JP2004018888A - 半球状突起形成方法、及びレンズ金型形成方法 - Google Patents

Abstract

【課題】突起形成時間が短く、表面粗さの小さい半球状突起形成方法と、安価で表面粗さの小さいレンズ金型形成方法を提供する。
【解決手段】導電性基板上に開口部を有する絶縁パターンを形成する工程と前記絶縁パターンの開口部に電析により半球状突起を形成する工程の少なくとも２工程からなり、該半球状突起形成工程が、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させる半球状突起形成方法。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電析を用いた微小半球状突起の形成方法に関し、たとえば、光エレクトロニクス分野等で使用されるマイクロレンズを作製するための微小半球状突起を用いた金型形成方法や、レンズ金駒形成工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光通信用カップリングレンズアレイ、デジタルカメラ、プロジェクターおよび三次元ディスプレーなどに使用されるマイクロレンズの形状を精度良く形成するために、マイクロレンズ用のレンズ金型の形状は微小であるにも拘わらず高精度であることが要求される。
そこで、電析により半球状の突起を形成し、それを金駒としてレンズを作製する製造方法が従来より提案されており、通常、面の表面粗さが小さい半球状突起を作製するために、低い電流密度で長時間かけて電析を行っている。これは、高い電流密度で短時間に電析を行うと、電析表面で析出されて消費される金属イオンの供給が十分に行われず表面粗さが悪化し、作製時間が長くなってしまい、金型の生産性が落ちてしまうからである。
そこで、特開２００１−１５０４５４公報では、電析の最終点でのみパルスメッキを用いることにより、表面粗さを悪くすること無く、時間を短縮している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開２００１−１５０４５４公報に示す方法においては、開口部の面積に合わせた電流密度のまま、半球部の大部分は低い電流密度で長時間かけてパルスメッキを行っているので、大幅な時間短縮は不可能である。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであって、通常の電析では電析途中で表面積が変化することはないが、半球状突起の形成では電析途中で半球状突起が成長し表面積が増大しており、増大する表面積に合わせて電析電流値を増大させていけば、実際の電析表面積に対する電流密度を一定のまま電析を行えるので表面粗さを悪くすること無く、電析時間を大幅に短縮できることに着目し、突起形成時間が短く、表面粗さの小さい半球状突起形成方法と、安価で表面粗さの小さいレンズ金型形成方法を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明にかかる半球状突起形成方法の請求項１記載の発明は、導電性基板の導電層上に開口部を有する絶縁パターンを形成する工程と、前記開口部内の導電層に電析により金属を析出させて開口部を充填した後で更に絶縁パターン上に半球状突起を形成する電析工程と、の少なくとも２工程からなる半球状突起形成方法であって、前記電析工程では、前記開口部が析出金属によって充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させることを特徴とする。
これによれば、開口部が析出金属によって充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させているので、電析電流値を初期電流一定で電析する場合と比較し短時間で、半球状突起を形成できる。また、実際の電析表面積に対する電流密度がほぼ一定になるように制御しているので、突起の表面粗さが悪くなることも無い。
本発明にかかる半球状突起形成方法の請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記開口部の断面形状が円状であり、単位時間あたりのめっき析出体積をａ、初期電流をＩ_０、電流効率をｂ、開口部の半径をＲ、深さをＤ、数をＮ、半球状突起の高さをＨ、体積をＶ、積算電流値（電気量）をＱとしたとき、時間　Ｔ＝ＮπＲ^２Ｄ／ａ／ｂ／Ｉ_０で、電流値を増大させはじめ、Ｖ＝π（Ｒ^２Ｈ＋πＲＨ^２／２＋２Ｈ^３／３）、Ｑ＝Ｎ（πＲ^２Ｄ＋Ｖ）／ａ／ｂで、電析を終了することを特徴とする。
これによれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、かつ積算電流値（電気量）をＱに基づいて電析を終了しているので、目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
【０００５】
本発明にかかる半球状突起形成方法の請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、半球状突起の高さＨが一定高さごとの体積Ｖを計算しておき、高さＨが一定高さ増大する時間ごとにその時の半球状突起の表面積Ｓ＝π（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）に比例して電流値を増大させることを特徴とする。
これによれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、かつ、半球状突起の高さＨが一定高さごとの体積Ｖを計算しておき、高さＨが一定高さ増大する時間ごとに電流値を増大させているので、容易に目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
本発明にかかる半球状突起形成方法の請求項４記載の発明は、請求項１記載の発明において、微小時間ごとの析出体積＝表面積×高さ増分と近似し、高さ増分に対応した表面積に比例させて電流値を増大させ、高さ増分の和が所望の高さになったら電析を終了することを特徴とする。
これによれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、微小時間ごとの析出体積＝表面積×高さ増分と近似し、高さ増分に対応した表面積に比例させて電流値を増大させ、高さ増分の和が所望の高さになったら電析を終了しているので、容易に目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
本発明にかかる半球状突起形成方法の請求項５記載の発明は、導電性基板上に絶縁パターンを形成する工程と、請求項１〜４記載の方法で半球状突起を形成し、金駒を作製する工程と、金駒の表面全面に導電性皮膜を形成する工程と、前記導電性皮膜に易剥離処理を行う工程と、電析により金駒の反転型を形成する工程と、金駒と反転型を剥離する工程の少なくとも６工程からなることを特徴とする。
これによれば、容易かつ短時間に表面粗さの小さいレンズ金型を形成できる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、図面に示した実施の形態に基づいて本発明を詳細に説明する。図１は本発明にかかる半球状突起形成方法により形成した突起の断面図であり、シリコン、ガラス、セラミックス、ガラエポ等の絶縁基板１ａの表面に導電層１ｂを形成した導電性基板１に、フォトレジスト等で絶縁パターン２を形成し、開口部３を設け、この開口部３内に露出した導電層１ｂに電析によって半球状突起５を形成した構成を有している。無光沢電析では等方的に析出するので、突起１個の体積Ｖは断面積の回転体で、
Ｖ＝π（Ｒ^２Ｈ＋πＲＨ^２／２＋２Ｈ^３／３）
となる。
次に、このような半球状突起の形成ステップを図２（ａ）〜図２（ｃ）を用いて説明する。
まず、図２（ａ）に示すように、第一工程において、導電性基板１上に開口部３を有する絶縁パターン２を形成する。具体的には、シリコン、ガラス、セラミックス、ガラエポ等の基板本体１ａに導電層１ｂを形成した基板１に、フォトレジスト等で絶縁パターン２を形成し、平面形状が円形の開口部３を設ける。
あるいはまた、導電層１ｂ上に絶縁層（例えば、銅箔とポリイミド層）２を積層し、この絶縁層に孔を形成して開口部としたフレキシブル導電性基板を用いてもよい。つまり、剛性を有した絶縁基板１ａの代わりにフレキシブル絶縁性基板を用い、その表層の導電層を覆う絶縁層を形成し、この絶縁層に開口部を形成して部分的に導電層を露出させるようにしてもよい。
その後、第二工程において、スルファミン酸ニッケル浴（スルファミン酸ニッケル４５０ｇ／ｌ、硼酸３０ｇ／ｌ、界面活性剤２ｇ／ｌ）により、上記導電性基板上１に対して無攪拌状態で電析を行う。開口部３の半径Ｒを４μｍ、深さ（絶縁パターン厚さ）Ｄを１μｍ、形成する半球状突起の数Ｎを１１６００個、目標の半球状突起の高さＨを７０μｍとし、また、電流密度２Ａ／ｄｍ^２とするため、電流効率ｂが９０％であることを考慮して、初期電流Ｉ_０は０．１３ｍＡとした。なお、ニッケルのめっき析出速度ａは電流効率１００％の場合、電流密度１Ａ／ｄｍ^２で０．２μｍ／ｍｉｎである。
【０００７】
図２（ｂ）に示すように、電析に使用する金属としてのニッケル４が析出し、開口部３が充填されるまで（埋まるまで）の時間は上記の条件の場合、以下の通り、２分３０秒である。
Ｔ＝ＮπＲ^２Ｄ／ａ／ｂ／Ｉ_０＝２．５ｍｉｎ
（Ｎ：半球状突起の個数、Ｒ：開口部３の半径、Ｄ：開口部３の深さ、ａ：ニッケルのめっき析出速度、ｂ：電流効率、Ｉ_０：初期電流）
したがって、ニッケル４が開口部３を充填するまで、電流値Ｉ_０で電析を行い、その後、半球状突起の表面積Ｓ＝π（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）に比例して電流値Ｉを
Ｉ＝（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）Ｉ_０／Ｒ^２
と最終的には０．０８７Ａまで増大させ、半球状突起５の高さＨがＨ＝１，２，・・・・・・，６９μｍとなった時に電析を終了した。
電析に要した積算電流値（電気量）Ｑは以下のように表される。
Ｑ＝Ｎ（πＲ^２Ｄ＋Ｖ）／ａ／ｂ
Ｑ＝５．１５Ａ・ｍｉｎであり、また、電析に要した時間は約１７５分であり、図２（ｃ）に示すような高さ約７０μｍ、表面粗さＲａが６０〜９０ｎｍの半球状突起５が得られた。
比較例として、従来のように初期電流Ｉ_０で一定のまま電析を行おうとしたが、積算電流値Ｑに達するには３９５８０ｍｉｎ以上かかると考えられ、時間的にも、電析浴の組成維持的にも、生産不可能である。
なお、ここでは開口部３の形状が円状（円筒状）の場合の例を示したが、楕円や矩形等であっても同様に体積と表面積を求めて実際の電析表面積に対する電流密度をほぼ一定になるように制御して電析を行えば、目的の高さの半球状突起を短時間で作製できることが判明した。
【０００８】
次に、本発明にかかる半球状突起形成方法の第２の実施例について説明する。上記実施例ではニッケル４が開口部３を充填するまで、初期の電流値Ｉ_０で電析を行い、その後、半球状突起の表面積の増大に比例して電流値Ｉを増加させ、析出を行ったが、析出体積＝表面積×高さ増分と近似し、電流測定時間ごとの高さ増分の和をＨとして、表面積Ｓ＝π（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）に比例して電流値Ｉを決定してもよい。
すなわち、この場合においても、ニッケル４が開口部３を充填するまで初期電流値Ｉ_０で電析を行い、その後、析出した半球状突起５の高さＨの増分から表面積の増加分を把握し、電流値Ｉ（Ｉ＝（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）Ｉ_０／Ｒ^２）を増大させ、電流測定時間ごとの高さ増分の和が７０μｍになった時に電析を終了した。電流値Ｉは最終的には０．０８７Ａまで増大させ、電析に約１７５分を要し、実施例１と同様の突起が得られた。
図３は本発明にかかる半球状突起形成方法により形成した突起の断面図であり、上記実施例と異なる点は無光沢電析により形成した半球状突起５の表面上に光沢電析による表層６を設けた点である。
【０００９】
図４（ａ）〜図４（ｄ）は図３に示した半球状突起の形成ステップを示す図であり、（ａ）〜（ｃ）に示す形成ステップは上記実施例と同様であり、その説明を省略する。
本製造方法では、図４（ｃ）に示した状態の後、ワット浴に光沢剤を添加した電析浴（硫酸ニッケル３５０ｇ／ｌ、塩化ニッケル５０ｇ／ｌ、硼酸４５ｇ／ｌ、第１種光沢剤と第２種光沢剤を数ｇ／ｌ）を用い、光沢電析で５μｍ厚程度の光沢膜６を突起表面に形成することにより図４（ｄ）に示すように無光沢電析による半球状突起５上に鏡面が得られた。
なお、当初から光沢電析を行うと、レベリング作用により、突起頂点部より裾野部の金属の析出速度が速いため、直径に対する高さが小さくなり、十分なアスペクト比の突起を形成できないため、まず、無光沢電析で半球状の突起を形成した後、該突起の表面が所望の表面粗さになるまで光沢電析を行うのが良い。また、光沢膜は光沢剤が含まれているため脆く、膜の内部応力が大きくなるため、厚くつけると突起の形状を維持することが困難となる。
このように、光沢電析により突起のアスペクト比が下がるのを考慮に入れ、その分、無光沢電析で形成する突起のアスペクト比を高くしておく。これにより突起の曲率の制御が可能となる。
【００１０】
次に、上記半球状突起形成方法を用い、レンズ金駒を形成する方法について説明する。レンズ金駒とはレンズ作製用のレンズ金型を形成するための鋳型であり、所望のレンズ、レンズ群またはそれらの一部の形状を有する金属製品である。ただし、レンズ金駒は金属のみならず、添加剤を含んでいても良い。
まず、図５（ａ）に示すように半球状突起５を図２、或いは図４の実施例にて説明した方法により作製し、金駒Ｋとする。なお、図は第一の実施例に基づいて無光沢電析により突起を形成した例を示しているが、図３および図４に示したような無光沢電析の突起の表面に光沢電析の表層６を備えた突起を用いても良い。次に、図５（ｂ）に示すように、金駒Ｋの表面、すなわち半球状突起５および絶縁パターン２上に、スパッタリングや無電解メッキ等で導電性皮膜７を形成する。その後、図５（ｃ）に示すようにＵＶ／Ｏ_３処理等により導電性皮膜７の表面に酸化膜８を形成し、易剥離膜とする。他には有機薄膜を形成してもよい。
その後、金駒Ｋを再度電析して図５（ｄ）に示すような金駒Ｋの反転型であるレンズ金型９を形成し、形成完了後に、金駒Ｋからレンズ金型９とを剥離し、金駒Ｋの反転型であるレンズ金型９を得る。
さらに、レンズ金型９を用い、プラスチックレンズやガラスレンズを形成する。プラスチックレンズは、樹脂成形材料を射出成形や熱プレスなどの方法で成形することができる。又、ゾルゲルガラスレンズは液状のガラスをレンズ金型に流し込み、温度や時間を調整しながら固化することでガラスレンズを作製する。このようにして安価で形状精度の高いレンズを作製することができる。
【００１１】
【発明の効果】
以上説明したように本発明の請求項１記載の半球状突起形成方法によれば、開口部が析出金属によって充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させているので、電析電流値を初期電流一定で電析する場合と比較し短時間で、半球状突起を形成できる。
また、実際の電析表面積に対する電流密度をほぼ一定になるように制御しているので、突起の表面粗さが悪くなることも無い。
本発明の請求項２記載の半球状突起形成方法によれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、かつ積算電流値（電気量）をＱに基づいて電析を終了しているので、目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
本発明の請求項３記載の半球状突起形成方法によれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、かつ、半球状突起の高さＨが一定高さごとの体積Ｖを計算しておき、高さＨが一定高さ増大する時間ごとに電流値を増大させているので、容易に目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
本発明の請求項４記載の半球状突起形成方法によれば、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、微小時間ごとの析出体積＝表面積×高さ増分と近似し、高さ増分に対応した表面積に比例させて電流値を増大させ、高さ増分の和が所望の高さになったら電析を終了しているので、容易に目的の高さの半球状突起を短時間で形成できる。
本発明の請求項５記載のレンズ金型形成方法によれば、導電性基板上に絶縁パターンを形成する工程と、開口部が充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させ、金駒を作製する工程と、金駒の表面全面に導電性皮膜を形成する工程と、前記導電性皮膜に易剥離処理を行う工程と、電析により金駒の反転型を形成する工程と、金駒と反転型を剥離する工程の少なくとも６工程からなっているので、容易かつ短時間に表面粗さの小さいレンズ金型を形成できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明にかかる半球状突起形成方法により形成した突起の断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は本発明にかかる半球状突起の形成ステップを示す図である。
【図３】本発明にかかる半球状突起形成方法により形成した突起の断面図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は図３に示した半球状突起の形成ステップを示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｄ）は本発明にかかる半球状突起形成方法を用い、レンズ金駒を形成する方法を説明するための図である。
【符号の説明】
１　導電性基板
２　絶縁パターン
３　開口部
４　ニッケル
５　半球状突起（無光沢電析による突起）
６　光沢電析による表層
７　導電性皮膜
８　酸化膜
９　レンズ金型
Ｋ　金駒

Claims (5)

1. 導電性基板の導電層上に開口部を有する絶縁パターンを形成する工程と、前記開口部内の導電層に電析により金属を析出させて開口部を充填した後で更に絶縁パターン上に半球状突起を形成する電析工程と、の少なくとも２工程からなる半球状突起形成方法であって、
   前記電析工程では、前記開口部が析出金属によって充填されるまでの電析電流値を一定とし、開口部充填後、半球状突起の表面積の増大に比例して電析電流値を増大させることを特徴とする半球状突起形成方法。
2. 前記開口部は円筒形状であり、
   単位時間当りの析出体積をａ、初期電流をＩ_０、電流効率をｂ、開口部の半径をＲ、深さをＤ、数をＮ、半球状突起の高さをＨ、体積をＶ、積算電流値（電気量）をＱとしたとき、
   時間　Ｔ＝ＮπＲ^２Ｄ／ａ／ｂ／Ｉ_０で、電流値を増大させはじめ、
   Ｖ＝π（Ｒ^２Ｈ＋πＲＨ^２／２＋２Ｈ^３／３）
   Ｑ＝Ｎ（πＲ^２Ｄ＋Ｖ）／ａ／ｂで、電析を終了することを特徴とする請求項１記載の半球状突起形成方法。
3. 半球状突起の高さＨが一定高さごとの体積Ｖを計算しておき、高さＨが一定高さ増大する時間ごとにその時の半球状突起の表面積Ｓ＝π（Ｒ^２＋πＲＨ＋２Ｈ^２）に比例して電流値を増大させることを特徴とする請求項２記載の半球状突起形成方法。
4. 微小時間ごとの析出体積＝表面積×高さ増分と近似し、高さ増分に対応した表面積に比例させて電流値を増大させ、高さ増分の和が所望の高さになったら電析を終了することを特徴とする請求項１記載の半球状突起形成方法。
5. 少なくとも、
   導電性基板上に絶縁パターンを形成する工程と、
   請求項１〜４記載の方法で半球状突起を形成し、金駒を作製する工程と、
   金駒の表面全面に導電性皮膜を形成する工程と、
   前記導電性皮膜に易剥離処理を行う工程と、
   電析により金駒の反転型を形成する工程と、
   金駒と反転型を剥離する工程と、からなることを特徴とするレンズ金型形成方法。

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