JP2006297717A - Method and apparatus for inspecting thin film made of resin - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、微細構造を形成したプラスチックなどからなる樹脂製薄膜を高精度かつ安価に検査できる検査方法および検査装置に関する。また、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用の精密フィルタ、高密度プリント基板などの高機能微細部品に利用することができる微細孔の検査方法および検査装置に関する。また、厚さ精度の厳しいマイクロレンズ、導光板などの高機能微細部品の厚さの検査に利用することができる微細孔の検査方法に関する。 The present invention relates to an inspection method and an inspection apparatus capable of inspecting a resin thin film made of plastic or the like having a fine structure with high accuracy and low cost. The present invention also relates to a fine hole inspection method and inspection apparatus that can be used for highly functional fine parts such as inkjet printer nozzles, medical nebulizer nozzles, precision filters for ultrafine fillers, and high-density printed circuit boards. The present invention also relates to a method for inspecting micropores that can be used for inspecting the thickness of highly functional micro components such as microlenses and light guide plates with strict thickness accuracy.
インクジェットプリンタ用ノズルまたは医療用ネブライザノズルなどの高機能微細部品を製造するには、樹脂製薄膜などに微細な貫通孔を精度よく形成する必要がある。微細な貫通孔を形成する方法には、レーザ加工法があるが、この方法は、たとえば、プレート上の貫通孔を形成する位置にフォトレジストを形成し、プレート上のフォトレジストを形成していない領域に、マスクを形成する。マスクは、レーザなどの高エネルギ線を遮断することができるから、フォトレジストを除去し、マスクを介してレーザなどの高エネルギ線を照射し、プレートに貫通孔を形成する(特許文献1参照)。しかし、レーザ加工法では、高輝度のレーザを照射する必要があり、照射位置を高精度に調整しなければならないため、加工装置が非常に高価であり、レーザにより貫通孔を形成していく加工方法であるため、スループットが小さい。 In order to manufacture highly functional fine parts such as an ink jet printer nozzle or a medical nebulizer nozzle, it is necessary to accurately form fine through holes in a resin thin film. There is a laser processing method as a method for forming a fine through-hole. For example, this method forms a photoresist at a position where a through-hole is formed on the plate, but does not form a photoresist on the plate. A mask is formed in the region. Since the mask can block high energy rays such as laser, the photoresist is removed, and high energy rays such as laser are irradiated through the mask to form a through hole in the plate (see Patent Document 1). . However, in the laser processing method, it is necessary to irradiate a high-intensity laser, and the irradiation position must be adjusted with high accuracy. Therefore, the processing apparatus is very expensive, and the laser is used to form a through hole. Since this is a method, the throughput is small.
微細な貫通孔を有する樹脂製薄膜を形成する方法には、射出成形法があるが、この方法は、使用する金型の貫通孔を形成する部分に、シリコン樹脂などの弾性部材からなる突き当て型を当接し、突き当て型を当接した状態で射出成形する。金型の数μmの隙間にも流れ込むような流動性のよい樹脂を使用することにより、微細な貫通孔を形成することができる。また、直径が50μm以下の細く、折れやすい突き当て金型を使用しても、突き当て型が弾性部材からなるため、射出成形時に折れることがなく、成形樹脂に対する離型性もよい(特許文献2参照)。しかし、この方法では、使用できる樹脂の種類が大きく制限され、また、貫通孔の口径が小さくなり、狭ピッチ化すると、当接する突き当て型により、流路抵抗が大きくなるため、均一な樹脂注入が困難となる。 There is an injection molding method as a method of forming a resin thin film having fine through-holes, but this method uses an abutment made of an elastic member such as silicon resin on the part where the through-holes of the mold to be used are formed. The mold is abutted and injection molding is performed with the abutting mold abutting. By using a resin with good fluidity that flows into a gap of several μm in the mold, fine through holes can be formed. Moreover, even if a thin and easy-to-bend abutting mold having a diameter of 50 μm or less is used, the abutting mold is made of an elastic member, so that it does not break at the time of injection molding, and the mold releasability is good (Patent Document) 2). However, in this method, the types of resin that can be used are greatly limited, and when the diameter of the through hole is reduced and the pitch is narrowed, the abutment mold that abuts increases the flow resistance, so uniform resin injection It becomes difficult.
樹脂製薄膜に微細な貫通孔を形成する方法には、打ち抜き加工法がある。この方法は、セラミックスファイバであるポンチの表面に金属膜を形成し、ポンチの先端とダイス素材の表面との間で放電する。放電により、ポンチをダイス素材に接触することなく、ダイス素材にポンチが挿通可能な微細な貫通孔を形成する。ダイス孔の形成後も、ダイスとポンチの位置関係が変化しないため、ポンチをダイス孔に確実に挿通することができ、薄板にポンチの太さに相当する貫通孔を短時間で容易に形成することができる(特許文献3参照)。しかし、この方法では、形成できる貫通孔の口径は、セラミックスファイバの口径により定まるため、貫通孔の微細化に限界がある。また、1つの貫通孔は、対応する1本のポンチにより形成するため、各ポンチをそれぞれホルダにアセンブルするときに、ポンチのピッチ精度の維持が難しく、製造効率が低い。さらに、メンテナンスと破損時の復旧が難しいため、量産性が低い。
これらの微細加工技術の改良方法として、ホットエンボス法がある。この方法は、樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間にセットし、押し型と対向基材との間で、樹脂製薄膜を流動開始温度以上に加熱し、流動開始温度以上の樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して微細構造体を形成する。ホットエンボス法は、樹脂の流動現象を利用して、高精度な微細構造体を容易に形成することができ、製造コストが低廉である。 As a method for improving these fine processing techniques, there is a hot embossing method. In this method, a resin thin film is set between a pressing die and a counter substrate, and the resin thin film is heated to a flow start temperature or higher between the mold and the counter base material, The resin thin film is pressed between the pressing die and the counter substrate to form a fine structure. The hot embossing method can easily form a high-precision fine structure using the flow phenomenon of resin, and the manufacturing cost is low.
しかし、微細構造の形成工程は、高精度を維持するために、通常、真空雰囲気下で連続して行なわれる。製造効率を高めるため頻繁に大気開放して微細構造の形成状態を検査できないことから、押し型の目詰まりなどにより未貫通孔または孔繋がりなど不良部分が発生すると、真空雰囲気下、不良部分が連続して発生する。したがって、微細構造の形成後、直ちに検査する必要がある。 However, the fine structure forming step is usually performed continuously in a vacuum atmosphere in order to maintain high accuracy. Since it is not possible to inspect the formation state of the fine structure by frequently releasing to the atmosphere to increase manufacturing efficiency, if defective parts such as non-through holes or hole connection occur due to clogging of the pressing die, the defective parts will continue in a vacuum atmosphere. Occur. Therefore, it is necessary to inspect immediately after formation of the fine structure.
インラインで検査する方法として、画像認識により検査する方法があるが、樹脂製薄膜に形成する微細構造は、孔径数ミクロンから数十ミクロンで、数万個程度の孔構造であるため、明瞭なコントラストを有する画像が得られず、また処理時間がかかる。したがって、未貫通または孔繋がりなどの不良品の検査には不向きである。一方、気密構造を有する検査ヘッドを、逐次、成形後の樹脂製薄膜に押し当て、濾気試験を行ない検査する方法があるが、真空チャンバ内の真空度が悪化し、エアの噛み込みなどによる成形への悪影響が生じるため、検査方法として好ましくない。 As an in-line inspection method, there is an inspection method using image recognition. However, the fine structure formed on the resin thin film has a pore diameter of several to several tens of microns, and is a tens of thousands of holes, so it has a clear contrast. Cannot be obtained, and processing time is required. Therefore, it is not suitable for inspection of defective products such as non-through holes or hole connections. On the other hand, there is a method in which an inspection head having an airtight structure is sequentially pressed against a molded resin thin film and a filtration test is performed, but the degree of vacuum in the vacuum chamber deteriorates and air is caught. Since an adverse effect on molding occurs, it is not preferable as an inspection method.
本発明の課題は、真空雰囲気下でも、樹脂製薄膜に所定の微細構造が形成されているかどうかの検査を、微細構造を形成した直後に、安価、簡易かつ正確に行なうことのできる検査方法を提供することにある。また、かかる検査方法を実施する樹脂製薄膜の検査装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an inspection method capable of performing an inexpensive, simple and accurate inspection immediately after forming a fine structure, whether or not a predetermined fine structure is formed on a resin thin film even under a vacuum atmosphere. It is to provide. Moreover, it is providing the inspection apparatus of the resin-made thin films which enforces this inspection method.
本発明の検査方法は、微細構造を形成した樹脂製薄膜の静電容量を導体間で測定し、静電容量の測定値および導体間の距離により、樹脂製薄膜における微細構造の形成状態を検査することを特徴とする。本検査方法により、厚さ方向に貫通孔を有する樹脂製薄膜を検査することができる。検査に際しては、樹脂製薄膜の複数箇所における静電容量を独立して測定する態様が好ましい。本発明の検査装置は、かかる検査方法を実施する装置である。 The inspection method of the present invention measures the capacitance of a resin thin film having a microstructure formed between conductors, and inspects the formation state of the microstructure in the resin thin film based on the measured capacitance value and the distance between the conductors. It is characterized by doing. By this inspection method, a resin thin film having a through hole in the thickness direction can be inspected. In the inspection, it is preferable to independently measure the capacitance at a plurality of locations on the resin thin film. The inspection apparatus of the present invention is an apparatus that performs such an inspection method.
本発明によれば、真空雰囲気下においても、樹脂製薄膜に微細構造を形成した直後に、安価、簡易かつ正確に、微細構造の形成状態を検査することができる。 According to the present invention, even in a vacuum atmosphere, immediately after forming a fine structure on a resin thin film, the formation state of the fine structure can be inspected inexpensively, simply and accurately.
本発明の検査方法は、微細構造を形成した樹脂製薄膜の静電容量を導体間で測定し、静電容量の測定値および導体間の距離を診ることにより、樹脂製薄膜における微細構造を検査することを特徴とする。微細構造を形成した後、樹脂製薄膜の静電容量を測定し、その測定値および導体間の距離に基づき、安価、簡易かつ正確に微細構造の形成状態を検査することができる。また、静電容量の測定は、微細構造の形成直後に、真空雰囲気下で行なうことが可能であるため、不良部分が連続して発生する事態を回避でき、樹脂製薄膜における微細加工を綿密に管理するとともに、製造効率を高く維持できる。このような品質管理の充実した方法により微細加工された樹脂製薄膜は、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用の精密フィルタ、高密度プリント基板およびマイクロレンズなどの高機能微細部品として有用である。本発明の検査装置は、かかる検査方法を実施する装置であり、簡単なシステムにより、高精度に加工した高機能微細部品を安価に提供することができる。 The inspection method of the present invention inspects the microstructure of the resin thin film by measuring the capacitance of the resin thin film having a fine structure between the conductors and examining the measured capacitance value and the distance between the conductors. It is characterized by doing. After forming the fine structure, the capacitance of the resin thin film is measured, and the formation state of the fine structure can be inspected inexpensively, simply and accurately based on the measured value and the distance between the conductors. Capacitance measurement can be performed in a vacuum atmosphere immediately after formation of a fine structure, so that a situation in which defective portions are continuously generated can be avoided, and fine processing in a resin thin film is thoroughly performed. While managing, manufacturing efficiency can be maintained high. Resin thin films that have been finely processed by such quality control methods are high-performance fine components such as inkjet printer nozzles, medical nebulizer nozzles, precision filters for ultrafine fillers, high-density printed circuit boards, and microlenses. Useful as. The inspection apparatus of the present invention is an apparatus for performing such an inspection method, and can provide high-performance fine parts processed with high accuracy at a low cost by a simple system.
静電容量(capacitance)は、電気エネルギの貯蔵容量であり、ある電位差Vにおいて、どれだけの電荷Qを蓄えられるかを示す値である。2つの導体間に、絶縁体を挿入すると、絶縁体は電気エネルギを吸収し、分子配列を変えるため、一定の電位差を保つにはより多くの電気エネルギが必要になり、2つの導体間の静電容量が増大する。したがって、2つの導体間に絶縁体である樹脂製薄膜を挟み、静電容量を測定すると、たとえば、図5に示すように、樹脂製薄膜の微細構造に応じて静電容量が変化し、樹脂製薄膜の厚さの総量が小さくなるにつれて静電容量は次第に大きくなる。一方、厚さが一定の薄膜に対しては、樹脂製薄膜の厚さ方向に形成される微細孔の総面積が増加すると、見かけ上、樹脂製薄膜の比誘電率が低下するため、静電容量は低下する。したがって、樹脂製薄膜の静電容量を測定し、静電容量の測定値および導体間の距離を診ることにより、樹脂製薄膜における微細孔などの微細構造の形成状態をインラインで高精度に検査し、さらに検査データを成形システムにフィードバックすることにより成形システムを制御することが可能である。 Capacitance is a storage capacity of electric energy, and is a value indicating how much charge Q can be stored in a certain potential difference V. When an insulator is inserted between two conductors, the insulator absorbs electrical energy and changes the molecular arrangement, so that more electrical energy is required to maintain a constant potential difference, and static electricity between the two conductors is required. Electric capacity increases. Therefore, when a resin thin film as an insulator is sandwiched between two conductors and the capacitance is measured, for example, as shown in FIG. 5, the capacitance changes depending on the fine structure of the resin thin film, and the resin The capacitance gradually increases as the total thickness of the thin film decreases. On the other hand, for a thin film with a constant thickness, if the total area of the micropores formed in the thickness direction of the resin thin film increases, the apparent dielectric constant of the resin thin film decreases. Capacity decreases. Therefore, by measuring the capacitance of the resin thin film and examining the measured capacitance value and the distance between the conductors, the formation state of fine structures such as micropores in the resin thin film can be inspected with high accuracy in-line. Further, it is possible to control the molding system by feeding back inspection data to the molding system.
静電容量は、LCRメータ(reactance capacitance resistance meter)により測定することができる。LCRメータは、試料が入ったコンデンサの静電容量(capacitance)を測定し、その周波数での複素誘電率を評価することができる。LCRメータとしては、アジレント テクノロジー社製のHP4284Aなどがあり、HP4284Aは20Hz〜1MHzまでの測定を行なうことができる。たとえば、図6に示すように、樹脂製薄膜(図6(a))の厚さ方向に貫通孔などの微細構造を形成した後(図6(b))、2つの導体64a、64bの間に挟み、LCRメータにより静電容量を測定して、微細構造の形成状態を検査することができる(図6(c))。
The capacitance can be measured by an LCR meter (reactance capacitance resistance meter). An LCR meter can measure the capacitance of a capacitor containing a sample and evaluate the complex dielectric constant at that frequency. As an LCR meter, there is HP4284A manufactured by Agilent Technologies Inc., and HP4284A can perform measurement from 20 Hz to 1 MHz. For example, as shown in FIG. 6, after forming a fine structure such as a through-hole in the thickness direction of the resin thin film (FIG. 6A) (FIG. 6B), between the two
樹脂製薄膜の複数箇所における静電容量を独立して測定することにより、各箇所における微細構造の形成状態を検査することができる。たとえば、図7に示すように、微細構造を形成した樹脂製薄膜を検査するに当たり、樹脂製薄膜を挟む上下の導体を、上下位置が対応するように分割し、電気的に縁切りし、各箇所の静電容量をLCRメータ1〜3により独立して測定することにより、検査の分解能を向上させることができ、各箇所において所定の微細構造が形成されているかどうか、また、どの場所に不良箇所が生じているかを容易に検査できるようになる。どの範囲を縁切りし、独立して検査するかは、たとえば、押し型のパターンに合わせて決めることができる。
By independently measuring the capacitance at a plurality of locations on the resin thin film, the formation state of the microstructure at each location can be inspected. For example, as shown in FIG. 7, when inspecting a resin thin film having a fine structure, the upper and lower conductors sandwiching the resin thin film are divided so that the upper and lower positions correspond to each other, and the edges are electrically cut. By independently measuring the electrostatic capacity of each of the
本発明の検査方法は、微細構造を形成した樹脂製薄膜を検査する方法であり、微細構造の形成方法としてはホットエンボス法が高精度の微細構造体を容易かつ安価に形成できる点で好ましい。ホットエンボス法により微細構造を形成した後、微細構造の形成状態を検査する方法を図1に例示する。まず、図1(a)に示すように、樹脂製薄膜1を、押し型2と対向基材3との間にセットする。つぎに、図1(b)に示すように、押し型2と対向基材3との間で、樹脂製薄膜1を流動開始温度以上に加熱する。つづいて、図1(c)に示すように、流動開始温度以上の樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間で、矢印の方向に加圧して、図1(d)に示すような微細孔を形成する。図1(d)においては、微細孔として、貫通孔を例示する。その後、図1(e)に示すように、微細孔を形成した樹脂製薄膜を2つの導体4a、4bの間に挟み、LCRメータにより静電容量を測定する。
The inspection method of the present invention is a method for inspecting a resin thin film having a fine structure, and a hot embossing method is preferable as a method for forming a fine structure because a highly accurate fine structure can be formed easily and inexpensively. FIG. 1 illustrates a method for inspecting the formation state of the fine structure after forming the fine structure by the hot embossing method. First, as shown in FIG. 1A, the resin
樹脂製薄膜の加熱は、押し型と対向基材との間で行ない、たとえば、樹脂製薄膜1を押し型2と対向基材3との間に挟んでから加熱する方式(図1(b))、樹脂製薄膜のみを予め非接触の状態で加熱する方式、または、樹脂製薄膜を対向基材に接触させてから加熱する方式などにより行なうことができる。樹脂製薄膜1の加熱は、たとえば、対向基材3の直下に設置したヒータ(図示していない。)により行なうことができる。また、対向基材3の内部に加熱機能を導入して行なうこともできる。また、樹脂製薄膜を供給する過程で、非接触ヒータなどを利用して予め加熱することもできる。
The resin thin film is heated between the pressing die and the counter substrate. For example, the resin
樹脂製薄膜の流動開始温度以上に加熱してから加圧加工するため、流動現象を利用して、微細孔などの高精度な微細構造を樹脂製薄膜に容易に形成することができ、製造コストを低減できる。使用する押し型の精度によっても異なるが、本発明の加工方法により、孔径0.1μm以上の微細構造を形成することができる。また、線幅0.1μm以上で横長の溝状構造体を形成することもできる。したがって、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、細胞捕捉用フィルタ、超微細フィラ用フィルタまたは高密度プリント基板上の極細回路などの高機能微細構造体を安価に提供することができる。 Since it is heated after the flow start temperature of the resin thin film is applied and then pressed, high-precision microstructures such as micropores can be easily formed in the resin thin film using the flow phenomenon, and the manufacturing cost Can be reduced. Although it depends on the precision of the die used, a fine structure having a pore diameter of 0.1 μm or more can be formed by the processing method of the present invention. Also, a horizontally long groove-like structure having a line width of 0.1 μm or more can be formed. Therefore, it is possible to provide a high-functional fine structure such as an inkjet printer nozzle, a medical nebulizer nozzle, a cell trapping filter, an ultrafine filler filter, or an ultrafine circuit on a high-density printed circuit board at low cost.
樹脂製薄膜の材質は、比較的狭い温度範囲内で溶融し、冷却すると急速に硬化するプラスチックが、スループットが高い点で好ましく、たとえば、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミドなどの薄膜に対して孔開け加工および凹凸加工が可能である。樹脂製薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、厚さ1μm〜10mmが好ましく、厚さ10μm〜200μmがより好ましい。たとえば、厚さ数mmのプラスチック平板または厚さ数十ミクロンのプラスチックフィルムを材料に使用することができる。 As the material of the resin thin film, a plastic that melts within a relatively narrow temperature range and rapidly cures when cooled is preferable in terms of high throughput. For example, polycarbonate, polyimide, polymethyl methacrylate (PMMA), polyether sal Perforation processing and uneven processing can be performed on thin films such as phon, polysulfone, and polyetherimide. The thickness of the resin thin film is not particularly limited, but is preferably 1 μm to 10 mm, more preferably 10 μm to 200 μm. For example, a plastic flat plate having a thickness of several millimeters or a plastic film having a thickness of several tens of microns can be used as the material.
加熱成形のほかに、UV硬化成形を利用することができる。UV硬化成形をする場合には、たとえば、石英などからなる透明な押し型を用い、透明な押し型側からUVを照射して行なうことができる。また、透明な対向基材を用い、透明な対向基材側からUVを照射して行なうことができる。また、押し型および対向基材により成形し、脱型直後に、UVを照射して硬化することもできる。 In addition to heat molding, UV curing molding can be used. In the case of performing UV curing molding, for example, a transparent pressing die made of quartz or the like can be used, and UV irradiation can be performed from the transparent pressing die side. Moreover, it can carry out by irradiating UV from the transparent opposing base material side using a transparent opposing base material side. Further, it can be molded by a pressing die and a counter substrate, and cured by irradiation with UV immediately after demolding.
ナノインプリントにより形成した微細構造体に対しても、本発明の検査方法が有用である。ナノインプリントは、表面にナノレベルの微細な凹凸を有する押し型を樹脂製薄膜にセットし、樹脂製薄膜をガラス転位温度以上に加熱した後、押し型を樹脂製薄膜に押し付けて一定時間保持し、樹脂製薄膜をガラス転位温度以下に冷却してから、押し型を樹脂製薄膜から剥離する方法であり、ナノインプリントにより、押し型の表面の凹凸を樹脂製薄膜に転写することができる。また、ナノインプリントにより、ナノオーダーの3次元微細形状を、シンプルな加工工程で容易に形成することができ、製造コストを低減でき、量産化が容易である。 The inspection method of the present invention is also useful for a microstructure formed by nanoimprinting. Nanoimprint is set on a resin thin film with a nano-level fine unevenness on the surface, and after heating the resin thin film above the glass transition temperature, the mold is pressed against the resin thin film and held for a certain period of time. In this method, the mold is peeled off from the resin thin film after the resin thin film is cooled to a glass transition temperature or lower, and the unevenness on the surface of the mold can be transferred to the resin thin film by nanoimprinting. In addition, nanoimprinting allows a nano-order three-dimensional fine shape to be easily formed by a simple processing step, which can reduce manufacturing costs and facilitate mass production.
樹脂製薄膜は、リールから供給し、微細構造を形成し、検査した後、リールに巻き取るリール・トゥ・リール方式とする方法がある。リール・トゥ・リール方式は、一度セットすると、樹脂製薄膜と対向基材との相互の位置関係が変化しない点でも好ましい。樹脂製薄膜の供給は、たとえば、厚めの平板をバッチ式で送ることによっても可能である。 There is a method in which a resin thin film is supplied from a reel, formed into a fine structure, inspected, and then wound on a reel. The reel-to-reel method is also preferable in that the mutual positional relationship between the resin thin film and the opposing base material does not change once set. The resin thin film can be supplied, for example, by feeding a thick flat plate in a batch manner.
図8には、真空チャンバ85内で、樹脂製薄膜をリール86から供給し、微細構造の形成工程87と検査工程88を経て、リール89に巻き取る製造方法の例を示す。図8に示すように、リール・トゥ・リール方式の場合には、リール86、89を含め、微細構造の形成工程87と、検査工程88とは、真空雰囲気下で実施する態様が好ましい。かかる態様により、樹脂製薄膜の対向基材上での浮き上がりと樹脂製薄膜と対向基材の間への気泡の混入を防止することができ、きれいな微細加工が可能となる。また、検査工程も真空チャンバ内に設置することにより、真空雰囲気下、微細構造形成後、直ちに検査することができる。したがって、不良品を作りつづける事態を回避することができるとともに、大気圧に戻さないため、製造効率を高く維持することができる。
FIG. 8 shows an example of a manufacturing method in which a resin thin film is supplied from a
押し型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で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含む方法により製作することができる。製作される押し型は、精密な金属微細構造体であるため、樹脂製薄膜に超微細な孔構造を形成することができ、孔の狭ピッチ化にも十分対応できる。また、再現性よく製造することができ、一体形成が可能である。 The stamping die is manufactured by a method including a step of forming a resin die by lithography, a step of forming a layer made of a metal material on the resin die on a conductive substrate by electroforming, and a step of removing the resin die. Can do. Since the manufactured stamping die is a precise metal microstructure, an ultrafine hole structure can be formed in the resin thin film, and it can sufficiently cope with a narrow pitch of holes. Further, it can be manufactured with good reproducibility and can be formed integrally.
押し型の製造方法を、図2および図3に例示する。図2に示す押し型の製造方法は、まず、図2(a)に示すように、導電性基板21上に樹脂層22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、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、形成しようとする押し型の厚さに合せて任意に設定することができ、数百ミクロンとすることもできる。
The manufacturing method of a stamping die is illustrated in FIGS. In the manufacturing method of the pressing mold shown in FIG. 2, first, as shown in FIG. 2A, the
つぎに、樹脂層22上にマスク23を配置し、マスク23を介してX線24またはUVなどを照射する。高いアスペクト比を有する押し型を得るときは、UV(波長365nmなど)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。)が好ましい。SRを使用するLIGA(Lithographie Galvanoformung Abformung)法は、ディープなリソグラフィが可能であり、数100μmの高さの微細押し型をサブミクロンオーダの高精度で大量に製造することができ、厚手の樹脂製薄膜用の押し型を得ることができる。本実施の形態では、X線を照射する態様を例示する。
Next, a
マスク23は、押し型のパターンに応じて形成したX線吸収層23aと、透光性基材23bとからなる。透光性基材23bには、SiN、SiC、ダイヤモンド、チタンなどを用いる。また、X線吸収層23aには、金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物などを用いる。導電性基板21上の樹脂層22が、たとえば、ポジレジストである場合、X線24の照射により、樹脂層22のうち、樹脂層22aは露光され変質(分子鎖が切断)するが、樹脂層22bはX線吸収層23aにより露光されない。このため、現像により、X線24により変質した部分のみが除去され、図2(b)に示すような樹脂層22bからなる樹脂型が得られる。
The
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21を給電部として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属材料層25を堆積することができる。樹脂型の高さを越えて電鋳することにより、押し型の台座を形成することができる。金属材料には、ニッケル、銅、鉄、ロジウムまたはそれらの合金などを用いるが、押し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。
Next, electroforming is performed, and a
電鋳後、図2(d)に示すように、酸もしくはアルカリによりウェットエッチングし、または、機械加工により、導電性基板21を除去する。つづいて、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22bを除去すると、図2(e)に示すような本発明の加工方法において有効に使用することができる押し型が得られる。
After electroforming, as shown in FIG. 2D, the
図2に示す製造方法においては、導電性基板21を除去して(図2(d))、押し型25を製造するが、図3に示す製造方法のように、導電性基板を除去することなく押し型を製造することもできる。まず、図3(a)に示すように、基板31a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は露光され変質するが、樹脂層32bは露光されない。このため、現像により、図3(b)に示すような樹脂層32bからなる樹脂型が得られる。
In the manufacturing method shown in FIG. 2, the
つぎに、図3(c)に示すように、樹脂層32bの頂上部に、導電性基板31bを形成し、基板31aを除去し(図3(d))、電鋳を行ない、図3(e)に示すように、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)に示すような押し型が得られる。この押し型は、導電性基板を金型の台座として利用するため、台座を形成するために必要な電鋳時間を省略することができる。また、台座は、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少ない。
Next, as shown in FIG. 3C, a
導電性基板を除去することなく、押し型を製造する他の方法を図4に示す。この方法は、導電性基板の材質と、電鋳により形成する金属材料層の材質が近く、導電性基板と金属材料層との密着強度が大きい場合に利用することができる。まず、図2に示す方法と同様にして、リソグラフィを行ない(図4(a))、導電性基板41上に樹脂型42bを形成する(図4(b))。つぎに、電鋳を行ない、樹脂型42bに金属材料層45aを形成し(図4(c))、研磨または研削して平坦化する(図4(d))。最後に、ウェ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42bを除去すると、図4(e)に示しような導電性基板41付きの押し型が得られる。
FIG. 4 shows another method for manufacturing a stamping die without removing the conductive substrate. This method can be used when the material of the conductive substrate is close to the material of the metal material layer formed by electroforming and the adhesion strength between the conductive substrate and the metal material layer is high. First, lithography is performed in the same manner as shown in FIG. 2 (FIG. 4A), and a
押し型は、シリコンエッチングまたは光造形により非導電性マスタを形成する工程と、非導電性マスタを導電化する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。 The stamping die includes a step of forming a non-conductive master by silicon etching or stereolithography, a step of making the non-conductive master conductive, a step of forming a metal material layer on the conductive master by electroforming, and a conductive master. It can form by the method including the process of removing.
シリコンエッチングにより非導電性マスタを形成する方法は、まず、プラズマCVDにより、シリコン基板の表面にSiN膜を形成する。つぎに、SiN膜上に、ポジレジストからなる樹脂層を形成する。つづいて、樹脂層上にマスクを配置し、リソグラフィを行なう。露光と現像により、樹脂層のうち、露光された部分を除去する。つぎに、SF6ガスでドライエッチングし、SiN膜をパターニングしてから、樹脂層を剥離し、KOH水溶液でシリコンエッチングすると、非導電性マスタを得ることができる。その後、Pdなどの金属材料をスパッタリングして、非導電性マスタを導電化し、電鋳後、ウェットエッチングにより導電性マスタを除去すると、押し型が得られる。 In the method of forming a non-conductive master by silicon etching, first, a SiN film is formed on the surface of a silicon substrate by plasma CVD. Next, a resin layer made of a positive resist is formed on the SiN film. Subsequently, a mask is placed on the resin layer and lithography is performed. The exposed portion of the resin layer is removed by exposure and development. Next, after dry etching with SF 6 gas and patterning the SiN film, the resin layer is peeled off and silicon etching is performed with a KOH aqueous solution to obtain a non-conductive master. Thereafter, a metal material such as Pd is sputtered to make the non-conductive master conductive, and after electroforming, the conductive master is removed by wet etching to obtain a stamping die.
光造形により非導電性マスタを形成する方法は、まず、液状の光硬化性樹脂(ディーメック製SCR701など)を、マイクロ光造形装置において光ビームにより一層ずつ硬化し、積層して、非導電性マスタを形成する。つぎに、非導電性マスタにPdなどをスパッタリングして導電化し、この導電性マスタに電鋳した後、ウェットエッチングまたはプラズマアッシングにより導電性マスタを除去すると、押し型を得ることができる。また、押し型は、ダイシング加工または切削加工によっても製造することができる。リソグラフィを利用する方法と異なり、マスクを使用しないため、押し型を短期間で製造することができる。また、ジルコニアなどのセラミックスからなる押し型を製造することができる。 The method of forming a non-conductive master by stereolithography is as follows. First, a liquid photo-curable resin (such as SCR701 manufactured by DEMEC) is cured one by one with a light beam in a micro stereolithography apparatus and laminated to be non-conductive. Form a master. Next, when a non-conductive master is sputtered to make Pd or the like conductive, electroformed onto the conductive master, and then removed by wet etching or plasma ashing, a stamping die can be obtained. The stamping die can also be manufactured by dicing or cutting. Unlike a method using lithography, since a mask is not used, a stamping die can be manufactured in a short period of time. In addition, a stamping die made of ceramics such as zirconia can be manufactured.
押し型は、ダイシング加工または切削加工により導電性マスタを形成する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。押し型をダイシング加工または切削加工により直接製造する上述の方法に比べて、高価なダイシング加工品または切削加工品から複数の押し型を得ることができる点で有利である。導電性マスタは、たとえば、銅または真鍮などから形成することができる。 The stamping die may be formed by a method including a step of forming a conductive master by dicing or cutting, a step of forming a metal material layer on the conductive master by electroforming, and a step of removing the conductive master. it can. Compared to the above-described method in which the stamping die is directly manufactured by dicing or cutting, it is advantageous in that a plurality of stamping dies can be obtained from an expensive dicing or cutting product. The conductive master can be made of, for example, copper or brass.
樹脂製薄膜に微細構造を形成する加工装置は、樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、押し型と対向基材との間にある樹脂製薄膜を流動開始温度以上に加熱する手段と、流動開始温度以上の樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して微細構造を形成する手段とを備える態様が好ましい。樹脂製薄膜の流動開始温度以上に加熱して加圧するため、高精度で超微細な孔構造を樹脂製薄膜に容易に形成することができ、製造コストを低減できる。また、微細構造を形成する手段においては、加圧時における面内最大圧力差を±10%以下とすると、面内にある多数の微細孔加工を一括して行なっても、未貫通孔などの不良部分が生じにくく、面内最大圧力差を±5%以下に調整すると、より好ましい。 The processing equipment that forms the fine structure in the resin thin film starts the flow of the means for setting the resin thin film between the mold and the counter substrate, and the resin thin film between the mold and the counter substrate. An aspect provided with a means for heating to a temperature or higher and a means for forming a fine structure by pressurizing a resin thin film at a flow start temperature or higher between the pressing die and the counter substrate. Since heating and pressurization are performed at a temperature equal to or higher than the flow start temperature of the resin thin film, a highly accurate and fine pore structure can be easily formed in the resin thin film, and the manufacturing cost can be reduced. Further, in the means for forming a fine structure, if the in-plane maximum pressure difference at the time of pressurization is ± 10% or less, even if a large number of in-plane fine holes are processed at once, such as non-through holes It is more preferable that the defective portion hardly occurs and the in-plane maximum pressure difference is adjusted to ± 5% or less.
微細構造を形成する手段は、微細構造形成後に、樹脂製薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも1つを冷却する手段を有する態様が好適である。微細構造の形成後、流動開始温度以上にある部材を冷却し、固化を速めることにより、加工のスループットを上げ、量産化および低コスト化を図ることができる。冷却には、対向基材に冷却水を循環させて間接冷却する方法がある。 As a means for forming the fine structure, an embodiment having a means for cooling at least one of the resin thin film, the pressing die, and the counter substrate after the fine structure is formed is preferable. After the formation of the fine structure, by cooling the member that is at or above the flow start temperature and speeding solidification, the processing throughput can be increased, and mass production and cost reduction can be achieved. For cooling, there is a method in which cooling water is circulated through the counter substrate and indirectly cooled.
樹脂製薄膜をセットする手段と、樹脂製薄膜を加熱する手段と、樹脂製薄膜に微細構造を形成する手段とは、駆動系が相互に独立する態様が好ましい。各手段の駆動系を分離することにより、加工工程における繰り返し動作による相互の位置ズレを最小限に抑えることができ、常に面内最大圧力差を±10%以下とすることが容易となる。たとえば、加工装置における、X軸ステージとY軸ステージとZ軸ステージが重ならないようにし、それぞれを分離することにより精度を高めることができる。 It is preferable that the means for setting the resin thin film, the means for heating the resin thin film, and the means for forming a fine structure on the resin thin film have independent drive systems. By separating the drive systems of the respective means, it is possible to minimize mutual positional deviation due to repetitive operations in the machining process, and it becomes easy to always keep the in-plane maximum pressure difference within ± 10%. For example, the accuracy can be improved by preventing the X-axis stage, the Y-axis stage, and the Z-axis stage in the processing apparatus from overlapping each other and separating them.
樹脂製薄膜をセットする手段と、樹脂製薄膜を加熱する手段と、樹脂製薄膜に微細構造を形成する手段と、微細構造の形成状態を検査する手段は、真空チャンバ内に設置する態様が好ましい。真空雰囲気下で加工作業を実施することにより、樹脂製薄膜の対向基材上での浮き上がりを抑え、樹脂製薄膜と対向基材間への気泡の混入を防止することができ、きれいな孔開け加工が可能となる。また、検査手段も真空チャンバ内に設置することにより、真空雰囲気下、微細構造形成後、直ちに検査することができる。したがって、不良品を作りつづける事態を回避し、製造効率を高く維持することができる。 The means for setting the resin thin film, the means for heating the resin thin film, the means for forming a fine structure on the resin thin film, and the means for inspecting the formation state of the fine structure are preferably installed in a vacuum chamber. . By carrying out the processing operation in a vacuum atmosphere, it is possible to suppress the lift of the resin thin film on the opposing substrate and prevent air bubbles from entering between the resin thin film and the opposing substrate. Is possible. Further, by installing the inspection means in the vacuum chamber, it is possible to inspect immediately after forming the microstructure in a vacuum atmosphere. Therefore, it is possible to avoid a situation in which defective products are continuously made and to maintain high manufacturing efficiency.
実施例
(試料1の作成)
本実施例で使用する押し型を図4に示す方法で製造した。まず、導電性基板41として、厚さ5mm、直径3インチのニッケル基板上に、厚さ80μmのアクリル樹脂層42を形成し、樹脂層42上にマスク43を配置し、マスク43を介してX線44を照射した(図4(a))。マスク43は、50μm×50μmの透光領域が縦横100μmピッチで描かれ、透光性基材43bが厚さ2μmの窒化珪素、X線吸収層43a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44はSRを使用し、20mm×20mmの範囲でリソグラフィを行なった。
Example (Preparation of Sample 1)
The stamping die used in this example was manufactured by the method shown in FIG. First, an
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42のうち、露光された樹脂層42aのみが除去され、図4(b)に示すような樹脂層42bからなる樹脂型が得られた。つぎに、電鋳を行ない、図4(c)に示すように、樹脂型に金属材料層45aを堆積した。電鋳は、スルファミン酸ニッケルメッキ浴に浸漬して行ない、樹脂型の頂上部を越えて金属材料層45aを堆積した。
Next, after developing with methyl isobutyl ketone, rinsing with isopropanol, and washing with pure water, only the exposed
電鋳後、図4(d)に示すように、研磨によりフラット化し、厚さを70μmとした。つづいて、酸素プラズマによりアッシングして樹脂型42bを除去し、図4(e)に示すような押し型を得た。この押し型には、縦50μm×横50μm×高さ70μmの角柱が、ピッチ100μmで、20mm×20mmの範囲に林立し、各角柱は0.1°の順テーパを有していた。
After electroforming, as shown in FIG. 4 (d), it was flattened by polishing to a thickness of 70 μm. Subsequently, the
つぎに、対向基材であるCu基板上に、樹脂製薄膜として、縦20mm×横20mm×厚さ50μmのポリメタクリル酸メチル(誘電率3.0)を形成した。つづいて、LIGA法により製造した上述のNi製の押し型を、樹脂製薄膜上にセットし、ポリメタクリル酸メチルからなる樹脂製薄膜の流動開始温度(約100℃)以上である160℃に樹脂製薄膜を加熱した。樹脂製薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、樹脂製薄膜を、押し型と対向基材との間で、10MPaで加圧して、貫通孔を形成した。貫通孔は、縦50μm×横50μm、ピッチ100μmであった。また、加工精度は±1μmであり、非常に精度の高い加工であることがわかった。 Next, polymethyl methacrylate (dielectric constant: 3.0) having a length of 20 mm, a width of 20 mm, and a thickness of 50 μm was formed as a resin thin film on a Cu substrate as a counter substrate. Subsequently, the above-described Ni-made die manufactured by the LIGA method is set on the resin thin film, and the resin is heated to 160 ° C. which is higher than the flow start temperature (about 100 ° C.) of the resin thin film made of polymethyl methacrylate. The thin film was heated. The resin thin film was heated by a heater installed immediately below the opposing base material. Thereafter, the resin thin film was pressurized at 10 MPa between the pressing die and the counter substrate to form a through hole. The through holes were 50 μm long × 50 μm wide and 100 μm in pitch. Further, the processing accuracy was ± 1 μm, and it was found that the processing was extremely high accuracy.
得られた樹脂製薄膜(以下、「試料1」という。)についてLCRメータにより静電容量を測定した。LCRメータは、アジレント テクノロジー社製のHP4284Aを使用し、縦50mm×横50mmの2枚の平板電極に樹脂製薄膜を挟み、電圧1V、周波数1kHzにより、静電容量を測定した。その結果、試料1の静電容量は、1.107μFであった。
The capacitance of the obtained resin thin film (hereinafter referred to as “
(試料2の作成)
樹脂製薄膜のパターンの一部が破損した不良箇所を想定して、縦20mm×横20mm×厚さ50μmの樹脂製薄膜のうち、面積の1%に相当する貫通孔が繋がった以外は、試料1と同様にし微細加工し、樹脂製薄膜(以下、「試料2」という。)を得、同様に静電容量を測定した。その結果、試料2の静電容量は、1.088μFであった。
(Preparation of sample 2)
Assuming a defective part where a part of the pattern of the resin thin film is broken, a sample is formed except that a through hole corresponding to 1% of the area is connected among the resin thin film of 20 mm long × 20 mm wide × 50 μm thick. Fine processing was performed in the same manner as in No. 1 to obtain a resin thin film (hereinafter referred to as “
(試料3の作成)
未貫通孔の発生を想定し、孔構造を貫通孔とせず、厚さ5μmの残膜が生じるように、縦50μm×横50μm×深さ45μm、ピッチ100μmの孔構造とした以外は、試料1と同様に加工し、樹脂製薄膜(以下、「試料3」という。)を得、同様に静電容量を測定した。その結果、試料3の静電容量は1.129μFであった。
(Preparation of sample 3)
Assuming the occurrence of non-through holes,
試料1〜3の結果から、微細加工した樹脂製薄膜の静電容量を測定し、静電容量の測定値および導体間の距離を診ることにより、微細構造の形成状態を検査することができ、未貫通孔および孔繋がりなどの不良箇所の発生を静電容量の変化により検査できることがわかった。
From the results of
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。 It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用の精密フィルタ、高密度プリント基板およびマイクロレンズなどの高機能微細部品を安価に提供することができる。 High-functional fine parts such as inkjet printer nozzles, medical nebulizer nozzles, precision filters for ultrafine fillers, high-density printed circuit boards, and microlenses can be provided at low cost.
1 樹脂製薄膜、2 押し型、3 対向基材、4a,4b,64a,64b 導体、21,31b 導電性基板、22,32 樹脂層、23,33 マスク、25,35 金属材料層。
DESCRIPTION OF
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