JP6070720B2 - 光学素子作製用金型の製造方法、及び光学素子の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2012年12月13日に、日本に出願された特願2012−272227号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
光学素子を製造する方法としては、金型を用いて樹脂を成形する方法が広く採用されている。光学素子作製用の金型としては、母材の表面に、微細な凹凸を有する凹凸層が設けられたものが使用されている(特許文献1〜4)。
回折光の指向性を低下させるためには、微細な格子構造の凹凸をランダムな配置の凹凸にすればよい。しかし、ランダムな凹凸では、凹凸のピッチを調整できず、目的の光学的機能を得ることが困難である。
本発明は、回折光の指向性を低減できる光学素子を容易に作製でき、しかも凹凸のピッチを調整可能な光学素子作製用金型及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明は、回折光の指向性を低減できる光学素子を提供することを目的とする。
[1]母材と、前記母材の表面に形成された凹凸層とを備え、前記凹凸層の凹凸構造は、隣接する7つの凸部の中心点が正六角形の6つの頂点と対角線の交点となる位置関係で連続して整列しているエリアを複数備え、該複数のエリアの面積、形状および結晶方位がランダムである、光学素子作製用金型。
すなわち、母材と、前記母材の表面上に形成され、凹凸構造を有する凹凸層とを備え、前記凹凸構造は、隣接する7つの凸部の中心点が正六角形の6つの頂点と対角線の交点となる位置関係で連続して整列しているエリアを複数備え、前記複数のエリアの面積、形状および結晶方位がランダムである、光学素子作製用金型。
[2]前記凹凸層が、下記(A1)および(B)〜(D)の少なくとも1種を含む材料により形成されている、[1]に記載の光学素子作製用金型:
(A1)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ti、またはこれら元素を2種以上含む合金からなる金属、(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物、(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物、及び(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。
または、前記凹凸層が、下記(A)〜(D)の少なくとも1種を含む材料により形成されている、[1]に記載の光学素子作製用金型。
(A)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Ti、またはSi,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiを2種以上含む合金からなる金属、(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物、(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物、(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。
[3]前記母材の前記表面は、平板状である[1]または[2]に記載の光学素子作成用金型。
[4]前記母材の前記表面は、凹曲面または凸曲面を有する[1]または[2]に記載の光学素子作成用金型。
[5]母材の表面に無機膜を製膜する製膜工程と、前記無機膜の表面に、複数の粒子を単一層で配列させる粒子配列工程と、前記複数の粒子をエッチングマスクとして前記無機膜をドライエッチングするエッチング工程と、を有する、光学素子作製用金型の製造方法。
[6]粒子配列工程は、水の液面上に単粒子膜を形成する単粒子膜形成工程と、前記単粒子膜を、前記無機膜の表面に移行させる移行工程とを有する、[5]に記載の光学素子作製用金型の製造方法。
[7]前記無機膜を、下記(A1)および(B)〜(D)の少なくとも1種を含む材料により形成されている、[4]または[5]に記載の光学素子作製用金型の製造方法:
(A1)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ti、またはSi,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiを2種以上含む合金からなる金属、(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物、(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。
または、前記無機膜を、下記(A)〜(D)の少なくとも1種を含む材料により形成する、[5]または[6]に記載の光学素子作製用金型の製造方法。
(A)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Ti、またはこれら元素を2種以上含む合金からなる金属(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。
[8][1]〜[4]のいずれか一項に記載の光学素子作製用金型を用いたナノインプリントまたは射出成形によって作製された光学素子。
本発明の光学素子によれば、回折光の指向性を低減できる。
<光学素子作製用金型>
本発明の光学素子作製用金型(以下、「金型」と略す。)の一実施形態を示す。
図1に、本実施形態の金型を示す。本実施形態の金型10は、表面11aが平面の板状体からなる母材11と、母材11の表面11aに設けられた凹凸層12とを備える。
母材11の材質としては特に制限されず、例えば、鉄、ステンレス、ニッケル、アルミニウム、クロム、銅、モリブデン、コバルト、タングステン、チタン、タングステンカーバイド、サーメット等を用いることができる。母材11の表面11aの面積は、該金型によって作製する光学素子の面積に応じて適宜選択される。母材11の厚さは、金型10としての強度を保持できれば特に限定されないが、たとえば0.1mm〜100mmであってよく、好ましくは0.3mm〜10mmである。
凹凸層12は、光学素子の材料と接する面が凹凸面12aとされた層である。本実施形態では、多数の円錐形の凸部En(nは1以上の正数)を有している。
凹凸層12は、硬度が高く、製膜性に優れることから、下記(A)〜(D)の少なくとも1種を含む材料により形成されていることが好ましい。
(A)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Ti、またはこれら元素を2種以上含む合金からなる金属。合金の場合、例えば、Cr−Mo、Cr−W、Ni−Mo、Ni−W、Ni−Ti、Ni−Cr、Ni−Cr−Mo、Ti−Ta、Ti−W、W−Mo等が挙げられる。
(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物。前記金属酸化物としては、SiO2、Cr2O3、MoO3、WO3、Ta2O5、NiO、TiO2等が挙げられる。
(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物。該金属窒化物としては、例えば、SiN、TiN、CrN、TaN(Ti、Cr)N、WN等が挙げられる。
(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。該金属炭化物としては、例えば、SiC,WC、TiC、Cr3C2等が挙げられる。
これらのうちでも、より製膜しやすいことから、Cr、Mo、W、Ti、Ta、SiO2、TiO2、SiN、TiN、SiC、WCが好ましい。
(A1)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ti、またはSi,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiを2種以上含む合金からなる金属。合金の場合、例えば、Cr−Mo、Cr−W、Ni−Mo、Ni−W、Ni−Ti、Ni−Cr、Ni−Cr−Mo、Ti−Ta、Ti−W、W−Mo等が挙げられる。
(B)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物。前記金属酸化物としては、SiO2、Cr2O3、MoO3、WO3、Ta2O5、NiO、TiO2等が挙げられる。
(C)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物。該金属窒化物としては、例えば、SiN、TiN、CrN、TaN(Ti、Cr)N、WN等が挙げられる。
(D)Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。該金属炭化物としては、例えば、SiC,WC、TiC、Cr3C2等が挙げられる。
これらのうちでも、より製膜しやすいことから、Cr、Mo、W、Ti、Ta、SiO2、TiO2、SiN、TiN、SiC、WCが好ましい。また後述するエッチング工程に用いられるエッチングガスに対するエッチング速度の観点から、Cr、W、SiN、TiN、SiCであることがさらに好ましい。
凹凸面における凸部Enの最頻ピッチPは、具体的には次のようにして求められる。
まず、凹凸面12aにおける無作為に選択された領域で、一辺が最頻ピッチPの30〜40倍の正方形の領域について、AFMイメージを得る。例えば、最頻ピッチが300nm程度の場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。そして、このイメージをフーリエ変換により波形分離し、FFT像(高速フーリエ変換像)を得る。次いで、FFT像のプロファイルにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における最頻ピッチPである。このような処理を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチを求める。こうして得られた25カ所以上の領域における最頻ピッチP1〜P25の平均値が最頻ピッチPである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、より好ましくは5mm〜1cm離れて選択される。
ここで、アスペクト比は、最頻高さH/最頻ピッチPで求められる値である。
最頻高さHは、具体的には次のようにして求められる。
まず、AFMイメージから、任意の方向と位置における長さ1mmの線に沿った凸部Enの頂点を通り、基板に垂直な断面、即ち図2のような断面を得る。この断面の凸部Enが30個以上含まれる任意の部分を抽出し、その中に含まれる各凸部Enについて、その頂点の高さと、当該凸部Enに隣接する凸部Enとの間の平坦部における最も低い位置の高さとの差を求め、得られた値を有効桁数2桁で丸め各凸部Enの高さとし、その最頻値を最頻高さHとする。
該金型によって有機ELや薄膜デバイスに用いる回折格子を製造する場合、凸部の最頻高さHは、10nm〜500nmの間であることが好ましく、15nm〜150nmであることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、有機ELや薄膜デバイスの光取り出し効率が向上するという効果が得られる。また、該金型によって可視光を対象とする反射防止体を製造する場合、凸部の最頻高さHは、25nm〜1200nmの間であることが好ましく、120nm〜500nmであることが更に好ましい。また、該金型によって赤外光を対象とする反射防止体を製造する場合、凸部の最頻高さHは、250nm〜10000nmの間であることが好ましく、750nm〜10000nm〜であることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、反射防止性能が向上するという効果が得られる。
隣接する7つの凸部の中心点が正六角形の6つの頂点と対角線の交点となる位置関係とは、具体的には、以下の条件を満たす関係をいう。
まず、1つの中心点t1(図2参照)から、隣接する中心点t2の方向に長さが最頻ピッチPと等しい長さの線分L1を引く。次いで中心点t1から、線分L1に対して、60゜、120゜、180゜、240゜、300゜の各方向に、最頻ピッチPと等しい長さの線分L2〜L6を引く。中心点t1に隣接する6つの中心点が、中心点t1と反対側における各線分L1〜L6の終点から、各々最頻ピッチPの15%以内の範囲にあれば、これら7つの中心点は、正六角形の6つの頂点と対角線の交点となる位置関係にある。
最頻ピッチPが500nm未満の時、10mm×10mmのAFMイメージ測定範囲内における最頻面積Qは、0.026μm2〜6.5mm2であることが好ましい。
最頻ピッチPが500nm以上1μm未満の時、10mm×10mmのAFMイメージ測定範囲内における最頻面積Qは、0.65μm2〜26mm2であることが好ましい。
最頻ピッチPが1μm以上の時、50mm×50mmのAFMイメージ測定範囲内における最頻面積Qは、2.6μm2〜650mm2であることが好ましい。
最頻面積Qが好ましい範囲内であれば、光のカラーシフトをより抑制しやすい。
面積のランダム性の度合いは、具体的には、以下の条件を満たすことが好ましい。
まず、ひとつのエリアの境界線が外接する最大面積の楕円を描き、その楕円を下記式(α)で表す。
X2/a2+Y2/b2=1・・・・・・(α)
最頻ピッチPが500nm未満の時、10mm×10mmのAFMイメージ測定範囲内におけるπabの標準偏差は、0.08μm2以上であることが好ましい。
最頻ピッチPが500nm以上1000nm未満の時、10mm×10mmのAFMイメージ測定範囲内におけるπabの標準偏差は、1.95μm2以上であることが好ましい。
最頻ピッチPが1000nm以上の時、50mm×50mmのAFMイメージ測定範囲内におけるπabの標準偏差は、8.58μm2以上であることが好ましい。
πabの標準偏差が好ましい範囲内であれば、回折光の平均化の効果が優れる。
また各エリアC1〜Cnの結晶方位のランダム性は、具体的には、以下の条件を満たすことが好ましい。
まず、任意のエリア(I)における任意の隣接する2つの凸部の中心点を結ぶ直線K0を画く。次に、該エリア(I)に隣接する1つのエリア(II)を選択し、そのエリア(II)における任意の凸部と、その凸部に隣接する6つの凸部の中心点を結ぶ6本の直線K1〜K6を画く。直線K1〜K6が、直線K0に対して、いずれも3度以上異なる角度である場合、エリア(I)とエリア(II)との結晶方位が異なる、と定義する。
エリア(I)に隣接するエリアの内、結晶方位がエリア(I)の結晶方位と異なるエリアが2以上存在することが好ましく、3以上存在することが好ましく、5以上存在することがさらに好ましい。
上記光学素子作製用金型10を構成する凹凸層12の凹凸は、適度にランダムになっている。そのため、回折光が生じるような微細なピッチの凹凸を設けるにもかかわらず、回折光の指向性を低下させることができ、カラーシフトを抑制することができる。
また、凹凸層12の凹凸は、完全なランダムなものではなく、各エリアC1〜Cnの範囲内では一定の秩序を有している。そのため、凹凸のピッチを容易に調整でき、目的の光学的機能を容易に得ることができる。
上記金型10の製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態の製造方法は、製膜工程と粒子配列工程とエッチング工程とを有する。
製膜工程は、母材11の表面11aに後に凹凸層12となる無機膜を製膜する工程である。
製膜工程における無機膜の製膜方法としては、スパッタリングや真空蒸着等の物理気相蒸着法(PVD法)、化学気相蒸着法(CVD法)、めっき法(電解、無電解)のいずれであってもよいが、製膜性の点から、スパッタリングが好ましい。構造的な特徴として、スパッタリングで成膜した無機膜は、CVD法やめっき法で成膜した場合と比較して母材との密着強度が強い特徴がある。CVD法で成膜した無機膜は、スパッタリングやめっき法で成膜した場合と比較して成膜の結晶性が良好な特徴がある。めっき法で成膜した無機膜は、スパッタリングやCVD法で成膜した場合と比較して緻密な層形成が可能という特徴がある。
スパッタリングによる無機膜の製膜方法としては、該製造方法によって形成する凹凸層12と同じ成分のターゲットに、アルゴンガス等の不活性ガスを衝突させ、これによりターゲットから飛び出した原子を表面11aに堆積させる方法を適用することができる。
凹凸層12を、前記(B)の酸化物または前記(C)の窒化物により形成する場合には、スパッタリングの方法として、酸素および窒素の少なくとも一方を含む雰囲気中、Si,Cr,Mo,W,Ta,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むターゲットに不活性ガスを衝突させ、これによりターゲットから飛び出した前記元素と雰囲気中の酸素および窒素原子の少なくとも一方とを表面11aに堆積させることができる。
また、凹凸層12を、前記(B1)の酸化物または前記(C1)の窒化物により形成する場合には、スパッタリングの方法として、酸素および窒素の少なくとも一方を含む雰囲気中、Si,Cr,Mo,W,Ta,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素を含むターゲットに不活性ガスを衝突させ、これによりターゲットから飛び出した前記元素と雰囲気中の酸素および窒素原子の少なくとも一方とを表面11aに堆積させることができる。
この場合、雰囲気中の酸素の濃度によって、無機膜中の酸素原子含有量を調整できる。また、雰囲気中の窒素の濃度によって、無機膜中の窒素原子含有量を調整できる。
スパッタリング条件としては特に制限されないが、通常は、温度を25.0℃〜250℃とし、絶対圧力を0.1Pa〜3.0Paとする。
また、スパッタリングにおいては、無機膜の厚さが0.1μm〜10.0μmとなるように、スパッタリング時間を調整する。
粒子配列工程は、製膜工程で得た無機膜の表面に、複数の粒子を単一層で配列させる工程である。
本実施形態における粒子配列工程は、いわゆるラングミュア−ブロジェット法(LB法)の考え方を利用した方法により行う。具体的に、本実施形態における粒子配列工程は、滴下工程と単粒子膜形成工程と移行工程と必要に応じて固定工程とを有して、単粒子膜をマスクとして無機膜上に配置する。
滴下工程は、水槽内の水の液面に水よりも比重が小さい溶剤中に粒子が分散した分散液を滴下する工程である。
単粒子膜形成工程は、溶剤を揮発させることにより前記粒子からなる単粒子膜を水の液面上に形成する工程である。
移行工程は、前記単粒子膜を無機膜に移行させる工程である。
固定工程は、移行した単粒子膜を無機膜に固定する工程である。
以下、各工程を具体的に説明する。
まず、水よりも比重が小さい溶剤中に、粒子Mを加えて分散液を調製する。一方、水槽(トラフ)を用意し、これに、その液面上で粒子Mを展開させるための水(以下、下層水という場合もある。)を入れる。
粒子Mは、表面が疎水性であることが好ましい。また、溶剤としても疎水性のものを選択することが好ましい。疎水性の粒子Mおよび溶剤と下層水とを組み合わせることによって、後述するように、粒子Mの自己組織化が進行し、2次元的に最密充填した単粒子膜が形成される。
これらのうちで、粒子Mの材料は、無機粒子であることが好ましい。無機粒子を形成する材料は、例えば、無機酸化物、無機窒化物、無機硼化物、無機硫化物、無機セレン化物、金属化合物、金属からなる群から選択される少なくとも1種類である。
溶剤は、また、高い揮発性を有することも重要である。揮発性が高く疎水性である溶剤としては、クロロホルム、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、エチルエチルケトン、メチルイソブチルケトン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの1種以上からなる揮発性有機溶剤が挙げられる。
粒子Mの疎水化は、特開2009−162831号公報に記載された疎水化剤と同様の界面活性剤、金属アルコキシシランなどを用い、同様の方法で行うことができる。
下層水に滴下する分散液の粒子濃度は、分散液全体に対して1質量%〜10質量%とすることが好ましい。また、滴下速度を0.001ml/秒〜0.01ml/秒とすることが好ましい。分散液中の粒子Mの濃度や滴下量がこのような範囲であると、粒子が部分的にクラスター状に凝集して2層以上となる、粒子が存在しない欠陥箇所が生じる、粒子間のピッチが広がるなどの傾向が抑制され、各粒子が高精度で2次元に最密充填した単粒子膜がより得られやすい。
特に、例えばコロイダルシリカのように、球形であって粒径の均一性も高い粒子Mが、水面上に浮いた状態で3つ集まり接触すると、粒子群の喫水線の合計長を最小にするように表面張力が作用し、図4に示すように、3つの粒子Mは図中Tで示す正三角形を基本とする配置で安定化する。
また、超音波の周波数には特に制限はないが、例えば28kHz〜5MHzが好ましく、より好ましくは700kHz〜2MHzである。振動数が高すぎると、水分子のエネルギー吸収が始まり、水面から水蒸気または水滴が立ち上る現象が起きるため好ましくない。一方、振動数が低すぎると、下層水中のキャビテーション半径が大きくなり、水中に泡が発生して水面に向かって浮上してくる。このような泡が単粒子膜の下に集積すると、水面の平坦性が失われるため不都合である。
超音波照射によって水面に定常波が発生する。いずれの周波数でも出力が高すぎたり、超音波振動子と発信機のチューニング条件によって水面の波高が高くなりすぎたりすると、単粒子膜が水面波で破壊されるため注意が必要である。
超音波照射によって得られる利点は粒子の最密充填化(ランダム配列を6方最密化する)の他に、ナノ粒子の分散液調製時に発生しやすい粒子の軟凝集体を破壊する効果、一度発生した点欠陥、線欠陥、または結晶転位(粒子配列の乱れから生じる単位格子の局所的な歪み)などもある程度修復する効果がある。
D[%]=|B−A|×100/A・・・(1)
但し、式(1)中、Aは粒子Mの平均粒径、Bは粒子M間の最頻ピッチである。また、|B−A|はAとBとの差の絶対値を示す。
ずれDは、10%以下であることがより好ましく、1.0%〜3.0%であることがさらに好ましい。
一方、粒子M間のピッチとは、隣り合う2つの粒子Mの頂点と頂点の距離であり、最頻ピッチBとはこれらの最頻値である。なお、粒子Mが球形で隙間なく接していれば、隣り合う粒子Mの頂点と頂点との距離は、隣り合う粒子Mの中心と中心の距離と等しい。
まず、単粒子膜における無作為に選択された領域で、一辺が粒子M間の最頻ピッチBの30〜40倍の正方形の領域について、原子間力顕微鏡イメージを得る。例えば粒径300nmの粒子Mを用いた単粒子膜の場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。そして、このイメージをフーリエ変換により波形分離し、FFT像(高速フーリエ変換像)を得る。次いで、FFT像のプロファイルにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における最頻ピッチB1である。このような処理を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチB1〜B25を求める。こうして得られた25カ所以上の領域における最頻ピッチB1〜B25の平均値が式(1)における最頻ピッチBである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、より好ましくは5mm〜1cm離れて選択される。
また、この際、FFT像のプロファイルにおける1次ピークの面積から、各イメージについて、その中の粒子M間のピッチのばらつきを評価することもできる。
配列のずれD(%)を15%以下とするために、粒子Mの粒径の変動係数(標準偏差を平均値で除した値)は、0.1%〜20%であることが好ましく、0.1%〜10%であることがより好ましく、0.1〜5.0%であることがさらに好ましい。
単粒子膜形成工程により液面上に形成された単粒子膜を、次いで、単層状態のまま無機膜に移し取る(移行工程)。
単粒子膜を無機膜に移し取る具体的な方法には特に制限はなく、例えば、母材に設けた無機膜の表面を単粒子膜に対して略垂直な状態に保ちつつ、上方から降下させて単粒子膜に接触させ、ともに疎水性である単粒子膜と無機膜との親和力により、単粒子膜を無機膜に移行させ、移し取る方法;単粒子膜を形成する前にあらかじめ水槽の下層水内に、母材に設けた無機膜を略垂直方向に配置しておき、単粒子膜を液面上に形成した後に液面を徐々に降下させることにより、無機膜に単粒子膜を移し取る方法などがある。
上記各方法によっても、特別な装置を使用せずに単粒子膜を無機膜に移し取ることができるが、より大面積の単粒子膜であっても、その2次的な最密充填状態を維持したまま無機膜に移し取りやすい点で、以降工程においては、いわゆるLBトラフ法を採用することが好ましい(Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001)、Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268 (2002)など参照。)
この方法では、水槽V内の下層水Wに、母材11に無機膜12bを設けた被加工体Sを、無機膜12bの表面が略鉛直方向になるようにあらかじめ浸漬しておき、その状態で上述の滴下工程と単粒子膜形成工程とを行い、単粒子膜Fを形成する(図5A)。そして、単粒子膜形成工程後に、被加工体Sを、無機膜12bの表面が鉛直方向のまま上方に引き上げることによって、単粒子膜Fを無機膜12bの表面に移し取ることができる(図5B)。
なお、この図では、被加工体Sの両端面に単粒子膜Fを移し取る状態を示しているが、凹凸構造は、被加工体Sの一方の端面Xのみに形成すればよい。被加工体Sの一方の端面Xと反対側の面(裏面)を厚板で遮蔽することによって、端面X側から裏面への粒子Mの回り込みを防止した状態で端面Xのみに単粒子膜Fを移し取れば、より精密に単粒子膜Fを移し取れるので好ましい。しかし、両面に移し取っても何ら差し支えない。
移行工程により、無機膜12bに粒子Mの単粒子膜Fを移行させることができるが、移行工程の後には、移行した単粒子膜Fを無機膜12bに固定するための固定工程を行ってもよい。移行工程だけでは、エッチング工程中に粒子Mが無機膜12b上を移動してしまう可能性がある。
単粒子膜を無機膜12bに固定する固定工程を行うことによって、粒子Mが無機膜12b上を移動してしまう可能性が抑えられ、より安定かつ高精度にエッチングすることができる。
バインダーを使用する方法では、単粒子膜が形成された無機膜12bにバインダー溶液を供給して単粒子膜を構成する粒子Mと無機膜12bとの間にこれを浸透させる。
バインダーの使用量は、単粒子膜の質量の0.001〜0.02倍が好ましい。このような範囲であれば、バインダーが多すぎて粒子M間にバインダーが詰まってしまい、単粒子膜の精度に悪影響を与えるという問題を生じることなく、充分に粒子を固定することができる。バインダー溶液を多く供給してしまった場合には、バインダー溶液が浸透した後に、スピンコーターを使用したり、被加工体を傾けたりして、バインダー溶液の余剰分を除去すればよい。
バインダーとしては、先に疎水化剤として例示した金属アルコキシシランや一般の有機バインダー、無機バインダーなどを使用でき、バインダー溶液が浸透した後には、バインダーの種類に応じて、適宜加熱処理を行えばよい。金属アルコキシシランをバインダーとして使用する場合には、40℃〜80℃で3分間〜60分間の条件で加熱処理することが好ましい。
また、加熱を空気中で行うと、無機膜や各粒子Mが酸化する可能性があるため、焼結法を採用する場合には、このような酸化の可能性を考慮して、条件を設定することが好ましい。
エッチング工程は、複数の粒子Mをエッチングマスクとして無機膜をドライエッチングする工程である。
エッチング工程では、まず、図6Aに示すように、単粒子膜Fを構成している各粒子Mの隙間をエッチングガスが通り抜けて無機膜12bの表面に到達し、その部分に溝が形成され、各粒子Mに対応する位置にそれぞれ円柱12cが現れる。引き続きエッチングを続けると、各円柱12c上の粒子Mも徐々にエッチングされて小さくなり、同時に、無機膜12bの溝もさらに深くなっていく(図6B)。そして、最終的には各粒子Mはエッチングにより消失し、無機膜12bの片面に多数の円錐状の凸部Enが形成される(図6C)。
D'[%]=|C−A|×100/A・・・(2)
ただし、式(2)中、Aは使用した単粒子膜エッチングマスクを構成する粒子の平均粒径である。
上記製膜工程と粒子配列工程とエッチング工程とを有する光学素子作製用金型の製造方法によれば、複数のエリアの面積、形状および結晶方位がランダムな凹凸が形成された金型を製造できる。
また、上記製造方法は、電鋳によって凹凸を転写させる方法ではなく、母材の表面に設けた無機膜に凹凸を直接形成する方法であるため、金型の製造を簡略化できる。また、上記製造方法によれば、射出成形の金型表面にも微細な凹凸を形成することができ、両面に凹凸が形成された板状の光学素子を製造することも可能である。
上記金型を用いた光学素子の製造方法としては、ナノインプリント法、プレス成形法、射出成形法、電鋳法等を適用することができる。これらの方法を適用すれば、高精度に周期格子構造が形成されて視野角制限機能の発現に好適な形状転写体(複製品)を再現性良く、大量に生産することができる。
上記光学素子の製造方法の中でも、微細な凹凸の転写に特に適していることから、ナノインプリント法、射出成形法が好ましい。
(a)金型10の凹凸面12aに、未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂を塗布する工程と、活性エネルギー線を照射して前記硬化性樹脂を硬化させた後、硬化した塗膜を金型10から剥離する工程とを有する方法(光インプリント法)。ここで、活性エネルギー線とは、通常、紫外線または電子線のことであるが、本明細書においては、可視光線、X線、イオン線等も含むものとする。
(b)金型10の凹凸面12aに、未硬化の液状熱硬化性樹脂、または未硬化の液状無機材料を塗布する工程と、加熱して前記液状熱硬化性樹脂または液状無機材料を硬化させた後、硬化した塗膜を金型10から剥離する工程とを有する方法。
(c)金型10の凹凸面12aに、シート状の熱可塑性樹脂を接触させる工程と、該シート状の熱可塑性樹脂を凹凸面12aに押圧しながら加熱して軟化させた後、冷却する工程と、その冷却したシート状の熱可塑性樹脂を金型10から剥離する工程とを有する方法(熱インプリント法)。
(a)の方法の具体例について説明する。まずシート状の金型10の凹凸面12aに、未硬化の液状活性エネルギー線硬化性樹脂を厚さ0.5μm〜20μm、好ましくは1.0μm〜10μm塗布する。
次いで、該硬化性樹脂を塗布した金型10を、一対のロール間に通すことにより押圧して、前記硬化性樹脂を金型10の凹凸内部に充填する。その後、活性エネルギー線照射装置により活性エネルギー線を10mJ〜5000mJ、好ましくは100mJ〜2000mJ照射して、硬化性樹脂を架橋および/または硬化させる。そして、硬化後の活性エネルギー線硬化性樹脂を金型10から剥離させることにより、光学素子を製造することができる。
未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂としては、エポキシアクリレート、エポキシ化油アクリレート、ウレタンアクリレート、不飽和ポリエステル、ポリエステルアクリレート、ポリエーテルアクリレート、ビニル/アクリレート、ポリエン/アクリレート、シリコンアクリレート、ポリブタジエン、ポリスチリルメチルメタクリレート等のプレポリマー、脂肪族アクリレート、脂環式アクリレート、芳香族アクリレート、水酸基含有アクリレート、アリル基含有アクリレート、グリシジル基含有アクリレート、カルボキシ基含有アクリレート、ハロゲン含有アクリレート等のモノマーの中から選ばれる1種類以上の成分を含有するものが挙げられる。未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂は、酢酸エチルやメチルエチルケトン、トルエンなどの溶媒等で適宜希釈して使用することが好ましい。
また、未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂には、フッ素樹脂、シリコーン樹脂等を添加してもよい。
未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂を紫外線により硬化する場合には、未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂にアセトフェノン類、ベンゾフェノン類等の光重合開始剤を添加することが好ましい。
また、未硬化の活性エネルギー線硬化性樹脂には、硬化後の硬度を上昇させる目的で、多官能(メタ)アクリレートモノマーおよびオリゴマーの少なくとも一方を使用してもよい。また、反応性無機酸化物粒子および/または反応性有機粒子を含有してもよい。
(c)の方法において、熱可塑性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、ポリオレフィン、ポリエステル等が挙げられる。
シート状の熱可塑性樹脂を2次工程用成形物に押圧する際の圧力は1MPa〜100MPaであることが好ましい。押圧時の圧力が1MPa以上であれば、凹凸を高い精度で転写させることができ、100MPa以下であれば、過剰な加圧を防ぐことができる。
熱可塑性樹脂の特性に応じて加熱条件を適宜に定めることができ、加熱温度が120℃〜200℃、押圧時間が1分〜5分であることが好ましい。
加熱後の冷却温度としては、凹凸を高い精度で転写させることができることから、熱可塑性樹脂のガラス転移温度未満であることが好ましい。
具体的に、射出成形法による光学素子の作製方法では、まず、射出成形用金型を取り付けた射出成形機を用い、熱可塑性樹脂を溶融させる。次いで、その溶融させた熱可塑性樹脂を射出成形用金型のキャビティ内に高圧で射出流入させた後、射出成形用金型を冷却する。そして、射出成形用金型を開いて、得られた光学素子を取り出す。
射出成形法で成形する熱可塑性樹脂としては、上記熱インプリント法で使用する熱可塑性樹脂と同様のものを使用することができる。
上述の方法で形成された光学素子が回折格子である場合、少なくとも光が外部へと射出する面に金型10に対応する凹凸を有する光射出面を有する。
用途としては、光学素子が回折格子である場合、有機EL照明等の基板として使用される。また、光学素子が反射防止体である場合、光学機器に使用されるレンズや画像表示装置の全面版として使用される。
該金型によって製造した光学素子を有機ELや薄膜デバイスに用いる回折格子として使用する場合、凸部の最頻高さHは、10nm〜500nmの間であることが好ましく、15nm〜150nmであることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、有機ELや薄膜デバイスの光取り出し効率が向上するという効果が得られる。また、該金型によって製造した光学素子を可視光を対象とする反射防止体に使用する場合、凸部の最頻高さHは、25nm〜1200nmの間であることが好ましく、120nm〜500nmであることが更に好ましい。また、該金型によって製造した光学素子を赤外光を対象とする反射防止体に使用する場合、凸部の最頻高さHは、250nm〜10000nmの間であることが好ましく、750nm〜10000nmであることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、反射防止性能が向上するという効果が得られる。
上記光学素子の凹凸は、適度にランダムになっている。そのため、回折光が生じるような微細なピッチの凹凸を設けるにもかかわらず、回折光の指向性を低下させることができ、カラーシフトを抑制することができる。
また、光学素子の凹凸は、完全なランダムなものではなく、金型10の各エリアC1〜Cnに対応する範囲内では一定の秩序を有している。そのため、光学素子の凹凸のピッチを容易に調整でき、目的の光学的機能を容易に得ることができる。
第1の実施形態では母材11の形状は平面の板状体であった。本実施形態における金型20Aは、凸曲面を有する母材21A含む。本実施形態における金型20Bは、凹曲面を有する母材21B含む。以下、図9〜図13を参照して、本実施形態を詳細に説明する。
本実施形態の金型20Aは、図9に示すように表面23Aが凸曲面を有する母材21Aと、母材21Aの表面23Aに設けられた凹凸層22Aとを備える。
本実施形態の金型20Bは、図10に示すように表面23Bが凹曲面を有する母材21Bと、母材21Bの表面23Aに設けられた凹凸層22Bとを備える。
母材21Aおよび21Bの材質としては特に制限されず、例えば、第1の実施形態に記載の材料を用いることができる。
表面23Aの形状は、例えば、母材21Aの表面をプレス法、切削および研磨法などの方法により加工することで得られる。
表面23Aと反対に位置する表面24Aは、平坦面であってもよい。
表面23Bと反対に位置する表面24Bは、平坦面であってもよい。
表面23Bの形状は、表面23Aと同様にプレス法、切削および研磨法などの方法により母材21Bの表面を加工することで得られる。
凹凸層22Aは、光学素子の材料と接する面が凹凸面25Aとされた層である。凹凸層22Bは、光学素子の材料と接する面が凹凸面25Bとされた層である。凹凸層22Aおよび22Bは、凸曲面または凹曲面を有する表面23Aまたは23Bに形成されているという点を除いては、第1実施形態に記載の凹凸層12と同じである。
図9および図10に示すように、凸曲面または凹曲面を有する表面23Aまたは23Bの曲率が面積に対して相対的に大きい場合、表面に形成される凹凸面25Aまたは25Bの凹部および凸部の軸方向は、表面23Aまたは23Bの法線方向に近くなる。
反対に、図12および図13に示すように、凸曲面または凹曲面を有する表面23Aまたは23Bの曲率が面積に対して相対的に小さい場合、表面に形成される凹凸面25Aまたは25Bの凹部および凸部の軸方向は、表面24Aまたは表面24B(凹凸層22Aまたは22Bが表面24Aまたは24Bと接する面)に垂直な方向に近くなる。
本実施形態の光学素子作製用金型20Aおよび20Bは、後述する凹凸層22Aおよび22Bの作成方法により形成することにより、母材21Aおよび21Bのように表面に凹凸を有する場合においても凹凸のピッチを容易に調整でき、目的の光学的機能を容易に得ることができる。そのため、回折光が生じるような微細なピッチの凹凸を設けるにもかかわらず、回折光の指向性を低下させることができ、カラーシフトを抑制することができる。
上記金型20Aおよび20Bの製造方法の一実施形態について説明する。
本実施形態の製造方法は、第1の実施形態と同様に製膜工程と粒子配列工程とエッチング工程とを有する。第1の実施形態と同じ工程については、説明を省略する。なお、以下の説明においては、一例として金型20Aを作成する方法について説明する。
製膜工程は、母材21Aの表面23Aに後に凹凸層22Aとなる無機膜を製膜する工程である。
製膜工程における無機膜の製膜方法としては、スパッタリングや真空蒸着等の物理気相蒸着法(PVD法)、化学気相蒸着法(CVD法)、めっき法(電解、無電解)のいずれであってもよいが、凸面を有する表面23Aに対する製膜性の点から、スパッタリングが好ましい。
成膜工程におけるその他の条件については、第1の実施形態と同じである。
粒子配列工程および固定工程についても、第1の実施形態と同じである。
エッチング工程は、複数の粒子Mをエッチングマスクとして無機膜をドライエッチングする工程である。エッチング工程の具体的な方法は、第1の実施形態と同じである。
エッチング工程では、まず、図11Aに示すように、単粒子膜Fを構成している各粒子Mの隙間をエッチングガスが通り抜けて無機膜12bの表面に到達し、その部分に溝が形成され、各粒子Mに対応する位置にそれぞれ円柱12cが現れる。引き続きエッチングを続けると、各円柱12c上の粒子Mも徐々にエッチングされて小さくなり、同時に、無機膜12bの溝もさらに深くなっていく(図11B)。そして、最終的には各粒子Mはエッチングにより消失し、無機膜12bの片面に多数の円錐状の凸部Enが形成される(図11C)。
上記製膜工程と粒子配列工程とエッチング工程とを有する光学素子作製用金型の製造方法によれば、複数のエリアの面積、形状および結晶方位がランダムな凹凸が形成された金型を製造できる。
また、上記製造方法は、電鋳によって凹凸を転写させる方法ではなく、母材の表面に設けた無機膜に凹凸を直接形成する方法であるため、金型の製造を簡略化できる。また、上記製造方法によれば、射出成形の金型表面にも微細な凹凸を形成することができ、両面に凹凸が形成された板状の光学素子を製造することも可能である。
さらに上記製造方法では、粒子Mをエッチングマスクとして用いるため、母材21Aおよび21Bのように表面に凹凸を有する場合においても、エッチングマスクの厚さをほぼ一定とすることができる。よって、凹凸層における凹凸のピッチを目的とする値に調整できる。
上記金型を用いた光学素子の製造方法としては、ナノインプリント法、プレス成形法、射出成形法、電鋳法等を適用することができる。これらの方法を適用すれば、高精度に周期格子構造が形成されて視野角制限機能の発現に好適な形状転写体(複製品)を再現性良く、大量に生産することができる。
上記光学素子の製造方法の中でも、微細な凹凸の転写に特に適していることから、ナノインプリント法、射出成形法が好ましい。
該金型によって有機ELや薄膜デバイスに用いる回折格子を製造する場合、凸部の最頻高さHは、10nm〜500nmの間であることが好ましく、15nm〜150nmであることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、有機ELや薄膜デバイスの光取り出し効率が向上するという効果が得られる。また、該金型によって可視光を対象とする反射防止体を製造する場合、凸部の最頻高さHは、25nm〜1200nmの間であることが好ましく、120nm〜500nmであることが更に好ましい。また、該金型によって赤外光を対象とする反射防止体を製造する場合、凸部の最頻高さHは、250nm〜10000nmの間であることが好ましく、750nm〜10000nmであることが更に好ましい。最頻高さHが好ましい範囲内であれば、反射防止性能が向上するという効果が得られる。
上記光学素子の凹凸は、適度にランダムになっている。そのため、回折光が生じるような微細なピッチの凹凸を設けるにもかかわらず、回折光の指向性を低下させることができ、カラーシフトを抑制することができる。
また、光学素子の凹凸は、完全なランダムなものではなく、金型20A及び20Bの各エリアC1〜Cnに対応する範囲内では一定の秩序を有している。そのため、光学素子の凹凸のピッチを容易に調整でき、目的の光学的機能を容易に得ることができる。
さらに、本実施形態の金型を用いることにより、凹レンズまたは凸レンズの表面に微細な凹凸を形成した光学素子を作成することが可能である。
なお、本発明の金型は、上記第1および第2の実施形態に限定されない。
例えば、母材の形状は特に制限されず、円柱体であってもよい。また、第2の実施形態では母材21Aの一方の表面23Aだけが凸曲面を有する例について説明したが、両方の表面が凸曲面を有していてもよい。第2の実施形態では母材21Bの一方の表面23Bだけが凹曲面を有する例について説明したが、両方の表面が凹曲面を有していてもよい。
また、第2の実施形態では、母材21Aが一つの凸曲面を有する例について説明したが、母材21Aが二以上の凸曲面を有していてもよい。同様に第2の実施形態では、母材21Bが一つの凹曲面を有する例について説明したが、母材21Bが二以上の凹曲面を有していてもよい。
また、第2の実施形態における微細な凹凸を有する金型自体を、反射防止体や回折格子等の光学素子として使用することも可能である。第2の実施形態では母材21Aの一方の表面23Aだけに凸曲面を有する例について説明したが、金型自体を、反射防止体や回折格子等の光学素子として使用する場合は、両方の表面が凸曲面を有していてもよい。同様に、第2の実施形態では母材21Bの両方の表面が凹曲面を有していてもよい。
このように母材を再利用する場合は、母材と凹凸層のエッチングレートの比率が100〜10000、好ましくは1000〜10000であることが好ましい。
平均粒径が400.7nmで、粒径の変動係数が3.3%である球形コロイダルシリカの13.4質量%水分散液(分散液)を用意した。なお、平均粒径および粒径の変動係数は、Malvern Instruments Ltd社製Zetasizer Nano−ZSによる粒子動的光散乱法で求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから求めた。
次いで、この分散液を孔径1.2μmのメンブランフィルターでろ過した後、メンブランフィルターを通過した分散液に濃度0.8質量%のヘキシルトリメトキシシランの加水分解物水溶液を加え、約40℃で4時間30分反応させた。この際、フェニルトリエトキシシランの質量がコロイダルシリカ粒子の質量の0.02倍となるように分散液と加水分解水溶液とを混合した。
次いで、反応終了後の分散液に、この分散液の体積の4倍の体積のメチルイソブチルケトンを加えて充分に攪拌して、疎水化されたコロイダルシリカを油相抽出した。
油層抽出した疎水化コロイダルシリカ分散液を、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する可動バリアとを備えた水槽(LBトラフ装置)中の液面(下層水として水を使用、水温25℃)に滴下速度0.01ml/秒で滴下した。なお、水槽の下層水には、あらかじめ、被加工体を略鉛直方向に浸漬しておいた。
その後、超音波(出力50W、周波数1500kHz)を下層水中から水面に向けて10分間照射して粒子が2次元的に最密充填するのを促しつつ、分散液の溶剤であるメチルイソブチルケトンを揮発させて、水面に単粒子膜を形成させた。
次いで、この単粒子膜を、可動バリアにより拡散圧が30mNm−1になるまで圧縮し、浸漬しておいた被加工体を5mm/分の速度で引き上げ、被加工体の無機膜面上に単粒子膜を移し取った。
次いで、単粒子膜が形成された被加工体にバインダーとして1質量%モノメチルトリメトキシシランの加水分解液を浸透させ、その後、加水分解液の余剰分をスピンコーター(3000rpm)で1分間処理して除去した。その後、これを100℃で10分間加熱してバインダーを反応させ、コロイダルシリカからなる単粒子膜エッチングマスク付きの被加工体を得た。
このような処理を合計25カ所の10μm×10μmの領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチB1〜B25を求め、これらの平均値を算出し、式(1)における最頻ピッチBとした。なお、この際、隣り合う各領域同士が5mm程度離れるように各領域を設定した。算出された最頻ピッチBは412.3nmであった。
そこで、粒子の平均粒径A=400.7nmと、最頻ピッチB=412.3nmを式(1)に代入したところ、この例の単粒子膜エッチングマスクにおける粒子の配列のずれDは2.9%であった。
エッチング後、原子間力顕微鏡イメージから実測した微細な凹凸の平均高さhは887.4nmで、単粒子膜エッチングマスクについて実施した方法と同じ方法で求めた微細な凹凸の配列の平均ピッチC(円形底面の平均直径d)は410.8nmで、これらから算出されるアスペクト比は2.16であった。この微細な凹凸に対して、式(2)による微細な凹凸の配列のずれD'を求めたところ、2.46%であった。
平均粒径が120.2nmで、粒径の変動係数が6.5%である球形コロイダルシリカの7.2質量%水分散液(分散液)を用意した。なお、平均粒径および粒径の変動係数は、Malvern Instruments Ltd社製Zetasizer Nano−ZSによる粒子動的光散乱法で求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから求めた。
次いで、この分散液を孔径0.45μmのメンブランフィルターでろ過した後、メンブランフィルターを通過した分散液に濃度0.8質量%のヘキシルトリメトキシシランの加水分解物水溶液を加え、約40℃で2時間分反応させた。この際、フェニルトリエトキシシランの質量がコロイダルシリカ粒子の質量の0.02倍となるように分散液と加水分解水溶液とを混合した。
次いで、反応終了後の分散液に、この分散液の体積の4倍の体積のメチルイソブチルケトンを加えて充分に攪拌して、疎水化されたコロイダルシリカを油相抽出した。
油層抽出した疎水化コロイダルシリカ分散液を、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する可動バリアとを備えた水槽(LBトラフ装置)中の液面(下層水として水を使用、水温25℃)に滴下速度0.01ml/秒で滴下した。なお、水槽の下層水には、あらかじめ、被加工体を略鉛直方向に浸漬しておいた。
その後、超音波(出力50W、周波数1500kHz)を下層水中から水面に向けて10分間照射して粒子が2次元的に最密充填するのを促しつつ、分散液の溶剤であるメチルイソブチルケトンを揮発させて、水面に単粒子膜を形成させた。
次いで、この単粒子膜を、可動バリアにより拡散圧が30mNm−1になるまで圧縮し、浸漬しておいた被加工体を5mm/分の速度で引き上げ、被加工体の無機膜面上に単粒子膜を移し取った。
次いで、単粒子膜が形成された被加工体にバインダーとして1質量%モノメチルトリメトキシシランの加水分解液を浸透させ、その後、加水分解液の余剰分をスピンコーター(3000rpm)で1分間処理して除去した。その後、これを100℃で10分間加熱してバインダーを反応させ、コロイダルシリカからなる単粒子膜エッチングマスク付きの被加工体を得た。
このような処理を合計25カ所の10μm×10μmの領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチB1〜B25を求め、これらの平均値を算出し、式(1)における最頻ピッチBとした。なお、この際、隣り合う各領域同士が5mm程度離れるように各領域を設定した。算出された最頻ピッチBは121.8nmであった。
そこで、粒子の平均粒径A=120.2nmと、最頻ピッチB=121.8nmを式(1)に代入したところ、この例の単粒子膜エッチングマスクにおける粒子の配列のずれDは1.3%であった。
エッチング後、原子間力顕微鏡イメージから実測した微細な凹凸の平均高さhは330.4nmで、単粒子膜エッチングマスクについて実施した方法と同じ方法で求めた微細な凹凸の配列の平均ピッチC(円形底面の平均直径d)は118.8nmで、これらから算出されるアスペクト比は2.78であった。この微細な凹凸に対して、式(2)による微細な凹凸の配列のずれD'を求めたところ、1.16%であった。
干渉露光法によってシリコン板(厚さ0.3mm、サイズ30×30mm)に、ピッチ460nm、高さ200nm、三角格子配列の微細な凹凸を形成して金型を得た。次いで、ステンレス板に貼り付けた金型を、ピックアップ用フィルム(テトロンフィルム、厚さ50μm、帝人製)に塗布した紫外線硬化樹脂(PAK−01CL、東洋合成工業製)に対して2.4MPaの圧力で押圧しつつ2.0Jの紫外線で露光して紫外線硬化樹脂を硬化させた。次に、硬化した樹脂を緩やかにモールドから、次いでピックアップ用フィルムから剥離して、厚さ約1.0mmのナノインプリント品の光学素子を取り出した。
母材として曲率半径45mm、直径30mmの凹面球加工されたステンレス板(両面鏡面研磨)を用意し、エッチング層を設けない以外は実施例2と同じ方法で粒子マスク法による微細加工を行い、微細な凹凸の平均高さhは18.6nmで、微細な凹凸の配列の平均ピッチC(円形底面の平均直径d)は115.7nmで、これらから算出されるアスペクト比が0.16の微細構造体付きレンズを得た。光学素子の反射防止性能を確認したところ、可視光表面反射率は5.2%程度であった。
Claims (3)
- ステンレスからなる母材の表面に無機膜を製膜する製膜工程と、前記無機膜の表面に、複数の粒子を単一層で配列させる粒子配列工程と、前記複数の粒子をエッチングマスクとして前記無機膜をドライエッチングし、当該無機膜上に凹凸構造を形成するエッチング工程と、を有し、
前記無機膜を、下記(A2)および(B2)〜(D2)のうち、少なくとも1種を含む材料により形成する、光学素子作製用金型の製造方法:
(A2)Cr,W,Ti、またはCr,W,Ni,Tiを2種以上含む合金からなる金属、
(B2)Cr,W,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属酸化物、
(C2)Cr,W,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属窒化物、
(D2)Cr,W,Ni,Tiよりなる群から選ばれる少なくとも1種の元素の金属炭化物。 - 前記粒子配列工程は、水の液面上に単粒子膜を形成する単粒子膜形成工程と、前記単粒子膜を、前記無機膜の表面に移行させる移行工程とを有する、請求項1に記載の光学素子作製用金型の製造方法。
- 請求項1又は請求項2に記載の光学素子作製用金型の製造方法によって光学素子作製用金型を得、得られた前記光学素子作製用金型を用い、ナノプリント又は射出成形によって光学素子を作製する、光学素子の製造方法。
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