JP2005283814A - 反射防止処理を施した光学素子及びその金型並びに金型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 この発明は、金型（スタンパ）から成型品を剥離する時の負荷を少なくし、金型（スタンパ）や成型品の破損を防止することを目的とする。
【解決手段】 基板１上に有効領域部分は所定の反射防止機能の凹凸からなるパターンを有し、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスク２１を設け、このマスクを用いて基板に外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成された反射防止構造のパターンをエッチングを施して形成し、この反射防止膜パターンが形成された基板１上に金型用金属３を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板１と金型用金属３を分離して金型を形成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、光ピックアップ用回折格子、光ピックアップ用位相板、光ピックアップ用レンズ、携帯電話用ディスプレイカバーなどの表面に反射防止防止構造を設けた光学素子とその製造方法及びその金型並びに金型の製造方法に関するものである。

従来より、ガラス、プラスチックなどの透光性材料を用いた光学ピックアップ、非球面レンズ、光ピックアップ用回折格子、光ピックアップ用位相板、光ピックアップ用レンズ、携帯電話用ディスプレイカバーなどの光学素子においては、基板の光入射面に反射を防止するための表面処理が施されている。この表面処理としては、薄膜の誘電体膜を重畳させた多層膜を透光性基板表面に真空蒸着等により成膜する方法や、光学素子表面に微細で且つ緻密な凹凸を設ける方法がある。

光学素子表面に微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造は、金型を用いてプラスチック成形で形成することが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開昭６２−９６９０２号公報

ところで、上記した微細な凹凸からなる反射防止機能を形成した金型を用いて樹脂充填により、光学素子を形成するときに、樹脂が高アスペクトの微細パターンに充填されることになる。このため、樹脂と金型を剥離するときの負荷が大きくなる。特に、パターンのない領域とパターン領域の境界において付着力が急激に増すため、金型（スタンパ）や成型品が破損する虞がある。

この発明は、上記した従来の問題点を解決するためになされたものにして、金型（スタンパ）から成型品を剥離する時の負荷を少なくし、金型（スタンパ）や成型品の破損を防止することを目的とする。

この発明の光学素子は、表面に微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造を有する光学素子であって、前記反射防止構造のパターンは有効領域から外側の部分は外周に向かって徐々に凹凸形状の溝の深さが浅く形成されていることを特徴とする。

この発明の金型は、微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造パターンが形成された金型であって、前記反射防止構造のパターンは外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成されているいることを特徴とする。

また、この発明の金型の製造方法は、基板上に有効領域部分は所定の反射防止機能の凹凸からなるパターンを有し、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクを設け、このマスクを用いて基板に外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成された反射防止構造のパターンをエッチングを施して形成し、この反射防止膜パターンが形成された基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して金型を形成することを特徴とする。

また、この発明の曲面金型の製造方法は、基板上に有効領域部分は所定の反射防止機能の凹凸からなるパターンを有し、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクを設け、このマスクを用いて基板に外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成された反射防止構造のパターンをエッチングを施して形成し、この反射防止膜パターンが形成された基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して第１の金型を形成し、この金型を用いて成型樹脂基板を形成し、この成形樹脂基板をこの熱変形温度以上ガラス転移点以下の温度に加熱した所定形状に形成された曲面金型にを用いて加熱変形させた成形樹脂基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して金型を形成することを特徴とする。

以上説明したように、この発明の光学素子によれば、金型からの剥離の際に、有効領域から外周に向かう領域での付着力が小さくでき、樹脂成型時の破損を防ぐことができ、歩留まりを向上させることができる。

また、この発明の金型によれば、金型からの剥離の際に、有効領域から外周に向かう領域での付着力が小さくでき、金型、成型品の破損を防ぐことができ、歩留まりを向上させることができる。

また、この発明の製造方法によれば、外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の深さが深くなり、有効領域では所定のピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する金型を製造することができる。

この発明の曲面金型の製造方法によれば、球面、軸対象非球面など複雑な形状であっても所定の曲面形状を有する金型を容易に形成でき、そして、この金型を用いて成形樹脂基板を変形させることで、球面、軸対象非球面など複雑な形状であっても所定の曲面を有し、そして、微細で緻密な凹凸形状からなる反射防止構造を有する曲面金型を形成することができる。また、反射防止構造を形成するための、レジスト塗布、露光、現像工程は平面部材の時行うことができるので、レジストの塗布むら、露光むらの発生も防止できる。

以下、この発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図１は、この発明の第１の実施形態にかかる反射防止構造を有する金型の製造を工程別に示す断面図、図２は、光学素子の外周から内周に向かって、徐々に光学素子の反射防止機能の凹凸の深さを深くするための露光工程を示す平面図である。

図１（ａ）に示すように、光ピックアップ用回折格子、光ピックアップ用位相板、光ピックアップ用レンズ、携帯電話用ディスプレイカバーを形成するために所定の平面形状を有する基板１を用意する。この基板１は、この実施形態では合成石英ガラスを用いた。この基板１上にレジスト膜２を設ける。このレジスト塗布は、レジストとして、例えば、東京応化製商品名「ＮＥＢ２２」の電子線用ネガ型レジストを用いて、回転数３０００ｒｐｍでスピンコート塗布し、膜厚６００ｎｍのレジスト膜２を形成した。

続いて、図１（ｂ）、図２に示すように、塗布したレジスト膜２に対してＥＢ描画装置を用いて照射する。照射は外周ほど照射エネルギーを高くした。例えば、図２に示すように、１００μｍ角で照射して描画するが、有効領域２０ａは、１０μＣ／ｃｍ²のエネルギーで照射し、その外側にあたる領域２０ｂ１は、１２μＣ／ｃｍ²のエネルギーで照射し、その外側にあたる領域２０ｂ２は１４μＣ／ｃｍ²のエネルギーで照射し、最外周にあたる領域２０ｂ３は１６μＣ／ｃｍ²のエネルギーで照射した。そして、ＥＢ描画後、１１０℃のホットプレートで２分露光後ベークした後、現像液ＣＤ−２６で２分間現像した。その結果、有効領域２０ａ部分は２５０ｎｍピッチで円錐状の突起が多数形成され、その外側に行くほど突起が太くなる領域２０ｂのレジストパターン２１を形成した。すなわち、このレジストパターン２１は、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクとなる。

次に、図１（ｃ）に示すように、上記レジストパターン２１をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、合成石英ガラスからなる基板１をパターニングする。この実施形態では、ＲＩＥエッチング装置として、ＵＬＶＡＣ製の商品名「ＮＬＤ−８００」を用い、エッチングガスとして、Ｃ₄Ｆ₈とＣＨ₂Ｆ₂の混合ガスを用い、アンテナ電源１５００Ｗ、バイアス電源４００Ｗ、二酸化シリコン膜（ＳｉＯ₂）のエッチングレート１２ｎｍ／ｓｅｃとして、有効領域に加工深さ５００ｎｍの円錐状の溝１１が形成されるようにエッチングした。この結果、外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の溝の深さが深くなるパターンが形成された。

その後、図１（ｄ）に示すように、酸素プラズマアッシングでレジスト２を除去すると、外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の深さが深くなる反射防止構造が形成されることになる。この反射防止構造のパターンは有効領域では２５０ｎｍピッチで円錐状の凹凸が形成され、その有効領域１１ａから外側の部分１１ｂは外周に向かって徐々に反射防止機能の溝の深さが浅くなっている。

そして、図１（ｅ）に示すように、金型（スタンパ）となる金属層３を基板１上の反射防止構造１１ａ、１１ｂに形成する。金属層３は、まずニッケル（Ｎｉ）シード層をスパッタで形成した後、その上に電界メッキでニッケル層を形成し、裏面を研磨して所定の厚さの金型（スタンパ）となる金属層３を形成する。

最後に、図１（ｆ）に示すように、基板１と金属層３との境界から機械的に金型（スタンパ）３を剥離させることにより、この実施形態による外周から内周に向かって、有効領域にあたるまでの領域３ｂは、徐々に反射防止機能の溝の深さが深くなり、有効領域３ａでは２５０ｎｍピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する金型３が得られる。

このように、外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の深さが深くなり、有効領域３ａでは所定のピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する金型３を用いることで、アクリル（ＰＭＭＡ）などの樹脂を充填して、金型３から取り出すと、図３に示すような成型品５が得られる。この成型品５は、表面に有効領域では所定のピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造が形成され、有効領域５ａから外周に向かう領域５ｂは外周に向かって徐々に反射防止機能の溝の深さが浅くなって形成される。

図４に、全て同じ深さの反射防止構造が形成された金型を用いた成型品５’を示す。この図３に示すものと図４との付着力を比較すると、図５に示すように、この発明によれば、外周部分から外周に向かう領域５ｂでの付着力が小さくなる。この結果、この発明によれば、樹脂を充填したときに外周側から剥がれやすくなり、スタンパや成型品が破損する虞がなくなる。

次に、この発明の第２の実施の形態につき、図６、図７を参照して説明する。図６、図７は、この発明の第２の実施形態にかかる反射防止構造を有する曲面金型の製造を工程別に示す断面図である。尚、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付し、重複を避けるために、その詳細な説明は割愛する。

上記した第１の実施の形態は、平面の光学素子について説明したが、この第２の実施形態は、光学ピックアップ用対物レンズ、コリメータレンズなど球面、軸対象非球面など所定の曲面形状有する曲面金型の製造方法を示すものである。

外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の深さが深くなり、有効領域では所定のピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する第１の金型３を形成するまでは、上記第１の実施形態と同様にして形成される。

即ち、図６（ａ）から図６（ｆ）の工程は上記の第１の実施形態と同様であり、まず、図６（ａ）に示すように、所定の平面形状を有する合成石英ガラスからなる基板１を用意し、この基板１上にレジスト膜２を設ける。

続いて、図６（ｂ）に示すように、塗布したレジスト膜２に対してＥＢ描画装置を用いて照射する。照射は外周ほど照射エネルギーを高くする。そして、現像することで、有効領域２０ａ部分は２５０ｎｍピッチで円錐状の突起が多数形成され、その外側に行くほど突起が太くなる領域２０ｂのレジストパターン２１を形成した。すなわち、このレジストパターン２１は、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクとなる。

次に、図６（ｃ）に示すように、上記レジストパターン２１をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、合成石英ガラスからなる基板１をパターニングし、その有効領域から外側の部分は外周に向かって徐々に反射防止機能の溝の深さが浅くなるパターンを形成する。

その後、図６（ｄ）に示すように、酸素プラズマアッシングでレジスト２を除去すると、有効領域１１ａから外側の部分１１ｂは外周に向かって徐々に反射防止機能の溝の深さが浅くなる反射防止構造が形成されることになる。

そして、図６（ｅ）に示すように、第１の金型（スタンパ）となる金属層３を基板１上の反射防止構造１１ａ、１１ｂに形成する。金属層３は、まずニッケル（Ｎｉ）シード層３ａをスパッタで形成した後、その上に電界メッキでニッケル層を形成し、裏面を研磨して所定の厚さの金型（スタンパ）となる金属層３を形成する。

次に、図６（ｆ）に示すように、基板１と金属層３との境界から機械的に金型（スタンパ）３ａを剥離させることにより、この実施形態による外周から内周に向かって、有効領域にあたるまでの領域は、徐々に反射防止機能の溝の深さが深くなり、有効領域では２５０ｎｍピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する第１の金型３が得られる。

続いて、この第１の金型３を用いて、球面、軸対象非球面など所定の曲面形状有する曲面金型を形成する工程にはいる。図６（ｇ）に示すように、第１の金型３を用いて樹脂を充填し、成形樹脂基板６を形成する。樹脂としては、ポリカーボネートやポリオレフィンが用いられる。この実施形態では、ポリカーボネートとして、三菱エンジニアリングプラスチック株式会社製の型番「ユーピロンＨ４０００」を用いた。このポリカーボネートの熱変形温度は１４０℃、ガラス転移温度は１５０℃である。また、ポリオレフィンとしては、日本ゼオン株式会社の型番「ゼネックスＥ２８Ｒ」を用いる。このポリオレフィンの熱変形温度は１２２℃、ガラス転移温度は１３９℃である。

そして、図７（ａ）に示すように、上記の成型樹脂を樹脂を充填して、金型３から取り出すと、外周から内周に向かって、有効領域にあたるまでの領域３ｂは、徐々に反射防止機能の溝の深さが深くなり、有効領域３ａでは２５０ｎｍピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する成型樹脂基板６が得られる。この成型樹脂基板６は、外周部の付着力が小さくなっているので、金型３から破損することなく剥がすことができる。

図７（ｂ）に示すように、光学ピックアップ用対物レンズ、コリメータレンズなど球面、軸対象非球面など所定の曲面形状を有する曲面金型７を用意する。この曲面金型７は、曲面加工の容易な金属基材を用いている。この実施形態においては、被切削性の良好なアルミ合金や無炭素銅などに対してダイヤモンド工具を回転させる超精密マイクロ加工機により、球面、軸対象非球面など所定の曲面に鏡面加工されて形成されている。曲面金型７の上に成型樹脂基板６を押しつけ、成型樹脂基板６を加熱変形させ、所定の曲面上に反射防止機能を有する状態にする。この加熱変形は、成形樹脂基板６の熱変形温度以上ガラス転移点以下の温度に金型７を加熱する。成型樹脂として上記したポリカーボネートを用いた場合には、１４５℃に曲面金型７を加熱して変形させる。また、成型樹脂として上記したポリオレフィンを用いた場合には、１３０℃に曲面金型７を加熱して変形させる。

続いて、金型（スタンパ）となる金属層９を変形された成型樹脂基板６上に形成するために、図７（ｃ）に示すように、まずニッケル（Ｎｉ）シード層８をスパッタで形成する。その後、図７（ｄ）に示すように、その上に電界メッキでニッケル層を形成し、裏面を研磨して所定の厚さの金型（スタンパ）となる金属層９を形成する。

最後に、図７（ｅ）に示すように、成型樹脂基板６と金属層９との境界から機械的に金型（スタンパ）９を剥離させることにより、この実施形態による２５０ｎｍピッチで円錐状の凹凸が形成された反射防止構造を有する曲面金型９が得られる。

上記の実施形態おいては、球面、軸対象非球面など複雑な形状であっても所定の曲面形状を有する曲面金型７を超精密マイクロ加工機により容易に形成できる。また、反射防止構造を形成するための、レジスト塗布、露光、現像工程は平面部材の時行うことができるので、レジストの塗布むら、露光むらの発生が防止できる。そして、平面部材へ微細パターンを形成して作成した平面成型樹脂基板６を成形樹脂基板６の熱変形温度以上ガラス転移点以下の温度に加熱した曲面金型７に押し当て、加熱変形させることで曲面形状が容易に形成できる。このように、球面、軸対象非球面など複雑な形状であっても所定の曲面を有し、そして、微細で緻密な凹凸形状からなる反射防止構造を有する曲面金型９を形成することができる。

この発明の第１の実施形態にかかる反射防止構造を有する金型の製造を工程別に示す断面図である。 光学素子の外周から内周に向かって、徐々に光学素子の反射防止機能の凹凸の深さを深くするための露光工程を示す平面図である。 この発明に係る光学素子を示す概略断面図である。 この発明の参考例の光学素子を示す概略断面図である。 この発明の光学素子と参考例との各領域の金型と成型品との間の付着力の関係を示す図である。 この発明の第２の実施形態にかかる反射防止構造を有する金型の製造を工程別に示す断面図である。 この発明の第１の実施形態にかかる反射防止構造を有する金型の製造を工程別に示す断面図である。

符号の説明

１ 基板
２ レジスト膜
３ 金属層
３ａ 金型（スタンパ）

Claims (4)

1. 表面に微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造を有する光学素子であって、前記反射防止構造のパターンは有効領域から外側の部分は外周に向かって徐々に凹凸形状の溝の深さが浅く形成されていることを特徴とする反射防止処理を施した光学素子。
2. 微細で且つ緻密な凹凸形状からなる反射防止構造パターンが形成された金型であって、前記反射防止構造のパターンは外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成されているいることを特徴とする反射防止構造パターンを形成する金型。
3. 基板上に有効領域部分は所定の反射防止機能の凹凸からなるパターンを有し、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクを設け、このマスクを用いて基板に外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成された反射防止構造のパターンをエッチングを施して形成し、この反射防止膜パターンが形成された基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して金型を形成することを特徴とする反射防止構造を有する金型の製造方法。
4. 基板上に有効領域部分は所定の反射防止機能の凹凸からなるパターンを有し、その外側に行くほど凹凸パターンの体積比率を変化させたマスクを設け、このマスクを用いて基板に外周から内周に向かって、徐々に反射防止機能の凹凸の深さが深くなり、有効領域で所定の深さ、形状の凹凸が形成された反射防止構造のパターンをエッチングを施して形成し、この反射防止膜パターンが形成された基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して第１の金型を形成し、この金型を用いて成型樹脂基板を形成し、この成形樹脂基板をこの熱変形温度以上ガラス転移点以下の温度に加熱した所定形状に形成された曲面金型にを用いて加熱変形させた成形樹脂基板上に金型用金属を被着させ、この金型用金属に反射防止膜パターンを転写した後、前記基板と金型用金属を分離して金型を形成することを特徴とする反射防止構造を有する曲面金型の製造方法。
   

Images