JP6423056B1 - インプリントモールド及びインプリントモールドの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】従来の加工方法より低コストでインプリントモールドを製造する方法、及びそれにより得られたインプリントモールドを提供する。
【解決手段】ＷＣの平均粒径が０．１２μｍ以上０．８μｍ未満のＷＣ基擬バインダーレス焼結体又はＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体を用い、ａ）ＲＩＥ法による加工後の加工面の表面粗さを１５ｎｍＲａ以下に抑え、その後、ｂ）ＧＣＩＢ法による加工で表面粗さを５ｎｍＲａ未満にし、このａ）、ｂ）を複数回繰り返すことにより、１０ｎｍ以上かつ７μｍ未満の深さで、かつ底面の表面粗さが５ｎｍＲａ未満の形状作成を、０．１０μｍ／ｍｉｎ以上の加工速度で行い、インプリントモールドを製造する。
【選択図】図３

Description

本発明は、微細な形状を有する光学部品、医療部品等に用いるインプリントモールド及びインプリントモールドの製造方法に関する。

特許文献１では、半導体デバイスなどの微細加工が要求されるパターンの形成には、Ｓｉ基板上に、転写パターンを形成したフォトマスクと呼ばれる原版を用い、レーザー光による縮小露光を行い、基板上にパターンを転写するフォトリソグラフィ法が用いられている。

また、特許文献２では、ＮＦ_３、ＳＦ_６などのハロゲン化物の反応ガス及びＡｒなどの不活性ガスを用いて真空プラズマ中でエッチングする反応性イオンエッチング法（Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ、以下ＲＩＥ法と記す）でＷやＭｏに微細な溝を形成する方法が示されている。

また、特許文献３では、Ａｒなどの不活性ガス及びカーボンフロライドなどを成分とした原子あるいは分子が凝集したクラスターをイオン化して加速し、そのクラスターイオンビームをＳｉ表面に照射することにより、Ｓｉ表面の構成原子をドライエッチング除去して加工するガスクラスターイオンビーム（Ｇａｓ Ｃｌｕｓｔｅｒ Ｉｏｎ Ｂｅａｍ、以下ＧＣＩＢ法と記す）も示されている。

他方、特許文献４では、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金などに、ダイヤモンドバイトで切削加工してパターンを形成し、光通信光学部品の実装基板のプレス型として用いることが示されている。

特開２００８−６６３８号公報 特開平５−２６７２４１号公報 特開２００５−１７５３６９号公報 特開平７−２１８７３９号公報 特許第２５７４４２６号公報 特許第５０８５７９９号公報 特許第５６０６６００号公報 特開２００７−１１１８２４号公報

松尾二郎、瀬木利夫、青木学聡：「クラスターイオンビーム技術の最近の進展」、表面科学、３１巻１１号、２０１０年、ｐ．５６４〜５７１

非結晶性又は結晶性樹脂製の微細な形状を有する光学部品、医療部品等の生産には、モールドの素材としてＳｉ、ＳｉＣ、石英、グラッシーカーボン及び電鋳ニッケルなどが用いられるが、より高い精度及び／又は耐食性を必要とする、ガラス転移温度が４００℃を越すガラス製の微細な形状を有する光学部品、医療部品等の生産には、モールドの素材としてＳｉ、電鋳ニッケルは耐熱性が不足して用いることが出来ない。石英はガラスと反応するので使用出来ない。ＳｉＣ、グラッシーカーボンはコストが高くて経済的でない。

ここで、本発明者らは、ガラス製の微細な形状を有する光学部品、医療部品等の生産には、より剛性及び耐摩耗性及び／又は耐食性の優れる硬質材料製で１０ｎｍ以上７μｍ未満の溝を有するインプリントモールドが適すると考えた。そこで、硬質材料製のインプリントモールドを製造することとし、その方法として特許文献１から４の先行技術を応用しようとしたところ、以下の問題のあることに気がついた。

特許文献１では、フォトリソグラフィ法は、Ｓｉ半導体の電子回路形成には適し、さらに改良する方法が開示されている。しかし、硬質材料に１０ｎｍ以上７μｍ未満の溝を有するインプリントモールドを製造できるかは開示されていない。

特許文献２では、ＲＩＥ法は、ＷまたはＭｏに適用する場合の加工速度が０．２４０μｍ／ｍｉｎと比較的よいことが開示されている。しかし、硬質材料に適用し１０ｎｍ以上７μｍ未満の溝を有するインプリントモールドを製造しようとする場合に、表面粗さを小としつつ実用的な加工速度が得られるか不明である。

特許文献３では、ＧＣＩＢ法をＳｉに適用し、深さ１０μｍまでエッチング加工した場合の加工面を０．２３ｎｍＲａ以下の超研磨面に出来ることが開示されている。しかし、加工速度については開示されていない。ＧＣＩＢ法は、表面粗さを小とする方法として有望であるが、例えば、硬質材料に適用し、１０ｎｍ以上７μｍ未満の溝等を有したインプリントモールドを製造しようとする場合に、表面粗さを小とする条件で実用的な加工速度が得られるか不明である。

特許文献４では、ＷＣ−Ｃｏ超硬合金などにダイヤモンドバイトを用いて切削加工でパターンを形成する方法は、１００μｍ以上の深い溝を有したインプリントモールドの製造が可能としている。しかし、ダイヤモンドバイトの価格が高いため、加工コストが高くなる。また、ｎｍサイズの微細加工は難しい。さらに、大面積ではダイヤモンドバイトの摩耗量増大が原因で精度が得られなくなる。ダイヤモンドバイトで切削加工する場合はこのような欠点がある。

本発明は、段落００１０から段落００１３に記述したようなインプリントモールド製造に係る先行技術が有する不明点又は諸問題を解決するためになされたもので、従来の方法に比べて低コストで製造でき、かつガラス転移温度が比較的高いガラスに用いることが出来るインプリントモールド及びインプリントモールド製造方法を提供しようとするものである。

本発明者らは、非球面ガラスレンズ成形に適した種々のＷＣ基バインダーレス焼結体の特許及び製造技術を有している。これらＷＣ基バインダーレス焼結体は、焼結性を改善する目的で（Ｗ，Ｔｉ，Ｔａ）Ｃ（以下βｔと記述する）等を添加したり（特許文献５）、０．２ｍａｓｓ％程度のＮｉを添加している（特許文献６）。これらは製造過程で混入する０．１ｍａｓｓ％程度の金属成分を含むので、前者はＷＣ−βｔ擬バインダーレス焼結体、後者はＷＣ基擬バインダーレス焼結体と呼ぶのが正しい。この他、ＷＣ−Ｍ_２Ｃ焼結体もある（特許文献７）。Ｍは金属成分Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又はＦｅで、焼結中に金属成分はＭ_２Ｃに取り込まれるため、ＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体と呼ぶのが正しい。個々を示す場合を除き、以下は上記を一括してバインダーレスと記す。

ここで、特許文献８は、光学ミラーに用いるインプリントモールドの素材としては、バインダーレスが適することを開示し、転写面の表面を０．７ｎｍＲａから０．３ｎｍＲａにしたと開示している。しかし、加工速度については開示していない。さらに、バインダーレスの平均粒径についてはなんらの知見が示されていない。また、このバインダーレスは放電プラズマ焼結により焼結したものである。

そこで、本発明者らはインプリントモールドの素材の平均粒径も加工性又は平滑性に対する重要な要素と予測し、平均粒径を意識して、表１に示す、普通の真空焼結で製造するバインダーレスと各種超硬合金（焼結体）をインプリントモールドの素材候補とし、試料とした。試料１〜試料３の詳しい組成については後述する。試料４の組成はＷＣ−５ｍａｓｓ％ＴｉＣ−３ｍａｓｓ％ＴａＣである。試料５から７は、表示したＣｏ量又はＮｉ量に対し、ＶＣは５ｍａｓｓ％、Ｃｒ_３Ｃ_２は１０ｍａｓｓ％の焼結体である。

インプリントモールドの素材選択の次に、素材すなわち焼結体への微細な形状の作成方法は、まず、図１のようにフォトレジスト法で焼結体の仕上げ加工面へ描画する。図１では形状を板材としているがこれに限るわけではない。まず、フォトリソグラフィ法により、ａ）二次元の微細形状のマスクを作成し、別途、ｂ）レジスト液を素材に塗布し、ｃ）ａ）で作製していたマスクを介してレジスト膜に露光し、ｄ）現像して露光されたレジスト膜を除去し、ｅ）除去部分にＮｉないしＣｕをメッキし、その後、ｆ）未露光部分のレジスト膜を除去して以下の深溝加工用試料とした。なお、ＮｉないしＣｕのメッキは保護膜として残っており、深溝加工後に除去する。また、ＮｉないしＣｕメッキの保護膜の厚さは、目的の溝深さと加工条件との関係で設定する。

従来技術の問題点は、ドライエッチング方法にあるので、次にメッキしていない部分を加工するドライエッチングについて、種々検討した。まず、大きな問題は、加工後の表面粗さが大となることにあるので、表面粗さを最も小となると期待できるＧＣＩＢ法で加工した後の表面粗さを比較測定することとし、エッチング加工用試料に対してアールエムテック株式会社製のＧＣＩＢ法及び／又はＲＩＥ法による微細形状ドライエッチング加工ができる装置Ｇ００７を用いて、到達真空度５×１０^−５Ｐａ、加工時の真空度２〜４×１０^−５Ｐａで、表１の試料Ｎｏ．1〜８に示す種々のバインダーレス及び超硬合金について、加速電圧を２０ｋｅＶ又は３０ｋｅＶとし、原料ガスとしてＡｒを用いて、照射ビーム径をφ１５ｍｍとし、単位面積あたりの照射量を1×１０^１８ｉｏｎｓ／ｃｍ^２として、ＧＣＩＢ法による加工を行った。これはＧＣＩＢ法での一般的な加工条件である。

なお、使用した装置Ｇ００７では、照射時間は照射量を定めると自動的に設定される値である。試料Ｎｏ．２については、同じくＡｒを原料ガスとして用い、加速電圧を３４．５ｋｅＶと高くし、照射量をやや少なくした実験Ｎｏ．１０と、原料ガスをＣＯ_２に変更し、加速電圧を３４．５ｋｅＶとし、照射量をやや少なくした実験Ｎｏ．１１も示した。

表１には加工結果すなわち単位面積あたり照射量における、加工深さ、加工速度、ＧＣＩＢ法で加工する前および後の表面粗さも示した。表面粗さ測定には三鷹光器株式会社製の非接触三次元測定装置ＮＨ−３ＳＰを用いた。加工速度は、除去された深さを照射時間で割ったものである。これは、加工性を比較検討することが応用において最も重要と考えて本発明者らが初めて導入したものである。これらについて、以下に説明する加工性、耐食性、平滑性、総合の４つの基準で評価した。

評価のうち、加工性は、加工速度が０．０５μｍ／ｍｉｎ未満を×、０．０５μｍ／ｍｉｎ以上０．１０μｍ／ｍｉｎ未満を△、０．１０μｍ／ｍｉｎ以上０．１５μｍ／ｍｉｎ未満を○、０．１５μｍ／ｍｉｎ以上を◎とした。すなわち、加工速度が０．１０μｍ／ｍｉｎ未満は時間がかかりすぎて、不経済であるからである。なお、後述するＲＩＥ法とＧＣＩＢ法による複合加工では、影響の大きいＲＩＥ法による加工速度のみで判断した。

評価のうち、耐食性は、エッチングガスによる腐食状態を、表面を１０００倍に拡大観察して、μｍオーダーでの表面組織変化の少ないものを◎、少し変化したものを○、変化したものを△、激しく変化したものを×とした。◎及び○が実用性のあることになるが、これは本発明者らの工業用超精密工具の経験による。

評価のうち、平滑性は、前記ＮＨ−３ＳＰによるｎｍオーダーの測定による表面粗さが３ｎｍＲａ未満を◎、３ｎｍＲａ以上５ｎｍＲａ未満を○、５ｎｍＲａ以上１０ｎｍＲａ未満を△、１０ｎｍＲａ以上を×とした。◎及び○が実用性のあることになるが、これも本発明者らの工業用超精密工具の経験による。

評価のうち、総合は、実用性を示すもので、耐食性、平滑性及び加工性の一番下位の評価を表示することとした。実用では一番低い性能に左右され易いためである。◎及び○が実用性のあることを示す。これも本発明者らの工業用超精密工具の経験による。

表１から、ＧＣＩＢ法では総合で△及び×のみであった。実験Ｎｏ．１〜９は、一様に加工性が×である。そこで、実験Ｎｏ．１０では、上記のように加速電圧を３４．５ｋｅＶと高くし、Ａｒを３５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２と照射量をより少なくしたところ、加工速度は０．１０μｍ／ｍｉｎと加工性は○に向上した。しかし、加工後の表面粗さは１２３．５ｎｍＲａと加工前より劣化した。これは、元々の表面粗さが粗いこと及びＧＣＩＢ法で加工速度を高める条件は表面粗さを平滑にし難いことの両方に起因する。

ガスをＡｒからＣＯ_２に変更して、加速電圧を３４．５ｋｅＶと高くし、照射量を５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２とより少なくした実験Ｎｏ．１１では、加工速度は０．５１μｍ／ｍｉｎと加工性が◎となって改良されるが、この場合も、表面粗さが７．８ｎｍＲａと加工前より大となり、かつ平滑性が△と劣った。実験Ｎｏ．４と比較すると、実験Ｎｏ．１１でも、幾らか表面粗さが改善されると期待したが、逆の結果となった。すなわち、ＧＣＩＢ法で加工速度を高める条件にすると、表面粗さが加工前より劣化した。略したが、加速電圧が３０ｋｅＶでは、照射量を増加しても、加工速度はほとんど改良されなかった。よって、ＧＣＩＢ法で加工速度を高めることは表面粗さが加工前より劣化するので不適と判断した。

ここで、耐食性と平滑性に着目すると、バインダーレスで平均粒径０．６μｍ以下の試料を用いた実験Ｎｏ.１〜４では耐食性と平滑性が共に◎であり、これらの試料について加工性を改善できれば実用性が得られると考えられた。

さらに、平均粒径が比較的小さく、耐食性と平滑性の優れるＷＣ基擬バインダーレスである試料２ならば、加工性がよいとされ表面粗さは劣るとされるＲＩＥ法でも、実用的な平滑性が得られるかも知れないと考えた。そこで、試料２について、前記した装置Ｇ００７を用いて、表１と同じ、到達真空度５×１０^−５Ｐａ、加工時の真空度２〜４×１０^−５Ｐａ、ビーム径φ１５ｍｍで、表２に示す実験Ｎｏ．１２〜１５の条件で今度はＲＩＥ法による加工を実施し、表１と同じ評価項目の加工結果及び評価をした。なお、実験Ｎｏ．１２〜１５の試料の表面粗さが２．２〜６．６ｎｍＲａであるのに特別な意味はない。ＲＩＥ法では、予想通り加工性は全て◎となった。しかし、期待に反して平滑性は全て×となった。

以上より、先行技術では、本発明者らが開発した優れたバインダーレスでも、ＧＣＩＢ法又はＲＩＥ法いずれの方法を用いてもインプリントモールド製造は困難なことが分り、今まで考えられていない方法を考え出すことを迫られた。熟慮した結果、ＲＩＥ法による加工後の加工表面をＧＣＩＢ法で平滑化する複合法を試すこととした。

表３は、種々の表面粗さとした試料をＲＩＥ法等で用意し、ＧＣＩＢ法により平滑化加工した実験Ｎｏ．１６〜２６を示す。ビーム径はいずれもφ１５ｍｍである。これらのうち、ＲＩＥ法後の表面粗さが１４ｎｍＲａより大きい場合は、ＧＣＩＢ法加速電圧を高めて加工速度、加工深さを上げても平滑性を改善できなかった。しかし、ＲＩＥ法後の表面粗さが１４ｎｍＲａの実験Ｎｏ．１６、１９、２２は、ＧＣＩＢ加工により表面粗さは３．８ｎｍＲａ以下になり、平滑性が○又は◎の結果が得られ、実用性があることが分る。

図２は、表３の試料の表面粗さと加工結果の表面粗さとの関係を同一照射量の下でプロットしたもので、ＧＣＩＢ加工後の表面粗さに及ぼす試料の表面粗さと単位面積あたりの照射量の影響を明瞭に知る目的で図とした。図中の数字は照射量である。これより、試料の表面粗さが約４０ｎｍＲａ以上は照射量が多いほど加工結果の表面粗さの低下率が小となる。試料の表面粗さが約４０ｎｍＲａより小さいと、照射量によらず、加工結果の表面粗さは、試料の表面粗さが小さいほど同様に小となる。試料の表面粗さと共に加速電圧も変化させているにもかかわらず、一定の傾向があるのは非特許文献１にも例がなく、とても興味深い。

ここで、実用可能な加工結果の表面粗さが５ｎｍＲａ未満になるのは、ＧＣＩＢ法による加工前試料の表面粗さが１５ｎｍＲａ以下の場合と判断される。これは極めて重要な知見である。

最後に、複合加工を種々検討し、表４記載の結果を得た。これらのビームはφ１５ｍｍである。表面粗さは最後の加工後の表面粗さである。表４の実験Ｎｏ．２７〜２９より、ＲＩＥ法の加工速度は０．６８μｍ／ｍｉｎで、ＧＣＩＢ法は０．０４μｍ／ｍｉｎである。前者の方が全体の加工速度への影響が大きいので加工性は◎となる。その他の結果と合わせて、評価の総合が○又は◎となった。すなわち、実用的な加工方法を発見することに成功した。

実験Ｎｏ．３０及びＮｏ．３１は、実験Ｎｏ．２８を繰り返すことで、加工性と平滑性を有した深溝加工を可能とすることを示す。加工深さはそれぞれ１５μｍ、３８μｍに達している。そして、表面粗さも２．９〜４．７ｎｍの範囲に入っていることから、加工性の評価は◎であり、平滑性と総合評価は○又は◎である。すなわち、実用できるインプリントモールドを製造できる方法を発明した。図３は、実験Ｎｏ．３０での加工例である。

図４は、表１のバインダーレスについて、試料の表面粗さ及び加工結果の表面粗さに及ぼす試料の平均粒径の影響を図として示したものである。図４より、試料の平均粒径が０．８μｍ未満であれば、加工結果の表面粗さが実用できる５ｎｍ以下となることが分かる。そして、試料の平均粒径が０．８μｍ以上で、バインダーレスでも加工結果の表面粗さが５ｎｍ以上となることが分る。すなわち、試料の平均粒径が０．８μｍ以上となると、バインダーレスでも加工結果の表面粗さが５ｎｍ以上となり、実用できない。これも重要な知見である。

図５は、表４の実験Ｎｏ．２８の条件で加工後の表面粗さに及ぼす試料の表面粗さの影響を示すが、この場合、加工後の表面粗さが５ｎｍＲａ未満とするには、試料の表面粗さを８ｎｍＲａ未満とする必要のあることが分かる。これは、図４によれば、試料の平均粒径が０．８μｍ以下では、加工前後の表面粗さがほぼ平行であるので、試料の平均粒径が０．８μｍ以下において普遍的な条件となる。これも重要な知見である。

上記はＲＩＥ及びＧＣＩＢ法による加工に用いたビーム径はいずれもφ１５ｍｍである。ビーム径をφ１０ｍｍとしても照射量を同一とすれば、結果はほぼ同じであったので、ビーム径は重要なファクターではないことを確認した。

インプリントモールド用の素材はＷＣ基擬バインダーレス焼結体が適するが、金属成分を意識的に添加していないバインダーレス焼結体でもインプリントモールドの製造は可能である。但し、この場合のバインダーレス焼結体は、ホットプレスなどで製造しなければならないため、やや不経済である。

また、ＷＣ−βｔ系焼結体も、合金粒度が０．８μｍ未満であれば、インプリントモールドの製造は可能である。但し、この場合、組成中のβｔが欠けやすいという欠点があり、表面粗さはやや得にくいためやや不経済である。

本発明に係るインプリントモールドを製造方法は、耐食性を有した粒度が０．１２μｍ以上０．８μｍ未満のバインダーレスを用い、適切なＲＩＥ法による高能率加工をしつつ、ＧＣＩＢ法による鏡面加工によりＲＩＥ法による加工の欠点をなくし平滑性を得て、これを繰り返すことで、大面積に対応した実用的な深溝の微細加工ができるので、直ちに実用的な各種のインプリントモールドを作ることが出来る。

また、本発明に係るインプリントモールドの製造方法は、ＲＩＥ法による加工を表面粗さ１５ｎｍＲａ以下に制御し、ＧＣＩＢ法で表面粗さを５ｎｍＲａ未満に加工する場合に、試料すなわち素材とする焼結体の平均粒子径を０．８μｍ未満とすると（図４）、加工結果の表面粗さは、加速電圧が２０ｋｅＶ〜３０ｋｅＶ（表１の実験Ｎｏ．２と３）、Ａｒの照射量が２．５×１０^１６〜７．５×１０^１６ｉｏｎｓ／ｃｍ^２（図２）の範囲で安定しており、この範囲では、加工速度にのみ着目して条件を決めればよいので、目的の表面粗さが得やすい、安定した微細加工が可能である点も実用的な深溝の微細加工法と言える。

ドライエッチング用の試料の作製方法の模式図である。フォトリソグラフィ法により、ａ）二次元の微細形状のマスクを作成し、ｂ）別途、レジスト液を焼結体に塗布し、ｃ）ａ）で作製していたマスクを介してレジスト膜に露光し、ｄ）現像して露光されたレジスト膜を除去し、ｅ）露光されたレジスト膜を除去した部分にＮｉないしＣｕをメッキし、ｆ）残りのレジスト膜を除去してドライエッチング用の試料とする。 表３の実験Ｎｏ．１６〜２６の試料の表面粗さと加工結果の表面粗さとの関係をプロットしたもので、加工後の表面粗さに及ぼす試料の表面粗さと照射量の影響である。図中の数字は照射量で単位はｉｏｎｓ／ｃｍ^２である。 表４の実験Ｎｏ．３０で、２５ｍｍ角のエリアをビーム径φ１５ｍｍとして繰り返し走査し、形成したインプリントモールド及びその拡大観察例である。ビーム径はφ１５ｍｍである。 表１のバインダーレス（試料Ｎｏ．１〜４）について、試料の表面粗さ及び加工結果の表面粗さに及ぼす試料の平均粒径の影響を図として示したものである。 表４の実験Ｎｏ．２８、３０、３１及び表にはない一条件で加工した後の表面粗さに及ぼす試料の表面粗さの影響を示す。加工回数が異なるが、加工回数は加工後の表面粗さに殆ど影響しないので問題ない。

本発明の被加工材の焼結体は通常の粉末冶金法によって製造できる。すなわちＷＣ、Ｎｉ、Ｃｏ、ＶＣ、Ｃｒ_３Ｃ_２の６種のうち２種以上、必要によりＴａＣ、ＴｉＣの２種のうち１種以上を所定の組成に配合し、ボールミルあるいはアトライターによる湿式混合を経て乾燥後、所望の形状にプレス圧１００ＭＰａ〜５００ＭＰａで圧縮成形し成形体を得る。

次に、成形体を１３５０℃〜１６００℃で３０ｍｉｎ〜１２０ｍｉｎ真空焼結する。ここで、Ａｒガスを１３５０℃〜１６００℃において１３Ｐａ以上１００ｋＰａ以下導入してもよい。焼結後、焼結温度より５０℃程度低い温度で、Ａｒガスを用いて５０ＭＰａ〜１００ＭＰａの加圧（ＨＩＰ処理）をして、焼結体中の微細なポアを消滅し、以下のＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体又はＷＣ基擬バインダーレス焼結体を得た。ここで、Ｍ_２Ｃは焼結中に生成するもので、ＭはＷ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又は不可避不純物のＦｅである。

ＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体における、ＷＣ及び／又はＭ_２Ｃの平均粒径は０．１２μｍ以上０．２７μｍ以下が好適である。また、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉの組成において、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して３００ｍａｓｓ％を超え１２５０ｍａｓｓ％以下とすることにより、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又は不可避不純物のＦｅの複合炭化物であるＭ_２Ｃ相（Ｍ：金属元素Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又はＦｅを表す記号）を合金組織中に生じさせた焼結体が好適である。

ＷＣ基擬バインダーレス焼結体の一つについては、ＷＣの平均粒径が０．２７μｍを越え０．３４μｍ以下が好適である。また、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉの組成において、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して１３０ｍａｓｓ％以上３００ｍａｓｓ％以下とした焼結体が好適である。

別のＷＣ基擬バインダーレス焼結体については、ＷＣの平均粒径が０．３４μｍより大きく０．８μｍ未満で、組成がＷＣ−０．３ｍａｓｓ％〜０．７ｍａｓｓ％Ｃｒ_３Ｃ_２−０．５ｍａｓｓ％Ｎｉが好適である。

段落００５０に示すＷＣ及び／又はＭ_２Ｃの平均粒径が０．１２μｍ以上０．２７μｍ以下のＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体の粒度範囲は、この範囲の硬さ及び抗折力が高く、かつ鏡面性が優れるからである。また、Ｖ添加量の範囲は、３０ｍａｓｓ％未満では粒成長抑制が不十分となって粒成長を生じ強度低下するためである。また１００ｍａｓｓ％より多くなるとＶを主体とした相の晶出量及び寸法が大となりすぎて低強度となり、かつ鏡面性も低下するためである。Ｃｒ添加量は、３００ｍａｓｓ％以下ではＭ_２Ｃ相が少なくなりすぎてＮｉを消滅させられないためである。また１２５０ｍａｓｓ％より多く添加すると、Ｍ_２Ｃの寸法が大となり過ぎて、焼結体が低強度・低硬さとなり、かつ鏡面性も低下するためである。

段落００５１に示すＷＣの平均粒径が０．２７μｍを越え０．３４μｍ以下のＷＣ基擬バインダーレス焼結体の粒度範囲は、この範囲の硬さ及び抗折力が高く、かつ鏡面性が優れるからである。また、Ｖ添加量の範囲を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上、１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量の範囲を、Ｎｉに対して１３０ｍａｓｓ％以上、３００ｍａｓｓ％以下としたのは、Ｖ、Ｃｒの添加量の下限より少ないと粒成長を抑えられず、結果として微細分散できなくなるとともに、耐食性が不足し、また、Ｖ、Ｃｒの添加量の上限より多いとあまりにも添加量が大となって微細分散させられなくなり、焼結体が低強度・低硬さとなり、かつ鏡面性も低下するためである。ためである。

段落００５２に示すＷＣの平均粒径が０．３４μｍを越え０．８μｍ未満のＷＣ基擬バインダーレス焼結体の粒度範囲は、この範囲の硬さ及び抗折力が高く、かつ鏡面性が優れるからである。また、Ｃｒ_３Ｃ_２添加量の範囲の理由は次による。Ｃｒ_３Ｃ_２添加量が０．３ｍａｓｓ％より少ないとＷＣの粒成長を抑えられなくなり合金の平均粒径が０．８μｍ以上となって、加工後の表面性が劣化する。Ｃｒ_３Ｃ_２添加量が０．７ｍａｓｓ％より大きいと、Ｃｒ_７Ｃ_３を晶出して、焼結体が低強度・低硬さとなり、かつ鏡面性も低下するためである。

得られた焼結体を研削、研磨して表面粗さを０．８ｎｍＲａ未満の素材原版とする。この素材原版への微細な形状の作成方法は図１のようにする。まず、フォトリソグラフィ法により、ａ）２次元の微細形状のマスクを作成し、別途、ｂ）レジスト液を焼結体に塗布し、ｃ）ａ）で作製していたマスクを介してレジスト膜に露光した後、ｄ）現像して露光されたレジスト膜を除去した後、ｅ）露光されたレジスト膜を除去した部分にＮｉないしＣｕをメッキし、ｆ）残りのレジスト膜を除去して以下のエッチング加工用試料とする。

次に、エッチング加工用試料に対してアールエムテック株式会社製のＲＩＥ法及び／又はＧＣＩＢ法による加工ができるＧ００７装置を用いて、ｇ）ＲＩＥ法による加工後の加工面の表面粗さを１５ｎｍＲａ以下に抑え、その後、ｈ）ＧＣＩＢ法による加工で表面粗さ５ｎｍＲａ未満とする。その後、ｇ）とｈ）の工程を繰り返すことで、１０ｎｍ以上で７μｍ未満の深さ、かつ底面の表面粗さが５ｎｍ未満の形状作成を０．１０μｍ／ｍｉｎ以上の加工速度で行い、得られた微細な形状を有する試料を得る。そして最後に試料からメッキを除去してインプリントモールドを完成させる。

表１〜４の試料２の加工結果及び評価は、段落００５１に示した組成範囲において同様の結果であった。これは、組成範囲において、平均粒径がほぼ同じ水準であることによる。この様な傾向は、試料１及び試料３においても同様であった。

深さについては、１０ｎｍ以上かつ７μｍ未満が実用範囲である。１０ｎｍ未満は本方法によらなくても、ＧＣＩＢ法のみでなんとか実用できる。７μｍ以上深い場合は、ダイヤモンドバイトで切削加工する方が経済的である。完成後の底面の表面粗さについては、５ｎｍＲａ以上では超高精度のインプリントモールドの性能を満たさない。

なお、インプリントモールドの寸法は焼結体及び又は加工装置の寸法に依存し、本発明時点ではφ３００ｍｍないし□３００ｍｍまでであるが、一般的な焼結体の限界であるφ６００ｍｍまでは容易にスケールアップが可能である。厚さも同様であるが、密度が約１５ｇ／ｃｍ^３あるので、厚くなるとその分、重くなるので数十ｍｍで製作することが望まれる。

得られたインプリントモールドを、インクジェットプリンタのプリンタヘッドを構成するインク流路、遺伝子解析又は臨床診断又は薬物スクリーニング又は環境モニタリングで用いられるマイクロ流路（バイオチップともいう）、半導体デバイス、光導波路等の光学部品、ハードディスク又はＤＶＤ又はブルーレイディスクの記録デバイス、ディスプレイの光拡散板のパターン形成に用いる。

ドライエッチング加工用試料の作製に係る装置はフォトリソグラフィ法が可能なものであればよい。エッチング加工での保護膜となるメッキもＣｕ，Ｎｉに限る必要はなく、エッチング加工に耐えられるものでエッチング加工後、除去しやすいものであればよい。また、ＲＩＥ法又はＧＣＩＢ法によるエッチングもＧ００７装置が望ましく、また、用いるエッチングガスもＳＦ_６及び／又はＡｒが望ましい。しかし、これらに限定する必要はなく、ｇ）ＲＩＥ法による加工後の加工面の表面粗さを１５ｎｍＲａ以下に抑え、その後、ｈ）ＧＣＩＢ法による加工で表面粗さ５ｎｍＲａ未満とする。ｇ）とｈ）の工程を繰り返す加工ができる装置、エッチングガスであればよい。

上記で得られたＷＣ基擬バインダーレス又はＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体で構成されるインプリントモールドは、耐摩耗性を高めるため及び／又は表面欠陥の影響を軽減するため及び／又は除膜しつつ再被覆して再利用するために、ＤＬＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ）Ｎ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＣｒＮ、ＳｉＣ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａのうちの１種類以上の被膜を、ＣＶＤ装置及び／又はＰＶＤ装置及び／又はスパッタリング装置により、単層又は複層被覆して用いてもよい。

上記で得られたＷＣ基擬バインダーレス又はＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体で構成されるインプリントモールドは、成形したガラスとの離形性をよくするためシランカップリング剤を塗布して用いてもよい。

段落００４８〜００４９、００５１の方法で、ＷＣの平均粒径が０．３μｍのＷＣ基擬バインダーレス焼結体の試料２を用意した。段落００５６の方法で、エッチング加工用試料を作製した。段落００５７の方法で、表４の実験３０及び３１の結果を得た。このような結果は、段落００５２の粒度及び組成の範囲のＷＣ基擬バインダーレス焼結体でも同様であった。

実施例１と同様の実験を試料１について行った結果、試料１は試料２と比べて、加工速度は殆ど変化せず、表面粗さは約６０％の値となり優れた。すなわち、実用範囲内である。このような結果は、段落００５０の粒度及び組成の範囲のＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体でも同様であった。

実施例１と同様の実験を試料３について行った結果、試料３は試料２と比べて、加工速度は殆ど変化せず、表面粗さは約１０５％となり、若干劣った。しかし、実用範囲内である。このような結果は、段落００５２の粒度及び組成の範囲のＷＣ基擬バインダーレス焼結体でも同様であった。

実施例１から３の方法で製造した微細な形状を有する焼結体からメッキを除去してインプリンモールドを完成させた。このインプリンモールド用いて、インクジェットプリンタのプリンタヘッドを構成するインク流路、遺伝子解析（ＤＮＡ分析のバイオチップ）又は臨床診断又は薬物スクリーニング又は環境モニタリングで用いられるマイクロ流路、半導体デバイス、光導波路等の光学部品、ハードディスク又はＤＶＤ又はブルーレイディスクの記録デバイス、及びディスプレイの拡散板のパターン形成に応用し、樹脂又はプラスチック製はもちろん、ガラスのような比較的硬質かつ高温で成形する場合も実用可能なことを確かめた。

ＷＣ基擬バインダーレス又はＷＣ−Ｍ２Ｃ完全バインダーレス焼結体で構成されるインプリントモールドに、ＤＬＣ、ＴｉＣ、ＴｉＮ、Ｔｉ（Ｃ，Ｎ）、（Ｔｉ，Ａｌ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｒ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ）Ｎ、（Ｔｉ，Ａｌ，Ｓｉ，Ｃｒ）Ｎ、Ａｌ _２ Ｏ _３ 、ＣｒＮ、ＳｉＣ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａのうちの１種類以上の被膜を、ＣＶＤ装置及び／又はＰＶＤ装置及び／又はスパッタリング装置で、単層又は複層被覆して耐摩耗性を高めること及び／又は表面欠陥の影響を軽減すること及び／又は除膜しつつ再被覆して再利用することに成功した。

本発明は、微細な形状を有する主にガラス製の光学部品、医療部品等に用いることができるＷＣ基擬バインダーレス又はＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダーレス焼結体で構成されるインプリントモールド及びインプリントモールドの製造方法を提供するものであり、モールドの表面粗さが５ｎｍＲａ未満であること及びガラスに用いることができることから、この分野の精度を一挙に向上させ、数千億円規模の産業の高能率化及び／又は高精度化に貢献する特許技術である。

Claims (2)

1. ＷＣの平均粒径が０．１２μｍ以上０．２７μｍ以下で、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉにおいて、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して３００ｍａｓｓ％を越え１２５０ｍａｓｓ％以下とすることにより、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又は不可避不純物のＦｅの複合炭化物であるＭ_２Ｃ相（Ｍ：金属元素を表す記号）が組織中に生じている、ＷＣ−Ｍ_２Ｃ完全バインダレーレス焼結体、又は、
   ＷＣの平均粒径が０．２７μｍを越え０．３４μｍ以下で、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉにおいて、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して１３０ｍａｓｓ％以上３００ｍａｓｓ％以下とした、ＷＣ基擬バインダーレス焼結体、又は、
   ＷＣの平均粒径が０．３４μｍを越え０．８μｍ未満で、ＷＣ−０．３ｍａｓｓ％〜０．７ｍａｓｓ％Ｃｒ_３Ｃ_２−０．５ｍａｓｓ％ＮｉのＷＣ基擬バインダーレス焼結体で構成され、
   溝深さが１０ｎｍ以上かつ７μｍ未満で、かつ溝底面の表面粗さが５ｎｍＲａ未満で、かつ溝側面の表面粗さが５ｎｍＲａよりも大きく、溝側面の少なくとも一部に縞状および／または鱗状の組織を有する溝からなる微細形状を有する、
   インクジェットプリンタのプリンタヘッドを構成するインク流路用インプリントモールド、または遺伝子解析又は臨床診断又は薬物スクリーニング又は環境モニタリングで用いられるマイクロ流路用インプリントモールド、または半導体デバイス用インプリントモールド、または光学部品用インプリントモールド、またはハードディスク又はＤＶＤ又はブルーレイディスクの記録デバイス用インプリントモールド、またはディスプレイの拡散板のパターン形成用インプリントモールド。
2. フォトリソグラフィ法により作製した、加工面の表面粗さが０．８ｎｍＲａ未満の、エッチング加工用の、
   ＷＣの平均粒径が０．１２μｍ以上０．２７μｍ以下で、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉにおいて、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して３００ｍａｓｓ％を越え１２５０ｍａｓｓ％以下とすることにより、Ｗ、Ｖ、Ｃｒ、Ｎｉ及び／又は不可避不純物のＦｅの複合炭化物であるＭ _２ Ｃ相（Ｍ：金属元素を表す記号）が組織中に生じている、ＷＣ−Ｍ _２ Ｃ完全バインダレーレス焼結体、又は、
   ＷＣの平均粒径が０．２７μｍを越え０．３４μｍ以下で、ＷＣ−０．１２ｍａｓｓ％〜０．３ｍａｓｓ％Ｎｉにおいて、Ｖ添加量を、Ｎｉに対して３０ｍａｓｓ％以上１００ｍａｓｓ％以下、Ｃｒ添加量を、Ｎｉに対して１３０ｍａｓｓ％以上３００ｍａｓｓ％以下とした、ＷＣ基擬バインダーレス焼結体、又は、
   ＷＣの平均粒径が０．３４μｍを越え０．８μｍ未満で、ＷＣ−０．３ｍａｓｓ％〜０．７ｍａｓｓ％Ｃｒ _３ Ｃ _２ −０．５ｍａｓｓ％ＮｉのＷＣ基擬バインダーレス焼結体に対し、
   ａ）ＲＩＥ法による加工後の加工面の表面粗さを１５ｎｍＲａ以下に抑え、その後、ｂ）ＧＣＩＢ法による加工で表面粗さを５ｎｍＲａ未満にし、このａ）とｂ）を複数回繰り返すことにより、１０ｎｍ以上かつ７μｍ未満の深さで、かつ底面の表面粗さが５ｎｍＲａ未満の形状作成を０．１０μｍ／ｍｉｎ以上の加工速度で行う、
   インクジェットプリンタのプリンタヘッドを構成するインク流路用、または遺伝子解析又は臨床診断又は薬物スクリーニング又は環境モニタリングで用いられるマイクロ流路用、または半導体デバイス用、または光学部品用、またはハードディスク又はＤＶＤ又はブルーレイディスクの記録デバイス用、またはディスプレイの拡散板のパターン形成用の
   インプリントモールドの製造方法。