JP4753045B2 - 成形用型及びその製造方法ならびにこの型を用いる成形体の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、μｍサイズ好ましくはｎｍサイズのキャビティおよびコアの何れか一方または双方からなる微細構造を有するプラスチック樹脂等の成形用型及びその製造方法ならびにこの型を用いる成形体の製造方法に関する。
近年、ナノテクノロジーが発展し微細構造を有する成形体が様々な分野で使用されるようになってきている。たとえば半導体回路、ＤＮＡチップ基板、インクジェットヘッドのノズル、センサ等微細な構造を有する成形体が使用されている。これらの成形体には高い寸法精度が要求される。たとえばインクジェットヘッドのノズル径は、小さいほど多量の情報処理を可能にする。また、マイクロマシーンの部品を構成する成形品にも高い寸法精度をもつ微細構造が要求される。
従来、金型分野では放電加工による金型加工が行われ、５μｍ〜１０μｍサイズの微細な構造を有する金型を製造してきた。しかしながら、マイクロマシーンの部品を構成する成形品等にあっては、１μｍ以下のサイズの極微細加工を施した金型等の型が要求される。放電加工の加工精度限界を超えて、このようなサイズの微細加工を型材料に施す加工手段として、イオンビーム照射による加工法が試みられるようになってきた（たとえば、特許文献１参照）。
イオンビーム照射による加工法にあっては、加工対象である金属材料とイオン原子との組合せによって加工能率（through put）が大きく変化する。また、照射イオンが加工対象である金属の原子を衝突によって十分に弾き飛ばすに足るエネルギを有していることが必要になる。而して、たとえばＧａイオン照射によって銅（Ｃｕ）に型の製作加工を施す場合、きわめて長い時間と手間を要する。たとえば、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速した収束型イオン照射装置で銅（Ｃｕ）材料に１０μｍの立方形キャビティを穿設する場合、数時間〜１０時間の加工時間を要する。
型の材料がＳｉ原子を主成分とする材料たとえばガラスであると加工能率がよいけれども、イオンビーム照射が進むにつれてガラスが帯電してイオンビーム照射による加工能率（through put）が極端に低下するのみならず加工精度も低下してくる。さらに作業を継続すると、ガラス材料に静電破壊を惹起する。
本発明は、型加工能率が高く帯電に起因する加工能率低下や静電破壊を招くことのない、イオンビーム照射によって加工された型およびその製造方法ならびに前記型によって製作される成形品の製造方法を提供することを目的とする。
上記課題を解決するための、本発明に係る成形用型は、酸化バナジウム（Ｖ ２ Ｏ ５ ）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスの基材と、前記基材の表面にバナジウム（Ｖ）よりも原子量の大きい原子のイオンビームを照射することにより刻設されたキャビティおよびコアの何れか一方または双方とを備えたことを特徴とする。
この構成によれば、導電性ガラスを用いることにより、帯電による加工能率低下や静電破壊を起こすことなくμｍサイズ乃至ｎｍサイズの極微細加工を比較的短時間で行うことができるため、量産に適し品質の高い成形用型が得られる。
ここで、イオンビームとしては、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ａｓ，Ｂｒ，Ｋｒ，Ｍｏ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｗ，又はＡｕのイオンビームを使用することができる。特に、イオンビームとしてＧａイオンを用いる場合、加工能率が高くかつ静電破壊を引き起こさないという観点から、５ｋｅＶ〜５０ｋｅＶの照射エネルギとするのが好適である。
また、本発明に係る成形用型において、前記基材の電気伝導度を１.０×１０−１Ｓ／ｃｍ〜１.０×１０−８Ｓ／ｃｍとすることができる。
基材の電気伝導度を上記範囲とすることで、イオンビーム加工時に静電破壊しない実効的な導電性を有し、且つ、安定してガラス材料としての特性を得ることができる。
ここで、電気伝導度が１.０×１０−８Ｓ／ｃｍより小さくなると、イオン加工における実効的でかつ静電破壊がない状態を維持する事が難しい傾向がある。特に、Ｇａイオンの場合、ｐＡ（ピコアンペア）の領域で、ナノメートル桁の加工を、静電破壊を生じることなく実現するためのガラス導電率の下限は、１０−８オーダーであることが実験的に明らかとなっている。また、電気伝導度が１.０×１０−１Ｓ／ｃｍより大きくなると、ガラス材料として、一定の形状を保ち、安定して得る事は難しい傾向がある。
また、本発明に係る成形用型において、前記導電性バナジン酸塩ガラスとして、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）に加えて三酸化二鉄（Ｆｅ ２ Ｏ ３ ），及び酸化バリウム（ＢａＯ）を成分として含有するバナジン酸塩ガラスを用いることができる。
この場合、キャビティおよびコアを刻設するのに使用する荷電粒子ビームとしては、加工性の観点から、特に、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ａｓ，Ｂｒ，Ｋｒ，Ｍｏ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｗ，又はＡｕのイオンビームを使用するのが好適である。
本発明に係る成形用型の製造方法は、酸化バナジウム（Ｖ ２ Ｏ ５ ）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスの基材の表面に、バナジウム（Ｖ）よりも原子量の大きい原子のイオンビームを照射することによりキャビティおよびコアの何れか一方または双方を刻設し成形用型を製造することを特徴とする。
ここで、イオンビームに使用する元素としては、Ｃｒ，Ｆｅ，Ｇａ，Ａｓ，Ｂｒ，Ｋｒ，Ｍｏ，Ｉｎ，Ｂａ，Ｗ，Ａｕを使用することができる。
また、本発明に係る成形用型の製造方法において、前記基材として、電気伝導度が１.０×１０−１Ｓ／ｃｍ〜１.０×１０−８Ｓ／ｃｍの導電性バナジン酸塩ガラスを用いることを特徴とする。
また、本発明に係る成形用型の製造方法において、前記基材として、酸化バナジウム（Ｖ ２ Ｏ ５ ）に加えて三酸化二鉄（Ｆｅ ２ Ｏ ３ ），及び酸化バリウム（ＢａＯ）を成分として含有する導電性バナジン酸塩ガラスを用いることを特徴とする。
また、本発明に係る成形用型の製造方法においては、前記イオンビームのイオン原子は、Ｇａイオンであることを特徴とする。
イオンビームとしてＧａを使用する場合には、基材に含有せしめる成分としては、加工性の観点から、リンや酸素を用いるのが好適である。
本発明に係る成形体の製造方法は、上記本発明に係る成形用型に、溶媒に溶解又は分散させたポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状或はゲル状の物質又はこれらの混合物を充填し成形体を得るようにしたことを特徴とする。
本発明に係る成形用型によれば、寸法精度の高いキャビティおよびコアの何れか一方または双方からなるプラスチック樹脂等の成形用型を提供できる。
本発明に係る成形用型の製造方法によれば、イオンビーム照射の進行に伴う加工能率低下や静電破壊を招くことのない、ガラス基材からなるプラスチック樹脂等の成形用型の製造方法を提供することができる。
請求項８に記載の発明によれば、型加工能率の高いイオンビーム照射による、ガラス基材からなるプラスチック樹脂等の成形用型の製造方法を提供できる。
請求項９に記載の発明によれば、寸法精度の高いプラスチック樹脂等の成形品を得ることができる。
１ 導電性ガラス
２ キャビティを形成すべき領域
３ 照射イオンビーム
４ キャビティ
５ 成形品
２ キャビティを形成すべき領域
３ 照射イオンビーム
４ キャビティ
５ 成形品
以下、本発明をその好ましい実施形態に則して説明する。本発明は、導電性ガラスを基材としてこの基材にイオンビームを照射してμｍ乃至ｎｍサイズのキャビティおよびコアの何れか一方または双方が刻設されたプラスチック樹脂等の成形用型を得るものである。ＳｉＯ２を主成分とするガラス等を基材として型を得る引用文献１に開示の型およびその製造方法にあっては、イオンビーム照射の進行に伴う帯電に起因する加工能率および加工寸法精度の低下が不可避である。
本発明は、発明者の１人が開発した酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスを基材とすることによって、イオンビーム照射の進行に伴う帯電に起因する加工能率および加工寸法精度の低下を抑止することができる。本発明においては、１.０×１０−１Ｓ／ｃｍ〜１.０×１０−８Ｓ／ｃｍといった導電性を有する導電性ガラスを用いる。このような電気特性をもつ導電性ガラスとして、（５〜２０）ＢａＯ・（５〜２０）Ｆｅ２Ｏ３・残部Ｖ２Ｏ５からなる導電性ガラスを基材とすることができる。良好な導電性をガラスに付与すべく、上記組成物を融解・冷却して得られるガラスに３００℃〜５００℃の温度域で１０分間〜１８０分間の熱処理を施す。たとえば４６０℃で３０分間の熱処理を施す。そうすることによって、４.０×１０−２Ｓ／ｃｍといった優れた導電性を有するガラスを得ることができる。ガラス組成物として、（１〜１０）ＲｅＯ３を添加することもできる。なお、本発明を実施するに際しては、電子ビーム照射によることもできる。
その際、導電性ガラスに、加工のために照射されるイオンビームのイオンの原子量よりも小さな原子量をもつ成分を含有せしめておくことが肝要である。基材に照射されるイオンビームのイオンの原子量よりも小さな原子量の成分を基材に含有せしめておくことによって、型加工能率を大きく向上させることができる。
たとえば原子量：６９.７２３のＧａイオンを原子量：６３.５４６の銅（Ｃｕ）基材に照射して型加工する場合、Ｇａイオンを現実的な加速電圧である３０ｋＶで加速して１０μｍの立方形キャビティを穿設するのに数時間〜１０時間を要する。処が、銅（Ｃｕ）にＧａよりも小さな原子量：３０.９７３７の燐（Ｐ）を添加して燐青銅とすると、燐青銅には原子量：１１８の錫（Ｓｎ）が含まれているにも拘らず、イオンビーム照射による加工能率は銅（Ｃｕ）の場合の２０倍〜３０倍になる。発明者らは、Ｇａのイオンと燐（Ｐ）の衝突によって燐（Ｐ）が弾き飛ばされ燐青銅を高能率下に加工するものと考えている。このように、イオンビームのイオンの原子量よりも小さな原子量の元素（イオンのエネルギを十分に得て剥離しやすい元素）を成分として基材に含有せしめることによって、イオンビームによる高能率下での加工が可能となる。本発明においては、原子量：６９.７２３のＧａイオンよりも小さな原子量：５０.９４１５のバナジウム（Ｖ）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスを用いている。
１５ＢａＯ・７０Ｖ２Ｏ５・１５Ｆｅ２Ｏ３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した、電気伝導度：４.０×１０−２Ｓ／ｃｍの導電性ガラスを基材として、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速し、ビーム枠：１０μｍ×１００μｍ、ビーム電流：１μＡ〜１００μＡの条件でイオンビームを照射し、１００μｍ（幅）×１０００μｍ（長さ）×２μｍ（深さ）の溝を穿設した。
比較のために、基材を通常ガラス、燐青銅、銅とし、他は実施例１におけると同一として、本発明によるものと加工時間を比較した。その結果を表１に示す。
表１から明らかなように、本発明によるときはイオンビーム照射の進行に伴う静電破壊がなくしかも、約１.４倍の加工能率下での型加工が可能である。
１５ＢａＯ・７０Ｖ２Ｏ５・１５Ｆｅ２Ｏ３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した、電気伝導度：４.０×１０−２Ｓ／ｃｍの導電性ガラスを基材として、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速し、ビーム枠：０.５μｍ×０.５μｍ、ビーム電流：１ｎＡ〜１μＡの条件でイオンビームを照射し、１００μｍ（幅）×１０００μｍ（長さ）×２μｍ（深さ）の溝を穿設した。
比較のために、基材を通常ガラス、燐青銅、銅とし、他は実施例１におけると同一として、本発明によるものと寸法精度を比較した。その結果を表２に示す。
表２から明らかなように、本発明によれば、高い寸法精度を維持して静電破壊の虞なく型加工を遂行することができる。このように、ビーム枠を０.５μｍ×０.５μｍと同一にしても基材の相異によってイオンビーム照射の進行に伴ってビームと基材のずれを生じて微細な寸法・形状の加工が困難となる。通常のガラスを用いる場合も、イオンビーム照射の継続でガラスに蓄積されるイオンの作用によって加工性が低下するとともにイオンビーム位置をずらしてしまう現象を生ずるものと考えられる。
実施例２において、得られるキャビティの表面粗さを従来技術と本発明において比較した結果を、表３に示す。表面粗さは、図１に示すように、表面の凹凸の最大山高さと最大谷深さの範囲で定義した。
１５ＢａＯ・７０Ｖ２Ｏ５・１５Ｆｅ２Ｏ３からなる組成物を融解・冷却して得られたガラスに４３０℃で６０分間の熱処理を施した、電気伝導度：４.０×１０−２Ｓ／ｃｍの導電性ガラスを基材として、Ｇａイオンを３０ｋＶで加速したイオンビームを基材に照射して、図２に示す加工を施して型を製作した。図２において、１は導電性ガラス、２はキャビティを形成すべき領域であって、導電性ガラス１に穿設すべきキャビティ４の領域を縦断面で示している。３はイオンビームであり、この実施例においては、実施例１におけると同一のイオンビームである。
図２に示すキャビティ４が形成された型に、溶媒に溶解されたポリマーを充填し、成形品５を得た。寸法精度の高いプラスチック樹脂成形品を高精度下に得ることができた。
本発明は、部品等の超微細化という課題を解決するものであり、型によって製作されるプラスチック樹脂等の成形品を高い寸法精度で高能率下に供給でき、型産業分野の広い領域で応用できる。
Claims (7)
- 酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスの基材と、前記基材の表面にバナジウム（Ｖ）よりも原子量の大きい原子のイオンビームを照射することにより刻設されたキャビティおよびコアの何れか一方または双方とを備えた成形用型。
- 前記導電性バナジン酸塩ガラスが、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）に加えて三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３），及び酸化バリウム（ＢａＯ）を成分として含有するバナジン酸塩ガラスであることを特徴とする請求項１に記載の成形用型。
- 前記イオンビームのイオン原子は、Ｇａイオンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形用型。
- 酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を主成分とする導電性バナジン酸塩ガラスの基材の表面に、バナジウム（Ｖ）よりも原子量の大きい原子のイオンビームを照射することによりキャビティおよびコアの何れか一方または双方を刻設し成形用型を製造する成形用型の製造方法。
- 前記基材として、酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）に加えて三酸化二鉄（Ｆｅ２Ｏ３），及び酸化バリウム（ＢａＯ）を成分として含有する導電性バナジン酸塩ガラスを用いることを特徴とする請求項４に記載の成形用型の製造方法。
- 前記イオンビームのイオン原子は、Ｇａイオンであることを特徴とする請求項４又は５に記載の成形用型の製造方法。
- 請求項１乃至３のいずれか一に記載の成形用型に、溶媒に溶解又は分散させたポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状或はゲル状の物質又はこれらの混合物を充填し成形体を得るようにしたことを特徴とする成形体の製造方法。
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