JP2005133182A - 金型用母型及びそれを用いた成形金型、及びそれを用いた光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ガラス材をプレス成形するための成形金型、及びそれを作製するための金型用母型、及び成形金型を用いた光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】ガラス材で形成されている母型１０でニッケルあるいはニッケル燐からなる格子パターン形成用電鋳金型１２を電鋳法で形成する。例えばリン酸塩ガラスで形成されたガラスシート１４を格子パターン形成用電鋳金型１２を使用して、真空中で３１０℃、３００ｋｇ／ｃｍで加圧・プレスして回折格子２を形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガラス材をプレス成形するための成形金型、及びそれを作製するための金型用母型、及び成形金型を用いた光学素子の製造方法に関する。

各種光学材料を用いて作製されるホログラムや光導波路といったプレーナ型の光機能素子は、従来、半導体プロセスで多用される微細加工技術の一つであるフォトリソグラフィ法を用いて作製されることが多い。フォトリソグラフィ法では、真空成膜装置等により基板上に薄膜を形成し、当該薄膜上に感光性のフォトレジストを塗布した後、所望の微細パターンが描画されたフォトマスクを介してレジスト層を露光し、現像して当該微細パターンが転写されたレジスト層を形成する。このレジスト層をエッチングマスクとして当該薄膜に対しドライあるいはウェットエッチングを行なって所定の微細パターンを形成する。光機能素子の形成材料としては、信頼性や光透過性等が重視される場合には各種のガラス材料が用いられ、特殊な機能を所望する場合には各種の単結晶材料が用いられ、価格等が優先される場合には各種の有機材料が用いられることが多い。上記半導体微細加工プロセスによる各種材料のパターニングは、ミクロン精度のパターンが比較的容易に得られるものの露光機や真空成膜装置等が高価で大量生産による低価格化にも限界がある。

一方従来から、ガラス材料等ではその軟化特性を利用した成形型によるパターニングが行なわれてきた。一般的なガラス材料ではその成形温度が５００℃以上であり、有機材料を用いる場合と比べて成形金型に耐熱性及び耐久性が要求され、このためタングステン合金等の超硬材料を用いる必要があった。この場合例えば型のパターンの形成を切削加工で行う場合には、切削バイト自体も超硬材料とする必要があり、切削パターンの微細化を行なう際にはバイト自体の加工も困難を極めることになっていた。

この超硬金型を用いることによる金型作製の難しさを回避するために、例えば、特許文献１には加工性のよい材料で元金型を一般的な切削により作製した後、その上に硬質セラミックス材料を成膜、前記元金型を分離して成形金型とする方法が提案されている。また特許文献２には、切削による加工でなく母材上に形成された薄膜をドライエッチングすることでパターン形成する方法が従来例として提示されている。しかしながら、何れの方法も、新たな薄膜の形成工程が必要となり、当該薄膜の耐久性や離型等の点を考慮すると実用性には今一歩という問題があった。

一方、ガラス自体の成形温度を下げる観点からは、特許文献３や特許文献４にあるように、リン酸塩ガラスを成形材料として用いてプレス成形した実施例が記載されている。石英系ガラスを成形材料として用いる場合の６００〜１０００℃よりは低いものの、当該例での成形温度も４９０℃であり超硬金型材料を使用しなければならず、低コスト化にも限界があった。成形材料のガラスよりも軟化温度が高いガラスを型として用いる場合には、特許文献５に記載されているように型と成形材料の特性が似た材料であることが原因で剥離や離型が生じ易く、耐久性の問題も含めて実用性のある保護膜の形成が難しいという問題もあった。

ところで、成形金型を作製する際の母型は、通常光ディスクの製造プロセスで行なわれるようにガラス（パイレックス（登録商標）・ソーダライム）基板上にフォトレジストを塗布しフォトマスクを用いて露光・現像してパターン形成を行なう。基板はアルミやシリコン等のガラス以外のものでもよい。またフォトレジストと基板の密着性を上げるためにシランカップリング剤等を使用してもよい。

例えば、特許文献６には、融点が３５０℃〜４５０℃のガラス（例えば、株式会社住田光学ガラス製の「ヴィドロン」（商標））を用いて非球面レンズを製造する方法について、成形金型を白金やニッケル合金の電気鍍金によって作製する方法が記載されている。この開示ではレンズの成形母型として、３次元形状を形成するためにＸ線リソグラフィによりレジスト層をパターニングした有機材料からなる成形母型を作製している。
ところが、型に要求される寸法精度が厳しい場合（特に、厚さ（深さ）が厚い（深い）場合）には、レジストによる母型の形成は困難である。

特開２００２−５３３２７号公報 特開平１０−３３７７３４号公報 特開平１１−２６８９２７号公報 特開平４−１０４９１８号公報 特開２００３−２６４２９号公報 特開２００３−９８３１３号公報 特開平８−１１９６４５号公報 特開平１１−１５７８５２号公報 特開平３−２５７０３１号公報 特開昭６０−２４６２３０号公報 特開平７−２５６２８号公報 特開平６−２３９６２９号公報

本発明の目的は、ガラス材をプレス成形するための成形金型、及びそれを作製するための金型用母型、及び成形金型を用いた光学素子の製造方法を提供することにある。

上記目的は、ニッケルあるいはニッケル合金からなるガラス成形用金型を電鋳法で形成するための金型用母型であって、ガラス材で形成されていることを特徴とする金型用母型によって達成される。

また、上記目的は、ガラス材をプレス成形するための成形金型であって、ニッケルあるいはニッケル合金で形成されていることを特徴とする成形金型によって達成される。
上記本発明の成形金型であって、ガラス材で形成された金型用母型を用いて電鋳法で形成されていることを特徴とする。

上記本発明の成形金型であって、前記ニッケル合金は、燐、コバルト、鉄、クロム、亜鉛のうちを少なくとも１種を含むことを特徴とする。
上記本発明の成形金型であって、型表面に保護膜を有することを特徴とする。

さらに、上記目的は、ガラス材をプレス成形して作製される光学素子の製造方法であって、３４０℃以下の温度でプレス成形されることを特徴とする光学素子の製造方法によって達成される。

上記本発明の光学素子の製造方法であって、少なくとも一部に回折格子パターンを形成することを特徴とする。

上記本発明の光学素子の製造方法であって、少なくとも一部に光導波路パターンを形成することを特徴とする。

上記本発明の光学素子の製造方法であって、前記ガラス材は、リン酸塩ガラスであることを特徴とする。
上記本発明の光学素子の製造方法であって、前記ガラス材は、フツ燐酸ガラスであることを特徴とする。

また、上記本発明の光学素子の製造方法であって、上記本発明の成形金型で作製することを特徴とする。

本発明によれば、低コストで高精度の電鋳金型を容易に製造できるので、ガラス材で形成された光学素子を低コストで大量に容易に作製できる。

本発明の一実施の形態によるガラス材をプレス成形するための成形金型、及びそれを作製するための金型用母型、及び成形金型を用いた光学素子の製造方法について図１を用いて説明する。本実施の形態では、有機材料の成形金型として一般的に用いられており、また技術的にも十分確立されているニッケル（Ｎｉ）あるいはニッケル燐（ＮｉＰ）合金を金型形成材料にして、電鋳法により作製してガラス材の成形金型として用いるようにしている。

これにより安価な成形金型作製が可能となるだけでなく、マスターからマザー・ドーターへの複製も容易であり、金型作製にかかるコストを飛躍的に低減することが可能となる。またこれを実現するにはニッケル合金が十分耐久性を有する温度範囲で成形可能なガラス材料が必要であるが、これはニッケル合金金型が使用できる３２０℃以下まで軟化温度が低減できるリン酸塩ガラス、フツ燐酸ガラス等の多成分ガラスを使用すれば可能である。

リン酸（Ｐ_２Ｏ_５）を主成分として含むリン酸塩ガラスは、その低軟化温度性や様々な成分をよく溶解することから近年機能性ガラスとして注目を集めている。これはガラス材料の観点からは、ガラス網目構成子としてのリン酸は珪酸に比べて相互の結合が弱いが、これにアルカリ、アルカリ土類金属等のガラス網目修飾子（網目構造間の結合を弱くする）を加えることで低温での軟化が生じ易くなる。このリン酸塩ガラスを用いれば３００℃近傍での成形が可能であり本実施形態で用いる材料として好適である。さらに各種フッ化物を添加した場合には材料の信頼性が高まりさらに好ましい。
近年、３００℃程度の極めて低い成形温度を備えた光学素子用ガラス（例えば、株式会社住田光学ガラス製の「スーパーヴィドロン」（商標））が開発されており、これを用いることで本実施の形態の金型を使用したガラス光部品の作製が可能となる。

ニッケルあるいはニッケル燐からなるガラス成形用金型を電鋳で形成するための金型用母型は、ガラス材で形成されている。ニッケル系の金型を高精度に作製するには、母型をガラスで形成することが有効である。本実施の形態では、光ディスク等とは異なりホログラム等の寸法精度が厳しい光機能部品を作製することを考慮し、ガラス基板自体や半導体基板上に形成したガラス薄膜自体をパターニングして成型金型の母型とする。これにより、より高精度な電鋳金型作製が可能となり、寸法精度が厳しい場合（特に、厚さ（深さ）が厚い（深い）場合）でも精密な母型を形成することができる。

純ニッケルの電鋳金型ではその耐熱性の問題から成形温度は通常３４０℃以下が要求される。またニッケル燐合金を用いると４５０℃程度まで使用可能であるが、３５０℃以上でのニッケル合金金型を用いた成型では金型の寿命が短くなる問題があり実用的ではない。さらに低軟化温度をもつガラスを用いて成型温度を３００〜３２０℃で行なうことで、上記金型の寿命を飛躍的に改善させることができる。

特許文献７や特許文献８ではステンレスや超硬合金やセラミックス基材の表面にニッケル・クロム等の合金皮膜を鍍金して耐久性を高めた金型について記載されているが、本実施の形態では３５０℃以下の低温で使用されるため、電鋳で形成されるニッケル合金金型以外の基材は必要としない。

またマスターからマザー・ドーターへと金型の転写を行なっていく過程では、最初に電鋳法によって作製されたマスター型に酸化物皮膜等の剥離のための表面処理を行い、その上にマスター作製の時と同様に無電解鍍金や真空成膜等による表面導体化の後に電解鍍金にてニッケル合金膜を形成し剥離処理を行なってマザー型とする。さらにそのマザー型を元型として同様に電鋳によるドータ型成形を行なう。

一般に、成形金型では耐久性を高めるためにＴｉＮ、ＴｉＣＮ、ＳｉＣ、ＳｉＮ、あるいはダイヤモンドライクカーボン等の保護膜をその表面に形成する。光ディスクの製造等で使用されるフォトポリマー（２Ｐ）法や射出成形法等では成形材料が樹脂であるためそれほど硬い材料を用いなくとも問題ないが、５００℃を越える温度でのガラス成形では劣化が樹脂の成形に比べて激しいためにより硬質な保護膜を形成する必要がある。ガラスの成形金型での保護膜に要求される特性は、高温での加圧成形時にガラスと反応せず化学的に安定であることや、塑性変形や粒成長を起こさないこと等であるが、これらを満たすものとして窒化化合物（ＢＮ，ＡｌＮ，ＴｉＮ，ＣｒＮ）あるいはＳｉＣ、Ｓｉ_３Ｎ_４（高温での安定性にやや難あり。特許文献９参照）、白金合金（特許文献１０）が従来使用されてきた。特許文献１１ではＮｉＷは高温で表面が酸化してしまう問題があり、このため表面に防酸化のための保護膜を形成する必要があるが、この場合、白金、ルテニウム、イリジウム、オスミウム、タングステン、タンタルなどの合金膜を用いると高温でガラスに融着せず保護膜としては好適である。しかしながら３００℃近傍の低温での成型の場合には５００℃以上での成型に比べて保護膜の特性の要求は格段に緩くなる。

また保護膜によらない金型表面の保護として、特許文献１２ではニッケル燐合金による成形金型の場合、表面の硬化を目的としたボロン化処理が記載されている。これは炭化ボロンを表面に塗布しアルゴンガス雰囲気中で６００℃、３時間の熱処理を行い表面の１μｍを硬化させて改質するものである。さらにその上に白金・ロジウム合金を３μｍ成膜することで、さらなる安定性・強度の向上を図っている。本実施形態においてもこのような処理を施すことは好ましい。

次に、本実施の形態による光部品の製造方法について、青色レーザ（波長４０５ｎｍ）で使用する回折格子の製造を例にして図１を用いて具体的に説明する。図１（ａ）は、電鋳法を用いて母型から金型を作製する方法を示している。図１（ａ）は、格子溝形成領域が凸状の金型の作製を示している。まず、石英ガラス基材の表面に通常のフォトリソグラフィ技術を用いて凹状の格子パターンを形成して母型１０を作製する。母型１０の複数の凹部１１は、所定の深さの凹状ストライプパターンに形成される。例えば、所望の回折格子の溝深さを３９２ｎｍとし、使用する微細加工プロセスの作製精度を考慮して溝幅を５μｍとした場合、凹部１１の深さは３９２ｎｍで凹部１１の幅は５μｍに形成する。

次に、母型１０の凹状格子パターン形成面に離型処理を施した後、無電解鍍金法あるいはスパッタリング法を用いて下地導電膜を形成する。次いで、電解鍍金法を用いて下地導電膜上にＮｉとＰの合金を５００μｍの厚さに鍍金して鍍金部を形成する。次いでタングステン・イリジウム合金からなる離型膜を０．４μｍの厚さにスパッタリング法で形成する。鍍金部には、母型１０の凹状格子パターンに対応して凸部１１’が形成される。母型１０から鍍金部を剥がして、母型１０の凹状格子パターンに対応する凸部１１’が形成された格子パターン形成用電鋳金型１２が完成する。格子パターン形成用電鋳金型１２の複数の凸部１１’は、所定のピッチで紙面に垂直方向に延び、所定の高さの凸状ストライプパターンに形成される。本実施形態によれば電鋳法を用いて金型を作製するので、低コストで高精度の金型が得られる。

次に、図１（ｂ）に示すように、格子パターン形成用電鋳金型１２の型形成面をガラスシート１４表面にプレスして、格子パターン形成用電鋳金型１２の凸部１１’に対応した位置のガラスシート１４表面にプレス成形による凹部２ａを形成する。ガラスシート１４のガラス材料には株式会社住田光学ガラス製「スーパーヴィドロン（商標）」を用いた。当該ガラス材料の屈折率は、光の波長が４０５ｎｍにおいて１．５１８７５であり、ガラス転移温度は２８５℃、屈服温度は３１０℃であり電鋳金型が使用可能である。当該ガラス材料を溶融・研磨して得られたガラスシート１４を上記電鋳金型を使用して、真空中で３１０℃、３００ｋｇ／ｃｍで加圧・プレスして複数の凹部２ａが形成された回折格子２を作製した。プレス後の回折格子２表面の形状を観察したところ所望の精度で凸凹形状の回折格子面が形成されており、離型の問題もなく良好な格子が形成されていた。また加熱温度が３１０℃と低く従来のガラス成形に比べてかなり低いため１０００回のプレス回数を行なった後の金型の劣化もなかった。比較のため、軟化温度の高いガラス「ヴィドロン（商標）」を用いて３７０℃で成型を行なった場合には１００回程度のプレスで金型形状に劣化が生じていた。

このようにして、図１（ｄ）に示すように、表面にプレス成形で形成した凹部２ａを有する回折格子２が作製される。複数の凹部２ａは所定のピッチで紙面に垂直方向に延び、溝深さが３９２ｎｍで、溝幅５μｍの凹状ストライプパターンに形成される。

本発明は、上記実施の形態に限らず種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、回折格子（ホログラムやグレーティングを含む）２の構成及びその製造方法を例にとって説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、光導波路やプリズム等をはじめとするあらゆる光部品に対して本発明を適用可能である。

本発明の一実施の形態によるガラス材をプレス成形するための成形金型、及びそれを作製するための金型用母型、及び成形金型を用いた光学素子の製造方法を示す図である。

符号の説明

２ 回折格子
２ａ、１１ 凹部
１０ 母型
１１’ 凸部
１２ 格子パターン形成用電鋳金型
１４ ガラスシート

Claims (11)

1. ニッケルあるいはニッケル合金からなるガラス成形用金型を電鋳法で形成するための金型用母型であって、
   ガラス材で形成されていること
   を特徴とする金型用母型。
2. ガラス材をプレス成形するための成形金型であって、
   ニッケルあるいはニッケル合金で形成されていること
   を特徴とする成形金型。
3. 請求項２記載の成形金型であって、
   ガラス材で形成された金型用母型を用いて電鋳法で形成されていること
   を特徴とする成形金型。
4. 請求項２又は３に記載の成形金型であって、
   前記ニッケル合金は、燐、コバルト、鉄、クロム、亜鉛のうちを少なくとも１種を含むこと
   を特徴とする成形金型。
5. 請求項４記載の成形金型であって、
   型表面に保護膜を有すること
   を特徴とする成形金型。
6. ガラス材をプレス成形して作製される光学素子の製造方法であって、
   ３４０℃以下の温度でプレス成形されること
   を特徴とする光学素子の製造方法。
7. 請求項６記載の光学素子の製造方法であって、
   少なくとも一部に回折格子パターンを形成すること
   を特徴とする光学素子の製造方法。
8. 請求項６記載の光学素子の製造方法であって、
   少なくとも一部に光導波路パターンを形成すること
   を特徴とする光学素子の製造方法。
9. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法であって、
   前記ガラス材は、リン酸塩ガラスであること
   を特徴とする光学素子の製造方法。
10. 請求項６乃至８のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法であって、
    前記ガラス材は、フツ燐酸ガラスであること
    を特徴とする光学素子の製造方法。
11. 請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の光学素子の製造方法であって、
    請求項２又は３に記載の成形金型で作製すること
    を特徴とする光学素子の製造方法。

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