JP2006088517A - 微細転写方法および装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 微細な凹凸形状1Lcを有する下型スタンパー1Lの表面1La上にプラスチック基材2を装着し、加圧手段6により、上型12Uをプラスチック基材2に向けて加圧し、プラスチック基材2を下型スタンパー1Lに押圧する。下型スタンパー支持体5Lには幅方向7に長いスリット状の開口部8を設け、そこを通して炭酸ガスレーザ13によりビーム状の赤外線3を照射し長手方向4に移動させ下型スタンパー1Lの微細な凹凸形状と反転する凹凸形状をプラスチック基材2に形成し、冷却し、プラスチック基材2を離型する。
【選択図】 図1
Description
また、赤外線透過材料であるZnSeは厚くするほど極めて高価となる。さらにZnSeは脆性材料で加工が難しく、射出成形のように金型内の樹脂圧力が数十MPa〜200MPaに達する高圧下では、樹脂圧力による曲げ応力を鋼に比べて極めて低く抑える必要があり、このため、ZnSeとして大面積かつ厚肉のものを使うことは、曲げ応力が大きくなるので難しい。また、たとえ赤外線透過材料として大面積で強度が十分なものがあっても、大面積に必要な赤外線を照射するためには、大出力の赤外線光源を要し、経済的に見合わなかった。微細な凹凸形状への加工も難しく、100〜200μmの凹凸形状が加工できる限界であった。これらの理由により、特許文献2の技術は実用上必要な中〜大面積の成形品に対して実用化されることはなかった。
しかし、この方法で、賦型面の一部に赤外線を照射した場合、照射した部分のみが転写され、他の部分は転写されないばかりか、照射された部分とされない部分との間での照射ムラにより賦型面表面の平滑性が損なわれる。本方法では、転写面全体に均一に赤外線を照射する方法は示されていない。また、本発明者らの実験によれば、赤外線を照射しても、少なくとも0.1〜1MPa程度の加圧力がなければ、スタンパー表面の微細な凹凸形状を十分な深さまで転写できないことがわかっている。従って、特許文献3で示されているように、加圧無しで賦型面の転写性を向上するというのは、困難である。
(1)微細な凹凸形状の高い転写性と光学特性
射出成形法では、低温の金型に溶融樹脂を充填するため、金型壁面に接する樹脂が急激に冷却されて温度降下するため、高粘度化および固化層を形成し、金型壁面の微細な凹凸に樹脂が充填されにくいので転写性が損なわれる。また、樹脂が金型壁面に冷やされて高粘度化および固化しながら流動するので、金型壁面近くに高い残留応力、複屈折、歪、ソリ変形を生じ、光学特性が損なわれる。
ホットエンボス法およびナノインプイリント法では、射出成形に比べると附形時の樹脂の流動変形量および変形速度が小さいので、微細な凹凸形状を形成するのに有利であり、しかも残留応力が小さいと言われる。しかし、固体状態に近い樹脂を加圧変形させるので、微細凸部を基板に押し込む時に樹脂の角部に大きな弾性変形を生じ、光学特性を損なうという問題がある。
特許文献2および3に開示されるように、金型壁面またはスタンパーを赤外線透過材料で形成し、外部から赤外線を照射することにより、型壁に接する樹脂を直接加熱溶融する方法では、金型またはスタンパーの表面に形成された微細な凹凸形状の高い転写性が得られ、残留応力や複屈折が低減される。しかし、微細な凹凸形状を赤外線透過材料に加工する上では、加工性の良い材料が必要である。光透過性が90%以上のZnSeやZnSは加工が難しい。また、高い転写性を高い生産性で得るためには、赤外線照射に加えて、0.1〜1MPa程度の加圧力を作用させる必要がある。しかし、一般に赤外線透過材料は脆性材料であり、加圧力が高くなると曲げにより破損する可能性が高い。また、赤外線透過率は赤外線透過材料の厚さに依存し、厚くなるほど透過率が低くなる。エッチング等による微細加工が容易なシリコンでは、波長10.6μmの炭酸ガスレーザに対して厚さ1mm以下では約43%の透過率を有するが、厚み5mmでは9%以下、厚さ10mmでは1.8%となる。このため、高い微細転写性を得るためには、極力薄い赤外線透過材料を用いることが必要である。また、金型またはスタンパーに形成された微細な凹凸形状をプラスチック基材に押し込む時に、微細凹部に封じ込められた空気が抵抗となり、微細凹凸への転写を阻害する。このため、赤外線ふく射加熱を用いる場合であっても、高い転写性を得るためには、加圧力を作用させながらも極力薄く加工性の良い赤外線透過材料を使用し、なおかつ空気の封じ込みによる転写性阻害を解決する新たな手段を講ずる必要がある。
ホットエンボス法やナノインプリント法では、金型、スタンパーあるいはプラスチック基材を電熱ヒータや加熱媒体などの加熱手段によってプラスチックのガラス転移温度付近まで加熱し、金型あるいはスタンパーをプラスチック基材に押し付けてプラスチック表面に微細な凹凸形状を形成した後、プラスチック基材を常温付近まで冷却して離型するものである。この場合、加熱と冷却に少なくとも数分〜十分以上の時間を要し、生産性を損ない、製品のコストアップにつながる。また、固体状態のプラスチックを加圧し、スタンパーからの伝熱によりで軟化させるためには、10MPaを超える高圧を要し、スタンパーや金型に剛性を要する。さらに、プラスチックにスタンパーの凹凸を押し付ける際、軟化したプラスチックは粘弾性的変形を示し、スタンパーと接しない部分は固体として変形するので、この部位に歪が発生し、複屈折を生じて光学的特性を損なうことになる。したがって、できる限りスタンパーとプラスチック基材の加熱・冷却に要する時間を短くするとともに、成形に要する圧力を低減する手段を講ずる必要がある。
特許文献2および3に開示されるように、金型壁面またはスタンパーを赤外線透過材料で形成し、外部から赤外線を照射することにより、型壁に接する樹脂を直接加熱溶融する方法では、金型またはスタンパーを加熱せずに直接樹脂を瞬間的に加熱できるので、生産時間が短縮される。また、非特許文献1に開示された技術では、成形1MPa、金型温度100℃、加圧および赤外線照射時間60秒、照射密度55W/cm2の条件下でμm台の微細な凹凸形状が100%転写できている。しかし、金型を100℃まで上昇させる必要があり、60sもの時間を要している。したがって、射出成形に匹敵する高生産性を確保しながら高い転写性と1MPa以下の低圧での成形を実現するためには、高い転写性を確保するため必要な加熱冷却時間を低減し、なおかつ低圧化ができる新たな手段を講ずる必要がある。
特許文献2に開示された方法において、赤外線透過材料は通常の金型材料に比べて靭性や強度に劣る。このため、少なくとも10MPa以上の樹脂圧力が赤外線透過材料に作用する射出成形法では、赤外線透過材料が破損するため、実用に耐えることが難しかった。また、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線透過材料では、厚さが厚くなるほど赤外線透過率が急速に低下するため、使用できる厚さはシリコンでは1mm、ゲルマニウムでは10mmが限界であり、射出成形に要求される高圧に耐えることは難しかった。さらに、ZnSe、ZnS、Si、Geをはじめとした赤外線透過材料は、面積が大きくなり厚さが厚くなるに従って急激に価格が上昇するため、この点からも実用性がなかった。一方、特許文献3に開示された技術では、微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料製スタンパーの表面にプラスチック基材を固定し、該スタンパーの裏から赤外線を照射することにより、プラスチック基材を加圧しなくても微細な凹凸形状をプラスチック基材に転写できるとされている。しかし、本発明者らの実験によれば、赤外線ふく射加熱を用いる場合であっても、十分な微細な凹凸形状転写を達成するためには、1MPa以下の加圧は必要である。また、転写に十分な加圧力をかけると、特に転写面の面積が大きくなるほど赤外線透過材料が破壊するという問題がある。このため、転写圧力を極力低くするとともに、微細な凹凸形状を中〜大面積(数cm〜数十cm)のプラスチック基材に形成するために必要な、最小限の加圧力を作用させても、赤外線透過材料が破損しない手段を講ずる必要がある。また、コスト低減と赤外線透過率を上げる目的から、できるだけ薄い赤外線透過材料を使用して、なおかつ加圧力を作用させることのできる新たな手段を講ずる必要がある。
赤外線透過材料でできた金型またはスタンパーを通してプラスチック基材に赤外線をふく射して微細な凹凸形状をプラスチック基材の表面に形成する従来の方法は、いずれの場合においても、直径φ4〜12mm程度の小径ビームをプラスチックのごく一部に照射し、照射された部分の転写性や光学特性を評価したものばかりであり、辺長が数cm〜数十cmの中〜大面積の成形体全体に赤外線を照射する方法および装置については、何ら報告されていない。すなわち、大面積への照射による転写性向上の効果、照射した場合の表面状態については、報告されていない。特に、成形体の一部分のみに赤外線を照射した場合、照射した部分としない部分との境界に転写ムラが生じ、表面がデコボコになって外観を損なう。また、照射密度が高い場合には、特定部位に照射を続けるとプラスチック基材にヤケ、変色が生じる。このため、赤外線透過材料を通して大面積の成形体に均一に赤外線を照射して高い転写性と平滑な表面性状を得るためには、大面積の赤外線透過材料を準備し、これに均一に赤外線を照射する新たな手段を講ずる必要がある。しかし、特に赤外線レーザを用いる場合、単一のビームにより大面積に同時に照射するためには、極めて高出力のレーザが必要である。そこで、単一ビームを線状にして照射することが考えられるが、この場合には、線状の赤外線ビームを赤外線透過材料を通してプラスチック基材に照射しながら、なおかつ基材の全面に均一に赤外線が照射されるようにしながら、しかも前述のように微細な凹凸形状の転写性を確保するための加圧をかけながら、さらには照射ムラの無い平滑な転写面を得るための新規は方法を講ずる必要がある。しかし、大面積の赤外線透過材料に加圧力を加えると、プラスチックに作用する圧力が低くても、面積全体では大きな力が加わり、赤外線透過材料に作用する曲げ応力が大きくなるので、破壊の可能性が高くなる。そこで、赤外線透過材料を厚くすると、材質によっては赤外線透過率が減少し、微細な凹凸形状への転写性を損なう。また、厚くするほど、これを加熱冷却する場合に時間を要し、なおかつ経済性と生産性を損なう。そこで、大面積の赤外線透過材料に赤外線を均一に照射しながら加圧しても、赤外線透過材料に対して破壊に至るような曲げ応力が作用しない機構とし、できる限り大面積で薄い赤外線透過材料を使用して微細凹凸の高い転写性を実現し、しかも、加熱冷却する場合の時間を短くして高生産性を維持する新規な手段を講ずることが必要である。しかしながら、特許文献2〜4の技術では、このような目的を達することはできなかった。
加熱冷却を迅速にして高い生産性を得るためには、できる限り赤外線透過材料を薄膜にして、薄い赤外線透過材料からできたスタンパーを用いることで、加熱冷却を迅速に行うことが必要である。しかし、従来は、脆性材料である赤外線透過材料からできたスタンパーを加圧して破壊しないためには、面積を小さくせざるを得なかった。したがって、薄い大面積のスタンパーでも破損しないような加圧手段を講ずると共に、スタンパーが薄くなるほど加熱、冷却が急速にできる手段を講ずる必要がある。
赤外線透過材料製のスタンパー裏面からプラスチック基材に向けて赤外線を照射した場合、赤外線を照射した面は温度が上昇するが、反対側の非照射面では温度が低いので、プラスチック基材の表面と裏側との間に温度差が生じ、高温側の面が冷却されることにより収縮し、プラスチック基材が照射された側にそるという問題があった。これを解決するためには、赤外線を照射しない面についても、適度の加熱を行い、ソリ変形が生じない新たな手段を講ずる必要があるが、このような問題について、従来は何ら対策が講じられることが無かった。
赤外線透過材料を通してプラスチック基材に赤外線を照射すると、照射された部分には微細形状が転写されるが、照射されない部分では転写されない。また、照射された部分とされない部分との境界に紋様が現れ、成形品の外観を損ねることになる。このため、スタンパーの微細な凹凸が形成されている領域も、凹凸が形成されていない領域も、均一に赤外線を照射する手段を講ずることが不可欠であるが、このような機構について、従来は何ら検討されていなかった。
また、赤外線として10.6μmの波長を発生する炭酸ガスレーザを使用する場合、レーザビームの強度はビーム断面内で一様ではなく、図24に示すように場所によって変わるビームモードが存在する。このため、プラスチック基材に単純に照射するだけでは、ビームモードに従って、強度が高い部分はよく溶融し、強度が弱い部分は溶融しない部分が出てくる。このため、強度の強弱がプラスチック基材表面の凹凸となって現れたり(照射ムラ)、金型またはスタンパーの微細凹凸部が転写された部分とされない部分とが現れる(転写ムラ)。従来技術は、単純にレーザを照射する場合しか検討されておらず、照射ムラや転写ムラが避け難い。しかし、プラスチック基材の表面全体に均一にレーザビームを照射して照射ムラや転写ムラを解消する方法は従来検討されていなかった。
赤外線透過材料を金型またはスタンパーの一部として用い、これを通してプラスチック基材に赤外線を照射する方法では、従来は、射出成形を除いて、上型および下型の双方の表面に形成された微細な凹凸形状を、プラスチック基材の表裏両面に同時に形成することはできなかった。しかし、実用的な製品では、表裏両面に微細凹凸形状を同時に一括して形成することが必要となるものがあり、そのためには、新規な手段を講ずることが必要である。
赤外線透過材料を金型またはスタンパーの一部として用い、これを通してプラスチック基材に赤外線を照射する方法では、赤外線透過材料の殆ど全ては赤外線の一部を吸収し、徐々に温度が上昇する。また、プラスチック基材の赤外線照射面が赤外線を吸収して温度上昇した場合、プラスチック基材の赤外線照射面と相接する赤外線透過材料にプラスチック基材からの熱が伝わり温度が上昇する。このため、安定した成形サイクルで繰り返し転写を行うためには、赤外線透過材料の温度を毎成形サイクル一定になるように、転写終了後に冷却しなければならない。しかし、従来の技術では、このような温度条件の管理については全く検討されず、実用性がなかった。
本発明は、上記のような従来の課題を解決することを目的とする。
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーの裏面から赤外線を照射するための赤外線光源と、
前記スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記スタンパーおよび基材を加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記スタンパーの表面に前記基材を装着し、前記スタンパー裏面を前記支持体で支持し、前記加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体に設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記移動手段により前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして長手方向に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記冷却手段によって前記スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材とスタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーの裏面側に設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記下型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型、下型および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記加圧手段に固定し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記上型スタンパーで基材を加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型、下型および加圧手段を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の下型スタンパーと接する面に下型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、前記基材の上型スタンパーと接する面に前記上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を前記加熱手段による加熱溶融と加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの裏面に各々設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと各々の赤外線光源との間に各々設けられ、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面と上型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型および下型を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型スタンパー支持体と上型スタンパー支持体を前記加圧手段に固定し、前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記上型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面と上型スタンパー表面との間隙に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記基材を上型スタンパーおよび下型スタンパーで加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型および下型を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面および上型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと接する面に前記下型スタンパー表面および上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成された支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記支持体上を移動させるための移動手段と、
前記スタンパーを加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写装置である。
図1は、本発明の微細転写方法を実施するための装置を説明するための図である。図1(a)は、該装置の正面図、(b)は側面図である。
本発明で使用される基材は、赤外線を吸収し、その表層が溶融可能な材料であればとくに制限されず、例えばプラスチックや低融点ガラスが挙げられるが、以下は、本発明に好適なプラスチックを基材として用いた形態について説明する。 図1において、微細な凹凸形状1Lcを有する下型スタンパー1Lは、厚さが0.3〜1mmのFZシリコンであり、10.6μm波長の赤外線を40%以上透過する。微細な凹凸形状は、例えば幅、高さおよび深さが1nm〜1mmの範囲である。下型スタンパー1Lの表面1La上にプラスチック基材2を装着する。プラスチック基材2の厚さは50μm〜数mmである。プラスチック基材2は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリスチレン、PET樹脂など、赤外線を吸収する樹脂であればとくに制限されないが、−125〜290℃のガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂が好ましい。なお、下型スタンパー1Lに装着するプラスチック基材2は、固体状以外にも、溶融した状態の熱可塑性樹脂を下型スタンパー1Lに塗布等によって装着してもよい。下型スタンパー1Lを、下型スタンパー支持体5Lの上に載せている。上型12Uには、加熱手段9として電熱ヒータを設け、冷却手段10として水管を設け、離型手段11として機械式エジェクターを設けている。加圧手段6により、上型12Uをプラスチック基材2に向けて加圧し、プラスチック基材2を下型スタンパー1Lに押圧している。下型スタンパー支持体5Lには幅方向7に長いスリット状の開口部8を設け、その下から炭酸ガスレーザ13によりビーム状の赤外線3を照射して揺動ミラー16を揺動させることにより線状のレーザビームを形成し、開口部8を通して下型スタンパー1Lに線状に照射する。以上の構成において、加熱した上型12Uを通して加圧手段6によりプラスチック基材2を下型スタンパー1Lに押圧しながら、下型スタンパー1Lの裏面1Lbに線状の赤外線3を照射しながら、加圧手段6、上型12U、プラスチック基材2および下型スタンパー1Lを一体として、長手方向4に移動させる。これによって、プラスチック基材2で微細な凹凸形状を含めて製品となる転写面全体に均一に赤外線3が照射され、赤外線3が照射された面が溶融して下型スタンパー1Lの微細な凹凸形状と反転する凹凸形状がプラスチック基材2に形成される。ここで、下型スタンパー1Lと下型スタンパー支持体5Lとは、互いに摺動または転動可能に形成されており、摺動の場合は、下型スタンパー支持体の摺動部はテフロン樹脂、テフロンコーティング製合金、その他低摩擦すべり軸受などで形成されている。転動の場合は、転動軸受またはコンベアー等で形成されている。所定の平面度が保たれたコンベアーを使用してもよい。下型スタンパー支持体5Lには、1cm前後のごく狭い幅の開口部8が線状に形成されており、ここの部位にスタンパーを押し付けても、スタンパーには殆ど曲げが作用しない。このため、その多くが脆性材料である赤外線透過材料でできた下型スタンパー1Lが薄いものであっても、曲げによる破壊を生じない。続いて下型スタンパー1Lは、図2(a)に示したように、下型スタンパー支持体5Lの加熱部位5LH、断熱部位5LI、冷却部位5LCを経て、図2(b)に示したように真空吸着部位5LVで下型スタンパー1Lを支持体に吸着し、この状態で図3(a)に示したように上型12Uを開くことで、表面に微細凹凸形状が転写されたプラスチック基材2を離型する(図3(b))。
まず、図8に示したように、上型12U、下型スタンパー支持体5Lが加熱された状態でプラスチック基材2を、下型スタンパー1Lの上に固定する。
上型12Uには、10mm以上の厚さでも赤外線透過率が90%以上であるZnSeを使用した。下型スタンパー支持体5L上に、下型スタンパー1L、プラスチック基材2、上型スタンパー1U、上型12Uを重ね、これらを下型12Lに装填した。揺動ミラー16を加圧手段6の下型スタンパー支持体5Lおよび上型スタンパー支持体5Uの背面に形成した。炭酸ガスレーザ13から出射されるレーザビームをビームスプリッター17を介して上下に分割し、固定ミラー18を経て、上型スタンパー1Uの裏面1Ubと下型スタンパー1Lの裏面1Lbに揺動ミラー16を介して線状に照射する構成とした。
線状ビームの振れ幅WB>W+φB、線状ビームの照射長さLB>L+φB
を満たすことである。これは、図5において、プラスチック基材2の幅×長さ=4cm×5cm、ビーム径=7mmに対して、線状ビームの振れ幅×照射長さ=5cm×6cmでは満足されている。
また、赤外線光源は、炭酸ガスレーザのほかに、赤外線ランプまたはYAGレーザ等であってもよい。
また、前記の揺動ミラー以外の揺動機構としては、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナー、ステッピングモータもしくはACサーボモータを用いた揺動機構等が、線状ビームの形成方法としては、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズもしくはホモジナイザーを使用する方法が挙げられる。
また、前記加熱手段としては、下型、下型スタンパー支持体、上型、上型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、温度制御のために熱電対を設けてなるのが好ましい。同様に前記冷却手段としては、下型、下型スタンパー支持体、上型、上型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、温度制御のために熱電対を設けてなるのが好ましい。
さらに前記剥離手段としては、上型、下型、上型スタンパー支持体、下型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、例えば真空吸着孔、空気吹出孔、突出ピン、急速冷却用水空気配管または急速冷却用ベルチェ素子等を利用することができる。
Claims (23)
- 表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記スタンパーの裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする微細転写方法。
- 表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体の幅方向に長く設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする請求項1に記載の微細転写方法。
- 前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写した後、冷却手段によって前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に剥離手段によって前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする請求項1または2に記載の微細転写方法。
- 表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を一体として移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写方法。
- 前記微細な凹凸形状の幅、高さおよび深さが1nm〜1mmの範囲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微細転写方法。
- 前記基材が固体状の熱可塑性樹脂または溶融状の熱可塑性樹脂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微細転写方法。
- 前記基材が、−125〜290℃のガラス転移温度を有する請求項1〜4のいずれかに記載の微細転写方法。
- 表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーの裏面から赤外線を照射するための赤外線光源と、
前記スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記スタンパー及び基材を加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記スタンパーの表面に前記基材を装着し、前記スタンパー裏面を前記支持体で支持し、前記加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体に設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記移動手段により前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして長手方向に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記冷却手段によって前記スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材とスタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。 - 表面に微細な凹凸形状を有する上型スタンパーおよび表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなる下型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーの裏面側に設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記下型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型、下型および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型および/または下型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記加圧手段に固定し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記上型スタンパーで基材を加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型、下型および加圧手段を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の下型スタンパーと接する面に下型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、前記基材の上型スタンパーと接する面に前記上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を前記加熱手段による加熱溶融と加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。 - 各々が表面に微細な凹凸形状を有し赤外線透過材料からなる下型スタンパーおよび上型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの裏面に各々設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと各々の赤外線光源との間に各々設けられ、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面と上型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型および下型を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型、下型スタンパー支持体および/または上型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型スタンパー支持体と上型スタンパー支持体を前記加圧手段に固定し、前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記上型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面と上型スタンパー表面との間隙に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記基材を上型スタンパーおよび下型スタンパーで加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型および下型を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面および上型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと接する面に前記下型スタンパー表面および上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。 - 表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成された支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記支持体上を移動させるための移動手段と、
前記スタンパーを加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写装置。 - 前記支持体または上型スタンパー支持体および/または下型スタンパー支持体が、前記スタンパーが移動する方向順で、加熱部位、断熱部位、冷却部位およびスタンパー真空吸着部位を有することを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの一部が、波長10.6μmの赤外線を40%以上透過するFZシリコンで形成されていることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの少なくとも一部が、FZシリコン、ZnSe、ZnS、Ge、NaCl、BaF2、KBrおよびCaF2から選択された赤外線透過材料またはこれらの組み合わせから形成されていることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記上型スタンパーおよび下型スタンパーの少なくとも一部が、Ni電鋳で形成されていることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記赤外線光源が、赤外線ランプ、炭酸ガスレーザまたはYAGレーザであることを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記赤外線光源から照射される赤外線が、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナー、ステッピングモータもしくはACサーボモータを用いた揺動機構、または、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズもしくはホモジナイザーにより線状ビームに変形され、該線状ビームが、前記支持体または前記上型スタンパー支持体または下型スタンパー支持体の幅方向に設けられたスリット状の開口部を通過することを特徴とする請求項8〜10のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記スタンパーまたは前記上型スタンパーまたは下型スタンパーの厚さが0.3mm〜30mmであることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記加圧手段によって与えられる加圧力が0.1MPa〜10MPaであることを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記支持体および前記下型スタンパー裏面と接する下型スタンパー支持体および上型スタンパー裏面と接する上型スタンパー支持体の表面の少なくとも一部が、低摩擦すべり軸受、転動軸受またはコンベアーで形成されたことを特徴とする請求項8〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記加熱手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および/または上型スタンパー支持体に加熱用ヒータを設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記冷却手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および/または上型スタンパー支持体に水冷配管を設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
- 前記剥離手段が、前記上型、下型、上型スタンパー支持体および/または下型スタンパー支持体に設けた真空吸着孔、空気吹出孔、突出ピン、急速冷却用水空気配管または急速冷却用ベルチェ素子からなることを特徴とする請求項9〜11のいずれかに記載の微細転写装置。
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