(57)【要約】【課題】耐摩耗性の低いマスク材を用いた場合であっても、深さ方向の加工形状を制御することによって、被加工材に高アスペクト比のパターンを付与することができるパウダーブラスト加工物の製造方法を提供する。【解決手段】被加工材とマスク材とからなるパウダーブラスト積層物を作製し、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側から所望のパターンに従ってレーザ光を照射することによって前記マスク材に微細パターンを形成し、前記マスク材を加熱して前記マスク材を構成するポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度以上の温度に維持しながら、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側からブラスト材を衝突させることによって前記被加工材に前記微細パターンに沿った微細パターンを形成し、前記マスク材を除去することを特徴とするパウダーブラスト加工物の製造方法である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加工材表面上に金属微粒子分散液を含むポリウレタン樹脂組成物からなるマスク材を形成することによって被加工材とマスク材とからなるパウダーブラスト積層物を作製し、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側から所望のパターンに従ってレーザ光を照射することによって前記マスク材に微細パターンを形成し、前記マスク材を加熱して前記マスク材を構成するポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度以上の温度に維持しながら、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側からブラスト材を衝突させることによって前記被加工材に前記微細パターンに沿った微細パターンを形成し、前記マスク材を除去することを特徴とするパウダーブラスト加工物の製造方法。
【請求項２】
金属微粒子が金微粒子である請求項１記載のパウダーブラスト加工物の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パウダーブラスト加工物の製造方法に関し、詳しくは、被加工材に高アスペクト比のパターンを付与することができるパウダーブラスト加工物の製造方法に関する。
【０００１】
【従来の技術】
近年、マイクロマシンの部品、マイクロセンサーなどの製造において、シリコン、ガラス、セラミックス等の基板に対する高精度の微細加工技術が求められるようになってきている。前記材料は、本質的に高硬度、高脆性、高融点であるため、従来のエッチング、レーザー、電子線、放電加工、電解加工等の熱的、化学的な加工技術では、加工効率、精度、品質において不利な点が多い。
【０００２】
パウダーブラスト法は、ノズルから微細砥粒を噴出させ、被加工材表面に高速かつ高密度に衝突させることによって機械的に加工する方法であり、前記材料に対してクラックやチッピングの発生の少ない優れた加工性を示す特徴を有する。このため、マイクロ分析チップの設計・試作に必要なガラスチップのラピッドプロトタイピング技術を始めとする数十マイクロメートルオーダーでの微細加工に好適な技術として期待されている。また、これらの用途ではチップ内に流路を３次元的に構成することが望まれているため、ガラスチップの深さ方向の加工形状の制御が必要になる。深さ方向の加工形状は、一般に幅方向のサイズに対する深さ方向のサイズの比、すなわちアスペクト比によって評価される。
【０００３】
ここで、前記マスク材に要求される条件として、１００μｍピッチ以下のパターンが低露光量で安定に形成できるよう高感度・高解像度であること、パウダーブラスト時にブラスト材の噴出による損傷を受けずに被加工材を所望のパターンに従って微細加工できるよう耐摩耗性を有すること等が挙げられる。
【０００４】
このようなマスク材を形成するための組成物としては、例えば、特許文献１に、末端にエチレン性不飽和二重結合を有するウレタンオリゴマーを主成分としてセルロース誘導体を含むことを特徴とする樹脂組成物が開示され、特許文献２に、カルボキシ変性ウレタンアクリレート化合物からなる樹脂組成物が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】
特開平０６−１６１０９８号
【０００６】
【特許文献２】
特開平０８−５４７３４号
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の樹脂組成物には、高感度ではあるものの、耐摩耗性が低いためにパウダーブラスト中にマスク材が摩耗し、高アスペクト比のパウダーブラスト加工物が得られないものがある。
【０００８】
本発明はこのような問題点を解決するためなされたものであり、耐摩耗性の低いマスク材を用いた場合であっても、深さ方向の加工形状を制御することによって、被加工材に高アスペクト比のパターンを付与することができるパウダーブラスト加工物の製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
すなわち本願請求項１記載の発明は、被加工材表面上に金属微粒子分散液を含むポリウレタン樹脂組成物からなるマスク材を形成することによって被加工材とマスク材とからなるパウダーブラスト積層物を作製し、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側から所望のパターンに従ってレーザ光を照射することによって前記マスク材に微細パターンを形成し、前記マスク材を加熱して前記マスク材を構成するポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度以上の温度に維持しながら、前記パウダーブラスト積層物に前記マスク材の側からブラスト材を衝突させることによって前記被加工材に前記微細パターンに沿った微細パターンを形成し、前記マスク材を除去することを特徴とするパウダーブラスト加工物の製造方法である。
【００１０】
請求項２記載の発明は、金属微粒子が金微粒子である請求項１記載のパウダーブラスト加工物の製造方法である。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のパウダーブラスト加工物の製造方法においては、まず、被加工材表面に金属微粒子分散液を含むポリウレタン樹脂組成物からなるマスク材を形成することによって、被加工材とマスク材とからなるパウダーブラスト積層物が形成される。被加工材としては、ガラス、シリコン、セラミックス等がある。
【００１２】
ポリウレタン樹脂組成物は耐摩耗性に優れ、パウダーブラスト法におけるブラスト材の噴出に対して良好な耐摩耗性を発揮し、被加工材への高アスペクト比な加工を可能にする。
【００１３】
金属微粒子分散液は、粒径１００ｎｍ以下の金、銀、白金、パラジウム等の金属微粒子が溶媒中に分散されたものであって、マトリックス中に金属微粒子分散液を分散させることによって、金属の種類に対応したプラズモン共鳴振動による吸収を示す。金属の種類としては、低出力のグリーンレーザの波長に対応する吸収を示す金微粒子が最も好ましい。
【００１４】
金属微粒子は、特許第２５６１５３７号に開示されたガス中蒸発法、特開平１１−３１９５３８号に開示された金の塩からの還元析出法等によって作製される。これらの金属微粒子は、特開２００３−１２１６０６号に開示されているように、アルキルアミン、カルボン酸アミド、アミノカルボン酸塩等の分散剤を用いて分散安定性を増大させることもできる。
【００１５】
ポリウレタン樹脂組成物は、ポリオールとイソシアネートの重付加反応によって生成される。ポリオールの種類としては、アクリル系、ポリエステル系、ポリエーテル系、フッ素系等がある。
【００１６】
アクリル系ポリオールは、例えば、（メタ）アクリル酸２−ヒドロキシエチル、（メタ）アクリル酸４−ヒドロキシブチル等の水酸基を有する（メタ）アクリル系単量体と、（メタ）アクリル酸等のカルボキシル基を有する（メタ）アクリル系単量体、及び（メタ）アクリル酸メチル、（メタ）アクリル酸エチル、（メタ）アクリル酸ブチル、（メタ）アクリル酸イソブチル、（メタ）アクリル酸ラウリル等のエステル基を有する（メタ）アクリル系単量体を共重合させることによって得られる。
【００１７】
ポリエステル系ポリオールは、例えば、アジピン酸、ヘキサメチレンジカルボン酸、イソフタル酸、オルトフタル酸からなる群から選ばれた一種または二種以上のジカルボン酸と、１，６−ヘキサンジオール、エチレングリコール、プロピレングリコール、及びテトラメチレングリコール、カプロラクトンジオ−ルからなる群から選ばれた一種または二種以上のジオールとから形成されたポリエステル単位を主鎖に含み、少なくとも主鎖両末端に水酸基を有するものが使用できる。
【００１８】
イソシアネートの種類としては、２，４−トリレンジイソシアネート、２，６−トリレンジイソシアネート、４，４’―ジフェニルメタンジイソシアネート、ｍ−フェニレンジイソシアネート、キシリレンジイソシアネート、テトラメチレンジイソシアネート、ヘキサメチレンジイソシアネート、１，４−シクロヘキシレンジイソシアネート、４，４’―ジシクロヘキシルメタンジイソシアネート、３，３’―ジメチル  ―４，４’―ビフェニレンジイソシアネート、３，３’―ジメトキシ  ―４，４’―ビフェニレンジイソシアネート、３，３’―ジクロロ―４，４’―ビフェニレンジイソシアネート、１，５−ナフタレンジイソシアネート、１，５−テトラヒドロナフタレンジイソシアネート、イソホロンジイソシアネートなどが用いられ、特に限定されるものではない。
【００１９】
前記金属微粒分散液、ポリオール、及びイソシアネートを、トルエン、ｐ−キシレン等の溶剤と共に混合することにより、ペーストが作製される。金属微粒子分散液の配合量は特に限定されるものではないが、高分子マトリックス中での均一な分散を考慮すれば、５ｗｔ％〜２０ｗｔ％が好ましい。このペーストは、スピンコータ、アプリケータ等を用いて被加工材上に塗布され、塗布後、加熱乾燥され、被加工材及びマスク材からなるパウダーブラスト積層物が形成される。
【００２０】
金属微粒子は、ポリウレタン樹脂組成物内において、金属の種類に特有のプラズモン共鳴振動による吸収、例えば金微粒子の場合は、５３０ｎｍ付近に極大を有する吸収を示すため、前記パウダーブラスト積層物にマスク材の側から波長５３２ｎｍのグリーンレーザ光を所望のパターンに従って集光照射すれば、金微粒子が吸収した光エネルギーが熱エネルギーに変換され、マスク材に凹部からなる微細パターンが形成される。なお、この凹部は、被加工材表面が露出するように形成されることが望ましい。
【００２１】
マスク材への微細パターンの作製には、例えば、図３に示す装置が用いられる。レーザ光源１１として、出力は数十ミリワット程度の、例えば波長５３２ｎｍのグリーンレーザが好適に用いられる。レーザ光１２は複数のミラー１３及びハーフミラー１４を介して、薄膜が載置された光学顕微鏡１５内に導かれる。モーター駆動により３次元方向に移動可能なＸＹＺステージ１６上に載置された基板１上のマスク材２の表面は、直上の対物レンズ１７及びＣＣＤカメラ１８を通してＴＶモニター１９で、あるいは図示しない接眼レンズを通して肉眼で観察可能である。レーザ光１２を遮断した状態でマスク材２の表面の状態を確認した後、マスク材２にレーザ光１２を導入する。レーザ光１２は対物レンズ１７によってマスク材２上で最小１μｍ程度にまで絞り込まれる。マスク材２の表面をＴＶモニター１９で観察しながら、ＸＹＺステージ１６をＸＹ方向に所望の微細パターンに従って駆動する。
【００２２】
マスク材に微細パターンが形成されたパウダーブラスト用積層物から、パウダーブラスト法によって、パウダーブラスト加工物を製造する。パウダーブラスト法は、圧縮空気等のキャリヤガスにより加速されたブラスト材と呼ばれる微細砥粒をノズルから噴出させ、被加工材表面に高速かつ高密度に衝突させることにより被加工材表面の微細加工を行うものである。ブラスト材には、シリカ、アルミナ、ジルコニア、炭化珪素等の直径５μｍから２０μｍの微粉末が好適に用いられる。ブラスト材を噴出するノズルは、直径５ｍｍ〜１０ｍｍ程度であり、０．５〜５ｋｇ／ｃｍ２のブラスト圧で、設置されたパウダーブラスト用積層物にマスク材の側から全面に噴出される。固定されたノズルに対してパウダーブラスト用積層物が載せられた試料台が一方向に走査され、その走査回数を投射回数としてブラスト材の投射量が調節される。
【００２３】
パウダーブラスト装置には、マスク材を加熱するための装置が設けられる。この装置は、例えばヒータを内蔵した金属ブロックからなり、その上に載せたマスク材を任意の温度になるまで加熱することができる。マスク材の温度を一定に維持するために、マスク材の上に熱電対を設置し、加工中のマスク材の温度をヒータ電源にフィードバックさせて温度制御を行うことが望ましい。
【００２４】
ここで、マスク材の加熱は、マスク材の温度がマスク材を構成するポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度以上の温度に維持されるように行われる。このことによって、マスク材の耐摩耗性が改善され、高アスペクト比のパウダーブラスト加工物が製造される。これは、ポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度を境界にして、耐摩耗性に関連する何らかの物性変化がマスク材に発生することが原因と考えられる。マスク材の耐摩耗性は、温度上昇に比例して改善され、Ｔａｎδピーク温度以上の温度については、ポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性における温度分散が一定になる温度、あるいは加熱によるポリウレタン樹脂組成物の分解によるマスク材の変形を考慮すれば、３００℃程度が上限になる。
【００２５】
パウダーブラスト処理後、マスク材を除去することによって、パウダーブラスト加工物が得られる。
【００２６】
【実施例】
トルエンに溶解しているアクリル系ポリウレタン（川上塗料社製ウレオール６００／Ｅ−１、動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度：４２．５℃）に、ポリオール／イソシアネートに対する濃度が１７ｗｔ％となるように濃度約２０ｗｔ％の金微粒子分散液（真空冶金社製パーフェクトゴールド）を混合し、ペーストを作製した。
【００２７】
得られたペーストをスピンコート法にてガラス基板上に展開し、８０℃で３０分間加熱、乾燥した。厚さ約５０μｍのマスク材を有するパウダーブラスト積層物が形成された。
【００２８】
マスク材をパウダーブラスト装置（新東ブレータ社製マイクロブラスト装置ＭＢ１型）にセットし、表１に示す各温度にマスク材の温度を維持しながら、ブラスト材として直径２０μｍの炭化珪素を用いて、投射回数１０回〜５０回のパウダーブラスト加工を行い、厚さ摩耗量を測定した。すべての結果を図１に、また投射回数３０回の場合の結果を表１に示す。実施例１、２において、比較例１、２に比較して小さい摩耗量値が得られ、耐摩耗性の改善が確認された。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
続いて、前記パウダーブラスト積層物に、マスク材の側から出力２３ｍＷのグリーンレーザ光を直線パターンに従って集光照射することによって、マスク材に開口幅１００μｍと５０μｍの直線状凹部を形成した。得られたマスク材をガラス基板ごとパウダーブラスト装置にセットし、表１に示す各温度にマスク材の温度を維持しながら、ブラスト材として直径２０μｍの炭化珪素を用いて、投射回数３０回でパウダーブラスト処理を行った。テープを貼り付けて、それを剥離することによってマスク材を除去した。得られたパウダーブラスト加工結果の走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真を図２に示す。開口幅５０μｍの直線状凹部を有するマスク材を用いて得られたパウダーブラスト加工物のアスペクト比を図３及び表１に示す。用いたポリウレタン樹脂組成物の動的粘弾性におけるＴａｎδピーク温度、４２．５℃以上にマスク材を加熱した実施例１、２において、比較例１、２において１．０以下の不十分な値であったアスペクト比が、１．０以上に改善され、特に実施例２においては、１．５近くまで改善された。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように本願請求項記載の発明によれば、耐摩耗性の低いマスク材を用いた場合であっても、高アスペクト比のパウダーブラスト加工物を製造可能なパウダーブラスト加工物の製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】パウダーブラスト加工中のマスク材の各温度における投射回数とマスク材の厚さ摩耗量との関係を示す図である。
【図２】パウダーブラスト加工中のマスク材の各温度による加工形状の変化を示すＳＥＭ写真である。
【図３】パウダーブラスト加工中のマスク材の各温度による加工形状のアスペクト比の変化を示す図である。
【図４】マスク材の作製に用いられる光学系の概略図である。
【符号の説明】
２  マスク材
１１  レーザ光源
１５  光学顕微鏡
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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