JP2009292707A - 光学素子成形用の金型の製造方法、光学素子成形用の金型および光学素子の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型10の製造方法であって、母材11に、N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物からなる被膜層12を形成する工程と、被膜層12に接触して、アルミニウム層14を形成する工程と、アルミニウム層14を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層14をマスクとして被膜層12を乾式エッチングすることにより被膜層12の表面に凹凸構造を形成する工程と、を有することを特徴とする光学素子成形用の金型10の製造方法。
【選択図】図2
Description
これらの光学素子の表面には、入射光の反射を防止するための処理が施されている。具体的には、光学素子をプレス成形した後に、光学素子の表面に多層膜を形成し、光の干渉を利用して反射を抑制する。この膜は、反射防止膜と呼ばれ、一般的に用いられている。
しかし反射防止膜を形成するには、多層膜の個々の膜厚を非常に精密に制御する必要がある。また、反射防止膜を形成するための蒸着装置やスパッタ装置などは、大型の設備が必要なことから、光学素子の生産コスト上昇の一因となっている。そして、反射防止膜は、反射防止効果の波長依存性や入射角依存性が大きいという問題もある。
このような微細な凹凸構造を形成する方法として、例えば特許文献1には、電子線描画を用いる方法が記載されている。また、特許文献2には、(a)アルミニウム、アルミナ及びシリコンからなる群から選択される材料からなる基体の一方の表面に、微細な凹凸を有し、凹凸の周期が35nm〜400nmの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが100nm〜700nmの範囲内である鋳型を準備するステップと、(b)鋳型の凹凸面に導電膜を形成するステップと、(c)導電膜を陰極としてNiを電解メッキするステップと、(d)Ni電解メッキ膜を鋳型から剥離し、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有し、凹凸の周期が35nm〜400nmの範囲内であり、かつ、凹凸の深さが100nm〜700nmの範囲内であるスタンパを形成するステップとからなることを特徴とする反射防止膜製造用スタンパの製造方法が開示されている。
また、ニッケル基体の一方の表面に、鋳型の凹凸が反転した形状の微細な凹凸を有する反射防止膜製造用スタンパは、耐熱性の低いNiを対象としている。そのため、高い耐熱性が要求されるガラスをプレス成形して光学素子を製造するためのスタンパとしては、適さない。
また、他の目的は、成形面に反射防止構造の転写構造を有し、耐熱性が高い光学素子成形用の金型を提供することである。
更に、他の目的は、反射防止構造を表面に有する光学素子を大量、安価に製造する方法を提供することである。
そして、アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして被膜層を乾式エッチングすることにより被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程との間に、ポーラスアルミナ構造の細孔部を拡径する工程を更に有することが好ましい。
図1は、本実施の形態が適用される凹凸構造を有する光学素子成形用の金型の断面図である。
図1に示した光学素子成形用の金型である金型10は、母材11と、母材11に接触して形成される被膜層12と、被膜層12に接触して形成され、ガラスや樹脂等の素材からなる光学素子母材をプレス成形した後の離型性を確保するための離型層13が成膜された構造を有する。
被膜層12は、詳しくは後述するが、成膜装置を用いてスパッタを行うことにより形成することができる。例えば、被膜層12をTaNにより成膜する場合は、Taよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスと窒素ガスを導入してスパッタを行う。この際にアルゴンガスと窒素ガスの混合比を調整することにより、被膜層12のNの含有量を調整することが可能である。また、被膜層12をTaSiにより成膜する場合は、Ta−Siよりなるターゲットを使用し、アルゴンガスを導入してスパッタを行う。この際にターゲットのSi濃度を変更することで、被膜層12のSiの含有量を調整することが可能である。このようにして作製した被膜層12について、NやSiが5at%より少ない、または45at%より多い場合は、上述のように結晶粒が粒成長しやすくなる。この場合、AFM(Atomic Force Microscope:原子間力顕微鏡)により表面粗さを測定すると、表面の最大粗さ(Rmax)が、例えば、50nm以上となる。
図2(a)〜(g)は、本実施の形態が適用される成形面に凹凸構造を有する金型10の作製方法を説明した図である。
まず、母材11に、被膜層12を形成する(図2(a))。被膜層12は、上述の通り、N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物からなる膜であり、スパッタを行うことにより作製する。被膜層12の厚さは、例えば500nmとすることができる。そして、上述の通り、スパッタ条件によりN、Siから選ばれる少なくとも1種を5at%〜45at%含むようにすることが可能である。
乾式エッチングとしては、後述する反応性イオンエッチングが好ましい。また、乾式エッチングを行う際には、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことが好ましい。凹凸構造として反射防止構造の転写構造をこの乾式エッチングにより作製する際に、形状の制御を、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことで容易になる。本実施の形態では、図2(e)に示したように、被膜層12の表面が鋸歯形状になるように乾式エッチングを行った。
以上の工程により成形面に凹凸構造を有する金型10を作製できる。
図3は、本実施の形態にかかる金型10を作製する際に使用される成膜装置の構成の一例を示した図である。
図3に示したように、成膜装置30は、前述した母材11(図1参照)が搭載される金型保持台32と、前述した被膜層12またはアルミニウム層14(図1参照)の素材となるターゲット34と、母材11の成膜環境を制御するガス流量調整器36とを備えている。
まず、成膜対象である母材11とターゲット34とを対向して配置し、真空排気装置38により周囲環境を真空状態にする。そして、ガス流量調整器36からアルゴンガスと窒素ガスを導入し、高周波電源46を用いて母材11とターゲット34との間に高周波電圧を印加する。ここでターゲット34としては、図1において説明した高融点金属からなるターゲットを使用する。
次に、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置について説明を行う。
図4は、陽極酸化を行う陽極酸化処理装置を説明した図である。
図4で示した陽極酸化処理装置50は、上面が開口し直方体状に作製された処理槽51と、板状の陽極電極52と、棒状の陰極電極53と、陽極電極52と陰極電極53とに電解電圧を印加し、通電を行うための電源54とを備える。
本実施の形態において、陽極電極52には、例えば、チタンを使用し、陰極電極53には、白金を使用するが、後述する電解液55に浸食されなければこれに限られるものではない。
そして、電源54により陽極電極52と陰極電極53との間に電解電圧を印加し、直流電流により通電を行うと、被処理物56が電気分解を受け、それによる酸化の結果として、アルミニウム層14の表面から深さ方向に向かって多孔質化され、アルミニウム層14がポーラスアルミナ構造化する。ここで、印加する電解電圧としては、例えば40Vとすることができる。
次に、反応性イオンエッチングを行う処理装置について説明を行う。
図5は、容量結合型のRFプラズマによって反応性イオンエッチングを行う処理装置の一例を説明した図である。
図5に示した反応性イオンエッチングを行う処理装置60は、金型10が設置される金型設置台62と、金型設置台62に対向して配置される対向電極63とを有する。また、処理装置60は、金型10の周囲環境に所定の処理ガスを導入する処理ガス導入バルブ64と、金型設置台62と対向電極63との間に高周波電圧を印加する高周波電源65と、周囲環境から空気又は処理ガスを排気する排気バルブ66及び排気ポンプ67とを有して構成される。
まず、金型10が金型設置台62上の所定位置に搭載された後、排気バルブ66及び排気ポンプ67が協働して、所定の真空度に達するまで金型10の周囲環境から空気を排出する。所定の真空度に達した後、処理ガス導入バルブ64から、処理ガスが導入される。
そして、金型設置台62と対向電極63との間に、高周波電源65によって高周波電圧が印加される。印加された高周波電圧により処理ガスが分解されて、ラジカルやイオンが生成される。生成されたラジカルやイオンは、金型10に衝突し、金属酸化物と化学反応を起こして気化させ除去することでエッチングが行われる。
図6は、本実施の形態が適用される金型10を用いた、プレス成形装置の一例を示す構成図である。
図6に示したプレス成形装置100は、光学素子の一例としてガラスレンズを、一対の金型を用いてプレス成形により製造する装置である。プレス成形装置100は、下金型10a及び上金型10bと、下金型10a及び上金型10bを所定の温度に維持する下均熱プレート114及び上均熱プレート116と、下金型10a及び上金型10bを昇温する下加熱ヒーター118及び上加熱ヒーター120とを有して構成される。また、プレス成形装置100は、上金型10bを可動させる加圧シリンダー124と、光ガラスレンズの成形環境を制御する窒素導入口126及び窒素排気口128と、下金型10a及び上金型10b等を収容するガラスレンズ成形器130と、上金型10bの動作を規制するスリーブ132とを有して構成される。
下均熱プレート114と上均熱プレート116は、それぞれ下加熱ヒーター118と上加熱ヒーター120に搭載される。下均熱プレート114と上均熱プレート116は、サーマルバッファ(熱的緩衝体)の役割を果たし、下加熱ヒーター118と上加熱ヒーター120から受ける熱を、ガラスレンズの製作に支障がない程度に均一な状態にして下金型10aと上金型10bとに伝える。ここで、下加熱ヒーター118と上加熱ヒーター120とは、図示しない制御手段を用いて、下金型10aと上金型10bの表面がプレス成形に適した温度になるように制御されている。
加圧シリンダー124は、上加熱ヒーター120及び上均熱プレート116に固定された上金型10bを上下動させる駆動系である。そして、図示しない制御手段により動作が制御される。
窒素導入口126及び窒素排気口128は、成形時の金型の雰囲気を窒素として、高温下での酸化を防止している。
まず、光学素子母材122を、下金型10aと上金型10bとの間に光学素子母材122を投入し、光学素子母材122をプレス成形装置100に配置する。
そして、屈伏温度At付近になったとき、加圧シリンダー124により上金型10bを可動させ、下金型10aと上金型10bとにより光学素子母材122をプレスする。
その後、圧力を加えたままプレス成形装置100を転移温度Tg付近まで冷却し、次に上金型10bの圧力を開放し、例えば常温まで冷却して、ガラスレンズを取り出す。
この一連の工程により、下金型10aと上金型10bの表面の凹凸構造がガラスレンズに転写され、反射防止構造等の凹凸構造を表面に有するガラスレンズが製造される。
最後に、この凹凸構造が形成されたTaN膜の上に、離型層13としてDLC膜を50nmの厚さで成膜した。DLC膜はプラズマCVD法によって形成した。DLC膜を成膜した後の凹凸構造は、周期が約100nmで、深さが約200nmであった。
このようにして、微細な凹凸構造による反射防止構造の転写構造を成形面に有する光学素子成形用の金型10を作製することができた。
Claims (10)
- 表面に凹凸構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型の製造方法であって、
母材に、N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物からなる被膜層を形成する工程と、
前記被膜層に接触して、アルミニウム層を形成する工程と、
前記アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、
前記ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして前記被膜層を乾式エッチングすることにより当該被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程と、
を有することを特徴とする光学素子成形用の金型の製造方法。 - 前記凹凸構造は、反射防止構造の転写構造であることを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記金属は、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、Wから選ばれる少なくとも1種であることを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物は、当該N、Siから選ばれる少なくとも1種を5at%〜45at%含むことを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記乾式エッチングは、反応性イオンエッチングであることを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記乾式エッチングは、等方性エッチングと異方性エッチングとを組み合わせて行うことを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 前記アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化する工程と、当該ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして前記被膜層を乾式エッチングすることにより当該被膜層の表面に凹凸構造を形成する工程との間に、ポーラスアルミナ構造の細孔部を拡径する工程を更に有することを特徴とする請求項1に記載の光学素子成形用の金型の製造方法。
- 表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造するために用いられる光学素子成形用の金型であって、
母材と、
前記母材に接触して形成され、N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物からなる被膜層と、からなり、
前記被膜層の表面には、反射防止構造の転写構造を有することを特徴とする光学素子成形用の金型。 - 前記被膜層に接触して形成される離型層を更に有することを特徴とする請求項8に記載の光学素子成形用の金型。
- 表面に反射防止構造を有する光学素子をプレス成形により製造する方法であって、
母材に、N、Siから選ばれる少なくとも1種と金属との化合物からなる被膜層を形成し、当該被膜層に接触してアルミニウム層を形成し、当該アルミニウム層を陽極酸化することによりポーラスアルミナ構造化し、当該ポーラスアルミナ構造化したアルミニウム層をマスクとして当該被膜層を乾式エッチングすることにより反射防止構造の転写構造を形成した金型を用いて、加熱軟化させた光学素子母材をプレス成形することで、光学素子の表面に反射防止構造を形成することを特徴とする光学素子の製造方法。
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