JP4218372B2

JP4218372B2 - 光学素子用金型の製造方法

Info

Publication number: JP4218372B2
Application number: JP2003060235A
Authority: JP
Inventors: 直樹西田; 孝二郎関根; 裕子山本; 隆博江崎
Original assignee: Konica Minolta Opto Inc
Current assignee: Konica Minolta Opto Inc
Priority date: 2003-03-06
Filing date: 2003-03-06
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2023-03-06
Also published as: JP2004268331A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子用の金型の製造方法に関するものであり、特に、曲面上に微細な構造を持つ光学素子を成型するための金型の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】
特開昭６２−９６９０２号公報
【特許文献２】
特開２０００−１８２０２４号公報
【特許文献３】
特開２００２−３２６２３１号公報
【特許文献４】
特開２００２−２７４８６５号公報
【０００３】
近年、ＣＧＨ（Computer Generated Hologram）に代表されるような複雑な構造の回折格子や、蒸着膜によらないで反射防止を行うための微細構造を、光学素子例えばレンズ表面に形成することが求められている。例えば、ＣＧＨをレンズと一体化することで、レンズの持つ集光（結像）作用と、回折による別の作用とを１枚のレンズで実現できる。また、反射防止を行うための微細構造をレンズ面に形成すれば、より高性能な反射防止を行うことができる。つまり、これらの微細構造をレンズ面に形成することで、光学系の高機能化、小型化、高性能化を行うことができる。
【０００４】
一方、このような光学素子を安価に大量に生産するために、金型を作製し、その金型形状を合成樹脂材料に転写することが行われている。この場合、金型にレンズ面の形状と、微細構造とを、加工する必要がある。このような形状の金型は、特許文献１、２および３に記載されている。
【０００５】
特許文献１記載の金型は、反射防止構造をもつレンズ面を成型する金型であって、その表面には波長以下の深さの鋸状構造が形成されている。金型表面にアルゴンイオンビームで１/２０波長の照射傷を形成し、これを硝酸水溶液で表面腐食させることで鋸状構造が形成される。
【０００６】
特許文献２記載の金型は、同心円状をなす多数の微細なエレメントからなる回折光学面が形成されているレンズ用の金型である。機械加工によって曲面形状を形成した金型表面上に、フォトレジスト層を形成し、該レジスト層の表面に機械加工によって回折光学面を形成するとともにドライエッチングによって上記レジスト層が除去されるまでエッチング処理することによって作製されている。
【０００７】
一方、必要とする素子形状をマスター型として作製し、そのマスター型の形状を電鋳により写し取り、金型とする方法も広く用いられている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特許文献１記載の金型は、アルゴンイオンビームで形成した照射傷を硝酸水溶液で腐食させて作製されているため、金型面全体に一様に広がる鋸形状を形成することはできるが、ＣＧＨ等の複雑な構造の微細構造を高精度に形成することはできない。
【０００９】
特許文献２記載の金型は、回折光学面を、フォトレジスト層上に機械加工によって形成しているが、このような加工法は１次元構造や軸対称構造なら作製可能であるが、ＣＧＨ等のように２次元に多様で複雑な微細構造をもつ場合には実質作製不可能である。また、サブミクロンオーダーの非常に微細な加工は機械加工では非常に困難である。
【００１０】
電鋳により金型を作製する方法は、マスター型さえ作製すれば、金型の複製も容易であるが、高性能な結像（集光）特性を必要とする場合には以下の理由により不適である。電鋳においては、電鋳層の厚みが増していくと内部には非常に大きな応力が発生する。したがって、電鋳層をマスター型から剥離した瞬間に、金型表面は歪んでしまう。高性能なレンズでは、レンズ面の面精度は波長以下の精度が要求されるので、歪の大きな電鋳型は高性能レンズには不適である。
【００１１】
本発明は、このような状況に鑑みなされたものであって、光学素子の持つ曲面による光学的作用と微細構造による光学的作用とを高性能に両立する光学素子を複製するための、光学素子用金型の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、曲面上に微細構造を持つ光学素子を成型するための光学素子用金型の製造方法であって、金型母材上に加工層を形成する工程と、加工層を光学素子の光学面に対応する所望の曲面に加工する工程と、加工された加工層上にエッチング層を形成する工程と、エッチング層上にレジストを塗布する工程と、レジストに微細構造パターンを描画し現像処理により微細構造パターンを転写する工程と、エッチング処理によってエッチング層に微細構造を形成する工程と、を含み、曲面と微細構造を一体的に作製し、加工層は金型母材よりも切削性が良くエッチング層よりもエッチング性の悪い材料からなる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１記載の光学素子用金型の製造方法であって、前記加工層は、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、黄銅のいずれかよりなる。
【００１４】
請求項３の発明は、請求項１または２に記載の光学素子用金型の製造方法であって、前記エッチング層は、窒化チタン、シリコン、ニ酸化シリコン、アルミニウム、窒化シリコン、モリブデン、シリコンカーバイド、タングステンカーバイドのいずれかよりなる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。第１の実施の形態の金型は、レンズ面とＣＧＨが一体的に形成されたレンズを成型するための金型である。ＣＧＨとは、仮想の物体による回折をもとに、記録すべき光の振幅と位相の分布を計算し、その分布を描画して作製したホログラムのことである。本実施形態のＣＧＨは、図８に示すように、レンズ面に多様な間隔をもって形成された多数の矩形状の回折格子からなる。図８においては、回折格子は１次元的にしか記載されていないが、その回折格子の周期配列の方向は２次元的に多様な方向に配列されている。以下、この回折格子をＣＧＨ、ＣＧＨがレンズ面に形成されたレンズをＣＧＨレンズと呼ぶ。
【００１７】
まず、ＣＧＨレンズ１５について説明する。本実施形態の金型で成型されるＣＧＨレンズ１５は、図７に示すように、発光ダイオード（ＬＥＤ）やレーザーダイオード（ＬＤ）等の光源１７から放射される光線を略平行光にするレンズ作用と、十字チャート等の図形を形成し照射する回折作用とを有している。ＣＧＨレンズ１５の有効径は５ｍｍ、焦点距離７ｍｍ、ＣＧＨ１６の最小縞周期は３μｍ、ＣＧＨ１６の高さは６５０ｎｍである。
【００１８】
次に、ＣＧＨレンズ１５を成型するための金型１の製造方法について説明する。図２は、金型の製造工程を模式的に示す縦断面図である。以下、図２を参照して説明する。
【００１９】
（Ａ）ステンレス鋼材からなる金型母材２を機械加工し、ＣＧＨレンズ１５のレンズ面に対応する形状に加工する。この加工は、レンズ面と同様の精度は必要なく、レンズ面に対応する概略形状を形成すればよい。なお、金型母材２はステンレス鋼材に限らず、金型としての強度、剛性を備えた材料であればよい。
【００２０】
（Ｂ）レンズ面に対応する概略形状が形成された金型母材２の上に、電鋳によりニッケル材を厚さ５ｍｍに積層する。以下、この積層された層を加工層３と呼ぶ。積層される材料は、ニッケルに限らず、例えば、ニッケル合金、銅、銅合金、黄銅であってもよい。加工層３は、上記材料のように、切削性が良く、エッチングされ難い材料で形成されることが好ましい。なお、加工層３の積層には電鋳以外の方法を用いてもよい。
【００２１】
（Ｃ）加工層３に、切削、研削あるいは研磨等の機械加工によって、レンズ面に対応する所望の光学鏡面を形成する。この形状は、レンズ面の面形状と同一であって、面の凹凸が逆の面であり、複製される光学素子のレンズ面に必要な精度と同等以上の高精度に加工されている。
【００２２】
金型母材としてはステンレス鋼材のような剛性の高い材料が好ましいが、ステンレス材料のような鉄系材料に光学鏡面を形成することは困難である。それは次の理由からである。一般的に、鏡面加工では、ダイヤモンドバイトが用いられているが、鉄系材料にダイヤモンドバイトを使用して加工すると、酸化反応が起こり、ダイヤモンドバイトが燃焼または過度の磨耗が起きてしまうからである。本実施形態では、金型母材の上に切削性の優れる材料を加工層として積層し、その加工層を高精度に加工することにより光学鏡面を得ている。
【００２３】
（Ｄ）工程（Ｃ）で形成された加工層３の加工面上に、スパッタリングにより、ＴiＮ（窒化チタン）を６５０ｎｍ厚に成膜する。この膜を以下、エッチング層４と呼ぶ。
ＴiＮの成膜条件は以下のとおりである。
設定温度：３００℃、圧力：１．３Ｐa、ガス：Ａｒ（アルゴン）、
ガス流量：１０ｓｃｃｍ、印加電力：５００Ｗ
である。
【００２４】
なお、膜材料は、ＴiＮに限らず、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ_２（ニ酸化シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＷＣ（タングステンカーバイド）であってもよい。エッチング層４は、上記材料のように、エッチングが容易な材料で形成されていることが望ましい。また、エッチング層４の形成は、スパッタリングに限らず、真空蒸着、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）等、他の方法によってもよい。
【００２５】
（Ｅ）エッチング層４上に、レジスト５を、スピンコート法にて膜厚８００ｎｍに塗布する。
【００２６】
（Ｆ）ＣＧＨに対応する回折格子パターンを露光する。本実施例では、曲面上に露光するため、従来の露光機では露光困難であるが、後述の電子線描画装置を用いた方法等により露光する。
【００２７】
（Ｇ）レジスト５を現像する。現像により、露光された部分のレジストが除去され、加工層４が露出している。
【００２８】
（Ｈ）ドライエッチング法でエッチング層４（ＴｉＮ）をエッチングし、エッチング層４にＣＧＨ１６を形成する。各種エッチング材料のエッチング条件を表１に示す。
【００２９】
【表１】

【００３０】
表１において、ＲＦは１３．５６ＭＨｚの高周波印加電力である。また、ガス種欄に/（スラッシュ）を挟んで２種類のガスが記載されている場合は、それらの混合ガスを意味する。流量欄において、/（スラッシュ）をはさんで記載されている値は、ガス種欄に記載されている、それぞれのガス種に対する流量である。
【００３１】
ＣＧＨ１６の高さは、次の２種類の方法によって制御できる。すなわち、
▲１▼エッチング層４を、ＣＧＨ１６の高さよりも厚く成膜し、エッチング時間を制御することにより、ＣＧＨ１６の高さを制御する。
▲２▼エッチング層４をＣＧＨ１６の高さと同じ膜厚で成膜し、加工層３が露出するまでエッチング層４をエッチングする。加工層３はエッチングされにくい材料で構成されているため、エッチング時間を厳しく制御する必要はない。
【００３２】
本実施形態では、上記▲２▼の方法により、加工層３が露出するまでエッチングを行っている。
（Ｉ）不要なレジスト５やドライエッチングによって変質したポリマーをアッシング（灰化）によって除去する。
【００３３】
このようにして作製された金型１を模式的に示す縦断面図を図１（ａ）に示す。金型１は、加工層３にレンズ面を加工し、加工層３上に形成したエッチング層４に、リソグラフィー技術を応用してＣＧＨ１６を形成しているため、レンズ面とＣＧＨを高精度にもつ光学素子面を、正確に転写することができる。なお図１（ｂ）に示す、エッチング時間を正確に制御しエッチング層４のみでＣＧＨ１６が構成される金型でも、光学素子面を正確に転写することができる。
【００３４】
以上説明した金型１により、ＣＧＨレンズ１５をＰＭＭＡを用いて射出成型したところ、所望の性能が得られた。なお、本実施形態のＣＧＨは図８に示すような矩形状であったが、階段形状をしていてもよい。このような形状は、レジスト塗布、パターン描画、現像処理、エッチング処理を複数回行うことで形成できる。
【００３５】
次に、工程（Ｆ）に関する、曲面上に回折格子パターンを露光する方法を説明する。本実施形態では、以下に示す露光法１によって行ったが、その他の方法、例えば露光法２、露光法３によっても良い。
【００３６】
（露光法１）電子線描画装置を使用する方法である。電子線描画装置は一般的に平面上に露光するものであるため、曲面上に露光する場合には、焦点位置と描画面が一致しないため、所望の微細な形状を描画することができない。そこで、曲面形状を補償するように、被露光物あるいは描画装置（光学系）を光軸方向に移動させながら露光を行う。この方法は電子線に限らずレーザ露光装置においても有効である。
【００３７】
（露光法２）密着露光法である。加工物の形状が大きく、回折格子パターンの格子周期が大きい場合に有効である。ただし、レンズ面の曲率が大きく平面とのずれが大きい場合には格子パターンはぼけてしまう。格子周期が５０ミクロン程度なら、平面から約２ｍｍ離れた面でも露光可能である。格子周期が大きく、加工物(金型)の面積が大きい場合には、密着露光法を用いたほうが簡単に作製できる。
【００３８】
（露光法３）投影露光装置を使用する方法である。投影露光装置の光学系は、金型のレンズ面形状に対応した像面特性および歪曲特性を有している。
【００３９】
曲面上への回折格子パターンの露光は、上記３つの露光法のいずれかを用いることにより可能となる。
【００４０】
次に第２の実施の形態である、反射防止用微細構造をもつレンズ用金型について説明する。ガラスあるいはプラスチックス表面上に、錐形状を微細かつ緻密に形成することで、広い波長域を有する光に対して反射防止効果が得られることが知られている。本実施形態の金型は、このような錐形状と等価な作用を持つ微細形状（以下、略錐形状と呼ぶ）を反射防止構造として備えた、レンズを複製するためのものである。
【００４１】
本実施形態の金型で複製されるレンズは、携帯電話等に搭載される超小型レンズ系の、最も撮像素子に近い位置に配置されるレンズである。レンズの有効径は５ｍｍ、曲率半径が約５ｍｍと約２５０ｍｍの両凸レンズである。曲率半径が大きい面で表面反射が生じると、反射光が撮像素子に入射しゴーストが発生する。レンズが合成樹脂材料で成型されている場合には、一般的な誘電体膜では高性能な反射防止コートを行うことは困難であり、製造コストが上がる。上記略錐形状の反射防止構造をレンズ成型時に同時に成型することで、製造コストを大幅に削減できる。
【００４２】
図３は、第２の実施の形態の金型の製造工程を模式的に示す図である。以下、図３を参照しながら、金型の製造方法について説明する。
【００４３】
（Ａ）ステンレス鋼材からなる金型母材２を機械加工し、上記レンズのレンズ面に対応する形状に加工する。この加工は、レンズ面と同様の精度は必要なく、レンズ面に対応する概略形状を形成すればよい。なお、金型母材２はステンレス鋼材に限らず、金型としての強度、剛性を備えた材料であればよい。
【００４４】
（Ｂ）レンズ面の概略形状が形成された金型母材２の上に、電鋳によりニッケル材を厚さ５ｍｍに積層する（加工層３）。積層される材料は、ニッケルに限らず、例えば、ニッケル合金、銅、銅合金、黄銅であってもよい。加工層３は、上記材料のように、切削性が良く、エッチングされ難い材料で形成されることが好ましい。
【００４５】
（Ｃ）加工層３に、切削、研削あるいは研磨等の機械加工によって、レンズ面に対応する所望の光学鏡面を形成する。この形状は、複製される光学素子のレンズ面に必要な精度と同等以上の高精度に加工されている。
【００４６】
（Ｄ）工程（Ｃ）で形成された加工層３の加工面上に、スパッタリングにより、ＴiＮ（窒化チタン）を成膜する（エッチング層４）。ＴiＮの成膜条件は第１の実施の形態の場合と同様である。なお、エッチング層の厚さは３００ｎｍとした。
【００４７】
なお、膜材料は、ＴiＮに限らず、Ｓｉ（シリコン）、ＳｉＯ_２（ニ酸化シリコン）、Ａｌ（アルミニウム）、ＳｉＮ（窒化シリコン）、Ｍｏ（モリブデン）、ＳｉＣ（シリコンカーバイド）、ＷＣ（タングステンカーバイド）であってもよい。エッチング層４は、上記材料のように、エッチングが容易な材料で形成されていることが望ましい。
【００４８】
（Ｅ）エッチング層４上に、レジスト５を、スピンコート法にて膜厚８００ｎｍに塗布する。
【００４９】
（Ｆ）錐形状を形成するためのパターンを露光する。図４に露光方法を示す。レーザ光を二光束に分離し（図示しない）、分離された二光束を、図４（ａ）に示すように互いに角度を成してレジスト５に入射させる。レジスト５には、干渉縞が生じ、この干渉縞形状が露光される。金型１１を９０°回転させ２回の露光を行うと、図４（ｂ）に示すような干渉縞が記録される。黒丸で表されている領域は２回の露光がされていることになる。二光束の角度を変化させることで、干渉縞の周期、すなわち錐形状のピッチを変えることができる。また、例えば１２０°づつ３回の露光を行うなど、金型の回転角および露光回数を変えることで錐形状の配列を変えることができる。
【００５０】
（Ｇ）レジスト５を現像する。図４（ｂ）で示す黒丸部は、他の領域よりも露光量が多いため、現像によって、エッチング層４に達する穴が生じる。
【００５１】
（Ｈ）現像後のレジスト５に、クロム膜６を真空蒸着法により成膜する。クロム膜６は、レジスト５表面と、エッチング層４の両方に蒸着されている。
【００５２】
（Ｉ）レジスト５を除去し、エッチング４層に形成されたクロム膜６（以下、金属マスクと呼ぶ）を表面に露出させる（リフトオフ）。
【００５３】
（Ｊ）金型にドライエッチングを行う。エッチングの条件は、第１の実施の形態で説明した表１の条件である。ドライエッチングを開始すると、まずエッチング層上の金属マスク６がないところから、テーパーがついた形状でエッチングされ始める。そしてエッチングが進むにつれ、徐々に金属マスク６もエッチングされてその径が減少しつつエッチング層４がエッチングされる。さらに、金属マスク６がほぼ消失するまでエッチングを行うと、錐形状２０の突起が生成される。本実施形態では、周期２００ｎｍ、高さ２５０ｎｍの錐形状を作製した。
【００５４】
（Ｋ）エッチング層４に残っている不要なクロム膜６を、ウエットエッチングにて除去する。
【００５５】
このようにして作製された金型１１を用いて、レンズを成型した。成型されたレンズは波面収差１/１０λの光学性能を持ち、なおかつ所望の反射防止特性を有していた。
【００５６】
第２の実施形態の金型１１で成型されたレンズの略錐形状２５は、図５に示すように、その形状の先端部に平面部２６が形成されている。図５は、成型されたレンズが持つ略錐形状２５を模式的に示す断面図である。また、図６は作製された金型の錐形状２０を模式的に示している。図６（ａ）は金型の錐形状の斜視図、図６（ｂ）は錐形状の底部での横断面図である。図６（ａ）においては、金型のレンズ成型面の極一部を切り出して表示しているため、平面上に錘形状が形成されているように示されているが、実際は金型のレンズ形成面全面に錘形状２０が形成されている。図６（ｂ）に示すように、錘形状２０の底面部には平面部２１を有しているため、成型を行うと、この平面部２１が略錐形状２５の先端部に転写される。このように、先端部に平面部２６を有し、また錐形状２０と相補的な関係をなす略錐形状２５は、完全な錐形状ではないが、図６（ａ）に示すような錐形状をレンズ面に有する場合と比較して、反射防止構造としては、実用上性能に差はない。
【００５７】
なお、上記第１および第２の実施の形態では、レンズ面上に微細構造を有しているが、光学素子はレンズに限らず、例えば曲面を有するミラー面上にＣＧＨ等の微細構造を有してもよい。
【００５８】
【発明の効果】
請求項１の発明では、金型母材上に加工層を形成し、その加工層にレンズ面等に対応する曲面を機械加工し、さらにその上に積層されたエッチング層に微細構造を形成するため、機械加工による面精度の確保と複雑な微細構造とが同時に得られる光学素子用金型を製造することができる。そのような光学素子用金型を使用することで、高精度な光学素子を容易に低コストで大量に生産することができる。
【００５９】
また、加工層に、曲面の機械加工を容易に行うことができる切削性のよい材料を使用するため、金型に剛性のある材料を用いることができる。さらに、エッチングの際に加工層が露出したとしても、エッチングされ難い材料のため、エッチングされることがなく、金型のレンズ面は良好な面精度、面粗さが得られる。また、エッチングされ難い特性を利用して、容易に微細構造の高さを制御できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態の金型を模式的に示す縦断面図である。
【図２】第１の実施の形態の金型の製造工程を模式的に示す縦断面図である。
【図３】第２の実施の形態の金型の製造工程を模式的に示す縦断面図である。
【図４】錐形状を露光するための方法を説明する図である。
【図５】第２の実施の形態の金型を用いて成型されたレンズの、反射防止構造を拡大して示す縦断面図である。
【図６】第２の実施の形態の金型の錐形状を拡大して示す図である。
【図７】ＣＧＨレンズの例を模式的に示す図である。
【図８】ＣＧＨを模式的に示す縦断面図である。
【符号の説明】
１、１１金型
２金型母材
３加工層
４エッチング層
５レジスト
６クロム膜（金属マスク）
１５ＣＧＨレンズ
１６ＣＧＨ
１７光源
２０錐形状
２１平面部（錐形状底面）
２５略錐形状
２６平面部（略錐形状先端）

Claims

曲面上に微細構造を持つ光学素子を成型するための光学素子用金型の製造方法であって、
金型母材上に加工層を形成する工程と、
加工層を光学素子の光学面に対応する所望の曲面に加工する工程と、
加工された加工層上にエッチング層を形成する工程と、
エッチング層上にレジストを塗布する工程と、
レジストに微細構造パターンを描画し現像処理により微細構造パターンを転写する工程と、
エッチング処理によってエッチング層に微細構造を形成する工程と、
を含み、曲面と微細構造を一体的に作製し、加工層は金型母材よりも切削性が良くエッチング層よりもエッチング性の悪い材料からなることを特徴とする光学素子用金型の製造方法。
前記加工層は、ニッケル、ニッケル合金、銅、銅合金、黄銅のいずれかよりなることを特徴とする請求項１に記載の光学素子用金型の製造方法。
前記エッチング層は、窒化チタン、シリコン、ニ酸化シリコン、アルミニウム、窒化シリコン、モリブデン、シリコンカーバイド、タングステンカーバイドのいずれかよりなることを特徴とする請求項１または２に記載の光学素子用金型の製造方法。