(57)【要約】【課題】大きな手間がかからず、より耐久性に優れた金型を製造できる金型の製造方法及びそれにより製造された金型を提供する。【解決手段】熱処理により、電鋳２０の表面に付着した導電化膜ＮＰの結晶が安定化し、硬度が上昇するので、より耐久性のある金型を製造できる。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材にレジストを塗布するステップと、
前記レジストに導電化膜を付与するステップと、
前記導電化膜より電鋳を成長させるステップと、
前記レジストと、前記電鋳とを分離するステップと、
前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜に熱処理を施すステップと、
前記電鋳を用いて金型を形成するステップと、を有することを特徴とする金型の製造方法。
【請求項２】
前記導電化膜を付与する前に、前記レジストに微細構造を形成するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の金型の製造方法。
【請求項３】
シリコン基材に導電化膜を付与するステップと、
前記導電化膜より電鋳を成長させるステップと、
前記シリコン基材と、前記電鋳とを分離するステップと、
前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜に熱処理を施すステップと、
前記電鋳を用いて金型を形成するステップと、を有することを特徴とする金型の製造方法。
【請求項４】
前記導電化膜を付与する前に、前記シリコン基材に微細構造を形成するステップを有することを特徴とする請求項３に記載の金型の製造方法。
【請求項５】
前記導電化膜は０．１〜５μｍの厚さを有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項６】
前記熱処理は、０．０１Ｐａ以内の気圧下で行われることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項７】
前記熱処理において、前記導電化膜を第１の時間で加熱し、第２の時間だけ所定温度に維持した後、前記第１の時間より長い第３の時間で冷却することを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項８】
前記所定の温度は２５０℃以上４５０℃未満であることを特徴とする請求項７に記載の金型の製造方法。
【請求項９】
前記第２の時間は１時間以上５時間以下であることを特徴とする請求項７又は８に記載の金型の製造方法。
【請求項１０】
前記導電化膜の表面粗さがＲａ２０ｎｍ以下となるように、前記熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項１１】
前記導電化膜は前記熱処理により硬度が上昇することを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項１２】
前記導電化膜は、縦荷重１６ｇを付与したトライボテスターで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重６ｇ以下となることを特徴とする請求項１１に記載の金型の製造方法。
【請求項１３】
前記導電化膜は、縦荷重１０ｇを付与したトライボテスターで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重３．５ｇ以下となることを特徴とする請求項１１に記載の金型の製造方法。
【請求項１４】
前記導電化膜は、荷重３ｍＮを付与したトライボスコープで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重１１ＧＰａ以上となることを特徴とする請求項１１に記載の金型の製造方法。
【請求項１５】
前記導電化膜は前記熱処理により結晶が緻密になることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項１６】
前記導電化膜は、Ｘ線光電子分光分析で表面を評価した場合、熱処理後に光電子が１１００カウント以上計測されることを特徴とする請求項１５に記載の金型の製造方法。
【請求項１７】
前記導電化膜はＮｉｎＰｍ（ｎ，ｍは自然数）の組成を有することを特徴とする請求項１乃至１６のいずれかに記載の金型の製造方法。
【請求項１８】
前記導電化膜は前記熱処理後に、原子濃度でＮｉ／Ｐ比が３．５以上であることを特徴とする請求項１７に記載の金型の製造方法。
【請求項１９】
請求項１乃至１８のいずれかに記載の金型の製造方法により製造されたことを特徴とする金型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、金型の製造方法及び金型に関し、特に光学素子を成形するような金型を高精度に製造するのに好適な金型の製造方法及びそれにより製造された金型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。ここで、金型は消耗品であり、また不測の事態による破損なども予想されることから、高精度な光学素子を成形するためには、定期的或いは不定期の金型交換が必要であるといえる。従って、光学素子を成形するための金型（光学素子成形用金型ともいう）も、一定精度のものをある程度の量だけ予め用意しておく必要があるといえる。
【０００３】
ここで、単結晶ダイヤモンド工具などを用いた切削加工で金型を製造した場合、手間がかかる上に、全く同一形状の金型を切り出すことは困難といえ、それ故金型交換前後で光学素子製品の形状バラツキが生じる恐れがあり、又コストもかかるという問題がある。
【０００４】
特に、光ピックアップ装置に用いるある種の光学素子には、収差特性を良好にすべく、光学面の光軸に同心に、断面がブレーズ形状の微細な回折輪帯を設けることが行われている。このような回折輪帯に対応した同心溝を、金型の光学面転写面に形成する場合、切削加工に手間と時間がかかるという問題がある。光学素子成形用金型を超鋼などで形成する場合、精度良く所望の光学面転写面形状を得るためには、ダイアモンド工具による切削加工等によらなくてはならない。
【０００５】
このような問題に対し、例えば光学素子の光学面に対応した母光学面を有する母型に対し、化学反応を通じて電鋳等を成長させることで、金型を製作しようとする試みがある（特許文献１参照）。このような電鋳による金型製作手法を用いると、例えば光学素子の回折輪帯に対応した輪帯を備えた非球面を精度良く形成した母型を一つ用意するだけで、寸法バラツキの少ない光学素子成形用金型を比較的容易に転写形成することができる。
【特許文献１】
特開２００３−１１１３１号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかるに、かかる手法によれば、例えば回折輪帯に対応する輪帯のごとき微細形状を形成するために、シリコン素材の母型の表面にレジストを被覆し、かかるレジストに（又はレジストを塗布しない場合シリコン素材に直接）電子描画を行い、現像処理し、電鋳処理を行って、光学素子成形用金型を得ることが必要となる。ところが、このようにして精度良く母型の形状を転写できるとしても、一般的な電鋳の組成はニッケル・燐であり、その硬度が通常低いことから、金型として用いた場合にその耐久性に不安がある。これに対し、電鋳の硬度を高めるためには、電鋳後に転写面に対してＣＶＤ処理等を施すことなどが考えられるが、手間がかかり、コストが増大するという問題がある。
【０００７】
本発明は、このような従来技術の問題に鑑みてなされたものであり、大きな手間がかからず、より耐久性に優れた金型を製造できる金型の製造方法及びそれにより製造された金型を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
第１の本発明の金型の製造方法は、基材にレジストを塗布するステップと、前記レジストに導電化膜を付与するステップと、前記導電化膜より電鋳を成長させるステップと、前記レジストと、前記電鋳とを分離するステップと、前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜に熱処理を施すステップと、前記電鋳を用いて金型を形成するステップと、を有するので、前記熱処理により、前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜の結晶が安定化し、硬度が上昇するので、より耐久性のある金型を製造できる。
【０００９】
更に、前記導電化膜を付与する前に、前記レジストに微細構造を形成するステップを有すると、前記微細構造を精密に転写した金型を製造できる。
【００１０】
第２の本発明の金型の製造方法は、シリコン基材に導電化膜を付与するステップと、前記導電化膜より電鋳を成長させるステップと、前記シリコン基材と、前記電鋳とを分離するステップと、前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜に熱処理を施すステップと、前記電鋳を用いて金型を形成するステップと、を有するので、前記熱処理により、前記電鋳の表面に付着した前記導電化膜の結晶が安定化し、硬度が上昇するので、より耐久性のある金型を製造できる。
【００１１】
更に、前記導電化膜を付与する前に、前記シリコン基材に微細構造を形成するステップを有すると、前記微細構造を精密に転写した金型を製造できる。
【００１２】
又、前記導電化膜は０．１〜５μｍの厚さを有すると好ましい。
【００１３】
更に、前記熱処理は、０．０１Ｐａ以内の気圧下で行われると、前記導電化膜の酸化が抑制されるので好ましい。
【００１４】
又、前記熱処理において、前記導電化膜を第１の時間で加熱し、第２の時間だけ所定温度に維持した後、前記第１の時間より長い第３の時間で冷却すると、前記導電化膜の硬度をより上昇させることができる。
【００１５】
更に、前記所定の温度は２５０℃以上４５０℃未満であると、前記導電化膜の硬度をより上昇させることができる。
【００１６】
又、前記第２の時間は１時間以上５時間以下であると、短い製造時間で、前記導電化膜の硬度をより上昇させることができる。
【００１７】
更に、前記導電化膜の表面粗さがＲａ２０ｎｍ以下となるように、前記熱処理を行うと、光学転写面精度の良い金型を製造できる。
【００１８】
又、前記導電化膜は前記熱処理により硬度が上昇すると好ましい。
【００１９】
前記導電化膜は、縦荷重１６ｇを付与したトライボテスターで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重６ｇ（好ましくは５ｇ）以下となると、十分な硬度が得られたことがわかる。
【００２０】
前記導電化膜は、縦荷重１０ｇを付与したトライボテスターで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重３．５ｇ（好ましくは３．０ｇ）以下となると、十分な硬度が得られたことがわかる。
【００２１】
前記導電化膜は、荷重３ｍＮを付与したトライボスコープで表面を評価した場合、熱処理後に横荷重１１ＧＰａ（好ましくは１２ＧＰａ）以上となると、十分な硬度が得られたことがわかる。
【００２２】
更に、前記導電化膜は前記熱処理により結晶が緻密になると好ましい。
【００２３】
前記導電化膜は、Ｘ線光電子分光分析で表面を評価した場合、熱処理後に光電子が１１００カウント（好ましくは１５００カウント）以上計測されると、十分な緻密性が得られたことがわかる。
【００２４】
又、前記導電化膜はＮｉｎＰｍ（ｎ，ｍは自然数）の組成を有すると好ましいが、組成はこれに限られず、（Ｎｉ・Ｃｏ）、（Ｎｉ・Ｂ）、（Ｎｉ・Ｃｏ・Ｗ）、（Ｎｉ・ＢＰ）、（Ｎｉ・Ｆｅ）の組み合わせでも良い。
【００２５】
更に、前記導電化膜は前記熱処理後に、原子濃度でＮｉ／Ｐ比が３．５以上であると、結晶が安定化するので好ましい。
【００２６】
上述した金型の製造方法により製造された金型は、耐久性に優れ、転写光学面精度も高いものとなる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。図１は、本実施の形態にかかる金型の製造方法を構成する工程を示すフローチャートである。図２は、図１に示す主要な工程において、処理される基材（母型の素材になる）を示す断面図である。尚、本実施の形態により製作される母型は、その母光学面に、平行平板である光学素子の回折輪帯に対応した輪帯が形成されるものとする。
【００２８】
まず、図１のステップＳ１０１で、薄板円盤状であるシリコン製の基材１０を切り出して、不図示のスピンコータチャックにセットし、ステップＳ１０２で、スピンコータチャックを回転させつつ、そこに吸着保持された基材１０上にレジストＬを流下させながらスピンを実施して、レジストＬの塗布を行う（レジストを塗布するステップ、図６（ａ）参照）。
【００２９】
基材１０をスピンコータチャックから取り外し、ベーキング処理を行って、レジストＬの被膜を安定させた後、ステップＳ１０３で、不図示の電子ビーム描画装置を用いて、基材１０の母光学面１０ａ上のレジストＬに電子ビーム描画処理を施す（図６（ｂ）参照）。
【００３０】
電子ビーム描画処理後、ステップＳ１０４で、基材１０を現像液とリンス液に浸漬することで、現像処理及びリンス処理を順次行って（図６（ｃ）参照）、不要なレジストを排除することで、輪帯形状のレジストＬを得る（微細構造を形成するステップ）。ここで、同一点における電子ビームＢの照射時間を長くすれば、それだけレジストの除去量が増大するため、位置と照射時間（ドーズ量）を調整することで、図６に示すようなブレーズ形状の輪帯になるよう、レジストＬを残すことができる。
【００３１】
更に、ステップＳ１０５で、プラズマシャワーによるドライエッチング（ドライエッチングを施す工程）を経て、基材１０の母光学面１０ａの表面を彫り込んでブレーズ状の輪帯１０ｂ（実際より誇張されて描かれている）を形成する（微細構造を形成するステップ、図６（ｄ）参照）。尚、ドライエッチング処理は必ずしも必要ではないので、ステップＳ１０５は省略しても良い。
【００３２】
その後、ステップＳ１０６で、基材１０（ドライエッチングしなければレジストＬ）の表面に、スパッタリング処理等で、０．１〜５μｍのニッケル燐の導電化膜ＮＰを製膜する（導電化膜を付与するステップ）。更に、ステップＳ１０７で、スルファミン酸ニッケル浴中に、表面を活性処理した基材１０を浸し、電極部材１１と外部の電極１２との間に電流を流すことで、電鋳２０を成長させる（電鋳を成長させるステップ、図６（ｅ）参照）。電鋳２０は、その成長の過程で、母光学面１０ａに精度良く対応した光学面転写面２０ａと、輪帯１０ｂに精度良く対応した輪帯転写面２０ｂとを形成する。
【００３３】
その後、ステップＳ１０８で、電鋳２０を脱型し（電鋳を分離するステップ、図６（ｆ）参照）、ステップＳ１０９で、光学素子製造装置に組み込めるように適切な機械加工（後加工）を施す。更に、ステップＳ１１０で、電鋳２０を炉Ｆ内に入れ、ヒータＨで加熱することにより導電化膜ＮＰに対して熱処理を行い（熱処理を施すステップ、図６（ｇ）参照）、これを用いて射出成形に用いることができる光学素子成形用の金型が完成する（金型を形成するステップ）。
【００３４】
以下、本発明者らが行った実験結果について説明する。本発明者らは、ＳＵＳ３０４製の素材に、０．５μｍのＮｉＰ導電化膜を製膜し、炉Ｆ内の温度を図３に示すように変化させて、導電化膜に熱処理を施した。より具体的には、室温から３５０℃（所定温度）まで０．５時間（第１の時間）で温度を上昇させ、更に３．５時間（第２の時間）にわたり３５０℃に維持し、その後ヒータＨの加熱を停止させ、炉Ｆに入れたまま自然空冷を例えば１０時間（第３の時間）続け、適温になった後取り出して、以下の分析を行った。
【００３５】
導電化膜の硬度に関しては、通常用いるビッカース硬度などを用いることができないため、本発明者らは新たな評価方法を試みた。かかる評価方法は、導電化膜の表面を触針で引っ掻き、そのときの荷重と横方向の力とから硬度を求めるものである。より具体的には、一般的に知られているトライボテスターで導電化膜の測定を行ったところ、熱処理前は、縦荷重１６ｇ時の横荷重が６．６ｇであったのに対し、熱処理後は縦荷重１６ｇで横荷重が４〜５ｇとなり、硬度が上昇していることがわかった。又、縦荷重１０ｇ時の横荷重が３．７ｇであったのに対し、熱処理後は縦荷重１０ｇで横荷重が２〜３ｇとなった。これは、ビッカース硬度６００Ｈｖ以上に相当すると考えられる。従って、熱処理された導電化膜は、トライボテスターを用いて測定したときに、縦荷重１６ｇで横荷重６ｇ以下、又は縦荷重１０ｇで横荷重３ｇ以下であると好ましく、これを熱処理が適切であったか否かの判断に用いることができる。
【００３６】
更に本発明者らは、別な評価方法を試みた。より具体的には、一般的に知られているトライボスコープで導電化膜の測定を行ったところ、膜厚さの１／１０〜１／３の押し込み量になるように、押し込み荷重を導電化膜に与えたところ、熱処理前は、荷重３ｍＮ時の硬度が１０ＧＰａであったのに対し、熱処理後は同条件で１４〜１６ＧＰａとなり、硬度が上昇していることが確認された。
【００３７】
尚、導電化膜の表面粗さは、熱処理後もＲａ２０ｎｍ以下であることが確認された。
【００３８】
更に、本発明者らは、導電化膜の組成が熱処理の内容でどのように変化するかを調べた。その試験結果を以下に示す。尚、熱処理前の組成は、Ｎｉ＝７７．２％、Ｐ＝２２．８％であり、温度上昇時間、自然空冷時間は上記試験と同様とし、温度維持時間における温度と時間のみを変更した。又、導電化膜の結晶状態は、Ｘ線光電子分光分析及びＸ線回折法による評価を行った。
【００３９】
一般的に、Ｘ線光電子分光分析は、高真空中で固体試料表面に特定エネルギーの軟Ｘ線を照射することで、照射された試料に光電効果が生じ光電子が放出されることを利用し、かかる光電子をアナライザによりスペクトルとして検出することで、試料の表面の元素の種類・組成比を求めることができるものである。Ｘ線回折法は、試料の表面にＸ線を照射したときに、結晶構造によって定まる特定の方向に回折Ｘ線が出射することを利用して、その角度より元素の格子間隔、すなわち元素の結晶状態及び結合力を求めることができる。
【００４０】
図４は、熱処理前の導電化膜をＸ線光電子分光分析を介して評価した結果得られるスペクトル図であり、図４は、熱処理後の導電化膜をＸ線光電子分光分析を介して評価した結果得られるスペクトル図である。図４，５から明らかなように、熱処理後においては、２θ＝９３，９９の位置にカウント１５００以上のピークが出現しており、より表面が緻密化されたことがわかる。
【００４１】
［試験条件］
測定装置：ＶＧ製ＥＳＣＡＬａｂ２００Ｒ
アノード：Ｍｇ（６００Ｗ）
走査範囲：ＢＥ１１００−０ｅｖ（１ｅＶ／ｓｔｅｐ，１００ｍｓ、５回）
ＰＥ：１５０ｅＶ
ＴＯＡ：９０°
イオンエッチング：Ａｒ（３ｋＶ、３μＡ、ＭＡＧ５）３分
スリット／アイリス：Ａ３／１３
［試験結果］
実施例１（温度２５０℃で１時間維持）：Ｎｉ＝８１．６％、Ｐ＝１８．４％
実施例２（温度３００℃で１時間維持）：Ｎｉ＝８２．３％、Ｐ＝１７．７％
実施例３（温度３５０℃で１時間維持）：Ｎｉ＝８２．４％、Ｐ＝１７．６％
実施例４（温度３００℃で３．５時間維持）：Ｎｉ＝８２．５％、Ｐ＝１７．５％
実施例５（温度３５０℃で３．５時間維持）：Ｎｉ＝８２．２％、Ｐ＝１７．８％
【００４２】
更に、本発明者らは、電鋳素材を用いて、導電化膜の組成が熱処理の内容でどのように変化するかを同様に調べた。その試験結果を以下に示す。尚、熱処理前の組成は、Ｎｉ＝８０．９％、Ｐ＝１９．１％であった。
［試験結果］
実施例６（温度３５０℃で３．５時間維持）：Ｎｉ＝８３．１％、Ｐ＝１６．９％
【００４３】
一般的には、導電化膜中のＮｉ３Ｐ１が増加するほど、結晶が安定化・緻密化するとされているので、上述した試験結果に示すように、Ｎｉの含有量が増大することで、熱処理による硬度上昇の効果が得られることがわかった。具体的には、熱処理によりＮｉ含有量が２％以上（好ましくは３％以上）増大するように熱処理を施すことで、耐久性に優れた導電化膜を得ることができる。
【００４４】
以上、実施の形態を参照して本発明を説明してきたが、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（実施の形態の組み合わせを含む）が可能であることは勿論である。例えば、熱処理中の導電化膜にレーザ光等を照射し、その反射光を受光して反射率を測定すれば、熱処理による粗さの変化をリアルタイムで検出できるので、測定した反射率より熱処理の進行度合いを求め、所望の反射率が得られた段階で熱処理を停止するというようなフィードバック制御も可能である。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、大きな手間がかからず、より耐久性に優れた金型を製造できる金型の製造方法及びそれにより製造された金型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態にかかる金型の製造方法を構成する工程を示すフローチャートである。
【図２】図１に示す主要な工程において、処理される基材（母型の素材になる）を示す断面図である。
【図３】熱処理のおける温度と時間の関係を示す図である。
【図４】熱処理前の導電化膜をＸ線光電子分光分析を介して評価した結果得られるスペクトル図である。
【図５】熱処理後の導電化膜をＸ線光電子分光分析を介して評価した結果得られるスペクトル図である。
【符号の説明】
１０  母型
２０  素材
Ｌ  レジスト
ＮＰ  導電化膜
【図１】
2004322587.tif 000003
【図２】
2004322587.tif 000004
【図３】
2004322587.tif 000005
【図４】
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【図５】
2004322587.tif 000007