JP2009202469A - Fine pattern molding die and method for production thereof - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、微細パターンを有する成形品を成形するための金型及びその製造方法に関するものであり、特にナノ単位の微細パターンを金型の転写面に高精度に形成することができるものである。 The present invention relates to a mold for forming a molded article having a fine pattern and a method for manufacturing the same, and particularly, a nano-unit fine pattern can be formed on a transfer surface of a mold with high accuracy. .
この発明に関連する従来技術、すなわち、成型用金型の転写面を高精度で加工する技術の公知例として、特開２００５−２７２２５４号公報（特許文献１）、特開２００４−２６８３３１号公報（特許文献２）に記載されているものがある。 As a known example of the prior art related to the present invention, that is, a technique for processing a transfer surface of a molding die with high accuracy, Japanese Patent Laid-Open No. 2005-272254 (Patent Document 1) and Japanese Patent Laid-Open No. 2004-268331 ( Some are described in Patent Document 2).
〔従来技術１〕
上記特許文献１（特開２００５−２７２２５４号公報）に記載されているものは、レンズ等の高精度なガラス光学素子を成形するための光学素子成形用金型及びその製造方法に関するものであり、生産性に優れ、低コストで高精度な成形面形状を得ることができる光学素子成形用金型の製造方法であり、高圧水アトマイズ法によって平均粒径２μｍの粉体とした鉄を主成分とする金属ガラス（ガラス転移温度（Ｔｇ）が５４０℃、結晶化開始温度（Ｔｘ）が５９０℃）の粉末２を被焼結体３として、Ｔｘより低い温度で放電プラズマ焼結法により焼結して成形面を得る工程を備えている。そして、この放電プラズマ焼結法を行う放電プラズマ焼結装置６は、焼結ユニット７を内部に配設している真空チャンバ８と、この真空チャンバ８の上下に設けられ焼結ユニット７を間に挟んで配設された上部パンチ電極１０及び下部パンチ電極１１と、これら電極を介して焼結ユニット７にパルス電力を印加する電源部１２とを備えており（図１６）、高いガラス転移温度（Ｔｇ）を有する金属ガラスであっても、大型のバルクを形成することができるものである。
なお、図１６は特許文献１の図１を転用したものであり、符号は同図１のものと同じである。
[Prior art 1]
What is described in the above Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-272254) relates to an optical element molding die for molding a high-precision glass optical element such as a lens and a method for manufacturing the same. This is a manufacturing method of an optical element molding die that is excellent in productivity and can obtain a highly accurate molding surface shape at low cost. The main component is iron made into a powder having an average particle diameter of 2 μm by a high-pressure water atomization method. The powder 2 of the metallic glass (glass transition temperature (Tg) of 540 ° C. and crystallization start temperature (Tx) of 590 ° C.) is sintered as a body 3 to be sintered by a discharge plasma sintering method at a temperature lower than Tx. And obtaining a molding surface. A discharge plasma sintering apparatus 6 for performing this discharge plasma sintering method includes a vacuum chamber 8 in which a sintering unit 7 is disposed, and a sintering unit 7 provided above and below the vacuum chamber 8. An upper punch electrode 10 and a lower punch electrode 11 disposed between them, and a power source 12 for applying pulse power to the sintering unit 7 through these electrodes (FIG. 16), and a high glass transition temperature. Even a metallic glass having (Tg) can form a large bulk.
FIG. 16 is a diversion of FIG. 1 of Patent Document 1, and the reference numerals are the same as those in FIG.
〔従来技術２〕
また、特許文献２（特開２００４−２６８３３１号公報）に記載されているものは、レンズ面等の曲面上にＣＧＨ（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）１６や錐形状等の複雑な形状の微細構造をもつ光学素子を成型するための金型の製造方法であり、金型１が金型母材２と加工層３とエッチング層４により構成されており、レンズ面に対応する形状に粗加工された金型母材２上に加工層３が積層されており、加工層３がレンズ面に対応する形状に高精度に加工されており、加工層３の上にエッチング層４が形成されており、エッチング層４がエッチング処理により微細構造が形成されているものである（図１７）。そして、この従来技術は、金型の面精度を機械加工によって確保し、また、微細構造の形状精度をエッチング層４のエッチングによって得ることができるものである。
なお、図１７は上記特許文献２の図１を転用したものであり、符号は同図１のものと同じである。
[Prior art 2]
In addition, what is described in Patent Document 2 (Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-268331) is an optical having a microstructure of a complicated shape such as a CGH (Computer Generated Hologram) 16 or a cone shape on a curved surface such as a lens surface. A mold manufacturing method for molding an element, in which a mold 1 includes a mold base material 2, a processing layer 3, and an etching layer 4, and is roughly processed into a shape corresponding to a lens surface. A processing layer 3 is laminated on the base material 2, the processing layer 3 is processed with high accuracy into a shape corresponding to the lens surface, and an etching layer 4 is formed on the processing layer 3. 4 has a fine structure formed by etching (FIG. 17). In this prior art, the surface accuracy of the mold can be ensured by machining, and the shape accuracy of the fine structure can be obtained by etching the etching layer 4.
Note that FIG. 17 is a diversion of FIG. 1 of Patent Document 2, and the reference numerals are the same as those in FIG.
〔先行技術〕
また、公知例ではないが、先行技術として特願２００６−１８３３２０号のものがある。この先行技術は、成形時の離型が容易な構造の微細パターンを形成することによって、傾斜面、曲面、自由曲面などからなる表面に多数の微細溝による微細パターンを有する成形品を成形することができるものであり、金型からの転写によって成形され、成形時の型開きによる離型方向と表面の法線方向とが角度をなす該表面に微細パターンを有する成形品において、前記表面の斜面または曲面の傾斜する方向に沿って延びた微細溝が多数配列する微細溝群を有するとともに、隣り合う微細溝と微細溝の溝間隔が所定の間隔以下となるように表面全体に前記微細溝が配列していることにより、成形時の型開きの離型方向に対して表面が傾斜していない部分から傾斜した方向に向かって微細溝が存在するので、微細溝の開口部が離型方向を向くことになり、離型を容易にすることができるものである。
[Prior art]
Moreover, although it is not a well-known example, there exists a thing of Japanese Patent Application No. 2006-183320 as a prior art. This prior art forms a molded product having a fine pattern with a large number of fine grooves on a surface composed of an inclined surface, a curved surface, a free curved surface, etc. by forming a fine pattern having a structure that can be easily released during molding. In a molded product formed by transfer from a mold and having a fine pattern on the surface where the mold releasing direction by mold opening at the time of molding and the normal direction of the surface form an angle, the slope of the surface Alternatively, the micro groove has a group of micro grooves in which a large number of micro grooves extending along the direction in which the curved surface inclines is arranged, and the micro grooves are formed on the entire surface so that the interval between adjacent micro grooves is equal to or less than a predetermined interval. By arranging, since the fine groove exists in the direction inclined from the part where the surface is not inclined with respect to the releasing direction of the mold opening at the time of molding, the opening of the fine groove has the releasing direction. Face It becomes bets, in which the release can be facilitated.
〔従来技術の問題点〕
ところで近年では、光学素子の光学表面に微細パターンを形成することで反射防止機能や回折機能あるいは偏光機能の付加を実現することが行われるようになっている。また、光学素子にかかわらず、近年、濡れ性の制御や摩擦の制御等のために表面に微細パターンを形成することが行われている。加工法として、機械加工あるいはフォトリソグラフィーやエッチング等の半導体プロセスがあるが、大量生産を行うには金型に微細パターンを形成してから樹脂やガラスに転写する方法が好ましい。
[Problems of the prior art]
Incidentally, in recent years, an antireflection function, a diffraction function, or a polarization function has been added by forming a fine pattern on the optical surface of an optical element. Regardless of optical elements, in recent years, fine patterns have been formed on surfaces for wettability control, friction control, and the like. As a processing method, there is a semiconductor process such as machining or photolithography or etching. However, for mass production, a method of forming a fine pattern on a mold and then transferring it to a resin or glass is preferable.
〔従来技術１について〕
特許文献１（特開２００５−２７２２５４号公報）のものは、金属ガラスの粉末を放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）により焼結して金型を得ているが、金属ガラスは多成分の材料であるため、エッチングによる微細パターン形成が非常に困難である。
[Regarding Prior Art 1]
In Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2005-272254), metallic glass powder is sintered by a discharge plasma sintering method (SPS method) to obtain a mold, but metallic glass is a multi-component material. Therefore, it is very difficult to form a fine pattern by etching.
〔従来技術２について〕
特許文献２（特開２００４−２６８３３１号公報）の従来技術は、ステンレス鋼材からなる金型母材を機械加工して、その金型母材へ電鋳によりニッケルを積層しており、このニッケル面を成形対象の形状に対応した所定形状によりまた所定精度になるように、超精密の切削あるいは研磨加工によって仕上げ、次に微細パターンを形成するための表面層をスパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｃａｌ Ｖａｐｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などの方法で成膜した後、レジストを塗布して、電子線などで露光を行っている。そして、形成されたレジストパターンを利用してドライエッチングを行うことで、微細パターンを形成した金型を得ることができる。しかし、このような方法では、金型母材とニッケル層を機械加工する必要があり、金型作製工程が煩雑になってしまう。また、スパッタリング、真空蒸着、ＣＶＤなどの方法で成膜した微細パターンを形成するための表面層を厚膜にすることは困難であり、その膜厚はせいぜい数μｍまでであり、微細パターンのサイズはその膜厚により制限を受けてしまう。
In the prior art of Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2004-268331), a die base material made of a stainless steel material is machined, and nickel is laminated on the die base material by electroforming. The surface layer for forming a fine pattern is formed by sputtering, vacuum vapor deposition, CVD (Chemical Vapor), and finished by ultra-precise cutting or polishing so that it has a predetermined shape corresponding to the shape of the molding object and has a predetermined accuracy. After forming a film by a method such as Deposition, a resist is applied and exposure is performed with an electron beam or the like. And the metal mold | die in which the fine pattern was formed can be obtained by performing dry etching using the formed resist pattern. However, in such a method, it is necessary to machine the mold base material and the nickel layer, and the mold manufacturing process becomes complicated. In addition, it is difficult to make the surface layer for forming a fine pattern formed by sputtering, vacuum deposition, CVD, etc. into a thick film, and the film thickness is at most several μm, and the size of the fine pattern Is limited by its film thickness.
そこで、この発明は、微細パターンを有する成形品を成形するための金型の製造方法について、その製作工程の煩雑化を避け、微細パターンのサイズが制限されないで、所望形状の表面に微細パターンを容易な製作工程で高精度に形成できるように、金型加工方法を工夫することをその課題とするものである。 Therefore, the present invention avoids complication of the manufacturing process for a mold manufacturing method for forming a molded product having a fine pattern, and does not limit the size of the fine pattern. An object of the present invention is to devise a mold processing method so that it can be formed with high accuracy by an easy manufacturing process.
上記課題を解決するための手段は、成形対象の形状に対応した型形状とその精度が得られるように加工した放電プラズマ焼結法（以下「ＳＰＳ法」という）のための型を使用して、ＳＰＳ法により、少なくとも金型の成形転写面を、反応性イオンエッチングが可能な材料の微細ナノ粒子を焼結して作製し、その表面にマスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成することである。 The means for solving the above-mentioned problems is to use a mold for a discharge plasma sintering method (hereinafter referred to as “SPS method”) processed so as to obtain a mold shape corresponding to the shape of the object to be molded and its accuracy. Then, at least the molding transfer surface of the mold is prepared by sintering fine nanoparticles of a material capable of reactive ion etching, and a mask pattern is formed on the surface by the SPS method. Forming a pattern.
成形転写面を形成する微細ナノ粒子はＳｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンのいずれかである。金型の母材としては、超硬合金、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ステンレス鋼、グラッシーカーボンのいずれかを選択する。微細マスクパターンの形成は、微小な工具で加工荷重が一定の切削加工によることが好ましい。 The fine nanoparticles forming the molded transfer surface are any one of Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, and glassy carbon. As the base material for the mold, any one of cemented carbide, SiC, Si 3 N 4 , stainless steel, and glassy carbon is selected. The fine mask pattern is preferably formed by cutting with a small tool and a constant processing load.
また、微細ナノ粒子をＳＰＳ法（放電プラズマ焼結法）で焼結することによって少なくとも金型の成形転写面を形成するので、短時間で焼結を完了する。このため、焼結を粒子と粒子の界面でのみ進行させることができる。つまり、微細ナノ粒子が大きく成長することを抑制できることから、微細な粒子からなる緻密な材料となるので高精度の微細パターンを形成することが可能である。また、ＳＰＳ法においては、成形転写面の形状をＳＰＳ法の金型形状から転写することができるので、成形転写面の少なくとも粗加工の工程を省くことが可能である。さらに、ＳＰＳ法においては、微細パターンのサイズに応じて、成形転写面を形成する層の厚さを大きくすることができるので、微細パターンのサイズや形状に制約を与えることがない。ＳＰＳ法によれば、短時間で焼結が完了し、また、型形状の転写が可能であるので、微細パターンを有する成形品を成形するための金型を数多く作製することが容易である。 In addition, since at least the mold transfer surface of the mold is formed by sintering the fine nanoparticles by the SPS method (discharge plasma sintering method), the sintering is completed in a short time. For this reason, sintering can proceed only at the interface between the particles. That is, since it can suppress that a fine nanoparticle grows large, since it becomes a precise | minute material which consists of a fine particle, it is possible to form a highly accurate fine pattern. In the SPS method, since the shape of the molding transfer surface can be transferred from the mold shape of the SPS method, it is possible to omit at least the roughing process of the molding transfer surface. Furthermore, in the SPS method, the thickness of the layer that forms the molded transfer surface can be increased according to the size of the fine pattern, so that there is no restriction on the size and shape of the fine pattern. According to the SPS method, since the sintering is completed in a short time and the mold shape can be transferred, it is easy to produce many molds for molding a molded product having a fine pattern.
さらに、成形転写面に微細マスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成するので、マスク（レジスト）との組み合わせで微細パターンを容易に短時間で形成することが可能となる。また、微小な領域のみでなく、大きな面積に微細パターンを形成することができる。 Furthermore, since the fine pattern is formed by reactive ion etching after the fine mask pattern is formed on the molded transfer surface, the fine pattern can be easily formed in a short time in combination with the mask (resist). In addition, a fine pattern can be formed not only in a minute region but also in a large area.
また、微細ナノ粒子はＳｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンのいずれかであるので、反応性イオンエッチング法によって微細パターン形成のための加工をすることが可能であり、容易に微細パターンを形成した金型を得ることができる。さらに、離型性および耐久性に優れた金型を得ることができる。 In addition, since the fine nanoparticles are any one of Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, and glassy carbon, processing for forming a fine pattern is performed by a reactive ion etching method. It is possible to obtain a mold in which a fine pattern is easily formed. Furthermore, a mold excellent in releasability and durability can be obtained.
次に、超硬合金、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ステンレス鋼、グラッシーカーボンのいずれかを金型の母材とするので、金型として望まれる高い強度や高い熱伝導性が得られる。 Next, since any of cemented carbide, SiC, Si 3 N 4 , stainless steel, and glassy carbon is used as the base material of the mold, high strength and high thermal conductivity desired for the mold can be obtained.
さらに、微小な工具で加工荷重が一定の切削加工を行うことで微細マスクパターンを形成するので一定の深さの加工が可能である。したがって、マスクの不要部のみを加工することができ、反応性イオンエッチングにより一定深さの微細パターンを形成することにつながる。また、機械（パラレル機構や多軸の加工装置やステージ）の動きにより、さまざまなパターンを形成することが可能である。 Furthermore, since a fine mask pattern is formed by performing cutting with a constant processing load with a minute tool, processing with a constant depth is possible. Therefore, only unnecessary portions of the mask can be processed, and a fine pattern with a certain depth is formed by reactive ion etching. Various patterns can be formed by the movement of the machine (parallel mechanism, multi-axis machining device or stage).
〔請求項１の発明〕
請求項１の発明は、微細ナノ粒子を放電プラズマ焼結法（ＳＰＳ法）で焼結することによって少なくとも金型の成形転写面を形成するので、短時間で焼結を完了する。このため、焼結を粒子と粒子の界面でのみ進行させることができる。つまり、微細ナノ粒子が大きく成長することを抑制することができることから、微細な粒子からなる緻密な材料となるので高精度の微細パターンを形成することが可能である。また、ＳＰＳ法においては、成形転写面の形状をＳＰＳ用の金型形状から転写することができるので、成形転写面の少なくとも粗加工の工程を省くことが可能になる。さらに、ＳＰＳ法においては、微細パターンのサイズに応じて、成形転写面を形成する層の厚さを大きくすることができるので、微細パターンのサイズや形状に制約を与えることがない。ＳＰＳ法によれば短時間で焼結が完了し、また型形状の転写が可能であるので、微細パターンを有する成形品を成形するための金型を数多く作製することが容易である。
[Invention of Claim 1]
According to the first aspect of the present invention, at least the molding transfer surface of the mold is formed by sintering the fine nanoparticles by the discharge plasma sintering method (SPS method), so that the sintering is completed in a short time. For this reason, sintering can proceed only at the interface between the particles. That is, since it can suppress that a fine nanoparticle grows large, since it becomes a precise | minute material which consists of a fine particle, it is possible to form a highly accurate fine pattern. Further, in the SPS method, since the shape of the molding transfer surface can be transferred from the SPS mold shape, at least the roughing process of the molding transfer surface can be omitted. Furthermore, in the SPS method, the thickness of the layer that forms the molded transfer surface can be increased according to the size of the fine pattern, so that there is no restriction on the size and shape of the fine pattern. According to the SPS method, the sintering can be completed in a short time and the mold shape can be transferred. Therefore, it is easy to produce a large number of molds for molding a molded product having a fine pattern.
さらに、成形転写面に微細マスクパターンを形成した後、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成するので、マスク（レジスト）との組み合わせで微細パターンを容易に短時間で形成することが可能となる。また、微小な領域のみでなく、大きな面積に微細パターンを形成することができる。 Furthermore, since the fine pattern is formed by reactive ion etching after the fine mask pattern is formed on the molded transfer surface, the fine pattern can be easily formed in a short time in combination with the mask (resist). In addition, a fine pattern can be formed not only in a minute region but also in a large area.
〔請求項２の発明〕
請求項２の発明は、微細ナノ粒子がＳｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンのいずれかであるので、反応性イオンエッチング法によって微細パターン形成のための加工が可能であり、容易に微細パターンを形成した金型を得ることができる。
[Invention of Claim 2]
In the invention of claim 2, since the fine nanoparticles are any one of Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, and glassy carbon, a fine pattern is formed by a reactive ion etching method. Therefore, a mold having a fine pattern can be easily obtained.
〔請求項３の発明〕
請求項３の発明は、超硬合金、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ステンレス鋼、グラッシーカーボンのいずれかを金型の母材とするので、金型として望まれる高い強度や高い熱伝導性が得られる。
[Invention of claim 3]
According to the invention of claim 3, since any of cemented carbide, SiC, Si 3 N 4 , stainless steel, and glassy carbon is used as the base material of the mold, high strength and high thermal conductivity desired for the mold can be obtained. It is done.
〔請求項４の発明〕
請求項４の発明は、微小な工具で加工荷重が一定の切削加工を行うことで微細マスクパターンを形成するので、一定の深さの加工が可能であり、マスクの不要部のみを加工することができるため、反応性イオンエッチングにより一定深さの微細パターンを形成することが可能になる。また、機械（パラレル機構や多軸の加工装置やステージ）の動きにより、さまざまなパターンを形成することが可能となる。
[Invention of claim 4]
In the invention of claim 4, since a fine mask pattern is formed by performing cutting with a constant processing load with a minute tool, processing of a constant depth is possible, and only unnecessary portions of the mask are processed. Therefore, it becomes possible to form a fine pattern with a certain depth by reactive ion etching. Further, various patterns can be formed by the movement of the machine (parallel mechanism, multi-axis machining apparatus or stage).
〔請求項５の発明〕
請求項５の発明は、少なくとも金型の成形転写面が、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンであるので、離型性および耐久性に優れた金型を得ることができる。また、超硬合金、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ステンレス鋼、グラッシーカーボンのいずれかを金型の母材とするので、金型として望まれる高い強度や高い熱伝導性が得られる。よって、微細パターンを有する成形品を、高精度で安定して得ることができる。
[Invention of Claim 5]
In the invention of claim 5, since at least the molding transfer surface of the mold is Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, or glassy carbon, the mold release property and durability are improved. An excellent mold can be obtained. In addition, since any of cemented carbide, SiC, Si 3 N 4 , stainless steel, and glassy carbon is used as the base material of the mold, high strength and high thermal conductivity desired for the mold can be obtained. Therefore, a molded product having a fine pattern can be stably obtained with high accuracy.
本発明においては、成形品の表面を成形するための金型において、少なくとも金型の成形転写面を、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンのいずれかの微細ナノ粒子をＳＰＳ（放電プラズマ焼結）法により焼結することによって、形成したことを特徴とする。
ここで、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンは、反応性イオンエッチング法によって微細パターン形成のための加工が可能な材料である。反応性イオンエッチング法の原理では、反応室内でエッチングガスをプラズマ化し、試料を固定する陰極に高周波を印加し、試料とプラズマ間に電位が生じて、プラズマ中のイオン種やラジカルが試料に加速されて衝突し、このときに、イオンによる物理的なスパッタリングと、エッチングガスとの化学反応が同時に作用することで、加工が行われることになる。
In the present invention, in the mold for molding the surface of the molded article, at least the mold transfer surface of the mold is Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, glassy carbon. It is characterized by being formed by sintering any one of the above fine nanoparticles by an SPS (discharge plasma sintering) method.
Here, Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, and glassy carbon are materials that can be processed for forming a fine pattern by a reactive ion etching method. In the principle of reactive ion etching, the etching gas is turned into plasma in the reaction chamber, a high frequency is applied to the cathode that fixes the sample, a potential is generated between the sample and the plasma, and ion species and radicals in the plasma are accelerated to the sample. At this time, the physical sputtering by ions and the chemical reaction with the etching gas act simultaneously, so that the processing is performed.
上記材料の直径１μｍ以下の微細ナノ粒子をＳＰＳ法により焼結することによって金型を形成する。ＳＰＳ法の原理では、圧粉体粒子間隙（注：ＳＰＳ法に使用する型内に挿入した、 焼結前の粉体を加圧した状態における、粉体である粒子同士から形成される間隙）に低電圧でパルス状大電流を投入し、火花放電現象により瞬時に発生する放電プラズマの高エネルギーを熱拡散・電界拡散などに効果的に応用することができる。低温から２０００℃以上の高温域において従来法に比べ２００〜５００℃ほど低い温度域で、昇温・保持時間を含め概ね５〜２０分程度の短時間で焼結を完了することができる。ここで、ＳＰＳ法においては、短時間で焼結が完了するため、焼結を粒子と粒子の界面でのみ進行させることができ、これにより、微細ナノ粒子が大きく成長することを抑制することができる。また、微細ナノ粒子が非晶質であれば、非晶質状態がほぼ維持された状態で焼結させることができる。ＳＰＳ法とは放電プラズマ焼結法のことであるが、通電焼結法、プラズマ活性化焼結法とも言われており、本発明では上記原理に基づく焼結法であればその焼結法を採用することができる。 A metal mold is formed by sintering fine nanoparticles having a diameter of 1 μm or less of the above material by the SPS method. According to the principle of the SPS method, the gap between the green compact particles (Note: the gap formed between the particles that are powders in a state where the powder before sintering inserted into the mold used for the SPS method is pressed) By applying a large pulsed current at a low voltage, the high energy of the discharge plasma generated instantaneously by the spark discharge phenomenon can be effectively applied to thermal diffusion and electric field diffusion. Sintering can be completed in a short time of about 5 to 20 minutes including the temperature rising and holding time in a temperature range lower by 200 to 500 ° C. than the conventional method in a high temperature range from low temperature to 2000 ° C. or higher. Here, in the SPS method, since the sintering is completed in a short time, the sintering can be allowed to proceed only at the interface between the particles, thereby suppressing the large growth of the fine nanoparticles. it can. Further, if the fine nanoparticles are amorphous, it can be sintered in a state where the amorphous state is substantially maintained. The SPS method is a discharge plasma sintering method, which is also called an electric current sintering method or a plasma activated sintering method. In the present invention, if the sintering method is based on the above principle, the sintering method is used. Can be adopted.
反応性イオンエッチングによって微細パターンを形成するときに、エッチング速度は結晶粒毎に異なるので、結晶粒の存在によって段差が発生してしまう。この現象によって微細パターンの形状精度が低下することがある。例えば直径１μｍ以下の微細ナノ粒子においては、結晶粒径は当然１μｍ以下のナノサイズであり、このような微細ナノ粒子をＳＰＳ法により焼結すると、粒子の成長が抑制されるため、ナノサイズの結晶粒により形成された焼結体となる。この焼結体を反応性イオンエッチングによって加工したときには、結晶粒の存在による段差はナノサイズに抑えられ、高精度の微細パターンを形成することができる。結晶粒の大きさは、微細パターンの大きさに対して、１０分の１以下程度であれば十分である。ここで微細パターンの大きさは、その幅又は深さのいずれか小さい方の大きさを言う。さらには微細ナノ粒子が結晶質ではなく非晶質であれば、結晶粒ごとのエッチング速度の違いによる加工段差が生じないので、微細パターン形成に有利である。 When a fine pattern is formed by reactive ion etching, the etching rate differs for each crystal grain, so that a step is generated due to the presence of the crystal grain. This phenomenon may reduce the precision of the shape of the fine pattern. For example, in the case of fine nanoparticles having a diameter of 1 μm or less, the crystal grain size is naturally a nanosize of 1 μm or less. When such fine nanoparticles are sintered by the SPS method, the growth of the particles is suppressed. It becomes a sintered body formed of crystal grains. When this sintered body is processed by reactive ion etching, the level difference due to the presence of crystal grains is suppressed to nano-size, and a highly accurate fine pattern can be formed. The size of the crystal grains is sufficient if it is about 1/10 or less of the size of the fine pattern. Here, the size of the fine pattern means the size of the smaller one of the width and the depth. Further, if the fine nanoparticles are not crystalline but amorphous, there is no processing step due to the difference in etching rate for each crystal grain, which is advantageous for forming a fine pattern.
以上のような金型において、Ｓｉ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、ＴｉＮ、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、ダイヤモンド、グラッシーカーボンのいずれかの微細ナノ粒子だけをＳＰＳ法により焼結することによって金型を形成しても良いが、上記ナノ粒子によって成形転写面を形成し、その母材として超硬合金、ＳｉＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ステンレス鋼、グラッシーカーボンのいずれかを使用することが好ましい。それは、金型として望まれる高い強度や高い熱伝導性が得られるからである。母材を形成する材料をバルク材（注：塊としての物体。因みに、焼結前の粉体はこれには当たらない）としてＳＰＳ法のプロセスに投入して、その成形転写面を形成する微細ナノ粒子を焼結するとともに両者を接合して金型としても、あるいは、母材を形成する材料を粒子（粉末）としてＳＰＳ法のプロセスに投入して、その成形面を形成する微細ナノ粒子とともに一体焼結しても良い。または、微細ナノ粒子をＳＰＳ法によって焼結することで成形転写面を形成した焼結体と母材とを接合しても良い。さらに、成形転写面形成部と母材との界面は、それぞれの材料の組成が徐々に変化する、いわゆる傾斜組成とすることが好ましい。 In such a mold, the mold is obtained by sintering only fine nanoparticles of any one of Si, Si 3 N 4 , SiC, TiN, SiO 2 , Ta 2 O 5 , diamond, and glassy carbon by the SPS method. However, it is preferable to form a molded transfer surface with the above-mentioned nanoparticles and use any one of cemented carbide, SiC, Si 3 N 4 , stainless steel, and glassy carbon as the base material. This is because high strength and high thermal conductivity desired as a mold can be obtained. The material that forms the base material is put into the SPS process as a bulk material (note: the object as a lump. Sintering the nanoparticles and bonding them together to form a mold, or the material that forms the base material as particles (powder) and putting it into the SPS process, together with the fine nanoparticles that form the molding surface It may be integrally sintered. Or you may join the sintered compact and the base material which formed the shaping | molding transcription | transfer surface by sintering a fine nanoparticle by SPS method. Furthermore, it is preferable that the interface between the molded transfer surface forming portion and the base material has a so-called gradient composition in which the composition of each material gradually changes.
〔実施例１〕
超硬合金製のダイとパンチを用意し、ＳＰＳ用の型とする。図１（断面図）のように、所望形状の金型を形成するために、ダイ１１とパンチ１２ａ，１２ｂを加工しておく。上側のパンチ１２ａはレンズ形状に合わせた形状に成形面を形成されている。ダイ１１とパンチ１２ａ、パンチ１２ｂから形成される空間の下側にＳｉＣのバルク材１３を所望の形状に加工したものを配置した。次に、直径約６ｎｍのダイヤモンド微細ナノ粒子１４とＳｉＣの粒子が１：４の体積比で混合したものをＳｉＣの母材（バルク材）１３上に配置してパンチ１２ａ，１２ｂで加圧する。上側のパンチ１２ａを抜いてから、さらに、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してこれをパンチ１２ａ，１２ｂで加圧する。このように、３：２、４：１の体積比に混合したものを順次配置して、最後にダイヤモンドの微細ナノ粒子を配置してパンチで加圧する。
[Example 1]
Prepare a die and punch made of cemented carbide to make a mold for SPS. As shown in FIG. 1 (cross-sectional view), the die 11 and the punches 12a and 12b are processed in order to form a mold having a desired shape. The upper punch 12a has a molding surface in a shape that matches the lens shape. A material obtained by processing the SiC bulk material 13 into a desired shape is disposed below the space formed by the die 11, the punch 12a, and the punch 12b. Next, a mixture of diamond fine nanoparticles 14 having a diameter of about 6 nm and SiC particles in a volume ratio of 1: 4 is placed on a SiC base material (bulk material) 13 and pressed by punches 12a and 12b. After the upper punch 12a is pulled out, a mixture having a volume ratio of 2: 3 is further arranged on the punch 12a, and this is pressed by the punches 12a and 12b. In this way, those mixed at a volume ratio of 3: 2, 4: 1 are sequentially arranged, and finally diamond fine nanoparticles are arranged and pressed with a punch.
次に図１に示した部分が配置されているＳＰＳ装置の真空チャンバの真空引きを行い、その後、上下のパンチ１２ａ，１２ｂに通電し、パルス電圧を印加する。焼結温度はダイ１１の温度で１０００℃、２分保持、加圧は３０ＭＰａである。それから３０分間冷却後、ＳＰＳ用の型から焼結体を取り出した。作製した焼結体の成形転写面にイオンプレーティングでマスクとしてのＡｌをコーティングした。このＡｌに対してＡＦＭ加工（走査型プローブ顕微鏡の原理を応用した微細加工）を行い、微細マスクパターンを形成した。ＡＦＭ加工を行った部分はダイヤモンドが露出している。 Next, evacuation is performed in the vacuum chamber of the SPS apparatus in which the portion shown in FIG. 1 is arranged, and then the upper and lower punches 12a and 12b are energized to apply a pulse voltage. The sintering temperature is 1000 ° C. for 2 minutes at the temperature of the die 11, and the pressure is 30 MPa. Then, after cooling for 30 minutes, the sintered body was taken out from the mold for SPS. The molding transfer surface of the produced sintered body was coated with Al as a mask by ion plating. This Al was subjected to AFM processing (fine processing applying the principle of a scanning probe microscope) to form a fine mask pattern. Diamond is exposed in the AFM processed part.
ここで、図２はＡＦＭ加工の原理を示している。プローブ１５が物質（工作物）の表面をなぞるときに、カンチレバー１６の反り量が一定に維持されるように、つまりフォトダイオードでのレーザー光の検出位置が一定となるようにピエゾ１７の伸縮によってＺ軸が上下動するフィードバック制御が行われる。カンチレバー１６の反り量を一定に維持することは、プローブ１５と物質（工作物）との間に働く力を一定に維持することであり、測定時の力は微小であるため原子間力といわれる。この反り量の設定によって原子間力より大きな荷重を発生させることが可能であり、物質（工作物）を加工することができる。発生させた荷重を一定に維持することができるので、深さが一定の溝加工が可能である。加工対象が曲面であっても、原理的にその曲面に対して追従することで深さが一定の溝加工を行うことが可能である。ピエゾ１７によるフィードバック制御のストロークは数μｍ程度であるため、曲面の加工には図２に示すようなヘッド部を搭載していて３次元的に走査できる装置が必要になる。 Here, FIG. 2 shows the principle of AFM processing. When the probe 15 traces the surface of a material (workpiece), the warp amount of the cantilever 16 is maintained constant, that is, the piezo 17 is expanded and contracted so that the detection position of the laser beam at the photodiode is constant. Feedback control in which the Z axis moves up and down is performed. Maintaining the amount of warping of the cantilever 16 constant means maintaining a constant force acting between the probe 15 and the substance (workpiece), and the force at the time of measurement is minute, so it is called an interatomic force. . By setting the amount of warp, it is possible to generate a load larger than the atomic force, and it is possible to process a substance (workpiece). Since the generated load can be kept constant, groove processing with a constant depth is possible. Even if the object to be processed is a curved surface, it is possible in principle to perform groove processing with a constant depth by following the curved surface. Since the stroke of feedback control by the piezo 17 is about several μm, a device capable of three-dimensional scanning with a head portion as shown in FIG. 2 is required for processing a curved surface.
そこで、図２に示すような機構の加工ヘッドを、図３に示すようなパラレルリンク機構に装着して、成形転写面のマスク材の加工を行った。これはパラレルリンク機構１９によって自在な角度で加工を行える装置であり、パラレルリンク機構１９によって加工ヘッド１８を動かすことで、金型の成形面に対してツールパスを発生させ、加工ヘッド部のピエゾを加工荷重が一定となるように制御することによって、金型成形面の微細マスクパターンを加工することが可能となる。この実施例１ではパラレルリンク機構３２を採用したが、５軸または６軸で構成される多軸の加工装置やステージを採用することも可能である。 Therefore, the processing head of the mechanism as shown in FIG. 2 was mounted on the parallel link mechanism as shown in FIG. 3 to process the mask material on the molded transfer surface. This is a device that can perform machining at any angle by the parallel link mechanism 19. By moving the machining head 18 by the parallel link mechanism 19, a tool path is generated on the molding surface of the mold, and the piezo of the machining head portion is generated. It is possible to process the fine mask pattern on the mold forming surface by controlling so that the processing load is constant. In the first embodiment, the parallel link mechanism 32 is employed, but a multi-axis machining apparatus or stage composed of five or six axes may be employed.
次に、反応性イオンエッチング法によって、成形転写面が露出している微細パターン部をエッチングした。上記エッチングに使用したガスはＣＦ４＋Ｏ２で、１０分間エッチングを行った。ここで、エッチング工程において、エッチング終了時にＡｌマスクがすべて除去されるエッチング条件を選定したが、エッチング終了時にＡｌマスクが残存する場合は別途Ａｌだけを除去する工程を設けても良い。以上のようにして作製された金型が図４に示されている。そして、この図４に示す金型を使用して、プラスチックレンズを成形したところ、レンズ形状および微細パターン形状を高精度に転写することができた。図５には成形したレンズ表面の微細パターンの配列が示されている。本実施例の微細パターンの断面形状は開口幅が１８０ｎｍ、深さが２５０ｎｍのＶ溝形状となっており、可視光域の光に対して反射防止機能を備えている。連続成形後でも、金型の離型性が優れており、金型の微細パターンにはプラスチックの付着は全くなかった。さらには、ダイヤモンドが非常に硬いことから、金型の微細パターンの欠損も存在しない。 Next, the fine pattern portion where the molding transfer surface was exposed was etched by a reactive ion etching method. The gas used for the etching was CF 4 + O 2 and etching was performed for 10 minutes. Here, in the etching process, the etching conditions are selected so that the Al mask is completely removed at the end of the etching. However, if the Al mask remains at the end of the etching, a separate step of removing only Al may be provided. The mold produced as described above is shown in FIG. And when the plastic lens was shape | molded using the metal mold | die shown in this FIG. 4, the lens shape and the fine pattern shape were able to be transferred with high precision. FIG. 5 shows an arrangement of fine patterns on the surface of the molded lens. The cross-sectional shape of the fine pattern of this example is a V-groove shape having an opening width of 180 nm and a depth of 250 nm, and has an antireflection function for light in the visible light range. Even after continuous molding, the mold releasability was excellent, and no plastic adhered to the fine pattern of the mold. Furthermore, since the diamond is very hard, there is no defect in the fine pattern of the mold.
この実施例１においては、母材となるバルク材と成形転写面との界面の形状は平面からなるものとしているが、図６および図７に示すように、母材と成形転写面との界面の形状は成形転写面形状とほぼ同じ形状にしても良い。 In the first embodiment, the shape of the interface between the bulk material serving as the base material and the molding transfer surface is assumed to be a flat surface, but as shown in FIGS. 6 and 7, the interface between the base material and the molding transfer surface is used. The shape may be substantially the same as the shape of the molding transfer surface.
〔実施例２〕
図６、図７に示す実施例２は、グラファイト製のダイとパンチを用意し、これらをＳＰＳ用の型とする。図８（断面図）に示されているように、所望形状の金型を形成するために、ダイ２１とパンチ２２ａ，２２ｂを加工しておく。上側のパンチ２２ａはレンズ形状に合わせた形状に形成されている。ダイ２１とパンチ２２ａ，２２ｂから形成される空間の下側に超硬合金（ＷＣ）の粒子を配置して、これをパンチ２２ａ，２２ｂで加圧する。次に、上側のパンチ２２ａを抜いてから、直径約６０ｎｍのＴｉＮの微細ナノ粒子２４と超硬合金の粒子が１：４の体積比に混合したものを母材２３となる超硬合金の上に配置してパンチで加圧する。さらに、その上に２：３の体積比に混合したものを配置してパンチで加圧する。このように、３：２、４：１の体積比に混合したものを順次配置して、最後にＴｉＮの微細ナノ粒子を配置する。
[Example 2]
In Example 2 shown in FIGS. 6 and 7, a graphite die and punch are prepared, and these are used as SPS molds. As shown in FIG. 8 (sectional view), the die 21 and the punches 22a and 22b are processed in order to form a mold having a desired shape. The upper punch 22a is formed in a shape that matches the lens shape. Cemented carbide (WC) particles are placed below the space formed by the die 21 and the punches 22a and 22b, and pressed by the punches 22a and 22b. Next, after the upper punch 22a is pulled out, a mixture of TiN fine nanoparticles 24 having a diameter of about 60 nm and cemented carbide particles in a volume ratio of 1: 4 is formed on the cemented carbide as the base material 23. And press with a punch. Further, a mixture having a volume ratio of 2: 3 is placed thereon and pressed with a punch. In this manner, those mixed at a volume ratio of 3: 2, 4: 1 are sequentially arranged, and finally TiN fine nanoparticles are arranged.
次に図８に示した部分が配置されているＳＰＳ装置の真空チャンバを真空引きし、その後、上下のパンチに通電し、パルス電圧を印加する。焼結温度はダイの温度で１６００℃、２分保持、加圧は３０ＭＰａである。それから５０分間冷却後、ＳＰＳ用の型から焼結体を取り出した。このように焼結された金型の成形転写面を必要に応じて仕上げ加工するが、本実施例ではダイヤモンド砥石を使用した研削加工により仕上げ加工を実施した。次にこの成形転写面にレジストをスプレー法により塗布し、所望の微細パターンに対応するように二光束干渉露光法により露光を行う。その後、現像を行うことで、レジストが除去された部分は成形転写面が露出している。 Next, the vacuum chamber of the SPS apparatus in which the portion shown in FIG. 8 is evacuated is evacuated, and then the upper and lower punches are energized to apply a pulse voltage. The sintering temperature is 1600 ° C. for 2 minutes at the die temperature, and the pressure is 30 MPa. Then, after cooling for 50 minutes, the sintered body was taken out from the mold for SPS. The molding transfer surface of the mold thus sintered is finished as necessary. In this example, the finishing process was performed by grinding using a diamond grindstone. Next, a resist is applied to the molding transfer surface by a spray method, and exposure is performed by a two-beam interference exposure method so as to correspond to a desired fine pattern. Thereafter, by performing development, the molded transfer surface is exposed at the portion where the resist is removed.
次に、反応性イオンエッチング法によって、成形転写面の露出している微細パターン部をエッチングする。エッチングに使用したガスはＣＦ４＋Ｏ２＋Ｈ２＋ＮＨ３で、３０分間エッチングを行った。以上のようにして作製した金型が図９に示されている。この図９の金型を使用して、プラスチックレンズを成形したところ、レンズ形状および微細パターン形状を高精度に転写することができた。連続成形後でも、金型の離型性が優れており、金型の微細パターンにはプラスチックの付着は全くなかった。 Next, the exposed fine pattern portion of the molding transfer surface is etched by reactive ion etching. The gas used for etching was CF 4 + O 2 + H 2 + NH 3 and etching was performed for 30 minutes. The mold produced as described above is shown in FIG. When a plastic lens was molded using the mold shown in FIG. 9, the lens shape and fine pattern shape could be transferred with high accuracy. Even after continuous molding, the mold releasability was excellent, and no plastic adhered to the fine pattern of the mold.
図１２に成形したレンズ表面の微細パターンの配列を示している。これはピッチ１９０ｎｍ、深さ３００ｎｍのＵ字型の溝を形成した異型レンズである。本実施例２においては、母材と成形転写面との界面の形状は概略成形転写面形状と同じ形状としたが、図１０および図１１に示すように、界面が成形転写面形状と同じ形状でなく、ほぼ平面からなる金型でも差し支えない。この場合は母材をダイとパンチから形成される空間の下側に超硬合金の粒子を配置して、粒子を押圧する面形状が平面のパンチで加圧して、ＳＰＳ法による焼結の時点でレンズ形状に合わせた形状に形成されたパンチを使用することになる。 FIG. 12 shows an arrangement of fine patterns on the surface of the molded lens. This is an atypical lens in which U-shaped grooves having a pitch of 190 nm and a depth of 300 nm are formed. In Example 2, the shape of the interface between the base material and the molding transfer surface is approximately the same as the shape of the molding transfer surface. However, as shown in FIGS. 10 and 11, the interface has the same shape as the shape of the molding transfer surface. Not only that, but a flat mold can be used. In this case, the cemented carbide particles are arranged below the space formed by the die and the punch as the base material, the surface shape for pressing the particles is pressed with a flat punch, and the sintering is performed by the SPS method. Therefore, a punch formed in a shape matching the lens shape is used.
〔実施例３〕
実施例３では超硬合金製のダイとパンチを用意し、これをＳＰＳ用の型とする。図１３（断面図）に示すように、所望形状の金型を形成するために、ダイ３１とパンチ３２ａ，３２ｂを加工しておく。上側のパンチ３２ａはレンズ形状に合わせた形状に形成されている。ダイ３１とパンチ３２ａ，３２ｂから形成される空間に直径１００ｎｍ程度のグラッシーカーボンの微細ナノ粒子３４を配置して、これをパンチ３２ａ，３２ｂで加圧する。
Example 3
In Example 3, a die and a punch made of cemented carbide are prepared and used as a die for SPS. As shown in FIG. 13 (cross-sectional view), the die 31 and the punches 32a and 32b are processed in order to form a mold having a desired shape. The upper punch 32a is formed in a shape that matches the lens shape. Glassy carbon fine nanoparticles 34 having a diameter of about 100 nm are arranged in a space formed by the die 31 and the punches 32a and 32b, and are pressed by the punches 32a and 32b.
次に図１３に示した部分が配置されているＳＰＳ装置の真空チャンバの真空引きを行い、その後、上下のパンチ３２ａ，３２ｂに通電し、パルス電圧を印加する。焼結温度はダイ３１の温度で８００℃、１分保持、加圧は４０ＭＰａである。それから３０分間冷却後、ＳＰＳ用の型から焼結体を取り出した。このように焼結された金型の成形転写面を必要に応じて仕上げ加工するが、この実施例３ではダイヤモンド砥石を使用した研削加工により仕上げ加工を実施した。作製した焼結体の成形転写面にイオンプレーティングでマスクとしてのＡｌをコーティングした。このＡｌに対してＡＦＭ加工を行い、微細マスクパターンを形成した。ＡＦＭ加工を行った部分はグラッシーカーボンが露出している。 Next, evacuation is performed in the vacuum chamber of the SPS apparatus in which the portion shown in FIG. 13 is arranged, and then the upper and lower punches 32a and 32b are energized to apply a pulse voltage. The sintering temperature is 800 ° C. for 1 minute at the temperature of the die 31 and the pressure is 40 MPa. Then, after cooling for 30 minutes, the sintered body was taken out from the mold for SPS. The molding transfer surface of the mold thus sintered is finished as necessary. In Example 3, the finishing process was performed by grinding using a diamond grindstone. The molding transfer surface of the produced sintered body was coated with Al as a mask by ion plating. AFM processing was performed on this Al to form a fine mask pattern. The glassy carbon is exposed in the AFM processed part.
次に、反応性イオンエッチング法によって、成形転写面の露出している微細パターン部をエッチングする。エッチングに使用したガスはＯ２で、２０分間エッチングを行った。以上のように作製した金型（図１４）を使用して、ガラスレンズを成形したところ、レンズ形状および微細パターン形状を高精度に転写することができた。連続成形後でも、金型の離型性が優れており、金型の微細パターンにはガラスの付着は全くなかった。
図１５に成形したレンズ表面の微細パターンの配列を示している。これは、約３μｍの段差からなる回折面上にサブ波長サイズの微細パターンを形成したものである。金型の成形転写面としては数μｍのパターンに対しても十分な厚さをもっている。
Next, the exposed fine pattern portion of the molding transfer surface is etched by reactive ion etching. The gas used for etching was O 2 and etching was performed for 20 minutes. When a glass lens was molded using the mold produced as described above (FIG. 14), the lens shape and fine pattern shape could be transferred with high accuracy. Even after continuous molding, the mold releasability was excellent, and there was no adhesion of glass to the fine pattern of the mold.
FIG. 15 shows an arrangement of fine patterns on the surface of the molded lens. This is a sub-wavelength sized fine pattern formed on a diffractive surface having a step of about 3 μm. The molding transfer surface of the mold has a sufficient thickness even for a pattern of several μm.
〔実施例４〕
実施例４ではグラファイト製のダイとパンチを用意し、これをＳＰＳ用の型とする。図８（断面図）のように、所望形状の金型を形成するために、ダイとパンチを加工しておく。上側のパンチはレンズ形状に合わせた形状に形成されている。ダイとパンチから形成される空間の下側にステンレス鋼の粒子を配置してパンチで加圧する。次に、上側のパンチを抜いてから、直径約１５０ｎｍのＳｉの微細ナノ粒子とステンレス鋼の粒子が１：５の体積比に混合したものをステンレス鋼の上に配置してパンチで加圧する。さらに、その上に２：４の体積比に混合したものを配置してパンチで加圧する。このように、３：３、４：２、５：１の体積比に混合したものを順次配置して、最後にＳｉの微細ナノ粒子を配置してパンチで加圧する。
Example 4
In Example 4, a graphite die and punch are prepared and used as a mold for SPS. As shown in FIG. 8 (sectional view), a die and a punch are processed in order to form a mold having a desired shape. The upper punch is formed in a shape that matches the lens shape. Stainless steel particles are placed below the space formed by the die and punch and pressed with a punch. Next, after the upper punch is pulled out, a mixture of Si nanoparticles having a diameter of about 150 nm and stainless steel particles mixed in a volume ratio of 1: 5 is placed on the stainless steel and pressed with the punch. Further, a mixture having a volume ratio of 2: 4 is placed thereon and pressed with a punch. In this way, those mixed at a volume ratio of 3: 3, 4: 2, 5: 1 are sequentially arranged, and finally Si fine nanoparticles are arranged and pressed with a punch.
次に図８に示した部分が配置されているＳＰＳ装置の真空チャンバの真空引きを行い、その後、上下のパンチに通電してパルス電圧を印加する。焼結温度はダイの温度で８００℃、２分保持、加圧は４０ＭＰａである。次にこの成形転写面にレジストをスピンコート法により塗布し、所望の微細パターンに対応するように電子ビーム露光法により、露光を行う。その後、現像を行うことで、レジストが除去された部分は成形転写面が露出している。
次に、反応性イオンエッチング法によって、成形転写面の露出している微細パターン部をエッチングする。エッチングに使用したガスはＳＦ６（注：六フッ化イオウ）で、１５分間エッチングを行った。以上のようにして作製した金型（図９）を使用して、プラスチックレンズを成形したところ、レンズ形状および微細パターン形状を高精度に転写することができた。連続成形後でも、金型の微細パターンにはプラスチックの付着は全くなかった。
Next, evacuation is performed in the vacuum chamber of the SPS apparatus in which the portion shown in FIG. The sintering temperature is 800 ° C. for 2 minutes at the die temperature, and the pressure is 40 MPa. Next, a resist is applied to the molding transfer surface by spin coating, and exposure is performed by electron beam exposure so as to correspond to a desired fine pattern. Thereafter, by performing development, the molded transfer surface is exposed at the portion where the resist is removed.
Next, the exposed fine pattern portion of the molding transfer surface is etched by reactive ion etching. The gas used for etching was SF 6 (Note: sulfur hexafluoride), and etching was performed for 15 minutes. When a plastic lens was molded using the mold produced as described above (FIG. 9), the lens shape and fine pattern shape could be transferred with high accuracy. Even after continuous molding, no plastic adhered to the fine pattern of the mold.
同様に、ＳＰＳ法でＳｉ３Ｎ４の１２０ｎｍの微細ナノ粒子を成形転写面に配置して、焼結温度１８００℃、２分保持、加圧５０ＭＰａで焼結体を作成し、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成して金型を作製した。また、ＳＰＳ法でＳｉＣの１００ｎｍの微細ナノ粒子を成形転写面に配置して、焼結温度１７００℃、３分保持、加圧３５ＭＰａで焼結体を作成し、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成して金型を作製した。また、ＳＰＳ法でＳｉＯ２の２００ｎｍの微細ナノ粒子を成形転写面に配置して、焼結温度９００℃、３分保持、加圧２０ＭＰａで焼結体を作成し、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成して金型を作製した。また、ＳＰＳ法でＴａ２Ｏ５の５０ｎｍの微細ナノ粒子を成形転写面に配置して、焼結温度１０００℃、１分保持、加圧４０ＭＰａで焼結体を作成し、反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成して金型を作製した。それぞれの金型でプラスチック材料を成形したところ、微細パターンを良好に転写することができた。 Similarly, 120 nm fine nanoparticles of Si 3 N 4 are placed on the molding transfer surface by the SPS method, a sintered body is created at a sintering temperature of 1800 ° C., held for 2 minutes, and a pressure of 50 MPa, and reactive ion etching is performed. Thus, a fine pattern was formed to produce a mold. In addition, fine nanoparticles of 100 nm of SiC are arranged on the molding transfer surface by SPS method, a sintered body is created at a sintering temperature of 1700 ° C., held for 3 minutes, and a pressure of 35 MPa, and a fine pattern is formed by reactive ion etching. This was formed to produce a mold. Also, 200 nm fine nanoparticles of SiO 2 are arranged on the molding transfer surface by SPS method, sintered body is created at sintering temperature 900 ° C., 3 minutes, pressure 20 MPa, and fine pattern is formed by reactive ion etching. To form a mold. Also, 50 nm fine nanoparticles of Ta 2 O 5 are arranged on the molding transfer surface by SPS method, and a sintered body is created at a sintering temperature of 1000 ° C. for 1 minute and under a pressure of 40 MPa, and reactive ion etching is performed. A fine pattern was formed to produce a mold. When a plastic material was molded with each mold, the fine pattern could be transferred satisfactorily.
〔まとめ〕
以上のように、本発明によれば、所望形状の表面に微細パターンを形成した金型を容易に作製することが可能である。
[Summary]
As described above, according to the present invention, it is possible to easily produce a mold in which a fine pattern is formed on a surface having a desired shape.
１１，２１，３１：ダイ
１２ａ，１２ｂ，２２ａ，２２ｂ，３２ａ，３２ｂ：パンチ
１３，２３：母材（バルク材）、
１４，２４，３４：微細ナノ粒子
11, 21, 31: Die
12a, 12b, 22a, 22b, 32a, 32b: punch
13, 23: Base material (bulk material),
14, 24, 34: Fine nanoparticles
Claims (5)
微細ナノ粒子を放電プラズマ焼結法で焼結することによって少なくとも金型の成形転写面を形成する工程と、成形転写面に微細マスクパターンを形成する工程と、成形転写面に反応性イオンエッチングにより微細パターンを形成する工程を含むことを特徴とする金型の製造方法。 In a method for producing a mold for molding a molded product having a fine pattern,
Sintering fine nanoparticles by the discharge plasma sintering method to form at least the mold transfer surface of the mold, forming the fine mask pattern on the mold transfer surface, and reactive ion etching on the mold transfer surface The manufacturing method of the metal mold | die characterized by including the process of forming a fine pattern.
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