JP2007234733A - 転写印刷装置およびそれを用いて印刷した転写印刷製品 - Google Patents

Abstract

【課題】転写印刷版と被印刷部材の位置関係をリアルタイムに測定し、平行度の認識（検出）を可能にすること。
【解決手段】転写印刷版１に形成した凹凸のパターンを、被印刷部材２の面上に直接に、または被印刷部材上に形成された樹脂膜上に転写するインプリント方式の転写印刷装置において、被印刷部材２に対する転写印刷版１の距離および傾き、または被印刷部材２上に形成された樹脂膜に対する転写印刷版１の距離および傾きを検出する。
【選択図】図２

Description

本発明はナノ、マイクロインプリントに用いる転写印刷装置、およびそれを用いて印刷した転写印刷製品に関する。

最近、ナノ、マイクロレベルの材料成形加工には、凹凸のパターン加工を施した石英、サファイア、シリコン基板などの転写印刷版による転写印刷装置（別名インプリント装置）が用いられている。この転写印刷版による転写印刷（別名インプリント）は、被印刷部材上に転写印刷版を配置して、加熱または光照射しながら加圧することにより行なわれる。また被印刷部材には、熱可塑性樹脂、感光性樹脂などの高分子材料が用いられる。熱可塑性樹脂を用いる場合は、その材料のガラス転移点（Ｔｇ）近く、またはそれ以上の温度に材料の温度を上げて加圧して印刷する。この方式は熱転写方式（別名熱インプリント方式）と呼ばれている。熱転写方式は熱可塑性の樹脂であれば汎用の樹脂を広く用いることができる特徴がある。

また感光性樹脂の場合には、紫外線などの光の照射により硬化する光硬化型の樹脂が用いられる。これは光転写方式（別名光インプリント方式）と呼ばれている。この光転写方式のインプリント加工法では、特殊な光硬化型の樹脂を用いる必要があるが、転写印刷版や被印刷部材を加熱する必要がないので、熱転写方式と比較して転写印刷版や被印刷部材の熱膨張による完成品の寸法誤差を小さくできる特徴がある。また装置上では、加熱機構の装備や、昇温、温度制御、冷却などの付属装置が不要であること、さらにインプリント装置全体としても、断熱や熱歪み対策のための設計的な配慮が不要であることなどの特徴がある。

熱転写方式によるインプリントに関する文献には［非特許文献１］が、また光転写方式のインプリントに関する文献としては［非特許文献２］、［非特許文献３］がある。

平井義彦；ナノインプリント法によるナノ構造体、精密工学会誌、７０（１０）（２００４）pp.1223-2861227 谷口他；ナノインプリント技術の現状、砥粒学会誌、４６（６）（２００２）pp.282-286 荻野他；光硬化型ナノ金型に関する研究開発、型技術、１９（１２）（２００４）pp.63-65 現在、転写印刷に用いられる転写印刷版および装置の詳細に関しては、それ程多くは発表されていないが、紫外線を透過できるサファイア製のモールドと称する転写印刷版を、基板と称する被印刷部材に当て、上部から紫外線を照射する方式の装置構造図が被特許文献２に示されている。この構造図を図１に示す。この図では、転写印刷版１と被印刷部材２は共に平坦であって、それぞれが水平（略平行）に対向している。被印刷部材２は転写印刷版１に対して、ボールネジ１１のステッピングモーター７の駆動により、ステージ１２を介して矢印１３に示すように上昇接近でき、次に圧着されてから、照射レンズ４及び紫外線照射板（例えばサファイア）３を介して紫外線照射が行なわれ、転写印刷版と被印刷部材の間の光硬化性樹脂が光硬化するメカニズムが説明されている。この時の転写圧力はロードセル１０によって測定される。またベローズ６やロータリーポンプ接続口８の配置によって、転写時の転写印刷版と被印刷部材の間の雰囲気調整や減圧も可能な装置構成となっている。なおこの文献では紫外線を用いない場合は、熱転写方式にも用いることができるとの説明がなされている。なお、図１において、符号の５は、前記紫外線照射に用いる光ファイバー、９は被印刷部材の支持部に設けたヒーター、１４は転写印刷版１を支持する支持枠である。

転写印刷においては、互いに向き合う転写印刷版と被印刷部材の平行度が現在問題になっている。すなわち、転写印刷版と被印刷部材が傾いて接触し圧着された場合、被印刷部材に印刷された凹凸の溝パターンは溝深さなどにばらつきが生じるからである。特に光転写方式では、被印刷部材の上に形成される光硬化型樹脂の厚さは、数ミクロンメートル以下であり、またナノインプリントと称されるナノメートルサイズの超微細パターン形成においては、数１００ナノメートルの値である。光転写方式に限らず、熱転写方式の場合もパターンは微細になっていることから、転写印刷版と被印刷部材の平行度が大きな問題になっている。しかしながら、この転写印刷版と被印刷部材の印刷面内の位置関係、および印刷面内の平行度を印刷前に測定し、認識する手法は現在まで発表されていない。もしこの転写印刷版と被印刷部材の印刷面内の位置関係がリアルタイムに測定できれば、転写印刷版と被印刷部材の平行度がわかり、平行度が悪い場合には、転写印刷版または被印刷部材のステージの水平度を機械的に修正し制御するなどの機能を転写印刷装置に付帯させることが可能になる。また転写印刷版や被印刷部材の面内平坦度も重要であり、もしこの平坦度を随時測定が可能であれば、転写印刷版の管理および印刷された製品の管理にも用いることができる。

発明が解決しようとする課題は下記の通りである。
１）転写印刷版と被印刷部材の位置関係をリアルタイムに測定し、平行度の認識（検出）を可能とすること。
２）転写印刷版と被印刷部材の平坦度を測定し、転写印刷版の平坦度の管理と印刷製品の製品品質の管理を可能にすること。
３）転写印刷版、被印刷部材の平行度を随時制御できるように、転写印刷装置に平行度制御機能を付与すること。

本発明は、上記課題のうち少なくとも一つを解決するために、インプリント方式の転写印刷装置において、被印刷部材に対する転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された樹脂膜に対する転写印刷版の距離および傾きを検出する装置を備える。

また、このような被印刷部材に対する転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された樹脂膜に対する転写印刷版の距離および傾きを認識できる機能を有する転写印刷装置を用いて製造してなる転写印刷製品を提案する。

本発明によれば、下記に示す少なくとも一つの効果を奏する。
１）転写印刷版と被印刷部材の位置関係のリアルタイム測定が可能になり、それによる転写印刷版と被印刷部材の平行度を求めることによって、印刷作業中、印刷が正常に行われているかを管理することが可能になる。具体的には、印刷作業中における、転写印刷面内の熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂などの樹脂厚さばらつき、および転写印刷版の片方のみに強く荷重がかかる、片当たり現象の有無を管理することができる。
２）転写印刷版と被印刷部材の平坦度を測定し、転写印刷版の平坦度の管理と印刷製品の製品品質の管理を可能にする。転写印刷版は被印刷部材との平行度とともに、転写印刷版それ自身の平坦度が重要である。これは、平坦度が悪い場合、局所的な熱硬化性樹脂や、感光性樹脂の厚さばらつきが生じ、印刷品質に直接影響するためである。また被印刷部材の平坦度も重要で、これも平坦度の悪い場合は、転写印刷版と同様、局所的な熱硬化性樹脂や、感光性樹脂の厚さばらつきが生じる。もしこの平坦度が印刷前に確認できれば、転写印刷版および被印刷部材の良否判定が可能になって、転写印刷版および被印刷部材の交換が可能になり、印刷歩留まりが向上する。特に転写印刷版は、印刷回数によって平坦度がしだいに損なわれる場合があり、定期的な管理が需要である。
３）転写印刷版、被印刷部材の平行度を随時制御できるように、転写印刷装置に平行度制御機能を付与することが可能になる。転写印刷版、被印刷部材の平行度の測定が可能になると、転写印刷版または被印刷部材の取り付けステージの平行度の機械的な調整やリアルタイム制御などが可能になる。
４）上記１）〜３）のような平行度管理および平坦度に優れた転写印刷品を得ることで、被印刷部材に印刷された凹凸の溝パターンにばらつきがなく、印刷精度を高めることができる。

本発明の最良の実施形態を図２により説明する。図２は、本発明の一実施例に関わるインプリント方式の転写印刷装置を示すものである。図２は例えば厚さ０．５ｍｍの４インチφの円形の石英基板からなる転写印刷版１を、円環状の支持枠１４に収納した断面を示している。転写印刷版１を支持する支持枠１４はホルダー２５により保持されている。転写印刷版１の下方には、被印刷部材２である例えば厚さ１．０ｍｍ、外径３インチφの円形のナノガラス基板が、転写ステージ１９（図１の転写ステージ１２に相当する）の上に設置されている。図には示していないが、ナノガラス２はステージ１９上で減圧ポンプの吸引により保持されている。即ち、ステージ１９にはナノガラス基板（被印刷部材）２を吸引できる複数の微細な穴（図示省略）が開口されており、この穴を通して、ナノガラス基板が吸引されてステージ上に保持される構造になっている。ナノガラスの上には、図６に示すように光硬化型の感光性樹脂からなる樹脂膜２１が塗布されていることもある。

図２において、１５は三次元レーザ変位計である。図では省略しているが、三次元レーザ変位計１５はＸＹステージに搭載されていて、Ｘ軸１６、Ｙ軸１７方向に可動できるようになっている。この三次元レーザ変位計１５のXYステージは、転写ステージ１９に対して相対的にXY移動できるように設定され、また、Ｘ，Ｙの移動量を円周上の移動にプログラム制御することで、円周方向１８の移動も可能である。また、三次元レーザ変位計１５は、必要に応じて転写印刷版１の直上にセットされてXY移動可能に設定されるものであり、図１に示すような紫外線照射板（紫外線照射）３を使用する場合には、この紫外線照射板３との転写印刷版１の間にセットされるか、或いは紫外線照射板３と位置交換可能にセットされる。なお、三次元レーザ変位計１５及びそれに関連する附帯装置を除く転写印刷装置の基本構成は、図１の装置と同様である。

三次元レーザ変位計１５は、例えば、株式会社キーエンス製ＬＴ９０００シリーズのダブルスキャン型の三次元レーザ変位計を用いることができる。この三次元レーザ変位計は０．０１μｍの分解能を有している。構造は、測定時変位計の対物レンズが対象物に対して垂直方向（Ｚ軸方向：縦方向）に音叉によって微振動しており、また水平方向（Ｘ軸方向：横方向）にも微振動している。このことによって、微振動対物レンズの焦点が対象物に合い、その対象物からの反射光を受ける受光素子の時分割受光量がピークとなった点を検出することで、高い精度でのＺ軸方向の変位量が求められる。また対物レンズは水平方向（横方向）にも微振動しているために、微振動領域の変位量を平均値としての変位検出が可能である。

具体的には、図２に示すように、転写印刷版１の裏面に対するレーザビーム２０の焦点距離を予め設定し、かつレーザ変位計１５を上下方向に変位（微振動）させ、この時の、レーザ変位計１５の受光素子の信号強度が最大になる上下位置（レーザビーム焦点の合った位置）を求めれば、転写印刷版１の位置を検出することができる。またレーザビーム２０をナノガラス（被印刷部材）２の表面に対するレーザビーム２０の焦点距離を予め設定し、かつレーザ変位計１５を上下方向に変位（微振動）させ、この時の、レーザ変位計の受光素子の信号強度が最大になる上下位置（焦点の合った位置）を求めれば、ナノガラス２の位置を検出することができる。さらにＸＹステージで、三次元レーザ変位計１５をＸ軸、Ｙ軸または円周上に一定間隔で移動させて測定すると、その方向の石英金型（転写印刷版）１の表面とナノガラス（被印刷部材）２の表面のＺ軸方向の位置の変位を、例えば０．１ｍｍ間隔で検出することが可能になる。ＸＹステージによって三次元レーザ変位計２０を移動させる場合、三次元レーザ変位計２０自体の垂直方向（Ｚ軸方向）の振動や移動時の傾斜が問題になるが、ナノガラス２表面の位置データと転写印刷版１裏面の位置データとの差を求めることで、その振動は移動時の傾斜に相当する誤差要因分は相殺され、かつ上記の転写印刷版１と被印刷部材２の距離間隔の変位を、Ｘ軸、Ｙ軸、または円周方向にそって測定することができる。すなわち転写印刷では、転写印刷版と被印刷物が平行に配置されているかを検出することは、前述のように非常に重要であるが、本発明によればレーザ変位計１５のXY面におけるそれぞれの移動点における転写印刷版１と被印刷部材２との距離を求めることにより、両者の平行度を簡単に求めることができる。

この転写印刷版１と被印刷部材２の平行度は、転写印刷装置への転写印刷版の組み立て時に測定すると良い。また印刷作業を重ねると、平行度が変化するので、平行度は定期的に管理することが必要であるが、本発明によればそれが可能になる。さらに印刷直前にチェックしたい場合でも、転写印刷前にリアルタイムに平行度を求めることができる。

平行度が許容値以下であれば、被印刷部材２に対する転写印刷版１の傾きを相対的に調整して所望の平行度が得られるようにする。このような転写印刷版１の平行度調整は、転写印刷版１及びその支持枠１４を、転写印刷版固定ホルダー１５から取り出して、支持枠１４の底面の研削により可能になる。２７は、ホルダー１５に支持枠１４を着脱するための支持枠押さえ、２６はその着脱用のねじである。また、このホルダー１５に傾き調整機構を設けて平行度を調整することもできる。

図３は、同じレーザ変位計１５によって、転写印刷版１の平坦度を測定する場合を示している。装置の基本構成は、図２同様である。なお、図３においても図２同様のホルダー２５を備えるが図示省略している。この場合には、被印刷部材の替わりに、オプティカルフラット２２を転写ステージ１９上に配置する。オプティカルフラット１９とは、例えば３インチΦオプティカルフラットを例にとると、オプティカルフラットの全面の平坦度が０．１μｍ以下に研磨された石英製の円盤である。このオプティカルフラットを基準面として、ナノガラス（被印刷部材２）の場合と同様に転写印刷版１の位置を三次元レーザ変位計１５で測定すると、石英製の転写印刷版１の平坦度を高い精度で求めることができる。配置された転写印刷版とオプティカルフラットとの間に相対的な傾きがある場合には、これをデータ上で補正することによって、転写印刷版の真の平坦度を求めることができる。この転写印刷版の平坦度は転写印刷では非常に重要なので、使用する転写印刷版の受け入れ管理や、転写印刷版の凹凸のパターン形成前の石英基板などの材料選定にもこの三次元レーザ変位計方式を用いることができる。

実施例１を図２により説明する。図２に示すように、実施例１では、厚さ１．０ｍｍの４インチφの石英基板からなる転写印刷版１を円環状の支持枠１４に収納し、これをホルダー２５で保持する。転写印刷版１の下方には、被印刷部材２である厚さ１．０ｍｍで、外径３インチφのナノガラス基板を、転写ステージ１９の上に設置した。ナノガラス２に対する転写印刷版１の高さは、転写印刷版の中央部で１００μｍに設定した。この設定も三次元レーザ変位計１５を用いて行った。この状態で三次元レーザ変位計を用いてナノガラス２と転写印刷版１の平行度を転写印刷版の直径方向にわたり連続的に測定した。測定結果を図４に示す。図４は、外径３インチφのナノガラス基板の端から端までの距離６０ｍｍ（半径３０ｍｍΦ）に渡る平行度を連続的に測定した例を示している。三次元レーザ変位計の測定ピッチは、０．１ｍｍ間隔としたが、図では連続した線として示している。図４に示すように、被印刷部材と転写印刷版は６０ｍｍφの面内範囲で８．０３μｍ傾いていることがわかる。

実施例２を図３により説明する。図３に示すように、実施例２では、厚さ０．５ｍｍの４インチφの石英基板からなる転写印刷版１を円環状の支持枠１４に収納し、転写印刷版の下方には、被印刷部材２の替わりに厚さ１０．０ｍｍで、外径３インチφのオプティカルフラット２２を、転写ステージ１９の上に設置した。オプティカルフラット２２に対する転写印刷版１の高さは、転写印刷版の中央部で１００μmに設定した。この設定も三次元レーザ変位計15を用いて行った。この状態で三次元レーザ変位計を用いてオプティカルフラットに対する転写印刷版の平坦度を転写印刷版の直径方向にわたり連続的に測定した。測定結果を図５に示す。図５は、外径３インチφのオプティカルフラットの端から端までの距離６０ｍｍ（半径３０ｍｍΦ）に渡る平行度を連続的に測定した例を示している。三次元レーザ変位計の測定ピッチは、実施例１同様０．１ｍｍ間隔としたが、図では連続した線として示している。図５に示すように、転写印刷版1は中央部に対して６０ｍｍの両側が０．０９μｍ反っていることがわかる。

実施例３を図６を用いて説明する。図６に示すように、実施例３では、厚さ０．５ｍｍの４インチφの石英基板からなる転写印刷版１を円環状の支持枠１４に収納し、転写印刷版の下部には、被印刷部材２である厚さ１．０ｍｍで、外径３インチφのナノガラス基板を、転写ステージ１９の上に設置した。そして、ナノガラス上に感光性樹脂膜２１をスピンコート法で形成した。感光性樹脂膜２１はＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリル酸メチル）系であり、その厚さを２μｍの厚さとした。図４に示したように、被印刷部材２と転写印刷版１は６０ｍｍφの面内範囲で８．０３μｍ傾いていることがわかったので、この傾きを、支持枠１４の平坦度補正により、傾きを０．５μｍに調整してから、ナノガラスを取り外して、スピンコーターで感光性樹脂膜を形成し、樹脂膜形成後ナノガラスを転写ステージにセットした。その後転写ステージをステッピングモーターにより上昇させて、転写印刷版である石英金型にナノガラスを接触させた。そして、波長３６５ナノメートルの紫外線ランプを用いて、転写印刷版の上部から紫外線を照射して感光性樹脂を硬化させた。樹脂硬化後、転写ステージをステッピングモーターによって降下させて、ナノガラスを転写印刷版から離版させた。ナノガラス上の感光性樹脂膜には、転写印刷版に形成されている幅０，１μｍ、深さ０，１μｍの溝パターンのレプリカパターンが形成された。

本発明の産業上の利用分野は、大容量メディアディスク、半導体デバイス、電子回路形成などであり、従来のフォトプロセスに替わるナノ，マイクロレベルの加工技術として広く応用が可能である。

インプリント装置の説明図。 本発明のレーザ変位計を搭載し転写印刷装置（インプリント装置）の説明図。 本発明のレーザ変位計を搭載し転写印刷装置（インプリント装置）の説明図。 本発明による転写印刷版の傾き測定結果を示す図。 本発明による転写印刷版の平坦度測定結果を示す図。 本発明による転写印刷装置（インプリント装置）の説明図。

符号の説明

１…転写印刷版（サファイアモールド）、２…被印刷部材、３…サファイア（紫外線照射板）、４…照射レンズ、５…光ファイバー、６…ベローズ、７…ステッピングモーター、８…ロータリーポンプ接続口、９…ヒーター、１０…ロードセル、１１…ボールネジ、１２…ステージ、１３…ステージ上昇矢印、１４…支持枠、１５…三次元レーザ変位計、１６…Ｘ軸、１７…Ｙ軸、１８…円周方向、１９…転写ステージ、２０…レーザビーム、２１…感光性樹脂膜、２２…オプティカルフラット。

Claims (8)

1. 転写印刷版に形成した凹凸のパターンを、被印刷部材の面上に直接に、または被印刷部材上に形成された樹脂膜上に転写するインプリント方式の転写印刷装置において、
   前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜に対する前記転写印刷版の距離および傾きを検出する装置を備えた転写印刷装置。
2. 被印刷部材の面上に直接に、または被印刷部材上に形成された樹脂膜上に、インプリント方式により転写印刷版の凹凸のパターンを形成してなる転写印刷製品において、
   前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜に対する前記転写印刷版の距離および傾きを認識できる機能を有する転写印刷装置を用いて製造してなる転写印刷製品。
3. 請求項１において、前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜に対する前記転写印刷版の距離および傾きを検出する装置は、レーザ変位計よりなる転写印刷装置。
4. 請求項２において、前記転写印刷製品は、前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の距離および傾き、または被印刷部材上に形成された前記転写印刷版の樹脂膜に対する距離および傾きを認識できる機能を有するレーザ変位計を装備した転写印刷装置を用いて製造された転写印刷製品。
5. 請求項３において、前記レーザ変位計は、
   その対物レンズを前記転写印刷版および前記被印刷部材に対して垂直および水平方向に微振動させながら、前記転写印刷版および前記被印刷部材または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜のそれぞれの高さ方向の位置を測定する機能と、
   この測定値に基づき前記転写印刷版と前記被印刷部材の距離および前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の傾き、または前記転写印刷版と前記樹脂膜の距離および前記樹脂膜に対する前記転写印刷版の傾きを認識する機能と
   を有する転写印刷装置。
6. 請求項４において、前記レーザ変位計は、
   その対物レンズを前記転写印刷版および前記被印刷部材に対して垂直および水平方向に微振動させながら、前記転写印刷版および前記被印刷部材または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜のそれぞれの高さ方向の位置を測定する機能と、
   この測定値に基づき前記転写印刷版と前記被印刷部材の距離および前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の傾き、または前記転写印刷版と前記樹脂膜の距離および前記樹脂膜に対する前記転写印刷版の傾きを認識する機能とを有し、
   前記転写印刷製品は、このレーザ変位計を備えた転写印刷装置を用いて製造された転写印刷製品。
7. 請求項５において、前記レーザ変位計は、
   前記転写印刷版の上方で水平に移動する機能と、
   水平移動による各移動点での前記転写印刷版および前記被印刷部材または被印刷部材上に形成された前記樹脂膜のそれぞれの高さ方向の位置を測定する機能と、
   この測定値に基づき前記転写印刷版と前記被印刷部材間の距離および前記被印刷部材に対する前記転写印刷版の傾き、または前記転写印刷版と被印刷部材上に形成された前記樹脂膜間の距離および被印刷部材上に形成された樹脂膜に対する前記転写印刷版の傾きを、転写印刷版全面にわたって認識できる機能と
   を有する転写印刷装置。
8. 請求項７において、前記被印刷部材または前記樹脂膜を形成した前記被印刷部材の取り付け位置に、前記被印刷部材または前記樹脂膜を形成した被印刷部材の代わりオプティカルフラットを配置し、前記転写印刷版の上方で前記レーザ変位計を水平に移動させながら、オプティカルフラットに対する前記転写印刷版の距離を測定することにより、転写印刷版の面内の平坦度分布および傾きを測定できる機能を有する転写印刷装置。

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