專利名稱：微細(xì)電鑄用模具及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于微細(xì)電鑄(fine electrofoming)的新型模具，在通過電鑄制造由金屬薄膜構(gòu)成且具有預(yù)定平面形狀和預(yù)定厚度的微細(xì)金屬制品時(shí)使用該模具，還涉及一種制造微細(xì)電鑄用模具的制造方法。
背景技術(shù)：
電鑄具有若干優(yōu)點(diǎn)。例如(1)可進(jìn)行超高精度加工；(2)可制造與基底材料一體化的金屬制品；以及(3)可制造原形的精密復(fù)制品。電鑄用于制造各種類型的金屬制品，例如用于印刷電路板的銅箔、電動(dòng)刮胡刀的外刃、精密篩網(wǎng)、手表文字盤、以及用于形成光盤的模具。
尤其是近年來，以電子設(shè)備的小型化導(dǎo)致的部件的小型化為代表，對(duì)總體尺寸處于微米量級(jí)的微細(xì)金屬制品的需求趨于增加，且已研究了電鑄在其制造中的應(yīng)用。
通過電鑄制造的微細(xì)金屬制品的例子包括使用通過電鑄形成在基底材料上的金屬薄膜和呈一體化狀態(tài)的基底材料的例子；以及通過將該金屬薄膜從基底材料上剝離下來而將形成的金屬薄膜用作一獨(dú)立制品的例子。
雖然前者金屬制品占目前所有微細(xì)金屬制品中的絕大多數(shù)，但是可以預(yù)見，對(duì)后者金屬制品的使用和需要今后將增加。
后者金屬制品通過以下步驟制造制備用于微細(xì)電鑄的模具，該模具包括具有與其平面形狀相應(yīng)的微細(xì)形狀的電極部分；使該模具的電極部分用作陰極；通過電鑄使金屬薄膜選擇性地生長在其表面上；然后將生長出的該金屬薄膜從該電極部分上剝離，并回收該剝離的金屬薄膜。
用于這種方法的微細(xì)電鑄用模具的一個(gè)例子是通過如下步驟獲得的通過光刻(lithography)等方法，在諸如金屬板的導(dǎo)電性基板的表面上形成抗蝕劑膜(resist film)，該抗蝕劑膜具有絕緣性能，且具有許多開口，這些開口具有與將要形成的金屬制品的平面形狀相應(yīng)的形狀，且抵達(dá)該導(dǎo)電性基板的表面；以及將通過該抗蝕劑膜的開口暴露的導(dǎo)電性基板的表面用作電極部分。
在上述模具中，主要由諸如樹脂的有機(jī)材料構(gòu)成的抗蝕劑膜不耐用，且易被損壞。此外，其厚度比通過電鑄形成的金屬薄膜的厚度大得多。因此，難以在不損傷抗蝕劑膜的情況下，將形成的金屬薄膜從導(dǎo)電性基板表面剝離下來。
因此，在上述模具中，考慮到提高從電極部分上剝離金屬薄膜并回收該剝離的金屬薄膜的回收率，每次進(jìn)行電鑄時(shí)，考慮將該抗蝕劑膜連同該金屬薄膜一起剝離。
但是，當(dāng)進(jìn)行這種回收方法時(shí)，每進(jìn)行一次電鑄，造成模具不能使用，其必須重新制作。因此，模具和利用此模具制造的金屬制品的產(chǎn)率低，使得制造成本非常高。
因此，本發(fā)明人提出了一種用于微細(xì)電鑄的模具9，其具有圖4所示的結(jié)構(gòu)(日本專利特開公報(bào)JP2002-97591A)。
用于微細(xì)電鑄的模具9通過以下步驟獲得通過光刻等，在由金屬板構(gòu)成的導(dǎo)電性基板90的表面上形成許多非常小的突起91，每個(gè)突起具有與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的前端面91a；然后使液態(tài)樹脂在其上流動(dòng)，固化該樹脂，以形成與抗蝕劑膜相比足夠厚和結(jié)實(shí)的絕緣層92；然后拋光絕緣層92的表面，以露出突起91的前端面91a，并將暴露的前端面91a用作電極部分。
在用于微細(xì)電鑄的模具9中，如上所述，絕緣層92與抗蝕劑膜相比足夠厚和結(jié)實(shí)，且突起91的前端面91a與絕緣層92的表面彼此幾乎平齊。金屬薄膜被形成為呈現(xiàn)出自該平齊表面向上凸出的形狀。因此，可以通過剝離該絕緣層92回收該金屬薄膜，而實(shí)際上不會(huì)對(duì)絕緣層造成損傷。相應(yīng)地，一個(gè)用于微細(xì)電鑄的模具9可以反復(fù)多次用于電鑄。
但是，當(dāng)使用上述模具9時(shí)，金屬薄膜有時(shí)不能輕易地剝離。其原因在于，在模具9的表面和金屬薄膜之間產(chǎn)生了所謂的錨定效應(yīng)(anchoreffect)。
即，在上述模具9中，取決于拋光時(shí)金屬和樹脂之間磨損難易度的不同，或者在樹脂為可固化樹脂的情況下由于樹脂固化時(shí)的收縮，突起91的前端面91a傾向于進(jìn)入一種自該絕緣層92的表面非常輕微突出的狀態(tài)。
或者，由于兩者間膨脹系數(shù)的不同，固化上述可固化樹脂時(shí)的收縮等，在某些情況下，在突起91的側(cè)面和絕緣層92之間可能出現(xiàn)非常小的間隙。
在電鑄過程中，金屬薄膜不僅生長在前端面91a上，還生長在因突出或間隙而暴露的突起91的側(cè)面上，并且側(cè)面上生長的金屬薄膜產(chǎn)生了錨定效應(yīng)，使得用作金屬制品的、已經(jīng)生長在前端面91a側(cè)部上的金屬薄膜難以剝離。
該金屬薄膜具有一微觀結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)如上所述出現(xiàn)了金屬薄膜難以剝離的情況時(shí)，因剝離時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，金屬薄膜易于變形和損壞，且由該金屬薄膜制成的微細(xì)金屬制品的制造產(chǎn)量顯著降低。
此外，當(dāng)試圖通過大的力量強(qiáng)行將金屬薄膜剝離時(shí)，過大的力量也施加在模具9上。因此，模具9的老化也變快。
尤其是，例如，即使絕緣層92由諸如環(huán)氧樹脂的可固化樹脂形成，與由金屬制成的突起91相比，其更易于被剝離金屬薄膜的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力磨損掉。當(dāng)磨損進(jìn)行時(shí)，突起91的側(cè)面暴露更多。因此，不僅由于上述錨定效應(yīng)增加而更難以將金屬薄膜剝離，而且還因?yàn)榻饘俦∧げ粌H生長在前端面91a上還生長在突起91的側(cè)面上的情況，加劇了不能獲得具有正確形狀的金屬制品。
此外，由于上述應(yīng)力等，絕緣層92大面積上地自導(dǎo)電性基板90剝離，使得模具可能整體不能使用。
為了提高金屬制品的產(chǎn)率，優(yōu)選地是，使得每次使用一個(gè)模具進(jìn)行電鑄時(shí)可以制造出的金屬制品的數(shù)量盡可能大。
因此，需要使得上述模具9中的突起91的數(shù)目盡可能多。但是，為了充分確保絕緣層92的厚度，突起91的形狀比(即突起91的直徑與高度之比)必須遠(yuǎn)大于1。因此，即使通過諸如光刻的目前高精度加工技術(shù)，也無法容易地在導(dǎo)電性基板90的表面上高密度地形成許多具有這種高形狀比的突起91。
因此，在上述模具9中，金屬制品產(chǎn)量的提高是有限的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用于微細(xì)電鑄的新型模具，與具有通過抗蝕劑膜的開口形成在其中的電極部分的傳統(tǒng)模具一樣，結(jié)構(gòu)簡單，且易于制造，并且因此適用于多次電鑄，因?yàn)殡姌O部分可以以更高的密度布置在其中以提高金屬制品的產(chǎn)量，與由金屬制成的突起和絕緣層的組合構(gòu)成的模具相比，金屬薄膜更易于剝離，且其壽命大致等于或大于所述由突起和絕緣層的組合構(gòu)成的模具的壽命。
本發(fā)明的另一目的是提供一種制造方法，以更高的精度和更簡單的方法制造這種用于微細(xì)電鑄的模具。
根據(jù)本發(fā)明的微細(xì)電鑄用模具是一種通過電鑄制造由金屬薄膜構(gòu)成的、具有預(yù)定平面形狀和預(yù)定厚度的微細(xì)金屬制品時(shí)所用的微細(xì)電鑄用模具，其特征在于其包括導(dǎo)電性基板，以在電鑄中用作陰極；以及由無機(jī)絕緣材料制成的絕緣層，其厚度不小于10nm且小于金屬制品厚度的一半，并形成在該導(dǎo)電性基板的表面上，所述絕緣層具有開口，該開口具有與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的形狀，且通達(dá)導(dǎo)電性基板的表面，用于通過經(jīng)由電鑄的方法使金屬薄膜選擇性生長在由所述開口露出的導(dǎo)電性基板的表面上來制造金屬制品。
除了該絕緣層由無機(jī)絕緣材料形成外，根據(jù)本發(fā)明的模具具有與采用抗蝕劑膜的傳統(tǒng)模具大致相同的結(jié)構(gòu)，且結(jié)構(gòu)簡單，并易于制造。
具體地，例如，該絕緣層可以通過如下步驟制成通過光刻等在導(dǎo)電性基板的表面上構(gòu)圖形成抗蝕劑膜，該抗蝕劑膜具有與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的平面形狀；然后通過氣相生長法等在導(dǎo)電性基板的表面上形成無機(jī)薄膜以生長成絕緣層；然后，去除抗蝕劑膜，以形成開口。
根據(jù)此加工方法，例如，可以在電子裝置領(lǐng)域中已經(jīng)獲得的技術(shù)水平范圍內(nèi)提高精度和準(zhǔn)確度。
因此，根據(jù)本發(fā)明，與具有由金屬制造的突起的上述模具相比，電極部分(絕緣層的開口)可以以更高的密度布置，從而使得可以比以前更多地提高金屬制品的產(chǎn)量。
此外，絕緣層由無機(jī)絕緣材料構(gòu)成，且其厚度限定為不小于10nm。因此，與具有絕緣性能的傳統(tǒng)抗蝕劑膜相比，該絕緣層具有更高的硬度和強(qiáng)度。因此，該絕緣層具有耐用性，使得其不易于被剝離金屬薄膜的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力損傷。
此外，絕緣層的厚度被限定為小于要制造的金屬制品的厚度的一半。在電鑄之后，出現(xiàn)金屬薄膜自絕緣層凸出的狀態(tài)。因此，僅金屬薄膜能被剝離，而既不剝離也不損傷該絕緣層。此外，在剝離金屬薄膜的過程中，可以通過更小的應(yīng)力將金屬薄膜剝離，而不在作為絕緣層的開口的周邊部分的臺(tái)階狀表面上產(chǎn)生強(qiáng)的錨定效應(yīng)。
因此，根據(jù)本發(fā)明，防止了絕緣層在剝離時(shí)被損傷，從而使得還可以將該模具用于多次電鑄，因?yàn)榕c具有由金屬制成的突起的傳統(tǒng)模具的壽命相比，一個(gè)模具具有大致相等或更長的壽命。此外，防止了金屬制品因剝離時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力而變形和損壞，從而使得與傳統(tǒng)模具相比還可以更大地提高金屬制品的產(chǎn)率。
考慮到該金屬薄膜非常易于剝離，在上述范圍中，優(yōu)選地是絕緣層的厚度尤其不超過要制造的金屬制品的厚度的三分之一。
由能形成薄膜且具有絕緣性能的各種類型的無機(jī)材料制成的任意薄膜可用作該絕緣層。但是，為了形成具有更高強(qiáng)度和更高硬度的絕緣層，優(yōu)選地是，至少其表面由具有絕緣性能的、類似于金剛石的碳薄膜(即所謂的類金剛石碳薄膜，以下稱為“DLC薄膜”)的一種形成。
雖然整個(gè)絕緣層可以由具有絕緣性能的上述DLC薄膜形成，但是優(yōu)選地是，該絕緣層具有雙層結(jié)構(gòu)以改善DLC薄膜與導(dǎo)電性基板之間的粘附力，以進(jìn)一步提高絕緣層的壽命，所述雙層結(jié)構(gòu)的形成步驟為首先在導(dǎo)電性基板的表面上形成由硅(Si)或碳化硅(SiC)薄膜構(gòu)成的中間層；然后在該中間層上重疊由具有絕緣性能的DLC薄膜構(gòu)成的表層。
上述硅或碳化硅薄膜與諸如不銹鋼的金屬的粘附力較優(yōu)異，且還具有在該薄膜和層疊于其上的、具有絕緣性能的DLC薄膜之間的界面上形成SiC以提高DLC薄膜的粘附力的效果。
影響絕緣層壽命的另一因素的一個(gè)例子是作為電鑄基底的導(dǎo)電性基板的耐蝕性。即，當(dāng)導(dǎo)電性基板在電鑄過程中腐蝕時(shí)，在其上形成的絕緣層被剝離和丟失或懸空，使得它容易因剝離金屬薄膜的過程中產(chǎn)生的應(yīng)力而剝離和損傷。當(dāng)電極部分的表面因腐蝕而變得粗糙時(shí)，有可能不能在其上形成清潔的金屬薄膜，或形成的金屬薄膜不能從電極部分剝離。因此，導(dǎo)電性基板優(yōu)選地由具有導(dǎo)電性能且耐蝕性優(yōu)異的材料形成，尤其是由諸如SUS316的不銹鋼制成。
為了進(jìn)一步提高由諸如SUS316的不銹鋼制成的導(dǎo)電性基板的表面的耐蝕性，優(yōu)選地是，在導(dǎo)電性基板的表面上形成具有耐蝕性的導(dǎo)電層，所述表面的至少一部分通過絕緣層的開口露出，以保護(hù)導(dǎo)電性基板。
作為具有耐蝕性的導(dǎo)電層的一特殊例子，可以是由可形成薄膜、具有耐蝕性、且具有導(dǎo)電性能的各種類型的無機(jī)材料制成的任何薄膜。但是，為了形成具有更高強(qiáng)度和更高硬度、并具有耐蝕性的導(dǎo)電層，鈦薄膜是優(yōu)選的。
整個(gè)導(dǎo)電性基板可以由鈦或鎳耐蝕合金形成，其具有導(dǎo)電性，且具有與導(dǎo)電層的耐蝕性相同的耐蝕性。
根據(jù)本發(fā)明的一種制造用于微細(xì)電鑄的模具的方法是制造根據(jù)本發(fā)明的上述用于微細(xì)電鑄的模具的方法，包括步驟在導(dǎo)電性基板的表面上構(gòu)圖形成與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的抗蝕劑膜；在導(dǎo)電性基板的表面上，在除構(gòu)圖形成有抗蝕劑膜的區(qū)域之外的區(qū)域中，通過氣相生長法形成單層或多層無機(jī)薄膜以生長成絕緣層；以及去除該抗蝕劑模，以在該無機(jī)薄膜中形成具有與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的形狀并通達(dá)導(dǎo)電性基板表面的開口。
在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，抗蝕劑膜如前所述那樣通過光刻等形成，從而可以在電子設(shè)備領(lǐng)域中已經(jīng)獲得的技術(shù)水平范圍內(nèi)將精度和準(zhǔn)確度提高，達(dá)到與采用具有絕緣性能的抗蝕劑膜的傳統(tǒng)模具中相同的程度。
此外，根據(jù)上述制造方法，在構(gòu)圖形成抗蝕劑膜的過程中，需要通過光刻等進(jìn)行高精度定位的步驟數(shù)僅為一個(gè)。因此，上述高精度模具還可以通過更簡單的方式制造。


圖1A是局部切除透視圖，以放大的方式示出了根據(jù)本發(fā)明用于微細(xì)電鑄的模具的一實(shí)施例的例子，圖1B是放大的剖視圖，進(jìn)一步以放大的方式示出上述例子中用于微細(xì)電鑄的模具的一部分；圖2A和2B是放大的剖視圖，分別顯示根據(jù)本發(fā)明用于微細(xì)電鑄的模具的改型例子；圖3A至3E是剖視圖，顯示通過根據(jù)本發(fā)明的制造方法制造圖1A所示例子中的用于微細(xì)電鑄的模具的制造步驟的例子；圖4為放大剖視圖，以放大方式顯示用于微細(xì)電鑄的傳統(tǒng)模具的例子的一部分。
具體實(shí)施例方式
以下將說明本發(fā)明。
(用于微細(xì)電鑄的模具)如上所述，圖1A是立體局部切除圖，以放大的方式示出根據(jù)本發(fā)明用于微細(xì)電鑄的模具的一實(shí)施例的例子，圖1B是放大的剖視圖，進(jìn)一步以放大的方式示出上述例子中用于微細(xì)電鑄的模具的一部分。
所示例子中用于微細(xì)電鑄的模具M(jìn)用于將具有圓形平板的平面形狀(即圓盤形狀)的金屬粉末P制造成金屬制品。在它的導(dǎo)電性基板1的表面上，用無機(jī)絕緣材料形成具有諸多開口21的絕緣層2，開口21具有與金屬粉末P的平面形狀相應(yīng)的圓形，且將通過絕緣層2的開口21露出的導(dǎo)電性基板1的表面11用作電極部分。
雖然在上述部件中至少導(dǎo)電性基板1的表面可以具有導(dǎo)電性能，但是優(yōu)選地是，整個(gè)導(dǎo)電性基板1由金屬板等一體形成以簡化其結(jié)構(gòu)，并且如果具體考慮耐蝕性等，則優(yōu)選地是，如上所述地，整個(gè)導(dǎo)電性基板1用由諸如SUS316的不銹鋼制成的板材一體形成。此外，關(guān)于諸如SUS316的不銹鋼，在耐蝕性方面尤其優(yōu)異的SUS316L是最優(yōu)選的。
此外，如上所述，整個(gè)導(dǎo)電性基板1也可以由鈦、諸如哈司特鎳合金(Ni-Cr-Mo合金)的耐蝕鎳合金等形成。此時(shí)，耐蝕性可以進(jìn)一步提高。
如前所述，作為絕緣層2，可以是由可以形成膜并具有絕緣性能的各種類型的無機(jī)材料構(gòu)成的任何薄膜。薄膜的例子包括氧化硅(SiO2)薄膜、氧化鋁(Al2O3)薄膜、以及具有絕緣性能的DLC薄膜。如上所述，當(dāng)具體考慮形成具有高硬度和高強(qiáng)度的絕緣層2時(shí)，具有絕緣性能的DLC薄膜是優(yōu)選的。
為了使絕緣層2具有一定的硬度和強(qiáng)度，使得其既不易于被磨損也不易于被剝離金屬薄膜時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力所損傷，以維氏硬度Hv計(jì)算，具有絕緣性能的DLC薄膜的硬度優(yōu)選地不小于1000。此外，考慮到除電極部分之外的模具M(jìn)的表面區(qū)域充分絕緣，DLC薄膜的電阻率優(yōu)選地不小于1011Ω.cm。
具有絕緣性能的DLC薄膜可以通過離子鍍方法、濺鍍法、等離子CVD(Chemical Vapor Deposition，化學(xué)氣相沉積)法等形成，尤其優(yōu)選地通過等離子CVD法形成。
為了使通過等離子CVD法形成的DLC薄膜具有絕緣性能，諸如甲烷氣體的碳?xì)浠衔餁怏w可以用作原料氣體。
雖然絕緣層2可以具有如圖所示的單層結(jié)構(gòu)，但是優(yōu)選地是具有雙層結(jié)構(gòu)，如圖2A所示，該雙層結(jié)構(gòu)例如包括形成在導(dǎo)電性基板1的表面上的、由硅或碳化硅薄膜構(gòu)成的中間層2b，以及層疊在其上的、由具有絕緣性能的DLC薄膜構(gòu)成的表層2a。其原因如上所述。在堿浴(alkali bath)用作電鑄用電鍍?nèi)芤旱那闆r下，中間層2b更優(yōu)選地由上述薄膜中耐堿性優(yōu)異的碳化硅薄膜形成。
硅薄膜可以通過離子電鍍法、濺鍍法、等離子CVD法等形成。此外，碳化硅薄膜可以通過反應(yīng)離子電鍍法、反應(yīng)濺鍍法、等離子CVD法等形成。
參見圖1B，絕緣層2的厚度T2必須小于將要制造的金屬制品的厚度T1的一半，且不小于10nm。其原因如前所述。
即，在絕緣層2的厚度T2小于10nm的情況下，絕緣層2的硬度和強(qiáng)度下降。因此，絕緣層2易于被剝離金屬薄膜時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力損傷，使得模具M(jìn)的壽命下降。此外，不能確保取決于絕緣層2的材料的充分絕緣性能。
相反，在絕緣層2的厚度T2不小于將要制造的金屬制品的厚度T1的一半的情況下，在作為絕緣層2的開口的周邊部分的臺(tái)階表面上產(chǎn)生強(qiáng)的錨定效應(yīng)。因此，金屬薄膜不易于剝離，因此必須通過更大的應(yīng)力來剝離。于是，在較多的情況下，由于剝離時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，金屬制品變形和損傷。因此，金屬制品的產(chǎn)量下降，或絕緣層2在剝離時(shí)易于損壞，使得模具M(jìn)的壽命下降。
尤其在上述范圍內(nèi)，絕緣層2的厚度T2不超過將要制造的金屬制品的厚度T1的三分之一，優(yōu)選地不小于10nm。
當(dāng)將厚度T1為1μm的金屬粉末制作成金屬制品時(shí)，如后面所述的例子中那樣，如果其符合前述定義，絕緣層2的厚度T2必須不小于10nm且小于500nm，且優(yōu)選地為10nm至333nm。
于是絕緣層2的厚度T2的上限值僅由與金屬制品的厚度T1的關(guān)系確定，并不具體地限于特定的數(shù)值范圍。但是，當(dāng)絕緣層2的厚度T2過大時(shí)，層內(nèi)的殘余應(yīng)力增大。因此，由于剝離金屬薄膜時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力，絕緣層2易于例如在電鑄過程中或電鑄之后從導(dǎo)電性基板1上剝落下來，使得模具M(jìn)的壽命會(huì)降低。
因此，絕緣層2的厚度T2優(yōu)選地不超過5μm，更優(yōu)選地不超過1μm，而不管金屬制品的厚度如何。
當(dāng)絕緣層2具有單層結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖1A所示的例子中那樣，上述絕緣層2的厚度T2是其自身的厚度。當(dāng)絕緣層2具有包括表層2a和中間層2b的雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，如圖2A所示的例子中那樣，厚度T2是兩層的厚度之和。
由具有絕緣性能的DLC薄膜構(gòu)成的表層2a的厚度T2a與由硅或碳化硅薄膜構(gòu)成的中間層2b的厚度T2b之比T2a/T2b優(yōu)選為2/8至8/2，更優(yōu)選為3/7至7/3。
當(dāng)表層2a的厚度T2a小于該范圍時(shí)，通過表層2a提高絕緣層2的強(qiáng)度和硬度的效應(yīng)不充分。相反，當(dāng)中間層2b的厚度T2b小于該范圍時(shí)，通過中間層2b提高表層2a與導(dǎo)電性基板1的粘附力的效果下降。因此，在每一種情形中，絕緣層2的壽命會(huì)降低。
具有耐蝕性的導(dǎo)電層3至少可以形成在通過絕緣層2的開口21露出的、由不銹鋼制成的導(dǎo)電性基板1的表面上，更優(yōu)選地形成在導(dǎo)電性基板1的整個(gè)表面上，如圖2B所示。
在這種布置中，將通過絕緣層2的開口21露出的、具有耐蝕性的導(dǎo)電層3的表面3a用作電極部分。
如上所述，鈦薄膜優(yōu)選作為具有耐蝕性的導(dǎo)電層3。
鈦薄膜可以通過離子電鍍法、濺鍍法、等離子CVD法等形成。通過以上方法中的濺鍍法形成的鈦薄膜尤其是優(yōu)選的，因?yàn)槠湓谀臀g性方面是優(yōu)異的，在與不銹鋼的粘附力方面也是優(yōu)異的，且具有高的強(qiáng)度和硬度。
具有耐蝕性的導(dǎo)電層3例如鈦薄膜的厚度優(yōu)選地為10nm至10μm，更優(yōu)選地在50nm至2μm。
在導(dǎo)電層3的厚度小于10nm的情形下，賦予導(dǎo)電性基板1耐蝕性的效果可能不會(huì)充分達(dá)到。此外，即使其厚度超過10μm，既不能獲得更大的效果，而且還因?yàn)楸∧?nèi)的殘余應(yīng)力增大，而易于在電鑄過程中或在電鑄之后通過剝離金屬薄膜時(shí)產(chǎn)生的應(yīng)力而將導(dǎo)電層3從導(dǎo)電性基板1上剝落，從而模具M(jìn)的壽命會(huì)降低。
(制造用于微細(xì)電鑄的模具的方法)圖3A至3E是剖視圖，顯示通過根據(jù)本發(fā)明的制造方法制造上述圖1A所示例子中的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)的步驟的例子。
在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，首先將抗蝕劑涂敷在導(dǎo)電性基板1的表面上，并將其干燥，以形成抗蝕劑膜R’，如圖3A所示。
當(dāng)具有耐蝕性的導(dǎo)電層層疊在導(dǎo)電性基板1的表面上時(shí)，層疊步驟在該形成步驟之前進(jìn)行。
然后在將掩模m放置在抗蝕劑膜R’上的情況下，該掩模m被構(gòu)圖成其平面形狀相應(yīng)于待制造的金屬制品的平面形狀，如實(shí)線箭頭所示那樣對(duì)抗蝕劑膜R’曝光，然后用預(yù)定的顯影溶液對(duì)該抗蝕劑膜R’進(jìn)行顯影，如圖3B所示，從而構(gòu)圖形成具有上述平面形狀的抗蝕劑膜R，如圖3C所示。
然后通過諸如離子電鍍法或?yàn)R鍍法的上述氣相生長方法，將待生長為絕緣層2的無機(jī)薄膜2’和2”形成在導(dǎo)電性基板1和抗蝕劑膜R的表面上，如圖3D所示。當(dāng)絕緣層2如上所述具有雙層結(jié)構(gòu)時(shí)，圖3D中示出的成膜步驟對(duì)于每一層反復(fù)進(jìn)行。
當(dāng)去除抗蝕劑膜R和形成在其上的無機(jī)薄膜2”時(shí)，絕緣層2包括具有與金屬制品的平面形狀相應(yīng)的平面形狀的開口21，如圖3E所示，從而制造出用于微細(xì)電鑄的模具M(jìn)。
工業(yè)應(yīng)用如前所述，根據(jù)本發(fā)明的用于微細(xì)電鑄的模具結(jié)構(gòu)簡單且易于制造，與具有通過抗蝕劑膜的開口而形成在其中的電極部分的傳統(tǒng)模具一樣，因此電極部分可以以高得多的密度布置，以提高金屬制品的產(chǎn)量。此外，所述微細(xì)電鑄用模具可用于多次電鑄，因?yàn)榕c由用金屬制造的突起和絕緣層組合成的模具相比，金屬薄膜更易于剝離，且其壽命大致等于或大于后者模具的壽命。
在根據(jù)本發(fā)明的制造方法中，根據(jù)本發(fā)明用于微細(xì)電鑄的該模具可以以更高的精度并通過更簡單的方法制造。
實(shí)施例本發(fā)明將在實(shí)施例和比較例的基礎(chǔ)上得以說明。
實(shí)施例1(用于微細(xì)電鑄的模具的制造)在圖3A至3E所示的工序中，在由不銹鋼(SUS316L)制造的長200mm×寬300mm的鋼板(導(dǎo)電性基板)1的一個(gè)表面上，首先通過光刻法形成一抗蝕劑圖案，該抗蝕劑圖案具有分布在其中的、具有與圓盤形的金屬粉末(鎳粉末)P的形狀相應(yīng)的直徑30μm的許多抗蝕劑膜R?？刮g劑膜R的厚度為20μm。
于是，在其上形成有抗蝕劑圖案的鋼板1的表面上，通過濺鍍法形成厚度為0.2μm的氧化硅(SiO2)薄膜(無機(jī)薄膜)2’和2”，以生長成絕緣層2。
然后將鋼板1浸入5％氫氧化鈉溶液以溶解抗蝕劑膜R，使得鋼板1連同形成在其上的氧化硅薄膜2”一起被去除，然后清洗，并干燥。
因此，在抗蝕劑膜R已經(jīng)被去除的印跡中，形成厚度T2為0.2μm(＝200nm)的、具有許多開口21的絕緣層2，該開口21具有與金屬粉末P的形狀相應(yīng)的圓形且具有30μm的直徑，并將通過絕緣層2的開口21暴露的鋼板1的表面11用作電極部分，從而制成具有圖1A和1B所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)。絕緣層2的厚度T2是以下所述用作金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/5。
(金屬制品的制造)在液體溫度為60℃的條件下在氣泡(airbubbling)中電鑄鎳，使用了上述的模具M(jìn)和具有以下組分的鎳電鍍液(pH＝3)(成分) (濃度)六水合硫酸鎳 200克/升六水合氯化鎳 40克/升硼酸 30克/升糖精 4克/升利用模具M(jìn)作為陰極且利用鎳板作為陽極，通過在10A/dm2的直流電流下進(jìn)行通電30秒來電鑄鎳，從而使得鎳薄膜選擇性生長在模具M(jìn)的電極部分中。
由聚丙烯制成的無紡布在電鑄之后被壓靠在模具M(jìn)上，并被摩擦，從而將形成在電極部分上的鎳薄膜剝離，從而制成鎳粉末。
當(dāng)用掃描型電子顯微鏡(SEM)觀察獲得的鎳粉末時(shí)，可以證實(shí)任何粉末均是圓盤形粉末，具有30μm直徑和1μm厚度，該粉末既沒有缺陷也沒有變形。此外，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上。
當(dāng)此后利用相同的模具M(jìn)反復(fù)進(jìn)行與上述相同的電鑄和剝離操作時(shí)，作為金屬制品的鎳粉末的形狀沒有改變，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上，沒有證實(shí)對(duì)模具M(jìn)的損傷，直到第九次電鑄和剝離操作。但是當(dāng)進(jìn)行第十次剝離操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕緣層2被剝離且開裂了。當(dāng)進(jìn)行第十一次電鑄時(shí)，在絕緣層2剝離和開裂的部分中，發(fā)現(xiàn)鎳粉末的形狀異常。
實(shí)施例2以與實(shí)施例1相同的方式制造具有圖1A和1B所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)，其不同之處在于絕緣層2是通過等離子CVD方法由具有絕緣性能的DLC薄膜(維氏硬度Hv1100，且電阻率1012Ω·cm)形成的，該DLC薄膜的厚度T2為0.2μm(＝200nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/5)。
當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式反復(fù)進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，除了模具M(jìn)是使用過的之外，作為金屬制品的鎳粉末的形狀沒有改變，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上，且直到第十九次電鑄和剝離操作時(shí)才發(fā)現(xiàn)對(duì)模具M(jìn)的損傷。但是當(dāng)進(jìn)行第二十次剝離操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕緣層2剝離和開裂。當(dāng)進(jìn)行第21次電鑄時(shí)，在絕緣層2剝離和開裂的部分中發(fā)現(xiàn)了鎳粉末形狀的異常。
實(shí)施例3以與實(shí)施例1相同的方式制造具有圖2A所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)，其不同之處在于絕緣層2具有雙層結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括通過濺鍍法由硅薄膜構(gòu)成的中間層2b、以及通過等離子CVD方法由具有絕緣性能的DLC薄膜(維氏硬度Hv1100，且電阻率1012Ω·cm)構(gòu)成的表層2a，且該雙層結(jié)構(gòu)具有0.2μm的總厚度(＝200nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/5)。
表層2a的厚度T2a與中間層2b的厚度T2b之比T2a/T2b設(shè)置為1/3。
當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式反復(fù)進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，除了模具M(jìn)是使用過的之外，作為金屬制品的鎳粉末的形狀沒有改變，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上，且直到第49次電鑄和剝離操作時(shí)才發(fā)現(xiàn)模具M(jìn)的損傷。但是當(dāng)進(jìn)行第50次剝離操作時(shí)，發(fā)現(xiàn)絕緣層2剝離和開裂。當(dāng)進(jìn)行第51次電鑄時(shí)，在絕緣層2剝離和開裂的部分中發(fā)現(xiàn)了鎳粉末形狀的異常。
實(shí)施例4在由不銹鋼(SUS316L)制成的長300mm×寬200mm的鋼板的一個(gè)表面上，該鋼板形成為導(dǎo)電性基板1，通過濺鍍方法形成由鈦薄膜構(gòu)成的、具有耐蝕性的導(dǎo)電層3(厚度為100nm)。
然后，以與實(shí)施例3中的方式相同的方式，在導(dǎo)電層3上形成具有雙層結(jié)構(gòu)的絕緣層2，該雙層結(jié)構(gòu)包括由硅薄膜構(gòu)成的中間層2b、以及由具有絕緣性能的DLC薄膜(維氏硬度Hv1100，且電阻率1012Ω·cm)構(gòu)成的表層2a，以制造具有圖2B所示疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)。兩層的總厚度設(shè)定為0.2μm(＝200nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/5)，且表層2a的厚度T2a與中間層2b的厚度T2b之比T2a/T2b設(shè)置為1/3。
除了模具M(jìn)被使用過之外，當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式反復(fù)進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，作為金屬制品的鎳粉末的形狀沒有改變，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上，且直到第100次電鑄和剝離操作時(shí)才發(fā)現(xiàn)模具M(jìn)的損傷。
實(shí)施例5除了將長300mm×寬200mm的鈦板用作導(dǎo)電性基板1外，以與實(shí)施例3中的方式相同的方式形成具有雙層結(jié)構(gòu)的絕緣層2，該雙層結(jié)構(gòu)包括由硅薄膜構(gòu)成的中間層2b、以及由具有絕緣性能的DLC薄膜(維氏硬度Hv1100，且電阻率1012Ω·cm)構(gòu)成的表層2a，以制造具有圖2A所示疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)。兩層的總厚度設(shè)定為0.2μm(＝200nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/5)，且表層2a的厚度T2a與中間層2b的厚度T2b之比T2a/T2b設(shè)置為1/3。
除了使用該模具M(jìn)外，當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式反復(fù)進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，作為金屬制品的鎳粉末的形狀沒有改變，鎳薄膜根本沒有保留在模具M(jìn)的表面上，且直到第100次電鑄和剝離操作時(shí)才發(fā)現(xiàn)模具M(jìn)的損傷。
實(shí)施例6以與實(shí)施例2相同的方式制造具有圖1A和1B所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)，其不同之處在于由具有絕緣性能的DLC薄膜形成的絕緣層2的厚度被設(shè)置為0.35μm(＝350nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/2.9)。
除了使用該模具M(jìn)外，當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，80％的鎳薄膜可以剝離而沒有缺陷和變形。但是，其剩余的20％根本不能剝離，或者即使其可以剝離，也是有缺陷的和變形的。這就證明，絕緣層2的厚度更優(yōu)選地不超過金屬制品厚度的1/3。
比較例1
以與實(shí)施例2相同的方式制造具有圖1A和1B所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)，其不同之處在于由具有絕緣性能的DLC薄膜構(gòu)成的絕緣層2的厚度被設(shè)置為0.5μm(＝500nm，是作為金屬制品的鎳粉末的厚度(T1＝1μm)的1/2)。
除了使用該模具M(jìn)外，當(dāng)以與實(shí)施例1中的方式相同的方式進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，鎳薄膜根本不能剝離。
這就證明，絕緣層2的厚度必須小于金屬制品厚度的1/2。
比較例2以與實(shí)施例1相同的方式制造具有圖1A和1B所示的疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具M(jìn)，其不同之處在于由氧化硅薄膜構(gòu)成的絕緣層2的厚度設(shè)置為8nm。
除了使用該模具M(jìn)外，當(dāng)以與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行電鑄時(shí)，證實(shí)了鎳薄膜生長成尤其朝向開口21的周邊突出的形狀，因?yàn)橛山^緣層2提供的絕緣是不充分的。當(dāng)進(jìn)行剝離操作時(shí)，證明了絕緣層2在如上所述諸如鎳薄膜突出和生長位置的位置處被剝離。此外，剝離的金屬制品因上述突出而變形。
這就證明，絕緣層2的厚度必須不小于10nm。
比較例3通過利用光刻進(jìn)行蝕刻，在由不銹鋼(SUS316L)制成的長200mm×寬300mm的鋼板(導(dǎo)電性基板)90的一個(gè)表面上，形成直徑為30μm且高度為7μm的諸多柱狀突起91。
在接著使液態(tài)環(huán)氧樹脂流到其上形成有突起91的基板90的表面上，并使其固化以形成厚度為7μm的絕緣層92后，其表面用#2000的砂紙拋光，以露出突起91的前端面91a并將露出的前端面91a用作電極部分，從而制成具有圖4所示疊層結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄用模具9。
除了使用模具9外，當(dāng)以與實(shí)施例1相同的方式進(jìn)行電鑄和剝離操作時(shí)，鎳薄膜難以剝離。當(dāng)使用金屬刮刀迫使鎳薄膜剝離時(shí)，通過此剝離獲得的任何鎳粉末均有缺陷且變形。此外，在鎳薄膜被強(qiáng)行剝離后得到的模具9中，還發(fā)現(xiàn)了絕緣層92中的碎片、前端面91a上的表面劃痕等。
當(dāng)用顯微鏡觀察電鑄前的模具9的表面時(shí)，確證了諸如以下位置的許多位置突起91的前端面91a自絕緣層92的表面突出不小于2μm的位置，以及在突起91的側(cè)面和絕緣層92之間出現(xiàn)間隙的位置。
權(quán)利要求
1.一種用于微細(xì)電鑄的模具，該模具用于通過電鑄制造由金屬薄膜構(gòu)成且具有預(yù)定平面形狀和預(yù)定厚度的微細(xì)金屬制品，該模具的特征在于其包括在電鑄過程中用作陰極的導(dǎo)電性基板；形成在該導(dǎo)電性基板的表面上的絕緣層，該絕緣層由無機(jī)絕緣材料構(gòu)成且具有不小于10nm和小于該金屬制品厚度的一半的厚度；以及所述絕緣層具有其形狀與該金屬制品的平面形狀相應(yīng)且通達(dá)該導(dǎo)電性基板的表面的開口，用于通過使所述金屬薄膜經(jīng)由電鑄選擇性地生長在從該開口處露出的該導(dǎo)電性基板的表面上來制造該金屬制品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的用于微細(xì)電鑄的模具，其中該絕緣層的厚度不大于該金屬制品的厚度的三分之一。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的用于微細(xì)電鑄的模具，其中至少該絕緣層的表面由具有絕緣性能的類金剛石碳薄膜形成。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的用于微細(xì)電鑄的模具，其中該絕緣層具有雙層結(jié)構(gòu)，該雙層結(jié)構(gòu)包括形成在該導(dǎo)電性基板的表面上的、由硅或碳化硅薄膜構(gòu)成的中間層以及層疊在該中間層上的、由具有絕緣性能的所述類金剛石碳薄膜構(gòu)成的表層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的用于微細(xì)電鑄的模具，其中該導(dǎo)電性基板由SUS316型不銹鋼形成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的用于微細(xì)電鑄的模具，其中具有耐蝕性的導(dǎo)電層形成在該導(dǎo)電性基板的表面上，該表面的至少一部分通過該絕緣層的開口露出。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的用于微細(xì)電鑄的模具，其中所述具有耐蝕性的導(dǎo)電層由鈦薄膜形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的用于微細(xì)電鑄的模具，其中該導(dǎo)電性基板由鈦或鎳耐蝕性合金形成。
9.一種制造根據(jù)權(quán)利要求1至8中的任一項(xiàng)的用于微細(xì)電鑄的模具的方法，包括步驟在該導(dǎo)電性基板的表面上構(gòu)圖形成與該金屬制品的平面形狀相應(yīng)的抗蝕劑膜；在該導(dǎo)電性基板的表面上，在除了構(gòu)圖形成有該抗蝕劑膜的區(qū)域外的區(qū)域中，通過氣相生長法形成單層或多層無機(jī)薄膜以生長成該絕緣層；以及去除該抗蝕劑膜，以在該無機(jī)薄膜中形成其平面形狀與該金屬制品的平面形狀相應(yīng)且通達(dá)該導(dǎo)電性基板的表面的開口。
全文摘要
一種容易制造的具有簡單結(jié)構(gòu)的微細(xì)電鑄模具。為了提高由金屬薄膜構(gòu)成的金屬制品的產(chǎn)量，在電鑄過程中用作陰極的電極部分可以以更高的密度布置，且形成在電極部分上的金屬薄膜可容易地剝離。該模具具有持久力，且可多次使用。還公開了一種以更高的精度通過更簡單的方式制造該微細(xì)電鑄模具的制造方法。微細(xì)電鑄模具(M)具有電鑄時(shí)用作陰極的導(dǎo)電性基板(1)。在導(dǎo)電性基板(1)的表面上，具有抵達(dá)導(dǎo)電性基板(1)且其形狀自上方觀看時(shí)相應(yīng)于金屬制品(P)的形狀的開口(21)的絕緣層(2)由無機(jī)絕緣材料形成，其厚度T
文檔編號(hào)C25D1/00GK1551930SQ0380098
公開日2004年12月1日 申請(qǐng)日期2003年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年2月20日
發(fā)明者新田耕司, 稻澤信二, 細(xì)江晃久, 久, 二 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社