(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射した後、前記材料を加熱してその表面部分を溶融させ、もしくは前記材料に溶剤を作用させてその表面部分を溶融させ、又はこれらの双方を行ない、前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化することを特徴とする紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法。
【請求項２】
加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射する光照射手段と、前記材料を加熱してその表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記材料に溶剤を作用させてその表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とする紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工装置。
【請求項３】
加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記材料の表面部分の分子量を低下させた後、前記材料を加熱し、もしくは前記材料に溶剤を作用させ、又はこれらの双方を行ない、前記材料の分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化することを特徴とする紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法。
【請求項４】
加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記材料の表面部分の分子量を低下させる光照射手段と、前記材料を加熱して分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記材料に溶剤を作用させて分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とする紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工装置。
【請求項５】
紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して前記材料の形状を加工し、次に前記形状を加工した材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記形状を加工した材料の表面部分の分子量を低下させた後、前記形状を加工した材料を加熱し、もしくは前記形状を加工した材料に溶剤を作用させ、又はこれらの双方を行ない、前記形状を加工した材料の分子量が低下した表面部分を溶融させて前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する表面加工を行なうことを特徴とする高分子化合物からなる製品の製造方法。
【請求項６】
紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して行なう前記材料の形状の加工に際して、前記紫外線又は紫外線より波長の短い光の入射方向に直交する平面内における当該紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御し、前記材料の各部で前記紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布に応じた深さの加工を行うことを特徴とする請求項５に記載の高分子化合物からなる製品の製造方法。
【請求項７】
紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して前記材料の形状を加工する形状加工手段と、前記形状を加工した材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記形状を加工した材料の表面部分の分子量を低下させる光照射手段と、前記形状を加工した材料を加熱して分子量が低下した表面部分を溶融させ前記形状を加工した材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記形状を加工した材料に溶剤を作用させて分子量が低下した表面部分を溶融させ前記形状を加工した材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とする高分子化合物からなる製品の製造装置。
【請求項８】
前記形状加工手段は、前記紫外線又は紫外線より波長の短い光の入射方向に直交する平面内における当該紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御する制御手段を有することを特徴とする請求項７に記載の高分子化合物からなる製品の製造装置。
【請求項９】
前記請求項５又は６に記載された方法により製造された高分子化合物からなる製品の表面にめっきを施し、当該めっきにより形成された金属部分を金型又は金属製品とすることを特徴とする金型又は金属製品の製造方法。
【請求項１０】
前記請求項９に記載された方法により製造された金型を用いて材料を成型することを特徴とする成型品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小な精密部品を製造する際に好適な技術であって、当該精密部品を構成する材料を、紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いてその表面が平滑になるように加工する表面加工方法及び表面加工装置、並びにその表面加工方法を用いた高分子化合物からなる製品の製造方法及び製造装置に関し、更には、その表面加工方法を用いた金型又は金属製品の製造方法、及び成型品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、情報通信機器やマイクロマシン等の発達に伴い、光学部品や機械部品等の小型化が進行しており、微小精密部品を高精度で加工する技術が求められている。このような加工技術としては、従来より、半導体集積回路等の製造に用いられるＸ線リソグラフィやフォトリソグラフィ等の技術が知られている。また、このＸ線リソグラフィの技術を応用して、光学部品や機械部品等の高アスペクト比を要する３次元的な形状の微小精密部品を加工する技術としては、ＬＩＧＡプロセスが知られている。このＬＩＧＡプロセスとは、ドイツ語の「Lithografie（リソグラフィ）」、「Galvanoformung（電気めっき）」、「Abformung（モールド）」の頭文字から名付けられており、シンクロトロン放射光源から放射されるＸ線（ＳＲ光）を利用して高アスペクト比の３次元的形状を加工する技術である。
【０００３】
すなわち、このＬＩＧＡプロセスは、図１２（ａ）に示すように、基板５１の上に、Ｘ線に感光する性質を有するポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）からなるレジスト５２を数十から数百μｍの厚さで塗布したものに対し、所定のＸ線マスク５３を介してＸ線を照射することにより、当該Ｘ線マスク５３の形状に対応する部分のレジスト５２を露光させて当該部分の分子鎖を切断する。その後、図１２（ｂ）に示すように、レジスト５２を現像液に浸し、当該露光した部分を溶融させて除去することにより現像し、高アスペクト比の３次元的形状を有するレジスト５２からなる微小構造体が形成される。次に、図１２（ｃ）に示すように、現像されたレジスト５２を型としてその表面に電気めっきを行ない、３次元的形状を有する微小金属構造体５４を形成する。そして、この微小金属構造体５４をレジスト５２から取り外し、これを金型として合成樹脂等のモールド鋳型として用いることにより、微小精密部品を低コストで生産することが可能となる。
【０００４】
ところで、このようなＬＩＧＡプロセスでは、リソグラフィ工程において、Ｘ線マスク５３のエッジ形状の欠陥や、レジスト５２内において生じる反応により、現像後のレジスト５２からなる微小構造体の表面に微小な荒れが生じることが知られている。そこで従来は、このような表面の荒れを改善する方法として、Ｘ線マスク５３のエッジ形状の欠陥による荒れに対しては、Ｘ線マスク５３を微小に振動させることによりエッジ形状を平均化する方法が提案されている。また、レジスト５２内において生じる反応による荒れに対しては、Ｘ線を露光させる際の温度や露光時間等を最適化する方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の方法を用いたとしても、現像後のレジスト５２からなる微小構造体の表面粗さは、中心線平均粗さ（Ｒａ）で数百から数千ｎｍ程度が限界であり、利用波長の十分の一以下の表面粗さが要求される光学部品を加工する際における大きな障害となっていた。
【０００６】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、ＬＩＧＡプロセスにおけるリソグラフィ工程を含むＸ線リソグラフィやフォトリソグラフィ等により微小構造体を加工した際において、マスクエッジ形状の欠陥や、レジスト内に生じる反応等によって発生する微小構造体の表面の微小な荒れを改善し、当該微小構造体の表面を光学レベルで平滑にすることができる表面加工方法及び表面加工装置等を提供することを技術課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記技術課題を解決するための具体的手段は、次のようなものである。すなわち、請求項１に記載する紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法は、加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射した後、前記材料を加熱してその表面部分を溶融させ、もしくは前記材料に溶剤を作用させてその表面部分を溶融させ、又はこれらの双方を行ない、前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化することを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載する紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工装置は、加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射する光照射手段と、前記材料を加熱してその表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記材料に溶剤を作用させてその表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とするものである。
【０００９】
請求項３に記載する紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法は、加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記材料の表面部分の分子量を低下させた後、前記材料を加熱し、もしくは前記材料に溶剤を作用させ、又はこれらの双方を行ない、前記材料の分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化することを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載する紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工装置は、加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記材料の表面部分の分子量を低下させる光照射手段と、前記材料を加熱して分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記材料に溶剤を作用させて分子量が低下した表面部分を溶融させ前記材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とするものである。
【００１１】
請求項５に記載する高分子化合物からなる製品の製造方法は、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して前記材料の形状を加工し、次に前記形状を加工した材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記形状を加工した材料の表面部分の分子量を低下させた後、前記形状を加工した材料を加熱し、もしくは前記形状を加工した材料に溶剤を作用させ、又はこれらの双方を行ない、前記形状を加工した材料の分子量が低下した表面部分を溶融させて前記形状を加工した材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する表面加工を行なうことを特徴とするものである。
【００１２】
請求項６に記載する高分子化合物からなる製品の製造方法は、請求項５に記載する構成において、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して行なう前記材料の形状の加工に際して、前記紫外線又は紫外線より波長の短い光の入射方向に直交する平面内における当該紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御し、前記材料の各部で前記紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布に応じた深さの加工を行うことを特徴とするものである。
【００１３】
請求項７に記載する高分子化合物からなる製品の製造装置は、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、前記材料を除去し、又は前記材料の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して前記材料の形状を加工する形状加工手段と、前記形状を加工した材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して前記形状を加工した材料の表面部分の分子量を低下させる光照射手段と、前記形状を加工した材料を加熱して分子量が低下した表面部分を溶融させ前記形状を加工した材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する加熱処理手段、及び前記形状を加工した材料に溶剤を作用させて分子量が低下した表面部分を溶融させ前記形状を加工した材料の表面を光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化する溶剤処理手段の一方又は双方と、を有することを特徴とするものである。
【００１４】
請求項８に記載する高分子化合物からなる製品の製造装置は、請求項７に記載する構成において、前記形状加工手段は、前記紫外線又は紫外線より波長の短い光の入射方向に直交する平面内における当該紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御する制御手段を有することを特徴とするものである。
【００１５】
請求項９に記載する金型又は金属製品の製造方法は、請求項５又は６に記載された方法により製造された高分子化合物からなる製品の表面にめっきを施し、当該めっきにより形成された金属部分を金型又は金属製品とすることを特徴とするものである。
【００１６】
請求項１０に記載する成型品の製造方法は、請求項９に記載された方法により製造された金型を用いて材料を成型することを特徴とするものである。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。ここでは、まず、本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法及び表面加工装置の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法の工程を示すブロック図である。この図に示すように、本発明に係る材料の表面加工方法は、加工対象となる材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射する光照射工程１の後、前記材料を加熱してその表面を溶融させる加熱処理工程２、もしくは前記材料に溶剤を作用させてその表面を溶融させる溶剤処理工程３、又はこれら加熱処理工程２及び溶剤処理工程３の双方を行なうというものである。
【００１８】
ここで、表面加工が行なわれる対象となる材料、すなわち被加工材料４（図２参照）としては、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料を用いることができる。このような被加工材料４としては、例えば、紫外線又は紫外線より波長の短い光により分子鎖が切断され、分子量が低下することにより融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料を用いることができる。また、本実施形態に係る表面加工方法及び表面加工装置は、Ｘ線リソグラフィ等により加工された微小構造体の表面を光学レベルで平滑化することを主な目的としている。したがって、ここでは、このＸ線リソグラフィ等により所定の３次元的形状に形成されたポリメチルメタクリレート（polymethylmethacrylate：ＰＭＭＡ）を、被加工材料４として使用することとしている。図２（ａ）は、Ｘ線リソグラフィ等により所定の３次元的形状に形成されたポリメチルメタクリレートからなる被加工材料４の一例を示す図である。なお、このＸ線リソグラフィ等により被加工材料４を３次元的形状に加工する方法については後述する。
【００１９】
光照射工程１は、前述のような被加工材料４の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射する工程であり、より詳しくは、図２（ｂ）に示すように、高分子化合物の被加工材料４の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して当該被加工材料４の表面部分５の分子量を低下させる工程である。したがって、この光照射工程１において被加工材料４に対して照射される光としては、ポリメチルメタクリレート等の高分子化合物からなる被加工材料４の表面に照射することにより、当該被加工材料４の表面部分５の分子鎖を切断してその分子量を低下させることが可能な波長を有する紫外線又は紫外線より波長の短いＸ線等の光であれば好適に用いることができる。そして、この光照射工程１において照射される光は、被加工材料４の表面部分５の分子量を低下させて融点又は溶剤に対する耐溶融性を低下させることが目的であるため、照射時間を制御することで、被加工材料４の表面部分５のみに作用させて当該表面部分５の分子鎖のみを切断することができるような適度な透過力を有する波長及びエネルギの光を選択して使用することが望ましい。なお、紫外線又は紫外線より波長の短い光は、波長が短くなるに従って被加工材料４に対する透過力が大きくなり、照射時間が長くなるに従って深くまで透過する傾向にある。本実施形態においては、波長の長いＸ線、より詳しくは波長が５〜１０Å（オングストローム）前後のＸ線を使用することとしている。
【００２０】
このような光照射工程１を実施するための光照射手段６としては、前述のような適度な透過力を有する紫外線又は紫外線より波長の短い光を被加工材料４の表面に照射できる装置を使用する。本実施形態においては、この光照射手段６を構成する装置として、図３に示すように、シンクロトロン放射光源７と、露光室８とを有するＸ線加工装置９を使用することとしている。シンクロトロン放射光源７は、遠赤外線からＸ線に至る連続した広い波長領域を含むシンクロトロン放射光を放射する光源であるが、この装置では、ベリリウムフィルタ１０と、ポリイミド（又はベリリウム）フィルタ１１との２個のフィルタによってフィルタリングすることにより、長波長成分を除去して波長が１〜１０Å前後のＸ線を得るとともに、更に短波長吸収フィルタ１２によってフィルタリングすることにより、短波長成分をも除去して波長が５〜１０Å前後のＸ線を露光室８内に入射させるようにしている。ここで、短波長吸収フィルタ１２としては、数Åの波長領域において、金（Ａｕ）より高いＸ線吸収係数を有する材料、具体的には、銅（Ｃｕ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）を使用すると好適である。
【００２１】
露光室８は、被加工材料４をシンクロトロン放射光源７から放射されたＸ線に露光させるための室であり、内部に、被加工材料４を保持するための材料保持部１３と、この材料保持部１３を、シンクロトロン放射光源７からのＸ線の入射方向に直交する平面上においてＸ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ移動させる第１移動機構１４とを有する。この第１移動機構１４は、シンクロトロン放射光源７からのＸ線が被加工材料４の表面の全体に均等に照射されるように被加工材料４の位置を移動させるための機構であり、マイクロメータからナノメータオーダで被加工材料４の位置制御が可能なＸＹステージ等を用いると好適である。そして、この第１移動機構１４の動作制御は、図示しない制御手段により行なわれる。この制御手段としては、例えば、Ｘ線が被加工材料４の表面の全体に均等に照射されるように第１移動機構１４を動作させるためのプログラムと、このプログラムに従って第１移動機構１４の動作させるための命令信号を送出する制御装置とを有する構成等がある。
【００２２】
この光照射工程１において被加工材料４にＸ線を照射したときの反応は、以下のように説明される。まずＸ線照射によって主に光電気効果により被加工材料４であるポリメチルメタクリレート分子の内核電子が電離され、同時にＡｕｇｅｒ効果による外核電子の放出が起こる。続いて、これら２次・３次電子がポリメチルメタクリレート内の電子状態を励起させ、ポリメチルメタクリレートのイオン化あるいはラジカル化を引き起こす。このときポリメチルメタクリレートはラジカルの発生によって分子鎖が切断され、Ｘ線が照射された表面部分５における分子量が低下する。
【００２３】
また、この光照射手段６を構成する装置としては不要であるが、後述するＸ線リソグラフィを用いた形状加工工程１５（図４参照）において使用するために、このＸ線加工装置９は、露光室８内における、被加工材料４の前方、すなわちシンクロトロン放射光源７側に設けられた、Ｘ線マスク１６（図５参照）を保持するためのマスク保持部１７と、このマスク保持部１７をシンクロトロン放射光源７からのＸ線の入射方向と直交する平面上において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ被加工材料４に対して相対的に移動させる第２移動機構１８と、短波長吸収フィルタ１２をＸ線の入射方向と直交する方向に移動させてＸ線の入射経路に出し入れするための図示しないフィルタ移動機構とを有している。このフィルタ移動機構は、Ｘ線加工装置９を形状加工工程１５において使用する際に、短波長吸収フィルタ１２をＸ線の入射経路から外すために用いられる機構である。また、第２移動機構１８としては、マイクロメータからナノメータオーダでＸ線マスク１６の位置制御が可能なＸＹステージ等を用いると好適である。これらの構成を備えることにより、Ｘ線加工装置９は、光照射手段６を構成する装置として使用可能であるとともに、３次元的形状を有する微小構造体を形成するための後述する形状加工工程１５を実施するための装置としても使用することが可能となる。
【００２４】
なお、本実施形態に係る表面加工装置は、Ｘ線リソグラフィ等により加工された微小構造体を構成する被加工材料４の表面を光学レベルで平滑化することを主な目的としていることから、光照射手段６を構成する装置と後述するＸ線リソグラフィを用いた形状加工工程１５（図４参照）を実施するための装置との共用を可能とするために、光照射手段６を構成する装置において、Ｘ線リソグラフィ等にも共通して使用することが可能なシンクロトロン放射光源７を用いることとしている。しかし、本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法においては、Ｘ線リソグラフィ等の場合のように照射する光についての高い直進性は要求されないため、表面加工装置を専用装置として構成する場合には、紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射可能な光源であれば、シンクロトロン放射光源７以外の光源であっても好適に使用することができる。
【００２５】
加熱処理工程は、被加工材料４を加熱してその表面部分５を溶融させる工程であり、より詳しくは、図２（ｃ）に示すように、被加工材料４を加熱することにより、前述の光照射工程１において分子量が低下した被加工材料４の表面部分５を溶融させる工程である。したがって、この加熱処理工程２における加熱温度は、被加工材料４の分子量が低下した表面部分５のみを溶融させるのに適した温度とするのが好適である。すなわち、ポリメチルメタクリレート等の高分子化合物からなる被加工材料４は、分子量が低下することによりその融点も低下することから、光照射工程１において分子量が低下した被加工材料４の表面部分５は、それ以外の分子量が低下していない本体部分１９に比べて融点が低い状態となっている。したがって、被加工材料４の当該分子量が低下した表面部分５の融点以上であって、なおかつそれ以外の部分の融点以下の温度を加熱温度とすると、被加工材料４の当該表面部分５のみを溶融させることができて好適である。このようにすることにより、被加工材料４の本体部分１９の溶融や変質等を防止しつつ表面部分５のみを溶融させることができる。そして、この加熱処理工程２によって溶融した被加工材料４の表面部分５は、その表面のエネルギーが最小となるように振舞うこと、及び、被加工材料４の表面部分５とその本体部分１９とは、同一材料であるため濡れ性が高いことから、被加工材料４の表面部分５は溶融することによってその本体部分１９を滑らかに覆うこととなるので、被加工材料４の表面の凹凸が消失して平滑化される。
【００２６】
このような加熱処理工程２を実施するための加熱処理手段としては、前述のような被加工材料４の分子量が低下した表面部分５のみを溶融させるのに適した温度に加熱温度を調節することができる加熱装置を使用する。このような加熱装置としては、室温から２００℃程度までの範囲で０．５℃程度の精度で加熱温度を調節することができる装置を使用することが望ましい。具体的には、温風循環式オーブン、ホットプレート、赤外線オーブン、あるいは、ランプ加熱炉等を使用することが可能である。また、このような加熱処理工程２においては、被加工材料４の表面部分５のみを加熱し、その本体部分１９は高温にならないようにすれば、被加工材料４の本体部分１９の溶融や変質等を確実に防止しつつ表面部分５のみを溶融させることができるので更に好適である。したがって、被加工材料４の表面に赤外線を放射する赤外線オーブンや、被加工材料４の表面に可視光を放射するランプ加熱炉等の加熱装置を使用し、被加工材料４の表面の温度が１００〜２００℃程度となるように加熱した状態において、数秒〜数分程度の可能な限り短時間で被加工材料４の表面部分のみを加熱するのが好適である。この際の最適な加熱時間は、被加工材料４の表面温度が高いほど短くなる。
【００２７】
溶剤処理工程３は、被加工材料４に溶剤を作用させてその表面部分５を溶融させる工程であり、より詳しくは、図２（ｃ）に示すように、被加工材料４に溶剤を作用させ、前述の光照射工程１において分子量が低下した被加工材料４の表面部分５を溶融させる工程である。この溶剤処理工程３における被加工材料４の表面部分５の溶融の程度は、光照射工程１において分子量が低下した被加工材料４の表面部分５が、溶剤により膨潤して溶融に近い状態となる程度にすると好適である。このような被加工材料４の表面部分５の溶融の程度は、溶剤の濃度の調節と、溶剤を被加工材料４に作用させる際の温度の調節とにより適正となるように制御することができる。そして、このようにすることにより、被加工材料４の表面部分５が溶剤に溶けて流れ出すことを防止しつつその表面を平滑化することができる。
【００２８】
ここで、ポリメチルメタクリレート等の高分子化合物からなる被加工材料４は、分子量が低下することにより溶剤に対する耐溶融性も低下することから、光照射工程１において分子量が低下した被加工材料４の表面部分５は、それ以外の分子量が低下していない本体部分１９に比べて溶剤に対する耐溶融性が低い状態となっている。したがって、被加工材料４に溶剤を作用させた場合には、分子量が低下した表面部分５から先に溶融させることができる。そして、この溶剤処理工程３によって溶融した被加工材料４の表面部分５は、その表面のエネルギーが最小となるように振舞うこと、及び、被加工材料４の表面部分５とその本体部分１９とは、同一材料であるため濡れ性が高いことから、被加工材料４の表面部分５は溶融することによってその本体部分１９を滑らかに覆うこととなるので、被加工材料４の表面の凹凸が消失して平滑化される。また、被加工材料４の表面の凸部は、その体積に対する表面積の比率が大きいために、溶剤によって溶融し易い性質を有する。したがって、このような性質も溶剤処理工程３による被加工材料４の表面の平滑化に有利な作用を及ぼすこととなる。
【００２９】
この溶剤処理工程３において使用する溶剤としては、ポリメチルメタクリレート等の高分子化合物からなる被加工材料４を溶融させることが可能なものであれば使用することができる。本実施形態においては、被加工材料４としてポリメチルメタクリレートを使用することとしていので、例えば、硝酸、無水酢酸、メチルアルコール、酢酸エチル、アセトン、二塩化メチレン、二塩化エチレン、三塩化エチレン、メチルエチルケトン、トリクロルエチレン、トルエン、キシレン、クロロホルム、テトラヒドロフラン、ジブロムエチレン、ビリジン、ベンゼン、メチルイソブチルケトン等が溶剤として使用できる。
【００３０】
この溶剤処理工程３において、被加工材料４に溶剤を作用させる方法としては、被加工材料４の表面部分５に溶剤を均等に付着しさせて作用させることができる各種の方法を使用する。このような方法としては、例えば、被加工材料４を溶剤中に浸す方法や、被加工材料４を溶剤の蒸気中に晒す方法等がある。したがって、このような溶剤処理工程３を実施するための溶剤処理手段としては、溶剤を満たした槽を有する装置や、溶剤の蒸気で満たした気密室を有する装置等を使用することができる。
【００３１】
以上、本発明の実施形態に係る材料の表面加工方法を構成する光照射工程１、加熱処理工程２、及び溶剤処理工程３の各工程について説明したが、光照射工程１の後、加熱処理工程２及び溶剤処理工程３の双方を行う場合には、これら２つの工程を１つずつ順に行なうことも可能であるし、これら２つの工程を同時に行なうことも可能である。ここで、加熱処理工程２と溶剤処理工程３とを１つずつ順に行なう場合に、いずれの工程を先に行なうかについての制約は特に存在しない。また、加熱処理工程２と溶剤処理工程３とを同時に行なう場合には、これらの工程を実施するための加熱処理手段及び溶剤処理手段を１つにまとめた装置を使用することとなる。このような装置としては、例えば、上述した加熱処理工程２における加熱温度に熱せられた高温の溶剤の蒸気で内部を満たした気密室を有する装置等を使用することができる。
【００３２】
次に、本発明に係る高分子化合物からなる製品の製造方法及び製造装置について説明する。図４は、本発明に係る高分子化合物からなる製品の製造方法の工程を示すブロック図である。この図に示すように、本発明に係る高分子化合物からなる製品の製造方法は、高分子化合物からなる被加工材料４に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、被加工材料４を除去し、又は被加工材料４の物理的もしくは化学的性質を変化させて被加工材料４の形状を加工する形状加工工程１５の後、上述した光照射工程１、加熱処理工程２及び溶剤処理工程３を有する材料の表面加工方法を実施することにより当該被加工材料４の表面加工を行なう方法である。
【００３３】
ここで、形状加工工程１５は、紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物からなる被加工材料４に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射して、被加工材料４の一部を除去し、又は被加工材料４の所定の部分の分子量を低下させ分子量が低下した部分を除去して被加工材料４の形状を加工する工程である。そして、この形状加工工程１５により、被加工材料４は、３次元的形状の微小構造体に加工される。また、本実施形態においては、この形状加工工程１５において、被加工材料４の表面と平行な平面内における紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御し、被加工材料４の各部で紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布に応じた深さの加工を行うこととしている。これは、被加工材料４に照射される光のエネルギー分布を傾斜させることにより、被加工材料４の各部における加工深さを調節し、例えば、半球形や四角錐等のような傾斜した面を有する３次元的形状の加工を可能とする加工方法である。なお、この加工方法については、本件出願に係る発明者により発明され、既に公開されている特開平１２−３５５００号公報において詳細に説明されている。
【００３４】
このような形状加工工程１５における、紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射することにより、ポリメチルメタクリレート等の高分子化合物からなる被加工材料４の形状を加工して微小構造体を形成する方法としては、具体的には、半導体集積回路等の製造に用いられるＸ線リソグラフィやフォトリソグラフィ等の方法が従来から知られており、この形状加工工程１５においてもこれらの方法を使用することができる。そして、本実施形態においては、形状加工工程１５における被加工材料４の加工方法として、高アスペクト比を要する３次元的形状の微小構造体を加工することが可能な、シンクロトロン放射光源７（図５参照）から放射されるＸ線（ＳＲ光）を利用したＸ線リソグラフィを用いることとしている。したがって、形状加工工程１５を実施するための形状加工手段２０としては、被加工材料４にＸ線を照射することにより、高分子化合物からなる被加工材料４の所定の部分における分子鎖を切断してその分子量を低下させるとともに、現像液により当該被加工材料４の分子量が低下した部分を除去することができる装置を使用する。
【００３５】
そこで、本実施形態においては、図５に示すように、Ｘ線加工装置９と、現像装置２１とを有する装置を使用することとしている。ここで使用するＸ線加工装置９は、本発明の実施形態に係る材料の表面加工方法における光照射工程１を実施するための光照射手段６を構成する装置（図３参照）と共通して使用される装置である。ただし、この形状加工工程１５において使用する際には、光照射工程１において使用する場合と異なり、被加工材料４の除去しようとする部分のみに対してシンクロトロン放射光源７からのＸ線を露光させるための所定のＸ線マスク１６をマスク保持部１７に保持させるとともに、更に、フィルタ移動機構により、短波長成分を除去するための短波長吸収フィルタ１２をＸ線の入射経路から外して使用する。これにより、形状加工工程１５においては、１〜１０Å前後のＸ線を露光室８内に入射させ、Ｘ線マスク１６の形状に従って被加工材料４の所定部分をＸ線に露光させることができる。
【００３６】
更に、このＸ線加工装置９を形状加工工程１５において使用する際には、第２移動機構１８を動作させることにより、マスク保持部１７とこのマスク保持部１７に保持されたＸ線マスク１６をシンクロトロン放射光源７からのＸ線の入射方向と直交する平面上において、Ｘ軸方向及びＹ軸方向にそれぞれ被加工材料４に対して相対的に動作させる。これにより、Ｘ線マスク１６を通過して被加工材料４の各部に照射されるＸ線のエネルギー分布を、Ｘ線の入射方向に直行する平面内において連続的に変化させることができ、被加工材料４の各部における加工深さを調節することができる。また、この際の第２移動機構１８によるＸ線マスク１６の動作は、被加工材料４を加工しようとする３次元的形状に合わせて照射されるＸ線のエネルギー分布が連続的に変化するように所定のパターンで行われる。この第２移動機構１８の動作制御は、図示しない制御手段により行なわれる。この制御手段としては、例えば、被加工材料４を加工しようとする３次元的形状に合わせて照射されるＸ線のエネルギー分布が連続的に変化するように、Ｘ線マスク１６を所定のパターンで動作させるためのプログラムと、このプログラムに従って第２移動機構１８の動作させるための命令信号を送出する制御装置とを有する構成等がある。
【００３７】
そして、このＸ線加工装置９における露光が終了した後、現像装置２１において被加工材料４に対する現像処理が行なわれる。この現像装置２１の内部には、被加工材料４における、Ｘ線に露光されることによって分子量が低下した部分を溶解させることができる現像液２２が満たされており、被加工材料４は、この現像液２２内に浸されることにより、当該Ｘ線に露光して分子量が低下した部分のみが溶解して除去される。その結果、被加工材料４は、所定の３次元的形状に形成される。なお、この現像液２２としては、上述した溶剤処理工程３において使用する溶剤と同様のものを使用することができる。
【００３８】
次に、この形状加工工程１５により３次元的形状の微小構造体を形成するように加工された被加工材料４の表面に対して、前述した材料の表面加工方法と同様に、光照射工程１を行ない、その後、加熱処理工程２、もしくは溶剤処理工程３、又はこれら加熱処理工程２及び溶剤処理工程３の双方を行なうことにより、光学レベルで平滑な表面を有する微小構造体を構成する高分子化合物からなる製品を製造することができる。本実施形態に係る高分子化合物からなる製品の製造装置は、形状加工手段２０を構成するＸ線加工装置９及び現像装置２１を有する装置と、光照射手段６を構成する形状加工手段２０と共通のＸ線加工装置９と、加熱処理手段を構成する赤外線オーブンやランプ加熱炉等と、溶剤処理工程３を実施するための溶剤処理手段を構成する溶剤を満たした槽を有し、あるいは溶剤の蒸気で満たした気密室を有する装置等と、を有して構成される。
【００３９】
そして、このようにして高分子化合物からなる製品の製造方法により製造された製品は、光学レベルで平滑な表面を有する３次元的形状の微小構造体であるので、微小精密部品、特にマイクロレンズ、導光板、あるいはマイクロミラー等の光学素子用微小精密部品として使用することが可能である。
【００４０】
次に、本発明に係る金型又は金属製品の製造方法について説明する。図６は、本発明に係る金型又は金属製品の製造方法の工程を示すブロック図である。この図に示すように、本発明に係る金型又は金属製品の製造方法は、前述の高分子化合物からなる製品の製造方法により製造された製品２３（以下、単に「高分子化合物からなる製品」とする。）の表面に、図７に示すようにめっきを施すめっき処理工程２４の後、高分子化合物からなる製品２３から当該めっきにより形成された金属部分２５を分離する分離工程２６を行ない、この分離された金属部分２５を金型又は金属製品とするものである。したがって、この金型又は金属製品の製造方法においては、高分子化合物からなる製品２３は、金型又は金属製品を製造するための型として使用されることとなる。
【００４１】
図７に示すように、めっき処理工程２４は、高分子化合物からなる製品２３を型として、その表面にニッケル等の金属のめっきを施すことにより、所定の３次元的形状に形成された当該高分子化合物からなる製品２３の表面の形状を転写した金属構造体を形成する工程である。このめっき処理工程２４におけるめっき方法としては、電気めっき、無電解めっき、化学蒸着、真空蒸着、イオンプレーティング等の各種の方法を用いることが可能である。ここで、例えば、図８に示すように、一般的なＬＩＧＡプロセスにおける場合と同様に、被加工材料４の底面に金属製の基板２７を設けておき、なおかつ当該基板２７に達するまで被加工材料４が除去されるような加工がされた高分子化合物からなる製品２３を型として用いる場合には、当該基板２７を電極として使用することができるので、電気めっきを用いることができる。一方、図７に示す本実施形態のように、高分子化合物からなる製品２３が、その表面２８から厚さ方向に途中までしか加工されておらず、底面まで貫通していない場合には、高分子化合物からなる製品２３の表面２８に対向する位置に電極を設けることができず電気めっきを用いることができないため、無電解めっきや化学蒸着等の他のめっき方法を用いる。
【００４２】
分離工程２６は、めっき処理工程２４において高分子化合物からなる製品２３の表面２８に施されためっきにより形成された金属部分２５を高分子化合物からなる製品２３から分離する工程である。ここで、高分子化合物からなる製品２３は、上述の通り、その表面２８が光学レベルで平滑化されているため、分離された金属部分２５もこの高分子化合物からなる製品２３の表面２８が転写され、光学レベルで平滑な表面２９を有することとなる。そして、この分離工程２６において分離された金属部分２５は、金型又は金属製品として用いられる。なお、この金属部分２５を金型として用いる場合には、この金属部分２５は非常に小さく扱い難いため、図９に示すように、大きい金属台３０等に当該金属部分２５を取り付けて金型として使用する。
【００４３】
次に、本発明に係る成形品の製造方法について説明する。図１０は、本発明に係る成形品の製造方法の工程を示すブロック図である。この図に示すように、本発明に係る成形品の製造方法は、前述の金型又は金属製品の製造方法において製造された金型３１を用いて材料を成型する成形工程３２を行なうことにより、成形品３３を製造するものである。図１１に示すように、この成形工程３２においては、金型又は金属製品の製造方法において製造された金型３１の表面２９、すなわち高分子化合物からなる製品２３の平滑な表面２８が転写された面を用いて成形を行なう。これにより、この金型３１を用いて成形される成形品３３の表面３４にこの金型３１の表面２９が転写されることとなるので、光学レベルで平滑な表面３４を有する成形品３３を成形することができる。また、ここで製造される成形品３３の材質としては、金型３１に流し込んで成形することができるものであれば特に制約はないが、合成樹脂等であれば好適に用いることができる。また、この成形品３３の材質としてポリメチルメタクリレートを用いる場合には、光学レベルで平滑な表面３４を有する３次元的形状の微小精密部品、特にマイクロレンズ、導光板、あるいはマイクロミラー等の光学素子用微小精密部品を低コストで大量に製造することができる。なお、成形品３３の材質としてポリメチルメタクリレート等の合成樹脂を用いる場合には、金型３１に加熱して溶かした合成樹脂を流し込み、その後冷却して硬化させてから金型３１から分離することにより、成形品３３が製造される。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１から４に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法又は表面加工装置によれば、加工された微小構造体を構成し、紫外線又は紫外線より波長の短い光に反応することにより、融点が低下し、もしくは溶剤に対する耐溶融性が低下し、又はこれらの双方が低下する性質を有する感光性材料、あるいは紫外線又は紫外線より波長の短い光により、融点又は溶剤に対する耐溶融性が低下する性質を有する高分子化合物の材料の表面に紫外線又は紫外線より波長の短い光を照射することにより、その材料の表面部分の分子量を低下させること等によって溶融し易い状態とした後、その材料を加熱し、もしくはその材料に溶剤を作用させ、又はこれらの双方を行なうことにより材料の表面部分を溶融させる。そして、溶融した材料の表面部分はその表面のエネルギーが最小となるように振舞い、なおかつ、溶融した材料の表面部分と溶融していない本体部分とは同一材料であって濡れ性が高いことから、溶融した材料の表面部分はその本体部分を滑らかに覆うこととなり、材料の表面の凹凸が消失して光学素子用精密部品に要求される利用波長の十分の一以下の表面粗さの光学レベルで平滑化される。
【００４５】
したがって、ＬＩＧＡプロセスにおけるリソグラフィ工程を含むＸ線リソグラフィやフォトリソグラフィ等により微小構造体を構成する材料を加工した際において、マスクエッジ形状の欠陥や、レジスト内に生じる反応等によって発生する当該材料の表面の微小な荒れを改善し、その表面を光学レベルで平滑化することができる。これにより、マイクロレンズ、導光板、あるいはマイクロミラー等、利用波長の十分の一以下の表面粗さが要求される微小な光学素子用精密部品を製造することが可能となる。
【００４６】
本発明の請求項５又は請求項７に係る高分子化合物からなる製品の製造方法又は製造装置によれば、Ｘ線リソグラフィやフォトリソグラフィ等によって形成した３次元的形状の微小構造体を構成する高分子化合物の材料の表面を、光学レベルで平滑化することができるので、導光板やマイクロミラー等、利用波長の十分の一以下の表面粗さが要求される微小な光学素子用精密部品を製造することが可能となる。
【００４７】
本発明の請求項６又は請求項８に係る高分子化合物からなる製品の製造方法又は製造装置によれば、上述の効果に加えて、紫外線又は紫外線より波長の短い光の入射方向に直交する平面内における当該紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布が連続的に変化するように制御し、前記材料の各部で前記紫外線又は紫外線より波長の短い光のエネルギー分布に応じた深さの加工を行うことにより、材料の各部における加工深さを調節し、例えば、半球形や四角錐等のような傾斜した面を有する３次元的形状を有する微小構造体を構成する高分子化合物の材料を構成し、その表面を光学レベルで平滑化することができる。したがって、マイクロレンズ、導光板、あるいはマイクロミラー等の曲面や傾斜した平面等を有する３次元的形状であって、なおかつ、利用波長の十分の一以下の表面粗さが要求される微小な光学素子用精密部品を製造することが可能となる。
【００４８】
本発明の請求項９に係る金型又は金属製品の製造方法によれば、請求項５又は６に記載された高分子化合物からなる製品の製造方法により製造された製品の表面にめっきを施すことにより、当該めっきにより形成された金属部分に光学レベルで平滑化された高分子化合物からなる製品の表面が転写されることとなり、光学レベルで平滑化された表面を有する金型又は金属製品を製造することが可能となる。
【００４９】
本発明の請求項１０に係る成型品の製造方法によれば、請求項９に記載された金型又は金属製品の製造方法により製造された金型を用いて材料を成型することにより、当該金型の光学レベルで平滑化された表面が転写されることとなり、光学レベルで平滑化された表面を有する成形品を製造することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法の工程を示すブロック図である。
【図２】本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法において、材料が加工される各段階を示す図である。
【図３】本発明に係る紫外線又は紫外線より波長の短い光を用いた材料の表面加工方法の光照射手段を構成するＸ線加工装置を示す図である。
【図４】本発明に係る高分子化合物からなる製品の製造方法の工程を示すブロック図である。
【図５】本発明に係る高分子化合物からなる製品の製造方法の形状加工手段を構成する装置を示す図である。
【図６】本発明に係る金型又は金属製品の製造方法の工程を示すブロック図である。
【図７】本発明に係る金型又は金属製品の製造方法において、高分子化合物からなる製品の製造方法により製造された製品の表面にめっきを施した状態を示す図である。
【図８】一般的なＬＩＧＡプロセスにおける場合と同様にして加工された高分子化合物からなる製品を示す図である。
【図９】本発明に係る金型又は金属製品の製造方法において製造された金型を示す図である。
【図１０】本発明に係る成形品の製造方法の工程を示すブロック図である。
【図１１】本発明に係る成形品の製造方法において、金型の表面を用いて成形品の成形を行なう際の状態を示す図である。
【図１２】従来例に係るＬＩＧＡプロセスにおいて、材料が加工される各段階を示す図である。
【符号の説明】
１  光照射工程
２  加熱処理工程
３  溶剤処理工程
４  被加工材料
５  被加工材料の表面部分
６  光照射手段
７  シンクロトロン放射光源
８  露光室
９  Ｘ線加工装置
１２  短波長吸収フィルタ
１３  材料保持部
１４  第１移動機構
１５  形状加工工程
１６  Ｘ線マスク
１７  マスク保持部
１８  第２移動機構
１９  被加工材料の本体部分
２０  形状加工手段
２１  現像装置
２２  現像液
２３  高分子化合物からなる製品
２４  めっき処理工程
２５  金属部分
２６  分離工程
３１  金型
３２  成形工程
３３  成形品
【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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