(57)【要約】  【課題】  素材の形状に関わらず、より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置を提供する。  【解決手段】  素材Ｍと下型１との間に、熱伝導率が金属より小さい素材（例えばガラス）から形成された中間部材５を配置したので、加熱された上型２が素材Ｍに接触したときに、中間部材５を介して熱が伝導することが抑制され、素材Ｍの表面を効率的に加熱でき、それにより微細形状２ｂの転写を容易に行えるようになっている。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を、熱伝導率が金属より小さい中間部材を介して、保持部に取り付けるステップと、
微細形状を有する型の温度を、前記素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、
前記型を前記素材に向かって押圧して、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、
前記型を前記素材より離型させるステップと、を有することを特徴とする成形方法。
【請求項２】
前記素材は、１ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載の成形方法。
【請求項３】
前記素材は光学素子の素材であることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形方法。
【請求項４】
前記素材は、半導体素子の素材上に塗布されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の成形方法。
【請求項５】
前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の成形方法。
【請求項６】
微細形状を有する型と、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を保持する保持部と、
前記素材と前記保持部との間に配置される熱伝導率が金属より小さい中間部材と、
前記型を加熱するヒータと、
前記型と前記保持部とを相対移動させる駆動部と、を有することを特徴とする成形装置。
【請求項７】
前記素材は、１ｍｍ以下の厚さを有することを特徴とする請求項５に記載の成形装置。
【請求項８】
前記素材は光学素子の素材であることを特徴とする請求項６又は７に記載の成形装置。
【請求項９】
前記素材は半導体素子の素材であることを特徴とする請求項６又は７に記載の成形装置。
【請求項１０】
前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含むことを特徴とする請求項６乃至９のいずれかに記載の成形装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、成形方法及び成形装置に関し、特に高アスペクト比の微細形状を有する光学素子等を成形するのに好適な成形方法及び成形装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、急速に発展している光ピックアップ装置の分野では、極めて高精度な対物レンズなどの光学素子が用いられている。プラスチックやガラスなどの素材を、金型を用いてそのような光学素子に成形すると、均一な形状の製品を迅速に製造することができるため、かかる金型成形は、そのような用途の光学素子の大量生産に適しているといえる。
【０００３】
更に、近年の光ピックアップ装置は、より短波長の半導体レーザからの光束を用いて、ＨＤ  ＤＶＤ（High Definition DVD），ＢＤ（Blu-ray Disc）などの記録媒体に対して高密度な情報の記録及び／又は再生を行えるものが開発されており、その光学系の収差特性改善のため、微細構造である回折構造を光学面に設けることが行われている。又、そのような高密度な情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置であっても、従来から大量に供給されたＣＤ、ＤＶＤに対しても情報の記録及び／又は再生を確保する必要があり、そのため波長選択性を備えた回折構造を設けることも行われている。又、ＤＶＤ及びＣＤなど互換可能に情報の記録及び／又は再生を行える光ピックアップ装置において、光学系を共通化するために位相差を与える波長板が用いられるが、微細構造を有するものも開発されている。
【０００４】
ここで、回折構造は、使用する光源波長にもよるが、例えば段差が最小２μｍ程度の輪帯構造であり、又、上述したタイプの波長板では、透過する光の波長１／２以下のピッチで並んだラインアンドスペース構造を有するため、通常の射出成形において、溶融した樹脂を型内に射出するのみでは、型に形成された微細構造の段差の奥深くに素材が入り込みにくく、そのため微細構造の転写が精度良くなされないという問題がある。転写不良（素材のダレ）により設計通りの微細構造が形成されないと、その光学特性が劣化してしまい、かかる光学素子を用いた光ピックアップ装置において書き込みエラーなどが生じる恐れがある。このため、素材の選定や、溶融した樹脂の温度や圧力を調整するなど、種々の工夫がなされているが、従来の方法では、ダレを完全になくすのは困難である。
【０００５】
一方、以下の特許文献１には、加熱した型を樹脂素材にプレスすることによって、表面に微細パターンを形成する技術が開示されている。
【特許文献１】特開２００５−４９８２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、バルク材については、特許文献１の技術を用いることで、所望の微細パターンを表面に形成することができる。ところが、樹脂素材を薄いシート状とすると、適切な形状の微細パターンを形成できない恐れがあることが判明した。
【０００７】
本発明は、かかる従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、樹脂素材の形状に関わらず、簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の本発明の成形方法は、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を、熱伝導率が金属より小さい中間部材を介して、保持部に取り付けるステップと、
微細形状を有する型の温度を、前記素材のガラス転移点温度より高く設定するステップと、
前記型を前記素材に向かって押圧して、前記微細形状を前記素材に転写するステップと、
前記型を前記素材より離型させるステップと、を有することを特徴とする。
【０００９】
上述の問題点に鑑みて、本発明者らは、微細パターンが形成できなかった素材を詳細に観察したところ、型の微細パターンの間に、素材が十分充填されていないことを見出した。このような充填不足は、型を素材に当接した際に、素材の温度が十分上昇しないために生じたと考えられる。しかしながら、型の温度を、素材のガラス転移点温度より相当に高くしようとすると、温度上昇に必要な時間や、加熱のためのエネルギーが必要となり、サイクルタイムが長くなり省エネに反するなどの問題が生じる。一方、型の押圧力を高めれば、微細パターンへの素材の充填不足は緩和されるが、かかる押圧力に堪えうるよう型の剛性を高める必要が生じ、装置構成が大型化するという問題がある。
【００１０】
そこで本発明者らは、鋭意研究の結果、型を構成する金属より熱伝導率の低い中間部材を、素材と前記保持部との間に介在させることによって、前記型を押圧したときに素材に与えられた熱の逃避の抑制ができることを導出した。素材から熱の逃避の抑制ができれば、前記型の温度を高くしたり押圧力を高めることなく、前記型の微細パターン内への素材の充填不足を解消できる。従って、本発明によれば、薄いシート状の素材に対しても、微細パターンを形成することができる。
【００１１】
前記中間部材の素材としては、熱伝導率が金属より小さければ足りるが、特に石英ガラス（１．４Ｗ／ｍ・ｋ）、ＰＭＭＡ（０．２Ｗ／ｍ・ｋ）、耐熱樹脂（１．４Ｗ／ｍ・ｋ）などが好適である。耐熱樹脂としては、例えばポリイミド系樹脂（例えばデュポン社より上市される商品名「ベスペル」）や、ポリアミド系樹脂（例えばデュポン社より上市される商品名「ナイロン」）があるが、これに限られない。
【００１２】
ちなみに、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であるような素材とは、例えばＰＭＭＡ（弾性率１．５〜３．３ＧＰａ）、ポリカーボネイト（弾性率３．１ＧＰａ）、ポリオレフィン（弾性率２．５〜３．１ＧＰａ）などの弾性率が１〜４の範囲の樹脂を組成成分として含有することが好ましい。ここで、常温とは２５℃のことをいう。これらの樹脂は、ガラス転移点が５０〜１８０℃であることが好ましい。弾性率は、ＪＩＳ−Ｋ７１６１、７１６２などに従い求めることができる。ガラス転移点温度は、ＪＩＳ  Ｒ３１０２−３：２００１に従い求めることができる。
【００１３】
前記素材は、１ｍｍ以下の厚さを有すると、光学素子や半導体素子の素材として種々の用途に用いることができる。
【００１４】
前記素材は光学素子の素材であると望ましい。
【００１５】
前記素材は、半導体素子の素材上に塗布されていると望ましい。
【００１６】
前記微細形状は、アスペクト比が１以上であり、所定のピッチで並んだ複数のラインアンドスペースを含むと好ましい。
【００１７】
「アスペクト比」とは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、微細構造の凹部又は凸部の幅をＡ、深さ又は高さをＢとしたときに、Ｂ／Ａで表される値をいう。「微細形状」とは、Ａの値が１０μｍ以下の形状をいう。素材の厚みは、好ましくは０．１〜２０ｍｍであり、より好ましくは１〜５ｍｍである。
【００１８】
第２の本発明の成形装置は、
微細形状を有する型と、
常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材を保持する保持部と、
前記素材と前記保持部との間に配置される熱伝導率が金属より小さい中間部材と、
前記型を加熱するヒータと、
前記型と前記保持部とを相対移動させる駆動部と、を有することを特徴とする。
【００１９】
本発明の成形装置によれば、型を構成する金属より熱伝導率の低い中間部材を、素材と前記保持部との間に介在させることによって、前記型を押圧したときに素材に与えられた熱の逃避の抑制ができるので、前記型の温度を高くしたり押圧力を高めることなく、前記型の微細パターン内への素材の充填不足を解消できる。従って、本発明によれば、薄いシート状の素材に対しても、微細パターンを形成することができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、素材の形状に関わらず、より簡便に且つ低コストで、高アスペクト比の微細構造を有する成形物を成形できる成形方法及び成形装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施の形態につき、図面を参照して説明する。図２は、第１の実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。図２において、ＳＵＳ３０４により形成され不図示のフレームに固定された下型１の上方に、ＳＵＳ３０４により形成された上型２が相対移動可能に配置されている。保持部である下型１は、熱伝導率が金属より小さい素材（例えばガラス）から形成された中間部材５を、その上面に固定している。中間部材５の上面には両面テープ３を介して、シート状の素材Ｍ（常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）であると好ましい）が固定されている。
【００２２】
上型２の下面には、シリコン性の型円板２ａが固定されており、その下面には、例えば波長板に用いるため電子ビーム描画などによってアスペクト比が１以上の微細形状２ｂが形成されている。本実施の形態では、ＰＭＭＡ（分子量７万、ガラス転移点温度Ｔｇ１００℃、縦弾性率３．３ＧＰａ）の素材に、ラインアンドスペースの微細形状を転写形成するものとする。
【００２３】
上型２の内部には、ヒータ４が設置されている。上型２と型円板２ａとで、請求項にいう型を構成する。尚、図示していないが、上型２を下型１に対して接近・離隔方向に相対移動させる駆動部が設けられている。
【００２４】
図３は、本実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。図を参照して、かかる成形方法について説明する。まず、ステップＳ１０１で、図２（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、素材Ｍを固定する（素材を中間部材を介して保持部に取り付けるステップ）。更に、ステップＳ１０２で、ヒータ４を発熱させて、上型２をガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱する（型の温度を素材のガラス転移点温度より高く設定するステップ）。
【００２５】
更に、型円板２ａの下面がガラス転移点温度Ｔｇ以上に加熱された段階で、図２（ｂ）に示すように、不図示の駆動部を駆動して上型２により素材Ｍを押圧する（ステップＳ１０３）。すると、素材Ｍの上面は急速にガラス転移点温度以上に加熱され溶融されて、その表面に型円板２ａの微細形状２ｂを転写する（型を素材に向かって押圧して、微細形状を素材に転写するステップ）。
【００２６】
続いて、ステップＳ１０４で、ヒータ４の発熱を停止し、上型２を自然冷却（強制冷却でも良い）させ、それにより素材Ｍの上面温度をガラス転移点温度Ｔｇを下回るように下げる。
【００２７】
更に、ステップＳ１０５において、上型２を素材Ｍから離すように離型する（型を素材より離型させるステップ）。
【００２８】
本実施の形態によれば、素材Ｍと下型１との間に、熱伝導率が金属より小さい素材（例えばガラス）から形成された中間部材５を配置したので、加熱された上型２が素材Ｍに接触したときに、中間部材５を介して熱が伝導することが抑制され、素材Ｍの表面を少ないエネルギーで効率的に加熱でき、それにより微細形状２ｂの転写を低いプレス圧力で容易に行えるようになっている。又、素材Ｍと中間部材５とを両面テープ３で接着しているので、冷却時に素材Ｍと中間部材５との熱膨張差が生じても、微細形状２ｂが損傷することを回避できる。なお、両面テープ３の厚さは、約２５μｍ程度であるので熱容量が小さいため、中間部材５に対して、その熱伝導率は無視することもできる。
【００２９】
以下、本発明者らが行った試験結果を説明する。図４〜６を参照して説明する。まず、実施例として、図４（ａ）に示すように、下型１の上に５ｍｍの高さの直方体状のガラス（ＢＫ７：熱伝導率１．４Ｗ／ｍ・ｋ）を中間部材５として配置し、その上に厚さ２５μｍの両面テープ３を用いて、厚さ１８８μｍのシート状の素材Ｍ（ポリオレフィン系樹脂）を接着した。
【００３０】
更に、比較例として、図５（ａ）に示すように、下型１の上に５ｍｍの高さの直方体状のＳＵＳ３０３（熱伝導率１６．３Ｗ／ｍ・ｋ）を中間部材５’として配置し、その上に厚さ２５μｍの両面テープ３を用いて、厚さ１８８μｍのシート状の素材Ｍ（ポリオレフィン系樹脂）を接着した。
【００３１】
又、不図示の型円板２ａとして、１５ｍｍ角、厚さ０．５２５ｍｍのシリコンウェハの中央部におけるφ４ｍｍの領域に、高さ１２８６ｎｍ、ピッチ３５０ｎｍ、幅２４９ｎｍの微細形状を形成した。
【００３２】
以上の実施例と比較例とに対して、図２の成形装置を利用して、図３のステップで微細形状の転写を試みた。型円板２ａの温度は２００℃、プレス圧力は４ＭＰａに設定した。
【００３３】
図６は、実施例及び比較例の転写成形時におけるプレス圧力（ａ）、金型温度（ｂ）、素材Ｍの裏面温度の経時変化を示すグラフである。図６（ａ）に示すように、プレス圧力が、接触開始から迅速に立ち上がるのは実施例の方であり、一方、冷却中においては比較例の方がプレス圧力が高くなる。更に、素材Ｍの裏面温度は、図６（ｃ）に示すように、実施例が最高で１５５℃程度まで上昇するのに対し、比較例は最高で９０℃程度までしか上昇しない（温度差ΔＴ＝６５℃）ことがわかる。実施例により形成された微細形状の顕微鏡写真を図４（ｂ）に示し、比較例により形成された微細形状の顕微鏡写真を図５（ｂ）に示す。
【００３４】
以上の試験結果を考察するに、比較例は、素材Ｍが熱伝導性の高いＳＵＳ３０３製の中間部材５’によって支持されているため、型円板２ａから付与される熱の多くが中間部材５’を介して下型１へと逃避してしまい、素材Ｍの温度をガラス転移点Ｔｇを超えて上昇させることができなくなる。よって、型円板２ａの微細形状が、素材Ｍ内に十分転写できず、図５（ｂ）に示すような転写不良が生じたものと判断できる。
【００３５】
これに対し、実施例によれば、素材Ｍが熱伝導性の低いガラス製の中間部材５によって支持されているため、型円板２ａから付与される熱が中間部材５を介して下型１へと逃避することが抑制され、素材Ｍの温度をガラス転移点Ｔｇを超えて上昇させることができる。よって、型円板２ａの微細形状が、素材Ｍ内に十分転写され、図４（ｂ）に示すように良好な転写が実現できたと判断できる。
【００３６】
以上、本発明を実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は上記実施の形態に限定して解釈されるべきではなく、適宜変更・改良が可能であることはもちろんである。本発明の用途は、光学素子に限らず、シリコン基板上にＰＭＭＡの薄膜を塗布してなる素材に微細形状を転写してエッチングすることで、半導体素子を製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】アスペクト比を説明するための図である。
【図２】本実施の形態にかかる成形方法を実施できる光学素子の成形装置の断面図である。
【図３】本実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャート図である。
【図４】実施例に用いた素材Ｍの支持構成を示す斜視図（ａ）であり、実施例により転写形成された微細形状の顕微鏡写真（ｂ）である。
【図５】比較例に用いた素材Ｍの支持構成を示す斜視図（ａ）であり、比較例により転写形成された微細形状の顕微鏡写真（ｂ）である。
【図６】実施例及び比較例の転写成形時におけるプレス圧力（ａ）、金型温度（ｂ）、素材Ｍの裏面温度の経時変化を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３８】
１ 下型
２ 上型
２ａ 型円板
２ｂ 微細形状
３ 両面テープ
４ ヒータ
５ 中間部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図６】
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【図４】
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【図５】
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