加工方法、加工装置およびその方法により製造された微細構造体
【課題】 高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉な加工方法を提供する。
【解決手段】 本発明の加工方法は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であり、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【解決手段】 本発明の加工方法は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であり、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック薄膜に微細な孔を精度よく、安価に形成する加工方法に関する。また、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用フィルタおよび高密度プリント基板などの高機能微細部品を提供することができる加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタ用ノズルまたは医療用ネブライザノズルなどの高機能微細部品を製造するには、プラスチック薄膜などに微細な貫通孔を精度よく形成する必要がある。微細な貫通孔を形成する加工方法には、レーザ加工法がある。この方法は、たとえば、プレート上の貫通孔を形成する位置に、フォトレジストを形成し、プレート上のフォトレジストを形成していない領域に、マスクを形成する。マスクは、レーザなどの高エネルギ線を遮断するために形成する。フォトレジストを除去してから、マスクを介してレーザなどの高エネルギ線を照射することにより、プレートに貫通孔を形成することができる（特許文献１参照）。
【０００３】
また、微細な貫通孔を有するプラスチック薄膜を射出成形により形成する方法がある。たとえば、使用する金型の貫通孔形成部分に、シリコン樹脂などの弾性部材からなる突き当て型を当接し、突き当て型を当接した状態で射出成形する。射出成形には、金型の数μｍの隙間にも流れ込むような流動性のよい樹脂を使用することにより、微細な貫通孔を形成することができる。また、直径が５０μｍ以下の細く、折れやすい突き当て金型を使用しても、突き当て型が弾性部材からなるため、射出成形時に折れることがなく、成形樹脂に対する離形性がよくなるとある（特許文献２参照）。
【０００４】
打ち抜き加工により、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する方法がある。たとえば、セラミックスファイバであるポンチの表面に金属膜を形成し、ポンチの先端とダイス素材の表面との間で放電することにより、ポンチを接触せずに、ダイス素材にポンチが挿通可能なダイス孔を形成し、このポンチとダイスにより薄膜に微細な貫通孔を形成する。この方法によれば、ダイス孔の形成後も、ダイスとポンチの位置関係が変化しないため、ポンチをダイス孔に確実に挿通することができ、薄板にポンチの太さに相当する微細な貫通孔を短時間で容易に形成することができるとある（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−１２２２０３号公報
【特許文献２】特開２０００−７１４５９号公報
【特許文献３】特開２００４−１１４２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、マスクを介してレーザを照射することにより貫通孔を形成するレーザ加工では、高輝度のレーザを照射する必要があり、照射位置を高精度に調整しなければならないため、加工装置が非常に高価となり、レーザにより貫通孔を形成していく加工方法であるため、スループットが小さい。
【０００６】
また、貫通孔の形成部位に突き当て型を当接し、流動性の良い樹脂を圧入して行なう射出成形では、使用できる樹脂の種類が大きく制限され、また、貫通孔の口径が小さくなり、狭ピッチ化すると、当接する突き当て型により、流路抵抗が大きくなるため、かかる加工方法では均一な樹脂注入が困難となる。
【０００７】
一方、セラミックスファイバであるポンチを使用して行なう打ち抜き加工では、形成できる貫通孔の口径は、セラミックスファイバの口径により定まるため、貫通孔の微細化に限界がある。また、１つの貫通孔は１本のポンチにより形成し、各ポンチをそれぞれホルダにアセンブルする必要があるため、加工装置におけるピッチ精度の維持が難しく、製造効率が低い。さらに、ポンチとダイスとが１対１に対応し、メンテナンスと破損時の復旧が難しいため、量産性が悪い。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の加工方法は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であり、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
押し型は、金属またはセラミックスからなり、対向基材は、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる態様が好ましい。押し型は、ビッカース硬度が４００以上であるものが好適である。かかる押し型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造することができる。また、ダイシング加工もしくは切削加工により製造することができる。
【００１０】
対向基材は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドより選ばれた材料からなるものが好ましく、加熱加工時におけるヤング率は、０．１ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下が好ましい。また、ビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上３．０倍以下が好ましい。
【００１１】
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程は、対向基材にプラスチック薄膜を固定する工程と、固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする工程とを備える態様が好適である。一方、貫通孔を形成する工程は、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換することが望ましい。また、プラスチック薄膜および／または対向基材は、リールから供給し、リールに巻き取る方式が好ましい。さらに、プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程は、真空雰囲気下で実施する態様が望ましい。
【００１２】
本発明の加工装置は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工装置であって、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
貫通孔を形成する手段は、加圧時における面内最大圧力差が±１０％以下であるものが好ましく、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する態様が好ましい。また、プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する加工装置が好ましい。
【００１４】
本発明の微細構造体は、かかる加工方法により製造され、たとえば、医療用ネブライザノズル、インクジェットプリンタ用ノズル、高密度プリント基板上の極細回路、細胞捕捉用フィルタまたは超微細フィラ用フィルタとして有用である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、プラスチックの流動現象を利用して、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（加工方法）
本発明の加工方法を図１に示す。この加工方法は、まず、図１（ａ）に示すように、プラスチック薄膜１を、押し型２と対向基材３との間にセットする工程と、押し型２と対向基材３との間で、プラスチック薄膜１をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、図１（ｃ）に示すように、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、矢印の方向に加圧して、図１（ｄ）に示すような貫通孔を形成する工程を備えることを特徴とする。
【００１７】
プラスチック薄膜の加熱は、押し型と対向基材との間で行ない、たとえば、プラスチック薄膜１を押し型２と対向基材３との間に挟んでから（図１（ｂ））加熱する方式、プラスチック薄膜のみを予め非接触の状態で加熱する方式、または、プラスチック薄膜を対向基材に接触させてから加熱する方式などにより加熱することができる。プラスチック薄膜１の加熱は、たとえば、対向基材３の直下に設置したヒータ（図示していない。）により行なうことができる。また、対向基材３の内部に加熱機能を導入して行なうこともできる。また、プラスチック薄膜を供給する過程で、非接触ヒータなどを利用して予め加熱することもできる。
【００１８】
プラスチックの流動開始温度以上に加熱してから加圧加工するため、プラスチックの流動現象を利用して、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。使用する押し型の精度によっても異なるが、本発明の加工方法により、孔径０．１μｍ以上の貫通孔を形成することができる。また、線幅０．１μｍ以上で横長の貫通孔である貫通ラインを形成することもできる。したがって、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、細胞捕捉用フィルタ、超微細フィラ用フィルタまたは高密度プリント基板上の極細回路などの高機能微細構造体を安価に提供することができる。
【００１９】
プラスチック薄膜の材質は、比較的狭い温度範囲内で溶融し、冷却すると急速に硬化するプラスチックが、スループットが高い点で好ましく、たとえば、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミドなどのプラスチック薄膜に対して孔開け加工が可能である。プラスチック薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、厚さ１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、厚さ１０μｍ〜２００μｍがより好ましい。たとえば、厚さ数ｍｍのプラスチック平板または厚さ数十ミクロンのプラスチックフィルムを材料に使用することができる。
【００２０】
押し型に、剛性の高い材料を使用し、押し型に対向して使用する対向基材に、押し型より剛性が低く、押し型で加圧したときに塑性変形する金属またはプラスチックなどの材料を使用すると、加圧時の押し型の変形を防止し、プラスチック薄膜に容易に貫通孔を形成することができる点で好ましい。したがって、押し型は、ビッカース硬度が４００以上のものが好ましく、６００以上のものがより好ましい。
【００２１】
対向基材にセラミックスまたはシリコンを用い、押し型を対向基材にぎりぎりまで押し当てて樹脂を追い出すことにより貫通孔を形成することができる。この場合、対向基材を頻繁に交換しなくてもよい点で有利である。対向基材のビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上のものが好ましく、０．７５倍以上がより好ましい。硬度が０．５倍未満では、複数回にわたって対向基板を使用することが難しくなる。また、対向基材のビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の３．０倍以下が好ましく、２．０倍以下がより好ましい。対向基材のビッカース硬度が３．０倍を越えて大きくなると、押し型が破損しやすく、短寿命となりやすい。
【００２２】
押し型には、たとえば、金属またはセラミックスを用い、対向基材には、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる材料を使用することができる。また、対向基材に、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドなどの材料を用いると、熱伝導度が高まり、加熱または冷却時における伝熱がスムーズとなり、加工のスループットを高めることができる。
【００２３】
対向基材に金属またはプラスチックを用いるときは、加熱加工時におけるヤング率が、０．１ＧＰａ以上のものが好ましく、１ＧＰａ以上がより好ましい。ヤング率が０．１ＧＰａ未満であると、加圧時に、対向基材がプラスチック薄膜とともに変形し、貫通孔の形成が困難になる傾向がある。また、対向基材の加熱加工時におけるヤング率は、３００ＧＰａ以下が好ましく、２５０ＧＰａ以下がより好ましい。ヤング率が３００ＧＰａより大きくなると、微細柱列構造の押し型が破損しやすく、短寿命となりやすい。
【００２４】
プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間にセットするときは、まず、対向基材にプラスチック薄膜を固定してから、固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする態様が好ましい。かかる態様とすることにより、プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間にセットするときに、対向基材上でのプラスチック薄膜の浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材との間への気泡の混入などのトラブルを防止し、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００２５】
プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程を、真空雰囲気下で実施することによっても、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材の間への気泡の混入を防止することができ、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００２６】
また、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材の間への気泡の混入は、プラスチック薄膜および対向基材をリールから供給し、リールに巻き取る方式とすることによっても防止することができる。プラスチック薄膜のみをリールで供給することによっても効果があるが、プラスチック薄膜と対向基材の双方を一括してリールで供給するとより有効であり、きれいな孔開け加工が容易となる。リール・トゥ・リール方式は、一度セットすると、プラスチック薄膜と対向基材との相互の位置関係が変化しない点でも好ましい。プラスチック薄膜の供給は、たとえば、厚めの平板をバッチ式で送ることによっても可能である。
【００２７】
貫通孔を形成する工程においては、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換する態様が好ましい。対向基材に金属またはプラスチックを用い、プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間で加圧すると、貫通孔を形成するとともに、押し型の圧力により対向基材の表面が塑性変形する。したがって、フラットな表面を有する新しい対向基材に交換することにより、高精度の貫通孔を形成することができる。対向基材を、ベース層と、ベース層上にある薄い対向基材層の２層構造とし、加圧により貫通孔を形成した後、塑性変形した薄い対向基材層のみを交換するようにしても同様に有効である。また、押し型と対向基材との加圧条件は、未貫通孔の発生を抑える点から、１ＭＰａ以上が好ましく、３ＭＰａ以上がより好ましい。一方、押し型および対向基材の破損と変形を防止する点から、６０ＭＰａ以下が好ましく、４０ＭＰａ以下がより好ましい
押し型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製作することができる。製作される押し型は、精密な金属微細構造体であるため、プラスチック薄膜に超微細な口径の貫通孔を形成することができ、貫通孔の狭ピッチ化にも十分対応できる。また、再現性よく製造することができ、一体形成が可能である。
【００２８】
押し型の製造方法を、図２および図３に例示する。図２に示す押し型の製造方法は、まず、図２（ａ）に示すように、導電性基板２１上に樹脂層２２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属製基板を用いる。また、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いる。樹脂層には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、またはＸ線もしくは紫外線（ＵＶ）に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などを用いる。樹脂層の厚さは、形成しようとする押し型の厚さに合せて任意に設定することができ、数百ミクロンとすることもできる。
【００２９】
つぎに、樹脂層２２上にマスク２３を配置し、マスク２３を介してＸ線２４またはＵＶなどを照射する。高いアスペクト比を有する押し型を得るときは、ＵＶ（波長３６５ｎｍなど）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用する態様が好ましい。また、Ｘ線の中でも指向性が高い点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用するＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung)法は、ディープなリソグラフィが可能であり、数１００μｍの高さの微細押し型をサブミクロンオーダの高精度で大量に製造することができ、厚手のプラスチック薄膜用の押し型を得ることができる点で有利である。本実施の形態では、Ｘ線を照射する態様を例示する。
【００３０】
マスク２３は、押し型のパターンに応じて形成したＸ線吸収層２３ａと、透光性基材２３ｂとからなる。透光性基材２３ｂには、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、チタンなどを用いる。また、Ｘ線吸収層２３ａには、金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物などを用いる。導電性基板２１上の樹脂層２２が、たとえば、ポジレジストである場合、Ｘ線２４の照射により、樹脂層２２のうち、樹脂層２２ａは露光され変質（分子鎖が切断）するが、樹脂層２２ｂはＸ線吸収層２３ａにより露光されない。このため、現像により、Ｘ線２４により変質した部分のみが除去され、図２（ｂ）に示すような樹脂層２２ｂからなる樹脂型が得られる。
【００３１】
つぎに、電鋳を行ない、図２（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層２５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板２１を給電部として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属材料層２５を堆積することができる。樹脂型の高さを越えて電鋳することにより、押し型の台座を形成することができる。金属材料には、ニッケル、銅、鉄、ロジウムまたはそれらの合金などを用いるが、押し型の耐摩耗性を高める点で、ニッケルまたはニッケルマンガンなどのニッケル合金が好ましい。
【００３２】
電鋳後、図２（ｄ）に示すように、酸もしくはアルカリによりウェットエッチングし、または、機械加工により、導電性基板２１を除去する。つづいて、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型２２ｂを除去すると、図２（ｅ）に示すような本発明の加工方法において有効に使用することができる押し型が得られる。
【００３３】
図２に示す製造方法においては、導電性基板２１を除去して（図２（ｄ））、押し型２５を製造するが、図３に示す製造方法のように、導電性基板を除去することなく押し型を製造することもできる。まず、図３（ａ）に示すように、基板３１ａ上に、ポジレジストからなる樹脂層３２を形成する。つぎに、樹脂層３２上にマスク３３を配置し、前述と同様にリソグラフィを行なう。露光により、樹脂層３２のうち、樹脂層３２ａは露光され変質するが、樹脂層３２ｂは露光されない。このため、現像により、図３（ｂ）に示すような樹脂層３２ｂからなる樹脂型が得られる。
【００３４】
つぎに、図３（ｃ）に示すように、樹脂層３２ｂの頂上部に、導電性基板３１ｂを形成し、基板３１ａを除去し（図３（ｄ））、電鋳を行ない、図３（ｅ）に示すように、導電性基板３１ｂをメッキ電極として、樹脂型に金属材料層３５を堆積する。電鋳後、必要に応じて、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型を除去すると、図３（ｆ）に示すような押し型が得られる。この押し型は、導電性基板を金型の台座として利用するため、台座を形成するために必要な電鋳時間を省略することができる。また、台座は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による金型の反りが少ない。
【００３５】
導電性基板を除去することなく、押し型を製造する他の方法を図４に示す。この方法は、導電性基板の材質と、電鋳により形成する金属材料層の材質が近く、導電性基板と金属材料層との密着強度が大きい場合に利用することができる。まず、図２に示す方法と同様にして、リソグラフィを行ない（図４（ａ））、導電性基板４１上に樹脂型４２ｂを形成する（図４（ｂ））。つぎに、電鋳を行ない、樹脂型４２ｂに金属材料層４５ａを形成し（図４（ｃ））、研磨または研削して平坦化する（図４（ｄ））。最後に、ウェットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型４５ｂを除去すると、図４（ｅ）に示しような導電性基板４１付きの押し型が得られる。
【００３６】
押し型は、シリコンエッチングまたは光造形により非導電性マスタを形成する工程と、非導電性マスタを導電化する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。
【００３７】
シリコンエッチングにより非導電性マスタを形成する方法は、まず、プラズマＣＶＤにより、シリコン基板の表面にＳｉＮ膜を形成する。つぎに、ＳｉＮ膜上に、ポジレジストからなる樹脂層を形成する。つづいて、樹脂層上にマスクを配置し、リソグラフィを行なう。露光と現像により、樹脂層のうち、露光された部分が除去される。つぎに、ＳＦ6ガスでドライエッチングし、ＳｉＮ膜をパターニングしてから、樹脂層を剥離し、ＫＯＨ水溶液でシリコンエッチングすると、非導電性マスタを得ることができる。その後、Ｐｄなどの金属材料をスパッタリングして、非導電性マスタを導電化し、電鋳後、ウェットエッチングにより導電性マスタを除去すると、押し型が得られる。
【００３８】
光造形により非導電性マスタを形成する方法は、まず、液状の光硬化性樹脂（ディーメック製ＳＣＲ７０１など）を、マイクロ光造形装置において光ビームにより一層ずつ硬化し、積層して、非導電性マスタを形成する。つぎに、非導電性マスタにＰｄなどをスパッタリングして導電化し、導電性マスタに電鋳し、ウェットエッチングまたはプラズマアッシングにより導電性マスタを除去すると、押し型を得ることができる。
【００３９】
押し型は、ダイシング加工または切削加工によっても製造することができる。リソグラフィを利用する方法と異なり、マスクを使用しないため、押し型を短納期で製造することができる。また、ジルコニアなどのセラミックスからなる押し型を提供することができる。
【００４０】
押し型は、ダイシング加工または切削加工により導電性マスタを形成する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。押し型をダイシング加工または切削加工により直接製造する上述の方法に比べて、高価なダイシング加工品または切削加工品から複数の押し型を得ることができる点で有利である。導電性マスタは、たとえば、銅または真鍮などから形成することができる。
【００４１】
（加工装置）
本発明の加工装置は、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、押し型と対向基材との間にあるプラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段とを備えることを特徴とする。プラスチックの流動開始温度以上に加熱して加圧加工するため、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。
【００４２】
貫通孔を形成する手段においては、加圧時における面内最大圧力差を±１０％以下とすると、面内にある多数の微細孔加工を一括して行なっても、未貫通孔が生じにくい点で好ましく、面内最大圧力差を±５％以下に調整すると、より好ましい。
【００４３】
貫通孔を形成する手段は、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する手段を有する態様が好適である。貫通孔の形成後、プラスチックの流動開始温度以上にある部材を冷却し、プラスチックの固化を速めることにより、加工のスループットを上げ、量産化および低コスト化を図ることができる。冷却は、対向基材に冷却水を循環させて間接冷却する手段がある。また、対向基材の下部にある加熱ステージを冷却ステージに入れ替え、対向基材に接触させるなどの手段により行なうことができる。
【００４４】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、駆動系が相互に独立する態様が好ましい。各手段の駆動系を分離することにより、加工工程における繰り返し動作による相互の位置ズレを最小限に抑えることができ、常に面内最大圧力差を±１０％以下とすることが容易となる。たとえば、加工装置における、Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとＺ軸ステージが重ならないようにし、それぞれを分離することにより精度を高めることができる。
【００４５】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する態様が好ましい。真空雰囲気下で加工作業を実施することにより、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がりを抑え、プラスチック薄膜と対向基材間への気泡の混入を防止することができ、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００４６】
実施例１
本実施例で使用する押し型を図４に示す方法で製造した。まず、導電性基板４１として、厚さ５ｍｍ、直径３インチのニッケル基板上に、厚さ６０μｍのアクリル樹脂層４２を形成し、樹脂層４２上にマスク４３を配置し、マスク４３を介してＸ線４４を照射した（図４（ａ））。マスク４３は、２５μｍ×２５μｍの透光領域が縦横５０μｍピッチで描かれ、透光性基材４３ｂが厚さ２μｍの窒化珪素、Ｘ線吸収層４３ａが厚さ３μｍの窒化タングステンからなるものを用いた。また、Ｘ線４４はＳＲを使用し、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲でリソグラフィを行なった。
【００４７】
つぎに、メチルイソブチルケトンにより現像し、イソプロパノールによりリンス処理した後、純水で洗浄すると、樹脂層４２のうち、露光された樹脂層４２ａのみが除去され、図４（ｂ）に示すような樹脂層４２ｂからなる樹脂型が得られた。つぎに、電鋳を行ない、図４（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層４５ａを堆積した。電鋳は、スルファミン酸ニッケルメッキ浴に浸漬して行ない、樹脂型の頂上部を越えて金属材料層４５ａを堆積した。
【００４８】
電鋳後、図４（ｄ）に示すように、研磨により厚さ５０μｍでフラット化し、つづいて、酸素プラズマによりアッシングして樹脂型４５ｂを除去し、図４（ｅ）に示すような押し型を得た。この押し型には、縦２５μｍ×横２５μｍ×高さ５０μｍの角柱が、ピッチ５０μｍで、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に林立し、各角柱は０．１°の順テーパを有していた。
【００４９】
つぎに、対向基材であるＣｕ基板上に、熱可塑性ポリイミド（三井化学製のオーラム）を塗布し、乾燥して、厚さ３０μｍのプラスチック薄膜を形成した。つづいて、ＬＩＧＡ法により製造した上述のＮｉ製の押し型を、プラスチック薄膜上にセットし、熱可塑性ポリイミドからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約２４５℃）以上である２６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。貫通孔は、縦２５μｍ×横２５μｍ×深さ５０μｍ、ピッチ５０μｍであった。また、加工精度は±１μｍであり、非常に精度の高い加工を実現できることがわかった。
【００５０】
実施例２
対向基材であるＣｕ製基板上に、プラスチック薄膜として厚さ３０μｍのポリカーボネートフィルム（住友ベークライト製のＦＳ−１６５０）を置いた。つぎに、縦５０μｍ×横５０μｍ×高さ１００μｍの角柱が林立する超硬合金製の押し型をダイシングにより製作し、製作した押し型をプラスチック薄膜上にセットした。つづいて、ポリカーボネートからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約１４５℃）以上である１６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。貫通孔は、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍであった。また、加工精度は±２μｍであった。
【００５１】
実施例３
対向基材であるビッカース硬度１８００の窒化アルミニウム基板上に、プラスチック薄膜として厚さ３０μｍのポリカーボネートフィルム（住友ベークライト製のＦＳ−１６５０）を置いた。つぎに、縦５０μｍ×横５０μｍ×高さ１００μｍの角柱が林立するジルコニア製の押し型をダイシングにより製作し、製作した押し型をプラスチック薄膜上にセットした。
【００５２】
この押し型は、ビッカース硬度が１２００であった。つづいて、ポリカーボネートからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約１４５℃）以上である１６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。形成された貫通孔は、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍであり、加工に際して、押し型および対向基材の破損、変形はともに認められなかった。
【００５３】
実施例４
ビッカース硬度１２００のジルコニア製の押し型の代わりに、ビッカース硬度６００の超硬合金からなる押し型を用いた以外は実施例３と同様にして加工した。その結果、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍの貫通孔が形成され、加工に際して、押し型および対向基材の破損、変形はともに認められなかった。
【００５４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用フィルタまたは高密度プリント基板などの高機能微細構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の加工方法を示す工程図である。
【図２】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ プラスチック薄膜、２ 押し型、３ 対向基材、２１，３１ｂ 導電性基板、２２，３２ 樹脂層、２３，３３ マスク、２５，３５ 金属材料層。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラスチック薄膜に微細な孔を精度よく、安価に形成する加工方法に関する。また、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用フィルタおよび高密度プリント基板などの高機能微細部品を提供することができる加工装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットプリンタ用ノズルまたは医療用ネブライザノズルなどの高機能微細部品を製造するには、プラスチック薄膜などに微細な貫通孔を精度よく形成する必要がある。微細な貫通孔を形成する加工方法には、レーザ加工法がある。この方法は、たとえば、プレート上の貫通孔を形成する位置に、フォトレジストを形成し、プレート上のフォトレジストを形成していない領域に、マスクを形成する。マスクは、レーザなどの高エネルギ線を遮断するために形成する。フォトレジストを除去してから、マスクを介してレーザなどの高エネルギ線を照射することにより、プレートに貫通孔を形成することができる（特許文献１参照）。
【０００３】
また、微細な貫通孔を有するプラスチック薄膜を射出成形により形成する方法がある。たとえば、使用する金型の貫通孔形成部分に、シリコン樹脂などの弾性部材からなる突き当て型を当接し、突き当て型を当接した状態で射出成形する。射出成形には、金型の数μｍの隙間にも流れ込むような流動性のよい樹脂を使用することにより、微細な貫通孔を形成することができる。また、直径が５０μｍ以下の細く、折れやすい突き当て金型を使用しても、突き当て型が弾性部材からなるため、射出成形時に折れることがなく、成形樹脂に対する離形性がよくなるとある（特許文献２参照）。
【０００４】
打ち抜き加工により、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する方法がある。たとえば、セラミックスファイバであるポンチの表面に金属膜を形成し、ポンチの先端とダイス素材の表面との間で放電することにより、ポンチを接触せずに、ダイス素材にポンチが挿通可能なダイス孔を形成し、このポンチとダイスにより薄膜に微細な貫通孔を形成する。この方法によれば、ダイス孔の形成後も、ダイスとポンチの位置関係が変化しないため、ポンチをダイス孔に確実に挿通することができ、薄板にポンチの太さに相当する微細な貫通孔を短時間で容易に形成することができるとある（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平６−１２２２０３号公報
【特許文献２】特開２０００−７１４５９号公報
【特許文献３】特開２００４−１１４２２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、マスクを介してレーザを照射することにより貫通孔を形成するレーザ加工では、高輝度のレーザを照射する必要があり、照射位置を高精度に調整しなければならないため、加工装置が非常に高価となり、レーザにより貫通孔を形成していく加工方法であるため、スループットが小さい。
【０００６】
また、貫通孔の形成部位に突き当て型を当接し、流動性の良い樹脂を圧入して行なう射出成形では、使用できる樹脂の種類が大きく制限され、また、貫通孔の口径が小さくなり、狭ピッチ化すると、当接する突き当て型により、流路抵抗が大きくなるため、かかる加工方法では均一な樹脂注入が困難となる。
【０００７】
一方、セラミックスファイバであるポンチを使用して行なう打ち抜き加工では、形成できる貫通孔の口径は、セラミックスファイバの口径により定まるため、貫通孔の微細化に限界がある。また、１つの貫通孔は１本のポンチにより形成し、各ポンチをそれぞれホルダにアセンブルする必要があるため、加工装置におけるピッチ精度の維持が難しく、製造効率が低い。さらに、ポンチとダイスとが１対１に対応し、メンテナンスと破損時の復旧が難しいため、量産性が悪い。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の加工方法は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であり、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程とを備えることを特徴とする。
【０００９】
押し型は、金属またはセラミックスからなり、対向基材は、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる態様が好ましい。押し型は、ビッカース硬度が４００以上であるものが好適である。かかる押し型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製造することができる。また、ダイシング加工もしくは切削加工により製造することができる。
【００１０】
対向基材は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドより選ばれた材料からなるものが好ましく、加熱加工時におけるヤング率は、０．１ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下が好ましい。また、ビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上３．０倍以下が好ましい。
【００１１】
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程は、対向基材にプラスチック薄膜を固定する工程と、固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする工程とを備える態様が好適である。一方、貫通孔を形成する工程は、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換することが望ましい。また、プラスチック薄膜および／または対向基材は、リールから供給し、リールに巻き取る方式が好ましい。さらに、プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程は、真空雰囲気下で実施する態様が望ましい。
【００１２】
本発明の加工装置は、プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工装置であって、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段とを備えることを特徴とする。
【００１３】
貫通孔を形成する手段は、加圧時における面内最大圧力差が±１０％以下であるものが好ましく、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する態様が好ましい。また、プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する加工装置が好ましい。
【００１４】
本発明の微細構造体は、かかる加工方法により製造され、たとえば、医療用ネブライザノズル、インクジェットプリンタ用ノズル、高密度プリント基板上の極細回路、細胞捕捉用フィルタまたは超微細フィラ用フィルタとして有用である。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、プラスチックの流動現象を利用して、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（加工方法）
本発明の加工方法を図１に示す。この加工方法は、まず、図１（ａ）に示すように、プラスチック薄膜１を、押し型２と対向基材３との間にセットする工程と、押し型２と対向基材３との間で、プラスチック薄膜１をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、図１（ｃ）に示すように、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、矢印の方向に加圧して、図１（ｄ）に示すような貫通孔を形成する工程を備えることを特徴とする。
【００１７】
プラスチック薄膜の加熱は、押し型と対向基材との間で行ない、たとえば、プラスチック薄膜１を押し型２と対向基材３との間に挟んでから（図１（ｂ））加熱する方式、プラスチック薄膜のみを予め非接触の状態で加熱する方式、または、プラスチック薄膜を対向基材に接触させてから加熱する方式などにより加熱することができる。プラスチック薄膜１の加熱は、たとえば、対向基材３の直下に設置したヒータ（図示していない。）により行なうことができる。また、対向基材３の内部に加熱機能を導入して行なうこともできる。また、プラスチック薄膜を供給する過程で、非接触ヒータなどを利用して予め加熱することもできる。
【００１８】
プラスチックの流動開始温度以上に加熱してから加圧加工するため、プラスチックの流動現象を利用して、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。使用する押し型の精度によっても異なるが、本発明の加工方法により、孔径０．１μｍ以上の貫通孔を形成することができる。また、線幅０．１μｍ以上で横長の貫通孔である貫通ラインを形成することもできる。したがって、インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、細胞捕捉用フィルタ、超微細フィラ用フィルタまたは高密度プリント基板上の極細回路などの高機能微細構造体を安価に提供することができる。
【００１９】
プラスチック薄膜の材質は、比較的狭い温度範囲内で溶融し、冷却すると急速に硬化するプラスチックが、スループットが高い点で好ましく、たとえば、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリエーテルサルフォン、ポリサルフォン、ポリエーテルイミドなどのプラスチック薄膜に対して孔開け加工が可能である。プラスチック薄膜の厚さは特に限定されるものではないが、厚さ１μｍ〜１０ｍｍが好ましく、厚さ１０μｍ〜２００μｍがより好ましい。たとえば、厚さ数ｍｍのプラスチック平板または厚さ数十ミクロンのプラスチックフィルムを材料に使用することができる。
【００２０】
押し型に、剛性の高い材料を使用し、押し型に対向して使用する対向基材に、押し型より剛性が低く、押し型で加圧したときに塑性変形する金属またはプラスチックなどの材料を使用すると、加圧時の押し型の変形を防止し、プラスチック薄膜に容易に貫通孔を形成することができる点で好ましい。したがって、押し型は、ビッカース硬度が４００以上のものが好ましく、６００以上のものがより好ましい。
【００２１】
対向基材にセラミックスまたはシリコンを用い、押し型を対向基材にぎりぎりまで押し当てて樹脂を追い出すことにより貫通孔を形成することができる。この場合、対向基材を頻繁に交換しなくてもよい点で有利である。対向基材のビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上のものが好ましく、０．７５倍以上がより好ましい。硬度が０．５倍未満では、複数回にわたって対向基板を使用することが難しくなる。また、対向基材のビッカース硬度は、押し型のビッカース硬度の３．０倍以下が好ましく、２．０倍以下がより好ましい。対向基材のビッカース硬度が３．０倍を越えて大きくなると、押し型が破損しやすく、短寿命となりやすい。
【００２２】
押し型には、たとえば、金属またはセラミックスを用い、対向基材には、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる材料を使用することができる。また、対向基材に、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドなどの材料を用いると、熱伝導度が高まり、加熱または冷却時における伝熱がスムーズとなり、加工のスループットを高めることができる。
【００２３】
対向基材に金属またはプラスチックを用いるときは、加熱加工時におけるヤング率が、０．１ＧＰａ以上のものが好ましく、１ＧＰａ以上がより好ましい。ヤング率が０．１ＧＰａ未満であると、加圧時に、対向基材がプラスチック薄膜とともに変形し、貫通孔の形成が困難になる傾向がある。また、対向基材の加熱加工時におけるヤング率は、３００ＧＰａ以下が好ましく、２５０ＧＰａ以下がより好ましい。ヤング率が３００ＧＰａより大きくなると、微細柱列構造の押し型が破損しやすく、短寿命となりやすい。
【００２４】
プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間にセットするときは、まず、対向基材にプラスチック薄膜を固定してから、固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする態様が好ましい。かかる態様とすることにより、プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間にセットするときに、対向基材上でのプラスチック薄膜の浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材との間への気泡の混入などのトラブルを防止し、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００２５】
プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程を、真空雰囲気下で実施することによっても、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材の間への気泡の混入を防止することができ、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００２６】
また、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がり、および、プラスチック薄膜と対向基材の間への気泡の混入は、プラスチック薄膜および対向基材をリールから供給し、リールに巻き取る方式とすることによっても防止することができる。プラスチック薄膜のみをリールで供給することによっても効果があるが、プラスチック薄膜と対向基材の双方を一括してリールで供給するとより有効であり、きれいな孔開け加工が容易となる。リール・トゥ・リール方式は、一度セットすると、プラスチック薄膜と対向基材との相互の位置関係が変化しない点でも好ましい。プラスチック薄膜の供給は、たとえば、厚めの平板をバッチ式で送ることによっても可能である。
【００２７】
貫通孔を形成する工程においては、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換する態様が好ましい。対向基材に金属またはプラスチックを用い、プラスチック薄膜を押し型と対向基材との間で加圧すると、貫通孔を形成するとともに、押し型の圧力により対向基材の表面が塑性変形する。したがって、フラットな表面を有する新しい対向基材に交換することにより、高精度の貫通孔を形成することができる。対向基材を、ベース層と、ベース層上にある薄い対向基材層の２層構造とし、加圧により貫通孔を形成した後、塑性変形した薄い対向基材層のみを交換するようにしても同様に有効である。また、押し型と対向基材との加圧条件は、未貫通孔の発生を抑える点から、１ＭＰａ以上が好ましく、３ＭＰａ以上がより好ましい。一方、押し型および対向基材の破損と変形を防止する点から、６０ＭＰａ以下が好ましく、４０ＭＰａ以下がより好ましい
押し型は、リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、導電性基板上で樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、樹脂型を除去する工程とを含む方法により製作することができる。製作される押し型は、精密な金属微細構造体であるため、プラスチック薄膜に超微細な口径の貫通孔を形成することができ、貫通孔の狭ピッチ化にも十分対応できる。また、再現性よく製造することができ、一体形成が可能である。
【００２８】
押し型の製造方法を、図２および図３に例示する。図２に示す押し型の製造方法は、まず、図２（ａ）に示すように、導電性基板２１上に樹脂層２２を形成する。導電性基板として、たとえば、銅、ニッケル、ステンレス鋼などからなる金属製基板を用いる。また、チタン、クロムなどの金属材料をスパッタリングしたシリコン基板などを用いる。樹脂層には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）などのポリメタクリル酸エステルを主成分とする樹脂材料、またはＸ線もしくは紫外線（ＵＶ）に感受性を有する化学増幅型樹脂材料などを用いる。樹脂層の厚さは、形成しようとする押し型の厚さに合せて任意に設定することができ、数百ミクロンとすることもできる。
【００２９】
つぎに、樹脂層２２上にマスク２３を配置し、マスク２３を介してＸ線２４またはＵＶなどを照射する。高いアスペクト比を有する押し型を得るときは、ＵＶ（波長３６５ｎｍなど）より短波長であるＸ線（波長０．４ｎｍ）を使用する態様が好ましい。また、Ｘ線の中でも指向性が高い点で、シンクロトロン放射のＸ線（以下、「ＳＲ」という。）を使用するＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung)法は、ディープなリソグラフィが可能であり、数１００μｍの高さの微細押し型をサブミクロンオーダの高精度で大量に製造することができ、厚手のプラスチック薄膜用の押し型を得ることができる点で有利である。本実施の形態では、Ｘ線を照射する態様を例示する。
【００３０】
マスク２３は、押し型のパターンに応じて形成したＸ線吸収層２３ａと、透光性基材２３ｂとからなる。透光性基材２３ｂには、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ダイヤモンド、チタンなどを用いる。また、Ｘ線吸収層２３ａには、金、タングステン、タンタルなどの重金属あるいはその化合物などを用いる。導電性基板２１上の樹脂層２２が、たとえば、ポジレジストである場合、Ｘ線２４の照射により、樹脂層２２のうち、樹脂層２２ａは露光され変質（分子鎖が切断）するが、樹脂層２２ｂはＸ線吸収層２３ａにより露光されない。このため、現像により、Ｘ線２４により変質した部分のみが除去され、図２（ｂ）に示すような樹脂層２２ｂからなる樹脂型が得られる。
【００３１】
つぎに、電鋳を行ない、図２（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層２５を堆積する。電鋳とは、金属イオン溶液を用いて導電性基板上に金属材料からなる層を形成することをいう。導電性基板２１を給電部として電鋳を行なうことにより、樹脂型に金属材料層２５を堆積することができる。樹脂型の高さを越えて電鋳することにより、押し型の台座を形成することができる。金属材料には、ニッケル、銅、鉄、ロジウムまたはそれらの合金などを用いるが、押し型の耐摩耗性を高める点で、ニッケルまたはニッケルマンガンなどのニッケル合金が好ましい。
【００３２】
電鋳後、図２（ｄ）に示すように、酸もしくはアルカリによりウェットエッチングし、または、機械加工により、導電性基板２１を除去する。つづいて、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型２２ｂを除去すると、図２（ｅ）に示すような本発明の加工方法において有効に使用することができる押し型が得られる。
【００３３】
図２に示す製造方法においては、導電性基板２１を除去して（図２（ｄ））、押し型２５を製造するが、図３に示す製造方法のように、導電性基板を除去することなく押し型を製造することもできる。まず、図３（ａ）に示すように、基板３１ａ上に、ポジレジストからなる樹脂層３２を形成する。つぎに、樹脂層３２上にマスク３３を配置し、前述と同様にリソグラフィを行なう。露光により、樹脂層３２のうち、樹脂層３２ａは露光され変質するが、樹脂層３２ｂは露光されない。このため、現像により、図３（ｂ）に示すような樹脂層３２ｂからなる樹脂型が得られる。
【００３４】
つぎに、図３（ｃ）に示すように、樹脂層３２ｂの頂上部に、導電性基板３１ｂを形成し、基板３１ａを除去し（図３（ｄ））、電鋳を行ない、図３（ｅ）に示すように、導電性基板３１ｂをメッキ電極として、樹脂型に金属材料層３５を堆積する。電鋳後、必要に応じて、研磨または研削により所定の厚さに揃えてから、ウエットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型を除去すると、図３（ｆ）に示すような押し型が得られる。この押し型は、導電性基板を金型の台座として利用するため、台座を形成するために必要な電鋳時間を省略することができる。また、台座は、電鋳により形成するものではないため、内部応力による金型の反りが少ない。
【００３５】
導電性基板を除去することなく、押し型を製造する他の方法を図４に示す。この方法は、導電性基板の材質と、電鋳により形成する金属材料層の材質が近く、導電性基板と金属材料層との密着強度が大きい場合に利用することができる。まず、図２に示す方法と同様にして、リソグラフィを行ない（図４（ａ））、導電性基板４１上に樹脂型４２ｂを形成する（図４（ｂ））。つぎに、電鋳を行ない、樹脂型４２ｂに金属材料層４５ａを形成し（図４（ｃ））、研磨または研削して平坦化する（図４（ｄ））。最後に、ウェットエッチングまたはプラズマアッシングにより樹脂型４５ｂを除去すると、図４（ｅ）に示しような導電性基板４１付きの押し型が得られる。
【００３６】
押し型は、シリコンエッチングまたは光造形により非導電性マスタを形成する工程と、非導電性マスタを導電化する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。
【００３７】
シリコンエッチングにより非導電性マスタを形成する方法は、まず、プラズマＣＶＤにより、シリコン基板の表面にＳｉＮ膜を形成する。つぎに、ＳｉＮ膜上に、ポジレジストからなる樹脂層を形成する。つづいて、樹脂層上にマスクを配置し、リソグラフィを行なう。露光と現像により、樹脂層のうち、露光された部分が除去される。つぎに、ＳＦ6ガスでドライエッチングし、ＳｉＮ膜をパターニングしてから、樹脂層を剥離し、ＫＯＨ水溶液でシリコンエッチングすると、非導電性マスタを得ることができる。その後、Ｐｄなどの金属材料をスパッタリングして、非導電性マスタを導電化し、電鋳後、ウェットエッチングにより導電性マスタを除去すると、押し型が得られる。
【００３８】
光造形により非導電性マスタを形成する方法は、まず、液状の光硬化性樹脂（ディーメック製ＳＣＲ７０１など）を、マイクロ光造形装置において光ビームにより一層ずつ硬化し、積層して、非導電性マスタを形成する。つぎに、非導電性マスタにＰｄなどをスパッタリングして導電化し、導電性マスタに電鋳し、ウェットエッチングまたはプラズマアッシングにより導電性マスタを除去すると、押し型を得ることができる。
【００３９】
押し型は、ダイシング加工または切削加工によっても製造することができる。リソグラフィを利用する方法と異なり、マスクを使用しないため、押し型を短納期で製造することができる。また、ジルコニアなどのセラミックスからなる押し型を提供することができる。
【００４０】
押し型は、ダイシング加工または切削加工により導電性マスタを形成する工程と、電鋳により導電性マスタに金属材料層を形成する工程と、導電性マスタを除去する工程を含む方法により形成することができる。押し型をダイシング加工または切削加工により直接製造する上述の方法に比べて、高価なダイシング加工品または切削加工品から複数の押し型を得ることができる点で有利である。導電性マスタは、たとえば、銅または真鍮などから形成することができる。
【００４１】
（加工装置）
本発明の加工装置は、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、押し型と対向基材との間にあるプラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段とを備えることを特徴とする。プラスチックの流動開始温度以上に加熱して加圧加工するため、高精度で超微細な貫通孔をプラスチック薄膜に容易に形成することができ、製造コストが低廉である。
【００４２】
貫通孔を形成する手段においては、加圧時における面内最大圧力差を±１０％以下とすると、面内にある多数の微細孔加工を一括して行なっても、未貫通孔が生じにくい点で好ましく、面内最大圧力差を±５％以下に調整すると、より好ましい。
【００４３】
貫通孔を形成する手段は、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する手段を有する態様が好適である。貫通孔の形成後、プラスチックの流動開始温度以上にある部材を冷却し、プラスチックの固化を速めることにより、加工のスループットを上げ、量産化および低コスト化を図ることができる。冷却は、対向基材に冷却水を循環させて間接冷却する手段がある。また、対向基材の下部にある加熱ステージを冷却ステージに入れ替え、対向基材に接触させるなどの手段により行なうことができる。
【００４４】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、駆動系が相互に独立する態様が好ましい。各手段の駆動系を分離することにより、加工工程における繰り返し動作による相互の位置ズレを最小限に抑えることができ、常に面内最大圧力差を±１０％以下とすることが容易となる。たとえば、加工装置における、Ｘ軸ステージとＹ軸ステージとＺ軸ステージが重ならないようにし、それぞれを分離することにより精度を高めることができる。
【００４５】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する態様が好ましい。真空雰囲気下で加工作業を実施することにより、プラスチック薄膜の対向基材上での浮き上がりを抑え、プラスチック薄膜と対向基材間への気泡の混入を防止することができ、きれいな孔開け加工が可能となる。
【００４６】
実施例１
本実施例で使用する押し型を図４に示す方法で製造した。まず、導電性基板４１として、厚さ５ｍｍ、直径３インチのニッケル基板上に、厚さ６０μｍのアクリル樹脂層４２を形成し、樹脂層４２上にマスク４３を配置し、マスク４３を介してＸ線４４を照射した（図４（ａ））。マスク４３は、２５μｍ×２５μｍの透光領域が縦横５０μｍピッチで描かれ、透光性基材４３ｂが厚さ２μｍの窒化珪素、Ｘ線吸収層４３ａが厚さ３μｍの窒化タングステンからなるものを用いた。また、Ｘ線４４はＳＲを使用し、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲でリソグラフィを行なった。
【００４７】
つぎに、メチルイソブチルケトンにより現像し、イソプロパノールによりリンス処理した後、純水で洗浄すると、樹脂層４２のうち、露光された樹脂層４２ａのみが除去され、図４（ｂ）に示すような樹脂層４２ｂからなる樹脂型が得られた。つぎに、電鋳を行ない、図４（ｃ）に示すように、樹脂型に金属材料層４５ａを堆積した。電鋳は、スルファミン酸ニッケルメッキ浴に浸漬して行ない、樹脂型の頂上部を越えて金属材料層４５ａを堆積した。
【００４８】
電鋳後、図４（ｄ）に示すように、研磨により厚さ５０μｍでフラット化し、つづいて、酸素プラズマによりアッシングして樹脂型４５ｂを除去し、図４（ｅ）に示すような押し型を得た。この押し型には、縦２５μｍ×横２５μｍ×高さ５０μｍの角柱が、ピッチ５０μｍで、５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲に林立し、各角柱は０．１°の順テーパを有していた。
【００４９】
つぎに、対向基材であるＣｕ基板上に、熱可塑性ポリイミド（三井化学製のオーラム）を塗布し、乾燥して、厚さ３０μｍのプラスチック薄膜を形成した。つづいて、ＬＩＧＡ法により製造した上述のＮｉ製の押し型を、プラスチック薄膜上にセットし、熱可塑性ポリイミドからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約２４５℃）以上である２６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。貫通孔は、縦２５μｍ×横２５μｍ×深さ５０μｍ、ピッチ５０μｍであった。また、加工精度は±１μｍであり、非常に精度の高い加工を実現できることがわかった。
【００５０】
実施例２
対向基材であるＣｕ製基板上に、プラスチック薄膜として厚さ３０μｍのポリカーボネートフィルム（住友ベークライト製のＦＳ−１６５０）を置いた。つぎに、縦５０μｍ×横５０μｍ×高さ１００μｍの角柱が林立する超硬合金製の押し型をダイシングにより製作し、製作した押し型をプラスチック薄膜上にセットした。つづいて、ポリカーボネートからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約１４５℃）以上である１６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。貫通孔は、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍであった。また、加工精度は±２μｍであった。
【００５１】
実施例３
対向基材であるビッカース硬度１８００の窒化アルミニウム基板上に、プラスチック薄膜として厚さ３０μｍのポリカーボネートフィルム（住友ベークライト製のＦＳ−１６５０）を置いた。つぎに、縦５０μｍ×横５０μｍ×高さ１００μｍの角柱が林立するジルコニア製の押し型をダイシングにより製作し、製作した押し型をプラスチック薄膜上にセットした。
【００５２】
この押し型は、ビッカース硬度が１２００であった。つづいて、ポリカーボネートからなるプラスチック薄膜の流動開始温度（約１４５℃）以上である１６０℃にプラスチック薄膜を加熱した。プラスチック薄膜の加熱は、対向基材の直下に設置したヒータにより行なった。その後、プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で、１０ＭＰａで加圧して、貫通孔を形成した。形成された貫通孔は、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍであり、加工に際して、押し型および対向基材の破損、変形はともに認められなかった。
【００５３】
実施例４
ビッカース硬度１２００のジルコニア製の押し型の代わりに、ビッカース硬度６００の超硬合金からなる押し型を用いた以外は実施例３と同様にして加工した。その結果、縦５０μｍ×横５０μｍ×深さ６０μｍの貫通孔が形成され、加工に際して、押し型および対向基材の破損、変形はともに認められなかった。
【００５４】
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
インクジェットプリンタ用ノズル、医療用ネブライザノズル、超微細フィラ用フィルタまたは高密度プリント基板などの高機能微細構造体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の加工方法を示す工程図である。
【図２】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【図３】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【図４】本発明の加工方法において使用する押し型の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
【００５７】
１ プラスチック薄膜、２ 押し型、３ 対向基材、２１，３１ｂ 導電性基板、２２，３２ 樹脂層、２３，３３ マスク、２５，３５ 金属材料層。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であって、
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、
押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、
流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程と
を備えることを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記押し型は、金属またはセラミックスからなり、前記対向基材は、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記押し型は、ビッカース硬度が４００以上である請求項１に記載の加工方法。
【請求項４】
前記押し型は、
リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、
導電性基板上で前記樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、
前記樹脂型を除去する工程と
を含む方法により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項５】
前記押し型は、ダイシング加工により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項６】
前記押し型は、切削加工により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項７】
前記対向基材は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドより選ばれた材料からなる請求項２に記載の加工方法。
【請求項８】
前記対向基材は、前記加熱加工時におけるヤング率が、０．１ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項９】
前記対向基材は、ビッカース硬度が、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上３．０倍以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項１０】
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする前記工程は、
対向基材にプラスチック薄膜を固定する工程と、
固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする工程と
を備える請求項１に記載の加工方法。
【請求項１１】
貫通孔を形成する前記工程は、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換する工程を備える請求項１に記載の加工方法。
【請求項１２】
プラスチック薄膜および／または対向基材は、リールから供給し、リールに巻き取る請求項１に記載の加工方法。
【請求項１３】
プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程は、真空雰囲気下で実施する請求項１に記載の加工方法。
【請求項１４】
プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工装置であって、
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、
押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、
流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段と
を備えることを特徴とする加工装置。
【請求項１５】
貫通孔を形成する前記手段は、前記加圧時における面内最大圧力差が±１０％以下である請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１６】
貫通孔を形成する前記手段は、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する手段を有する請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１７】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法により製造された微細構造体。
【請求項１９】
前記微細構造体は、医療用ネブライザノズルである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２０】
前記微細構造体は、インクジェットプリンタ用ノズルである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２１】
前記微細構造体は、高密度プリント基板上の極細回路である請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２２】
前記微細構造体は、細胞捕捉用フィルタである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２３】
前記微細構造体は、超微細フィラ用フィルタである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項１】
プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工方法であって、
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする工程と、
押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する工程と、
流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する工程と
を備えることを特徴とする加工方法。
【請求項２】
前記押し型は、金属またはセラミックスからなり、前記対向基材は、金属またはセラミックスまたはプラスチックまたはシリコンからなる請求項１に記載の加工方法。
【請求項３】
前記押し型は、ビッカース硬度が４００以上である請求項１に記載の加工方法。
【請求項４】
前記押し型は、
リソグラフィにより樹脂型を形成する工程と、
導電性基板上で前記樹脂型に金属材料からなる層を電鋳により形成する工程と、
前記樹脂型を除去する工程と
を含む方法により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項５】
前記押し型は、ダイシング加工により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項６】
前記押し型は、切削加工により製造した請求項１に記載の加工方法。
【請求項７】
前記対向基材は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素またはタングステンカーバイドより選ばれた材料からなる請求項２に記載の加工方法。
【請求項８】
前記対向基材は、前記加熱加工時におけるヤング率が、０．１ＧＰａ以上３００ＧＰａ以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項９】
前記対向基材は、ビッカース硬度が、押し型のビッカース硬度の０．５倍以上３．０倍以下である請求項１に記載の加工方法。
【請求項１０】
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする前記工程は、
対向基材にプラスチック薄膜を固定する工程と、
固定したプラスチック薄膜に押し型をセットする工程と
を備える請求項１に記載の加工方法。
【請求項１１】
貫通孔を形成する前記工程は、貫通孔形成後に、使用済みの対向基材を新しい対向基材に交換する工程を備える請求項１に記載の加工方法。
【請求項１２】
プラスチック薄膜および／または対向基材は、リールから供給し、リールに巻き取る請求項１に記載の加工方法。
【請求項１３】
プラスチック薄膜をセットする工程から、加熱する工程を経て、貫通孔を形成する工程までの一連の工程は、真空雰囲気下で実施する請求項１に記載の加工方法。
【請求項１４】
プラスチック薄膜に微細な貫通孔を形成する加工装置であって、
プラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間にセットする手段と、
押し型と対向基材との間で、プラスチック薄膜をプラスチックの流動開始温度以上に加熱する手段と、
流動開始温度以上のプラスチック薄膜を、押し型と対向基材との間で加圧して貫通孔を形成する手段と
を備えることを特徴とする加工装置。
【請求項１５】
貫通孔を形成する前記手段は、前記加圧時における面内最大圧力差が±１０％以下である請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１６】
貫通孔を形成する前記手段は、貫通孔形成後に、プラスチック薄膜と押し型と対向基材のうち少なくとも１つを冷却する手段を有する請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１７】
プラスチック薄膜をセットする手段と、プラスチック薄膜を加熱する手段と、プラスチック薄膜に貫通孔を形成する手段とは、真空チャンバ内に配置する請求項１４に記載の加工装置。
【請求項１８】
請求項１に記載の方法により製造された微細構造体。
【請求項１９】
前記微細構造体は、医療用ネブライザノズルである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２０】
前記微細構造体は、インクジェットプリンタ用ノズルである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２１】
前記微細構造体は、高密度プリント基板上の極細回路である請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２２】
前記微細構造体は、細胞捕捉用フィルタである請求項１８に記載の微細構造体。
【請求項２３】
前記微細構造体は、超微細フィラ用フィルタである請求項１８に記載の微細構造体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２００６−１４２７１１（Ｐ２００６−１４２７１１Ａ）
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００４−３３７６９７（Ｐ２００４−３３７６９７）
【出願日】平成１６年１１月２２日（２００４．１１．２２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年６月８日（２００６．６．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年１１月２２日（２００４．１１．２２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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