４２】各工程の加工条件を以下に示す。まず工程
（１）では、Ｃｕ膜が成膜された硼珪酸ガラスからなる
基板３１０上に、Ｎｉ電鋳法を用いてＮｉからなる厚さ
１００μｍの底部金属層１１１を形成した。この時のＮ
ｉ電鋳処理条件は、５０℃の温度のスルファミン酸ニッ
ケルメッキ液中で２Ａ／ｄｍ²の電流密度で５時間処理
であった。

【００４３】工程（２）では、フォトリソグラフィー法
を用いて第１の電鋳型２１１を幅７０μｍ、高さ１００
μｍ、奥行き３ｍｍの形状で形成した。本工程でも感光
性レジストとしてＪＳＲ社製ＴＨＢ−１３０Ｎを使用
し、第１及び第２の実施形態と同様の条件でパターン化
を行った。

【００４４】工程（３）では、工程（１）と同条件で５
時間、Ｎｉ電鋳処理を行い、Ｎｉからなる厚さ１００μ
ｍの壁部金属層１１２を形成した。

【００４５】工程（４）は工程（２）と、工程（５）は
工程（３）と、全く同じ条件で同じ作業を行って、幅７
０μｍ、高さ１００μｍ、奥行き３ｍｍの第２の電鋳型
２１２とＮｉからなる厚さ１００μｍの壁部金属層１１
３を形成した。

【００４６】工程（５）では、６０℃の１０％水酸化カ
リウム（ＫＯＨ）水溶液の３０分間、硝酸系Ｃｕエッチ
ング液に３０分間、浸漬させて、第１の電鋳型２１１、
第２の電鋳型２１２、基板３１０を除去した。

【００４７】最後に工程（６）で、１００ｇｆ／ｃｍ²
の圧力で加圧しながら１０００℃の温度で１時間加熱を
行い、底部金属層１１１、第１の壁部金属層１１２、第
２の壁部金属層１１３を一体化した。この加熱工程によ
って、微細形状部品１１は十分な強度を得られたため、
通常の使用において、破壊する事はなかった。

【００４８】以上によって、溝幅７０μｍ、溝深さ２０
０μｍ、奥行き３ｍｍの狭く深い微細溝を備えた、剛性
の高い微細形状部品を得ることができた。

【００４９】

【発明の効果】本発明によれば、従来形成することので
きなかった、加工幅に対し加工部の厚みもしくは深さが
十分に厚い（深い）微細形状を有した微細形状部品を達
成でき、さらに高剛性で高い信頼性をもった微細形状部
品を達成できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を示した図である。

【図２】本発明の第１の実施形態の加熱工程での強度増
強効果を未加熱サンプルと加熱サンプルとで比較した図
である。

【図３】本発明の第２の実施形態の断面図である。

【図４】本発明の第３の実施形態の製造途中状態と完成
状態を示した図である。

【符号の説明】

１０、１１、１２微細形状部品１００微細穴１０１第１の金属層１０２第２の金属層１１０微細溝１１１底部金属層１１２第１の壁部金属層１１３第２の壁部金属層１２０微細穴１２１第１の金属層１２２第２の金属層１２３第３の金属層１２４第４の金属層２０１、２１１第１の電鋳型２０２、２１２第２の電鋳型３００、３１０基板

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】微細な形状を有する微細形状部品の製造
方法であって、その工程は、導電性を有する基板上に塗被された非導電性材料を所望
の形状にパターン化し非導電性材料からなる第１の電鋳
型を形成する工程と、導電性を有する前記基板に電流を流して電鋳を行うこと
によって、前記基板上に第１の金属層を形成する工程
と、前記第１の金属層と前記第１の電鋳型の上部に塗被され
た非導電性材料を所望の形状にパターン化し非導電性材
料からなる第２の電鋳型を形成する工程と、前記第１の金属層に電流を流して電鋳を行うことによっ
て、前記第１の金属層上に第２の金属層を形成する工程
と、前記基板、前記第１の電鋳型、前記第２の電鋳型を除去
する工程と、８００〜１５００℃の温度で前記第１の金属層と前記第
２の金属層を加熱する工程とを有している事を特徴とす
る微細形状部品の製造方法。
【請求項２】前記加熱する工程において、第１の金属
層に第２の金属層を１０〜１０００ｇｆ／ｃｍ²の圧力
で加圧したことを特徴とする請求項１記載の微細形状部
品の製造方法。
【請求項３】前記第１の金属層および前記第２の金属
層がＮｉからなることを特徴とする請求項１もしくは請
求項２記載の微細形状部品の製造方法。
【請求項４】前記第１の電鋳型もしくは前記第２の電
鋳型をフォトリソグラフィー法を用いて形成したことを
特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項記載の
微細形状部品の製造方法。