JP2004034194A

JP2004034194A - 微細構造を有する型およびこの型を用いる成形体の製造方法

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Publication number: JP2004034194A
Application number: JP2002192399A
Authority: JP
Inventors: Minoru Adachi; 安達　稔; Takeo Tanaka; 田中　武雄; Osamu Yamada; 山田　修
Original assignee: Cluster Technology Co Ltd; Osaka Sangyo University
Current assignee: Cluster Technology Co Ltd; Osaka Sangyo University
Priority date: 2002-07-01
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2022-07-01
Also published as: JP4307794B2

Abstract

【課題】微細構造のキャビティーを有する、離型性に優れた型を提供すること。
【解決手段】セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、１ｍｍ未満のサイズのキャビティーおよび／またはコアを設ける。この型に、溶媒に溶解または分散させたガラス、金属、金属錯体、半導体、セラミックス、ポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状あるいはゲル状の物質、またはこれらの混合物からなる群から選択される材料を充填し、成形体を得ることができる。
【選択図】　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロメートル（μｍ）サイズの微細構造、好ましくは、より小さいナノメートル（ｎｍ）サイズの超微細構造のキャビティーおよび／またはコアが設けられた型、その製造方法、並びにその型を用いて微細構造、好ましくは超微細構造を有する成形体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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ている。例えば、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、センサーなどの微細な構造を有する成形体が製造されている。これらの成形体は高い精度が要求される。例えば、上記インクジェットヘッドのノズル径は小さければ小さい程、大量の情報処理が可能となる。
【０００３】
さらに、マイクロマシーンおよびその部品の需要も増大しつつある。これらマイクロマシーンおよびその部品を構成する成形品にも精密な微細構造と強度が要求される。
【０００４】
マイクロドリル、マイクロ放電、レーザービーム（例えば、マイクロ秒レーザー）などによる金属加工が行われている。しかし、これらの方法では、シャープな加工面が得られないため、精密な微細成形体が得られにくいという問題もある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、高い精度の微細構造を有する成形体を効率よく製造することが望まれており、そのため、このような成形体を製造するための微細構造を有する、離型性のよい型とその加工法の開発が望まれている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、マイクロメートルからナノメートルまでのサイズのキャビティーおよび／またはコアが設けられた型を提供する。
【０００７】
また、本発明は、この型の製造方法であって、セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、集束イオンビームを用いてマイクロメートルからナノメートルまでのサイズのキャビティーおよび／またはコアを作成する工程を含む方法を提供する。
【０００８】
さらに、本発明は、溶媒に溶解または分散させたガラス、金属、金属錯体、半導体、セラミックス、ポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状あるいはゲル状の物質、またはこれらの混合物からなる群から選択される材料を、前記型のキャビティーおよび／またはコアを用いて成形する工程を含む、成形体の製造方法を提供する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の型は、セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、マイクロメートル（μｍ）からナノメートル（ｎｍ）までのサイズのキャビティーおよび／またはコアが設けられている。本明細書において、キャビティーは、微細構造を有する凹部（孔）または穴を意味するが、微細構造には凹凸があってもよく、穴があってもよい。また、コアというときは、微細構造を有する凸部を意味するが、その微細構造には凹凸があってもよく、穴があってもよい。キャビティーおよびコアの穴は、成形体材料の供給流路となり得る。
【００１０】
（基材）
型の基材となるセラミックスとしては、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物などのセラミックスが挙げられる。
【００１１】
金属間化合物としては、ＴｉＡｌ、Ｎｉ_３Ａｌ、ＮｉＡｌ、ＮｉＴｉ、ＦｅＳｉ_２などが挙げられる。
【００１２】
ガラスとしては、ソーダ石灰ガラス、ホウ珪酸ガラスなどの非晶質ガラスあるいは各種結晶化ガラスが挙げられる。
【００１３】
アモルファスカーボンは、例えば、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂、エポキシ樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、フラン樹脂、フルフラール樹脂などの樹脂を成形し、非酸素雰囲気下（真空中、あるいは窒素、アルゴンなどの不活性ガス雰囲気下）、５００〜３０００℃で焼成することにより得られる。焼成後のアモルファスカーボン含量が６５重量％以上であることが、基材の平坦性を保つ上で、好ましい。また、アモルファスカーボン基材は導電性であり、適度な体積抵抗値を有するため、微弱電流を流すことにより、発熱体として使用できる。発熱体としての好ましいアモルファスカーボンの体積抵抗値は１０^−２Ω・ｃｍ以下である。さらに、金属間化合物も、発熱体として、利用できる。
【００１４】
本発明に用いられるセラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンは、鉄などの金属に比べて、集束イオンビーム（以下、ＦＩＢということがある）装置を用いてキャビティーまたはコアを刻設した場合に、表面酸化を受けにくいため、キャビティーの精度を維持することができる。特に、ナノメートル（ｎｍ）サイズのキャビティーまたはコアの場合、キャビティーまたはコアの表面が酸化されると、その精度が狂うので、金属は好ましくない。さらに、後述のように金属薄片を型として用いる場合があるが、鉄などの金属を薄片として用いると、酸化により、基材の強度が低下するなどの問題もある。
【００１５】
また、一般にシリコンなどは、加工が容易なことから型として用いられるが、上記アモルファスカーボンおよび金属間化合物は熱伝導性に優れている。また、セラミックス、金属間化合物は高強度材料として利用しやすい。ガラスなどについては透明性を利用することが可能である。さらにこれらの基材は、耐久性に優れているという利点を有している。
【００１６】
これらの基材でなる型を用いると、成形体の製造において、型からの成形体の離型性がよい。特にアモルファスカーボンは、成形体の離型性に優れている。
【００１７】
また、これらの基材は、高温処理に耐えることができる。そのため、必要に応じて、成形体を焼結して作成することも可能である。
【００１８】
また、セラミックス、金属間化合物、ガラスおよびアモルファスカーボンは、これらの薄片を型として用いることができる。
【００１９】
（キャビティーおよび／またはコアの作成）
マイクロメートル（μｍ）からナノメートル（ｎｍ）までのサイズのキャビティーおよび／またはコアを基材表面に設ける（刻設する）には、ＦＩＢを用いることが好ましい。ＦＩＢを用いることにより、マイクロドリル、マイクロ放電、マイクロ秒レーザーなどに比べて、微細かつシャープな形状のキャビティーが得られる。ＦＩＢは、ナノメートルサイズの、微細かつシャープな形状のキャビティーの作成に、特に有用である。
【００２０】
ＦＩＢ装置としては、例えば、（株）日立ハイテクノロジーズ製のＦＩＢ加工観察装置（例えば、ＦＢ−２０００Ａなど）が用いられる。これらの装置の可変絞りを調整して、マイクロメートルサイズ、並びにナノメートルサイズのキャビティーを形成することができる。
【００２１】
基材に設けられる（刻設される）キャビティーおよび／またはコアの形状に特に制限はない。目的とする成形体の形状に合わせて、キャビティーおよび／またはコアを作成すればよい。例えば、段差を有してもよいＵ字状またはＶ字状の溝、正方形、長方形、円柱形あるいは円錐形の凹部（孔）、凸部あるいは穴、もしくはこれらの組合せ、またはさらに複雑な形状の微細構造を有するキャビティーおよび／またはコアが例示される。
【００２２】
このようにして、本発明の型には、基材の表面に、マイクロメートル（μｍ）からナノメートル（ｎｍ）までのサイズのキャビティーおよび／またはコアが設けられる。ここで、マイクロメートルサイズというときは、キャビティーおよび／またはコア中で最も大きい部分（幅、深さ）がマイクロメートルのサイズであることをいう。ナノメートルサイズというときは、最も小さい（短い）部分がナノメートルサイズであればよいことを意味する。ただし、いずれの場合においても、キャビティーおよび／またはコアが連続した長い形状（例えば、溝の形状）である場合、マイクロメートルの長さを超えてもよい。
【００２３】
本発明の型は、ＦＩＢレーザー単独で形成してもよく、あるいはＦＩＢレーザーと他の方法、例えば、マイクロマシン、マイクロ放電、ナノ秒レーザー、マイクロ秒レーザーあるいはフェムト秒レーザーなどのＭＥＭＳ法と組合せてもよい。
【００２４】
得られた型は単独で用いてもよく、一対の型を組合せ（複数個組合せて）用いてもよい。組み合わせて用いることにより、より複雑な形状を有する成形体を作成することができる。
【００２５】
なお、コアは、反転したキャビティを作成し、このキャビティを用いて、セラミックス、金属間化合物、ガラス、アモルファスカーボンあるいはこれらの混合物から形成してもよい。あるいは、例えば、電鋳金型法で形成するか、その他の材料（例えば、ポリマー）で形成してもよい。
【００２６】
（成形体の製造）
成形体は、溶媒に溶解または分散させたガラス、金属、金属錯体、半導体、セラミックス、ポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状あるいはゲル状の物質、またはこれらの混合物からなる群から選択される材料（以下、成形体材料という）を、本発明の型のキャビティーおよび／またはコアを用いて、それぞれの材質に適した方法、例えば、溶媒の除去、固化、硬化、重合、溶融、焼結などの方法を、単独でまたは組合せて用いて成形し、型から剥離することによって、得られる。型への成形体材料の供給は、微細構造のノズルを有するインクジェットなどを用いて、行われる。
【００２７】
本発明の成形体の製造に用いられる材料であるガラスには特に制限がない。
【００２８】
本発明の成形体の製造に用いられる材料である金属には、特に制限はない。Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、あるいはこれらの合金の粉末が好ましく用いられる。
【００２９】
金属錯体としては、Ｎｉ、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ、Ｔｉなどの錯体が好ましく用いられる。
【００３０】
本発明の成形体の製造に用いられる材料であるセラミックス粉末の種類は、特に制限はないが、酸化物、炭化物、窒化物などのセラミックスの粉末が好ましく用いられる。
【００３１】
本発明の成形体の製造に用いられる材料であるポリマーおよびその前駆体としては、熱可塑性樹脂あるいは熱硬化性樹脂が用いられる。例えば、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリビニルアルコール、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリアミド（ナイロン類）、ポリカーボネート、ポリフェニレンサルファイド、ポリエーテルサルフォン、ポリアミドイミド、ポリエーテルイミド、ポリサルフォン、メタクリル樹脂、アクリル酸エステル樹脂、ポリアリレートなどが挙げられる。
【００３２】
ポリマー前駆体としては、不飽和ポリエステル樹脂重合前駆体が挙げられる。熱硬化性樹脂あるいは光硬化性樹脂の前駆体が好ましく用いられる。例えば、エポキシ樹脂、ポリウレタン樹脂、シリコーン樹脂、ジアリルフタレート樹脂、ホルムアルデヒド樹脂、フェノール樹脂、アミノ樹脂などの重合前駆体が用いられる。光硬化性樹脂は、紫外線、放射線などの光エネルギーで架橋し、硬化させる。必要に応じて、離型剤が含まれていてもよい。
【００３３】
生体高分子としては、タンパク質（例えば、コラーゲン）、多糖類、ＥＳ胚細胞などが挙げられる。
【００３４】
ゾル状あるいはゲル状の物質としては、寒天、ゼリー、ところてん、粘膜など、さらには、金属酸化物、金属アルコキシドなどを用いて作成される物質が挙げられる。ゾル状あるいはゲル状の物質を調製するための金属としては、Ｓｉ、Ｚｎ、Ｔｉ、Ｇｅ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｉｎ、Ｃｄ、Ｔａ、Ｙ、Ｂａなどが挙げられる。ゾル状あるいはゲル状の物質としては、生体物質よりなるゾルあるいはゲル、有機高分子よりなるゾルあるいはゲルも含まれる。
【００３５】
溶媒に分散する材料の大きさは、目的に応じて決定すればよい。ナノメートルサイズまでの粒子径であれば、溶融、焼結などが可能である。
【００３６】
成形体は、例えば、以下の様にして製造される。まず、成形体材料を適切な溶媒に溶解または分散させ、例えば、インクジェットノズルを用いて型に注入し、必要に応じて、型を加熱し、または減圧して、溶媒を蒸発させる。型に成形体材料が充填されるまで、この操作を繰り返す。成形体材料が充填されたら、必要に応じて、固化、硬化、重合、溶融、焼結などの方法を、単独でまたは組合せて用いて成形することにより、所望の成形体が得られる。この繰り返し工程において、異なる材料を充填することにより、積層体が形成される。また、繰り返し工程を用いて、傾斜成形体を形成することもできる。
【００３７】
なお、成形体の製造に際しては、常圧または減圧下行われることが好ましい。常圧で行う場合、型を予め暖めておくと、溶媒の蒸発が直ちに行われるので、連続して成形体材料を注入することができる。アモルファスカーボンまたは金属間化合物を型として用いる場合は、通電するだけで、発熱体として用いることができる。
【００３８】
上記例示の方法により製造された成形体は、光通信用途、エレクトロニクス用途、マイクロマシンまたはその部品用途などとして用いられる。
【００３９】
ポリマー、ポリマー前駆体から得られる成形体は、微細回路、光スイッチ、導波路、分光器などの光通信用途、有機半導体回路などのエレクトロニクス用途などとして用いられる。
【００４０】
金属、金属錯体、ゾル状あるいはゲル状の物質、あるいは半導体から得られる成形体は、金属半導体回路として用いられる。また、これらの成形体およびセラミックスから得られる成形体（金属成形体、燒結金属酸化物成形体、セラミックス成形体）は、マイクロマシンまたはその部品として用いられる。例えば、マイクロマシンにおけるドリリング用のヘッドチップ、歯車などとして、好ましく用いられる。
【００４１】
上記のマイクロマシンおよびその部品には、一定の厚みが要求される場合がある。この場合、型として上記基材の薄片を用いることができる。例えば、そのギアあるいはスリーブが必要とする厚みの薄片を準備し、その薄片に必要な形状を打ち抜いて、型として使用することもできる。具体的には、ギアまたはスリーブの形状を打ち抜いた薄片の下面に当て板を置き、無機・金属粉末を充填し、さらに上面に当て板を配置して、プレスしながら加熱することにより、特定のサイズの厚みと精密な構造を有するマイクロマシンのギア、スリーブなどの部品が得られる。必要に応じて、ＦＩＢでギアを軸に通すための孔を設けることができる。
【００４２】
上記と同様の方法で、薄片を所望の形状に打ち抜いた型を用いて、樹脂製のマイクロマシンまたはその部品を製造することもできる。
【００４３】
ＥＳ胚細胞を用いる場合、型の形状を所望の人工臓器の形状とし、これにＥＳ胚細胞の培養に適した培地を充填し、ＥＳ胚細胞を移植して培養することにより、所望の形状の人工臓器を得ることができる。さらに、例えば、微細な生体検査用マイクロ部品、微細な薬剤送達システム（ＤＤＳ）用部材（例えば、微細カプセル）、ＥＳ胚細胞を人工臓器として再生させるために用いる人工臓器形成用の成形体などが製造される。
【００４４】
【実施例】
（実施例１）
ＦＩＢ加工観察装置ＦＢ−２０００Ａを用いて、アモルファスカーボンを基材とし、種々の形状の凹部と微細孔とを組合せた微細加工を行い、パターン回路の型を作成した。このようにして得られた型の模式図を図１に示す。図１ａは得られたパターンの平面図であり、図１ｂはＡ−Ａ線断面図、図１ｃはＢ−Ｂ線断面図である。このパターンにおいて、各溝は、幅７０ｎｍ、深さ１５０ｎｍであり、各溝間の間隔は５００ｎｍであり、各孔の径は２００ｎｍであった。
【００４５】
（実施例２）
ＦＩＢ加工観察装置ＦＢ−２０００Ａを用いて、タングステンからなる微細構造体を形成し、その微細構造体に約３０ｎｍと約８０ｎｍの超微細ホールを形成させた。このようにして得られた型（微細ホール）のＳＥＭ写真を図２に示す。この図において、一番左側の穴のサイズは、ほぼ１００ｎｍであり、一番右側の穴のサイズは３０ｎｍであった。なお、この孔は、加速電圧３０ｋＶ、電流２．２〜２．４μＡで形成された。
【００４６】
（実施例３）
ＦＩＢ加工観察装置ＦＢ−２０００Ａを用い、アモルファスカーボンを基材として、幅２μｍ、深さ１０μｍのキャビティーを、キャビティーとキャビティーとの間隔が５μｍとなるように、縦横に刻設した。生じた型のＳＥＭ写真（倍率５０００倍）を図３に示す。この型にシリコーン樹脂を注入し、冷却して型から剥離したところ、微細構造を有するシリコーン樹脂成形体が得られた。この成形体のＳＥＭ写真を図４に示す（倍率７０００倍）。この結果は、微細構造を有するアモルファスカーボン型から、微細構造の成形体が得られることを示す。
【００４７】
【発明の効果】
本発明の型は、強度が高く、耐久性に優れ、離型性がよく、高温処理に耐え得る基材に、微細なキャビティーおよび／またはコアが設けられているので、種々微細な成形体あるいは生体材料が得られる。これらの微細な成形体は、光通信用途、エレクトロニクス用途、マイクロマシンまたはその部品、人工臓器などの分野に利用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】アモルファスカーボンに形成された型のパターン形状の模式図である。図１ａは平面図、図１ｂは図１ａのＡ−Ａ線断面図、図１は図１ａのＢ−Ｂ線断面図である。
【図２】アモルファスカーボンに形成された型（微細ホール）の形状を示すＳＥＭ写真である。
【図３】アモルファスカーボンに形成されたキャビティーの形状を示すＳＥＭ写真である。
【図４】アモルファスカーボンに形成されたキャビティーから転写された樹脂成形体の形状を示すＳＥＭ写真である。

Claims

セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、マイクロメートルからナノメートルまでのサイズのキャビティーおよび／またはコアが設けられた、型。
請求項１に記載の型の製造方法であって、セラミックス、金属間化合物、ガラス、およびアモルファスカーボンからなる群から選択される基材の表面に、集束イオンビームを用いてマイクロメートルからナノメートルまでのサイズのキャビティーおよび／またはコアを作成する工程を含む、方法。
溶媒に溶解または分散させたガラス、金属、金属錯体、半導体、セラミックス、ポリマー、ポリマー前駆体、生体高分子、ゾル状あるいはゲル状の物質、またはこれらの混合物からなる群から選択される材料を、請求項１に記載の型のキャビティーおよび／またはコアを用いて成形する工程を含む、成形体の製造方法。