(57)【要約】【課題】好ましい高さの微細な一次元周期構造を得ることのできるモールド、その製造方法、及び、微細な一次元周期構造を有する光学素子の製造方法を得る。【解決手段】基板１１の表面１１ａに一方向に延在する凸部１２が延在方向Ａと直交する方向Ｂに所定の間隔で周期的に形成されたモールド。凸部１２は、その先端部分に基板１１の表面１１ａと平行な平坦部が存在することなく、延在方向Ａと直交する断面が先細な形状である。モールドは、基板の表面にメタルマスク層を成膜し、メタルマスク層上にレジストを塗布して周期構造を描画、現像し、基板をドライエッチングすることにより製造する。また、このモールドを用いてガラス材料又は樹脂材料をプレス成型する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面に一方向に延在する凸部が該凸部の延在方向と直交する方向に所定の間隔で周期的に形成された、一次元周期構造のモールドであって、
前記凸部は、その先端部分に基板の表面と平行な平坦部が存在することなく、前記延在方向と直交する断面が先細な形状であること、
を特徴とするモールド。
【請求項２】
前記凸部の先端部分の断面形状は関数ｙ＝｛（Ｈ／２）／（Ｓ／２）p｝ｘpで表される形状であること、
Ｈ：凸部の高さ
Ｓ：凸部のスペース幅（凸部の周期Ｐ−凸部の幅Ｌ）
を特徴とする請求項１に記載のモールド。
【請求項３】
前記関数において１≦ｐ≦５であることを特徴とする請求項２に記載のモールド。
【請求項４】
炭化ケイ素からなる基板の表面に前記凸部の周期構造が形成されていることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載のモールド。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のモールドの製造方法であって、
基板の表面にメタルマスクを成膜する工程と、
前記メタルマスク上にレジストを塗布する工程と、
前記レジストに周期構造を描画し、現像する工程と、
反応性ガス又は反応性ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いて前記基板をドライエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とするモールドの製造方法。
【請求項６】
前記基板として炭化ケイ素を用いることを特徴とする請求項５に記載のモールドの製造方法。
【請求項７】
電子線又は紫外線を用いて前記レジストに周期構造を描画することを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のモールドの製造方法。
【請求項８】
前記反応性ガスは、ＣＢｒＣｌ、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ4、ＣＬ2、ＣＨＦ3、ＣＦ4、ＳＦ6、Ｏ2からなる群から選ばれた少なくとも一つのガスであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のモールドの製造方法。
【請求項９】
前記不活性ガスは、Ａｒ、Ｎｅ、Ｋｒからなる群から選ばれた少なくとも一つのガスであることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のモールドの製造方法。
【請求項１０】
エッチングガスとしてフッ素含有ガス又はフッ素含有ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載のモールドの製造方法。
【請求項１１】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のモールド又は請求項５ないし請求項１０のいずれかに記載の方法で製造されたモールドを用いて、ガラス材料又は樹脂材料をプレス成型し、微細な一次元周期構造を有する光学素子を成型することを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、モールド、特に光の波長オーダーの微細な一次元周期構造を有する光学素子を成型するためのモールド、その製造方法、及び、光学素子の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、非球面レンズやレンズアレイなどの光学素子は、多くの場合、精密プレス成型技術（以下、モールド法とも称する）によって量産化されている。一方、光の波長オーダーの微細な一次元周期構造を有する回折機能を有する微小光学素子は、ガラス基板の表面にリソグラフィにより微細構造パターンを形成し、エッチング法などで直接加工する方法で作製されており、量産には高コストを要していた。
【０００３】
そこで、近年では、前記モールド法をこれらの微細構造を有する光学素子の製造にも応用する開発が進められている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１などで従来提案されているモールドは、図１４に示すように、基板１１１の表面１１１ａに微細な凸部１１２を一方向に延在するように形成したもので、凸部１１２の周期Ｐは５００ｎｍ、高さＨは４４０ｎｍ、スペース幅Ｓは３００ｎｍ、ライン幅Ｌは２００ｎｍ、凸部１１２の側壁角αは８４°である。
【０００４】
しかしながら、このようなモールド１００を用いてガラス材料をプレス成型すると、図１５に示すように、ガラス材料２０が凸部１１２の間に十分に充填されず、成型品の微細な周期構造体に必要な高さが得られないという問題点を有している。その理由は、凸部１１２の先端が平らであるため、ガラス材料２０を凸部１１２の間に押し上げる（充填させる）力が十分に得られないと考えられる。
【特許文献１】特許第２９９２５９６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明の目的は、好ましい高さの微細な一次元周期構造を得ることのできるモールド、その製造方法、及び、微細な一次元周期構造を有する光学素子の製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
以上の目的を達成するため、本発明の第１の形態は、
基板の表面に一方向に延在する凸部が該凸部の延在方向と直交する方向に所定の間隔で周期的に形成された、一次元周期構造のモールドであって、
前記凸部は、その先端部分に基板の表面と平行な平坦部が存在することなく、前記延在方向と直交する断面が先細な形状であること、
を特徴とする。
【０００７】
第１の形態である前記モールドにおいて、所定の間隔で周期的に形成された凸部は、その先端部分に基板の表面と平行な平坦部が存在することなく、延在方向と直交する断面が先細な形状であるため、ガラス材料や樹脂材料をプレス成型する際に、成型材料に対して成型材料を凸部の間に充填させるための力が大きく作用することになり、成型品（光学素子）に微細な周期構造体を必要な高さに形成することができる。
【０００８】
本発明の第２の形態は、
前記第１の形態であるモールドの製造方法であって、
基板の表面にメタルマスクを成膜する工程と、
前記メタルマスク上にレジストを塗布する工程と、
前記レジストに周期構造を描画し、現像する工程と、
反応性ガス又は反応性ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いて前記基板をドライエッチングする工程と、
を備えたことを特徴とする。
【０００９】
本発明の第３の形態は、
前記第１の形態であるモールド又は前記第２の形態である方法で製造されたモールドを用いて、ガラス材料又は樹脂材料をプレス成型し、微細な一次元周期構造を有する光学素子を成型することを特徴とする。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明に係るモールド、その製造方法、及び、光学素子の製造方法の実施例について説明する。
【００１１】
（モールド、図１及び図２参照）
図１に本発明の一実施例であるモールド１０を示す。このモールド１０は、炭化ケイ素からなる基板１１の表面１１ａに一方向（矢印Ａ参照）に延在する凸部１２を延在方向Ａと直交する方向（矢印Ｂ参照）に所定の間隔で周期的に形成したものである。凸部１２は、その先端部分に表面１１ａと平行な平坦部が存在することなく、延在方向Ａと直交するＢ方向の断面が先細な湾曲した形状とされている。モールド１０の製造方法や湾曲形状の詳細については後述する。
【００１２】
凸部１２の周期Ｐは５００ｎｍ、高さＨは４４０ｎｍ、スペース幅Ｓは３００ｎｍ、ライン幅Ｌは２００ｎｍ、凸部１２の側壁角αは８４°である。
【００１３】
このモールド１０は、図２に示すように、上型として用い、下型１５との間にガラス材料２０又は樹脂材料を挟み込み、加熱・加圧しつつ光学素子をプレス成型する。この場合、所定の間隔で周期的に形成された凸部１２は、その先端部分に表面１１ａと平行な平坦部が存在することなく、延在方法Ａと直交する断面が先細な湾曲形状であるため、ガラス材料２０や樹脂材料をプレス成型する際に、成型材料に対して成型材料を凸部１２の間に充填させるための力（特に水平方向の力）が大きく作用する（図２の矢印参照、図１５の矢印と比較のこと）ことになり、成型品（光学素子）に微細な周期構造体を必要な高さに形成することができる。
【００１４】
成型対象であるガラス材料としては、光学用途として通常用いられることの多い軟化点が３００℃以上の高軟化点ガラスなどである。樹脂材料としてはポリメタクリル酸メチル、ポリカーボネート、ポリスチレン、非晶性ポリオレフィンを用いることができる。
【００１５】
（モールドの製造方法、図３参照）
前記モールド１０は図３に示す工程により製造することができる。まず、炭化ケイ素からなる基板１１を用意し（図３（ａ）参照）、その表面にメタルマスク層１３をスパッタ法などで成膜する（図３（ｂ）参照）。続いて、メタルマスク層１３上にレジスト１４をスピンコートなどによって塗布し（図３（ｃ）参照）、このレジスト１４に電子線又は紫外線を用いて周期構造を描画し（図３（ｄ）参照）、オルトキシレン液などを用いて現像する（図３（ｅ）参照）。次に、反応性ガス又は反応性ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いてドライエッチングする（図３（ｆ），（ｇ）参照）。これにて、基板１１の表面１１ａに凸部１２が微細な一次元周期構造として形成される（図３（ｈ）参照）。
【００１６】
前記ドライエッチング工程においては、最初はメタルマスク層１３がエッチングされ、次いで炭化ケイ素基板１１がエッチングされていく、メタルマスク層１３が消滅する程度にドライエッチングを継続することにより、凸部１２の先端部分をその断面が先細な湾曲形状となるように形成することができる。
【００１７】
基板１１としては、炭化ケイ素（ＳｉＣ）以外に、グラッシーカーボン（ＧＣ），ダイヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）、超硬（ＷＣ），石英（ＳｉＯ2）、白金（Ｐｔ）などの貴金属、ステンレスなどの合金であってもよい。
【００１８】
基板１１として炭化ケイ素を用いる場合、周期構造より小さい結晶粒径の多結晶炭化ケイ素又は単結晶炭化ケイ素を用いることが好ましい。このような炭化ケイ素は、緻密で均質な組成を有し、化学気相成膜（ＣＶＤ）法、スパッタ法、蒸着法などによって作製することができる。
【００１９】
メタルマスク層１３としては、タングステンシリサイド（ＷＳｉ）を用いることができる。ＷＳｉを用いることにより、ドライエッチングの際にマスク層１３の開口部がプラズマによって拡大する速度を調整できる。その結果、マスク層１３のエッチング速度と基板１１のエッチング速度の比率を任意に設定して、凸部１２の側壁角αを調整することができる。
【００２０】
ドライエッチングの際に用いる反応性ガスは、ＣＢｒＣｌ、ＣＣｌ2Ｆ2、ＣＣｌ4、ＣＬ2、ＣＨＦ3、ＣＦ4、ＳＦ6、Ｏ2からなる群から選ばれた少なくとも一つのガスであってもよい。また、不活性ガスは、Ａｒ、Ｎｅ、Ｋｒからなる群から選ばれた少なくとも一つのガスであってもよい。特に、エッチングガスとしてフッ素含有ガス又はフッ素含有ガスと酸素ガスとの混合ガスを用いることが好ましい。フッ素含有ガスと酸素ガスの比率に応じて、マスク層１３と基板１１のエッチング速度を調整でき、結果として凸部１２の側壁角αを調整することができる。
【００２１】
（光学素子の製造方法、図４〜図７参照）
前記モールド１０を用いた光学素子の製造方法を説明する。製造方法の第１例は、図４に示すように、下型１５上にガラス材料２０を配置し（図４（ａ）参照）、上型（モールド１０）に対して下型１５を上昇させて所定の温度・圧力でプレスする（図４（ｂ）参照）。その後、下型１５を下降させ、成型品２０’を取り出す（図４（ｃ）参照）。
【００２２】
製造方法の第２例は、図５に示すように、下型（モールド１０）上にガラス材料２０を配置し（図５（ａ）参照）、上型１６に対してモールド１０を上昇させて所定の温度・圧力でプレスする（図５（ｂ）参照）。その後、モールド１０を下降させ、成型品２０’を取り出す（図５（ｃ）参照）。
【００２３】
製造方法の第３例は、図６に示すように、上型と下型にモールド１０Ａ，１０Ｂを用いるもので、下型としてのモールド１０Ｂ上にガラス材料２０を配置し（図６（ａ）参照）、上型であるモールド１０Ａに対してモールド１０Ｂを上昇させて所定の温度・圧力でプレスする（図６（ｂ）参照）。その後、モールド１０Ｂを下降させ、成型品２０’を取り出す（図６（ｃ）参照）。
【００２４】
ここで、前記第１例によって成型された光学素子の凸部の高さについて本発明者らの実験結果を図７に示す。図７において、特性Ｃ１は図１に示した発明例であるモールド１０を用い、特性Ｃ２は図１４に示した従来例であるモールド１００を用いた結果である。モールド１０，１００の諸条件は以下のとおりである。また、本発明例であるモールド１０の凸部１２の先端部分の断面形状は、略２次関数形状である。
【００２５】
基板材料：ＣＶＤ法による炭化ケイ素
高さＨ：４４０ｎｍ
周期Ｐ：５００ｎｍ
スペース幅Ｓ：３００ｎｍ
ライン幅Ｌ：２００ｎｍ
側壁角α：８４°
ガラス材料：Ｋ−ＰＳＫ１００（リン酸系ガラス）
屈折率ｎｄ：１．５９、屈伏点Ａｔ：４２３℃
成型条件：成型温度４３０℃、成型圧力５ＭＰa
【００２６】
以上の条件において、成型時間を６０秒、１２０秒、１８０秒、２４０秒、３００秒に設定してプレス成型を行った結果、本発明例であるモールド１０を用いた場合、従来例であるモールド１００を用いた場合に比較して、いずれの成型時間にあってもほぼ５０ｎｍ以上の高さの凸部を有する光学素子を得ることができた。
【００２７】
（先端部分の断面形状、図８〜図１３参照）
次に、モールド１０の凸部１２の先端部分における断面の好ましい形状について説明する。この先端部分は、前述のごとく、基板１１の表面１１ａと平行な平坦部が存在することなく、延在方向Ａと直交するＢ方向の断面が先細な湾曲した形状とされている。そして、この断面形状は、例えば、べき関数ｙ＝｛（Ｈ／２）／（Ｓ／２）p｝ｘpで表される形状である。べき関数ｙにおいて、Ｈは凸部１２の高さ、Ｓは凸部１２のスペース幅（凸部の周期Ｐ−凸部の幅Ｌ）である。
【００２８】
図８はｐ＝１、図９はｐ＝１．５、図１０はｐ＝２、図１１はｐ＝３、図１２はｐ＝４、図１３はｐ＝５である場合の湾曲状態を始点（０，０）から終点（Ｓ／２，Ｈ／２）までに設定し、成型される凸部をシミュレートした。プレス成型の諸条件は前記実験と同じである。なお、比較例として、図１６に、モールドの凸部の先端角部を半径１００ｎｍの円弧とした場合（平坦面が残っている）に成型される凸部をシミュレートした結果を示す。
【００２９】
図８〜図１３及び図１６において、成型される凸部に表したクロスハッチングの濃淡は、薄い部分ほど流動化が大きいことを示している。これらの各図から明らかなように、凸部１２の先端部分に平坦面が残っている図１６に示す成型品の凸部の高さが２５８ｎｍであるのに対して、関数ｙのべき指数ｐが１〜５の湾曲形状を備えた図８〜図１３に示す成型品の凸部の高さは２６５〜３４５ｎｍであり、いずれも高く形成することができる。
【００３０】
（他の実施例）
なお、本発明に係るモールド、その製造方法、及び、光学素子の製造方法は前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。
【００３１】
例えば、前記実施例で示した材料や数値はあくまで例示である。また、モールドには成型材料との融着を防止するための離型膜を設けてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に係るモールドの一実施例を示す斜視図。
【図２】前記モールドを使用してガラス材料をプレス成型する状態を示す説明図。
【図３】前記モールドの製造プロセスを示す説明図。
【図４】本発明に係る光学素子の製造方法の第１例を示す説明図。
【図５】本発明に係る光学素子の製造方法の第２例を示す説明図。
【図６】本発明に係る光学素子の製造方法の第３例を示す説明図。
【図７】本発明例であるモールドと従来例であるモールドでプレス成型された成型品の凸部の高さを示すグラフ。
【図８】べき指数ｐ＝１の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図９】べき指数ｐ＝１．５の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図１０】べき指数ｐ＝２の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図１１】べき指数ｐ＝３の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図１２】べき指数ｐ＝４の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図１３】べき指数ｐ＝５の先端部分断面形状を有するモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【図１４】従来のモールドを示す斜視図。
【図１５】従来のモールドを使用してガラス材料をプレス成型する状態を示す説明図。
【図１６】凸部の先端部分に平坦面を残した比較例であるモールドを用いた成型状態をシミュレートした模式図。
【符号の説明】
【００３３】
１０…モールド
１１…基板
１１ａ…表面
１２…凸部
１３…メタルマスク層
１４…レジスト
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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