(57)【要約】  【課題】  適切な微細形状を樹脂素材に転写できる型及び成形方法を提供する。  【解決手段】  離型時における素材の最初の剥がれは、第１ダミー領域Ｒ１の外縁ＯＲを形成する最小の半径ｒ１の円弧上の点から始まり、その外縁ＯＲの両方向と、第１ダミー領域Ｒ１の中心へ向かう方向に進行し、最終的には、使用領域Ｒ３を挟んで、第１ダミー領域Ｒ１と反対側にある第２ダミー領域Ｒ２内で終了させることができる。第２ダミー領域Ｒ２内で剥がれが必ず終了すれば、例えここで剥がれ不良が生じたとしても、使用領域３内には剥がれ不良が発生しないことになるので、使用領域Ｒ３の微細形状により転写形成された樹脂素材を用いて、良好な製品を得ることができる。【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）である素材に対して押しつけられる面に、アスペクト比が１以上である微細形状を形成した型であって、
前記微細形状は、前記型の面において、外縁がつながった使用領域と終了ダミー領域に少なくとも形成されており、
前記型の面を前記素材に押しつけたとき、前記使用領域に形成された微細形状により転写された微細形状は、前記素材において所定の機能を発揮するために用いられ、前記終了ダミー領域に形成された微細形状により転写された微細形状は、前記素材において少なくとも前記所定の機能を発揮するために用いられず、
前記型の面を押しつけ方向に見たときに、前記微細形状が形成された領域の外縁を形成する１又は２以上の円弧のうち最小の半径ｒ１を有する円弧は、前記終了ダミー領域に基づいて決定される位置に配置されることを特徴とする型。
【請求項２】
前記最小の半径ｒ１を有する円弧は、前記終了ダミー領域以外の領域の外縁上に位置することを特徴とする請求項１に記載の型。
【請求項３】
前記使用領域に外縁がつながり前記微細形状が形成された開始ダミー領域が設けられ、前記型の面を押しつけ方向に見たときに、前記開始ダミー領域の外縁は前記半径ｒ１の円弧を含み、前記終了ダミー領域の外縁は、その中で最小の半径ｒ２の円弧を含み、前記使用領域の外縁は、その中で最小の半径ｒ３の円弧を含むとき、ｒ１≦ｒ２＜ｒ３が成立することを特徴とする請求項１又は２に記載の型。
【請求項４】
前記開始ダミー領域と前記終了ダミー領域とは、互いに前記使用領域を挟んで反対側に配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の型。
【請求項５】
前記使用領域は、前記型の面を押しつけ方向に見たときに円形であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の型。
【請求項６】
前記型の面を前記素材に押しつけることにより光学素子が形成されることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の型。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の型の温度を、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８】
アスペクト比が１以上である微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である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際に、前記型と前記素材の少なくとも一方を所定の軸線回りに回転させるステップと、を有することを特徴とする成形方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、型及び成形方法に関し、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型及び成形方法に関する。
【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、微細パターンを形成した加熱した型を樹脂素材にプレスした後、離型させる際に剥がれ不良が発生する場合があることが判明した。この剥がれ不良が発生すると、微細パターンを精度良く転写できず、良好な製品が得られないという問題がある。
【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、適切な微細形状を樹脂素材に転写できる型及び成形方法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の本発明の型は、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である素材に対して押しつけられる面に、アスペクト比が１以上である微細形状を形成した型であって、
前記微細形状は、前記型の面において、外縁がつながった使用領域と終了ダミー領域に少なくとも形成されており、
前記型の面を前記素材に押しつけたとき、前記使用領域に形成された微細形状により転写された微細形状は、前記素材において所定の機能を発揮するために用いられ、前記終了ダミー領域に形成された微細形状により転写された微細形状は、前記素材において少なくとも前記所定の機能を発揮するために用いられず、
前記型の面を押しつけ方向に見たときに、前記微細形状が形成された領域の外縁を形成する１又は２以上の円弧のうち最小の半径ｒ１を有する円弧は、前記終了ダミー領域に基づいて決定される位置に配置され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、剥がれ不良が生じる過程を詳細に観察した。図１は、従来技術にかかる微細形状の剥がれ不良を示す模式図である。図１に示すように、例えば円形領域ＣＲに微細形状を形成した型の面を加熱して、樹脂素材に押しつけた後、それから引き離す際に剥がれ不良ＰＤが発生した。ここで、本発明者らの解析によれば、以下のことがわかった。即ち、型を樹脂材から引きななしてゆくと、円形領域ＣＲの外縁における任意の点Ｓにおいて最初の剥がれが発生し、剥がれは外縁方向両方向（Ａ、Ｂ）及び円形領域ＣＲの中心に向かう方向（Ｃ）に沿って進行する。これら３方向の剥がれは、最終的には、点Ｓに対向する外縁の点Ｅから若干中心よりの位置（ＰＤ）で終了するが、このとき未離型の小領域に転写された微細形状が、応力に堪えきれず型と共に剥がれる、いわゆる剥がれ不良が発生する。しかるに、剥がれ不良を完全に阻止することは困難である。
【００１０】
そこで、本発明者らは、剥がれ不良が生じることを前提に、剥がれ不良の生じる位置を制御することを創案した。即ち、最初の剥がれを、指定した位置で発生させることによって、剥がれ不良が発生する位置を所定の範囲に制限できることを見出したのである。一例を挙げて、本発明を具体的に説明する。
【００１１】
図２は、一例にかかる本発明の型の面に形成された微細形状を押しつけ方向に見た概略図である。図２において、円形の使用領域Ｒ３の両側に、第１ダミー領域（開始ダミー領域とする）Ｒ１と第２ダミー領域（終了ダミー領域とする）Ｒ２とが接続された状態で形成されている。アスペクト比が１以上でありラインアンドスペース状の微細形状は、使用領域Ｒ３と、第１ダミー領域Ｒ１と第２ダミー領域Ｒ２のいずれにも形成されており、それらは外縁ＯＲにより輪郭付けされている。
【００１２】
ここで、第１ダミー領域Ｒ１の外縁ＯＲを形成する円弧のうち最小の円弧の半径をｒ１とし、第２ダミー領域Ｒ２の外縁ＯＲを形成する円弧のうち最小の円弧の半径をｒ２とし、使用領域Ｒ３の外縁ＯＲを形成する円弧のうち最小（ここでは一律）の円弧の半径をｒ３としたときに、ｒ１＜ｒ２＜ｒ３となっている。
【００１３】
本発明者らの検討によれば、最初の剥がれは、最も応力（面積／剥がし力）が高いところから始まることが判明しているので、第１ダミー領域Ｒ１の外縁ＯＲを形成する最小の半径ｒ１の円弧上の点から始まり、更に剥がれは、その外縁ＯＲの両方向と、第１ダミー領域Ｒ１の中心へ向かう方向に進行し、最終的には、使用領域Ｒ３を挟んで、第１ダミー領域Ｒ１と反対側にある第２ダミー領域Ｒ２内で終了させることができる。第２ダミー領域Ｒ２内で剥がれが必ず終了すれば、例えここで剥がれ不良が生じたとしても、使用領域３内には剥がれ不良が発生しないことになるので、使用領域Ｒ３の微細形状により転写形成された樹脂素材を用いて、良好な製品を得ることができる。なお、対称性から、最初の剥がれは、第１ダミー領域Ｒ１又は第２ダミー領域Ｒ２のいずれかの外縁から生じればよいので、ｒ１＝ｒ２＜ｒ３である場合も本発明は成立する。
【００１４】
又、第１ダミー領域Ｒ１と第２ダミー領域Ｒ２が不要であれば、図１で点線で示すように、使用領域Ｒ３を円形にカットすれば良く、或いは第１ダミー領域Ｒ１と第２ダミー領域Ｒ２を支持部として用いるために残すこともできる。
【００１５】
前記最小の半径ｒ１を有する円弧は、前記終了ダミー領域以外の領域の外縁上に位置すると、前記終了ダミー領域内で剥がれを終了させるのに都合がよいので好ましい。
【００１６】
前記使用領域に外縁がつながり前記微細形状が形成された開始ダミー領域が設けられ、前記型の面を押しつけ方向に見たときに、前記開始ダミー領域の外縁は前記半径ｒ１の円弧を含み、前記終了ダミー領域の外縁は、その中で最小の半径ｒ２の円弧を含み、前記使用領域の外縁は、その中で最小の半径ｒ３の円弧を含むとき、ｒ１≦ｒ２＜ｒ３が成立すると、前記第１ダミー領域の外縁から発生した剥がれを前記第２ダミー領域で終了させることができるので好ましい。
【００１７】
前記開始ダミー領域と前記終了ダミー領域とは、互いに前記使用領域を挟んで反対側に配置されていると好ましい。
【００１８】
前記使用領域は、前記型の面を押しつけ方向に見たときに円形であると好ましい。
【００１９】
前記型の面を前記素材に押しつけることにより光学素子が形成され、前記型の微細形状により転写された微細形状が所望の光学特性を発揮すると好ましい。
【００２０】
成形方法は、前記の型の温度を、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、を有すると好ましい。
【００２１】
第２の本発明の成形方法は、アスペクト比が１以上である微細形状を有する型の温度を、常温での弾性率が１〜４（ＧＰａ）である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際に、前記型と前記素材の少なくとも一方を所定の軸線回りに回転させるステップと、を有することを特徴とする。
【００２２】
本発明の成形方法によれば、前記型を前記素材より離型させる際に、前記型と前記素材の少なくとも一方を所定の軸線回りに回転させることで、最初の剥がれを、指定した位置で発生させることによって、剥がれ不良が発生する位置を制御できる。
【００２３】
「アスペクト比」とは、図３（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。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、適切な微細形状を樹脂素材に転写できる型及び成形方法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】
【００２５】
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４は、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４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の上面には、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。
【００２６】
上型２の下面には、シリコン性の型円板（型ともいう）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。なお、図４（ａ）で示す矢印IIの方向（型の押しつけ方向）から見たときに、微細形状は図２に示す使用領域とダミー領域に形成されている。
【００２７】
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。
【００２８】
図５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４（ａ）に示すように、型開きした下型１の上面に、支持部５を介して素材Ｍを固定する。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）。
【００２９】
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４（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）。
【００３０】
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。
【００３１】
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）。ここで図２を参照して、最初の剥がれは、第１ダミー領域Ｒ１の外縁ＯＲを形成する最小の半径ｒ１の円弧上の点から始まり、その外縁ＯＲの両方向と、第１ダミー領域Ｒ１の中心へ向かう方向に進行するので、最終的には、使用領域Ｒ３を挟んで、第１ダミー領域Ｒ１と反対側にある第２ダミー領域Ｒ２内で終了させることができる。このようにして微細形状が転写形成された素材Ｍは、例えば光ピックアップ装置においてλ／４波長板として用いることができる。
【００３２】
図６は、第２の実施の形態にかかる成形方法を実行できる光学素子の成形装置の概略図であり、図６（ａ）は、上型２により素材Ｍを押圧する状態を示し、図６（ｂ）は、離型時の状態を示している。図７は、第２の実施の形態にかかる成形方法を示すフローチャートである。
【００３３】
本実施の形態にかかる成形装置が、図４に示す成形装置と異なる点は、下型１’の構成にある。より具体的には、下型１’は、円筒状のピン１ａ’を介して、不図示のフレームに対して回動自在となっている。ピン１ａ’の軸線Ｏは、型の押しつけ方向に直交する素材Ｍの上面を含む平面に沿って（図６では紙面垂直方向に）延在させると好ましい。それ以外の構成については、型２ａの形状を含めて、上述した実施の形態と同様であるので、同じ符号を付して説明を省略する。
【００３４】
図６に示すように、本実施の形態においても、図５のステップＳ１０１〜Ｓ１０４と同様に成形動作を実行するが、素材Ｍの冷却後に、ステップＳ１０５Ａで、ピン１ａ’の軸線Ｏ回りに下型１’を回動させる。すると、型２ａと素材Ｍとは、軸線Ｏから最も離れた点（図６では最も左側の位置）で応力が高まり、ここから剥がれが生じることとなる。その後、ステップＳ１０５Ｂで、上型２を素材Ｍから離すように離型すると、型２ａと素材Ｍとの剥がれは、図６で右方に向かって進行し、第２ダミー領域Ｒ２（図２）内で完了することとなる。
【００３５】
このように、離型時に下型１’を回動させることで、型２ａと素材Ｍとの最初の剥がれの位置をコントロールできるので、それに基づいて剥がれの最終位置を予測し、そこに終了ダミー領域を設ければ、微細形状の高精度な転写を行うことができるのである。なお、本実施の形態によれば、型の形状に関わらず、最初の剥がれの位置をコントロールできるので、第２ダミー領域Ｒ２のみ設ければ足り、第１ダミー領域Ｒ１は必ずしも必要ではない。又、下型１’の代わりに或いはそれに加えて、上型２を所定の軸線回りに回動させても良い。
【００３６】
図８は、本発明者らが行った実験結果を示すグラフであり、型の形状を図１に示すように円形状とした比較例と、図２に示すように第１ダミー領域と第２ダミー領域とを設けた実施例とについて、同じ条件で微細形状を成形した後、生じた欠陥部の面積を比較している。図８より明らかであるが、型の形状が円形である比較例の場合には、使用領域（円形領域ＣＲ）内の欠陥部の面積は２％であったのに対し、第１ダミー領域と第２ダミー領域とを設けた実施例の場合には、使用領域ＯＲ内の欠陥部の面積は０．１％と、１／２０に低減しており、本発明の効果が確認された。
【００３７】
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。例えば、型の形状は、図２に示す形に限られず、図９に示すような楕円形状であっても良い。この場合、第１ダミー領域の外縁の最小円弧の半径ｒ１と、第２ダミー領域の外縁の最小円弧の半径ｒ２とは等しくなり、且つ使用領域Ｒ３の外縁の最小円弧Ｒ３より小さくなる。楕円形状の外縁のように変曲点を持たなければ、剥がれの進行制御が容易になる。更に、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、半導体素子などを製造することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】従来技術にかかる微細形状の剥がれ不良を示す模式図である。
【図２】一例にかかる本発明の型の面に形成された微細形状を押しつけ方向に見た概略図である。
【図３】アスペクト比を説明するための図である。
【図４】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５】第１の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６】第２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７】第２の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８】本発明者らが行った実験結果を示すグラフである。
【図９】型の別な形状例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１、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 支持部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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