(57)【要約】      （修正有）【課題】  電鋳複製工程不要でシンプルな加工プロセスにより原盤平坦度を悪化させない安価な鋳型製作方法、鋳型表面処理方法及び鋳型を提供する。【解決手段】  光学的面精度を有する基板１上に形成した酸化膜２面にレジスト３を塗布し、フォトマスク形成、露光・現像工程を経てレジストパターン４を形成する。開口部４ａに露出した陽極酸化膜を選択的に除去して、サブミクロンから数十ミクロンレベルの溝パターンを付与した鋳型５が得られる。【選択図】  図１
2006028604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学的面精度を有する基板上に形成した酸化膜を選択的に除去して形成した微細パターンで形状転写するようにしたことを特徴とする微細形状転写方法。
【請求項２】
光学的面精度を有する基板上に形成した酸化膜を選択的に除去して形成した微細パターンで形状転写するようにしたことを特徴とする鋳型製作方法。
【請求項３】
前記酸化膜としてアルミ酸化膜を形成したことを特徴する請求項２記載の鋳型製作方法。
【請求項４】
前記基板として、アルミニウム基板、アルミスパッタ膜を成膜したガラス、或いはセラミックス基板を用いるようにしたことを特徴とする請求項３記載の鋳型製作方法。
【請求項５】
前記酸化膜として、自然酸化膜、化学酸化膜、或いは陽極酸化膜を用いるようにしたことを特徴とする請求項３または４記載の鋳型製作方法。
【請求項６】
前記酸化膜を狙いの形状に食刻して鋳型パターンとしたことを特徴とする請求項５記載の鋳型製作方法。
【請求項７】
陽極酸化膜のビッカース硬度をＨｖ１５０〜３５０としたことを特徴とする鋳型表面処理法。
【請求項８】
陽極酸化膜のアンダー膜ビッカース硬度をＨｖ１５０〜２００、最外殻膜ビッカース硬度をＨｖ２００〜３５０の２層構成としたことを特徴とする鋳型製作方法。
【請求項９】
前記陽極酸化膜の形成法において電解初期の液温度を０〜１０℃とし、その後、電解液温度を２０±２℃の２段階で陽極酸化処理するようにしたことを特徴とする請求項８記載の鋳型製作方法。
【請求項１０】
鋳型裏面に薄膜抵抗体を一体的に配置するようにしたことを特徴とする鋳型。
【請求項１１】
鋳型裏面に薄膜抵抗体を一体的に配置するようにしたことを特徴とする鋳型製作方法。
【請求項１２】
前記鋳型構造において、鋳型パターン配置と対応した形で薄膜抵抗体を形成するようにしたことを特徴とする請求項１０記載の鋳型。
【請求項１３】
前記鋳型構造において、アルミ陽極酸化膜を薄膜抵抗体の電気絶縁層としたことを特徴とする請求項１０記載の鋳型。
【請求項１４】
前記鋳型構造において、アルミ陽極酸化膜を薄膜抵抗体の電気絶縁層としたことを特徴とする請求項１１記載の鋳型製作方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細形状パターンを具備した微細形状転写方法、鋳型製作方法及びこの方法により製作された鋳型に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、微細形状転写方法は、微細形状パターンを具備した鋳型の製作方法、原盤素材、フォトリソグラフィ、エッチング、めっき成膜などのマイクロ加工技術において、電着応力を伴わない鋳型製作法の提供、原盤平坦度を損なわない成形用鋳型及びその製作法の提供、複製工程を不要とした鋳型及びその製作法の提供、工程短縮した安価な鋳型及びその製作法の提供等を主眼としている（例えば、特許文献１及び２参照）。
また、微細形状転写方法は、パターン段差精度の優れた鋳型及びその製作法の提供、パターン密着性の良い鋳型及びその製作法の提供、パターン耐久性の良い鋳型及びその製作法の提供、熱伝導性に優れ、成形サイクル短縮可能な鋳型及びその制作方法の提供を主眼としている。
特許文献１は、光学的面精度の結晶状シリコン、非晶質シリコン、または石英からなる母材にレジストパターンを形成してイオンエッチングで微細パターンを形成するようにしたプラスチック製の光記録媒体成形用鋳型の製造方法を開示している。
特許文献２は、単結晶シリコン基板をホトリソブラフイ技術でエッチングして窪みをアレイ状に形成する。このアレイ状の窪みを電鋳等によりニッケルを付着させてレプリカを取った金型を作製し、この金型で透明樹脂材料をプレス成形することを開示している。
しかしながら、特許文献１では、シリコン、石英基板をイオンエッチングして細線パターンを形成したままで成形用鋳型にしたので繰り返しの転写複製における精度劣化がなく、ゴミ異物などの欠陥が少ない利点はあるものの、射出成形用の鋳型としては二次加工性、耐熱特性、機械的強度面で実用に供し得ない欠点がある。
また、特許文献２では、凹凸パターンを形成したシリコン基板からニッケル電鋳で前記窪みパターンを転写させる。成形用鋳型はニッケル厚さが３〜５ミリ程必要で電鋳複製日数の他に機械加工などの日数を含めると１０日間も要する。
さらには、電鋳時のめっき内部応力による反り・変形で初期シリコン基板の平坦度より５０〜１００倍程度悪化した鋳型となってしまうプロセス上の欠点を有している。
【０００３】
図５は従来のシリコン鋳型作成ないしＮｉ電鋳複製プロセスを示す概略断面図である。図５の従来の鋳型製造プロセスにおいて、まず、シリコン単結晶基板（以下、シリコン基板）１を用意する。
鏡面状に研磨されたシリコン基板１は、平面度、表面粗さともに優れた性状を示し、精密ものの鋳型に適する。一般に入手可能なシリコン基板の厚さは０．５ｍｍ以下である。
両面に熱酸化膜２を形成したシリコン基板１（図５（ａ））の片面上にレジスト３を塗布（図５（ｂ））した後、露光・現像プロセス（図５（ｃ））を経て所望のレジスト開口パターン４を形成する（図５（ｄ））。
電子ビーム用レジストと電子ビーム直描によればナノオーダーのレジストパターンを形成できる。以下、紫外線感光型のレジストパターン形成の例で説明する。
フォトリソプロセスで形成したレジスト開口部の熱酸化膜２を弗酸希薄水溶液で溶解除去する（ｈ）。シリコン酸化膜をエッチングレジストとして加温した水酸化カリウム水溶液でエッチングすると熱酸化膜２の無いところは凹状に食刻される（ｉ）。
図６はエンボシング成形プロセスを説明する概略断面図である。シリコン基板１の結晶方位によりエッチング速度が異なり、結晶方位にしたがった形状の凹凸パターンを形成することができる。
一般にシリコン基板１の厚さは０．５ミリ以下で、食刻したシリコン基板１をそのままエンボス成形に用いると鋳型が割れてしまう問題があった（図６）。そこで、シリコン鋳型を原盤としてニッケル電鋳で転写複製する。
ニッケル複製型にすればハンドリング時に破損する欠点は改善される。シリコン鋳型５上にニッケル電鋳して、最終的にシリコンとニッケル部を分離（図５（ｊ））するとシリコン原盤パターンと反転一致したニッケル複製型が得られる（図５（ｋ））。
【特許文献１】特許第２５３１４７２号
【特許文献２】特開２００１−１３３７７２公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
一般に、厚さ３ミリ程度のニッケル複製型を作成するには最終的な外形加工まで含めると５〜１０日間ほど要する。シリコン原盤が薄いことと、ニッケル電鋳時の電着応力の作用で、ニッケル複製型の平坦度は原盤より低下する。
複製型の外形寸法によっても異なるが、直径５０ミリで約５０ミクロン程の平坦度となる。シリコン原盤の平坦度が約１ミクロンレベルなので５０倍ほど悪化する。
複製では平坦度が悪化する大きな問題があった。反り変形が大きいと、転写対象物の基板と接触しない領域が生じ狙いの転写ができないことになる。反り変形要因である電着応力制御には、液管理、膜厚管理、応力減少剤の添加など、多くのノウハウと経験を必要とする。
そこで、本発明の目的は、上述した実情を考慮して、電鋳複製工程不要でシンプルな加工プロセスにより原盤平坦度を悪化させない安価な鋳型製作方法、鋳型表面処理方法及び鋳型を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、光学的面精度を有する基板上に形成した酸化膜を選択的に除去して形成した微細パターンで形状転写するようにした微細形状転写方法を特徴とする。
また、請求項２に記載の発明は、光学的面精度を有する基板上に形成した酸化膜を選択的に除去して形成した微細パターンで形状転写するようにした鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項３に記載の発明は、前記酸化膜としてアルミ酸化膜を形成した請求項２記載の鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項４に記載の発明は、前記基板として、アルミニウム基板、アルミスパッタ膜を成膜したガラス、セラミックス基板を用いるようにした請求項３記載の鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項５に記載の発明は、前記酸化膜として、自然酸化膜、化学酸化膜、陽極酸化膜を用いるようにした請求項３及び４記載の鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項６に記載の発明は、前記酸化膜を狙いの形状に食刻して鋳型パターンとした請求項５記載の鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項７に記載の発明は、陽極酸化膜のビッカース硬度をＨｖ１５０〜３５０とした鋳型表面処理法を特徴とする。
【０００６】
また、請求項８に記載の発明は、陽極酸化膜のアンダー膜ビッカース硬度をＨｖ１５０〜２００、最外殻膜ビッカース硬度をＨｖ２００〜３５０の２層構成とした鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項９に記載の発明は、前記陽極酸化膜の形成法において電解初期の液温度を０〜１０℃とし、その後、電解液温度を２０±２℃の２段階で陽極酸化処理するようにした請求項８記載の鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項１０に記載の発明は、鋳型裏面に薄膜抵抗体を一体的に配置するようにした鋳型を特徴とする。
また、請求項１１に記載の発明は、鋳型裏面に薄膜抵抗体を一体的に配置するようにした鋳型製作方法を特徴とする。
また、請求項１２に記載の発明は、前記鋳型構造において、鋳型パターン配置と対応した形で薄膜抵抗体を形成するようにしたことを特徴とする請求項１０記載の鋳型を特徴とする。
また、請求項１３に記載の発明は、前記鋳型構造において、アルミ陽極酸化膜を薄膜抵抗体の電気絶縁層とした請求項１０記載の鋳型を特徴とする。
また、請求項１４に記載の発明は、前記鋳型構造において、アルミ陽極酸化膜を薄膜抵抗体の電気絶縁層とした請求項１１記載の鋳型製作方法を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、陽極酸化膜処理はニッケル電鋳のような電着応力が発生しないので反り変形を生じないので、前面転写性に優れた鋳型及び鋳型製作方法が得られる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は本発明による鋳型製造プロセスの第１の実施の形態を示す概略断面図である。図１において、まず、鋳型原盤の基となる基板材料１を用意する（図１（ａ））。
本実施の形態では陽極酸化性の優れたアルミニウムＡ５０５２材を用いた。原盤所望の平坦度、表面粗さに基板面を機械加工で仕上げる。本実施の形態ではアルミ基板１面をシリコン単結晶の切削バイトで超精密切削して基板平坦度５μｍ以下、表面粗さＲｚ０．１μｍ以下とした。
このアルミ基板１を図示しない治具に固定した後、硫酸水溶液１０〜２０Ｖｏｌ％、電解温度２０±１℃、電圧１０〜２０Ｖで陽極電解し、陽極酸化膜２を形成する。陰極には、アルミニウム、白金、鉛、のいずれかの平板を用いる。
電解中のジュール熱による液温上昇を防ぐため冷却器と液循環ポンプを併用した。陽極酸化膜２の厚さは或る厚さまではファラデー則にしたがう。狙いの厚さになったら通電を停止する。
液中より引き出し水洗乾燥後、前記基板１を治具より取り外す。アルミの陽極電解では基板板厚方向にアルミニウム陽極酸化膜２が成長する。通電量により、サブミクロン領域から数十ミクロンオーダーまで膜厚制御できる。
次にフォトリソ工程に移る。基板１の陽極酸化膜２面に光感光性樹脂（レジスト）３を塗布する（図１（ｃ））。レジスト３塗布後、フォトマスク形成と、露光・現像工程（図１（ｄ））を経て狙いのレジストパターン４（３）を形成する。
レジストパターン４に形成された開口部４ａ内には陽極酸化膜２が露出する。スルファミン酸水溶液、若しくは、燐酸水溶液でレジスト開口部の陽極酸化膜２をエッチング除去する（ｅ）。レジスト開口部の陽極酸化膜が溶解除去され基板金属１のアルミニウムが露出する（ｆ）。
陽極酸化膜２とアルミニウム基板金属のエッチング速度に差があるので陽極酸化膜の厚さで鋳型溝深さはほぼ決定づけられる。陽極酸化とエッチングプロセスのみでサブミクロンから数十ミクロンレベルの溝パターンを付与した鋳型５が製作できる。
【０００９】
このように本発明に係る微細形状転写方法、或いは鋳型製作方法の第１の特徴は、光学的面精度を有する基板１上に形成した酸化膜２を選択的に除去して形成した微細パターン２で形状転写するようにした点にある。光学的面精度を有する基板上に形成した酸化膜を選択的に除去して形成した微細パターンで形状転写するようにした点にある。
酸化膜２としては、例えばアルミ酸化膜を使用する。また、酸化膜として、自然酸化膜、化学酸化膜、或いは陽極酸化膜を用いる。酸化膜２を狙いの形状に食刻して鋳型パターンとする。
基板１としては、アルミニウム基板、アルミスパッタ膜を成膜したガラス、或いはセラミックス基板を用いることができる。
陽極酸化膜２のビッカース硬度をＨｖ１５０〜３５０とする。
陽極酸化膜２のアンダー膜ビッカース硬度をＨｖ１５０〜２００、最外殻膜ビッカース硬度をＨｖ２００〜３５０の２層構成としてもよい。
陽極酸化膜２の形成法において電解初期の液温度を０〜１０℃とし、その後、電解液温度を２０±２℃の２段階で陽極酸化処理する点も特徴的である。
【００１０】
図２は本発明による鋳型製造プロセスの第２の実施の形態を示す概略断面図である。本発明の第２の実施の形態では、原盤素材に、ガラス、セラミックスなどの非金属基板１１を用いる（図２（ａ））。
例えば、板ガラス基板を用いれば鏡面性と平坦性に優れ、安価かつ容易に光学面精度の基板１１を入手できる。ガラス基板１１そのままでは陽極酸化はできないのでアルミニウムのスパッタ膜を成膜する必要がある。
ガラス基板１１洗浄後、鋳型パターン形成面に透明導電膜（ＩＴＯ）１２を厚さ５００〜１０００ｎｍ程度成膜する（図２（ｂ））。引き続き、アルミニウムのスパッタ膜１３を厚さ１０００〜２０００ｎｍ成膜する（図２（ｃ））。
燐酸を主成分とした電解液中で陽極酸化する（図２（ｄ））。所望の鋳型パターン厚さまで陽極酸化して陽極酸化膜１４を形成する。陽極酸化が終了したら水洗乾燥を経て基板１１を取り出す。
第１の実施の形態と同様のフォトリソ工程でレジストパターンを形成し（図２（ｅ））、露光マスクを用いて露光、現像して陽極酸化膜１４のパターンを形成してから（（ｆ）、（ｇ））、陽極酸化膜１４の開口部内のスパッタ膜１３をエッチング除去し（図２（ｈ））、更に陽極酸化膜１４を除去するとアルミニウムスパッタ膜１３の段差、ＩＴＯ基板面１２、非金属基板１１からなる微細形状パターンの鋳型１５が完成する（図２（ｉ））。元の基板平坦度とほぼ一致した平坦度の鋳型原盤１５が得られる。
本発明による鋳型製造プロセスの第３の実施の形態は第１の実施の形態と同様に、アルミニウム陽極酸化膜を食刻して酸化膜と基板露出面からなる微細形状パターンを鋳型としたものである。
アルミ陽極酸化における電解液温度を、０〜１０℃の範囲内で処理するようにした。結果として陽極酸化膜の硬度はＨｖ２００〜３５０の硬質膜となりエンボシング成形用鋳型としたとき、鋳型耐磨耗性が向上する。
本発明による鋳型製造プロセスの第４の実施の形態は、第１の実施の形態と同様に、アルミニウム陽極酸化膜を食刻して酸化膜と基板露出面からなる微細形状パターンを鋳型としたものである。
アルミ陽極酸化の電解液初期温度を、０〜１０℃の範囲内で処理した後、電解液を昇温させて２０±１℃内で連続して電解処理するようにした。陽極酸化膜最外殻層がＨｖ２００〜３５０硬質膜で、基板側アンダー層がＨｖ１５０〜２００の膜硬度的に２層構造になるようにして素材との急激な硬度変化を防止した。
２層構造にしたことにより膜のひび割れ（クラック）や耐衝撃性を改善できた。樹脂型成における対象材料、転写成形条件、用途などにより前記第３の実施の形態と使い分ける。
【００１１】
図３は本発明による第５の実施の形態であるヒータ内蔵型鋳型を示す概略断面図である。図４は図３のヒータ内蔵型鋳型裏面を示す平面図である。図３及び図４において、鋳型は片面に陽極酸化膜パターン１６を、更に陽極酸化膜パターン１６の裏面に電熱ヒーターパターン１７を形成したヒータ内蔵型の鋳型である。
第１の実施の形態と同様にアルミニウム基板１１を用意する。この第５の実施の形態では基板１１両面を陽極酸化処理する。片面は第１の実施の形態と同様に、陽極酸化膜形成、エッチングパターンを形成して狙いの陽極酸化膜による鋳型パターン１２を形成する。裏面の陽極酸化膜１６上に薄膜ヒータ部材（薄膜抵抗体）１７を接着接合する。
この鋳型構造において、アルミ陽極酸化膜１６を薄膜ヒータ部材（薄膜抵抗体）１７の電気絶縁層とするのが好ましい。
薄膜ヒータ部材１７は、ポリイミドフイルム上にポリイミド系耐熱接着剤でＮｉ−Ｃｒの金属箔を接合し、抵抗体パターン状に細線エッチング加工したものである。または、陽極酸化基板面の片面にポリイミド系耐熱接着剤でＮｉ−Ｃｒの合金箔を接合してから電気抵抗体の細線パターンを形成する。
いずれも、陽極酸化膜のエッチングで形成された鋳型パターンと対応した関係で抵抗パターンを部分的にレイアウトして局部加熱できるようにしてある。陽極酸化膜とアルミ基板露出部から形成された微細形状パターンの鋳型が得られる。
陽極酸化膜は基板金属から、直接、膜成長するので密着性が極めてよい。ニッケル電鋳のような電着応力の発生が無いので元の基板平坦度を持続した微細形状の鋳型が得られる。金属なので割れや破損がない。エッチングしただけの複製不要なので工程短縮でき安価な鋳型が提供できる。
アルミニウムなので表面を切削と陽極酸化すれば繰り返し使用できる。最終的には原材料としてリサイクルできるので省材料という観点で環境的にも有利なものである。
金属アルミニウムを電解液中で陽極酸化膜するとアルミナＡｌ2Ｏ2の硬質物質が密着性よく成膜できる作用によりこのアルミナＡｌ2Ｏ2部分をフォトリソグラフィでエッチングすると硬質な微細パターンを付与した鋳型原盤を製作できる効果がある。
【００１２】
陽極酸化膜処理はニッケル電鋳のような電着応力が発生しないので反り変形を生じないので前面転写性に優れた鋳型が得られる効果を有する。陽極酸化膜は基板から直接膜成長するので極めて密着性の優れた鋳型パターンが得られる効果を有する。
アルミニウムを鋳型材料に用いるので熱伝導性に優れるのでエンボシング鋳型に応用すると成形サイクルを短縮できる効果がある。アルミニウムを鋳型材料としたので転写、ハンドリング時に割れ、破損しない鋳型が得られる効果を有する。
安価なアルミニウム基板を用い陽極酸化とエッチングだけの安価な鋳型を提供できる効果がある。鋳型材料がアルミニウムなので再使用、原材料リサイクルができるので省材料、環境側面に優れる効果を有する。
陽極酸化膜は容易に厚さ一定化できるので凹凸パターンの段差一定な鋳型を形成できる効果がある。電解条件制御で硬質の陽極酸化膜を成膜できるので耐磨耗性、耐久性の優れた鋳型が得られる効果を有する。
陽極酸化膜には微細孔を設け、金属充填により異なった特性が得られる効果を有する。陽極酸化膜と基板材料とのエッチングレイトの差より段差パターンの一定な鋳型を形成できる効果を有する。
エッチング容易性によりパターンの粗密が自由な鋳型を容易に形成できる効果を有する。二次元的にパターンレイアウトの自由度大な鋳型が得られる効果を有する。陽極酸化膜のエッチングパターンを鋳型とするので複製工程を不要とする鋳型が得られる効果を有する。
基板鏡面性、平坦性の良いガラス、セラミックス基板にアルミスパッタした膜を陽極酸化とエッチングしたのでナノメータレベルの鋳型が容易に得られる効果を有する。
本発明は、原盤素材、フォトリソグラフィ、エッチング、めっき成膜などのマイクロ加工技術を応用したマイクロ部品及びその鋳型製作方法、エンボシング、ナノインプリンテイングなどの微細形状転写技術に関する。
また、導光板成形法及び鋳型製作分野、インクジェット式記録ヘッド用流路板成形及び鋳型製作分野、マイクロ流体素子及び成形用鋳型製作分野、光書き込みヘッド導光路製作分野、微小三次元構造部品の成形及び鋳型製作分野においても利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明による鋳型製造プロセスの第１の実施の形態を示す概略断面図。
【図２】本発明による鋳型製造プロセスの第２の実施の形態を示す概略断面図。
【図３】本発明による第５の実施の形態であるヒータ内蔵型鋳型を示す概略断面図。
【図４】図３のヒータ内蔵型鋳型裏面を示す平面図。
【図５】従来のシリコン鋳型作成ないしＮｉ電鋳複製プロセスを示す概略断面図。
【図６】エンボシング成形プロセスを説明する概略断面図。
【符号の説明】
【００１４】
１  基板（アルミ基板）
２  アルミ陽極酸化膜
３  レジスト
５  鋳型
１１  基板（ガラス基板）
１２  ＩＴＯ膜（透明導電膜）
１３  アルミ酸化膜
１４  レジスト
１５  鋳型
１６  陽極酸化膜（電気絶縁層）
１７  薄膜抵抗体（薄膜ヒータ部材）
【図１】
2006028604.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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