JP2006095901A

JP2006095901A - プラスチック成形方法、プラスチック成形装置及び成形金型

Info

Publication number: JP2006095901A
Application number: JP2004285578A
Authority: JP
Inventors: Shiyouzou Murata; 省蔵村田; Jun Watabe; 順渡部; Yasuki Sugimoto; 泰規杉本
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2004-09-30
Publication date: 2006-04-13

Abstract

【課題】本発明は、微細で、かつ高アスペクト比のパターンを有するプラスチック成形品を成形できる。
【解決手段】
本発明に係るプラスチック成形方法によれば、プラスチック成形品が得られる軟化温度以上で微細凹凸パターンを有する成形金型に対して熱可塑性プラスチック材を充填して、熱可塑性プラスチック材及び成形金型の位置を固定させて微細凹凸パターン部分への熱可塑性プラスチック材の充填先端を拘束させながら、その後軟化温度未満まで冷却し、熱可塑性プラスチック材の成形金型開き方向への自収縮により残留応力の小さいプラスチック成形品が得られる。
【選択図】図３

Description

本発明はプラスチック成形方法、プラスチック成形装置及び成形金型に関し、詳細には微細で、立体形状の高さと幅の寸法比であるアスペクト比が高いパターン形状のプラスチック成形品を形成することが可能なプラスチック成形品の成形方法に関する。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）やナノ構造体等のマイクロ・ナノスケールの技術開発が盛んに行われている。今日では、このようなマイクロ・ナノスケールの技術を応用した半導体プロセスやＬＩＧＡ（Lithographie Galvanoformung Abformung）プロセス等を用いて微細な型を製造し、この型を用いて射出成形やホットエンボス成形等を行うインプリント工法が実現されており、これらの成形工法によって転写基板等が作成されている。

しかしながら、射出成形では、高サイクルで成形品を生成することはできるが、製品完成まで時間（スループット）に難点があり、さらに、微細なパターン、高アスペクト比（アスペクト比：立体形状の垂直（高さ）と水平（幅）との寸法比で、構造物の相対的な厚みを示す指標）の製品を転写処理によって型から忠実に成形することが容易ではないという問題があった。

一方で、微細なパターンや高アスペクト比のパターンを型から忠実に転写する工法として２Ｐ（Photo Polymerization）工法が知られている。２Ｐ工法は、開始剤をブレンドした低粘度の液状モノマー、オリゴマーからなる紫外線硬化樹脂を型に塗布充填し、紫外線を照射した後に硬化した材料を剥離して転写基板を作成する工法である。特に、微細なパターンの成形を必要とするマイクロレンズアレイの製造方法として、紫外線硬化樹脂に対して凹構造に加工された石英ガラスをかぶせるように接触させ、減圧して凹構造内に入った空気を膨張させた後に石英ガラス側から紫外線を紫外線硬化樹脂に照射して一気に硬化させた樹脂に石英ガラスの凹構造形状を転写する方法が例えば特許文献１に提案されている。

また、他のマイクロレンズアレイの製造方法として、透明な基板上に熱変形性の感光性材料の膜を形成し、この膜を光パターニングした後に熱変形温度以上に加熱して膜の熱変形性と表面張力とにより滑らかな凸面を形成し、その後にドライエッチングにより所望の屈折面形状を備えたマイクロレンズアレイを形成する工法が例えば特許文献２に提案されている。

更に、例えば特許文献３に提案されているホットエンボス成形工法では、微細で、かつ高アスペクト比の成形品を転写成形することができる。
特開２００１−３１５２１７号公報特開平０６−１９４５０２号公報特開２００４−１７０９３５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された２Ｐ工法は、型の凹凸面（パターン）に対する充填性には優れているものの、剥離時にパターン変形等を生じやすいという問題があり、また塗布処理を行って材料を充填することが多いため、転写基板の厚みを均一にすることが困難であるという問題があった。また、ディスプレイの表面などへの応用が期待されている無反射構造体などの高アスペクト比の転写体を得るためには、２Ｐ材は一般に脆く、離型時の折れや損傷を回避することが困難である。

また、特許文献２の工法も形状制御に限界があり、種々のレンズアレイ形状に対応させることが困難であるという問題があった。更には、特許文献３のホットエンボス成形工法は、具体的な技術の開示がなく、工法の完成度も不明で、実際に機能形状が得られるものか、甚だ疑問である。

本発明はこれらの問題を解決するためのものであり、微細で、かつ高アスペクト比のパターンを有するプラスチック成形品を成形できるプラスチック成形方法、プラスチック成形装置及び成形金型を提供することを目的とする。

前記問題点を解決するために、本発明に係るプラスチック成形方法は、熱可塑性プラスチック材を該熱可塑性プラスチック材の軟化温度以上に加熱する工程と、軟化した熱可塑性プラスチック材を、微細凹凸パターンを有する成形金型に充填する工程と、充填後熱可塑性プラスチック材及び成形金型の位置を固定させる工程と、微細凹凸パターン部分への熱可塑性プラスチック材の充填先端を拘束させながら、軟化温度未満まで冷却して熱可塑性プラスチック材を成形金型開き方向に自収縮させる工程とを有することに特徴がある。よって、プラスチック成形品が得られる軟化温度以上で成形金型に対して熱可塑性プラスチック材を充填して、充填後熱可塑性プラスチック材及び成形金型の位置を固定させた上で微細凹凸パターン部分への熱可塑性プラスチック材の充填先端を拘束させながら、軟化温度未満まで冷却し、熱可塑性プラスチック材の自収縮によりプラスチック成形品が得られることにより、キャビティー容積を固定させることで、外力による強制離型を伴わないので、残留応力の小さく、微細で、かつ高アスペクト比のパターンを有するプラスチック成形品が得られる。

また、成形金型と熱可塑性プラスチック材の微細凹凸パターン充填端面の密着性が充填端面以外の平面部分より大きいことにより、微細で、かつ高アスペクト比のパターンを有するプラスチック成形品を製造できる。

更に、微細凹凸パターン充填端面の表面粗さは、充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きいことにより、熱可塑性プラスチック材の自収縮で充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面での離型を促進でき、残留応力の少ない成形品が得られる。

また、微細凹凸パターン充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面に、選択的に離型剤を塗布することにより、熱可塑性プラスチック材の自収縮で充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面での離型を促進でき、残留応力の少ない成形品が得られる。

更に、熱可塑性プラスチック材の自収縮に加えて、型および加熱体の収縮によりプラスチック成形品が得られる。

また、型のパターンに充填された部分の温度が、充填先端が最も高温で、充填の根元に対して温度勾配を有する。よって、外力による強制離型を伴わないので、残留応力の小さく、微細で、かつ高アスペクト比のパターンを有するプラスチック成形品が得られる。

更に、別の発明としてのプラスチック成形装置は、成形金型と加熱体と加圧機構と位置固定機構とを有している。そして、成形金型は熱可塑性プラスチック材と高密着性となる加工を施し、微細凹凸パターンを有する。また、加熱体は成形金型を熱可塑性プラスチック材の軟化温度以上に加熱する。更に、加圧機構は加熱体によって加熱された成形金型内に熱可塑性プラスチック材を充填する。また、位置固定機構は充填後熱可塑性プラスチック材及び成形金型の位置を固定する。よって、外力による強制離型を伴わないので残留応力の小さいプラスチック成形品が得られる。

また、成形金型と熱可塑性プラスチック材の微細凹凸パターン充填端面の密着性が、充填端面以外の平面部分より大きいことが好ましい。更に、成形金型における充填端面の表面粗さは、充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きいことが好ましい。

更に、別の発明としての成形金型は、熱可塑性プラスチック材と高密着性となる加工を施し、微細凹凸パターンを有することに特徴がある。また、微細凹凸パターン充填端面の表面粗さは、充填端面以外の熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きいことが好ましい。よって、本発明の成形金型をプラスチック成形装置に適用することにより、外力による強制離型を伴わないので残留応力の小さいプラスチック成形品を得ることができる。

本発明に係るプラスチック成形方法によれば、プラスチック成形品が得られる軟化温度以上で微細凹凸パターンを有する成形金型に対して熱可塑性プラスチック材を充填して、熱可塑性プラスチック材及び成形金型の位置を固定させて微細凹凸パターン部分への熱可塑性プラスチック材の充填先端を拘束させながら、その後軟化温度未満まで冷却し、熱可塑性プラスチック材を成形金型開き方向に自収縮させることにより残留応力の小さいプラスチック成形品が得られる。

図１は本発明の一実施の形態例に係るプラスチック成形装置を示す概略断面図である。同図に示す本実施の形態例のプラスチック成形装置１０は、微細凹凸パターンの孔を有する成形金型１１を所定の温度に加熱する加熱体１２と、加熱体１２上に成形金型１１を固定ネジ１４により固定するための固定プレート１３と、成形金型１１の面に対向する先端部で熱可塑性プラスチック材１５を保持し、保持した熱可塑性プラスチック材１５を成形金型１１に押し当てる押さえ板１６と、押さえ板１６を介し、加熱体１２により軟化した熱可塑性プラスチック材１５を成形金型１１の微細凹凸パターンの孔に充填するための加圧機構１７とを有している。そして、成形金型１１の微細凹凸パターンのない表面である孔の側面及び成形金型１１の上面は密着性を低くするために鏡面研磨されている。また、成形金型１１の収縮量は、材料の厚さにおける収縮量の特性図である図２に示すように、例えばＰＭＭＡ（Poly Methyl Methacrylate；ポリメチルメタクリレート）などの熱可塑性プラスチック材１５の収縮量より非常に小さいものとする。更に、成形金型１１に設けられた微細凹凸パターンの孔における底面の表面粗さが当該孔の側面や成形金型１１の上面の表面粗さより大きくなるように孔の底面の表面は加工されている。よって、成形金型１１の孔の底面における熱可塑性プラスチック材１５との密着性に相当するアンカー効果は、当該孔の側面のアンカー効果に比して強くなっている。更に、加圧機構１７は、押さえ板１６に対して所定の圧力を加えて所定の位置まで押さえ板１６の圧力付加方向に移動させた際当該所定の位置を維持する機構を有している。

このような構成を有するプラスチック成形装置１０を用いてナノピラーを成形する成形工程について図１及び成形工程断面図である図３に従って説明する。

先ず、微細凹凸パターンを有する成形金型１１が図１の加熱体１２によって熱可塑性プラスチック材１５の軟化温度以上の温度に加熱される。次に、図３の（ａ）に示すように、加熱された成形金型１１にナノピラーを形成するための熱可塑性プラスチック材１５を近接、そして接触させて加圧機構１７によって所望の圧力まで加圧される。すると、図３の（ｂ）に示すように、加熱体１２によって軟化した熱可塑性プラスチック材１５が成形金型１１の孔に充填される。ここで、例えば熱可塑性プラスチック材１５にＰＭＭＡを用いる場合は、成形金型１１は加熱体１２により１３０℃程度に加熱され、２ＭＰａ程度の圧力が加圧機構１７により加えられる。その後、この状態を一定時間保持して熱可塑性プラスチック材１５が成形金型１１の孔に充填された状態となったら、加圧機構１７によって押さえ板１６の停止位置を固定された上で、加熱体１２による加熱及び加圧機構１７による加圧を停止する。すると、成形金型１１及び熱可塑性プラスチック材１５が冷却により自収縮し始める。約３０℃まで放置すると、圧力は０となり、既にこの時点で転写成形品が得られている。そして、図３の（ｃ）に示すように、熱可塑性プラスチック材１５の収縮量は成形金型１１の収縮量より高く、かつ成形金型１１の上面（図中破線で囲む部分Ａ）及び孔の側面（図中破線で囲む部分Ｂ）の密着性が低い、一方孔の底面（図中破線で囲む部分Ｃ）の密着性は高いことから、熱可塑性プラスチック材１５は成形金型１１の底面で離型しない状態で、成形金型１１の上面及び孔の側面から離型する。そして、図３の（ｄ）に示すように、熱可塑性プラスチック材１５の収縮が更に進むと、成形金型１１における微細凹凸パターンの孔の底部における熱可塑性プラスチック材１５は孔の底部から離型し、プラスチック成形品が完成する。

このようなプラスチック成形装置における成形金型１１のパターン形状が例えば直径１μｍ、深さ２μｍに対して、微細凹凸パターンの形状は直径８００ｎｍ、高さ３μｍであり、微細な高アスペクト比な微細凹凸パターンが得られる。これを例えばディスプレイの表面であるカバーガラスに適用すると、反射防止効果が得られ、高精細な映像を視聴可能となる。また、成形品がマイクロレンズである場合、型のパターン形状が直径３０μｍ、深さ５μｍに対して、微細凹凸パターンの形状は直径２０μｍ、高さ１０μｍの半球体が得られる。実際に電子写真製造装置に組み込んで画像イメージを出力してみると、高精細な画像を出力することができる。

なお、図１のプラスチック成形装置１０の成形金型１１は、型の微細凹凸パターンのない表面、つまり成形金型１１の上面と孔の側面を鏡面加工しているが、離型剤で処理してもよい。同様のプロセスでナノピラー構造体をプラスチックの転写形成可能で、ディスプレイの高精細化が可能である。また、熱可塑性プラスチック材１５としては、上記のＰＭＭＡ以外に、ＰＣ（Poly Carbonate;ポリカーボネート）、ＰＰ（Poly Propylene；ポリプロピレン）などが用いられる。

次に、本発明のプラスチック成形装置で用いる成形金型の作製について説明する。STAVAX母材に無電解Ｎｉ−Ｐ（Ｐ含有率は１１ｗｔ％）めっきを１００μｍ成膜し、ＬＡＰ研磨を施す。ＬＡＰ研磨されたＮｉ膜は、表面粗さＲｙ＝２０ｎｍ以下、平行度３μｍ以下と、優れた鏡面形状を有している。ＦＩＢ（Focused Ion Beam）加工により、ナノピラーパターンを形成する。イオンビーム電流量を４００ｐＡで、直径０．２μｍ、０．５μｍ、１．０μｍ、深さがそれぞれ０．３μｍ、０．８μｍ、２．０μｍの微細凹凸パターンを加工した。Ｎｉは結晶粒が１００ｎｍ程度の粗さを有し、パターン側壁、あるいは先端はこの粗さにほぼ等しい。上述した本発明のプラスチック成形工程により、直径が０．１５μｍ、０．４２μｍ、０．８５μｍ、高さが０．６μｍ、１．６μｍ、５．０μｍの微細凹凸パターンの形状を有する成形品が得られた。このように、本発明のプラスチック成形装置及び成形方法によれば成形金型以上に微細な高アスペクト比な微細凹凸パターンが得られ、得られた成形品をディスプレイの表面であるカバーガラス、プロジェクション方式のミラー面に適用すると、反射防止効果が得られ、高精細な画像や映像を視聴可能となる。

次に、比較例について説明する。
はじめに、比較例１として、ナノピラーを以下の従来法で作製する。本発明と異なる点は、プラスチックの熱変形温度以下になったら、強制的に離型する点である。この段階ではまだ十分には収縮しておらず、ピラーが根元で折れやすい。また、成形金型のパターン形状以上には高アスペクト比な転写構造は得られないため、十分な反射防止構造とするためには、高アスペクト比なパターンを有する型作製が必須となってしまう。

また、比較例２として、従来用いられている射出成形工法を用いてマイクロレンズアレイを成形する。まず、マイクロレンズアレイ用のマスクを用いてシリコンウェハ上に塗布されたレジストを露光することによって、シリコンウェハ上にマイクロレンズアレイのレジストパターンを形成する。その後、パターニングされたシリコンウェハの表面を導電化し、ニッケル電鋳することによりマイクロレンズアレイ用のスタンパを形成する。このようにして形成されたマイクロレンズアレイ用のスタンパを射出成形機に装着し、溶融樹脂を射出成形することによってマイクロレンズアレイを完成させる。形成されたマイクロレンズアレイは、レンズの頂点が平坦になったり、レンズ表面にレジスト表面の粗さが転写されてしまって面粗さが大きくなってしまったりする部分が存在していた。また、実際に電子写真製造装置に組み込んで画像イメージを出力してみると、画像イメージはその画像精度が劣るものであった。

更に、比較例３として、上記比較例２と同様に射出成形工法を用いて半導体レーザー反射鏡用のグレーティングパターンを成形する。比較例３においても、まず、グレーティングパターン用のマスクを用いてシリコンウェハ上に塗布されたレジストを露光することによって、シリコンウェハ上にグレーティングパターンのレジストパターンを形成する。その後、パターニングされたシリコンウェハの表面を導電化し、ニッケル電鋳することによりグレーティングパターン用のスタンパを形成する。このようにして形成されたグレーティングパターン用のスタンパを射出成形機に装着し、溶融樹脂を射出成形することによってグレーティングパターンを完成させる。このグレーティングパターンは、グレーティング表面にレジスト表面の粗さが転写されてしまって面粗さが大きくなってしまう部分が存在し、転写形状精度が劣っていた。

このように、各比較例と比べて、本発明に係るプラスチック成形装置及び成形方法を応用することによって、ＭＥＭＳ関連技術として、バイオＭＥＭＳ、マイクロ流路等への展開が可能となる。

なお、本発明は上記各実施の形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲内の記載であれば多種の変形や置換可能であることは言うまでもない。

本発明の一実施の形態例に係るプラスチック成形装置を示す概略断面図である。成形金型とＰＭＭＡの厚さに対する収縮量の変化を示す特性図である。本実施の形態例のプラスチック成形工程を示す工程断面図である。

符号の説明

１０；プラスチック成形装置、１１；成形金型、１２；加熱体、
１３；固定プレート、１４；固定ネジ、
１５；熱可塑性プラスチック材、１６；押さえ板、１７；加圧機構。

Claims

熱可塑性プラスチック材を該熱可塑性プラスチック材の軟化温度以上に加熱する工程と、
軟化した前記熱可塑性プラスチック材を、微細凹凸パターンを有する成形金型に充填する工程と、
充填後前記熱可塑性プラスチック材及び前記成形金型の位置を固定させる工程と、
前記微細凹凸パターン部分への熱可塑性プラスチック材の充填先端を拘束させながら、軟化温度未満まで冷却して前記熱可塑性プラスチック材を成形金型開き方向に自収縮させる工程と
を有することを特徴とするプラスチック成形方法。
前記成形金型と前記熱可塑性プラスチック材の前記微細凹凸パターン充填端面の密着性が、前記充填端面以外の平面部分より大きいことを特徴とする請求項１記載のプラスチック成形品の製造方法。
前記微細凹凸パターン充填端面の表面粗さは、前記充填端面以外の前記熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きい請求項１記載のプラスチック成形方法。
前記微細凹凸パターン充填端面以外の前記熱可塑性プラスチック材と接する面に、選択的に離型剤を塗布することを特徴とする請求項１記載のプラスチック成形方法。
前記熱可塑性プラスチック材の自収縮に加えて、型および加熱体の収縮によりプラスチック成形品が得られることを特徴とする請求項１記載のプラスチック成形方法。
前記型のパターンに充填された部分の温度が、充填先端が最も高温で、充填の根元に対して温度勾配を有することを特徴とする請求項１記載のプラスチック成形方法。
熱可塑性プラスチック材と高密着性となる加工を施し、微細凹凸パターンを有する成形金型と、
該成形金型を熱可塑性プラスチック材の軟化温度以上に加熱する加熱体と、
前記加熱体によって加熱された前記成形金型内に前記熱可塑性プラスチック材を充填する加圧機構と、
充填後前記熱可塑性プラスチック材及び前記成形金型の位置を固定する位置固定機構と
を有することを特徴とするプラスチック成形装置。
前記成形金型と前記熱可塑性プラスチック材の前記微細凹凸パターン充填端面の密着性が、前記充填端面以外の平面部分より大きいことを特徴とする請求項７記載のプラスチック成形装置。
前記成形金型における微細凹凸パターン充填端面の表面粗さは、前記充填端面以外の前記熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きい請求項７記載のプラスチック成形装置。
軟化した熱可塑性プラスチック材を充填してプラスチック成形品を得る成形金型において、
前記熱可塑性プラスチック材と高密着性となる加工を施し、微細凹凸パターンを有することを特徴とする成形金型。
前記微細凹凸パターン充填端面の表面粗さは、前記充填端面以外の前記熱可塑性プラスチック材と接する面の表面粗さより大きい請求項１０記載の成形金型。