JP2005120392A - 金属部品の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な型再現性によりナノオーダーの微細形状部位を有する金属部品の製造が可能な方法を提供する。
【解決手段】鋳型の成形面上に金属材を電鋳させることにより金属部品を製造する方法であって、型形成工程にて、鋳型の成形面上に離型剤としてアミノ系シランカップリング剤を用いて離型剤膜を成膜し、この離型剤膜に無電解めっき用触媒を付与し、無電解めっきにより電鋳用通電膜を成膜し、次いで、電鋳工程にて、上記の電鋳用通電膜に通電することにより電鋳用通電膜上に金属材を析出させ、その後、剥離工程にて、金属材を鋳型から剥離して金属部品を得るような構成とする。
【選択図】 なし

Description

本発明は、金属部品の製造方法に係り、特に鋳型の成形面上に金属材を電鋳させ、その後、金属材を剥離することにより、ナノメートルオーダーの微細形状部位を有する金属部品を製造することができる金属部品の製造方法に関する。

従来、金属製鋳型を用いて電鋳により金属材を析出させて金属部品を製造する方法では、金属鋳型からの金属材の剥離を容易なものとするために、酸化剤型の離型剤を用いて酸化被膜もしくは不動態化被膜を鋳型に形成していた。また、離型剤としてペイント、ワックス、金属微粒子を用いて離型剤膜を形成する方法も知られている（非特許文献１）。
一方、シランカップリング剤は、無電解めっき析出の均一化（特許文献１）や、無電解めっき密着性の向上（特許文献２）を目的として用いられてきた。
電鋳技術と応用 （槇書店発行、伊勢秀夫著） 特開昭６１−１９４１８３号公報 特開２００２−２２６９７２号公報

しかし、従来の離型剤により形成される酸化被膜や不動態化被膜は、厚みが数百ｎｍ以上の離型剤膜となり、超微細なナノメートルオーダーでの加工では良好な型再現性が得られず、電鋳による高精細な金属部品の製造が困難であった。
また、無電解めっき被膜の均一化、密着性向上を可能とする公知のシランカップリング剤は、良好な離型性が得られないものであった。
本発明は、上述のような実情に鑑みてなされたものであり、良好な型再現性によりナノメートルオーダーの微細形状部位を有する金属部品の製造が可能な方法を提供することを目的とする。

このような目的を達成するために、本発明は鋳型の成形面上に金属材を電鋳させることにより金属部品を製造する方法において、鋳型の成形面上に離型剤としてアミノ系シランカップリング剤を用いて離型剤膜を成膜し、該離型剤膜に無電解めっき用触媒を付与し、無電解めっきにより電鋳用通電膜を成膜する型形成工程と、該電鋳用通電膜に通電することにより電鋳用通電膜上に金属材を析出させる電鋳工程と、金属材を鋳型から剥離して金属部品とする剥離工程と、を有するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記離型剤膜の成膜は、含有濃度が０．１〜１００ｇ／Ｌの範囲である離型剤水溶液を使用するような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記鋳型はナノメートルオーダーの微細形状部位を有するような構成とした。

本発明の好ましい態様として、前記アミノ系シランカップリング剤は、下記の一般式（１）で表されるものであるような構成とした。
ＮＨ₂−Ｒ1−Ｓｉ−（Ｏ−Ｒ2）₃ … 一般式（１）
（ただし、Ｒ1は炭素数２〜３のアルキル基、Ｒ2は炭素数１〜２のアルキル基）
本発明の好ましい態様として、前記アミノ系シランカップリング剤は、γ−アミノプロピルトリエトキシシランであるような構成とした。
本発明の好ましい態様として、前記鋳型の材質は、金属、ガラス、無機酸化物、有機樹脂のいずれかであるような構成とした。

本発明によれば、離型剤としてアミノ系シランカップリング剤を用いて成膜した離型剤膜が良好な触媒吸着性を発現するので、無電解めっきによる離型剤膜上への電鋳用通電膜の形成が可能であり、電鋳用通電膜の形成のために真空成膜法等の特別の膜形成方法を必要とせず、工程が簡便なものとなり、また、離型剤膜が単分子層膜あるいはこれに近い数百〜数千ピコメートルの薄膜であり、鋳型の成形面形状に対する追随性が高く、かつ、良好な離型性を発現するので、ナノメートルオーダーの微細形状部位を有する金属部品を高い再現性で製造することが可能である。

次に、本発明の最良な実施形態について説明する。
本発明の金属部品の製造方法は、鋳型の成形面上に金属材を電鋳させることにより金属部品を製造する方法であり、型形成工程と、電鋳工程と、剥離工程と、を有するものである。
型形成工程では、まず、鋳型の成形面上に離型剤としてアミノ系シランカップリング剤を用いて離型剤膜を成膜し、この離型剤膜に無電解めっき用触媒を付与し、その後、無電解めっきにより電鋳用通電膜を成膜する。
上記の離型剤膜の成膜は離型剤水溶液を使用して行うことができ、浸漬法、塗布法、スプレー法等、公知のいずれの方法を用いてもよい。形成された離型剤膜は、単分子層膜あるいはこれに近い薄膜であり、膜厚は数百〜数千ピコメートル程度である。このため、鋳型の成形面形状に対する追随性が極めて高いものとなる。

離型剤水溶液の離型剤濃度は、使用するアミノ系シランカップリング剤の種類に応じて適宜設定することができ、例えば、０．１〜１００ｇ／Ｌ、好ましくは０．１〜１０ｇ／Ｌの範囲で濃度を設定することができる。アミノ系シランカップリング剤の濃度が０．１ｇ／Ｌ未満であると、無電解めっき用触媒の付与が不充分なものとなり、また、１００ｇ／Ｌを超えると、無電解めっきにより成膜した電鋳用通電膜にフクレが生じることがあり好ましくない。
離型剤として使用するアミノ系シランカップリング剤は、下記の一般式（１）で表されるものを挙げることができ、具体的には、γ−アミノプロピルトリエトキシシラン、３−アミノプロピルメトキシシラン、３−アミノエチルエトキシシラン、３−アミノエチルメトキシシラン等を挙げることができる。
ＮＨ₂−Ｒ1−Ｓｉ−（Ｏ−Ｒ2）₃ … 一般式（１）
（ただし、Ｒ1は炭素数２〜３のアルキル基、Ｒ2は炭素数１〜２のアルキル基）

離型剤膜への無電解めっき用触媒付与と、その後の、無電解めっきによる電鋳用通電膜の成膜は、従来公知の触媒付与液、無電解めっき浴を用いて行うことができる。触媒付与は、浸漬法、塗布法、スプレー法等、公知の方法により所望の触媒（Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｎｉ等）を付与する。本発明では、上記の離型剤膜が良好な触媒吸着性を具備するので、触媒付与を確実に行うことができ、無電解めっきによる電鋳用通電膜の形成が可能となる。このため、電鋳用通電膜の形成工程において真空成膜等の特別の膜形成方法を必要とせず、工程が簡便なものとなる。形成する電鋳用通電膜の厚みは０．０５〜０．５μｍの範囲内で設定することが好ましい。電鋳用通電膜の厚みが０．０５μｍ未満であると、電鋳時に断線するおそれがあり、また、０．５μｍを超えると、応力による密着不良を生じることがあり好ましくない。

次いで、電鋳工程では、電鋳用通電膜に通電して金属材を電鋳用通電膜上に析出させる。金属材の析出に用いる電鋳液や、液温、ｐＨ、電流密度、通電時間等の電鋳条件は、特に制限はなく、従来公知の電鋳液を適宜選択し、製造する金属部品に応じて適宜条件を設定することができる。また、金属材の材質は、例えば、Ｎｉ、Ｃｒ、Ｃｕ、Ｎｉ−Ｃｒ合金、Ｎｉ−Ｆｅ合金、Ｎｉ−Ｗ合金等を挙げることができる。金属材の厚みは１０μｍ以上であることが好ましく、厚みが１０μｍ未満であると、次の剥離工程で金属部品が破損してしまうことがあり好ましくない。
剥離工程では、金属材を鋳型から剥離して金属部品を得る。本発明では、離型剤膜が単分子層膜あるいはこれに近い数百〜数千ピコメートルの薄膜であり、かつ、良好な離型性を発現するので、ナノメートルオーダーの微細形状部位を有する金属部品を高い再現性で製造することができる。また、剥離時に離型剤膜を溶解除去する工程等が不要であり、製造工程が簡便である。尚、剥離工程では、金属材を単体で直接剥離してもよいが、金属材上に補強部材を接着した後に剥離し、補強部材に担持された状態で金属部品を得ることもできる。

本発明で使用する鋳型は、その材質に制限はなく、例えば、Ｎｉ、Ｎｉ−Ｐ、Ｎｉ−Ｂ、Ｔｉ、Ｗ等の金属、酸化珪素等の無機酸化物、ガラス、アクリル樹脂、スチレン樹脂等の有機樹脂のいずれであってもよい。
また、本発明により製造可能な金属部品は特に制限はなく、例えば、配線、電極、撮像デバイス等、ナノメートルオーダーの微細形状部位を有するような金属部品を対象として含むものである。

次に、実施例を示して本発明を更に詳細に説明する。
［実施例１］
アミノ系シランカップリング剤としてγ−アミノプロピルトリエトキシシラン（日本ユニカー（株）製 Ａ−１１００）を準備し、このγ−アミノプロピルトリエトキシシランを下記表１に示される濃度で含有する６種の離型剤水溶液（試料１〜６）を調製した。
次いで、酸化珪素板を市販の脱脂液（メルテックス（株）製 メルプレートＩＴＯ−１７０）に７０℃で５分間超音波をあてながら浸漬した。水洗後、この酸化珪素板を４５ｇ／Ｌの水酸化カリウム水溶液に７０℃で５分間超音波をあてながら浸漬した。その後、酸化珪素板を水洗し、市販の表面調整剤（メルテックス（株）製 メルプレートコンディショナー４８０）に室温にて５分間浸漬し、次いで、水洗後、上記の離型剤水溶液（試料１〜６）に２分間浸漬して離型剤膜を形成した。水洗後、酸化珪素板を市販の触媒液（メルテックス（株）製 メルプレートアクチベータ４４０）に２分間浸漬して触媒を付与した。その後、水洗し、市販の無電解ニッケルめっき液（メルテックス（株）製 メルプレートＮＩ−８６７）に５分間浸漬（浴温７０℃）し、Ｎｉを析出させた。

上記の工程のおけるγ−アミノプロピルトリエトキシシランの溶解性、Ｎｉの析出性、析出させたＮｉの表面性を下記の基準で評価して、結果を表１に示した。
（評価基準）
・γ−アミノプロピルトリエトキシシランの溶解性
○：不溶残渣がない
×：不溶残渣がみられる
・Ｎｉの析出性
○：析出あり
×：析出せず
・Ｎｉの表面性
○：平坦でフクレは存在しない
×：フクレがみられる

また、比較として、アミノ系シランカップリング剤ではない下記３種のシランカップリング剤を使用し、濃度が１０ｇ／Ｌである３種の離型剤水溶液（試料７〜９）を調製した。
・試料７のシランカップリング剤 ： 信越化学工業（株）製 ＫＢＭ−３０３
（２−（３，４エポキシシクロヘキシル）エチルトリメトキシシラン）
・試料８のシランカップリング剤 ： 信越化学工業（株）製 ＫＢＭ−８０２
（３−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン）
・試料９のシランカップリング剤 ： 信越化学工業（株）製 ＫＢＥ−９００７
（３−イソシアネートプロピルトリエトキシシラン）
上記の３種の離型剤水溶液（試料７〜９）を使用し、上記と同様に、酸化珪素板に無電解ニッケルめっき工程までを行い、上記と同様に、シランカップリング剤の溶解性、Ｎｉの析出性、析出させたＮｉの表面性を評価して、結果を表１に示した。

表１に示されるように、離型剤として、アミノ系シランカップリング剤は、他の３種のシランカップリング剤に比べ、優れた触媒吸着性を有し、無電解ニッケルめっきによる電鋳用通電膜の形成が可能であることが確認された。また、アミノ系シランカップリング剤としてγ−アミノプロピルトリエトキシシランを用いた場合の離型剤水溶液の濃度は、０．１〜１００ｇ／Ｌの範囲が好ましいことが確認された。

［実施例２］
まず、型形成工程として、異方性エッチング等により超微細加工を施したシリコンウエハーを鋳型として準備し、このシリコンウエハーを市販の脱脂液（メルテックス（株）製 メルプレートＩＴＯ−１７０）に７０℃で５分間超音波をあてながら浸漬した。水洗後、このシリコンウエハーを４５ｇ／Ｌの水酸化カリウム水溶液に７０℃で５分間超音波をあてながら浸漬した。その後、シリコンウエハーを水洗し、市販の表面調整剤（メルテックス（株）製 メルプレートコンディショナー４８０）に室温にて５分間浸漬し、水洗した。
次いで、離型剤としてアミノ系シランカップリング剤であるγ−アミノプロピルトリエトキシシラン（日本ユニカー（株）製 Ａ−１１００）を１０ｇ／Ｌ溶解した離型剤水溶液にシリコンウエハーを室温で２分間浸漬して離型剤膜を形成した。水洗後、シリコンウエハーを市販の触媒液（メルテックス（株）製 メルプレートアクチベータ４４０）に２分間浸漬し水洗して触媒を付与した。その後、市販の無電解ニッケルめっき液（メルテックス（株）製 メルプレートＮＩ−８６７）に５分間浸漬（浴温７０℃）し、Ｎｉを析出させて電鋳用通電膜を成膜した。

次に、電鋳工程として、電鋳用通電膜を成膜したシリコンウエハーを水洗し、その後、ニッケル電鋳液（メルテックス（株）製 メルプレートＥＦ−２２０１）を使用し、電鋳用通電膜に電流密度１０Ａ／ｄｍ²、通電時間２０分間の通電を行って、電鋳によりニッケルを析出させ、電鋳被膜（厚み４０μｍ）を形成した。
次いで、剥離工程にて、上記のニッケル電鋳被膜を剥離して金属部品を得た。この金属部品は微細形状部位を有し、その先端精度をＦＥ−ＳＥＭを用いて測定した結果、３ｎｍの精度が確保されていることが確認された。

［実施例３］
まず、型形成工程として、エッチング等により超微細加工を施したニッケル鋳型を鋳型として準備した。次いで、離型剤としてアミノ系シランカップリング剤であるγ−アミノプロピルトリエトキシシラン（日本ユニカー（株）製 Ａ−１１００）を１０ｇ／Ｌ溶解した離型剤水溶液に、上記のニッケル鋳型を室温で２分間浸漬して離型剤膜を形成した。水洗後、ニッケル鋳型を市販の触媒液（メルテックス（株）製 メルプレートアクチベータ４４０）に２分間浸漬し水洗して触媒を付与した。その後、市販の無電解ニッケルめっき液（メルテックス（株）製 メルプレートＮＩ−８６７）に５分間浸漬（浴温７０℃）し、Ｎｉを析出させて電鋳用通電膜を成膜した。

次に、電鋳工程として、電鋳用通電膜を成膜したニッケル鋳型を水洗し、その後、ニッケル電鋳液（メルテックス（株）製 メルプレートＥＦ−２２０１）を使用し、電鋳用通電膜に電流密度１０Ａ／ｄｍ²、通電時間２０分間の通電を行って、電鋳によりニッケルを析出させ、電鋳被膜（厚み４０μｍ）を形成した。
次いで、剥離工程にて、上記のニッケル電鋳被膜を剥離して金属部品を得た。この金属部品は微細形状部位を有し、その先端精度をＦＥ−ＳＥＭを用いて測定した結果、３ｎｍの精度が確保されていることが確認された。

［実施例４］
鋳型として、エッチング等により超微細加工を施したアクリル樹脂製の鋳型を使用した他は、実施例３と同様の型形成工程、電鋳工程、剥離工程にて金属部品を得た。この金属部品は微細形状部位を有し、微細形状部位の凹凸は、トンネル電子顕微鏡を用いて測定した結果、３ｎｍの範囲内であることが確認された。

［比較例１］
鋳型として超微細化工を施したニッケル箔を用意した。このニッケル箔を用いて、実施例３と同様の電鋳工程、剥離工程にて金属部品の製造を行った。
しかし、電鋳により形成したニッケル電鋳被膜は剥離することができず、金属部品を得ることはできなかった。

［比較例２］
まず、型形成工程として、異方性エッチング等により超微細加工を施したシリコンウエハーを鋳型として準備し、このシリコンウエハーにＴｉをスパッタリング法により離型層として形成した。その後、実施例３と同様の電鋳工程、剥離工程にて金属部品の製造を行った。
しかし、電鋳により形成したニッケル電鋳被膜は剥離することができず、金属部品を得ることはできなかった。

［比較例３］
まず、型形成工程として、超微細化工を施したニッケル箔を用意し、これを３５０℃、３０分間加熱することによりニッケル酸化物の離型層を形成した。その後、実施例３と同様の電鋳工程、剥離工程にて金属部品の製造を行った。
しかし、この金属部品の微細形状部位の先端精度をＦＥ−ＳＥＭを用いて測定した結果、先端精度は１００ｎｍ以上であり、微細形状の再現性が悪いことが確認された。

本発明は超微細形状部位を有する鋳型から電鋳により超微細な形状を有する金属部品の製造を可能とするものであり、例えば、配線、電極、撮像デバイス等の製造に有用である。

Claims (6)

1. 鋳型の成形面上に金属材を電鋳させることにより金属部品を製造する方法において、
   鋳型の成形面上に離型剤としてアミノ系シランカップリング剤を用いて離型剤膜を成膜し、該離型剤膜に無電解めっき用触媒を付与し、無電解めっきにより電鋳用通電膜を成膜する型形成工程と、
   該電鋳用通電膜に通電することにより電鋳用通電膜上に金属材を析出させる電鋳工程と、
   金属材を鋳型から剥離して金属部品とする剥離工程と、を有することを特徴とする金属部品の製造方法。
2. 前記離型剤膜の成膜は、含有濃度が０．１〜１００ｇ／Ｌの範囲である離型剤水溶液を使用することを特徴とする請求項１に記載の金属部品の製造方法。
3. 前記鋳型はナノメートルオーダーの微細形状部位を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の金属部品の製造方法。
4. 前記アミノ系シランカップリング剤は、下記の一般式（１）で表されるものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の金属部品の製造方法。
   ＮＨ₂−Ｒ1−Ｓｉ−（Ｏ−Ｒ2）₃ … 一般式（１）
   （ただし、Ｒ1は炭素数２〜３のアルキル基、Ｒ2は炭素数１〜２のアルキル基）
5. 前記アミノ系シランカップリング剤は、γ−アミノプロピルトリエトキシシランであることを特徴とする請求項４に記載の金属部品の製造方法。
6. 前記鋳型の材質は、金属、ガラス、無機酸化物、有機樹脂のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の金属部品の製造方法。