JP2006320986A - ナノインプリント形成方法およびその成形物 - Google Patents

Abstract

【課題】低アスペクト比のスタンパを用いて、高アスペクト比の製品を形成できるナノインプリント形成方法を提供することを目的とする。
【解決手段】スタンパ４０の凹部に合成樹脂を注入して被成形物に凸形状を形成する第１工程Ｓ１と、第１工程Ｓ１の後、スタンパの凹部の側面と被成形物の凸形状の側面の一部が重なる位置までスタンパと被成形物を相対移動させる第２工程Ｓ２と、第２工程Ｓ２の後、スタンパ４０の凹部に合成樹脂を再注入して被成形物に凸形状を継ぎ足す第３工程Ｓ３とを、被成形物の凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し“Ｓ４，Ｓ２，Ｓ３”実行することを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、加熱、加圧機構を有するスタンパを用い、基板上に微細構造体を形成するナノインプリント転写法及びそれを含む装置に関する。

近年、血液中の様々な成分を分離するために、あるいはＤＮＡ（deoxyribonucleic acid デオキシリボ核酸）を分離するために、高アスペクト比を有するナノピラー形成技術開発が盛んに行われている。

高アスペクト比のナノピラーを形成するためには、高アスペクト比のスタンパを形成する必要があるが、高アスペクト比のスタンパほど、その加工は極めて困難である。
また、高アスペクト比のスタンパを用いて、離形プロセスを行う場合、高アスペクト比であればあるほど、離形する際に多大な力が必要になってくる。

そこで、離形性を向上させるために型自体を斜めに引き上げることにより、離形の際に生じる応力を緩和するという方法が一般的である。ところが、スタンパを斜めにすることにより、スタンパの凹凸形状の先端部付近には、従来以上の応力がスタンパに生じ、高アスペクト比のスタンパになればなるほど、その耐久性が問題となってくる。

つまり、高アスペクト比のスタンパを用いて、製品を形成する際、高アスペクトスタンパの凹凸形状の先端部付近には離形する際に応力が生じやすく、スタンパの耐久性としても十分に耐えることが難しいという構造である。

そこで、（特許文献１）では、スタンパに剥離材を転写、塗布する機構を有し、剥離材を利用することにより、その離形性を向上させ、高アスペクト比の型を形成させるという取組みがある。
特開２００４−２８８７８３

しかしながら、ナノピラー先端部の離形精度に関しては、向上するかもしれないが、今後、高アスペクト比の型を形成する場合は、先端部に剥離材を有するだけでは十分な方法ではない。また、この方法では、高アスペクト比になればなるほど、剥離材は届きにくくなり、高アスペクト比になればなるほど問題になる。また、この方法では、型の形状に応じたものしかできず、同一の型で任意の形状を実現することもできない。

このように、高アスペクトの型をそのまま用いると離形する際にかかる力が大きいために、せっかく形成した形状をむりやり引っ張り、スタンパ自体にダメージを与えてしまうという欠点がある。

また、現在までのスタンパは、高さの異なる形状を形成する場合には、その高さに応じたスタンパを形成する必要がある。また、同一平面内で高さの形状が異なるものを製作しようとした場合、高低差の違うスタンパを形成しなければならない。高低差の異なるスタンパをスタンパ形成後離形する場合、離形する際に同一製品内で離形分布のむらが生じ、離形することによって、スタンパの凹凸形状にダメージを与えてしまう。

本発明は、低アスペクト比のスタンパを用いて、高アスペクト比の製品を形成できるナノインプリント形成方法を提供することを目的とする。

本発明の請求項１記載のナノインプリント形成方法は、柱形状を有する成形物を形成するに際し、スタンパの凹部に合成樹脂を注入して被成形物に凸形状を形成する第１工程と、前記第１工程の後、前記スタンパの凹部の側面と前記被成形物の凸形状の側面の一部が重なる位置まで前記スタンパと被成形物を相対移動させる第２工程と、前記第２工程の後、前記スタンパの凹部に合成樹脂を再注入して被成形物に凸形状を継ぎ足す第３工程とを、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し実行することを特徴とする。

本発明の請求項２記載のナノインプリント形成方法は、
柱形状を有する成形物を形成するに際し、スタンパの凹部に合成樹脂を注入して硬化させながら、前記スタンパと被成形物を相対移動させるとともに前記スタンパの凹部に合成樹脂を再注入して被成形物に凸形状を継ぎ足す工程を、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し実行することを特徴とする。

本発明の請求項３記載のナノインプリント形成方法は、請求項１または請求項２において、前記スタンパの凹部に注入した合成樹脂を温度制御または合成樹脂への照射光を制御して硬化させることを特徴とする。

本発明の請求項４記載のナノインプリント形成方法は、請求項１または請求項２において、前記スタンパとして複数の凹部を有したものを使用し、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまでの繰り返し工程の途中では、前記凹部の一部の凹部への合成樹脂注入を終了して高さが異なる柱形状の成形物を形成することを特徴とする。

本発明の請求項５記載のナノインプリント形成方法は、請求項１または請求項２において、前記スタンパの凹部に離形材を配置して合成樹脂の注入と離形を実行することを特徴とする。

本発明の請求項６記載のナノインプリント形成方法は、請求項１または請求項２において、真空雰囲気中で合成樹脂の注入と離形を実行することを特徴とする。
本発明の請求項７記載のナノインプリント形成方法は、請求項１または請求項２において、前記スタンパは、３自由度以上の駆動手段により移動することを特徴とする。

本発明の請求項８記載の成形物は、請求項１から請求項７の何れかに記載のナノインプリント形成方法によって製作したことを特徴とする。
本発明の請求項９記載の成形物は、請求項８記載において、アスペクト比が２以上になっていることを特徴とする。

本発明の請求項１０記載の成形物は、請求項１に記載のナノインプリント形成方法によって製作した成形物であって、アスペクト比が２以上で、かつ被成形物の凸形状の途中の継ぎ目部分において合成樹脂の不均一個所を有していることを特徴とする。

本発明を用いると、微細な凹凸が形成された低アスペクト比のスタンパを用いて、離形、合成樹脂注入プロセスを繰り返し行うことにより、スタンパよりも高アスペクト比の形状の成形物を形成できる。

また、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまでの繰り返し工程の途中で、前記凹部の一部の凹部への合成樹脂注入を終了して高さが異なる柱形状の成形物を形成することによって、３次元の任意形状を実現できる。

本発明は、低アスペクト比のスタンパを用いて、高アスペクト比の製品を形成しようとするものである。スタンパとモールドを向かい合わせて接触させ、一方の低アスペクト比の凹凸を有するスタンパを用いて、もう一方のモールドに転写して、最終的に所望の高アスペクト比の製品を形成する。

スタンパを一方に加圧させながら、材料注入用のバルブを開いて、材料を注入し製品を形成し、材料注入用のバルブを閉じる。次にスタンパを離形させる途中において、スタンパと形成した製品が一部重なる状態で離形を一旦停止させる。更に、材料注入用のバルブを開いて、材料注入し、一定の圧力になった後材料の注入を停止させる。その間に温度制御あるいは、光硬化特性等を利用して、先ほど形成した製品とスタンパの間に更に新しい第２の形状を形成する。そして、スタンパ離形させ、また次の材料を流し込む。

このプロセスを繰り返し行うことにより任意の高さの形状のものを形成することができる。
また、このプロセスでは、低アスペクト比の凹凸を有するスタンパを用いているために一回当たりにかかる離形時の摩擦力が少ないために離形し易い。また、スタンパの離形、材料注入プロセス、材料硬化コントロールプロセスを繰り返し行うことにより、製品の高さ形状を任意にコントロールすることができる。従来まで高アスペクト比の凹凸を持つ形状を形成することが極めて困難であったが、加工しやすい低アスペクト比のスタンパを用いて、容易に高アスペクト比の凹凸を形成することができる。

また、スタンパ内に複数のバルブを用いることにより、同一平面内に任意の高低差を持つ形状を形成することができる。従来まで、高低差の異なる製品を形成しようとした場合、応力むらが生じて、スタンパ自身が傾き高アスペクト比のスタンパであればあるほど、離形する際に、スタンパの凹凸の先端付近に応力が生じ、スタンパ自身にダメージを与えてしまうことがあった。しかし、本発明では、一回あたりに発生する際の摩擦力が小さいためにスタンパに与えるダメージが非常に少なく、スタンパ全体にかかる応力の分布むら少ないために高精度に離形することができる。

本発明では合成樹脂と型が接触する部分の面積が小さいために剥離材の量を最小限に抑えることもでき、剥離材無しでも離形できるというものである。剥離材の量を最小限にすることにより、形成した製品を剥離材の洗浄をすることなくそのまま製品に適用することができる。

本発明では、大気中でもナノインプリントが可能であるが、この装置を真空中に入れることにより、合成樹脂の流れを流れやすくしてもよい。
以下、本発明の各実施の形態を図１〜図７に基づいて説明する。

（実施の形態１）
図１〜図４は本発明の（実施の形態１）を示す。
図１は本発明のナノインプリント形成方法の実施に使用する造形加工装置を示している。

この装置は、下プレスヘッド２５に対して上プレスヘッド２０を駆動モータ１によって昇降可能に構成されている。上プレスヘッド２０の前記下プレスヘッド２５との対向面には、目的の成形物の形状に応じたスタンパ４０が取り付けられている。

上プレスヘッド２０の内部には、供給口２０ａから供給された所定圧力の合成樹脂１０を、目的の成形物の形状に応じて複数の吐出口２０ｂ，２０ｃ，・・・に吐出する。ここでは目的の成形物の形状に応じて形成されたスタンパ４０の５つの凹部４０ａ〜４０ｅへ合成樹脂１０を吐出する５つの吐出口２０ａ〜２０ｆを有している。１５は上プレスヘッド２０における合成樹脂１０の圧力を測定する圧力計である。

なお、この（実施の形態１）では吐出口２０ａ〜２０ｆへは単一の供給路２１から合成樹脂１０が供給されており、この供給路２１の入口には開閉バルブ３０が設けられている。

また、下プレスヘッド２５の上に仮想線で示したものが、これから成形しようとする最終成形物３５ｅで、最終成形物３５ｅはスタンパ４０に比べて高アスペクト比の形状である。

この図１に示した造形加工装置の運転制御部は次のように構成されている。
図２は低アスペクト比のスタンパ４０を用いた高アスペクト比形状形成プロセスフローを示し、図３（ａ）〜（ｆ）はその工程を示している。

ステップＳ１では、図３（ａ）に示すように、上プレスヘッド２０に取り付けられたスタンパ４０を下プレスヘッド２５に押し付け、上プレスヘッド２０に合成樹脂１０を注入する。合成樹脂１０を注入するときは、開閉バルブ３０を開閉させることにより、合成樹脂１０の注入を制御する。次にスタンパ４０の温度を高温に保った状態で下プレスヘッド２５のみを冷却することにより、第一の成形品３５を形成する。

開閉バルブ３０に関しては、成形品に近い側であればある程望ましい。このとき、スタンパ４０を高温にするときはヒーターは抵抗加熱形、コイル状のものを使用し、冷却にする場合には、空冷、水冷、ペルチェ素子を用いてもよい。

ステップＳ２では、図３（ｂ）に示すように上プレスヘッド２０を上昇させてスタンパ４０を、ここでは第一の成形品３５から離形させる。具体的には、図４に示すように、スタンパ４０と第一の成形品３５の一部が重なった状態でスタンパの離形を停止させる。

このとき、スタンパ４０を離形するステップ幅は、スタンパ４０の凹凸形状の先端部がステップＳ１にて形成した製品の一部と重なっている状態であればどのようなステップ幅で離形させてもよい。スタンパ４０の加熱に関してはスタンパ４０の上面のヒーターにより加熱されているので、スタンパ４０の凹凸形状の先端付近では、それほど高温の状態にはなっておらず、スタンパ４０と成形品が接している状態でも合成樹脂１０は硬化する。

ステップＳ３では、図３（ｃ）に示すように、離形した隙間に前記開閉バルブ３０を開けて合成樹脂１０を再び注入する。
ステップＳ４では、合成樹脂１０は、冷却された第一の成形品３５に接し次第、硬化する。このとき、図４に示すようにスタンパ４０の凹型形状の頂点４０ｆと第一の成形品３５の凸型形状の頂点３５ｂの一部とが重なっていなければならない。

この後、ステップＳ２〜ステップＳ４までの一連の動作を複数回繰り返すことにより次第に高アスペクトの形状を形成することができる。最終的にステップＳ５においてスタンパ４０を完全に開けて離形させることによって、図３（ｆ）に示すような高アスペクト比形状の最終成形物３５ｅを形成できる。

このナノインプリント形成方法によると、ＤＮＡの大きさを分別するナノピラーを形成したり、フォトニック結晶等の部品も作ったりすることが可能である。
なお、部品がナノ形状になるほど、スタンパ４０と下プレスヘッド２５との接触角度が重要になる。スタンパ４０を力センサと３自由度以上の前記駆動モータ１を含む装置で保持することにより、スタンパ４０を成形品に対して、いつも垂直にアライメントされながら、垂直に加圧することができる。具体的には、前記力センサによりモーメントを検出し、その検出したモーメントが最小になるように駆動モータ１を動かす。

また、この方法は、真空雰囲気にて、スタンパ４０の凹部に注入する合成樹脂１０の流動性を改善することもできる。あるいは、異物等の混入を防ぐと共に、圧力差が大きいために離形性も向上することができる。

また、駆動モータ１を用いてスタンパ４０の姿勢制御を行った例を説明したが、この姿勢制御に関してはバネを用いて、その姿勢制御の差を吸収してもよい。４自由度以上を用いて、スタンパ４０が所定の場所にくるように微調整回転機構を設けてもよい。このとき、スタンパ４０を離形する際は、スタンパ４０が成形品に対して、垂直に離形するように制御してもよい。また、スタンパ４０に多大な過重がかかる場合には、スタンプ４０をパラレルリンク機構で支持してもよい。

本実施の形態の離形プロセスにおいて、スタンパ４０の凹部４０ａ〜４０ｅに離形材を塗布したのち、離形を実行するとより効果が高い。
なお、このナノインプリント形成方法によって製作した成形物の形状的な特徴としては、アスペクト比が２以上である点に加えて、被成形物の凸形状の途中の継ぎ目部分（合成樹脂の注入を一旦止めた個所）において硬化した合成樹脂の不均一個所を有している。

（実施の形態２）
（実施の形態１）では、合成樹脂１０として熱可塑性合成樹脂を使用し、硬化させる際に、対向するスタンパ４０に温度差を設けて、高アスペクト比の形状を実現したが、この（実施の形態２）では、合成樹脂１０として光硬化性の合成樹脂を利用して目的形状の最終成形物３５ｅを作っている。形状作成方法に関するステップは（実施の形態１）とほぼ同じであるが、ステップＳ１，ステップＳ４において、合成樹脂１０を硬化させる場合に光を用いることを特徴とする。

具体的には、スタンパ４０の全体を光を通す材料で製作し、側面からスタンパ４０の先端付近にだけ光を照射して合成樹脂１０を硬化させ、次の離形ステップに移る。
または、図５に示すようにスタンパ４０の下側モールド５０のみに光を通す材料を選択し、側面から光５５を照射することにより合成樹脂１０を硬化させ、次の離形ステップに移るように構成することもできる。

（実施の形態３）
図６と図７は本発明の（実施の形態３）を示す。
上記の各実施の形態では同一の高さの柱形状からなる最終成形物３５ｅを作るプロセスについて述べたが、この（実施の形態３）では、図６に示したように複数の開閉バルブ３０ａ〜３０ｅを用いることにより任意の３次元形状を作っている。

具体的には、上プレスヘッド２０の内部の吐出口２０ｂ〜２０ｆには、それぞれ独立した供給路２１ａ〜２１ｅを介して合成樹脂１０が供給されており、各供給路２１ａ〜２１ｅの入口には別々に開閉バルブ３０ａ〜３０ｅが設けられている。

この図６に示した造形加工装置の運転制御部は、被成形物の凸部の高さが目的高さの柱形状になるまでの繰り返し工程の途中で、開閉バルブ３０ａ〜３０ｅを制御して高さが異なる柱形状の成形物を形成するように構成されている。具体的には、合成樹脂１０を注入して離形させる工程において、低い形状を作るときには、その供給路に設けられている開閉バルブを閉じ、高くしたいものに関しては、その供給路に設けられている開閉バルブを開けながら、合成樹脂１０の注入を継続していく。開閉バルブ３０ａ〜３０ｅの具体例としては、圧電素子、静電気を利用した素子その他開閉機能のあるもの、あるいは、表面張力等を利用してバルブにしたもの等によって実現できる。

図６に仮想線で示した最終成形物３５ｅのように、スタンパ４０の凹部４０ａ，４０ｃ，４０ｅによって形成される柱状部３６ａ，３６ｃ，３６ｅに比べて低い柱状部３６ｂ，３６ｄを形成する場合には、柱状部３６ｂ，３６ｄと同じ高さになるまでは、（実施の形態１）における図３に示すように開閉バルブ３０ａ〜３０ｅを同期して開閉してステップＳ１，ステップＳ２〜ステップＳ４のルーチンを複数回に経って実行する。柱状部３６ｂ，３６ｄが目的の高さになると、それ以後の合成樹脂１０の注入の際には図７（ｃ）に示すように開閉バルブ３０ｂ，３０ｄを閉塞して実行して柱状部３６ａ，３６ｃ，３６ｅの残りの部分だけを継ぎ足して行く。

本実施の形態の離形プロセスにおいて、スタンパ４０の凹部４０ａ〜４０ｅに離形材を塗布したのち、離形を実行するとより効果が高い。
本実施の形態の最終成形物３５ｅ（被成形物）の柱状形状（ナノピラー）のサイズは、ＤＮＡ用の場合、柱径が１００ｎｍ〜５００ｎｍ、その高さが１０００ｎｍ〜５０００ｎｍであり、血液用の場合、柱径が１０〜５０μｍ、その高さが１００〜５００μｍの形状である。

従って、被成形物に柱径が０．１〜５０μｍで高さが１〜５００μｍの柱状形状（ナノピラー）を成形することが可能となる。つまり、被成形物の柱状形状（ナノピラー）の柱径（直径）と柱高さの比率（アスペクト比）は、“２”から“５０”である。

また、この方法は、真空雰囲気にて、スタンパの凹部に注入する合成樹脂１０の流動性を改善してもいいし、また、３自由度以上の自由度を持つモータでスタンパと基板の接触面を均一になるように制御してもいい。

本発明では、駆動モータ１を用いてスタンパ４０の姿勢制御を行った例を説明したが、この姿勢制御に関してはバネを用いて、その姿勢制御の差を吸収してもよい。４自由度以上を用いて、スタンパ４０が所定の場所にくるように微調整回転機構を設けてもよい。

また、合成樹脂１０として熱可塑性合成樹脂を使用した場合には（実施の形態１）と同じように対向するスタンパ４０に温度差を設けて硬化させることができる。合成樹脂１０として光硬化性の合成樹脂を使用した場合には（実施の形態２）と同じように合成樹脂への照射光を制御して硬化させて最終成形物３５ｅを作ることができる。

なお、上記の各実施の形態では、合成樹脂の注入し、合成樹脂を硬化させ、スタンパ４０の引き上げによる離形の複数回の繰り返しとして説明したが、離形の際などにはスタンパ４０に対して下プレスヘッド２５を下降させて成形物３を離形させてもよく、スタンパと被成形物を相対移動させながら離形させる。また、合成樹脂の注入と合成樹脂を硬化は、１回の注入が終了してから注入を止めて硬化させる場合だけでなく、合成樹脂を硬化させながらスタンパと被成形物を相対移動させて離形させ、この離形の際にスタンパの凹部に合成樹脂を再注入して、連続的に被成形物に凸形状を継ぎ足し、これを被成形物の凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し実行することによっても同様に実現できる。このように連続的に離形と合成樹脂の注入とを実施した場合には、（実施の形態１）のナノインプリント形成方法によって製作した成形物のような硬化した合成樹脂の不均一個所を低減できる。

ＤＮＡの大きさを分別するナノピラーを形成したり、フォトニック結晶等の部品を作成することができる。

本発明の（実施の形態１）のナノインプリント形成方法の実施に使用する造形加工装置の要部断面図 同実施の形態の高アスペクト比形状形成フローチャート 同実施の形態の高アスペクト比形成プロセス工程図 同実施の形態のステップＳ２の拡大図 本発明の（実施の形態２）のナノインプリント形成方法の実施に使用する別の造形加工装置の断面図 本発明の（実施の形態３）のナノインプリント形成方法の実施に使用する造形加工装置の要部断面図 本発明の（実施の形態３）の３次元形状形成プロセス工程図

符号の説明

１ 駆動モータ
１０ 合成樹脂
１５ 圧力計
２０ 上プレスヘッド
２０ａ〜２０ｆ 吐出口
２５ 下プレスヘッド
３０，３０ａ〜３０ｅ 開閉バルブ
３５ 第一の成形品
３５ｂ 第一の成形品の凸型形状の頂点
３５ｅ 最終成形物
３６ａ〜３６ｅ 最終成形物の柱状部
４０ スタンパ
４０ａ〜４０ｅ スタンパの凹部
４０ｆ スタンパの凹型形状の頂点
４５ 第２の成形品
５０ スタンパの下側モールド
５５ 光

Claims (10)

1. 柱形状を有する成形物を形成するに際し、
   スタンパの凹部に合成樹脂を注入して被成形物に凸形状を形成する第１工程と、
   前記第１工程の後、前記スタンパの凹部の側面と前記被成形物の凸形状の側面の一部が重なる位置まで前記スタンパと被成形物を相対移動させる第２工程と、
   前記第２工程の後、前記スタンパの凹部に合成樹脂を再注入して被成形物に凸形状を継ぎ足す第３工程と
   を、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し実行することを特徴とする
   ナノインプリント形成方法。
2. 柱形状を有する成形物を形成するに際し、
   スタンパの凹部に合成樹脂を注入して硬化させながら、前記スタンパと被成形物を相対移動させるとともに前記スタンパの凹部に合成樹脂を再注入して被成形物に凸形状を継ぎ足す工程を、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまで繰り返し実行することを特徴とする
   ナノインプリント形成方法。
3. 前記スタンパの凹部に注入した合成樹脂を温度制御または合成樹脂への照射光を制御して硬化させることを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載のナノインプリント形成方法。
4. 前記スタンパとして複数の凹部を有したものを使用し、被成形物の前記凸部の高さが目的高さの柱形状になるまでの繰り返し工程の途中では、前記凹部の一部の凹部への合成樹脂注入を終了して高さが異なる柱形状の成形物を形成する
   請求項１または請求項２に記載のナノインプリント形成方法。
5. 前記スタンパの凹部に離形材を配置して合成樹脂の注入と離形を実行する
   請求項１または請求項２に記載のナノインプリント形成方法。
6. 真空雰囲気中で合成樹脂の注入と離形を実行する
   請求項１または請求項２に記載のナノインプリント形成方法。
7. 前記スタンパは、３自由度以上の駆動手段により移動することを特徴とする
   請求項１または請求項２に記載のナノインプリント形成方法。
8. 請求項１から請求項７の何れかに記載のナノインプリント形成方法によって製作したことを特徴とする成形物。
9. 請求項８記載の成形物において、アスペクト比が２以上になっていることを特徴とする成形物。
10. 請求項１に記載のナノインプリント形成方法によって製作した成形物であって、
    アスペクト比が２以上で、かつ被成形物の凸形状の途中の継ぎ目部分において合成樹脂の不均一個所を有していることを特徴とする成形物。

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