JP2006137092A - 微細金型の製造方法およびその方法により製造した微細金型ならびに微細構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】 製造時間が短く、反りの小さい微細金型を提供する。
【解決手段】 本発明の微細金型の製造方法は、リソグラフィにより導電性基板上に樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを備えることを特徴とする。リソグラフィは、Ｘ線リソグラフィが好適である。また、導電性基板は、樹脂型を形成する面に、導電性基板の構成元素より原子番号が小さい元素からなる層を有する態様が好ましい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、微細金型およびその製造方法に関する。さらに詳細には、リソグラフィと電鋳による微細金型の製造方法に関する。また、その微細金型により製造する微細構造体に関する。

マイクロマシンなどに使用される微細金属構造体は、微細金型を利用して製造することができる。この方法は、たとえば、図５（ａ）に示すように、凸部を有する微細金型５２を用いて、エンボス成形、反応性成形または射出成型などのモールドにより、図５（ｂ）に示すような凹状の樹脂型５３を形成する。つぎに、樹脂型５３の上下を反転した後、図５（ｃ）に示すように、導電性基板５１に貼り付ける。

つづいて、図５（ｄ）に示すように、樹脂型５３を研磨し、樹脂型５３ａを形成する。その後、電鋳により樹脂型５３ａに金属材料層５５を堆積し（図５（ｅ））、研磨または研削により厚さを調整し（図５（ｆ））、樹脂型５３ａを除去し（図５（ｇ））、導電性基板５１を除去すると、図５（ｈ）に示すような金属微細構造体が得られる。かかる方法により、精密な微細構造体を、再現性よく、一体形成することができる。また、同一の金型による大量生産が可能である。

使用する微細金型は、微細金属構造体であり、リソグラフィと電鋳を利用した方法により製造することができる（特許文献１参照）。たとえば、図４（ａ）に示すように、導電性基板４１上に樹脂層４２を形成し、リソグラフィにより、図４（ｂ）に示すような、樹脂層４２ｂからなる樹脂型を形成する。つぎに、図４（ｃ）に示すように、導電性基板４１上で樹脂型に金属材料からなる層４５を電鋳により形成する。その後、導電性基板４１を除去し（図４（ｄ））、樹脂型を除去すると、図４（ｅ）に示すような微細金型を得ることができる。得られる金型は高いアスペクト比を有し、精密な構造体を、再現性よく、一体形成することができる。
特開平１１−３３７５７５号公報

この微細金型においては、図４（ｃ）に示すように、樹脂層４２ｂからなる樹脂型の高さを超えて、さらに電鋳を行ない、樹脂型の高さを超えた部分を金型の固定部にし、機械的強度を得ている。固定部の厚さは、金型の大きさおよび使用時に金型にかかる力により異なるが、一般的には数ｍｍ〜十数ｍｍであり、たとえば、電鋳速度が２０μｍ／ｈであるとすると、金型製造に極めて長時間が必要となる。

また、固定部は電鋳により形成するため、大きな内部応力を有し、内部応力により、数μｍ〜数十μｍの反りが発生する。数μｍ〜数十μｍの金型の反りは、精密な微細構造体を再現性よく製造するために使用する金型にとって、致命傷であり、大面積の金型製造の妨げのひとつなっている。

本発明の課題は、短時間で製造することができ、反りの小さい微細金型を提供することにある。さらに、その微細金型により微細構造体を提供することにある。

本発明の微細金型の製造方法は、
リソグラフィにより導電性基板上に樹脂型を形成する工程と、
樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、
樹脂型を除去する工程と
を備えることを特徴とする。

リソグラフィは、Ｘ線リソグラフィが好適である。また、導電性基板は、樹脂型を形成する面に、導電性基板の構成元素より原子番号が小さい元素からなる層を有する態様が好ましい。

リソグラフィは、ネガレジストを用いるのが好ましいが、ポジレジストを用いる場合には、
リソグラフィにより第１の導電性基板上に樹脂型を形成する工程の後に、
樹脂型の頂上部に第２の導電性基板を形成する工程と、
第１の導電性基板を除去する工程と
を備える態様がより好ましい。

本発明の微細金型は、かかる方法により製造され、本発明の微細構造体は、かかる微細金型により製造することを特徴とする。

本発明の方法によれば、微細金型を短時間で製造することができる。また、得られる微細金型は反りが小さいため、精密な微細構造体を再現性よく製造することができる。さらに、大面積の金型が利用可能となる。

本発明の微細金型の製造方法は、リソグラフィにより導電性基板上に樹脂型を形成する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを備えることを特徴とする。本発明の方法により製造する微細金型は、金型の固定部を電鋳により形成せず、電鋳時のメッキ電極である導電性基板を金型の固定部として利用する。

このため、金型の固定部を形成するために要していた電鋳時間を省略することができる。また、導電性基板を選定することにより、固定部の大きさおよび形状が任意となり、成型機への装着が容易な微細金型を提供できるようになる。さらに、金型の固定部は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による固定部の反りがなく、アスペクト比１以上の高精度の微細金型を提供することができ、１００ｍｍ角以上の大面積の金型を設計できる。したがって、本発明の微細金型により、マイクロマシンなどに使用する精度の高い微細構造体を、安価かつ大量に提供することができる。

本発明の微細金型の製造方法を図１に示す。まず、図１（ａ）に示すように、導電性基板１上に樹脂層２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属製基板を用いる。また、ポジレジストの場合、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いる。樹脂層には、ポジレジストのほかネガレジストを用いる。たとえば、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、またはＸ線もしくは紫外線（ＵＶ）に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などを用いる。樹脂層の厚さは、形成しようとする微細金型の厚さに合せて任意に設定することができ、たとえば５０μｍ〜５００μｍとすることができる。

つぎに、樹脂層２上にマスク３を配置し、マスク３を介してＸ線４またはＵＶなどを照射する。本発明の製造方法においては、高いアスペクト比を有する微細金型を得るため、ＵＶ（波長２００ｎｍ）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用する態様が好ましい。また、Ｘ線の中でも指向性が高い点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用する態様がより好ましい。

ＳＲを用いるＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung)プロセスは、ディープなリソグラフィが可能であり、数１００μｍの高さの微細金型をミクロンオーダの高精度で大量に製造することができる点で有利である。Ｘ線と電鋳を組み合せた方法で製造することにより、アスペクト比が２以上の微細金型を容易に製造することができ、アスペクト比が３０以上の金型の製造も可能である。

導電性基板は、樹脂型を形成する面に、導電性基板の構成元素より原子番号が小さい元素からなる層を有する態様が好ましい。かかる態様により、Ｘ線などの照射時に、導電性基板からの２次電子の発生を抑制し、２次電子による樹脂層の剥離および樹脂型精度の劣化を回避することができる。たとえば、ニッケルまたはＳＵＳ製の導電性基板を使用するときは、樹脂層を形成する面に、厚さ０．１μｍ以上、より好ましくは厚さ１．０μｍ以上のチタン層を予め形成しておくことが好ましい。同様に、たとえば、Ｃｕ製の導電性基板を使用するときは、樹脂層を形成する面に、厚さ０．１μｍ以上、より好ましくは厚さ１．０μｍ以上のＣ層を予め形成しておくことが好ましい。

マスク３は、微細金型のパターンに応じて形成したＸ線吸収層３ａと、透光性基材３ｂとからなる。透光性基材３ｂには、窒化シリコン、シリコン、ダイヤモンド、チタンなどを用いる。また、Ｘ線吸収層３ａには、金、タングステン、タンタルなどの重金属またはその化合物などを用いる。導電性基板１上の樹脂層２が、たとえば、ポジレジストである場合、Ｘ線４の照射により、樹脂層２のうち、樹脂層２ａは露光され変質（分子鎖が切断）するが、樹脂層２ｂはＸ線吸収層３ａにより露光されない。このため、現像により、Ｘ線４により変質した部分のみが除去され、図１（ｂ）に示すような樹脂層２ｂからなる樹脂型が得られる。

つぎに、電鋳を行ない、図１（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板１をめっき電極として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属材料層５を堆積することができる。本発明においては、樹脂型の空孔部が埋まる程度に金属材料を堆積すれば足りる。金属材料には、ニッケル、銅、またはそれらの合金などを用いるが、微細金型の耐摩耗性を高める点で、ニッケルまたはニッケルマンガンなどのニッケル合金が好ましい。

電鋳後、必要に応じて、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型を除去すると、図１（ｄ）に示すような本発明の微細金型が得られる。この微細金型は、固定部を電鋳により形成することなく、電鋳時のメッキ電極である導電性基板を固定部として利用するため、金型の固定部を形成するために要していた電鋳時間を省略することができる。また、金型の固定部は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による固定部の反りがない。

本発明の微細金型の製造方法では、リソグラフィにより導電性基板上に樹脂型を形成する工程において、ネガレジストを使用する態様が好ましい。図１では、樹脂層２としてポジレジストを使用する態様を例示する。一方、図２には、樹脂層２２として、ネガレジストを使用する態様を例示する。

ネガレジストを用いて本発明の微細金型を製造する場合は、たとえば、図２（ａ）に示すように、導電性基板２１上に、ネガレジストからなる樹脂層２２を形成する。つぎに、樹脂層２２上にマスク２３を配置し、同様にリソグラフィを行なう。露光により、樹脂層２２のうち、樹脂層２２ａは露光され変質（硬化）するが、樹脂層２２ｂは露光されない。このため、現像により、樹脂層２２ｂのみを除去し、図２（ｂ）に示すような樹脂層２２ａからなる樹脂型が得られる。

つぎに、電鋳を行ない、図２（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層２５を堆積する。電鋳後、必要に応じて、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型を除去すると、図２（ｄ）に示すような本発明の微細金型が得られる。この微細金型は、固定部を電鋳により形成しないため、固定部を形成するための電鋳時間を省略することができる。また、固定部は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による固定部の反りがない。

さらに、得られる微細金型は、リソグラフィに際して生じる光の回折により、図２（ｄ）に示すように、モールドする方向に０．１°程度の正テーパを有する。したがって、この金型を用いると、アスペクト比が４を超える金型であっても容易にモールドすることができ、モールド後の金型の取り外し（抜き）も容易となり、微細金型の破損および磨耗を低減することができる。

本発明の微細金型の製造方法において樹脂層にポジレジストを用いる場合には、リソグラフィにより第１の導電性基板上に樹脂型を形成する工程と、樹脂型の頂上部に第２の導電性基板を形成する工程と、第１の導電性基板を除去する工程と、樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを備える態様が好ましい。

この製造方法は、まず、図３（ａ）に示すように、第１の導電性基板３１上に、ポジレジストからなる樹脂層３２を形成する。つぎに、樹脂層３２上にマスク３３を配置し、前述と同様にリソグラフィを行なう。露光により、樹脂層３２のうち、樹脂層３２ａは露光され変質（分子鎖が切断）するが、樹脂層３２ｂは露光されない。このため、現像により、露光により変質した部分のみが除去され、図３（ｂ）に示すような樹脂層３２ｂからなる樹脂型が得られる。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、樹脂層３２ｂの頂上部に、第１の導電性基板３１ａと同様の第２の導電性基板３１ｂを形成した後、第１の導電性基板３１ａを除去する（図３（ｄ））。つぎに、電鋳を行ない、図３（ｅ）に示すように、第２の導電性基板３１ｂをメッキ電極として、樹脂型に金属材料層３５を堆積する。電鋳後、必要に応じて、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型を除去すると、図３（ｆ）に示すような本発明の微細金型が得られる。

この微細金型は、導電性基板を金型の固定部として利用するため、固定部を形成するために要していた電鋳時間を省略することができる。また、固定部は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による金型の反りがない。また、得られる微細金型は、モールドする方向に０．１°程度の正テーパを有するため、アスペクト比が４を超える金型であっても容易にモールドすることができ、モールド後の金型の取り外しも容易となり、微細金型の破損および磨耗を低減することができる。

実施例１
本実施例の微細金型の製造方法を図１に示す。まず、導電性基板１として、厚さ５ｍｍ、直径３インチの純ニッケル基板上に、厚さ０．３μｍのチタン層（図示していない。）をスッパタリングにより形成した（図１（ａ））。つぎに、ポジレジストとして、厚さ１３０μｍのアクリル樹脂層２を形成し、樹脂層２上にマスク３を配置し、マスク３を介してＸ線４を照射した。マスク３は、３０μｍ×３０μｍの透光領域が縦横５０μｍピッチで描かれ、透光性基材３ｂが厚さ２μｍの窒化珪素、Ｘ線吸収層３ａが厚さ３μｍの窒化タングステンからなるものを用いた。また、Ｘ線４はＳＲを使用し、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲でリソグラフィを行なった。

つぎに、メチルイソブチルケトンにより現像し、イソプロパノールによりリンス処理した後、純水で洗浄すると、樹脂層２のうち、露光された樹脂層２ａのみが除去され、図１（ｂ）に示すような樹脂層２ｂからなる樹脂型が得られた。つづいて、樹脂型の底部にあるチタン層を、フッ酸と過酸化水素水の混合液により除去し、硫酸系のメッキ前処理液でニッケル基板の露出部を活性化した。

つぎに、電鋳を行ない、図１（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層５を堆積した。電鋳は、スルファミン酸ニッケルメッキ浴（スルファミン酸ニッケル６００ｇ／Ｌ、ｐｈ４．０、温度５０℃）に浸漬し、導電性基板１を負極として行ない、樹脂型の空孔部が埋まる程度に金属材料層５を堆積した。電鋳後、研磨により所定の厚さに揃えてから、酸素プラズマによりアッシングし、樹脂型を除去し、図１（ｄ）に示すような本発明の微細金型を得た。

この微細金型には、縦３０μｍ×横３０μｍ×高さ１００μｍ（アスペクト比３．３）の角柱が５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に林立し、各角柱は０．１°の逆テーパを有していた。また、金型の高低差は、基板の厚み精度と同じ２μｍであり、従来の金型の高低差の１／５０であり、非常に精度の高いものであった。さらに、金型の固定部を電鋳により形成しなかったため、固定部を形成するために要していた電鋳時間を省略することができた。得られた微細金型を射出成型機に取付け、成型を行なったところ、２０００ショットを超えても金型が破損することはなかった。

実施例２
実施例１と同様の導電性基板を用いて、図２（ａ）に示すように、導電性基板２１上に、ネガレジストからなる樹脂層２２を形成した。ネガレジストは、東洋合成化学工業製ＴＧ−Ｐ−Ｈ３００を用い、厚さ２３０μｍ形成した。つぎに、樹脂層２２上にマスク２３を配置し、リソグラフィを行なった。マスクは、実施例１のマスクと同じパターンで、白黒反転したものを用いた。

プリベーク後、専用の現像液とリンス液を用いて現像すると、露光しなかった樹脂層２２ｂのみが除去され、図２（ｂ）に示すような樹脂層２２ａからなる樹脂型が得られた。その後は実施例１と同様に、電鋳を行ない、図２（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層２５を堆積し、研磨により所定の厚さに揃えてから、アッシングにより樹脂型を除去し、図２（ｄ）に示すような本発明の微細金型を得た。

この微細金型は、縦３０μｍ×横３０μｍ×高さ２００μｍ（アスペクト比６．７）の角柱が５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に林立し、各角柱の垂直度は０．２°の正テーパを有していた。また、固定部を電鋳により形成しなかったため、電鋳に要する時間を大幅に短縮することができ、内部応力による反りがなく、金型の高低差は１．５μｍと高精度であった。

得られた微細金型をＲＩＭ成型機に取付けて、成型を行なった。成型後、金型を抜くために必要な力は、実施例１の金型では、角柱の高さが１００μｍと低いにも拘わらず、平均９８００Ｎ以上であった。これに対して、本実施例の金型では、角柱の高さが２００μｍと高いにも拘わらず、平均４９００Ｎで抜くことができ、５００ショットを超えても金型および成型後の樹脂型に生じる破損はなかった。

実施例３
本実施例では、実施例１と同様の導電性基板とポジレジストを用い、図３（ａ）に示すように、第１の導電性基板３１ａ上に、樹脂層３２を形成した。つぎに、樹脂層３２上にマスク３３を配置し、同様にリソグラフィを行ない、現像により、図３（ｂ）に示すような樹脂層３２ｂからなる樹脂型を得た。

つぎに、図３（ｃ）に示すように、樹脂層３２ｂの頂上部に、第１の導電性基板３１ａと同様の第２の導電性基板３１ｂを形成した。第２の導電性基板３１ｂの形成は、第２の導電性基板３１ｂ上に、厚さ１μｍのアクリル系接着剤を塗布して、樹脂層３２ｂに貼り付けて行なった。その後、第２の導電性基板３１ｂを樹脂テープでマスキングし、塩酸浴に浸漬し、第１の導電性基板３１ａを陽極とする電解除去を行ない、第１の導電性基板３１ａを除去した（図３（ｄ））。

つづいて、フッ酸と過酸化水素水の混合液を用いて、第２の導電性基板上のチタン層を除去した後、実施例１と同様に電鋳を行ない、図３（ｅ）に示すように、樹脂型に金属材料層３５を堆積した。電鋳後、研磨により所定の厚さに揃えてから、プラズマアッシングにより樹脂型を除去し、図３（ｆ）に示すような微細金型を得た。

この微細金型は、縦３０μｍ×横３０μｍ×高さ１００μｍ（アスペクト比３．３）の角柱が５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に林立し、各角柱の垂直度は０．１°の正テーパを有し、実施例１の金型のテーパと逆であった。また、固定部を電鋳により形成しなかったため、電鋳に要する時間を大幅に短縮することができ、固定部の内部応力による反りがなく、金型の高低差は２μｍと高精度であった。

得られた微細金型をＲＩＭ成型機に取付けて、成型を行なった。成型後、金型を抜くために必要な力は、実施例１の金型では平均９８００Ｎ以上であったのに対して、本実施例の金型では平均１７６０Ｎで抜くことができ、５００ショットを超えても金型および成型後の樹脂型に生じる破損はなかった。

今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明の微細金型により、マイクロマシンなどに使用する精度の高い微細構造体を、安価にかつ大量に提供することができる。

実施例１における微細金型についての本発明の製造方法を示す工程図である。 実施例２における微細金型についての本発明の製造方法を示す工程図である。 実施例３における微細金型についての本発明の製造方法を示す工程図である。 微細金型の従来の製造方法を示す工程図である。 微細金型を利用する微細構造体の製造方法を示す工程図である。

符号の説明

１ 導電性基板、２ 樹脂層、３ マスク、４ Ｘ線、５ 金属材料層、３１ａ 第１の導電性基板、３１ｂ 第２の導電性基板。

Claims (7)

1. リソグラフィにより導電性基板上に樹脂型を形成する工程と、
   前記樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、
   前記樹脂型を除去する工程と
   を備えることを特徴とする微細金型の製造方法。
2. 前記リソグラフィは、Ｘ線リソグラフィである請求項１に記載の微細金型の製造方法。
3. 前記導電性基板は、樹脂型を形成する面に、導電性基板の構成元素より原子番号が小さい元素からなる層を有する請求項１または２に記載の微細金型の製造方法。
4. 前記リソグラフィは、ネガレジストを用いる請求項１〜３のいずれかに記載の微細金型の製造方法。
5. 前記リソグラフィは、ポジレジストを用いる微細金型の製造方法であって、
   リソグラフィにより第１の導電性基板上に樹脂型を形成する前記工程の後に、
   樹脂型の頂上部に第２の導電性基板を形成する工程と、
   第１の導電性基板を除去する工程と
   を備える請求項１から３のいずれかに記載の微細金型の製造方法。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載の方法により製造した微細金型。
7. 請求項６に記載の微細金型により製造する微細構造体。

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