Ni-W 電鋳金型を用いたガラスインプリントの研究

神奈川県産業技術センター研究報告 No.20／2014
Ni-W 電鋳金型を用いたガラスインプリントの研究
電子技術部電子材料チーム安
井
学
黒内正仁
金子
智
小沢
武
本研究では，ニッケル‐タングステン（Ni-W）電鋳金型が硼珪酸ガラスを対象とした熱インプリントで 25 回の使用
に耐えられることを確認した．また，作製直後は非晶質であった Ni-W 金型が，22 回の熱インプリント後には結晶質
に変化していた．結晶化による Ni-W 金型の破損は見られなかった．
キーワード：Ni-W，電鋳，金型，硼珪酸ガラス，熱インプリント，再現性
いた．また，ガラスは硼珪酸ガラスである D263
１はじめに
（SCHOTT 製，ガラス転移温度（ Tg ）：830 K，1.1
mm 厚，15 mm 角）を用いた．Ni-W 金型とガラスの取
ガラスや樹脂などの粘弾性体，粘塑性体の成形におい
て熱インプリントは有用である．特に，ガラスを対象とし
付けは以下の通りである．
た熱インプリント（ガラス熱インプリント）は，マイクロ
図 1 に示すように下部ヒータ上にガラス状カーボン
流体チップや光学デバイスなどの量産技術として有望視さ
(Glassy carbon: GC)を敷いた．GC の上に Ni-W 金型を載
れている．そして，化学反応を対象とするマイクロ流体チ
せ，その上に D263 ガラス片を設置した．更に，ガラス片
ップには耐薬品性と耐熱性が要求されることから，硼珪酸
上に GC を 2 枚載せた．なお，GC を用いた理由は Ni-W
ガラスの適用が有望である 1)．一方で，ガラス熱インプリ
金型やガラス片が各ヒータに融着することを防止するため
ントでは，金型材料の選定がきわめて重要となる．筆者ら
である．
は，ブラウン管用ガラス成形金型の離型層に使用されてい
次に，ガラス熱インプリントを以下の手順で行った．
たニッケル‐タングステン‐モリブデン（Ni-W-Mo）膜
酸素を除去するためにチャンバー内を 0.07 Pa まで真空引
Ni-W 膜を金型材料に用いること
きした．その後，D263 の Tg 以上である 883 K に Ni-W
2)に着目し，組成が近い
を提案した．そして，硼珪酸ガラスや光学ガラスに対して，
金型とガラス片を加熱した．そして，0.89 MPa の圧力を
Ni-W 膜が離型性に優れた金型材料であることを確認した
600 秒間維持した後，圧力を除荷し，473 K まで自然冷
3,4)．さらに，マイクロ流体チップや光学デバイスに対応
却した．冷却と同時に除荷することで，D263 と Ni-W の
できる金型として，フォトリソグラフィと電析技術を組み
熱膨張係数の差によりガラス片が金型から剥がれ易くして
合わせた電鋳により Ni-W 電鋳金型（Ni-W 金型）を開発
いる．以下，同一の金型を用いてガラス熱インプリントを
した 5,6)．
25 回行った．
熱インプリントでは，金型の耐久性（使用回数など）
３実験結果
が重要である．しかし，Ni-W 金型を含めて，ガラスを対
図 2 に 23 回の熱インプリント後に Ni-W 電鋳金型から
象とした熱インプリント用金型の耐久性に関する報告例は
少ない．これは一度の熱インプリント実験に数時間かかり，
剥離したガラス片表面の SEM 写真を示す．Ni-W 電鋳金
データが取りにくいことが原因と考えられる．そこで，本
型と同様に最小線幅約 20 μm，線間隔約 20 μm のパター
報では 25 回と限られた回数ではあるが，ガラスを対象と
ン（以下，40 μm 周期パターン）がガラス表面に転写で
した熱インプリントに Ni-W 金型が繰り返し使用できるか
きていることを確認した．
また，図 3 に 23 回のインプリント後の Ni-W 金型の
検証し，この程度の回数であれば，Ni-W 金型が使用でき
SEM 写真を示す．Ni-W 金型に変化はなかった．
る可能性を示した．
図 4 にレーザ顕微鏡により熱インプリント毎における
２実験方法
実験には前報
5,6)と同じ方法で作製した
ガラス上の 40 μm 周期パターンの断面形状を測定した結
Ni-W 金型を用
果を示す．全ての熱インプリントにおいて 40 μm 周期パ
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神奈川県産業技術センター研究報告 No.20／2014
ターンが形成できていた．しかし，各ガラス片のパターン
きるジグを検討し，試験片全体に均一に加圧することで熱
の高さにばらつきが生じた．この原因としては，図 1 に
インプリントの高さ方向の精度向上を目指す．また，Ni-
示したように単純にガラスを載せた Ni-W 金型を GC で挟
W 金型の結晶化が熱インプリントの特性に与える影響を
み込んだ固定方法では，GC やガラス片，Ni-W 金型に生
検討する．
じる傾きや厚みのばらつきなどにより，熱インプリント毎
文献
に加圧が変動したことが考えられる．
1) T. R. Dietrich et al.；Chem. Engi. & Tech., 28, 1
図 5 に熱インプリント前の Ni-W 金型，22 回の熱イン
プリント後の Ni-W 金型及び Ni-W 金型の基板に使用した
(2005).
Incoloy 909 の X 線回折の測定結果を示す．熱インプリン
2) 吉武優ほか；日本国特許公開平 08-188441 (1996).
ト前では Ni-W 金型はブロードを示し，非晶質であったが，
3)
22 回の熱インプリント後では Ni-W 金型は結晶質に変化
M. Yasui et al. ； Japanese Journal of Applied
Physics, 48, 06FH08 (2009).
4) 安井学ほか；電気学会論文集 E 部門誌, 第 128 巻, 第
していた．結晶化によって Ni-W 金型の破損が危惧された
11 号, 431 (2008)．
が，図 3 に示した Ni-W 金型では，破損個所は見られな
5)
かった．
安井学ほか；日本機械学会論文集 (A), 79, 507
(2013)．
４まとめ
6)
硼珪酸ガラスを対象とした熱インプリントに対して Ni-
安井学ほか；神奈川県産業技術センター研究報告，
No.19，20～24 (2013)．
W 金型が 25 回繰り返し使用できることを示した．また，
結晶化による Ni-W 金型の破損は見られなかった．
今後の課題として，Ni-W 金型とガラスに均一に加圧で
図 1 ヒータ上に設置した Ni-W 金型とガラス片の模式図
図 4 ガラス上の 40μm 周期パターンの断面形状
図 2 熱インプリントを行ったガラス表面の SEM 写真
図 5 Ni-W 金型と Incoloy 909 の X 線回折の測定結果
図 3 23 回目のインプリント後の Ni-W 金型の SEM 写真
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