JP4981100B2 - 独立温度制御付き成形構造とその成形方法 - Google Patents

Description

本発明は成形構造に関するものであり、特に、離型工程における熱溶融材料の熱応力を解消できる独立温度制御付き成形構造に関する。

ナノ科学はより刷新的で革命的な製品を創造することを可能にするだけでなく、微細構造工学に新たな挑戦をもたらすものである。先進微細構造工学とともに、半導体、電気光学、機械工学、生化学のような技術は、発明により良いパフォーマンスと正確さを加えることができ、同時に製造コスト削減にもつながる。微細構造工学の一部として、微小成形は現在、微小製品の製造に用いられるよく知られた技術であり、微小成形と射出成形は共通に用いられる方法である。射出成形は、製造において、熱可塑性物質｛ねつ かそ せい ぶっしつ｝や熱硬化性｛ねつこうか せい｝プラスチックなどの熱溶融材料から部品を作るための製造技術である。溶融｛ようゆう｝プラスチックは高圧で製品の形の逆の形状である金型に射出される。射出完了後、金型は冷却され、中の過熱融解材料は固化し、完成品は離型工程で取り出すことができる。

図１に冷却と離型工程を示す。左側の図は射出後の熱溶融材料と金型インサートの平衡を表している。真ん中の図は金型インサートが冷却時を示し、如何なる物体も、それが加熱された時に膨張し、冷却された時に縮小するという周知の事柄により、熱溶融材料の冷却時の収縮率は通常０．２５〜０．５％であり、金型インサートの収縮率よりも高い。結果として、冷却工程で強い保持力が発生する。もしこの保持力を解除するための適切な仕組みがなければ、特に微細構造のサイズである熱溶融材料は通常離型工程で破損してしまう。厚さ２μｍの垂直壁を伴う微細構造を例にとると、横の長さが１０ｍｍである正方形製品の縁は冷却後、垂直壁の厚さの５〜１０倍縮小し、縮小により強い保持力が発生し、製品を損傷させる確率が高くなり離型工程に困難をきたす。この問題の主な原因はそれぞれの材料の熱膨張係数の差にあり、熱応力は通常材料により特定の温度で発生する。右側の図は、離型工程中、熱溶融材料が損傷を受けずに取り出すことができる保持力解除の成功例を示す。

よって、上述の問題を解決するために、本発明は、金型の表面に電熱線を埋め込むことによって、金型の離型工程における熱溶融材料の熱応力を解消することができる、独立温度制御付き成形構造を提案する。

従って、本発明の諸目的中の一つは、離型工程中、熱溶融材料の熱応力を解消できる独立温度制御付き成形構造を提供することにある。

本発明によると、微細構造の金型に用いる独立温度制御付き成形構造は次のように開示される。
本発明の構造は、プラスチックからなる熱溶融材料を金型の形状に基づき成形することができる金型を含み、金型の表面に埋め込まれた電熱線であり、導電性のもので、異なる入力電圧によって前記金型に異なるパワーの熱を供給することができる少なくとも一つの電熱線と、入力電圧を供給する電源ユニットと、コントロールユニットであり、電源ユニットにより供給された入力電圧量をコントロールすることにより電熱線の温度を制御するコントロールユニットを含む。前記コントロールユニットは、前記熱溶融材料の冷却時に前記電熱線に電力を供給して、前記金型の表面付近の熱溶融材料の温度を該熱溶融材料の凝固温度よりも高く維持し、冷却完了時に前記電熱線への電力供給を停止して、前記金型と前記熱溶融材料の熱膨張係数の差が原因で生じる熱応力を解消することを特徴とする。

本発明は、成形過程の冷却、離型の際に、熱溶融材料が収縮する性質に対して、独立温度制御を備えた成形構造において、金型の表面に埋め込まれた電熱線を設けた成形構造であり。金型の表面温度を調節することにより、熱溶融材料と金型の間に生じる熱応力を解消し、バランスをとることができ、離型工程中熱溶融材料を保持力によるダメージから守る。

本発明の目的、技術内容、特徴、効果の理解を助けるために、以下に図を添付し詳細に説明する。

本発明の成形工程における過熱融解材料の充填、冷却、離型を示す略図である。 本発明の独立温度制御を有する射出成形を示す略図である。 本発明の独立温度制御付き射出成形の離型工程を示す略図である。 本発明の表面上に埋め込まれた電熱線を有する成形構造を示す略図である。 本発明の冷却、離型工程時の熱溶融材料の温度変化を示す略図である。

本発明は、金型と熱溶融材料間の熱膨張係数の差によって生じる熱応力を解消する独立温度制御付き成形構造を提供する。

本発明は、熱エンボス加工、射出成形、ローリング、光重合を含む如何なる成形方法にも応用できる。射出成形を本発明の好ましい実施例の一つとして示すので図２を参照されたい。独立温度制御は、制御の際電源ユニット１０の出力電力を必要とするので、このタスクを行うために追加ののコンピュータコントロールユニット１２を必要とする。前述したように、射出成形は、熱可塑性物質或いは熱硬化性プラスチック材料のような熱溶融材料４がインジェクター２によって成形構造の中に高圧で射出される製造技術である。成形構造に独立温度制御を備えるために、本発明の成形構造は主に、金型６と、少なくとも一つの電熱線８と、電源ユニット１０と、コントロールユニット１２から構成されている。金型６は熱溶融材料４を射出し使用者の望む形状を形成する。金型６の表面には少なくとも一つの電熱線８が埋め込まれている。電熱線８は導電性のものであり、金型６の表面と接触し入力電圧により異なるパワーの熱を供給する特性を有する。前述した金型６の接触表面は金型６が熱溶融材料４に接触する部分である。電源ユニット１０は電熱線８に入力電圧を供給し、コントロールユニット１２は、電源ユニット１０により供給された入力電圧の量をコントロールすることによって電熱線８の温度を制御する。

図３には、熱溶融材料４の離型工程を示す。温度制御機能を有する金型６は、コンピュータコントロールユニット１２を通じて温度を自動調節し、金型６と熱溶融材料４の間の熱膨張係数の差によって生じる熱応力を解消することができる。例えば、熱溶融材料４の熱膨張係数（α）をＸとし、その凝固点は１００℃である。冷却工程中、熱溶融材料４の温度は通常、冷却方法により一定点まで下がるが、通常は室温の２０℃から２３．５℃である。熱膨張の体積を計算する方程式は数式１のように求まり、

ΔＴは冷却前後の温度の差を示している。ΔＴが増加するにつれて、体積収縮率（ΔＶ／Ｖ₀）も同様に増加する。つまり、ΔＴが大きいほど熱応力も大きくなる。従って、熱溶融材料４が冷却工程で１００℃から２０℃の室温に冷却された場合、ΔＴは８０℃になる。ΔＴの８０℃は明らかに著しい熱応力を生じさせ、特に微細構造成形の離型工程を困難にする。しかし、金型６の接触表面上の電熱線８は、冷却工程中或いは冷却工程後に金型６の接触表面付近の熱溶融材料４の温度を上昇させることができ、ΔＴは最小限まで減少し、熱応力は解消される。つまり、本発明のような独立温度制御付き金型を用いた成形方法は、表面上に埋め込まれた電熱線を備えた金型を単に必要とし、熱溶融材料の離型工程中、これらの電熱線を用いて温度差によって生じる熱応力を解消する。

本発明はまた、微細構造金型にも応用でき、シリコンウェハー、金属、セラミック、或いは他の如何なる半導体もその基材として使用できる。シリコンウェハーベースの微細構造金型を本発明のもう一つの好ましい実施例として示すので図４を参照されたい。電熱線８を微細構造金型に埋め込む工程は、次のことから成る。まず、誘電体層と窒化ケイ素層を導電性シリコンウェハー金型上に形成し、照射、リソグラフィー、エッチングを利用して誘電体層をマスキングし、ドライエッチング技術を用いてシリコンウェハー金型をエッチングして発熱ループを形成する。その後、イオン注入技術を用いて導電性イオンをシリコンウェハー金型に注入し、イオンが前記シリコンウェハー金型の表層に集中するように、イオンの垂直方向の濃度分布についてにガウス分布を考慮し、電子が動き回るようにするためのブリッジを造り、電子の運動は熱を発生させて前記シリコンウェハー金型に異なるパワーの熱を供給し、電熱線のような働きをする。次に、イオンにフォトレジスト反転技術を利用して二酸化ケイ素と前記窒化ケイ素を除去し、熱酸化した二酸化ケイ素である誘電体層を除去し、イオンの電極を電源に接続して独立温度制御付きのシリコンウェハーベースの微細構造金型を実現する。そして、前述したフォトレジスト反転で照射後熱で軟らかくなった際に、フィルタを用いない状況下で再照射を行いポジ型のフォトレジストをネガ型に変える。さらに、ドライエッチングは反応性イオンエッチング技術を用いてフォトレジスト残留物形成し、それバッファ層マスクとする。それらの電熱線８が指定エリアで分散した後、各電熱線８を電源１０に接続し、そこには電熱線８に隣接した熱電対１１がある。熱電対１１は電熱線８の周囲の温度をコンピュータコントロールユニット１２に報告し、コンピュータコントロールユニット１２は電源１０から入力電力をコントロールして指定エリアの温度を制御する。金型にかけられた圧力を検知するために追加の圧力センサー９含むこともできる。

図５は、従来技術によって発見された保持力を解消できる、本発明が提案する新しいタイプの金型である。主に、注入技術を用いて金型インサート７内の指定エリアを、指定エリアの表面に平行な複合的な抵抗電力線８を作成するように、導電性にし、入力電力が供給された時これらの複合的な抵抗電力線８は熱を発生させ、入力電力の程度により簡単に温度を調節できる電熱器のような機能を果たす。結果として、離型工程に際して、金型インサート７と熱溶融材料４の間の接触表面の全体温度は、この工程を通じて制御することができ、それによって金型インサート７と熱溶融材料４の間の熱膨張の平衡が保たれる。本発明のこの好ましい実施例では、熱溶融材料４と金型インサート７は金属金型プレート６において最も優れた機能を果たす。図５の下部はさらに、上述の冷却工程（t=t₀〜t₃）における熱溶融材料４の温度分布と凝固時系列を示す。熱溶融材料４が冷却過程（t=t₀）に入り、金型インサート７によって冷却される時、熱溶融材料４の両側は最初は真ん中より低温となる。冷却工程がT_gのポイント（熱溶融材料４の最も高い凝固温度）に達した時、電熱線は熱（t=t₁）を発生させ、熱溶融材料４の左底辺の表面温度はT_gより上を維持し、その中の熱溶融材料４の右底辺の温度下降を続ける。冷却工程が特定の離型温度（t=t₂）に達する前に、他の部分が既に特定の離型温度（T_demold）に達している一方で熱溶融材料４の左底辺の表面温度は、T_gポイントより上を維持し、電熱線はこの時まだ電力供給している。冷却工程が完了し（t=t₃）、電熱線が電力供給を停止した時、熱溶融材料４の左底辺の表面温度は離型温度まで下降し、離型工程が進められる。δは、熱溶融材料４の表面と底辺の間に生じる最大温度差の時の熱溶融材料４の厚さを示している。δはまた、冷却工程中発生する最大保持力の部分であり、その保持力は下記の数式２のように求まる。

Ｆが保持力である時、Ｌは熱溶融材料４の製品の（紙面より）奥行きであり、σは熱溶融材料４の熱応力であり、Ｅは離型温度での熱溶融材料４のヤング率であり、α_{heat-melt-material}とα_moldは熱溶融材料４と金型インサート７の熱膨張係数であり、最後にT_gは熱溶融材料４の最高凝固温度であり、T_demoldは離型温度を示す。

本発明では好ましい実施例を前述のとおり示したが、これらは決して本発明に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本発明の精神と領域を脱しない範囲で各種の変動や潤色を加えることができ、従って本発明の保護範囲は、特許請求の範囲を指定した内容を基準とする。

２ インジェクター
４ 加熱融解材料
６ 金型
８ 電熱線
９ 圧力センサー
１０ 電源
１１ 熱電対
１２ コンピュータコントロールユニット

Claims (10)

1. 微細構造の金型に用いる独立温度制御付き成形構造であり、前記構造は、
   プラスチックからなる熱溶融材料を金型どおりの形状に成形する金型と、
   前記金型の表面に埋め込まれた少なくとも１つの電熱線であり、前記電熱線は導電性であり、異なる入力電圧によって前記金型に異なるパワーの熱を供給できる電熱線と、
   前記入力電圧を供給する電源ユニットと、
   コントロールユニットであって、前記電源ユニットによって供給された前記入力電圧の量を制御することによって前記電熱線の温度を制御するコントロールユニットと、からなり、
   前記コントロールユニットは、
   前記熱溶融材料の冷却時に前記電熱線に電力を供給して、前記金型の表面付近の熱溶融材料の温度を該熱溶融材料の凝固温度よりも高く維持し、前記冷却完了時に前記電熱線への電力供給を停止して、前記金型と前記熱溶融材料の熱膨張係数の差が原因で生じる熱応力を解消することを特徴とする、
   独立温度制御付き成形構造。
2. 前記微細構造の金型の基材としてシリコンウェハー、金属、セラミック、或いはその他如何なる半導体材料のうち何れかを用いることを特徴とする、請求項１に記載の独立温度制御付き成形構造。
3. 前記独立温度制御付き成形構造は、
   誘電体層と窒化ケイ素層を導電性シリコンウェハー金型上に形成することと、
   照射、リソグラフィー、エッチングを利用して前記誘電体層をマスキングし、ドライエッチング技術を用いて前記シリコンウェハー金型をエッチングし発熱ループを形成することと、
   イオン注入技術を用いて導電性イオンを前記シリコンウェハー金型に注入し、前記イオンが前記シリコンウェハー金型の表層に集中するように前記イオンの垂直方向の濃度分布についてガウス分布を考慮し、電子が動き回るようにするためのブリッジを作成し、前記電子の運動は熱を発生させて前記シリコンウェハー金型に異なるパワーの熱を供給することと、
   前記イオンにフォトレジスト反転技術を適用して二酸化ケイ素と前記窒化ケイ素を除去することと、
   前記誘電体層を除去し、前記イオンの電極を電源に接続してシリコンウェハーをベースにした独立温度制御付き微細構造金型を実現すること、
   から形成されることを特徴とする、請求項２に記載の独立温度制御付き成形構造。
4. 前記ドライエッチングは、反応性イオンエッチング技術を用いてフォトレジスト残留物をバッファ層マスクへ作り変えることを特徴とする、請求項３に記載の独立温度制御付き成形構造。
5. 前記誘電体層が、熱酸化した二酸化ケイ素であることを特徴とする、請求項３に記載の独立温度制御付き成形構造。
6. 表面に埋め込まれた電熱線を有する微細構造の金型を備え、
   前記電熱線は導電性のもので、異なる入力電圧によって前記金型に異なるパワーの熱を供給することができ、
   プラスチックからなる熱溶融材料の離型工程中、前記熱溶融材料の冷却時に前記電熱線に電力を供給して、前記金型の表面付近の熱溶融材料の温度を該熱溶融材料の凝固温度よりも高く維持し、冷却完了時に前記電熱線への電力供給を停止して、前記金型と前記熱溶融材料の熱膨張係数の差が原因で生じる熱応力を解消することを特徴とする、
   独立温度制御付き金型を用いた成形方法。
7. 前記微細構造金型の基材としてシリコンウェハー、金属、セラミック、或いは他の如何なる半導体材料のうち何れかを用いることを特徴とする、請求項６に記載の独立温度制御付き成形方法。
8. 独立温度制御付き前記シリコンウェハーをベースとした微細構造金型の製造方法は、
   導電性シリコンウェハー金型上に誘電体層と窒化ケイ素層を形成することと、
   照射、リソグラフィー、エッチング利用して、誘電体層のマスキングを行い、ドライエッチング技術を用いて前記シリコンウェハー金型をエッチングし発熱ループを形成することと、
   イオン注入技術を用いて導電性イオンを前記シリコンウェハー金型に注入し、該イオン注入は、前記イオンが前記シリコンウェハー金型の表層に集中するように前記イオンの垂直方向の濃度分布についてガウス分布を考慮し、電子が動き回るようにするためのブリッジを造り、前記電子の運動は熱を発生させて前記シリコンウェハー金型に異なる温度をもたらすことと、
   前記イオンにフォトレジスト反転技術を適用して二酸化ケイ素と前記窒化ケイ素を除去することと、
   前記誘電体層を除去し、前記イオンの電極を電源に接続して独立温度制御付きシリコンウェハーをベースにした微細構造金型を実現すること、
   からなることを特徴とする、請求項６に記載の独立温度制御付き成形方法。
9. 前記ドライエッチングは、反応性イオンエッチング技術を用いてフォトレジスト残留物を形成し、バッファ層マスクとすることを特徴とする、請求項８に記載の独立温度制御付き成形方法。
10. 前記誘電体層が、熱酸化した二酸化ケイ素であることを特徴とする、請求項８に記載の独立温度制御付き成形方法。

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