JP2007136790A - インプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法、およびその製造方法により製造された貫通孔構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】インプリンティング法を用いる場合にも、被加工材を保持する部材に型の転写パターンを接触させることなく、つまり型の転写パターンを破損させることなく貫通孔構造体を製造する製造方法を提供する。
【解決手段】貫挿部２２の先に嵌入部２３を有する凸構造２４を設けてなる上型２５と、凹構造２６を設けてなり支持体２７で保持する下型２８とを用意し、その下型の被加工材形成面２９上に、例えば液状材料のスピンコートによりＰＭＭＡを形成するなどして、流動状態の被加工材３０を形成し、その被加工材中に上型の凸構造を押し込んでその凸構造の貫挿部を同被加工材中に入れて凸構造をその被加工材中に貫通させ、嵌入部を下型の凹構造内にはめ込み、その後、例えば熱可塑性樹脂であるＰＭＭＡを用いた場合は冷却することにより、被加工材を固化して後、被加工材中から凸構造を引き出す。
【選択図】図１

Description

この発明は、インクジェット記録装置で使用するインクジェットヘッドにおける複数のノズルを有するノズルプレートなど、微細孔を有する貫通孔構造体、およびインプリンティング法を用いた、その貫通孔構造体の製造方法に関する。

微細構造体の製造方法として、従来の機械加工や光リソグラフィの限界に制限されない分解能を持つナノインプリント法が注目されている。このナノインプリント法について、特許文献１や特許文献２を参照しながら、図７および図８を用いて以下に説明する。

まず、特許文献１に開示されている内容によれば、このナノインプリント法では、まず図７（Ａ）に示すように、表面に、ＰＭＭＡ等のレジスト膜からなる被加工膜１が形成された基板２と、２５ｍｍ程度以下の微細な凹凸パターン３が格子状に形成された型４を用意する。

次に、図７（Ｂ）に示すように、ガラス転移点以上にまで加熱することで軟化した被加工膜１に型４を押し付ける。そして、図７（Ｃ）に示すように、ガラス転移点以下になるまで冷却することにより固化した被加工膜１から型４を引き剥がす。このようにして、型４の凹凸パターン３の反転パターンを被加工膜１に形成していた。

他方、特許文献２に開示されている内容によれば、図８（Ａ）に示すように、表面にＵＶ効果樹脂等の光硬化性の物質からなる被加工膜１が形成された基板２と、石英やパイレックス（登録商標）等の光透過性の材料からなり、微細な凹凸パターン３が格子状に形成された型４を用意する。

次に、図８（Ｂ）に示すように、被加工膜１に型４を押し付ける。その後、型４を透して光を照射することにより硬化された被加工膜１から、図８（Ｃ）に示すように型４を引き剥がす。このようにして、型４の凹凸パターン３の反転パターンを被加工膜１に形成していた。

これらの方法により凹凸パターン３が転写された被加工膜１は、基板２のエッチング用マスクとして使用することができ、また基板２をドライエッチングやウェットエッチングにより除去することにより分離された被加工膜１そのものを微細構造体として使用してもよい。

以上のように、ナノインプリント法では、所望のパターンが形成された型を用意することができれば、いたって簡単なプロセスで微細パターンを複製することができる。この型としては、数ｎｍ〜数十ｎｍの解像度を持つ電子ビーム露光技術とエッチング技術により製造したシリコンや石英の型、またはこれらの型をマスタとした金属の型や数十ｎｍ〜数μｍの解像度を持つリソグラフィ技術、および金属めっき技術により製造した金属の型を使用することができる。

このナノインプリント法を用いて、インクジェット記録装置に用いられるインクジェットヘッドのノズルプレートのような微細孔を有する構造体を製造する方法が開示されている。例えば、特許文献３に記載の発明には、まず図９（Ａ）に示すように、本体５に形成された開口６中にエポキシ樹脂のプラグ７を形成する。

次に、図９（Ｂ）に示すように、本体５の上表面およびプラグ７の上表面に支持表面８を付与した後、型９を、その型９の転写パターン９ａの先端が支持表面８と接触するまでプラグ７中に押し込む。そして、図９（Ｃ）に示すように、型９を引き抜き、支持表面８を除去してノズル孔を有するノズルプレートを得る方法が開示されている。

インプリント法を用いると、射出成形加工に比して転写性に優れ、レーザ加工に比しては円形や矩形に限定されずに加工形状の多様化を図ることができ、レーザ、フォトリソグラフィ、電鋳加工に比しては工程数を削減することができ、機械加工に比してはｎｍオーダの高分解能を得ることができるなどの利点がある。

米国特許第５，７７２，９０５号公報 特開２０００−１９４１４２号公報 特表２００４−５２０９８１号公報

しかしながら、従来のインプリンティング法を用いた貫通孔構造体の製造方法では、被加工材を保持する部材に型の転写パターンを接触させる際に、型の転写パターンが破損する危険性が高かった。また、このような保持部材上にある被加工材を貫通させるには、押し退けられる被加工材の逃げ場所がないために、より大きな力で型を押圧する必要があった。

そこで、この発明の第１の目的は、インプリンティング法を用いる場合にも、被加工材を保持する部材に型の転写パターンを接触させることなく、つまり型の転写パターンを破損させることなく貫通孔構造体を製造する製造方法を提供することにある。

この発明の第２の目的は、製造時に、型の転写パターンを破損させることのないインプリンティング法による貫通孔構造体を提供することにある。

このため、この発明の第１の態様は、上述した第１の目的を達成すべく、インプリンティング法による貫通孔構造体を製造するにあたり、
貫挿部の先に嵌入部を有する凸構造を設けてなる上型と、凹構造を設けてなり支持体で保持する下型とを用意し、
その下型の被加工材形成面上に、例えば液状材料のスピンコートによりＰＭＭＡを形成するなどして、流動状態の被加工材を形成し、
その被加工材中に上型の凸構造を押し込んでその凸構造の貫挿部を同被加工材中に入れて凸構造をその被加工材中に貫通させ、嵌入部を下型の凹構造内にはめ込み、
その後、例えば熱可塑性樹脂であるＰＭＭＡを用いた場合は冷却し、エネルギ線硬化材料を用いた場合はエネルギ線を照射することにより、被加工材を固化して後、被加工材中から凸構造を引き出すものである。

そして、被加工材中から凸構造を引き出して後、下型から被加工材を剥離し、または被加工材中から凸構造を引き出して後、下型に被加工材を接合した状態で下型を支持体から剥離する。

凸構造の先の嵌入部を先細に形成するとよい。また、凸構造の突出長さをｔ１、凹構造の被加工材形成面からの深さをｔ２、被加工材の厚さをｔ３とするとき、
ｔ１＜ｔ２＋ｔ３
とする。

この発明の第２の態様は、上述した第２の目的を達成すべく、インクジェットヘッド用ノズルプレートなどの貫通孔構造体であって、以上の第１の態様の製造方法により形成してなるものである。

この発明の第１の態様によれば、被加工材中に上型の凸構造を押し込んでその凸構造の貫挿部を同被加工材中に入れて凸構造をその被加工材中に貫通させるとき、嵌入部を下型の凹構造内にはめ込むので、上型の凸構造を支持体に接触させることなく、貫通孔構造体を製造することができ、上型の破損を防止することができる。また、上型の凸構造に対応して下型の凹構造を設けるので、凸構造を被加工材に押し込んだとき、押し出した被加工材を凹構造内に逃がすことができ、押し込み圧力を低減することができる。

被加工材中から凸構造を引き出して後、下型から被加工材を剥離することにより、被加工材のみで構成される貫通孔構造体を得ることができる。他方、被加工材中から凸構造を引き出して後、下型に被加工材を接合した状態で下型を支持体から剥離すると、下型を貫通孔構造体を構成する部材の一部とし、貫通孔構造体を、例えば加工性に優れた被加工材と剛性や耐薬品性に優れた下型のように、多様な材料で構成し、信頼性の高い貫通孔構造体を製造することができるとともに、貫通孔構造体の用途を広げることができる。例えば、ＤＮＡチップやバイオチップのフィルタや導通路などを形成して耐薬品性を向上したり、マイクロマシン等のギアやホイールなどのメカパーツを形成して剛性を向上したりすることができる。

凸構造の先の嵌入部を先細に形成すると、より低い押し込み圧で凸構造を被加工材中に押し込むことができ、生産性の向上、歩留りの向上、コストの低減、加工精度の向上を図ることができる。

そして、凸構造の突出長さをｔ１、凹構造の被加工材形成面からの深さをｔ２、被加工材の厚さをｔ３とするとき、［ｔ１］＜［ｔ２＋ｔ３］とすると、製造時に、上型の凸構造が支持体に接触することを一層確実に防止することができる。

この発明の第２の態様によれば、インクジェットヘッド用ノズルプレートなどの貫通孔構造体であって、以上の第１の態様の製造方法により形成するので、製造時に、上型の破損のおそれがなく、しかも押し込み圧力を低減したインプリンティング法により製造した貫通孔構造体を得ることができ、より低コストで、より生産性がよく、より高信頼性で、より加工精度に優れた、インクジェットヘッド用ノズルプレートなどの貫通孔構造体を提供することができる。

以下、図面を参照しつつ、この発明の実施の最良形態につき説明する。
図１（Ａ）ないし（Ｅ）には、インプリンティング法による貫通孔構造体の製造工程の一例を示す。

まず、図１（Ａ）に示すように、貫挿部２２の先に嵌入部２３を有する凸構造２４を設けてなる上型２５と、凹構造２６を設けてなり支持体２７で保持する下型２８とを用意する。

上型２５および下型２８は、各種金属、各種セラミックスなどの型材料を使用し、フォトリソグラフィ技術、Ｘ線リソグラフィ技術、エッチング技術、電鋳技術、機械加工技術などの既知の型加工技術を用い、またはそれらの技術を組み合わせて用いてつくる。この例では、フォトリソグラフィ技術とドライエッチング技術により加工したケイ素材料のマスタ型に電鋳を施して製造したニッケル製のものを使用している。

上型２５には、下面から下向きに突出して凸構造２４を設ける。凸構造２４には、例えば、Φ２０μｍ、高さ２０μｍの貫挿部２２と、Φ１８μｍ、高さ５μｍの嵌入部２３とを形成する。よって、凸構造２４の突出長さｔ１は、２５μｍとなる。他方、下型２８には、上型２５の凸構造２４に対応して上面である被加工材形成面２９に凹構造２６を設ける。凹構造２６は、嵌入部２３より大きいΦ２０μｍで、被加工材形成面２９からの深さｔ２を１０μｍとする。この例では、凹構造２６を非貫通とするが、下型２８に貫通して設けてもよい。

次に、図１（Ｂ）に示すように、下型２８の被加工材形成面２９上に、流動状態の被加工材３０を形成する。被加工材３０は、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、エネルギ線硬化樹脂などの樹脂を用いたり、ガラス、金属、半導体基板などを用いたり、インプリンティング法で一般的に使用される材料を使用し、スピンコート法やシートの貼り付けなど、任意の方法、任意の膜厚で形成することができる。この例では、液状材料（東京応化製）のスピンコートにより、例えば厚さｔ３が２０μｍ程度のＰＭＭＡを形成している。そして、熱可塑性であるＰＭＭＡをガラス転移点以上の、例えば１３０℃まで直接または間接的に加熱することにより流動状態としてなる。

それから、図１（Ｃ）に示すように、被加工材３０中に上型２５の凸構造２４を押し込んでその凸構造２４の貫挿部２２を同被加工材３０中に入れて凸構造２４をその被加工材３０中に貫通させ、嵌入部２３を下型２８の凹構造２６内に緩くはめ込む。このとき、上型２５の凸構造２４と下型２８の凹構造２６との位置合わせは、例えばガイドポストやガイドブッシュなどのガイド部材を利用したり、アライメントマークを用いたり、既存の位置合わせ方法を用いて行う。

次いで、流動状態にある被加工材３０をガラス転移点以下の、例えば８０℃まで冷却することにより固化する。そして、固化してから、図１（Ｄ）に示すように、離型することにより、被加工材３０に表裏を貫通する貫通孔３１を形成する。なお、被加工材３０に対する上型２５の離型を容易とすべく、上型２５の表面には、あらかじめ離型剤をコーティングするとよい。

その後、図１（Ｅ）に示すように、上型２５の凸構造２４の形状が転写されて貫通孔３１が形成された被加工材３０を下型２８から剥離し、貫通孔構造体を得る。なお、被加工材３０を下型２８から剥離して後、研磨、レーザ加工、エッチング加工等の仕上げ加工を行ってもよい。また、被加工材３０の剥離を容易とすべく、下型２８の表面には、あらかじめ離型剤をコーティングするようにしてもよい。

さて、上述した例では、被加工材３０として熱可塑性樹脂であるＰＭＭＡを使用したが、この他にも例えば流動状態にあるエネルギ線硬化樹脂などを使用し、被加工材３０中に上型２５の凸構造２４を押し込み後、離型するときにエネルギ線を照射して被加工材３０を硬化するようにしてもよい。

以上のようなインプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法によれば、被加工材３０中に上型２５の凸構造２４を押し込んでその凸構造２４の貫挿部２２を同被加工材３０中に入れて凸構造２４をその被加工材３０中に貫通させるとき、嵌入部２３を下型２８の凹構造２６内にはめ込むので、上型２５の凸構造２４を支持体２７に接触させることなく、貫通孔構造体を製造することができ、上型２５の破損を防止することができる。また、上型２５の凸構造２４に対応して下型２８の凹構造２６を設けるので、凸構造２４を被加工材３０に押し込んだとき、押し出した被加工材３０を凹構造２６内に逃がすことができ、押し込み圧力を低減することができる。また、被加工材３０中から凸構造２４を引き出して後、下型２８から被加工材３０を剥離することにより、被加工材３０のみで構成される貫通孔構造体を得ることができる。

図２（Ａ）ないし（Ｅ）には、インプリンティング法による貫通孔構造体の別の製造工程を示す。

図２（Ａ）に示すように、同様に、貫挿部２２の先に嵌入部２３を有する凸構造２４を設けてなる上型２５と、凹構造２６を設けてなり支持体２７で保持する下型２８とを用意する。この例では、凹構造２６は、図１に示す例と同様に非貫通としてもよいが、下型２８を貫通して設けてなる。

上型２５には、同じく、下面から下向きに突出して凸構造２４を設ける。凸構造２４には、Φ１８μｍ、高さ５μｍの貫挿部２２と、同じΦ１８μｍで、高さ１０μｍの嵌入部２３とを形成する。よって、凸構造２４の突出長さｔ１は、１５μｍとなる。他方、下型２８には、上型２５の凸構造２４に対応して上面である被加工材形成面２９に凹構造２６を設ける。凹構造２６は、嵌入部２３より大きいΦ２０μｍで、厚さｔ２が１５μｍの下型２８を貫通して形成する。

次に、図２（Ｂ）に示すように、下型２８の被加工材形成面２９上に、流動状態の被加工材３０を形成する。この例では、液状材料（東京応化製）のスピンコートにより、例えば厚さｔ３が５μｍと比較的薄いＰＭＭＡを形成している。それから、図２（Ｃ）に示すように、被加工材３０中に上型２５の凸構造２４を押し込んでその凸構造２４の貫挿部２２を同被加工材３０中に入れて凸構造２４をその被加工材３０中に貫通させ、嵌入部２３を下型２８の凹構造２６内に緩くはめ込む。

次いで、流動状態にある被加工材３０をガラス転移点以下の、例えば８０℃まで冷却することにより固化する。そして、固化してから、図２（Ｄ）に示すように離型する。被加工材３０中から凸構造２４を引き出して後、図２（Ｅ）に示すように下型２８に被加工材３０を接合した状態で下型２８を支持体２７から剥離し、被加工材３０と下型２８とから構成して、表裏を貫通する貫通孔３１を有する貫通孔構造体を得る。

このように、被加工材３０中から凸構造２４を引き出して後、下型２８に被加工材３０を接合した状態で下型２８を支持体２７から剥離すると、下型２８を、貫通孔構造体を構成する部材の一部とし、貫通孔構造体を、例えば加工性に優れた被加工材３０と剛性や耐薬品性に優れた下型２８の組み合わせのように、多様な材料で構成し、信頼性の高い貫通孔構造体を製造することができるとともに、貫通孔構造体の用途を広げることができる。例えば、ＤＮＡチップやバイオチップのフィルタや導通路などを形成して耐薬品性を向上したり、マイクロマシン等のギアやホイールなどのメカパーツを形成して剛性を向上したりすることができる。

図３（Ａ）および（Ｂ）には、以上の製造工程で異なる上型を用いた場合の部分工程を示す。

この図３（Ａ）に示すように、上型２５の凸構造２４の先の嵌入部２３を先端に近づくにつれ細くなるように先細に形成すると、図３（Ｂ）に示すように被加工材３０中に凸構造２４を押し込んで凸構造２４を被加工材３０中に貫通させ、嵌入部２３を下型２８の凹構造２６内にはめ込むとき、より低い押し込み圧で凸構造２４を被加工材３０中に押し込むことができ、生産性の向上、歩留りの向上、コストの低減、加工精度の向上を図ることができる。

図４（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）には、それぞれ上型、被加工物を形成した下型、それらの組み合わせ状態の寸法関係を示す。

図４（Ａ）に示すように上型２５の凸構造２４の突出長さをｔ１、図４（Ｂ）に示すように下型２８の凹構造２６の被加工材形成面２９からの深さをｔ２、被加工材３０の厚さをｔ３とするとき、
ｔ３＜ｔ１＜ｔ２＋ｔ３
とすると、図４（Ｃ）に示すように製造時に、上型２５の凸構造２４が、被加工材３０を完全に貫通する一方、支持体２７に接触して上型２５を破損するおそれを一層確実に防止することができる。

例えば図１に示すように、上型２５の凸構造２４の突出長さｔ１を２５μｍ、下型２８の凹構造２６の被加工材形成面２９からの深さｔ２を１０μｍ、被加工材３０の厚さｔ３を２０μｍとし、
ｔ３（２０μｍ）＜ｔ１（２５μｍ）＜ｔ２（１０μｍ）＋ｔ３（２０μｍ）
とする。また図２に示すように、ｔ１を１５μｍ、ｔ２を１５μｍ、ｔ３を５μｍとし、
ｔ３（５μｍ）＜ｔ１（１５μｍ）＜ｔ２（１５μｍ）＋ｔ３（５μｍ）
とする。

図５（Ａ）ないし（Ｅ）には、貫通孔構造体であるインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造工程を示す。

同様に、図５（Ａ）に示すように、貫挿部２２の先に嵌入部２３を有する凸構造２４を設けてなる上型２５と、被加工材形成面２９から下向きに徐々に拡がるテーパ状の凹構造２６を設けてなり支持体２７で保持する下型２８とを用意する。そして、図５（Ｂ）に示すように、その下型２８の被加工材形成面２９上に、流動状態の被加工材３０を形成する。被加工材３０は、耐インク性、耐薬品性、接着性など、ノズルプレートとして要求される事項を満足し、かつ上型２５による塑性加工が可能な材料を用いてつくる。

次に、図５（Ｃ）に示すように、その被加工材３０中に上型２５の凸構造２４を押し込んでその凸構造２４の貫挿部２２を被加工材３０中に入れて凸構造２４をその被加工材３０中に貫通させ、嵌入部２３を下型２８の凹構造２６内に緩くはめ込む。それから、被加工材３０を固化して後、図５（Ｄ）に示すように被加工材３０中から凸構造２４を引き出す。その後、図５（Ｅ）に示すように、下型２８に被加工材３０を接合した状態で下型２８を支持体２７から剥離し、被加工材３０と下型２８とから構成して、表裏を貫通するノズル孔２１を有するインクジェットヘッド用ノズルプレート２０を得る。

インプリンティング法により製造した図示インクジェットヘッド用ノズルプレート２０は、製造時に、上型２８の破損のおそれがなく、しかも押し込み圧力を低減することができ、より低コストで、より生産性がよく、より高信頼性で、より加工精度に優れたものである。

図６には、そのようなノズルプレート２０を用いる、インクジェット記録装置のインクジェットヘッドを分解して示す。

図中符号１０は、エネルギ発生手段の一例である圧電素子である。１１は振動板であり、１２は液流路１３を有する流路板である。ノズルプレート２０は、流路板１２に重ね合わせて設けたとき液流路１３に連通する複数のノズル孔２１を並べて二列にあけてなる。そして、印字時は、圧電素子１０に通電して振動板１１に振動を発生し、インクが蓄積された液流路１３から押し出すことにより、ノズルプレート２０のノズル孔２１からインク滴を吐出飛翔させ、記録媒体に印字を行う。

（Ａ）ないし（Ｅ）は、インプリンティング法による貫通孔構造体の製造工程図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、インプリンティング法による貫通孔構造体の別の製造工程図である。 （Ａ）および（Ｂ）は、それらの製造工程で異なる上型を用いた場合の部分工程図である。 （Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は、それぞれ上型、被加工物を形成した下型、それらの組み合わせ状態の寸法関係図である。 （Ａ）ないし（Ｅ）は、貫通孔構造体であるインクジェットヘッド用ノズルプレートの製造工程図である。 インクジェット記録装置で用いるインクジェットヘッドを分解して示す概略斜視図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は、従来のナノインプリント法を用いた製造工程図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は、従来のナノインプリント法を用いた別の製造工程図である。 （Ａ）ないし（Ｃ）は、従来の微細孔を有する構造体の製造工程図である。

符号の説明

２０ ノズルプレート
２１ ノズル孔
２２ 貫挿部
２３ 嵌入部
２４ 凸構造
２５ 上型
２６ 凹構造
２７ 支持体
２８ 下型
２９ 被加工材形成面
３０ 被加工材
３１ 貫通孔

Claims (7)

1. 貫挿部の先に嵌入部を有する凸構造を設けてなる上型と、凹構造を設けてなり支持体で保持する下型とを用意し、
   その下型の被加工材形成面上に、流動状態の被加工材を形成し、
   その被加工材中に前記上型の凸構造を押し込んでその凸構造の貫挿部を同被加工材中に入れて前記凸構造をその被加工材中に貫通させ、前記嵌入部を前記下型の凹構造内にはめ込み、
   前記被加工材を固化して後、前記被加工材中から前記凸構造を引き出すことを特徴とする、インプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法。
2. 前記被加工材中から前記凸構造を引き出して後、前記下型から前記被加工材を剥離することを特徴とする、請求項１に記載のインプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法。
3. 前記被加工材中から前記凸構造を引き出して後、前記下型に前記被加工材を接合した状態で前記下型を前記支持体から剥離することを特徴とする、請求項１に記載のインプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法。
4. 前記凸構造の先の嵌入部を先細に形成してなることを特徴とする、請求項１ないし３のいずれか１に記載のインプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法。
5. 前記凸構造の突出長さをｔ１、前記凹構造の前記被加工材形成面からの深さをｔ２、前記被加工材の厚さをｔ３とするとき、
   ｔ１＜ｔ２＋ｔ３
   としてなることを特徴とする、請求項１ないし４のいずれか１に記載のインプリンティング法による貫通孔構造体の製造方法。
6. 請求項１ないし５のいずれか１に記載の製造方法により形成してなることを特徴とする、貫通孔構造体。
7. インクジェットヘッド用ノズルプレートであることを特徴とする、請求項６に記載の貫通孔構造体。

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