JPH09254161A - 金型の微細加工方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】金型の微細加工方法に関し、例えば回折格子等
の光学素子を成形する金型加工に適用して、極めて精度
の高い金型を短期間で作成できるようにする。 【解決手段】非磁性材料でなる基材２０Ａ表面に、電子
ビーム露光法により露光後、エッチングし、この基材２
０Ａを直接金型に加工する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、金型の微細加工方
法に関し、例えば回折格子等の光学素子を成形する金型
の加工に適用して、非磁性材料でなる母材に非磁性材料
でなる金属膜等を形成し、電子ビーム露光法による露光
後、エッチングして、直接金型を作成することにより、
極めて精度の高い金型を短期間で作成できるようにす
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、コンパクトディスクプレイヤーの
ピックアップユニット内等で使用される回折格子におい
ては、回折格子のマスターより金型を作成し、この金型
を用いた射出成形により製造されるようになされてい
る。

【０００３】すなわち図５は、コンパクトディスクプレ
イヤー等のピックアップユニットに適用される回折格子
を示す斜視図である。この回折格子１は、アクリル等の
透明樹脂を射出成形して作成され、回折格子本体３と、
この回折格子３をピックアップユニットに保持する保持
部２とにより構成される。このうち回折格子本体３は、
符号Ａにより断面を拡大して示すように、平板形状の片
面に、この回折格子１が処理するレーザービームの波
長、部材の屈折率等により決まる深さＴ（０．３〜０．
４〔μｍ〕でなる）の溝が、所定のピッチＰにより繰り
返されて形成され、適用される光ピックアップに応じて
このピッチＰが種々の値に選定されるようになされてい
る。

【０００４】このためこの回折格子１の金型作成工程に
おいては、溝の繰り返しピッチＰが２０〔μｍ〕程度の
回折格子については、マスクを用いたフォトエッチング
によりマスターを作成し、このマスターより金型を作成
する。またこの溝の繰り返しピッチＰが２〔μｍ〕程度
の回折格子については、マスクを用いたフォトエッチン
グに代えて、電子ビーム露光法を適用したエッチングに
よりマスターを作成する。

【０００５】すなわち図６は、前者の、マスクを用いた
金型作成方法による金型加工工程を示す工程図である。
この工程では、予めフォトレジスト４を塗布したガラス
基板５に対して、フォトマスク６を対向して又は密着し
て保持し（図６（Ａ）及び（Ｂ））、この状態で紫外線
を照射してフォトレジスト４を露光する。なおここでフ
ォトマスク６は、ガラス基板上にクロム（Ｃｒ）をパタ
ーンニングして作成される。続いてこの工程では、フォ
トレジスト４を現像してフォトレジスト４の露光部分を
除去した後（図６（Ｃ））、このガラス基板５上に残る
フォトレジストをマスクとして使用して、ガラス基板５
をフォトマスク６のパターン形状にエッチングする（図
６（Ｄ））。これによりこの工程では、回折格子本体３
の溝形状をガラス基板５に形成し、続く工程において、
表面のレジストを除去してマスター７を完成する（図６
（Ｅ））。

【０００６】このマスター７に対して、金型作成工程で
は、続いて電鋳加工法により金属材料でなる例えばニッ
ケル（Ｎｉ）を堆積し（図６（Ｆ））、続いてこの堆積
したニッケル部材よりマスター７を剥離する。これによ
りこの工程では、マスター７の溝形状を転写してなる基
板（スタンパー）８を形成し（図６（Ｇ））、この基板
８を金型の面駒に加工して回折格子１の金型を作成する
ようになされている（図６（Ｈ））。

【０００７】これに対して図７は、後者の、電子ビーム
露光法を適用した金型作成工程を示す工程図であり、こ
の工程においては、シリコン基板１０によりマスターを
作成する。すなわちこの工程では、蒸着、スパッタリン
グ等によりシリコン基板１０の表面に二酸化シリコン
（Ｓ_i Ｏ₂ ）膜１１を作成した後（図７（Ａ））、この
シリコン基板１０の表面にフォトレジスト４を塗布する
（図７（Ｂ））。続いてこの工程では、電子ビーム描画
装置によりこのシリコン基板１０に電子ビームＥＢを照
射し、フォトレジスト４を回折格子１のパターン形状に
露光する（図７（Ｃ））。

【０００８】続いてこの工程では、フォトレジスト４を
現像してフォトレジスト４の露光部分を除去した後（図
７（Ｄ））、このシリコン基板１０上に残るフォトレジ
ストをマスクとして使用して、二酸化シリコン膜１１を
エッチングする（図７（Ｅ））。これによりこの工程で
は、二酸化シリコン膜１１に回折格子本体３の溝形状を
形成し、続く工程において、表面のレジストを除去して
マスター１２を完成する（図７（Ｆ））。

【０００９】これによりこの工程では、マスクを用いた
金型作成工程と同様にして、電鋳加工法によりこのマス
ター１２に金属材料を堆積した後（図７（Ｇ））、この
堆積した金属材料よりマスター１２を剥離して基板（ス
タンパー）１３を形成し（図７（Ｈ））、この基板１３
を金型の面駒に加工して回折格子１の金型を作成するよ
うになされている（図７（Ｉ））。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで従来の金型作
成方法においては、金型作成に時間を要する問題があ
る。具体的に、電鋳加工法についてだけ見ても、従来の
金型作成工程においては、１〜１．５ケ月程度の期間を
必要とする。

【００１１】またマスター自体については、精度良く作
成できるものの、このマスターより作成される基板にお
いては、マスター１２に金属材料を堆積して作成するこ
とにより、その分マスターに比して精度が劣化する。ま
たマスター１２を剥離する際に、マスター１２を正しく
剥離できない場合もある。これにより従来の金型作成方
法においては、極めて精度の高い金型を作成することが
困難な問題があった。

【００１２】この問題を解決する１つの方法として、ル
ーリングエンジンを用いた超精密機械加工を適用する方
法も考えられるが、射出成形等に使用する金属材料につ
いては実際上加工することが困難で、実用的ではない。

【００１３】本発明は以上の点を考慮してなされたもの
で、極めて精度の高い金型を短期間で作成することがで
きる金型の微細加工方法を提案しようとするものであ
る。

【００１４】

【課題を解決するための手段】かかる課題を解決するた
め本発明においては、非磁性材料でなる基材の表面に、
電子ビーム露光法により所望のパターン形状を形成した
後、この基材をエッチングすることにより、成形品の凹
凸形状に対して逆転した凹凸形状を、基材に形成し、こ
の基材により金型又は金型の一部を作成する。

【００１５】またこの基材を、非磁性材料でなる母材
と、この母材表面に形成された非磁性材料の被加工膜と
により構成する。

【００１６】このとき母材が、残部が鉄で、炭素、シリ
コン、マンガン、リン、イオウ及びクロムからなる群よ
り選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有してなる合
金でなるようにする。

【００１７】さらにこのとき添加元素が、炭素が０．０
８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガ
ンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以
下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．０
０〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００
〔％〕の重量パーセントでなるようにする。

【００１８】またこれらの場合に、被加工膜を、タンタ
ルにより作成する。

【００１９】非磁性材料でなる基材においては、帯磁を
低減することができ、これにより電子ビーム露光法を適
用して所望のパターン形状を高精度で形成することがで
きる。従って露光後、被加工膜をエッチングして直接
に、金型又は金型の一部を作成して、従来の電鋳処理工
程等を省略して金型を作成することができる。これによ
り金型作成に要する期間を短縮し、また精度を向上する
ことができる。

【００２０】このときこの基材を、非磁性材料でなる母
材と、この母材の表面に形成した非磁性材料の被加工膜
とにより構成すれば、金型として基材に求められる要求
と、電子ビーム露光法を適用したエッチング対象として
基材に求められる要求とを、容易に満足することができ
る。

【００２１】このとき母材が、残部が鉄で、炭素、シリ
コン、マンガン、リン、イオウ及びクロムからなる群よ
り選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有してなる合
金でなるようにすれば、エッチング後において、容易に
金型加工することができる。

【００２２】特に、添加元素が、炭素が０．０８〔％〕
以下、シリコンが１．００〔％〕以下、マンガンが２．
００〔％〕以下、リンが０．０４５〔％〕以下、イオウ
が０．０３０〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１１．
０〔％〕、クロムが１７．０〜２０．００〔％〕の重量
パーセントの合金においては、非磁性材料で、かつ容易
に金型加工することができる。

【００２３】これらの場合に、タンタルによる被加工膜
は、非磁性材料でなり、耐久性、耐食性に優れ、さらに
は容易かつ精度良くエッチング加工することができる。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、適宜図面を参照しながら本
発明の実施の形態を詳述する。

【００２５】図１は、本発明の実施の形態に係る金型作
成工程を示す工程図である。この工程では、始めに、金
属母材でなる基板２０の一面に被加工膜２１を形成する
ことにより、この基板２０及び被加工膜２１により構成
される基材２０Ａを形成する（図１（Ａ））。ここでこ
の実施の形態において、この金属母材は、ＪＩＳ（Japa
nese Industrial Standards ）に規定されたＳＵＳ３０
４でなるステンレス材が適用されるようになされてい
る。

【００２６】ここでこのＳＵＳ３０４は、磁化率の小さ
な非磁性材料であり、また切削加工が容易で、射出成形
の金型に適用して好適な金属材料である。具体的にＳＵ
Ｓ３０４は、炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが
１．００〔％〕以下、マンガンが２．００〔％〕以下、
リンが０．０４５〔％〕以下、イオウが０．０３０
〔％〕以下、ニッケルが８．００〜１０．５０〔％〕、
クロムが１８．０〜２０．００〔％〕の重量パーセント
で、残部が鉄の合金である。

【００２７】これに対して被加工膜２１は、同様に、磁
化率の小さい非磁性材料であり、また切削加工、エッチ
ング加工に好適で、耐久性、耐食性に優れ、ＳＵＳ３０
４に対してなじみの良いタンタル（Ｔａ）膜により作成
される。この工程において、タンタル膜は、イオンプレ
ーティングの手法により基板２０の表面に、約２〔μ
ｍ〕の膜厚で作成される。なおこのタンタル膜は、スパ
ッタリング法等の金属膜作成方法により作成することも
できる。

【００２８】続いてこの工程は、例えばスピンコート法
により、この被加工膜２１の表面に、電子ビーム露光法
に適用されるレジスト膜２２を形成した後（図１
（Ｂ））、電子ビーム描画装置により電子ビームＥＢを
照射し、レジスト膜２２を回折格子１のパターン形状に
露光する（図１（Ｃ））。このときこの工程では、従来
のマスターを作成する場合とは逆に、露光されない部分
が回折格子１の溝部分に対応するように電子ビームＥＢ
を照射する。かくするにつきこの工程では、基板２０及
び被加工膜２１として非磁性材料でなるＳＵＳ３０４及
びタンタル膜を選択したことにより、電子ビームＥＢを
照射した際の、基板２０及び被加工膜２１の帯磁を実用
上充分な範囲に低減でき、これにより電子ビームＥＢで
精度の高い露光パターンを形成することができるように
なされている。

【００２９】続いてこの工程は、レジスト膜２２を現像
してレジスト膜２２の露光部分を除去する（図１
（Ｄ））。さらにこの工程は、被加工膜２１上に残るレ
ジスト膜２２をマスクとして使用して、異方性エッチン
グにより被加工膜２１を約０．３〔μｍ〕だけ深さ方向
にエッチングし（図１（Ｅ））、これにより回折格子１
の凹凸形状を逆転してなる溝形状を、被加工膜２１に作
成する。ここでこの異方性エッチングは、例えばプラズ
マエッチングの手法により、アンダーカットの発生を有
効に回避して高い精度により実施される。かくするにつ
きこの工程では、被加工膜２１としてタンタル膜を選択
したことにより、アンダーカットの発生を有効に回避し
て、溝深さ、溝幅、溝形状について、高い精度により被
加工膜２１をエッチングすることができるようなされて
いる。

【００３０】続いてこの工程は、表面に残るレジスト膜
２２を除去した後（図１（Ｆ））、切削加工等によりこ
の基板２０を金型の面駒に加工し、これによりエッチン
グ加工した基板２０より直接に、回折格子１の金型を作
成する（図１（Ｇ））。

【００３１】以上の構成によれば、被加工膜２１を形成
した金型材料でなる基板２０を加工対象として、この加
工対象に回折格子の凹凸形状の逆転でなる溝形状を作成
して、直接、回折格子の面駒を作成することにより、電
鋳処理工程を省略して金型を作成することができる。従
ってその分従来に比して格段的に金型作成期間を短縮す
ることができる。なお実際上、電鋳処理工程に約１〜
１．５ケ月の期間を要することにより、この実施の形態
では最低限でも１月、金型作成に要する期間を短縮する
ことができる。

【００３２】また電鋳加工処理によりマスターの溝形状
を基板（スタンパー）に転写するという処理工程を省略
して、直接、金型の溝形状を形成できることにより、そ
の分金型の精度を向上でき、極めて精度の高い回折格子
を作成することができる。また基板（スタンパー）より
マスターを剥離するという処理を省略できることによ
り、その分金型自体の歩留りについても向上させること
ができる。

【００３３】さらに基板２０に被加工膜２１を形成し、
金型に適用して好適な金属材料を基板２０に割り当て、
エッチング加工に適用して好適で、かつ基板２０に対し
てなじみの良い加工材料を被加工膜２１に割り当てたこ
とにより、それぞれ金属材料、加工材料の特性を有効に
利用して、高い精度によりエッチング加工した後、直
接、面駒加工することができ、これによっても容易かつ
極めて高い精度により金型を作成することができる。

【００３４】具体的に、基板２０及び被加工膜２１とし
て非磁性材料でなるＳＵＳ３０４及びタンタルを選択し
たことにより、電子ビーム露光法を適用して被加工対象
の帯磁を有効に回避でき、これにより極めて精度の高い
露光パターンを形成することができ、その分金型の精度
を向上することができる。

【００３５】また被加工膜２１として耐食性、耐久性に
優れ、ＳＵＳ３０４となじみの良いタンタルを選択した
ことにより、金型として充分な耐久性を確保することが
できる。また異方性エッチングを適用して高精度に溝形
状を作成でき、その分金型の精度を向上することができ
る。

【００３６】また金型のメンテナンス作業を従来に比し
て格段的に低減することができる。すなわち従来の電鋳
加工処理に適用されているニッケルにおいては、射出成
形に使用している過程において空気酸化等により鏡面加
工した面の特性が劣化し、これを放置すると成形品の歩
留りが低下する欠点があった。このため従来の電鋳加工
処理により作成した金型においては、定期的なメンテナ
ンスが欠かせないという欠点があった。これに対してタ
ンタル膜により面駒を作成すれば、この種の鏡面の劣化
を有効に回避することができ、その分金型のメンテナン
ス作業を各段的に低減することができる。

【００３７】これに対して基板２０として切削加工が容
易で金型に適用して好適なＳＵＳ３０４を選択したこと
により、容易かつ精度良く面駒加工することができ、こ
れによっても金型の精度を向上でき、また耐久性を向上
することができる。

【００３８】なお上述の実施の形態では、基板としてＳ
ＵＳ３０４を適用した場合について述べたが、本発明は
これに限らず、ＡＩＳＩ、ＤＩＮ等に規定されたＳＵＳ
３０４の相当品を適用しても良い。なおこの場合、炭素
が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕以
下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４５
〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケル
が８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２
０．００〔％〕の重量パーセントでなる鉄合金が該当す
ることになる。またこれに代えて、非磁鋼等の非磁性材
料であって、炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ
及びクロムからなる群より選ばれた少なくとも１種の添
加元素を含有する合金、さらにはセラミックス材等を広
く適用することができる。

【００３９】また上述の実施の形態では、被加工膜にタ
ンタルを適用した場合について述べたが、本発明はこれ
に限らず、チタン、クロム、モリブデン、タングステン
等の非磁性材料でなる金属材料、さらには窒化タンタル
等の金属材料の窒化物等を広く適用することができる。

【００４０】さらに上述の実施の形態では、イオンプレ
ーティング法により母材に被加工膜を形成する場合につ
いて述べたが、本発明はこれに限らず、スパッタリング
法、蒸着法、気相成長法等、種々の膜形成手法を広く適
用することができる。

【００４１】また上述の実施の形態では、レジスト層の
露光された部分を除去する、いわゆるポジ型のレジスト
を用いてエッチングする場合について述べたが、本発明
はこれとは逆に、未露光部分を除去する、いわゆるネガ
型のレジストを用いてエッチングする場合にも適用する
ことができる。

【００４２】さらに上述の実施の形態では、約２〔μ
ｍ〕の膜厚でなる被加工膜に対して、深さ約０．３〔μ
ｍ〕だけエッチングして溝形状を作成する場合について
述べたが、本発明はこれに限らず、射出成形に使用する
樹脂材料、成形条件、母材に対する被加工膜の密着強
度、母材及び被加工膜のエッチング精度等に応じて、例
えば図２に示すように、被加工膜２１と基板２０との境
界面までの深さにより溝形状を作成する場合、さらには
図３に示すように、被加工膜２１と基板２０との境界面
より深く溝加工する場合にも広く適用することができ
る。

【００４３】また上述の実施の形態では、金属材料から
なる母材上に被加工膜を形成した基材を加工して金型の
面駒を作成する場合について述べたが、本発明はこれに
限らず、図４に示すように基材として非磁性材料からな
るプレート３０（例えばタンタルのバルク）を用いて、
このプレート３０の表面に直接溝形状の加工を施すこと
により、被加工膜の形成工程を省略して金型を作成して
もよい。このようにすれば、金型製造工程をさらに一段
と簡素化することができる。なお基材として、単一の材
料を選択するか、母材上に被加工膜を形成した基材を選
択するかについては、金型に要求される精度、材料コス
ト、製造コスト等の諸条件により、必要に応じて適宜、
適切な基材を選択すればよい。

【００４４】さらに上述の実施の形態では、プラズマエ
ッチングにより被加工膜を異方性エッチングする場合に
ついて述べたが、本発明はこれに限らず、イオンビーム
エッチング法、ＥＣＲエッチング法、反応性イオンビー
ムエッチング法等、種々の異方性エッチング手法を広く
適用することができる。

【００４５】また上述の実施の形態においては、格子の
断面形状が矩形形状である回折格子を作成する場合の金
型を例に説明したが、本発明はこれに限らず、格子の断
面形状が鋸歯状である、いわゆるブレーズ型の回折格子
の金型についても適用することができる。ちなみにブレ
ーズ型の回折格子においては、例えばイオンエッチング
によるエッチング工程において、基材の表面に対して斜
め方向よりイオンビームを照射してエッチング処理し、
これにより基材の表面に鋸歯状の凹凸形状を形成すれば
よい。また格子の断面形状が三角形状のもの等について
も、同様に、本発明を適用することができる。

【００４６】さらに上述の実施の形態では、エッチング
した母材、被加工膜より面駒を作成する場合について述
べたが、本発明はこれに限らず、金型の一部を構成する
種々の駒を作成する場合、さらには金型本体を作成する
場合に広く適用することができる。

【００４７】また上述の実施の形態では、回折格子の金
型作成に本発明を適用する場合について述べたが、本発
明はこれに限らず、種々の光学素子の金型作成に広く適
用することができ、さらには種々の射出成形用金型、圧
縮成形用金型の微細加工に広く適用することができる。

【００４８】

【発明の効果】上述のように本発明によれば、非磁性材
料でなる基材表面に、電子ビーム露光法により露光後、
エッチングして直接金型を作成することにより、極めて
精度の高い金型を短期間で作成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る金型作成工程を示す
工程図である。

【図２】他の実施の形態による金型を示す断面図であ
る。

【図３】図２の他の実施の形態に係る金型を示す断面図
である。

【図４】図３の他の実施の形態に係る金型を示す断面図
である。

【図５】回折格子を示す斜視図である。

【図６】従来の金型作成工程を示す工程図である。

【図７】従来の他の金型作成工程を示す工程図である。

【符号の説明】

１ 回折格子 ３ 回折格子本体 ２０ 基板 ２０Ａ 基材 ２１ 被加工膜 ２２ レジスト膜 ＥＢ 電子ビーム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｃ２３Ｆ 4/04 Ｃ２３Ｆ 4/04 // Ｂ２９Ｌ 11:00

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 成形品の射出成形又は圧縮成形に使用さ
   れる金型の微細加工方法において、 非磁性材料でなる基材の表面に、電子ビーム露光法によ
   り所望のパターン形状を形成した後、前記基材をエッチ
   ングすることにより、前記成形品の凹凸形状に対して逆
   転した凹凸形状を、前記基材に形成し、 前記基材により前記金型又は前記金型の一部を作成する
   ことを特徴とする金型の微細加工方法。
2. 【請求項２】 前記基材は、非磁性材料でなる母材と、
   前記母材表面に形成された非磁性材料の被加工膜とによ
   り構成されることを特徴とする請求項１に記載の金型の
   微細加工方法。
3. 【請求項３】 前記母材は、残部が鉄で、 炭素、シリコン、マンガン、リン、イオウ及びクロムか
   らなる群より選ばれた少なくとも１種の添加元素を含有
   する合金でなることを特徴とする請求項２に記載の金型
   の微細加工方法。
4. 【請求項４】 前記添加元素は、 炭素が０．０８〔％〕以下、シリコンが１．００〔％〕
   以下、マンガンが２．００〔％〕以下、リンが０．０４
   ５〔％〕以下、イオウが０．０３０〔％〕以下、ニッケ
   ルが８．００〜１１．０〔％〕、クロムが１７．０〜２
   ０．００〔％〕の重量パーセントでなることを特徴とす
   る請求項３に記載の金型の微細加工方法。
5. 【請求項５】 前記被加工膜は、タンタル膜でなること
   を特徴とする請求項２、請求項３又は請求項４に記載の
   金型の微細加工方法。