JP3912748B2 - 精密成形用金型の製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明に属する技術分野】
この発明は、主として小形精密成形製品の樹脂成形に用いられる精密成形用金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小形精密成形製品の樹脂成形に用いる金型を製造する場合、放電加工等の高精度の機械加工法が採用されている。
【０００３】
また、複数個の同一形状の金型を製造する場合には、機械加工等により作製した高精度の母型（成形製品と凹凸が同じもの）の表面に電着金属層（金属メッキ層）を形成する電鋳加工法により、母型と凹凸が反対の型である電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして、金型を製作する方法が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３３９７７７号公報
【特許文献１】
特開平６−３３２９０号公報
【特許文献１】
特開２００２−１５８１９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の放電加工等の機械加工では、一定の高精度の加工を行うことができるが、能率的な加工ができないので、製造工期が長くかかり、したがって、製造コストが著しく高くなるという欠点がある。
また、電鋳加工では、精密な複製が可能なので、同一形状の高精度の金型を複数製造する場合に適しているが、電着金属層の形成速度が遅いために、やはり製造工期が長くかかり、製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、同一形状の複数の精密成形用金型を短い製造工期でかつ安価に製造することができる精密成形用金型の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１の精密成形用金型の製造方法の発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第1工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填シリコン凹型からシリコンを除去する第３工程とからなることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の精密成形用金型の製造方法の発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第１工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填凹型からシリコンを除去して金属部材を得る第３工程と、前記金属部材を母型とする電鋳加工により電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして金型を製造する第４工程とからなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３は、請求項１又は２の精密成形用金型の製造方法において、第１工程におけるエッチングの際、異方性エッチングを施すことを特徴とする。
【００１０】
請求項４は、請求項１又は２の精密成形用金型の製造方法において、第１工程において広いシリコン基板に複数の凹型部分を形成し、前記第２工程において各凹型部分の凹所にそれぞれ溶融金属を充填することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図５に請求項１の精密成形用金型の製造方法の発明の一実施形態を示す。
請求項１の精密成形用金型の製造方法は、例えば図１に示すように、シリコン基板１の表面にエッチングマスク２（２ａ、２ｂ、２ｃ）を形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所３を持つシリコンの凹型４を形成するシリコン凹型形成の第１工程と、例えば図２、図３に示すように、減圧雰囲気中で前記凹型４を低融点金属からなる溶融金属７中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属７を凹型４の凹所３に充填し、次いで溶融金属７から引き上げて金属充填シリコン凹型４０を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填シリコン凹型４０からシリコン（凹型４）を除去するシリコン除去の第３工程とからなる。これにより、例えば図４に示すような金属部材９を得ることができ、この金属部材９を図５のような金型１６のコア金型１６ａとして用いることができる。
【００１２】
上記シリコン凹型形成の第１工程の詳細を図１（イ）〜（チ）を参照して説明する。
まず、シリコン基板１（図１（イ））の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の薄膜による最初のエッチングマスク２ａ形成する（図１（ロ））。
次いで、乾式あるいは湿式エッチングにより、シリコン基板１表面の、エッチングマスク２ａのない部分をエッチングして凹所３の最も浅い部分である第１段階凹所３ａを形成する（図１（ハ））。
次いで、前記第１段階凹所３ａの表面に、２回目のエッチングマスク２ｂを形成する（図１（ニ））。
次いで、エッチングマスク２ｂのない部分をエッチングして凹所３の２番目に浅い部分である第２段階凹所３ｂを形成する（図１（ホ））。
次いで、前記第２段階凹所３ｂの表面に、３回目のエッチングマスク２ｃを形成する（図１（ヘ））。
次いで、エッチングマスク２ｃのない部分をエッチングして凹所３の最も深い部分である第３段階凹所３ｃを形成する（図１（ト））。なお、この実施形態では、３段階のエッチングで所望形状の凹所３が形成される場合であるが、さらにエッチングを必要とする場合であれば、エッチングマスクを形成しエッチングを施す操作を必要回数繰り返す。
最後にエッチングマスク２を薄膜用のエッチング液でエッチングして除去し、所望形状の凹所３を持つシリコンの凹型４を得る（図１（チ））。
【００１３】
上記のように第1工程では、シリコン基板にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の薄膜を形成する薄膜形成工程とその薄膜に所定のパターンを形成するエッチングマスク形成工程とを複数回繰り返すが、薄膜形成工程は、一般的な薄膜形成技術で行う。また、エッチングマスク形成工程は一般的なフォトリソグラフィ技術を利用して行なう。簡単に説明すると、薄膜を形成したシリコン基板１上にレジストを塗布した後、フォトマスクを通して露光し次いで現像してマスクパターンと同パターンのレジストパターンを残し、残っているレジストをマスクにして下地のシリコン酸化膜を選択除去すると、薄膜のエッチングマスクを形成することができる。
また、シリコン（シリコン基板１）のエッチングには、一般的なシリコンエッチング液としてフッ酸水溶液等を用いることができる。しかし、フッ酸水溶液によるエッチングでは等方性エッチングとなるので、高アスペクト比（凹所深さ／開口部直径）の凹所を形成したい場合には所望の形状が得られない。そこで、高アスペクト比の凹所の場合には、KOH（水酸化カリウム）やTMAH（４−メチル水酸化アンモニウム）等の異方性エッチング液を用いて、シリコン基板１に異方性エッチングを施すとよい。
なお、エッチングに際しては、エッチング時間、エッチング温度等を制御して、凹所の深さを所望の深さ寸法にする。
【００１４】
シリコン基板１に凹所３を形成して凹型４を得る手段としては、上記のようにエッチングマスクとしてシリコン酸化膜等を用い、KOH等で異方性エッチングを施す方法に限らず、例えば、シリコン酸化膜や樹脂系レジストあるいは金属薄膜等をエッチングマスクにしたDRIE（DeepReactive Ion Etching）法を用いることもできる。また、上記の異方性エッチング法とDRIE法とを組み合わせることで、より複雑な形状の凹型を形成することが可能となる。
【００１５】
次に、上記金属充填の第２工程の詳細を図２、図３を参照して説明する。図２において、５は後述する溶融金属吸引法で金属充填を行なう金属充填装置を示す。この金属充填装置５は、内部雰囲気を減圧・加圧可能な真空チャンバー６内に、溶融金属７を収容した溶融金属槽８を配置した構成である。内部の雰囲気を減圧する減圧手段、加圧する加圧手段の図示や詳細説明は省略した。
【００１６】
この第２工程では、予め、真空チャンバー６内の槽８内に低融点金属を入れておき、また、前工程で作製した凹型４（凹所３を形成したシリコン基板１）を真空チャンバー６内に入れておく。次いで、減圧手段により真空チャンバー６内を、例えば真空圧１０−２〜１０３Pa（パスカル）程度まで減圧する。次いで、図示しないヒータにより槽８内の低融点金属を溶融（溶融金属７）させる。図２（イ）はこの段階を示す。
次いで、凹型４を溶融金属７中に挿入（浸漬）する（図(ロ)）。この段階では溶融金属７は、通常、図３（イ）に示すように、凹型４の凹所３の狭く深い孔状部分（高アスペクト比の孔状部分）には浸入しない。
凹型４が溶融金属７と同じ温度に達した後、真空チャンバー６内部を加圧手段により大気圧以上例えば２〜５×１０５Pa（２〜５kgf/cm２）程度まで加圧すると、雰囲気（大気圧以上）と凹型４の凹所３内（真空圧）との間に圧力差が発生し、この圧力差により、図３(ロ)に示すように、凹型４の凹所３の全体（すなわち狭く深い孔状部分を含めた全体）に溶融金属７が充填される。
充填完了後、凹型４を溶融金属７から引き上げ（図２(ハ)）、凹型４の表面に乗っている溶融金属が固まらないうちに、表面の溶融金属を取り除く。そのまま放置して室温冷却すると、凹所３内の溶融金属７が固化して、凹所３の内面形状に沿った形状の金属部材９となる（図３（ハ））。
なお、凹型４の凹所３に充填する金属としては、インジウム、錫、あるいは金−錫の半田結晶などの低融点金属を用いることが好ましい。ただし、特にこれらに限定されない。
【００１７】
最後に、第３工程として、金属充填シリコン凹型４０のシリコン（凹型４）を乾式あるいは湿式エッチングにより除去すると、図４に示すように、金属部材９が残る。こうして、凹型４の凹所３の内面形状に沿った凸形状の金属部材９が得られる。こうして得られた金属部材９が成形製品の反転型である場合には、前述した通り、図５に示すようなキャビティＡ（成形製品形状に等しい）を形成する金型１６におけるコア金型１６ａとして使用することができる。１６ｂはキャビティ金型を示す。
【００１８】
上記の精密成形用金型の製造方法において、シリコン基板１にエッチングマスク２を形成しエッチングを施す操作を繰り返すシリコン凹型形成の第１工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりμｍオーダーの高精度の凹型４を容易に作製することができる。そして、この凹型４の凹所３への溶融金属の充填に溶融金属吸引法を用いることにより、高アスペクト比の凹所であっても、短時間で確実に金属を充填することができる。これにより、金型を短い製造工期でかつ安価に製造することができる。
また、フォトリソグラフィ及びエッチングによる方法では、機械加工法と異なり、複数の凹型４を同時に作製することが容易なので、凹型４を安価に作製することができ、そして、複数の凹型４に同時に溶融金属を充填することで、金型をさらに安価に製造することができる。
また、広いシリコン基板を用い、その広いシリコン基板に複数個取り用のエッチングマスクを形成してエッチングを施すことにより、複数の凹所３を持つ多数個取り凹型を作製し、その多数個取り凹型の各凹所３に金属充填装置５で金属を充填することにより、複数の金型をさらに能率的にかつ安価に製造することができる。
【００１９】
図４の金属部材９が成形製品の反転型（成形製品と凹凸が逆のもの）である場合には、上述の通りコア金型として用いることができるが、この金属部材９が母型（成形製品と凹凸が同じもの）である場合には、この金属部材９を電鋳マスタ（母型）として電鋳加工法により電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして、キャビティ金型を製造することができる。この方法は請求項２の精密成形用金型の製造方法であるが、その一実施形態を図６〜図９を参照して説明する。
【００２０】
上述の方法で製造された図４の金属部材９を電鋳槽１２内の電解液１２ａ中に浸漬し、金属板１１を陽極とし金属部材９を陰極として通電する電鋳加工を行って、所定の厚さの電鋳シェル１０を形成する。なお、電解液として、金属部材９より融点が高いニッケルや銅等の金属の塩の水溶液を用い、陽極の金属板１１も同じ金属（ニッケルや銅等）を用いる。次いで、電鋳シェル１０付きの金属部材９を電鋳槽１２から取り出し、これを金属部材９の融点よりも高い温度に加熱すると、融点の低い金属部材９のみが溶融して流れ出ることにより、電鋳シェル１０が取り出される（図７）。この電鋳シェル１０の裏面側（図７の上面側）を、図８に示すように補強材１３で裏打ちすると、金属部材９と凹凸が反対のキャビティ金型１７ａ（図９参照）が得られる。補強材１３としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、錫−ビスマスや錫−亜鉛等の低融点合金等を用いることができる。また、１４は補強材１３を注入するための型枠である。
なお、薄い電鋳シェル１０が図７の単独の状態では変形する恐れがある場合には、電鋳シェル１０が金属部材９に付いた状態（図６の状態）で補強材１３を裏打ちし、その後、金属部材９を加熱溶融させて除去するとよい。この場合、裏打ちの補強材として、低融点金属の金属部材９より融点の高い材料を用いる。なお、補強材１３側のみを冷却しながら金属部材９を加熱してもよい。
【００２１】
電鋳加工で金型を製造すること自体は本来、非能率的であるが、フォトリソグラフィを利用する凹型４の作製は、放電加工その他の高精度機械加工と比べてもさらに高精度の作製が可能なので、高精度のキャビティ金型を製造することが可能となる。
また、複数の凹型４を同時に作製することは容易であり、また上述のように広いシリコン基板に複数の凹型部分を形成することも可能であり、複数の凹型４または凹型部分の各凹所に同時に金属を充填する方法を採用することで、母型としての金属部材を多数能率的かつ安価に作製することができる。そして、複数の金属部材（母型）を電鋳槽に入れて同時に電鋳加工することで、電鋳加工法であってもキャビティ金型を能率的かつ安価に製造することが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の精密成形用金型の製造方法によれば、次のような効果が得られる。
▲１▼母型となるシリコンの凹型はフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して作製するので、μｍオーダーの精密な凹型を作製することができ、この高精度の凹型に対応して、放電加工その他の高精度機械加工よりさらに高精度の金型を製造することができる。
▲２▼凹型の凹所に溶融金属を充填して金型を製造するので、従来の電鋳加工による金型製造方法と比べて、短い製造工期でかつ安価に金型を製造することができる。
▲３▼凹型の凹所への溶融金属の充填を溶融金属吸引法により行なうので、高アスペクト比の凹所（微細孔など）であっても、確実に溶融金属を充填することができる。
▲４▼フォトリソグラフィおよびエッチングによる方法では、複数のシリコン凹型を同時に作製することが容易であり、この複数の凹型に同時に金属を充填して、複数の金型を能率的にかつ安価に製造することができる。
上記のように、高精度の金型を短い製造工期でかつ安価に製造することが可能となる。
【００２３】
請求項２によれば、高精度のシリコンの凹型による高精度の金属部材を母型とする電鋳加工であるため、放電加工その他の高精度機械加工よりさらに高精度の金型を製造することができる。
また、電鋳加工で金型を製造すること自体は本来、非能率的であっても、母型を能率的かつ安価に作製できるので、電鋳加工を利用する金型製造方法であっても、金型を能率的かつ安価に製造できる。
【００２４】
請求項３によれば、シリコン基板に高アスペクト比の凹所（微細孔）を精度よく形成することができ、したがって、高アスペクト比の凹所を持つ成形製品用の金型を高精度よく製造できる。
【００２５】
請求項４によれば、広いシリコン基板に複数の凹形部分を形成し、各凹型部分の凹所にそれぞれ溶融金属を充填するので、複数の金型または母型を同時に製造することができ、したがって、金型または母型を能率的にかつ安価に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法における第１工程を説明する図である。
【図２】請求項１の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法における第２工程を説明する図である。
【図３】上記第２工程においてシリコンの凹型に溶融金属が充填される状況を示すもので、（イ）は図２（ロ）の工程において金属充填装置の真空チャンバー内を加圧する前、（ロ）は図２（ロ）の工程において真空チャンバー内を加圧した後、（ハ）は凹型の凹所への金属充填が完了した状態を示す。
【図４】上記実施形態の製造方法により得られた金属部材（金型または母型）の断面図である。
【図５】請求項１の方法で製造しようとするコア金型の一例を示す断面図である。
【図６】請求項２の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法を説明するもので、図４の金属部材を母型として電鋳加工を行う要領を示す図である。
【図７】図６の電鋳加工により形成された電鋳シェルの断面図である。
【図８】図６の電鋳シェルに補強材を裏打ちして得た金型の断面図である。
【図９】請求項２の方法で製造しようとするキャビティ金型の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２（２ａ、２ｂ、２ｃ） エッチングマスク
３ 凹所
３ａ、３ｂ、３ｃ エッチング時の各段階の凹所
４ 凹型（シリコンの凹型）
４０ 金属充填シリコン凹型
５ 金属充填装置
６ 真空チャンバー
７ 溶融金属
８ 溶融金属槽
９ 金属部材（コア金型または母型）
１６、１７ 金型
１６ａ コア金型
１７ａ キャビティ金型
【発明に属する技術分野】
この発明は、主として小形精密成形製品の樹脂成形に用いられる精密成形用金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、小形精密成形製品の樹脂成形に用いる金型を製造する場合、放電加工等の高精度の機械加工法が採用されている。
【０００３】
また、複数個の同一形状の金型を製造する場合には、機械加工等により作製した高精度の母型（成形製品と凹凸が同じもの）の表面に電着金属層（金属メッキ層）を形成する電鋳加工法により、母型と凹凸が反対の型である電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして、金型を製作する方法が採用されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開平５−３３９７７７号公報
【特許文献１】
特開平６−３３２９０号公報
【特許文献１】
特開２００２−１５８１９１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の放電加工等の機械加工では、一定の高精度の加工を行うことができるが、能率的な加工ができないので、製造工期が長くかかり、したがって、製造コストが著しく高くなるという欠点がある。
また、電鋳加工では、精密な複製が可能なので、同一形状の高精度の金型を複数製造する場合に適しているが、電着金属層の形成速度が遅いために、やはり製造工期が長くかかり、製造コストが高くなるという欠点がある。
【０００６】
本発明は上記従来の欠点を解消するためになされたもので、同一形状の複数の精密成形用金型を短い製造工期でかつ安価に製造することができる精密成形用金型の製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する請求項１の精密成形用金型の製造方法の発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第1工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填シリコン凹型からシリコンを除去する第３工程とからなることを特徴とする。
【０００８】
請求項２の精密成形用金型の製造方法の発明は、シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第１工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填凹型からシリコンを除去して金属部材を得る第３工程と、前記金属部材を母型とする電鋳加工により電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして金型を製造する第４工程とからなることを特徴とする。
【０００９】
請求項３は、請求項１又は２の精密成形用金型の製造方法において、第１工程におけるエッチングの際、異方性エッチングを施すことを特徴とする。
【００１０】
請求項４は、請求項１又は２の精密成形用金型の製造方法において、第１工程において広いシリコン基板に複数の凹型部分を形成し、前記第２工程において各凹型部分の凹所にそれぞれ溶融金属を充填することを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１〜図５に請求項１の精密成形用金型の製造方法の発明の一実施形態を示す。
請求項１の精密成形用金型の製造方法は、例えば図１に示すように、シリコン基板１の表面にエッチングマスク２（２ａ、２ｂ、２ｃ）を形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所３を持つシリコンの凹型４を形成するシリコン凹型形成の第１工程と、例えば図２、図３に示すように、減圧雰囲気中で前記凹型４を低融点金属からなる溶融金属７中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属７を凹型４の凹所３に充填し、次いで溶融金属７から引き上げて金属充填シリコン凹型４０を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填シリコン凹型４０からシリコン（凹型４）を除去するシリコン除去の第３工程とからなる。これにより、例えば図４に示すような金属部材９を得ることができ、この金属部材９を図５のような金型１６のコア金型１６ａとして用いることができる。
【００１２】
上記シリコン凹型形成の第１工程の詳細を図１（イ）〜（チ）を参照して説明する。
まず、シリコン基板１（図１（イ））の表面にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の薄膜による最初のエッチングマスク２ａ形成する（図１（ロ））。
次いで、乾式あるいは湿式エッチングにより、シリコン基板１表面の、エッチングマスク２ａのない部分をエッチングして凹所３の最も浅い部分である第１段階凹所３ａを形成する（図１（ハ））。
次いで、前記第１段階凹所３ａの表面に、２回目のエッチングマスク２ｂを形成する（図１（ニ））。
次いで、エッチングマスク２ｂのない部分をエッチングして凹所３の２番目に浅い部分である第２段階凹所３ｂを形成する（図１（ホ））。
次いで、前記第２段階凹所３ｂの表面に、３回目のエッチングマスク２ｃを形成する（図１（ヘ））。
次いで、エッチングマスク２ｃのない部分をエッチングして凹所３の最も深い部分である第３段階凹所３ｃを形成する（図１（ト））。なお、この実施形態では、３段階のエッチングで所望形状の凹所３が形成される場合であるが、さらにエッチングを必要とする場合であれば、エッチングマスクを形成しエッチングを施す操作を必要回数繰り返す。
最後にエッチングマスク２を薄膜用のエッチング液でエッチングして除去し、所望形状の凹所３を持つシリコンの凹型４を得る（図１（チ））。
【００１３】
上記のように第1工程では、シリコン基板にシリコン酸化膜やシリコン窒化膜等の薄膜を形成する薄膜形成工程とその薄膜に所定のパターンを形成するエッチングマスク形成工程とを複数回繰り返すが、薄膜形成工程は、一般的な薄膜形成技術で行う。また、エッチングマスク形成工程は一般的なフォトリソグラフィ技術を利用して行なう。簡単に説明すると、薄膜を形成したシリコン基板１上にレジストを塗布した後、フォトマスクを通して露光し次いで現像してマスクパターンと同パターンのレジストパターンを残し、残っているレジストをマスクにして下地のシリコン酸化膜を選択除去すると、薄膜のエッチングマスクを形成することができる。
また、シリコン（シリコン基板１）のエッチングには、一般的なシリコンエッチング液としてフッ酸水溶液等を用いることができる。しかし、フッ酸水溶液によるエッチングでは等方性エッチングとなるので、高アスペクト比（凹所深さ／開口部直径）の凹所を形成したい場合には所望の形状が得られない。そこで、高アスペクト比の凹所の場合には、KOH（水酸化カリウム）やTMAH（４−メチル水酸化アンモニウム）等の異方性エッチング液を用いて、シリコン基板１に異方性エッチングを施すとよい。
なお、エッチングに際しては、エッチング時間、エッチング温度等を制御して、凹所の深さを所望の深さ寸法にする。
【００１４】
シリコン基板１に凹所３を形成して凹型４を得る手段としては、上記のようにエッチングマスクとしてシリコン酸化膜等を用い、KOH等で異方性エッチングを施す方法に限らず、例えば、シリコン酸化膜や樹脂系レジストあるいは金属薄膜等をエッチングマスクにしたDRIE（DeepReactive Ion Etching）法を用いることもできる。また、上記の異方性エッチング法とDRIE法とを組み合わせることで、より複雑な形状の凹型を形成することが可能となる。
【００１５】
次に、上記金属充填の第２工程の詳細を図２、図３を参照して説明する。図２において、５は後述する溶融金属吸引法で金属充填を行なう金属充填装置を示す。この金属充填装置５は、内部雰囲気を減圧・加圧可能な真空チャンバー６内に、溶融金属７を収容した溶融金属槽８を配置した構成である。内部の雰囲気を減圧する減圧手段、加圧する加圧手段の図示や詳細説明は省略した。
【００１６】
この第２工程では、予め、真空チャンバー６内の槽８内に低融点金属を入れておき、また、前工程で作製した凹型４（凹所３を形成したシリコン基板１）を真空チャンバー６内に入れておく。次いで、減圧手段により真空チャンバー６内を、例えば真空圧１０−２〜１０３Pa（パスカル）程度まで減圧する。次いで、図示しないヒータにより槽８内の低融点金属を溶融（溶融金属７）させる。図２（イ）はこの段階を示す。
次いで、凹型４を溶融金属７中に挿入（浸漬）する（図(ロ)）。この段階では溶融金属７は、通常、図３（イ）に示すように、凹型４の凹所３の狭く深い孔状部分（高アスペクト比の孔状部分）には浸入しない。
凹型４が溶融金属７と同じ温度に達した後、真空チャンバー６内部を加圧手段により大気圧以上例えば２〜５×１０５Pa（２〜５kgf/cm２）程度まで加圧すると、雰囲気（大気圧以上）と凹型４の凹所３内（真空圧）との間に圧力差が発生し、この圧力差により、図３(ロ)に示すように、凹型４の凹所３の全体（すなわち狭く深い孔状部分を含めた全体）に溶融金属７が充填される。
充填完了後、凹型４を溶融金属７から引き上げ（図２(ハ)）、凹型４の表面に乗っている溶融金属が固まらないうちに、表面の溶融金属を取り除く。そのまま放置して室温冷却すると、凹所３内の溶融金属７が固化して、凹所３の内面形状に沿った形状の金属部材９となる（図３（ハ））。
なお、凹型４の凹所３に充填する金属としては、インジウム、錫、あるいは金−錫の半田結晶などの低融点金属を用いることが好ましい。ただし、特にこれらに限定されない。
【００１７】
最後に、第３工程として、金属充填シリコン凹型４０のシリコン（凹型４）を乾式あるいは湿式エッチングにより除去すると、図４に示すように、金属部材９が残る。こうして、凹型４の凹所３の内面形状に沿った凸形状の金属部材９が得られる。こうして得られた金属部材９が成形製品の反転型である場合には、前述した通り、図５に示すようなキャビティＡ（成形製品形状に等しい）を形成する金型１６におけるコア金型１６ａとして使用することができる。１６ｂはキャビティ金型を示す。
【００１８】
上記の精密成形用金型の製造方法において、シリコン基板１にエッチングマスク２を形成しエッチングを施す操作を繰り返すシリコン凹型形成の第１工程では、フォトリソグラフィ技術及びエッチング技術によりμｍオーダーの高精度の凹型４を容易に作製することができる。そして、この凹型４の凹所３への溶融金属の充填に溶融金属吸引法を用いることにより、高アスペクト比の凹所であっても、短時間で確実に金属を充填することができる。これにより、金型を短い製造工期でかつ安価に製造することができる。
また、フォトリソグラフィ及びエッチングによる方法では、機械加工法と異なり、複数の凹型４を同時に作製することが容易なので、凹型４を安価に作製することができ、そして、複数の凹型４に同時に溶融金属を充填することで、金型をさらに安価に製造することができる。
また、広いシリコン基板を用い、その広いシリコン基板に複数個取り用のエッチングマスクを形成してエッチングを施すことにより、複数の凹所３を持つ多数個取り凹型を作製し、その多数個取り凹型の各凹所３に金属充填装置５で金属を充填することにより、複数の金型をさらに能率的にかつ安価に製造することができる。
【００１９】
図４の金属部材９が成形製品の反転型（成形製品と凹凸が逆のもの）である場合には、上述の通りコア金型として用いることができるが、この金属部材９が母型（成形製品と凹凸が同じもの）である場合には、この金属部材９を電鋳マスタ（母型）として電鋳加工法により電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして、キャビティ金型を製造することができる。この方法は請求項２の精密成形用金型の製造方法であるが、その一実施形態を図６〜図９を参照して説明する。
【００２０】
上述の方法で製造された図４の金属部材９を電鋳槽１２内の電解液１２ａ中に浸漬し、金属板１１を陽極とし金属部材９を陰極として通電する電鋳加工を行って、所定の厚さの電鋳シェル１０を形成する。なお、電解液として、金属部材９より融点が高いニッケルや銅等の金属の塩の水溶液を用い、陽極の金属板１１も同じ金属（ニッケルや銅等）を用いる。次いで、電鋳シェル１０付きの金属部材９を電鋳槽１２から取り出し、これを金属部材９の融点よりも高い温度に加熱すると、融点の低い金属部材９のみが溶融して流れ出ることにより、電鋳シェル１０が取り出される（図７）。この電鋳シェル１０の裏面側（図７の上面側）を、図８に示すように補強材１３で裏打ちすると、金属部材９と凹凸が反対のキャビティ金型１７ａ（図９参照）が得られる。補強材１３としては、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂、錫−ビスマスや錫−亜鉛等の低融点合金等を用いることができる。また、１４は補強材１３を注入するための型枠である。
なお、薄い電鋳シェル１０が図７の単独の状態では変形する恐れがある場合には、電鋳シェル１０が金属部材９に付いた状態（図６の状態）で補強材１３を裏打ちし、その後、金属部材９を加熱溶融させて除去するとよい。この場合、裏打ちの補強材として、低融点金属の金属部材９より融点の高い材料を用いる。なお、補強材１３側のみを冷却しながら金属部材９を加熱してもよい。
【００２１】
電鋳加工で金型を製造すること自体は本来、非能率的であるが、フォトリソグラフィを利用する凹型４の作製は、放電加工その他の高精度機械加工と比べてもさらに高精度の作製が可能なので、高精度のキャビティ金型を製造することが可能となる。
また、複数の凹型４を同時に作製することは容易であり、また上述のように広いシリコン基板に複数の凹型部分を形成することも可能であり、複数の凹型４または凹型部分の各凹所に同時に金属を充填する方法を採用することで、母型としての金属部材を多数能率的かつ安価に作製することができる。そして、複数の金属部材（母型）を電鋳槽に入れて同時に電鋳加工することで、電鋳加工法であってもキャビティ金型を能率的かつ安価に製造することが可能となる。
【００２２】
【発明の効果】
請求項１の精密成形用金型の製造方法によれば、次のような効果が得られる。
▲１▼母型となるシリコンの凹型はフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を利用して作製するので、μｍオーダーの精密な凹型を作製することができ、この高精度の凹型に対応して、放電加工その他の高精度機械加工よりさらに高精度の金型を製造することができる。
▲２▼凹型の凹所に溶融金属を充填して金型を製造するので、従来の電鋳加工による金型製造方法と比べて、短い製造工期でかつ安価に金型を製造することができる。
▲３▼凹型の凹所への溶融金属の充填を溶融金属吸引法により行なうので、高アスペクト比の凹所（微細孔など）であっても、確実に溶融金属を充填することができる。
▲４▼フォトリソグラフィおよびエッチングによる方法では、複数のシリコン凹型を同時に作製することが容易であり、この複数の凹型に同時に金属を充填して、複数の金型を能率的にかつ安価に製造することができる。
上記のように、高精度の金型を短い製造工期でかつ安価に製造することが可能となる。
【００２３】
請求項２によれば、高精度のシリコンの凹型による高精度の金属部材を母型とする電鋳加工であるため、放電加工その他の高精度機械加工よりさらに高精度の金型を製造することができる。
また、電鋳加工で金型を製造すること自体は本来、非能率的であっても、母型を能率的かつ安価に作製できるので、電鋳加工を利用する金型製造方法であっても、金型を能率的かつ安価に製造できる。
【００２４】
請求項３によれば、シリコン基板に高アスペクト比の凹所（微細孔）を精度よく形成することができ、したがって、高アスペクト比の凹所を持つ成形製品用の金型を高精度よく製造できる。
【００２５】
請求項４によれば、広いシリコン基板に複数の凹形部分を形成し、各凹型部分の凹所にそれぞれ溶融金属を充填するので、複数の金型または母型を同時に製造することができ、したがって、金型または母型を能率的にかつ安価に作製できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法における第１工程を説明する図である。
【図２】請求項１の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法における第２工程を説明する図である。
【図３】上記第２工程においてシリコンの凹型に溶融金属が充填される状況を示すもので、（イ）は図２（ロ）の工程において金属充填装置の真空チャンバー内を加圧する前、（ロ）は図２（ロ）の工程において真空チャンバー内を加圧した後、（ハ）は凹型の凹所への金属充填が完了した状態を示す。
【図４】上記実施形態の製造方法により得られた金属部材（金型または母型）の断面図である。
【図５】請求項１の方法で製造しようとするコア金型の一例を示す断面図である。
【図６】請求項２の発明の一実施形態の精密成形用金型の製造方法を説明するもので、図４の金属部材を母型として電鋳加工を行う要領を示す図である。
【図７】図６の電鋳加工により形成された電鋳シェルの断面図である。
【図８】図６の電鋳シェルに補強材を裏打ちして得た金型の断面図である。
【図９】請求項２の方法で製造しようとするキャビティ金型の一例を示す断面図である。
【符号の説明】
１ シリコン基板
２（２ａ、２ｂ、２ｃ） エッチングマスク
３ 凹所
３ａ、３ｂ、３ｃ エッチング時の各段階の凹所
４ 凹型（シリコンの凹型）
４０ 金属充填シリコン凹型
５ 金属充填装置
６ 真空チャンバー
７ 溶融金属
８ 溶融金属槽
９ 金属部材（コア金型または母型）
１６、１７ 金型
１６ａ コア金型
１７ａ キャビティ金型
Claims (4)
- シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第1工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填シリコン凹型からシリコンを除去する第３工程とからなることを特徴とする精密成形用金型の製造方法。
- シリコン基板表面にエッチングマスクを形成し次いで乾式あるいは湿式のエッチングを施す操作を必要回数繰り返して所望形状の凹所を持つシリコンの凹型を形成する第１工程と、減圧雰囲気中で前記凹型を低融点金属からなる溶融金属中に挿入し、その後雰囲気を加圧して、凹型挿入前後における雰囲気圧差により溶融金属を凹型の凹所に充填し、次いで溶融金属から引き上げて金属充填シリコン凹型を得る第２工程と、乾式あるいは湿式のエッチングにより前記金属充填凹型からシリコンを除去して金属部材を得る第３工程と、前記金属部材を母型とする電鋳加工により電鋳シェルを形成し、この電鋳シェルに補強材を裏打ちして金型を製造する第４工程とからなることを特徴とする精密成形用金型の製造方法。
- 前記第１工程におけるエッチングの際、異方性エッチングを施すことを特徴とする請求項１又は２記載の精密成形用金型の製造方法。
- 前記第１工程において広いシリコン基板に複数の凹型部分を形成し、前記第２工程において各凹型部分の凹所にそれぞれ溶融金属を充填することを特徴とする請求項１又は２記載の精密成形用金型の製造方法。
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