JP6447817B2 - 成形方法及び成形品 - Google Patents

Description

本発明は、光学素子やマイクロチップなどの成形品を成形するのに適した成形方法及び成形品に関する。

近年、光学素子やマイクロチップなどの成形品を成形するために、光硬化性樹脂や熱硬化性樹脂等のエネルギー硬化性樹脂を用いる試みがある。エネルギー硬化性樹脂は、エネルギーを付与することにより短時間で硬化する特性を有するため、これを用いることで高精度な成形品を安価に量産できると期待されている。特に、光学素子やマイクロチップの一タイプには、例えば板状の基材上に、成形したエネルギー硬化性樹脂を付着させて製品としたものがある。かかる製品は、別々に成形した樹脂と基材を貼り合わせることでも得ることができるが、例えば基材上にエネルギー硬化性樹脂を滴下した上で型をかぶせ、外部からエネルギーを供給することで、型により成形された樹脂を基材に付着させた製品を少ない工程で得ることができる。

ところで、エネルギー硬化性樹脂を基材上に塗布し、その上から型をかぶせて型締め動作を行う工程で、型と基材が接触する際に気泡を巻き込み、それにより成形不良を招く恐れがある。このような気泡の巻き込みへの対策としては、例えば真空状態で型締め動作を行ったり、基材と型の両面にエネルギー硬化性樹脂を塗布するなどの対策がある。しかし、前者の対策では型を密閉遮蔽する真空環境が必要になる。一方，後者の対策ではエネルギー硬化性樹脂の塗布前には、基材と型の双方の塗布面を重力加速度方向上方に向けておき、その後の成形時には、基材と型の塗布面を互いに対向させる必要があるから型を駆動する構成が複雑になる。従って、従来の対策では、いずれもコストの増大や成形サイクルの延長を招くこととなる。

これに対し、特許文献１には、基板に対してテンプレートを傾けた状態で接近させ、所定距離近接したときに、両者の近接する側からレジスト液を供給し、その後基板に対してテンプレートを閉じることで、毛細管現象を利用して気泡の巻き込みを抑制しつつレジスト液を展開する技術が開示されている。

特開2011-54755号公報

しかし、特許文献１の技術を応用して、基材と型の間にエネルギー硬化性樹脂を供給しようとすると、基材に対して型を傾けて接近させ、近接する側からエネルギー硬化性樹脂の供給を行うこととなるが、それにより型外周部への樹脂の付着による汚染が生じたり、型と基材の表面エネルギー差によっては樹脂が適切に転写面に供給されないなどの恐れがある。また、エネルギー硬化性樹脂の供給に毛細管現象を利用すると、相当に時間がかかり成形サイクルの延長を招くこととなる。

本発明は、上述した課題に鑑みてなされたものであり、簡素な設備を用い、成形サイクルを延長することなく、気泡の発生を有効に抑えることが出来る成形方法及び成形品を提供することを目的とする。

本発明の成形方法は、接近又は離間するように相対移動可能な型と基材との間にエネルギー硬化性樹脂を供給して、成形品を成形する成形方法であって、
前記型の転写面には、複数の凹凸と、突起とが形成され、相対移動方向における前記突起の高さは、前記凹凸の最大深さよりも大きくなっており、
前記型と前記基材との間に前記エネルギー硬化性樹脂を供給し、更に前記型と前記基材とを前記相対移動方向に沿って接近させた際に、前記突起が前記エネルギー硬化性樹脂に接した後に、前記複数の凹凸が前記硬化性樹脂に接し、それにより前記型と前記基材との間で生じる前記エネルギー硬化性樹脂の流動を制御し、
型の転写面における表面エネルギーは、前記エネルギー硬化性樹脂が付着する前記基材の表面エネルギーよりも小さい。

本発明によれば、簡素な設備を用い、成形サイクルを延長することなく、気泡の発生を有効に抑えることが出来る成形方法及び成形品を提供することができる。

本実施形態における光学素子の製造装置を示す斜視図である。 光学素子の製造装置を周方向に展開して示す図である。 転写面ＭＤ１ａの斜視図である。 比較例にかかる型部材ＭＤ１’と基材保持部材ＭＤ２とを相対移動方向に直交する方向から見た図である。 本実施の形態にかかる型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とを相対移動方向に直交する方向から見た図である。 比較例について第１の処理部Ａにおける基材ＳＴ上に付着した光硬化性樹脂ＰＬの流動状態を経時的に示す図である。 本実施の形態について第１の処理部Ａにおける基材ＳＴ上に付着した光硬化性樹脂ＰＬの流動状態を経時的に示す図である。 別な実施の形態にかかる光学素子の製造装置を示す図である。

本発明において成形される成形品には、光学素子やマイクロチップなどがある。基材は、成形後に成形品の一部となると好ましい。「光学素子」としては、例えば回折格子や，可視光の波長以下の凹凸構造を持つモスアイ素子などがある。本発明において用いることができる「エネルギー硬化性樹脂」としては、光硬化性樹脂、熱硬化性樹脂などが挙げられる。光硬化性樹脂の場合、エネルギーとして所定波長の光を供給することで樹脂が硬化し、熱硬化性樹脂の場合、エネルギーとして熱を供給することで樹脂が硬化する。

エネルギー硬化性樹脂として光硬化性樹脂を用いる場合、型と基材のうち少なくとも一方が光透過性の素材から形成されていれば好ましい。又、型を撓ませる必要があるときは、可撓性のあるシリコーン（ＰＤＭＳ）製、又はフィルム状の樹脂製とすることが望ましい。

エネルギー硬化性樹脂として熱硬化性樹脂を用いる場合、エネルギー供給源として電熱ヒータやハロゲンヒータなどを用いることができる。この場合、型と基材は金属製もしくはガラス製であることが望ましい。更に、ガラス製の型とハロゲンヒータとを組み合わせて用いる場合、型の転写面（光学面転写面）に赤外線吸収材料が成膜されていると、発熱が効果的に生じるので望ましい。

型には、複数の凹凸と、突起が設けられている。相対移動方向における突起の高さは、凹凸の最大深さよりも大きくなっている。凹凸は、これを転写形成した構造が成形品において本来の機能（例えば回折機能等）を発揮できるものであり、一方、「突起」を転写成形しても、同様な機能は得られないものである。突起は、凹凸と独立して形成されていても良いし、凹凸により転写形成された構造の機能を損なわない限り、凹凸の一部として形成されていても良い。凹凸は、ラインアンドスペース構造のように周期的な繰り返し構造であると好ましい。突起は、例えば円錐形状、四角錐形状、棒状などの独立した形状であっても良いし、ブレードのように一定の高さで連続していても良い。但し、エネルギー硬化性樹脂に最初に接する突起の部位は、尖っていると好ましい。突起は、型と基材との相対移動方向における高さが１μｍ以上，相対移動方向に直交する最大幅が１μｍ以上であると好ましい。型の転写面に撥水処理や、型の材料として表面エネルギーの小さいものを用いるなどして、その表面エネルギーを、エネルギー硬化性樹脂が付着する基材の表面エネルギーよりも小さくすると好ましい。

以下、図面を参照しながら本発明にかかる実施形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲は以下の実施形態及び図示例に限定されるものではない。

図１は、本発明の成形方法を実施できる光学素子の製造装置を示す斜視図である。図２は、図１に示した光学素子の製造装置の要部を周方向に展開して示す図である。製造装置は、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２とを、隙間を空けて同軸に配置している。第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の中央は、スプライン等を介して回転軸ＳＦＴに相対回転不能に連結されており、更に回転軸ＳＦＴを介して、固定された駆動部であるアクチュエータＡＣにより、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２は同期して回転駆動されるようになっている。

第１円盤ＤＣ１には、円形開口ＤＣ１ａが複数個（ここでは８個）形成されており、円形開口ＤＣ１ａ内には、円柱状の型部材（型）ＭＤ１が固定されている。型部材ＭＤ１の下端は矩形板状となっていて、その下面に転写面ＭＤ１ａを有する。

図３は、転写面ＭＤ１ａの斜視図であるが、一部誇張している。図３において、転写面ＭＤ１ａは、矩形平面ＭＤ１ｂの中央に、複数の凹凸であるラインアンドスペース構造ＭＤ１ｃを形成している。又、ラインアンドスペース構造ＭＤ１ｃの近傍に、三角錐状の突起ＭＤ１ｄを形成している。相対移動方向における突起ＭＤ１ｄの高さＨは、ラインアンドスペース構造ＭＤ１ｃの最大深さ（ここでは一様）Ｄよりも大きくなっている。一例として、深さＤは１００ｎｍ以下であり、高さＨは１０μｍ〜１００μｍ以上である。型部材ＭＤ１は、透明なシリコーン（ＰＤＭＳ）により形成されている。具体的には、不図示の母型の母転写面を、シリコーンに転写することで型部材ＭＤ１を形成できる。

第２円盤ＤＣ２には、円形開口ＤＣ１ａと同じ配置になるようにして、円形開口ＤＣ２ａが複数個（ここでは８個）形成されており、円形開口ＤＣ２ａ内には、円柱状の基材保持部材ＭＤ２が、回転軸ＳＦＴの軸線方向に移動可能に配置されている。基材保持部材ＭＤ２は、その上面に、転写面ＭＤ１ａに対応した矩形板状の基材ＳＴを保持する機能を有する。尚、基材ＳＴと基材保持部材ＭＤ２は、光を透過可能であると好ましい。

第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の周方向の一部を覆うようにして、遮蔽部ＳＨが形成されている。遮蔽部ＳＨの頂面には、光学素子の材料であるエネルギー硬化性樹脂を硬化させるためのエネルギー供給源として複数の（図２では２つ示したが実際には３つの）光源ＯＰＳが、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の周方向に沿って配置され，発光面を下方に向けている。尚、光源ＯＰＳは、回転移動する型部材ＭＤ１の中心の軌跡の直上に設けると好ましい。

一方、図２に示すように、遮蔽部ＳＨに対向するようにして、第２円盤ＤＣ２の下方に、複数の（図２では２つ示したが実際には３つの）光源ＯＰＳを配置している。光源ＯＰＳは、紫外線（以下、硬化光という）を出射することができる。

光源ＯＰＳは、制御回路ＣＯＮＴにより制御され、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の角度位置（照射対象となる型部材ＭＤ１及び基材保持部材ＭＤ２との位置関係）に応じて、硬化光の照射時間及び硬化光の強度の少なくとも一方を調整するようになっていると好ましい。

第２円盤ＤＣ２の下方には、型駆動部を構成する一対のリング状のカム板ＣＰが固定配置されている。図２に示すように、カム板ＣＰのカム面ＣＰａは、周方向の位置に応じて、低部ＣＰｂ、登り斜面ＣＰｃ、高部ＣＰｄ、下り斜面ＣＰｅを有している。

図２に示すように、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の回転位置に応じて、第１の処理部Ａ、第２の処理部Ｂ，第３の処理部Ｃ，第４の処理部Ｄとなっている。第１の処理部Ａにおいては、光硬化性樹脂を適量吐出できるディスペンサＤＳＰが配置されている。第２の処理部Ｂには、周方向に並べて光源ＯＰＳが配置されている。第４の処理部Ｄには、成形された光学素子ＯＥを取り出すアーム式ロボットＲＢが配置されている。

本実施の形態における製造装置の動作及び光学素子の製造工程について、ここでは、一対の型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２に着目しながら説明する。まず、不図示の電源からの給電によりアクチュエータＡＣが駆動され、回転軸ＳＦＴを回転させると、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２が同期して回転する。ここで、第１の処理部Ａにおける前段では、基材保持部材ＭＤ２のフォロワＦＷは、カム板ＣＰのカム面ＣＰａにおける低部ＣＰｂにあるので、型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とが開いた状態にあり、よって、不図示のロボットアームにより基材ＳＴを基材保持部材ＭＤ２上に載置した後、ディスペンサＤＳＰを介して、基材保持部材ＭＤ２の基材ＳＴ上に光硬化性樹脂ＰＬを滴下させることができる。

次いで、光硬化性樹脂ＰＬを間に供給された型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２は、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の同期回転により移動する。ここで、基材保持部材ＭＤ２のフォロワＦＷは、カム板ＣＰのカム面ＣＰａにおける登り斜面ＣＰｃ上を転動するようになるので、型部材ＭＤ１に対して基材保持部材ＭＤ２が軸線方向に沿って徐々に接近する。フォロワＦＷが、カム板ＣＰのカム面ＣＰａにおける高部ＣＰｄに到達した時点で、両者が密着して型締めがなされる。又、フォロワＦＷが、高部ＣＰｄを転動する間、型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２の型締め状態が維持される。

その後、型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２は、型締め状態を維持しつつ、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の同期回転により第２の処理部Ｂへと移動する。第２の処理部Ｂにおいては、光源ＯＰＳから出射された光が、上型部材ＭＤ１を介して光硬化性樹脂ＰＬへと到達し、光硬化性樹脂ＰＬを硬化させる。各対の型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とは、同じ速度で固定された複数の光源ＯＰＳの下方を同様に通過するので、これにより、それぞれ個別に設けられた光源を用いる場合と比較して、光硬化性樹脂の均一な硬化が確保される。また、複数の光源ＯＰＳを用いることで、光硬化性樹脂ＰＬに付与する光量を十分確保でき、高速移動による大量生産を可能にしている。

第２の処理部Ｂを通過した型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２は、第１円盤ＤＣ１と第２円盤ＤＣ２の同期回転により第３の処理部Ｃへと移動する。ここで、基材保持部材ＭＤ２のフォロワＦＷは、カム板ＣＰのカム面ＣＰａにおける下り斜面ＣＰｅ上を転動するようになるので、型部材ＭＤ１に対して基材保持部材ＭＤ２が徐々に離間することで型開きが行われる。

フォロワＦＷが、下り斜面ＣＰｅを転動し終わった後、再び低部ＣＰｂを転動するようになるので、型部材ＭＤ１に対して基材保持部材ＭＤ２が開いた状態に維持される。このとき、型部材ＭＤ１の転写面における表面エネルギーが、光硬化性樹脂が付着する基材ＳＴの表面エネルギーよりも小さいので、基材ＳＴから型部材ＭＤ１を容易に離型することができる。続く第４の処理部Ｄにて、ロボットＲＢのアームを伸縮させることで、基材ＳＴ上に転写面ＭＤ１ａで成形されたラインアンドスペース構造を持つ光学素子ＯＥを取り出し、別工程に搬送することができる。尚、同じロボットＲＢにより、この時点で新たな基材ＳＴを基材保持部材ＭＤ２に載置しても良い。以上、一対の型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２に着目して製造装置の動作及び光学素子の製造工程を説明したが、別の型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２も、タイミングをずらして順次同様な製造工程をたどるので、高精度な光学素子ＯＥを大量に生産できる。

次に、比較例を参照して、本実施の形態の効果を説明する。図４は比較例にかかる型部材ＭＤ１’と基材保持部材ＭＤ２とを相対移動方向に直交する方向から見た図であり、図５は本実施の形態にかかる型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とを相対移動方向に直交する方向から見た図である。比較例が本実施の形態と異なる点は、突起ＭＤ１ｄを設けていない点であり、それ以外の構成は共通する。

図６は、比較例について第１の処理部Ａにおける基材ＳＴ上に付着した光硬化性樹脂ＰＬの流動状態を経時的に示す図であり、図７は、本実施の形態について第１の処理部Ａにおける基材ＳＴ上に付着した光硬化性樹脂ＰＬの流動状態を経時的に示す図である。ここで、比較例の型部材ＭＤ１’には突起ＭＤ１ｄが形成されていないので、型部材ＭＤ１に対する相対接近時に、基材ＳＴ上に供給した光硬化性樹脂ＰＬに対して、ラインアンドスペース構造ＭＤ１ｃのいずれかの部位が最初に接触することとなるが、その位置は型部材ＭＤ１の傾きや製造誤差等によって定まらないということがある。仮に、図６（ａ）に示す×印の位置で接触したとすると、この接触点から光硬化性樹脂ＰＬの流動が開始するが、図６（ｂ）に示すように樹脂が両側から回り込んで、図６（ｃ）に示すように気泡ＢＬを中に閉じ込めてしまう恐れがある。尚、比較例でも最初に接触した位置によっては気泡を巻き込まない場合もあるが、その位置が定まらないため、気泡を巻き込むかどうか不確実性が高く問題である。

これに対し本実施の形態によれば、型部材ＭＤ１に対する相対接近時に、基材ＳＴ上に供給した光硬化性樹脂ＰＬに対して、突起ＭＤ１ｄが最初に接触することとなる。これにより、光硬化性樹脂ＰＬの流動が開始する位置を制御できる。具体的には、規定された位置（図７（ａ）に示す×印の位置）で必ず接触が生じるので、この接触点から光硬化性樹脂ＰＬの流動が開始し、更に相対接近することでラインアンドスペース構造ＭＤ１ｃが光硬化性樹脂ＰＬに接した後も、図７（ｂ）に示すように樹脂の回り込み量を適切に調整でき、これにより図７（ｃ）に示すように型部材ＭＤ１の型締めがなされた段階で、樹脂内に気泡を中に閉じ込めることを抑制できる。

図８は、別な実施の形態にかかる光学素子の製造装置を示す図である。本実施の形態においては、型部材ＭＤ１の下面に，シリコーン（ＰＤＭＳ）から形成された可撓型ＭＤ３を設けている。自由状態で湾曲した可撓型ＭＤ３は、全体的に板状であって図８で左端を型部材ＭＤ１に対してピン結合され、右端に形成した長孔ＭＤ３ａ内に、型部材ＭＤ１に取り付けた固定軸ＦＳを挿通している。可撓型ＭＤ３の下面には、上述した実施の形態と同様に、ラインアンドスペース構造ＭＤ３ｂが形成されている。但し、突起は形成されていない。本実施の形態では、基材保持部材ＭＤ２を型部材ＭＤ１に対して接近させている。それ以外の構成は、上述した実施の形態と同様である。

まず、図８（ａ）に示す型開き状態では、可撓型ＭＤ３は、自身の弾性力で又は重力で中央が撓んだ状態に維持される。この状態から、基材ＳＴ上に光硬化性樹脂ＰＬを滴下した後、型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とを相対的に接近させると、まず可撓型ＭＤ３の中央が光硬化性樹脂ＰＬに最初に接する。更に接近を継続すると、図８（ｂ）に示すように、長孔ＭＤ３ａと固定軸ＦＳとが相対移動しつつ、可撓型ＭＤ３が基材ＳＴからの圧力で撓みが伸ばされることとなる。かかる状態で光硬化性樹脂ＰＬを硬化させた後、図８（ｃ）に示すように、型部材ＭＤ１と基材保持部材ＭＤ２とを離間させると、基材ＳＴ上の光硬化性樹脂ＰＬにラインアンドスペース構造が転写されることとなると共に、可撓型ＭＤ３が撓んだ元の状態に復帰する。基材ＳＴを交換することで、新たな成形が可能になる。

本実施の形態によれば、可撓型ＭＤ３の撓みが伸ばされながら、基材ＳＴ上の光硬化性樹脂ＰＬの中央から両側に向かって、可撓型ＭＤ３が光硬化性樹脂ＰＬに漸次接触してゆくので、気泡を巻き込む恐れは少ない。尚、型の代わりに基材を可撓性の素材から形成し、これを撓ませた状態で、型に供給したエネルギー硬化性樹脂に接触させた後に展伸させても良い。

本発明は、明細書に記載の実施例に限定されるものではなく、他の実施例・変形例を含むことは、本明細書に記載された実施例や思想から本分野の当業者にとって明らかである。

Ａ 第１の処理部
Ｂ 第２の処理部
Ｃ 第３の処理部
Ｄ 第４の処理部
ＡＣ アクチュエータ
ＣＰ カム板
ＣＰａ カム面
ＣＰｂ 低部
ＣＰｃ 登り斜面
ＣＰｄ 高部
ＣＰｅ 下り斜面
ＣＲ 搬送部
ＤＣ１ 第１の円盤
ＤＣ１ａ 円形開口
ＤＣ２ 第２の円盤
ＤＣ２ａ 円形開口
ＳＰ 支持部
ＤＳＰ ディスペンサ
ＦＷ フォロワ
ＭＤ１ 型部材
ＭＤ１ａ 転写面
ＭＤ１ｂ 矩形平面
ＭＤ１ｃ、ＭＤ３ｂ ラインアンドスペース構造
ＭＤ１ｄ 突起
ＭＤ２ 基材保持部材
ＭＤ３ 可撓型
ＯＥ 光学素子
ＯＰＳ 光源
ＰＬ 光硬化性樹脂
ＲＢ ロボット
ＳＦＴ 回転軸
ＳＨ 遮蔽部
ＳＴ 基材

Claims (4)

1. 接近又は離間するように相対移動可能な型と基材との間にエネルギー硬化性樹脂を供給して、成形品を成形する成形方法であって、
   前記型の転写面には、複数の凹凸と、突起とが形成され、相対移動方向における前記突起の高さは、前記凹凸の最大深さよりも大きくなっており、
   前記型と前記基材との間に前記エネルギー硬化性樹脂を供給し、更に前記型と前記基材とを前記相対移動方向に沿って接近させた際に、前記突起が前記エネルギー硬化性樹脂に接した後に、前記複数の凹凸が前記硬化性樹脂に接し、それにより前記型と前記基材との間で生じる前記エネルギー硬化性樹脂の流動を制御し、
   型の転写面における表面エネルギーは、前記エネルギー硬化性樹脂が付着する前記基材の表面エネルギーよりも小さい成形方法。
2. 前記エネルギー硬化性樹脂に最初に接する前記突起の部位は、尖っている請求項１に記載の成形方法。
3. 前記突起は、前記相対移動方向における高さが１μｍ以上，前記相対移動方向に直交する最大幅が１μｍ以上である請求項１又は２に記載の成形方法。
4. 前記凹凸は周期的な繰り返し構造である請求項１〜３のいずれかに記載の成形方法。

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