JP4869506B2

JP4869506B2 - Micropart mold and manufacturing method thereof

Info

Publication number: JP4869506B2
Application number: JP2001203689A
Authority: JP
Inventors: 厚小川; 豊三原; 原橋口; 文和大平; 英徳吉村; 清近重
Original assignee: Advanex Inc
Current assignee: Advanex Inc
Priority date: 2001-07-04
Filing date: 2001-07-04
Publication date: 2012-02-08
Anticipated expiration: 2021-07-04
Also published as: JP2003013160A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、製造コストが安価で且つ高い精度を有するマイクロ部品用金型およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ部品としては、例えば、以下のものがある。
【０００３】
（１）回折格子を形成した分光デバイス
図８に示すように、平面状に微細なピッチで回折格子を形成し、これに光を照射することによって、所定の回折条件を満たす光波長を分光するデバイスである。
【０００４】
（２）エンコーダー用スケール
図９に示すように、微細な凹凸が形成された平面状のスケールである。
【０００５】
（３）フルネルレンズ
平面上にピッチを持った溝をレンズ状に形成し、平面方向からの光を平面と垂直な方向に取り出すものである。
【０００６】
（４）マイクロレンズ
平面基板上に微細なレンズの集合体を形成し、光学上の一括位置合せを可能にするものであり、複眼レンズの製造も可能である。
【０００７】
従来、上記マイクロ部品は、製品そのものを機械加工により直接切削加工することにより、あるいは、ガラスやシリコンにフォトリソ工程でパターニングおよびエッチングすることにより製造していた。
【０００８】
しかしながら、例えば、上記分光デバイスの場合には、回折格子を機械加工するために、非常に高精度の加工機械と加工制御技術が必要とされ、加工に長時間を要することから、コストが高かった。この問題は、上記他のマイクロ部品でも同様であった。
【０００９】
この他の製造方法として、マイクロ部品用金型を使用する方法もあった。この金型の製造方法には、以下のものがあった。
（１）製品金型そのものを機械加工により直接切削加工する方法
（２）ＬＩＧＡプロセス（Lithographie Galvanoformung Abfprmung）
（３）放電加工法
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記各製造方法には、以下のような問題があった。
【００１１】
（１）の機械加工による方法は、加工精度に問題があり、加工精度向上のための工具が必要である。従って、金型製造コストが高い。
【００１２】
（２）のＬＩＧＡは、厚いレジストを形成し、その上に放射光を用いてパターニングし、そのレジストパターンを電気めっき（電気鋳造）により複写して製造するものであるが、この方法は、放射光を照射する特殊で高価な設備を必要とする。また、製品金型は、電気めっきできる、例えば、金やニッケル等比較的柔らかい材料に限られる。
【００１３】
（３）の放電加工法は、例えば、ＷＥＤＧ法と呼ばれる方法によって調製された電極を用い、金型の加工を行なう方法であるが、この方法は、電極の消耗が基本的な課題であり、長時間の加工では電極の交換を頻繁に行なわねばならず、精度が出にくい。また、電極の交換を行なった場合、金型製作費が膨大なものとなる。さらに、放電加工は、熱加工のために表面粗度が粗い。
【００１４】
従って、この発明の目的は、製造コストが安価で且つ高い精度を有するマイクロ部品用金型およびその製造方法を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上述を達成すべく、鋭意研究を重ねた結果、フォトリソグラフィー法およびイオン照射等のエッチング法によって、マイクロ部品用金型の原型を調製し、この原型に超塑性技術を適用すれば、金型に適したＴｉ合金等を材質とするマイクロ部品用金型を安価且つ高精度に製造することができるといった知見を得た。
【００１６】
なお、上記超塑性とは、ある条件下で金属材料がくびれ（necking）なしに数百％から千％、時には、千％超の巨大な伸びを生じる現象である。従って、ある特定の温度域で塑性加工を加えることにより超塑性現象を発現させれば、金属材料が溝内の細部まで入り込む結果、原型に忠実なレプリカの製造が可能となる。この金属材料については、発明の実施の形態の項で説明する。
【００１７】
この発明は、上記知見に基づきなされたものであって、下記を特徴とするものである。
【００１８】
請求項１記載の発明は、超塑性を有する金属からなり、前記金属は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金からなることを特徴とすることに特徴を有するものである。
【００１９】
請求項２記載の発明は、Ｓｉからなる基板の表面に、フォトリソグラフィー法によってマイクロ部品用金型の原型のレジストパターンを形成し、次いで、前記レジストパターン以外の前記基板の表面部分をエッチングにより所定深さに除去することによって前記原型を調製し、次いで、前記原型の表面にＳｉＯ ₂ またはＳｉＮからなる反応阻止膜を形成し、そして、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなる、超塑性を有するＴｉ合金に、前記反応阻止膜を介して前記原型を転写することに特徴を有するものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に、この発明によるマイクロ部品用金型の製造方法の一実施態様を、図面を参照しながら説明する。
【００２９】
図１は、フォトレジストが塗布されたＳｉ基板を示す断面図、図２は、露光工程を示す断面図、図３は、現像工程を示す断面図である。図４は、エッチング工程を示す断面図、図５は、転写工程を示す断面図、図６は、この発明によって製造されたマイクロ部品用金型を示す断面図、図７は、射出成形工程を示す断面図である。
【００３０】
超塑性を有する金属としては、Ｔｉ合金、Ａｌ合金、Ｃｕ合金、Ｍｇ合金等があるが、その中で、マイクロ部品用金型として使用する際、腐食性の液体やガスに晒される場合があるために、耐食性に優れたＴｉ合金が特に望ましい。
【００３１】
Ｔｉ合金で超塑性を示す材料として、Ｔｉ−６Ａｌ−４Ｖ合金があるが、加工温度が８７５から９５０℃と高温であり、設備上の制約が多い。例えば、高温加工に耐え得る高温強度を有する高価な加工治具が必要であり、治具の寿命が短い等の制約がある。
【００３２】
これに対して、Ｔｉ−４．５Ａｌ−３Ｖ−２Ｆｅ−２Ｍｏ合金は、７００℃程度の温度で超塑性を示し、設備上も使用しやすい。また、この合金の最大伸びも２０００％を程度と他の材料に比べて非常に高く、従って、より精密な部品の製造に適している。具体的には、不活性ガス雰囲気中において、この合金の（β変態点−２００℃）から（β変態点−５０℃）の温度範囲内で１０^-5Ｓ^-1から１０^-2Ｓ^-1の範囲内の歪速度で塑性加工を行なう。
【００３３】
上記Ｔｉ合金を使用して、マイクロ部品用金型を製造するには、先ず、図１に示すように、Ｓｉ基板１の表面にフォトレジスト２を所定の厚さに塗布する。
【００３４】
次いで、図２に示すように、マスク３を介して光をＳｉ基板１の表面に照射して、マスクパターンをフォトレジスト２に転写する。
【００３５】
次に、図３に示すように、光が当たった部分のフォトレジスト２Ａを溶剤によって除去する。
【００３６】
次に、図４に示すように、イオン照射等のドライエッチングによりＳｉ基板１の表面を所定深さにエッチングして、Ｓｉ基板１の表面にレジストパターンの溝４を形成する。
【００３７】
上記溝４の幅（Ｗ）は、用途により異なるが０．１μｍから２００μｍの範囲内である。エッチング法は、溶剤によるウェットエッチングでも良いが、ドライエッチングの方がより高精度なエッチングが行なえる。
【００３８】
次に、図５に示すように、残存するフォトレジスト２を除去して、マイクロ部品用金型の原型５を調製したら、原型５を基台６上に乗せ、原型５上に、例えば、チタン合金（Ｔｉ−４．５％Ａｌ−３％Ｖ−２％Ｆｅ−２％Ｍｏ）７を乗せる。そして、ヒーター８によりチタン合金７を加熱しながら加圧する。チタン合金７は、約７００℃に加熱すると、超塑性が出現し、特異な延びを示す。この結果、チタン合金７は、原型５の溝４内に細部まで入り込むので、原型５に忠実なレプリカ、即ち、チタン合金製マイクロ部品用金型９が製造される。
【００３９】
なお、チタン合金とシリコンとの金属間化合物の形成を阻止するために、Ｓｉ製原型５の表面に予めＳｉＯ₂またはＳｉＮ等の反応阻止膜１０を形成しておくと良い。なお、ＳｉＯ₂膜は、例えば、酸化炉で酸化により形成し、ＳｉＮの膜は、例えば、プラズマＣＶＤにより形成する。
【００４０】
この金型９を使用して、プラスチック製マイクロ部品を製造するには、図７に示すように、金型９を押出し成形型１１内にセットし、プラスチックを射出成形すれば、同図１２および図９に示すように、上記幅（Ｗ）寸法の溝１２Ａが形成されたマイクロ部品１２としてのエンコーダー用スケール、または、図８に示すように、回折格子を形成した分光デバイスを成形することができる。
【００４１】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、基板の表面をフォトリソグラフィー法およびドライエッチング法等により加工することによって、マイクロ部品用金型の原型を調製し、そして、超塑性を有するチタン合金等の金属に前記原型を転写することによって、分光デバイス、エンコーダー用スケール等のマイクロ部品用金型を安価且つ高精度に製造することができるといった有用な効果がもたらされる。
【図面の簡単な説明】
【図１】フォトレジストが塗布されたＳｉ基板を示す断面図である。
【図２】露光工程を示す断面図である。
【図３】現像工程を示す断面図である。
【図４】エッチング工程を示す断面図である。
【図５】転写工程を示す断面図である。
【図６】この発明によって製造されたマイクロ部品用金型を示す断面図である。
【図７】射出成形工程を示す断面図である。
【図８】回折格子を形成した分光デバイスを示す部分断面図である。
【図９】エンコーダー用スケールを示す部分断面図である。
【符号の説明】
１：Ｓｉ基板
２：フォトレジスト
２Ａ：光が当たった部分のフォトレジスト
３：マスク
４：溝
５：原型
６：基台
７：Ｔｉ合金
８：ヒーター
９：マイクロ部品用金型
１０：反応阻止膜
１１：成形型
１２：マイクロ部品
１２Ａ：溝[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a mold for micro parts having a low manufacturing cost and high accuracy, and a manufacturing method thereof.
[0002]
[Prior art]
Examples of micro components include the following.
[0003]
(1) Spectral device with diffraction grating formed As shown in FIG. 8, a diffraction grating is formed on a plane with a fine pitch, and light is irradiated to divide light wavelengths satisfying a predetermined diffraction condition. It is a device.
[0004]
(2) Scale for encoder As shown in FIG. 9, it is a flat scale in which fine irregularities are formed.
[0005]
(3) Grooves having a pitch are formed in a lens shape on the plane of the Furnel lens, and light from the plane direction is extracted in a direction perpendicular to the plane.
[0006]
(4) A microlens assembly is formed on a microlens flat substrate to enable optical batch alignment, and a compound eye lens can also be manufactured.
[0007]
Conventionally, the above-mentioned microcomponent has been manufactured by directly cutting a product itself by machining, or by patterning and etching glass or silicon by a photolithography process.
[0008]
However, in the case of the spectroscopic device, for example, in order to machine the diffraction grating, a very high-precision processing machine and a processing control technique are required. . This problem was the same in the other micro parts.
[0009]
As another manufacturing method, there was a method using a mold for micro parts. There existed the following in the manufacturing method of this metal mold | die.
(1) Method of directly cutting the product mold itself by machining (2) LIGA process (Lithographie Galvanoformung Abfprmung)
(3) Electric discharge machining method [0010]
[Problems to be solved by the invention]
However, the above manufacturing methods have the following problems.
[0011]
The method (1) by machining has a problem in machining accuracy, and requires a tool for improving the machining accuracy. Therefore, the mold manufacturing cost is high.
[0012]
The LIGA of (2) is formed by forming a thick resist, patterning it using radiant light, and copying the resist pattern by electroplating (electroforming). Special and expensive equipment for irradiating light is required. Further, the product mold is limited to a relatively soft material such as gold or nickel that can be electroplated.
[0013]
The electric discharge machining method (3) is a method of machining a mold using, for example, an electrode prepared by a method called a WEDG method. In this method, consumption of the electrode is a basic problem. When machining for a long time, the electrodes must be replaced frequently, and accuracy is difficult to achieve. Further, when the electrodes are exchanged, the mold production cost becomes enormous. Furthermore, electric discharge machining has a rough surface due to thermal machining.
[0014]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a microcomponent mold having a low manufacturing cost and high accuracy, and a method for manufacturing the same.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to achieve the above, the present inventors prepared a prototype of a mold for micro parts by photolithography and etching methods such as ion irradiation, and applied superplastic technology to this prototype. As a result, it has been found that a micro component mold made of a Ti alloy suitable for a mold can be manufactured at low cost and with high accuracy.
[0016]
The superplasticity is a phenomenon in which a metal material undergoes enormous elongation of several hundred percent to 1,000% and sometimes more than 1,000% without necking under certain conditions. Therefore, if a superplastic phenomenon is developed by applying plastic working in a specific temperature range, the metal material enters into the details in the groove, so that a replica faithful to the original mold can be manufactured. This metal material will be described in the section of the embodiment of the invention.
[0017]
The present invention has been made on the basis of the above findings, and is characterized by the following.
[0018]
The invention according to claim 1 is made of a metal having superplasticity, and the metal is Al: 4 to 5%, V: 2.5 to 3.5%, Fe: 1.5 to 2.5%, Mo : 1.5 to 2.5% (above, Mass%), balance: Ti and Ti alloy composed of unavoidable impurities .
[0019]
According to a second aspect of the present invention, an original resist pattern of a mold for microcomponents is formed on the surface of a substrate made of Si by a photolithography method, and then a surface portion of the substrate other than the resist pattern is etched to be predetermined. The master is prepared by removing to a depth, and then a reaction blocking film made of SiO ₂ or SiN is formed on the surface of the master , and Al: 4 to 5%, V: 2.5 to 3. 5%, Fe: 1.5 to 2.5%, Mo: 1.5 to 2.5% (above, Mass%), balance: Ti and inevitable impurities, Ti alloy having superplasticity, It is characterized by transferring the original pattern through a reaction blocking film .
[0028]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Next, an embodiment of a method for manufacturing a microcomponent mold according to the present invention will be described with reference to the drawings.
[0029]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a Si substrate coated with a photoresist, FIG. 2 is a cross-sectional view showing an exposure process, and FIG. 3 is a cross-sectional view showing a development process. 4 is a cross-sectional view showing an etching process, FIG. 5 is a cross-sectional view showing a transfer process, FIG. 6 is a cross-sectional view showing a mold for micro parts manufactured according to the present invention, and FIG. 7 is an injection molding process. It is sectional drawing shown.
[0030]
Examples of superplastic metals include Ti alloys, Al alloys, Cu alloys, and Mg alloys. Among them, when used as molds for micro parts, they may be exposed to corrosive liquids and gases. Therefore, a Ti alloy having excellent corrosion resistance is particularly desirable.
[0031]
A Ti-6Al-4V alloy is a Ti alloy that exhibits superplasticity, but the processing temperature is as high as 875 to 950 ° C., and there are many restrictions on equipment. For example, an expensive processing jig having a high temperature strength that can withstand high-temperature processing is required, and there are limitations such as a short tool life.
[0032]
On the other hand, Ti-4.5Al-3V-2Fe-2Mo alloy exhibits superplasticity at a temperature of about 700 ° C. and is easy to use on equipment. Also, the maximum elongation of this alloy is as high as 2000% compared to other materials, and is therefore suitable for the production of more precise parts. Specifically, in an inert gas atmosphere, 10 ⁻⁵ S ⁻¹ to 10 ⁻² S ⁻¹ in the temperature range of (β transformation point −200 ° C.) to (β transformation point −50 ° C.) of this alloy. The plastic working is performed at a strain rate within the range of.
[0033]
In order to manufacture a mold for microcomponents using the Ti alloy, first, as shown in FIG. 1, a photoresist 2 is applied to the surface of the Si substrate 1 to a predetermined thickness.
[0034]
Next, as shown in FIG. 2, the surface of the Si substrate 1 is irradiated with light through a mask 3 to transfer the mask pattern to the photoresist 2.
[0035]
Next, as shown in FIG. 3, the photoresist 2A exposed to the light is removed with a solvent.
[0036]
Next, as shown in FIG. 4, the surface of the Si substrate 1 is etched to a predetermined depth by dry etching such as ion irradiation to form a resist pattern groove 4 on the surface of the Si substrate 1.
[0037]
The width (W) of the groove 4 is in the range of 0.1 μm to 200 μm, although it varies depending on the application. The etching method may be wet etching using a solvent, but dry etching can perform etching with higher accuracy.
[0038]
Next, as shown in FIG. 5, after removing the remaining photoresist 2 and preparing the mold 5 for the microcomponent mold, the mold 5 is placed on the base 6, and, for example, titanium is placed on the mold 5. An alloy (Ti-4.5% Al-3% V-2% Fe-2% Mo) 7 is placed. Then, the heater 8 is pressurized while heating the titanium alloy 7. When the titanium alloy 7 is heated to about 700 ° C., superplasticity appears and exhibits a unique elongation. As a result, the titanium alloy 7 enters into the groove 4 of the original mold 5 in detail, so that a replica faithful to the original mold 5, that is, a titanium alloy micro part mold 9 is manufactured.
[0039]
In order to prevent the formation of an intermetallic compound of titanium alloy and silicon, a reaction blocking film 10 such as SiO ₂ or SiN is preferably formed in advance on the surface of the Si master mold 5. The SiO ₂ film is formed by oxidation in an oxidation furnace, for example, and the SiN film is formed by plasma CVD, for example.
[0040]
Using this mold 9, to produce a plastic micro parts, as shown in FIG. 7, the mold 9 is set in the extrusion molding die 11, if injection molding of plastic, figure 12 and As shown in FIG. 9 , the encoder scale as the micro component 12 in which the groove 12A having the width (W) dimension is formed , or the spectroscopic device in which the diffraction grating is formed as shown in FIG. it can.
[0041]
【Effect of the invention】
As described above, according to the present invention, the surface of the substrate is processed by a photolithography method, a dry etching method, or the like, thereby preparing a prototype of a mold for microcomponents, and a superplastic titanium alloy or the like. By transferring the original pattern onto a metal, a useful effect is obtained that a mold for micro parts such as a spectroscopic device and an encoder scale can be manufactured at low cost and with high accuracy.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a Si substrate coated with a photoresist.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing an exposure process.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a developing process.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing an etching process.
FIG. 5 is a cross-sectional view showing a transfer process.
FIG. 6 is a cross-sectional view showing a mold for microcomponents manufactured according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing an injection molding process.
FIG. 8 is a partial cross-sectional view showing a spectroscopic device in which a diffraction grating is formed.
FIG. 9 is a partial cross-sectional view showing an encoder scale.
[Explanation of symbols]
1: Si substrate 2: Photoresist 2A: Photoresist of exposed portion 3: Mask 4: Groove 5: Prototype 6: Base 7: Ti alloy 8: Heater 9: Micropart mold 10: Reaction blocking film 11: Mold 12: Micro component 12A: Groove

Claims

超塑性を有する金属からなり、前記金属は、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなるＴｉ合金からなることを特徴とするマイクロ部品用金型。It is made of a metal having superplasticity, and the metal is Al: 4 to 5%, V: 2.5 to 3.5%, Fe: 1.5 to 2.5%, Mo: 1.5 to 2.5 % (Above, Mass%), balance: Ti alloy made of Ti and unavoidable impurities .

Ｓｉからなる基板の表面に、フォトリソグラフィー法によってマイクロ部品用金型の原型のレジストパターンを形成し、次いで、前記レジストパターン以外の前記基板の表面部分をエッチングにより所定深さに除去することによって前記原型を調製し、次いで、前記原型の表面にＳｉＯBy forming a resist pattern of a mold for a micro component mold on the surface of a substrate made of Si by photolithography, and then removing the surface portion of the substrate other than the resist pattern to a predetermined depth by etching. A prototype is prepared, and then SiO is applied to the surface of the prototype. ₂₂ またはＳｉＮからなる反応阻止膜を形成し、そして、Ａｌ：４から５％、Ｖ：２．５から３．５％、Ｆｅ：１．５から２．５％、Ｍｏ：１．５から２．５％（以上、Ｍａｓｓ％）、残部：Ｔｉおよび不可避的不純物からなる、超塑性を有するＴｉ合金に、前記反応阻止膜を介して前記原型を転写することを特徴とするマイクロ部品用金型の製造方法。Alternatively, a reaction blocking film made of SiN is formed, and Al: 4 to 5%, V: 2.5 to 3.5%, Fe: 1.5 to 2.5%, Mo: 1.5 to 2. 5% (above, Mass%), balance: Ti and an inevitable impurity, a superplasticity Ti alloy, the master is transferred through the reaction blocking film, Production method.