JPWO2020250300A1 - 表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法 - Google Patents

表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法 Download PDF

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Abstract

反応性イオンエッチングプロセスにより、所望のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成することのできる表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法を提供する。表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法であって、第１のガスの雰囲気の反応性イオンエッチングによって該プラスチック素子の表面に０．０５マイクロメータから１マイクロメータの範囲の所定の値の平均ピッチの微細凹凸構造を生成する第１のステップと、該第１のガスの該プラスチック素子に対する反応性よりも該プラスチック素子に対する反応性が低い第２のガスの雰囲気における反応性イオンエッチングによって平均ピッチの該所定の値をほぼ維持しながら該微細凹凸構造の平均深さを０．１５マイクロメータから１．５マイクロメータの範囲の所定の値とする第２のステップと、を含む。

Description

本発明は、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法に関する。プラスチック素子はプラスチック製の光学素子を含む。光学素子はレンズ、回折格子、プリズム、マイクロレンズアレイ、拡散板、保護用窓を含む。
光の波長またはそれ以下の小さなピッチ（周期）で配列された微細凹凸構造からなる反射防止構造が光学素子に使用されている。このような微細凹凸構造用の成形型の製造方法として、干渉露光装置や電子ビーム描画装置を使用してレジストをパターニングし、エッチングまたは電鋳を行う方法が知られている。しかし、これらの方法によって、大きな面積の平面や曲面に微細凹凸構造を形成するのは困難である。
そこで、パターニングを必要とせずに、反応性イオンエッチングプロセスにより微細凹凸構造を備えた成形型を製造する製造方法が開発されている（たとえば、特許文献１）。この方法によれば、パターニングを行わずに大きな面積の平面や曲面に微細凹凸構造を備えた成形型を製造することができる。しかし、上記の方法によって製造された成形型からプラスチック素子を製造する際に、成形型の微細凹凸構造を高い精度でプラスチック材料に転写するのは容易ではない。
また、反応性イオンエッチングプロセスにより、レンズなどのプラスチック素子の表面に直接微細凹凸構造を生成する方法が開発されている(たとえば、特許文献２)。しかし、反応性イオンエッチングプロセスにより、たとえば可視光域の光の反射防止に適切なピッチ及び深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成する方法は確立されていなかった。具体的に、従来の方法において、プラスチック素子の表面に生成される微細凹凸構造のピッチ及び深さをそれぞれ所望の値とするのは困難であった。
このように、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法であって、反応性イオンエッチングプロセスにより、所望の値のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成することのできる製造方法は開発されていなかった。
そこで、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法であって、反応性イオンエッチングプロセスにより、所望の値のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成することのできる製造方法に対するニーズがある。
WO2014/076983A1 DE10241708A1
本発明の技術的課題は、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法であって、反応性イオンエッチングプロセスにより、所望のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成することのできる製造方法を提供することである。
本発明による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法は、第１のガスの雰囲気の反応性イオンエッチングによって該プラスチック素子の表面に０．０５マイクロメータから１マイクロメータの範囲の所定の値の平均ピッチの微細凹凸構造を生成する第１のステップと、該第１のガスの該プラスチック素子に対する反応性よりも該プラスチック素子に対する反応性が低い第２のガスの雰囲気における構造の平均深さを０．１５マイクロメータから１．５マイクロメータの範囲の所定の値とする第２のステップと、を含む。
本発明によれば、第１のステップにおいて、所望の値の平均ピッチの該微細凹凸構造を生成した後に、第２のステップにおいて、該第１のガスの該プラスチック素子に対する反応性よりも該プラスチック素子に対する反応性が低い第２のガスの雰囲気における反応性イオンエッチングによって平均ピッチの該所定の値をほぼ維持しながら該微細凹凸構造の平均深さを所望の値とすることができるので、所望のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造をプラスチック素子の表面に直接生成することができる。
本発明の第１の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、該第１のガスが六フッ化硫黄（ＳＦ６）、六フッ化硫黄と酸素（Ｏ２）もしくはアルゴン（Ａｒ）の少なくとも一方との混合物、または酸素である。
本発明の第２の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、該第２のステップで使用されるガスがトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）、トリフルオロメタンと酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物、四フッ化炭素(ＣＦ４)、四フッ化炭素と酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物である。
本発明の第３の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、第３のガスの雰囲気のプラズマ処理によって、イオンエッチングが生じないようにしながら該微細凹凸構造の表面にフッ素ラジカルを結合させる第３のステップをさらに含む。
本実施形態によれば、プラズマ処理によって微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の撥水処理を実施することができる。第３のステップは、第１及び第２のステップを実施するのに使用した反応性イオンエッチング装置の高周波電源装置の電極への接続を変更した装置を使用して実施することもできる。
本発明の第４の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、該第３のガスがトリフルオロメタン、四フッ化炭素、または六フッ化硫黄である。
本発明の第５の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、該プラスチック素子が光学素子である。
本発明の第６の実施形態による表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法において、該微細凹凸構造が反射防止用微細凹凸構造である。
本実施形態によれば、反射を防止したい光の波長に応じて適切な平均ピッチ及び平均深さの微細凹凸構造を備えたプラスチック素子を製造することができる。
本発明の一実施形態によるエッチング方法に使用される反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置１００Ａの構成を示す図である。 条件１のエッチングによって得られた微細凹凸構造の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、SEM）画像である。 条件２のエッチングによって得られた微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。 本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明する流れ図である。 本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明するための図である。 本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明するための図である。 第１のステップのエッチング条件の定め方を説明する流れ図である。 第２のステップのエッチング条件の定め方を説明する流れ図である。 微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの目標値の定め方を説明する流れ図である。 上記の方法によって生成された可視光用の反射防止用微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。 波長と反射率との関係を示す図である。 波長と透過率との関係を示す図である。 、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）のみを使用したエッチング後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。 六フッ化硫黄（ＳＦ６）のみを使用したエッチング後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。 酸素のみを使用したエッチング後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。 波長と透過率との関係を示す図である。 表４に示した方法によって生成された可視光用の反射防止用微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。 波長と反射率との関係を示す図である。 波長と透過率との関係を示す図である。 本発明の一実施形態による撥水処理に使用される撥水処理装置１００Ｂの構成を示す図である。 、撥水処理をしていない、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。 表６の条件１の撥水処理を実施した、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。 表６の条件２の撥水処理を実施した、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。
図１は、本発明の一実施形態によるエッチング方法に使用される反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）装置１００Ａの構成を示す図である。反応性イオンエッチング装置１００Ａは反応室１０１を有する。真空排気された反応室１０１には、ガス供給口１１１からガスが供給される。供給されるガスの量は調整することができる。さらに、反応室１０１にはガス排気口１１３が設けられ、ガス排気口１１３には図示しないバルブが取り付けられている。バルブを操作することにより、反応室１０１内のガス圧力を所望の圧力値とすることができる。反応室１０１には、接地された上部電極１０３、及び高周波電源１０７に接続された下部電極１０５が備わり、両電極間に高周波電源１０７により高周波電圧をかけてプラズマを発生させることができる。下部電極１０５には、プラスチック素子２００が配置される。プラスチック素子２００は一例としてプラスチック製のレンズである。下部電極１０５は、冷却装置１０９によって所望の温度に冷却することができる。冷却装置１０９は、たとえば、冷却に水冷式チラーを使用するものである。下部電極１０５を冷却するのは、基板１０１の温度を所望の温度とすることによりエッチング反応を制御するためである。
図１を使用して説明した反応性イオンエッチング装置は、容量結合型イオンエッチング装置であるが、他のタイプのイオンエッチング装置、たとえば、誘導結合型イオンエッチング装置を使用してもよい。
プラスチック素子２００を配置した下部電極１０５に高周波電圧を印加すると、プラズマ中のイオン種やラジカル種がプラスチック素子２００へ向けて加速されてプラスチック素子２００と衝突する。その際、イオンによるスパッタリングと、エッチングガスの化学反応が同時に起こりエッチングが実施される。プラスチック素子２００のプラスチックは多数の分子鎖から形成されており、プラスチック素子２００の表面には分子鎖が密の部分と粗の部分とがランダムに存在する。分子鎖が密の部分はエッチングされにくく、分子鎖が粗の部分はエッチングされやすいのでエッチングによってプラスチック素子２００の表面に微細凹凸構造が生じる。
表1は、エッチング条件とそのエッチング条件によるエッチングによって生じる微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さとを示す表である。プラスチック素子２００はポリカーボネート製である。表１及びその他の表においてＲＦ電力は高周波電源１０７によって供給される電力であり、加工温度は冷却装置１０９によって制御される温度であり、加工時間は電力を供給しながら処理を実施する時間である。
Figure 2020250300
条件１と条件２とは、加工時間のみが異なる。一般的に、加工時間（エッチング時間）が長いほど微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの値は大きくなるので、加工時間を変化させることにより微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの値を同様に変化させることはできる。表１によれば、加工時間の長い条件２のエッチングによって得られた微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの値は、加工時間の短い条件１のエッチングによって得られた微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの値よりもそれぞれ大きい。
他方、微細凹凸構造の反射防止機能は平均ピッチ及び平均深さによって定まるので、所望の反射防止機能を得るには平均ピッチ及び平均深さをそれぞれ所望の値とする必要がある。しかし、加工時間のみによって、平均ピッチ及び平均深さをそれぞれ所望の値とするのは困難である。たとえば、条件１のエッチングによって得られた微細凹凸構造の深さは、後で説明するように可視光に対し所望の反射防止機能を得るには小さすぎ、条件２のエッチングによって得られた微細凹凸構造の深さは可視光に対し所望の反射防止機能を得るのに適切であるが、平均ピッチは大きすぎ可視光の種々の波長の光の反射による白濁を生じる。
高周波電源１０７によって供給される電力によっても平均ピッチ及び平均深さを変えることができるが、この場合も電力の大きさにしたがって平均ピッチ及び平均深さが同様に大きくなるので平均ピッチ及び平均深さをそれぞれ所望の値とするのは困難である。
図２は条件１のエッチングによって得られた微細凹凸構造の走査型電子顕微鏡（Scanning Electron Microscope、SEM）画像である。
図３は条件２のエッチングによって得られた微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。
発明者による、エッチングによる微細凹凸構造の形成過程の観察によって、早期の段階で小さいピッチ及び小さい深さの微細凹凸構造が形成され、その後の段階で時間の経過にしたがってピッチ及び深さがともに増大することが判明した。そこで、発明者は、エッチングを早期の段階、すなわち第１のステップとその後の段階、すなわち第２のステップに分け、第２のステップにおいて、エッチングを抑制することを試みた。その結果、発明者は、第２のステップにおいて、第１のステップの雰囲気ガスよりも反応性の低い雰囲気ガスを使用すると、第２のステップにおいてピッチが増大せずに深さのみを大きくすることができるという新たな知見を得た。すなわち、エッチングを、第１のステップと第１のステップの雰囲気ガスよりも反応性の低い雰囲気ガスを使用する第２のステップとに分けて実施することによって、微細凹凸構造のピッチと深さとをそれぞれ所望の値とすることのできることが判明した。
図４は本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明する流れ図である。
図５Ａ−図５Ｃは、本発明の一実施形態によるエッチング方法を説明するための図である。
図４のステップＳ１０１０において、第１のガスの雰囲気における反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によってプラスチック素子２００の表面に所定の値の平均ピッチの微細凹凸構造を生成する。図５ＡはステップＳ１０１０が実施される前のプラスチック素子２００を示す図であり、図５ＢはステップＳ１０１０が実施された後のプラスチック素子２００を示す図である。
図４のステップＳ１０２０において、第１のガスよりも反応性の低い第２のガスの雰囲気における反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によって微細凹凸構造の平均ピッチを維持しながら微細凹凸構造の平均深さを所望の値とする。図５ＣはステップＳ１０２０が実施された後のプラスチック素子２００を示す図である。
反射防止用の微細凹凸構造の平均ピッチの目標値Ｐは光線の波長をλ、プラスチック素子の屈折率をｎ、プラスチック素子の表面への光線の入射角をθとして、以下の式を満たすように定める必要がある。
Figure 2020250300
 光線の波長をλ=0.4μm、プラスチック素子の屈折率をN=1.5、プラスチック素子の表面への光線の入射角をθ=30°とすると、目標値Ｐは0.2μmより小さくする必要がある。一般的に、反射防止用の微細凹凸構造の平均深さの目標値は光線の波長をλの0.35倍以上とする必要がある。可視光の最大波長0.7μmに対して平均深さは約0.25μm以上である。
図６は、第１のステップのエッチング条件の定め方を説明する流れ図である。
図６のステップＳ２０１０において、所定のエッチング条件で第１のガスの雰囲気において反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を実施する。
図６のステップＳ２０２０において、生成された微細凹凸構造を観察して、平均ピッチが所望の値、すなわち目標値であるかどうか判断する。平均ピッチが所望の値であれば処理を終了する。平均ピッチが所望の値でなければステップＳ２０３０に進む。
図６のステップＳ２０３０において、微細凹凸構造の平均ピッチを所望の値とするように電力または時間の設定値を変化させる。平均ピッチを大きくするには電力または時間の設定値を大きくし、平均ピッチを小さくするには電力または時間の設定値を小さくする。ステップＳ２０３０の終了後ステップＳ２０１０に戻る。
図７は、第２のステップのエッチング条件の定め方を説明する流れ図である。図６の流れ図に示した方法によって定めたエッチング条件によって第１のステップを実施した後に図７の流れ図に示した方法によって第２のステップのエッチング条件を定める。
図７のステップＳ３０１０において、所定のエッチング条件で第２のガスの雰囲気において反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）を実施する。
図７のステップＳ３０２０において、生成された微細凹凸構造を観察して、平均深さが所望の値、すなわち目標値であるかどうか判断する。平均深さが所望の値であれば処理を終了する。平均深さが所望の値でなければステップＳ３０３０に進む。
図７のステップＳ３０３０において、微細凹凸構造の平均深さを所望の値とするように電力または時間の設定値を変化させる。平均深さを大きくするには電力または時間の設定値を大きくし、平均深さを小さくするには電力または時間の設定値を小さくする。ステップＳ３０３０の終了後ステップＳ３０１０に戻る。
図８は、微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さの目標値の調整方法を説明する流れ図である。
図８のステップＳ４０１０において、図６及び図７の流れ図に示した方法によって、所望の平均ピッチ及び所望の平均深さの微細凹凸構造を生成する。
図８のステップＳ４０２０において、プラスチック素子の反射率及び透過率を評価する。
図８のステップＳ４０３０において、プラスチック素子の反射率及び透過率は満足のいくものかどうか判断する。満足のいくものであれば処理を終了する。満足のいくものでなければステップＳ４０４０に進む。
図８のステップＳ４０４０において、平均ピッチ及び平均深さの少なくとも一方の目標値を変更する。ステップＳ４０４０の終了後ステップＳ４０１０に戻る。
表２は、本発明の一実施形態によるエッチング方法のエッチング条件と該エッチング方法によって生じる微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さとを示す表である。プラスチック素子２００はポリカーボネート製である。
Figure 2020250300
第１のステップの雰囲気ガスである第１のガスは酸素と六フッ化硫黄（ＳＦ６）との混合ガスである。第２のステップの雰囲気ガスである第２のガスは酸素とトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）との混合ガスである。第２のガスのプラスチック素子に対する反応性は第１のガスのプラスチック素子に対する反応性よりも低い。第１のステップ終了後において、平均ピッチは0.06μmであり平均深さは0.1μmである。第２のステップにおいて、平均深さは0.1μmから0.3μmへ増加するが平均ピッチは0.06μmに維持される。このようにして、平均ピッチ及び平均深さが可視光の反射防止に適切な微細凹凸構造が得られる。
図９は、表２に示す方法によって生成された可視光用の反射防止用微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。表２に示したように平均ピッチは0.06μmであり平均深さは0.3μmである。
図１０は波長と反射率との関係を示す図である。図１０の横軸は波長を示し、図１０の縦軸は反射率を示す。実線は表２に示した本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の反射率を示す。「従来の方法」と記された破線は表１の条件２に示した方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の反射率を示す。「加工なし」と記された点線は微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の反射率を示す。
図１１は波長と透過率との関係を示す図である。図１１の横軸は波長を示し、図１１の縦軸は透過率を示す。実線は表２に示した本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。「従来の方法」と記された破線は表１の条件２に示した方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。「加工なし」と記された点線はエッチング処理をせずに微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率を示す。
図１０に示した反射率の測定及び図１１に示した透過率の測定を実施したプラスチック素子は厚さが5ｍｍの板状のものである。
図１０によると、本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の反射率は400ナノメータから700ナノメータの可視光の範囲で１パーセント以下であり、表１の条件２に示した方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の反射率よりも低い。
図１１によると、本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率は400ナノメータから700ナノメータの可視光の範囲で９０パーセント以上であり、表１の条件２に示した方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率よりも高い。また、本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率は400ナノメータから700ナノメータの可視光の範囲で微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率よりも約５パーセント高い。
つぎに単一のガスの雰囲気におけるエッチングについて説明する。
表３は、単一のガスの雰囲気のエッチングのエッチング条件と該エッチングによって生じる微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さとを示す表である。プラスチック素子２００はポリカーボネート製である。
Figure 2020250300
図１２は、トリフルオロメタン（ＣＨＦ３）のみのガス雰囲気の処理後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。
図１３は、六フッ化硫黄（ＳＦ６）のみのガス雰囲気の処理後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。
図１４は、酸素(Ｏ２)のみのガス雰囲気の処理後のプラスチック素子の表面のＳＥＭ画像である。
六フッ化硫黄のみのガス雰囲気の処理後に生成された微細凹凸構造の平均ピッチは、トリフルオロメタンのみのガス雰囲気の処理後に生成された微細凹凸構造の平均ピッチよりも大きく、六フッ化硫黄のみのガス雰囲気の処理後に生成された微細凹凸構造の平均深さは、トリフルオロメタンのみのガス雰囲気の処理後に生成された微細凹凸構造の平均深さよりも大きい。したがって、六フッ化硫黄のポリカーボネート製のプラスチック素子に対する反応性は、トリフルオロメタンのポリカーボネート製のプラスチック素子に対する反応性よりも高いことがわかる。
図１４によると酸素のみのガス雰囲気の処理後のプラスチック素子の表面には微細凹凸構造が生成されていない。
図１５は波長と透過率との関係を示す図である。図１５の横軸は波長を示し、図１５の縦軸は透過率を示す。太い実線は表２に示した本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。破線は、表３に示した六フッ化硫黄（ＳＦ６）のみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。点線は、表３に示したトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）のみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。二点鎖線は、表３に示した酸素(Ｏ２)のみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。「加工なし」と記された細い実線は処理をせずに微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率を示す。
図１５によると、トリフルオロメタンのみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率及び酸素のみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率は、処理をせずに微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率とほぼ同じで、400ナノメータから700ナノメータの可視光の範囲で本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率よりも約４％から５％低い。六フッ化硫黄のみのガス雰囲気の処理後に得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率は、600ナノメータ以下の範囲で本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率よりも最大約1％低い。
上述の説明は、ポリカーボネート製のプラスチック素子に関するものである。本発明は他のプラスチック材料の素子にも適用できる。以下においてプラスチック材料がアクリル樹脂である場合について説明する。
表４は、本発明の他の実施形態によるエッチング方法のエッチング条件と該エッチング方法によって生じる微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さとを示す表である。プラスチック素子２００はアクリル樹脂であるポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）製である。
Figure 2020250300
図１６は、表４に示した方法によって生成された可視光用の反射防止用微細凹凸構造のＳＥＭ画像である。
図１７は波長と反射率との関係を示す図である。図１７の横軸は波長を示し、図１７の縦軸は反射率を示す。実線は表４に示した本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の反射率を示す。「加工なし」と記された点線は処理をせずに微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の反射率を示す。
図１８は波長と透過率との関係を示す図である。図１８の横軸は波長を示し、図１８の縦軸は透過率を示す。実線は表４に示した本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率を示す。「加工なし」と記された点線は処理をせずに微細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率を示す。
図１８によると、本発明の方法によって得られた微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の透過率は400ナノメータから700ナノメータの可視光の範囲で９２パーセント以上であり、細凹凸構造を備えていないプラスチック素子の透過率よりも約３パーセントから４パーセント高い。
表５は、本発明の他の実施形態によるエッチング方法のエッチング条件と該エッチング方法によって生じる微細凹凸構造の平均ピッチ及び平均深さとを示す表である。プラスチック素子２００はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）製である。
Figure 2020250300
本実施形態において第１のステップで酸素ガスを使用し、第２のステップでトリフルオロメタン及びアルゴンの混合ガスを使用して所望の平均ピッチ及び平均深さを備えた微細凹凸構造が得られたことは、酸素ガスのポリメタクリル酸メチルに対する反応性がトリフルオロメタン及びアルゴンの混合ガスのポリメタクリル酸メチルに対する反応性よりも高いことを示している。
表５の第１のステップが終了した後、酸素ガスの雰囲気でエッチングを継続すると、平均深さは大きく変化せず平均ピッチが大きくなり所望の平均ピッチ及び所望の平均深さは得られなかった。
表３に示した、酸素ガスのみの雰囲気でポリカーボネートのエッチングを実施した場合に微細凹凸構造が生成されなかったのは、エッチングされなかったのでではなく、電力及びエッチング時間が長いため、全面的にエッチングされたためであると考えられる。一般的に、プラスチック材料に対する反応性の高さは、酸素、六フッ化硫黄、トリフルオロメタンの順であると考えられる。トリフルオロメタンの代わりにプラスチック材料に対する反応性の比較的低いガスとして四フッ化炭素(ＣＦ４)を使用することもできる。
本発明の実施形態のエッチング方法の第１のステップにおいて使用される雰囲気ガスは、六フッ化硫黄、六フッ化硫黄と酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物、または酸素を含む。本発明の実施形態のエッチング方法の第２のステップにおいて使用される雰囲気ガスは、トリフルオロメタン、トリフルオロメタンと酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物、四フッ化炭素、四フッ化炭素と酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物を含む。
本発明においては、第１のステップにおいて微細凹凸構造の平均ピッチを定め、第２のステップにおいて、第１のステップの雰囲気ガスのプラスチック素子に対する反応性よりもプラスチック素子に対する反応性が低い雰囲気ガスで処理を実施することにより、上記の平均ピッチを維持しながら、微細凹凸構造の平均深さを大きくすることができる。このように本発明によれば、所望の値のピッチ及び所望の値の深さの微細凹凸構造のプラスチック素子を製造することができる。
以下において微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の新たな撥水処理方法について説明する。従来、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子を撥水処理するには、撥水コート液に浸漬して素子の表面を撥水膜でコーティングしていた。しかし、複雑な形状のレンズの表面の微細凹凸構造を均一な撥水膜でコーティングするのは困難である。また、処理に時間及び手間がかかり、撥水コート液は非常に高価であるので処理コストが高い。
新たな撥水処理方法においては、図１に示した反応性イオンエッチング装置１００Ａと類似の構造の装置を使用してプラスチック素子の表面の微細凹凸構造に撥水処理を実施する。
図１９は、本発明の一実施形態による撥水処理に使用される撥水処理装置１００Ｂの構成を示す図である。撥水処理装置１００Ｂは、反応室１０１を有する。真空排気された反応室１０１には、ガス供給口１１１からガスが供給される。供給されるガスの量は調整することができる。さらに、反応室１０１には、ガス排気口１１３が設けられ、ガス排気口１１３には図示しないバルブが取り付けられている。バルブを操作することにより、反応室１０１内のガス圧力を所望の圧力値とすることができる。反応室１０１には、接地された下部電極１０５及び高周波電源１０７に接続された上部電極１０３が備わり、両電極間に高周波電源１０７により高周波電圧をかけてプラズマを発生させることができる。下部電極１０５には、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子２００が配置される。プラスチック素子２００は一例としてプラスチック製のレンズである。下部電極１０５は、冷却装置１０９によって所望の温度に冷却することができる。冷却装置１０９は、たとえば、冷却に水冷式チラーを使用するものである。下部電極１０５を冷却するのは、基板１０１の温度を所望の温度とすることにより反応を制御するためである。
図１に示した反応性イオンエッチング装置１００Ａと図１９に示した撥水処理装置１００Ｂとは、上部及び下部電極への高周波電源１０７の接続のみが異なる。撥水処理装置１００Ｂにおいては、イオンによるエッチングが生じないように、表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子２００が配置される下部電極１０５を接地している。撥水処理装置１００Ｂにおいてプラズマによって生じたフッ素ラジカルを微細凹凸構造の表面に結合させることによって撥水処理を実施する。ラジカルが微細凹凸構造を破壊しないように雰囲気ガスを選択し、高周波電源の電力及び加工時間を調整する。上部及び下部電極への高周波電源の接続を変更できるように構成された単一の装置を使用してエッチング処理と撥水処理を実施することもできる。
表６は、撥水処理条件を示す表である。プラスチック素子２００はポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）製である。
Figure 2020250300
撥水処理の雰囲気ガスとしてトリフルオロメタンの代わりに四フッ化炭素や六フッ化硫黄を使用することもできる。
図２０は、撥水処理をしていない、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。プラスチック素子の表面に垂直な断面において水滴の表面の接線とプラスチック素子の表面とのなす角度である接触角は３８．３度である。
図２１は、表６の条件１の撥水処理を実施した、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。接触角は１３９度である。撥水処理によって接触角は顕著に増加している。
図２２は、表６の条件２の撥水処理を実施した、微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の表面の形成された水滴の写真である。接触角は１３７度である。撥水処理によって接触角は顕著に増加している。

Claims (7)

  1. 表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法であって、
    第１のガスの雰囲気の反応性イオンエッチングによって該プラスチック素子の表面に０．０５マイクロメータから１マイクロメータの範囲の所定の値の平均ピッチの微細凹凸構造を生成する第１のステップと、
    該第１のガスの該プラスチック素子に対する反応性よりも該プラスチック素子に対する反応性が低い第２のガスの雰囲気における反応性イオンエッチングによって平均ピッチの該所定の値をほぼ維持しながら該微細凹凸構造の平均深さを０．１５マイクロメータから１．５マイクロメータの範囲の所定の値とする第２のステップと、を含む表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  2. 該第１のガスが六フッ化硫黄（ＳＦ６）、六フッ化硫黄と酸素（Ｏ２）もしくはアルゴン（Ａｒ）の少なくとも一方との混合物、または酸素である請求項１に記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  3. 該第２のステップで使用されるガスがトリフルオロメタン（ＣＨＦ３）、トリフルオロメタンと酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物、四フッ化炭素(ＣＦ４)、四フッ化炭素と酸素もしくはアルゴンの少なくとも一方との混合物である請求項１または２に記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  4. 第３のガスの雰囲気のプラズマ処理によって、イオンエッチングが生じないようにしながら該微細凹凸構造の表面にフッ素ラジカルを結合させる第３のステップをさらに含む請求項１から３のいずれかに記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  5. 該第３のガスがトリフルオロメタン、四フッ化炭素、または六フッ化硫黄である請求項４に記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  6. 該プラスチック素子が光学素子である請求項１から５のいずれかに記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
  7. 該微細凹凸構造が反射防止用微細凹凸構造である請求項１から６のいずれかに記載の表面に微細凹凸構造を備えたプラスチック素子の製造方法。
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