JP2005132679A - Manufacturing method of optical element having non-reflective structure and optical element having non-reflective structure manufactured through the method - Google Patents
Manufacturing method of optical element having non-reflective structure and optical element having non-reflective structure manufactured through the methodInfo
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Abstract
Description
本発明は、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子を製造する方法、及び当該方法により製造された無反射構造を有する光学素子に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing an optical element having a highly accurate non-reflective structure that does not cause pattern shift over a large area, and an optical element having a non-reflective structure manufactured by the method.
光学素子の表面反射を防止するために、光学素子の表面に無反射構造を形成する方法が提案されている。提案されている無反射構造は、サブミクロンピッチでアスペクト比が1以上の非常に微細な凹凸形状を有している。そして、このような微細な構造を形成する方法として、ドライエッチングを用いた微細加工法が提案されている。 In order to prevent surface reflection of the optical element, a method of forming a non-reflection structure on the surface of the optical element has been proposed. The proposed non-reflective structure has a very fine uneven shape with a submicron pitch and an aspect ratio of 1 or more. As a method for forming such a fine structure, a fine processing method using dry etching has been proposed.
一方、高精度な光学素子を、大量かつ安価に製造する有効な方法として、ガラスあるいは樹脂からなる光学材料(成形用素材)をプレス成形する方法が提案されている。 On the other hand, as an effective method for manufacturing a high-precision optical element in a large amount and at a low cost, a method of press-molding an optical material (molding material) made of glass or resin has been proposed.
加熱軟化したガラスあるいは樹脂からなる光学材料を、金型を用いてプレス成形する場合には、光学材料が金型から離型し難いため、金型の表面に特殊な離型膜を形成したり、成形ショットごとに離型剤を塗布したりして、離型が容易となるように工夫されている。特に、ガラスを光学材料として用いる場合には、金型の表面にかなり特殊なコーティングが施される。例えば、特許文献1には、WCを主成分とする超硬合金又はサーメットを金型材料として用い、当該金型材料を用いて作製した金型の表面に貴金属系保護膜をコーティングしたものが開示されている。そして、かかる構成の金型を用いることにより、プレス成形による光学素子の量産を可能とすることができる。また、特許文献2に記載の金型においては、窒化ホウ素、窒化クロム、炭化クロム、酸化クロム、炭化珪素、炭素、白金あるいは超硬合金からなる金型本体の光学機能面に10nm以下の膜厚を有する炭素膜を形成することにより、ガラスとの離型性が良好となるようにされている。
しかし、ドライエッチングを用いた微細加工法の場合、用いる光学材料によっては、エッチング後に表面が非常に荒れてしまったり、エッチングレートが非常に遅くなったりして、使用できる光学材料が限られてしまう。すなわち、使用できる光学材料は石英ガラス等に限定され、様々な光学常数で設計がなされる光学機器に用いられる多成分ガラスや樹脂を使用することはできない。このため、ドライエッチングを用いた微細加工法によって無反射構造を有する光学素子を作製しようとしても、所望の選択比が得られず、アスペクト比の大きい無反射構造を有する光学素子を得ることはできない。また、エッチングの再現性が低いために、歩留まりの低下や量産性の劣化を引き起こし、生産コストが著しく高くなるという問題もある。 However, in the case of a microfabrication method using dry etching, depending on the optical material to be used, the surface becomes very rough after etching or the etching rate becomes very slow, which limits the usable optical materials. . That is, the optical material that can be used is limited to quartz glass or the like, and it is not possible to use multicomponent glass or resin used in optical devices designed with various optical constants. For this reason, even if an optical element having a non-reflective structure is produced by a fine processing method using dry etching, a desired selectivity cannot be obtained, and an optical element having a non-reflective structure having a large aspect ratio cannot be obtained. . In addition, since the reproducibility of etching is low, there is a problem that the production cost is remarkably increased due to a decrease in yield and a decrease in mass productivity.
また、無反射構造を有する光学素子をプレス成形する場合、従来のプレス成形方法では、加熱軟化した光学材料を金型と接触させた状態(プレスした状態)で冷却すると、金型と光学材料との熱膨張率の差に起因して熱応力が発生し、その結果、光学材料に転写されるパターンの精度が低下してしまう。特に、金型の中心から外周に向けて距離が長くなるほど、光学材料に転写されるパターンのずれが大きくなるため、大面積に亘って、微細な凹凸パターンを正確に転写することはできない。このため、冷却せずに金型をプレス成形した光学材料から離型させる必要がある。 Further, when press-molding an optical element having a non-reflective structure, in the conventional press-molding method, when the heated and softened optical material is cooled in a state of being in contact with the mold (pressed state), the mold and the optical material are Thermal stress is generated due to the difference in coefficient of thermal expansion, and as a result, the accuracy of the pattern transferred to the optical material is lowered. In particular, as the distance from the center of the mold increases toward the outer periphery, the shift of the pattern transferred to the optical material increases, so that a fine uneven pattern cannot be accurately transferred over a large area. For this reason, it is necessary to release the mold from the optical material obtained by press molding without cooling.
ところが、特許文献1に記載されているWCを主成分とする超硬合金又はサーメットを金型材料として用いて作製した金型の表面に貴金属系保護膜をコーティングしたものを用いて、光学材料としてのガラスをプレス成形する場合、金型とガラスとの離型性はかなり良好であるが、冷却せずに金型をプレス成形したガラスから離型させることはできず、無反射構造を有する光学素子を精密に成形することはできない。また、特許文献2に記載されている炭素膜を形成した金型を用いると、冷却せずに離型させることはできるが、金型本体の材料を無反射構造の凹凸形状に加工することは非常に困難である。 However, as an optical material, a surface of a mold produced by using a cemented carbide or cermet mainly composed of WC described in Patent Document 1 as a mold material is coated with a noble metal-based protective film. When press-molding glass, the mold-to-glass releasability is quite good, but the mold cannot be released from the press-molded glass without cooling, and has an anti-reflective structure. The element cannot be molded precisely. In addition, if a mold having a carbon film described in Patent Document 2 is used, the mold can be released without cooling, but the material of the mold body can be processed into a concavo-convex shape with a non-reflective structure. It is very difficult.
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子を繰り返し成形することが可能な無反射構造を有する光学素子の製造方法、及び当該方法により製造された無反射構造を有する光学素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems in the prior art, and it is possible to repeatedly mold an optical element having a high-precision non-reflective structure that does not cause pattern displacement over a large area. An object of the present invention is to provide a method for manufacturing an optical element having an antireflective structure, and an optical element having an antireflective structure manufactured by the method.
前記目的を達成するため、本発明に係る無反射構造を有する光学素子の第1の製造方法は、高温強度に優れ、耐熱性を有し、ドライエッチングによる表面荒れの少ない金型材料に無反射構造に対応するマスクを形成し、ドライエッチングすることによって前記金型材料の表面に前記無反射構造を形成した後、前記金型材料の表面に表面保護のための薄膜を形成して、無反射構造成形用金型を作製し、前記無反射構造成形用金型を用いて、離型のための離型剤を塗布した光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、プレス成形した前記光学材料を冷却した後、前記離型剤を除去することを特徴とする。 In order to achieve the above object, the first method of manufacturing an optical element having an antireflection structure according to the present invention is excellent in high temperature strength, heat resistance, and non-reflection on a mold material with less surface roughness due to dry etching. After forming the non-reflective structure on the surface of the mold material by forming a mask corresponding to the structure and performing dry etching, a thin film for surface protection is formed on the surface of the mold material, and non-reflective A mold for structural molding is manufactured, and the optical material coated with a release agent for mold release is press-molded using the non-reflective structural mold, and the non-reflective structural mold is cooled without cooling. A mold is released from the press-molded optical material, the press-molded optical material is cooled, and then the release agent is removed.
また、本発明に係る無反射構造を有する光学素子の第2の製造方法は、高温強度に優れ、耐熱性を有し、ドライエッチングによる表面荒れの少ない金型材料に無反射構造に対応するマスクを形成し、ドライエッチングすることによって前記金型材料の表面に前記無反射構造を形成した後、前記金型材料の表面に、離型のための薄膜として、炭素(C)膜又はチッ化硼素(BN)膜を形成して、無反射構造成形用金型を作製し、前記無反射構造成形用金型を用いて、光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、プレス成形した前記光学材料を冷却することを特徴とする。 The second method for manufacturing an optical element having an antireflective structure according to the present invention is a mask corresponding to an antireflective structure in a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching. After forming the nonreflective structure on the surface of the mold material by dry etching, a carbon (C) film or boron nitride is formed on the surface of the mold material as a thin film for mold release. (BN) A film is formed to produce a non-reflective structure molding die, the optical material is press-molded using the non-reflective structure molding die, and the non-reflective structure molding die is cooled without cooling. A mold is released from the press-molded optical material, and the press-molded optical material is cooled.
また、本発明に係る無反射構造を有する光学素子の第3の製造方法は、高温強度に優れ、耐熱性を有し、ドライエッチングによる表面荒れの少ない金型材料に無反射構造に対応するマスクを形成し、ドライエッチングすることによって前記金型材料の表面に前記無反射構造を形成した後、前記金型材料の表面に表面保護のための薄膜を形成して、無反射構造成形用金型を作製し、前記無反射構造成形用金型を用いて、不活性ガス中に、構成分子中に炭素(C)又はフッ素(F)を含む気体あるいは霧状の液体を混合した雰囲気中で、光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、プレス成形した前記光学材料を冷却することを特徴とする。 The third method for manufacturing an optical element having an antireflective structure according to the present invention is a mask corresponding to an antireflective structure in a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching. And forming the antireflective structure on the surface of the mold material by dry etching, forming a thin film for surface protection on the surface of the mold material, and forming the antireflective structure mold In an atmosphere in which an inert gas is mixed with a gas or mist-like liquid containing carbon (C) or fluorine (F) in a constituent molecule, using the non-reflective structure molding die, The optical material is press-molded, the non-reflective structure molding die is released from the press-molded optical material without cooling, and the press-molded optical material is cooled.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法においては、前記金型材料が、石英ガラス、シリコン、Ni合金、及び超硬合金上にSiO2 膜又はSi膜を形成したものからなる群から選ばれる1つであるのが好ましい。 In the first to third manufacturing methods of the optical element having the non-reflective structure according to the present invention, the mold material is made of SiO 2 film or Si film on quartz glass, silicon, Ni alloy, and cemented carbide. It is preferably one selected from the group consisting of those formed.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法においては、前記光学材料が多成分ガラス又は樹脂であるのが好ましい。 In the first to third manufacturing methods of the optical element having the nonreflective structure of the present invention, the optical material is preferably multicomponent glass or resin.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法においては、前記無反射構造に対応する前記マスクの材料が、Cr、Ni、Au及びCからなる群から選ばれる1つであるのが好ましい。 In the first to third manufacturing methods of the optical element having the nonreflective structure according to the present invention, the mask material corresponding to the nonreflective structure is selected from the group consisting of Cr, Ni, Au, and C. It is preferable that it is one.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法においては、前記無反射構造に対応する前記マスクが円柱状又は多角柱状のマスクであって、使用波長以下のピッチでアレイ状に形成されているのが好ましい。 In the first to third manufacturing methods of the optical element having the non-reflective structure according to the present invention, the mask corresponding to the non-reflective structure is a columnar or polygonal column mask, and has a pitch equal to or less than a use wavelength. It is preferably formed in an array.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法においては、前記無反射構造に対応する前記マスクにレジストを形成し、電子ビームリソグラフィ、X線リソグラフィ又は干渉露光を用いたフォトリソグラフィにより、前記レジストを、円柱状又は多角柱状であって、使用波長以下のピッチでアレイ状にパターニングし、ウェットエッチング又はドライエッチングにより、前記マスクを、円柱状又は多角柱状であって、使用波長以下のピッチでアレイ状に形成するのが好ましい。 In the first to third methods for manufacturing an optical element having a non-reflective structure according to the present invention, a resist is formed on the mask corresponding to the non-reflective structure, and electron beam lithography, X-ray lithography, or interference exposure is used. The resist is cylindrical or polygonal columnar by photolithography, and is patterned into an array with a pitch equal to or less than the wavelength used, and by wet etching or dry etching, the mask is cylindrical or polygonal columnar, It is preferable to form an array with a pitch equal to or shorter than the wavelength used.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1又は第3の製造方法においては、前記表面保護のための薄膜が、Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Ru、Re、W及びTaからなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属を含んでいるのが好ましい。 In the first or third method for manufacturing an optical element having a non-reflective structure according to the present invention, the thin film for surface protection is made of Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, Re, W, and Ta. It preferably contains at least one metal selected from the group consisting of:
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1又は第3の製造方法においては、前記無反射構造に対応する前記マスクの材料が、X線リソグラフィ用レジストであるのが好ましい。また、この場合には、前記無反射構造成形用金型の表面形状が曲面であるのが好ましい。 In the first or third method for manufacturing an optical element having a nonreflective structure according to the present invention, the mask material corresponding to the nonreflective structure is preferably a resist for X-ray lithography. In this case, it is preferable that the surface shape of the non-reflective structure molding die is a curved surface.
前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1又は第3の製造方法においては、前記無反射構造に対応する前記マスクが、円錐状又は多角錐状のマスクであって、X線リソグラフィにより、使用波長以下のピッチでアレイ状に形成されているのが好ましい。また、この場合には、前記無反射構造成形用金型の表面形状が曲面であるのが好ましい。 In the first or third method for manufacturing an optical element having a non-reflective structure according to the present invention, the mask corresponding to the non-reflective structure is a conical or polygonal pyramid mask, and is obtained by X-ray lithography. It is preferably formed in an array with a pitch equal to or shorter than the wavelength used. In this case, it is preferable that the surface shape of the non-reflective structure molding die is a curved surface.
また、本発明に係る無反射構造を有する光学素子の構成は、前記本発明の無反射構造を有する光学素子の第1〜第3の製造方法により製造されたことを特徴とする。 In addition, the configuration of the optical element having the nonreflective structure according to the present invention is manufactured by the first to third manufacturing methods of the optical element having the nonreflective structure of the present invention.
本発明によれば、冷却せずに無反射構造成形用金型をプレス成形した光学材料から離型させることが可能となるので、無反射構造成形用金型とプレス成形される光学材料との熱膨張率の差に起因する熱応力の発生を防止して、光学材料に転写されるパターンの精度を高めることができる。その結果、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子を、繰り返し成形することが可能となる。また、本発明によれば、無反射構造成形用金型を用いたプレス成形により光学素子を製造するようにしたので、無反射構造を有する光学素子を再現性良く成形することができる。その結果、量産性が飛躍的に向上するので、生産コストを著しく低下させることが可能となる。 According to the present invention, the non-reflective structure molding die can be released from the press-molded optical material without cooling, so that the non-reflective structure mold and the optical material to be press-molded Generation of thermal stress due to the difference in thermal expansion coefficient can be prevented, and the accuracy of the pattern transferred to the optical material can be increased. As a result, it is possible to repeatedly mold an optical element having a highly accurate non-reflective structure that does not cause pattern deviation over a large area. In addition, according to the present invention, since the optical element is manufactured by press molding using a non-reflective structure molding die, an optical element having a non-reflective structure can be molded with good reproducibility. As a result, mass productivity is dramatically improved, and production costs can be significantly reduced.
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。 Hereinafter, the present invention will be described more specifically using embodiments.
[第1の実施の形態]
本実施の形態においては、本発明の無反射構造を有する光学素子として、片面にピッチ0.15μm、深さ0.15μmの円錐型の微細構造を有する平板光学素子を例に挙げて説明する。
[First Embodiment]
In the present embodiment, as an optical element having a non-reflective structure according to the present invention, a flat plate optical element having a conical microstructure with a pitch of 0.15 μm and a depth of 0.15 μm on one side will be described as an example.
図1は無反射構造を有する光学素子のプレス成形用金型を示す断面図である。 FIG. 1 is a cross-sectional view showing a press mold for an optical element having a non-reflective structure.
図1中、1は20mm×20mm×5mmの石英ガラス基板である。石英ガラスは、高温強度に優れ、耐熱性を有し、ドライエッチングによる表面荒れの少ない材料である。石英ガラス基板1の表面(プレス面)には、ピッチ0.15μm、高さ0.15μmの円錐型の無反射構造2が形成されており、この無反射構造2が形成された石英ガラス基板1が無反射構造成形用金型3として用いられる。 In FIG. 1, 1 is a quartz glass substrate of 20 mm × 20 mm × 5 mm. Quartz glass is a material having excellent high-temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching. A conical non-reflective structure 2 having a pitch of 0.15 μm and a height of 0.15 μm is formed on the surface (press surface) of the quartz glass substrate 1, and the quartz glass substrate 1 on which the non-reflective structure 2 is formed. Is used as the non-reflective structure molding die 3.
以下、無反射構造成形用金型3の作製方法について、図2を参照しながら説明する。図2(a)に示すように、まず、石英ガラス基板1の表面(プレス面)を、高精密研削加工及び研磨加工によって平滑に加工した(Ra約2nm)。次いで、図2(b)に示すように、平滑に加工された石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、スパッタリング法を用いて、Cr膜20を0.1μmの厚みで形成した。次いで、図2(c)に示すように、Cr膜20の表面に、スピンコート法を用いて、PMMAレジスト21を0.3μmの厚みで形成した。次いで、図2(d)に示すように、EB(電子ビーム)描画法を用いて、Cr膜20の表面に、PMMAレジストからなる直径0.15μmの円柱パターン22をピッチ0.15μmで形成した。次いで、図2(e)に示すように、Cr膜20をウェットエッチングすることにより、石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、無反射構造2に対応するCrからなる円柱パターンをマスクとして形成した(Crマスク23)。このCrマスク23は、使用波長以下のピッチでアレイ状に形成されている。次いで、図2(f)に示すように、円柱状のCrマスク23が形成された石英ガラス基板1を、RFドライエッチング装置の中に入れ、CHF3 +O2 ガスを用いて、石英ガラス基板1の表面をエッチングした。これにより、石英ガラス基板1と共にCrマスク23も僅かずつエッチングされ、幅が小さくなる。そして、Crマスク23が完全に無くなるまでエッチングすることにより、石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、ピッチ0.15μm、高さ0.15μmの円錐型の無反射構造2が形成された。エッチング後の表面荒れは少なく、研磨面とほぼ等しい表面粗さであった。最後に、円錐型の無反射構造2が形成された石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、スパッタリング法を用いて、表面保護のためのIr−Rh合金膜を0.05μmの厚みで形成した。以上により、無反射構造成形用金型3が得られた。
Hereinafter, a method for producing the non-reflective structure molding die 3 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 2A, first, the surface (press surface) of the quartz glass substrate 1 was processed smoothly (Ra about 2 nm) by high-precision grinding and polishing. Next, as shown in FIG. 2B, a
下金型4は、以下のような構造を有している。すなわち、図1に示すように、20mm×20mm×5mmのWCを主成分とする超硬合金の中央部分に、15mm×15mm×0.5mmの窪み4aが形成され、窪み4aが形成された表面には、スパッタリング法を用いて、表面保護のためのIr−Rh合金膜が0.5μmの厚みで形成されている。
The
以下、上記のような構成を有する無反射構造成形用金型3と下金型4を用いて、無反射構造を有する光学素子を製造する方法について、図3、図4を参照しながら説明する。図3は無反射構造を有する光学素子の成形プロセスを示す工程図、図4は無反射構造を有する光学素子のプレス成形方法を示す工程図である。
Hereinafter, a method of manufacturing an optical element having a non-reflective structure using the non-reflective structure molding die 3 and the
図3(a)に示すように、まず、チャンバー15で覆われた成形機の上ヘッド5に、上記した無反射構造成形用金型3を上型6として固定し、当該上型6をプレスステージ8と共に所定の温度(ここでは、590℃)まで昇温した。また、予熱ステージ7も590℃まで昇温した。そして、上記した下金型4を下型10として用い、15mm×15mm×1.0mmのクラウン系の硼珪酸ガラス(転移点(Tg):501℃、屈伏点(At):549℃)を、光学材料11として下型10の上に載せ、光学材料11が載せられた下型10を、チャンバー15の金型投入口12から成形機内に投入して、590℃に設定された予熱ステージ7で3分間加熱した。ここで、光学材料11の表面には、離型のための炭素(C)の微粒子を含む離型剤16が塗布されている(図4(a)参照)。
As shown in FIG. 3A, first, the above-mentioned non-reflective structure molding die 3 is fixed as the
次に、図3(b)に示すように、光学材料11が載せられた下型10を、予熱ステージ7から同じく590℃に設定されたプレスステージ8に搬送した。次いで、シリンダー13を下降させて、同じく590℃に設定され、かつ、上ヘッド5に固定された上型6により、光学材料11を1000Nの加圧力で3分間プレスした(図4(a)、(b)参照)。そして、冷却せずに(そのままの温度で)シリンダー13を上昇させることにより、上ヘッド5と共に上型6を上昇させて、上型6を、プレス成形した光学材料11から離型させた(図4(b)、(c)参照)。ここで、冷却せずに(高温のままで)、上型6を、プレス成形した光学材料11から離型させることができるのは、光学材料11とのぬれ性が悪いからである。すなわち、酸化物や金属では、冷却せずに(高温のままで)離型させることは不可能であるが、炭素(C)(あるいはチッ化硼素(BN))は非常にぬれ性が悪いため、冷却せずに(高温のままで)離型させることができる。上型6がプレス成形された光学材料11から離型すると、プレス成形された光学材料11は下型10の上に載った状態となる。
Next, as shown in FIG.3 (b), the lower mold |
次に、図3(c)に示すように、プレス成形された光学材料11が載せられた下型10を、プレスステージ8から300℃に設定された冷却ステージ9に搬送し、そこで3分間冷却した。
Next, as shown in FIG. 3C, the
最後に、チャンバー15の金型取り出し口14から下型10と共にプレス成形された光学材料11を外部に取り出し、プレス成形された光学材料11を下型10から取り外した後、離型剤16を除去した。これにより、無反射構造を有する光学素子17が得られた(図4(c)参照)。
Finally, the
本実施の形態によれば、上記のように、冷却せずに上型6(無反射構造成形用金型3)をプレス成形した光学材料11から離型させることが可能となるので、上型6(無反射構造成形用金型3)とプレス成形される光学材料11との熱膨張率の差に起因する熱応力の発生を防止して、光学材料11に転写されるパターンの精度を高めることができる。その結果、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子17を、繰り返し成形することが可能となる。また、本実施の形態によれば、無反射構造成形用金型3を用いたプレス成形により光学素子17を製造するようにしたので、無反射構造を有する光学素子17を再現性良く成形することができる。その結果、量産性が飛躍的に向上するので、生産コストを著しく低下させることが可能となる。
According to the present embodiment, as described above, the upper mold 6 (non-reflective structure molding mold 3) can be released from the press-molded
尚、本実施の形態においては、高温強度に優れ、耐熱性を有し、ドライエッチングによる表面荒れの少ない金型材料として石英ガラスが用いられているが、金型材料としては必ずしも石英ガラスに限定されるものではなく、例えば、シリコン、Ni合金、超硬合金上にSiO2 膜又はSi膜を形成したもの等を金型材料として用いてもよい。 In this embodiment, quartz glass is used as a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching. However, the mold material is not necessarily limited to quartz glass. For example, silicon, a Ni alloy, a cemented carbide formed with a SiO 2 film or a Si film, or the like may be used as a mold material.
また、本実施の形態においては、光学材料11としてクラウン系の硼珪酸ガラスが用いられているが、光学材料としては必ずしもクラウン系の硼珪酸ガラスに限定されるものではなく、多成分ガラス又は樹脂であればよい。多成分ガラスとしては、硼珪酸ガラスの他にアルミノシリケ−トガラス、フリントガラス、リン酸ガラス等が用いられ、樹脂としてはアクリル、テフロン(デュポン社の登録商標)、ポリエチレン、ポリオレフィン等が用いられる。成形により無反射構造を形成するので、光学材料11として多成分ガラス又は樹脂を用いても、アスペクト比の大きい無反射構造を有する光学素子を得ることが可能となる。
In the present embodiment, a crown-type borosilicate glass is used as the
また、本実施の形態においては、表面保護のための薄膜としてIr−Rh合金膜が用いられているが、表面保護のための薄膜としては必ずしもIr−Rh合金膜に限定されるものではない。表面保護のための薄膜は、Pt、Pd、Ir、Rh、Os、Ru、Re、W及びTaからなる群から選ばれる少なくとも1種類の金属を含んでいればよい。離型剤16が光学材料11の表面に均一に塗布されていない場合、この表面保護のための薄膜がなければ、光学材料11が部分的に直接金型に接触し、完全に溶着して、まったく離型させることができなくなってしまう。そして、無理に離型させようとすると、光学材料11が割れてしまう。Ir−Rh合金膜等の表面保護のための薄膜は、これを防止するためのものである。
In this embodiment, an Ir—Rh alloy film is used as a thin film for surface protection, but the thin film for surface protection is not necessarily limited to an Ir—Rh alloy film. The thin film for surface protection should contain at least one metal selected from the group consisting of Pt, Pd, Ir, Rh, Os, Ru, Re, W and Ta. If the
また、本実施の形態においては、石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、無反射構造2に対応する円柱状のCrマスクを形成するようにされているが、必ずしもこの構成に限定されるものではない。例えば、Ni、Au、C等の材料を用いてマスクを形成してもよく、また、多角柱状のマスクを形成してもよい。 In the present embodiment, a columnar Cr mask corresponding to the non-reflective structure 2 is formed on the surface (press surface) of the quartz glass substrate 1, but this is not necessarily limited to this configuration. It is not a thing. For example, the mask may be formed using a material such as Ni, Au, or C, or a polygonal columnar mask may be formed.
また、本実施の形態においては、電子ビームリソグラフィを用いて、レジストを、円柱状又は多角柱状にパターニングしているが、X線リソグラフィ又は干渉露光を用いたフォトリソグラフィを用いて、レジストを、円柱状又は多角柱状にパターニングしてもよい。 In this embodiment mode, the resist is patterned into a columnar shape or a polygonal column shape by using electron beam lithography. However, the resist is formed into a circular shape by using X-ray lithography or photolithography using interference exposure. Patterning may be performed in a columnar shape or a polygonal columnar shape.
また、本実施の形態においては、ウェットエッチングすることにより、マスクを、円柱状又は多角柱状に形成しているが、ドライエッチングすることにより、マスクを、円柱状又は多角柱状に形成してもよい。 In this embodiment mode, the mask is formed in a columnar shape or a polygonal columnar shape by wet etching. However, the mask may be formed in a columnar shape or a polygonal columnar shape by dry etching. .
[第2の実施の形態]
本実施の形態においては、無反射構造を有する光学素子のプレス成形用金型として、上記第1の実施の形態とほぼ同様のものを用いた(図1参照)。本実施の形態のプレス成形用金型は、以下の点において、上記第1の実施の形態のプレス成形用金型と異なっている。すなわち、本実施の形態においては、無反射構造成形用金型3を作製する際に、円錐型の無反射構造2が形成された石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、表面保護のためのIr−Rh合金膜を形成する代わりに、離型のための炭素(C)膜を0.05μmの厚みで形成した。このため、本実施の形態においては、上記第1の実施の形態と異なり、プレス成形される光学材料11の表面には、離型のための離型剤は塗布されない。
[Second Embodiment]
In the present embodiment, the press molding die for the optical element having the non-reflective structure is substantially the same as that in the first embodiment (see FIG. 1). The press-molding mold according to the present embodiment is different from the press-molding mold according to the first embodiment in the following points. That is, in the present embodiment, when the anti-reflection structure molding die 3 is manufactured, the surface (press surface) of the quartz glass substrate 1 on which the conical anti-reflection structure 2 is formed is protected for the surface. Instead of forming the Ir—Rh alloy film, a carbon (C) film for mold release was formed to a thickness of 0.05 μm. For this reason, in the present embodiment, unlike the first embodiment, a mold release agent for mold release is not applied to the surface of the
尚、無反射構造成形用金型3と下金型4を用いて、無反射構造を有する光学素子17を製造する方法は、上記第1の実施の形態と同様であるため(図3、図4参照)、ここでは説明を省略する。
The method of manufacturing the
本実施の形態によっても、上記第1の実施の形態と同様の理由により、冷却せずに上型6(無反射構造成形用金型3)をプレス成形した光学材料11から離型させることが可能となるので、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子17を、繰り返し成形することが可能となる。
Also in this embodiment, for the same reason as in the first embodiment, the upper die 6 (non-reflective structure molding die 3) can be released from the press-molded
本実施の形態においては、無反射構造成形用金型3を作製する際に、円錐型の無反射構造2が形成された石英ガラス基板1の表面(プレス面)に、離型のための炭素(C)膜を形成するようにされているが、離型のための薄膜としては炭素(C)膜に限定されるものではなく、例えば、チッ化硼素(BN)膜であってもよい。 In the present embodiment, when the non-reflective structure molding die 3 is produced, carbon for mold release is formed on the surface (press surface) of the quartz glass substrate 1 on which the conical non-reflective structure 2 is formed. (C) A film is formed, but the thin film for releasing is not limited to the carbon (C) film, and may be, for example, a boron nitride (BN) film.
[第3の実施の形態]
本実施の形態においては、無反射構造を有する光学素子17のプレス成形用金型として、上記第1の実施の形態と同様のものを用いた(図1参照)。
[Third Embodiment]
In the present embodiment, the same press-molding mold as that of the first embodiment is used as the press-molding die for the
また、本実施の形態における、無反射構造を有する光学素子17の成形プロセスは、上記第1の実施の形態とほぼ同様である。本実施の形態の成形プロセスは、以下の点において、上記第1の実施の形態の成形プロセスと異なっている。すなわち、本実施の形態においては、無反射構造を有する光学素子17の成形を、チャンバー15の雰囲気ガス導入口18から、N2 とCO2 (10vol.%)を成形機内に導入しながら行った。
In addition, the molding process of the
上記雰囲気中で、無反射構造を有する光学素子17の成形を行ったところ、10000ショット成形後も、光学材料11の15mm×15mmの領域全面に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子17を、繰り返し成形できることが分かった。
When the
比較例として、N2 ガスのみを成形機内に導入しながら、同じ条件の下で、無反射構造を有する光学素子17の成形を行ったところ、上型6(無反射構造成形用金型3)と光学材料11との離型性が悪く、光学材料11をプレスした後、冷却せずに(そのままの温度(590℃)で)上型6(無反射構造成形用金型3)をプレス成形した光学材料11から離型させることはできなかった。この場合、温度を400℃まで下げると、上型6がプレス成形した光学材料11から離型するようになったので、冷却ステージ9で冷却した後、無反射構造を有する光学素子17を取り出して、その表面を観察した。その結果、中心部分では精密に無反射構造を有する光学素子パターンが形成されているが、中心から離れるにしたがってパターンのずれが大きくなり、外周近くでは無反射構造を有する光学素子パターンが二重になっていた。これは、光学材料11をプレスした後に、上型6(無反射構造成形用金型3)を冷却すると、上型6(無反射構造成形用金型3)をプレス成形した光学材料11から離型させることができない光学素子の製造方法では、上型6(無反射構造成形用金型3)とプレス成形される光学材料11との熱膨張率の差に起因して熱応力が発生し、上型6(無反射構造成形用金型3)が光学材料11とずれてしまうからであると考えられる。従って、かかる製造方法では、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子を、繰り返し成形することは困難である。
As a comparative example, when the
これに対して、本実施の形態のように、N2 とCO2 (10vol.%)を成形機内に導入した場合には、プレス成形を行う温度のままで、上型6(無反射構造成形用金型3)をプレス成形した光学材料11から容易に離型させることが可能となる。ここで、冷却せずに(高温のままで)、上型6を、プレス成形した光学材料11から離型させることができるのは、光学材料11及び金型の表面にCO2 ガスを吸着させることにより、CO2 ガスに離型剤及び離型膜の効果を発揮させることができるからである。その結果、上型6(無反射構造成形用金型3)とプレス成形される光学材料11との熱膨張率の差に起因する熱応力の発生を防止して、光学材料11に転写されるパターンの精度を高めることができるので、上記したように、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子17を、繰り返し成形することが可能となる。
On the other hand, when N 2 and CO 2 (10 vol.%) Are introduced into the molding machine as in the present embodiment, the upper mold 6 (non-reflective structure molding) remains at the temperature at which press molding is performed. It is possible to easily release the mold 3) from the press-molded
尚、本実施の形態においては、無反射構造を有する光学素子17の成形を、チャンバー15の雰囲気ガス導入口18から、N2 とCO2 (10vol.%)を成形機内に導入しながら行っているが、必ずしもかかる雰囲気に限定されるものではなく、窒素(N2 )やアルゴン(Ar)等の不活性ガス中に、構成分子中に炭素(C)又はフッ素(F)を含む気体あるいは霧状の液体を混合した雰囲気であればよい。例えば、N2 とCF4 (10vol.%)の混合ガス、あるいは、N2 ガスをエチレングリコール溶液の中に通した気体を成形機内に導入しながら、無反射構造を有する光学素子17の成形を行っても、上記と同様の効果を得ることができる。
In the present embodiment, the
[第4の実施の形態]
本実施の形態においては、本発明の無反射構造を有する光学素子として、凸面である片面にピッチ0.15μm、深さ0.15μmの円錐型の微細構造を有する平凸レンズを製造する場合について説明する。
[Fourth Embodiment]
In the present embodiment, the case where a plano-convex lens having a conical microstructure with a pitch of 0.15 μm and a depth of 0.15 μm on one surface which is a convex surface is described as an optical element having a non-reflective structure of the present invention. To do.
本実施の形態においては、無反射構造成形用金型(上金型)として、以下のようにして作製した金型を用いた。図5は本発明の第4の実施の形態で用いる無反射構造成形用金型の作製方法を模式的に示す工程図である。 In the present embodiment, a mold manufactured as follows was used as a non-reflective structure molding mold (upper mold). FIG. 5 is a process diagram schematically showing a method for producing a non-reflective structure molding die used in the fourth embodiment of the present invention.
図5(a)に示すように、まず、無反射構造を有する光学素子のプレス成形用金型となる、厚さ10mm、直径5mmの円柱状石英ガラス基板25の表面(プレス面)を、高精密研削加工及び研磨加工により、凸レンズの反転形状である凹曲面に加工した後、凹曲面に加工された石英ガラス基板25の表面(プレス面)に、スピンコート法を用いて、X線リソグラフィ用レジストであるPMMAレジスト26を0.5μmの厚みで形成した。次いで、図5(a)、(b)に示すように、X線27を照射しながらX線リソグラフィ用マスク28を高精度に移動させることにより、石英ガラス基板25の表面(プレス面)に、無反射構造に対応するマスク29として、PMMAレジストからなる直径0.15μm、高さ0.3μmの円錐状パターンをピッチ0.15μmで形成した。このマスク29は、使用波長以下のピッチでアレイ状に形成されている。次いで、図5(b)、(c)に示すように、PMMAレジストからなるマスク29が形成された石英ガラス基板25を、RFドライエッチング装置の中に入れ、CHF3 +O2 ガスを用いて、石英ガラス基板25の表面をエッチングした。これにより、石英ガラス基板25の表面(プレス面)に、ピッチ0.15μm、高さ0.15μmの円錐型の無反射構造30が形成された。最後に、円錐型の無反射構造30が形成された石英ガラス基板25の表面(プレス面)に、スパッタリング法を用いて、Cr膜を介して表面保護のためのIr−Rh合金膜を0.05μmの厚みで形成した。以上により、無反射構造成形用金型31が得られた。
As shown in FIG. 5A, first, the surface (press surface) of a cylindrical
下金型は、以下のような構造を有している。すなわち、厚さ10mm、直径5mmの円柱状のWCを主成分とする超硬合金の表面に、スパッタリング法を用いて、表面保護のためのIr−Rh合金膜が0.5μmの厚みで形成されている。 The lower mold has the following structure. That is, an Ir—Rh alloy film for surface protection is formed to a thickness of 0.5 μm on the surface of a cemented carbide mainly composed of columnar WC having a thickness of 10 mm and a diameter of 5 mm, using a sputtering method. ing.
尚、無反射構造成形用金型(上金型)31と下金型を用いて、無反射構造を有する光学素子(平凸レンズ)を製造する方法は、上記第1の実施の形態と同様であるため、ここでは説明を省略する(図3、図4参照)。 A method for manufacturing an optical element (plano-convex lens) having a non-reflective structure using a non-reflective structure molding die (upper die) 31 and a lower die is the same as that in the first embodiment. Therefore, the description is omitted here (see FIGS. 3 and 4).
本実施の形態によっても、上記第1の実施の形態と同様の理由により、冷却せずに上型(無反射構造成形用金型31)をプレス成形した光学材料11から離型させることが可能となるので、大面積に亘って、パターンずれの発生しない、高精度な無反射構造を有する光学素子(平凸レンズ)を、繰り返し成形することが可能となる。
Also in the present embodiment, for the same reason as in the first embodiment, it is possible to release the upper mold (non-reflective structure molding die 31) from the press-molded
尚、本実施の形態においては、石英ガラス基板25の表面(プレス面)に、無反射構造に対応する円錐状のマスク29を形成するようにされているが、必ずしもこの構成に限定されるものではなく、例えば、多角錐状のマスクを形成してもよい。
In this embodiment, the
1、25 石英ガラス基板
2、30 無反射構造
3、31 無反射構造成形用金型
4 下金型
5 上ヘッド
6 上型
7 予熱ステージ
8 プレスステージ
9 冷却ステージ
10 下型
11 光学材料
12 金型投入口
13 シリンダー
14 金型取り出し口
15 チャンバー
16 離型剤
17 光学素子
18 雰囲気ガス導入口
20 Cr膜
21、26 PMMAレジスト
22 円柱パターン
23 Crマスク
27 X線
28 X線リソグラフィ用マスク
29 マスク
DESCRIPTION OF
Claims (13)
前記無反射構造成形用金型を用いて、離型のための離型剤を塗布した光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、
プレス成形した前記光学材料を冷却した後、前記離型剤を除去する無反射構造を有する光学素子の製造方法。 A mask corresponding to the non-reflective structure is formed on a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching, and the non-reflective structure is formed on the surface of the mold material by dry etching. After forming, a thin film for surface protection is formed on the surface of the mold material, and a non-reflective structure molding mold is manufactured,
From the optical material obtained by press-molding an optical material coated with a release agent for mold release using the non-reflective structure molding die, and press-molding the non-reflective structure molding die without cooling Let mold release,
A method of manufacturing an optical element having a non-reflective structure in which the release agent is removed after the press-molded optical material is cooled.
前記無反射構造成形用金型を用いて、光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、
プレス成形した前記光学材料を冷却する無反射構造を有する光学素子の製造方法。 A mask corresponding to the non-reflective structure is formed on a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching, and the non-reflective structure is formed on the surface of the mold material by dry etching. After the formation, a carbon (C) film or a boron nitride (BN) film is formed on the surface of the mold material as a thin film for mold release to produce a non-reflective structure molding mold,
Using the non-reflective structure molding die, press-molding an optical material, releasing the non-reflective structure molding die from the optical material that has been press-molded without cooling,
A method for producing an optical element having a non-reflective structure for cooling the optical material formed by press molding.
前記無反射構造成形用金型を用いて、不活性ガス中に、構成分子中に炭素(C)又はフッ素(F)を含む気体あるいは霧状の液体を混合した雰囲気中で、光学材料をプレス成形し、冷却せずに前記無反射構造成形用金型をプレス成形した前記光学材料から離型させ、
プレス成形した前記光学材料を冷却する無反射構造を有する光学素子の製造方法。 A mask corresponding to the non-reflective structure is formed on a mold material having excellent high temperature strength, heat resistance, and less surface roughness due to dry etching, and the non-reflective structure is formed on the surface of the mold material by dry etching. After forming, a thin film for surface protection is formed on the surface of the mold material, and a non-reflective structure molding mold is manufactured,
Using the non-reflective structure molding die, an optical material is pressed in an atmosphere in which an inert gas is mixed with a gas or mist-like liquid containing carbon (C) or fluorine (F) in a constituent molecule. Molding, releasing the non-reflective structure molding die from the optical material press-molded without cooling,
A method for producing an optical element having a non-reflective structure for cooling the optical material formed by press molding.
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