JP2006159673A - 金型の製作方法、素子の製作方法及び素子 - Google Patents

Abstract

【課題】
短時間で精度のよい金型を効率よく製作できる金型の製作方法を提供する。
【解決手段】
微細形状１０ｂを有する母型１０を加熱して、金型材表面２０のレジストＬに押しつけると、押しつけたレジストＬが溶融して微細形状に倣い、その結果、たとえアスペクト比が１以上であっても精密に母型１０の微細形状１０ｂを転写した樹脂素材を付着させた金型材２０を得ることができる。そのような金型材２０が得られた後に、被転写面にドライエッチング処理を施せば、微細形状を転写したレジストＬに対応して、金型材２０の表面に微細形状が彫り込まれることとなる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、例えば光学素子を成形するのに好適な金型を製作するための方法、光学素子などの素子を製作する製作方法並びにそれにより製作される素子に関する。

近年、急速に発展している光ピックアップ装置の分野では、極めて高精度な対物レンズなどの光学素子が用いられている。プラスチックやガラスなどの素材を、金型を用いてそのような光学素子に成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、かかる金型成形は、そのような用途の光学素子の大量生産に適しているといえる。ここで、金型は消耗品であり、また不測の事態による破損なども予想されることから、高精度な光学素子を成形するためには、定期的或いは不定期の金型交換が必要であるといえる。従って、光学素子を成形するための金型（光学素子成形用金型ともいう）も、一定精度のものをある程度の量だけ予め用意しておく必要があるといえる。

ここで、単結晶ダイヤモンド工具などを用いた切削加工で金型を製造した場合、手間がかかる上に、全く同一形状の金型を切り出すことは困難といえ、それ故金型交換前後で光学素子製品の形状バラツキが生じる恐れがあり、又コストもかかるという問題がある。

特に、光ピックアップ装置に用いるある種の光学素子には、収差特性を良好にすべく、光学面の光軸に同心に、断面がブレーズ形状の微細な回折輪帯を設けることが行われている。このような回折輪帯に対応した同心溝を、金型の光学面転写面に形成する場合、切削加工に手間と時間がかかるという問題がある。光学素子成形用金型を超鋼などで形成する場合、精度良く所望の光学面転写面形状を得るためには、ダイアモンド工具による切削加工等によらなくてはならない。

このような問題に対し、例えば光学素子の光学面に対応した母光学面を有する母型を用いて、化学反応を通じて電鋳等を成長させることで、金型を製作しようとする試みがある（特許文献１参照）。このような電鋳による金型製作手法を用いると、例えば光学素子の回折輪帯に対応した輪帯を備えた非球面を精度良く形成した母型を一つ用意するだけで、寸法バラツキの少ない光学素子成形用金型を比較的容易に転写形成することができる。
特開２００３−１９１２４８号公報

しかるに、かかる手法により光学素子成形用金型を得るためには、母型材の表面にレジストを塗布し、そこに電子ビーム描画を行って微細形状を彫り込み、更に現像処理することで、まず微細形状を有する母型を製作し、更に母型に対して電鋳処理を行うことが必要となる。即ち、１つの母型を繰り返して用いることはできるものの、１つ１つの光学素子成形用金型を製作するための電鋳処理に時間がかかるという問題がある。

一方、母型を製作するのと同様な方法で光学素子成形用金型を製作できる。即ち金型材に上述した手法で直接微細形状を彫り込めば、時間のかかる電鋳処理が不要となる。しかしながら、かかる手法によれば、各光学素子成形用金型を製作するために、いちいち金型材の表面にレジストを塗布し、電子ビーム描画を行い、現像処理する必要がある。特に電子ビーム描画は時間がかかり、また描画装置も高価であることから、処理効率が悪く大量生産に向かないという問題がある。

又、例えば微細形状を電子ビーム描画によって形成する光学素子なども存在するが、これをより効率よく製作したいという要求もある。

本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、短時間で精度のよい金型を効率よく製作できる金型の製作方法、短時間で精度のよい素子を効率よく製作できる素子の製作方法及び素子を提供することを目的とする。

第１の本発明の金型の製造方法は、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を基材上に保持するステップと、
微細形状を有する母型の転写面を、前記素材のガラス転移点以上に加熱するステップと、
前記母型の微細形状を前記素材に対して押圧するステップと、
前記母型の転写面をガラス転移点未満に冷却するステップと、
前記母型を前記素材から離型するステップと、
前記素材の微細形状が転写された前記基材の面に対してドライエッチング処理を施すステップと、を有することを特徴とする。

ここで、上記目的を達成するために、微細形状を金型材に彫り込むために、手間及びコストのかかる電子ビーム描画に代わる何らかの手法が必要となる。かかる課題に鑑みて、本発明者らは鋭意研究の結果、従来と全く異なる視点から、微細形状を有する金型を効率よく製作できる金型の製作方法を創案した。本発明に先立ち、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような例えば樹脂素材の場合、微細形状を有する母型をガラス転移点以上に加熱して、樹脂素材に押しつけると、押しつけた樹脂素材が溶融して微細形状に倣い、その結果、たとえアスペクト比が１以上であっても精密に母型の微細形状を転写することが見いだされた。本発明者らは、これを利用し本発明をなしたのである。より具体的には、金型材の表面に常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような樹脂素材を付着させ、加熱した母型を押しつけることで、電子ビーム描画等に頼ることなく容易に微細形状が転写されることとなる。従って、そのような金型材が得られた後に、被転写面にドライエッチング処理を施せば、微細形状を転写した樹脂素材に対応して、金型材表面に微細形状を彫り込むことができる。即ち、本発明によれば、微細形状を彫り込むために例えば電子ビーム描画を用いて或いは切削加工のみで母型を１つ形成すれば、後はそれを用いて短時間で容易に金型を製作することができる。金型を製作するために用いた母型は再利用ができるので、コスト的にも有利である。

ちなみに、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような素材とは、例えばＰＭＭＡ（弾性率１．５〜３．３ＧＰａ）、ポリカーボネイト（弾性率３．１ＧＰａ）、ポリオレフィン（弾性率２．５〜３．１ＧＰａ）などの弾性率が１〜４の範囲の樹脂を組成成分として含有することが好ましい。ここで、常温とは２５℃のことをいう。これらの樹脂は、ガラス転移点が５０〜１６０℃であることが好ましい。弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ７１６１、７１６２などに従い求めることができる。ガラス転移点温度は、ＪＩＳ Ｒ３１０２−３：２００１に従い求めることができる。

更に、前記微細形状は、アスペクト比が１以上であると好ましい。

「アスペクト比」とは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、微細構造の凹部又は凸部の幅をＡ、深さ又は高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａで表される値をいう。「微細形状」とは、Ａの値が１０μｍ以下の形状をいう。素材の厚みは、好ましくは０．１〜２０ｍｍであ。

更に、前記素材は光学素子の素材であると好ましい。

第２の本発明の素子の製作方法は、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を基材上に保持するステップと、
微細形状を有する母型の転写面を、前記素材のガラス転移点以上に加熱するステップと、
前記母型の微細形状を前記素材に対して押圧するステップと、
前記母型の転写面をガラス転移点未満に冷却するステップと、
前記母型を前記素材から離型するステップと、
前記素材の微細形状が転写された前記基材の面に対してドライエッチング処理を施すステップと、を有することを特徴とする。

同様に、微細形状を特定用途の素子の素材に彫り込んで素子を形成するために、手間及びコストのかかる電子ビーム描画に代わる何らかの手法が望まれている。本発明によれば、素材の表面に常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような樹脂素材を付着させ、加熱した母型を押しつけることで、電子ビーム描画等に頼ることなく容易に微細形状が転写されることとなる。従って、そのような素材が得られた後に、被転写面にドライエッチング処理を施せば、微細形状を転写した樹脂素材に対応して、素材表面に微細形状を彫り込むことができる。即ち、本発明によれば、微細形状を彫り込むために例えば電子ビーム描画を用いて或いは切削加工のみで母型を１つ形成すれば、後はそれを用いて短時間で容易に素子を製作することができる。素子を製作するために用いた母型は再利用ができるので、コスト的にも有利である。

このようにして製作される素子の例としては、例えばシリコンや石英ガラスをを素材とした光学素子が考えられる。シリコンは赤外光を透過するため、光学素子の素材となりうる。又、石英ガラスは、環境変化に対して良好な光学特性を有する光学素子の素材として知られている。これらの表面に微細形状を形成するには、従来は直接表面に電子ビーム描画を行っていたが、本発明により電子ビーム描画を直接行うことなく微細形状を形成することが可能となった。尚、光学学素子の素材はシリコンや石英ガラスに限られない。

更に、素子自体も光学素子に限られず、例えば半導体素子も含まれる。更に、例えば人体の内部に挿入することで治療を行う微細なマイクロマシンなどにおいて、微細形状が必要とされることがあり、本発明を適用することで所与の効果を得ることができるので、このような物も素子に含まれる。

本発明によれば、短時間で精度のよい金型を効率よく製作できる金型の製作方法、短時間で精度のよい素子を効率よく製作できる素子の製作方法及び素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。図２は、母型の製作方法を構成する工程を示すフローチャートである。図３は、図２に示す主要な工程において、処理される母型材を示す断面図である。図４は、金型の製作方法を構成する工程を示すフローチャートである。図５は、図４に示す主要な工程において、母型と、金型材（基材ともいう）を示す断面図である。尚、本実施の形態により製作される母型及び金型は、その母光学面に、光学素子の回折輪帯に対応した輪帯が最終的に形成されるものとする。

まず、図１のステップＳ１０１で、超精密旋盤などを用いて母型材（これを便宜上母型ともいう）１０を旋削加工する。このとき、母型材１０の母光学面（すなわち非平面部）１０ａは、精度良く非球面形状が形成されるが、光学素子の回折輪帯などの微細形状はまだ形成されていない状態である。

続いて、ステップＳ１０２で、母型材１０を、不図示のスピンコータにセットし、ステップＳ１０３で、レジストＬを母型材１０上に流下させながらプレスピンを実施し、その後ステップＳ１０４で本スピンを実施して、レジストＬの被膜を行う（図２（ｂ）参照）。プレスピンと本スピンとを分けたのは、複雑な曲面である母光学面１０ａに、均一な膜厚のレジストＬを被膜させるためである。

その後、ステップＳ１０５で、母型材１０をスピンコータから取り外し、ステップＳ１０６で、雰囲気温度１８０℃で２０分間ベーキング処理を行って、レジストＬの被膜を安定させる。ここで、一回のレジストＬの被膜処理では、十分な膜厚を得ることができないので、ステップＳ１０２〜Ｓ１０６の工程を繰り返し、レジストＬの被膜を積層させて十分な膜厚になったところで（ステップＳ１０７）、ステップＳ１０８で、電子ビーム描画装置を用いて、母型材１０の母光学面１０ａ上のレジストＬに電子ビーム描画処理を施す（図２（ｃ）参照）。

電子ビーム描画処理後、ステップＳ１０９で、母型材１０に対して現像処理及びリンス処理を行って（図２（ｄ）参照）、不要なレジストを排除することで、輪帯形状のレジストＬを得る。ここで、同一点における電子ビームＢの照射時間を長くすれば、それだけレジストの除去量が増大するため、位置と照射時間（ドーズ量）を調整することで、ブレーズ形状の輪帯になるよう、レジストＬを残すことができる。

更に、ステップＳ１１０で、プラズマシャワーによるドライエッチングを経て、母型材１０の母光学面１０ａの表面を彫り込んでブレーズ状の輪帯１０ｂ（実際より誇張されて描かれている）を形成する（図２（ｅ）参照）。以上で母型１０が完成する。

続いて、母型を用いて金型を製作する方法について説明する。まず、図４のステップＳ２０１で、金型材２０に切削加工などで非球面を形成する。ついで、ステップＳ２０２で、母型の場合と同様にして、金型材２０の非球面に、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）の樹脂素材であるレジストＬを、微細形状１０ｂの高さ以上の厚さでコートする。更に、ステップＳ２０３で、上型１１に母型１０を固定し、それに非球面１０ａが対向するように金型材２０を下型１２に固定する（図５（ａ）参照）。尚、上型１１の内部には、ヒータ１３が組み込まれている。

ステップＳ２０４で、ヒータ１３を加熱することにより、母型１０の微細形状１０ｂの表面を、レジストＬのガラス転移点以上に加熱する。その状態で、ステップＳ２０５で、上型１１と下型１２とを近接する方向に相対移動させ、母型１０の微細構造を金型材２０のレジストＬに押しつけるようにプレスする（図５（ｂ）参照）。ガラス転移点以上に加熱された微細形状１０ｂがレジストＬを溶融させながら内部に食い込んでゆくために、プレス圧力は非常に低い。ここで、金型材２０の非球面にコートされたレジストＬには微細形状が転写されることとなる。

その後、ステップＳ２０６で、母型１０の微細形状１０ｂの表面を、レジストＬのガラス転移点未満に冷却した後、ステップＳ２０７で、上型１１と下型１２とを離隔する方向に相対移動させ離型を行う。

更に、金型材２０を下型１２から取り外し、ステップＳ２０８で、金型材２０の非球面にドライエッチング処理を施す（図５（ｃ）参照）と、微細形状が転写されたレジストＬに応じて、金型材２０の除去量が異なり、即ち金型材２０に微細形状２０ｂが彫り込まれることとなる（図５（ｄ）参照）。以上で、微細形状を有する金型２０が完成する。尚、母型１０に関しては、加熱してレジストにプレスするのみであるから、摩耗量や形状変化が極めて少なく何度でも使用することができ、金型２０の製作の効率化に貢献する。

このようにして製作され金型２０は、母型１０に形成された微細形状を精度良く彫り込んでいるので、同一の母型１０を用いて製造された異なる金型２０を使用してばらつきの少ない形状の光学素子を射出成形などすることができ、即ち一定の品質を有する光学素子の大量生産が可能となる。

尚、金型材２０の代わりにシリコンや石英ガラスを基材として、上述の方法で表面に微細形状を形成すれば、金型材２０と同じ形状の光学素子を得ることができる。即ち、光学素子を製作するために、母型１０を一つ形成すれば、直接電子ビーム描画を行う必要がなく、手間がかからず大量生産が可能となる。

以上、実施の形態を参照して本発明を説明してきたが、本発明は、上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良（実施の形態の組み合わせを含む）が可能であることは勿論である。例えば、電子ビーム描画とドライエッチングを用いて母型の微細形状を形成する代わりに、切削加工によって形成しても良い。金型の微細形状は非球面のみならず、球面や平面に形成されても良い。

アスペクト比を説明するための図である。 母型の製作方法を構成する工程を示すフローチャートである。 図２に示す主要な工程において、処理される母型材（基材ともいう）を示す断面図である。 金型の製作方法を構成する工程を示すフローチャートである。 図４に示す主要な工程において、母型と、金型材（基材ともいう）を示す断面図である。

符号の説明

１０ 母型材
１１ 上型
１２ 下型
１３ ヒータ
２０ 金型材
Ｌ レジスト

Claims (5)

1. 常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を基材上に保持するステップと、
   微細形状を有する母型の転写面を、前記素材のガラス転移点以上に加熱するステップと、
   前記母型の微細形状を前記素材に対して押圧するステップと、
   前記母型の転写面をガラス転移点未満に冷却するステップと、
   前記母型を前記素材から離型するステップと、
   前記素材の微細形状が転写された前記基材の面に対してドライエッチング処理を施すステップと、を有することを特徴とする金型の製作方法。
2. 前記微細形状は、アスペクト比が１以上であることを特徴とする請求項１に記載の金型の製作方法。
3. 前記素材は光学素子の素材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の金型の製作方法。
4. 常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を基材上に保持するステップと、
   微細形状を有する母型の転写面を、前記素材のガラス転移点以上に加熱するステップと、
   前記母型の微細形状を前記素材に対して押圧するステップと、
   前記母型の転写面をガラス転移点未満に冷却するステップと、
   前記母型を前記素材から離型するステップと、
   前記素材の微細形状が転写された前記基材の面に対してドライエッチング処理を施すステップと、を有することを特徴とする素子の製作方法。
5. 請求項４に記載の素子の製作方法によって製作された素子であって、光学素子であることを特徴とする素子。
   

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