JP2008503364A - 支持された、および独立した３次元のマイクロまたはナノ構造体のインプリント方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロおよびナノスケールのインプリント方法、ならびにポリマ、セラミックおよび／または金属材料からなる支持されたおよび／または独立した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を作製するための上記方法の使用に関する。いくつかの実施形態において、これらの構造物を作製する際に、二重モールドアプローチが採用されている。この方法において、表面処理を用いて、異なるモールドおよび／またはモールドの異なる部分に、異なる界面エネルギを与えている。このように表面処理することにより、構造体をインプリントし、基板に移転させて、３次元（３Ｄ）構造体を形成することができる。いくつかの実施形態において、表面処理および用いられるポリマのガラス転移温度の差異により、独立したマイクロおよび／またはナノ構造体をフィルム状および／または個別に形成するために、３Ｄ構造体をモールドから分離しやすくすることができる。

Description

本発明は、一般にマイクロおよびナノ・インプリント技術に関し、とりわけ支持された、および独立した３次元マイクロおよびナノ構造体を作製するために用いられる新規なマイクロおよびナノ・インプリント技術に関する。

従来式のフォトリソグラフィ技術は、約１５０ｎｍのパターン寸法が限界であると考えられている。Ｘ線およびイオンビームリソグラフィ技術は、この限界値より小さい寸法のパターン形成を実現可能な択一的技術として認められてきたが、高価である。同様に、電子ビームリソグラフィも実現可能な技術であることが立証されてきた。しかし、多くの時間を要し、Ｘ線およびイオンビームリソグラフィ技術と同様、高価である。こうしたリソグラフィ技術とは異なり、インプリント技術は、より簡便で、より速く、より安価に処理して、大量生産時のフォトリソグラフィ技術に取って代わり得る、２次元（２Ｄ）のナノメートルスケールの特徴物を形成するための魅力的な選択肢を提供する。

上述のリソグラフィ技術は、２次元（２Ｄ）の支持された特徴物の作製に限定される。しかしながら、インプリント技術によれば、３次元（３Ｄ）の特徴物を作製することができ、３Ｄ特徴物とは深度とともに構造的変化を有するものである。３次元パターン形成技術は、数多くの応用例を実施可能にする重要な技術である。例えばマイクロエレクトロニクスにおいて、３次元にすると、現在課せられた２Ｄ特徴物による制約を超えたマイクロプロセッサの速度とメモリ容量を実現可能にする。オプトエレクトロニクス業界においては、３Ｄ構造体は光の損失を最小限に抑えることができるので、３Ｄフォトニックバンドギャップ構造が相当な注目を集めている［キリアキディスらの「ＧＨｚ帯およびＴＨｚ帯における２次元または３次元のフォトニックバンドギャップ結晶」Mater. Phys. Mech., 1:20-26, 2000]。ドラッグ／化学薬品デリバリシステム、検出システム、および触媒の分野において、３次元構造体を作製できる可能性は、制御されたデリバリ、検出、化学反応における選択性の有効性において飛躍的進歩（ブレークスルー）を与えるものとなる。例えば、網の目の表面を有する球体は、複数の薬剤を含むチャンバを備えた錠剤または複数の機能を有する触媒の支持体として構成することができる。

２次元の製造技術は、サブミクロンスケールまでの成熟した技術であるが、３次元のサブミクロン製造技術については、これまでほとんど報告されていない。現在のところ、サブミクロンの３次元製造技術に関する限定的な量の文献が利用可能であるが、ほとんどの報告は、さまざまなフォトリソグラフィ技術の単なる延長と考えられる。例えば、ホワイトサイドらは、自己集合アプローチを用いて多孔質マイクロ球体が得られることを示し［フックらの「３次元の中規模の自己集合」J. Am. Chem. Soc., 129: 8267-8268, 1998］、ヤマモトらは、深部Ｘ線リソグラフィを用いてミクロンスケールの溝を有する構造体の作製を実証した［タバタらの「複数のステージを用いたマスク深度Ｘ線の移動による３Ｄ製造法」The Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 180- 183, 2002］。またホワイトサイドらは、３Ｄ構造体を形成するために用いられる「メンブレン折り畳み」法について報告した［ブリッテインらの「マイクロオリガミ：微小３次元金属構造体の作製法」J. Plays. Chem. B, 105: 347-350, 2001］。これらの技術の大半は、３Ｄサブミクロンまたはナノメータの特徴物を形成する可能性を実証しているが、大量生産には容易には導入されない。

従来式のナノインプリント方法［サンらの「平坦でない表面上のナノインプリントリソグラフィのための複数層レジスト法」J. Vac. Sci. Technol. B, 16 (6):3922-3925, 1998］および反転インプリント方法［ファンらの「ポリマをモールドから基板に移転させることによる反転インプリント法」J. Vac. Sci. Technol. B, 20 (6):2872-2876, 2002］の両方の技術は、３Ｄナノ特徴物の作製における上述の技術に代わる魅力的な代替技術である。ただし、これらの技術は、現在のところ、パターン形成された基板またはトポグラフィを有する基板の上に複数回インプリントすることにより３Ｄ構造体を形成するものである。したがって、より有効なインプリント技術において、現在利用されているリソグラフィによるパターン形成技術の潜在的な代替技術としてインプリントの機能を確立するまでの長い道のりがある。

本発明は、マイクロおよびナノスケールのインプリント方法、ならびにポリマ、セラミックおよび／または金属材料からなる支持されたおよび／または独立した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を作製するための上記方法の使用に関する。

１つの態様によれば、３次元ポリマ構造体フィルムを作製する方法が提供され、この方法は、
(a)構造化された表面を含む第１のモールド、および第１のモールドの構造化された表面とは互いに異なる界面エネルギを有する構造化された表面を含む第２のモールドを形成するステップと、
(b)第１の側面、および第１の側面に対向する第２の側面を含み、ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマフィルムであって、ポリマフィルムの第１の側面が第１のモールドの構造化された表面に接触するように第１のモールド上に載置されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)第２のモールドの構造化された表面を第１のモールド上に載置されたポリマフィルムの第２の側面に押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントするとともに、ポリマフィルムの第１および第２の側面の両方に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(d)Ｔ_ｇより低い温度で、第１または第２のモールドの一方をポリマフィルムから分離して、一方の側面がポリマフィルムから分離されなかった他方のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
分離されたモールドの構造化された表面の界面エネルギに比してより高い界面エネルギを有する他方のモールドの構造化された表面にポリマフィルムが接触することにより、上記固着が維持される。

別の態様によれば、３次元ポリマ構造体を作製する方法が提供され、この方法は、
(a)第１の３Ｄポリマ構造体を基板上に形成するステップと、
(b)第２の３Ｄポリマ構造体を表面処理したモールド内に形成するステップと、
(c)第１および第２の３Ｄポリマ構造体を接合させるステップと、
(d)表面処理したモールドを第２の３Ｄポリマ構造体から分離させて、第１の３Ｄポリマ構造体上の第２の３Ｄポリマ構造体からなる組立構造体を形成するステップとを有する。

別の態様によれば、３Ｄ構造化されたポリマフィルムを作製する方法が提供され、この方法は、
(a)低位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有する第１のモールドを形成するステップと、
(b)ガラス転移温度Ｔ_ｇ１を有する第１のポリマを、パターン形成されて表面処理された第１のモールドの表面上にコーティングして、第１のモールドと接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)中位エネルギを有し、パターン形成された表面を有する第２のモールドを形成するステップと、
(d)ガラス転移温度Ｔ_ｇ２を有する第２のポリマを、パターン形成されて表面処理された第２のモールド上にコーティングして、第２のモールドと接触する第２の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(e)いずれか一方のポリマのＴ_ｇより高い温度で、第１のモールド上にあるポリマフィルムの表面に第２のモールドを押圧して、両方のポリマフィルムを固着させて、ポリマフィルムの第１および第２の側面上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(f)両方のポリマフィルムのＴ_ｇより低い温度で３Ｄ構造化されたポリマフィルムから第１のモールドを分離させて、第２のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
上記固着は、第２のモールドとポリマフィルムの第２の側面が接触することを含む。

本発明のいくつかの実施形態では、二重モールドアプローチが上述の方法で採用されている。いくつかの実施形態では、表面処理を用いて、異なるモールドおよび／またはモールドの異なる部分に、異なる界面エネルギを与えている。このように表面処理し、多分にこれに加えてポリマのガラス転移温度を異ならせることにより、構造体をインプリントし、基板に移転させて、３次元（３Ｄ）マイクロおよび／またはナノ構造体を形成することができる。いくつかの実施形態および他の実施形態において、こうした表面処理は、独立したマイクロおよび／またはナノ構造体をフィルム状および／または個別に形成するために、３Ｄ構造体をモールドから分離しやすくすることができる。いくつかの実施形態において、こうした表面処理は、シラン処理、プラズマ蒸着、プラズマ処理、および／またはグラフト処理を含む。

本発明のいくつかの実施形態においては、漸進的により低いガラス転移温度を有するポリマを用いるか、混和性ポリマブレンドを用いることにより、支持された、または独立した積層型３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体が作製される。いくつかの実施形態および他の実施形態において、「ラッチオン（嵌合）」組立技術を用いて、ガラス転移温度をもたないポリマの組立を可能とし、熱可塑性ポリマを組み立てるために必要な加熱処理を省略する、支持されたおよび／または独立した積層型マイクロおよび／ナノ構造体を形成することができる。

本発明は、支持されたおよび／または独立した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体をインプリントするための新規な方法を提供する。こうした新規な方法は、既存の先行技術に対して数多くの利点を有する。第１に、本発明は、先行技術のほとんどの方法で見られる犠牲層／犠牲部材を必要としない直接的なパターン形成方法を提供する。これは、より少ないプロセス工程を可能にする。第２に、本発明は、完全に封止された端部を有するキャビティを形成することができる。第３に、本発明は、ナノスケール寸法を有する境界が明瞭な３Ｄ構造体のパターン形成を可能にする。このとき、こうした３Ｄ構造体は、基板に移転させるか、あるいは独立したフィルムまたは個別の３Ｄ構造体として離脱させることができる。第４に、本発明は、インプリントし、積層され、および／または組み立てることができる、さまざまな３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を提供する。

上述の利点に加えて、本発明は、先行技術が有する数多くの問題点を克服する。第１に、本発明に係る二重モールドアプローチは、３Ｄ構造体を形成する数多くの先行技術のアプローチで用いられている犠牲層／犠牲部材を使用する必要性を排除できる。第２に、この二重モールドアプローチによれば、従来式の犠牲層／犠牲部材の技術では作製できなかった閉じた構造体を形成することが可能である。第３に、モールドを表面処理して、異なる界面エネルギを与えることにより、選択的にインプリントおよび離型を可能にし、その結果として構造体を基板上への移転を可能にする。第４に、３Ｄ構造体を作製するための従来式のフォトリソグラフィに基づく技術と比較して、必要とされるプロセス工程がより少なくて済む。第５に、本発明は、さまざまな可能性のある３Ｄ構造体を提供し、こうした技術は、３Ｄマイクロエレクトロニクス、マイクロエレクトロケミカルシステム（ＭＥＭＳ）／ナノエレクトロケミカルシステム（ＮＥＭＳ）のデバイス、およびフォトニックバンドギャップ構造体を形成するために潜在的に適用可能である。

本発明は、ＭＥＭＳおよびＮＥＭＳデバイス（流体工学、アクチュエータ、レンズ、共振器）、センサ、集積チップデバイス、フォトニックバンドギャップ構造体（導波路）、および／またはドラッグ／化学薬品のデリバリシステムの分野において、潜在的に適用される。潜在的な用途の多様性は、本発明の方法およびプロセスの重要性を証明するものである。

本発明の以下の詳細な説明が十分に理解できるように、これまで本発明の特徴をかなり大まかに説明してきた。本発明のクレームの主題を構成する本発明の追加的な特徴および利点を以下説明する。

１つの実施形態において、以下の方法が提供され、その方法は、
(a)低位エネルギを有し、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された表面を有する第１のシリコンモールドを形成するステップと、
(b)ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマを、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された第１のシリコンモールドの表面の上にスピンコーティング処理を行い、第１のシリコンモールドに接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)中位エネルギを有し、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された表面を有する第２のシリコンモールドを形成するステップと、
(d)Ｔ_ｇより高い温度で、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された第２のシリコンモールドの表面を、第１のシリコンモールド内にあるポリマフィルムに押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントし、フィルムの第１および第２の側面の両方の上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(e)Ｔ_ｇより低い温度で、第１のシリコンモールドをポリマフィルムから分離させ、第２のシリコンモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、このときこうした固着は、ポリマフィルムの第２の側面が第２のシリコンモールドに接触することにより維持される。

１つの実施形態において、以下の方法が提供され、その方法は、
(a)中位エネルギを有し、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された表面を有する第１のシリコンモールドを形成するステップと、
(b)ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマを、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された第１のシリコンモールドの表面の上にスピンコーティング処理を行い、第１のシリコンモールドに接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)低位エネルギを有し、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された表面を有する第２のシリコンモールドを形成するステップと、
(d)Ｔ_ｇより高い温度で、シラン処理されてリソグラフィ技術により構造化された第２のシリコンモールドの表面を、第１のシリコンモールド内にあるポリマフィルムに押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントし、フィルムの第１および第２の側面の両方の上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(e)Ｔ_ｇより低い温度で、第２のシリコンモールドをポリマフィルムから分離させ、第１のシリコンモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、このときこうした固着は、３Ｄ構造化されたポリマフィルムの第１の側面が第１のシリコンモールドに接触することを含む。

１つの実施形態において、３Ｄポリマ構造体を組み立てる方法が提供され、この組立方法は、
(a)ガラス転移温度Ｔ_ｇ１を有する第１の３Ｄポリマ構造体を基板上に形成するステップと、
(b)Ｔ_ｇ１より低いガラス転移温度Ｔ_ｇを有する第２の３Ｄポリマ構造体を表面処理したモールド内に形成するステップと、
(c)Ｔ_ｇ２付近の温度条件、室温で電磁放射線に曝した条件、およびそれらを組み合わせた条件からなる群より選択された条件下で、第２の３Ｄポリマ構造体を第１の３Ｄポリマ構造体の上に押圧するステップと、
(d)Ｔ_ｇ２より低い温度で、表面処理したモールドを第２の３Ｄポリマ構造体から分離させて、第１の３Ｄポリマ構造体上の第２の３Ｄポリマ構造体からなる積層型構造体を形成するステップとを有する。

１つの実施形態において、ナノスケールからマイクロスケールの範囲の大きさの特徴物を有するように構造化された３Ｄポリマ構造体を組み立てる方法が提供され、この組立方法は、
(a)第１の３Ｄポリマ構造体を基板の上に形成するステップと、
(b)第２の３Ｄポリマ構造体を表面処理したモールド内に形成するステップと、
(c)第２の３Ｄポリマ構造体が第１の３Ｄポリマ構造体の上に嵌合するように、第２の３Ｄポリマ構造体を第１の３Ｄポリマ構造体内に押圧するステップと、
(d)表面処理したモールドを第２の３Ｄポリマ構造体から分離させて、第１の３Ｄポリマ構造体上の第２の３Ｄポリマ構造体からなる組立構造体を形成するステップとを有する。

１つの実施形態において、以下の方法が提供され、その方法は、
(a)低位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有する第１のモールドを形成するステップと、
(b)ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマを、パターン形成されて表面処理された第１のモールドの表面上にコーティングして、第１のモールドと接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)中位エネルギを有し、パターン形成された表面を有する第２のモールドを形成するステップと、
(d)Ｔ_ｇより高い温度で、第１のモールド上にあるポリマフィルムの表面に第２のモールドを押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントし、ポリマフィルムの第１および第２の側面上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(e)Ｔ_ｇより低い温度で、第１のモールドをポリマフィルムから分離させて、第２のモールドに固着された３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
上記固着は、ポリマフィルムの第２の側面が第２のモールドに接触することにより維持される。

１つの実施形態において、以下の方法が提供され、その方法は、
(a)中位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有する第１のモールドを形成するステップと、
(b)ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマを、パターン形成されて表面処理された第１のモールドの表面上にコーティングして、第１のモールドと接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(c)低位エネルギを有し、パターン形成された表面を有する第２のモールドを形成するステップと、
(d)Ｔ_ｇより高い温度で、第１のモールド上にあるポリマフィルムの表面に第２のモールドを押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントし、ポリマフィルムの第１および第２の側面上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
(e)Ｔ_ｇより低い温度で、第２のモールドをポリマフィルムから分離させて、第１のモールドに固着された３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
上記固着は、ポリマフィルムの第１の側面が第１のモールドに接触することにより維持される。

（定義）
ここで用いられる以下の単語および用語は、以下の意味を有するものとする。
ここで用いられる用語のほとんどが当業者ならば理解されるものであるが、本発明を理解しやすくするために、以下の定義が提示される。ただし、例示的に定義されない場合、これらの用語は現在当業者が容認する意味を採用するものとして解釈する必要がある。

本発明における「マイクロ構造体（Micro-structure）」とは、「マイクロスケール」特徴物（feature）であって、マイクロスケール特徴物は、長さが約１ミクロン（μｍ）〜約１００μｍの範囲の大きさを有する特徴物として定義される。

本発明における「ナノ構造体（Nano-structure）」とは、「ナノスケール」特徴物または「サブミクロンスケール」特徴物であって、ナノスケール特徴物は、約１μｍ以下の大きさを有する特徴物として定義される。

「３次元」または簡略化した「３Ｄ」とは、深度とともに（構造的に）変化する構造体または構造的特徴物を指すものと定義される。

「界面エネルギ」とは、一般にいくつかの他の部材と接する特定界面の分子力場に関連する界面特性として定義され、一般にｍＪ／ｍ^２で測定される。本発明における「示差界面エネルギ」とは、単に、２つまたはそれ以上の部材の間の異なる界面エネルギを指すものとして定義される。ここで説明される方法に関して、「低位界面エネルギ」とは、一般に１２ｍＪ／ｍ^２以下、「中位界面エネルギ」とは、一般に１４〜３０ｍＪ／ｍ^２、「高位界面エネルギ」とは、一般に５０ｍＪ／ｍ^２以上を意味する。

「二重モールド（duo-mold）」プロセスとは、一般に異なる界面エネルギを付与するために異なる表面コーティングを有する２つのモールド（鋳型）を用いて、ポリマからなる３Ｄマイクロ構造物および／またはナノ構造物を作製する方法を指すものと定義される。

「スピンコーティング」とは、一般にポリマ溶液を表面（例えばモールド）の上に分散させて表面を高速スピン回転させて、遠心力により溶液を広げ、脱溶媒化されたポリマの薄膜を形成する方法を指すものと定義される。

「ガラス転移温度」とは、Ｔ_ｇと略されるが、多くの高分子ポリマが硬いガラス状態から塑性状態に変化する温度を指すものと定義される。この温度以上になると、こうしたポリマは流動するということができる。ただしすべてのポリマおよびポリマブレンドがＴ_ｇを有するとは限らない。

本発明における「プラズマ洗浄」とは、一般に表面をプラズマに曝して最上層だけを除去することを指す。こうしたプラズマは、一般にラジオ波またはマイクロ波発振源を用いて生成された酸素（Ｏ_２）などの減圧酸化プラズマである。本発明における「プラズマエッチング」とは、一般にプラズマ洗浄と同じ原理によるが、より侵略的で、より大量に除去する。

「ラッチオン（嵌合）」組立メカニズムとは、一般に、３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体からなる上部構造体（super structure）を組み立てるために、レゴブロック（登録商標）で採用された固定メカニズムと同様の機械的な固定メカニズムを指すものと定義される。

特に指定されなければ、「備えている（comprising）」、「備える（comprise）」および文法的変形は、「開放的（open）」または「包括的（inclusive）」文言を表現し、引用された要素のみならず、引用されない追加的な要素を包含することを許容することを意図している。

ここで用いられる「約」なる用語は、製剤成分の濃度を示す文脈において、典型的には記述された値の±５％、より典型的には記述された値の±４％、より典型的には記述された値の±３％、より典型的には記述された値の±２％、よりいっそう典型的には記述された値の±１％、よりいっそう典型的には記述された値の±０．５％を意味する。

本発明およびその利点をより完全に理解するために、添付図面を考慮しながら、以下の詳細な説明を参照する。

本発明は、マイクロスケールまたはナノスケールのインプリント方法、およびポリマ材料、セラミック材料、および／または金属材料からなる、支持され、そして／または独立した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を形成するための上記インプリント方法に関する。本発明のさまざまな実施形態の実施および／または使用について以下説明するが、本発明は、さまざまな特定の文脈において実現され得る数多くの適用可能な発明的着想を提供していることを理解されたい。ここで議論される特定の実施形態は、単に本発明の実施および／または使用の特定の手法を説明するものであって、発明の範疇を制限することを意図するものではない。

本発明のいくつかの実施形態では、上述の方法において二重モールドアプローチが採用されている。いくつかの実施形態では、モールドの異なる部分に異なる界面エネルギを与えるための表面処理が採用されている。こうした表面処理により、インプリントし、構造体を基板に移転させて、３次元（３Ｄ）構造体を形成することができる。いくつかの実施形態または他の実施形態では、こうした表面処理により、独立した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を個別に、そして／またはフィルムに形成するために、３Ｄ構造体をモールドから分離することが支援される。

本発明は、マイクロスケールまたはナノスケールの特徴物を有する、支持され独立した３次元（３Ｄ）対象物をインプリントする方法を提供する。二重モールドインプリント方法を用いて、境界が明瞭な支持され独立した３次元のミクロン特徴物（μｍ）およびナノ特徴物（ｎｍ）を形成することができる。二重モールドインプリント方法（プロセスＩ）の概略的な図が図１として示されている。図１を参照すると、ステップａ１において、パターン形成されたシリコン（Ｓｉ）モールド（モールドＡ）が、例えばパーフルオロデシルトリクロロシラン（ＦＤＴＳ）、オクタデシルトリクロロシラン（ＯＴＳ）、またはオクタデシルメチルジクロロシラン（ＯＤＳ）などの低位界面エネルギのシランで処理される。典型的には、この表面処理は、窒素／不活性ガスの入ったグローブボックスまたは空気の相対湿度が低い（２０％ＲＨ未満）環境下で行われる。シランをｎ−ヘプタンなどの無水有機溶媒の中に２０ｍＭの濃度まで溶解させる。シリコンモールドは、酸素プラズマで洗浄され、１０分間シラン溶液内に浸漬される。処理が完了すると、このモールドは、ｎ−ヘプタンを用いてすすぎ処理し、乾燥した窒素ガスでブロー処理される。ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を含むトルエンなどポリマ溶液が溝を充填し、平坦化された薄膜（図１、ステップａ１）が形成されるように、シラン処理されたモールドＡの上でスピンコーティング処理が実施される。表面処理とポリマの選択は互いに関連しており、平坦化された薄膜を得るためには、思慮深く選択する必要がある。例えば、（表面処理のために）ＦＤＴＳおよび（スピンコーティング処理のためのポリマとして）ＰＭＭＡを組み合わせて用いる場合、ＰＭＭＡをトルエンまたはプロピレングリコールメチルエーテルアセテートに溶解すると、均一なコーティングが得られる。ここで開示されたモールドは、これに限定するものではないが、フォトリソグラフィ、ホログラフィックリソグラフィ、ｅ−ビームリソグラフィ、イオンビームリソグラフィ、およびこれらの組み合わせを含むさまざまな技術により形成することができる。

第２のシリコンモールド（モールドＢ）は、中位界面エネルギを得るために、フェチネルトリクロロシラン（ＰＥＴＳ）やフェチネルメチルトリクロロシラン（ＰＥＤＳ）などのシランで処理するか、あるいはＰＥＤＳまたはＯＤＳなどで処理した後、続けてＦＤＴＳで処理する。典型的には、この表面処理は、窒素／不活性ガスの入ったグローブボックスまたは空気の相対湿度が低い（２０％ＲＨ未満）環境下で行われる。シランをｎ−ヘプタンなどの無水有機溶媒の中に２０ｍＭの濃度まで溶解させる。シリコンモールドは、酸素プラズマで洗浄され、１０分間シラン溶液内に浸漬される。処理が完了すると、このモールドは、ｎ−ヘプタンを用いてすすぎ処理し、乾燥した窒素ガスでブロー処理される。続けてシラン処理が必要なモールドに対し、別の２０ｍＭのシラン溶液を用いて約１０分間、第２の処理が行われる。第２の処理が完了すると、このモールドは、ｎ−ヘプタンを用いてすすぎ処理し、乾燥した窒素ガスでブロー処理される。モールドＢは、ポリマがコーティングされたモールドＡの上に位置合わせされ、ポリマのガラス転移温度（Ｔ_ｇ）より高い温度で、適当な圧力で押圧される。そして、モールドＢはポリマのＴ_ｇより低い温度で分離し、３Ｄ構造体を形成し、ポリマフィルムをモールドＡからモールドＢへ移転させる（図１、ステップｂ１）。２つのモールドが有する界面エネルギに差異があるために、このように移転させることができる。モールドＢの界面エネルギは、モールドＡの界面エネルギより高いので、ポリマフィルムは優先的にモールドＢに固着し、ポリマフィルムの移転が実現する。

追加的あるいは択一的に、いくつかの実施形態では、このプロセスは、モールドＡの代わりにモールドＢの上にポリマをスピンコーティング処理することにより実施することができる（プロセスII）。この実施形態では、モールドＢはより高い界面エネルギを有するので、ポリマフィルムはモールドＡからモールドＢへ移転されない。すなわち、モールドＡがモールドＢ上のポリマフィルムにインプリントする（図１、ステップａ２およびｂ２）。

追加的あるいは択一的に、いくつかの実施形態では、このプロセスは、モールドＡおよびモールドＢの両方の上にポリマをスピンコーティング処理することにより実施することができる（プロセスIII）。これらのコーティングは、同様の材料または異なる材料から構成されてもよい。こうした実施形態では、これらのモールドがいずれか一方のポリマのＴ_ｇより高い温度で一体に押圧されたとき、モールドＡのポリマフィルムがモールドＢのポリマフィルムに固着する。モールドＢはより高い界面エネルギを有するので、優先的にモールドＢに固着し、ポリマフィルムのモールドＡからモールドＢへの移転が実現する（図１、ステップａ３およびｂ３）。

以下説明するように、モールドＢ上のポリマフィルムを用いて、３つの一般化されたサブプロセスを実施することができる。

（サブプロセスＡ）
Ｏ_２プラズマ洗浄した凹凸のないＳｉ基板の上に、ポリマのＴ_ｇに近い温度でモールドＢを適当な圧力で押圧する。そしてモールドＢは、ポリマのＴ_ｇより低い温度でモールドＢを分離し、これによりポリマフィルム（このとき３Ｄ構造を有するポリマフィルム）をＳｉ基板に移転させる（図１、ステップｃ１）。その後、プラズマエッチングを用いて、ポリマフィルムの残渣層を除去してもよい（図１、ステップｄ１）。こうして、マイクロスケールおよびまたはナノスケールの大きさを有する最終的な３Ｄポリマ構造体が得られる。

（サブプロセスＢ）
択一的には、ポリマフィルムをモールドＢから分離することにより、独立した３Ｄポリマ構造体を形成することができる（図１、ステップｃ２）。溶液（例えばフッ酸）の中で（モールドに含まれる）酸化シリコン、金属、または酸化金属をエッチングすることにより、ポリマフィルムをモールドＢから分離してもよい。

（サブプロセスＣ）
第３の択一例は、ポリマフィルムが未だモールドＢに固着しているときに、Ｏ_２プラズマエッチングを用いて、残渣層を取り除いてもよい。サブプロセスＡ（図１、ステップｄ２）と同じように３Ｄポリマ構造体をＳｉ基板へ移転させるか、サブプロセスＢ（図１、ステップｄ３）と同じようにモールドＢから分離することができる。

これらのプロセスの成功の鍵になる要因は、ポリマフィルムを一方のＳｉモールドから他方への移転を可能にし、支持された３Ｄ構造体または独立した３Ｄ構造体を形成するためにモールドからの最終的な解放を支援するシラン処理の選択にある。このようにシラン処理を選択的に適用することにより示差界面エネルギが得られ、これらのプロセスを実現可能なものにする。

界面エネルギ処理とは、パターン形成されたポリマフィルムを固着させる表面を特定するための簡単で便利な手法である。こうした界面エネルギ処理を用いる場合、パターン形成されたポリマフィルムが接触する表面領域は、一般に同様のものであることが前提である。パターン形成されたポリマフィルムをどの表面に固着させるか正確に判断するためには、ポリマと表面の間の単位面積あたりの固着仕事量（単位面積あたりの分離仕事量）を計算する必要がある。分離させるために必要な仕事量は、単位面積あたりの固着仕事量にモールドの表面積を乗算することにより得られる。分離させるために必要なより大きい仕事量で、パターン形成されたポリマフィルムはモールド上に留まる。

なお、ここで開示された実施形態は酸素ガスを用いたプラズマエッチングを用いたが、他の実施形態では、シリコン材料をエッチングするために他のガスを用いてもよいことを理解されたい。例示的なエッチングガスは、アルゴン、およびＣＦ_４、ＣＦ_３、Ｃ_２Ｆ_６およびその混合物などのフレオン（登録商標）系のガス（フレオンはデュポン社の登録商標である。）である。

また、開示された実施形態では、ポリマフィルムのためのポリマとしてＰＭＭＡを用いたが、スピンコーティング処理に適した、熱可塑性ポリマ、ポリマブレンド、コポリマ含む任意のポリマを用いることができると理解されたい。例示的なポリマは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡｃ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリブチレン、ポリペンタジエン、ポリビニルクロライド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリイミド、セルロース、セルロースアセテート、エチレンプロピレンコポリマ、エチレンブテンプロピレンターポリマ、ポリオキサゾリン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、およびその混合物からなる群から選択され、エラストマ、ポリマブレンド、コポリマは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイソプレン、ポリブタジエン、およびその混合物からなる群から選択される。ポリマは、他の実施形態でポリマフィルムの中で用いてもよい。

（構造的組立）
本発明のいくつかの実施形態では、上述のプロセスを用いて形成された３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体をより大きな「上部構造体（super structures）」に組み立てる。こうした組立処理は、示差界面エネルギおよびガラス転移温度の利点を用いて、ポリマ３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を、先に積層した３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体へ移転させて、複数の３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体の層または組立体を形成することができる。択一的には、ガラス転移温度を有するポリマを用いる必要性を排除した「ラッチオン」メカニズムを用いて、こうした組立体を形成することができる。

いくつかの実施形態では、漸進的により低いガラス転移温度（Ｔ_ｇ）を有するポリマを用いるか、混和性ポリマブレンドを用いて、支持された、あるいは独立した積層型の３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体が形成される。図４を参照すると、先に積層されてモールド４０６上に載置されたＴ_ｇ１を有するポリマ構造体４０１に対し、Ｔ_ｇ２（このときＴ_ｇ２＜Ｔ_ｇ１）を有するポリマ構造体４０２を含むシラン処理されたモールド４０５が、Ｔ_ｇ２より高く、Ｔ_ｇ１より低い温度で押圧される（ステップ４００１）。ステップ４００２で、モールド４０５は、Ｔ_ｇ２より高い温度でポリマ構造体４０２から分離され、組立構造体４０８を形成する。ステップ４００３に図示したように、Ｔ_ｇ３（このときＴ_ｇ３＜Ｔ_ｇ２）を有するポリマ構造体４０３を含むシラン処理されたモールド４０７が、Ｔ_ｇ３より高く、Ｔ_ｇ２より低い温度で、ポリマ構造体４０２（組立構造体４０８の一部である）の上に押圧されるとき、追加的な構造体を付け加えることができる。そしてモールド４０７がＴ_ｇ３より低い温度でポリマ構造体４０３から分離され、拡大された組立構造体４０９（ステップ４００４）を形成する。後続の追加されるポリマ構造体のそれぞれが漸進的により低いＴ_ｇを有する場合、こうした組み立て処理を続けることができる。

温度がポリマブレンドのＴ_ｇに近くまで上昇したとき、圧力を加えてポリマブレンド構造体の塑性変形を低減または最小限に抑えるように、ポリマブレンドの物理的特性を調整することができる。すなわち、先に積層された層が変形することなく、同じポリマブレンドからなる一方の層を他方の層の上に移転させることができる。すなわち、いくつかの実施形態では、ポリマブレンドを用いることにより、積層型３Ｄ構造体を形成するために、漸進的により低いＴ_ｇを有するポリマを用いる必要性を排除することができる。積み重ねられた複数の層を有する積層構造体を形成するとき、ポリマブレンドを用いることは、明らかに好都合で有効なアプローチである。ポリマブレンドを用いることの別の利点は、ガラス状態に移行し始める温度を低くすることにより、インプリント・移転温度を低くすることができる点である。例えば、ＰＭＭＡおよびポリビニルアセテートの対称的なブレンドを用いることにより、パターンを４５℃でインプリント・移転させることができる。

いくつかの実施形態または他の実施形態において、「ラッチオン」組立技術を用いて、支持されたおよび／または独立したマイクロおよび／またはナノ構造体を形成することができ、この構造体は、ガラス転移温度をもたないポリマの組み立てを可能にし、そして熱可塑性ポリマを組み立てるために必要な加熱処理を排除する。図５を参照すると、ステップ５００１において、モールド５０５内に含まれるポリマ構造体５０２が、基板５０４上に載置されたポリマ構造体５０１に対して位置合わせされ、ポリマ構造体５０１内に押圧され、レゴ（登録商標）のおもちゃの建築ブロックで採用されたものと同じような「ラッチオン（嵌合）」プロセスにより、２つの構造体が連結される。ステップ５００２で、モールド５０５は取り外され、組立構造体５０７を形成する。ステップ５００３で、このプロセスを繰り返し行い、モールド５０６はポリマ構造体５０３を組立構造体５０７に移転させる。モールド５０６を解放すると、拡大された組立構造体５０８（ステップ５００４）が形成される。こうした組み立ては繰り返し行われ、３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造的建築ブロックを有する大きな上部構造体および／または構造的アレイが構成される。構造体を解除（取り外し）できるように、モールドはシラン処理されている。ポリマ構造体５０１は、基板５０４に移転される前に、まず二重モールドプロセスを用いて形成される。ポリマ構造体５０２は、まず二重モールドプロセスを用いて形成されるが、ここではモールド５０５内に収容された状態で図示されている。モールド５０５は、シラン処理され、図１のモールドＢに対応する。

（変形例）
上記説明は、一見したところ、微小スケールに基づくか、ある特定の構造体を生成するためのモールド対に基づく方法を説明している。しかし、これらのプロセスは、いくつかの手法を用いて、寸法を拡大することができる。
ａ）ステップ・リピート
ステップ・リピート手法では、３インチ×３インチまでのモールド対を繰り返して用い、３Ｄポリマ構造体をより大きな基板にインプリントおよび移転させる。
ｂ）ウエハサイズ（直径最大６インチ）のモールド対
ウエハサイズのモールド対を用いて、パターンを反復して形成し、複数の３Ｄ構造体をウエハサイズの基板の上に形成する。
ｃ）リール・リールプロセス
図６に示すように、リール・リールプロセスは、二重モールドプロセスの規模を格段に拡大する。円柱上にパターン形成して円柱状モールドを構成し、円柱状モールドを処理して、低位界面エネルギを有するモールドおよび中位界面エネルギを有するモールドを得る。ポリマシート６０１を２つの円柱状モールド６０２，６０３の間に供給するか、一方のモールドを浸漬被覆することができる。このプロセスは、加熱チャンバ内で、２つの円柱状モールドの間の圧力を一定にして行うことができる。中位界面エネルギを有するモールドとローラ６０５の間にシートを供給して、最終的には、パターン形成されたポリマフィルムを基板の上に移転することができる。

セラミックまたは金属の３Ｄマイクロおよび／またはナノ構造体を形成するためには、ゾル・ゲルに基づくプロセスを用いて、前駆体（加水分解可能な分子前駆体、ほとんどの金属アルコキシドまたは金属セラミックアルコキシド）をモールド上にスピンコーティングする。有機体を熱分解し、最終的にはセラミックまたは金属セラミックの３Ｄ構造体を形成する温度でスピンコーティング処理されたゾル・ゲルを用いて、二重モールドプロセスが実施される。

以下の実施例は、本発明の特定の実施形態を説明するために提供されたものである。以下の実施例で開示された方法は、単に本発明の例示的な実施形態を示すものでると当業者により理解されるべきである。ただし当業者ならば、この開示内容を見て、本発明の精神および範疇から逸脱することなく、開示された実施形態に数多くの点を変更して、なおかつ同様または同一の結果を得ることができるであろう。

この実施例は、本発明の方法を用いて形成され得るいくつかのタイプの３Ｄマイクロ構造体を説明するためのものである。

図２Ａは、上面には幅２０μｍ四方の正方形と、下面には直径５μｍの円形キャビティとを有するシリコン基板の上に支持されたインプリントされた３Ｄ構造体の光学的マイクロ写真であって、こうした構造体は、本発明に係る二重モールドインプリント方法を用いて形成することができる。この構造体は以下のステップにより形成される。

１）モールドＡは、直径５μｍで高さ９００ｎｍの円柱を有するＳｉモールドである。モールドＡは、（ｎ−ヘプタン中の）２０ｍＭのＦＤＴＳのシラン溶液で処理され、低位界面エネルギを有するモールドが形成される。モールドＡおよびＢは、従来式のフォトリソグラフィ技術を用いて事前にパターン形成されており、プラズマエッチングを用いてシリコン上にパターンが形成されていることに留意されたい。

２）モールドＢは、幅２０μｍ四方で高さ９００ｎｍの正方形を有するＳｉモールドである。ＰＥＤＳおよびＯＤＳで順次モールドＢを処理して、中位界面エネルギを有するモールドを形成する。典型的には、この表面処理は、窒素／不活性ガスの入ったグローブボックスまたは空気の相対湿度が低い（２０％ＲＨ未満）環境下で行われる。シランをｎ−ヘプタンなどの無水有機溶媒の中に２０ｍＭの濃度まで溶解させる。シリコンモールドは、酸素プラズマで洗浄され、１０分間シラン溶液内に浸漬される。処理が完了すると、このモールドは、ｎ−ヘプタンを用いてすすぎ処理し、乾燥した窒素ガスでブロー処理される。後続のＯＤＳ溶液を用いた第２の処理を１０分間行う。第２の処理が完了すると、モールドは、ｎ−ヘプタンを用いてすすぎ処理し、乾燥した窒素ガスでブロー処理される。

（図１のステップａ１に示すように）ＰＧＭＥＡ溶液中の９重量％のＰＭＭＡ（平均分子量（ＭＷ）が３５０ｋｇ／ｍｏｌ）がモールドＡの上に３０００ｒｐｍで３０分間スピンコーティング処理され、およそ９００ｎｍの厚みを有する平坦化されたコーティングが得られる。フィルム内に残留する溶媒を除去するために、ＰＭＭＡコーティングされたモールドＡは８０℃で３分間加熱される。ＰＭＭＡがコーティングされたモールドＡの上に、モールドＢを位置合わせして、１８０℃で６０バールの圧力で押圧する。（図１のステップｂ１に示すように）１０分後、モールドを７０℃まで冷却し、分離させる。こうして、パターン形成されたＰＭＭＡフィルムがモールドＡからモールドＢへ移転される。（図１のステップｃ１に示すように）このときパターン形成されたＰＭＭＡフィルムを含むモールドＢは、９５℃で３分間７０℃まで冷却されるまで、Ｏ_２プラズマ洗浄した凹凸のないＳｉ基板の上に押圧される。このときモールドＢは、Ｓｉ基板から分離される。

図２Ｂに示す走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）写真は、正方形パターンと下面にある円形パターンにより形成されるドームを示している。ドームは、画像領域上に電子ビームを走査する際に高い拡大倍率で形成される。理論により拘束されることを意図するものではないが、ドーム形成のプロセスは、電子放射された溶媒からガスが抜けたことに起因する可能性がある。放射されたポリマの厚みが低減していることが認められた。これらのドーム形成および厚み低減の現象は、放射電子量に依存するようであり、放射電子量とは、ここでは単位面積、単位時間あたりの電子数として定義される。

この実施例は、上述のサブプロセスＢの文脈に対応する実施形態を説明するためのものである。

図３は、インプリントされた３Ｄ構造体がＳｉ上に支持された実施例を示す。この構造体は、１：１のデューティサイクル比で７００ｎｍピッチの格子を上面に備え、幅３μｍおよび５μｍ四方の正方形キャビティを下面に備えている。この構造体を形成するために用いられる２つのモールドは以下のものを備える。
１）モールドＡは、高さ２５０ｎｍで幅３μｍおよび５μｍ四方の正方形のＳｉモールドである。モールドＡは、（へブタン中の）２０ｍＭのＦＤＴＳのシラン溶液で処理され、低位界面エネルギを有するモールドが形成される。
２）モールドＢは、高さ３５０ｎｍ、１：１のデューティサイクル比で７００ｎｍピッチの格子を有するＳｉモールドである。モールドＢは、（へブタン中の）２０ｍＭのＦＤＴＳのシラン溶液で処理され、低位界面エネルギを有するモールドが形成される。

トルエン溶液中の８重量％のＰＭＭＡ（平均分子量（ＭＷ）が１５ｋｇ／ｍｏｌ）がモールドＢの上において３０秒間３０００ｒｐｍでスピンコーティング処理され、（図１のステップａ２に示すように）およそ５００ｎｍの厚みを有する平坦化されたコーティングを形成する。ＰＭＭＡがコーティングされたモールドＢは、８０℃で３分間加熱され、フィルム内に残された溶媒が除去される。モールドＡは、ＰＭＭＡコーティングされたモールドＢの上に位置合わせされ、１５０℃、５０バールの圧力でモールドＢに押圧される。１０分後、２つのモールドは５０℃まで冷却され、（図１のステップｂ２のように）分離される。先の実施例にはあったが、パターン形成されたＰＭＭＡフィルムの移転は生じない。その後、ＰＭＭＡがコーティングされたモールドＢは、Ｏ_２プラズマ洗浄された凹凸のないＳｉ基板の上に８０℃で３分間押圧され、この間モールドＢは５０℃まで冷却され、Ｓｉ基板から分離する。パターン形成されたＰＭＭＡフィルムはＳｉ基板に移転され、（図１のステップｃ１に示すように）支持された３Ｄポリマ構造体が形成される。

同じシランを用いて両方のモールドを処理して、低位界面エネルギを実現したが、モールドＡと比較して、モールドＢの表面積がより大きいので、フィルムはモールドＢ上にコーティングされたままである。表面積がより大きければ、モールドＡと比較して、モールドＢに対する固着仕事量はより大きい。上述の設計された３Ｄ構造体を得るためには、界面エネルギに加えて、より大きな固着仕事量を有するモールドにフィルムは固着するので、モールドの表面積について考慮しなければならない。

上述の両方の実施例１，２において、キャビティは端部の周りに完全に封止されるので、キャビティを形成するために犠牲層を採用した従来式のナノ・インプリント方法を用いて、こうした構造体を形成することはできない。これとは対照的に、本発明に係る二重モールドインプリント方法を用いて形成することができるキャビティの幅は、ポリマフィルムの機械的強度にのみ規制を受ける。より厚いフィルムおよびより強靱なポリマを用いた場合、幅広の封止キャビティを形成することができる。パターン形成された基板上の反転インプリント方法を用いて、こうした構造体を実現しているが（Baoらの「トポグラフィ上のナノ・インプリント方法および３次元多重層プリント方法（Nanoimprinting over topography and multilayer three-dimensional printing）」J. Vac. Sci. Technol. B, 20:2881-2886, 2002）、二重モールドインプリント方法によれば、基板にパターン形成する必要がない。さらに、本発明に係る二重モールドインプリント方法によれば、すべてのポリマ・フォトニックデバイスに採用され得るすべてのポリマ構造体を形成することができる。

この実施例は、漸進的により低いＴ_ｇを有するポリマ材料を用いて、どのようにして積層型３Ｄポリママイクロまたはナノ構造体を形成するかについて、より十分に説明するためのものである。

漸進的により低いガラス転移温度を有するポリマまたは（ガラス状の挙動から粘弾性の挙動への転移を調整する）混和性ポリマブレンドの二重モールドインプリント方法によれば、図４に示す積層型３Ｄ構造体を形成することができる。こうした積層型３Ｄ構造体の形成に適した代表的な３つのポリマ系は、ポリカーボネート（平均ＭＷ：１８．２ｋｇ／ｍｏｌ、Ｔ_ｇ：１５０℃）、ＰＭＭＡ（平均ＭＷ：１５ｋｇ／ｍｏｌ、Ｔ_ｇ：１０５℃）、およびポリｔ−ブチルアクリレート（平均ＭＷ：１００ｋｇ／ｍｏｌ、Ｔ_ｇ：４３℃）である。こうしたシナリオにおいて、二重モールドインプリント方法を用いてインプリントされる第１のポリマはポリカーボネートであって、その後にＰＭＭＡ、ポリｔ−ブチルアクリレートが続く。

択一的には、積層型３Ｄ構造体を形成するために、ガラス転移温度のより広い範囲を有する混和性ポリマブレンドを用いると、漸進的により低いガラス転移温度を利用する必要がなくなる。こうした場合において、ポリマブレンドを用いたインプリント方法は、形状および形態を変化させることなく、所定温度で実行することができる。これらの択一的な実施形態に対して良好な結果が得られるものと考えられる、こうした混和性ポリマブレンドは、ＰＭＭＡおよびポリビニルアセテートである。

この実施例は、本発明に係る実施形態によるマイクロまたはナノメートルの寸法を有する構造体を組み立てるための「ラッチオン」組立プロセスおよびメカニズムを説明するためのものである。

レゴ（登録商標）ブロックで採用されているメカニズムと同様のラッチオンメカニズムで組み立てられるマイクロまたはナノメートルの寸法を有する構造体を設計することができ、これにより図５に示すような、より複雑な構造体を組み立てることができる。ラッチオン組立機構によれば、Ｔ_ｇ近くまでポリマ加熱する必要性、および漸進的により低いガラス転移温度を有する積層ポリマを用いる必要性を排除して、構造体の形状と形態を維持することができる。同様に、熱硬化性樹脂および多結晶性ポリマなどのＴ_ｇをもたないポリマを組み立てることもできる。

この実施例は、本発明が利用され得る潜在的な応用例について、さらに説明するものである。

本発明に係る方法に関する潜在的な応用例として、本発明が、図７に示すような金属コンタクトを小さくした電気励起式ポリマレーザを形成し得る場合があり、このときデバイス７００は、金属コンタクト７０１と、帰還分布型導波路７０２を有する。こうした金属で裏側を支持されたポリマレーザはすでに開発されており（Andrewらの「フォトニックバンド構造および金属で裏側支持された帰還分布型ポリマレーザの放射特性」 Appl, Phys. Lett., 81:954-956, 2002）、この分野の最新の研究によれば、金属コンタクトを縮減するために金属格子の上面にこうしたポリマレーザを配置したとき、レーザ特性が改善されることが示唆されている。Stehrらの「金属ナノ粒子格子に基づく低閾値ポリマレーザ」Adv. Mater., 15:1726-1729, 2003を参照されたい。こうした縮減された金属コンタクトは、金属電荷吸収を抑制するものと考えられている。

図８は、追加的な応用例を図示するものであり、本発明は電気活性を有するポリマ構造体８０３上に（例えばＣｒの）鏡８０２で構成されるポリマ製マイクロミラーアレイ８００を形成することができ、このときこうしたポリマ構造体は、マイクロおよび／またはナノスケールの大きさを有し、上述のインプリント方法により形成することができる。こうしたマイクロミラーは、例えばデジタル・ライト・プロセッシング（ＤＬＰ（登録商標））式のデバイスに用いることができる。

ここで参照されたすべての特許および刊行物は、ここに一体のものとして統合される。上述の実施形態で説明した特定の上記構造体、機能、および動作は、本発明を実現する上で必要なものではなく、例示的な実施形態または複数の実施形態の全体を単に説明するために開示されたものであることを理解されたい。さらに、上記特許および刊行物に記載された特別の構造体、機能、および動作は、本発明に関連して実施することができるが、その実施に対して必須のものではないことを理解されたい。したがって、添付されたクレームで定義された本発明の精神および範疇から実際に逸脱することなく特に記載された範囲内で本発明を実施できることを理解すべきである。

図１は、本発明に係る実施形態による二重モールドインプリント方法を一般化して概略的に示す。 図２Ａは、上面には幅２０μｍ四方の正方形と、下面には直径５μｍの円形キャビティとを有する３Ｄ構造体の光学的マイクロ写真である。 図２Ｂは、３Ｄ構造体のＳＥＭ画像であって、走査電子ビームによりマイクロ構造体の「ドーム」が形成される。 図３Ａは、１：１のデューティサイクル比で７００ｎｍピッチの格子を上面に備え、幅３μｍ四方の正方形キャビティを備えた構造体を示す。 図３Ｂは、１：１のデューティサイクル比で７００ｎｍピッチの格子を上面に備え、幅５μｍ四方の正方形キャビティを備えた構造体を示す。 図４は、漸次的により低いＴ_ｇを有するポリマを用いることにより形成された積層型３Ｄポリママイクロまたはナノ構造体を示す。 図５は、レゴ（登録商標）ブロックに類似したラッチオンメカニズムを用いた３Ｄポリママイクロまたはナノ構造体の組み立てを示す。 図６は、本発明のいくつかの実施形態による二重モールドプロセスの規模を拡大するためのリール・リールプロセスを示す。 図７は、本発明により、縮減された金属コンタクトを有する電気励起式ポリマレーザを形成し得る場合を示す。 図８は、本発明により、ポリマ製マイクロミラーアレイを形成し得る場合を示す。

符号の説明

４０１，４０２，４０３ ポリマ構造体、４０５，４０７ モールド、４０６ 基板、４０８，４０９ 組立構造体、
５０１，５０２，５０３ ポリマ構造体、５０４ 基板、５０５，５０６ モールド、５０７，５０８ 組立構造体、
６０１ ポリマ、６０２，６０３ 円筒状モールド、６０４ 基板、６０５ ローラ、
７０１ 金属コンタクト、７０２ 帰還分布型導波路、
８００ マイクロミラーアレイ、８０２ Ｃｒ鏡、８０３ ポリマ構造体。

Claims (38)

1. ３次元ポリマ構造体フィルムを作製する方法であって、
   (a)構造化された表面を含む第１のモールド、および第１のモールドの構造化された表面とは互いに異なる界面エネルギを有する構造化された表面を含む第２のモールドを形成するステップと、
   (b)第１の側面、および第１の側面に対向する第２の側面を含み、ガラス転移温度Ｔ_ｇを有するポリマフィルムであって、ポリマフィルムの第１の側面が第１のモールドの構造化された表面に接触するように第１のモールド上に載置されたポリマフィルムを形成するステップと、
   (c)第２のモールドの構造化された表面を第１のモールド上に載置されたポリマフィルムの第２の側面に押圧して、ポリマフィルムの第２の側面をインプリントするとともに、ポリマフィルムの第１および第２の側面の両方に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
   (d)Ｔ_ｇより低い温度で、第１または第２のモールドの一方をポリマフィルムから分離して、一方の側面がポリマフィルムから分離されなかった他方のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
   分離されたモールドの構造化された表面の界面エネルギに比してより高い界面エネルギを有する他方のモールドの構造化された表面にポリマフィルムが接触することにより、上記固着が維持されることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法であって、
   上記ステップ(b)は、
   (b1)第１のモールドの表面上にポリマをスピンコーティングして、ポリマフィルムを形成するステップを有することを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法であって、
   第１のモールドの構造化された表面は、低位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有し、
   第２のモールドの構造化された表面は、中位エネルギを有し、パターン形成された表面を有し、
   上記ステップ(b)は、
   (b2)パターン形成されて表面処理された第１のモールドの表面の上にポリマをコーティングして、ポリマフィルムを形成するステップを有することを特徴とする方法。
4. 請求項１または２に記載の方法であって、
   第１のモールドの構造化された表面は、中位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有し、
   第２のモールドの構造化された表面は、低位エネルギを有し、パターン形成された表面を有することを特徴とする方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一に記載の方法であって、
   第１および第２のモールドのうちの少なくとも一方は、シリコン、金属、セラミック、ポリマ、およびこれらの混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
6. 請求項１〜５のいずれか一に記載の方法であって、
   (e)第１および第２のモールドのうちの少なくとも一方は、リソグラフィ技術を用いて作製するステップを有することを特徴とする方法。
7. 請求項１または２に記載の方法であって、
   第１のモールドの構造化された表面は、低位エネルギを有し、リソグラフィ技術を用いて構造化されてシラン表面処理された表面を有し、
   第２のモールドの構造化された表面は、中位エネルギを有し、リソグラフィ技術を用いて構造化されてシラン表面処理された表面を有することを特徴とする方法。
8. 請求項７に記載の方法であって、
   上記分離ステップ(d)は、
   (d1)Ｔ_ｇより低い温度で、第１のモールドをポリマフィルムから分離して、第２のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップを有し、
   ポリマフィルムの第２の側面が第２のモールドに接触することにより、上記固着が維持されることを特徴とする方法。
9. 請求項１または２に記載の方法であって、
   第１のモールドの構造化された表面は、中位エネルギを有し、リソグラフィ技術を用いて構造化されてシラン表面処理された表面を有し、
   第２のモールドの構造化された表面は、低位エネルギを有し、リソグラフィ技術を用いて構造化されてシラン表面処理された表面を有することを特徴とする方法。
10. 請求項９に記載の方法であって、
    上記分離ステップ(d)は、
    (d2)Ｔ_ｇより低い温度で、第２のモールドをポリマフィルムから分離して、第１のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップを有し、
    上記固着は、３Ｄ構造化されたポリマフィルムの第１の側面が第１のモールドに接触することを含むことを特徴とする方法。
11. 請求項１〜１０のいずれか一に記載の方法であって、
    (f)およそＴ_ｇである温度で、３Ｄ構造化されたポリマフィルムの固着されていない側面を基板に押圧するステップをさらに有することを特徴とする方法。
12. 請求項１１に記載の方法であって、
    (g)Ｔ_ｇより低い温度で、３Ｄ構造化されたポリマフィルムに固着したモールドを分離して、３Ｄ構造化されたポリマフィルムを基板に移転するステップをさらに有することを特徴とする方法。
13. 請求項１１または１２に記載の方法であって、
    (h)３Ｄポリマ構造体を基板の上に形成するために、３Ｄ構造化されたポリマフィルムから残渣フィルムを除去するステップをさらに有することを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法であって、
    (h1)上記ステップ(h)は、プラズマエッチング処理を行うステップを有することを特徴とする方法。
15. 請求項１〜１４のいずれか一に記載の方法であって、
    ポリマフィルムが固着した他方のモールドを３Ｄ構造化されたポリマフィルムから分離して、独立した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップを有することを特徴とする方法。
16. 請求項１５に記載の方法であって、
    ポリマフィルムが固着した他方のモールドは、シリコンおよび酸化シリコンの内の少なくとも一方からなり、
    分離ステップ(i)は、
    (i1)シリコンおよび酸化シリコンをエッチング除去して、独立した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップを有することを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法であって、
    上記エッチング除去ステップ(i1)は、エッチング剤として塩基または酸を用いるステップを有することを特徴とする方法。
18. 請求項１〜１７のいずれか一に記載の方法であって、
    第１および第２のモールドは、ナノスケールまたはマイクロスケールの寸法を有する特徴物を有することを特徴とする方法。
19. 請求項１〜１８のいずれか一に記載の方法であって、
    ポリマフィルムを構成するポリマは、熱可塑性ポリマ、ポリマブレンドおよびコポリマからなる群から選択されることを特徴とする方法。
20. 請求項１〜１９のいずれか一に記載の方法であって、
    ポリマフィルムを構成するポリマは、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリビニルアセテート（ＰＶＡｃ）、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリアミド、ポリブチレン、ポリペンタジエン、ポリビニルクロライド、ポリカーボネート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスルホン、ポリイミド、セルロース、セルロースアセテート、エチレンプロピレンコポリマ、エチレンブテンプロピレンターポリマ、ポリオキサゾリン、ポリエチレンオキサイド、ポリプロピレンオキサイド、ポリビニルピロリドン、およびその混合物からなる群から選択され、
    エラストマ、ポリマブレンド、コポリマは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリイソプレン、ポリブタジエン、およびその混合物からなる群から選択されることを特徴とする方法。
21. 請求項３または４に記載の方法であって、
    第１および第２のモールドのパターン形成されて表面処理された表面は、シラン処理、プラズマ蒸着、プラズマ処理、グラフト処理およびこれらの組み合わせからなる群から選択された表面処理方法を用いて表面処理されたことを特徴とする方法。
22. 請求項１１〜２１のいずれか一に記載の方法であって、
    基板は、シリコン、金属、セラミック、ポリマ、およびこれらの混合物からなる群から選択される材料を含むことを特徴とする方法。
23. 請求項２２に記載の方法であって、
    基板は、酸素プラズマ洗浄処理、結合剤の調剤、およびそれらの組み合わせからなる群から選択されたプロセスを用いて表面処理されることを特徴とする方法。
24. 請求項１〜１０のいずれか一に記載の方法であって、
    (j)３Ｄ構造化されたポリマフィルムが他方のモールドに固着している間に、ポリマフィルムを酸素エッチングプラズマに曝して残渣フィルムを除去し、他方のモールドに固着している３Ｄポリマ構造体を形成するステップと、
    (k)Ｔ_ｇに近い温度で、３Ｄポリマ構造体の第１の側面を基板上に押圧することにより、３Ｄポリマ構造体を基板に移転させるステップと、
    (l)Ｔ_ｇより低い温度で、他方のモールドを分離させ、３Ｄポリマ構造体を基板に完全に移転させるステップとを有することを特徴とする方法。
25. 請求項１〜１０のいずれか一に記載の方法であって、
    (m)３Ｄ構造化されたポリマフィルムが他方のモールドに固着している間に、ポリマフィルムを酸素エッチングプラズマに曝して残渣フィルムを除去し、他方のモールドに固着している３Ｄポリマ構造体を形成するステップと、
    (n)他方のモールドを構成する少なくともいくつかの材料をエッチング除去することにより、３Ｄ構造化されたポリマフィルムを他方のモールドから分離させて、独立した３Ｄポリマ構造体を形成するステップとを有することを特徴とする方法。
26. 請求項５〜２４のいずれか一に記載の方法であって、
    第１および第２のポリマは、同じであることを特徴とする方法。
27. 請求項５〜２４のいずれか一に記載の方法であって、
    第１および第２のポリマは、異なることを特徴とする方法。
28. ３Ｄ構造化されたポリマフィルムを作製する方法であって、
    (a)低位エネルギを有し、パターン形成されて表面処理された表面を有する第１のモールドを形成するステップと、
    (b)ガラス転移温度Ｔ_ｇ１を有する第１のポリマを、パターン形成されて表面処理された第１のモールドの表面上にコーティングして、第１のモールドと接触する第１の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
    (c)中位エネルギを有し、パターン形成された表面を有する第２のモールドを形成するステップと、
    (d)ガラス転移温度Ｔ_ｇ２を有する第２のポリマを、パターン形成されて表面処理された第２のモールド上にコーティングして、第２のモールドと接触する第２の側面が構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
    (e)いずれか一方のポリマのＴ_ｇより高い温度で、第１のモールド上にあるポリマフィルムの表面に第２のモールドを押圧して、両方のポリマフィルムを固着させて、ポリマフィルムの第１および第２の側面上に構造体を有する３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップと、
    (f)両方のポリマフィルムのＴ_ｇより低い温度で３Ｄ構造化されたポリマフィルムから第１のモールドを分離させて、第２のモールドに固着した３Ｄ構造化されたポリマフィルムを形成するステップとを有し、
    上記固着は、第２のモールドとポリマフィルムの第２の側面が接触することを含むことを特徴とする方法。
29. ３Ｄポリマ構造体を組み立てる方法であって、
    (a)第１の３Ｄポリマ構造体を基板上に形成するステップと、
    (b)第２の３Ｄポリマ構造体を表面処理したモールド内に形成するステップと、
    (c)第１および第２の３Ｄポリマ構造体を接合させるステップと、
    (d)表面処理したモールドを第２の３Ｄポリマ構造体から分離させて、第１の３Ｄポリマ構造体上の第２の３Ｄポリマ構造体からなる組立構造体を形成するステップとを有することを特徴とする方法。
30. 請求項２９に記載の方法であって、
    第１の３Ｄポリマ構造体がガラス転移温度Ｔ_ｇ１を有し、第２の３Ｄポリマ構造体がガラス転移温度Ｔ_ｇ２を有し、このときＴ_ｇ２はよりＴ_ｇ１低く、
    上記接合ステップ(c)は、
    (c1)Ｔ_ｇ２付近の温度条件、室温で電磁放射線に曝した条件、およびそれらを組み合わせた条件からなる群より選択された条件下で、第２の３Ｄポリマ構造体を第１の３Ｄポリマ構造体の上に押圧するステップを有し、
    上記分離ステップ(d)は、Ｔ_ｇ２より低い温度で行われることを特徴とする方法。
31. 請求項２９に記載の方法であって、
    上記接合ステップ(c)は、
    (c2)第２の３Ｄポリマ構造体が第１の３Ｄポリマ構造体の上に嵌合するように、第２の３Ｄポリマ構造体を第１の３Ｄポリマ構造体の中に押圧するステップを有することを特徴とする方法。
32. 請求項２９または３０に記載の方法であって、
    (e)表面処理された第２のモールド内に、Ｔ_ｇ２より低いガラス転移温度Ｔ_ｇ３を有する第３の３Ｄポリマ構造体を形成するステップと、
    (f)Ｔ_ｇ３より高い温度条件、室温で電磁放射線に曝した条件、およびそれらを組み合わせた条件からなる群より選択された条件下で、第３の３Ｄポリマ構造体を第２の３Ｄポリマ構造体の上に押圧するステップと、
    (g)Ｔ_ｇ３より低い温度で、表面処理された第２のモールドを第３の３Ｄポリマ構造体から分離させて、第１および第２の３Ｄポリマ構造体の上に第３の３Ｄポリマ構造体が積層された拡大された組立構造体を形成するステップとを有することを特徴とする方法。
33. 請求項２９または３１に記載の方法であって、
    (h)表面処理された第２のモールド内に第３の３Ｄポリマ構造体を形成するステップと、
    (i)第３の３Ｄポリマ構造体が、組立構造体の一部である第２の３Ｄポリマ構造体上に嵌合するように、第３の３Ｄポリマ構造体を第２の３Ｄポリマ構造体内に押圧するステップと、
    (j)第３の３Ｄポリマ構造体から表面処理された第２のモールドを分離させて、第１および第２のポリマ構造体からなる組立構造体の上に、第３の３Ｄポリマ構造体を設けた拡大された組立構造体を形成するステップとをさらに有することを特徴とする方法。
34. 請求項２９〜３３のいずれか一に記載の方法であって、
    表面処理されたモールドは、シラン処理されることを特徴とする方法。
35. 請求項２９〜３４のいずれか一に記載の方法であって、
    ３Ｄポリマ構造体の追加的な層を第２の積層構造体の上に漸次積層するステップをさらに有することを特徴とする方法。
36. 請求項２９〜３５のいずれか一に記載の方法であって、
    ３Ｄポリマ構造体は、ナノスケールからマイクロスケールの範囲の大きさの特徴物を有するように構造化されることを特徴とする方法。
37. 請求項１〜３６のいずれか一に記載の方法を用いて作製された３Ｄポリマ構造体。
38. 請求項１〜３６のいずれか一に記載の方法を用いて作製された３Ｄマイクロサイズまたはナノサイズのポリマ構造体。

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