(57)【要約】【課題】化学的に安定で耐久性に優れ、微細かつ高精度な転写パターンを形成できるプレス成形金型を得る。【解決手段】エッチングにより形成された転写パターンを有する母材１２と、当該母材上に形成された保護層１３とを備えるプレス成形金型１１であって、母材はシリサイド合金（多結晶焼結体で、ＭｏＳｉx、ＴａＳｉx、ＮｂＳｉx、ＷＳｉxのうちの１種類以上の合金を含む。好ましくは０＜ｘ＜２）により、保護層は貴金属合金（Ｐｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、Ｔａ等）により夫々形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングにより形成された転写パターンを有する母材と、当該母材上に形成された保護層とを備えるプレス成形金型であって、
前記母材がシリサイド合金により形成されている
ことを特徴とするプレス成形金型。
【請求項２】
前記保護層が貴金属合金により形成されている
請求項１に記載のプレス成形金型。
【請求項３】
前記母材を形成するシリサイド合金は、多結晶焼結体である
請求項１または２に記載のプレス成形金型。
【請求項４】
前記シリサイド合金を、Ｍを金属としてＭＳｉxと表わした場合に、
前記シリサイド合金ＭＳｉxにおけるｘが０より大きく２より小さい
ことを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のプレス成形金型。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレス成形金型に係り、特に回折格子のような微細形状を有する光学素子をプレス成形するのに好適な金型構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子を作製するには、一般に、レンズのような球面形状を一部に含むものについては研磨により、また回折格子のような微細な形状を含むものについてはエッチングにより、さらに曲面と回折格子が組み合わされたものや複雑な曲面形状を有するものについては、金型を用いたプレス成形により製造が行われる。
【０００３】
プレス成形に使用される金型は、高温度下でも安定した諸特性、すなわち耐酸化性、耐熱性および耐熱衝撃性が要求され、さらにガラスに対して化学的に不活性で、プレス時にプレス面の形状精度が崩れることがないよう機械的な強度に優れることが望ましい。また高精度な加工要求を満たすため、加工性に優れ、精密な加工が可能であることも望まれる。これらの要求を満たす金型として、例えばタングステンカーバイド（ＷＣ）や炭化ホウ素、サーメット、セラミックスを母材とし、この母材上に貴金属合金膜からなる保護層を形成した金型が従来から提案されている。
【０００４】
金型のプレス面を所望の形状に加工するには、ダイヤモンド砥石を用いた切削加工によるのが通常である。ところが、金型作製時の加工性と金型使用時の機械的耐久性は、相反する関係にあり、金型の加工性を良好にしようとすると金型の耐久性が低下する一方、金型の耐久性を高めようとすると、金型作製時に研削砥石の磨耗が著しく、作製時間が長くなる問題が生じる。上記超硬材料上に貴金属合金膜を形成した成形型にあっても、ダイヤモンド砥石の磨耗が激しいうえに、作製に時間を要し、高精度の加工も困難である。
【０００５】
さらに、切削加工により金型を作製する場合、加工精度は加工用バイトの先端曲率や金型に対するバイトの機械的な位置決め精度によって制限を受けるから、特に微細な形状を有する光学素子用の金型を作製することは切削加工によっては一般に出来ない。
【０００６】
一方、このような金型作製上の問題を回避するため、エッチングによりプレス面を形成する提案がなされている（下記特許文献１〜４参照）。例えば、下記特許文献１（特公平８−２３６０２）では、超硬母材表面に形成された保護層の表層部をエッチングによって所定形状にパターニングすることによって金型を作製する。特許文献２（特開平６−２７９０３６）では、超硬合金の母材上に設けられたＳｉ系酸化物の中間層をエッチングにより形成し、その上に合金薄膜による保護層を設ける。また、特許文献３（特開平１０−３３７７３４）では、超硬母材の表層部にドライエッチングによってプレス面を形成し、その上に離型膜を設ける。さらに、特許文献４（特開平６−１６４３３）では、母材表面にシリサイド合金を含むシリコン合金層を形成し、その上に保護層を設けている。
【０００７】
【特許文献１】特公平８−２３６０２号公報
【特許文献２】特開平６−２７９０３６号公報
【特許文献３】特開平１０−３３７７３４号公報
【特許文献４】特開平６−１６４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、エッチングによって所定の転写パターンを有するプレス面を形成する場合には、当該プレス面のエッチングの容易性とともに、プレス面に形成された転写パターンに十分な硬度と靭性が要求され、プレス面を形成する材料の選択にあたっては、化学的な反応性等をも考慮する必要がある。
【０００９】
ところが、上記特許文献１（特公平８−２３６０２）では、母材表面に形成した保護層自体をエッチングするため、エッチングガスの種類やエッチング条件（速度・時間等）の面で制約が多く、生産性が良好でない。エッチングは本来、化学的な反応や物理的に叩き飛ばすことによって対象となる材料を削っていく処理であるのに対し、保護層は、高温プレス成形時に型材とガラス材料との反応を防ぐために設けられるものであって化学的に安定な貴金属合金が通常用いられ、エッチングし難い材料だからである。
【００１０】
一方、上記特許文献２（特開平６−２７９０３６）のようにエッチングにより形成する転写パターン材料としてシリコンまたはシリコン酸化物を用いた場合には、当該材料は脆性が大きい（靭性に乏しい）ため、経年使用により転写パターンの破損が生じやすく、耐久性に劣る難がある。また、酸化シリコンは熱伝導率が低く、成形加熱時に局所的に温度が不均一になるという問題も生じ得る。
【００１１】
さらに、上記特許文献３（特開平１０−３３７７３４）のように、超硬合金からなる母材自体をエッチングしてプレス面を形成する金型では、エッチング後の表面荒れが大きくなってしまう問題が生じる。例えば超硬合金として広く用いられているタングステンカーバイドを使用することを想定すると、当該母材はタングステンカーバイド微結晶とバインダであるコバルトとの焼結体で構成され、両者のエッチング速度が異なる。このため、エッチング後の金型表面が荒れたものとなってしまう。したがって、特に平滑性が要求される精密成形型を製造することは、この文献に記載の発明では難しい。
【００１２】
また、上記特許文献４（特開平６−１６４３３）は、同文献の図１および図２からも明らかなように、球面を含むレンズ状の成形型を研削により作製するものであり、エッチングによる場合のように微細かつ高精度な成形金型を製造することは出来ない。
【００１３】
したがって、本発明の目的は、化学的に安定で耐久性に優れるとともに、微細かつ高精度な転写パターンを形成できるプレス成形金型構造を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
前記目的を達成して課題を解決するため、本発明に係るプレス成形金型は、エッチングにより形成された転写パターンを有する母材と、当該母材上に形成された保護層とを備えるプレス成形金型であって、前記母材がシリサイド合金により形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明のプレス成形金型は、母材上に設けた転写パターンを光学素子の形成材料にプレスして転写することにより、光学素子を製造可能なものであるが、当該母材を形成する材料として、シリサイド合金を使用する。シリサイド合金は、シリコンと高融点金属の合金であり、これを転写パターンを形成する母材に用いることにより、金型プレス面の脆性を改善し、耐久性に優れた長寿命の金型を作製することが可能となる。さらに、シリサイド合金は、シリコンと同様にフッ化物ガスによってエッチングが可能で微細加工が容易であるという特徴を有する。したがって、微細かつ高精度な転写パターンをエッチングにより金型のプレス面に形成することが出来る。
【００１６】
母材に形成する転写パターンは、当該金型によって作製する光学素子の形状に対応して様々な形状（例えば回折格子形状や曲面形状等）をとることがあり、特定の形状に限定されない。一方、転写パターンは、エッチングにより形成することが出来るが、微細かつ高精度なパターン形成を行う点から、ドライエッチングによることが特に好ましい。  
【００１７】
上記母材を形成するシリサイド合金は、多結晶焼結体としても良い。これによれば、高強度で耐久性に優れた金型を形成することが出来るとともに、結晶粒径が微細であることから、均一な速度で母材をエッチングすることができ、微細な転写パターンをプレス面（母材）に形成することが可能となる。さらに、この多結晶焼結体には、ＨＩＰ処理（Hot Isostatic Press)を行うことが望ましい。これにより、空隙の無いより緻密な多結晶焼結体を作製することが出来る。
【００１８】
また、シリサイド合金は、Ｍを高融点金属としてＭＳｉxと一般に書きあらわすことが出来るが、上記本発明のおけるシリサイド合金では、ｘを０より大きくかつ２より小さな値（０＜ｘ＜２）とすることが好ましい。これは次の理由による。
【００１９】
シリサイド合金ＭＳｉx（Ｍは金属）の組成は、ストイキオメトリな組成ではｘ＝２となるが、ｘは成膜条件を適宜変更することによって２以外の値をとるようにすることが出来る。一方、シリサイド合金は、空気中に高温で放置した場合には、シリサイド合金中あるいは空気中からの酸素によってＳｉＯ2層が形成され、プレス対象であるガラス材料と反応して離型性を劣化させたり、転写パターンが形成された金型表面において金型構成材料の剥離を引き起こす場合がある。これらの問題は、上記本発明のように、ｘを２より小さく（０＜ｘ＜２）することにより回避することが可能である。
【００２０】
また、かかるシリサイド合金として好ましくは、ＭｏＳｉx、ＴａＳｉx、ＮｂＳｉx、およびＷＳｉxのうちの少なくとも１種類の合金を含むようにする。これらの合金は、融点が例えば１８００℃以上と高く、より強固で長寿命な金型を作製することが出来るからである。この場合にも、上記理由からシリサイド合金ＭｏＳｉx、ＴａＳｉx、ＮｂＳｉx、およびＷＳｉxにおけるｘを０より大きく２より小さくする（０＜ｘ＜２）ことが望ましい。
【００２１】
尚、母材を形成する上記シリサイド合金は、必ずしもＭｏＳｉx、ＴａＳｉx、ＮｂＳｉx、およびＷＳｉxに限定されるものではなく、本発明では他のシリサイド合金（例えばＣｒＳｉx、ＴｉＳｉx、ＶＳｉx等）を使用することも可能である。
【００２２】
さらに本発明の金型では、転写パターンを形成した母材上に保護層を設けるが、この保護層は、貴金属であることが好ましく、さらにＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、Ｗ、およびＴａのうちの少なくとも１種類の金属を含むものとすることが望ましい。これらいずれかの材料を含む保護層を設けることにより、ガラス材料との化学的な反応を抑え、金型とガラス材料とが融着することを防ぐことが出来る。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、化学的に安定で耐久性に優れるとともに、微細かつ高精度な転写パターンを形成できるプレス成形金型構造を得ることが出来る。
【００２４】
本発明の他の目的、特徴および利点は、以下の本発明の実施の形態および実施例の説明により明らかにする。尚、参照する各図面において、同一の符号は、同一又は相当部分を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１は、本発明の一実施形態に係るプレス成形金型を示すものである。同図に示すようにこのプレス成形金型１１は、プレス成形すべき光学素子の表面形状に対応した凹凸パターン（転写パターン）を母材１２の表面に形成し、さらにこの母材１２の表面に保護層１３を設けることによりプレス面を形成したものである。
【００２６】
母材１２は、シリサイド合金、例えばタングステンシリサイド合金（ＷＳｉx）により形成する。ドライエッチングにより微細かつ高精度なパターニングが可能であり、かつ靭性に富んで欠け難く、耐久性に優れたプレス面（転写パターン）を形成することが出来るからである。さらに、上記ＷＳｉxにおけるｘを２より小さくする（例えばｘ＝０．５）。ＷＳｉxにおけるｘの値は、既に述べたようにストイキオメトリな組成では２となるが、ｘ＜２とすることによりガラス材料に対する離型性を高め、かつ母材１２の密着性（耐剥離性）を向上させることが出来る。
【００２７】
下記表１は、加工層１３を形成するシリサイド合金としてタングステンシリサイド合金（ＷＳｉx）を例にとり、ｘを「０．５」、「２」および「４」とした場合のガラス材料に対する離型性と、基材の密着性（母材の耐剥離性）を調べた実験結果を示すものである。この表で「◎」は非常に良好なことを、「○」は良好なことを、「△」は悪いことを、「×」は非常に悪いことをそれぞれ示す。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
上記実験によれば、ｘを０．５とすると、ｘを２あるいは４とした場合と較べ、ガラスに対する離型性および密着性（耐剥離性）の双方について良好な結果が得られた。
【００３０】
母材１２の表面には、例えば回折格子形状や曲面形状等の当該金型によってプレス成形すべき光学素子に対応した形状あるいは凹凸を有する転写パターンを形成する。転写パターンの形成は、後に述べるように、ドライエッチングにより行うことが可能である。
【００３１】
一方、母材１２を覆う保護層１３は、貴金属合金により形成する。ガラス材料との化学的な反応を抑え、金型のプレス面とプレス材料であるガラスとの融着を防ぐためである。上記貴金属としては、例えばＰｔ、Ｐｄ、Ｉｒ、Ｒｈ、Ｏｓ、Ｒｕ、Ｒｅ、ＷおよびＴａのうちの１種類以上の金属を使用すれば良い。
【００３２】
図２は、上記実施形態に係るプレス成形金型の製造工程を順に示すものである。同図に示すように、上記金型１１を作製するには、まずシリサイド合金からなる母材１２を用意し（図２（ａ））、この母材１２の表面にレジストを配して当該レジストをパターニングし、プレス対象に応じた所定パターンを有するエッチングレジスト２１を母材１２の表面に形成する（同図（ｂ））。そして、ドライエッチングにより、母材１２の表面に転写パターンを形成した後（同図（ｃ））、レジスト２１を除去し（同図（ｄ））、当該母材１２を覆う保護層１３をスパッタ等のいわゆる薄膜技術を用いて形成する（同図（ｅ））。これにより、前記実施形態に係るプレス成形金型１１を作製することが出来る。
【００３３】
図３は、このようにして作製した本実施形態の金型により、プレス成形を行う工程を順に示す断面図である。プレス成形時には、例えば、下型３１の上にガラス材料２２を載せ、このガラス材料２２を加熱しつつ前記本実施形態に係る金型（上型）１１を押し付けることにより、当該ガラス材料２２の表面に凹凸パターンを転写する。尚、下型３１は、例えば上型１１と同様にシリサイド合金により形成された母材１２の表面に、貴金属合金からなる保護層１３を設けることにより形成すれば良い。
【実施例１】
【００３４】
以下、本発明の実施例を説明する。
【００３５】
基材（母材）として２０ｍｍ角のタングステンシリサイド多結晶焼結体（ＷＳｉ0.5）からなる基板を用い、この基板表面にフォトリソグラフィによって２０μｍピッチ、厚さ６μｍの単純格子パターンのフォトレジストを形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）でドライエッチングを行った。エッチングの深さは４μｍであり、エッチングガスにはＳＦ6とＣＦ4の混合ガスを、またプラズマ源はＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）による高密度プラズマを使用した。
【００３６】
エッチングの後、プラズマアッシングによってレジスト残渣を除去し、その後、白金（Ｐｔ）とイリジウム（Ｉｒ）を主成分とする合金からなる保護層を１００ｎｍの厚さでスパッタにより形成した。そして、かかる基板を２０ｍｍ角の大きさに切断した後、成形型としてタングステンカーバイドからなる超硬合金治具に固定して上型とした。
【００３７】
図４は、本実施例で使用したプレス成形機を示すもので、上型として上記成形金型１１を使用した。また、下型３１は、転写パターンの形成されていない鏡面研磨された超硬面に上記白金とイリジウムを主成分とする合金からなる保護層を形成したものを用いた。また、プレス対象としては、ガラス転移温度が５２０℃の低融点ガラスを、２０ｍｍ角、厚さ１．５ｍｍの両面研磨のシート状に加工したガラスシート２２を用いた。
【００３８】
そして、上型１１、下型３１および胴型４１からなる成形型一式をプレス成形機に固定し、下型３１の上に上記ガラスシート２２を置き、窒素雰囲気中で約４０ｋｇ／ｃｍ2のプレス圧で５７０℃で２分間圧力を保持し、その後、４００℃まで降温して成形されたガラス素子を取り出した。
【００３９】
かかる条件で１万回のプレスを行って成形金型（上型１１）の表面を観察し、プレス前後での表面状態と表面粗さを調べた（下記表２のＡ）。比較対照として、タングステンシリサイドのみで母材を形成し保護層を設けないもの（下記表２のＢ）、タングステンシリサイドの代わりにシリコンにより母材を形成したもの（下記表２のＣ，Ｄ）、並びにアルミナ基板の表面にタングステンシリサイド膜を形成し、このシリサイド膜にエッチングにより転写パターンを形成したもの（下記表２のＥ）を用意し同様の実験を行った。
【００４０】
実験結果は下記表２のとおりである。この表において「耐剥離性」の項目中、「○」は剥離がないことを、「×」は部分的に剥離が見られることをそれぞれ示す。また、「表面状態」の項目中、「○」は金型の欠け（破損）や変形、ガラスの付着がなく良好な状態を示し、「△」は部分的に金型の欠けが見られるもの、「×」は金型へのガラスの付着が見られるものをそれぞれ示している。
【００４１】
【表２】
2006151752.tif 000004
【００４２】
この結果から明らかなようにシリコンにより母材を形成した場合（上記表２のＣ，Ｄ）に比べ、シリサイド合金を使用しかつ保護層を設けた本発明に係る金型（Ａ）は、繰り返し成形を行った場合に金型の破損・欠けが発生せず耐久性に優れ、離型性も良好であることがわかる。さらに、母材自体に転写パターンを形成する本発明の金型は、母材（アルミナ基板）の表面にタングステンシリサイド膜を形成しこのシリサイド膜に転写パターンを形成する場合（Ｅ）のように、転写パターンを有する材料層（シリサイド膜）が母材から剥離することもなく、耐剥離性にも優れる。
【００４３】
以上、本発明の実施の形態および実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の範囲内で種々の変更を行うことができることは当業者に明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の一実施形態に係るプレス成形金型を示す断面図である。
【図２】（ａ）から（ｅ）は、前記実施形態に係るプレス成形金型の作製工程を順に示す断面図である。
【図３】（ａ）から（ｃ）は、前記実施形態のプレス成形金型によるプレス成形工程を順に示す断面図である。
【図４】本発明の実施例において使用したプレス成形機を示す概念図である。
【符号の説明】
【００４５】
１１  プレス成形金型（上型）
１２  母材
１３  保護層
２１  レジスト
２２  ガラス材料（プレス対象）
３１  下型
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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