(57)【要約】【課題】  電鋳材の強度を簡単に向上させることができる、イオン注入電鋳部材およびその製造方法を提供する。【解決手段】  電鋳によって形成された電鋳材１にイオン２が注入されて形成されたイオン注入層を有する部材である。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電鋳によって形成された電鋳材にイオンが注入されて形成されたイオン注入層を有する部材である、イオン注入電鋳部材。
【請求項２】
前記イオン注入電鋳部材の表面から５μｍ以下の深さ範囲の表層部にイオン注入層が形成され、前記イオン注入層より深い位置においてミクロ組織の変調が生じている、請求項１に記載のイオン注入電鋳部材。
【請求項３】
前記表面から内部に入った断面中央の位置においてミクロ組織の変調が生じている、請求項２に記載のイオン注入電鋳部材。
【請求項４】
前記ミクロ組織の変調が生じている部分の平均結晶粒径が０．５μｍ以下である、請求項２または３に記載のイオン注入電鋳部材。
【請求項５】
前記ミクロ組織の変調が生じている部分の硬さが、前記電鋳によって形成された電鋳材の硬さよりも硬い、請求項２乃至４のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材。
【請求項６】
前記電鋳によって形成された電鋳材の結晶粒の平均粒径が１μｍ以下である、請求項１に記載のイオン注入電鋳部材。
【請求項７】
電鋳材を形成する工程と、前記電鋳材に加速したイオンを注入する工程とを備える、イオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項８】
前記電鋳材を形成する工程では電鋳材の平均結晶粒径が１μｍ以下となるように行なう、請求項７に記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項９】
前記電鋳材を形成する工程ではパルス状に電圧を印加する、請求項７または８に記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項１０】
前記イオン注入する工程では、表面から５μｍ以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の硬さを上昇させる、請求項７乃至９のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項１１】
前記イオン注入する工程では、表面から５μｍ以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の組織を変調された組織とする、請求項７乃至１０のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項１２】
前記イオン注入の工程において、前記電鋳材の温度をその電鋳材を構成する材料の融点（Ｋ）の（１／３）以下とする、請求項７乃至１１のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項１３】
前記イオン注入において、イオンを１０ｋＶ以上の電圧で加速する、請求項７乃至１２のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【請求項１４】
前記イオン注入において、全方位型のプラズマイオン注入装置を用いる、請求項７乃至１３のいずれかに記載のイオン注入電鋳部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン注入電鋳部材およびその製造方法に関し、より具体的には電鋳材において、その表面のイオン注入層より内部における硬さを上昇させたイオン注入電鋳部材およびその製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
精度のよい金属製の微細な構造体を大量に製造する場合、ＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung；Lithography Electroforming Molding ）プロセスは有用である。Ｘ線の中でも指向性の高いシンクロトロン放射（ＳＲ）光を用いるＬＩＧＡプロセスは、ディープなリソグラフィが実施可能であり、数１００μｍの高さの構造体をミクロン領域の精度で加工することが可能である。すなわち、厚みの大きい構造を有する金属製の微細な構造体を容易に製造することができるなどの特徴を有するため、広範な分野での応用が期待されている。
【０００３】
ＬＩＧＡプロセスは、リソグラフィ、電鋳としてのめっきおよびモールドを組合せた加工技術である。ＬＩＧＡプロセスでは、たとえば導電性基板上にレジスト膜が形成され、このレジスト膜に所定形状のパターンを有する吸収体マスク（レチクル）を介してＳＲ光が照射される。このようなリソグラフィにより吸収体マスクの形状パターン（マスクパターン）に応じたレジスト構造体（樹脂型）が形成される。このマスクパターンの開口部内に電鋳によって金属を堆積させることにより、金属製の微細な構造体が得られる。この高精度の金属製の微細な構造体を金型として用い、射出成形などにより樹脂製の微細成形品を作製することにより、それらを組み合わせたマイクロ機器を得ることができる（たとえば非特許文献１参照）。
【非特許文献１】安井学、平林康男、藤田博之：表面技術，2001，Vol.52,No.11 pp.734-737
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上記のＬＩＧＡプロセスにおいて、電鋳処理によって形成できる金属は、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｏ等およびＮｉ−Ｆｅ合金等のめっきが可能な金属に限られている。より高硬度、高強度が求められる場合、従来では例えばＮｉ−Ｍｎ合金やＮｉ−Ｗ合金等の高硬度材料を用いる事例があるが、めっき液の管理などに高度な技術力が必要であり、適用の範囲も限られている。
【０００５】
また、微細部品の耐摩耗性などが問題になる場合には、表面にめっきやＰＶＤ(Physical Vapor Deposition)、ＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)などによる硬質の膜を形成することもできるが、この場合、部品本体と膜との密着性の確保が問題となる。また、形状が複雑な場合には、蒸着時の影になる部分や微細凹部への成膜が困難な場合も想定される。
【０００６】
一方、電鋳浴として水溶液を用いずに溶融塩を用いた電鋳によれば、現行のＮｉ系合金に比べ、さらに高硬度のＣｒ、Ｔｉ、Ｍｏなどの電鋳材を得ることができる。しかし、上記の金属の電鋳に使用できる溶融塩は２５０℃以上の高温に限られ、通常のフォトレジストを用いるリソグラフィではレジストが熱により変形してしまい使用できない。また、溶融塩は吸湿性や反応性が高く、不活性ガス環境内で電鋳を行なう必要があるなどの制約がある。
【０００７】
このため、汎用的な方法によって形成され、強度を簡単に向上させることができる電鋳部材およびその製造方法の開発が求められてきた。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、電鋳材の強度を簡単に向上させることができる、イオン注入電鋳部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
本発明のイオン注入電鋳部材は、電鋳によって形成された電鋳材に加速されたイオンが注入されて形成されたイオン注入層を有する電鋳部材である。
【００１０】
上記部材は、表面には強度の大きいイオン注入層が形成され、それより内部において組織が微細化された変調組織が形成されている。その結果、表層部およびそれより内部において強度を向上させることができる。
【００１１】
本発明のイオン注入電鋳部材の製造方法は、電鋳材を形成する工程と、その電鋳材にイオンを加速して注入する工程とを備える。
【００１２】
この工程の組み合わせにより、表面のイオン注入層より内部に微細化された変調組織を形成することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のイオン注入電鋳部材およびその製造方法を用いることにより、電鋳部材の耐久性を簡単に向上させることができる。このため、マイクロ機器用の微細電鋳部材に加えて、従来、強度向上のために鍛造加工などを必要とした電鋳部材一般に用いて、鍛造工程を省略することなどができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
電鋳材にイオンを注入するとなぜイオンが到達していない内部の硬度が上昇するのか、その機構については分っていない。本発明者らは、各種の文献を探索したが、これまで本現象が発表された事実を確認することができなかった。ところが、実験条件を変えて確認実験を行なったが再現性は確かであった。
【００１５】
次に、図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の実施の形態におけるイオン注入電鋳部材の製造方法を説明する図である。金属基板３の上にレジストパターン（図示せず）にしたがって形成された電鋳材１に１０ｋＶ以上の電圧で加速されたイオン２を打ち込み、イオンを注入する。このイオン注入により、図２に示すようにイオン注入層より内部の位置の硬度が上昇する。この硬度の上昇は未処理値に対して、通常は３０％、大きい場合は５０％上昇するという顕著なものである。図２において、イオン注入層は深さ５μｍ以下の範囲に形成されるが、このイオン注入層の範囲の硬度は表示していない。
【００１６】
図３は、電鋳材のミクロ組織の模式図である。電鋳材でも組織を細かくすることは可能である。すなわち電鋳浴内の電極間にパルス状の電圧を印加して、パルス状の電流を流して電鋳を行なうと、電鋳液から電鋳材が析出する際、析出の核発生サイト密度が増加して細かい組織の電鋳材を得ることができる。図３の模式図は、そのような細かい組織の電鋳材の模式図である。電鋳材の場合、電極表面から連続して結晶が成長するので、鋳造金属に特有の成長方向に長い柱状晶が形成される場合もあるし、方向性のない等軸晶が形成される場合もある。図３の模式図は、等軸晶と解釈してもよいし、柱状晶の断面と解釈してもよい。なお、平均粒径は、柱状晶の場合、柱の長手方向の断面において測定した粒径である。
【００１７】
図３に示す組織中の細かい結晶粒５の間には、電鋳材に特有のボイド４（キャビティまたはポアとも呼ぶ）が生じている。一方、イオン注入層より内部の微細化された変調組織では、図４に示すように、結晶粒５は電鋳したままの状態の結晶粒よりも微細化され、またボイド４もそれに伴い小さくなっているように見える。ボイドなどの不完全性（欠陥）は、結晶粒が微細化して不完全性（欠陥）の一種である結晶粒界が増えた分に、部分的に消費されているように見える。しかし、上述のように、バルク金属材料の非常に長い歴史の中で初めて遭遇する現象と考えられるので、断定することは差し控えたい。上記の記述は、あくまでそのように見えるという事実を述べていると解釈されるべきである。
【００１８】
図５は、電鋳材のＦＩＢ(Focused Ion Beam)写真を示す図である。また、図６は、図５の部分Ａの組織を線描きした図である。電鋳材は柱状晶として形成され、その柱状晶の平均粒径は１μｍより小さい。電鋳材にはボイドが生成しているが、図５では倍率が不足して観察できない。
【００１９】
図７は、上記電鋳材の表面側からイオンを打ち込んだ後の組織を示すＦＩＢ写真を示す図であり、また図８は上記図７のＡに対応する部分Ａの線描き図である。線描き図の図６と図８とを比較すると分るように、表面から内部に４０μｍ内部に入った位置において、すなわちイオンが届かない内部において、組織が変調され微細化されている。その変調のされ方は、図８に観察されるように、元の柱状晶の影響を受け、柱状晶の長い方向に沿ってやや細長い形状を有しながら微細化されているように見える。微細化の程度は顕著であり、その平均粒径は０．５μｍより相当程度小さくなっているように見える。
【００２０】
上記のように、イオン注入層より内部において得られる微細化された変調組織により、前述の硬度上昇を得ることができると考えられる。
【実施例１】
【００２１】
１０ｃｍ角のニッケル板をカソード、ニッケルをアノードに用い、以下に示すめっき浴（電鋳液浴）の組成で温度５５℃、電流値５Ａで１００分間めっき（電鋳）を行った。
＜めっき浴＞
・スルファミン酸ニッケル：  ３００ｇ／ｌ（ｇ／ｄｍ3）
・スルファミン酸マンガン：  ４０ｇ／ｌ
・一次光沢剤（サッカリン酸ナトリウム）：  適量・二次光沢剤（ブチンジオール）：  適量
・界面活性剤（ラウリル硫酸ナトリウム）：  適量
次にこのサンプル（電鋳材）の中央２ｃｍ角の部分を切り出し、それを左右１ｃｍ幅ずつに二等分し（１）片方を硬度と結晶粒径の調査用に、（２）もう一方をイオン注入に供した。
【００２２】
硬度の測定は、サンプルを垂直にエポキシ樹脂に埋め込み、サンプルの断面が樹脂の表面と面一になるようにし、その断面を砥粒の粒度＃４０００番手まで順次番手を変えて研磨の後、バフ仕上げを施し断面を鏡面にした上で、サンプルのめっき表面側から２５μｍの地点においてビッカース硬度計によりＮ＝１０測定し平均した。結晶粒径についてはＸ線回折にて測定した。
【００２３】
次に（２）のサンプル（電鋳材）について、次の条件で全方位イオン注入処理を行った。
＜全方位イオン注入処理条件＞
・電圧：  ３０ｋＶ
・注入イオン種：  炭素（Ｃ）
・パルス周波数：  １５０ｋＨｚ
・処理時間：  ６０分
・到達真空度：  6.7×10-4Pa以下
・温度：基板ホルダーを２５℃冷却クーラントで冷却
イオン注入後に、上記（１）と同様にビッカース硬さと結晶粒径について調査した。
【００２４】
（調査結果）
上記（１）のビッカース硬さはＨｖ４３９で、結晶粒径は１０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲であった。またＦＩＢ加工の後のＳＩＭ(Scanning Ion Microscopy)観察ではナノメートルオーダーの微細なボイドが確認された。
【００２５】
一方、イオン注入したイオン注入電鋳部材は、イオン注入層より内部において、ビッカース硬さＨｖ５１１と向上した。結晶粒径のサイズも５ｎｍ〜２５０ｎｍと小さくなった。またＦＩＢ加工後のＳＩＭ観察において、上記（１）に見られたボイドは縮小され、またその密度が激減しているのが観察された。
【００２６】
次に上記した実施例も含めて、本発明の別の実施例から得た知見について羅列的に説明する。
【００２７】
１）上記イオン注入電鋳部材の表面から５μｍ以下の深さ範囲の表層部にイオン注入層が形成され、イオン注入層より深い位置においてミクロ組織が変調された組織が生じるようにできる。
【００２８】
上記の電鋳材のミクロ組織が変調された組織とは、電鋳されたままのミクロ組織が変化して、電鋳されたままの結晶粒よりも微細な結晶粒が主体を占める組織をさす。この組織により、非常に耐久性に優れた微小部材を得ることが可能になる。表面から５μｍを超える深さにまでイオンを注入するには莫大な規模の加速装置を必要とし、簡単に強度を高めるという本発明の目的から外れてしまう。
【００２９】
ミクロ組織の変調は、電鋳部材の表面から内部に入った断面中央の位置において生じていてもよい。
【００３０】
上記の変調組織がなぜイオン注入によって生じるか、また表面からどの深さまで形成されるかなど、上述のように解明されていない。しかし、厚み８０μｍ程度の電鋳部材の全厚みにわたって変調組織が形成されている。この変調組織は発生すれば全断面に生成し、変調組織の深さ分布を制御することはできないかもしれない。しかし、少なくとも断面中央の位置で微細化された変調組織が形成されていれば、電鋳部材における耐久性の向上に非常に有益である。
【００３１】
２）また、本発明によれば、上記のミクロ組織の変調が生じている部分の平均結晶粒径を０．５μｍ以下とすることができる。
【００３２】
このように微細化した変調組織とすることにより、強度を向上することができる。図５から図８のように、柱状晶組織の電鋳材の組織が変調された場合には、その柱状晶が微細化されながら引き継がれる。柱状晶では、上記の平均結晶粒径は、柱状晶の長さ方向の断面における平均粒径となる。
【００３３】
以上のように、本発明はイオン注入層より深い位置において、ミクロ組織の変調と、平均結晶粒径の微細化により、ミクロ組織の変調が生じている部分の硬さを、電鋳によって形成された時点での電鋳材の硬さよりも硬くすることができる。
【００３４】
３）電鋳によって形成された電鋳材は、イオン注入前の材料である。電鋳材自体の組織は微細であるほうが、上記イオン注入による変調組織を内部に発生しやすい。イオン注入された変調組織はその電鋳材よりも組織は微細化され強度が向上する。
【００３５】
電鋳によって形成された電鋳材の結晶粒の平均粒径は１μｍ以下とするのが好ましい。この平均粒径も柱状晶の場合には柱状晶の断面における粒径の平均値である。その手段は、電鋳時にパルス状に電圧を印可する方法により達成できる。このようにパルス状の電圧印加、すなわちパルス状の電流供給により、溶液からの析出時の過飽和度を高めて核発生密度を高め、電鋳材の組織を細かくすることができる。
【００３６】
この操作により、イオン注入をしたときにイオン注入層よりも内部に微細化された変調組織を形成することが容易になる。
【００３７】
４）イオン注入する工程では、表面から５μｍ以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の硬さを上昇させることができる。
【００３８】
つまり、微細化された変調組織をイオン注入層よりも内部に形成することができるので、イオンが届かない内部においても強度が向上する。
【００３９】
上記のイオン注入する工程では、表面から５μｍ以下の範囲にイオンを注入し、それより内部の組織まで変調された組織とすることができる。
【００４０】
この方法により、表面直下５μｍ以下にイオン注入層を形成しても、たとえば表面から４０μｍ内部に微細化された変調組織を形成することができる。
【００４１】
５）イオン注入の工程において、電鋳材の温度をその電鋳材を構成する材料の融点（Ｋ）の（１／３）以下としてもよい。
【００４２】
この条件により、微細化された変調組織の各結晶粒を微細化された状態にとどめ、粒がそれより大きく成長して粗大化するのを防止することができる。
【００４３】
６）イオン注入の工程において、イオンを１０ｋＶ以上の電圧で加速することが好ましい。
【００４４】
イオンの加速電圧が１０ｋＶ未満ではイオン注入を十分行なうことができず、内部における微細化された変調組織を形成することは可能であるが、難しい。
【００４５】
７）イオン注入の工程において、全方位型のプラズマイオン注入装置を用いるのが好ましい。
【００４６】
この装置により、複雑な形状をした電鋳材にも影になる部分を作らずに、すべての表面に均一にイオン注入層を形成することができる。そのため、そのイオン注入層から内部に洩れなく微細化された変調組織を形成することができる。
【００４７】
８）電鋳材が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｓｎ、Ｍｎ、Ｃｏ、Ａｇ、Ａｕのいずれか、またはこれらを組み合わせた合金から選択するのが好ましい。これらの電鋳材にイオン注入処理を行なうことにより、耐久性に優れたイオン注入電鋳部材を作製することができる。
【００４８】
９）上記実施例では、電鋳材に注入するイオンに炭素（Ｃ）を用いたが、他のイオンを用いてもよい。たとえば窒素（Ｎ）イオンを用いることもできる。イオンは原子のイオンでもよいし、分子のイオンでもよい。また、炭素および窒素以外のイオンを用いてもよいことは言うまでもない。
【００４９】
上記のように、本発明の実施例について説明を行ったが、上記に開示された本発明の実施例は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら発明の実施例に限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更を含むものである。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明のイオン注入電鋳部材およびその製造方法を用いることにより、電着材の耐久性を簡単に向上させることができるので、マイクロ機器用の微細電鋳部材に加えて、従来、強度上昇のために鍛造加工などを必要とした電鋳部材一般に用いて鍛造工程を省略することなどの現在未知の用途を見出し、より広範な利用が期待される。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態であるイオン注入電鋳部材を製造する方法を説明する図である。
【図２】本発明のイオン注入電鋳部材の深さ方向における硬度分布を示す図である。
【図３】電鋳したままの材料のミクロ組織を示す模式図である。
【図４】電鋳材にイオン注入を行なった後のミクロ組織を示す模式図である。
【図５】電鋳したままの材料の、表面から４０μｍ深さ位置のＦＩＢ写真を示す図である。
【図６】図５のＡ部のミクロ組織を線描きした図である。
【図７】電鋳材にイオン注入した後の、表面から４０μｍ深さ位置のＦＩＢ写真を示す図である。
【図８】図７のＡ部のミクロ組織を線描きした図である。
【符号の説明】
【００５２】
１  電鋳材、２  加速されたイオン、３  基板、４  ボイド、５  結晶粒。
【図１】
2005154891.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図６】
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【図８】
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【図５】
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【図７】
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