(57)【要約】      （修正有）【課題】平坦な外側表面にあるマイクロチャンネル配列体及びそれに対し垂直に伸びる貫通孔（貫通チャンネル）配列体を有する部品を射出成形するための工具挿入体(中子)の製造方法。【解決手段】（１）ウエーハ１１の前側をエッチングによりマイクロチャンネルの配列体を形成する工程、（２）ウエーハ１１の後側をエッチングにより、ウエーハの前側に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を形成する工程、（３）ウエーハの前記後側をキャリヤー基体１６に結合し、マスターを形成する工程、（４）ウエーハの前側の上、及びその中に存在する前記貫通チャンネル中に金属層１７を電気化学的に堆積させる工程、（５）前記マスターから金属層１７のみを分離する工程、であって、分離した金属層１７は、部品を射出成形するための工具挿入体として用いる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
合成材料、金属、又はセラミック材料から製造される部品で、その部品の実質的に平坦な外側表面上に形成されたマイクロチャンネルの配列体を有し、前記部品の外側表面に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を有する部品を射出成形するための微細構造化工具挿入体を製造する方法において、次の工程：
（ａ）  マイクロチャンネルの配列体に相当する第一エッチングマスクで、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状にマスクする工程、
（ｂ）  前記第一ウエーハの前側をプラズマエッチングにより微細構造化し、、そのウエーハの前側上に形成されるマイクロチャンネルの配列体を形成する工程、
（ｃ）  前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
（ｄ）  前記第一ウエーハの後側を、第一ウエーハに形成すべき貫通チャンネルの配列体に相当する第二エッチングマスクでホトリトグラフ状にマスクする工程、
（ｅ）  前記第一ウエーハの後側をプラズマエッチングにより微細構造化し、前記第一ウエーハの前側に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を形成する工程、
（ｆ）  前記第一ウエーハの後側から前記第二エッチングマスクを除去する工程、
（ｇ）  前記第一ウエーハの前記後側をキャリヤー基体に結合し、マスターを形成する工程、
（ｈ）  前記第一ウエーハの前記微細構造化前側及び前述の貫通チャンネルを通って到達することができるキャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
（ｉ）  前記第一ウエーハの前側の上、及びその中に存在する前記貫通チャンネル中に金属層を電気化学的に堆積させる工程であって、この場合、堆積した金属層が前記第一ウエーハの前側のマイクロチャンネルの深さより大きな深さに達している該工程、
（ｊ）  前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
（ｋ）  前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、前記分離した金属層は、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができ、前記第一ウエーハに与えられた貫通チャンネルに相当する形及び大きさにより定められた形及び大きさを有する金属層貫入穿孔具と一体化されている該工程、
を含む、上記工具挿入体製造方法。
【請求項２】
第一ウエーハが珪素ウエーハであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
キャリヤー基体がパイレックス（登録商標）ウエーハであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
キャリヤー基体が珪素ウエーハであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
堆積金属層がニッケル層であることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
堆積金属層が極めて強く、固いことを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
合成材料、金属、又はセラミック材料から製造される部品で、実質的に平坦な外側表面に形成されたマイクロチャンネルの配列体を有し、前記部品の外側表面に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を有する部品を射出成形するための方法で、然も、第一及び第二の工具半面体から形成された工具が射出成形工程で用いられる、射出成形方法において、次の工程：
（ａ）  マイクロチャンネルの配列体を形成するのに役立つ第一工具半面体として第一工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第一工具挿入体は請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法に従い製造され、前記第一工具挿入体に一体化された貫入穿孔具の第一配列体を有する該工程、
（ｂ）  前記第一工具半面体に相対して配置される第二工具半面体として第二工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第二工具挿入体は、射出成形のための工具を閉じた時、どの場合でも、第一配列体の対応する貫入穿孔具に押付けられる貫入穿孔具の第二配列体を有する該工程、
（ｃ）  射出成形のため、前記第一及び第二の工具挿入体から形成された工具を閉じる工程、
（ｄ）  前記第一と第二の工具挿入体の間の空洞中へ材料溶融物を注入する工程、
（ｅ）  前記注入された材料溶融物を冷却する工程、及び
（ｆ）  前記射出成形のための成形工具から、前記注入された材料溶融物の固化により形成された部品で、互いに押付けられた貫入穿孔具により射出成形工程中に形成された貫通孔の配列体を有する部品を放出する工程、
を含む、上記部品射出成形法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、合成材料、金属、又はセラミック材料から製造される微細構造化(microstructured)部品で、実質的に平坦な外側表面上に形成されたマイクロチャンネル(microchannel)の配列体(arrangement)を有し、その部品の外側表面に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔(through-going orifice)の配列体を有する微細構造化部品を射出成形するための工具挿入体(tool insert)を製造する方法に関する。
【０００２】
更に、本発明は、合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された部品で、実質的に平坦な外側表面上に形成されたマイクロチャンネルの配列体を有し、その部品の外側表面に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を有する部品を射出成形する方法に関し、この場合、第一及び第二の工具半面体から形成された工具を射出成形のために用いる。
【０００３】
流体チャンネルを有する上述の型の部品は、流体を供給し、運び去ることができるように貫通した孔を必要とする。貫通孔は、射出成形工程後に、機械的方法を用いて部品に形成することができる。しかし、貫通孔を射出成形時に形成するのが遥かに効率的である。この目的から、ピン（今後「貫入穿孔具(piercing punch)」として言及する）を二つの工具半面体中に、部品が貫通孔を有すべき箇所に挿入し、二つの工具半面体を閉じた時、二つの相互に相対する貫入穿孔具が、常に互いに押付けられる（今後「締付け(squeezing)」として言及する）。材料溶融物、例えば合成材料溶融物を注入する次の工程中、貫入穿孔具があった場所に貫通孔が形成される。
【０００４】
マイクロ射出成形法で、貫入穿孔具を正確に工具中に備え付ける必要性は、特に微細構造化工具半面体では、慣用的射出成形法の場合よりも遥かに大きく、その理由は、同じ形の微細構造物を形成するためには、材料溶融物が極めて低い粘度を持たなければならず、このことが、貫入穿孔具と工具との間の、それらが一緒に接合する場所に材料溶融物が侵入し、吹込み物(brew)が形成される危険が増大することにある。この吹込み物は、貫通孔とマイクロチャンネルとの間の結合部を部分的又は完全にブロックし、それによりマイクロチャンネル及び全部品を使用できないものにすることがある。更に別の欠点は次の点にある。一方では貫通孔が不必要な空間を占めず、他方ではそれらが極めて僅かな体積の流体を受けるように、微細構造化部品の場合の貫通孔を小さくしなければならない。製造コストはそれに伴って大きくなる。現在の所、１ｍｍより小さな直径を有する貫入穿孔具に接合する孔は、現在大きな努力及びコストをかけなければ必要な正確さを持って製造することができない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このことから、本発明の第一の目的は、上で述べた種類の微細構造化工具挿入体を製造する方法で、上述の方法の欠点を除いた方法を与えることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第一の態様に従い、この第一の目的は、上述の種類の第一の方法を用いて達成され、その方法は次の工程を有する：
（ａ）  マイクロチャンネルの配列体に相当する第一エッチングマスクで、第一ウエーハの前側をホトリトグラフ状(photo-lithographically)にマスクする工程、
（ｂ）  前記第一ウエーハの前側をプラズマエッチングにより微細構造化し、そのウエーハの前側上に形成されるマイクロチャンネルの配列体を形成する工程、
（ｃ）  前記第一ウエーハの前記前側から前記第一エッチングマスクを除去する工程、
（ｄ）  前記第一ウエーハの後側を、その第一ウエーハに形成すべき貫通孔の配列体に相当する第二エッチングマスクでホトリトグラフ状にマスクする工程、
（ｅ）  前記第一ウエーハの後側をプラズマエッチングにより微細構造化し、前記第一ウエーハの前側に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔の配列体を形成する工程、
（ｆ）  前記第一ウエーハの後側から前記第二エッチングマスクを除去する工程、
（ｇ）  前記第一ウエーハの後側をキャリヤー基体に結合し、マスター(master)を形成する工程、
（ｈ）  前記第一ウエーハの前記微細構造化前側及び前述の貫通チャンネルを通って到達することができるキャリヤー基体表面に電気伝導性薄層を適用する工程、
（ｉ）  前記第一ウエーハの前側の上、及びその中に存在する前記貫通チャンネル中に金属層を電気化学的に堆積させる工程であって、この場合、堆積した金属層が前記第一ウエーハの前側のマイクロチャンネルの深さより大きな厚さに達している該工程、
（ｊ）  前記堆積金属層の外側表面を平坦にする工程、及び
（ｋ）  前記マスターから前記金属層を分離する工程であって、然も、前記分離した金属層は、部品を射出成形するための工具挿入体として用いることができ、前記第一ウエーハに形成された貫通チャンネルに相当する形及び大きさにより定められた形及び大きさを有する金属層貫入穿孔具が一体化されている、該工程。
【０００７】
この第一の方法の好ましい態様は、第一ウエーハが珪素ウエーハであることを特徴とする。
【０００８】
この第一の方法の好ましい態様は、キャリヤー基体がパイレックス（登録商標）(Pyrex)ウエーハであることを特徴とする。
【０００９】
この第一の方法の他の好ましい態様は、キャリヤー基体が珪素ウエーハであることを特徴とする。
【００１０】
この第一方法の好ましい態様は、堆積した金属層がニッケル層であることを特徴とする。
【００１１】
この第一方法の好ましい態様は、堆積した金属層が極めて強く堅いことを特徴とする。
【００１２】
更に、本発明の第二の目的は、合成材料、金属、又はセラミック材料から製造された部品で、実質的に平坦な外側表面上に形成されたマイクロチャンネルの配列体を有し、その部品の外側表面に対し実質的に垂直に伸びる貫通孔の配列体を有する該部品を射出成形する方法を与えることにある。
【００１３】
本発明の第二の態様に従い、この第二の目的は、上述の種類の第二の方法により達成され、この場合、第一及び第二の工具半面体から形成された工具が射出成形工程で用いられ、その方法は次の工程を有する：
（ａ）  マイクロチャンネルの配列体を形成するのに役立つ第一工具半面体として第一工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第一工具挿入体は上述の種類の方法に従い製造され、第一工具挿入体に一体化された貫入穿孔具の第一配列体を有する該工程、
（ｂ）  前記第一工具半面体に相対して配置される第二工具半面体として第二工具挿入体を配備する工程であって、然も、前記第二工具挿入体は、射出成形のために工具を閉じた時、どの場合でも、第一配列体の対応する貫入穿孔具に押付けられる貫入穿孔具の第二配列体を有する該工程、
（ｃ）  射出成形のため、前記第一及び第二の工具挿入体から形成された工具を閉じる工程、
（ｄ）  前記第一と第二の工具挿入体の間の空洞中へ材料溶融物を注入する工程、
（ｅ）  前記注入された材料溶融物を冷却する工程、及び
（ｆ）  前記射出成形のための成形工具から、前記注入された材料溶融物の固化により形成された部品で、互いに押付けられた貫入穿孔具により射出成形工程中に形成された貫通孔の配列体を有する部品を放出する工程。
【００１４】
本発明による方法を用いて達成される利点は、特に次の通りである：
【００１５】
本発明による方法を用いて、貫入穿孔具を微細構造化工具挿入体に一体化する。このことは、マイクロチャンネルと工具への間隙の形の移行部の必要性をなくし、各貫入穿孔具とマイクロチャンネル工具挿入体との間に吹込み物が形成される危険性は全くない。このやり方で形成される貫入穿孔具は、それらが工具挿入体の一体化部分になっているので、「一体化貫入穿孔具」と呼ばれている。この型の一体化貫入穿孔具は、希望に応じ、どのような形及び小ささでも本発明に従って製造することができる。それらはバッチ法で製造されるので、必要なだけの多くの一体化貫入穿孔具を同時に製造することができ、それは経過時間、品質、及びコストに対し極めて有利な効果を有する。本発明に従い、微細構造化工具挿入体を製造するために、リトグラフ式(lithographic)化学的及び物理的微細構造化法を用い、それらはバッチ法である。しかし、殆どの機械的構造化法（例えば、削孔、平削り、研磨）は、順次行われ、それは特に数多くの構造体が存在する場合に、含まれる時間に決定的な影響を与え、経過時間、品質、及びコストに対し良くない影響を与える。
【００１６】
本発明を、更に図面に例示した例としての態様を参照して次に一層詳細に説明する。
【００１７】
図１〜４を参照して、合成材料部品を射出成形するための微細構造化工具挿入体を製造する方法を次に記述する。この方法は、金属又はセラミック材料から製造される部品を射出成形するためにも用いることができる。
【００１８】
図１に例示したように、珪素ウエーハ１１の前側を、エッチングマスク１２でホトリトグラフ状にマスクし、次に、イオン及び反応性フッ素ラジカルからなるプラズマ中での乾式エッチング〔技術用語：ＤＲＩＥ＝深層反応性イオンエッチング(Deep Reactive Ion Etching)〕により下へ希望の深さまで構造化し（今後「トレンチエッチング」として言及する）、この場合フッ素ラジカルが珪素を除去する。トレンチエッチングにより、マイクロチャンネル１３の配列体を、このやり方で珪素ウエーハ１１の前側に形成する。マイクロチャンネル１３は、例えば５０μｍの深さを有する。珪素ウエーハ１１は、例えば２５０μｍの厚さを有する。
【００１９】
図２に例示したように、次に珪素ウエーハ１１の、丁度微細構造化された前側のエッチングマスク１２を除去し、ウエーハ１１をひっくり返し、次に珪素ウエーハ１１の後側をエッチングマスク１４でホトリトグラフ状にマスクし、次に上述の方法に従い乾式エッチングにより構造化する。この場合、今度はそれら構造体はウエーハ１１を通過するように作られ（今後「貫通エッチング」として言及する）、これにより貫通チャンネル１５の配列体が形成され、その貫通チャンネルは、形成すべき一体化貫入穿孔具に相当する。
【００２０】
次にエッチングマスク１４を除去し、今や構造化されているウエーハ１１をキャリヤー基体１６に結合し、固有の安定性を増大し、ウエーハ１１の後側を密封し、それにより、ニッケルを電気化学的に適用できるようにする。所謂ガルバノ(Galvano)マスター１９を、ウエーハ１１とキャリヤー基体１６とをこのようにして結合することにより形成する。
【００２１】
キャリヤー基体１６として、パイレックス（登録商標）(Pyrex)ウエーハ（高濃度のナトリウムを含有するガラス）及び珪素ウエーハの両方が適している。
【００２２】
パイレックス（登録商標）ウエーハを、微細構造化した珪素ウエーハに陽極結合(anodic bonding)により分離しないように結合する。陽極結合工程中、例えば、１０００Ｖの高電圧を珪素及びパイレックス（登録商標）ウエーハに印加する。それらウエーハは互いに重ね合わせておく。ナトリウムイオンがパイレックス（登録商標）から珪素へ拡散し、パイレックス（登録商標）と珪素との間に大きな強度のイオン結合を生ずる。更にその拡散は、ウエーハの温度を上昇させることにより、例えば４００℃に上昇させることにより、加速する。
【００２３】
珪素ウエーハを、珪素溶融結合により微細構造化珪素ウエーハに分離しないように結合する。この珪素溶融結合中、珪素基体と微細構造化珪素ウエーハの結合すべき表面を調整し、次に或る温度及び圧力で共有結合的に結合する。但し、それら二つの結合すべき表面が示す粗さが極めて小さく（０．５ｎｍより小さく）、それら二つの表面が互いに直接接触できるようになるものとする。
【００２４】
次の処理工程は、マスター１９として一緒に言及したキャリヤー基体１６と一緒にした微細構造化珪素ウエーハ１１に、下に記載する電気化学的堆積のための出発層として働く薄い伝導性層を与えることである。例えば、金、銀、及びニッケルが適しており、アルミニウム、チタン、又はクロムの接着性層で被覆した後、それらを、スパッター法（「カソード微粒化」と言う用語でも知られている）か又は蒸着により物理的に適用する。
【００２５】
次に、図３に例示したように、マスター１９を伝導性出発層により電気的に接触させ、厚い金属層１７、好ましくはニッケル層を電気化学的に堆積して、比較的高度の強度及び硬度を有する機械的に安定な支持板を形成する。金属層１７の硬度を、そのニッケル層の延性を同時に維持しながら増大させるため、電解質は、約１０％のコバルトを含む。このやり方で４６〜６０ＨＲＣ（ロックウエル硬度Ｃ）のニッケル硬度値を達成することができる。金属層１７はできるだけ堅いのがよい。なぜなら、それが、目的とする機能のために必要なためである。
【００２６】
上述の堆積、例えば、ニッケルシム(shim)とも呼ばれているニッケル層１７の堆積に続き、そのニッケルシムの後側２０を先ず平らにする。適当な方法は腐食及び研磨である。次に微細構造化ニッケル工具挿入体１７（今後「シム」として言及する）を、マスター１９から分離しなければならない。この目的のため、マスター１９をシム１７から機械的に分離するか、又は適当な湿式化学的エッチング法で溶解するか、又は乾式エッチング法により分離する。図４は、分離工具挿入体１７を例示している。
【００２７】
図５に例示したように、合成材料部品を射出成形する目的で、一体化貫入穿孔具１８を有するニッケルシム１７を工具半面体２２中に配備する。貫入穿孔具２４を、相対する工具半面体２３に挿入し、工具を閉じた時、それらは、微細構造化ニッケルシム１７の一体化貫入穿孔具１８に押付けられる。挿入された貫入穿孔具２４は、それらが合成材料部品の構造化されていない厳密ではない側に配置されるので、慣用的やり方で製造され、従って、接合の正確さはそれ程厳密なものではない。
【００２８】
図６に例示したように、射出成形工具を閉じた時、一方の工具半面体の挿入された貫入穿孔具２４は、シム１７に一体化された貫入穿孔具１８に押付けられる。更に、その工具半面体は、シム１７に直接その縁２１に、挿入された貫入穿孔具２４と共に締付けられ、それによって合成材料部品３１の外側輪郭を定める。合成材料溶融物３５を注入すると、貫入穿孔具の場所に合成材料部品３１中に貫通孔３５の配列体が形成される。
【００２９】
合成材料溶融物２５が堅く固化したならば、図７に模式的に例示した合成材料部品３１を放出し、取り出す。
【００３０】
工具挿入体に一体化された上記貫入穿孔具１８を用いた場合、合成材料部品の微細構造化側で起きる吹込み物形成の危険が、特に貫通孔とマイクロチャンネルとの間でどの場合でも無くなることは特に有利である。更に、極めて小さな貫通孔も容易に製造することができる。
【００３１】
バッチ法で一体化貫入穿孔具１８を、本発明により同時に製造すること、及び実質的に平らな外側表面上に形成されたマイクロチャンネル３３の配列体を有し、合成材料部品３１の外側表面に対し実質的に垂直状に伸びる貫通孔３５の配列体を有する合成材料部品３１を射出成形する場合にそれらを使用することは、時間及びコストでの大きな節約を達成することを可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】マイクロチャンネルの配列体を形成するため、プラズマエッチングを用いてトレンチエッチングすることにより行われた、第一ウエーハの前側の微細構造化を示す図である。
【図２】貫通孔の配列体［ｓｉｃ］を形成するため、プラズマエッチングを用いて貫通エッチングすることにより、図１の第一ウエーハの後側の微細構造化を示す図である。
【図３】第一ウエーハの前側の上、及びその中に与えられた貫通チャンネル中に、金属層を電気化学的に堆積したものを示す図である。
【図４】第一ウエーハ及びそれに結合されたキャリヤー基体から分離された金属層を示す図である。
【図５】第一ウエーハ及びそれに結合されたキャリヤー基体から分離された金属層を、工具挿入体の成形用部品として用い、然も、その工具挿入体は、本発明に従って製造され、部品を射出成形するための工具の工具半面体として用いられているところを例示した図である。
【図６】部品を射出成形するための工具の下及び上の工具半面体の間の空洞に、材料溶融物を注入ところを例示する図である。
【図７】射出成形工具から放出した部品を示す図である。
【図１】
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【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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【図７】
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【外国語明細書】
2004188588000001.pdf