JP2006205332A - 微細構造体、その製造方法、その製造に使用されるマスター型、及び発光機構 - Google Patents

Abstract

【課題】微細かつ所望の寸法を有する多数の凹部と壁部とが形成され、壁部が高アスペクト比を有する微細構造体を提供する。
【解決手段】楕円振動切削加工を使用して、所望の寸法と高いアスペクト比とを有する多数の溝部が形成され、微細構造体１１が反転された寸法形状を有するマスター型が製造される。各々Ｎｉめっきにより、マスター型を使用して微細構造体１１と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成し、１次複製型を使用して微細構造体１１が反転された寸法形状を有する２次複製型８を形成する。そして、この２次複製型８にＴａめっきを施して、所定の寸法形状からなる複数の凹部１２と、凹部１２の間において所望の寸法及び高いアスペクト比を有する壁部１３とが設けられた微細構造体１１を製造する。
【選択図】図２

Description

本発明は、１又は複数の一定の波長の光を選択的に発する特性を有する微細構造体と、その製造方法と、その製造に使用されるマスター型と、微細構造体を利用した発光機構とに関するものである。

一定の波長の光を選択的に発する特性を有する微細構造体について、図７を参照して説明する。なお、以下の説明において使用するいずれの図についても、わかりやすくするために、適宜省略し又は誇張して模式的に描かれている。図７（１）は本発明に係る微細構造体を示す斜視図、図７（２）はその微細構造体を示す平面図、図７（３）は図７（２）の微細構造体をＡ−Ａ線に沿って示す断面図である。図７の微細構造体５１には、一定の寸法を有する凹部５２が規則的に形成されている。この凹部５２は、各部分の寸法が、例えば、正方形である開口部５３の一辺の寸法ＬＡが０．３５μｍ、深さ寸法Ｄが７μｍ、凹部５２の間における壁部５４の厚さ寸法Ｔが０．１５μｍになるようにして、形成されている。そして、このような微細構造体５１をタングステンによって形成し、その微細構造体５１をフィラメントとして使用して白熱電球を構成することが提案されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。この構成によれば、凹部５２における赤外線の輻射が選択的に抑制されるので、フィラメント全体として可視光線が選択的に輻射される白熱電球が実現される。また、この構成において寸法ＬＡ，Ｄ，Ｔを適当に定めることによって、フィラメントからの赤外線の輻射が選択的に抑制される白熱電球、又は、フィラメントから可視光線が選択的に輻射される白熱電球が実現される。

上述の微細構造体を製造する従来の方法のうち、第１の方法として、リソグラフィー技術とめっき技術とを基本とするとともに、シンクロトロン装置から放射されるＸ線を使用したＬＩＧＡプロセスが使用されている（例えば、非特許文献２参照）。この方法を、図８を参照して説明する。図８（１）−（６）は、リソグラフィー技術を使用して微細構造体製造用のマスター型を製造する従来の技術における、レジスト塗布、露光、現像、めっき、及びレジスト除去の各工程と完成したマスター型とをそれぞれ示す断面図である。

この第１の方法によれば、前工程として、リソグラフィー技術とめっき技術とを使用して、微細構造体の製造に使用されるマスター型を製造する。まず、図８（１）に示すように、シリコンからなる基板５５の上に、感光性を有するレジスト（以下「レジスト」という。）５６を数μｍの厚さに塗布する（塗布工程）。次に、図８（２）に示すように、所望のパターン５７が描画されたマスク（フォトマスク）５８をレジスト５６の上方に配置して、そのマスク５８を介してレジスト５６に、シンクロトロン装置から放射されるＸ線ＸＲを照射する（露光工程）。次に、図８（３）に示すように、基板５５におけるレジスト５６が塗布された面を現像液に浸漬する（現像工程）。これによって、レジスト５６のうち未露光部分５９が現像液に溶解するので、基板５５の上には未露光部分５９に対応する凹部６０を有するレジストパターン６１が形成される。次に、図８（４）に示すように、レジストパターン６１が形成された基板５５にめっき（電鋳）を施す（めっき工程）。これにより、金属（例えば、Ｎｉ）が凹部６０に充填されるとともにレジストパターン６１の上部に堆積して、その金属からなるマスター型６２が形成される。このマスター型６２は、製造しようとする微細構造体が反転された寸法形状を有する。次に、図８（５）に示すように、レジストパターン６１を除去する（レジスト除去工程）。次に、基板５５からマスター型６２を剥離することにより、図８（６）に示されたマスター型６２を完成させる。

次に、第１の方法における後工程として、以下のようにして微細構造体を形成する。まず、めっき用の型として、微細構造体が反転された寸法形状を有するマスター型６２を使用して、微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成する。ここで、本出願書類では、「同一の寸法形状」とは「ほぼ同一の寸法形状」を意味する。次に、めっき用の型として１次複製型を使用して、微細構造体が反転された寸法形状を有する２次複製型を形成する。次に、その２次複製型を使用して、めっきにより微細構造体を形成した後に、２次複製型から微細構造体を剥離する。これによって、マスター型６２が反転された寸法形状を有する微細構造体（図７参照）が完成する。この方法によれば、Ｘ線光源としてシンクロトロン装置という限られた装置が必要になるので、マスター型を製造する際の製造コストが大きくなるという問題がある。

また、微細構造体を製造する第２の方法として、製造コストを低減する目的で、上述のＸ線に代えて紫外線を使用したＵＶ−ＬＩＧＡプロセスが提案されている。この方法によれば、最小寸法がサブミクロンであって高いアスペクト比（この場合には微細構造体５１の壁部５４の高さ（＝Ｄ）と厚さＴとの比）を有する微細構造体を形成することが困難であるという問題がある。その理由は、高アスペクト比を有する微細構造体を形成する目的でレジストを厚く塗布し、そのレジストに紫外線を照射し、照射されたレジストを現像した場合に、薄くて高いレジストパターン（図８（３）のレジストパターン６１参照）が安定して残存しにくいからである。したがって、フィラメントから赤外線の輻射が選択的に抑制され、又は、可視光線が選択的に輻射される白熱電球を実現することが困難である。加えて、第１の方法と第２の方法とによれば、所望のパターン５７が描画されたマスク５８を使用してマスター型６２を製造する。これにより、微細構造体５１の寸法形状を変更する場合には、パターン５７を変更して新たなマスク５８を製作しなければならない。したがって、寸法形状を変更した微細構造体５１を製造する際に、時間と製造コストとが必要になる。

また、微細構造体を製造する第３の方法として、自己組織化と呼ばれる方法が提案されている。この方法は、まず、微細穴を形成する対象となる金属体の表面に、レジストとして機能する、例えばアルミニウムからなる金属層を形成する。次に、このレジスト用金属層の表面を陽極酸化処理して、多数の微細穴を有する陽極酸化皮膜を形成する。次に、この陽極酸化皮膜をレジストとして、そのレジストが形成された金属体に対してエッチング処理を行う。このことにより、金属体に微細穴を形成する（例えば、特許文献２参照）。この方法によれば、レジスト用金属層の表面を陽極酸化処理して多数の微細穴を有する陽極酸化皮膜を形成する際に、微細穴のサイズや深さを均一化することが困難であるという問題がある（例えば、特許文献２の図３，図４参照）。その理由は、微細穴のサイズや深さは、陽極酸化処理を行う際の印加電圧、電解液の種類・濃度・温度、陽極酸化時間等に依存するので、これら複数のパラメーターを最適に制御することは困難だからである。したがって、フィラメントから赤外線の輻射が選択的に抑制され、又は、可視光線が選択的に輻射される白熱電球を実現することが困難である。
特開平３−１０２７０１号公報（第５−７頁、第４Ａ−４Ｂ図） 特開平６−００２１６７号公報（第３−４頁、図１−図４） 川合知二監修、「図解 ナノテク活用技術のすべて」、初版、株式会社工業調査会、２００２年１１月２７日、ｐ．２４１ 田畑修、「マイクロシステムと放射Ｘ線応用３次元微細加工技術」、成形加工、社団法人プラスチック成形加工学会、２００３年４月、第１５巻，第４号、ｐ．２４７−２４９

本発明が解決しようとする課題は、微細かつ所望の寸法を有する多数の凹部と壁部とが形成され壁部が高アスペクト比を有する微細構造体と、その製造方法と、その製造に使用されるマスター型と、その微細構造体を利用した発光機構とを提供することである。

上述の課題を解決するために、本発明に係る微細構造体（１１）は、少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２）と該凹部（１２）の間における壁部（１３）とが設けられ、凹部（１２）の寸法形状に基づいて面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体（１１）であって、機械的加工によって形成されたマスター型（１）に基づいて形成されており微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する成形型（８）に対して成膜された金属製部材からなることを特徴とする。

また、本発明に係る微細構造体（１１）は、上述の微細構造体（１１）において、マスター型（１）は微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有しており、成形型（８）は、マスター型（１）を使用して微細構造体（１１）と同一の寸法形状を有する１次複製型（５）を形成した後に該１次複製型（５）を使用して形成されており微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する２次複製型（８）からなるとともに、機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする。

また、本発明に係る微細構造体（１１）の製造方法は、少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２）と該凹部（１２）の間における壁部（１３）とが設けられ、凹部（１２）の寸法形状に基づいて面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体（１１）の製造方法であって、微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有するマスター型（１）を準備する工程と、マスター型（１）を使用して微細構造体（１１）と同一の寸法形状を有する１次複製型（５）を形成する工程と、１次複製型（５）を使用して微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する２次複製型（８）からなる成形型（８）を形成する工程と、成形型（８）に対して成膜することによって金属製部材を形成する工程と、成形型（８）から金属製部材を剥離することによって該金属製部材からなる微細構造体（１１）を形成する工程とを備えるとともに、マスター型（１）は機械的加工によって製造されたことを特徴とする。

また、本発明に係る微細構造体（１１）の製造方法は、上述の微細構造体（１１）の製造方法において、機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする。

また、本発明に係るマスター型（１）は、少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２）と該凹部（１２）の間における壁部（１３）とが設けられ、凹部（１２）の寸法形状に基づいて面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体（１１）を製造する際に使用されるマスター型（１）であって、微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有し、機械的加工によって反転された寸法形状が形成されているとともに、微細構造体（１１）は、微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する成形型（８）に対して成膜されることによって形成され、成形型（８）は、マスター型（１）を使用して微細構造体（１１）と同一の寸法形状を有する１次複製型（５）を形成した後に該１次複製型（５）を使用して形成されており微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する２次複製型（８）からなることを特徴とする。

また、本発明に係るマスター型（１）は、上述のマスター型（１）において、機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする。

また、本発明に係る発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）は、少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２，２３，２７）と該凹部（１２，２３，２７）の間における壁部（１３，２４，２８）とが設けられ、凹部（１２，２３，２７）の寸法形状に基づいて面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体（１１）を使用した発光機構であって、微細構造体（１１）は、機械的加工によって形成されたマスター型（１）に基づいて形成され微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する成形型（８）に対して成膜されることによって形成された金属製部材からなり、微細構造体（１１）が加熱されることによって面から光が選択的に輻射又は反射されることを特徴とする。

また、本発明に係る発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）は、上述の発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）において、マスター型（１）は微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有しており、成形型（８）は、マスター型（１）を使用して微細構造体（１１）と同一の寸法形状を有する１次複製型（５）を形成した後に該１次複製型（５）を使用して形成されており微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する２次複製型（８）からなるとともに、機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする。

本発明によれば、所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２）とそれらの凹部（１２）の間における壁部（１３）とが形成された微細構造体（１１）が、次のようにして得られる。まず、機械的加工によって微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有するマスター型（１）を製造し、そのマスター型（１）に基づいて微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する成形型（８）を形成し、その成形型（８）にめっきを施すことによって微細構造体（１１）が形成される。これにより、微細構造体（１１）に形成された壁部（１３）が、機械的加工によって形成されたマスター型（１）の溝部（４）に対応する。したがって、機械的加工によってマスター型（１）の溝部（４）のアスペクト比を高くすることができるので、所望の寸法と高いアスペクト比とを有する壁部（１３）が形成された微細構造体（１１）が得られる。また、機械的加工によってマスター型（１）の寸法形状を決定するので、微細構造体（１１）における複数の凹部（１２）とそれらの凹部（１２）の間における壁部（１３）との寸法形状が容易に変更される。更に、楕円振動切削加工を使用してマスター型（１）を製造することによって、高精度で所望の寸法と高いアスペクト比とを有する壁部（１３）が形成された微細構造体（１１）が得られる。加えて、そのような微細構造体（１１）を製造する製造方法を提供することができる。

また、本発明によれば、機械的加工によってマスター型（１）の寸法形状を決定するので、高いアスペクト比を有する壁部（１３）が形成された微細構造体（１１）の製造に適した、所望の寸法と高いアスペクト比とを有する多数の溝部（４）を有するマスター型（１）が得られる。また、楕円振動切削加工を使用してマスター型（１）が製造されるので、高精度で所望の寸法と高いアスペクト比とを有する溝部（４）が形成されたマスター型（１）が得られる。更に、マスター型（１）を製造する際の製造コストが低減される。

また、本発明によれば、発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）が、上述した微細構造体（１１）を含んでいる。これにより、所望の波長に応じた最適な寸法形状を有する発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）が、短い時間かつ低い製造コストで製造される。したがって、所望の波長を有する光を発する発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）が得られる。また、リソグラフィー技術によって製造されたマスター型（１）を使用して発光機構を製造する場合に比べて、発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）が発する光の波長が容易に設定される。

楕円振動切削加工を使用して、所望の寸法と高いアスペクト比とを有する多数の溝部（４）が形成され、微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有するマスター型（１）が製造される。このマスター型（１）を使用して微細構造体（１１）と同一の寸法形状を有する１次複製型（５）を形成し、１次複製型（５）を使用して微細構造体（１１）が反転された寸法形状を有する成形型（８）を形成する。そして、この成形型（８）にめっきを施して、所定の寸法形状からなる複数の凹部（１２）と該凹部（１２）の間における壁部（１３）とが設けられた微細構造体（１１）を製造する。また、こうして製造された微細構造体（１１）を使用して、凹部（１２，２３，２７）と壁部（１３，２４，２８）とが設けられた面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する発光機構（２０，２５，２９，３１，３４，３６）が得られる。

実施例１として、本発明に係る微細構造体、その製造方法、及びその製造に使用されるマスター型について、図１，図２を参照して説明する。本発明に係る微細構造体は、機械的加工により形成されたマスター型に基づいて形成された成形型であってその微細構造体が反転された寸法形状を有する成形型を使用して、その成形型にめっきが施されることによって形成された金属製部材からなることを特徴とする。図１（１）は本実施例に係るマスター型を示す斜視図、図１（２）はマスター型から１次複製型を形成する工程を示す断面図、図１（３）は１次複製型から２次複製型を形成する工程を示す断面図である。図２（１）は２次複製型にめっきを施して金属製部材を形成する工程を、図２（２）は２次複製型から金属製部材を剥離する工程を、図２（３）は完成した微細構造体をそれぞれ示す断面図である。なお、本実施例では、微細構造体は、図７（３）に示された微細構造体５１と同一の寸法形状を有するものとする。

図１（１）に示されているように、本発明に係るマスター型１は、厚板状のベース部２と、平面視した場合に格子状に配列され互いに同一の寸法形状を有する直方体状の突起部３と、それらの突起部３の間に設けられ互いに同一の寸法形状を有する溝部４とを有している。このマスター型１は、溝部４が微細かつ均一な寸法と高いアスペクト比（この場合には溝部４の深さ（＝Ｈ）と幅Ｗとの比）とを有するようにして、Ｎｉ−Ｐめっき材料やアクリル系樹脂材料等に直接機械的加工を施すことによって形成される（後述）。また、マスター型１は、製造しようとする微細構造体が反転された寸法形状を有するようにして形成されている。そして、突起部３と溝部４とは、各部分の寸法が、例えば、突起部３の平面形状である正方形の一辺の寸法ＬＭが０．３５μｍ、高さ寸法Ｈが７μｍ、溝部４の幅寸法Ｗが０．１５μｍになるようにして、形成されている。

マスター型１を使用して本発明に係る微細構造体を製造する製造方法について、図１と図２とを参照して説明する。まず、図１（２）に示すように、めっき用の型としてマスター型１を使用して、Ｎｉめっきによりマスター型１に対してＮｉを成膜して、微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型５を形成（成膜）する。この１次複製型５は、マスター型１が反転された寸法形状を有するとともに、マスター型１の突起部３と溝部４とにそれぞれ対応して形成された溝部６と突起部７とを有する。その後に、マスター型１から１次複製型５を剥離する。ここで、Ｎｉめっきによって形成された１次複製型５がマスター型１の表面から剥離しやすいように、マスター型１の表面に予め適当な表面処理（例えば、Ａｕめっき等）を施しておくことが好ましい。この点については、めっき用の型としてこの後に使用する型、例えば、１次複製型５等の表面においても同様である。この工程によれば、マスター型１における溝部４のアスペクト比（溝部４の深さ（＝Ｈ）と幅Ｗとの比）を高くしておくことによって、１次複製型５における突起部７のアスペクト比（突起部７の高さと厚さとの比）を高くすることができる。

次に、図１（３）に示すように、めっき用の型としてマスター型１が反転された寸法形状を有する１次複製型５を使用して、Ｎｉめっきにより１次複製型５に対してＮｉを成膜して、マスター型１と同一の寸法形状（すなわち、微細構造体が反転された寸法形状）を有する２次複製型８を形成（成膜）する。その後に、１次複製型５から２次複製型８を剥離する。この２次複製型８は、マスター型１と同一の寸法形状を有するとともに、マスター型１の突起部３と溝部４とにそれぞれ対応して形成された突起部９と溝部１０とを有する。そして、２次複製型８は、微細構造体（後述）を成形するための成形型として機能する。この工程によれば、１次複製型５における突起部７のアスペクト比を高くしておくことによって、２次複製型８における溝部１０のアスペクト比を高くすることができる。

次に、図２（１）に示すように、めっき用の型としてマスター型１と同一の寸法形状を有する２次複製型８を使用して、めっきにより２次複製型８に対して金属を成膜して、マスター型１が反転された寸法形状を有する微細構造体１１を形成（成膜）する。したがって、この微細構造体１１は、マスター型１が反転された寸法形状を有するとともに、マスター型１の突起部３と溝部４とにそれぞれ対応して形成された凹部１２と壁部１３とを有する。この工程によれば、２次複製型８における溝部１０のアスペクト比を高くしておくことにより、微細構造体１１における壁部１３のアスペクト比を高くすることができる。したがって、機械的加工を使用してマスター型１における溝部４のアスペクト比を高くしておくことによって、微細構造体１１において高いアスペクト比を有する壁部１３が形成される。なお、この工程において使用するめっき材料としては、高融点材料であるＴａ，Ｎｂ，Ｗ，Ｔｉ，Ｍｏ等が考えられる。めっきのしやすさを考えると、これらの材料のうちＴａを使用することが好ましい。

次に、図２（２）に示すように、２次複製型８から微細構造体１１を剥離する。これにより、図２（３）に示されているように、マスター型１が反転された寸法形状を有する、本発明に係る微細構造体１１が完成する。したがって、微細構造体１１における凹部１２の一辺の寸法ＬＡと、壁部１３の厚さ寸法Ｔと、凹部１２の深さ寸法Ｄとは、マスター型１における各部分の寸法に対して次のような関係になる。まず、凹部１２の一辺の寸法ＬＡは、ＬＡ＝マスター型１の突起部３の一辺の寸法ＬＭ＝０．３５μｍである。また、厚さ寸法Ｔは、Ｔ＝マスター型１の溝部４の幅寸法Ｗ＝０．１５μｍである。また、深さ寸法Ｄは、Ｄ＝マスター型１の突起部３の高さ寸法Ｈ＝７μｍである。ここで、微細構造体１１におけるこれらの寸法ＬＡ，Ｔ，Ｄについては、機械的加工によってマスター型１を製造する際に、マスター型１における各部分の寸法ＬＭ，Ｗ，Ｈを適当な値に設定することにより、容易に変更することができる。そして、寸法ＬＭ，Ｗ，Ｈの設定については、加工する際の加工軸の位置を変更することにより、ｎｍオーダーで行うことができる。

ここで、機械的加工によりマスター型を製造する製造方法について、図３，図４を参照して説明する。図３（１）は図１（１）のマスター型を製造する際に使用される工具の先端部を、図３（２）はその工具の動作を、それぞれ示す斜視図である。図４（１）と図４（２）とは、マスター型を製造する際に工具が材料に押し付けられる場合と引き離される場合との作用をそれぞれ示す部分断面図である。図３（１）に示されているように、マスター型の製造に使用される工具１４は、ほぼ直方体状の先端部１５を有するダイヤモンド工具であって、その先端部１５には適当な逃げ角ａが設けられている。この工具１４は、切削加工を行う適当な工作機械に取り付けられている。工作機械としては、例えば、特開２０００−５２１０１号公報に示されているような、いわゆる楕円振動切削加工を行う工作機械を使用することができる。この工作機械は、工具１４が取り付けられた柱状部材からなる振動子（図示なし）に対して、振動子の軸方向にそれぞれ直交する２方向であって互いに直交する２方向に、２個の圧電素子（図示なし）を使用してそれぞれたわみ振動を与えて、これにより工具を楕円振動させる。また、精密な加工を実現するためには、楕円振動の周波数を、超音波領域の周波数（例えば１７ｋＨｚ以上）に設定して切削することが好ましい。

工具１４の動作を、図３を参照して説明する。図３（２）に示すように、まず、移動機構（図示なし）によって所定の切削速度で切削方向Ａｄに被削材１６を移動させながら、被削材１６と工具１４の先端部１５とを接触させる。ここで、工具１４は、振動子によって生成される周期的な軌跡１７を描いて楕円振動している。そして、被削材１６の移動方向（切削方向Ａｄ）は、一方の圧電素子が生成するねじり振動の方向であるＹ方向と同一である。また、被削材１６の切削される面は、他方の圧電素子が生成するねじり振動の方向であるＸ方向に垂直である。

次に、工具１４が、リボン状の切りくず１８Ａを生成しながら被削材１６を切削する。ここで、工具１４の先端部１５は軌跡１７を描いて楕円振動しているので、その先端部１５の運動は、被削材１６の切削される面に垂直な背分力方向Ｂｄと、切削方向Ａｄと同方向の主分力方向Ｃｄとに分解される。先端部１５における楕円振動のこれら２方向の成分により、工具１４が切取り厚さ１９だけ被削材１６を切削することになる。

工具１４が被削材１６を切削する際の作用について、図４を参照して、被削材１６に対して工具１４が押しつけられる場合と引き離される場合とに分けて説明する。まず、図４（１）に示すように、軌跡１７に従って、工具１４を、背分力方向Ｂｄ（図の右方向）と主分力方向Ｃｄ（図の上方向）とが合成された方向に移動させる。これにより、工具１４を被削材１６に押し当てて、被削材１６を主分力方向Ｃｄに向かって切削する。

次に、図示は省略するが、図４（１）の状態から引き続いて、軌跡１７に従って、工具１４を図の上方向と左方向とが合成された方向に移動させる。これにより、工具１４を被削材１６に押し当てて被削材１６を切削しながら、被削材１６から工具１４を図の左方向に引き離す。したがって、工具１４により被削材１６を切削し、その切削によって発生したリボン状の切りくず１８Ａを引き出して流出方向Ｄｄに流出させることになる。

次に、図４（２）に示すように、軌跡１７に従って、工具１４を背分力方向Ｂｄ（図の左方向）と主分力方向Ｃｄ（図の下方向）とが合成された方向に移動させる。これによって、被削材１６から工具１４を引き離す。したがって、図４（１）と図４（２）との間の状態、言い換えれば工具１４が被削材１６に接触している間は、リボン状の切りくず１８Ａが引き出される。また、工具１４が被削材１６から離れた後には被削材１６と工具１４との間に間隙が生じるので、切削により発生した粒子状の切りくず１８Ｂが、工具１４の近傍に供給された切削油（図示なし）によって排出される。また、切削する際に発生した摩擦熱が切削油によって奪われるので、工具１４が効果的に冷却される。

次に、図示は省略するが、図４（２）の状態から引き続いて、軌跡１７に従って、工具１４を図の下方向と右方向とが合成された方向に移動させる。これにより、被削材１６に向かって工具１４を接近させ、再び接触させる。以下、図４（１）の状態に戻り、切削を再開する。上述の工程を繰り返すことによって、工具１４が楕円振動しながら、被削材１６に切削加工を施すことになる。ここで、所定の電気信号に基づいて、移動機構（図示なし）により被削材１６の送り方向を制御すれば、図１の溝部４について曲線を含む任意のパターンを、被削材１６に形成することができる。

本発明に係る微細構造体、及びその製造方法によれば、それぞれＮｉめっきによって、マスター型１を使用して１次複製型５を形成し、１次複製型５を使用して２次複製型８を形成する。そして、Ｔａめっきにより、２次複製型８を使用して微細構造体１１を形成する。また、マスター型１は、機械的加工である楕円振動切削加工によって、微細かつ均一な寸法を有する多数の突起部３と溝部４とが形成されるようにして、かつ、それらの溝部４が高いアスペクト比（溝部４の深さ（＝Ｈ）と幅Ｗとの比）を有するようにして、製造される。これらにより、次のような効果が得られる。第１に、微細構造体１１を製造する際に使用されるマスター型１が、シンクロトロン装置から放射されるＸ線を使用することなく製造されるので、マスター型１を製造する際の製造コストが低減される。第２に、微細かつ均一な寸法と高いアスペクト比とを有する多数の溝部４が形成されたマスター型１が機械的加工によって製造され、そのマスター型１に基づいてＮｉめっきを使用して１次複製型５と２次複製型８とを順次形成し、その２次複製型８に基づいてＴａめっきを使用して微細構造体１１を形成する。したがって、微細かつ均一な寸法を有する多数の凹部１２と壁部１３とが一括して形成されるとともに、壁部１３が高いアスペクト比（壁部１３の高さ（＝Ｄ）と厚さＴとの比）を有する微細構造体１１が製造される。第３に、マスター型１の溝部４と突起部３とに関する寸法、すなわち図１の寸法ＬＭ，Ｗ，Ｈを、材料に直接機械的加工を施すことによって容易に変更することができる。したがって、微細構造体１１において、凹部１２と壁部１３とに関する寸法、すなわち図２の寸法ＬＡ，Ｔ，Ｄを容易に変更することができるとともに、その際の時間と製造コストとを抑制することができる。

また、本実施例に係るマスター型１を製造する際には、楕円振動する工具１４が被削材１６に断続的に接触することにより、被削材１６が切削加工されて溝部４が形成される。したがって、工具１４と被削材１６との接触時間が短くなり、かつ、接触していない状態が生じる。また、楕円振動する工具１４がリボン状の切りくず１８Ａを引き出すので、被削材１６と工具１４との間の摩擦抵抗が減少する。また、工具１４が被削材１６に接触していない状態において、粒子状の切りくず１８Ｂが排出されやすくなる。これらにより、次の効果が得られる。第１に、工具１４が被削材１６に切削加工を施す際の加工抵抗が減少する。これによって、溝部４の間の残り部分（図１の突起部３）においてばりや崩れ等の発生が抑制されるとともに、微細かつ均一な寸法と高いアスペクト比とを有する多数の溝部４が得られる。したがって、工具１４の破損を防止しながら、これらの多数の溝部４を有するマスター型１が製造される。また、第２に、工具１４と被削材１６との接触時間が短くなるとともに接触していない状態が生じるので、工具１４が効果的に冷却される。したがって、工具１４の長寿命化を図りながらマスター型１が製造される。第３に、マスター型１において、溝部４と突起部３とに関する寸法、すなわち図１の寸法ＬＭ，Ｗ，Ｈを容易に変更することができるとともに、その際の時間と製造コストとを抑制することができる。

なお、ここまでの説明における楕円振動の振幅は、切削加工するパターン（図１の溝部４）の寸法精度、工具１４の材質、被削材１６の被削性等に基づいて、適当に定めればよい。その際に、例えば、楕円振動の振幅を、切込み深さ（切込み量）に比較して、同等〜１／３程度の値をとることができる。また、回転振動の軌跡１７を楕円とした。これに限らず、工具１４を、楕円の特殊な場合である真円を描いて回転振動させてもよい。

また、楕円振動する工具１４に対して被削材１６を移動させることにより、被削材１６を切削加工した。これに限らず、固定された被削材１６に対して楕円振動する工具１４を移動させてもよく、工具１４と被削材１６との双方を移動させてもよい。また、工具１４を回転振動させたが、これに限らず、被削材１６が固定されたステージ（図示なし）を回転振動させることもできる。

また、振動子に対して、その軸方向にそれぞれ直交する２方向であって互いに直交する２方向に、２個の圧電素子を使用してそれぞれたわみ振動を与えて、これにより工具を楕円振動させた。楕円振動切削加工を行う工作機械としては、たわみ振動以外の２方向の振動を振動子に与えることによって工具を楕円振動させる工作機械を使用してもよい。

また、楕円振動切削加工によって、マスター型１に直方体状の突起部３を格子状に形成した。突起部３の形状は、円柱状や角柱状（例えば、６角柱状）であってもよい。また、突起部３の配置については、格子状以外の配置、例えば、市松模様状の配置であってもよい。

また、Ｎｉめっきによって１次複製型５と２次複製型８とを、Ｔａめっきによって微細構造体１１を、それぞれ形成（成膜）した。めっき材料については、他の金属材料を使用しもよい。また、上述しためっきに代えて、めっき以外の適当な成膜方法、例えば、ＣＶＤを使用して成膜することもできる。

実施例２として、本発明に係る発光機構について、図５，図６を参照して説明する。図５（１）−（４）と図６（１）−（２）とは、本実施例に係る発光機構の具体例をそれぞれ示す断面図である。本実施例に係る発光機構は、実施例１に係る微細構造体から構成され、微細かつ均一な所定の寸法を有する多数の凹部と壁部とを有することを特徴とする。そして、この所定の寸法は、発光機構が選択的に発する光の波長に応じて、最適な値に定められている。なお、ここでいう発光機構が発する「光」には、電磁波としての可視光線だけでなく赤外線、紫外線も含まれ、更に、Ｘ線も含まれ得る。また、「光を発する」とは、「光を輻射する」及び「光を反射する」のいずれをも意味するものとする。

図５（１）に示された発光機構２０は、実施例１に係る微細構造体（図２の微細構造体１１参照）が一定の幅を有し細長い板状又はひも状に加工されたフィラメント２１と、そのフィラメント２１の両端がそれぞれ接続されている導入線２２（図では導入線の端部を示す）とを有する。そして、通常の白熱電球と同様に、フィラメント２１は支持具（図示なし）によって支持され、フィラメント２１と導入線２２とはガラス容器の中に配置されているとともに、ガラス容器には希ガス又はハロゲン元素からなるガスが封入されている（その内部が真空状態になっていてもよい）。また、微細構造体からなるフィラメント２１においては、所定の波長を有する可視光線Ｌ（この場合には単色光）を選択的に輻射するように、凹部２３と壁部２４とに関する寸法が設定されている。この構成によれば、導入線２２を介してフィラメント２１に電流を供給してフィラメント２１を発熱させる（加熱する）ことにより、フィラメント２１から図の上方に向かって、可視光線Ｌが輻射されるとともに赤外線の輻射が抑制される。したがって、可視光線Ｌについて優れた発光効率を有する発光機構２０が得られる。なお、フィラメント２１については、凹部２３と壁部２４とが外側になるようにして、コイル状に形成してもよい。

図５（２）に示された発光機構２５は、図５（１）と同様のフィラメント２１及び導入線２２と、フィラメント２１における可視光線Ｌを輻射しない側（図では下側）の所定の位置に配置され微細構造体からなる反射部材２６とを有する。反射部材２６においては、所定の波長を有する赤外線ＩＲを選択的に輻射するように、凹部２７と壁部２８とに関する寸法が設定されている。また、この反射部材２６は、図示されたように、全体の断面形状がほぼ放物線を描くように湾曲した微細構造体からなり、その放物線の焦点にフィラメント２１がほぼ位置するようにして配置され、フィラメント２１から受け取った赤外線ＩＲを反射する反射鏡として機能する。この構成によれば、導入線２２を介してフィラメント２１に電流を供給してフィラメント２１を発熱させる（加熱する）ことにより、フィラメント２１からは図の上方に可視光線Ｌが輻射されるとともに、図の下方に可視光線（単色光ではない）と赤外線ＩＲとが輻射される。そして、赤外線ＩＲによって加熱された反射部材２６が赤外線ＩＲを選択的に輻射し（言い換えれば反射部材２６によって赤外線ＩＲが反射され）、この赤外線ＩＲがフィラメント２１を更に加熱する。したがって、フィラメント２１からいったん輻射された赤外線ＩＲが再びフィラメント２１を加熱することによって、低い消費エネルギーで同等の発光効率を有する省エネルギー化された発光機構２５が得られる。なお、図５（２）では、フィラメント２１と反射部材２６とが左右方向に延びるようにして描かれている。これに限らず、フィラメント２１と反射部材２６とを手前−奥方向に延びるようにして構成し、フィラメント２１の手前側と奥側との両端に導入線２２を接続してもよい。

図５（３）に示された発光機構２９は、図５（２）と同様のフィラメント２１及び導入線２２と、フィラメント２１の真下にほぼ一定の小さな間隔を置いて配置された反射部材３０とを有する。反射部材３０においても、反射部材２６と同様に、所定の波長を有する赤外線ＩＲを選択的に輻射するように、凹部２７と壁部２８とに関する寸法が設定されている。この構成によっても、赤外線ＩＲによって加熱された反射部材３０が赤外線ＩＲを輻射し（言い換えれば反射部材３０によって赤外線ＩＲが反射され）、この赤外線ＩＲがフィラメント２１を更に加熱する。したがって、フィラメント２１からいったん輻射された赤外線ＩＲが再びフィラメント２１を加熱することによって、低い消費エネルギーで同等の発光効率を有する省エネルギー化された発光機構２９が得られる。

図５（４）に示された発光機構３１は、タングステン線等からなるヒータ３２と、ヒータ３２を取り囲むように設けられた円筒状の輻射部材３３とを有する。ヒータ３２は、図の手前側と奥側との両端においてそれぞれ導入線（図示なし）に接続されている。輻射部材３３においては、図５（１）のフィラメント２１と同様に、所定の波長を有する可視光線Ｌを選択的に輻射するように、凹部２３と壁部２４とに関する寸法が設定されている。この構成によれば、導入線を介してヒータ３２に電流を供給してこれを発熱させる（加熱する）ことにより、ヒータ３２の周方向に向かって可視光線（単色光ではない）と赤外線ＩＲとが輻射される。そして、円筒状の輻射部材３３は、赤外線ＩＲによって内側から加熱されることにより、外側に向かって可視光線Ｌを選択的に輻射する。したがって、低い消費エネルギーで同等の発光効率を有する省エネルギー化された発光機構が得られる。なお、ヒータ３２を、輻射部材３３と同様に円筒状の構成にして、所定の波長を有する赤外線ＩＲを選択的に輻射するように形成された凹部と壁部とを有するようにしてもよい。この場合には、ヒータ３２から赤外線ＩＲが選択的に輻射されるとともに、可視光線の輻射が選択的に抑制される。したがって、赤外線ＩＲによって輻射部材３３が内側から効率的に加熱されるので、いっそう低い消費エネルギーで同等の発光効率を有する発光機構３１が得られる。

図６（１）に示された発光機構３４は、図５（１）の発光機構と同様に、一定の幅を有し細長い板状又はひも状に加工されたフィラメント３５を有する。しかし、図５（１）の発光機構とは異なり、微細構造体からなるフィラメント３５においては、所定の波長を有する赤外線ＩＲを選択的に輻射するように、凹部２７と壁部２８とに関する寸法が設定されている。この構成によれば、導入線２２を介してフィラメント３５に電流を供給してフィラメント３５を発熱させる（加熱する）ことにより、図の上方に向かって、フィラメント３５からは赤外線ＩＲが輻射されるとともに、可視光線の輻射が抑制される。したがって、赤外線ＩＲについて優れた発光効率を有する発光機構３４、言い換えれば優れた発熱効率を有する発熱機構が得られる。

図６（２）に示された発光機構３６は、円筒状の輻射部材３７を有する。この輻射部材３７は、貼り合わされた外側部材３８と内側部材３９とから構成されている。そして、外側部材３８及び内側部材３９の各貼り合わせ面の反対面においては、所定の波長を有する赤外線ＩＲを選択的に輻射するようにして、凹部２７と壁部２８とに関する寸法が設定されている。すなわち、外側部材３７と内側部材３８とは、赤外線ＩＲを選択的に輻射する機能を有する。この構成によれば、輻射部材３７に電流を供給することにより輻射部材３７を発熱させて（加熱して）、その外側と内側とに向かってそれぞれ赤外線ＩＲが輻射される。これにより、内側に向かって輻射される赤外線ＩＲによって輻射部材３７が内側から更に加熱され、加熱された輻射部材３７が外側に向かって赤外線ＩＲを選択的に輻射する。したがって、赤外線ＩＲについて優れた発光効率を有する発光機構３６、言い換えれば優れた発熱効率を有する発熱機構が得られる。なお、輻射部材３７を、外側部材３８と内側部材３９とが貼り合わされた平板状の構成にしてもよい。この構成によれば、内外両面（上下両面）に向かってそれぞれ赤外線ＩＲを輻射する輻射部材が得られる。

本発明に係る各発光機構２０，２５，２９，３１，３４，３６は、図１に示されたマスター型１の溝部４と突起部３とが機械的加工によって製造され、そのマスター型１に基づいてめっきにより形成された微細構造体から構成される。そして、その微細構造体は、マスター型１の溝部４と突起部３とにそれぞれ対応する壁部２４，２８と凹部２３，２７とを有する。これにより、第１に、波長に応じた最適な寸法形状を有する発光機構が、短い時間かつ低い製造コストで製造される。第２に、機械的加工によってマスター型１の寸法（図１の寸法ＬＭ，Ｗ，Ｈ参照）を容易に設定することができる。したがって、リソグラフィー技術を使用して製造されたマスター型を使用する場合に比べて、発光機構が発する光の波長が容易に設定される。第３に、マスター型１の溝部４と突起部３とが機械的加工によって製造されることにより、微細かつ均一な寸法と高いアスペクト比とを有する溝部４と、微細かつ均一な寸法を有する突起部３とが得られる。このことによって、各発光機構２０，２５，２９，３１，３４，３６において、微細かつ均一な寸法と高いアスペクト比とを有する壁部２４，２８と、微細かつ均一な寸法を有する凹部２３，２７とが得られる。したがって、所望の波長を有する光を発する発光機構が得られる。具体的には、発熱量が少なく所望の波長を有する可視光線Ｌを発する発光機構、又は、発する可視光線Ｌの光量が少なく所望の波長を有する赤外線ＩＲを発する発熱機構が得られる。

なお、本実施例で説明したように、可視光線Ｌとして特定の波長を有する単色光を輻射したい場合には、凹部２３と壁部２４とに関する寸法を、その波長に応じた特定の値に設定してマスター型（図１のマスター型１参照）を製造すればよい。加えて、可視光線Ｌとして様々な波長を有する白色光を輻射したい場合には、凹部２３と壁部２４とに関する寸法を、それらの波長に応じた複数の値に設定してマスター型を製造すればよい。このように、発する光の波長を任意に設定できる理由は、次の通りである。すなわち、マスター型１の溝部４と突起部３とが機械的加工を使用して製造されることによって、壁部２４，２８と凹部２３，２７とに関する寸法を均一にすることのみならず、それらの寸法を所望の値にして適度にかつ場所を指定してばらつかせることが可能になるからである。したがって、所望の色分布や階調等を有する光を発する発光機構を製造することもできる。また、様々な波長を有する赤外線ＩＲを輻射又は反射させたい場合において、凹部２７と壁部２８とに関する寸法の設定に関しても同様である。

また、発光機構２０，２５，２９，３４については、各構成要素、すなわち、フィラメント２１，反射部材２６，反射部材３０，フィラメント３５を、面状に構成することもできる。この場合には、機械的加工を使用して微細構造体製造用のマスター型を製造する際に、そのマスター型が所望の面積・形状を有するように加工すればよい。このことによって、優れた発光効率と均一な又は所望の発光特性とを有する面光源としての発光機構、及び、優れた発熱効率と均一な又は所望の発熱特性とを有する面熱源としての発熱機構が得られる。

また、本発明は、上述の各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で、必要に応じて、任意にかつ適宜に組み合わせ、変更し、又は選択して採用できるものである。

図１（１）は実施例１に係るマスター型を示す斜視図、図１（２）はマスター型から１次複製型を形成する工程を示す断面図、図１（３）は１次複製型から２次複製型を形成する工程を示す断面図である。 図２（１）は２次複製型にめっきを施して金属製部材を形成する工程を、図２（２）は２次複製型から金属製部材を剥離する工程を、図２（３）は完成した微細構造体をそれぞれ示す断面図である。 図３（１）は図１（１）のマスター型を製造する際に使用される工具の先端部を、図３（２）はその工具の動作を、それぞれ示す斜視図である。 図４（１）と図４（２）とは、マスター型を製造する際に工具が材料に押し付けられる場合と引き離される場合との作用をそれぞれ示す部分断面図である。 図５（１）−（４）は、実施例２に係る発光機構の具体例をそれぞれ示す断面図である。 図６（１）−（２）は、実施例２に係る発光機構の具体例をそれぞれ示す断面図である。 図７（１）は本発明に係る微細構造体を示す斜視図、図７（２）はその微細構造体を示す平面図、図７（３）は図７（２）の微細構造体をＡ−Ａ線に沿って示す断面図である。 図８（１）−（６）は、リソグラフィー技術を使用して微細構造体製造用のマスター型を製造する従来の技術における、レジスト塗布、露光、現像、めっき、及びレジスト除去の各工程と、完成したマスター型とをそれぞれ示す断面図である。

符号の説明

１ マスター型
２ ベース部
３，７，９ 突起部
４，６，１０ 溝部
５ １次複製型
８ ２次複製型（成形型）
１１ 微細構造体
１２，２３，２７ 凹部
１３，２４，２８ 壁部
１４ 工具
１５ 先端部
１６ 被削材
１７ 軌跡
１８Ａ リボン状の切りくず
１８Ｂ 粒子状の切りくず
１９ 切取り厚さ
２０，２５，２９，３１，３４，３６ 発光機構
２１ フィラメント
２２ 導入線
２６，３０ 反射部材
３２ ヒータ
３３，３７ 輻射部材
３５ フィラメント
３８ 外側部材
３９ 内側部材
Ｌ 可視光線
ＩＲ 赤外線

Claims (8)

1. 少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部と該凹部の間における壁部とが設けられ、前記凹部の寸法形状に基づいて前記面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体であって、
   機械的加工によって形成されたマスター型に基づいて形成されており前記微細構造体が反転された寸法形状を有する成形型に対して成膜された金属製部材からなることを特徴とする微細構造体。
2. 請求項１記載の微細構造体において、
   前記マスター型は前記微細構造体が反転された寸法形状を有しており、
   前記成形型は、前記マスター型を使用して前記微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成した後に該１次複製型を使用して形成されており前記微細構造体が反転された寸法形状を有する２次複製型からなるとともに、
   前記機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする微細構造体。
3. 少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部と該凹部の間における壁部とが設けられ、前記凹部の寸法形状に基づいて前記面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体の製造方法であって、
   前記微細構造体が反転された寸法形状を有するマスター型を準備する工程と、
   前記マスター型を使用して前記微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成する工程と、
   前記１次複製型を使用して前記微細構造体が反転された寸法形状を有する２次複製型からなる成形型を形成する工程と、
   前記成形型に対して成膜することによって金属製部材を形成する工程と、
   前記成形型から前記金属製部材を剥離することによって該金属製部材からなる前記微細構造体を形成する工程とを備えるとともに、
   前記マスター型は機械的加工によって製造されたことを特徴とする微細構造体の製造方法。
4. 請求項３記載の微細構造体の製造方法において、
   前記機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする微細構造体の製造方法。
5. 少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部と該凹部の間における壁部とが設けられ、前記凹部の寸法形状に基づいて前記面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体を製造する際に使用されるマスター型であって、
   前記微細構造体が反転された寸法形状を有し、
   機械的加工によって前記反転された寸法形状が形成されているとともに、
   前記微細構造体は、前記微細構造体が反転された寸法形状を有する成形型に対して成膜されることによって形成され、
   前記成形型は、前記マスター型を使用して前記微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成した後に該１次複製型を使用して形成されており前記微細構造体が反転された寸法形状を有する２次複製型からなることを特徴とするマスター型。
6. 請求項６に記載のマスター型において、
   前記機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とするマスター型。
7. 少なくとも１つの面において所定の寸法形状からなる複数の凹部と該凹部の間における壁部とが設けられ、前記凹部の寸法形状に基づいて前記面から１又は複数の一定の波長を有する光を選択的に発する特性を有する微細構造体を使用した発光機構であって、
   前記微細構造体は、機械的加工によって形成されたマスター型に基づいて形成され前記微細構造体が反転された寸法形状を有する成形型に対して成膜されることによって形成された金属製部材からなり、
   前記微細構造体が加熱されることによって前記面から前記光が選択的に輻射又は反射されることを特徴とする発光機構。
8. 請求項７に記載の発光機構において、
   前記マスター型は前記微細構造体が反転された寸法形状を有しており、
   前記成形型は、前記マスター型を使用して前記微細構造体と同一の寸法形状を有する１次複製型を形成した後に該１次複製型を使用して形成されており前記微細構造体が反転された寸法形状を有する２次複製型からなるとともに、
   前記機械的加工は楕円振動切削加工であることを特徴とする発光機構。

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