JP2011194721A - Mold manufacturing apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金型製造装置に関し、特に微細構造を有する金型を製造する場合に適用して好適なものである。 The present invention relates to a mold manufacturing apparatus, and is particularly suitable for application to manufacturing a mold having a fine structure.
従来の金型作製方法を図9に示す。ガラス基板またはSi基板100にレジストを塗布し、紫外線、電子線、X線などを用い、レジストにパターン101を形成する。この上に通電層102をスパッタリング法用い、形成する(例えば、特許文献1)。次いで、通電層102上にNiめっきを施して金属膜103を形成し、当該金属膜103を離型して金型104を得る。
A conventional mold manufacturing method is shown in FIG. A resist is applied to a glass substrate or
さらなる高密度、高機能化への対応として、より微細なナノサイズの微細構造、3次元構造の形状とするため、微細パターンを形成することが必要とされるが、従来の方法ではホールへのめっきの埋め込みができないなどの問題が生じていた。 To cope with higher density and higher functionality, it is necessary to form a fine pattern in order to obtain a finer nano-sized fine structure and a three-dimensional shape. Problems such as inability to embed plating occurred.
また、3次元構造では通電層をスパッタ法で形成した場合にはカバレッジ不足により通電層の形成が難しい状況であった。 In the three-dimensional structure, when the energization layer is formed by sputtering, it is difficult to form the energization layer due to insufficient coverage.
そこで、本発明は、ナノサイズの微細構造を有する金型を効率的に製造することができる金型製造装置を提供することを目的とする。 Then, an object of this invention is to provide the metal mold | die manufacturing apparatus which can manufacture the metal mold | die which has a nanosize fine structure efficiently.
本発明の請求項1に係る発明は、微細構造を有した無機薄膜上に金属膜を形成し、前記金属膜を前記無機薄膜から分離して金型を形成する金型製造装置において、前記無機薄膜上にアミノ基、メルカプト基、チオール基、ジスルフィド基、シアノ基、ハロゲン基、スルフォン酸基の1つ以上を含む官能基を有するシランカップリング剤を含有する自己組織化膜を形成する自己組織化膜形成部と、前記自己組織化膜の表面を洗浄する洗浄部と、前記自己組織化膜上に通電層を形成する通電層形成部とを備え、前記自己組織化膜形成部、洗浄部、および通電層形成部は不活性ガス雰囲気に保持されていることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項2に係る発明は、前記通電層形成部は、前記自己組織化膜上にAu、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbのいずれか1以上を含む金属イオン層を形成する金属イオン層形成部と、前記金属イオン層上に薄膜めっき層を形成する薄膜めっき層形成部とを有することを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項3に係る発明は、前記自己組織化膜形成部は、アミノ基、メルカプト基、チオール基、ジスルフィド基、シアノ基、ハロゲン基、スルフォン酸基の1つ以上を含む官能基を有するシランカップリング剤を含有する第1の溶液に、前記微細構造を有した表面を下向きにして前記無機薄膜を浸漬し、あるいはシランカップリング剤を含有する第1の溶液の蒸気を前記無機薄膜にあてて、前記無機薄膜上に官能基を最表面にした自己組織化膜を形成し、前記金属イオン層形成部は、Au、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbのいずれか1以上の金属イオンを含む第2の溶液に、前記微細構造を有した表面を横向きにして前記自己組織化膜を浸漬することを特徴とする。
In the invention according to
本発明の請求項4に係る発明は、前記金属イオン層形成部は、10mm/分〜100mm/分の速度で、前記自己組織化膜を前記第2の溶液に出入させることを特徴とする。 The invention according to claim 4 of the present invention is characterized in that the metal ion layer forming section allows the self-assembled film to enter and exit the second solution at a speed of 10 mm / min to 100 mm / min.
本発明の請求項5に係る発明は、前記第2の溶液は、前記金属イオンの濃度が0.5mMから0.1Mであることを特徴とする。
The invention according to
本発明の請求項6に係る発明は、前記自己組織化膜を形成する前に、前記無機薄膜の表面を洗浄する第2洗浄部を備えることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、金型製造装置は、不活性ガス雰囲気下で、自己組織化膜の形成、洗浄、通電層の形成を行うように構成したから、大気中の酸素、カーボン、金属などが表面に付着することを防ぐことができるので、ナノサイズの微細構造を有する効率的に金型を製造することができる。 According to the present invention, the mold manufacturing apparatus is configured to perform the formation of the self-assembled film, the cleaning, and the formation of the conductive layer in an inert gas atmosphere. Since it can prevent adhering to the surface, a metal mold | die which has a nano-sized fine structure can be manufactured efficiently.
以下、図面を参照して本発明の実施形態について詳細に説明する。
(全体構成)
図1に示す金型製造装置1は、自己組織化膜形成部2、洗浄部3、および通電層形成部4を備え、微細構造を有した無機薄膜上に自己組織化単分子膜(SAM: Self-Assembled Monolayer、以下「自己組織化膜」という。)を形成し、当該自己組織化膜の表面を洗浄した上で当該表面上に通電層を形成し得るように構成されている。図2に示すように、微細構造を有した無機薄膜5は、基板6上に形成されており、以下の説明において、微細構造を有した無機薄膜5が形成された前記基板6をワーク7と呼ぶこととする。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(overall structure)
A
因みに、金型製造装置1は、本図には図示しないが、さらに金属膜形成部と、離型処理部とを備え、前記通電層上に金属膜を形成し、当該金属膜を無機薄膜5から離型させ、金型を形成し得るように構成されている。
Incidentally, although not shown in the drawing, the
金型製造装置1は、自己組織化膜形成部2、洗浄部3、通電層形成部4を不活性ガス雰囲気に保持している(図1)。このように構成することにより、金型製造装置1は、大気中の酸素、カーボン、金属などが表面に付着することを防いで、その箇所の自己組織化膜が欠落することを防ぐことができる。
The
本実施形態の場合、金型製造装置1は、搬送部10、ワーク取付部11、第2洗浄部12、自己組織化膜形成部2、洗浄部3、通電層形成部4、およびワーク取出部14を処理室15内にX方向に水平に並設してなる。ワーク取付部11は、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを下向きにしてワーク7を保持するように構成されている。なお、以下の説明において、金型製造装置1のワーク取付部11からワーク取出部14へ向かう方向をX方向、鉛直下方向をY方向とする。
In the case of this embodiment, the
処理室15は、内部が不活性ガス雰囲気に保持されている。搬送部10は、ワーク取付部11から洗浄部3までワーク7を搬送する第1搬送部18と、洗浄部3からワーク取出部14までワーク7を搬送する第2搬送部19とからなる。
The interior of the
第1搬送部18および第2搬送部19は、X方向に延びる搬送路18R,19Rをワーク7が移動し得ると共に、第2洗浄部12、自己組織化膜形成部2、洗浄部3、通電層形成部4において、Y方向へワーク7を移動させ得るように構成されている。
The
第2洗浄部12は、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを洗浄し得るように構成されている。本実施形態の場合、第2洗浄部12は無機薄膜5の表面Sに紫外線を照射する紫外線照射部21を有する。
The 2nd washing | cleaning
自己組織化膜形成部2は、アミノ基、メルカプト基、チオール基、ジスルフィド基、シアノ基、ハロゲン基、スルフォン酸基の1つ以上を含む官能基を有するシランカップリング剤を含有する自己組織化膜を形成し得るように構成されている。
The self-assembled
本実施形態の場合、自己組織化膜形成部2は、前記シランカップリング剤を含有する第1の溶液22Lを収容したタンク22を有し、当該タンク22内において前記第1の溶液22Lが循環し得るように構成されている。
In the case of this embodiment, the self-assembled
第1の溶液22Lは、例えば、シランカップリング剤として3−アミノプロピルトリメトキシシラン(APTMS)を1 wt%含有したトルエン溶液を60℃に加温したものが用いられる。また、シランカップリング剤としては、メルカプトプロピルトリメトキシシラン(MPTMS)や、3−[2−(2−アミノエチルアミノプロピルトリメトキシシラン(TAS)などを適用することができる。
As the
第1搬送部18は、図3に示すように、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを下向きにした状態でワーク7を第1の溶液22Lに浸漬させるように構成されている。この場合、第1搬送部18は、X方向へ移動し、ワーク7を保持した状態で第2洗浄部12から自己組織化膜形成部2へ搬送すると共に、Y方向へ移動して前記ワーク7を第1の溶液22Lに浸漬させる。
As shown in FIG. 3, the
洗浄部3は、有機溶剤25Lを収容する洗浄槽25を有する。有機溶剤25Lとしては、例えば、メタノールを用いることができる。第2搬送部19は、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを横向きにした状態でワーク7を有機溶剤25Lに浸漬させ得るように構成されている。本実施形態の場合、第2搬送部19は、第1搬送部18からワーク7を受取る受取機構19Aと、前記ワーク7の自己組織化膜を形成した表面を横向きにする90度回転機構19Bとを有し、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを横向きに保持した状態で前記ワーク7を搬送し得るように構成されている。
The
通電層形成部4は、金属イオン層形成部30と、薄膜めっき層形成部31とを有し、金属膜を電解めっきにより形成する場合の電極を形成し得るように構成されている。
The energization layer forming unit 4 includes a metal ion
金属イオン層形成部30は、Au、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbの1つ以上の金属イオンを含む金属イオン層を自己組織化膜上に形成し得るように構成されている。本実施形態の場合、金属イオン層形成部30は、Au、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbの1つ以上の金属イオンを含有する第2の溶液32Lを収容した金属イオン固定槽32を有し、当該金属イオン固定槽32内において前記第2の溶液32Lが循環し得るように構成されている。溶媒には希塩酸、希硝酸、希硫酸を用いることができる。
The metal ion
この第2の溶液32Lは、金属イオン濃度が0.5mM〜0.1Mであることが好ましい。因みに、大面積を有する表面に金属イオンを吸着させる場合には、第2の溶液32Lの金属イオン濃度が高いことが必要であるが、金属イオン濃度を高くしていくと金属イオンを溶液中に均一に分散させることが困難となり、結果として金属イオンが凝集してしまうという問題がある。また、金属イオン濃度が高い第2の溶液32Lを用いた場合には、自己組織化膜の表面近傍において、金属イオンが凝集してしまう原因ともなる。
The
具体的には、金属イオン濃度が0.5mM未満の場合、金属イオンが不足し固定されない。一方、金属イオン濃度が0.1M超では、金属イオン同士が凝固してしまう場合がある。したがって、本実施形態の場合、金属イオン濃度が0.5mM〜0.1Mである第2の溶液に浸漬することとした。これにより、自己組織化膜上に所望の金属イオン層を形成することができる。 Specifically, when the metal ion concentration is less than 0.5 mM, the metal ions are insufficient and are not fixed. On the other hand, when the metal ion concentration exceeds 0.1M, the metal ions may solidify. Therefore, in the case of this embodiment, it decided to immerse in the 2nd solution whose metal ion concentration is 0.5 mM-0.1M. Thereby, a desired metal ion layer can be formed on the self-assembled film.
また、第2搬送部19は、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを横向きにした状態でワーク7を第2の溶液32Lに浸漬させ得るように構成されている。因みに、ナノサイズの微細構造に対するカバレッジを考慮した場合、金属イオン、例えばPd2+の粒子が可能な限り凝集せずに均一に吸着することが必要である。
Moreover, the
具体的には、10mm以上100mm以下のサイズのワーク7の場合、1分間で金属イオンが自己組織化膜の表面に吸着することを実験により確認した。したがって、本実施形態の場合、第2搬送部19は、10mm/分以上100mm/分以下の速度でワーク7を第1の溶液22Lに出入させることとした。これにより、金型製造装置1は、自己組織化膜の表面に金属イオン層をより確実に形成することができる。
Specifically, in the case of the
薄膜めっき層形成部31は、金属イオン層を核として、無電解めっきにより薄膜めっき層を形成し得るように構成される。薄膜めっき層形成部31は、弱酸性のめっき浴33Lを収容した無電解めっき槽33を有し、当該無電解めっき槽33内において前記めっき浴33Lが循環し得るように構成されている。薄膜めっき層は、種々の金属を適用することができるが、例えば、Ni、Co,Pt,Sn,Au,Cuなどで形成することができる。この場合、第2搬送部19は、図4に示すように、微細構造を有した無機薄膜5の表面Sを横向きにした状態でワーク7をめっき浴に浸漬させ得るように構成されている。
(作用および効果)
次に、上記のように構成された金型製造装置1の作用および効果について説明する。
The thin film plating
(Function and effect)
Next, the operation and effect of the
まず、ワーク取付部11にワーク7(図2)を取り付ける。当該ワーク7には、無機薄膜5に微細構造としてのナノサイズのパターンが形成されている。本実施形態の場合、パターンは、凹凸からなる二次元構造のものを例示している。パターンを形成する方法は、特に限定されるものではなく、公知技術を用いることができる。本実施形態の場合、無機薄膜5は、Si基板6の表面に形成したSi酸化膜からなる。この無機薄膜5にレジストを塗布して、マスクを用いて所定パターンに紫外線、電子線、X線などを露光し、ドライエッチングを用いて上記パターンを形成する。
First, the work 7 (FIG. 2) is attached to the
次いで、第1搬送部18は、X方向へ移動し、第2洗浄部12へワーク7を搬送する。この場合、第1搬送部18は、パターンが形成された表面Sを下向きにしてワーク7を搬送する。次いで、第1搬送部18は、Y方向へ移動する。これにより、第2洗浄部12は、紫外線を表面Sに向かって照射し、当該表面Sを洗浄する。
Next, the
次いで、第1搬送部18は、搬送路18Rに復帰した後にX方向へ移動し、自己組織化膜形成部2にワーク7を搬送する。次いで、第1搬送部18は、Y方向へ移動し、パターンが形成された表面Sを下向きにして、シランカップリング剤を含有する第1の溶液22Lにワーク7を浸漬させる。あるいはシランカップリング剤を含む溶液からの蒸気により、液相、気相成長によって、図5に示すように無機薄膜5上に化学吸着することにより自己組織化膜40が形成される。自己組織化膜40は、無機薄膜5の表面に化学吸着した官能基とは反対側にもう一つ末端官能基を有する。自己組織化膜40は、アルキル基のファンデルワールス力により分子の配列間隔が決定される。
Next, the
次いで、第1搬送部18は、搬送路18Rへ復帰し、第2搬送部19の受取機構19Aにワーク7を受け渡す。第2搬送部19は受取ったワーク7を90度回転させ、自己組織化膜40が形成された表面を横向きにした状態で保持する。
Next, the
この状態で、第2搬送部19は、搬送路19R上をX方向へ移動し、ワーク7を洗浄部3へ搬送する。次いで、第2搬送部19は、Y方向へ移動し、有機溶剤25Lにワーク7を浸漬させ、自己組織化膜40の表面を洗浄する。
In this state, the
次いで、第2搬送部19は、搬送路19Rへ復帰した後にX方向へ移動し、ワーク7を金属イオン層形成部30へ搬送する。次いで、第2搬送部19は、Y方向へ移動し、第2の溶液32Lにワーク7を浸漬させ、自己組織化膜40上に金属イオン層を形成する。この場合、第2の溶液32Lに含有される金属イオンは、自己組織化膜40の末端官能基に化学吸着する。
Next, after returning to the
次いで、第2搬送部19は、搬送路19Rへ復帰した後にX方向へ移動し、ワーク7を薄膜めっき層形成部31へ搬送する。次いで、第2搬送部19は、Y方向へ移動し、めっき浴33Lにワーク7を浸漬させ、金属イオン層上に薄膜めっき層を形成する。このようにして、図6に示すように、自己組織化膜40上に通電層41が形成される。
Next, after returning to the
次いで、第2搬送部19は、搬送路19Rへ復帰した後にX方向へ移動し、ワーク取出部14へワーク7を搬送する。
Next, the
このように、本発明に係る金型製造装置1は、処理室15の内部を不活性ガス雰囲気に保持するように構成したから、大気中の酸素、カーボン、金属などが表面に付着することを防いで、その箇所の自己組織化膜40が欠落することを防ぐことができる。したがって、金型製造装置1は、ナノサイズの微細構造を有する効率的に金型を製造することができる。
As described above, since the
また、金型製造装置1では、シランカップリング剤で構成された自己組織化膜40をナノサイズのパターンを有する無機薄膜5上に形成したことにより、当該パターン上に通電層41を均一に形成することができる。したがって、前記通電層41を電極として電解めっきによりナノサイズのパターンにめっきをより確実に埋め込むことができるので、ナノサイズの微細構造を有する金型を容易に製造することができる。
Moreover, in the metal
また、通電層41は、金属イオン層と薄膜めっき層とを有することにより、金属膜を電解めっきにより形成する際に必要となる電極をより確実に形成することができる。
In addition, since the
また、金型製造装置1は、10mm/分以上100mm/分以下の速度でワーク7を第1の溶液22Lに出入させるように構成したことにより、自己組織化膜40の表面に金属イオン層をより確実に形成することができる。
In addition, the
また、金型製造装置1は、金属イオン濃度が0.5 mM〜0.1Mである第2の溶液32Lを用いて金属イオン層を形成することとしたことにより、金属イオン同士の凝固を防いで、均一な金属イオン層を形成することができる。
In addition, the
また、金型製造装置1は、自己組織化膜40を形成する前に、前記無機薄膜5の表面Sを洗浄する第2洗浄部12を備えることとしたことにより、ナノサイズの微細表面を清浄にすることができ、自己組織膜40を隙間なく形成することができる。
In addition, the
また、金型製造装置1は、シランカップリング剤を含有する第1の溶液22Lに、前記微細構造を有した表面Sを下向きにしてワーク7を浸漬、あるいは第1の溶液22Lの蒸気を表面Sにあてて自己組織化膜40を形成することとしたことにより、無機薄膜5上により確実に自己組織化膜40を形成することができる。因みに、微細構造を有した表面Sを横向きにした場合は、圧力勾配などの影響を受け、不均一な膜形成となるという不具合がある。
Further, the
また、金型製造装置1は、第2の溶液32Lに、前記微細構造を有した表面Sを横向きにしてワーク7を浸漬して金属イオン層を形成することとしたことにより、自己組織化膜40上により確実に金属イオン層を形成することができる。因みに、微細構造を有した表面Sを下向きにした場合は、金属膜形成中に発生する水素がうまく放出されず膜に残ってしまうなどの不具合がある。
In addition, the
なお、金型は、図7に示すように、通電層41上に金属膜42を公知の方法、例えば電解Niめっきにより金属膜42を形成し、通電層41と無機薄膜5とを分離することにより、図8に示すような通電層41と金属膜42からなる金型43を得ることができる。
(変形例)
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨の範囲内で適宜変更することが可能である。例えば、上記実施形態の場合、第2洗浄部12は紫外線を照射して無機薄膜5の表面Sを洗浄するように構成された場合について説明したが、本発明はこれに限らず、スパッタを用いて無機薄膜5の表面Sを洗浄するように構成してもよい。
As shown in FIG. 7, the
(Modification)
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be appropriately changed within the scope of the gist of the present invention. For example, in the above embodiment, the case where the
例えば、上記実施形態の場合、金型製造方法は凹凸からなる二次元構造の金型を製造する場合を例示したが、本発明はこれに限らず、自己組織化膜は、三次元構造のパターンにも均一に形成することができるので、三次元構造の金型を同様に製造することもできる。 For example, in the case of the above-described embodiment, the case where the mold manufacturing method manufactures a mold having a two-dimensional structure made of unevenness is exemplified, but the present invention is not limited to this, and the self-assembled film is a pattern of a three-dimensional structure. In addition, a three-dimensional mold can be manufactured in the same manner.
上記実施形態では、自己組織化膜を液相成長により形成した場合について説明したが、本発明はこれに限らず、気相成長により形成することとしてもよい。 In the above embodiment, the case where the self-assembled film is formed by liquid phase growth has been described. However, the present invention is not limited thereto, and may be formed by vapor phase growth.
1 金型製造装置
2 自己組織化膜形成部
3 洗浄部
4 通電層形成部
5 無機薄膜
22L 第1の溶液
30 金属イオン層形成部
31 薄膜めっき層形成部
32L 第2の溶液
40 自己組織化膜
41 通電層
42 金属膜
43 金型
S 表面
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記無機薄膜上にアミノ基、メルカプト基、チオール基、ジスルフィド基、シアノ基、ハロゲン基、スルフォン酸基の1つ以上を含む官能基を有するシランカップリング剤を含有する自己組織化膜を形成する自己組織化膜形成部と、
前記自己組織化膜の表面を洗浄する洗浄部と、
前記自己組織化膜上に通電層を形成する通電層形成部と
を備え、
前記自己組織化膜形成部、洗浄部、および通電層形成部は不活性ガス雰囲気に保持されている
ことを特徴とする金型製造装置。 In a mold manufacturing apparatus for forming a metal film on an inorganic thin film having a microstructure and separating the metal film from the inorganic thin film to form a mold,
A self-assembled film containing a silane coupling agent having a functional group including one or more of amino group, mercapto group, thiol group, disulfide group, cyano group, halogen group, and sulfonic acid group is formed on the inorganic thin film. A self-assembled film forming section;
A cleaning section for cleaning the surface of the self-assembled film;
An energization layer forming portion for forming an energization layer on the self-assembled film,
The mold manufacturing apparatus, wherein the self-assembled film forming unit, the cleaning unit, and the energization layer forming unit are maintained in an inert gas atmosphere.
前記自己組織化膜上にAu、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbのいずれか1以上を含む金属イオン層を形成する金属イオン層形成部と、
前記金属イオン層上に薄膜めっき層を形成する薄膜めっき層形成部と
を有することを特徴とする請求項1記載の金型製造装置。 The energization layer forming part is
A metal ion layer forming part for forming a metal ion layer containing any one or more of Au, Pd, Ag, Pt, Bi, and Pb on the self-assembled film;
The mold manufacturing apparatus according to claim 1, further comprising a thin film plating layer forming unit that forms a thin film plating layer on the metal ion layer.
前記金属イオン層形成部は、Au、Pd、Ag、Pt、Bi、Pbのいずれか1以上の金属イオンを含む第2の溶液に、前記微細構造を有した表面を横向きにして前記自己組織化膜を浸漬する
ことを特徴とする請求項2記載の金型製造装置。 The self-assembled film forming unit includes a first silane coupling agent having a functional group including one or more of an amino group, a mercapto group, a thiol group, a disulfide group, a cyano group, a halogen group, and a sulfonic acid group. The inorganic thin film is immersed in the solution with the surface having the fine structure facing downward, or the vapor of the first solution containing a silane coupling agent is applied to the inorganic thin film, and a functional group is formed on the inorganic thin film. Forming a self-assembled film with
The metal ion layer forming portion is formed in the second solution containing one or more metal ions of Au, Pd, Ag, Pt, Bi, and Pb with the surface having the fine structure facing sideways. 3. The mold manufacturing apparatus according to claim 2, wherein the film is immersed.
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