(57)【要約】【課題】シリカガラスのプレス成形時、容易かつ安価に任意形状の微細パターンを噛込みなく作込むことができるガラス状カーボン製成形型の製造方法を提供する。【解決手段】本シリカガラス用成形型の製造方法は、ガラス状カーボン製の成形型母材を用意し、この成形型母材の表面に放電加工によって、深さ方向の面が成形面に対して８０度以下の角度をなす任意の微細パターンを形成し、ハロゲン雰囲気中で成形温度以上の高温熱処理を施し加工汚染を除去する。【選択図】  図１
2004339000.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス状カーボン製の成形型母材を用意し、この成形型母材の表面に放電加工によって、深さ方向の面が成形面に対して８０度以下の角度をなす任意の微細パターンを形成し、ハロゲン雰囲気中で成形温度以上の高温熱処理を施し加工汚染を除去をすることを特徴とするシリカガラス用成形型の製造方法。
【請求項２】
請求項１に記載のシリカガラス用成形型の製造方法において、前記放電加工は、種々の放電加工法等による一次加工と粉末形彫放電加工法による二次加工からなることを特徴とするシリカガラス用成形型の製造方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のシリカガラス用成形型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とするシリカガラス用成形型。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はシリカガラス用成形型の成形方法及びこれにより製造されたシリカガラス用成形型に係わり、特にプレス成形によって表面に微細な凹凸パターンのあるシリカガラス基板などを製造するのに使用されるシリカガラス用成形型の成形方法及びこれにより製造されたシリカガラス用成形型に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ガラスの成形型の材料にガラス状カーボンを用いることが提案されている（特許文献１）。また、このガラス状カーボンを用いた型に微細溝パターンを形成する加工技術としては、研磨や研削が一般的であるが、それ以外の方法として、ドライエッチング法を用いる技術が提案されている（特許文献２）。
【０００３】
一方、被成形材がシリカガラスのように軟化温度が高い場合、プレス加工時に使用する成形型に利用できる素材は限定される。シリカガラスとの離型性や強度、耐熱性を考慮すると、ガラス状カーボンは理想的と考えられる。
【０００４】
しかしながら、ガラス状カーボンは、非常に硬くて脆いために加工が難しく、微細な形状を転写するプレス加工の成形型に用いられることは少なかった。そのため、比較的形状の単純なレンズや光学素子などの成形には実用化されているものの、最近注目されているマイクロ流路などの複雑形状の転写には適用されていない。また、ドライエッチング法などの等方性エッチングでは、成形面に対して垂直方向の角度制御が不可能なため、特に被成形材がシリカガラスの場合、降温時の熱膨張率の差で成形型と被成形材が噛込み、両者が破損する可能性がある。さらに一回の処理で場所によって高さの異なるパターンを形成することが難しいため、複数回に分けて処理する必要があるが、複数のパターンを使っての繰返しエッチングは、コストと手間がかかり、容易ではない。
【０００５】
一方、旋盤等による切削加工では、研削面が比較的滑らかに加工できるうえに深さも変えられ、かつ成形面に垂直な面の角度に関しても制御ができるが、加工可能な形状が直線的なものに限定されるという大きな制約が伴い、任意形状の微細パターンを作込むには至っていない。
【０００６】
また、ガラス状カーボンに放電加工により多数の小孔を設けたプラズマエッチング用電極板に関する技術（特許文献３）があるが、特許文献３は単にガラス状カーボンに単に小孔を設けるものであり、噛込みなく任意形状の微細パターンを作込むことができるガラス状カーボン製のシリカガラス用成形型を製造することはできない。
【０００７】
【特許文献１】
米国特許第３８３３３４７号明細書（明細書第７カラム第４１行〜第８カラム３行、図３（ａ）、図３（ｂ））
【０００８】
【特許文献２】
特開２００２−２５５５６６号公報（明細書段落［００１７］、［００２４］、図１）
【０００９】
【特許文献３】
特開平７−１６９７４９号公報（明細書段落［００１１］）
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シリカガラスのプレス成形時、容易かつ安価に任意形状の微細パターンを噛込みなく作り込むことができるガラス状カーボン製のシリカガラス用成形型の製造方法を提供することを目的とする。また、微細パターンが形成されたガラス状カーボン製のシリカガラス用成形型を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の１つの態様によれば、ガラス状カーボン製の成形型母材を用意し、この成形型母材の表面に放電加工によって、深さ方向の面が成形面に対して８０度以下の角度をなす任意の微細パターンを形成し、ハロゲン雰囲気中で成形温度以上の高温熱処理を施し加工汚染を除去することを特徴とするシリカガラス用成形型の製造方法が提供される。これにより、シリカガラスのプレス成形時、容易かつ安価に任意形状の微細パターンを噛込みなく作込むことができるガラス状カーボン製のシリカガラス用成形型の製造方法が実現される。一次加工を行う場合は種々の方法から適切なものを選択すればよいが、放電加工法が特に好ましい。少なくとも最終的形状加工を放電加工で行えばよいが、全てを放電機構で行うことが特に好ましい。
【００１２】
好適な一例では、前記放電加工は、形彫放電加工法等による一次加工と粉末形彫放電加工法による二次加工からなる。なお、粉末形彫放電加工には創成放電加工を含むものとする。これにより、ガラス状カーボンの放電加工面をＲａで約０．２μｍにまで仕上げることが可能になる。
【００１３】
また、本発明の他の態様によれば、請求項１または２に記載のシリカガラス用成形型の製造方法を用いて製造されたことを特徴とするシリカガラス用成形型が提供される。これにより、微細パターンが形成され、シリカガラス基板の表面に複雑形状の転写が可能となり、また、少なくとも幅や深さが約５０μｍ以上の微細溝の転写が可能となる。なお、ガラス状カーボン形には放電加工により凸形状、凹形状または凹凸両方からなる形状のパターンを成形できるシリカガラスの成形し易さを考えると、凸形状からなるパターンを形成するのがよい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法の実施形態について添付図面を参照して説明する。
【００１５】
図１は本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法の工程フロー図である。
【００１６】
図１に示すように、本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法は、ガラス状カーボン製の成形型母材１ａを用意し、この成形型母材１ａの表面に放電加工によって、深さ方向の面が成形面に対して８０度以下の角度θをなす任意の微細パターン２を形成し、ハロゲン雰囲気中で成形温度以上の高温熱処理を施し加工汚染を除去する工程によってシリカガラス用成形型１を製造する。
【００１７】
上記成形型母材１ａに用いられるガラス状カーボンは、非酸化雰囲気での耐熱性に非常に優れており、２０００℃以上でもほとんど変化しない。また、気孔が殆ど存在せず鏡面加工が可能であり、強度もプレス成形に耐え得るに十分である。特にシリカガラスとの反応性が低く、離型性に優れており、成形型として用いる際にコーティングが不要である。さらに伝導性を備えているため、容易に放電加工による形状加工が行える。本発明では、ガラス状カーボンの上記諸特性を利用したものである。
【００１８】
上記放電加工は、電極形状を工夫することで比較的自由な加工が可能であり、ドライエッチングでは難しいテーパ加工も比較的容易に加工が可能である。特にシリカガラス用の成形型には、成形後に温度を下げた際のシリカガラスの成形型への噛込みによる破損を防止するために、成形面に対する垂直方向の面の角度に注意が必要である。成形面に対して８０度以下のテーパ角を付けるのが好ましく、６０度以下がより好ましい。これにより、噛込みが防止される。８０度を超えるとシリカガラスの成形型への噛込みが発生する。その点で放電加工は、ドライエッチング加工に対し有利である。さらに、ドライエッチング法では、深さ方向の異なる加工を行うには、非常に複雑な行程が必要とされるが、放電加工では電極の作り込みの時の工夫で十分対応できる。また、放電加工を用いると切削加工では難しいＲ溝加工も可能である。放電加工法には様々な方法があるが、形彫放電加工法や創成放電加工法（ＥＤＳＣＡＮ）が精度的にも形状の自由度的にも望ましい。現在、放電加工で加工可能なデザインルールは３０μｍ程度であり、それ以上での加工に使用可能である。放電加工は、放電時に非加工物の表面が局所的に高温となり、爆発することで加工される。従って、加工面は微小なクレータやクラックが存在し、電極から発生する金属不純物の被加工物への汚染も存在する。
【００１９】
このため、面状態の改善には、被加工物が漬される絶縁性油に伝導性の微粉体を混入して放電を均一にする粉末形彫放電加工法が効果的であり、上記放電加工は、形彫放電加工法等によりなる一次加工に併せて粉末形彫放電加工法による二次放電加工を行うのが好ましい。これにより、ガラス状カーボンの放電加工面をＲａで約０．２μｍにまで仕上げることが可能である。さらに、バフ研磨などを加えることで表面粗さをＲａで約２０ｎｍにすることで、離型性に影響のない成形型表面を得ることが可能である。
【００２０】
さらに、加工が終了した後に、ハロゲン雰囲気中、特に塩素雰囲気中で成形温度以上の加熱処理をすることで、加工時に導入された金属不純物を除去し、成型時に被成型物であるシリカガラスの結晶化（失透）を防ぐことができる。
【００２１】
上記本実施形態によれば、成形型母材にガラス状カーボンを用いることで、シリカガラスとの反応性が低く、離型性に優れており、成形型に用いてもコーティングが不要であり、さらに電導性を備えているため、容易に放電加工による形状加工が行え、シリカガラスに対する複雑形状の転写が可能で離型性に優れ任意形状の微細パターンを噛込みなく作込むことができるガラス状カーボン製成形型を精度よく製造することができる。
【００２２】
さらに、図２に示すように、本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法により製造されたシリカガラス用成形型１は、微細パターン２が形成され、シリカガラス基板の表面にこれまで難しかった複雑形状の転写が可能となり、また、少なくとも幅や深さが約５０μｍ以上の微細溝の転写が可能となる。
【００２３】
【実施例】
本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法により、下記に示す条件でシリカガラス用成形型を製造し、シリカガラスに対する転写性、離型性を調べた。
【００２４】
製造方法：加工面が予め鏡面加工されているガラス状カーボン基材を用意し、通常の形彫放電加工法によって一次加工を施し、粉末形彫放電加工法によって二次加工を施して、表面粗さを改善する。しかる後、＃２０００００のダイヤモンドペーストでバフ研磨を行い、さらに表面粗さを改善し、塩素雰囲気中で２０００℃、１０時間の熱処理を行い、金属汚染を除去する。
【００２５】
上記の方法で表面に１００μｍ及び５０μｍの高さのＶ字凸形状を有する成形型を作製し、プレス成形機に取付け、５０ｍｍ角で厚さ５ｍｍのシリカガラス基板への形状転写を試みた。このときの成形温度は１４５０℃、プレス圧力は５ｋＮであった。
【００２６】
その結果、シリカガラス基板の表面に約１００μｍと５０μｍの溝が転写され、十分に転写性が存在することが確認された。また、同時に十分な離型性も確認された。
【００２７】
【発明の効果】
本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法によれば、シリカガラスのプレス成形時、容易かつ安価に任意形状の微細パターンを噛込みなく作込むことができるガラス状カーボン製の成形型の製造方法を提供することことができる。
【００２８】
また、本発明に係わるシリカガラス用成形型によれば、シリカガラス基板の表面に微細溝を転写できるガラス状カーボン製の成形型を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるシリカガラス用成形型の製造方法の工程図。
【図２】本発明に係わるシリカガラス用成形型概念図。
【符号の説明】
１  シリカガラス用成形型
１ａ  成形型母材
２  微細パターン
【図１】
2004339000.tif 000003
【図２】
2004339000.tif 000004