JP4688075B2

JP4688075B2 - マイクロ部品用金型およびその製造方法

Info

Publication number: JP4688075B2
Application number: JP2001213140A
Authority: JP
Inventors: 厚小川; 豊三原; 原橋口; 文和大平; 英徳吉村; 清近重
Original assignee: Advanex Inc
Current assignee: Advanex Inc
Priority date: 2001-07-13
Filing date: 2001-07-13
Publication date: 2011-05-25
Anticipated expiration: 2021-07-13
Also published as: JP2003025335A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、製造コストが安価で且つ高い精度を有し、しかも表面の硬度が高いマイクロ部品用金型およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ部品としては、例えば、以下のものがある。
【０００３】
（１）回折格子を形成した分光デバイス
図１０に示すように、平面状に微細なピッチで回折格子を形成し、これに光を照射することによって、所定の回折条件を満たす光波長を分光するデバイスである。
【０００４】
（２）エンコーダー用スケール
図１１に示すように、微細な凹凸が形成された平面状のスケールである。
【０００５】
（３）フルネルレンズ
平面上にピッチを持った溝をレンズ状に形成し、平面方向からの光を平面と垂直な方向に取り出すものである。
【０００６】
（４）マイクロレンズ
平面基板上に微細なレンズの集合体を形成し、光学上の一括位置合せを可能にするものであり、複眼レンズの製造も可能である。
【０００７】
従来、上記マイクロ部品は、製品そのものを機械加工により直接切削加工することにより、あるいは、ガラスやシリコンにフォトリソ工程でパターニングおよびエッチングすることにより製造していた。
【０００８】
しかしながら、例えば、上記分光デバイスの場合には、回折格子を機械加工するために、非常に高精度の加工機械と加工制御技術が必要とされ、加工に長時間を要することから、コストが高かった。この問題は、上記他のマイクロ部品でも同様であった。
【０００９】
この他の製造方法として、マイクロ部品用金型を使用する方法もあった。この金型の製造方法には、以下のものがあった。
（１）製品金型そのものを機械加工により直接切削加工する方法
（２）ＬＩＧＡプロセス（Lithographie Galvanoformung Abfprmung）
（３）放電加工法
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各製造方法には、以下のような問題があった。
【００１１】
（１）の機械加工による方法は、加工精度に問題があり、十分な加工精度を得るため、大型で高剛性の機械が必要であった。従って、金型製造コストが高かった。
【００１２】
（２）のＬＩＧＡは、厚いレジストを形成し、その上に放射光を用いてパターニングし、そのレジストパターンを電気めっき（電気鋳造）により複写して製造するものであるが、この方法は、放射光を照射する特殊で高価な設備を必要とする。また、製品金型は、電気めっきできる、例えば、金やニッケル等比較的柔らかい材料に限られる。
【００１３】
（３）の放電加工法は、例えば、ＷＥＤＧ法と呼ばれる方法によって調製された電極を用い、金型の加工を行なう方法であるが、この方法は、電極の消耗が基本的な課題であり、長時間の加工では電極の交換を頻繁に行なわねばならず、精度が出にくい。また、電極の交換を行なった場合、膨大な金型製作費が要する。さらに、放電加工は、熱加工のために表面粗度が粗い。
【００１４】
従って、この発明の目的は、製造コストが安価で且つ高い精度を有し、しかも表面の硬度が高いマイクロ部品用金型およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、以下のような知見を得た。
【００１６】
（１）Ｓｉ等の基板をフォトリソグラフィー法およびイオン照射等のエッチング法により加工して、マイクロ部品用金型の原型を調製し、そして、超塑性を有する金型用素材としてのＴｉ合金等に、この原型を転写すれば、マイクロ部品用金型を安価且つ高精度に製造することができるといった知見を得た。
【００１７】
（２）しかし、さらに微細な凹凸の転写や、尖った角部の転写を行うには、超塑性材料の押し込みだけでは、転写精度に限界の有ることが分かった。これを解決するためには、上記転写に際し、Ｓｉ型の表面にスパッター等により、膜を生成させ、その後超塑性材料を押し込み、生成した膜と超塑性材料を一体とすることにより、超微細な型の転写が可能なことが分かった。
【００１８】
（３）上記（１）の転写に際して、Ｔｉ合金とＳｉとの金属間化合物の生成を阻止するには、Ｓｉ製原型の表面に予め前記金属間化合物の生成阻止機能を有するＳｉＯ₂やＳｉＮ膜を形成しておくことが考えられるが、転写前にＳｉ製原型の表面にＴｉＮ膜を、傾斜分布組成、即ち、その深さ方向にＴｉＮ濃度が異なり、表層部分は実質的に純Ｔｉとなるように形成し、その後、Ｔｉ合金を押し込めば、高精度で微細構造の転写が可能となり、しかも、Ｔｉ合金と純Ｔｉとは拡散接合性に優れることから、Ｔｉ合金とＴｉＮ膜とは拡散接合により強固に接合する。この結果、表面に高硬度のＴｉＮ膜が形成された、繰り返し使用や押出し成形等の加工に耐え得るＴｉ合金製金型が得られる。しかも、超塑性加工条件と拡散接合条件とは重複するので、転写と拡散接合が一工程で行なえるといった知見を得た。
【００１９】
なお、上記超塑性とは、ある条件下で金属材料がくびれ（necking）なしに数百％から千％、時には、千％超の巨大な伸びを生じる現象である。従って、ある特定の温度域で塑性加工を加えることにより超塑性現象を発現させれば、金属材料が溝内の細部まで入り込む結果、原型に忠実なレプリカの製造が可能となる。超塑性を有する金属材料については、発明の実施の形態の項で説明する。
【００２０】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであって、下記を特徴とするものである。
【００２１】
請求項１記載の発明は、表面にＴｉおよびＴｉＮからなる硬質皮膜が形成された、Ｔｉ合金からなる超塑性金属からなり、前記硬質皮膜中のＴｉＮ濃度は、前記硬質皮膜の表層から内部に向って低下していることに特徴を有するものである。
【００２２】
請求項２記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記Ｔｉ合金は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉからなることに特徴を有するものである。
【００２３】
請求項３記載の発明は、表面にＡｌおよびＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる硬質皮膜が形成された、Ａｌ合金からなる超塑性金属からなり、前記硬質皮膜中の前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 濃度は、前記硬質皮膜の表層から内部に向って低下していることに特徴を有するものである。
【００２４】
請求項４記載の発明は、Ｓｉからなる基板の表面を加工することによってマイクロ部品用金型の原型を調製し、次いで、前記基板との反応を阻止する、ＴｉおよびＴｉＮからなる硬質皮膜を前記原型の表面に形成し、そして、Ｔｉ合金からなる超塑性金属と前記硬質皮膜とを拡散接合させることにより、前記超塑性金属に前記硬質皮膜を介して前記原型を転写する、マイクロ部品用金型の製造方法であって、前記硬質皮膜中のＴｉＮの濃度を、前記基板の表面から前記超塑性金属側に向けて低下させることに特徴を有するものである。
【００２５】
請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の発明において、前記Ｔｉ合金は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉからなることに特徴を有するものである。
【００２６】
請求項６に記載の発明は、Ｓｉからなる基板の表面を加工することによってマイクロ部品用金型の原型を調製し、次いで、前記基板との反応を阻止する、ＡｌおよびＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる硬質皮膜を前記原型の表面に形成し、そして、Ａｌ合金からなる超塑性金属と前記硬質皮膜とを拡散接合させることにより、前記超塑性金属に前記硬質皮膜を介して前記原型を転写する、マイクロ部品用金型の製造方法であって、前記硬質皮膜中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の濃度を、前記基板の表面から前記超塑性金属側に向けて低下させることに特徴を有するものである。
【００２７】
請求項６に記載の発明は、請求項４から６の何れか１つに記載の発明において、前記基板の表面に、フォトリソグラフィー法によって前記原型のレジストパターンを形成し、そして、前記レジストパターン以外の前記基板の表面部分をエッチングにより所定深さに除去することによって、前記原型を調製することに特徴を有するものである。
【００３２】
【発明の実施の形態】
次に、この発明によるマイクロ部品用金型の製造方法の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。
【００３３】
図１は、フォトレジストが塗布されたＳｉ基板を示す断面図、図２は、露光工程を示す断面図、図３は、現像工程を示す断面図、図４は、エッチング工程を示す断面図、図５は、原型の表面へのＴｉＮ膜の形成工程を示す断面図、図６は、転写工程を示す断面図、図７は、この発明によって製造されたマイクロ部品用金型を示す断面図、図８は、射出成形工程を示す断面図、図９は、拡散接合の説明図である。
【００３４】
超塑性を有する金属としては、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ｍｇ合金等があり、その中で、マイクロ部品用金型として使用する際、腐食性の液体やガスに晒される場合があるために、耐食性に優れたＴｉ合金あるいはＡｌ合金が特に望ましいが、これ以外の上記他の超塑性を有する金属であっても良い。
【００３５】
Ｔｉ合金で超塑性を示す材料として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金があるが、加工温度が８７５から９５０℃と高温であり、設備上の制約が多い。例えば、高温加工に耐え得る高温強度を有する高価な加工治具が必要であり、治具の寿命が短い等の制約がある。
【００３６】
これに対して、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金は、７００℃程度の温度で超塑性を示し、設備上も使用しやすい。また、この合金の最大伸びも２０００％を程度と他の材料に比べて非常に高く、従って、より精密な部品の製造に適している。具体的には、不活性ガス雰囲気中において、この合金の（β変態点−２００℃）から（β変態点−５０℃）の温度範囲内で１０^-5Ｓ^-1から１０^-2Ｓ^-1の範囲内の歪速度で塑性加工を行なう。
【００３７】
上記Ｔｉ合金を使用して、マイクロ部品用金型を製造するには、先ず、図１に示すように、Ｓｉ基板１の表面にフォトレジスト２を所定の厚さに塗布する。
【００３８】
次いで、図２に示すように、マスク３を介して光をＳｉ基板１の表面に照射して、マスクパターンをフォトレジスト２に転写する。
【００３９】
次に、図３に示すように、光が当たった部分のフォトレジスト２Ａを溶剤によって除去する。
【００４０】
次に、図４に示すように、イオン照射等のドライエッチングによりＳｉ基板１の表面を所定深さにエッチングして、Ｓｉ基板１の表面にレジストパターンの溝４を形成する。
【００４１】
上記溝４の幅（Ｗ）は、用途により異なるが５０ｎｍから２００μｍの範囲内である。エッチング法は、溶剤によるウェットエッチングでも良いが、ドライエッチングの方がより高精度なエッチングが行なえる。
【００４２】
次に、図５に示すように、残存するフォトレジスト２を除去し、表面にＴｉＮ膜５を、例えば、スパッタリングにより所定の厚さに蒸着させて、マイクロ部品用金型の原型６を調製する。ＴｉＮ膜５は、図９に示すように、スパッタリング条件を調整して、後述するチタン合金と接する側の表層に向ってＴｉＮ濃度が低くなり、前記チタン合金と接する表面は、実質的に純Ｔｉとなる傾斜分布組成となるように形成する。
【００４３】
次に、図６に示すように、表面にＴｉＮ膜５が形成された原型６を基台７上に乗せ、原型６上に、例えば、金型用素材としてのチタン合金（Ｔｉ−４．５％Ａｌ−３％Ｖ−２％Ｆｅ−２％Ｍｏ）８を乗せる。そして、ヒーター９によりチタン合金８を加熱しながら加圧して、チタン合金８に、ＴｉＮ膜５を介して原型６を転写する。上記組成のチタン合金８は、上述のように、約７００℃に加熱すると、超塑性が出現し、特異な延びを示す。この結果、チタン合金８は、原型６の溝４内に細部まで入り込むので、原型６に忠実なレプリカ、即ち、チタン合金製マイクロ部品用金型１０が製造される。
【００４４】
なお、上記転写に際して、Ｔｉ合金と純Ｔｉとは拡散接合性に優れることから、図９に示すように、Ｔｉ合金とＴｉＮ膜とは拡散接合により強固に接合する。この結果、表面に高硬度のＴｉＮ膜５が形成された、繰り返し使用や押出し成形等の加工に耐え得るＴｉ合金製金型１０が製造される。しかも、超塑性加工条件と拡散接合条件とは重複するので、転写と拡散接合が一工程で行なえる。さらに、基板に硬質のＴｉＮ膜やＡｌ₂Ｏ₃膜を形成させてからＴｉ合金等の金型素材を押し込むので、より高精度でｎｍオーダーの微細構造の転写が可能となる。
【００４５】
この金型１０を使用して、プラスチック製マイクロ部品を製造するには、図８に示すように、表面に高硬度のＴｉＮ膜５が形成された金型１０を押出し成形型１１内にセットし、プラスチックを射出成形すれば、同図に示すように、上記幅（Ｗ）寸法の溝１２Ａが形成されたマイクロ部品１２を成形することができる。
【００４６】
以上は、金型用素材として超塑性を有するチタン合金を使用した場合であるが、例えば、超塑性を有するＡｌ合金を使用する場合には、原型６の表面にＡｌ₂Ｏ₃膜を形成する。この際、Ａｌの酸化条件を調整して、表層に向ってＡｌ₂Ｏ₃濃度が低くなり、表層は、実質的に純Ａｌとなる傾斜分布組成となるように形成すれば、超塑性を有するＴｉ合金を使用した場合とほぼ同様に、製造コストが安価で且つ高い精度を有し、しかも表面の硬度が高いマイクロ部品用金型を製造することができる。
【００４７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、Ｓｉ等の基板の表面をフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法等により加工することによって、マイクロ部品用金型の原型を調製し、次いで、前記原型の表面に、深さ方向に傾斜分布組成を有するＴｉＮ等の硬質膜を形成し、そして、超塑性を有するチタン合金等の金属に前記原型を転写することによって、製造コストが安価で且つ高い精度を有し、しかも表面の硬度が高い、分光デバイス、エンコーダー用スケール等のマイクロ部品用金型を容易に製造することができといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトレジストが塗布されたＳｉ基板を示す断面図である。
【図２】露光工程を示す断面図である。
【図３】現像工程を示す断面図である。
【図４】エッチング工程を示す断面図である。
【図５】原型の表面へのＴｉＮ膜の形成工程を示す断面図である。
【図６】転写工程を示す断面図である。
【図７】この発明によって製造されたマイクロ部品用金型を示す断面図である。
【図８】射出成形工程を示す断面図である。
【図９】拡散接合の説明図である。
【図１０】回折格子を形成した分光デバイスを示す部分断面図である。
【図１１】エンコーダー用スケールを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：Ｓｉ基板
２：フォトレジスト
２Ａ：光が当たった部分のフォトレジスト
３：マスク
４：溝
５：ＴｉＮ膜
６：マイクロ部品用金型の原型
７：基台
８：チタン合金
９：ヒーター
１０：マイクロ部品用金型
１１：成形型
１２：マイクロ部品
１２Ａ：溝

Claims

表面にＴｉおよびＴｉＮからなる硬質皮膜が形成された、Ｔｉ合金からなる超塑性金属からなり、前記硬質皮膜中のＴｉＮ濃度は、前記硬質皮膜の表層から内部に向って低下していることを特徴とするマイクロ部品用金型。
前記Ｔｉ合金は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉからなることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ部品用金型。
表面にＡｌおよびＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる硬質皮膜が形成された、Ａｌ合金からなる超塑性金属からなり、前記硬質皮膜中の前記Ａｌ ₂ Ｏ ₃ 濃度は、前記硬質皮膜の表層から内部に向って低下していることを特徴とするマイクロ部品用金型。
Ｓｉからなる基板の表面を加工することによってマイクロ部品用金型の原型を調製し、次いで、前記基板との反応を阻止する、ＴｉおよびＴｉＮからなる硬質皮膜を前記原型の表面に形成し、そして、Ｔｉ合金からなる超塑性金属と前記硬質皮膜とを拡散接合させることにより、前記超塑性金属に前記硬質皮膜を介して前記原型を転写する、マイクロ部品用金型の製造方法であって、前記硬質皮膜中のＴｉＮの濃度を、前記基板の表面から前記超塑性金属側に向けて低下させることを特徴とする、マイクロ部品用金型の製造方法。
前記Ｔｉ合金は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉからなることを特徴とする、請求項４に記載の、マイクロ部品用金型の製造方法。
Ｓｉからなる基板の表面を加工することによってマイクロ部品用金型の原型を調製し、次いで、前記基板との反応を阻止する、ＡｌおよびＡｌ ₂ Ｏ ₃ からなる硬質皮膜を前記原型の表面に形成し、そして、Ａｌ合金からなる超塑性金属と前記硬質皮膜とを拡散接合させることにより、前記超塑性金属に前記硬質皮膜を介して前記原型を転写する、マイクロ部品用金型の製造方法であって、前記硬質皮膜中のＡｌ ₂ Ｏ ₃ の濃度を、前記基板の表面から前記超塑性金属側に向けて低下させることを特徴とする、マイクロ部品用金型の製造方法。
前記基板の表面に、フォトリソグラフィー法によって前記原型のレジストパターンを形成し、そして、前記レジストパターン以外の前記基板の表面部分をエッチングにより所定深さに除去することによって、前記原型を調製することを特徴とする、請求項４から６の何れか１つに記載の、マイクロ部品用金型の製造方法。