模具的制造方法与流程

本发明涉及模具的制造方法，尤其涉及光学元件用模具的制造方法。
背景技术：
：已知一种光学元件，其具备使光线透过的第一部分和遮蔽光线的第二部分，该光学元件使光线穿过该光学元件照射到某个面上而在该面上利用光线形成具有与第一部分的形状对应的形状的照度比周围高的区域。上述光学元件的现有制造方法的一个例子是用金属膜覆盖光学元件的第二部分的表面的方法。在该以往的制造方法中，仅在第二部分的表面上形成金属膜，或者在整个表面上形成金属膜之后通过激光等除去第一部分的金属膜。因此，上述制造方法不适于批量生产。因此，为了批量生产，考虑利用模具来制造上述光学元件。在光学元件中，考虑使第一部分为大致平坦的面，使第二部分为使光线产生衍射、漫射等的光学结构。当使光线穿过这样的光学元件向某个面照射时，光线几乎以原状态透过第一部分，并在第二部分中产生衍射、漫射等而不会以原状态透过，因此在该面上形成具有与第一部分的形状对应的形状的比周围照度高的区域。这样的光学元件用的模具由与光学元件的第一部分对应的大致平坦的区域和与光学元件的第二部分的的光学结构对应的区域构成。在此，将与光学元件的第一部分对应的大致平坦的区域称为模具的第一区域，将与光学元件的第二部分的光学结构对应的区域称为模具的第二区域。为了使由穿过光学元件的光线形成的比周围照度高的区域的边界清晰，优选在模具的第一区域与模具第二区域的边界存在阶梯差。另外，优选阶梯差的上升边缘的角(corner)的圆角r尽可能小。在光学元件用模具中，透镜等模具通常通过使用球头立铣刀的机械加工来制造。通过球头立铣刀，能够形成例如与非球面、自由曲面等对应的各种光学面的形状。但是，在通过球头立铣刀制造光学元件用的模具的情况下，圆角r不能小于球头立铣刀的刀尖的曲率半径。由于球头立铣刀的刀尖的曲率半径的最小值约为15微米，因此圆角r的最小值约为15微米。光学元件用模具中的二元衍射光栅等模具有时通过抗蚀剂构图和蚀刻来制造。通过抗蚀剂构图和蚀刻，例如，可以将二元衍射光栅的圆角r设定为1微米以下。但是，通过抗蚀剂构图和蚀刻，难以形成与非球面、自由曲面等对应的各种光学面的形状。这样，在模具的制造方法中，使用球头立铣刀等的机械加工与抗蚀剂构图以及蚀刻属于不同的
技术领域：
，很少组合两者。专利文献1公开了具有使光线透过的部分和遮蔽光线或使光线漫射的部分的光学元件。但是，专利文献1没有详细公开这种光学元件的制造方法。另外，专利文献1的光学元件是对显微镜的光量进行控制的光学元件，与使利用穿过光学元件的光线在面上形成的比周围照度高的区域的边界清晰这样的技术课题无关。这样，以往没有开发出高精度且高效率地制造如下光学元件的模具的方法，该光学元件能够使由通过光学元件的光线在面上形成的比周围照度高的区域的边界清晰，由作为大致平坦的面的第一部分和作为使光线产生衍射、漫射等的光学结构的第二部分构成。在先技术文献专利文献日本特开2007-033790号公报技术实现要素：发明要解决的课题因此，需要高精度且高效率地制造如下光学元件的模具，该光学元件能够使由通过光学元件的光线在面上形成的比周围照度高的区域的边界清晰，由第一部分和第二部分构成，该第一部分是大致平坦的面，该第二部分是使光线产生衍射、漫射等的光学结构。本发明的课题在于提供一种高精度且高效率地制造光学元件的模具的方法，该光学元件能够使由通过光学元件的光线在面上形成的比周围照度高的区域的边界清晰，由作为大致平坦的面的第一部分和作为使光线产生衍射、漫射等光学结构的第二部分构成。用于解决课题的手段本发明的光学元件用模具的制造方法包括如下步骤：通过抗蚀剂构图和蚀刻在衬底的表面的第一区域形成具有2微米以上的宽度的大致平坦的底面的第一槽；以及将该衬底的表面的包围该第一区域的第二区域机械加工成由与该底面不平行的面构成的形状。根据本发明，由于在衬底表面的第一区域通过抗蚀剂构图和蚀刻形成具有2微米以上的宽度的大致平坦的底面的第一槽，因此作为一例，可以使第一槽的大致平坦的底面与侧面的边界的圆角r为1微米以下。因此，由模具制造出的光学元件的与模具的第一区域对应的第一部分和与模具的包围第一区域的第二区域对应的光学元件的第二部分的边界变得尖锐。其结果，能够得到如下光学元件：在经由该光学元件使光照射至某个面的情况下，能够在该面上形成具有与模具的第一区域的形状对应的清晰的边界形状的照度较高的区域。在此，模具的包围第一区域的第二区域是指，在第一区域的周围划分出边界的区域，通过形成该区域，使得在利用该模具制造光学元件，经由该光学元件向某一个面照射光线的情况下，能够在该面上形成具有与模具的第一区域的形状对应的清晰的边界的比周围照度高的区域。因此，在第一区域的周围划分出的边界区域以外的区域的形状可以是任何形状。在第二区域中，为了实现光学元件的期望功能，可以通过机械加工高精度且高效率地形成由与第一槽的底面不平行的面构成的形状。以往，在模具的制造中，很少使用抗蚀剂构图、蚀刻以及机械加工这双方。本发明的特征在于，适当地组合了抗蚀剂构图、蚀刻和机械加工这双方，以解决如下课题，该课题是，提供一种高精度且高效率地制造如下的光学元件的模具的方法，该光学元件使由通过了光学元件的光线形成的形状的边界清晰，由作为大致平坦的面的第一部分和作为使光线产生衍射、漫射等的光学结构的第二部分构成。在本发明的第一实施方式的模具的制造方法中，该第一槽的深度为30微米以下，该第二区域的该形状的深度为20微米以下。在本实施方式的模具的制造方法中，第一区域中的第一槽及第二区域中的形状距加工前的衬底的表面的深度为30微米以下。因此，能够得到厚度小的紧凑的光学元件。在本发明的第二实施方式的模具的制造方法中，该第二区域的该形状包含周期性的结构，该周期性的结构的周期小于该第一槽的底面的宽度。由于通过根据本实施方式的模具制造出的光学元件的对应于第二区域的部分具有周期性的结构，因此能够产生光线的衍射、漫射等。在本发明的第三实施方式的模具的制造方法中，该第二区域的该形状是以长度方向成为大致相同的方向的方式排列的多个第二槽，与该多个第二槽的长度方向垂直的截面示出了周期性的结构。在通过根据本实施方式的模具制造出的光学元件中，与第二区域对应的部分的截面示出了周期性的结构，因此可以产生光线的衍射、漫射等。在本发明的第四实施方式的模具的制造方法中，该第二区域的该形状与该光学元件的衍射光栅对应。根据本实施方式的模具的制造方法，得到与模具的第二区域对应的第二部分由衍射光栅构成的光学元件。在通过光学元件照射某个面的情况下，能够通过衍射光栅调整该面中的与模具的第一区域对应的照度较高的区域以外的区域的照度。在本发明的第五实施方式的模具的制造方法中，该第二区域的该形状与该光学元件的微棱镜阵列对应。根据本实施方式的模具的制造方法，能够得到在与第二区域对应的区域具备微棱镜阵列的光学元件。在通过光学元件照射某个面的情况下，可以通过微棱镜阵列调整该面中的与第一区域对应的照度较高的区域以外的区域的照度。在本发明第六实施方式的模具制造方法中，该第二区域的形状与该光学元件的微透镜阵列对应。通过本实施方式的模具的制造方法，可以获得在与第二区域相对应的区域中具有微透镜阵列的光学元件。在通过光学元件照射某个发射面的情况下，能够通过微透镜阵列调整该面中的与第一区域对应的照度较高的区域以外的区域的照度。在本发明的第七实施方式的模具的制造方法中，通过拉切加工形成该第二区域的该形状。在本实施方式的模具的制造方法中，是通过拉切加工在第二区域中形成衍射光栅等形状的。因此，能够高精度且高效率地形成衍射光栅等形状。在本发明的第八实施方式的模具的制造方法中，使用金刚石切割工具形成该第二区域的该形状。在本发明的第9实施方式的模具的制造方法中，以1微米以下的圆角r形成该第一槽及该第二区域的该形状。由于本实施方式的模具的圆角r为1微米以下，因此由模具制造出的光学元件的与第一区域对应的区域和与包围第一区域的第二区域对应的区域的边界变得尖锐。其结果，得到如下光学元件，该光学元件使得在照射了光线的情况下，能够形成与第一区域的形状对应的照度较高且具有清晰的边界的区域。附图说明图1是表示本发明的一个实施方式的光学元件用的模具的制造方法的流程图。图2是用于说明上述的光学元件用的模具的制造方法的图。图3是表示机械加工后的衬底的截面的图。图4是表示利用具有图3所示的截面的模具成形出的光学元件的一例的图。图5是用于说明使用矩形形状的金刚石刀具的拉切加工的图。图6是矩形形状的金刚石工具的刀尖的照片。图7是用于说明金刚石球头立铣刀的加工的图。图8是金刚石球头立铣刀的刀尖的照片。图9是示出通过拉切加工形成的直线状的槽的与长度方向垂直的截面的图。图10是用于说明通过具有图9的(a)所示的以一定间隔配置的槽的模具成形出的衍射光栅的功能的图。图11是表示具备第一区域及第二区域的模具的第二区域的与衍射光栅对应的形状的槽的各种形态的图。图12是示出与在衬底的第二区域中机械加工出的微棱镜阵列对应的形状的图。图13是示出与在衬底的第二区域中机械加工出的微透镜阵列对应的形状的图。图14是表示通过本发明的制造方法制造出的模具的afm(原子力显微镜)像的图。图15是表示通过本发明的制造方法制造出的具有周期性结构的模具的截面的afm(原子力显微镜)像的图。具体实施方式图1是表示本发明的一个实施方式的光学元件用模具的制造方法的流程图。图2是用于说明上述光学元件用模具的制造方法的图。在图1的步骤s1010中，对衬底进行清洗。作为一例，衬底的材料可以是无电解镍磷镀层。图2的(a)是表示清洗后的衬底的截面的图。在图2的步骤s1020中，执行用于在衬底的表面形成第一槽的抗蚀剂构图。具体而言，用抗蚀剂覆盖衬底表面的除第一区域以外的第二区域。图2的(b)是表示衬底表面的除第一区域以外的第二区域被抗蚀剂覆盖后的衬底的截面的图。在图2的步骤s1030中，通过蚀刻在第一区域中形成第一槽。作为一例，蚀刻也可以是离子束蚀刻。图2的(c)是表示蚀刻后的衬底的截面的图。在衬底表面的第一区域形成有第一槽。在图2的步骤s1040中，除去抗蚀剂。图2的(d)是表示除去抗蚀剂后的衬底的剖面的图。在衬底表面的第一区域形成有第一槽。第一槽的底面大致平坦，第一槽的底面的宽度为2微米以上。第一槽的底面与加工前的衬底的表面大致平行。另外，第一槽距加工前的衬底的表面的深度为1微米以上，30微米以下。在图2的步骤s1050中，通过对第一区域以外的第二区域进行机械加工，形成由与第一槽的底面不平行的面构成的形状。第二区域的形状距加工前的衬底表面的深度为0.5微米以上且20微米以下。这样，第一槽和第二区域的形状距加工前的衬底的表面的深度为30微米以下。图2的(e)是表示机械加工后的衬底即模具的剖面的图。通过机械加工在第二区域中形成周期性结构。另外，关于机械加工在后面详细说明。上述截面与上述周期性结构的长度方向和加工前的衬底的表面垂直。在制造模具时，如上所述，应该按照抗蚀剂构图、蚀刻、机械加工的顺序来进行。如果先实施机械加工，则不能通过抗蚀剂构图和蚀刻来形成具有大致平坦的底面的槽。如果在抗蚀剂构图之后且蚀刻之前对抗蚀剂进行机械加工，则会产生在抗蚀剂上通过机械加工而形成的形状会因蚀刻而变形等问题，模具形状的精度劣化。使用上述模具，例如可以通过注射成型来大量制造光学元件。与图2的(e)同样，图3是示出机械加工之后的衬底的与周期性结构的长度方向以及加工之前的衬底的表面垂直的截面的视图。在衬底100的第一区域101形成有底面大致平坦的槽，在第一区域101以外的第二区域103形成有周期结构。作为一例，周期性结构对应于衍射光栅。另外，周期结构由与第一区域101的槽的底面不平行的面构成。图4是表示利用具有图3所示那样的截面的模具成形的光学元件的一例的图。光学元件100'的与第一区域101对应的第一部分101'是平坦的面。光学元件100'的与第二区域103对应的第二部分103'是衍射光栅。当通过光学元件100'向某一面照射光时，第一部分101'使光线不产生衍射地透过，作为衍射光栅的第二部分103'使光衍射，因此在该面上具有与第一部分101'的形状对应的形状的区域101"的照度比其周围高。因此，在该面上，能够识别与第一部分101'的形状对应的形状的区域101"。接着，对第二区域103的机械加工进行说明。图5是用于说明使用矩形金刚石刀具的拉切加工的视图。在图5中，通过在使矩形金刚石工具201直线移动的同时切割衬底100，形成截面形状与刀尖形状相同的槽。将这样的加工方法称为拉切加工。作为一例，在截面为v字型的刀的张角为5度的情况下，如果表面上的槽的宽度为10微米，则槽的深度约为1微米。图6是矩形金刚石工具201的刀尖的照片。图7是用于说明基于金刚石球头立铣刀的加工的图。在图7中，通过一边使金刚石球头立铣刀203旋转一边切削衬底100而形成规定的形状。球头立铣刀203的刀尖的曲率半径的最小值为15微米。另外，在刀尖的曲率半径为15微米的球头立铣刀中，将旋转速度设为60000次每分钟，进给速度被限制为10毫米每分钟。图8是金刚石球头立铣刀203的刀尖的照片。对拉切加工和球头立铣刀的加工进行比较。第一，由于球头立铣刀的刀尖的曲率半径的最小值约为15微米，因此在槽的宽度小于30微米的情况下，通过球头立铣刀的加工无法形成槽。因此，在槽的宽度小于30微米的情况下，通过拉切加工形成槽。第二，从加工效率的观点出发，进给速度快的拉切加工是有利的。第三，根据使用矩形金刚石刀具的拉切加工，作为一例，圆角r被设定为能够控制在5微米以下的范围内。另一方面，使用金刚石球头立铣刀时的圆角r成为刀尖的曲率半径的最小值以上、即15微米以上。这样，能够通过拉切加工来形成利用球头立铣刀不能形成的比15微米小的圆角r的u字状的槽。图9是表示通过拉切加工形成的直线状的槽的与长度方向垂直的截面的图。图9的(a)示出了以一定间隔配置的槽，图9的(b)表示以随机间隔配置的槽。图10是用于说明通过具有图9的(a)所示的以一定间隔配置的槽的模具成形出的衍射光栅的功能的图。如果用d表示衍射光栅的周期即槽的间隔，用θ表示衍射角度，用n表示衍射级，用λ表示光的波长，则以下的关系成立。衍射角度是指衍射后的光线相对于衍射前的光线的角度。在图10中，衍射前的光线垂直入射到形成槽之前的衬底的面上。另外，在图10中，衍射角度以逆时针方向为正，衍射级的符号与衍射角度的符号一致。[数学式1]dsinθ＝nλ表1示出了衍射级从±1到±3的衍射光的衍射角。光的波长λ和衍射光栅的周期d如下。λ＝546nm，d＝2000nm[表1]衍射级n546nm的衍射角度-3-57.1°-2-34.1°-1-16.3°00°116.3°234.1°357.1°表2示出了衍射级从±1到±3的衍射光的衍射效率。[表2]衍射级n546nm的衍射效率-37.0％-28.5％-17.6％03.8％158.6％26.1％31.3％像这样入射到衍射光栅的光线几乎都是以规定的衍射角度衍射而不会直线前进，因此，如图4所示，在经由光学元件照射某个面的情况下，由通过光学元件的部分101'的光线在该面上形成照度比周围高的区域101"。图11是表示具备第一区域和第二区域的模具的、第二区域的与衍射光栅对应的形状的槽的各种方式的图。与图11的(a)的衍射光栅对应的形状的多个槽是直线状。与图11的(b)的衍射光栅对应的形状的多个槽是同心圆状。与图11的(c)的衍射光栅对应的形状的多个槽是放射线状。与图11的(d)的衍射光栅对应的形状的多个槽是平缓的曲线状。通过改变衍射光栅的槽的形态，在经由光学元件照射某个面的情况下，能够改变该面中的照度高的区域101"以外的区域的基于照度的变化的图案。图12是表示与在衬底的第二区域中机械加工出的微棱镜阵列对应的形状的图。图12的(a)是表示形成有第一槽的第一区域和机械加工出了与微棱镜阵列对应的形状的第二区域的图。第二区域的对应于微棱镜阵列的形状由不与第一区域的槽的底面平行的面形成。图12的(b)是机械加工出了与微棱镜阵列对应的形状的第二区域的放大图。在衬底的第二区域中，通过拉切加工在第一方向上以规定的周期形成多个槽，通过拉切加工在与第一方向不同的第二方向上以该规定的周期形成多个槽，由此能够制造与由四棱锥构成的微棱镜阵列对应的形状。另外，可以在衬底面上利用拉切加工在互不相同的三个方向上以规定的周期形成多个槽，从而制造出与由三棱锥构成的微棱镜阵列对应的形状。为了在衬底面上形成各种方向的槽，作为一例，可以在具有角度分度功能的旋转台上安装衬底，通过角度分度功能确定槽的方向，通过拉切加工形成槽。在通过具有微棱镜阵列的光学元件照射某个面的情况下，通过微棱镜阵列引起的光的漫射，能够调整该面中的照度较高的区域101"以外的区域的照度，该光学元件通过具有与上述微棱镜阵列对应的形状的模具制造出。图13是示出与在衬底的第二区域中机械加工出的微透镜阵列对应的形状的图。图13的(a)是示出了形成有第一槽的第一区域和机械加工出了与微透镜阵列相对应的形状的第二区域的图。第二区域的与微透镜阵列对应的形状由不与第一区域的槽的底面平行的面构成。图13的(b)是机械加工出了与微透镜阵列对应的形状的第二区域的放大图。在衬底的第二区域中，通过使用金刚石球头立铣刀实施超精密铣削加工，能够制造出与微透镜阵列对应的形状。金刚石球头立铣刀的刀尖的曲率半径的最小值如上所述为15微米。在经由具有微透镜阵列的光学元件照射某个面的情况下，通过微透镜阵列的光的漫射，可以调节该面上除照度较高的区域101"之外的区域的照度，该光学元件通过上述的具有与微透镜阵列对应的形状的模具制造出。图14是表示通过本发明的制造方法制造的模具的afm(原子力显微镜)像的图。图15是表示通过本发明的制造方法制造出的具有周期结构的模具的截面的afm(原子力显微镜)像的图。周期结构的周期为2.0微米，周期结构深度为0.76微米。上述截面是与周期结构的光栅的重复方向垂直的截面。第一槽的底面的宽度为7.5微米，小于上述周期结构的周期。另外，周期结构由不与第一槽的底面平行的面构成。当前第1页12