(57)【要約】【課題】薄膜形成のための時間とコストを低減でき、均一性及び耐熱性のよい薄膜を形成可能な成形金型の製造方法を提供する。【解決手段】この成形金型の製造方法は、エッチングマスク１５を形成した被加工材１０を用いて成形金型を製造する際に、被加工材をドライエッチングするエッチング工程と、エッチングマスクを除去する除去工程と、被加工材にフッ素系薄膜１７を成膜する成膜工程と、を同一装置内で連続的に実行するものである。【選択図】図３
2007276202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エッチングマスクを形成した被加工材を用いて成形金型を製造する方法であって、
前記被加工材をドライエッチングするエッチング工程と、
前記エッチングマスクを除去する除去工程と、
前記被加工材にフッ素系薄膜を成膜する成膜工程と、を同一装置内で連続的に実行することを特徴とする成形金型の製造方法。
【請求項２】
前記被加工材の表面に前記成形金型用に形成した微細構造に前記フッ素系薄膜を形成する請求項１に記載の成形金型の製造方法。
【請求項３】
前記被加工材がＳｉ、ＳｉＯ2、グラッシーカーボン、Ｔａ及びダイヤモンドの内のいずれか１つである請求項１または２に記載の成形金型の製造方法。
【請求項４】
ＣｘＦｙガスによるプラズマを用いて前記フッ素系薄膜を成膜する請求項１，２または３に記載の成形金型の製造方法。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法により製造可能な成形金型。
【請求項６】
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の製造方法により製造された成形金型または請求項５に記載の成形金型を用いて成形された樹脂成形品。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、エッチングマスクを形成した被加工材をドライエッチングすることで成形金型を製造する成形金型の製造方法、成形金型及び樹脂成形品に関する。
【背景技術】
【０００２】
微細構造を有する成形金型を用いてポリスチレン等の樹脂を加圧成形した後に、成形品を金型から剥離することで、微小突起を有する微細構造物を得る成形法（インプリント法）が公知である(例えば、下記特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００５−１８９１２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
一般的に、成形金型を用いて樹脂を成形する際には成形金型と樹脂との密着力を低減し離型性を向上させるために金型表面に離型処理が施される。このような離型処理にはフッ素系有機薄膜をディップコートやスプレーコート、はけ等を使った塗布等でコーティングする手法がとられている。しかし、このようにフッ素系有機薄膜を形成する手法によれば、次のような問題点がある。(1)フッ素系有機薄膜を形成する処理に時間とコストがかかる。(2)薄膜の均一性に問題がある。(3)薄膜の耐熱性に問題がある。
【０００４】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、薄膜形成のための時間とコストを低減でき、均一性及び耐熱性のよい薄膜を形成可能な成形金型の製造方法を提供することを目的とする。また、かかる成形金型の製造方法で製造可能な成形金型及び成形された樹脂成形品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】
【０００５】
上記目的を達成するために、本発明による成形金型の製造方法は、エッチングマスクを形成した被加工材を用いて成形金型を製造する方法であって、前記被加工材をドライエッチングするエッチング工程と、前記エッチングマスクを除去する除去工程と、前記被加工材にフッ素系薄膜を成膜する成膜工程と、を同一装置内で連続的に実行することを特徴とする。
【０００６】
この成形金型の製造方法によれば、エッチング工程と除去工程とフッ素系薄膜の成膜工程とを同一装置内で連続的に実行するので、薄膜を形成するための時間とコストを大幅に低減できる。また、薄膜の成膜条件の最適化により膜厚を高度に制御可能であるので、均一性の優れた薄膜を形成でき、また、ドライプロセスにより成膜されたフッ素系薄膜は塗布でコーティングされた薄膜と比較して優れた耐熱性を示し、品質のよい薄膜を得ることができる。更に、薄膜を成膜するまでの工程を同一装置内で行うことで、被加工材の表面（即ち、成形金型の表面）へのコンタミネーションの付着や酸化膜の形成を防止できる。このため成形金型の品質が向上する。
【０００７】
上記成形金型の製造方法において前記被加工材の表面に前記成形金型用に形成した微細構造に前記フッ素系薄膜を形成する。成形時に樹脂材料に転写される微細構造に均一性・耐熱性・品質のよい薄膜が形成されているので、成形金型の微細構造と成形後の樹脂材料との離型性が向上するとともに薄膜の耐久性が向上し成形金型の寿命が長くなる。
【０００８】
また、前記被加工材としてＳｉ、ＳｉＯ2、グラッシーカーボン、Ｔａ及びダイヤモンドの内のいずれか１つを用いることが好ましい。
【０００９】
また、ＣｘＦｙガスによるプラズマを用いて前記フッ素系薄膜を成膜することが好ましい。
【００１０】
本発明による成形金型は、上記成形金型の製造方法により製造可能なものである。この成形金型によれば、離型のために均一性・耐熱性・品質のよいフッ素系薄膜が形成されているので、離型性が向上するとともにフッ素系薄膜の耐久性が向上し成形金型の寿命が長くなる。また、成形金型の表面へのコンタミネーションの付着や酸化膜の形成が防止されるので、成形金型の品質を向上できる。
【００１１】
本発明による樹脂成形品は、上記成形金型の製造方法により製造された成形金型または上記成形金型を用いて成形されたものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の成形金型の製造方法によれば、薄膜形成のための時間とコストを低減でき、均一性及び耐熱性のよい薄膜を形成可能となる。
【００１３】
また、本発明の成形金型によれば、均一性・耐熱性・品質のよいフッ素系薄膜が形成されているので、離型性が向上するとともにフッ素系薄膜の耐久性が向上し成形金型の寿命が長くなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図１は本実施の形態による成形金型の製造方法を実行可能なＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置を概略的に示す図である。図２は図１のＩＣＰエッチング装置の制御系の要部を示すブロック図である。
【００１５】
図１に示すように、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置２００は、真空プラズマチャンバ２１１内に、プラズマ生成用高周波電源２１２に接続された一対の高周波電極２１３，２１４が配置され、高周波電極２１３，２１４に対向する側に被加工材としてのシリコン基板１０を保持する基板ホルダ２１５が配置されている。高周波電源２１２から高周波電極２１３，２１４に高周波電圧が印加されることで真空プラズマチャンバ２１１内のプラズマ生成領域ＡＡにプラズマが形成され、エッチングガスをチャンバ２１１内に流しながらシリコン基板１０をドライエッチングすることができ、また、酸素ガスをチャンバ２１１内に流しながらシリコン基板１０に形成されたエッチングマスクを灰化し除去することがで、更に、Ｃ4Ｆ8ガス等の成膜ガスをチャンバ２１１内に流しながらシリコン基板１０上にフッ素系有機薄膜を形成することができる。
【００１６】
真空プラズマチャンバ２１１内の基板ホルダ２１５には加工形状制御用バイアス高周波電源２１６が接続され、基板ホルダ２１５のバイアス電極に印加されるバイアス電力によってシース領域ＢＢがシリコン基板１０及び基板ホルダ２１５の周りに形成される。エッチングのときにバイアス電圧によりバイアス電力を制御することで、シース領域ＢＢ内にあるシリコン基板１０のエッチング加工形状を制御できる。
【００１７】
また、真空プラズマチャンバ２１１には、真空装置２２１が切替バルブ２２２を介して接続されている。また、エッチングガス源２２３が制御バルブ２２４を介して接続され、また成膜ガス源２２５が制御バルブ２２６を介して接続され、更に、酸素ガス源２２７が制御バルブ２２８を介して接続されている。各制御バルブ２２４、２２６，２２８は、各ガス流量を制御することで、各ガス圧を所定範囲内で変化させることができる。
【００１８】
図１のＩＣＰエッチング装置２００は、図２のように、中央演算処理装置（ＣＰＵ）から構成される制御部１００を備え、制御部１００は、プラズマ生成用高周波電源２１２、加工形状制御用バイアス高周波電源２１６、真空装置２２１，真空装置用切替バルブ２２２、エッチングガス源用制御バルブ２２４、成膜ガス源用制御バルブ２２６及び酸素ガス源用制御バルブ２２８を所定のシーケンスに従って制御する。
【００１９】
図２の制御部１００は、制御バルブ２２４，２２６，２２８を制御し、真空プラズマチャンバ２１１内の雰囲気をエッチングガス、酸素ガス、成膜ガスに切り替えることで、シリコン基板１０に対しエッチング、エッチングマスク除去、及び成膜の各プロセスを連続的に実行できる。
【００２０】
制御部１００は、更に、入力設定部２２０から入力された設定条件に基づいて、プラズマ生成のための高周波電力（電圧）及びバイアス電力（電圧）を設定し、エッチング工程・エッチングマスク除去工程・成膜工程の各時間や各ガスの流量を制御可能になっている。
【００２１】
次に、図１，図２のＩＣＰエッチング装置を用いて行う本実施の形態による成形金型の製造方法について図３を参照して説明する。図３は本実施の形態による成形金型の製造方法の各工程（ａ）乃至（ｄ）を説明するためにシリコン基板を模式的に示す断面図である。
【００２２】
シリコン基板１０にレジストを均一に塗布してから、そのレジスト表面に対し電子ビームにより所定の微細パターンを描画し、所定の現像材料により現像することで、図３（ａ）のように、シリコン基板１０上に微細パターンを有するエッチングマスク１５を形成する。
【００２３】
なお、電子ビーム描画は、本出願人が、例えば、特開２００４−１０７７９３号公報や特開２００４−５４２１８号公報等で提案した電子ビーム描画装置により行うことができる。これにより、所望の描画パターンを電子ビームによる３次元描画でサブミクロンオーダーの高精度でレジスト膜上に形成できる。
【００２４】
次に、上述のエッチングマスク１５の形成されたシリコン基板１０を図１の真空プラズマチャンバ２１１内の基板ホルダ２１５に保持してＩＣＰエッチング装置２００にセットし、制御バルブ２２４によりエッチングガス源２２３からエッチングガスを真空プラズマチャンバ２１１内に導入し、電極２１３，２１４に高周波電圧を印加してプラズマを生成するとともにバイアス電圧をシリコン基板１０に印加し、シリコン基板１０に対しエッチングを行う。これにより、図３（ｂ）のように、シリコン基板１０上に微細凹凸構造部１６を形成する。
【００２５】
次に、制御バルブ２２４でエッチングガスの供給を止め、制御バルブ２２８により酸素ガス源２２７から酸素ガスを真空プラズマチャンバ２１１内に導入し、所定の高周波電圧を印加してプラズマを生成しバイアス電圧をシリコン基板１０に印加し、図３（ｃ）のように、シリコン基板１０上のエッチングマスク１５を灰化し除去する。
【００２６】
次に、制御バルブ２２８で酸素ガスの供給を止め、制御バルブ２２６により成膜ガス源２２５からＣ4Ｆ8ガス等の成膜ガスを真空プラズマチャンバ２１１内に導入し、所定の高周波電圧を印加してプラズマを生成してシリコン基板１０上で成膜を行い、図３（ｄ）のように、シリコン基板１０上の微細凹凸構造部１６の表面にフッ素系有機薄膜１７を形成する。なお、成膜ガスとしては、Ｃ4Ｆ8ガス、Ｃ2Ｆ4ガス、ＣＦ4ガス等のＣｘＦｙガスが好ましい。
【００２７】
上述のようにして、シリコン基板１０に金型加工のために微細凹凸構造部１６を形成してから、微細凹凸構造部１６の表面にＣＦ系のプラズマによりフッ素系有機薄膜１７を形成することで、離型性を向上させた成形金型を得ることができる。
【００２８】
以上の本実施の形態による成形金型の製造方法によれば、次のような作用効果を奏する。
【００２９】
(1)ドライエッチング工程、エッチングマスク除去工程、及び薄膜形成工程が同一の装置（チャンバ）内で連続的に実行でき、従来のようにチャンバ内から取り出して薄膜を形成する必要がないので、離型性を向上させるフッ素系有機薄膜を形成するための時間とコストを大幅に低減できる。
【００３０】
(2)フッ素系有機薄膜の膜厚は、ドライプロセスにおけるガス流量や高周波電圧やバイアス電圧や時間等の条件を最適化することで高度に制御でき、均一性の優れた薄膜を得ることができる。
【００３１】
(3)ドライプロセスにより成膜されたフッ素系有機薄膜は、塗布でコーティングされた薄膜と比較して優れた耐熱性を示し、優れた均一性と相まって品質の優れた薄膜を得ることができる。
【００３２】
(4)フッ素系有機薄膜を成膜するまで全て同一チャンバ内で行うことによりシリコン基板の表面（成形金型の表面）におけるコンタミネーションの付着や酸化膜の形成を防ぐことができ、品質の優れた成形金型を得ることができる。
【００３３】
次に、図３のようにして得られた微細凹凸構造部を有するシリコン基板を成形金型として用いて光学素子を製造する方法について図４のフローチャート及び図５を参照して説明する。
【００３４】
図５（ａ）乃至（ｃ）は図４のように成形金型により光学素子を製造する工程を説明するための成形金型及び光学素子の模式的な側面図である。
【００３５】
上述の微細凹凸構造部１６を有するシリコン基板１０を図５（ａ）のように波長板や回折格子等の光学素子成形のための成形金型Ｃとし、ステンレス鋼等からなる上型３２の下面に成形金型Ｃをセットし固定する（Ｓ０１）。
【００３６】
次に、図５（ａ）のように、ステンレス鋼等からなる下型３１の上面に樹脂素材Ｍをセットし固定する（Ｓ０２）。なお、樹脂素材Ｍとしては、例えば、ＰＭＭＡ、ポリカーボネート、ポリオレフィン等の光学素子用樹脂素材が好ましい。
【００３７】
次に、上型３２の内部に設けたヒータに通電することで上型３２を樹脂素材Ｍのガラス転移点温度以上（例えば、２００度程度）に加熱する（Ｓ０３）。次に、上型３２を下方に移動させて下型３１に押圧する（Ｓ０４）。これにより、樹脂素材Ｍは急速にガラス転移点温度以上に加熱されて溶融し、その表面に成形金型Ｃの微細凹凸構造部１６が転写される（Ｓ０５）。
【００３８】
次に、上型３２のヒータへの通電を停止し上型３２を自然冷却させ（強制冷却でもよい）、下型３１の内部に設けた配管に冷却水を流して下型３１を強制冷却する（Ｓ０６）。
【００３９】
次に、上型３２を上方に移動させて成形金型Ｃを樹脂素材Ｍから離すようにして離型を行うことで（Ｓ０７）、微細凹凸構造部１６が転写された光学素子を得る。上述の工程Ｓ０２〜Ｓ０７を繰り返すことで、光学素子を同一の成形金型Ｃにより多数製造できる。
【００４０】
図４，図５の光学素子の製造方法によれば、光学素子成形のための成形金型Ｃには、上述のように離型のために均一性・耐熱性・品質が優れたフッ素系有機薄膜１７（図３）が形成されているので、工程Ｓ０７における金型と樹脂成形品との離型性が向上する。また、均一性・耐熱性・品質がよいためフッ素系有機薄膜１７の耐久性が向上するので、成形金型の寿命が長くなる。このため、光学素子等の成形品を成形金型により低コストで大量生産できる。
【実施例】
【００４１】
次に、本発明について実施例により更に具体的に説明するが、本発明は本実施例に限定されるものではない。
【００４２】
実施例として、図３と同様の工程により、エッチングマスクを形成したシリコン基板に凹凸形状をプラズマエッチングにより形成し、次に、マスクを除去してから、フッ素系有機薄膜を形成した。プラズマエッチング条件は表１のとおり、マスク除去条件は表２のとおり、成膜条件は表３のとおりである。
【００４３】
【表１】
2007276202.tif 000003
【００４４】
【表２】
2007276202.tif 000004
【００４５】
【表３】
2007276202.tif 000005
【００４６】
比較例１，２として、上記実施例と同様の条件でエッチングマスクを形成したシリコン基板に凹凸形状をプラズマエッチングにより形成し次にマスクを除去したシリコン基板上に、従来の２種類のフッ素系樹脂コーティング剤によりデッピング法でフッ素系有機薄膜をそれぞれ形成した。
【００４７】
上記実施例及び比較例１，２で得た各シリコン基板を加熱温度２５０℃で１時間、２時間、３時間、４時間、５時間、それぞれ加熱してから、各シリコン基板の表面に５μｌ（マイクロリットル）の水を滴下し、図７（ａ）、（ｂ）のように横方向からカメラで水滴Ｄ１，Ｄ２の接触角θ１，θ２を測定し、この接触角によりシリコン基板の表面の離型性を評価した。その結果を図６に示す。
【００４８】
なお、図７（ｂ）のような水滴Ｄ２の接触角θ２は、図７（ａ）のような水滴Ｄ１の接触角θ１よりも大きいが、この接触角が大きいほど離型性能が高いと評価できる。
【００４９】
また、本実施例でシリコン基板に形成したフッ素系有機薄膜の厚さは、約５ｎｍであり、実施例及び比較例のシリコン基板にフッ素系有機薄膜を形成する前の状態での接触角は約２０度であった。
【００５０】
図６から分かるように、実施例及び比較例１，２ともに、加熱前は接触角が１００度以上あり、充分な離型性能を示したが、加熱時間が長くなると（すなわち、成形金型として使用を続けると）、比較例１，２では接触角が小さくなり離型性能がかなり低下したのに対し、実施例では接触角がさほど小さくならず離型性能が殆ど低下しない。
【００５１】
以上のように本発明を実施するための最良の形態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、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、成形金型とする被加工材としては、Ｓｉ以外に、ＳｉＯ2、グラッシーカーボン、Ｔａ、ダイヤモンド等の材料を使用でき、これらの比較的硬い材料を用いることで、成形金型の耐久性を更に向上可能である。
【００５２】
また、本実施の形態の成形金型に形成した微細構造は、凹凸形状であったが、階段形状や鋸歯形状等の他の微細構造であってもよく、また、これらの形状を少なくとも２つ混在させたものであってもよい。
【００５３】
また、図３の成形金型は、バイナリ構造の波長板や回折格子等の光学素子のためのものであったが、本発明はこれに限定されずに、階段状のエシュロン回折格子を有する光学素子や鋸歯状の回折格子を有する光学素子を成形するためのものであってよく、また、光学面はレンズ面であっても平面であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本実施の形態による成形金型の製造方法を実行可能なＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置を概略的に示す図である。
【図２】図１のＩＣＰエッチング装置の制御系の要部を示すブロック図である。
【図３】本実施の形態による成形金型の製造方法の各工程（ａ）乃至（ｄ）を説明するためにシリコン基板を模式的に示す断面図である。
【図４】図３のようにして得られた微細凹凸構造部を有するシリコン基板を成形金型として用いて光学素子を製造する工程を説明するためのフローチャートである。
【図５】図４のように成形金型により光学素子を製造する工程（ａ）乃至（ｃ）を説明するための成形金型及び光学素子の模式的な側面図である。
【図６】実施例及び比較例における加熱時間によるシリコン基板の表面での水滴の接触角の変化の様子を示すグラフである。
【図７】実施例及び比較例において測定した水滴の接触角を説明するための図（ａ）、（ｂ）である。
【符号の説明】
【００５５】
１０ シリコン基板（被加工材）
１５ エッチングマスク
１６ 微細凹凸構造部（微細構造）
１７ フッ素系有機薄膜（フッ素系薄膜）
２００ ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置
２１１ 真空プラズマチャンバ
Ｃ 成形金型
【図１】
2007276202.tif 000006
【図２】
2007276202.tif 000007
【図３】
2007276202.tif 000008
【図４】
2007276202.tif 000009
【図５】
2007276202.tif 000010
【図６】
2007276202.tif 000011
【図７】
2007276202.tif 000012