(57)【要約】  【課題】タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金金型であって、１ｎｍ以下の平均面粗さを有する微細金型及びその製造方法を提供する。  【解決手段】タングステンカーバイド９９％以上の化学成分で、相対密度９９％以上、且つ、粒径０．８μｍ以下の金型材料を、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐA以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５nm以下の条件で加工することにより製造した、平均面粗さ１ｎｍ以下の微細金型、及びその製造方法。  【効果】高精度、高寿命な微細部品の作製のための高寿命金型が提供できる。  【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする金型材料を、集束イオンビームにより加工を施すことで作製された、１ｎｍ以下の平均面粗さを有することを特徴とする微細金型。
【請求項２】
金型材料が、９９％以上のタングステンカーバイドと、１％以下の、バインダー元素及び／又は粒成長抑制元素とからなることを特徴とする請求項１に記載の微細金型。
【請求項３】
金型材料の、相対密度が９９％以上、且つタングステンカーバイド粒度が０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の微細金型。
【請求項４】
金型材料を、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐＡ以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５nm以下、の条件で加工を施すことを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の微細金型。
【請求項５】
タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする金型材料を、集束イオンビームにより加工を施すことにより、１ｎｍ以下の平均面粗さを有する微細金型を作製することを特徴とする微細金型の製造方法。  
【請求項６】
金型材料が、９９％以上のタングステンカーバイドと、１％以下の、バインダー元素及び／又は粒成長抑制元素とからなることを特徴とする請求項５に記載の微細金型の製造方法。
【請求項７】
金型材料の、相対密度が９９％以上、且つタングステンカーバイドの粒度が０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項５又は６に記載の微細金型の製造方法。
【請求項８】
金型材料を、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐＡ以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５nm以下、の条件で加工を施すことを特徴とする請求項５から７のいずれかに記載の微細金型の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細金型及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、集束イオンビームにより加工を施すことにより作製された、１ｎｍ以下の平均面粗さを有するタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする微細金型及びその製造方法に関するものである。
近年、例えば、光通信、バイオテクノロジー等の多くの技術分野において、装置の集積化、微細化の推進に伴い、平滑な表面を有する微細部品の製作が非常に注目されているが、そうした微細部品の製作にあたって、例えば、鍛造、射出成形等の転写技術を用いる場合には、金型表面の面粗さをナノレベルとすることが強く要請されている。本発明は、このような、多くの技術分野において実用化が強く期待されている微細金型、特に、超硬合金金型、の加工技術の分野において、集束イオンビームにより加工を施すことにより、従来の技術では達成されなかった、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する超硬合金金型の製造を可能とする新規な微細金型及びその製造方法を提供するものであって、その使用により、表面が平滑な精密微細部品の作製を可能とするとともに、作製した部品の寿命の向上を可能とする次世代製造技術の基盤技術として使用し得る新しい微細金型を提供するものとして有用である。
【背景技術】
【０００２】
現在、例えば、光通信、バイオテクノロジー等の多くの技術分野において、装置の集積化、微細化が推進されており、それに伴い、微細部品が作製されている。これらの微細部品においては、その表面のわずかな凹凸が、強度、延性等の特性を著しく劣化させ、部品寿命を短くするので、微細部品の面粗さをできるだけ小さくすることが強く望まれている（非特許文献１参照）。これらの微細部品の作製に、鍛造及び射出成形等の転写技術が用いられる場合には、金型の面粗さが微細部品の面粗さを決定する大きな因子である。従って、微細部品の特性及びその寿命の向上には、金型の面粗さを小さくすることが重要である。また、金型の面粗さを小さくすることは金型自身の寿命を向上させることにもつながる。
【０００３】
主要な金型材料の一つとして、タングステンカーバイドとバインダー（例えば、コバルト）を主成分とする超硬合金がある。一般に、超硬合金金型の加工方法としては、例えば、放電加工、切削、研削及び研磨が用いられている。該加工方法は、接触加工であるので、加工工具の面粗さが金型面粗さに影響を及ぼす大きな因子となる。また、該加工技術は、加工中に工具が変形すること等に起因して、一般に、平均面粗さ１ｎｍ以下の超平滑面に加工することは困難である。更に、該加工工程においては、金型の出来上がりの確認は、加工装置からの取り外し後に行わなければならず、一旦装置から取り外した後は、その修繕が困難である。
【０００４】
他方、集束イオンビーム加工は、例えば、１０から２０００ｎｍ径程度のイオンビームをスキャンさせることで、非接触により材料を加工することが可能であるという特徴を有している。該加工法は、０．１μm程度のビーム送り精度を有し、その場で加工の観察及びその修繕が可能である。イオンビームにより加工された金型の面粗さは、金型の結晶粒径が微細であるほど小さくなる傾向にある。しかしながら、集束イオンビームによる超硬合金の加工では、タングステンカーバイドとバインダーの加工速度の違いにより面粗さが大きくなるため、タングステンカーバイドの微粒化だけでは、面粗さをナノオーダーに加工するのは困難である（非特許文献２参照）。また、空洞等の欠陥を有する低密度材料では、欠陥に起因して面粗さが悪くなる。更に、平滑な加工面のためのイオンビーム加工条件が十分に解明されていない等々の理由により、これまでに、集束イオンビームによる加工で、タングステンカーバイドを主成分とする平均面粗さ１ｎｍ以下の超平滑な金型を作製することは出来ていない。
【０００５】
【非特許文献１】F. Ericson andJ.-Å. Schweitz: J. Appl.Phys. 68 (1990), 5840-5844.
【非特許文献２】H.Hosokawa, K.Shimojima, M.Mabuchi,M.Kawakami, S.Sano and O.Terada, Mater.Trans. Vol. 43, No.12 (2002)pp. 3273-3275.
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このような状況の中で、本発明者らは、上記従来技術に鑑みて、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型の製造技術を開発することを目標として、鋭意研究を積み重ねた結果、集束イオンビームによる加工技術を利用することにより、タングステンカーバイドを主成分とし、１ｎｍ以下の平均面粗さを持つ微細金型の製造が可能となることを見出し、更に、研究を重ねることにより、本発明を完成するに至った。
本発明の目的は、タングステンカーバイドを主成分とする、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型を製造する方法を提供することである。
また、本発明の目的は、集束イオンビームによる、非接触加工によって、タングステンカーバイドを主成分とする、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型を製造する方法を提供することである。
また、本発明の目的は、従来の金型加工における、タングステンカーバイドとバインダーとの加工速度の違いに起因する、加工面での平均表面粗さの悪化を防止し、超平滑面を形成することを可能とする金型の加工技術を提供することである。
また、本発明の目的は、金型の非接触加工を実現することにより、加工具の面粗さによる金型面粗さへの影響、加工中の工具の変形に起因する表面粗さの悪化を防止して、超平滑面を有する微細金型を製造することを可能とすることである。
また、本発明の目的は、加工後の金型の修理、再調整が容易な、金型の加工技術を提供することである。
また、本発明の目的は、金型材料が有する欠陥に基づく表面粗さの悪化を防止することを可能とすることである。
更に、本発明の目的は、微細金型の表面粗さを１ｎｍ以下にすることにより、作製した微細部品の精度を向上させ、その寿命を向上させるとともに、金型自体の寿命を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するための、本発明は、以下の技術的手段から構成される。
（１）タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする金型材料を、集束イオンビームにより加工を施すことで作製された、１ｎｍ以下の平均面粗さを有することを特徴とする微細金型。
（２）金型材料が、９９％以上のタングステンカーバイドと、１％以下の、バインダー元素及び／又は粒成長抑制元素とからなることを特徴とする上記（１）に記載の微細金型。
（３）金型材料の、相対密度が９９％以上、且つタングステンカーバイド粒度が０．８μｍ以下であることを特徴とする上記（１）又は（２）に記載の微細金型。
（４）金型材料を、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐＡ以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５nm以下、の条件で加工を施すことを特徴とする上記（１）から（３）のいずれかに記載の微細金型。
（５）タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする金型材料を、集束イオンビームにより加工を施すことにより、１ｎｍ以下の平均面粗さを有する微細金型を作製することを特徴とする微細金型の製造方法。
（６）金型材料が、９９％以上のタングステンカーバイドと、１％以下の、バインダー元素及び／又は粒成長抑制元素とからなることを特徴とする上記（５）に記載の微細金型の製造方法。
（７）金型材料の、相対密度が９９％以上、且つタングステンカーバイドの粒度が０．８μｍ以下であることを特徴とする上記（５）又は（６）に記載の微細金型の製造方法。
（８）金型材料を、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐＡ以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５nm以下、の条件で加工を施すことを特徴とする上記（５）から（７）のいずれかに記載の微細金型の製造方法。
【０００８】
次に、本発明について更に詳細に説明する。
本発明の微細金型の製造方法には、例えば、タングステンカーバイド９９％以上の化学成分で、相対密度９９％以上、且つ粒径０．８μｍ以下の金型材料を用い、集束イオンビーム装置により、電圧３０ｋｅＶ以下、電流１８７ｐＡ以下、デュエルタイム２００μｓ以下、ビーム径３５ｎｍ以下の条件で、該金型材料を加工することで１ｎｍ以下の平均面粗さを有する微細金型を作製することを特徴とするものである。
【０００９】
金型の平均面粗さは、縦方向分解能０．０１ｎｍの原子間力顕微鏡を用い、接触方式にて求められる。その平均面粗さはＪＩＳ Ｂ０６０１で定義されている中心線平均粗さＲａを、測定面に対して適応できるように三次元に拡張したものであり、基準面から指定面までの偏差の絶対値を平均した値である。この平均面粗さは、次式で表される。
【００１０】
【数１】
2005199454.tif 000003
Ｓo：指定面が理想的にフラットであると仮定したときの面積
F(X,Y)：全測定データの示す面(Ｘ、及びＹの範囲はXR - XL, 及びYT - YBである。)
Ｚo：指定面内のＺデータの平均値
【００１１】
集束イオンビームによる加工では、タングステンカーバイド金型材料の相対密度が高く、また、タングステンカーバイド粒度が小さいほど、加工後の平均面粗さが小さくなる傾向にあるので、可能な限り相対密度が高く、且つタングステンカーバイド粒度の小さい材料を用意することが望ましい。
【００１２】
本発明では、集束イオンビーム装置として、１０から２０００ｎｍ程度のイオンビーム径を有するものが用いられる。この場合、イオンビーム径を大きくすると、加工時間は短くなるが、角部がだれる等の問題が生じ、形状精度を出すことが困難となる。他方、イオンビーム径を小さくすると、形状精度のよい加工ができる。しかしながら、加工速度が遅くなり、目的形状までに多くの時間を費やすこととなる。また、加工時間が長いと、加工中にビーム照射位置のずれ、ステージの移動等のために加工位置が変わり、形状精度を悪くする。以上のことから、本発明では、加工目的、加工効率等を考慮して適当なイオンビーム径が適宜選択される。
【００１３】
同様に、電圧、デュエルタイム、及び電流についても、加工目的、加工効率等を考慮して設定される。電圧は、３０ｋｅＶ以下にすることが望ましい。それ以上大きな電圧を用いると、金型材料内にイオンが多数侵入し、面粗さを悪くし、また、イオン照射位置以外の箇所が多く加工されるため、形状精度を保つことが困難となる。他方、電圧を小さくすると、イオンの金型材料内への侵入が少なくなり、面粗さが良好となり、また、加工速度が遅くなり、イオン照射位置以外の加工される箇所が小さくなるため、形状精度を出しやすい。しかしながら、電圧が小さくなりすぎると加工ができなくなる。一般に、イオンビーム加工においては、２〜５ｋｅＶ程度までは加工が可能である。
【００１４】
デュエルタイム、及び電流は、長いほど、及び大きいほど、１スキャンでの高さに対しての加工量が多くなる。高さ方向の形状精度を合わせるためには、２００μｓ以下及び１８７ｐＡ以下にすることが望ましい。単一の加工条件で加工が困難である複雑微細形状を有する金型の加工では、粗加工を行った後、仕上げの加工を行う等の複数の条件での加工を経て、所望の金型を作製する方法が用いられる。本発明の方法により作製された微細金型は、９９％以上のタングステンカーバイド（ＷＣ）と、１％以下のバインダー元素及び／又は粒成長抑制元素とから構成される超硬合金からなり、１ｎｍ以下の平均面粗さを有する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明により、（１）例えば、光通信、バイオテクノロジー等の関連装置の集積化、微細化、及び低コスト化に資する高精度、高寿命の微細部品の作製、及び金型の高寿命化にきわめて有効な１ｎｍ以下の平均面粗さを有する金型を作製することができる、（２）タングステンカーバイドを主成分とする、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型及びその製造方法を提供できる、（３）集束イオンビームによる、非接触加工によって、タングステンカーバイドを主成分とする、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型及びその製造方法を提供でき、従来の金型加工における、タングステンカーバイドとバインダーとの加工速度の違いに基づく、加工面の表面粗さの悪化を防止し、超平滑面を形成することを可能とする、（４）金型の非接触加工を実現することにより、加工具の面粗さが、金型面粗さに影響を及ぼさない、（５）加工中の工具の変形に起因する表面粗さの悪化を防止して超平滑面を形成することを可能とする、（６）加工後の金型の修理、再調整が容易である、（７）金型材料が有する欠陥に基づく表面粗さの悪化の防止が可能である、（８）微細金型の表面粗さを１ｎｍ以下にすることにより、作製した微細部品の精度を向上させて、その微細部品の寿命を向上させ、更には、金型自体の寿命を向上させることが可能である、という格別な効果が奏される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例によって何ら限定されるものではない。
【実施例１】
【００１７】
（１）金型材料
本実施例では、金型材料として、タングステンカーバイドを主成分とする材料を用いた。
図１に、金型材料として用意されたタングステンカーバイド焼結体（タングステンカーバイド粒径は、０．２−０．５μｍ、相対密度は、９９.４％）の組織写真を示す。該金型材料に、集束イオンビーム加工にて、電圧３０ｋｅＶ、電流１８７ｐＡ、デュエルタイム２００μｓ、ビーム径３５nmの条件で、１０μｍ、８μｍ、６μｍ、４μｍ、及び２μｍの５重円柱穴を加工した。
【００１８】
（２）集束イオンビーム加工による微細金型の製造
次に、各種金型材料について、集束イオンビーム加工における平均面粗さ、相対密度、及びタングステンカーバイド粒径の影響を調査した。
相対密度９７％でタングステンカーバイド粒度が０．２−０．４μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ａ）、相対密度９９％以上でタングステンカーバイド粒度が０．２−０．５μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｂ）、相対密度９９％以上でタングステンカーバイド粒度が０．４−０．８μｍ（Ｃ）、及び相対密度９９％以上でタングステンカーバイド粒度が１．０−１．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｄ）を用意し、集束イオンビーム装置にて、電圧３０ｋｅＶ、電流１８７ｐA、デュエルタイム２００μｓ、ビーム径３５nmの条件で、５重円柱穴を加工した。その結果を図２に示す。
【００１９】
（３）結果
図３に、集束イオンビーム加工における平均面粗さに及ぼす相対密度とタングステンカーバイド粒度の関係を示す。相対密度９７．４％、タングステンカーバイド粒度０．２−０．４μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ａ）で集束イオンビーム加工を行った場合の平均面粗さは５．２ｎｍ、相対密度９９．８％、タングステンカーバイド粒度１．０−１．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｄ）で集束イオンビーム加工を行った場合の平均面粗さは２．３ｎｍであった。
【００２０】
一方、相対密度９９．４％、タングステンカーバイド粒度０．２−０．５μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｂ）、及び相対密度９９．７％、タングステンカーバイド粒度０．４−０．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｃ）で集束イオンビーム加工を行った場合の平均面粗さは、それぞれ０．８ｎｍ及び０．９ｎｍであった。このように、相対密度９９％以上、且つ粒径０．８μｍ以下の金型材料において、１ｎｍ以下の平均面粗さを持つ超平滑金型が作製できた。
【００２１】
平均面粗さに及ぼすタングステンカーバイド粒度の点から、ほぼ同等の相対密度を有する相対密度９９．８％、タングステンカーバイド粒径１．０−１．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｄ）と相対密度９９．７％、タングステンカーバイド粒径０．４−０．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｃ）の平均面粗さを見てみると、２．３ｎｍと０．９ｎｍであり、タングステンカーバイド粒度が小さいほど集束イオンビームによる加工後の表面粗度が小さくなることがわかる。
【００２２】
これは、同じスパッタ現象により加工しているイオンシャワー装置を使用した金型加工のタングステンカーバイド粒度と平均面粗さの関係と同様の傾向を示す。集束イオンビーム加工において、粒度は小さければ小さいほど、平均面粗さがより小さくなると考えられ、タングステンカーバイド粒度はより小さいことが望ましい。（宮本岩男、塑性と加工(日本塑性加工学会誌)３６， Ｎｏ．４１１ （１９９５）ｐｐ. ３０７−３１２参照）
【００２３】
他方、相対密度の点から平均面粗さをみてみると、相対密度９７．４％、タングステンカーバイド粒度０．２−０．４μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ａ）は、タングステンカーバイド粒度が、他のどの金型材料よりも小さいにもかかわらず、相対密度９９．４％、タングステンカーバイド粒度０．２−０．５μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｂ）、及び相対密度９９．７％、タングステンカーバイド粒度０．４−０．８μｍのタングステンカーバイド金型材料（Ｃ）の平均面粗さよりも大きくなっていることから、相対密度が低いことは、平均面粗さを大きくする因子であり、相対密度は、大きければ大きいほどよいと考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
以上詳述したように、本発明は、例えば、光通信、バイオテクノロジー等関連装置の集積化及び微細化、低コスト化に資する高精度、高寿命な微細部品の作製を行うための高寿命金型に極めて有効な、タングステンカーバイドを主成分とする微細金型及びその製造方法に係るものであり、本発明は、集束イオンビームによる、非接触加工によって、タングステンカーバイドを主成分とする、１ｎｍ以下の平均表面粗さを有する微細金型及びその製造方法を提供することを可能とする。本発明により、従来の金型加工における、タングステンカーバイドとバインダーとの加工速度の違いに基づく加工面の平均表面粗さの悪化を克服し、超平滑面を形成することを可能とする。金型の非接触加工を実現する。加工具の面粗さの金型面粗さに対する影響、また、加工中の工具の変形に起因する表面粗さの悪化を防止して、超平滑面を形成することを可能とし、産業利用に適した、ナノ金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】タングステンカーバイド金型材料の組織写真を示す。タングステンカーバイド粒度は０．２−０．５μｍ、相対密度は９９.４％である。
【図２】図１のタングステンカーバイド金型材料を集束イオンビームにより、直径１０μｍ、８μｍ、６μｍ、４μｍ、２μｍの５重円穴が加工された微細金型を示す。
【図３】集束イオンビーム加工により作製された直径１０μｍ、８μｍ、６μｍ、４μｍ、２μｍの５重円柱穴における平均面粗さ、相対密度、タングステンカーバイド粒度の関係を示す。加工条件は、電圧３０kV、電流１８７ｐA、デュエルタイム２００μｓ、ビーム径３５nmである。
【図１】
2005199454.tif 000004
【図２】
2005199454.tif 000005
【図３】
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