JP4382392B2

JP4382392B2 - 成形金型の製造方法

Info

Publication number: JP4382392B2
Application number: JP2003154061A
Authority: JP
Inventors: 秀直片岡; 芳則白藤
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-05-30
Filing date: 2003-05-30
Publication date: 2009-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-30
Also published as: JP2004352584A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は成形金型の製造方法に関し、詳しくは表面に微細なパターン形状を有する光学素子をプレス成形して得るのに好適な成形金型の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光学素子表面に微細なパターン形状を有するものとして、例えば、光ディスクの高密度化、高機能化、小型化のなかで、半導体レーザー光を分光する回折レンズ、半導体レーザーの出力変化や温度変化による波長変化に伴う焦点距離変動を防止するための色消しレンズや温度消しレンズがある。また、表示装置として、液晶やプロジェクターのバックライトの高効率化を目的とした導光板や、マイクロレンズアレイなどがある。また、光通信の発達に伴い、ファイバーどうしや、ファイバーの光を効率よく導波路に接続するためのマイクロレンズアレイ等、様々なものがある。これらは、平面、球・非球面、自由曲面などの上に、鋸歯状、矩形状、凸凹面状などの形状が多数パターン状に配列されたものとなっている。
【０００３】
一方、高精度な光学素子を安価で大量に製造するのに、光学素子形状に対して反転した形状を有する金型を使用し、ガラスや樹脂等の光学素子材料を加熱プレスする成形方法がある。
【０００４】
このような成形に用いられる金型で、既述したような微細なパターン形状をプレス面に有したものの１つとして、予めガラス基板にフォトレジストにより回折パターンを形成しておき、このガラス基板の回折パターン形成面上に電鋳法によりＮｉ電鋳層を形成したスタンパーが知られ（例えば、特許文献１参照。）、このスタンパーによって回折パターンを有した製品を繰り返し成形し製造している。
【０００５】
また、高強度な母材上にＳｉまたはＳｉＯ₂の薄膜を形成し、その膜を所望の形状に加工し、Ｐｔ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａなどの薄膜で覆った金型も知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
また、高強度な金型母材上に形成された加工性のよい加工層を精密切削加工して、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｗ、Ｔａなどの貴金属よりなる保護膜を形成したものも知られている（例えば、特許文献３参照。）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平０６−２０１９０８号公報（００１６〜００２０図１）
【０００８】
【特許文献２】
特開平０６−２７９０３６号公報（００１３〜００１８図１）
【０００９】
【特許文献３】
特開平０７−１３８０３２号公報（００１２〜００１６図１）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載のような金型の場合は、表面にパターン形状を有する光学素子成形金型を製造する際、電鋳により形成した金型材料であるニッケル（Ｎｉ）や、金属とフッ素樹脂との複合膜は、成形温度が低い樹脂の場合に問題とならないが、樹脂に比して成形温度の高いガラスを成形する場合に高温強度が不足し、プレス温度、圧力に耐え切れず、回折パターンが変形したり、膜が剥離したりする。また、ガラスとの反応性が高いために離型性が乏しく、ガラスと融着を起こす。
【００１１】
特許文献２に記載のような金型の場合は、耐ガラス反応性を有する保護層が形成されていることで、ガラスとの離型性に問題はないものの、対象物の成形時にパターンのエッジ部にプレス圧力による応力集中が発生し、形成された保護膜の強度が耐え切れず保護層に摩耗や膜剥離が発生する。また、パターンの深さが例えば数μｍ以下と比較的浅い範囲では問題にならないが、パターン深さがそれよりも深いと、保護層のＳｉＯ₂が長時間のエッチングにより金型表面の表面粗さが劣化するのと同時に、マスク形状とエッチングにより得られた金型のパターン形状との形状差が大きくなり、この結果、得られた光学素子の性能が良好でない。
【００１２】
特許文献３に記載のような金型の場合、金型母材上に形成された加工層を精密切削することによりパターン形状を得るのに、切削加工に使用されるバイト先端の大きさにより、パターン形状に限界がある。このため微小で、エッジのシャープなパターンを形成するのに限界がある。また、金型を回転させながら切削加工をするため、非軸対称のパターンを形成するのにも限界がある。
【００１３】
本発明の目的は、高いパターン精度が容易に得られ、樹脂は勿論ガラスに対しても離型性がよく、耐圧性、高温度強度がよく耐久性に優れた、成形金型の安価な製造方法を提供することにある。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明の成形金型の製造方法は、金型母材と、前記金型母材の少なくともプレス面上に形成された下地層と、前記下地層上にパターン形状を有するパターン層とを備えた成形金型の製造方法において、金型母材にプレス面を形成した後、少なくとも前記プレス面上に下地層を形成し、前記下地層上にマスクを形成し、前記マスクを露光後現像して前記マスクをパターン状とし、前記パターン状のマスクの上と、前記パターン状のマスクの間のスペースでの前記下地層上と、に薄膜を形成し、前記マスクおよびその上の薄膜を除去することにより前記パターン状マスクの間でかつ前記下地層上の前記薄膜のみを前記下地層上に形成してパターン層とし、前記成形金型で成形する成形対象物が前記プレス面上の前記パターン層と前記下地層とに接するように前記プレス面上に前記下地層を一様に形成した上に前記パターン層を配置することを主たる特徴としている。
【００２１】
このような構成では、金型母材を機械加工するのに、パターン形状を有しないプレス面を含み、対象物を成形する動作を行なうための基本形状を満足しておけばよいので加工が簡単かつ低コストなものとなる。一方、パターン形状は、前記金型母材に形成しているプレス面上にほぼ一様な下地層と、マスクを利用した薄膜によるパターン層とを順次に形成し、前記マスクおよびその上の薄膜を除去するだけで、どのように微細なパターン形状でもマスクのパターンに依存して、研削加工、エッチングなどに比し簡単かつ短時間に高精度に、無理なく耐久性を満足して安価に形成できる。しかも、金型によってパターン面を形成しないので耐ガラス反応性を得るための立体的な保護層が必要となって却って耐久性が低下するようなことがない。
【００２２】
本発明のそれ以上の目的および特徴は、以下の詳細な説明および図面によって明らかになる。本発明の各特徴は、それ単独で、あるいは種々な組み合わせで複合して採用することができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の図１、図３に示す実施の形態１、２と、図２、図４に示す比較例を参照しつつ詳細に説明し、本発明の理解に供する。
【００２４】
（実施の形態１）
本実施の形態１の成形金型は図１（ａ）（ｂ）に示す例のように、金型母材１と、この金型母材１の少なくともプレス面２上に形成された下地層３と、この下地層３上にパターン形状を有して形成されたパターン層４とを備えている。このような本実施の形態１の成形金型では、金型母材１の少なくともプレス面２の上の下地層３が一様に形成されるだけで、その上のパターン層４が持つパターン形状の底面１０をなして成形対象物１１と接し、パターン層４とともにパターン成形面となる。これによって金型母材１が成形面となる場合のように耐ガラス反応性のための立体的な保護層の必要を回避することができる。併せ、パターン層４自体はマスクに依存するなどして得られる底面１０を持たない簡単なパターン形状を有したものでよいものとすることができる。これによって、エッチングや貼り合せ、切削による既述したような従来の問題を回避して適当な材料を選択するだけで、パターン精度や耐圧力性、耐熱性ないし高温度強度、耐久性が得られるようにすることができる。
【００２５】
本実施の形態１の成形金型における金型母材１は、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金（バインダー：コバルト（Ｃｏ））である。この金型母材１のプレス面２はダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工により、表面粗さＲａ１ｎｍに平面形状に鏡面加工している。下地層３は白金（Ｐｔ）よりなり金型母材１のプレス面２上に膜厚０．５μｍにて形成してある。パターン層４は白金・レニウム（Ｐｔ−Ｒｅ）よりなり下地層３上に図１に示すようなパターン形状（幅５μｍ、高さ６μｍの矩形状、パターン間のスペース８μｍ）に形成してある。
【００２６】
ここで、図２（ａ）（ｂ）に示す本実施例１に対する比較例を説明すると、金型母材１は本実施の形態１と同様に、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金（バインダー：コバルト（Ｃｏ））で、そのプレス面２はダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工により、表面粗さＲａ１ｎｍに平面形状に鏡面加工している。パターン形状は金型母材１のプレス面２自体に形成した下地パターン面１３上に膜厚１μｍの離型層５をスパッタリング法などにより立体形状形成し、この離型層５が底面５ａ、垂直面５ｂ、および天面５ｃを有した本実施の形態１のものと同じ形状および大きさのパターン形状を形成するようにしている。離型層５は本実施の形態１のパターン層４と同様に、白金・レニウム（Ｐｔ−Ｒｅ）よりなり、金型母材１のプレス面２に形成している立体的な下地パターン面１３の全域を立体的に覆ってパターン形状を形成している。これによって、金型母材１が成形面をなして耐ガラス反応性が要求されるようなことを回避できる。
【００２７】
以上のような図１（ａ）（ｂ）に示す本実施の形態１の成形金型と、図２（ａ）（ｂ）に示す比較例の成形金型とを用いて、平面状のガラス（アルミノシリケートガラス）を成形対象物１１とし、プレス温度６２０℃、プレス圧力４５０ｋｇｆ／ｃｍ² にて成形したところ、何れの場合も、高温機械強度に優れたタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を金型母材１に用いているため、金型母材１自体がプレス圧力によって変形することはない。
【００２８】
しかし、図２に示す比較例では成形回数５２０ショットにおいて、パターンコーナー部６やパターン垂直面５ｂにおいて離型層５が、金型母材１から部分的に膜剥離した。これは、高温下でのプレス圧力において、コーナー部６に応力が集中するとともに、パターン垂直面５ｂはスパッタリング法により、立体的な下地パターン面１３のスパッタリング粒子の飛翔方向に平行な垂直面に沿って形成されているためパターン垂直面５ｂの膜質が良好でなく、プレス圧力に耐え切れず膜剥離したものと考えられる。
【００２９】
一方、図１に示す本実施の形態１では、また、金型母材１のプレス面２上には白金（Ｐｔ）よりなる下地層３を形成していてこれがガラスの成形対象物１１と耐反応性があり、成形時に成形対象物１１のガラスと融着することはなかった。また、下地層３の白金と超硬合金である金型母材１とは非常に密着性がよく、プレス時の成形圧力によって膜剥離が発生することはなく、５０００回のプレス成形の繰り返しに耐えることができた。また、下地層３上に形成されたパターン形状を有したパターン層４は、図２（ｂ）に示す比較例のように立体的な下地パターン面１３の表面を覆う離型層５のような立体薄膜でなく、図１（ｂ）に示すようにパターン形状の深さ分だけの厚みを平坦な下地層３上に有しただけの、単独かつ平坦な層であることによって耐圧力性が高く、しかもその材料は下地層３との密着性がよく高温での機械強度に優れているので、プレス成形時に変形したり、下地層３から膜剥離するといった問題が生じなかった。また、このパターン層４は前記下地層３と同様に耐ガラス反応性があるので、成形対象物１１のガラスと融着することはなかった。
【００３０】
図３（ａ）〜（ｅ）は本実施の形態２の成形金型の製造方法を示し、プレス面２を有した金型母材１を形成した後、この金型母材１の少なくともプレス面２上に下地層３を形成し、この下地層３上にマスク８を形成し、このマスク８を介して前記下地層３上に薄膜１２を形成し、前記マスク８をその上の薄膜１２とともに除去することによりパターン形状を有したパターン層４を下地層３上に形成する。このようにすると、金型母材１を機械加工するのに、パターン形状を有しないプレス面２を含み、成形対象物１１を成形する動作を行なうための図３（ａ）に示すような基本形状を満足しておけばよいので加工が簡単かつ低コストなものとなる。一方、パターン形状は、前記金型母材１に形成している平坦なプレス面２上にほぼ一様な下地層３と、マスク８を利用した薄膜１２によるパターン層４とを順次に形成するだけで、どのように微細なものでもマスク８のパターンに依存して、研削加工やエッチングなどに比し簡単かつ短時間に高精度に、無理なく耐久性を満足して安価に形成できる。しかも、金型母材１が成形面を形成しないので、耐ガラス反応性のための立体的な保護層が必要となって却って耐久性が低下するようなことを回避することができる。
【００３１】
さらに具体的には、金型母材１はタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金（バインダー：コバルト（Ｃｏ））材料よりなるものを用いて図３（ａ）に示すようなパターン形状を有しないプレス面２を持った基本形状に形成する。この金型母材１のプレス面２はダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工により、表面粗さＲａ１ｎｍに平面形状に鏡面加工する。
【００３２】
次いで、図３（ｂ）に示すように前記プレス面２上にスパッタリング法により下地層３として白金（Ｐｔ）を膜厚０．５μｍ形成した後、図３（ｃ）に示すように前記下地層３の上にフォトレジストをスピンコートしてからマスクを通しＵＶ露光し現像することによって、パターン状（幅８μｍ、高さ７μｍの矩形状、パターン間のスペース５μｍ）のマスク８を形成する。
【００３３】
この後、図３（ｄ）に示すようにスパッタリング法により白金・レニウム（Ｐｔ−Ｒｅ）合金を、膜厚６μｍにて薄膜１２を形成してから、図３（ｅ）に示すようにマスク８をその上の薄膜１２とともに除去して、マスク８間の薄膜１２をパターン層４として残すことにより、成形金型を得る。
【００３４】
ここで、図４（ａ）〜（ｅ）に示す比較例について説明する。金型母材１は本実施例の場合同様にタングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金（バインダー：コバルト（Ｃｏ））材料よりなるものを用いて図４（ａ）に示すようなパターン形状を有しないプレス面２を持った基本形状に形成する。この金型母材１のプレス面２はダイヤモンド砥粒を用いた研磨加工により、表面粗さＲａ１ｎｍに平面形状に鏡面加工する。
【００３５】
この後、図４（ｂ）に示すように前記プレス面２上にフォトレジストによりパターン状（幅４．５μｍ、高さ７μｍの矩形状、パターン間のスペース８．５μｍ）のマスク９を形成してから、このマスク９を介して図４（ｃ）に示すようにドライエッチング法により金型母材１の少なくともプレス面２を深さ６μｍのパターン形状底面１３ａまで加工を行なって下地パターン面１３を形成し、この後図４（ｄ）に示すようにマスク９を除去してから図４（ｅ）に示すように前記下地パターン面１３上に、白金・レニウム（Ｐｔ−Ｒｅ）合金よりなる離型層５を形成することにより、成形金型を得る。
【００３６】
本実施の形態２に係る成形金型の製造方法では、パターン形状底面１０を含む金型表面の表面粗さは良好で、表面粗さＲａ１．５ｎｍであった。一方、比較例での成形金型は、金型母材１を深さ６μｍにまで及ぶドライエッチング加工をしたことにより、パターン形状底面１３ａが非常に荒れて、離型層５を形成した後の表面粗さはＲａ５０ｎｍであった。この表面荒れの現象は加工深さが深くなるほど顕著になる。
【００３７】
なお、本実施例において、金型母材１として、タングステンカーバイド（ＷＣ）を主成分とする超硬合金を、下地層３として白金（Ｐｔ）を、パターン層４として白金・レニウム（Ｐｔ−Ｒｅ）合金をそれぞれ用いたが、金型母材１としてチタンナイトライド（ＴｉＮ）、チタンカーバイド（ＴｉＣ）、クロムカーバイド（Ｃｒ₃Ｃ₂）、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とするサーメット、アルミナ、サファイヤ（Ａｌ₂Ｏ３）、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、クロムカーバイド（Ｃｒ₃Ｃ₂）、窒化珪素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化硼素（ＢＮ）のセラミックスなど、耐熱性、耐食性に優れ、耐高温強度を有する他の材料を用いることができる。また、下地層３、パターン層４として、ニッケル（Ｎｉ）、クロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ニオブ（Ｎｂ）、バナジウム（Ｖ）、モリブデン（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、イリジウム（Ｉｒ）、ロジウム（Ｒｈ）、オスミウム（Ｏｓ）、ルテニウム（Ｒｕ）、レニウム（Ｒｅ）、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）などのいずれか、あるいはそれらのいずれかを主成分とする合金を用いることができる。
【００３８】
また、下地層３とパターン層４は同じ材料でも同様の効果が得られるし、下地層３、パターン層４の形成方法として、スパッタリング法以外のＰＶＤ法やＣＶＤ法、メッキなどを採用しても同様の効果が得られる。
【００３９】
また、金型母材１のプレス面２の形状として平面の場合を示したが、これに限られることはなく球面、非球面、自由曲面など、どのような面形状であってもよい。さらに、パターン層４によって形成するパターン形状やその大きさも例示したところに限られることはなく、形状としては鋸歯状、凹面、凸面のアレイ状、軸対称、非軸対称など、どのような形状であってもよい。
【００４０】
また、マスクの形成方法として、フォトレジストを使用したが、その他の方法であってもよい。
【００４４】
【発明の効果】
本発明の成形金型の製造方法によれば、金型母材を機械加工するのに、パターン形状を有しないプレス面を含み、対象物を成形する動作を行なうための基本形状を満足しておけばよいので加工が簡単かつ低コストなものとなる。一方、パターン形状は、前記金型母材に形成しているプレス面上にほぼ一様な下地層と、マスクを利用した薄膜によるパターン層とを順次に形成し、前記マスクおよびその上の薄膜を除去するだけで、どのように微細なパターン形状でもマスクのパターンに依存して、研削加工、エッチングなどに比し簡単かつ短時間に高精度に、無理なく耐久性を満足して安価に形成できる。しかも、金型によってパターン面を形成しないので耐ガラス反応性を得るための立体的な保護層が必要となって却って耐久性が低下するようなことがない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１に係る成形金型の平面図および断面図。
【図２】図１の実施の形態１に対する比較例の平面図および断面図。
【図３】本発明の実施の形態２に係る成形金型の製造方法を（ａ）〜（ｅ）の段階別に示す断面図。
【図４】図３の実施の形態２に対する比較例を（ａ）〜（ｅ）の段階別に示す断面図。
【符号の説明】
１金型母材
２プレス面
３下地層
４パターン層
８マスク
１２薄膜

Claims

金型母材と、前記金型母材の少なくともプレス面上に形成された下地層と、前記下地層上にパターン形状を有するパターン層とを備えた成形金型の製造方法において、
金型母材にプレス面を形成した後、少なくとも前記プレス面上に下地層を形成し、前記下地層上にマスクを形成し、前記マスクを露光後現像して前記マスクをパターン状とし、前記パターン状のマスクの上と、前記パターン状のマスクの間のスペースでの前記下地層上と、に薄膜を形成し、前記マスクおよびその上の薄膜を除去することにより前記パターン状マスクの間でかつ前記下地層上の前記薄膜のみを前記下地層上に形成してパターン層とし、
前記成形金型で成形する成形対象物が前記プレス面上の前記パターン層と前記下地層とに接するように前記プレス面上に前記下地層を一様に形成した上に前記パターン層を配置することを特徴とする成形金型の製造方法。