JP2007320074A

JP2007320074A - 微細金型の製造方法

Info

Publication number: JP2007320074A
Application number: JP2006150088A
Authority: JP
Inventors: Zenichi Yoshida; 善一吉田
Original assignee: Tama TLO Co Ltd
Current assignee: Tama TLO Co Ltd
Priority date: 2006-05-30
Filing date: 2006-05-30
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】マイクロレンズアレイなどの微細構造体を高精度・高速に、製造することができる微細金型の製造方法を提供する。
【解決手段】次の各工程からなる微細金型の製造方法、（Ａ）チタンまたはクロム含有金属板に、樹脂を塗布する工程、（Ｂ）レーザにより、樹脂を穴あけ加工する工程、（Ｃ）ニッケルめっきまたはニッケル−リンめっきし、金型用金属層を形成する工程、（Ｄ）めっきにより形成された金型用金属層を金属板から剥離する工程、および（Ｅ）金型用金属層の裏面を補強する工程。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロレンズなどの微小構造体を作製するための微細金型（マイクロ金型）の製造方法に関するものである。

近年、テクノロジーの発展に伴い、各種機器に使用する、微細構造体の需要が増加している。例えば、マイクロレンズは、コンパクトディスク等の光ピックアップの集光手段等の各種の光学装置に用いられている。このマイクロレンズは、１次元または２次元に等間隔に配置したレンズアレイとして用いられる場合も多い。
マイクロレンズ等の微細構造体は、従来、モールド用金型を彫刻し、そこに樹脂やガラスを流し込んで成形加工する機械加工法やイオンビーム加工法等により作製されてきた。しかし、従来は、微細な三次元自由曲面を有する金型を機械工加工で高精度に作ることは困難で、多くの時間が必要とされてきた。また、シリコンにフォトリソグラフィーによるエッチングで整形して型にしたり、直接部品として加工する方法もあるが、これらの方法でも、作製には多くの時間がかかり、またコストも高いものとなってしまっていた。
伊藤寛明、他、「マイクロ光学レンズ成形用金型の集束イオンビーム加工」、精密工学会誌、Vol.70、No.12、pp.1549-1553，2004年

本発明は、マイクロレンズアレイなどの微細構造体を高精度・高速に、製造することができる微細金型およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、
（１）次の各工程からなる微細金型の製造方法、
（Ａ）チタンまたはクロム含有金属板に、樹脂を塗布する工程、
（Ｂ）レーザにより、樹脂を穴あけ加工する工程、
（Ｃ）ニッケルめっきまたはニッケル−リンめっきし、金型用金属層を形成する工程、
（Ｄ）めっきにより形成された金型用金属層を金属板から剥離する工程、
（Ｅ）金型用金属層の裏面を補強する工程、
（２）前記（Ｃ）工程が、無電解ニッケルめっきまたは無電解ニッケル−リンめっきした後、さらに電解めっきし、金型用金属層を形成する工程であることを特徴とする（１）項記載の微細金型の製造方法、
（３）前記（Ａ）工程において、樹脂が塗布される金属面をあらかじめ研磨することを特徴とする（１）または（２）項記載の微細金型の製造方法、
（４）前記（Ｂ）工程において、金属を露出させることを特徴とする（１）〜（３）のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法、
（５）前記（Ｂ）工程において、金属面は加工しないことを特徴とする（１）〜（４）のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法、
（６）前記（Ｂ）工程において、樹脂が異なる種類の樹脂を多層化させたものだり、レーザ除去率の差で三次元加工することを特徴とする（１）〜（５）のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法、
（７）（１）〜（６）のいずれか１項に記載の製造方法により製造された微細金型。
（８）金型用金属層表面に５〜５０μｍの曲率半径の曲面を有することを特徴とする（７）項記載の微細金型、
（９）前記曲面を２個以上有することを特徴とする（８）項記載の微細金型、および
（１０）マイクロレンズアレイ、ＤＮＡアレイ、または光配線ガイドウェイの金型であることを特徴とする（７）項記載の微細金型
を提供するものである。

本発明により、三次元微細構造を有するマイクロ金型を高精度・高速で加工、作製することができる。また、本発明の金型は、曲率半径のばらつきを著しく小さくした、多くの微細な曲率半径の曲面を有するものとすることができる。

本発明の好ましい実施態様を図面を参照して説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１は、本発明の製造方法の一例を説明する断面図である。ここではレンズアレイ用の金型を製造する。
まず、図１（Ａ）に示すように、金属基板１の表面に樹脂２をラミネートする。
金属基板１は、チタンまたはクロム含有金属板であって、鏡面研磨した金属板が好ましい。チタン含有金属板としては、例えば、通常のチタン合金板を用いることができる。またクロム含有金属板としては、通常のクロム鋼板を用いることができる。また、鉄、銅等の金属板に、チタンまたはクロムを蒸着したものであっても良い。

ラミネートされる樹脂２としては、塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリエステル、ポリイミドなどの樹脂を用いることができ、ポリイミドが好ましい。本発明においては、金属基板１に均一な厚みでラミネートすることが好ましい。また、ラミネートに代えて、スピンコート、またはディッピングにより樹脂２を塗布しても良い。ラミネート、スピンコート、およびディッピングの各方法は特に限定されるものではなく、通常用いられている方法をそのまま用いることができる。
樹脂２の厚さは、０．１〜１０００μｍが好ましく、１〜５０μｍがさらに好ましい。

次に、図１（Ｂ）に示すように、波面制御レーザ３により、樹脂２に穴あけする。このとき、レーザの波長やパワー密度を適宜決定することにより、金属板１は、樹脂よりも光吸収率を低くすることができ、融点も高いため加工されない。
また、形成される穴の樹脂の傾斜角度は３０°〜６０°が好ましい。樹脂の傾斜角度をこの範囲のものとするためには、ビームの強度分布を制御（波面制御レーザと呼ぶ）すればよい。また、樹脂２が除かれ金属基板１上に形成される窓の大きさは、窓が円形の場合、直径が１〜３０μｍが好ましい。
用いられるレーザとしては、ＹＡＧレーザ、エキシマレーザなどが好ましい。このうち、ＹＡＧレーザとしては、波長は２６６〜５３２ｎｍが好ましく、パルスエネルギーは０．１〜１００ｍＪが好ましく、パルス幅は１〜１００ｎｓｅｃが好ましく、繰り返し数は１０Ｈｚ〜１００ｋＨｚが好ましい。
本実施態様では、例えばマルチアレイレンズを作製するためにはレーザの繰り返し数を一定にして１パルス毎に穴をあけて行く。このときガルパノミラーで高速にＸ−Ｙにビームをスキャンするか、ビームは静止させＸ−Ｙステージを高速で動作することにより、樹脂２に一定間隔で同じ大きさの穴をあけている。

次に、図１（Ｃ）に示すように、無電解ニッケルめっきまたは無電解ニッケル−リンめっきを行い、金型用金属層４を形成する。このときのめっき厚さは、１〜５０μｍが好ましい。また、無電解ニッケルめっきまたは無電解ニッケル−リンめっきの前処理、およびめっき条件は通常行なわれている処理、および条件により行なうことができる。

めっきは、金型用金属層４の表面をより平坦化させるとともに、および金属基板１部と樹脂２部とにおける適切な成長速度差を設けるために、無電解めっきを約０．１μｍの厚さ行なった後に、電解（電気）ニッケルめっきをすることが好ましい。後に行なう電解ニッケルめっきのめっき厚さは、１〜５０μｍが好ましい。
これにより、図１（Ｃ）に示すように、金型用金属層４の表面に、曲面からなるレンズ型５が形成される。

次に、図１（Ｄ）に示すように、金型用金属層４を金属基板１から剥離する。剥離は、通常の樹脂エッチング溶液に入れ、樹脂２を溶かすことより行なうことができる。めっきにより形成された金型用金属層４は、チタンまたはクロム含有金属基板１が不活性で金属層４と結合していないため樹脂が２が溶けることで自動的に剥離させることができる。

次に、金型用金属層４の裏面（無電解めっき面）を補強材６により補強し、金型を完成させる。補強材としては鉄やクロムなどが挙げられる。補強材は、無電解めっき面に電鋳法で形成し、めっき部（金属層）４と一体化されることが好ましい。金型用金属層４の裏面には、電鋳法で鉄またはクロムまたはニッケルの電着体を形成すればよい。補強のための電着体の厚さは、０．５〜１０ｍｍが好ましい。また、補強材６としては、鉄やクロムに限定されるものではなく、例えば、ガラス繊維強化プラスチック、炭素繊維強化プラスチック、ポロン繊維強化プラスチック、炭化ケイ素繊維強化プラスチック、ケプラー（アラミッド）繊維強化プラスチック、アモルファス金属繊維強化プラスチックなどの繊維強化プラスチックを用いても良い。

本発明の製造方法により製造された金型には、表面に成型用樹脂の流し込み、常法により成型、離型することにより、目的とするレンズアレイを得ることができる。
本発明の方法により作製される金型では、金属基板１上に形成された金型用金属層２は、めっきで形成されることにより、表面が平滑になり、これを用いて形成されるレンズは、光が通る中心部分が平滑になる。また、レーザ加工により形成された樹脂２の傾斜と金属基板１の面の窓を適宜決定することにより、所望のレンズの曲率を得ることができる。

本発明で作製された金型は、レンズ部分に相当する金型用金属層表面の曲率半径を５〜５０μｍとすることができる。これは、従来の方法で作製されたマイクロレンズの金型では、曲率半径が１０〜１００μｍであるのに比べ、非常に小さな曲率半径とすることが可能となる。
さらに、本発明の金型では、マクロレンズを数万個〜数百万個配列しているマイクロレンズアレイでは、それぞれのレンズ部分の曲率半径のバラツキを好ましくは５％以下とするものである。これは、従来の金型に比べ、バラツキが非常に少なくすることができたものである。また、これら曲率半径のバラツキは、例えば、三次元表面構造解析顕微鏡により測定することができる。

また、本発明においては、上記のレンズアレイ以外に、それに限定されるものではないが、例えば、ＤＮＡアレイ、光配線ガイドウェイ、マイクロ流体デバイス、マイクロシリンジアレイなどを微細構造体の金型も同様にして作製することができる。本発明により、これら微細構造体の金型を効率的にかつ自由度も高く製造することができる。

以下に、本発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが本発明はこれに限定されるものではない。

実施例１
チタン板上に４５μｍのポリイミド樹脂をラミネートした。グリーンレーザ（波長５３２ｎｍ）で樹脂表面径４０μｍ、金属面窓径２０μｍ（側面角度約１２°）の穴を樹脂にあけた。次いで、樹脂面を触媒処理（Ｐｂ／Ａｕ）した後、無電解ニッケルめっきを行った（ニッケル厚み約５μｍ）。次に樹脂エッチングよりチタン板からニッケル金属層（金型用金属層）を剥離し、金型用金属層裏面を電鋳法で補強し、ニッケル金型を作製した。この結果、底面では径２０μｍの領域で最大深さと最小深さとの差は２．５μｍで曲率半径約３５μｍのニッケル金型を作製できた。

本発明の方法の一例の説明する断面図である。

符号の説明

１金属基板
２ラミネート樹脂
３波面制御レーザ
４金型用金属層
５レンズ型
６補強材

Claims

次の各工程からなる微細金型の製造方法。
（Ａ）チタンまたはクロム含有金属板に、樹脂を塗布する工程、
（Ｂ）レーザにより、樹脂を穴あけ加工する工程、
（Ｃ）ニッケルめっきまたはニッケル−リンめっきし、金型用金属層を形成する工程、
（Ｄ）めっきにより形成された金型用金属層を金属板から剥離する工程、
（Ｅ）金型用金属層の裏面を補強する工程。
前記（Ｃ）工程が、無電解ニッケルめっきまたは無電解ニッケル−リンめっきした後、さらに電解めっきし、金型用金属層を形成する工程であることを特徴とする請求項１記載の微細金型の製造方法。
前記（Ａ）工程において、樹脂が塗布される金属面をあらかじめ研磨することを特徴とする請求項１または２記載の微細金型の製造方法。
前記（Ｂ）工程において、金属を露出させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法。
前記（Ｂ）工程において、金属面は加工しないことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法。
前記（Ｂ）工程における樹脂が異なる種類の樹脂を多層化させたものであり、レーザ除去率の差で三次元加工することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の微細金型の製造方法。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の製造方法により製造された微細金型。
金型用金属層表面に５〜５０μｍの曲率半径の曲面を有することを特徴とする請求項７記載の微細金型。
前記曲面を２個以上有することを特徴とする請求項８記載の微細金型。
マイクロレンズアレイ、ＤＮＡアレイ、または光配線ガイドウェイの金型であることを特徴とする請求項７記載の微細金型。