TWI619591B - 金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜 - Google Patents

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Abstract

本發明的課題在於在金屬零件的製造中，可更簡便地將金屬零件離型。本發明是在鑄模本體20的凹凸圖案面上形成包含X-L-Si-(O-R)3所表示的化合物的離型膜16，對離型膜16賦予無電鍍敷用觸媒，藉由利用觸媒進行的無電鍍敷在離型膜16上形成電鑄用通電膜14，藉由使用通電膜14進行的電鑄使金屬材12析出至通電膜14上，將所析出的金屬材12自鑄模本體20剝離。X為含有芳香環的基，L為包含硫原子、氧原子及氮原子中至少1種的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。

Description

金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜
本發明是關於一種利用電鑄法的金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜。
作為製造金屬零件(例如模具)的方法，已知有如下方法：使用金屬製的鑄模，藉由電鑄使金屬材析出至鑄模的圖案面上，將該金屬材自鑄模剝離。先前如上述的金屬零件的製造方法中，為使金屬材容易自鑄模剝離，在藉由電鑄使金屬材析出前，在上述圖案面上形成有離型膜。
作為離型膜，例如，先前一直使用金屬或無機氧化物等無機系的離型膜。然而，近年來，隨著圖案的微細化，亦使用有機系的離型膜。
進而，例如在專利文獻1及專利文獻2中揭示有如下方法：使用包含具有胺基等官能基的矽烷偶合劑的離型膜，利用對離型膜賦予的觸媒，藉由無電鍍敷而形成通電膜，利用該通電膜，藉由電鑄使金屬材析出至圖案面上。該方法具有如下優點：無需藉由物理沈積法(例如真空成膜法等)另行形成通電膜的步驟， 整個金屬零件的製造步驟簡便等。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2005-120392號公報
[專利文獻2]日本專利特開2011-194720號公報
然而，在專利文獻1及專利文獻2的方法中，由於離型膜的離型性能不充分，因此存在如下情況：離型變得困難，或以大的力進行離型後導致金屬零件變形。
本發明是鑒於上述問題而完成，目的在於提供一種可在金屬零件的製造中更簡便地使金屬零件離型的金屬零件的製造方法，及用於其的鑄模及離型膜。
為了解決上述課題，本發明的金屬零件的製造方法的特徵在於：在鑄模本體的凹凸圖案面上形成包含下述通式所表示的化合物的離型膜，對離型膜賦予無電鍍敷用的觸媒，藉由利用觸媒進行的無電鍍敷在離型膜上形成電鑄用的通電膜，藉由使用通電膜進行的電鑄使金屬材析出至通電膜上， 將所析出的金屬材自鑄模本體剝離。
又，本發明的鑄模是用於金屬零件的製造方法的鑄模，其特徵在於包括：表面包括凹凸圖案面的鑄模本體、形成於上述凹凸圖案面上的包含下述通式所表示的化合物的離型膜。
又，本發明的離型膜是形成於用於金屬零件的製造方法的鑄模本體的凹凸圖案面上的離型膜，其特徵在於包含下述通式所表示的化合物。
通式：X-L-Si-(O-R)3
X為含有芳香環的基，L為含有氮原子(N)、硫原子(S)及氧原子(O)的至少1種的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。
在本發明的金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜中，X較佳為含有苯基、吡啶基或噻吩基。
又，在本發明的金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜中，化合物較佳為矽烷偶合劑，尤佳為三甲氧基[3-(苯基胺基)丙基]矽烷、N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷、2-(3-三甲氧基矽烷基丙硫基)噻吩、2-羥基-4-(3-三乙氧基矽烷基丙氧基)二苯基酮及 2-(4-吡啶基乙基)硫代丙基三甲氧基矽烷中的至少一種化合物。
又，本發明的鑄模中，構成鑄模本體的材料較佳為金屬、玻璃、無機氧化物及樹脂中任一種。
本發明的金屬零件的製造方法及用於其的鑄模及離型膜的特徵在於使用具有芳香環的化合物。本發明者發現，藉由離型膜具有芳香環可更簡便地進行金屬零件的離型。因此，藉由使用具有芳香環的化合物，在金屬零件的製造中，可更簡便地使金屬零件離型。
10‧‧‧模具
12‧‧‧金屬材
14‧‧‧通電膜
16‧‧‧離型膜
20‧‧‧鑄模本體
圖1A至圖1E是表示實施方式中的金屬零件的製造方法的步驟的概略圖。
以下，使用圖式對本發明的實施方式進行說明，但本發明並不限定於此。再者，為易於視認，使圖式中的各構成要素的比例尺等與實際的各構成要素適當有所不同。再者，本實施方式中，對製造模具作為金屬零件的情況進行說明。
如圖1所示，本實施方式的模具的製造方法如下所述：準備鑄模本體20(圖1的A)，上述鑄模本體20包含具有凹凸圖案的面(凹凸圖案面)，於上述凹凸圖案面上形成含有下述通式所表示的化合物的離型膜16(圖1的B)，使無電鍍敷用觸媒吸附在 離型膜16上後，藉由利用觸媒進行的無電鍍敷在離型膜16上形成電鑄用通電膜14(圖1的C)，藉由使用通電膜14進行的電鑄使金屬材12析出至通電膜14上(圖1的D)，將所析出的金屬材12自鑄模本體20剝離(圖1的E)。
通式：X-L-Si-(O-R)3
X為含有芳香環的基，L為含有氮原子(N)、硫原子(S)及氧原子(O)的至少1種的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。
該結果，利用本實施方式，製造包括金屬材12及通電膜14的模具10。再者，離型膜16亦可局部附著在模具表面，此種附著物例如可藉由臭氧清潔等清洗方法除去。
又，本實施方式的鑄模包括鑄模本體20與包含上述化合物的離型膜16，本實施方式的離型膜是包含上述化合物的離型膜16。
構成鑄模本體20的材料並無特別限制，例如可為如下物質中的任一種：Ni、Ni-P、Ni-B、Ti及W等金屬，氧化矽等無機氧化物，石英玻璃等玻璃，丙烯酸系樹脂及苯乙烯樹脂等樹脂。鑄模本體20具有應轉印至模具上的凹凸圖案。凹凸圖案的凸部或凹部的形狀可適當設計為多角柱狀、多角錐狀、圓柱狀、圓錐狀、 圓頂狀等。凸部或凹部的俯視的寬度例如為10nm~10μm，高度或深度為10nm~10μm。
X所表示的含有芳香環的基只要是含有芳香環(含有雜芳環)的基，則並無特別限制，例如為含有苯基、聯苯基、吡啶基、噻吩基、萘基及咪唑基中的至少1種的基，尤佳為含有苯基、吡啶基及噻吩基中的至少1種的基。再者，本說明書中芳香環與L的鍵結為1價(結合鍵為1個)結構。例如苯基可為-(C6H5)的結構，吡啶基可為-(C5H4N)的結構，噻吩基可為-(C4H3S)的結構。此外，芳香環除與連結基鍵結以外，亦可含有取代基。作為此種取代基，可列舉羥基、乙烯基、甲基及胺基等。又，此種取代基亦可具有如連接有苯基及酮基般的複合結構。
連結基L含有氮原子(N)、硫原子(S)及氧原子(O)中的至少1種。氮原子、硫原子及氧原子的位置並無特別限制，較佳為該些原子分別以-NH-、-S-及-O-的形式含有於連結基L的主鏈中。
本發明中的化合物是具有-Si-(O-R)3結構的所謂矽烷偶合劑。藉由具有此種結構，可使化合物自組織性地鍵結於鑄模本體20上，離型膜的形成變得容易。R尤佳為甲基或乙基。
作為兼具芳香環與-NH-結構的矽烷偶合劑，具體而言，可列舉3-(苯基胺基)丙基三甲氧基矽烷或N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷等。又，作為兼具芳香環與-S-結構的矽烷偶合劑，具體而言，可列舉2-(3-三甲氧基矽烷基丙硫基)噻吩等。又，作為兼具芳 香環與-O-結構的矽烷偶合劑，具體而言，可列舉2-羥基-4-(3-三乙氧基矽烷基丙氧基)二苯基酮等。
作為離型膜16的形成方法，可使用公知的方法。例如可使用氣相法、或者利用含有化合物的溶液的浸漬法、塗佈法、噴霧法等液相法。離型膜16是單分子層膜或與單分子層膜相近的薄膜，其膜厚為數Å~數十Å左右。此種離型膜16對鑄模本體20的凹凸圖案面的形狀的追隨性極高。
對離型膜16賦予無電鍍敷用觸媒，及其後利用無電鍍敷形成電鑄用通電膜可使用公知的方法。例如作為賦予觸媒的方法，可列舉使用觸媒賦予液的浸漬法、塗佈法、噴霧法等公知的方法。藉此所需的觸媒(Pd、Ag、Cu、Ni等)吸附在離型膜16上。觸媒賦予液可根據欲藉由無電鍍敷而析出的材料(即通電膜14的材料)進行適當選擇。本發明中，藉由離型膜16含有氮原子、硫原子及氧原子中的至少一種原子，離型膜16具有吸附成為觸媒的金屬離子(Pd2+等)的性質。因此，可使觸媒確實地吸附在離型膜16上。無電鍍敷例如可藉由將被賦予觸媒的鑄模浸漬在充滿鍍敷溶液的鍍敷槽內進行。將鑄模浸漬，藉由觸媒作用，鍍敷材料析出至離型膜16上，藉由該析出的材料形成膜而形成通電膜14。由此，在本發明中，由於通電膜的形成步驟中無需真空成膜等需要大規模裝置或耗費時間的成膜方法，因此步驟較為簡便。
通電膜14的厚度較佳為設定在0.05μm~0.5μm的範圍內。其原因在於，通電膜14的厚度未滿0.05μm的情況下，電鑄 時有斷線之虞，又，超過0.5μm的情況下，有通電膜14的內部應力增加、通電膜14自鑄模本體20剝落之虞。
電鑄是藉由將形成有通電膜14的鑄模浸漬在電鑄液中，將通電膜14通電使金屬材析出至通電膜14上而進行。用於金屬材的析出的電鑄液的種類、其液溫及pH、電流密度及通電時間等電鑄條件並無特別限制。可根據所析出的金屬材的種類自公知的電鑄液中適當選擇，根據所製造的模具設定適當條件。又，作為金屬材，例如可列舉Ni、Cr、Cu、Ni-Cr合金、Ni-Fe合金及Ni-W合金等。所析出的金屬材的最終厚度較佳為10μm以上。其原因在於：在該厚度未滿10μm的情況下，於下一剝離步驟中存在模具破損之虞。
然後，藉由將析出的金屬材12自鑄模本體20剝離，可獲得模具10。
本發明中，藉由離型膜16含有芳香環，離型膜16具有良好的離型性。一般認為，其原因在於，芳香環彼此藉由π-π電子相互作用而堆疊，由此離型膜分子的規則性、緻密性增加。因此，可以較高的再現性製造具有奈米級的微細形狀的模具10。又，剝離時無需溶解除去離型膜的步驟等，製造步驟變得更簡便。再者，在剝離金屬材12時，可單獨剝離金屬材12，亦可在金屬材12上進而接著補強材料後，將金屬材12與該補強材料一併剝離。在該情況下，可獲得擔載在補強材料上的狀態的模具。
如以上所述，由於本發明的模具的製造方法及鑄模使用 包含具有芳香環的化合物的離型膜，因此可簡便地進行模具的離型。因此，在模具的製造中，可更簡便地對模具進行離型。
又，由於本發明的離型膜包含具有芳香環的化合物，因此具有較高的離型性。
[實施例]
以下表示本發明的模具的製造方法的實施例。
<實施例1>
使用UV-O3清洗設備(SEN特殊光源股份有限公司製造)對6英吋的矽晶圓進行表面活化處理，該矽晶圓藉由各向異性蝕刻等在4英吋圓區域內實施有奈米尺度的微細加工。
繼而，使用作為矽烷偶合劑的3-(苯基胺基)丙基三甲氧基矽烷(東京化成工業股份有限公司製造)作為離型劑，以容積比(矽烷偶合劑的容積/容器的容積)達到10mL/L的方式將離型劑與矽晶圓封入密閉容器。將該密閉容器置入烘箱中，在100℃下加熱2小時。然後，取出矽晶圓，利用適當溶劑除去多餘的離型劑而形成離型膜。再者，3-(苯基胺基)丙基三甲氧基矽烷的結構式如下述結構式1般。
繼而，將形成有離型膜的矽晶圓在SnCl2(和光純藥工業股份有限公司製造)溶液(室溫)中浸漬1分鐘，進行水洗，其後進一步在PdCl2(和光純藥工業股份有限公司製造)溶液(室溫)中浸漬1分鐘，進行水洗，藉此賦予觸媒。其後，將被賦予觸媒的矽晶圓在包含0.1M的硫酸鎳(和光純藥工業股份有限公司製造)、0.2M的次亞磷酸鈉乙酸鈉(和光純藥工業股份有限公司製造)及0.2M的乙酸銨(和光純藥工業股份有限公司製造)的無電鍍鎳液(55℃)中浸漬2分鐘，使鎳析出至離型膜表面。藉此，形成含有鎳的通電膜。
繼而，將形成通電膜的矽晶圓水洗後，將該矽晶圓浸漬在鎳電鑄液中，以4A/dm2的電流密度使通電膜通電150分鐘，藉此使鎳析出。電鑄覆膜的最終厚度為150μm。
<實施例2>
使用N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷(蓋勒斯特(Gelest)公司製造)作為離型劑，除此以外，以與實施例1相同的方式製造模具。再者，N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷的結構式如下述結構式2般。
<實施例3>
使用2-(3-三甲氧基矽烷基丙硫基)噻吩(Gelest公司製造)作為離型劑，除此以外，以與實施例1相同的方式製造模具。再者，2-(3-三甲氧基矽烷基丙硫基)噻吩的結構式如下述結構式3般。
<實施例4>
使用2-羥基-4-(3-三乙氧基矽烷基丙氧基)二苯基酮(Gelest公司製造)作為離型劑，除此以外，以與實施例1相同的方式製造模具。再者，2-羥基-4-(3-三乙氧基矽烷基丙氧基)二苯基酮的結構式如下述結構式4般。再者，結構式4中，右側的環結構與本發明中的芳香環相當。
<實施例5>
使用2-(4-吡啶基乙基)硫代丙基三甲氧基矽烷(Gelest公司製造)作為離型劑，除此以外，以與實施例1相同的方式製造模具。再者，2-(4-吡啶基乙基)硫代丙基三甲氧基矽烷的結構式如下述結構式5般。
<比較例1~8>
又，分別使用如下述所示的化合物作為離型劑，嘗試與實施例1相同的步驟。再者，各化合物的結構式分別如下述結構式6~結構式13般。
比較例1：3-胺基丙基三甲氧基矽烷(結構式6)(東京化成工業股份有限公司製造)
比較例2：N1-(3-三甲氧基丙基)二伸乙基三胺(結構式7)(奧德裏奇(ALDRICH)公司製造)
比較例3：3-(N,N-二乙基胺基)丙基三甲氧基矽烷(結構式8)(氟化學股份有限公司(Fluorochem Ltd.)製造)
比較例4：3-巰基丙基甲基二甲氧基矽烷(結構式9)(東京化成工業股份有限公司製造)
比較例5：3-甲基丙烯醯氧基丙基三甲氧基矽烷(結構式10)(信越化學工業股份有限公司製造)
比較例6：三甲氧基苯基矽烷(結構式11)(東京化成工業股份有限公司製造)
比較例7：己基三甲氧基矽烷(結構式12)(東京化成工業股份有限公司製造)
比較例8：1H,1H,2H,2H-全氟辛基三乙氧基矽烷(結構式13)(ALDRICH公司製造)
<評價方法>
在上述各實施例及各比較例中，對無電鍍鎳的析出性及鎳電鑄覆膜的離型性進行評價。各項目的評價基準如下所述。
(無電鍍鎳的析出性)
將可形成目視下平坦且均勻的通電膜的情況評價為「佳」，將鎳未析出、或者即便析出亦可觀察到局部未析出的部分或通電膜剝落的情況評價為「不佳」。
(鎳電鑄覆膜的離型性)
將可將鎳電鑄覆膜離型且目視未確認鎳電鑄覆膜的變形的情況評價為「佳」，將雖然可將鎳電鑄覆膜離型但目視確認鎳電鑄覆膜的變形的情況或離型本身未能實現的情況評價為「不佳」。
<結果>
表1匯總了各實施例及各比較例的評價結果。
如表1所示，在離型劑為具有氮原子、硫原子及氧原子中至少一種原子的化合物的情況(實施例1~實施例5及比較例1~比較例4)下，具有優異的觸媒吸附性，可實現利用無電鍍鎳進行的通電膜的形成。進而，在離型劑為兼具上述原子與芳香環的化合物的情況(實施例1~實施例5)下，與離型劑為其他8種化合物的情況(比較例1~比較例8)相比，確認可在不產生變形的情況下將鎳電鑄覆膜剝離。
另一方面，在離型劑為具有氮原子(胺基)或硫原子(硫基)但不具有芳香環的化合物的情況(比較例1~比較例4)下，確認通電膜與矽晶圓較強地密接，鎳電鑄覆膜在剝離時發生變形。
又，在離型劑為無法期待其觸媒吸附性的其他化合物的情況(比較例5~比較例8)下，鎳未析出，或者即便析出亦可觀 察到局部未析出的部分或通電膜剝落。
又，上述中使用了包含矽晶圓及有機系離型膜的鑄模，下述表示變更了鑄模的構成的實施例及比較例。
<實施例6>
使用藉由蝕刻等實施有超微細加工的包含鎳的原板作為鑄模本體。然後，使用該原板，藉由與實施例1相同的步驟形成通電膜。此時，目視確認可形成平坦且均勻的通電膜。其後，藉由與實施例1相同的步驟獲得模具。該模具具有良好反映原板的微細形狀的微細形狀，目視確認未產生變形。
<實施例7>
使用藉由蝕刻等實施有超微細加工的包含氧化矽(石英)的原板作為鑄模本體。然後，使用該原板，藉由與實施例1相同的 步驟形成通電膜。此時，目視確認可形成平坦且均勻的通電膜。其後，藉由與實施例1相同的步驟獲得模具。該模具具有良好反映原板的微細形狀的微細形狀，目視確認未產生變形。
<實施例8>
使用藉由蝕刻等實施有超微細加工的包含丙烯酸系樹脂的原板作為鑄模本體。然後，使用該原板，藉由與實施例1相同的步驟形成通電膜。此時，目視確認可形成平坦且均勻的通電膜。其後，藉由與實施例1相同的步驟獲得模具。該模具具有良好反映原板的微細形狀的微細形狀，目視確認未產生變形。
<比較例9>
首先，使用UV-O3清洗設備(SEN特殊光源股份有限公司製造)，對6英吋的矽晶圓進行表面活化處理，該矽晶圓藉由各向異性蝕刻等在4英吋圓區域內實施有奈米尺度的微細加工。然後，利用濺鍍法在該矽晶圓的微細加工區域上形成鉑薄膜作為離型膜。其後，以與實施例1相同的方式進行電鑄步驟，嘗試剝離步驟。然而，無法將藉由電鑄形成的鎳電鑄覆膜剝離，無法獲得模具。
[產業上之可利用性]
上述實施方式中對將本發明的金屬零件的製造方法應用於模具的製造的情形進行說明。然而，根據本發明，可製造的物體不限制於模具，例如，亦可製造如配線、電極、攝影元件等具有奈米級的微細形狀部位的金屬零件。

Claims (7)

  1. 一種金屬零件的製造方法，其特徵在於：在鑄模本體的凹凸圖案面上形成包括下述通式1所表示的化合物的離型膜，對所述離型膜賦予無電鍍敷用觸媒，藉由利用所述觸媒進行的無電鍍敷在所述離型膜上形成電鑄用通電膜，藉由使用所述通電膜進行的電鑄使金屬材析出至所述通電膜上，將析出的所述金屬材自所述鑄模本體剝離，X-L-Si-(O-R)3 (1)式1中，X為苯基或吡啶基，L為包括氮原子的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的金屬零件的製造方法，其中所述化合物為三甲氧基[3-(苯基胺基)丙基]矽烷、及N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷中的至少一種化合物。
  3. 一種鑄模，其用於金屬零件的製造方法，所述鑄模的特徵在於包括：表面具有凹凸圖案面的鑄模本體、及 形成於所述凹凸圖案面上的包含下述通式2所表示的化合物的離型膜，X-L-Si-(O-R)3 (2)式2中，X為苯基或吡啶基，L為包括氮原子的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的鑄模，其中所述化合物為三甲氧基[3-(苯基胺基)丙基]矽烷、及N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷中的至少一種化合物。
  5. 如申請專利範圍第3項或第4項所述的鑄模，其中構成所述鑄模本體的材料為金屬、玻璃、無機氧化物及樹脂中任一種。
  6. 一種離型膜，其形成於用於金屬零件的製造方法的鑄模本體的凹凸圖案面上，所述離型膜的特徵在於：包括下述通式3所表示的化合物，X-L-Si-(O-R)3 (3)式3中，X為苯基或吡啶基，L為包括氮原子的碳數1~10的連結基，R為氫原子或碳數1~4的烷基。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的離型膜，其中所述化合物為三甲氧基[3-(苯基胺基)丙基]矽烷、及N-苯基胺基甲基三乙氧基矽烷中的至少一種化合物。
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