JP2009292707A - 光学素子成形用の金型の製造方法、光学素子成形用の金型および光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な手法により成形面に凹凸構造が形成された光学素子成形用の金型を製造する方法等を提供する。
【解決手段】表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型１０の製造方法であって、母材１１に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層１２を形成する工程と、被膜層１２に接触して、アルミニウム層１４を形成する工程と、アルミニウム層１４を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層１４をマスクとして被膜層１２を乾式エッチングすることにより被膜層１２の表面に凹凸構造を形成する工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用の金型１０の製造方法。
【選択図】図２
【解決手段】表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型１０の製造方法であって、母材１１に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層１２を形成する工程と、被膜層１２に接触して、アルミニウム層１４を形成する工程と、アルミニウム層１４を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層１４をマスクとして被膜層１２を乾式エッチングすることにより被膜層１２の表面に凹凸構造を形成する工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用の金型１０の製造方法。
【選択図】図２
Description
本発明は、光学素子成形用の金型の製造方法等に係り、特に、凹凸構造を有する光学素子を製造するのに適した光学素子成形用の金型の製造方法等に関する。
光通信やデジタルカメラに使用されるレンズなどの光学素子の需要が近年急増している。これらの光学素子の多くはガラスや樹脂を材料とし、それらを金型によりプレスして成形するプレス成形法により製造されることが多い。このプレス成形法は、光学素子を大量に生産し、安価に提供できる面で優れた生産方法である。
これらの光学素子の表面には、入射光の反射を防止するための処理が施されている。具体的には、光学素子をプレス成形した後に、光学素子の表面に多層膜を形成し、光の干渉を利用して反射を抑制する。この膜は、反射防止膜と呼ばれ、一般的に用いられている。
しかし反射防止膜を形成するには、多層膜の個々の膜厚を非常に精密に制御する必要がある。また、反射防止膜を形成するための蒸着装置やスパッタ装置などは、大型の設備が必要なことから、光学素子の生産コスト上昇の一因となっている。そして、反射防止膜は、反射防止効果の波長依存性や入射角依存性が大きいという問題もある。
これらの光学素子の表面には、入射光の反射を防止するための処理が施されている。具体的には、光学素子をプレス成形した後に、光学素子の表面に多層膜を形成し、光の干渉を利用して反射を抑制する。この膜は、反射防止膜と呼ばれ、一般的に用いられている。
しかし反射防止膜を形成するには、多層膜の個々の膜厚を非常に精密に制御する必要がある。また、反射防止膜を形成するための蒸着装置やスパッタ装置などは、大型の設備が必要なことから、光学素子の生産コスト上昇の一因となっている。そして、反射防止膜は、反射防止効果の波長依存性や入射角依存性が大きいという問題もある。
そこで、光学素子表面における入射光の反射を防止するための別の手法として、光学素子の表面に反射防止構造と呼ばれる非常に微細な凹凸構造が周期的に配列された構造を形成する技術が提案されている。これは、光の波長より短いピッチで、アスペクト比１以上の凹凸構造の表面に光を入射させた場合、その構造のピッチよりも長い波長の光がほとんど透過する現象を利用したものである。この構造を光学素子のプレス成形時に同時に形成することができれば、反射防止膜を形成する工程は不要となり、生産コストの大幅な低減となる。また反射防止構造では、広い波長範囲と広い入射角範囲での反射防止効果が得られるため、様々な光学素子への適用が期待される。
プレス成形で光学素子に反射防止構造を形成するためには、その形状転写元となる金型表面に反射防止構造の転写構造を形成する必要がある。この反射防止構造の転写構造は、例えば、数１００ｎｍ以下の非常に微細なピッチを有する凹凸構造である。
このような微細な凹凸構造を形成する方法として、例えば特許文献１には、電子線描画を用いる方法が記載されている。また、特許文献２には、（ａ）アルミニウム、アルミナ及びシリコンからなる群から選択される材料からなる基体の一方の表面に、微細な凹凸を有し、凹凸の周期が３５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが１００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内である鋳型を準備するステップと、（ｂ）鋳型の凹凸面に導電膜を形成するステップと、（ｃ）導電膜を陰極としてＮｉを電解メッキするステップと、（ｄ）Ｎｉ電解メッキ膜を鋳型から剥離し、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有し、凹凸の周期が３５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが１００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内であるスタンパを形成するステップとからなることを特徴とする反射防止膜製造用スタンパの製造方法が開示されている。
このような微細な凹凸構造を形成する方法として、例えば特許文献１には、電子線描画を用いる方法が記載されている。また、特許文献２には、（ａ）アルミニウム、アルミナ及びシリコンからなる群から選択される材料からなる基体の一方の表面に、微細な凹凸を有し、凹凸の周期が３５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが１００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内である鋳型を準備するステップと、（ｂ）鋳型の凹凸面に導電膜を形成するステップと、（ｃ）導電膜を陰極としてＮｉを電解メッキするステップと、（ｄ）Ｎｉ電解メッキ膜を鋳型から剥離し、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有し、凹凸の周期が３５ｎｍ〜４００ｎｍの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが１００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内であるスタンパを形成するステップとからなることを特徴とする反射防止膜製造用スタンパの製造方法が開示されている。
しかしながら、電子線描画を用いる方法は非常に長時間の描画時間を要し、また描画装置が非常に高価であるため、生産コストの大幅な上昇となる。そのため、低コスト化が望まれている光学素子の生産には適さないという問題がある。
また、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有する反射防止膜製造用スタンパは、耐熱性の低いＮｉを対象としている。そのため、高い耐熱性が要求されるガラスをプレス成形して光学素子を製造するためのスタンパとしては、適さない。
また、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有する反射防止膜製造用スタンパは、耐熱性の低いＮｉを対象としている。そのため、高い耐熱性が要求されるガラスをプレス成形して光学素子を製造するためのスタンパとしては、適さない。
上記課題に鑑み、本発明の目的は、簡易な手法により成形面に凹凸構造が形成された光学素子成形用の金型を製造する方法を提供することである。
また、他の目的は、成形面に反射防止構造の転写構造を有し、耐熱性が高い光学素子成形用の金型を提供することである。
更に、他の目的は、反射防止構造を表面に有する光学素子を大量、安価に製造する方法を提供することである。
また、他の目的は、成形面に反射防止構造の転写構造を有し、耐熱性が高い光学素子成形用の金型を提供することである。
更に、他の目的は、反射防止構造を表面に有する光学素子を大量、安価に製造する方法を提供することである。
本発明者らは、鋭意検討した結果、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム膜をマスクとして乾式エッチングをする手法を取り入れることにより、光学素子成形用の金型の成形面に反射防止構造の転写構造等の凹凸構造を作製可能であることを見出し、かかる知見に基づき本発明を完成した。即ち、本発明は以下を要旨とするものである。
本発明の光学素子成形用の金型の製造方法は、表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型の製造方法であって、母材に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層を形成する工程と、被膜層に接触して、アルミニウム層を形成する工程と、アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして被膜層を乾式エッチングすることにより被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程と、を有することを特徴とする。
ここで、凹凸構造は、反射防止構造の転写構造であることが好ましく、金属は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１種であることが更に好ましく、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物は、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を５ａｔ％〜４５ａｔ％含むことが更に好ましい。
また、乾式エッチングは、反応性イオンエッチングであることが好ましく、乾式エッチングは、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことが更に好ましい。
そして、アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして被膜層を乾式エッチングすることにより被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程との間に、ポーラスアルミナ構造の細孔部を拡径する工程を更に有することが好ましい。
そして、アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして被膜層を乾式エッチングすることにより被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程との間に、ポーラスアルミナ構造の細孔部を拡径する工程を更に有することが好ましい。
また、本発明の光学素子成形用の金型は、表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型であって、母材と、母材に接触して形成され、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層と、からなり、被膜層の表面には、反射防止構造の転写構造を有することを特徴とする。
ここで、被膜層に接触して形成される離型層を更に有することが好ましい。
また更に、本発明の光学素子の製造方法は、表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造する方法であって、母材に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層を形成し、被膜層に接触してアルミニウム層を形成し、アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化し、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして被膜層を乾式エッチングすることにより反射防止構造の転写構造を形成した金型を用いて、加熱軟化させた光学素子母材をプレス成形することで、光学素子の表面に反射防止構造を形成することを特徴とする。
本発明によれば、簡易な手法により成形面に凹凸構造が形成された光学素子成形用の金型を製造等することができる。
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本実施の形態が適用される凹凸構造を有する光学素子成形用の金型の断面図である。
図１に示した光学素子成形用の金型である金型１０は、母材１１と、母材１１に接触して形成される被膜層１２と、被膜層１２に接触して形成され、ガラスや樹脂等の素材からなる光学素子母材をプレス成形した後の離型性を確保するための離型層１３が成膜された構造を有する。
図１は、本実施の形態が適用される凹凸構造を有する光学素子成形用の金型の断面図である。
図１に示した光学素子成形用の金型である金型１０は、母材１１と、母材１１に接触して形成される被膜層１２と、被膜層１２に接触して形成され、ガラスや樹脂等の素材からなる光学素子母材をプレス成形した後の離型性を確保するための離型層１３が成膜された構造を有する。
母材１１は、例えば、タングステンカーバイト（ＷＣ）を主成分とし、軽金属元素をバインダ成分として含んだ超硬合金により形成される。そしてプレス成形を行う面側は、成形する光学素子の形状に応じた非球面形状に機械加工されている。
また、被膜層１２は、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる。ここで、金属としては、高融点金属であることが好ましく、より具体的には、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１種であることが好ましい。これらの高融点金属は、高温に加熱しても原子が拡散し難く安定であるため、ガラス等をプレス成形する際に高温に晒されても被膜層１２が痛みにくい。そして、これらの高融点金属に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を所定量含有させ、化合物とすることによって、金属結晶の粒成長が抑制され、被膜層１２の膜組織が微細化し表面形態が平滑になりやすい。更に、窒化物結晶粒もしくは珪素化物結晶粒の生成によって、膜が硬質化する利点もある。
ここで、高融点金属だけで被膜層１２を形成した場合には、膜形成時に金属結晶が粒成長して肥大化しやすくなる。また、Ｎ、Ｓｉを過剰に含有させた場合も、窒化物結晶、珪素化物結晶粒、もしくはＳｉ結晶粒が粒成長して肥大化しやすくなる。このように結晶粒が肥大化した被膜層１２では、被膜層１２に対し後述する乾式エッチングを行う際に、所望の凹凸構造以外の、肥大粒子に起因する凹凸構造が形成されやすくなる。よって、このような観点から、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物は、このＮ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を５ａｔ％〜４５ａｔ％含むことが好ましい。
被膜層１２は、詳しくは後述するが、成膜装置を用いてスパッタを行うことにより形成することができる。例えば、被膜層１２をＴａＮにより成膜する場合は、Ｔａよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスと窒素ガスを導入してスパッタを行う。この際にアルゴンガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、被膜層１２のＮの含有量を調整することが可能である。また、被膜層１２をＴａＳｉにより成膜する場合は、Ｔａ−Ｓｉよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスを導入してスパッタを行う。この際にターゲットのＳｉ濃度を変更することで、被膜層１２のＳｉの含有量を調整することが可能である。このようにして作製した被膜層１２について、ＮやＳｉが５ａｔ％より少ない、または４５ａｔ％より多い場合は、上述のように結晶粒が粒成長しやすくなる。この場合、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）により表面粗さを測定すると、表面の最大粗さ（Ｒｍａｘ）が、例えば、５０ｎｍ以上となる。
被膜層１２は、詳しくは後述するが、成膜装置を用いてスパッタを行うことにより形成することができる。例えば、被膜層１２をＴａＮにより成膜する場合は、Ｔａよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスと窒素ガスを導入してスパッタを行う。この際にアルゴンガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、被膜層１２のＮの含有量を調整することが可能である。また、被膜層１２をＴａＳｉにより成膜する場合は、Ｔａ−Ｓｉよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスを導入してスパッタを行う。この際にターゲットのＳｉ濃度を変更することで、被膜層１２のＳｉの含有量を調整することが可能である。このようにして作製した被膜層１２について、ＮやＳｉが５ａｔ％より少ない、または４５ａｔ％より多い場合は、上述のように結晶粒が粒成長しやすくなる。この場合、ＡＦＭ（Atomic Force Microscope：原子間力顕微鏡）により表面粗さを測定すると、表面の最大粗さ（Ｒｍａｘ）が、例えば、５０ｎｍ以上となる。
また、離型層１３は、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、パラジウム（Ｐｄ）、ロジウム（Ｒｈ）等の貴金属またはその合金や、ＤＬＣ（Diamond like Carbon）などによる膜である。
そして、金型１０の成形面には図示しない微細な凹凸構造が作製されている。この凹凸構造は、例えば、反射防止構造の転写構造である。
次に、上述した成形面に凹凸構造を有する金型１０を作製する方法を説明する。
図２（ａ）〜（ｇ）は、本実施の形態が適用される成形面に凹凸構造を有する金型１０の作製方法を説明した図である。
まず、母材１１に、被膜層１２を形成する（図２（ａ））。被膜層１２は、上述の通り、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる膜であり、スパッタを行うことにより作製する。被膜層１２の厚さは、例えば５００ｎｍとすることができる。そして、上述の通り、スパッタ条件によりＮ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を５ａｔ％〜４５ａｔ％含むようにすることが可能である。
図２（ａ）〜（ｇ）は、本実施の形態が適用される成形面に凹凸構造を有する金型１０の作製方法を説明した図である。
まず、母材１１に、被膜層１２を形成する（図２（ａ））。被膜層１２は、上述の通り、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる膜であり、スパッタを行うことにより作製する。被膜層１２の厚さは、例えば５００ｎｍとすることができる。そして、上述の通り、スパッタ条件によりＮ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を５ａｔ％〜４５ａｔ％含むようにすることが可能である。
次に、被膜層１２の上にアルミニウム層１４を形成する（図２（ｂ））。このアルミニウム層１４は、被膜層１２と同様に後述する成膜装置によりスパッタを行うことにより成膜することができる。アルミニウム層１４の厚さは、例えば５００ｎｍとすることができる。
次に、後述する陽極酸化処理装置を使用して、成膜したアルミニウム層１４を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する（図２（ｃ））。ポーラスアルミナ構造化された後のアルミニウム層１４は、膜面の垂直方向に微細な細孔部１５が生成する。この細孔部１５の周期は例えば１０ｎｍ〜数１００ｎｍであり、細孔部１５の径は、例えば周期の１／３である。この細孔部１５の周期や径は、後述する陽極酸化処理装置で使用する電解液の種類や、電解電圧の調整により適宜制御可能である。金型１０に凹凸構造として、反射防止構造の転写構造を作製する場合は、この目的に合致させるため、例えば細孔部１５の周期を１００ｎｍ〜３００ｎｍとすることが好ましいが、より具体的には、本実施の形態により作製された金型１０により製造される光学素子が使用される波長領域や光学素子の屈折率などにより決定すればよい。
次に、金型１０を、酸溶液中に浸漬することで、細孔部１５を拡径する（図２（ｄ））。酸溶液としては、例えば、燐酸溶液を使用することができる。このとき、細孔部１５の周期を変えずに細孔部１５の径のみを拡径することができる。また、この際に細孔部１５底部に残存する酸化したアルミニウム層１４を除去し、被膜層１２を露出させることができる。
次に、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層１４をマスクとして被膜層１２を乾式エッチングする（図２（ｅ））。この乾式エッチングにより、細孔部１５の部分に対応する被膜層１２の部分が優先的に除去され、被膜層１２の表面に凹凸構造を形成することができる。また、凹凸構造の凹部の深さは、乾式エッチングを行う時間により制御することができる。
乾式エッチングとしては、後述する反応性イオンエッチングが好ましい。また、乾式エッチングを行う際には、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことが好ましい。凹凸構造として反射防止構造の転写構造をこの乾式エッチングにより作製する際に、形状の制御を、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことで容易になる。本実施の形態では、図２（ｅ）に示したように、被膜層１２の表面が鋸歯形状になるように乾式エッチングを行った。
乾式エッチングとしては、後述する反応性イオンエッチングが好ましい。また、乾式エッチングを行う際には、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことが好ましい。凹凸構造として反射防止構造の転写構造をこの乾式エッチングにより作製する際に、形状の制御を、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことで容易になる。本実施の形態では、図２（ｅ）に示したように、被膜層１２の表面が鋸歯形状になるように乾式エッチングを行った。
次に、金型１０を、酸溶液中に浸漬することで、残ったアルミニウム層１４を除去する（図２（ｆ））。酸溶液としては、例えば、燐酸溶液を使用することができる。以上の工程により被膜層１２に１００ｎｍ〜３００ｎｍの周期の反射防止構造の転写構造を有する凹凸構造を作製することができる。
最後に離型層１３の形成を行う（図２（ｇ））。離型層１３は、後述する成膜装置によりスパッタを行うことにより、またプラズマＣＶＤを行うことにより成膜することができる。離型層１３は、図２（ａ）〜（ｆ）で説明した工程により凹凸構造が形成された被膜層１２上に形成されるため、この凹凸構造を有する状態で離型層１３を形成することができる。
以上の工程により成形面に凹凸構造を有する金型１０を作製できる。
以上の工程により成形面に凹凸構造を有する金型１０を作製できる。
（成膜装置）
図３は、本実施の形態にかかる金型１０を作製する際に使用される成膜装置の構成の一例を示した図である。
図３に示したように、成膜装置３０は、前述した母材１１（図１参照）が搭載される金型保持台３２と、前述した被膜層１２またはアルミニウム層１４（図１参照）の素材となるターゲット３４と、母材１１の成膜環境を制御するガス流量調整器３６とを備えている。
図３は、本実施の形態にかかる金型１０を作製する際に使用される成膜装置の構成の一例を示した図である。
図３に示したように、成膜装置３０は、前述した母材１１（図１参照）が搭載される金型保持台３２と、前述した被膜層１２またはアルミニウム層１４（図１参照）の素材となるターゲット３４と、母材１１の成膜環境を制御するガス流量調整器３６とを備えている。
また、成膜装置３０は、母材１１とターゲット３４の周囲を真空環境にする真空排気装置３８と、ターゲット３４上の磁場を水平にするマグネット４０と、母材１１とターゲット３４の周囲環境の真空度を測定する真空度測定装置４２とを備えている。更に、成膜装置３０は、ターゲット３４を真空槽４８と絶縁する絶縁体４４と、ターゲット３４に高周波電圧を印加する高周波電源４６とを備えている。更にまた、成膜装置３０は、母材１１とターゲット３４とを収容し真空環境を維持する真空槽４８と、ターゲット３４が載置されるカソード４９とを有して構成される。
次に、図３に示した成膜装置３０を用いて、金型１０の形状に加工された母材１１に対して、被膜層１２をスパッタ法により成膜する場合を例にとり、成膜装置３０の動作について説明を行う。
まず、成膜対象である母材１１とターゲット３４とを対向して配置し、真空排気装置３８により周囲環境を真空状態にする。そして、ガス流量調整器３６からアルゴンガスと窒素ガスを導入し、高周波電源４６を用いて母材１１とターゲット３４との間に高周波電圧を印加する。ここでターゲット３４としては、図１において説明した高融点金属からなるターゲットを使用する。
まず、成膜対象である母材１１とターゲット３４とを対向して配置し、真空排気装置３８により周囲環境を真空状態にする。そして、ガス流量調整器３６からアルゴンガスと窒素ガスを導入し、高周波電源４６を用いて母材１１とターゲット３４との間に高周波電圧を印加する。ここでターゲット３４としては、図１において説明した高融点金属からなるターゲットを使用する。
高周波電圧が印加されてターゲット３４から飛び出した電子が真空環境を高速移動し、真空環境中にわずかにある気体分子に衝突し、気体分子の電子をはじき飛ばし、イオンを生成する。高速移動する電子やイオンは、マグネット４０により作られた磁場の影響を受けて、ターゲット３４に衝突する。そして、ターゲット３４に衝突したイオンは、ターゲット３４の粒子をはじき飛ばす（スパッタリング現象）。はじき飛ばされたターゲット３４の粒子が母材１１に衝突、付着し、被膜層１２を形成する。
なお、成膜装置３０により、アルミニウム層１４を形成する場合は、ターゲット３４としてアルミニウムからなるものに変更し、また、ガスとしてアルゴンガスを使用して成膜を行えばよい。
（陽極酸化処理装置）
次に、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置について説明を行う。
図４は、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置を説明した図である。
図４で示した陽極酸化処理装置５０は、上面が開口し直方体状に作製された処理槽５１と、板状の陽極電極５２と、棒状の陰極電極５３と、陽極電極５２と陰極電極５３とに電解電圧を印加し、通電を行うための電源５４とを備える。
本実施の形態において、陽極電極５２には、例えば、チタンを使用し、陰極電極５３には、白金を使用するが、後述する電解液５５に浸食されなければこれに限られるものではない。
次に、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置について説明を行う。
図４は、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置を説明した図である。
図４で示した陽極酸化処理装置５０は、上面が開口し直方体状に作製された処理槽５１と、板状の陽極電極５２と、棒状の陰極電極５３と、陽極電極５２と陰極電極５３とに電解電圧を印加し、通電を行うための電源５４とを備える。
本実施の形態において、陽極電極５２には、例えば、チタンを使用し、陰極電極５３には、白金を使用するが、後述する電解液５５に浸食されなければこれに限られるものではない。
実際にこの陽極酸化処理装置５０を使用して、陽極酸化処理を行うには、まず処理槽５１に電解液５５を入れ、陽極電極５２および陰極電極５３を電解液５５に浸漬させる。本実施の形態では、電解液５５として硫酸溶液、硝酸溶液、燐酸溶液等の酸溶液を使用することができる。
次に、陽極電極５２上に被処理物５６を載置し、陽極電極５２と被処理物５６とを電気的に接続する。ここで、被処理物５６としては、本実施の形態では、図２（ｂ）で説明を行った母材１１に被膜層１２およびアルミニウム層１４を形成したものが該当する。
そして、電源５４により陽極電極５２と陰極電極５３との間に電解電圧を印加し、直流電流により通電を行うと、被処理物５６が電気分解を受け、それによる酸化の結果として、アルミニウム層１４の表面から深さ方向に向かって多孔質化され、アルミニウム層１４がポーラスアルミナ構造化する。ここで、印加する電解電圧としては、例えば４０Ｖとすることができる。
そして、電源５４により陽極電極５２と陰極電極５３との間に電解電圧を印加し、直流電流により通電を行うと、被処理物５６が電気分解を受け、それによる酸化の結果として、アルミニウム層１４の表面から深さ方向に向かって多孔質化され、アルミニウム層１４がポーラスアルミナ構造化する。ここで、印加する電解電圧としては、例えば４０Ｖとすることができる。
（反応性イオンエッチング）
次に、反応性イオンエッチングを行う処理装置について説明を行う。
図５は、容量結合型のＲＦプラズマによって反応性イオンエッチングを行う処理装置の一例を説明した図である。
図５に示した反応性イオンエッチングを行う処理装置６０は、金型１０が設置される金型設置台６２と、金型設置台６２に対向して配置される対向電極６３とを有する。また、処理装置６０は、金型１０の周囲環境に所定の処理ガスを導入する処理ガス導入バルブ６４と、金型設置台６２と対向電極６３との間に高周波電圧を印加する高周波電源６５と、周囲環境から空気又は処理ガスを排気する排気バルブ６６及び排気ポンプ６７とを有して構成される。
次に、反応性イオンエッチングを行う処理装置について説明を行う。
図５は、容量結合型のＲＦプラズマによって反応性イオンエッチングを行う処理装置の一例を説明した図である。
図５に示した反応性イオンエッチングを行う処理装置６０は、金型１０が設置される金型設置台６２と、金型設置台６２に対向して配置される対向電極６３とを有する。また、処理装置６０は、金型１０の周囲環境に所定の処理ガスを導入する処理ガス導入バルブ６４と、金型設置台６２と対向電極６３との間に高周波電圧を印加する高周波電源６５と、周囲環境から空気又は処理ガスを排気する排気バルブ６６及び排気ポンプ６７とを有して構成される。
金型設置台６２は、金型１０を搭載できる強度を有した、例えば、ステンレス等の導電体で構成される。そして、金型設置台６２は、対向電極６３と共に、高周波電源６５に接続される。
対向電極６３は、例えば、ステンレス等の導電体で構成される。対向電極６３は、金型１０が搭載された金型設置台６２に対してほぼ平行になるように、対向電極６３は金型設置台６２に対して対向配置される。
処理ガス導入バルブ６４は、後述する排気バルブ６６及び排気ポンプ６７とが、金型設置台６２と対向電極６３との間に形成される金型１０の周囲環境から空気を排出して所定の真空度に達した後に、処理ガスを導入する。
高周波電源６５は、金型設置台６２と対向電極６３との間に高周波電圧を印加する。印加される高周波は、処理ガス導入バルブ６４によって導入される処理ガスが励起されてプラズマを生起させる程度の周波数及び電圧を有する。
排気バルブ６６及び排気ポンプ６７は、金型設置台６２と対向電極６３との間に形成される金型１０の周囲環境から、所定の真空度に達するまで空気を排出する。また、排気バルブ６６及び排気ポンプ６７は、処理が終了した後に、処理ガスを排気する際に使用される。
以上の構成を有する処理装置６０を使用して反応性イオンエッチングを行う方法を以下に説明する。
まず、金型１０が金型設置台６２上の所定位置に搭載された後、排気バルブ６６及び排気ポンプ６７が協働して、所定の真空度に達するまで金型１０の周囲環境から空気を排出する。所定の真空度に達した後、処理ガス導入バルブ６４から、処理ガスが導入される。
まず、金型１０が金型設置台６２上の所定位置に搭載された後、排気バルブ６６及び排気ポンプ６７が協働して、所定の真空度に達するまで金型１０の周囲環境から空気を排出する。所定の真空度に達した後、処理ガス導入バルブ６４から、処理ガスが導入される。
処理ガスとしては、被膜層１２（図１参照）に含まれる金属がＮｂ、Ｍｏ、Ｔａ、Ｗの場合には、Ｆ系のガスが適している。これらの金属はＦと化学反応して低沸点・低蒸気圧のフッ化物を形成し易いため、速い速度でエッチングできるためである。Ｆ系ガスとしては、ＣＦ４、ＣＦ４とＯ２の混合ガス、ＳＦ６などが適している。また、金属がＺｒ、Ｈｆの場合にはフッ化物を形成し難いので、Ａｒガスによる物理的エッチングが適している。
そして、金型設置台６２と対向電極６３との間に、高周波電源６５によって高周波電圧が印加される。印加された高周波電圧により処理ガスが分解されて、ラジカルやイオンが生成される。生成されたラジカルやイオンは、金型１０に衝突し、金属酸化物と化学反応を起こして気化させ除去することでエッチングが行われる。
そして、金型設置台６２と対向電極６３との間に、高周波電源６５によって高周波電圧が印加される。印加された高周波電圧により処理ガスが分解されて、ラジカルやイオンが生成される。生成されたラジカルやイオンは、金型１０に衝突し、金属酸化物と化学反応を起こして気化させ除去することでエッチングが行われる。
次に、以上説明した製造方法により製造された金型１０を用いて、光学素子をプレス成形する装置および方法を以下に説明する。
（プレス成形装置）
図６は、本実施の形態が適用される金型１０を用いた、プレス成形装置の一例を示す構成図である。
図６に示したプレス成形装置１００は、光学素子の一例としてガラスレンズを、一対の金型を用いてプレス成形により製造する装置である。プレス成形装置１００は、下金型１０ａ及び上金型１０ｂと、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを所定の温度に維持する下均熱プレート１１４及び上均熱プレート１１６と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを昇温する下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０とを有して構成される。また、プレス成形装置１００は、上金型１０ｂを可動させる加圧シリンダー１２４と、光ガラスレンズの成形環境を制御する窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂ等を収容するガラスレンズ成形器１３０と、上金型１０ｂの動作を規制するスリーブ１３２とを有して構成される。
図６は、本実施の形態が適用される金型１０を用いた、プレス成形装置の一例を示す構成図である。
図６に示したプレス成形装置１００は、光学素子の一例としてガラスレンズを、一対の金型を用いてプレス成形により製造する装置である。プレス成形装置１００は、下金型１０ａ及び上金型１０ｂと、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを所定の温度に維持する下均熱プレート１１４及び上均熱プレート１１６と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂを昇温する下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０とを有して構成される。また、プレス成形装置１００は、上金型１０ｂを可動させる加圧シリンダー１２４と、光ガラスレンズの成形環境を制御する窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８と、下金型１０ａ及び上金型１０ｂ等を収容するガラスレンズ成形器１３０と、上金型１０ｂの動作を規制するスリーブ１３２とを有して構成される。
下金型１０ａと上金型１０ｂとは共に、上述した金型１０である。下金型１０ａと上金型１０ｂとが、載置されて軟化された光学素子母材１２２をプレス成形法により成形してガラスレンズを製作する。
下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、それぞれ下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０に搭載される。下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、サーマルバッファ（熱的緩衝体）の役割を果たし、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０から受ける熱を、ガラスレンズの製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型１０ａと上金型１０ｂとに伝える。ここで、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０とは、図示しない制御手段を用いて、下金型１０ａと上金型１０ｂの表面がプレス成形に適した温度になるように制御されている。
下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、それぞれ下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０に搭載される。下均熱プレート１１４と上均熱プレート１１６は、サーマルバッファ（熱的緩衝体）の役割を果たし、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０から受ける熱を、ガラスレンズの製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型１０ａと上金型１０ｂとに伝える。ここで、下加熱ヒーター１１８と上加熱ヒーター１２０とは、図示しない制御手段を用いて、下金型１０ａと上金型１０ｂの表面がプレス成形に適した温度になるように制御されている。
光学素子母材１２２は、例えば、シリカを主成分とし、アルミナ、ナトリウム、酸化ランタン等が添加された低融点ガラスにより構成される。光学素子母材１２２は、例えば、６００℃以下の軟化温度を有するガラスである低融点ガラスであっても、４００℃以下の軟化温度を有するガラスである超低融点ガラスであってもよい。
加圧シリンダー１２４は、上加熱ヒーター１２０及び上均熱プレート１１６に固定された上金型１０ｂを上下動させる駆動系である。そして、図示しない制御手段により動作が制御される。
窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。
加圧シリンダー１２４は、上加熱ヒーター１２０及び上均熱プレート１１６に固定された上金型１０ｂを上下動させる駆動系である。そして、図示しない制御手段により動作が制御される。
窒素導入口１２６及び窒素排気口１２８は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。
以上の構成を有するプレス成形装置１００が光学素子母材１２２をプレス成形してガラスレンズを製造する製造工程を以下に説明する。
まず、光学素子母材１２２を、下金型１０ａと上金型１０ｂとの間に光学素子母材１２２を投入し、光学素子母材１２２をプレス成形装置１００に配置する。
まず、光学素子母材１２２を、下金型１０ａと上金型１０ｂとの間に光学素子母材１２２を投入し、光学素子母材１２２をプレス成形装置１００に配置する。
次に、図示しない排気ポンプ及び処理ガス導入ポンプを使って、窒素導入口１２６から窒素を導入し、プレス成形装置１００内部の空気を窒素ガスに置換する。そして、下加熱ヒーター１１８及び上加熱ヒーター１２０を昇温し、窒素雰囲気下で光学素子母材１２２の転移点（転移温度）Ｔｇまで光学素子母材１２２を充分に加熱し、更に、屈伏点（屈伏温度）Ａｔまで昇温して光学素子母材１２２を軟化させる。
そして、屈伏温度Ａｔ付近になったとき、加圧シリンダー１２４により上金型１０ｂを可動させ、下金型１０ａと上金型１０ｂとにより光学素子母材１２２をプレスする。
そして、屈伏温度Ａｔ付近になったとき、加圧シリンダー１２４により上金型１０ｂを可動させ、下金型１０ａと上金型１０ｂとにより光学素子母材１２２をプレスする。
光学素子母材１２２は、プレスの際に下金型１０ａ及び上金型１０ｂにより加えられる圧力により外側に広がり、下金型１０ａと上金型１０ｂとの間にできる空隙に収容され、プレス成形される。
その後、圧力を加えたままプレス成形装置１００を転移温度Ｔｇ付近まで冷却し、次に上金型１０ｂの圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、ガラスレンズを取り出す。
この一連の工程により、下金型１０ａと上金型１０ｂの表面の凹凸構造がガラスレンズに転写され、反射防止構造等の凹凸構造を表面に有するガラスレンズが製造される。
その後、圧力を加えたままプレス成形装置１００を転移温度Ｔｇ付近まで冷却し、次に上金型１０ｂの圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、ガラスレンズを取り出す。
この一連の工程により、下金型１０ａと上金型１０ｂの表面の凹凸構造がガラスレンズに転写され、反射防止構造等の凹凸構造を表面に有するガラスレンズが製造される。
母材１１（図１参照）としてＷＣを用い、機械加工によって母材１１の成形面に非球面形状加工を施した。この母材１１の成形面の上に、図３で説明をした成膜装置３０を使用し、被膜層１２（図１参照）として、ＴａＮ膜を５００ｎｍの厚さで成膜した。ここで、ＴａＮ膜は、ＡｒとＮ２の混合ガス中で、Ｔａよりなるターゲット３４をスパッタすることによって形成した。ＴａＮ膜中のＮ濃度は３０ａｔ％であった。次に、ＴａＮ膜上に、図３で説明をした成膜装置３０を使用し、アルミニウム層１４（図２参照）を５００ｎｍの厚さで成膜した。アルミニウム層１４は、Ａｒガス中でＡｌよりなるターゲット３４をスパッタすることによって形成した。
次に、図４で説明した陽極酸化処理装置５０を用いて、３ｗｔ％の硝酸溶液中で、４０Ｖの電解電圧を印加して陽極酸化処理を行った。得られたポーラスアルミナ構造化したアルミニウム膜の細孔部１５（図２参照）の周期は約１００ｎｍであった。この後、５ｗｔ％の燐酸溶液中に浸漬し、細孔部１５の径を６０ｎｍに拡径すると共に、細孔の底部に残存したアルミニウム層１４を除去した。
次に、この細孔部１５の周期１００ｎｍ、細孔部１５の径が６０ｎｍのポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層１４をマスクとして、ＴａＮ膜を、図５で説明を行った処理装置６０を用いた反応性イオンエッチングを行った。処理ガスには、ＣＦ４と０２の混合ガスを用い、ＲＦ電力を印加して、ＲＦプラズマ反応性エッチングを行った。この処理により、細孔部１５の下のＴａＮ膜が優先的にエッチング除去されて、周期約１００ｎｍの凹凸構造が形成された。エッチングの後に、５ｗｔ％の燐酸溶液中に型を浸漬することによって、表面に残ったポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層１４を除去した。
最後に、この凹凸構造が形成されたＴａＮ膜の上に、離型層１３としてＤＬＣ膜を５０ｎｍの厚さで成膜した。ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって形成した。ＤＬＣ膜を成膜した後の凹凸構造は、周期が約１００ｎｍで、深さが約２００ｎｍであった。
このようにして、微細な凹凸構造による反射防止構造の転写構造を成形面に有する光学素子成形用の金型１０を作製することができた。
最後に、この凹凸構造が形成されたＴａＮ膜の上に、離型層１３としてＤＬＣ膜を５０ｎｍの厚さで成膜した。ＤＬＣ膜はプラズマＣＶＤ法によって形成した。ＤＬＣ膜を成膜した後の凹凸構造は、周期が約１００ｎｍで、深さが約２００ｎｍであった。
このようにして、微細な凹凸構造による反射防止構造の転写構造を成形面に有する光学素子成形用の金型１０を作製することができた。
１０…金型、１０ａ…下金型、１０ｂ…上金型、１１…母材、１２…被膜層、１３…離型層、１４…アルミニウム層、１５…細孔部、３０…成膜装置、５０…陽極酸化処理装置、６０…処理装置、１００…プレス成形装置
Claims (10)
- 表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型の製造方法であって、
母材に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層を形成する工程と、
前記被膜層に接触して、アルミニウム層を形成する工程と、
前記アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、
前記ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして前記被膜層を乾式エッチングすることにより当該被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする光学素子成形用の金型の製造方法。 - 前記凹凸構造は、反射防止構造の転写構造であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記金属は、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗから選ばれる少なくとも１種であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物は、当該Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種を５ａｔ％〜４５ａｔ％含むことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記乾式エッチングは、反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記乾式エッチングは、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、当該ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして前記被膜層を乾式エッチングすることにより当該被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程との間に、ポーラスアルミナ構造の細孔部を拡径する工程を更に有することを特徴とする請求項１に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型であって、
母材と、
前記母材に接触して形成され、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層と、からなり、
前記被膜層の表面には、反射防止構造の転写構造を有することを特徴とする光学素子成形用の金型。 - 前記被膜層に接触して形成される離型層を更に有することを特徴とする請求項８に記載の光学素子成形用の金型。
- 表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造する方法であって、
母材に、Ｎ、Ｓｉから選ばれる少なくとも１種と金属との化合物からなる被膜層を形成し、当該被膜層に接触してアルミニウム層を形成し、当該アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化し、当該ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして当該被膜層を乾式エッチングすることにより反射防止構造の転写構造を形成した金型を用いて、加熱軟化させた光学素子母材をプレス成形することで、光学素子の表面に反射防止構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
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|---|---|---|---|---|
| JP2011201738A (ja) * | 2010-03-26 | 2011-10-13 | Fujifilm Corp | 光学素子成形用型、並びに光学素子、及び該光学素子の製造方法 |
| JP2012056274A (ja) * | 2010-09-13 | 2012-03-22 | Pentax Ricoh Imaging Co Ltd | 金型及びその製造方法、並びに素子及び光学素子 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2003043203A (ja) * | 2001-08-01 | 2003-02-13 | Hitachi Maxell Ltd | 反射防止膜、その製造方法、反射防止膜製造用スタンパ、その製造方法、スタンパ製造用鋳型及びその製造方法 |
| JP2006151751A (ja) * | 2004-11-29 | 2006-06-15 | Tdk Corp | プレス成形金型およびその製造方法 |
-
2008
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