JP2005515098A - 微小構造物の成形方法 - Google Patents

Abstract

本発明は必要な熱量を生成する電磁放射線を用いてスタンピング−パターン（５，９）により層上にマイクロ及びナノ規模の構造物を熱的に形成する方法で、物理的に安定なスタンピング−パターン（５、９）及び層担体（４，６，８）を用いている。熱線の侵入深さは浅いので、高エネルギー密度の熱線を吸収することにより成形パターンあるいは層担体の表面のみが加熱される。生成した熱は層（４、７）へと伝達され、軟化した層にパターンにより構造物が形成される。層は出来るだけ熱線を伝達し、加熱される前に熱線が透過するようなものを用いる。熱線を吸収することにより成形に必要な熱を迅速に生成出来る。本発明の方法により、基板上に微小構造を形成するか、あるいは被覆した表面にナノ規模の構造物を展開することが出来る。

Description

本発明は例えば特開２００１−１５８０４４号公報あるいは米国特許第５，０７８，９４７号明細書に示すような熱を生成する電磁放射を利用して、熱成形可能な層の上にマイクロ及びナノ規模の構造物を成形する方法に関する。

今日では、比較的高い生産性を有する方法（ホットスタンプ）あるいは重要な要因（例えば紫外線照射時の重合及び温度）の制御が困難な材料を用いてマイクロ及びナノ規模の構造物の正確な成形が出来るようになった。射出などの高速成形においては、ある種の小構造物（例えばアスペクト比の高い構造）では最適には成形出来ないか、あるいは高コストで時間の掛かる動的な金型の温度調整によってのみ可能となる。

通常、マイクロ及びナノテクノロジーを利用する場合には、高生産サイクル、正確な成形且つ加熱すべき部分あるいは成形すべき部分への投与する熱量の調整を同時に行う必要がある。異なった基板の個々の機能（機能面を有する微小構造部品、生物学的あるいは化学的に活性な基質を有する微小溝及び回折表面など）を損なうことなく、基板を加熱して複合構造物を構成することはその一例である。直接電子線リソグラフィーなどの一連の方法に対して、迅速性及び成形品質もナノリソグラフィー−スタンピング法の利点である。このようなナノリソグラフィー−スタンピング法においては、残っている層の厚さを正確に調整すること及び積層した基板のそれぞれの位置に所定の構造を迅速に複製出来ることが利点である。

従って、本発明の課題は迅速且つ正確なマイクロ及びナノ規模の構造物の形成の可能性、特に短時間の工程及び熱投与の局所的な調整の可能性を提案することにある。

この課題は独立請求項に基づく発明により解決する。更に、従属請求項には本発明の別の特徴を記載している。

本発明の方法では、物理的に安定な成形パターン及び安定した層担体を用いている。層には光線が僅かしか侵入しないので、高エネルギー密度の光線を吸収することによって生成した熱は成型パターンあるいは層担体の表面のみを加熱するように伝達される。その結果、軟化した層が成形パターンにより構造物として成形される。その層は出来るだけ光線を伝達し且つ成形パターンに吸収される前に光線を透過するようになっている。このように、構造物として成形される層は間接的に加熱されることになる。層担体の加熱あるいは加熱した成形パターンを押込むことによってこの間接加熱が実行される。例えば、赤外線領域の高出力ダイオードレーザで得られる光線のエネルギー密度は、所望の構造物を成形するのに必要な基板の迅速な昇温及び温度分布を達成するほどに高出力で、表面からの侵入深さが浅いことが必要である。成形パターンに応じて光線を連続投入するか脈動させてもよい。この場合、光学系を選ぶことによって点状あるいは線状のレーザ光線を加熱すべき表面上を動かすことが可能となる。

ここでは加熱を短時間に行い、基板の熱伝導度に依存する熱の拡散及び好ましくない熱分布を避けることが重要である。従って、エネルギーの投与及びそれに依存する加熱は熱伝導度を考慮して選ぶ必要がある。好ましい結果を得るには、工程の条件を設定しておいて、先ず熱伝導度を設定し、それに対応する操作時間及び投与すべきエネルギーを設定することが必要である。

本発明の方法は非常に短いサイクルと同時に良好な成形品質を可能とし、系全体の熱慣性は小さく、局所的且つ集中的加熱を動的に行うことが可能である。

例えばポリカーボネートあるいはＰＭＭＡなど光線を十分伝達する素材で構成している層を成形した後、同じ光線源を用いて例えばレーザ溶接のように光線を吸収する層に直接接合でき、同じ装置において成形及び組立てを行うことが可能となる。

本発明においては、スタンピングのみが成形法ではない。光線の侵入深さが非常に浅い例えばシリコンのような半導体を照射することにより、照射された面に熱のみならず電荷担体が生成し、それにより溶融部に電磁流体的効果が誘導され成形を促進することが出来る。

光線源の簡単な操作／制御により素材、成形すべき構造及び結合に対して最適な熱の供給が設定される。連続あるいは脈動する光線をマスクあるいは然るべき光学系を通すことにより加熱された表面の境界が設定し易くなる。

特に被覆及び粉末技術などの材料技術においては、光線を伝達及び吸収する本発明に用いることが出来る材料が今日でも開発されている。曲線状の層担体及び成形パターンを供給することも可能である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

図１（ａ）に示すように、熱線１は例えば石英製の光透過性板３を経て、この板に押圧されている光透過性基板４へと導かれる。マスク２あるいは然るべき光学系を通して、下方に位置する成形用パターンとしてのスタンピング−パターン５に熱線の寸法を合わせる。例えばシリコンあるいはニッケル燐製のスタンピング−パターン５は熱線の侵入深さが僅かなので、表面で熱線を吸収し直ちに加熱される。スタンピング−パターン５のマイクロあるいはナノ規模の構造が基板４上に形成される（図１（ｂ））。所定の冷却時間を経て成形された基板４をスタンピング−パターン５から外す（図１（ｃ））。熱線の直接吸収によって連続的に成形を行えるように、基板４上に目印を溶接してもよい。この製法において、基板４は層担体及び構造物が成形可能な層としての役割を果たしている。

図２に示す実施例では、リソグラフィーによるナノ規模の構造物を形成したレジストマスクを生成することも出来る。ここでは光透過性板６には例えばＰＭＭＡあるいはポリカーボネートなど然るべき素材を被覆している。熱線１は板６及び層７を通過しその下のスタンピング−パターン５の表面のナノレベルの構造物を加熱する（図２（ａ））。次いで層に構造物を形成することが可能となる（図２（ｂ））。板６及び層７に対して熱線１の光源及びスタンピング−パターン５をずらすことにより別の位置に成形が出来、広い表面上にナノレベルの構造物を複製することが可能となる（図２（ｃ））。

図３には熱線を吸収する板８に対するレジストマスクを生成する可能性を示している。そのため、板８は然るべき素材７で被覆される（図３（ａ））。この場合は構造物を形成したスタンピング−パターン９は熱線透過性であり、その上面にマスク２を配してもよい。このマスクを通して熱線を対象に合わせて導き、熱線を吸収する板８の限られた局所が加熱される。その結果、スタンピング−パターン９の大きさに関係なく、層７を局所的に溶融出来る。この方法は広い表面にナノ規模の構造物を相接して多数形成するのに好都合である。熱線１、マスク２及びスタンピング−パターン９を層７及び板８に対してｘ、ｙ、ｚ方向にずらすことにより図２と同様の結果が得られる（図３（ｂ）、図３（ｃ））。この例では個々の成形物間の距離は非常に小さく出来る。高密度のエネルギーを生成するエネルギー源として例えば赤外線域の高出力ダイオードレーザを用いてもよい。

ナノリソグラフィー成形の２つの実施例（図２、図３）において、系の熱慣性が小さいので熱線を対象に合わせて導くだけで、残っている層を効果的に制御することが出来る。エッチングあるいは電鋳することにより成形されたレジストマスクは、基板にナノ規模の構造物を形成するパターンとして使用することが出来る。

基板上に微小構造物を成形する一例を示す図。（ａ）は熱線によるスタンピング−パターンの加熱を示し、（ｂ）は加熱されたパターンによる基板上への微小構造物の成形を示し、（ｃ）はパターンを基板から離した状態を示す。 基板上に微小構造物を成形する別の例を示す図。（ａ）は熱線によるスタンピング−パターンの加熱を示し、（ｂ）は加熱されたパターンによる基板上への微小構造物の成形を示し、（ｃ）は次の成形サイクルにおける熱線によるパターンの加熱を示す。 基板上に微小構造物を成形する更に別の例を示す図。（ａ）は熱線によるスタンピング−パターンの加熱を示し、（ｂ）は加熱されたパターンによる基板上への微小構造物の成形を示し、（ｃ）は次の成形サイクルにおける熱線によるパターンの加熱を示す。

符号の説明

１ 熱線
２ マスク
３ 熱線透過板
４ 基板
５ スタンピング−パターン
６ 熱線透過板
７ 層
８ 熱線吸収板
９ スタンピング−パターン

Claims (7)

1. 熱を発生する電磁線を用いて構造物生成用成形パターン（５、９）により熱形成可能な層上にマイクロ及びナノ規模の構造物を形成する方法であって、物理的に安定な成形パターン（５、９）及び層担体（４、６、８）を用い、高エネルギー密度の熱線（１）の侵入深さが僅かであるため前記成形パターンあるいは前記層担体の表面を加熱し、発生した熱を層（４、７）に伝達し、軟化した前記層に前記成形パターンにより構造物を形成する方法において、前記層として出来るだけ熱線を伝達し、加熱される前に熱線が透過するような層を用いることを特徴とする微小構造物の形成方法。
2. 成形パターン（５、９）あるいは層担体（４、６、８）をシリコンあるいはニッケル燐から生成することを特徴とする請求項１記載の微小構造物の形成方法。
3. マスク（２）により熱線により照射される表面を制限していることを特徴とする請求項１あるいは請求項２記載の微小構造物の形成方法。
4. 成形パターン（５、９）を層（４、７）に接するかあるいは層を押圧するように配し、前記成形パターンあるいは前記層担体を予め加熱することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項記載の微小構造物の形成方法。
5. 成形パターン（９）あるいは層担体（４、６）から付加的に放射を伝達し、それを層担体（８）及び成形パターン（５）がそれぞれ吸収することを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項記載の微小構造物の形成方法。
6. 線状の熱線が少なくとも一回は成形パターン上を動くことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項記載の微小構造物の形成方法。
7. 然るべき光学系によって照射されるべき表面が平面状に照射されることを特徴とする請求項１ないし請求項６のいずれか１項記載の微小構造物の形成方法。

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