(57)【要約】【課題】高精度で微細な金型を、金属のチタン又はチタン合金等をプラズマエッチングして形成した成形用金型とその製造方法を提供する。【解決手段】被エッチング材料であるチタン材料の表面に、所定のパターンでニッケルのマスクを形成する。内部を排気可能に形成された真空容器１２を設け、真空容器１２内に被エッチング材料を載せるステージ２０を設け、エッチングガスを真空容器１２内に導入する。エッチングガスは、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、プロセス圧力を０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の条件で、ステージ電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２以上３．０Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加する。エッチングガスによりフッ素含有プラズマを生成し、プラズマによりチタン材料表面をプラズマエッチングして金型を形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
チタンを有する材料により形成された成形用金型であって、表面粗さがＲａ＝１００ｎｍ以下に形成され、表面に微細な溝、穴、又は凹凸形状を有することを特徴とする成形用金型。
【請求項２】
前記微細な溝、穴、又は凹凸形状の溝幅や穴径、凹凸形状の幅は、０．３μｍ以上５００μｍ以下であり、前記各形状の段差は０．１μｍ以上５００μｍ以下である請求項１記載の成形用金型。
【請求項３】
前記微細な溝、穴、又は凹凸形状は、アスペクト比０．０００１以上１０以下であり、
各形状の垂直性が加工表面に対して８５°から９０°の範囲にある請求項１記載の成形用金型。
【請求項４】
被エッチング材料の表面をエッチングガスによりエッチングして微細な金型を製造する成形用金型の製造方法において、
前記被エッチング材料の表面に所定のパターンのマスクを形成し、
内部を排気可能に形成された真空容器を設け、前記真空容器内に前記被エッチング材料を載せるステージを取り付け、
前記エッチングガスは、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、プロセス圧力を０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の条件で、ステージ電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２以上３．０Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加し、必要に応じて磁場やマイクロ波を印加して、前記エッチングガスによりフッ素含有プラズマを生成し、前記プラズマにより前記被エッチング材料表面をプラズマエッチングして金型を形成することを特徴とする成形用金型の製造方法。
【請求項５】
前記エッチングガスのプロセス圧力を０．３Ｐａ以下に設定し、プラズマエッチングを行う請求項４記載の成形用金型の製造方法。
【請求項６】
前記被エッチング材料は、純チタン、チタン合金、またはエッチングガスであるフッ素と反応生成物を形成する金属である、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、もしくはタングステンの各々バルク材である請求項４又は５記載の成形用金型の製造方法。
【請求項７】
前記マスクは、前記被エッチング材料表面にめっきによるニッケル膜を形成して設けるものである請求項４又は５記載の成形用金型の製造方法。
【請求項８】
前記エッチングガスは、フッ素原子を含むガスを主成分とし、不活性ガスまたはハロゲン含有ガスとの混合ガスを含む請求項４乃至７のいずれか記載の成形用金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、エッチングガスをプラズマ化して、ドライエッチングにより金属表面に微細な加工を行い形成した成形用金型とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ドライエッチングは、ウェットエッチングに比べて、微細加工を高い精度で行うことができ、プラズマエッチングによるシリコンの微細加工技術は、半導体集積回路の製造等に広く用いられている。ドライエッチングによるシリコンの加工精度は、集積回路の微細化にともなって極めて高いものになっており、自動車やモバイル機器に数多く搭載されているマイクロセンサ、バイオ分野、医療機器用途のいわゆるMEMS製造工程において必須となっている。特に近年、樹脂製マイクロチップを射出成形する微細金型として、ドライエッチングによりシリコンを微細加工したものが用いられている。
【０００３】
しかし、シリコンは脆性材料であることから、非常に壊れやすく、シリコンをドライエッチングした樹脂成形用の微細金型は、耐久性が必要とされる成形用途には不向きであった。
【０００４】
一方、金属製の微細金型としては、ニッケル製の成形金型があるが、その作製には転写の繰り返しが必要であり、それによる寸法精度の劣化や、製作コストの上昇、加工面の面粗さの制御ができない等の問題があった。これに対して、金属のチタンは高靱性、高弾性、高耐食性、高生体適合性などの優れた特性を持ち、高耐久性の微細金型の用途に好適な材料である。しかし、従来のチタン加工法であるレーザや切削加工ではマイクロスケールの加工は難しく、また加工形状の自由度や精度、加工面の平滑性などの点で多くの課題があり、チタンを微細金型の製造に使用することはできなかった。そのため、マイクロスケールの高精度微細加工に優れたドライエッチングにより、チタン金型等の高精度微細金型の製造が望まれていた。
【０００５】
従来のドライエッチングのプラズマエッチング方法としては、例えば特許文献１に開示されているように、被エッチング材料である酸化物材料を、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分としたフッ素含有プラズマを用いてエッチングを行うものが提案されている。また、特許文献２には、アルミニウムやチタン合金の膜を、プラズマエッチングする方法が開示されている。このプラズマエッチング方法では、塩素原子を含むエッチングガスや、フッ素原子を含むエッチングガスを用いることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−１６５２２８号公報
【特許文献２】特開２００６−３４５００１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
マイクロ流路などの成形においては、深さ５０μｍ以上の溝や凹凸形状を成形するために、金型表面にも同じサイズの構造を設ける必要がある。そのため、金型材料の金属は板材の様な、バルク材料である必要があり、特許文献２に開示されているようなチタン膜等は使用できないきないものである。
【０００８】
さらに、上記従来のプラズマエッチング方法をチタン板のエッチングに適用して金型を製造しようとしても、エッチング速度が非常に遅く、深さ５０μｍ以上の深掘り加工は困難であった。エッチング速度を上げるために印加電力を上げたりエッチングガス圧力を上げた場合は、表面性状が大きく低下し、精密微細な成形用金型の製造ができないものであった。また、塩素原子を含むエッチングガスは毒性が高く取扱いが危険であり、特殊な設備を必要とするため製造コストが高くなるという課題がある。
【０００９】
チタン板をプラズマエッチングして微細な金型を製造するには、高アスペクト比の深掘り加工が可能であり、効率的な生産に適した加工速度、及び加工面の平滑さが求められる。さらに、プラズマエッチングにおいて加工可能な深さは被加工材とマスク材との選択比で決まるため、深掘り加工のためには十分な厚みを持つエッチングマスクの形成が必要となる。チタンのバルク材の加工では、０．５μｍ／ｍｉｎ以上の加工速度が最低限必要であり、金型として使用するためには、加工面の粗さはバフ仕上げ相当（表面粗さ：Ｒａ＝１００ｎｍ以下）が最低限必要とされる。
【００１０】
この発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたもので、高精度で微細な金型を、金属のチタン又はチタン合金等をプラズマエッチングして形成した成形用金型とその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明は、チタンを有する材料により形成された微細な形状の成形用金型であって、表面粗さがＲａ＝１００ｎｍ以下に形成され、表面に０．３μｍ以上５００μｍ以下の微細な溝や穴、凹凸形状を有する成形用金型である。
【００１２】
上記の微細な溝や穴、凹凸形状の加工深さ、または高さは、０．１μｍ以上５００μｍ以下である。アスペクト比（加工形状の幅または径に対する、深さまたは高さの比）は、０．０００１以上１０以下である。上記の微細な溝や穴、凹凸形状の垂直性（側壁角度）は、加工表面に対して８５°から９０°の範囲にある。
【００１３】
またこの発明は、被エッチング材料であるチタン等の表面をエッチングガスによりエッチングして微細な金型を製造する成形用金型の製造方法であって、前記被エッチング材料の表面に所定のパターンのマスクを形成し、内部を排気可能に形成された真空容器を設け、前記真空容器内に前記チタン材料を載せるステージを取り付け、前記エッチングガスは、少なくともフッ素原子を含むガスを主成分とし、プロセス圧力を０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下の条件で、ステージ電力密度０．２Ｗ／ｃｍ２以上３．０Ｗ／ｃｍ２以下の高周波電力を印加し、必要に応じて磁場やマイクロ波を印加して、前記エッチングガスによりフッ素含有プラズマを生成し、前記プラズマにより前記被エッチング材料表面をプラズマエッチングして、材料の直接加工により金型を形成する成形用金型の製造方法である。
【００１４】
特に、前記エッチングガスのプロセス圧力を０．３Ｐａ以下に設定し、プラズマエッチングを行うと良い。
【００１５】
前記被エッチング材料は、純チタン、チタン合金である。またはエッチングガスであるフッ素と反応生成物を形成する金属である、ジルコニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、もしくはタングステンでも良く、それらの板材やバルク材であれば良い。
【００１６】
前記マスクは、前記被エッチング材料表面にめっきによるニッケル膜を形成して設けるものである。前記エッチングガスは、フッ素原子を含むガスを主成分とし、不活性ガスやハロゲン含有ガスとの混合ガスを含むものでも良い。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、精密加工の難しいチタンが高精度に加工され、耐久性が高く、表面に微細な構造をもつ成形用金型を提供することができる。特に、チタン板に、深さ５０μｍ以上、かつ、表面粗さがＲａ＝１００ｎｍ以下の微細な形状が形成できれば、耐久性が高く、量産にも適した金型が形成でき、種々のマイクロチップの成形に利用することができる。
【００１８】
またこの発明の成形用金型の製造方法によれば、エッチング条件を選択することにより表面粗さをＲａ＝１００ｎｍ以下としたり、加工速度を０．５μｍ／ｍｉｎ以上とすることが容易に可能であり、必要に応じて、種々の精密な加工をチタンに対して行うことができ、所望の形状のチタン製微細成形用金型を、精密に効率的に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】この発明の一実施形態の成形用金型を製造するプラズマエッチングに用いる、平行平板方式のプラズマエッチング装置の概略縦断面図である。
【図２】この発明の一実施例の成形用金型の製造方法において、高周波電力をステージ電力密度１．１Ｗ／ｃｍ２としプロセス圧力を０．３Ｐａにして形成したチタン製の金型の一部分を示す電子顕微鏡写真（ａ）と、高周波電力をステージ電力密度１．１Ｗ／ｃｍ２としプロセス圧力を０．７Ｐａにして形成したチタン製の金型の一部分を示す電子顕微鏡写真（ｂ）である。
【図３】この発明の一実施例の成形用金型の製造方法において、プロセス圧力を０．３Ｐａとし高周波印加電力をステージ電力密度０．７Ｗ／ｃｍ２にして形成したチタン製の金型の一部分を示す電子顕微鏡写真（ａ）と、プロセス圧力を０．３Ｐａとし高周波印加電力をステージ電力密度１．６Ｗ／ｃｍ２にして形成したチタン製の金型の一部分を示す電子顕微鏡写真（ｂ）である。
【図４】この発明の一実施例のプラズマエッチング方法により形成したチタン製の金型を示す写真（ａ）、このチタン製の金型の一部分を示す電子顕微鏡写真（ｂ）である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、この発明の実施の形態について説明する。この実施形態の成形用金型の製造方法に用いるプラズマエッチング装置１０は、図１に示すような平行平板方式のプラズマエッチング装置であり、アルミニウム等の非磁性体の導体により形成された円筒状の真空容器１２と、この真空容器１２内にプラズマを閉じ込めるための磁場を形成する永久磁石１４を備える。真空容器１２は、上面側に開口部１２ａを有し、真空容器１２の開口部１２ａに取り付けられた環状の非磁性体の取付枠１６に、例えば厚さ１０ｍｍの石英製の上蓋１８が嵌合して、真空容器内１２内を密閉している。永久磁石１４は、上蓋１８の上面に設置され固定されている。真空容器１２と取付枠１６及び石英製の上蓋１８は、互いに気密状態で嵌合し、真空容器１２内を所定の減圧状態に維持可能に形成され、図示しない真空ポンプに接続されている。
【００２１】
真空容器１２内には、被エッチング材料であるチタン板を載せてプラズマエッチングを行うステージ２０が設置されている。なお、この発明では、純チタン及びチタン合金を総称してチタンという。ステージ２０は高周波印加電極を兼ねたもので、ステージ２０の上面２０ａと上蓋１８の裏面１８ａとの間隔ｄ１は、例えば１５ｍｍ〜２５ｍｍに設定されている。
【００２２】
真空容器１２内の上蓋１８とステージ２０との間には、ガス導パイプ２２が環状に配置されている。ガス導入パイプ２２は、永久磁石１４の裏面側で永久磁石１４の裏面に投影した位置では、永久磁石１４の外周を囲むように、真空容器１２に配置される。環状のガス導入パイプ２２の内周側の側面には、ガス噴出口２２ａが等間隔で形成され、ステージ２０の上面２０ａとガス噴出口２２ａとの間隔ｄ２は、５ｍｍ〜１５ｍｍに設定されている。ガス導入パイプ２２は、真空容器１２の外部に導かれた配管２４に接続され、所定のエッチングガスを導入可能に設けられている。
【００２３】
この実施形態によるプラズマエッチング装置１０の動作は、ドライエッチング処理においては、真空容器１２にガス導パイプ２２よりＳＦ６を主成分とした不活性ガスやハロゲン含有ガスとの混合ガスを導入し、所定のプロセス圧力例えば０．３Ｐａになるように図示しない真空ポンプより圧力制御する。その後、高周波電源から電極であるステージ２０に、１〜１０数ＭＨｚ、例えば１３．５６ＭＨｚであって、ステージ電力密度が０．２Ｗ／ｃｍ２以上３．０Ｗ／ｃｍ２以下となる高周波電力を印加し、真空容器１２内にプラズマを生成する。プラズマは、永久磁石１４の作る磁場に閉じ込められる。プラズマ中のイオンは、ステージ２０上の被エッチング材料であるチタン板を衝撃し、さらにエッチングガスとチタン板との化学反応により、物理化学的に表面をエッチング加工する。
【００２４】
なお、エッチングガスは、ＳＦ６を主成分とし、ＣＦ４、ＣＨＦ３、ＣＨ２Ｆ２、Ｃ４Ｆ８等から適宜選択して、エッチングガス全体の１〜１０質量％程度添加し得る。さらに、アルゴン等の不活性ガスを、エッチングガス全体の１〜１０質量％程度添加しても良い。
【００２５】
この実施形態においては、真空容器１２内のプロセス圧力は、０．１Ｐａ以上０．５Ｐａ以下、好ましくは０．１Ｐａ以上０．４Ｐａ以下、さらに好ましくは０．３Ｐａ以下に設定するものである。
【００２６】
エッチング時のマスクは、先ずチタン板表面にフォトレジストを塗布し、次にフォトリソグラフィにより所望のパターンを形成し、開口部にニッケルメッキを施した後、フォトレジストを除去してプラズマエッチング用のマスクとする。
【００２７】
この実施形態の成形用金型の製造方法によれば、上記プラズマエッチング条件により、精密加工の難しいチタンを用いて微細な成形用金型を形成することができ、５０μｍ以上の深さ及び高いアスペクト比（加工形状の幅または径に対する、深さまたは高さの比）で、効率よくエッチングすることができる。さらに、チタン製の成形用金型は、耐久性があり種々の樹脂製マイクロチップの量産を容易に可能にする。
【００２８】
さらに、この実施形態の成形用金型の製造方法によれば、表面粗さをＲａ＝１００ｎｍ以下としたり、加工速度を０．５μｍ／ｍｉｎ以上にすることも容易に可能であり、チタン製の所望の成形用金型を、容易に効率よく製造することができる。さらに、上記エッチングによる微細な溝や穴、凹凸形状の段差である加工深さまたは高さは、０．１μｍ以上５００μｍ以下、さらに、アスペクト比は、０．０００１以上１０以下とすることができる。また上記の微細な溝や穴、凹凸形状の垂直性（側壁角度）は、加工表面に対して８５°から９０°の範囲にある。
【００２９】
なお、この発明の成形用金型とその製造方法は、上記実施形態に限られるものではなく、プラズマエッチング装置１０はＥＣＲなど、上記平行平板以外の方式でも良い。さらに、被エッチング材料は、純チタンの他、チタン合金でも良く、またエッチングガスであるフッ素と反応生成物を形成する金属であるジルコニウム、ニオブ、タンタル、モリブデン、タングステンでも良い。それらの板材やバルク材でも良い。エッチングガスも、適宜の添加ガスを加えたものでも良い。
【実施例１】
【００３０】
次に、この発明による成形用金型とその製造方法の実施例について説明する。この実施例では、上記実施形態の平行平板方式のプラズマエッチング装置を用いて、ＳＦ６を主成分としたエッチングガスのプラズマによりドライエッチングを行って成形用金型を製造した。
【００３１】
先ず、５０μｍ以上の深掘り加工のためには、被加工材料であるチタンに対して選択比が高い材料を、エッチング量に対して十分な厚さで成膜し、エッチングマスクとする。チタンに対しては、ニッケルの選択比が１０程度であり、チタンに５０μｍの深掘りをするためには５μｍ以上のニッケル成膜が必要となる。この実施例では、成膜方法として、電解めっきを採用した。この実施例では、マイクロ射出成形用のスタンパー加工に用いる６４×３１×厚さ１ｍｍのチタン板に対し、めっき成膜を行い、チタン板に対して５０μｍの深掘り加工に必要な厚さ７μｍのニッケルマスクを設けた。
【００３２】
次に、チタン製のスタンパーやマイクロデバイス加工のためのエッチングプロセス条件を設定した。チタン板は、上記ニッケルマスクを施した純チタンの６４×３１×厚さ１（ｍｍ）を用いて、このチタン板をステージ２０上に貼り付け、真空容器１２内を減圧した。その後真空容器１２内にＳＦ６ガスを導入し、プロセスガス圧力を０．３Ｐａとした。ステージ２０（電極）に、高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）をステージ電力密度１．１Ｗ／ｃｍ２で印加しプラズマを発生させ、その状態で３００ｍｉｎのエッチングを行った。ステージ２０の内部には冷媒を循環させ、エッチング中のステージ温度が一定となるよう冷却した。
【００３３】
加工後に、触針式表面形状測定装置（ＰＧＩ１２００，テーラーホブソン）でマスク部分と加工面との段差を測定することで加工速度を求めた。このときのプラズマエッチン装置１０及び加工条件を表１に示す。
【表１】
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【実施例２】
【００３４】
次に、真空容器上蓋−ステージ間距離は１９ｍｍ、ガス導入ライン−ステージ間距離を７．５ｍｍとし、上蓋に永久磁石を備えた平行平板方式のプラズマエッチング装置を用いて、チタン板をプラズマエッチングした成形用金型の例を示す。用いたチタン板は、純チタン、２５×２５×厚さ１（ｍｍ）である。チタン板はあらかじめ表面を機械研磨してある。チタン板を洗浄後、上記条件によりニッケルめっきを行い、厚さ５μｍのめっき膜をエッチングマスクとした。
【００３５】
そして、マスクしたチタン板をステージ２０上に貼り付け、真空容器１２内を減圧する。その後真空容器内にＳＦ６ガスを導入し、ガス流量を調整して真空容器内圧力を所定の３種類の圧力（０．３Ｐａ、０．５Ｐａ、０．７Ｐａ）とした。さらに、ステージ（電極）に高周波電力（１３．５６ＭＨｚ）を３条件で印加（ステージ電力密度０．７Ｗ／ｃｍ２、１．１Ｗ／ｃｍ２、１．６Ｗ／ｃｍ２）しプラズマを生成し、エッチングを行った。エッチング時間は各々６０ｍｉｎとした。ステージ２０内部は圧縮エアーを供給し、エッチング中のステージ温度が一定となるよう空冷した。
【００３６】
加工後に、実施例１と同様に触針式表面形状測定装置でマスク部分と加工面との段差および表面粗さ（Ｒａ）を測定し、電子顕微鏡写真にて表面形状の評価を行った。図２に高周波電力を一定（ステージ電力密度１．１Ｗ／ｃｍ２）とし、プロセス圧力を変えた場合の成形用金型の電子顕微鏡写真を示す。表面粗さはプロセス圧力によってはあまり変化がなかったが、プロセス圧力０．３Ｐａでは現れていないヒゲ状の突起が、プロセス圧力０．７Ｐａでは加工面全体に現れており、表面粗さのプロセスガス圧力に対す依存性が分かった。これはエッチング中に生じた反応生成物やステージからスパッタされた粒子が表面に堆積し、マイクロマスクとなった結果と考えられる。樹脂材料のエッチングでも同様な現象が起こることから、更に圧力を増加させると表面粗さは増大すると考えられる。
【００３７】
加工速度も、プロセス圧力を変えてもあまり変わらず、０．４μｍ／ｍｉｎ弱の値で僅かにプロセス圧力を上げると、加工速度も上がる程度であった。
【００３８】
次に、図３にプロセスガス圧力を一定（０．３Ｐａ）とし、高周波印加電力（ステージ電力密度）を変えた場合の成形用金型の電子顕微鏡写真を示す。成形用金型製造の加工速度および表面粗さは、高周波電力依存性を示し、電力増加にともない、加工速度、表面粗さともリニアに変化した。従って、エッチング加工特性は、高周波印加電力に大きく依存していることが分かった。高周波電力（ステージ電力密度）０．７Ｗ／ｃｍ２のときに表面粗さ（Ｒａ）＝５５．４ｎｍであったが、１．６Ｗ／ｃｍ２のときは（Ｒａ）＝３４０ｎｍになった。また、加工速度は、高周波電力（ステージ電力密度）１．６Ｗ／ｃｍ２で０．５１μｍ／ｍｉｎが得られ、０．７Ｗ／ｃｍ２では０．２μｍ／ｍｉｎ程度の加工速度であった。従って、高周波印加電力の制御により、目標とする表面粗さ、加工速度を設定し、所望の加工を行うことができることが分かった。
【実施例３】
【００３９】
この発明の成形用金型の実施例として、マイクロ射出成形用金型の試作を行った。試作した流路幅２０〜５００μｍ、流路深さ４７μｍの金型を用いて、２種類の樹脂（ポリカーボネート、ポリプロピレン系樹脂［製品名マイクロレシコ、（株）リッチェル製、ポリプロピレンとヱラストマーの混合樹脂］）によるマイクロ流路チップの成形試験を行った。
【００４０】
先ず、チタン基板（純チタン、６４×３１×厚さ１［ｍｍ］、あらかじめ表面を機械研磨したもの）上に、所定のパターン形成とニッケルめっきによるエッチングマスク形成を行った。プラズマエッチングのエッチング条件は、プロセスガス圧力０．５Ｐａ、高周波電力（ステージ電力密度）１．１Ｗ／ｃｍ２、エッチング時間３００ｍｉｎとし、金型のエッチング加工を行った。
【００４１】
エッチング後に加工深さおよび表面粗さ計測したところ、加工深さ：４７μｍ、表面粗さ（Ｒａ）：１００〜２００ｎｍであった。図４（ａ）に試作した金型の外観写真を、図４（ｂ）に表面の電子顕微鏡写真を示す。この金型を用い、マイクロ流路チップの成形試験を行った。成形材料はポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン系樹脂（マイクロレシコ）の２種類とした。
【００４２】
この結果、両方の樹脂ともに離型等に問題は無く、良好な成形品が得られた。
【符号の説明】
【００４３】
１０  プラズマエッチング装置
１２  真空容器
１２ａ  開口部
１４  永久磁石
１６  取付枠
１８  上蓋
１８ａ裏面
２０  ステージ
２０ａ  上面
２２  ガス導入パイプ
２２ａ  ガス噴出口
２４  配管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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