JP2005055731A - 成形型，その製造方法及び光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 長寿命で高精度化が可能な成形型とその製造方法を提供する。また、高精度な光学素子の製造方法を提供する。
【解決手段】 成形型の少なくとも表面（２０Ａ）を含む一部分を、単結晶材から成る母材部と単結晶材を構成する元素の化合物から成る硬化層部（２２）とで構成すると共に、硬化層部（２２）を表面（２０Ａ）を含む表面近傍（２２Ａ）に形成した。また、この成形型を用いて製造する光学素子の製造方法とした。また、成形型（５１）を単結晶材で形成し、成形型（５１）の表面（２０Ａ）にエッチングで転写形状（２９）を形成する工程と、表面（２０Ａ）を含むその近傍（２２Ａ）を単結晶材を構成する元素の化合物からなる硬化層部（２２）にする工程とを有する成形型の製造方法とした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、成形型，その製造方法及び光学素子の製造方法に係り、特に、光学素子が回折格子であって、この光学素子を、シリコン等の単結晶材を母材とした成形型を用いて射出成形により製造する場合に好適なものである。

従来、デジタルビデオディスクレコーダや、コンパクトディスクプレイヤーのピックアップユニット等に使用される光学素子の内、例えば回折格子は、その回折格子のマスターから成形型を作成し、その成形型を用いて射出成形することにより製造されるものである。
この回折格子の一例を図３に斜視図として示す。
この回折格子１００は、アクリル等の透明樹脂を射出成形して形成され、回折格子本体３００と、この回折格子本体３００をピックアップユニットに保持する保持部２００とにより構成されるものである。

この回折格子１００を作成する成形型の製造方法として、ステンレス（ＳＵＳ３０４）等の非磁性材料からなる基材表面に電子ビーム露光法により所定のパターンを露光後、エッチングを施して所定パターンの凹凸（溝）形状を有する成形型を製造する方法がある（特許文献１参照）。
この製造方法によれば、マスターから基材に転写する処理工程が省略でき、また、直接基材に所望の溝形状を形成できるので、成形型の歩留まりが向上するとともに、精度のよい成形型を短期間で作成することができるとされる。
特開平９−２５４１６１号公報

ところで、上述した成形型を用いて光学素子を射出成形する際には、成形型のキャビティ内に、溶融した高温の樹脂が高圧で充填される。そのため、キャビティ表面の摩耗が極めて激しい。この摩耗をできる限り少なくして長時間の使用に耐えうるように、キャビティの表面に硬度の極めて高い薄膜層を形成する手法が従来知られており、この高硬度の薄膜層の材質として炭化珪素（ＳｉＣ）が特に好適である。

しかしながら、キャビティ表面に形成する硬質層は、厚さが数μｍ程度の薄膜であり、母材材質（例えばステンレス）とは異なる材質であるため、剥離を生じやすく、成形型の長寿命化に限界があった。
また、エッチングで精度よく形成した溝形状の上に硬質層を積層形成させるため、その層の厚さの分だけ寸法がずれてしまい、成形型及びそれにより成形した成形品の高精度化に限界があるものであった。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、長寿命化及び高精度化が可能な成形型、その成形型の製造方法を提供するものである。また、その成形型を用いて製造する、高精度な光学素子の製造方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は手段として次の構成を有する。
即ち、請求項１に係る発明は、成形品（１）の形状に対して反転した転写形状（２９）を表面に有し、射出成形の際に前記成形品（１）の表面に前記転写形状（２９）を転写して前記成形品（１）を形成する成形型において、
前記成形型の少なくとも前記表面（２０Ａ）を含む一部分を、単結晶材から成る母材部と前記単結晶材を構成する元素の化合物から成る硬化層部（２２）とで構成すると共に、前記硬化層部（２２）を前記表面（２０Ａ）を含む該表面近傍（２２Ａ）に形成して成ることを特徴とする成形型である。

また、請求項２に係る発明は、成形品（１）の形状に対して反転した転写形状（２９）を表面（２０Ａ）に有し、射出成形の際に前記成形品（１）の表面に前記転写形状（２９）を転写して前記成形品（１）を形成する成形型の製造方法において、
前記成形型（５１）を単結晶材で形成し、前記成形型（５１）の前記表面（２０Ａ）にエッチングで前記転写形状（２９）を形成する工程と、前記表面（２０Ａ）を含む該表面の近傍（２２Ａ）を前記単結晶材を構成する元素の化合物からなる硬化層部（２２）にする工程とを有することを特徴とする成形型の製造方法である。

また、請求項３に係る発明は、樹脂（３４）を射出成形して製造する光学素子（１）の製造方法において、前記射出成形に用いられる成形型に請求項１記載の成形型（５１）を用いたことを特徴とする光学素子の製造方法である。

本発明によれば、長寿命で高精度化が可能な成形型を得ることができる。また、高精度の光学素子を得ることができる。

本発明を実施するための最良の形態を、図１〜図５を用いて説明する。
図１は、本発明の成形型を製造する製造方法の一例を説明する図である。
図２は、本発明の成形型を用いて製造する光学素子の製造方法の一例を説明する図である。
図３は、本発明の光学素子の製造方法で製造した光学素子を説明する図である。
図４は、本発明の成形型の表面に硬化層を形成する方法を説明する図である。
図５は、本発明の光学素子の製造方法を説明する図である。
以下の説明においては、射出成形に用いられる型を成形型と称することにする。

この実施例の成形型は、単結晶材料の表面に成形品の凹凸形状に対して逆転した凹凸形状を形成し、その表面とその表面近傍とを、基材の構成元素材料とする化合物からなる硬化層としたものである。例えば、母材がシリコン単結晶材であり、硬化層が炭化シリコンあるいは窒化シリコンである。
また、この成形型を用いて光学素子を射出成形により形成する。その光学素子の例として回折格子，フレネルレンズ，マイクロレンズ等がある。

そして、この成形型は、基材（母材）としてシリコン等の単結晶材を用いているので表面の微細加工が高精度に行え、しかもそれが容易である。また、ＩＣ加工等の既存の設備で容易に加工等が行えるので、新たな設備投資が不要である。

まず、本発明の成形型を製造する製造方法の実施例を図１を用いて説明する。
この製造方法においては、シリコン単結晶材からなる基板２０の一の面に、この成形型で成形する光学素子の表面形状（凹凸形状）を反転した凸凹形状（以下、転写形状と称する場合がある）２９を形成する。この形成には、一つの基板２０から複数の成形型が得られるように、同様の転写形状２９を複数形成してもよいものである。この基板していわゆるシリコンウエハを使用することができる。以下、工程毎に具体的に説明する。

（工程１）フォトリソグラフに用いられるレジストの膜２１を基板２０の一の面２０Ａに形成する〔図１（Ａ），（Ｂ）参照〕。

（工程２）ガラスマスク２３により、レジスト膜２１に回折格子１のパターン形状２３Ａを露光する〔図１（Ｃ）参照〕。
レジスト膜２１に形成するパターン形状は、あらかじめガラスマスク２３に描画しておく。この際、露光される部分が回折格子１の山の部分（凸部）に対応するようにパターンを形成する。このパターンの例として、ピッチが約１０μｍの凸部を形成することができる。

（工程３）レジスト膜２１を現像し、レジスト膜２１の露光された部分を除去する〔図１（Ｄ）参照〕。

（工程４）レジスト膜２１をマスクとしエッチングを施す。これにより、基板２０の一の面２０Ａに回折格子１の凹凸形状を反転してなる転写形状（溝形状）２９を形成する。この溝形状３０の例として、深さ約３μｍの溝形状をエッチングにより形成することができる。
このエッチングは、例えばプラズマエッチングの手法を用い、横方向へのエッチングで形成されるいわゆるアンダーカットを有効に回避して高い精度の溝形状を形成するように行う。

（工程５）一の面２０Ａに残るレジスト膜２１を除去する〔図１（Ｆ）参照〕。

（工程６）切削加工等によりこの基板２０を成形型の駒となるように加工する。この加工により、エッチング加工したシリコン基板２０が回折格子１の成形型５０あるいはその一部の駒として作成される。

（工程７）この工程７によってシリコン単結晶材からなる成形型（または駒）（以下、単に成形型５０と称する）の耐久性を向上させ、長寿命の成形型５１とするものである。
具体的には、基材２０の一の面２０Ａの表面とその近傍２２Ａとを、化学反応によって硬度の高いシリコン化合物に変化させた硬化層２２とする〔図１（Ｇ）参照〕。

この硬化層２２の形成方法として以下に示す方法がある（図４参照）。
プラズマ発生装置を備えた真空装置３１中に成形型５０をセットする。雰囲気ガス３０を炭化水素ガス〔例えばメタン（ＣＨ₄）〕としその真空度を約１００Ｐａとする。
この環境下で、プラズマを成形型５０の一の面２０Ａに照射する。この照射により、一の面２０Ａの表面およびその近傍のシリコン（Ｓｉ）と雰囲気ガス３０中の炭素（Ｃ）とを化合させて炭化シリコン（ＳｉＣ）からなる硬化層２２に変質させることができる。

この硬化層２２の厚さは、用途や必要な耐久性に応じて表面から０．３μｍ〜１．０μｍ程度に設定できる。
また、この硬化層２２は、炭化シリコン（ＳｉＣ）に限らず、雰囲気ガス３０をアンモニア（ＮＨ₃）にして窒化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）の層として形成させることも可能である。

以上の工程により、表面２０Ａ及びその近傍２２Ａをシリコン化合物の硬化層２２とした成形型５０を得ることができる。

次に、シリコン単結晶材を母材とする成形型５１から個々のコアに加工する方法の例を模式的に図２（Ａ）に示す。ここでいうコアとは、成形型５１を成型機に取り付けるための基体（ベース）あるいはこのベースに装着されるいわゆる入れ子のことである。
所定の凹凸形状が複数形成された成形型５１を一つずつ切り離し、それぞれをあらかじめ加工したコア基体となるニッケル（Ｎｉ）のブロックに耐熱性接着剤２５で貼り付け、所定の機械加工を施してコアとする。このブロックの材質としてステンレス（ＳＵＳ）を使用してもよい。

上述した構成によれば、シリコン単結晶材からなる基板２０を加工しその一部（表面を含む）を炭化珪素（ＳｉＣ）等のシリコン化合物に変化させて硬化層２２とした成形型５０を容易に作成することができる。
従って、同一元素の単結晶と化合物とから成形型５０は形成されているので、表面硬化層が剥離することがなく長寿命の成形型が得られる。
また、エッチングで形成した凹凸形状がそのままキャビティ表面となるので、高精度の成形型が得られ、この成形型を用いて射出成形して形成した光学素子も極めて高精度のものである。

光学素子１の製造方法について図５を用いて説明する。
図５（Ａ）は、上述した成形型５０をブロック２４を介して雄型３２Ａ及び雌型３２Ｂに取り付け、樹脂３４を成型機（図示せず）のノズル３３から充填した状態を示す。
図５（Ｂ）は、雄型３２Ａと雌型３２Ｂとを開いて、成形品（光学素子１）を取り出すところを示す図である。
このようにして本実施例の成形型５１を用いて光学素子１を製造することができる。

＜変形例＞
さて、本発明の実施例は、上述した構成に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいものである。

例えば、本実施例は、繰り返しピッチが約１０μｍ，深さが約３μｍの溝形状を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、射出成形で射出する樹脂材料，その成形条件，母材（シリコンやその他の単結晶材）の被エッチング特性等に応じて、より深く溝加工する場合にも広く適用することができる。

上述の実施の形態では、プラズマエッチングによりシリコン等の単結晶材（母材）をエッチングする場合について述べたが、これに限らず、ウェットエッチング法，イオンビームエッチング法，ＥＣＲエッチング法，反応性イオンビームエッチング法等、種々のエッチング手法を適用することができる。

また上述の実施の形態においては、格子の断面形状が矩形形状である回折格子の製造方法に用いる成形型やその製造方法を例に説明したが、本発明はこれに限らず、格子の断面形状が鋸歯状の、いわゆるブレーズ型の回折格子の製造方法に用いる成形型やその製造方法についても適用することができる。

このブレーズ型の回折格子においては、例えばイオンエッチングによるエッチング工程において、基材２０の一の面２０Ａに対して斜め方向よりイオンビームを照射してエッチング処理し、基材２０の一の面２０Ａに鋸歯状の凹凸形状を形成することができる。また格子の断面形状が三角形状の回折格子についても、同様に、本発明を適用することができる。

さらに上述の実施の形態では、成形型の駒を作成する場合について述べたが、これに限るものではなく、成形型本体を作成する場合にも適用することができる。

また上述の実施の形態では、回折格子の成形型やその製造方法に適用する場合を述べたが、これに限るものではなく、種々の光学素子の成形型やその製造方法に広く適用することができる。射出成形用に限らず、圧縮成形用成形型の微細加工等にも適用することができる。

材料に使用できる単結晶材として、シリコンの他にゲルマニウム（Ｇｅ）を使用することができるが、安価で入手が容易であることからシリコンを使用するのが好ましい。

本発明の成形型を製造する製造方法の一例を説明する図である。 本発明の成形型を用いて製造する光学素子の製造方法の一例を説明する図である。 本発明の光学素子の製造方法で製造した光学素子を説明する図である。 本発明の成形型の表面に硬化層を形成する方法を説明する図である。 本発明の光学素子の製造方法を説明する図である。

符号の説明

１ 回折格子
２ 保持部
３ 回折格子本体
２０ 基板
２０Ａ 一の面（表面）
２１ レジスト膜
２２ 硬化層
２２Ａ （表面の）近傍
２３ ガラスマスク
２４ ブロック
２５ 接着剤
２９ 凸凹形状（溝形状）（転写形状）
３０ 雰囲気ガス
３１ 真空装置
３２Ａ 雄型
３２Ｂ 雌型
３３ ノズル
３４ 樹脂
５０ 成形型（硬化層２２なし）
５１ 成形型（硬化層２２有り）

Claims (3)

1. 成形品の形状に対して反転した転写形状を表面に有し、射出成形の際に前記成形品の表面に前記反転形状を転写して前記成形品を形成する成形型において、
   前記成形型の少なくとも前記表面を含む一部分を、単結晶材から成る母材部と前記単結晶材を構成する元素の化合物から成る硬化層部とで構成すると共に、前記硬化層部を前記表面を含む該表面近傍に形成して成ることを特徴とする成形型。
2. 成形品の形状に対して反転した転写形状を表面に有し、射出成形の際に前記成形品の表面に前記転写形状を転写して前記成形品を形成する成形型の製造方法において、
   前記成形型を単結晶材で形成し、前記成形型の前記表面にエッチングで前記転写形状を形成する工程と、
   前記表面を含む該表面の近傍を前記単結晶材を構成する元素の化合物からなる硬化層部にする工程とを有することを特徴とする成形型の製造方法。
3. 樹脂を射出成形して製造する光学素子の製造方法において、前記射出成形に用いられる成形型に請求項１記載の成形型を用いたことを特徴とする光学素子の製造方法。

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