JPWO2006129514A1

JPWO2006129514A1 - 微細格子およびその金型

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Publication number: JPWO2006129514A1
Application number: JP2007518918A
Authority: JP
Inventors: 山本　和也; 和也山本; 真岡田
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2005-06-03
Filing date: 2006-05-22
Publication date: 2008-12-25
Anticipated expiration: 2026-05-22
Also published as: US8649096B2; WO2006129514A1; JP4206447B2; US20090034079A1

Abstract

可視光線の波長よりも短い周期の微細格子を、金型を使用して射出成形によって製造する場合に、転写率を向上させることのできる金型およびそのような金型によって製造される、アスペクト比の高い微細格子を提供する。本発明による微細格子用の金型は、キャビティ底面（１０３）に、中心位置が微細格子の周期である可視光線の波長よりも小さな間隔となるように配置された突起部（１０７）を有する。一実施形態によれば、突起部の、キャビティ底面に平行な断面が突起部の高さにしたがって小さくなり、断面の減少率が突起部の高さにしたがって大きくなる。

Description

本発明は、微細格子およびその金型に関する。特に、可視光線の波長以下の周期で２次元に配列された微細格子用の、高い転写率を実現する金型およびその金型によって成形された微細格子に関する。

反射防止用の微細格子としては、円錐形状やピラミッド形状の突起を、２次元に周期的に配列した格子が知られている（たとえば、GRANN, E. B. et al.の "Optimal design for antireflective tapered two-dimensional subwavelength grating structures", Optical Society of America, February 1995, Vol. 12, No. 2, pages 333-339）。格子の基板面において、Ｘ方向の周期とＹ方向の周期は等しく、この周期は、可視光線の波長よりも小さくなるように設定される。本明細書では、このような格子を、２次元微細格子または２次元サブ波長格子と呼称する。錐型の格子凸部（突起部）を備えた２次元サブ波長格子は、連続的に変化する多数の薄膜層を重ね合わせたものと同様に、広い波長帯域に対して、反射防止効果を有することが知られている。

このような２次元サブ波長格子を製造する方法としては、周期的なドット状のパターンデータに基づいて、電子ビーム露光装置によって電子ビームをＯＮ、ＯＦＦさせることでレジストを露光し、レジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとして基板をエッチングして所望の構造の２次元サブ波長格子を基板上に形成する方法（たとえば、特開２００４−８５８３１号公報）が知られている。また、光学素子上にドットアレイ状に金属のマスクを形成した後、反応性イオンエッチングを施し、その際金属マスクが徐々に減少し、ついには消滅するまでの間エッチングすることにより、錐形状を形成する方法（たとえば、特開２００１-２７２５０５号公報）が知られている。

しかし、上記のいずれの方法も、工程が複雑であり、コストもかさむ。

他方、低反射率の反射防止材を低コストで提供することを目的として、２次元サブ波長格子を、型によって成型する方法（たとえば、特開２００４−２８７２３８号公報）が知られている。

しかしながら、上記の方法によっても、金型を使用して射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合には、転写率を向上させるのが困難であり、したがってアスペクト比の高い２次元サブ波長格子を得るのが困難である。ここで、転写率とは、金型の凸部の高さに対する、成型品の対応する凹部の深さ、または金型の凹部の深さに対する、成型品の凸部の高さの比率をいう。また、アスペクト比とは、格子の配列周期に対する格子凸部の高さの比率をいう。

金型を使用して射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合に、転写率を向上させるのが困難である理由を以下に説明する。

図７は、射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合に使用される、従来の金型の形状を示す図である。図７において、金型のキャビティ底面を符号１０３によって示す。２次元サブ波長格子の格子凸部を形成するための、金型の凹部を符号１０９によって示す。

図８は、図７に示す金型によって形成される格子凸部の形状を示す図である。図８において、格子凸部を符号２０１によって示す。図８の４つの図は、上から下に、平面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図およびＣ−Ｃ’断面図を示す。

平面図において、円形の斜線部分は、格子凸部を示す。斜線以外の部分が、金型のキャビティ底面に対応する平面である。

Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図およびＣ−Ｃ’断面図において、斜線部分は格子凸部の断面を示す。Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’の方向をＸ方向とすると、格子凸部２０１は、Ｘ方向およびＹ方向に、一定の周期Λで配置されている。ここで、断面形状が放物線から形成されているが、断面形状は、三角形や他の形状であってもよい。

図９は、図７に示す金型の断面を示す図である。図９において、金型のキャビティを符号１０１によって示し、合成樹脂の注入口を符号１０５によって示す。図７と同様に、金型のキャビティ底面を符号１０３によって示し、金型の凹部を符号１０９によって示す。金型の凹部１０９が配置される周期はΛ、金型の凹部の深さはｄである。ここで、周期Λは、たとえば、３５０ナノメータ、深さｄは、３５０ナノメータである。

図９において、注入口１０５から金型のキャビティ１０１に注入された合成樹脂は、矢印に示すように、キャビティ底面１０３に沿って流れ、金型の凹部１０９に流れ込もうとする。金型の凹部１０９のキャビティ底面１０３における直径は、周期Λと同じく、３５０ナノメータである。

一般的に、流体中の物体のサイズをＬとすると、慣性力の粘性力に対する割合であるレイノルズ数はＬの２乗に比例する。したがって、サイズが小さくなると、粘性力が支配的になる。金型の凹部１０９のキャビティ底面１０３における直径は、３５０ナノメータであり、きわめて小さいので、圧力に対して粘性力が大きくなり、合成樹脂は、金型の凹部１０９に流れ込むのが困難となる。金型のキャビティ１０１が合成樹脂によって満たされ、合成樹脂の圧力が上昇するにしたがって、合成樹脂は、金型の凹部１０９に少しずつ流れ込む。

従来の金型の凹部１０９は、互いに連絡していない。したがって、従来の金型の凹部１０９の空気は、逃げ場が無く金型の凹部１０９の底部にたまるため、空気の圧力により、合成樹脂は、所定の割合より多く金型の凹部１０９に流れ込むことはできない。金型の凹部１０９の深さｄが、３５０ナノメータである場合に、当該金型の凹部１０９によって成形された格子凸部２０１の高さは、せいぜい１８０ナノメータである。すなわち、転写率は、約５１パーセントにすぎない。

このように、２次元サブ波長格子を、金型を使用して射出成形によって製造する場合に、粘性力および金型の凹部にたまる空気により、転写率を向上させることが困難である。

従来の金型によって製造した２次元サブ波長格子において、格子凸部の高さが１８０ナノメータである場合に、波長が４００ナノメータ、６００ナノメータおよび８００ナノメータの光に対する反射率は、それぞれ０．４１パーセント、０．５５パーセントおよび１．２１パーセントである。

上記の背景の下で、２次元サブ波長格子を、金型を使用して射出成形によって製造する場合に、転写率を向上させることのできる金型およびそのような金型によって製造される、アスペクト比の高い２次元サブ波長格子に対するニーズがある。

本発明による微細格子用の金型は、キャビティ底面に、中心位置が微細格子の周期である可視光線の波長よりも小さな間隔となるように配置された突起部を有する。

本発明によれば、金型の凸部（突起部）と金型の凸部の間は、互いに連絡しているので、合成樹脂が流れ込む場合に、金型の凸部と金型の凸部の間の空気は逃げることができる。したがって、キャビティ底面に凹部が設けられている場合のように、空気の圧力が上昇して、合成樹脂の流れ込みが妨げられることはない。その結果、転写率の高い微細格子を得ることができる。

本発明の一実施形態によれば、金型の突起部の、キャビティ底面に平行な断面が突起部の高さにしたがって小さくなり、断面の減少率が突起部の高さにしたがって大きくなる。

金型の突起部の形状をこのようにすれば、仮に転写率が低くなり、格子突起部の頂点に近い部分が形成されなくとも、当該部分の断面積の変化率は小さいので、反射特性に対する影響は小さくなる。

本発明の他の実施形態によれば、金型の突起部のキャビティ底面に平行な断面が円形である。

本発明の他の実施形態によれば、金型の突起部のキャビティ底面における断面の円形の中心が、当該円形の直径の長さに等しい一辺を備える正方形の頂点の位置を占めるように、金型の突起部がキャビティ底面に配置される。

本発明の他の実施形態によれば、金型の突起部のキャビティ底面における断面の円形の中心が、当該円形の直径の長さに等しい一辺を備える正三角形の頂点の位置を占めるように、金型の突起部がキャビティ底面に配置される。

金型のキャビティ底面に突起部をこのように配置することにより、一定周期の２次元微細格子を実現することができる。

本発明の他の実施形態によれば、金型の突起部が放物面形状である。

本発明による微細格子は、本発明のいずれかの実施形態による金型によって成形される。

したがって、転写率が高く、反射特性も良好である。

本発明の一実施形態によれば、微細格子は合成樹脂からなる。

射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合に使用される、本発明の一実施形態による金型の形状を示す図である。図１に示す金型によって形成される格子凸部の形状を示す図である。図１に示す金型の断面を示す図である。本発明の他の実施形態による格子凸部の形状を示す図である。本発明の他の実施形態において転写率が８５パーセントおよび１００パーセントの場合、ならびに従来技術において転写率が５１パーセントの場合について、波長に対する反射率の変化を示す図である。本発明の一実施形態による金型の製造方法を示す図である。射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合に使用される、従来の金型の形状を示す図である。図７に示す金型によって形成される格子凸部の形状を示す図である。図７に示す金型の断面を示す図である。

図１は、射出成形によって２次元サブ波長格子を製造する場合に使用される、本発明の一実施形態による金型の形状を示す図である。図１において、金型のキャビティ底面を符号１０３によって示す。２次元サブ波長格子の格子を形成するための、金型の凸部を符号１０７によって示す。本実施形態においては、金型がキャビティ底面１０３上に凹部ではなく凸部１０７を備える点に留意されたい。

図２は、図１に示す金型によって形成される格子凸部の形状を示す図である。図２において、格子凸部（突起部）を符号２０１によって示す。図２の４つの図は、上から下に、平面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図およびＣ−Ｃ’断面図を示す。

平面図において、斜線部分は、格子凸部の最も高い面を示す。この面が、金型のキャビティ底面に対応する。平面図における円形は、金型の凸部１０７の底面に対応する。隣接する円形が互いに接し、隣接する円形の中心は、正方形を形成するように配置されている。金型の凸部の底面は、正三角形、正方形、正六角形などの正多角形でもよい。

Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図およびＣ−Ｃ’断面図において、斜線部分は格子凸部の断面を示す。Ａ−Ａ’、Ｂ−Ｂ’およびＣ−Ｃ’の方向をＸ方向とすると、格子凸部２０１は、Ｘ方向およびＹ方向に、一定の周期Λで配置されている。ここで、格子凸部の断面形状は、放物線から形成されている。格子凸部の断面形状を放物面から形成するのは、格子凸部の底面に平行な断面の減少率が格子凸部の高さにしたがって小さくなるようにするためである。このようにすれば、仮に転写率が低くなり、格子凸部の頂点に近い部分が形成されなくとも、反射特性に対する影響は小さくなるという利点がある。この利点を無視すれば、断面形状は、三角形や他の形状であってもよい。

図３は、図１に示す金型の断面を示す図である。図３において、金型のキャビティを符号１０１によって示し、合成樹脂の注入口を符号１０５によって示す。図１と同様に、金型のキャビティ底面を符号１０３によって示し、金型の凸部を符号１０７によって示す。金型の凸部１０７が配置される周期はΛ、金型の凸部の高さはｄである。ここで、周期Λは、たとえば、３５０ナノメータ、高さｄは、３５０ナノメータである。

図３において、注入口１０５から金型のキャビティ１０１に注入された合成樹脂は、矢印に示すように、金型の凸部１０７に沿って流れ、金型の凸部と金型の凸部の間に流れ込もうとする。金型の凸部１０７のキャビティ底面１０３における直径は、周期Λと同じく、３５０ナノメータである。

合成樹脂は、具体的にアクリル、シンクロオレフィン、ポリカーボネードなどである。注入する場合の温度範囲は、２５０℃から２８０℃である。

一般的に、流体中の物体のサイズをＬとすると、慣性力の粘性力に対する割合であるレイノルズ数はＬの２乗に比例する。したがって、サイズが小さくなると、粘性力が支配的になる。金型の凸部１０７のキャビティ底面１０３における直径は、３５０ナノメータであり、きわめて小さいので、圧力に対して粘性力が大きくなり、合成樹脂は、金型の凸部と金型の凸部の間に流れ込むのが困難となる。金型のキャビティ１０１が合成樹脂によって満たされ、合成樹脂の圧力が上昇するにしたがって、合成樹脂は、金型の凸部と金型の凸部の間に少しずつ流れ込む。

従来の金型の凹部１０９は、互いに連絡していない。したがって、従来の金型の凹部１０９の空気は、合成樹脂が金型の凹部１０９に流れ込む場合に、逃げ場が無く金型の凹部１０９の底部にたまるため、空気の圧力により、合成樹脂は、所定の割合より多く金型の凹部１０９に流れ込むことはできない。しかし、本実施形態においては、金型の凸部と金型の凸部の間は、互いに連絡しているので、合成樹脂が流れ込む場合に、金型の凸部と金型の凸部の間の空気は逃げることができる。したがって、空気の圧力が上昇して、合成樹脂の流れ込みが妨げられることはない。

金型の凸部１０７の高さｄが、３５０ナノメータである場合に、当該金型の凸部１０７によって成形された格子凸部の高さは、３００乃至３５０ナノメータである。すなわち、転写率は、約８５パーセントから１００パーセントに達する。

このように、本実施形態によれば、２次元サブ波長格子を、金型を使用して射出成形によって製造する場合に、転写率を顕著に向上させることができる。

本実施形態の金型によって製造した２次元サブ波長格子において、格子凸部の高さが３５０ナノメータである場合に、波長が４００ナノメータ、６００ナノメータおよび８００ナノメータの光に対する反射率は、それぞれ０．１４パーセント、０．２１パーセントおよび０．３７パーセントである。

図４は、本発明の他の実施形態による格子凸部の形状を示す図である。図４において、格子凸部を符号２０１によって示す。図４の４つの図は、上から下に、平面図、Ａ−Ａ’断面図、Ｂ−Ｂ’断面図およびＣ−Ｃ’断面図を示す。

平面図において、斜線部分は、格子凸部の最も高い面を示す。この面が、金型のキャビティ底面に対応する。平面図における円形は、金型の凸部１０７の底面に対応する。隣接する円形が互いに接し、隣接する円形の中心は、正三角形を形成するように配置されている。本実施形態においては、格子凸部の最も高い面の面積は、図２に示す実施形態の場合よりも小さくなる。したがって、反射率は、図２に示す実施形態の場合よりも小さくなり、より好ましい。

本実施形態においても、金型の凸部と金型の凸部の間は、互いに連絡しているので、金型の凸部と金型の凸部の間の空気は逃げることができる。したがって、空気の圧力が上昇して、合成樹脂の流れ込みが妨げられることはない。

金型の凸部１０７の深さｄが、３５０ナノメータである場合に、当該金型の凸部１０７によって成形された格子凸部の高さは、３００乃至３５０ナノメータである。すなわち、転写率は、約８５パーセントから１００パーセントに達する。

本実施形態の金型によって製造した２次元サブ波長格子において、格子凸部の高さが３５０ナノメータである場合に、波長が４００ナノメータ、６００ナノメータおよび８００ナノメータの光に対する反射率は、それぞれ０．１３パーセント、０．１９パーセントおよび０．１４パーセントである。

図５は、本実施形態において転写率が８５パーセントおよび１００パーセントの場合、ならびに従来技術において転写率が５１パーセントの場合について、波長に対する反射率の変化を示す図である。

ここで、図６を参照しながら、一定の周期Λで配置される凸部を備える金型の製造方法について説明する。

はじめに、基板上にレジストを堆積し、格子の頂点を中心とした円パターンが得られるように、電子ビームまたは光を照射する。その後、レジストを現像処理によって除去する。パターニングされた形状を、レジストが無くなるまで、イオンエッチングを行うと、突起部が回転放物面形状の微細格子の金型を製造することができる。

本発明による微細格子およびその金型を、反射防止用の２次元サブ波長格子を例として説明した。本発明による微細格子は、共振モードフィルタやその他の用途に使用することもできる。

Claims

微細格子用の金型であって、キャビティ底面に、中心位置が微細格子の周期である可視光線の波長よりも小さな間隔となるように配置された突起部を有する金型。
突起部の、キャビティ底面に平行な断面が突起部の高さにしたがって小さくなり、断面の減少率が突起部の高さにしたがって大きくなる請求項１に記載の金型。
突起部のキャビティ底面に平行な断面が円形である請求項１または２に記載の金型。
突起部のキャビティ底面における断面の円形の中心が、当該円形の直径の長さに等しい一辺を備える正方形の頂点の位置を占めるように、突起部がキャビティ底面に配置される請求項３に記載の金型。
突起部のキャビティ底面における断面の円形の中心が、当該円形の直径の長さに等しい一辺を備える正三角形の頂点の位置を占めるように、突起部がキャビティ底面に配置される請求項３に記載の金型。
突起部が放物面形状である請求項３に記載の金型。
請求項１から６のいずれかに記載された金型によって成形された微細格子。
合成樹脂からなる請求項７に記載の微細格子。