JP2004195639A - 単段形微細構造物を有する部品を射出成形するための工具挿入体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】外表面に微細構造物の配列体が形成された部品を、それら微細構造物の品質を損なうことなく容易に射出成形するための工具挿入体の製造方法を提供する。
【解決手段】珪素ウエーハ１１の表面からエッチングマスクを介してプラズマエッチングすることにより前記ウエハ１１を貫通する微細穴の配列体を形成する工程、前記エッチングマスクを除去する工程、前記微細穴が形成されたウエーハ１１の表側をキャリヤー基体１６に結合して、マスター１９を形成する工程、前記ウエーハに形成された微細穴の中に、部品を射出成形するための工具挿入体として用いる金属層１７を電気化学的に堆積させる工程、及び前記マスター１９から前記金属層を分離する工程からなる。
【選択図】図３

Description

本発明は、合成材料、金属、又はセラミック材料から製造される微細構造化部品で、その部品の外側表面上に形成された予め定められた深さを有する微細構造物(microstructure)の配列体(arrangement)を有する微細構造化部品を射出成形するための工具挿入体(tool insert)を製造する方法に関する。

更に、本発明は、合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された部品で、その部品の外側表面上に形成された予め定められた深さを有する微細構造物の配列体を有する部品を射出成形するための方法に関し、この場合、第一及び第二の工具半面体から形成された工具を射出成形のために用いる。

射出成形により製造された部品を、微細構造物の品質を損なうことなく、多数の微細構造物の場合に取り出し力が過度になることなく、射出成形工程後に工具から確実に取り出すことができるようにするため、成形工具からの部品の取り出しを可能にする傾斜した表面で、例えば２°より大きな角度で傾斜した表面を微細構造物に与えることが必要である。この場合、この角度は、微細構造物の側壁間の断面で、部品の外側表面及びその断面に対し垂直な面内で測定する。

単段(single-stage)形微細構造物を有する部品を製造することができるようにする次の方法が知られている。
（Ａ） ガラス湿式エッチング
（Ｂ） 珪素乾式エッチング
（Ｃ） ＬＩＧＡ
（Ｄ） ＵＶ−ＬＩＧＡ
（Ｅ） レーザー加工
（Ｆ） マイクロ腐食(micro erosion)
（Ｇ） マイクロ切削（削孔、機械加工、旋削）。

しかし、これら既知の微細構造化法は、全て次の欠点を負っている：
方法（Ａ）を用いると、最大深さが限定された構造体しか達成することができない。方法（Ｂ）は、制御するのが難しい。方法（Ｃ）は、極めて時間がかかり、コスト高になる。方法（Ｄ）を用いると、成形工具から部品を取り出すことができるようにする傾斜した表面を作ることができないか、又は大きな費用をかけなければそれを作ることができない。方法（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）は、工業的に使用できるように充分開発されておらず、然も、順々にしか行うことができない。

このことから、本発明の第一の目的は、上で述べた種類の微細構造工具挿入体を製造する方法で、単段形微細構造物の場合に、成形工具からの部品の取り出しを可能にする傾斜した表面を、比較的低いコストで製造できるようにする方法を与えることにある。

本発明の第一の態様に従い、この第一の目的は、上述の種類の第一の方法を用いて達成され、その方法は次の工程を有する：
（ａ） 微細構造物の配列体に相当する第一エッチングマスクで、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状に(photo-lithographically)マスクする工程、
（ｂ） 前記第一ウエーハを、その第一ウエーハの前側をプラズマエッチングにより微細構造化し、前記第一ウエーハの厚さの一部分に亙って伸びる深さを有する空洞を構成する微細構造物の配列体を形成する工程、
（ｃ） 前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
（ｄ） 前記第一ウエーハの前記前側をキャリヤー基体に結合し、マスター(master)を形成する工程、
（ｅ） 前記第一ウエーハの層を除去し、貫通エッチングされていなかった微細構造物を露出させ、微細構造物の深さを設定する工程、
（ｆ） 前記第一ウエーハの後側及び前述の空洞を通って到達することができるキャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
（ｇ） 前記第一ウエーハの後側の上、及びその中に存在する、微細構造物により形成された空洞中に金属層を電気化学的に堆積させる工程、
（ｈ） 前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
（ｉ） 前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、その分離した金属層は、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができる該工程。

本発明の第二態様に従い、前述の第一の目的が上述の種類の第二の方法を用いて達成され、その方法は次の工程を有する：
（ａ） 微細構造物の配列体に相当する第一エッチングマスクで、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状にマスクする工程、
（ｂ） 前記第一ウエーハを、その第一ウエーハの前側をプラズマエッチングにより微細構造化し、微細構造物の配列体を形成し、然も、その構造物の深さが前記第一ウエーハの全厚さに亙って伸び、そのため、前記微細構造物が、第一ウエーハの前側及び後側に夫々開口を有する空洞を形成する工程、
（ｃ） 前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
（ｄ） 前記第一ウエーハの前記前側をキャリヤー基体に結合し、マスターを形成する工程、
（ｅ） 前記第一ウエーハの後側及び、前述の空洞を通って到達することができる前記キャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
（ｆ） 前記第一ウエーハの後側の上、及びその中に存在する、微細構造物により形成された空洞中に金属層を電気化学的に堆積させる工程、
（ｇ） 前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
（ｈ） 前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、その分離した金属層は、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができる該工程。

前述の第一及び第二の方法の好ましい態様は、第一ウエーハが珪素ウエーハであることを特徴とする。

前述の第一及び第二の方法の好ましい態様は、キャリヤー基体がパイレックス（登録商標）(Pyrex)ウエーハであることを特徴とする。

前述の第一及び第二の方法の他の好ましい態様は、キャリヤー基体が珪素ウエーハであることを特徴とする。

前述の第一及び第二の方法の好ましい態様は、堆積した金属層がニッケル層であることを特徴とする。

前述の第一及び第二の方法の好ましい態様は、第一ウエーハの前側の微細構造化を、アンダーカットを用いた第一ウエーハ貫通エッチングにより行い、その結果、形成された微細構造物が、第一ウエーハの前側までの距離と共に増大する幅を有する断面を有することを特徴とする。

更に、本発明の第二の目的は、部品の外側表面に形成され、予め定められた深さを有し、成形工具から部品を取り出すことができるようにする傾斜表面を有する微細構造物の配列体を有する部品を射出成形するための方法で、然も、第一及び第二の工具半面体から形成された射出成形用工具を用いる該方法を与えることにある。

本発明の第三の態様に従い、上述の第二の目的は、上述の種類の第三の方法により達成され、その方法は次の工程を有する：
（ａ） 微細構造物の配列体を形成するのに役立つ第一工具半面体として第一工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第一工具挿入体は上述の種類の方法に従い製造さる該工程、
（ｂ） 前記第一工具半面体に相対して配置される第二工具半面体として第二工具挿入体を配備する工程、
（ｃ） 射出成形のため、前記第一及び第二の工具挿入体から形成された工具を閉じる工程、
（ｄ） 前記第一と第二の工具挿入体の間の空洞中へ材料溶融物を注入する工程、
（ｆ） 前記注入された材料溶融物を冷却する工程、及び
（ｇ） 前記射出成形のための成形工具から、前記注入された材料溶融物の固化により形成され、前記成形工具からの部品の取り出しを可能にする傾斜した表面を有する微細構造物を有する部品を放出させる工程。

本発明による方法を用いて達成される利点は次の通りである：

本発明による方法は、便利で安価なやり方で、成形工具から部品を取り出すことができるようにする、２°より大きな角度で傾斜した傾斜表面を形成することを可能にしている。成形工具からの部品の取り出しを可能にするそのような傾斜した表面の重要な利点は、それらが、微細構造物の品質を損なうことなく、成形工具から部品を取り出すことを可能にし、ウエーハが多くの微細構造物を有する場合でも、成形工具から部品を取り出すのに必要な力を少なくすることができることである。

本発明による方法は、ボッシュ法(Bosch process)を用いた乾式珪素エッチングの一つの欠点である、構造物の基本的アンダーカットを未然に防ぐ。

本発明による方法は、エッチングの深さの均一性が、ウエーハの厚みを通して達成され、その結果、それが優れている付加的利点を有し、そのことは別な方法では乾式珪素エッチングの場合、特に開口が異なった幅を有する場合には得られないものである。

本発明を、更に図面に例示した例としての態様を参照して次に一層詳細に説明する。

図１〜４を参照して、合成材料部品を射出成形するための微細構造化工具挿入体を製造する方法を次に記述する。その部品は、合成材料部品の外側表面に形成された、予め定められた深さを有する微細構造物の配列体を有する。この方法は、金属又はセラミック材料から製造される部品を射出成形するためにも用いることができる。

図１に例示したように、第一処理工程では、珪素ウエーハ１１の前側を、微細構造物の配列体に相当するエッチングマスク１２を用いてホトリトグラフ状にマスクする。

次にウエーハ１１を、イオン及び反応性フッ素ラジカルからなるプラズマ中での乾式エッチング〔技術用語：ＤＲＩＥ＝深層反応性イオンエッチング(Deep Reactive Ion Etching)〕、所謂貫通エッチング(through-etching)により貫通エッチングする。この場合フッ素ラジカルが珪素を除去する。この目的のために、成形工具から部品の取り出しを可能にする希望の傾斜表面にアンダーカットが相当するように、エッチング手段の構成を選択する。この必要条件は、ボッシュ法に基づく珪素エッチング法がアンダーカットを生ずる傾向にある限り、特にエッチング開口の幅が２０μｍより大きい場合には、満たすことができる。この効果は本発明により活用され、成形工具からの部品の取り出しを可能にする希望の傾斜表面を発生させる。

このやり方で、珪素ウエーハ１１に、その珪素ウエーハの前側から出発する微細構造物の配列体を形成し、これらの微細構造物の深さが第一ウエーハの全厚さに亙って伸び、このやり方で形成された微細構造物が空洞１３を形成し、それら空洞が前側に開口１４、前記第一ウエーハの後側に開口１５を夫々有するようにする。例えば、珪素ウエーハ１１は、２５０μｍの厚さを有する。

次にエッチングマスク１２を珪素ウエーハ１１の前側から除去し、ウエーハ１１をひっくり返し、図２に例示したように珪素ウエーハ１１の前側をキャリヤー基体１６に結合し、固有の安定性を増大し、ウエーハ１１の後側を密封し、それにより、ニッケルを電気化学的に適用できるようにする。所謂ガルバノ(Galvano)マスター１９を、ウエーハ１１とキャリヤー基体１６とをこのようにして結合することにより形成する。

上で述べた方法を変更した一つの方法として、珪素ウエーハ１１の前側から出発する微細構造物の配列体を製造するが、これらの微細構造物が空洞を形成し、それらの深さがウエーハ１１の厚さの一部分までしか伸びていないようにする。この場合、エッチングマスク１２を除去し、ウエーハ１１の前側とキャリヤー基体１６との間の結合を与えた後、ウエーハ１１の層を除去し、貫通エッチングされていなかった微細構造物を露出させ、ウエーハ１１の残余の厚さ全てに亙り伸びている微細構造物の深さを設定する。

キャリヤー基体１６として、パイレックス（登録商標）ウエーハ（高濃度のナトリウムを含有するガラス）及び珪素ウエーハの両方が適している。

パイレックス（登録商標）ウエーハを、微細構造化した珪素ウエーハに陽極結合(anodic bonding)により分離しないように結合する。陽極結合工程中、例えば、１０００Ｖの高電圧を珪素及びパイレックス（登録商標）ウエーハに印加する。それらウエーハは互いに重ね合わせておく。ナトリウムイオンがパイレックス（登録商標）から珪素へ拡散し、パイレックス（登録商標）と珪素との間に大きな強度のイオン結合を生ずる。更にその拡散は、ウエーハの温度を上昇させることにより、例えば４００℃に上昇させることにより、加速する。

珪素ウエーハを、珪素溶融結合により微細構造化珪素ウエーハに分離しないように結合する。この珪素溶融結合中、珪素基体と微細構造化珪素ウエーハの結合すべき表面を調整し、次に或る温度及び圧力で共有結合的に結合する。但し、それら二つの結合すべき表面が示す粗さが極めて小さく（０．５ｎｍより小さく）、それら二つの表面が互いに直接接触できるようになるものとする。

次の処理工程は、マスター１９として一緒に言及したキャリヤー基体１６と一緒にした微細構造化珪素ウエーハ１１に、下に記載する電気化学的堆積のための出発層として働く薄い伝導性層を与えることである。例えば、金、銀、及びニッケルが適しており、アルミニウム、チタン、又はクロムの接着性層で被覆した後、それらを、スパッター法（「カソード微粒化」と言う用語でも知られている）か又は蒸着により物理的に適用する。

次に、図３に例示したように、マスター１９を伝導性出発層により電気的に接触させ、厚い金属層１７、好ましくはニッケル層を電気化学的に堆積して、例えば１ｍｍの厚さを有する機械的に安定な支持板を形成する。

上述の堆積、例えば、ニッケルシム(shim)とも呼ばれているニッケル層１７の堆積に続き、そのニッケルシムの後側２０を先ず平らにする。適当な方法は腐食及び研磨である。次に微細構造化ニッケル工具挿入体１７（今後「シム」として言及する）を、マスター１９から分離しなければならない。この目的のため、マスター１９をシム１７から機械的に分離するか、又は適当な湿式化学的エッチング法で溶解するか、又は乾式エッチング法により分離する。図４は、後側２０が平らにされた分離ニッケルシム１７を例示している。

分離した金属層１７は、本発明に従い製造された工具挿入体の成形用部品として用いることができ、横外側表面２６、２７を有し、それらの表面は成形工具からの部品の取り出しを可能にする傾斜表面で、例えば、２°より大きな角度を有する傾斜表面を生ずることができるようにしている。

合成材料部品を射出成形する方法を、図５〜７を参照して下に記述する。

合成材料部品を射出成形する目的で、ニッケルシム１７を工具半面体２２中に取付ける。その半面体は、射出成形工具の第二の工具半面体２３に相対して配置する。射出成形工具を閉じ、合成材料溶融物２５を、射出成形工具の内部空洞中へ注入する。

合成材料溶融物２５が堅く固化したならば、射出成形工具を開き、合成材料部品３１をシムからほんの僅かな大きさの力で取り出すことができる。微細構造物の品質が損なわれることがなく、ウエーハが多くの微細構造物を有する場合でも、合成材料部品を取り出すのにほんの僅かな大きさの力がありさえすれば良いことは有利な点である。上述の方法の更に別の利点は、その結果、極めて良好な深さ均一度を有する微細構造物を製造することができることである。

合成材料部品３１は、横内側表面３２、３３を有する微細構造物を有し、それらの表面は、成形工具からの部品の取り出しを可能にし、例えば、２°より大きな角度を有する傾斜表面を構成している。

微細構造物の配列体を形成するため、プラズマエッチングを用いて貫通エッチングすることにより行われた、第一ウエーハの前側の微細構造化を示す図である。 ガルバノマスターを形成するため、キャリヤー基体への第一ウエーハ前側の結合を示す図である。 第一ウエーハの前側の上、及びその中に与えられた、貫通微細構造物により形成された空洞中に金属層を電気化学的に堆積させたものを示す図である。 第一ウエーハ及びそれに結合されたキャリヤー基体から分離された金属層を示す図である。 第一ウエーハ及びそれに結合されたキャリヤー基体から分離された金属層を、工具挿入体の成形用部品として用い、然も、その工具挿入体は、本発明に従って製造され、部品を射出成形するための工具の工具半面体として用い、材料溶融物を射出成形工具の内部空洞中へ注入したものを例示した図である。 上で言及した金属層から部品を成形工具から取り外したところを例示する図である。 射出成形工具から取り出した部品を示す図である。

Claims (8)

1. 合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された微細構造化部品で、その部品の外側表面に形成された、予め定められた深さを有する微細構造物の配列体を有する部品を射出成形するための工具挿入体を製造する方法において、次の工程：
   （ａ） 微細構造物の配列体に相当する第一エッチングマスクで、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状にマスクする工程、
   （ｂ） 前記第一ウエーハを、その第一ウエーハの前側をプラズマエッチングすることにより微細構造化し、前記第一ウエーハの厚さの一部分に亙って伸びる深さを有する空洞を構成する微細構造物の配列体を形成する工程、
   （ｃ） 前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
   （ｄ） 前記第一ウエーハの前記前側をキャリヤー基体に結合して、マスターを形成する工程、
   （ｅ） 前記第一ウエーハの層を除去し、貫通エッチングされていなかった微細構造物を露出させ、それら微細構造物の深さを設定する工程、
   （ｆ） 前記第一ウエーハの後側及び前述の空洞を通って到達することができるキャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
   （ｇ） 前記第一ウエーハの後側の上、及びその中に存在する、前記微細構造物により形成されている空洞中に、金属層を電気化学的に堆積させる工程、
   （ｈ） 前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
   （ｉ） 前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、その分離した金属層が、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができる該工程、
   を含む、上記工具挿入体製造方法。
2. 合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された微細構造化部品で、その部品の外側表面に形成され、予め定められた深さを有する微細構造物の配列体を有する部品を射出成形するための工具挿入体を製造する方法において、次の工程：
   （ａ） 微細構造物の配列体に相当する第一エッチングマスクを用いて、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状にマスクする工程、
   （ｂ） 前記第一ウエーハを、その第一ウエーハの前側をプラズマエッチングすることにより微細構造化し、微細構造物の配列体を形成し、然も、それら構造物の深さが前記第一ウエーハの全厚さに亙って伸び、そのため前記微細構造物が、第一ウエーハの前側及び後側に夫々開口を有する空洞を形成する工程、
   （ｃ） 前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
   （ｄ） 前記第一ウエーハの前記前側をキャリヤー基体に結合して、マスターを形成する工程、
   （ｅ） 前記第一ウエーハの後側、及び前述の空洞を通って到達することができる前記キャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
   （ｆ） 前記第一ウエーハの後側の上、及びその中に存在する、微細構造物により形成されている空洞中に、金属層を電気化学的に堆積させる工程、
   （ｇ） 前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
   （ｈ） 前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、その分離した金属層が、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができる該工程、
   を含む、上記工具挿入体製造方法。
3. 第一ウエーハが珪素ウエーハであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
4. キャリヤー基体がパイレックス（登録商標）ウエーハであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
5. キャリヤー基体が珪素ウエーハであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
6. 堆積金属層がニッケル層であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の方法。
7. 第一ウエーハの前側の微細構造化を、アンダーカットを用いた第一ウエーハの貫通エッチングにより行い、そのため、形成された微細構造物が、前記第一ウエーハの前側までの距離と共に幅が増大する断面を有することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
8. 合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された部品で、その部品の外側表面に形成された、予め定められた深さを有する微細構造物の配列体を有する部品を射出成形するための方法において、第一及び第二の工具半面体から形成された射出成形用工具を用い、然も、次の工程：
   （ａ） 微細構造物の配列体を形成するのに役立つ第一工具半面体として第一工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第一工具挿入体が、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法に従って製造される該工程、
   （ｂ） 前記第一工具半面体に相対して配列される第二工具半面体として第二工具挿入体を配備する工程、
   （ｃ） 射出成形のため、前記第一及び第二の工具挿入体から形成された工具を閉じる工程、
   （ｄ） 前記第一と第二の工具挿入体の間の空洞中へ材料溶融物を注入する工程、
   （ｆ） 前記注入された材料溶融物を冷却する工程、及び
   （ｇ） 射出成形のための成形工具から、前記注入された材料溶融物の固化により形成された、前記成形工具からの部品の取り出しを可能にする傾斜した表面を有する微細構造物を有する部品を放出する工程、
   を含む、上記部品射出成形方法。

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