JP4183101B2 - 金型の微細加工方法、金型及び成形品 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型の微細加工方法に関し、例えば回折格子等の光学素子を成形する金型の加工に適用して、非磁性材料でなる母材に非磁性材料でなる金属膜等を形成し、電子ビーム露光法による露光後、エッチングして、直接金型を作成することにより、極めて精度の高い金型を短期間で作成できるようにする。
【０００２】
【従来の技術】
従来、コンパクトディスクプレイヤーのピックアップユニット内等で使用される回折格子においては、回折格子のマスターより金型を作成し、この金型を用いた射出成形により製造されるようになされている。
【０００３】
すなわち図５は、コンパクトディスクプレイヤー等のピックアップユニットに適用される回折格子を示す斜視図である。この回折格子１は、アクリル等の透明樹脂を射出成形して作成され、回折格子本体３と、この回折格子３をピックアップユニットに保持する保持部２とにより構成される。このうち回折格子本体３は、符号Ａにより断面を拡大して示すように、平板形状の片面に、この回折格子１が処理するレーザービームの波長、部材の屈折率等により決まる深さＴ（０．３〜０．４〔μｍ〕でなる）の溝が、所定のピッチＰにより繰り返されて形成され、適用される光ピックアップに応じてこのピッチＰが種々の値に選定されるようになされている。
【０００４】
このためこの回折格子１の金型作成工程においては、溝の繰り返しピッチＰが２０〔μｍ〕程度の回折格子については、マスクを用いたフォトエッチングによりマスターを作成し、このマスターより金型を作成する。またこの溝の繰り返しピッチＰが２〔μｍ〕程度の回折格子については、マスクを用いたフォトエッチングに代えて、電子ビーム露光法を適用したエッチングによりマスターを作成する。
【０００５】
すなわち図６は、前者の、マスクを用いた金型作成方法による金型加工工程を示す工程図である。この工程では、予めフォトレジスト４を塗布したガラス基板５に対して、フォトマスク６を対向して又は密着して保持し（図６（Ａ）及び（Ｂ））、この状態で紫外線を照射してフォトレジスト４を露光する。なおここでフォトマスク６は、ガラス基板上にクロム（Ｃｒ）をパターンニングして作成される。続いてこの工程では、フォトレジスト４を現像してフォトレジスト４の露光部分を除去した後（図６（Ｃ））、このガラス基板５上に残るフォトレジストをマスクとして使用して、ガラス基板５をフォトマスク６のパターン形状にエッチングする（図６（Ｄ））。これによりこの工程では、回折格子本体３の溝形状をガラス基板５に形成し、続く工程において、表面のレジストを除去してマスター７を完成する（図６（Ｅ））。
【０００６】
このマスター７に対して、金型作成工程では、続いて電鋳加工法により金属材料でなる例えばニッケル（Ｎｉ）を堆積し（図６（Ｆ））、続いてこの堆積したニッケル部材よりマスター７を剥離する。これによりこの工程では、マスター７の溝形状を転写してなる基板（スタンパー）８を形成し（図６（Ｇ））、この基板８を金型の面駒に加工して回折格子１の金型を作成するようになされている（図６（Ｈ））。
【０００７】
これに対して図７は、後者の、電子ビーム露光法を適用した金型作成工程を示す工程図であり、この工程においては、シリコン基板１０によりマスターを作成する。すなわちこの工程では、蒸着、スパッタリング等によりシリコン基板１０の表面に二酸化シリコン（Ｓ_i Ｏ₂ ）膜１１を作成した後（図７（Ａ））、このシリコン基板１０の表面にフォトレジスト４を塗布する（図７（Ｂ））。続いてこの工程では、電子ビーム描画装置によりこのシリコン基板１０に電子ビームＥＢを照射し、フォトレジスト４を回折格子１のパターン形状に露光する（図７（Ｃ））。
【０００８】
続いてこの工程では、フォトレジスト４を現像してフォトレジスト４の露光部分を除去した後（図７（Ｄ））、このシリコン基板１０上に残るフォトレジストをマスクとして使用して、二酸化シリコン膜１１をエッチングする（図７（Ｅ））。これによりこの工程では、二酸化シリコン膜１１に回折格子本体３の溝形状を形成し、続く工程において、表面のレジストを除去してマスター１２を完成する（図７（Ｆ））。
【０００９】
これによりこの工程では、マスクを用いた金型作成工程と同様にして、電鋳加工法によりこのマスター１２に金属材料を堆積した後（図７（Ｇ））、この堆積した金属材料よりマスター１２を剥離して基板（スタンパー）１３を形成し（図７（Ｈ））、この基板１３を金型の面駒に加工して回折格子１の金型を作成するようになされている（図７（Ｉ））。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
ところで従来の金型作成方法においては、金型作成に時間を要する問題がある。具体的に、電鋳加工法についてだけ見ても、従来の金型作成工程においては、１〜１．５ケ月程度の期間を必要とする。
【００１１】
またマスター自体については、精度良く作成できるものの、このマスターより作成される基板においては、マスター１２に金属材料を堆積して作成することにより、その分マスターに比して精度が劣化する。またマスター１２を剥離する際に、マスター１２を正しく剥離できない場合もある。これにより従来の金型作成方法においては、極めて精度の高い金型を作成することが困難な問題があった。
【００１２】
この問題を解決する１つの方法として、ルーリングエンジンを用いた超精密機械加工を適用する方法も考えられるが、射出成形等に使用する金属材料については実際上加工することが困難で、実用的ではない。
【００１３】
本発明は以上の点を考慮してなされたもので、極めて精度の高い金型を短期間で作成することができる金型の微細加工方法を提案しようとするものである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
かかる課題を解決するため請求項１又は請求項２の発明においては、成形品の射出成形又は圧縮成形に使用される金型の微細加工方法又は成形品の射出成形又は圧縮成形に使用される金型に適用して、残部が鉄で、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有する合金からなる非磁性材料でなる母材と、前記母材の表面に形成されたタンタル、モリブデン、タングステン、及びこれらの窒化物、の中から選択される材料からなる非磁性材料の被加工膜とを有する基材に、電子ビーム露光法により所望のパターン形状を形成した後、この基材を異方性エッチングすることにより、成形品の凹凸形状に対して逆転した凹凸形状を形成し、この基材により金型又は金型の一部を作成し、前記添加元素は、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントでなるようにする。
【００１９】
非磁性材料でなる基材においては、帯磁を低減することができ、これにより電子ビーム露光法を適用して所望のパターン形状を高精度で形成することができる。従って露光後、被加工膜をエッチングして直接に、金型又は金型の一部を作成して、従来の電鋳処理工程等を省略して金型を作成することができる。これにより請求項１又は請求項２の構成によれば、金型作成に要する期間を短縮し、また精度を向上することができる。またこの基材を、非磁性材料でなる母材と、この母材の表面に形成した非磁性材料の被加工膜とを有するようにすれば、金型として基材に求められる要求と、電子ビーム露光法を適用したエッチング対象として基材に求められる要求とを、容易に満足することができる。また母材が、残部が鉄で、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有してなる合金でなるようにすれば、エッチング後において、容易に金型加工することができる。また被加工膜は、タンタル、モリブデン、タングステン、及びこれらの窒化物、の中から選択される材料により構成されていることにより、非磁性材料であり、耐久性、耐食性に優れ、さらには容易かつ精度良くエッチング加工することができる。また添加元素が、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントの合金であることにより、非磁性材料で、かつ容易に金型加工することができる。またエッチングが異方性エッチングであることにより、アンダーカットを防止し、加工精度を向上することができる。
【００２２】
また請求項２、請求項４の構成によれば、請求項１又は請求項３の構成において、添加元素が、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントの合金であることにより、非磁性材料で、かつ容易に金型加工することができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、適宜図面を参照しながら本発明の実施の形態を詳述する。
【００２５】
図１は、本発明の実施の形態に係る金型作成工程を示す工程図である。この工程では、始めに、金属母材でなる基板２０の一面に被加工膜２１を形成することにより、この基板２０及び被加工膜２１により構成される基材２０Ａを形成する（図１（Ａ））。ここでこの実施の形態において、この金属母材は、ＪＩＳ（Japanese Industrial Standards ）に規定されたＳＵＳ３０４でなるステンレス材が適用されるようになされている。
【００２６】
ここでこのＳＵＳ３０４は、磁化率の小さな非磁性材料であり、また切削加工が容易で、射出成形の金型に適用して好適な金属材料である。具体的にＳＵＳ３０４は、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１０．５０〔％〕、クロムが１８．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントで、残部が鉄の合金である。
【００２７】
これに対して被加工膜２１は、同様に、磁化率の小さい非磁性材料であり、また切削加工、エッチング加工に好適で、耐久性、耐食性に優れ、ＳＵＳ３０４に対してなじみの良いタンタル（Ｔａ）膜により作成される。この工程において、タンタル膜は、イオンプレーティングの手法により基板２０の表面に、２〔μｍ〕の膜厚で作成される。なおこのタンタル膜は、スパッタリング法等の金属膜作成方法により作成することもできる。
【００２８】
続いてこの工程は、例えばスピンコート法により、この被加工膜２１の表面に、電子ビーム露光法に適用されるレジスト膜２２を形成した後（図１（Ｂ））、電子ビーム描画装置により電子ビームＥＢを照射し、レジスト膜２２を回折格子１のパターン形状に露光する（図１（Ｃ））。このときこの工程では、従来のマスターを作成する場合とは逆に、露光されない部分が回折格子１の溝部分に対応するように電子ビームＥＢを照射する。かくするにつきこの工程では、基板２０及び被加工膜２１として非磁性材料でなるＳＵＳ３０４及びタンタル膜を選択したことにより、電子ビームＥＢを照射した際の、基板２０及び被加工膜２１の帯磁を実用上充分な範囲に低減でき、これにより電子ビームＥＢで精度の高い露光パターンを形成することができるようになされている。
【００２９】
続いてこの工程は、レジスト膜２２を現像してレジスト膜２２の露光部分を除去する（図１（Ｄ））。さらにこの工程は、被加工膜２１上に残るレジスト膜２２をマスクとして使用して、異方性エッチングにより被加工膜２１を０．３〔μｍ〕だけ深さ方向にエッチングし（図１（Ｅ））、これにより回折格子１の凹凸形状を逆転してなる溝形状を、被加工膜２１に作成する。ここでこの異方性エッチングは、例えばプラズマエッチングの手法により、アンダーカットの発生を有効に回避して高い精度により実施される。かくするにつきこの工程では、被加工膜２１としてタンタル膜を選択したことにより、アンダーカットの発生を有効に回避して、溝深さ、溝幅、溝形状について、高い精度により被加工膜２１をエッチングすることができるようになされている。
【００３０】
続いてこの工程は、表面に残るレジスト膜２２を除去した後（図１（Ｆ））、切削加工等によりこの基板２０を金型の面駒に加工し、これによりエッチング加工した基板２０より直接に、回折格子１の金型を作成する（図１（Ｇ））。
【００３１】
以上の構成によれば、被加工膜２１を形成した金型材料でなる基板２０を加工対象として、この加工対象に回折格子の凹凸形状の逆転でなる溝形状を作成して、直接、回折格子の面駒を作成することにより、電鋳処理工程を省略して金型を作成することができる。従ってその分従来に比して格段的に金型作成期間を短縮することができる。なお実際上、電鋳処理工程に約１〜１．５ケ月の期間を要することにより、この実施の形態では最低限でも１月、金型作成に要する期間を短縮することができる。
【００３２】
また電鋳加工処理によりマスターの溝形状を基板（スタンパー）に転写するという処理工程を省略して、直接、金型の溝形状を形成できることにより、その分金型の精度を向上でき、極めて精度の高い回折格子を作成することができる。また基板（スタンパー）よりマスターを剥離するという処理を省略できることにより、その分金型自体の歩留りについても向上させることができる。
【００３３】
さらに基板２０に被加工膜２１を形成し、金型に適用して好適な金属材料を基板２０に割り当て、エッチング加工に適用して好適で、かつ基板２０に対してなじみの良い加工材料を被加工膜２１に割り当てたことにより、それぞれ金属材料、加工材料の特性を有効に利用して、高い精度によりエッチング加工した後、直接、面駒加工することができ、これによっても容易かつ極めて高い精度により金型を作成することができる。
【００３４】
具体的に、基板２０及び被加工膜２１として非磁性材料でなるＳＵＳ３０４及びタンタルを選択したことにより、電子ビーム露光法を適用して被加工対象の帯磁を有効に回避でき、これにより極めて精度の高い露光パターンを形成することができ、その分金型の精度を向上することができる。
【００３５】
また被加工膜２１として耐食性、耐久性に優れ、ＳＵＳ３０４となじみの良いタンタルを選択したことにより、金型として充分な耐久性を確保することができる。また異方性エッチングを適用して高精度に溝形状を作成でき、その分金型の精度を向上することができる。
【００３６】
また金型のメンテナンス作業を従来に比して格段的に低減することができる。すなわち従来の電鋳加工処理に適用されているニッケルにおいては、射出成形に使用している過程において空気酸化等により鏡面加工した面の特性が劣化し、これを放置すると成形品の歩留りが低下する欠点があった。このため従来の電鋳加工処理により作成した金型においては、定期的なメンテナンスが欠かせないという欠点があった。これに対してタンタル膜により面駒を作成すれば、この種の鏡面の劣化を有効に回避することができ、その分金型のメンテナンス作業を各段的に低減することができる。
【００３７】
これに対して基板２０として切削加工が容易で金型に適用して好適なＳＵＳ３０４を選択したことにより、容易かつ精度良く面駒加工することができ、これによっても金型の精度を向上でき、また耐久性を向上することができる。
【００３８】
なお上述の実施の形態では、基板としてＳＵＳ３０４を適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、ＡＩＳＩ、ＤＩＮ等に規定されたＳＵＳ３０４の相当品を適用しても良い。なおこの場合、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントでなる鉄合金が該当することになる。またこれに代えて、非磁鋼等の非磁性材料であって、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有する合金、さらにはセラミックス材等を広く適用することができる。
【００３９】
また上述の実施の形態では、被加工膜にタンタルを適用した場合について述べたが、本発明はこれに限らず、チタン、クロム、モリブデン、タングステン等の非磁性材料でなる金属材料、さらには窒化タンタル等の金属材料の窒化物等を広く適用することができる。
【００４０】
さらに上述の実施の形態では、イオンプレーティング法により母材に被加工膜を形成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、スパッタリング法、蒸着法、気相成長法等、種々の膜形成手法を広く適用することができる。
【００４１】
また上述の実施の形態では、レジスト層の露光された部分を除去する、いわゆるポジ型のレジストを用いてエッチングする場合について述べたが、本発明はこれとは逆に、未露光部分を除去する、いわゆるネガ型のレジストを用いてエッチングする場合にも適用することができる。
【００４２】
さらに上述の実施の形態では、２〔μｍ〕の膜厚でなる被加工膜に対して、深さ０．３〔μｍ〕だけエッチングして溝形状を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、射出成形に使用する樹脂材料、成形条件、母材に対する被加工膜の密着強度、母材及び被加工膜のエッチング精度等に応じて、例えば図２に示すように、被加工膜２１と基板２０との境界面までの深さにより溝形状を作成する場合、さらには図３に示すように、被加工膜２１と基板２０との境界面より深く溝加工する場合にも広く適用することができる。
【００４３】
また上述の実施の形態では、金属材料からなる母材上に被加工膜を形成した基材を加工して金型の面駒を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、図４に示すように基材として非磁性材料からなるプレート３０（例えばタンタルのバルク）を用いて、このプレート３０の表面に直接溝形状の加工を施すことにより、被加工膜の形成工程を省略して金型を作成してもよい。このようにすれば、金型製造工程をさらに一段と簡素化することができる。なお基材として、単一の材料を選択するか、母材上に被加工膜を形成した基材を選択するかについては、金型に要求される精度、材料コスト、製造コスト等の諸条件により、必要に応じて適宜、適切な基材を選択すればよい。
【００４４】
さらに上述の実施の形態では、プラズマエッチングにより被加工膜を異方性エッチングする場合について述べたが、本発明はこれに限らず、イオンビームエッチング法、ＥＣＲエッチング法、反応性イオンビームエッチング法等、種々の異方性エッチング手法を広く適用することができる。
【００４５】
また上述の実施の形態においては、格子の断面形状が矩形形状である回折格子を作成する場合の金型を例に説明したが、本発明はこれに限らず、格子の断面形状が鋸歯状である、いわゆるブレーズ型の回折格子の金型についても適用することができる。ちなみにブレーズ型の回折格子においては、例えばイオンエッチングによるエッチング工程において、基材の表面に対して斜め方向よりイオンビームを照射してエッチング処理し、これにより基材の表面に鋸歯状の凹凸形状を形成すればよい。また格子の断面形状が三角形状のもの等についても、同様に、本発明を適用することができる。
【００４６】
さらに上述の実施の形態では、エッチングした母材、被加工膜より面駒を作成する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、金型の一部を構成する種々の駒を作成する場合、さらには金型本体を作成する場合に広く適用することができる。
【００４７】
また上述の実施の形態では、回折格子の金型作成に本発明を適用する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、種々の光学素子の金型作成に広く適用することができ、さらには種々の射出成形用金型、圧縮成形用金型の微細加工に広く適用することができる。
【００４８】
【発明の効果】
上述のように本発明によれば、非磁性材料でなる基材表面に、電子ビーム露光法により露光後、エッチングして直接金型を作成することにより、極めて精度の高い金型を短期間で作成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る金型作成工程を示す工程図である。
【図２】他の実施の形態による金型を示す断面図である。
【図３】図２の他の実施の形態に係る金型を示す断面図である。
【図４】図３の他の実施の形態に係る金型を示す断面図である。
【図５】回折格子を示す斜視図である。
【図６】従来の金型作成工程を示す工程図である。
【図７】従来の他の金型作成工程を示す工程図である。
【符号の説明】
１ 回折格子
３ 回折格子本体
２０ 基板
２０Ａ 基材
２１ 被加工膜
２２ レジスト膜
ＥＢ 電子ビーム

Claims (2)

1. 成形品の射出成形又は圧縮成形に使用される金型の微細加工方法において、
   残部が鉄で、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有する合金でなる非磁性材料からなる母材と、前記母材の表面に形成されたタンタル、モリブデン、タングステン、及びこれらの窒化物、の中から選択される材料からなる非磁性材料の被加工膜とを有する基材に、電子ビーム露光法により所望のパターン形状を形成した後、前記基材を異方性エッチングすることにより、前記成形品の凹凸形状に対して逆転した凹凸形状を形成し、
   前記基材により前記金型又は前記金型の一部を作成し、
   前記添加元素は、
   炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントでなる
   ことを特徴とする金型の微細加工方法。
2. 射出成形又は圧縮成形に使用される金型において、
   残部が鉄で、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ、ニッケル及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有する合金でなる非磁性材料からなる母材と、前記母材の表面に形成されたタンタル、モリブデン、タングステン、及びこれらの窒化物、の中から選択される材料からなる非磁性材料の被加工膜とを有する基材に、電子ビーム露光法により所望のパターン形状を形成した後、前記基材を異方性エッチングすることにより、成形品の凹凸形状に対して逆転した凹凸形状を形成し、
   前記添加元素は、
   炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量パーセントでなる
   ことを特徴とする金型。

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