JP4824490B2 - 微細パターン形成方法及び微細パターン形成金属シートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、微細パターン形成方法及び微細パターン形成金属シートの製造方法に関するものである。

従来、被加工材に微細パターンを形成する加工方法として、特許文献１に開示されているようにポンチとダイスを用いてプレス加工することが知られている。この特許文献１には、ダイス穴を有しないダイス素材に微細パターン形成用のポンチでダイス穴を形成することが開示されているが、その穴あけ方法として、ポンチをダイス素材に押し付けてダイス穴を開ける方法と、ポンチとダイス素材との間で放電を起こさせてダイス素材にダイス穴を開ける方法と、が記載されている。ポンチでダイス穴を形成することで５０μｍ以下の穴あけ加工を精度よく行うことができるとされ、放電によるダイス穴の形成では、ポンチが損傷を受けないので１０万回程度の打抜きが可能となるとされている。

その他５０μｍ以下の穴あけが可能な加工方法としてレーザ加工、放電加工、リソグラフィ加工等があるが、レーザ加工では、本質的に熱溶融による加工であるため、被加工材の材質に与える損傷が大きく、また穴形状がストレートではなく円錐面になるという問題点がある。また放電加工では、被加工材が電気伝導性の良い材料に限られるという問題がある。またリソグラフィ加工では、穴形状がエッチング液の特性に大きく左右されるという問題がある。さらにこれらの加工方法では、ポンチを押し付けて被加工材に微細穴を形成するプレス加工に比べて加工時間が大幅に長くなるという問題がある。特許文献１では、これら問題点を解決できる方法として、ポンチを用いたプレス加工を採用し、前述したようにダイス素材にダイス穴を開ける方法を採用している。

一方、特許文献２には、微細穴を対象としたものではないが、ポンチとダイスを用いた被加工材の打ち抜き加工方法が開示されている。この特許文献２では、被加工材の板厚や材質により最適なクリアランスが変わるという問題を解決するために、１つのポンチに対して大きさの異なる複数のダイス穴を有するダイスを用い、ポンチとダイス穴の適切な組み合わせを選択することで最適なクリアランスが得られるようにしている。
特開２００４−１１４２２８号公報 特開平５−７６９５４号公報

しかしながら、前記特許文献に開示された従来の加工方法では、いずれもポンチとダイスを用いるので、少なくとも穴あけ加工前にはダイスにダイス穴が開いているようにしなければならない。このため、穴あけ加工前の準備段階が煩雑なものにならざるを得ない。したがって、従来の加工方法においては、微細パターンの形成加工工程をさらに簡素化できる余地がまだ残されている。

そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、微細パターンの形成加工をより簡素化することにある。

前記の目的を達成するため、本発明は、膜状、箔状、シート状、板状その他の２次元的な広がりをもつ形態を有する被加工材に微細パターンを形成する方法であって、前記被加工材よりも軟らかく、かつ膜状、箔状、シート状、板状その他の２次元的な広がりをもつ形態を有する補助材を用い、前記被加工材及び前記補助材の少なくとも一方は金属製であり、前記被加工材及び前記補助材のうち金属製であるものは、溶融めっき、電気めっき若しくは無電解めっきによって形成された薄膜又は気相合成された薄膜からなり、前記被加工材と前記補助材とが密着、接着、積層又は重ね合わせられた積層体に型を押し付け、前記補助材を塑性変形させつつ前記被加工材に微細パターンを形成する。

本発明では、微細パターンを形成する被加工材よりも軟らかい補助材と当該被加工材とが密着、接着、積層又は重ね合わられた積層体に型を押し付けて、補助材を塑性変形させて微細パターンを形成するようにしているので、ダイスを用いた加工方法と異なり、微細パターン形成加工の前に予めダイス穴を形成しておかなければならないという事態を回避することができる。このため、型に応じた形状のダイス穴を形成するという準備段階での手間を省くことができ、微細パターンを形成するための加工工程を簡素化することができる。そして、被加工材が金属薄膜からなる場合には、被加工材として非常に薄いものを得ることができ、一方、補助材が金属薄膜からなる場合には、本来は不要な補助材をできるだけ少なく抑えることができる。

また、本発明では、型の押し付けによって補助材が塑性変形することで被加工材に微細パターンが形成されるので、ポンチとダイスの位置合わせが問題となることはなく、しかも被加工材の板厚や材質に応じてダイスのクリアランスを設定しなければならないという問題も生じることはない。また微細パターンを形成するのに際して型を押し付けるだけなので、レーザ加工、放電加工、リソグラフィ加工等のような問題が生ずることもなく、またこれら加工方法に比べ、加工コストを抑えることができる。

ここで、前記積層体に前記型を重ね合わせ、これをロール間に通すことで前記型を前記積層体に押し付けるようにしてもよい。

この態様では、積層体及び型をロール間に通すことで被加工材に微細パターンを形成するので、既存の圧下加工用装置を使用することが可能となり、微細パターンが形成された型を新たに用意するだけでよくなる。このため、微細パターン形成用の装置としてなるべく改良、追加をしなくてもいいようにことができる。

一方、前記型が、圧下用の一対のロールのうち、少なくとも一方のロールの表面に設けられる場合には、前記積層体を前記一対のロール間に通して前記被加工材に微細パターンを形成するようにしてもよい。

この態様では、被加工材の長さに応じた型を用意しなくても、被加工材を連続的に圧下することが可能となる。この結果、短時間で大量の加工を低コストで行うことが可能となる。

前記被加工材及び前記補助材の一方は金属薄膜からなり、もう一方はアルミニウムからなるものであってもよい。

そして、前記金属製の薄膜はニッケルからなるものであってもよい。

また、本発明は、金属製の被加工材を用いて前記微細パターン形成方法により前記被加工材に微細パターンを形成し、前記被加工材から前記補助材を分離させる微細パターン形成金属シートの製造方法である。

この製法において、前記補助材がアルミニウムからなる場合には、この補助材を溶解、溶融又はエッチングにより除去して前記被加工材から分離させるのが好ましい。この態様では、補助材を確実に除去することができる。

また、前記被加工材はニッケルからなるものであってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、微細パターンの形成加工をより簡素化することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明に係る微細パターン形成金属シートの製造方法の一実施形態を説明するための概略図である。本実施形態に係る金属シート製造方法は、補助材１２の表側に被加工材１４を配した積層体１０に型３０を押し付けて、被加工材１４に微細パターンを形成するものである。

積層体１０は、図２にも示すように、被加工材１４の一面側に補助材１２が密着された構成のものである。補助材１２は、後述するように被加工材１４に微細パターンを形成するために利用されるもので、微細パターン形成後には不要となるものである。補助材１２は、例えば金属箔によって構成されており、この金属箔としては例えばアルミホイル（厚み１２μｍ、硬度約４０Ｈｖ）を用いることができる。なお、補助材１２はこれに限られるものではなく、板材を圧延によって薄く延ばしていくことにより作成した様々な厚みの箔が使用可能である。ただし、補助材１２は被加工材１４よりも厚い方が好ましい。また、補助材１２の厚みは１μｍ以上１ｍｍであるのが好ましく、被加工材１４の厚みは補助材１２よりも薄いのが好ましい。

被加工材１４は金属薄膜によって構成されており、この金属薄膜は補助材１２の表面に例えばめっき処理することによって補助材１２に密着されている。被加工材１４を構成する金属薄膜としては、例えばニッケル（Ｎｉ）めっきが採用され、その厚みは例えば５μｍ、硬度約１２０Ｈｖとなる。このようにめっき処理によって被加工材１４を形成すると、圧延により成形した場合に比べ、より安価に薄いシートを得ることができる。

補助材１２を成形するには、前記のめっき処理の他に一般的な薄膜・厚膜の製造方法を使用することができる。例えば、溶融めっき、電気めっき、無電解めっき等の液相で合成する方法、溶射、ＣＶＤ、ＰＶＤ等の気相で合成する方法等によって得ることができる。また、補助材１２としてバインダーの粉末の混合物であって延性のあるものを適用することも可能である。本製造方法では、型３０を押し付ける方法のため、被加工材１４及び補助材１２の材料が制限されることはない。ただし、被加工材１４よりも補助材１２の方が軟らかく、なおかつこれらが型３０よりも軟らかいことが条件となる。

型３０は、被加工材１４に微細パターンを形成するためのものであり、図３にも示すように、例えば平板状に形成されている。そして、この型３０には、厚み方向に貫通する形態の多数のパターン部３２が設けられている。パターン部３２は、被加工材１４に形成される微細パターンに対応した断面形状を有し、例えば図４に示すように、断面略円形状に形成されるとともに規則的に配列されているようにすることができる。型３０は、例えばＮｉ合金製であり、硬度約５００Ｈｖ、パターン部３２の外径約１２μｍ、パターン部３２のピッチ約３０μｍ、厚み約１０μｍに設定されている。この型３０は、例えば電鋳加工法によって作成されているが、これに代え、例えばレーザ、エッチング、リソグラフィ、機械加工等で加工して作成されていてもよい。

なお、本発明は、１つのみのパターン部３２を有する型３０を押し付ける場合にも適用することができる。

被加工材１４に微細パターンを形成するには、まず図５（ａ）に示すように、補助材１２と被加工材１４とが重ね合わされた積層体１０の上に型３０を載置する。このとき補助材１２に対して被加工材１４が上側になるように積層体１０を配置する。そして、この積層体１０及び型３０を一緒に圧延ロール４０（図１参照）で圧延する。これにより、積層体１０には被加工材１４側から型３０が押し付けられる。このときの圧延条件は、無張力、無潤滑、強圧下（圧延荷重５トン）であり、圧延ロール４０としては冷間圧延用ロールを使用することができる。

積層体１０及び型３０が一緒に圧延ロール４０内に送り込まれると、型３０が被加工材１４を押圧し、それに伴ってその裏側に位置する補助材１２の対応部位が塑性変形することとなる。このとき貫通孔からなる型３０のパターン部３２に対応する位置の被加工材１４は直接的には押圧されないため、図５（ｂ）に示すように、被加工材１４は、型３０に直接押圧されて圧下する第１部分１４ａと、パターン部３２に対応する位置で型３０の押圧力を直接的には受けない第２部分１４ｂとに分離される。そして、パターン部３２内に取り残された第２部分１４ｂが打ち抜きカスとして打ち抜かれ、残りの第１部分１４ａは、微細パターンを有するメッシュ状となる。すなわち、裏側の補助材１２が塑性変形することで被加工材１４が打ち抜かれて型３０の微細パターンが被加工材１４に転写される。図６は、実際に打ち抜いたときの型３０及び積層体１０の断面を撮った光学顕微鏡写真の模式図である。

この後、補助材１２を除去することにより、メッシュ状の金属シート（被加工材１４）を得ることができる。この場合において、被加工材１４の素材がＮｉで、かつ補助材１２の素材がアルミニウム（Ａｌ）であれば、Ｎｉはアルカリに溶けないがＡｌはアルカリに溶け易いため、積層体１０をアルカリ処理することにより、補助材１２のみを除去することができる。この作成されたメッシュ状の被加工材１４は、硬度１２０Ｈｖ、孔径１２μｍ、ピッチ３０μｍ、厚み５μｍであった。

以上説明したように、本実施形態によれば、微細パターンを形成する被加工材１４よりも軟らかい補助材１２を当該被加工材１４に密着、固着又は重ね合わせて積層体１０とし、この積層体１０に型３０を押し付けて補助材１２を塑性変形させて微細パターンを形成するようにしているので、ダイスを用いた加工方法と異なり、微細パターン形成加工の前に予めダイス穴を形成しておかなければならないという事態を回避できる。このため、型３０に応じた形状のダイス穴を形成するという準備段階での手間を省くことができ、微細パターンを形成するための加工工程を簡素化することができる。

また、型３０の押し付けによって裏側の補助材１２が塑性変形することで被加工材１４に微細パターンが形成されるので、ポンチとダイスの位置合わせが問題となることはなく、しかも被加工材１４の板厚や材質に応じてダイスのクリアランスを設定しなければならないという問題も生じることはない。また微細パターンを形成するのに際して型３０を押し付けるだけなので、レーザ加工、放電加工、リソグラフィ加工等のような問題が生ずることもなく、またこれら加工方法に比べ、加工コストを抑えることができる。

また本実施形態では、圧延ロール４０を使用して被加工材１４に微細パターンを形成するようにしているので、既存の圧下加工用装置を使用することが可能となり、微細パターンが形成された型３０を新たに用意するだけでよくなる。このため、微細パターン形成用の装置としてなるべく改良、追加をしなくてもいいようにことができる。

また本実施形態では、めっき処理によって補助材１２上に被加工材１４を形成するようにしているので、微細パターンを有する薄膜状の被加工材１４を安価に製造することができる。

なお、本発明は、前記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、型３０は、圧延ロール４０等の圧下装置に取り付けられるようにしてもよい。また、圧下装置において、素材を圧下する圧下部自体（例えばロール自体）の表面を前記実施形態のように微細パターンを有する型３０に加工してもよい。そうすれば、被加工材１４の長さに応じた型３０を用意しなくても、被加工材１４を連続的に圧下することが可能となり、短時間で大量の加工を低コストで行うことが可能となる。また、型３０は金属製のものに限られるものではない。

また前記実施形態では、補助材１２に被加工材１４をめっき処理によって密着させるようにしたが、これに限られるものではない。例えば、被加工材１４と補助材１２とを単に重ね合わせるようにしてもいいし、両者を接着するようにしてもよい。また、被加工材１４と補助材１２とが密着しているのが望ましいが、被加工材１４と補助材１２とが離間している部分があってもよい。この場合でも、被加工材１４に型３０を押し付けたときには、被加工材１４と補助材１２とが重ね合わされた積層体１０となるので、この積層体１０に対して型３０を押し付けるのと同様の効果を得ることができる。

また前記実施形態では、型３０のパターン部３２が貫通孔によって構成される例について説明したが、これに代え、図７及び図８（ａ）に示すように、型３０は、基部３４と、この基部３４から突出した凸形状のパターン部３２とを有する構成としてもよい。この場合、パターン部３２の突出高さは、被加工材１４を厚み方向に貫通できるように被加工材１４の厚みよりも大きくすることが必要となる。そして、被加工材１４と補助材１２との積層体１０に型３０を押し付けると、型３０のパターン部３２に対応する部位の被加工材１４及び補助材１２が変形する。そして、図８（ｂ）に示すように、被加工材１４を貫通する程度に型３０を押し付けると、その下に位置する被加工材１４の第１部分１４ａがパターン部３２の押圧力を直接的には受けない第２部分１４ｂから分離され、凹むように塑性変形した補助材１２の凹部に打ち抜きカスとして収まる。これにより、被加工材１４に微細パターンが形成されてメッシュ状となる。なお、パターン部３２は円柱状に形成されるものに限られるわけではなく、種々の形状を採用することができ、しかも規則的に配列されていないものであってもよい。

被加工材１４の素材は銅（Ｃｕ）で、かつ補助材１２の素材がＡｌであってもよい。この場合にも、Ｃｕはアルカリに溶けないため積層体１０をアルカリ処理することにより、補助材１２が除去された被加工材１４を得ることができる。また被加工材１４及び補助材１２の素材によっては酸による処理で補助材１２を除去することも可能である。また、このような化学的処理によって補助材１２を除去する方法に限られるものではなく、例えば研磨等による機械的処理によって補助材１２を除去することも可能である。

また、被加工材１４を打ち抜いて貫通孔が形成された形態の微細パターンを形成するものに限らず、被加工材１４に凹凸状の微細パターンを形成するものでもよい。

また、補助材１２を被加工材１４の一方の面に重ね合わせる方法に限らず、補助材１２を被加工材１４の両面に重ね合わせるようにしてもよい。例えば、被加工材１４をステンレス鋼（ＳＵＳ）とするとともに補助材１２をＡｌとし、ＳＵＳ板をＡｌ槽にどぶ付けしてＳＵＳ表面に溶融めっき又は電解めっきでＡｌ膜を形成する場合、ＳＵＳ板の両面にＡｌがめっきされることとなる。この場合において、積層体１０の上から型３０を押え付けるときに、型３０が被加工材１４の上側に位置する補助材１２を貫通して被加工材１４に微細パターンを形成することとなる。このとき、被加工材１４に対して型３０とは反対側の補助材１２（被加工材１４の裏側の補助材１２）は塑性変形し、それに応じて被加工材１４に微細パターンが形成される。

本発明の実施形態に係る微細パターン形成金属シートの製造方法を説明するための図である。 積層体の断面図である。 型の断面図である。 型の上面図である。 （ａ）は打ち抜き前の状態の積層体及び型を示す断面図であり、（ｂ）は打ち抜き後の状態の積層体及び型を示す断面図である。 実際に打ち抜いたときの型及び積層体の断面を撮った光学顕微鏡写真の模式図である。 本発明のその他の実施形態に係る微細パターン形成金属シートの製造方法に使用される型の断面図である。 （ａ）その他の実施形態における打ち抜き前の状態の積層体及び型を示す断面図であり、（ｂ）は打ち抜き後の状態の積層体及び型を示す断面図である。

符号の説明

１０ 積層体
１２ 補助材
１４ 被加工材
１４ａ 第１部分
１４ｂ 第２部分
３０ 型
３２ パターン部
３４ 基部
４０ 圧延ロール

Claims (8)

1. 膜状、箔状、シート状、板状その他の２次元的な広がりをもつ形態を有する被加工材に微細パターンを形成する方法であって、
   前記被加工材よりも軟らかく、かつ膜状、箔状、シート状、板状その他の２次元的な広がりをもつ形態を有する補助材を用い、
   前記被加工材及び前記補助材の少なくとも一方は金属製であり、前記被加工材及び前記補助材のうち金属製であるものは、溶融めっき、電気めっき若しくは無電解めっきによって形成された薄膜又は気相合成された薄膜からなり、
   前記被加工材と前記補助材とが密着、接着、積層又は重ね合わせられた積層体に型を押し付け、前記補助材を塑性変形させつつ前記被加工材に微細パターンを形成する微細パターン形成方法。
2. 前記積層体に前記型を重ね合わせ、これをロール間に通すことで前記型を前記積層体に押し付ける請求項１に記載の微細パターン形成方法。
3. 前記型は、圧下用の一対のロールのうち、少なくとも一方のロールの表面に設けられ、
   前記積層体を、前記一対のロール間に通して前記被加工材に微細パターンを形成する請求項１に記載の微細パターン形成方法。
4. 前記被加工材及び前記補助材の一方は金属薄膜からなり、もう一方はアルミニウムからなる請求項１から３の何れか１項に記載の微細パターン形成方法。
5. 前記金属製の薄膜はニッケルからなる請求項１から４の何れか１項に記載の微細パターン形成方法。
6. 金属製の被加工材を用いて請求項１から５の何れか１項に記載の微細パターン形成方法により前記被加工材に微細パターンを形成し、
   前記被加工材から前記補助材を分離させる微細パターン形成金属シートの製造方法。
7. 前記補助材はアルミニウムからなり、この補助材を溶解、溶融又はエッチングにより除去して前記被加工材から分離させる請求項６に記載の微細パターン形成金属シートの製造方法。
8. 前記被加工材はニッケルからなる請求項７に記載の微細パターン形成金属シートの製造方法。
   

Images