JP4775024B2

JP4775024B2 - 成形部品の製造方法

Info

Publication number: JP4775024B2
Application number: JP2006042147A
Authority: JP
Inventors: 俊成野田; 克也森仲
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2006-02-20
Filing date: 2006-02-20
Publication date: 2011-09-21
Anticipated expiration: 2026-02-20
Also published as: JP2007219367A

Description

本発明は、微細周期構造を有する成形部品の製造方法に関するものである。

従来より、ガラス、プラスチック等からなる、光を透過させる光学素子においては、表面反射を抑制するために反射防止膜が表面に設けられている。この反射防止膜としては、例えば光学素子表面上に、光学素子よりも低屈折率の材料からなる誘電体薄膜を、透過光の中心波長の１／４程度の厚みで作製したものが用いられている。しかし、１層からなる反射防止膜では、中心波長以外の波長では十分な反射防止効果が得られないという課題がある。

広く波長範囲で反射防止効果を得るためには、低屈折率材料からなる誘電体薄膜と高屈折率材料からなる誘電体薄膜を、交互に形成したものが用いられている。これらの薄膜は、真空蒸着法やスパッタ法といった、真空成膜装置により形成されている。

しかし、これらの反射防止膜の形成には真空設備を利用する必要があり、さらに多層膜を形成する場合には、各層で層厚や屈折率が異なる誘電体薄膜を積層する必要があるため、作製に長時間を要するとともに、コストが高くなるという課題がある。

近年、これらの誘電体薄膜に変わる反射防止構造として、光学素子の表面に、傾斜面を有する、波長以下のサイズの微細な凹凸からなる微細周期構造が提案されている。一般に、凹凸が形成されていないときの、光学素子表面での反射は、入射側の媒質と光学素子との間で屈折率が急激に変化することによって生じる。光学素子の表面に波長以下のサイズの傾斜した凹凸が存在すると、光は凹凸の頂部から底部にかけて、入射側の媒質の屈折率ｎ₁から光学素子の屈折率ｎ₂へと連続的に変化しているように振舞うため、従来の反射防止膜と異なり、無反射構造を実現することが可能である。光の波長をλとすると、凹凸の周期間隔ｋが、
ｋ≦λ／ｎ₂
の条件を満たす場合、凹凸は波長がλ以上の光に対しては回折格子として作用せず、光学素子はその凹凸の配列ピッチによって定まる波長以上の全ての光に対して、反射防止効果を有する。このような微細周期構造は、蛾の眼の表面に形成されているサブミクロンオーダの大きさの凹凸構造の反射率を測定することにより発見されたためモス・アイ（Ｍｏｔｈｅｙｅ）構造もしくはサブ波長構造と呼ばれている。

このような微細周期構造を有する成形部品の製造方法として、以下のような発明が提案されている。

図４および図５を用いて、従来の微細周期構造を有する成形部品の製造工程について説明する。

図４は従来の微細周期構造を有する成形部品の製造工程における、マスクの形成過程を示す工程図であり、図５は従来の微細周期構造を有する成形部品の製造工程における、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の過程を示す工程図である。

図４において、２１は基材、２２は電子線レジスト、２３は電子線、２４は金属、２５は金属マスクを示している。

まず、図４（ａ）に示すように、基材２１の表面に、ポジ型の電子線レジスト２２をスピンコートし、矢印で示した電子線２３によって、２次元配列のマスクパターンを描画する。このマスクパターンの直径ＤおよびピッチＰが、金属マスク２５の直径Ｄおよび配列ピッチＰとなる。次いで、図４（ｂ）に示すように、描画した円形の部分を現像により除去する。さらに、図４（ｃ）に示すように、Ｃｒ、Ａｌ等の金属２４を蒸着する。このとき、電子線レジスト２２が除去されて露出した基材２１の表面と、残存する電子線レジスト２２の上に、金属２４が蒸着される。最後に、リフトオフ法によって、電子線レジスト２２と共に電子線レジスト２２上の金属２４を除去する。これで、図４（ｄ）に示すように、基材２１上にのみ金属２４が残り、これが金属マスク２５となる。金属マスク２５が薄すぎると、金属マスク２５の直径があるうちに、厚さ方向のエッチングによって金属マスク２５が消滅して、基材２１の凸部が円錐ではなく円錐台になる。また、逆に金属マスク２５が厚すぎると、金属マスク２５の直径の減少速度が遅くなり、処理能率が低下する。金属マスク２５の縁の断面形状に制約はなく、図４（ｄ）に示したように、矩形になっていても良い。

次に、図５に示すようにＲＩＥにより基材２１への凹凸加工を行う。凹凸の間に傾斜を形成する原理としては、エッジ効果と呼ばれる現象を用いる。これは、反応性イオンエッチングにおいては、角張った部分に電場が集中して、その部分が選択的にエッチングされ易くなる、というものである。エッチングされ得る材料でマスクを形成する場合は、マスクの縁にもエッジ効果が現れる。マスクが処理対象物よりも遅い速度でエッチングされる場合のエッジ効果の様子を図５に模式的に示す。この場合は、処理対象物が相対的に高速でエッチングされるため、マスクの大きさは次第に減少していき、これに伴って、基材２１のエッチングは、深さ方向に加えて横方向に進行する。その結果、基材２１の凹部と凸部の間には傾斜面が現れる。以上のような方法で、基材上に微細な周期構造を形成している。

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００４−１０７７６５号公報

しかしながら、上記の製造方法では電子線描画、金属蒸着、ＲＩＥという３回の真空プロセスを必要とするため、工程が複雑になるという問題点を有していた。また、ＲＩＥはエッチングガスの直進性が低く、基材がランダムな方向からエッチングされるため、所望の形状を得るのが非常に困難である、という工程上の問題点を有していた。

そこで、本発明はこのような問題点を解決し、精度向上と工程の簡略化を図った微細周期構造を有する成形部品の製造方法の提供を目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は以下の構成を有する。

本発明は、特に、基材表面に、第一のマスクを配設する工程と、第一のマスク上に粒径の揃った微粒子からなる第二のマスクを配設する工程と、前記基材表面に対して加速された粒子ビームを照射し、基材をエッチングする工程からなることを特徴とするものである。

本発明によれば、第二のマスクに球状の微粒子を用いたため、簡易な工程でマスクの形成ができ、微粒子の粒径で周期間隔を高精度に制御することが可能になるとともに、基材と第二のマスクの間に第一のマスクを配設し、第二のマスクより第一のマスクとの化学反応性が高い粒子ビームをエッチングに用いることで、アスペクト比の大きい微細周期構造を持つマスクを形成することが可能になるため、基材が貴金属合金等の難エッチング材料でも、アスペクト比の大きい微細周期構造を有する成形部品を製造することができる。また、エッチングに粒子ビームを用いることで垂直性の高いエッチングが可能になる、という効果を奏するものである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１について図面を用いて説明する。

図１は微細周期構造を有する成形部品の製造工程図である。本実施の形態では、被処理基材として、表面にプラチナ（Ｐｔ）−イリジウム（Ｉｒ）合金薄膜を成膜したＷＣ焼結体からなる超硬材料を用い、その表面に微細周期構造を形成するものである。

まず、図１（ａ）に示す基材１上に、図１（ｂ）に示すように１．２μｍ程度の膜厚のＳｉＯ₂膜からなる第一のマスク２を成膜する。成膜にはスパッタ法等のＰＶＤ法（物理気相成長法）を用いることにより、基材１上に均一に第一のマスク２を形成することができる。次に、図１（ｃ）に示すように、直径が１５０ｎｍ程度のＡｕ微粒子３からなる第二のマスク４を設置する。本製造方法では、微粒子３の直径で微細周期構造の周期が決定する。微粒子３を基材１上に設置するプロセスとしては、例えば以下に示すようなディップコート法が用いられる。

Ａｕ微粒子３をエタノールやイソプロピルアルコール（ＩＰＡ）等に代表される有機溶媒からなるスラリー中に分散させる。次に、微粒子３を分散させた有機溶媒からなる液槽に、第一のマスク２が形成された基材１を浸漬させた後、基材１を一定速度で引き上げることにより、基材１上に微粒子３をアレイ状に設置することができる。次いで、アレイ状に微粒子３が設置された基材１を６０〜８０℃程度のオーブンに投入することにより、溶媒が揮発し、微粒子３のみを基材１上に設置することができる。スラリーとしては、上述したエタノール、ＩＰＡ以外にも、水や他の有機溶媒を用いてよい。微粒子３の設置プロセスとしては、上記のディッピング法に加えて、スピンコート法、スプレーコート法、またはバーコート法といった種々の公知のコート方法を用いることができる。

次に、図１（ｄ）に示すように、Ａｕ微粒子３を第二のマスク４として、基材１の表面に対して垂直な方向から高速原子ビーム５を照射して、第一のマスク２のエッチングを行う。

高速原子ビーム５は、中性粒子を照射するためチャージアップすることがなく、基材１が導電体、絶縁体どちらの場合でも同様に加工を行うことができる。また、ビームの直進性が非常に高いため、高アスペクト比の加工や、垂直性が必要とされる加工ができる。さらに、イオンビームではクーロン力によりビームが若干広がってしまうという欠点があるため、比較すると高速原子ビーム５はより微細で高精度な加工ができる。高速原子ビーム５のプロセスガスとしては、テトラフルオロカーボン（ＣＦ₄）を用いた。ＣＦ₄をプロセスガスとした高速原子ビーム５による、ＳｉＯ₂からなる第一のマスク２とＡｕからなる第二のマスク４とのエッチング量は、

であるため、ピッチ１５０ｎｍ、高さ１０５０ｎｍという、高アスペクト比の微細周期構造を有する第一のマスク４が形成できる。

次に、図１（ｅ）に示すように、第一のマスク２をマスクとして、基材１に垂直な方向から高速原子ビーム６を照射して、基材１のエッチングを行う。高速原子ビーム６のプロセスガスとしては、アルゴンガス（Ａｒ）を用いた。Ａｒガスを用いることにより、高速にスパッタエッチングを行うことが可能となる。第一のマスク２からなるマスクが除去されるまでエッチングを行うことにより、図１（ｆ）に示すように、表面に微細周期構造が形成された基材７が形成される。Ａｒガスをプロセスガスとした高速原子ビーム６による、ＳｉＯ₂からなる第一のマスク２と、表面にＰｔ−Ｉｒ合金薄膜を成膜した基材１とのエッチング量は、

であるため、ピッチ１５０ｎｍ、高さ６３０ｎｍという、可視光の中心波長よりも十分小さい周期で、アスペクト比が４以上大きい微細周期構造を有する成形部品７を作製することができる。

本実施の形態では、図１を用いて、基材１の表面が平面である場合の微細周期構造を有する成形部品の製造方法について説明したが、基材１の表面形状は平面に限定されるものではなく、例えば図２に示すように基材１の表面が曲面の場合でも同様に、微細周期構造を形成することが可能であり、曲面形状は用途に合わせて球面、非球面、自由曲面等を自由に選択することができる。

本実施の形態では、微粒子３の径は１５０ｎｍのものを用いたが、屈折率ｎ₂の光学素子に入射する光の波長をλとすると、微粒子３の直径ｋ（すなわち、微細周期構造の周期間隔）が、
ｋ≦λ／ｎ₂
の条件を満たす場合、反射防止効果が得られる。したがって、例えば光学素子の屈折率が１．５０であり、可視光に対する反射防止効果を得ようとした場合には、可視光の中心波長を６００ｎｍと考えると、
ｋ≦６００ｎｍ／１．５＝４００ｎｍ
となることから、４００ｎｍ以下の粒径の微粒子であれば、どのような大きさの微粒子でも良い。ただし、微細周期構造の凹凸の高さについては、高さが低ければ低いほど、光線の入射方向での屈折率の変化が急激になるため、十分な反射防止効果が得られなくなる場合がある。したがって、微粒子３の粒径が小さい場合には、第一のマスク２との選択比が高いものを選択すれば良い。

また、微粒子３として球状のものを用いた場合について説明したが、半球状の微粒子を用いても、平面部分が第一のマスク２の表面に接するように配設することで、同様の微細周期構造を得ることができる。さらに、三角錐、四角錐、円錐といった、錐体の微粒子を用いて加工した微細周期構造についても、平面部分が第一のマスク２の表面に接するように配設することで、同様の効果を得ることができるため、このような微粒子を用いても良い。

なお、本実施の形態においては、微粒子３の材料としてＡｕを用いたが、本材料に限らず、第一のマスク２とエッチングの選択比により種々の材料を選択することができる。例えば、ＣＦ₄をプロセスガスとした高速原子ビームにより、ＳｉＯ₂に対して選択比が３以上とれる材料としては、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｗ、Ｎｉ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、Ｃｕまたはこれらのうち少なくとも一つを含む合金が挙げられる。

また、本実施の形態においては、第一のマスク２の材料としてＳｉＯ₂を用いたが、本材料に限らず、第二のマスク４および基材１とエッチングの選択比により種々の材料を選択することができる。例えば、Ｓｉ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳＯＧ（ＳｐｉｎＯｎＧｌａｓｓ）等を用いることができる。特にＳＯＧは成膜に真空プロセスを必要とせず、スピンコート法等の公知のコーティング技術を用いて基材１上に成膜し、その後に８０℃程度のオーブンで加熱、もしくは紫外線照射することでＳＯＧが硬化し、ＳｉＯ₂を主成分とする第一のマスク２を形成することができるため、工程の簡略化が可能になる。

なお、本実施の形態においては、光学素子をプレス成形する金型表面のＰｔ−Ｉｒコーティングに微細周期構造を形成する方法について説明したが、コーティング膜種はＰｔ−Ｉｒ合金に限定されるものではなく、第一のマスク２との選択比を考慮することで、Ｎｉのような金属、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃といった酸化物、ＴｉＮ、ＣｒＮといった窒化物や、ＳｉＣといった炭化物、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等の様々なコーティング膜に用いることができる。

また、金型のコーティングへの加工のみに限定されるものではなく、ＷＣやＳｉＣ、グラッシーカーボンといった様々な金型材料や、各種光学ガラス、Ｓｉ、Ｇｅといった光学部品上に直接微細周期構造を形成する場合にも用いることができる。

さらに、本実施の形態においては、エッチングを行う粒子ビームとして高速原子線を用いたが、クラスターイオンビーム、イオンビームといった、他の高速粒子ビームを用いてもよい。クラスターイオンビームは、クラスター状の粒子により加工を行うため、エッチング速度が速いという特徴がある。また、イオンビームは従来からエッチングに用いられており、比較的装置が安価で、低コスト化を実現できるという特徴がある。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について図面を用いて説明する。

図３は微細周期構造を有するプレス成形用の成形部品（金型）を用いて、微細周期構造を有する光学素子を製造する工程図である。

８は微細周期構造を有する上金型、９は下金型、１０はガラスである。まず図３（ａ）に示すように、下金型９上に成形するガラス１０を設置する。その後に、ヒーター１１で上金型８および下金型９を加熱する。次に、上金型８および下金型９が、設置したガラス１０のガラス転移点以上の温度になったら、図３（ｂ）に示すように上金型８を下金型９の方に押し付けて、ガラス１０をプレスする。次いで、上金型８および下金型９を徐冷し、室温近くになったら上金型８および下金型９からガラス１０を取り出す。以上の工程により、図３（ｃ）に示すように、表面に微細周期構造が形成されたガラス製の光学素子１２を作製できる。この光学素子１２は、表面に波長以下の周期で、アスペクト比が２以上と大きい微細周期構造が表面に形成されているため、従来の誘電体薄膜による反射防止コート等を必要とせずに、従来以上の反射防止機能を持つ。この構造方法を用いて光学素子１２上に微細周期構造を形成することで、小型高性能なコンパクトデジタルカメラやモバイルカメラ等に代表される各種電子機器に用いる反射防止機能つきレンズの用途として有用である。

以上のように本発明の微細周期構造を有する成形部品の製造方法は、簡易な工程で高精度な微細周期構造を製造することが可能であり、各種電子機器に用いる反射防止機能つきレンズの用途として有用である。

本発明の実施の形態１における、平面上の微細周期構造を有する成形部品の製造工程図本発明の実施の形態１における、曲面上に微細周期構造を有する成形部品の製造工程図本発明の実施の形態２における、微細周期構造を有する光学素子の製造工程図従来の微細周期構造を有する成形部品の製造工程における、マスクの形成過程を示す工程図従来の微細周期構造を有する成形部品の製造工程における、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）の過程を示す工程図

符号の説明

１基材
２第一のマスク
３微粒子
４第二のマスク
５高速原子ビーム（ＣＦ₄）
６高速原子ビーム（Ａｒ）
７微細周期構造形成済み基材
８上金型
９下金型
１０ガラス
１１ヒーター
１２光学素子
２１基材
２２電子線レジスト
２３電子線
２４金属
２５金属マスク

Claims

基材表面に、第一のマスクを配設する工程と、第一のマスク上に微粒子からなる第二のマスクを配設する工程と、前記基材表面に対して、基材上の第二のマスクが消失するまで加速された粒子ビームを照射して第一のマスクをエッチングする工程と、第一のマスクが消失するまで加速された粒子ビームを照射して基材をエッチングする工程と、からなり、前記粒子ビームに対する、前記第一のマスクと前記第二のマスクのエッチング選択比が、

であることを特徴とする、微細周期構造を有する成形部品の製造方法。
第一のマスクのエッチングが主に化学反応および物理スパッタの相乗により進行し、前記基材のエッチングが主に物理スパッタにより進行することを特徴とする、請求項１に記載の微細周期構造を有する成形部品の製造方法。
微粒子が粒径の揃った球状または半球状、あるいは錘体であることを特徴とする、請求項２に記載の微細周期構造を有する成形部品の製造方法。
微粒子の粒径が、前記基材に入射する光の波長を前記基材の屈折率で割った値以下であることを特徴とする、請求項３に記載の微細周期構造を有する成形部品の製造方法。