JP4646705B2 - 金型の製造方法及び成型品の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、金型の製造方法及びそれにより得られた成型品に関し、特にフォトリソグラフィ及び機械加工を用いた金型の製造方法及び成型品の製造方法に関する。

近年のエレクトロニクス機器の小型化、薄型化、軽量化に伴い、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状を実現することが望まれている。具体的には、底部に任意形状の突出部を有する深い溝などの形成が望まれている。今後もエレクトロニクス機器のさらなる小型化、薄型化、軽量化が進むことは明白で、これらの特殊な形状の要求がさらに増えることが予想される。こうした需要を見据えて、Ｘ線を使ったフォトリソグラフィによる微細な構造体の作製や、機械加工の精度向上など、上記特殊形状を実現しようとする取り組みが活発になっている。

しかしながら、機械加工で上述した特殊な形状を形成する場合、加工機の刃物サイズが問題となり、幅１００μｍ以下のパターンの加工は困難である。また、機械加工では、μｍオーダーでアスペクト比１以上のものを加工するのは困難である。一方、フォトリソグラフィで上述した特殊な形状を形成する場合、深さ方向における加工精度に数％程度のバラつきが生じることがある。また、フォトリソグラフィでは、テーパ形状や曲面形状などの任意形状を加工する際の制御性が悪いという問題がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状の形成を容易に行うことができる金型の製造方法及び成型品の製造方法を提供することを目的とする。

本発明の金型の製造方法は、基体に凹部を形成して第１原版を作製する工程と、前記第１原版のパターンを転写して前記凹部に対応する凸部を有する第２原版を作製する工程と、前記第２原版の凸部に対して成型品のパターンに対応する微細構造パターンを形成するよう機械加工を施して金型を作製する工程と、を具備することを特徴とする。

この方法によれば、第１原版の凹部に対応した第２原版の凸部に対して機械加工を施すので、機械加工時の刃物の大きさ以下である微細形状の凹部における側面や底面にさらに複雑な微細加工を施すことが可能となる。

本発明の金型の製造方法においては、前記第２原版の機械加工では、テーパ加工及び／又は曲面加工を施して金型を作製することが好ましい。

本発明の金型の製造方法においては、前記金型が有するパターンを転写して第３原版を作製する工程を具備し、この第３原版を金型又は金型の母型とすることが好ましい。この方法によれば、第３原版を母型にすることにより、機械加工で加工することができない、例えば機械加工に用いる刃物の大きさ以下の寸法の微細構造のテーパ面や底面に機械加工の精度で、例えばストライプ溝や微細な凹凸などを形成することが可能な金型を得ることができる。その結果、金型の加工限界を大幅に広げることが可能となる。

本発明の成型品の製造方法は、上記金型又は上記母型から得られた金型を用いて成型することを特徴とする。また、本発明の成型品の製造方法においては、アスペクト比が１以上である部分を形成することが好ましい。

本発明の方法によれば、基体に凹部を形成して第１原版を作製し、この第１原版のパターンを転写して凹部に対応する凸部を有する第２原版を作製し、この第２原版の凸部に機械加工を施して金型を作製するので、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状や、機械加工の刃物の大きさ以下の寸法の微細構造のテーパ面や底面に機械加工で行う高精度の微細な凹凸などの形成を容易に行うことができる。

フォトリソグラフィと機械加工には、それぞれ有利な点と不利な点がある。すなわち、フォトリソグラフィでは、微細なパターンや広い面積の一括加工、特殊な形状の加工を行う場合に有利である。現在では、パターン幅が数十ｎｍの微細なパターンの形成が可能である。また、フォトリソグラフィでは、一度で広い範囲を加工することができると共に、格子形状のように機械加工であれば同じ部分を２回以上加工する必要がある特殊な形状や、アスペクト比が１０を超えるような形状にも対応可能である。これに対して、機械加工では、寸法精度の高い加工、表面粗さが小さい加工などを行う場合に有利であり、極めて寸法バラツキの小さい加工が可能である。

本発明者らは上述した点に着目し、フォトリソグラフィの微細パターン形成と機械加工の高精度加工とを融合することにより、フォトリソグラフィの不利な点を機械加工で補完し、機械加工の不利な点をフォトリソグラフィで補完して、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状の形成を容易に行うことができることを見出し本発明をするに至った。

すなわち、本発明の骨子は、基体に凹部を形成して第１原版を作製し、この第１原版のパターンを転写して凹部に対応する凸部を有する第２原版を作製し、この第２原版の凸部に機械加工を施して金型を作製することにより、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状の形成を容易に行うことである。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

本発明に係る金型の製造方法は、基体に対してフォトリソグラフィによりパターン形成を行って第１原版を作製する工程と、前記第１原版のパターンを転写して第２原版を作製する工程と、前記第２原版に対して機械加工を施して金型を作製する工程と、を具備することを特徴とする。

本発明に係る方法は、図１に示すような機械加工で用いる通常の刃物１（先端幅が通常は１００μｍ以上）では、加工が不可能である微細構造に対して機械加工を可能にする。すなわち、図２に示すような、基体２に形成された凹部３のテーパ面３ａや底面３ｂに微細加工（例えば微細な凹凸などを形成）する場合には、図１に示す刃物１を用いた機械加工では対応できないが、本発明に係る方法によれば、凹部３のテーパ面３ａや底面３ｂに微細加工を施した基体２を作製することが可能である。

本発明に係る方法においては、図３（ａ）に示すように、基体２に凹部４を形成して第１原版を作製し、図３（ｂ）に示すように、この第１原版のパターン（凹部４）を転写して凹部４に対応する凸部５ａを有する第２原版５を作製し、図３（ｃ）に示すように、この第２原版５の凸部５ａに機械加工を施して、凸部５ａにテーパ面５ｂや頂面５ｃを形成する。さらに、このテーパ面５ｂや頂面５ｃに微細加工を施す。これらの機械加工は、第２原版５の凸部５ａに対して行うので、刃物１の大きさに関係なく行うことが可能である。その後、機械加工を施した第２原版５のパターン（凸部５ａ）を転写して第３原版を作製することにより、図２に示すような所望形状を有する基体２を得ることができる。

本発明に係る方法をさらに詳細に説明すると、まず、第１原版を作製する工程においては、図４（ａ）に示すように、基体に対してフォトリソグラフィによりパターン形成を行う。すなわち、基体１１上にレジスト層（図示せず）を形成し、所定のパターンを有するマスクを介してこのレジスト層に光を照射することによりレジスト層を硬化させ、その後レジスト層を現像して所定のパターンに対応するレジスト層を基体１１上に形成し、パターニングされたレジスト層をマスクとして基体１１をエッチングする。その後、基体１１上に残存したレジスト層を除去して、基体１１上にパターン１１ａ（ここでは凹パターン）を形成する。なお、フォトリソグラフィは、２次元加工が主である半導体技術だけではなく、３次元加工を行うＭＥＭＳ（Micro ElectroMechanical System）技術を応用する。

基体１１としては、シリコン基板、レジスト層やアクリル樹脂板などのプラスチック基板を用いることができる。また、エッチングとしては、ウェットエッチング、ドライエッチング、等方性エッチング、異方性エッチングなどを用いることができる。また、レジスト層を構成するレジストとしては、ネガ型レジスト、ポジ型レジストなどの種々のレジストを用いることができる。

このようにフォトリソグラフィにより基体１１にパターン１１ａを形成して第１原版１１を作製することにより、第１原版に微細な形状や高アスペクト比を有する形状（相対的に高い、例えばμｍオーダーで１以上のアスペクト比を有する形状）を容易に形成することが可能である。

次いで、第２原版を作製する工程においては、図４（ｂ）に示すように、第１原版のパターン１１ａを転写する。第１原版のパターンを転写する方法としては、金属の電鋳やプラスチックの成型などを用いて金属層やプラスチック層にパターンを転写する方法などを用いることができる。例えば、上記のようにパターン１１ａを形成した基体１１であるシリコン基板やプラスチック基板上にニッケルを電鋳し、電鋳により形成されたニッケル板からシリコン基板を剥離することにより転写層であるニッケル板にパターンを転写することができる。あるいは、上記のようにパターン形成したシリコン基板上にシリコン炭化物板を形成し、その後シリコン基板を溶解することによりシリコン炭化物板にパターンを転写することもできる。なお、この方法の詳細については、Technical Digest of Transducers 2003, 2A2.4, pp.254-257におけるToru Itohらの”SILICON CARBIDE MICROFABRICATION BY SILICON LOST MOLDING FOR GLASS PRESS MOLDS”に開示されている。この内容は参照のためにすべてここに含めておく。

このように第１原版のパターン１１ａを転写して第２原版１２を作製することにより、後述する機械加工を刃物のサイズなどによる制限なしに行うことができる。すなわち、第１原版に、例えば高アスペクト比を有する凹形状が形成されても、第２原版１２にパターン１１ａを転写することにより、パターン１１ａが反転して凸形状となって現れる。このため、凹部のサイズが小さくても、反転した凸形状のパターン１１ａに対して機械加工を施すことが可能となる。

次いで、金型を作製する工程においては、図４（ｃ）に示すように、第２原版１２に対して機械加工を施す。上記のように、第１原版に、例えば高アスペクト比を有する凹形状が形成されても、第２原版１２には凸形状のパターン１２ｂとなって現れるので、この凸形状のパターン１２ｂに簡単に機械加工を施すことができる。これにより、第２原版１２のパターン１２ｂに対してテーパ形状や曲面形状などを高精度、例えばテーパ角として±１／１００°以上の高精度で形成することが可能となる。すなわち、高精度にパターン１２ｂの一部１２ａを除去することができる。なお、ここでいう機械加工とは、刃物を用いて行う通常の機械加工をいう。

このように機械加工を施した後の第２原版１２を金型として用いることができ、この金型を用いて成型を行うことにより、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する成型品を得ることができる。また、この機械加工を施した第２原版１２自体も加工品（ここでは高アスペクト比を有する凸部を持つ加工品）として用いることができる。このように上述した方法によれば、例えば微細構造における高アスペクト比を有する部分の形成にフォトリソグラフィを用い、その微細構造における任意形状の高精度加工に機械加工を用いている。このため、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する形状の形成を容易に行うことができる。また、この方法によれば、高精度な加工が必要な部分に機械加工を施しており、全体を機械加工で行っていないので、製造プロセスにおいてかかる時間を短縮することが可能となる。

また、図４（ｄ）に示すように、第２原版１２のパターン１２ｂを転写して第３原版１３を作製し、その第３原版１３を金型又は金型の母型として用いても良い。すなわち、この第３原版１３を母型として、他の材料にパターン１３ａを転写することにより金型を得るようにしても良く、第３原版１３をそのまま金型にしても良い。この第３原版１３は、高精度の機械加工が施された第２原版１２のパターン１２ｂを転写しているので、微細構造において、図４（ｄ）におけるＸ部のような任意形状の部分を有することができる。すなわち、第３原版１３は、従来実現できなかった、テーパ面１３ｂや底面１３ｃに高精度の微細加工を施したパターン１３ａを有する。したがって、このような第３原版１３を母型として金型を製造し、その金型を用いて成型を行うことにより、特殊な形状、例えば高アスペクト比の部分を有する成型品を得ることができる。

第２原版１２のパターン１２ｂを第３原版１３に転写する方法としては、例えば、第２原版１２がニッケル板である場合には、ニッケル板上に直接又は離型層を介してニッケルを電鋳してニッケル板を形成し、その後ニッケル板同士を引き離して第３原版であるニッケル板にパターンを転写する方法が挙げられる。この場合においては、ニッケルの電鋳の際の液組成を適宜変えてニッケル板の硬度を変えて、第３原版にバリが生じないようにしても良い。また、第２原版１２がシリコン炭化物板である場合には、シリコン炭化物板上に離型層を介してシリコン炭化物板を形成し、離型層を選択的に溶解させて第３原版であるシリコン炭化物板にパターンを転写する方法が挙げられる。

このように、第３原版１３を母型にした場合においても、第２原版１２を用いているので、機械加工で加工することができない、機械加工に用いる刃物の大きさ以下の寸法を有する微細構造のテーパ面１３ｂや底面１３ｃに機械加工の精度で、例えばストライプ溝や微細な凹凸などを形成することが可能な金型を得ることができる。その結果、金型の加工限界を大幅に広げることが可能となる。

本発明の金型の製造方法は、例えば微小流路又は微小レンズアレイの金型の製造に適用することができる。図５（ａ）は、本発明の一実施の形態に係る金型の製造方法により得られた微小流路を説明するための図であり、図５（ｂ）は、（ａ）における突出部を示す拡大図である。

図５（ａ）に示す微小流路２２は、幅が約１０μｍであり、深さが約２０μｍであり、基板２１に形成されている。この微小流路２２には、複数の突出部２２ａが設けられている。また、この微小流路２２には、浅い底面２２ｂやテーパ面２２ｃが形成されている。このような突出部２２ａ、浅い底面２２ｂ、テーパ面２２ｃを有する微小流路２２を機械加工で形成することはできない。また、フォトリソグラフィでは、図５（ｂ）に示すテーパ角θを自由に設定することができない。本発明の方法により、図５に示す微小流路２２を基板２１に得る場合、第１原版である基体にフォトリソグラフィにより微小流路２２に対応する溝を形成し、そのパターンを第２原版に転写する。このとき、微小流路２２に対応する溝部分が凸部として現れる。この凸部に機械加工により突出部２２ａに対応する凹部を形成する。このように機械加工された第２原版を金型として基板２１の材料を用いて成型を行うことにより微小流路２２を有する基板２１を得ることができる。

また、本発明の方法により微小レンズ・アレイを得る場合、第１原版である基体にフォトリソグラフィにより複数のレンズに対応する凹部を形成し、そのパターンを第２原版に転写する。このとき、レンズに対応する凹部が凸部として現れる。この凸部に対して仕上げ加工（鏡面加工）を機械加工により行う。このように機械加工された第２原版を金型としてレンズ・アレイの材料を用いて成型を行うことにより微小レンズ・アレイを得ることができる。なお、フォトリソグラフィによりレンズに対応する凹部を形成する場合、使用する感光性樹脂（レジスト）に照射する光の量（露光量）を場所により変える。これにより、現像後の感光性樹脂の厚さが露光量に応じて場所により異なり、レンズに対応する凹部に曲面を形成することができる。

本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施の形態で説明した大きさ、数値、材質については特に制限はない。また、上記実施の形態においては、本発明の方法を微小流路及び微小レンズ・アレイに適用した場合について説明しているが、本発明はこれに限定されず、フォトリソグラフィ単独、機械加工単独では形成できない種々の形状、例えば、レンズ、フレネルレンズ、反射ミラー、若しくは光ファイバ用溝、及びこれらの組み合わせ、並びにこれらと微小流路及び／又は微小レンズ・アレイとの組み合わせなどを形成する場合に適用することができる。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更することが可能である。

機械加工に用いられる刃物を示す概略図である。 本発明に係る金型の製造方法により得られた形状を説明するための図である。 （ａ）〜（ｃ）は、本発明の一実施の形態に係る金型の製造方法を説明するための図である。 （ａ）〜（ｄ）は、本発明の一実施の形態に係る金型の製造方法を説明するための図である。 （ａ）は、本発明の一実施の形態に係る金型の製造方法により得られた微小流路を説明するための図であり、（ｂ）は、（ａ）における突出部を示す拡大図である。

符号の説明

１ 刃物
２，１１ 基体（第１原版）
３，４ 凹部
３ａ，５ｂ，１３ｂ，２２ｃ テーパ面
３ｂ，１３ｃ，２２ｂ 底面
５，１２ 第２原版
５ａ 凸部
５ｃ 頂面
１１ａ，１２ｂ，１３ａ パターン
１３ 第３原版
２１ 基板
２２ 微小流路
２２ａ 突出部

Claims (6)

1. 基体に凹部を形成して第１原版を作製する工程と、前記第１原版のパターンを転写して前記凹部に対応する凸部を有する第２原版を作製する工程と、前記第２原版の凸部に対して成型品のパターンに対応する微細構造パターンを形成するよう機械加工を施して金型を作製する工程と、を具備することを特徴とする金型の製造方法。
2. 前記第２原版の機械加工では、テーパ加工及び／又は曲面加工を施して金型を作製することを特徴とする請求項１記載の金型の製造方法。
3. 前記金型が有するパターンを転写して第３原版を作製する工程を具備し、この第３原版を金型又は金型の母型とすることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の金型の製造方法。
4. 請求項１若しくは請求項２記載の金型又は請求項３記載の母型から得られた金型を用いて成型することを特徴とする成型品の製造方法。
5. アスペクト比が１以上である部分を形成することを特徴とする請求項４記載の成型品の製造方法。
6. 微小流路、微小レンズアレイ、レンズ、フレネルレンズ、反射ミラー、及び光ファイバ用溝からなる群より選ばれた少なくとも一つを形成することを特徴とする請求項４又は請求項５記載の成型品の製造方法。

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