JP2009175401A - Periodic grating structure having visible angle control function - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、視野角制御機能を有する周期格子構造の製造方法に関する。
さらに詳しくは、ディスプレイ、表示窓、ショーウィンドーや窓ガラス、道路・交通標識や看板等の表面に用いて画面の視野角を制御することにより、特定の方向にいる観察者からのみ情報を見ることができる技術に関する。
The present invention relates to a method for manufacturing a periodic grating structure having a viewing angle control function.
More specifically, information is seen only from an observer in a specific direction by controlling the viewing angle of the screen by using it on the surface of a display, display window, show window, window glass, road / traffic sign, signboard, etc. It can be related to technology.
従来からパソコンや携帯電話の画面、現金自動支払機CD;Cash Dispenser)や現金自動預金支払機(ATM;Automatic Teller Machine)などの銀行端末では、プライバシーや個人情報保護の観点から、操作している本人にだけ画面が見えて、隣や斜め後ろに居る他の人からは画面が見えない機能が必要とされている。また航空機内の座席のモニターでは、隣の席に画像が見えないように工夫することで、周囲に迷惑をかけることなくコンテンツを楽しむことが望まれる。すでに、パソコンや携帯電話の画面、航空機内の座席のモニターでは、視野角を制限する技術が実用化されており、その他セキュリティー関係等での今後の利用拡大が予想される。 Conventionally, bank terminals such as PCs, mobile phones, cash dispensers (Cash Dispenser), and automatic teller machines (ATMs) have been operated from the viewpoint of privacy and personal information protection. There is a need for a function that allows the screen to be seen only by the person himself / herself and not to be seen by other people who are next to or behind the screen. In addition, it is desirable to monitor the seats in the aircraft so that the content can be enjoyed without inconvenience the surroundings by devising the image so that the image cannot be seen in the adjacent seat. The technology that limits the viewing angle has already been put to practical use in the screens of personal computers, mobile phones, and seats in airplanes, and it is expected that the use will be expanded in the future for other security related purposes.
特許文献1には、低屈折率層と高屈折率層を交互に有するフィルム(ルーバーフィルム)が記載されている。この構成により、フィルム平面に対してある角度以上の入射光は交互に配列された低屈折率層と高屈折率層により透過できなくなり、結果としてディスプレイを視認できなくなる。視野角は低屈折率層と高屈折率層のそれぞれの厚さによって制御されることが記載されている。
特許文献2には、2枚のガラス基板間の液晶と、ガラス基板の外側に積層された2枚の偏光板と、ガラス基板2枚の内側に施工した2つの電極層からなる視野角変更手段が記載されている。電極間に電圧を印加することで、狭視野角を得ることが記載されている。 Patent Document 2 discloses a viewing angle changing means comprising a liquid crystal between two glass substrates, two polarizing plates laminated on the outside of the glass substrate, and two electrode layers applied on the inside of the two glass substrates. Is described. It is described that a narrow viewing angle is obtained by applying a voltage between electrodes.
特許文献3には、表示光を発する液晶表示素子に重ね合わせる形で特定方向に振動面を持つ光を吸収する偏光子よりなる吸収軸をもち、かつその吸収軸の角度を電圧の印加によって自由に変更できる表示装置が記載されている。 Patent Document 3 has an absorption axis made of a polarizer that absorbs light having a vibration surface in a specific direction so as to be superimposed on a liquid crystal display element that emits display light, and the angle of the absorption axis can be freely set by applying a voltage. A display device that can be changed is described.
特許文献4には、複数のプリズム層を表面に組み合わせることで、所定の角度より外から観察するとその位置からの光線は構造中のプリズム面で全反射するため、表示されている情報を視認できなくなる覗き見防止媒体の技術が記載されている。
In
特許文献5には、複数の貫通孔が形成された多孔板を液晶表示パネル等の表示部と光源部の間において、一定の視野角より外からは全反射によって画像が見えなくなる技術が記載されている。
しかしながら、上記視野角を制限する技術には、以下の問題点が挙げられる。即ち、特許文献2、特許文献3は構造が複雑で電圧を印加する装置も必要であり、安価に大面積で製造することはできない。また特許文献1、特許文献4、特許文献5は屈折率の違いから生じる界面反射を原理としているが、表示範囲全面に界面反射を与える施工を行うと視認性が低下するという問題が生じる。また、このような構造で視野角制限の性能を上げるには界面の数を増やさなくてはならないためコストが増大するという問題があった。
However, the technique for limiting the viewing angle includes the following problems. That is, Patent Documents 2 and 3 require a device that applies a voltage with a complicated structure and cannot be manufactured at a low cost and in a large area. Moreover, although
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、回折光を意図する角度に高精度に放射する周期格子構造Xをもつ微細構造体を提供することを課題とする。 This invention is made | formed in view of the said situation, Comprising: It aims at providing the fine structure which has the periodic grating structure X which radiates | emits a diffracted light to the angle which intends with high precision.
本発明は以下の構成を採用した。
[1] 基板の少なくとも一方の面に、単粒子膜エッチングマスクを配置し、該マスクを用いてドライエッチング法により、下記条件を満たす周期格子構造Xを設けることを特徴とする視野角制御機能を有する2次元周期格子構造体。
周期格子構造X:凹凸の最頻ピッチCが225〜415nm、かつ最頻高さdが10〜250nmであり、前記最頻ピッチCに対する最頻高さdの比が1.0以下である2次元周期格子構造体。
[2] 前記単粒子膜エッチングマスクを配置する方法が、水よりも比重が小さい揮発性溶剤中に粒子が分散した分散液を水槽内の水の液面に滴下する滴下工程と、前記溶剤を揮発させることにより前記粒子からなる単粒子膜を水の液面上に形成する単粒子膜形成工程と、前記単粒子膜を基板面に移し取る移行工程、前記単粒子膜をコーティングした基板に対し該単粒子膜をマスクとしたドライエッチング法による微細加工を行い周期格子構造Xを作成する微細加工工程からなる、請求項1に記載の視野角制御機能を有する2次元周期格子構造体。
[3] 前記2次元周期格子構造Xが±5〜±90°の視野角制限機能を有しており、かつ散乱光の少ないことを特徴とする請求項1と2に記載の2次元周期格子構造体。
[4] 請求項1〜3のうち少なくとも一つに記載の方法によって作成される周期格子構造Xを原版とし、形状転写技術を用いて複製されることを特徴とする、請求項1〜3に記載の2次元周期格子構造体。
[5] 請求項1〜4のうち少なくとも一つの方法によって作製される周期格子構造Xの構造面に対し、真空蒸着法またはスパッタリング法または無電解めっき法から選ばれる少なくとも一つの方法により金属薄膜層を形成したことを特徴とする、視野角制御機能を有する2次元周期格子構造体。
The present invention employs the following configuration.
[1] A viewing angle control function characterized by disposing a single particle film etching mask on at least one surface of a substrate and providing a periodic grating structure X satisfying the following conditions by dry etching using the mask. A two-dimensional periodic lattice structure.
Periodic grating structure X: the mode pitch C of irregularities is 225 to 415 nm, the mode height d is 10 to 250 nm, and the ratio of the mode height d to the mode pitch C is 1.0 or less 2 Dimensional periodic lattice structure.
[2] A method of arranging the single particle film etching mask includes a dropping step of dropping a dispersion in which particles are dispersed in a volatile solvent having a specific gravity smaller than that of water onto a liquid surface of water in a water tank; A single particle film forming step of forming a single particle film composed of the particles on the liquid surface of water by volatilizing, a transition step of transferring the single particle film to the substrate surface, and a substrate coated with the single particle film The two-dimensional periodic grating structure having a viewing angle control function according to
3. The two-dimensional periodic grating according to
[4] The periodic grating structure X created by the method according to at least one of
[5] The metal thin film layer is formed on at least one method selected from a vacuum evaporation method, a sputtering method, and an electroless plating method on the structural surface of the periodic grating structure X produced by at least one method of
本発明によれば、回折光を目的とする角度に放射する高精度な周期格子構造Xを設けた視野角制御機能を有する微細構造体を製造することができる。さらには、得られた微細構造体を原版とする形状転写体、および原版または形状転写体に金属薄膜層を付与した複合体を提供できる。これらはいずれも、高度な視野角制限機能を有する。 According to the present invention, it is possible to manufacture a fine structure having a viewing angle control function provided with a highly accurate periodic grating structure X that emits diffracted light at a target angle. Furthermore, it is possible to provide a shape transfer body using the obtained fine structure as an original plate, and a composite obtained by adding a metal thin film layer to the original plate or the shape transfer body. All of these have an advanced viewing angle limiting function.
[周期格子構造X]
本発明の周期格子構造Xは、基板の少なくとも一方の面に単粒子膜エッチングマスクを配置し、該マスクを用いてドライエッチング法により作成する、下記条件を満たす微細構造である。
周期格子構造X:凹凸の最頻ピッチCが225〜415nm、かつ最頻高さdが10〜250nmであり、前記最頻ピッチCに対する最頻高さdの比が1.0以下である2次元周期格子構造体。
[Periodic grating structure X]
The periodic grating structure X of the present invention is a fine structure that satisfies the following condition, in which a single particle film etching mask is disposed on at least one surface of a substrate and is formed by dry etching using the mask.
Periodic grating structure X: the concave / convex mode pitch C is 225 to 415 nm, the mode height d is 10 to 250 nm, and the ratio of the mode height d to the mode pitch C is 1.0 or less 2 Dimensional periodic lattice structure.
周期格子構造Xの最頻ピッチCは、具体的には下記方法により測定される値である。
まず、周期格子構造Xが存在する面(周期格子構造Xが存在する面)において、一辺が最頻ピッチCの30〜40倍となる基板面に平行な正方形の領域を無作為に抽出し、原子間力顕微鏡イメージを得る。例えば最頻ピッチCが約300nmの場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。そして、このイメージを2次元フーリエ変換により波形分離し、FFT像(高速フーリエ変換像)を得る。ついで、FFT像のプロファイルにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における最頻ピッチC1である。また、この際、FFT像のプロファイルにおける1次ピークの面積から、各イメージについて、その中の粒子間のピッチのばらつきを評価することもできる。このような処理を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチC1〜C25を求める。こうして得られた25カ所以上の領域における最頻ピッチC1〜C25の平均値が最頻ピッチCである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、5mm〜10mm離れて選択されることがより好ましい。
The mode pitch C of the periodic grating structure X is specifically a value measured by the following method.
First, on the surface where the periodic grating structure X exists (the surface where the periodic grating structure X exists), a square region parallel to the substrate surface whose one side is 30 to 40 times the most frequent pitch C is randomly extracted. Obtain an atomic force microscope image. For example, when the most frequent pitch C is about 300 nm, an image of an area of 9 μm × 9 μm to 12 μm × 12 μm is obtained. Then, this image is waveform-separated by two-dimensional Fourier transform to obtain an FFT image (fast Fourier transform image). Next, the distance from the zero-order peak to the primary peak in the profile of the FFT image is obtained. The reciprocal of the distance thus obtained is the most frequent pitch C 1 in this region. At this time, the variation in pitch between particles in each image can be evaluated from the area of the primary peak in the profile of the FFT image. Such a process is similarly performed for a total of 25 or more regions of the same area selected at random, and the most frequent pitches C 1 to C 25 in each region are obtained. The average value of the most frequent pitches C 1 to C 25 in the 25 or more regions thus obtained is the most frequent pitch C. At this time, the regions are preferably selected at least 1 mm apart, more preferably 5 mm to 10 mm apart.
本発明で使用する最頻ピッチCは225〜415nmであり、より好ましくは300〜415nmである。周期格子構造Xの最頻ピッチの範囲を225〜415nmとする理由は、白色光源を用いたとき視野角制限効果を与えるためである。すなわち、最頻ピッチが225nmの表面は、波長450nmの青紫色光が入射角90°で入射したとき回折光が回折角約90°で出てくる条件であり、最頻ピッチが415nmの表面は、波長450nmの青紫色光が入射角90°で入射したとき回折光が回折角約5°で出てくる条件となっている。したがって、最頻ピッチが225〜415nmの範囲内であれば、回折光は5°〜90°の範囲で現れるので、本発明のディスプレイや表示窓の正面に立っている観察者にとっては視認性を低下させることが無く、一方で、観察者の横や斜め後ろに位置する傍観者にとっては回折光が邪魔をしてディスプレイや表示窓の内容を把握することが困難となる。また、最頻ピッチの範囲が300〜415nmの場合、回折角を約5°以上〜30°以上にすることができるため、正面付近にいる人の視認性を妨げることなく、横や斜め後ろ方向にいる人の覗き見を防止する効果が特に高いので好ましい。 The most frequent pitch C used in the present invention is 225 to 415 nm, more preferably 300 to 415 nm. The reason why the mode pitch range of the periodic grating structure X is set to 225 to 415 nm is to provide a viewing angle limiting effect when a white light source is used. That is, a surface with a mode pitch of 225 nm is a condition where diffracted light comes out at a diffraction angle of about 90 ° when blue-violet light having a wavelength of 450 nm is incident at an incident angle of 90 °. When blue-violet light having a wavelength of 450 nm is incident at an incident angle of 90 °, the diffracted light comes out at a diffraction angle of about 5 °. Therefore, if the most frequent pitch is in the range of 225 to 415 nm, the diffracted light appears in the range of 5 ° to 90 °, so that visibility is good for an observer standing in front of the display or display window of the present invention. On the other hand, it is difficult for the bystander located beside or obliquely behind the observer to grasp the contents of the display and the display window because the diffracted light interferes. Moreover, when the range of the most frequent pitch is 300 to 415 nm, the diffraction angle can be set to about 5 ° or more to 30 ° or more. It is preferable because it has a particularly high effect of preventing peeping of people in the area.
さらに、本発明では視認性を妨げる波長域として、450〜750nmを選択している。実際には可視光波長域はこれより広いが、人間の目が最も明るいと感じる波長が約550〜600nmであり、かつ450nm未満と750nmより大きな波長はそれぞれ暗紫色と暗赤色で暗く感じるため、本発明の目的である視野角制限に使う回折光の波長として不向きであるためである。また、本発明でいう回折光とはすべて1次回折光のことである。周期格子構造Xからは2次回折光、3次回折光、・・・n次回折光も発生するため、これらも1次回折光に重ね合わせると正確な回折光の強度分布が得られるが、実際には2次回折光以降は強度が低いため、本発明の目的である視野角制限の効果は僅かである。したがって、本発明では2次回折光以降の回折光の影響については無視して材料設計するものとする。 Furthermore, in the present invention, 450 to 750 nm is selected as the wavelength range that hinders visibility. Actually, the visible light wavelength range is wider than this, but the wavelength that the human eye feels brightest is about 550 to 600 nm, and the wavelengths below 450 nm and larger than 750 nm feel dark and dark red and dark red, respectively. This is because the wavelength of the diffracted light used for limiting the viewing angle, which is the object of the invention, is not suitable. The diffracted light referred to in the present invention is all first-order diffracted light. The periodic grating structure X also generates second-order diffracted light, third-order diffracted light,... N-th order diffracted light, and when these are also superimposed on the first-order diffracted light, an accurate intensity distribution of diffracted light can be obtained. Since the intensity after the next diffracted light is low, the effect of limiting the viewing angle, which is an object of the present invention, is slight. Therefore, in the present invention, the material design is made ignoring the influence of the diffracted light after the second order diffracted light.
周期格子構造Xは、2次元方向に凹凸が繰り返される2次元構造である。周期格子構造Xとしては、断面が正弦波もしくは偽正弦波となる突起構造、四角柱や三角柱や円柱、或いは四角錐や三角錐や円錐等の凸部又は凹部の繰り返しが挙げられるが、現実的な作成の難易度の観点から、断面が正弦波もしくは偽正弦波となる突起構造であることが好ましい。
2次元構造の配列は、碁盤目配列でも千鳥格子配列でもヘキサゴン配列(6方最密配列)、あるいはその他のレイアウトであってもよいが、ヘキサゴン配列(6方最密配列)であることが本発明のマスク作成法の特性から好ましい。後述するように、単粒子膜エッチングマスクはヘキサゴン配列した2次元構造を作成可能で、これを用いたドライエッチングで規則性の高い周期格子構造Xを作成することが可能である。
The periodic grating structure X is a two-dimensional structure in which irregularities are repeated in a two-dimensional direction. Examples of the periodic grating structure X include a protrusion structure having a sine wave or pseudo sine wave in cross section, a quadrangular prism, a triangular prism, a cylinder, or a repeating convex or concave portion such as a quadrangular pyramid, a triangular pyramid, or a cone. From the viewpoint of the difficulty of making it, it is preferable that the protrusion has a sine wave or pseudo sine wave in cross section.
The two-dimensional structure may be a grid, houndstooth, hexagon (6-way close-packed), or other layout, but may be a hexagon (6-way close-packed). It is preferable from the characteristics of the mask making method of the present invention. As will be described later, the single particle film etching mask can create a two-dimensional structure in which hexagons are arranged, and it is possible to create a periodic lattice structure X with high regularity by dry etching using this.
ここで粒子の平均粒径Aとは、単粒子膜を構成している粒子の平均一次粒径のことであって、粒子動的光散乱法により求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから常法により求めることができる。 Here, the average particle diameter A of the particles is the average primary particle diameter of the particles constituting the single particle film, and is obtained by fitting the particle size distribution obtained by the particle dynamic light scattering method to a Gaussian curve. It can obtain | require by a conventional method from the peak obtained.
次に最頻高さdとアスペクト比について述べる。視野角制限光学部材として良好に機能するためには、周期格子構造が効果的に回折光を発すること以外に、散乱光を出来るだけ発生させない工夫も必要である。なぜなら、散乱光が発生すると正面付近にいる人の視認性が著しく低下するからである。そのため本発明では微細構造の最頻高さdは10〜250nm、より好ましくは20〜100nm、アスペクト比(高さ/円形底面の直径)は1.0以下、好ましくは0.5以下とする。最頻高さd及びアスペクト比が小さいほど、周期格子構造において散乱光の発生が良好に抑制される。最頻高さdは10〜250nm程度で回折光を十分与えるが、20〜100nm程度になると、より散乱光の少ない表面構造となる。このような高さ、アスペクト比であれば、微細突起が形成された部分において十分な回折光が得られ、かつ散乱光の発生も抑制されるため、正面の観察者にはディスプレイ等の表示内容やショーウィンドーなどの表示窓の内部を良好に視認することができる一方、それ以外の位置から覗き見をしようとしても回折光が邪魔をして視認性を効果的に低下することができる。 Next, the mode height d and the aspect ratio will be described. In order to function satisfactorily as a viewing angle limiting optical member, it is also necessary to devise a technique that generates as little scattered light as possible, in addition to the fact that the periodic grating structure effectively emits diffracted light. This is because when scattered light is generated, the visibility of a person near the front is significantly reduced. Therefore, in the present invention, the mode height d of the microstructure is 10 to 250 nm, more preferably 20 to 100 nm, and the aspect ratio (height / diameter of the circular bottom) is 1.0 or less, preferably 0.5 or less. The smaller the mode height d and the aspect ratio, the better the generation of scattered light in the periodic grating structure. The most frequent height d is about 10 to 250 nm and sufficiently gives diffracted light. However, when the mode height is about 20 to 100 nm, the surface structure has less scattered light. With such a height and aspect ratio, sufficient diffracted light can be obtained at the part where the fine protrusions are formed, and the occurrence of scattered light is also suppressed. While the inside of the display window such as a display window or the like can be satisfactorily viewed, the diffracted light can interfere with the viewing from other positions and the visibility can be effectively reduced.
周期格子構造Xの最頻高さdは、具体的には次のように求める。まず、周期格子構造Xが存在する面(周期格子構造Xが存在する面)において、一辺が最頻ピッチCの30〜40倍となる基板面に平行な正方形の領域を無作為に抽出し、原子間力顕微鏡イメージを得る。例えば最頻ピッチCが約300nmの場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。つぎに、原子間力顕微鏡により測定した画像に表れる微細突起物の凹凸に対して、プロファイルを作成する。プロファイル作成は、原子間力顕微鏡に付属の画像処理ソフトウェアで通常可能であるので、それを利用するとよい。凹凸のプロファイルは、ある突起物中心とそれに隣接する突起物中心を通る断面を作成して得る。凹凸の最も低い部分と最も高い部分の差を高さd1とする。同様の操作を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における最頻高さd1〜d25を求める。こうして得られた25カ所以上の領域における最頻高さd1〜d25の平均値が最頻高さdである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、5mm〜10mm離れて選択されることがより好ましい。 Specifically, the mode height d of the periodic grating structure X is obtained as follows. First, on the surface where the periodic grating structure X exists (the surface where the periodic grating structure X exists), a square region parallel to the substrate surface whose one side is 30 to 40 times the most frequent pitch C is randomly extracted. Obtain an atomic force microscope image. For example, when the most frequent pitch C is about 300 nm, an image of an area of 9 μm × 9 μm to 12 μm × 12 μm is obtained. Next, a profile is created for the irregularities of the fine protrusions appearing in the image measured by the atomic force microscope. Profile creation is usually possible with the image processing software attached to the atomic force microscope, so it is preferable to use it. The uneven profile is obtained by creating a cross section passing through the center of a certain protrusion and the center of the protrusion adjacent thereto. The difference between the highest portion and the lowest portion of the irregularities and the height d 1. The same operation is similarly performed on a total of 25 or more regions of the same area selected at random, and the most frequent heights d 1 to d 25 in each region are obtained. The average value of the modal height d 1 to d 25 is the most frequent height d at 25 locations or more areas thus obtained. At this time, the regions are preferably selected at least 1 mm apart, more preferably 5 mm to 10 mm apart.
本発明の周期格子構造Xは、表面に周期格子構造Xを有するため、これ自身が高性能な視野角制御シートとして好適に使用される他、詳しくは後述するが、構造転写技術に用いる原版(マスター)などとしても好適に使用される。この原版を転写してナノインプリントや射出成型用のモールドを得て、このモールドを使用することにより、高性能な視野角制御シートを低コストで安定に大量生産することができる。 Since the periodic grating structure X of the present invention has the periodic grating structure X on the surface, it itself is suitably used as a high-performance viewing angle control sheet. Master) and the like. By transferring the original plate to obtain a mold for nanoimprint or injection molding, and using this mold, a high-performance viewing angle control sheet can be stably mass-produced at low cost.
周期格子構造Xを表面に有する材料の厚みには特に制限はないが、そのままパソコンなどのディスプレイ、ショーウィンドー、展示額縁、各種レンズ、各種表示窓などの表面に貼着するフィルムとして使用する場合、10〜500μmの厚みとすることが好ましい。一方、そのままパソコンなどのディスプレイ、ショーウィンドー、展示額縁、各種レンズ、各種表示窓などの表面を構成する透明材に使用する場合には、適宜好適な厚みに設定できる。
また、構造転写技術の原版として使用する場合には、100〜5000μmの厚みとすることが好ましい。
The thickness of the material having the periodic grating structure X on the surface is not particularly limited, but when used as a film to be stuck on the surface of a display such as a personal computer, a show window, an exhibition frame, various lenses, various display windows, etc. The thickness is preferably 10 to 500 μm. On the other hand, when it is used as it is for a transparent material constituting the surface of a display such as a personal computer, a show window, an exhibition frame, various lenses, various display windows, etc., the thickness can be appropriately set appropriately.
Moreover, when using as an original of a structure transfer technique, it is preferable to set it as the thickness of 100-5000 micrometers.
[周期格子構造Xの製造方法]
本発明の周期格子構造Xの製造方法は、基板の少なくとも一方の面に、単粒子膜エッチングマスクを配置し、該マスクを用いてドライエッチング法により、前記周期格子構造Xを設けることを特徴とする。
[Manufacturing method of periodic grating structure X]
The manufacturing method of the periodic grating structure X of the present invention is characterized in that a single particle film etching mask is disposed on at least one surface of a substrate, and the periodic grating structure X is provided by dry etching using the mask. To do.
[基板]
基板は、市販されているものから入手可能であるが、用途やドライエッチング条件などに応じて適宜選択される。例えば、材質としてはシリコン、ガリウム砒素などの半導体、アルミニウム、鉄、銅などの金属、各種ガラス、石英ガラス、マイカ、サファイア(Al2O3)等の金属酸化物、ポリエチレンテレフタレート(PET)、ポリエチレンナフタレート、トリアセチルセルロース等の高分子材料などが挙げられる。また、基板の表面を他の材質でコーティングしてもよいし、化学的に変質させてもよい。例えば、後のエッチング工程により得られた微細構造体をそのまま視野角制限光学部材として使用する場合には、基板の材質としてガラス、石英ガラス、透明性を備えた高分子材料などの透明体が好ましく、視野角制限光学部剤を製造するためのナノインプリント用モールドの原版として使用する場合には、基板の材質として石英ガラス、シリコンなど、エッチング対象物として広く使用されていて、かつ、平滑性の高いものが好ましい。平滑性が低いものを用いると、表面の凹凸から散乱光が発生してしまい好ましくない。
[substrate]
The substrate is available from commercially available products, but is appropriately selected according to the use and dry etching conditions. For example, as materials, semiconductors such as silicon and gallium arsenide, metals such as aluminum, iron and copper, various glasses, quartz glass, mica, metal oxides such as sapphire (Al 2 O 3 ), polyethylene terephthalate (PET), polyethylene Examples thereof include polymer materials such as naphthalate and triacetylcellulose. Further, the surface of the substrate may be coated with another material or chemically altered. For example, when the microstructure obtained by the subsequent etching process is used as it is as the viewing angle limiting optical member, a transparent material such as glass, quartz glass, or a polymer material with transparency is preferable as the substrate material. When used as a master plate for nanoimprint mold for producing a viewing angle limiting optical part agent, it is widely used as an etching object such as quartz glass and silicon as a substrate material, and has high smoothness. Those are preferred. Use of a material having low smoothness is not preferable because scattered light is generated from unevenness on the surface.
基材の厚みには特に制限はないが、後のエッチング工程により得られた微細構造体をそのままパソコンなどのディスプレイ、ショーウィンドー、展示額縁、各種レンズ、各種表示窓などの表面に貼着して視認性を向上しようとする場合、すなわち、微細構造体が光学フィルム上に作成されている場合には、基材フィルムは10〜500μmの厚みのものを使用することが好ましい。一方、得られた微細構造体をそのままパソコンなどのディスプレイ、ショーウィンドー、展示額縁、各種レンズ、各種表示窓などの表面を構成する透明材に使用してもよく、その場合には、適宜好適な厚みに設定できる。
また、得られた周期格子構造X微細構造体をナノインプリントまたは射出成型用モールドの原版として使用する場合には、基板として100〜5000μmの厚みのものを使用することが好ましい。
The thickness of the substrate is not particularly limited, but the fine structure obtained by the subsequent etching process is stuck on the surface of a display such as a personal computer, a show window, an exhibition frame, various lenses, or various display windows. When trying to improve visibility, that is, when a fine structure is formed on an optical film, it is preferable to use a substrate film having a thickness of 10 to 500 μm. On the other hand, the obtained fine structure may be used as it is for a transparent material constituting the surface of a display such as a personal computer, a display window, an exhibition frame, various lenses, various display windows, etc. Thickness can be set.
Moreover, when using the obtained periodic-grating structure X microstructure as a master plate of nanoimprint or injection molding, it is preferable to use a substrate having a thickness of 100 to 5000 μm.
[単粒子膜エッチングマスク]
本発明の単粒子膜エッチングマスクは、図1に示すように、多数の粒子が2次元に最密充填した単粒子膜からなるエッチングマスクであって、下記式(1)で定義される粒子の配列のずれD(%)が10%以下のものである。
D[%]=|B−A|×100/A・・・(1)
ここで式(1)中、Aは単粒子膜を構成している粒子Mの平均粒径、Bは単粒子膜における粒子間の平均ピッチである。また、|B−A|はAとBとの差の絶対値を示す。
[Single particle film etching mask]
As shown in FIG. 1, the single particle film etching mask of the present invention is an etching mask composed of a single particle film in which a large number of particles are two-dimensionally closely packed, and is formed of particles defined by the following formula (1). Arrangement deviation D (%) is 10% or less.
D [%] = | B−A | × 100 / A (1)
In the formula (1), A is the average particle diameter of the particles M constituting the single particle film, and B is the average pitch between the particles in the single particle film. | B−A | indicates the absolute value of the difference between A and B.
ここで粒子Mの平均粒径Aとは、単粒子膜を構成している粒子の平均一次粒径のことであって、粒子動的光散乱法により求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから常法により求めることができる。 Here, the average particle diameter A of the particles M is the average primary particle diameter of the particles constituting the single particle film, and the particle size distribution obtained by the particle dynamic light scattering method is fitted to a Gaussian curve. It can obtain | require by a conventional method from the obtained peak.
一方、粒子間のピッチとは、シート面方向における隣り合う2つの粒子の頂点と頂点の距離であり、最頻ピッチBとはこれらを平均したものである。なお、粒子が球形であれば、隣り合う粒子の頂点と頂点との距離は、隣り合う粒子の中心と中心の距離と等しい。
単粒子膜エッチングマスクにおける粒子間の最頻ピッチBは、具体的には次のようにして求められる。
まず、単粒子膜エッチングマスクにおける無作為に選択された領域で、一辺が粒子間の最頻ピッチBの30〜40倍のシート面と平行な正方形の領域について、原子間力顕微鏡イメージを得る。例えば粒径300nmの粒子を用いた単粒子膜の場合、9μm×9μm〜12μm×12μmの領域のイメージを得る。そして、このイメージをフーリエ変換により波形分離し、FFT像(高速フーリエ変換像)を得る。ついで、FFT像のプロファイルにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求める。こうして求められた距離の逆数がこの領域における最頻ピッチB1である。このような処理を無作為に選択された合計25カ所以上の同面積の領域について同様に行い、各領域における最頻ピッチB1〜B25を求める。こうして得られた25カ所以上の領域における最頻ピッチB1〜B25の平均値が式(1)における最頻ピッチBである。なお、この際、各領域同士は、少なくとも1mm離れて選択されることが好ましく、より好ましくは5mm〜10mm離れて選択される。 また、この際、FFT像のプロファイルにおける1次ピークの面積から、各イメージについて、その中の粒子間のピッチのばらつきを評価することもできる。
On the other hand, the pitch between particles is the distance between the vertices of two adjacent particles in the sheet surface direction, and the most frequent pitch B is the average of these. If the particles are spherical, the distance between the vertices of adjacent particles is equal to the distance between the centers of the adjacent particles.
Specifically, the most frequent pitch B between particles in the single particle film etching mask is obtained as follows.
First, an atomic force microscope image is obtained for a square region parallel to the
粒子の配列のずれDが10%以下である単粒子膜エッチングマスクは、各粒子が2次元に最密充填し粒子の間隔が制御されているので、周期格子構造として十分用いることが出来る。よって、このような単粒子膜をエッチングマスクとして使用して、基板上の各粒子に対応する位置に微細突起を形成することにより、高精度な周期格子パターンとすることができる。このような2次元最密充填は、後にも述べる自己組織化を原理とするため、多少の格子欠陥を含む。しかしながら、2次元最密充填におけるこのような格子欠陥は、充填方位の多様性をつくるため、視野角制限用途の光学部材として均一な拡散光を放出するという目的に関して有利に働く。 A single-particle film etching mask having a particle arrangement deviation D of 10% or less can be used satisfactorily as a periodic lattice structure because each particle is two-dimensionally closely packed and the interval between the particles is controlled. Therefore, by using such a single particle film as an etching mask and forming fine protrusions at positions corresponding to the respective particles on the substrate, a highly accurate periodic lattice pattern can be obtained. Since such two-dimensional close-packing is based on the principle of self-organization described later, it includes some lattice defects. However, such a lattice defect in the two-dimensional close-packing is advantageous for the purpose of emitting uniform diffused light as an optical member for viewing angle limiting applications because it creates a variety of filling orientations.
基板上に微細凹凸パターンを形成して、±5〜±90°の視野角制限機能をもつ周期格子構造やその構造転写のための原版を製造する場合には、単粒子膜エッチングマスクを構成する粒子として、動的光散乱法により求めた平均粒径Aが225〜415nmのものを使用する。粒子の平均粒径Aと形成される微細構造のピッチはほぼ同じ値となるため、ドライエッチングの結果基板表面に形成される周期格子微細構造のピッチも225〜415nmとなり、±5〜±90°の範囲に回折光を発する光学部材または光学素子を作成でき、視野角制限用途に好適な周期格子パターンを形成することができる。単粒子膜エッチングマスクの最頻ピッチBは周期格子構造の最頻ピッチCにほぼ近似した値となるので、先に述べた理由により225〜415nmであることが好ましく、300〜415nmであることがさらに好ましい。
また、粒子の粒径Aの変動係数(標準偏差を平均値で除した値)は、20%以下であることが好ましく、10%以下であることがより好ましく、5%以下であることがさらに好ましい。このように粒径の変動係数、すなわち、粒径のばらつきが小さい粒子を使用すると、後述する単粒子膜エッチングマスクの製造工程おいて、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくくなり、配列のずれDが10%以下である単粒子膜エッチングマスクが得られやすい。
When a fine grating pattern is formed on a substrate to manufacture a periodic grating structure having a viewing angle limiting function of ± 5 to ± 90 ° and an original for transferring the structure, a single particle film etching mask is formed. As the particles, those having an average particle diameter A determined by a dynamic light scattering method of 225 to 415 nm are used. Since the average particle diameter A of the particles and the pitch of the formed fine structure are substantially the same value, the pitch of the periodic grating fine structure formed on the substrate surface as a result of dry etching is also 225 to 415 nm, which is ± 5 to ± 90 °. An optical member or an optical element that emits diffracted light in the range can be created, and a periodic grating pattern suitable for a viewing angle limiting application can be formed. Since the mode pitch B of the single-particle film etching mask is a value approximately approximate to the mode pitch C of the periodic grating structure, it is preferably 225 to 415 nm, and preferably 300 to 415 nm for the reason described above. Further preferred.
Further, the coefficient of variation (the value obtained by dividing the standard deviation by the average value) of the particle diameter A is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, and further preferably 5% or less. preferable. If particles having a small variation coefficient of particle size, that is, particles having a small particle size variation are used in this way, in the manufacturing process of a single particle film etching mask, which will be described later, it becomes difficult to generate a defect portion where particles are not present, and an alignment shift D It is easy to obtain a single particle film etching mask having a thickness of 10% or less.
粒子の材質としては、Al、Au、Ti、Pt、Ag、Cu、Cr、Fe、Ni、Siなどの金属、SiO2、Al2O3、TiO2、MgO2、CaO2などの金属酸化物、ポリスチレン、ポリメチルメタクリレートなどの有機高分子などの他、半導体材料、無機高分子などのうち1種以上を採用できる。 Particle materials include metals such as Al, Au, Ti, Pt, Ag, Cu, Cr, Fe, Ni, and Si, and metal oxides such as SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , MgO 2 , and CaO 2 . In addition to organic polymers such as polystyrene and polymethyl methacrylate, one or more of semiconductor materials and inorganic polymers can be employed.
[単粒子膜エッチングマスクの配置方法]
このような単粒子膜エッチングマスクは、エッチング対象物である基板の少なくとも片面上に配置されるものであって、いわゆるLB法(ラングミュア−ブロジェット法)の考え方を利用した方法により基板上に配置できる。
具体的には、溶剤中に粒子が分散した分散液を水槽内の液面に滴下する滴下工程と、溶剤を揮発させることにより粒子からなる単粒子膜を形成する単粒子膜形成工程と、単粒子膜を基板上に移し取る移行工程とを有する方法により基板の面に配置できる。
この方法は、単層化の精度、操作の簡便性、大面積化への対応、再現性などを兼ね備え、例えば液体薄膜法や粒子吸着法に比べて非常に優れ、工業生産レベルにも対応できる。
単粒子膜エッチングマスクを製造する好ましい方法について、一例を挙げて以下に具体的に説明する。
[Method for arranging single-particle film etching mask]
Such a single particle film etching mask is arranged on at least one surface of a substrate which is an object to be etched, and is arranged on the substrate by a method using a so-called LB method (Langmuir-Blodget method). it can.
Specifically, a dropping step of dropping a dispersion in which particles are dispersed in a solvent onto the liquid surface in the water tank, a single particle film forming step of forming a single particle film made of particles by volatilizing the solvent, It can be arranged on the surface of the substrate by a method having a transfer step of transferring the particle film onto the substrate.
This method combines the accuracy of monolayering, ease of operation, compatibility with large areas, reproducibility, etc., and is superior to, for example, the liquid thin film method and particle adsorption method, and can be applied to industrial production levels. .
A preferred method for producing a single particle film etching mask will be specifically described below with an example.
[滴下工程および単粒子膜形成工程]
まず、クロロホルム、メタノール、エタノール、メチルエチルケトンなどの揮発性の高い溶剤のうちの1種以上からなる疎水性の有機溶剤中に、表面が疎水性の粒子を加えて分散液を調製する。一方、水槽(トラフ)を用意し、これに、その液面上で粒子を展開させるための液体(以下、下層水という場合もある。)として水を入れる。
そして、分散液を下層水の液面に滴下する(滴下工程)。すると、分散媒である溶剤が揮発するとともに、粒子が下層水の液面上に単層で展開し、2次元的に最密充填した単粒子膜を形成することができる(単粒子膜形成工程)。
このように、粒子として疎水性のものを選択した場合には、溶剤としても疎水性のものを選択する必要がある。一方、その場合、下層水は親水性である必要があり、通常、上述したように水を使用する。このように組み合わせることによって、後述するように、粒子の自己組織化が進行し、2次元的に最密充填した単粒子膜が形成される。ただし、粒子および溶剤として親水性のものを選択してもよく、その場合には、下層水として、疎水性の液体を選択する。
[Drip process and single particle film formation process]
First, a dispersion liquid is prepared by adding particles having a hydrophobic surface to a hydrophobic organic solvent composed of one or more of volatile solvents such as chloroform, methanol, ethanol, and methyl ethyl ketone. On the other hand, a water tank (trough) is prepared, and water is added thereto as a liquid for developing particles on the liquid surface (hereinafter sometimes referred to as lower layer water).
And a dispersion liquid is dripped at the liquid level of lower layer water (drip process). Then, the solvent as the dispersion medium is volatilized, and the particles are developed in a single layer on the liquid surface of the lower layer water, so that a two-dimensional close-packed single particle film can be formed (single particle film forming step). ).
Thus, when a hydrophobic particle is selected as the particle, it is necessary to select a hydrophobic particle as the solvent. On the other hand, in that case, the lower layer water needs to be hydrophilic, and water is usually used as described above. By combining in this way, as will be described later, self-organization of particles proceeds and a two-dimensional close packed single particle film is formed. However, hydrophilic particles and solvents may be selected. In that case, a hydrophobic liquid is selected as the lower layer water.
下層水に滴下する分散液の粒子濃度は1〜10質量%とすることが好ましい。また、滴下速度を0.001〜0.01ml/秒とすることが好ましい。分散液中の粒子の濃度や滴下量がこのような範囲であると、粒子が部分的にクラスター状に凝集して2層以上となる、粒子が存在しない欠陥箇所が生じる、粒子間のピッチが広がるなどの傾向が抑制され、各粒子が高精度で2次元に最密充填した単粒子膜がより得られやすい。 The particle concentration of the dispersion dropped into the lower layer water is preferably 1 to 10% by mass. Further, the dropping rate is preferably 0.001 to 0.01 ml / second. If the concentration of the particles in the dispersion and the amount of dripping are in such a range, the particles are partially agglomerated in a cluster to form two or more layers, defective portions where no particles are present, and the pitch between particles is A tendency of spreading and the like is suppressed, and a single particle film in which each particle is two-dimensionally closely packed with high accuracy is more easily obtained.
表面が疎水性の粒子としては、先に例示した粒子のうち、ポリスチレンなどの有機高分子からなり表面が元々疎水性を示すものを使用してもよいが、表面が親水性の粒子を疎水化剤で疎水性にして使用してもよい。疎水化剤としては、例えば界面活性剤、金属アルコキシシランなどが使用できる。 As the particles having hydrophobic surfaces, among the previously exemplified particles, particles made of organic polymers such as polystyrene and having a hydrophobic surface may be used. It may be used after making it hydrophobic with an agent. As the hydrophobizing agent, for example, a surfactant, a metal alkoxysilane, or the like can be used.
界面活性剤を疎水化剤として使用する方法は、幅広い材料の疎水化に有効であり、粒子が金属、金属酸化物などからなる場合に好適である。
界面活性剤としては、臭素化ヘキサデシルトリメチルアンモニウム、臭素化デシルトリメチルアンモニウムなどのカチオン性界面活性剤、ドデシル硫酸ナトリウム、4−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウムなどのアニオン性界面活性剤が好適に使用できる。また、アルカンチオール、ジスルフィド化合物、テトラデカン酸、オクタデカン酸なども使用できる。
The method of using a surfactant as a hydrophobizing agent is effective for hydrophobizing a wide range of materials, and is suitable when the particles are made of metal, metal oxide, or the like.
As the surfactant, cationic surfactants such as brominated hexadecyltrimethylammonium and brominated decyltrimethylammonium, and anionic surfactants such as sodium dodecyl sulfate and sodium 4-octylbenzenesulfonate can be suitably used. Moreover, alkanethiol, a disulfide compound, tetradecanoic acid, octadecanoic acid, etc. can also be used.
このような界面活性剤を用いた疎水化処理は、有機溶剤や水などの液体に粒子を分散させて液中で行ってもよいし、乾燥状態にある粒子に対して行ってもよい。
液中で行う場合には、例えば、クロロホルム、メタノール、エタノール、イソプロパノール、アセトン、メチルエチルケトン、エチルエチルケトン、トルエン、ヘキサン、シクロヘキサン、酢酸エチル、酢酸ブチルなどの1種以上からなる揮発性有機溶剤中に、疎水化対象の粒子を加えて分散させ、その後、界面活性剤を混合してさらに分散を続ければよい。このようにあらかじめ粒子を分散させておき、それから界面活性剤を加えると、表面をより均一に疎水化することができる。このような疎水化処理後の分散液は、そのまま、滴下工程において下層水の液面に滴下するための分散液として使用できる。
Such a hydrophobizing treatment using a surfactant may be performed in a liquid by dispersing particles in a liquid such as an organic solvent or water, or may be performed on particles in a dry state.
When performed in a liquid, for example, in a volatile organic solvent composed of one or more of chloroform, methanol, ethanol, isopropanol, acetone, methyl ethyl ketone, ethyl ethyl ketone, toluene, hexane, cyclohexane, ethyl acetate, butyl acetate and the like. Then, the particles to be hydrophobized may be added and dispersed, and then the surfactant may be mixed and further dispersed. If the particles are dispersed in advance in this way and then a surfactant is added, the surface can be more uniformly hydrophobized. Such a hydrophobized dispersion can be used as it is as a dispersion for dripping onto the surface of the lower layer water in the dropping step.
疎水化対象の粒子が水分散体の状態である場合には、この水分散体に界面活性剤を加えて水相で粒子表面の疎水化処理を行った後、有機溶剤を加えて疎水化処理済みの粒子を油相抽出する方法も有効である。こうして得られた分散液(有機溶剤中に粒子が分散した分散液)は、そのまま、滴下工程において下層水の液面に滴下するための分散液として使用できる。なお、この分散液の粒子分散性を高めるためには、有機溶剤の種類と界面活性剤の種類とを適切に選択し、組み合わせることが好ましい。粒子分散性の高い分散液を使用することによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が高精度で2次元に最密充填した単粒子膜がより得られやすくなる。例えば、有機溶剤としてクロロホルムを選択する場合には、界面活性剤として臭素化デシルトリメチルアンモニウムを使用することが好ましい。その他にも、エタノールとドデシル硫酸ナトリウムとの組み合わせ、メタノールと4−オクチルベンゼンスルホン酸ナトリウムとの組み合わせ、メチルエチルケトンとオクダデカン酸との組み合わせなどを好ましく例示できる。
疎水化対象の粒子と界面活性剤の比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、界面活性剤の質量が1/3〜1/15倍の範囲が好ましい。
また、こうした疎水化処理の際には、処理中の分散液を撹拌したり、分散液に超音波照射したりすることも粒子分散性向上の点で効果的である。
If the particles to be hydrophobized are in the form of an aqueous dispersion, a surfactant is added to the aqueous dispersion, the surface of the particles is hydrophobized with an aqueous phase, and then an organic solvent is added to make the hydrophobized treatment. An oil phase extraction method is also effective. The dispersion thus obtained (a dispersion in which particles are dispersed in an organic solvent) can be used as it is as a dispersion for dropping onto the liquid surface of the lower layer water in the dropping step. In order to improve the particle dispersibility of this dispersion, it is preferable to appropriately select and combine the type of organic solvent and the type of surfactant. By using a dispersion having a high particle dispersibility, the particles can be prevented from agglomerating in clusters, and a single particle film in which each particle is two-dimensionally closely packed with high accuracy can be obtained more easily. For example, when chloroform is selected as the organic solvent, it is preferable to use brominated decyltrimethylammonium as the surfactant. In addition, a combination of ethanol and sodium dodecyl sulfate, a combination of methanol and sodium 4-octylbenzenesulfonate, a combination of methyl ethyl ketone and octadecanoic acid, and the like can be preferably exemplified.
The ratio of the particles to be hydrophobized and the surfactant is preferably such that the mass of the surfactant is 1/3 to 1/15 times the mass of the particles to be hydrophobized.
In addition, in such a hydrophobizing treatment, it is effective in terms of improving particle dispersibility to stir the dispersion during the treatment or to irradiate the dispersion with ultrasonic waves.
金属アルコキシシランを疎水化剤として使用する方法は、Si、Fe、Alなどの粒子や、AlO2、SiO2、TiO2などの酸化物粒子を疎水化する際に有効であるが、これら粒子に限らず、基本的には表面に水酸基を有する粒子に対して適用することができる。
金属アルコキシシランとしては、モノメチルトリメトキシシラン、モノメチルトリエトキシシラン、ジメチルジエトキシシラン、フェニルトリエトキシシラン、ヘキシルトリメトキシシラン、デシルトリメトキシシラン、ビニルトリクロルシラン、ビニルトリメトキシシラン、ビニルトリエトキシシラン、2−(3,4エポキシシクロヘキシル)エチルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン、3−グリシドキシプロピルメチルジエトキシシラン、3−グリシドキシプロピルトリエトキシシラン、C−スチリルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルトリメトキシシラン、3−メタクリロキシプロピルメチルジエトキシシラン、3メタクリロキシプロピルトリエトキシシラン、3−アクリロキシプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルメチルジメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリメトキシシラン、N−2(アミノエチル)3−アミノプロピルトリエトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−アミノプロピルトリエトキシシラン、N−フェニル−3−アミノプロピルトリメトキシシラン、3−ウレイドプロピルトリエトキシシラン、3−クロロプロピルトリメトキシシラン、3−メルカプトプロピルメチルジメトキシシラン、3−メルカプトプロピルトリメトキシシラン、3−イソシアネートプロピルトリエトキシシランなどが挙げられる。
The method of using metal alkoxysilane as a hydrophobizing agent is effective when hydrophobizing particles such as Si, Fe, and Al, and oxide particles such as AlO 2 , SiO 2 , and TiO 2. The present invention is not limited and can be applied basically to particles having a hydroxyl group on the surface.
As the metal alkoxysilane, monomethyltrimethoxysilane, monomethyltriethoxysilane, dimethyldiethoxysilane, phenyltriethoxysilane, hexyltrimethoxysilane, decyltrimethoxysilane, vinyltrichlorosilane, vinyltrimethoxysilane, vinyltriethoxysilane, 2- (3,4-epoxycyclohexyl) ethyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropyltrimethoxysilane, 3-glycidoxypropylmethyldiethoxysilane, 3-glycidoxypropyltriethoxysilane, C-styryltrimethoxy Silane, 3-methacryloxypropylmethyldimethoxysilane, 3-methacryloxypropyltrimethoxysilane, 3-methacryloxypropylmethyldiethoxysilane, 3methacryloxy Propyltriethoxysilane, 3-acryloxypropyltrimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropylmethyldimethoxysilane, N-2 (aminoethyl) 3-aminopropyltrimethoxysilane, N-2 (amino Ethyl) 3-aminopropyltriethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-aminopropyltriethoxysilane, N-phenyl-3-aminopropyltrimethoxysilane, 3-ureidopropyltriethoxysilane, 3-chloropropyl Examples include trimethoxysilane, 3-mercaptopropylmethyldimethoxysilane, 3-mercaptopropyltrimethoxysilane, and 3-isocyanatopropyltriethoxysilane.
疎水化剤として金属アルコキシシランを用いる場合には、金属アルコキシシラン中のアルコキシシリル基がシラノール基に加水分解し、このシラノール基が粒子表面の水酸基に脱水縮合することで疎水化が行われる。よって、金属アルコキシシランを用いた疎水化は、水中で実施することが好ましい。このように水中で疎水化を行う場合には、例えば界面活性剤などの分散剤を併用して、疎水化前の粒子の分散状態を安定化するのが好ましいが、分散剤の種類によっては金属アルコキシシランの疎水化効果が低減することもあるため、分散剤と金属アルコキシシランとの組み合わせは適切に選択する。 When using a metal alkoxysilane as a hydrophobizing agent, the alkoxysilyl group in the metal alkoxysilane is hydrolyzed to a silanol group, and the silanol group is dehydrated and condensed to a hydroxyl group on the particle surface to effect hydrophobicity. Therefore, the hydrophobization using metal alkoxysilane is preferably performed in water. Thus, when hydrophobizing in water, it is preferable to stabilize the dispersion state of the particles before hydrophobization by using a dispersant such as a surfactant, for example. Since the hydrophobizing effect of the alkoxysilane may be reduced, the combination of the dispersant and the metal alkoxysilane is appropriately selected.
金属アルコキシシランにより疎水化する具体的方法としては、まず、水中に粒子を分散させておき、これと金属アルコキシシラン含有水溶液(金属アルコキシシランの加水分解物を含む水溶液)とを混合し、室温から40℃の範囲で適宜攪拌しながら所定時間、好ましくは6〜12時間反応させる。このような条件で反応させることによって、反応が適度に進行し、十分に疎水化された粒子の分散液を得ることができる。反応が過度に進行すると、シラノール基同士が反応して粒子同士が結合してしまい、分散液の粒子分散性が低下し、得られる単粒子膜は、粒子が部分的にクラスター状に凝集した2層以上のものになりやすい。一方、反応が不十分であると、粒子表面の疎水化も不十分となり、得られる単粒子膜は粒子間のピッチが広がったものになりやすい。 As a specific method for hydrophobizing with a metal alkoxysilane, first, particles are dispersed in water, and this is mixed with a metal alkoxysilane-containing aqueous solution (an aqueous solution containing a hydrolyzate of metal alkoxysilane), and from room temperature. The reaction is carried out for a predetermined time, preferably 6 to 12 hours, with appropriate stirring in the range of 40 ° C. By carrying out the reaction under such conditions, the reaction proceeds moderately and a dispersion of sufficiently hydrophobized particles can be obtained. When the reaction proceeds excessively, the silanol groups react with each other to bond the particles, the particle dispersibility of the dispersion decreases, and the resulting single particle film has particles partially agglomerated in clusters 2 It tends to be more than a layer. On the other hand, when the reaction is insufficient, the surface of the particles is not sufficiently hydrophobized, and the resulting single particle film tends to have a wide pitch between the particles.
また、アミン系以外の金属アルコキシシランは、酸性またはアルカリ性の条件下で加水分解するため、反応時には分散液のPHを酸性またはアルカリ性に調整する必要がある。PHの調整法には制限はないが、0.1〜2.0質量%濃度の酢酸水溶液を添加する方法によれば、加水分解促進の他に、シラノール基安定化の効果も得られるため好ましい。
疎水化対象の粒子と金属アルコキシシランの比率は、疎水化対象の粒子の質量に対して、金属アルコキシシランの質量が1/10〜1/100倍の範囲が好ましい。
Moreover, since metal alkoxysilanes other than amines are hydrolyzed under acidic or alkaline conditions, it is necessary to adjust the pH of the dispersion to acidic or alkaline during the reaction. Although there is no restriction | limiting in the adjustment method of PH, According to the method of adding the acetic acid aqueous solution of 0.1-2.0 mass% density | concentration, since the effect of silanol group stabilization is acquired other than acceleration | stimulation, it is preferable. .
The ratio of the particles to be hydrophobized and the metal alkoxysilane is preferably in the range where the mass of the metal alkoxysilane is 1/10 to 1/100 times the mass of the particles to be hydrophobized.
所定時間反応後、この分散液に対して、前述の揮発性有機溶剤のうちの1種以上を加え、水中で疎水化された粒子を油相抽出する。この際、添加する有機溶剤の体積は、有機溶剤添加前の分散液に対して0.3〜8倍の範囲が好ましい。こうして得られた分散液(有機溶剤中に粒子が分散した分散液)は、そのまま、滴下工程において下層水の液面に滴下するための分散液として使用できる。なお、こうした疎水化処理においては、処理中の分散液の粒子分散性を高めるために、撹拌、超音波照射など実施することが好ましい。分散液の粒子分散性を高めることによって、粒子がクラスター状に凝集することを抑制でき、各粒子が高精度で2次元に最密充填した単粒子膜がより得られやすくなる。 After the reaction for a predetermined time, one or more of the above-mentioned volatile organic solvents are added to the dispersion, and the particles hydrophobized in water are subjected to oil phase extraction. At this time, the volume of the organic solvent to be added is preferably in the range of 0.3 to 8 times the dispersion before the addition of the organic solvent. The dispersion thus obtained (a dispersion in which particles are dispersed in an organic solvent) can be used as it is as a dispersion for dropping onto the liquid surface of the lower layer water in the dropping step. In such a hydrophobizing treatment, it is preferable to carry out stirring, ultrasonic irradiation, etc. in order to improve the particle dispersibility of the dispersion during the treatment. By increasing the particle dispersibility of the dispersion, it is possible to suppress the aggregation of particles in a cluster shape, and it becomes easier to obtain a single particle film in which each particle is two-dimensionally closely packed with high accuracy.
また、形成する単粒子膜の精度をより高めるためには、液面に滴下する前の分散液をメンブランフィルターなどで精密ろ過して、分散液中に存在する凝集粒子(複数の1次粒子からなる2次粒子)を除去することが好ましい。このようにあらかじめ精密ろ過を行っておくと部分的に2層以上となった箇所や、粒子が存在しない欠陥箇所が生じにくく、精度の高い単粒子膜が得られやすい。仮に、形成された単粒子膜に、数〜数十μm程度の大きさの欠陥箇所が存在したとすると、詳しくは後述する移行工程において、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面方向に圧縮する可動バリアとを備えたLBトラフ装置を使用したとしても、このような欠陥箇所は表面圧の差として検知されず、高精度な単粒子膜エッチングマスクを得ることは難しくなる。 In order to further improve the accuracy of the formed single particle film, the dispersion before dropping onto the liquid surface is microfiltered with a membrane filter or the like, and aggregated particles (from a plurality of primary particles) present in the dispersion are used. Secondary particles) are preferably removed. If the microfiltration is performed in advance as described above, it is difficult to generate a portion where two or more layers are formed or a defective portion where particles are not present, and it is easy to obtain a single particle film with high accuracy. Assuming that a defect portion having a size of several to several tens of μm exists in the formed single particle film, a surface pressure sensor that measures the surface pressure of the single particle film in a transition step described later in detail, Even if an LB trough device having a movable barrier that compresses the single particle film in the liquid surface direction is used, such a defective portion is not detected as a difference in surface pressure, and a highly accurate single particle film etching mask is obtained. Things get harder.
さらに、このような単粒子膜形成工程は、超音波照射条件下で実施することが好ましい。下層水から水面に向けて超音波を照射しながら単粒子膜形成工程を行うと、粒子の最密充填が促進され、各粒子がより高精度で2次元に最密充填した単粒子膜が得られる。この際、超音波の出力は1〜1200Wが好ましく、50〜600Wがより好ましい。また、超音波の周波数には特に制限はないが、例えば28kHz〜5MHzが好ましく、より好ましくは700kHz〜2MHzである。一般的に振動数が高すぎると、水分子のエネルギー吸収が始まり、水面から水蒸気または水滴が立ち上る現象が起きるため、本発明のLB法にとって好ましくない。また、一般的に振動数が低すぎると、下層水中のキャビテーション半径が大きくなり、水中に泡が発生して水面に向かって浮上してくる。このような泡が単粒子膜の下に集積すると、水面の平坦性が失われるため本発明の実施に不都合となる。また、超音波照射によって水面に定常波が発生する。いずれの周波数でも出力が高すぎたり、超音波振動子と発信機のチューニング条件によって水面の波高が高くなりすぎたりすると、単粒子膜が水面波で破壊されるため気をつける必要がある。 Furthermore, such a single particle film forming step is preferably performed under ultrasonic irradiation conditions. When the single particle film formation process is performed while irradiating ultrasonic waves from the lower layer water to the water surface, the close packing of particles is promoted, and a single particle film in which each particle is two-dimensionally close packed with high accuracy is obtained. It is done. At this time, the ultrasonic output is preferably 1 to 1200 W, and more preferably 50 to 600 W. Moreover, although there is no restriction | limiting in particular in the frequency of an ultrasonic wave, For example, 28 kHz-5 MHz are preferable, More preferably, they are 700 kHz-2 MHz. In general, when the vibration frequency is too high, energy absorption of water molecules starts and a phenomenon in which water vapor or water droplets rise from the surface of the water occurs, which is not preferable for the LB method of the present invention. In general, when the frequency is too low, the cavitation radius in the lower layer water is increased, bubbles are generated in the water, and rise toward the water surface. When such bubbles accumulate under the single particle film, the flatness of the water surface is lost, which is inconvenient for the implementation of the present invention. In addition, standing waves are generated on the water surface by ultrasonic irradiation. If the output is too high at any frequency, or if the wave height of the water surface becomes too high due to the tuning conditions of the ultrasonic transducer and transmitter, the single particle film will be destroyed by the water surface wave, so care must be taken.
以上のことに留意して超音波の周波数を適切に設定すると、形成されつつある単粒子膜を破壊することなく、効果的に粒子の最密充填を促進することができる。効果的な超音波照射を行うためには、粒子の粒径から計算される固有振動数を目安にするのが良い。しかし、粒径が例えば100nm以下など小さな粒子になると固有振動数は非常に高くなってしまうため、計算結果のとおりの超音波振動を与えるのは困難になる。このような場合は、粒子2量体、3量体、・・・20量体程度までの質量に対応する固有振動を与えると仮定して計算を行うと、必要な振動数を現実的な範囲まで低減させることが出来る。粒子の会合体の固有振動数に対応する超音波振動を与えた場合でも、粒子の充填率向上効果は発現する。超音波の照射時間は、粒子の再配列が完了するのに十分であればよく、粒径、超音波の周波数、水温などによって所要時間が変化する。しかし通常の作成条件では10秒間〜60分間で行うのが好ましく、より好ましくは3分間〜30分間である。
超音波照射によって得られる利点は粒子の最密充填化(ランダム配列を6方最密化する)の他に、ナノ粒子分散液調製時に発生しやすい粒子の軟凝集体を破壊する効果、一度発生した点欠陥、線欠陥、または結晶転移などもある程度修復する効果がある。
If the frequency of the ultrasonic wave is appropriately set in consideration of the above, close-packing of particles can be effectively promoted without destroying the single particle film being formed. In order to perform effective ultrasonic irradiation, the natural frequency calculated from the particle size of the particles should be used as a guide. However, when the particle diameter is small, for example, 100 nm or less, the natural frequency becomes very high, and it is difficult to apply ultrasonic vibration as calculated. In such a case, the calculation is performed assuming that the natural vibration corresponding to the mass of the particle dimer, trimer,... Can be reduced. Even when ultrasonic vibration corresponding to the natural frequency of the aggregate of particles is applied, the effect of improving the particle filling rate is exhibited. The ultrasonic irradiation time may be sufficient to complete the rearrangement of particles, and the required time varies depending on the particle size, ultrasonic frequency, water temperature, and the like. However, under normal production conditions, it is preferably performed for 10 seconds to 60 minutes, more preferably 3 minutes to 30 minutes.
Advantages obtained by ultrasonic irradiation include the effect of destroying the soft agglomerates of particles that tend to occur when preparing a nanoparticle dispersion, in addition to the closest packing of particles (to make the random array 6-way closest) This also has the effect of repairing some of the point defects, line defects, or crystal transitions.
以上説明した単粒子膜の形成は、粒子の自己組織化によるものである。その原理は、粒子が集結すると、その粒子間に存在する分散媒に起因して表面張力が作用し、その結果、粒子同士はランダムに存在するのではなく、2次元的最密充填構造を自動的に形成するというものである。このような表面張力による最密充填は、別の表現をすると横方向の毛細管力による配列化ともいえる。
特に、例えばコロイダルシリカのように、球形であって粒径の均一性も高い粒子が、水面上に浮いた状態で3つ集まり接触すると、粒子群の喫水線の合計長を最小にするように表面張力が作用し、図1に示すように、3つの粒子は図中に示す正三角形Tを基本とする配置で安定化する。仮に、喫水線が粒子群の頂点にくる場合、すなわち、粒子が液面下に潜ってしまう場合には、このような自己組織化は起こらず、単粒子膜は形成されない。よって、粒子と下層水は、一方が疎水性である場合には他方を親水性にして、粒子群が液面下に潜ってしまわないようにすることが重要である。
下層水としては、以上の説明のように水を使用することが好ましく、水を使用すると、比較的大きな表面自由エネルギーが作用して、一旦生成した粒子の最密充填配置が液面上に安定的に持続しやすくなる。
The formation of the single particle film described above is due to self-organization of particles. The principle is that when the particles are aggregated, surface tension acts due to the dispersion medium existing between the particles. As a result, the particles do not exist at random, but a two-dimensional close packed structure is automatically used. It is to form. In other words, the close-packing by surface tension can be said to be arrangement by lateral capillary force.
In particular, when three particles, such as colloidal silica, which are spherical and have a highly uniform particle size, come together and come into contact with each other in a floating state on the water surface, the surface of the particle group is minimized so as to minimize the total length of the waterline. Tension acts, and as shown in FIG. 1, the three particles are stabilized in an arrangement based on the equilateral triangle T shown in the figure. If the water line is at the apex of the particle group, that is, if the particles are submerged below the liquid surface, such self-organization does not occur and a single particle film is not formed. Therefore, when one of the particles and the lower layer water is hydrophobic, it is important to make the other hydrophilic so that the particles do not dive under the liquid surface.
As the lower layer water, it is preferable to use water as described above. When water is used, relatively large surface free energy acts, and the close-packed arrangement of particles once generated is stable on the liquid surface. It becomes easy to sustain.
[移行工程]
単粒子膜形成工程により液面上に形成された単粒子膜を、ついで、単層状態のままエッチング対象物である基板上に移し取る(移行工程)。基板は平面状でもよく、曲面、傾斜、段差等の非平面形状を一部もしくは全部に含んでいても良い。本発明の単粒子膜は、基板が平面でなくても、移行工程時に結晶面のすべり現象が起こることで、2次元的な最密充填状態を維持しながら基板表面を完全に被覆することが可能である。単粒子膜を基板上に移し取る具体的な方法には特に制限はなく、例えば、疎水性の基板を単粒子膜に対して略平行な状態に保ちつつ、上方から降下させて単粒子膜に接触させ、ともに疎水性である単粒子膜と基板との親和力により、単粒子膜を基板に移行させ、移し取る方法;単粒子膜を形成する前にあらかじめ水槽の下層水内に基板を略水平方向に配置しておき、単粒子膜を液面上に形成した後に液面を徐々に降下させることにより、基板上に単粒子膜を移し取る方法などがある。これらの方法によれば、特別な装置を使用せずに単粒子膜を基板上に移し取ることができるが、より大面積の単粒子膜であっても、その2次的な最密充填状態を維持したまま基板上に移し取りやすい点で、いわゆるLBトラフ法を採用することが好ましい(Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001)、Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268 (2002)など参照)。
[Transition process]
The single particle film formed on the liquid surface by the single particle film forming step is then transferred onto the substrate which is the object to be etched in the single layer state (transfer step). The substrate may be planar or may include a part or all of a non-planar shape such as a curved surface, an inclination, or a step. Even if the substrate is not flat, the single particle film of the present invention can completely cover the substrate surface while maintaining a two-dimensional close-packed state by causing a crystal plane slip phenomenon during the transition process. Is possible. There is no particular limitation on the specific method for transferring the single particle film onto the substrate. For example, while maintaining the hydrophobic substrate substantially parallel to the single particle film, the single particle film is lowered from above to form the single particle film. A method of transferring and transferring the single particle film to the substrate by the affinity between the single particle film and the substrate, both of which are hydrophobic, and the substrate; before the single particle film is formed, the substrate is approximately horizontal in the lower water of the water tank in advance. There is a method of transferring the single particle film onto the substrate by arranging the single particle film in the direction and gradually lowering the liquid level after forming the single particle film on the liquid surface. According to these methods, the single particle film can be transferred onto the substrate without using a special apparatus. However, even in the case of a single particle film having a larger area, the secondary close packed state It is preferable to adopt the so-called LB trough method in that it can be easily transferred onto a substrate while maintaining the above (Journal of Materials and Chemistry, Vol.11, 3333 (2001), Journal of Materials and Chemistry, Vol.12, 3268) (See 2002).
図2は、LBトラフ法の概略を模式的に示すものである。この方法では、水槽内の下層水に基板をあらかじめ略鉛直方向に浸漬しておき、その状態で上述の滴下工程と単粒子膜形成工程とを行い、単粒子膜を形成する(図2(A))。そして、単粒子膜形成工程後に、基板を上方に引き上げることによって、単粒子膜Fを基板上に移し取ることができる(図2(B))。なお、この図では、基板の両面に単粒子膜を移し取る状態を示しているが、反射防止体などのように片面のみに微細凹凸パターンが形成されたものを製造する場合には、単粒子膜は片面のみに移し取ればよい。
ここで単粒子膜は、単粒子膜形成工程により液面上ですでに単層の状態に形成されているため、移行工程の温度条件(下層水の温度)や基板の引き上げ速度などが多少変動しても、移行工程において単粒子膜Fが崩壊して多層化するなどのおそれはない。なお、下層水の温度は、通常、季節や天気により変動する環境温度に依存し、ほぼ10〜30℃程度である。
FIG. 2 schematically shows an outline of the LB trough method. In this method, the substrate is dipped in a substantially vertical direction in the lower layer water in the water tank in advance, and the dropping step and the single particle film forming step are performed in this state to form a single particle film (FIG. 2A). )). After the single particle film formation step, the single particle film F can be transferred onto the substrate by pulling the substrate upward (FIG. 2B). In this figure, the state where the single particle film is transferred to both surfaces of the substrate is shown. However, in the case of producing a fine uneven pattern formed on only one surface such as an antireflection body, single particles are used. The film need only be transferred to one side.
Here, the single particle film has already been formed into a single layer on the liquid surface by the single particle film formation process, so the temperature conditions of the transition process (temperature of the lower layer water), the pulling speed of the substrate, etc. vary slightly However, there is no fear that the single particle film F collapses and becomes multilayered in the transfer step. In addition, the temperature of lower layer water is normally about 10-30 degreeC depending on the environmental temperature which fluctuates with a season or weather.
また、この際、水槽として、単粒子膜の表面圧を計測する図示略の表面圧力センサー(ウェルヘルミープレートによる原理で作動)と、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する図示略の可動バリアとを具備するLBトラフ装置を使用すると、より大面積の単粒子膜をより安定に基板上に移し取ることができる。このような装置によれば、単粒子膜の表面圧を計測しながら、単粒子膜を好ましい拡散圧(密度)に圧縮でき、また、基板の方に向けて一定の速度で移動させることができる。そのため、単粒子膜の液面から基板上への移行が円滑に進行し、小面積の単粒子膜しか基板上に移行できないなどのトラブルが生じにくい。好ましい拡散圧は、5〜80mNm−1であり、より好ましくは10〜40mNm−1である。このような拡散圧であると、各粒子がより高精度で2次元に最密充填した単粒子膜が得られやすい。また、基板を引き上げる速度は、0.5〜20mm/分が好ましい。下層水の温度は、先述したように、通常10〜30℃である。なお、LBトラフ装置は、市販品として入手することができる。 Further, at this time, as a water tank, a surface pressure sensor (not shown) that measures the surface pressure of the single particle film (operated on the principle of the well-helmy plate) and a single particle film that is compressed in the direction along the liquid surface are omitted. When an LB trough device having a movable barrier is used, a single-particle film having a larger area can be more stably transferred onto the substrate. According to such an apparatus, the single particle film can be compressed to a preferable diffusion pressure (density) while measuring the surface pressure of the single particle film, and can be moved toward the substrate at a constant speed. . Therefore, the transfer of the single particle film from the liquid surface to the substrate proceeds smoothly, and troubles such as the transfer of only a single particle film having a small area onto the substrate hardly occur. A preferable diffusion pressure is 5 to 80 mNm −1 , more preferably 10 to 40 mNm −1 . With such a diffusion pressure, it is easy to obtain a single particle film in which each particle is two-dimensionally closely packed with higher accuracy. Further, the speed of pulling up the substrate is preferably 0.5 to 20 mm / min. The temperature of lower layer water is 10-30 degreeC normally as above-mentioned. Note that the LB trough device can be obtained as a commercial product.
(移行工程)
移行工程により、基板上に単粒子膜エッチングマスクを形成することができるが、移行工程の後には、形成された単粒子膜エッチングマスクを基板上に固定するための固定工程を行ってもよい。単粒子膜を基板上に固定することによって、後述のエッチング工程中に粒子が基板上を移動してしまう可能性が抑えられ、より安定かつ高精度にエッチングすることができる。特に、各粒子の直径が徐々に小さくなるエッチング工程の最終段階になると、このような可能性が大きくなる。
(Transition process)
Although the single particle film etching mask can be formed on the substrate by the transfer step, a fixing step for fixing the formed single particle film etching mask on the substrate may be performed after the transfer step. By fixing the single particle film on the substrate, it is possible to suppress the possibility that particles move on the substrate during an etching process described later, and it is possible to perform etching more stably and with high accuracy. In particular, such a possibility increases when the final stage of the etching process in which the diameter of each particle gradually decreases.
固定工程の方法としては、バインダーを使用する方法や焼結法がある。
バインダーを使用する方法では、単粒子膜エッチングマスクが形成された基板の該単粒子膜側にバインダー溶液を供給して単粒子膜エッチングマスクと基板との間にこれを浸透させる。
バインダーの使用量は、単粒子膜エッチングマスクの質量の0.001〜0.02倍が好ましい。このような範囲であれば、バインダーが多すぎて粒子間にバインダーが詰まってしまい、単粒子膜エッチングマスクの精度に悪影響を与えるという問題を生じることなく、十分に粒子を固定することができる。バインダー溶液を多く供給してしまった場合には、バインダー溶液が浸透した後に、スピンコーターを使用したり、基板を傾けたりして、バインダー溶液の余剰分を除去すればよい。
バインダーとしては、先に疎水化剤として例示した金属アルコキシシランや一般の有機バインダー、無機バインダーなどを使用でき、バインダー溶液が浸透した後には、バインダーの種類に応じて、適宜加熱処理を行えばよい。金属アルコキシシランをバインダーとして使用する場合には、40〜80℃で3〜60分間の条件で加熱処理することが好ましい。
As a method of the fixing step, there are a method using a binder and a sintering method.
In the method using a binder, a binder solution is supplied to the single particle film side of the substrate on which the single particle film etching mask is formed, and this is infiltrated between the single particle film etching mask and the substrate.
The amount of the binder used is preferably 0.001 to 0.02 times the mass of the single particle film etching mask. In such a range, the particles can be sufficiently fixed without causing the problem that the binder is too much and the binder is clogged between the particles, and the accuracy of the single particle film etching mask is adversely affected. If a large amount of the binder solution has been supplied, after the binder solution has permeated, the excess of the binder solution may be removed by using a spin coater or tilting the substrate.
As the binder, metal alkoxysilanes, general organic binders, inorganic binders and the like exemplified above as the hydrophobizing agent can be used. After the binder solution has permeated, heat treatment may be appropriately performed depending on the type of the binder. . When using a metal alkoxysilane as a binder, it is preferable to heat-process at 40-80 degreeC on the conditions for 3 to 60 minutes.
焼結法を採用する場合には、単粒子膜エッチングマスクが形成された基板を加熱して、単粒子膜エッチングマスクを構成している各粒子を基板に融着させればよい。加熱温度は粒子の材質と基板の材質に応じて決定すればよいが、粒径が1μmφ以下の粒子はその物質本来の融点よりも低い温度で界面反応を開始するため、比較的低温側で焼結は完了する。加熱温度が高すぎると、粒子の融着面積が大きくなり、その結果、単粒子膜エッチングマスクとしての形状が変化するなど、精度に影響を与える可能性がある。また、加熱を空気中で行うと、基板や各粒子が酸化する可能性があるため、後述のエッチング工程では、このような酸化の可能性を考慮して、エッチング条件を設定することが必要となる。例えば、基板としてシリコン基板を用い、これを1100℃で焼結すると、この基板の表面には約200nmの厚さで熱酸化層が形成される。このような熱酸化の影響を避ける場合は、窒素やアルゴン雰囲気下で焼結を行うのが好ましい。 In the case of employing the sintering method, the substrate on which the single particle film etching mask is formed may be heated to fuse each particle constituting the single particle film etching mask to the substrate. The heating temperature may be determined according to the material of the particles and the material of the substrate, but particles having a particle size of 1 μmφ or less start an interfacial reaction at a temperature lower than the original melting point of the material, and thus are heated on a relatively low temperature side. The result is complete. If the heating temperature is too high, the fusion area of the particles increases, and as a result, the shape as a single particle film etching mask may change, which may affect the accuracy. In addition, if heating is performed in air, the substrate and each particle may be oxidized. Therefore, in the etching process described later, it is necessary to set etching conditions in consideration of the possibility of such oxidation. Become. For example, when a silicon substrate is used as a substrate and sintered at 1100 ° C., a thermal oxide layer having a thickness of about 200 nm is formed on the surface of the substrate. In order to avoid the influence of such thermal oxidation, it is preferable to perform sintering in a nitrogen or argon atmosphere.
(ドライエッチング工程)
このように単粒子膜エッチングマスクが片面に設けられた基板を気相エッチングして表面加工する(エッチング工程)ことにより、基板の片面に周期格子微細構造を形成することができる。具体的には、気相エッチングを開始すると、まず図3(A)に示すように、単粒子膜を構成している各粒子の隙間をエッチングガスが通り抜けて基板の表面に到達し、その部分に溝が形成され、各粒子に対応する位置にそれぞれ円柱が現れる。引き続き気相エッチングを続けると、各円柱上の粒子も徐々にエッチングされて小さくなり、同時に、基板の溝も深くなっていく(図3(B))。そして、最終的には各粒子はエッチングにより消失し、それとともに基板の片面に多数の周期格子突起が形成される(図3(C))。本発明の周期格子構造は、エッチングの結果としての断面形状が偽正弦波、偽のこぎり型(三角形)、偽櫛型であってもよく、また、周期的な凹凸が付くのであればこれら以外の断面形状でもよい(図4と図5)。
(Dry etching process)
Thus, the periodic lattice fine structure can be formed on one side of the substrate by subjecting the substrate provided with the single particle film etching mask on one side to vapor phase etching and surface processing (etching process). Specifically, when the gas phase etching is started, first, as shown in FIG. 3A, the etching gas passes through the gaps between the particles constituting the single particle film and reaches the surface of the substrate. Grooves are formed, and a cylinder appears at a position corresponding to each particle. When the gas phase etching is continued, the particles on each cylinder are gradually etched to become smaller, and at the same time, the groove of the substrate becomes deeper (FIG. 3B). Finally, each particle disappears by etching, and a large number of periodic grating protrusions are formed on one side of the substrate (FIG. 3C). In the periodic grating structure of the present invention, the cross-sectional shape as a result of etching may be a pseudo sine wave, a false saw type (triangle), or a false comb shape. A cross-sectional shape may be used (FIGS. 4 and 5).
こうして得られた微細構造体Cは、そのまま、パソコン、携帯電話、デジタルカメラなどにおける各種ディスプレイ(例えば、液晶ディスプレイ、プラズマディスプレイ、リアプロジェクター、FED、OLEDなどのFCD)、ショーウィンドーなどの窓ガラス、展示額縁、各種表示窓、光学レンズ、道路・交通標識や看板を構成する光学材料などの表面に適用する視野角制限構造として使用できるし、このような視野角制限構造表面を有する光学部材を製造するためのナノインプリント用モールドの原版として使用することもできる。 The fine structure C thus obtained is used as it is for various displays in personal computers, mobile phones, digital cameras and the like (for example, liquid crystal displays, plasma displays, rear projectors, FCDs such as FEDs and OLEDs), window glass for show windows, etc. It can be used as a viewing angle limiting structure to be applied to surfaces such as exhibition frames, various display windows, optical lenses, optical materials constituting road / traffic signs and signs, and optical members having such a viewing angle limiting structure surface. It can also be used as a master for a nanoimprint mold for production.
気相エッチングに使用するエッチングガスとしては、例えば、Ar、SF6、F2、CF4、C4F8、C5F8、C2F6、C3F6、C4F6、CHF3、CH2F2、CH3F、C3F8、Cl2、CCl4、SiCl4、BCl2、BCl3、BC2、Br2、Br3、HBr、CBrF3、HCl、CH4、NH3、O2、H2、N2、CO、CO2などが挙げられるが、本発明の趣旨を実行するためであればこれらに限定されることは無い。単粒子膜エッチングマスクを構成する粒子や基板の材質などに応じて、これらのうちの1種以上を使用できる。 Examples of the etching gas used for the vapor phase etching include Ar, SF 6 , F 2 , CF 4 , C 4 F 8 , C 5 F 8 , C 2 F 6 , C 3 F 6 , C 4 F 6 , and CHF. 3 , CH 2 F 2 , CH 3 F, C 3 F 8 , Cl 2 , CCl 4 , SiCl 4 , BCl 2 , BCl 3 , BC 2 , Br 2 , Br 3 , HBr, CBrF 3 , HCl, CH 4 , NH 3 , O 2 , H 2 , N 2 , CO, CO 2 and the like can be mentioned, but the invention is not limited to these in order to carry out the gist of the present invention. One or more of these can be used depending on the particles constituting the single particle film etching mask, the material of the substrate, and the like.
気相エッチングで使用可能なエッチング装置としては、反応性イオンエッチング装置、イオンビームエッチング装置などの装置で、最小で20W程度のバイアス電場を発生できるものであれば、プラズマ発生の方式、電極の構造、チャンバーの構造、高周波電源の周波数等の仕様には特に制限ない。本発明の周期格子構造のアスペクト比は小さいため、エッチング工程では粒子形状を基材に移し込む操作が基本になる。さらにエッチングにより表面を均してアスペクト比を小さくすることも重要である。このような最終形状となるようにエッチングの各条件(単粒子膜エッチングマスクを構成する粒子の材質、基板の材質、エッチングガスの種類、バイアスパワー、アンテナパワー、ガスの流量と圧力、エッチング時間など)を設定することで、目的のアスペクト比を有する周期格子微細構造を作成することが出来る。具体的には、例えばシリコンウェハ上のコロイダルシリカ粒子に対して、シリコンおよびシリカのエッチング速度が同じになるようにガス組成(SF6+CF4)を調節してエッチングを行う手法、あるいは石英基板上のコロイダルシリカ粒子に対して、基板と粒子両方をエッチング可能なCF4ガスを用いることで目的の形状を得ることが出来る。本発明の周期格子微細構造体のアスペクト比が大きくなりすぎると、光学散乱の影響が強く出てきて、表面が白っぽく見えてくる。そのため、本発明の周期格子構造のアスペクト比は1.0以下好ましくは0.5以下、より好ましくは0.3以下とすることが望ましい。 As an etching apparatus that can be used in the gas phase etching, a reactive ion etching apparatus, an ion beam etching apparatus, or the like that can generate a bias electric field of about 20 W at the minimum can be used. There are no particular restrictions on the specifications of the chamber structure, the frequency of the high frequency power source, and the like. Since the aspect ratio of the periodic grating structure of the present invention is small, an operation of transferring the particle shape to the substrate is fundamental in the etching process. It is also important to level the surface by etching to reduce the aspect ratio. Etching conditions to achieve such a final shape (particle material constituting single particle film etching mask, substrate material, etching gas type, bias power, antenna power, gas flow rate and pressure, etching time, etc. ) Can be used to create a periodic grating fine structure having a desired aspect ratio. Specifically, for example, a method of performing etching by adjusting the gas composition (SF 6 + CF 4 ) so that the etching rates of silicon and silica are the same for colloidal silica particles on a silicon wafer, or on a quartz substrate For the colloidal silica particles, a target shape can be obtained by using CF 4 gas capable of etching both the substrate and the particles. If the aspect ratio of the periodic grating fine structure of the present invention is too large, the influence of optical scattering will be strong and the surface will appear whitish. Therefore, the aspect ratio of the periodic grating structure of the present invention is 1.0 or less, preferably 0.5 or less, more preferably 0.3 or less.
こうして得られた周期格子微細構造体について、先に述べた単粒子膜エッチングマスクにおける粒子間の平均ピッチBを求める方法と同様にして、その格子配列の平均ピッチCを求めると、この平均ピッチCは、使用した単粒子膜エッチングマスクの平均ピッチBとほぼ同じ値となる。また、配列の平均ピッチCは、周期格子微細突起の偽円形底面の直径dの平均値に相当する。さらに、この周期格子微細構造体について、下記式(2)で定義される配列のずれD'(%)を求めると、その値も10%以下となる。
D'[%]=|C−A|×100/A・・・(2)
ただし、式(2)中、Aは使用した単粒子膜エッチングマスクを構成する粒子の平均粒径である。
When the average pitch C of the lattice arrangement of the periodic lattice microstructure thus obtained is determined in the same manner as the above-described method for determining the average pitch B between the particles in the single particle film etching mask, this average pitch C Is substantially the same value as the average pitch B of the used single particle film etching mask. Further, the average pitch C of the array corresponds to the average value of the diameters d of the pseudo circular bottom surfaces of the periodic grating fine protrusions. Further, regarding the periodic grating fine structure, when an alignment shift D ′ (%) defined by the following formula (2) is obtained, the value is also 10% or less.
D ′ [%] = | C−A | × 100 / A (2)
However, in Formula (2), A is an average particle diameter of the particle | grains which comprise the used single particle film etching mask.
[構造転写用モールドとその製造方法]
また、本発明の周期格子構造Xを原版(マスター)とし、これをナノインプリント法、プレス法、射出成型法、UVエンボス法、電鋳法などの形状転写技術の少なくとも一つを用いて複製を作成することができる。周期格子構造体の形状転写用モールドを製造する場合には、例えば、微細構造体が形成された面にめっき法などで金属層を形成した後、この金属層を剥離することにより、微細構造体を金属層に転写する。その結果、表面に周期格子構造のネガ型を備えた金属層が得られ、これをナノインプリント法、プレス法、射出成型法、UVエンボス法、電鋳法などのモールドとして使用することで構造転写を行えば、効率的に本発明の周期格子構造Xのコピーを量産することが可能となる。
[Structure transfer mold and its manufacturing method]
In addition, the periodic grating structure X of the present invention is used as an original plate (master), and a replica is created using at least one of shape transfer techniques such as a nanoimprint method, a press method, an injection molding method, a UV embossing method, and an electroforming method. can do. When manufacturing a mold for transferring a shape of a periodic grating structure, for example, a metal layer is formed on the surface on which the fine structure is formed by plating or the like, and then the metal layer is peeled off to form the fine structure. Is transferred to the metal layer. As a result, a metal layer having a negative pattern with a periodic grating structure on the surface is obtained, and this can be used as a mold for nanoimprinting, pressing, injection molding, UV embossing, electroforming, etc. If it carries out, it will become possible to mass-produce the copy of the periodic grating structure X of this invention efficiently.
周期格子微細構造体が形成された面にモールドの金属層を形成する方法としては、めっき法が好ましく、具体的には、まず、ニッケル、銅、金、銀、白金、チタン、コバルト、錫、亜鉛、クロム、金・コバルト合金、金ニッケル合金、はんだ、銅・ニッケル・クロム合金、錫ニッケル合金、ニッケル・パラジウム合金、ニッケル・コバルト・りん合金などから選ばれる1種以上の金属により無電解めっきまたは蒸着またはスパッタリングを行い、ついで、これらの金属から選ばれる1種以上の金属により電解めっきを行って、金属層の厚さを増加させる方法が好ましい。 As a method for forming the metal layer of the mold on the surface on which the periodic grating fine structure is formed, a plating method is preferable. Specifically, first, nickel, copper, gold, silver, platinum, titanium, cobalt, tin, Electroless plating with one or more metals selected from zinc, chromium, gold / cobalt alloy, gold / nickel alloy, solder, copper / nickel / chromium alloy, tin / nickel alloy, nickel / palladium alloy, nickel / cobalt / phosphorus alloy, etc. Alternatively, a method in which the thickness of the metal layer is increased by performing vapor deposition or sputtering and then performing electrolytic plating with one or more metals selected from these metals is preferable.
無電解めっきまたは蒸着またはスパッタリングにより形成する金属層の厚みは、10nm以上が好ましく、より好ましくは100nm以上である。ただし、導電層には、一般的には50nmの厚さが必要とされる。膜厚をこのようにすると、次に行われる電解めっきの工程で、被めっき面内電流密度の偏りを抑制でき、均一な厚さの形状転写用モールドが得られやすくなる。
次に行う電解めっきでは、金属層の厚さを最終的に10〜3000μmまで厚くし、その後、金属層を原版から剥がし取ることが好ましい。電解めっきにおける電流密度には特に制限はないが、ブリッジを抑制して均一な金属層を形成でき、かつ、このような金属層を比較的短時間で形成できることから、0.03〜10A/m2が好ましい。
また、形状転写用モールドとしての耐摩耗性、剥離・貼合時のリワーク性などの観点からは、金属層の材質はニッケルが好ましく、最初に行う無電解めっきまたは蒸着、その後に行う電解めっきの両方について、ニッケルを採用することが好ましい。
The thickness of the metal layer formed by electroless plating, vapor deposition or sputtering is preferably 10 nm or more, more preferably 100 nm or more. However, the conductive layer generally requires a thickness of 50 nm. When the film thickness is set in this way, unevenness of the current density in the surface to be plated can be suppressed in the subsequent electrolytic plating process, and a mold for shape transfer having a uniform thickness can be easily obtained.
In the subsequent electrolytic plating, it is preferable that the thickness of the metal layer is finally increased to 10 to 3000 μm, and then the metal layer is peeled off from the original plate. Although there is no restriction | limiting in particular in the current density in electroplating, Since bridge | bridging can be suppressed and a uniform metal layer can be formed and such a metal layer can be formed in a comparatively short time, it is 0.03-10A / m. 2 is preferred.
In addition, from the viewpoint of wear resistance as a shape transfer mold, reworkability at the time of peeling / bonding, the material of the metal layer is preferably nickel, electroless plating or vapor deposition performed first, and electrolytic plating performed thereafter. It is preferable to employ nickel for both.
[ナノインプリントまたは射出成型装置とナノインプリントまたは射出成型物]
こうして製造された形状転写用モールドを具備するナノインプリント法、プレス法、射出成型法、UVエンボス法、電鋳法などの装置によれば、高精度に周期格子構造が形成され、視野角制限機能の発現に好適な形状転写体(複製品)を再現性よく大量生産することができる。
これらの形状転写方法の中でも、特に微細形状の転写に向いているのはナノインプリント法および射出成型法である。ナノインプリントまたは射出成型装置の方式には特に制限はなく、加熱され軟化した熱可塑性樹脂製の基材に対してナノインプリント用モールドを押圧し、その後、基材を冷却してからナノインプリン用モールドを基材から離すことによって、ナノインプリント用モールドに形成されている微細パターンを基材に転写する熱インプリント方式、未硬化の光硬化性樹脂の基材に対してナノインプリント用モールドを押圧し、その後、紫外線を照射して光硬化性樹脂を硬化してからナノインプリン用モールドを基材から離すことによって、ナノインプリント用モールドに形成されている微細パターンを基材に転写する光(UV)インプリント方式、溶融した樹脂をモールドに高圧で射出流入し、その後モールドごと冷却する工程を経てモールドを離型し、射出成型用モールドに形成されている微細パターンを成型物表面に転写する射出成型方式、など公知の方式を採用できる。
熱インプリント方式のナノインプリント装置は、プレス手段を具備したナノインプリント用モールドと、基材の温度を制御する温度制御手段とを備えて概略構成され、光インプリント方式のナノインプリント装置は、プレス手段を具備したナノインプリント用モールドと、基材に紫外線を照射する紫外線照射手段とを備えて概略構成される。また、射出成型装置は密閉型金型を射出成形機にセットし、射出成形機により、型締め、プラスチック材料の溶融、閉じた金型の空洞部に対しての加圧注入、冷却工程を行う機構を備えることにより概略構成される。
[Nanoimprint or injection molding equipment and nanoimprint or injection molding]
According to the nanoimprint method, the press method, the injection molding method, the UV embossing method, the electroforming method and the like having the shape transfer mold thus manufactured, the periodic grating structure is formed with high accuracy and the viewing angle limiting function is improved. Shape transfer bodies (replicas) suitable for expression can be mass-produced with good reproducibility.
Among these shape transfer methods, the nanoimprint method and the injection molding method are particularly suitable for transferring fine shapes. There is no particular limitation on the method of the nanoimprint or injection molding apparatus. The nanoimprint mold is pressed against a heated and softened thermoplastic resin base material, and then the base material is cooled before the nanoimprint mold is attached. A thermal imprint method for transferring a fine pattern formed on the nanoimprint mold to the substrate by separating it from the substrate, pressing the nanoimprint mold against the uncured photocurable resin substrate, Light (UV) imprinting method that transfers the fine pattern formed on the nanoimprinting mold to the substrate by irradiating ultraviolet light to cure the photocurable resin and then separating the nanoimprinting mold from the substrate. The molten resin is injected into the mold at a high pressure, and then the mold is cooled through the process of cooling the entire mold. And mold, injection molding method for transferring a fine pattern formed on the injection molding mold for molding material surface, can be adopted a known method such as.
A thermal imprint nanoimprint apparatus is schematically configured to include a nanoimprint mold having a press means and a temperature control means for controlling the temperature of the substrate, and the optical imprint nanoimprint apparatus has a press means. The nanoimprint mold and an ultraviolet irradiation means for irradiating the substrate with ultraviolet rays are roughly configured. In addition, the injection molding apparatus sets a closed mold in the injection molding machine, and performs the mold clamping, the melting of the plastic material, the pressure injection into the cavity of the closed mold, and the cooling process by the injection molding machine. It is comprised roughly by providing a mechanism.
[周期格子微細構造体への金属薄膜層付与]
本発明の周期格子微細構造体は、その構造面に真空蒸着法、スパッタリング法、無電解めっき法などの方法によって金属薄膜層を付与することによって、視野角制限機能を高めることが可能である。これは、微細構造体の表面を金属薄膜層でコーティングすることによって、外部から微細構造体表面に入射した光の反射量が増え、得られる回折光の強度が上がることを利用したものである。具体的には、金属の種類にもよるが、おおよそ20〜30nm以下、好ましくは2〜20nm、より好ましくは5〜10nmの厚さで金属薄膜層を形成することが重要である。本発明の視野角制限構造は、覗き見防止の目的を想定しているため、ディスプレイやショーウィンドーなどの正面に位置する人には表示内容が見えて、正面以外(斜め後方や横)に位置する人には見えないことが求められる。(ここで「正面」の定義はディスプレイやショーウィンドーなどの基板と垂直方向を0°としたときに±5°とする。)したがって、視野角制限構造は正面に対して透明性を維持しなくてはならないので、金属薄膜層の厚さが20〜30nmより大きいと不透明性が増大して視認性を下げるため好ましくない。ディスプレイなどの表示窓の場合、それ自体の発光輝度が高いときは、金属薄膜層の厚さをある程度大きくしても視認性を維持することが出来る。このような場合は、約50nmの厚さまで金属蒸着層を付与することが可能である。
[Addition of metal thin film layer to periodic grating microstructures]
The periodic grating fine structure of the present invention can enhance the viewing angle limiting function by applying a metal thin film layer to the structure surface by a method such as vacuum deposition, sputtering, or electroless plating. This utilizes the fact that by coating the surface of the fine structure with a metal thin film layer, the amount of reflection of light incident on the fine structure surface from the outside increases and the intensity of the diffracted light obtained increases. Specifically, depending on the type of metal, it is important to form the metal thin film layer with a thickness of about 20 to 30 nm or less, preferably 2 to 20 nm, more preferably 5 to 10 nm. Since the viewing angle limiting structure of the present invention assumes the purpose of preventing peeping, the display content can be seen by people located in front of a display or a show window, etc. It is required to be invisible to the person who is located. (Here, the definition of “front” is ± 5 ° when the vertical direction to the substrate such as a display or a show window is 0 °.) Therefore, the viewing angle limiting structure maintains transparency with respect to the front. Therefore, if the thickness of the metal thin film layer is larger than 20 to 30 nm, the opacity increases and the visibility is lowered. In the case of a display window such as a display, when the emission luminance of the display window itself is high, the visibility can be maintained even if the thickness of the metal thin film layer is increased to some extent. In such a case, it is possible to apply a metal vapor deposition layer to a thickness of about 50 nm.
以上説明したように、上述の単粒子膜エッチングマスクは、単粒子膜を構成する各粒子が2次元に最密充填し、高精度に配列したものであるので、これを使用することによって、高精度な周期格子構造や、同構造の形状転写用モールドの原版となる微細構造体を製造することができる。特にナノインプリントまたは射出成型用モールドの原版を製造した場合には、これを用いてナノインプリントまたは射出成型用モールドを製造し、これを備えたナノインプリントまたは射出成型装置を使用することによって、視野角制限構造のナノインプリントまたは射出成型物を再現性よく大量生産でき、工業的にも好適である。
As described above, since the above-described single particle film etching mask is one in which the particles constituting the single particle film are two-dimensionally closely packed and arranged with high precision, It is possible to manufacture an accurate periodic grating structure and a fine structure that is a master of a shape transfer mold having the same structure. In particular, when a master plate for a nanoimprint or injection mold is manufactured, a nanoimprint or injection mold is manufactured using the master and a nanoimprint or injection molding apparatus including the mold is used. Nanoimprints or injection-molded products can be mass-produced with good reproducibility, which is industrially suitable.
[実施例1]
平均粒径Aが375.7nmで、粒径の変動係数が4.2%である球形コロイダルシリカの5.0質量%水分散体(分散液)を用意した。なお、平均粒径および粒径の変動係数は、粒子動的光散乱法により求めた粒度分布をガウス曲線にフィッティングさせて得られるピークから求めた。
ついで、この分散液を孔径1.2μmφのメンブランフィルターでろ過し、メンブランフィルターを通過した分散液に濃度1.0質量%のフェニルトリエトキシシランの加水分解物水溶液を加え、約40℃で3時間反応させた。この際、フェニルトリエトキシシランの質量がコロイダルシリカ粒子の質量の0.02倍となるように分散液と加水分解水溶液とを混合した。
ついで、反応終了後の分散液に、この分散液の体積の4倍の体積のメチルエチルケトンを加えて十分に攪拌して、疎水化されたコロイダルシリカを油相抽出した。
[Example 1]
A 5.0% by mass aqueous dispersion (dispersion) of spherical colloidal silica having an average particle size A of 375.7 nm and a particle size variation coefficient of 4.2% was prepared. The average particle diameter and the coefficient of variation of the particle diameter were determined from peaks obtained by fitting the particle size distribution obtained by the particle dynamic light scattering method to a Gaussian curve.
Next, this dispersion was filtered through a membrane filter having a pore size of 1.2 μmφ, and an aqueous solution of a hydrolyzate of phenyltriethoxysilane having a concentration of 1.0 mass% was added to the dispersion that passed through the membrane filter, and the mixture was heated at about 40 ° C. for 3 hours. Reacted. At this time, the dispersion and the aqueous hydrolysis solution were mixed so that the mass of phenyltriethoxysilane was 0.02 times the mass of the colloidal silica particles.
Next, methyl ethyl ketone having a
こうして得られた疎水化コロイダルシリカ分散液を、単粒子膜の表面圧を計測する表面圧力センサーと、単粒子膜を液面に沿う方向に圧縮する可動バリアとを備えた水槽(LBトラフ装置)中の液面(下層水として水を使用、水温25℃)に滴下速度0.01ml/秒で滴下した。なお、水槽の下層水には、あらかじめ基板として4インチ合成石英基板(厚さ:525μm)を略鉛直方向に浸漬しておいた。
その後、超音波(出力300W、周波数950kHz)を下層水中から水面に向けて10分間照射して粒子が2次元的に最密充填するのを促しつつ、分散液の溶剤であるメチルエチルケトンを揮発させ、単粒子膜を形成させた。
ついで、この単粒子膜を可動バリアにより拡散圧が25mNm−1になるまで圧縮し、4インチ合成石英基板を2mm/分の速度で引き上げ、基板の片面上に移し取った。
ついで、単粒子膜が形成された合成石英基板上にバインダーとして1質量%モノメチルトリメトキシシランの加水分解液を浸透させ、その後、加水分解液の余剰分をスピンコーター(3000Cm)で1分間処理して除去した。その後、これを100℃で10分間加熱してバインダーを反応させ、コロイダルシリカからなる単粒子膜エッチングマスク付きの合成石英基板を得た。
Water tank (LB trough device) provided with a hydrophobized colloidal silica dispersion thus obtained, a surface pressure sensor for measuring the surface pressure of the single particle film, and a movable barrier for compressing the single particle film in the direction along the liquid surface The solution was dropped at a drop rate of 0.01 ml / second onto the liquid surface (water used as the lower layer water, water temperature 25 ° C.). In addition, a 4-inch synthetic quartz substrate (thickness: 525 μm) was immersed in a substantially vertical direction in advance in the lower layer water of the water tank.
Then, while irradiating ultrasonic waves (output 300W, frequency 950kHz) from the lower layer water toward the water surface for 10 minutes to promote the two-dimensional closest packing of particles, volatilize methyl ethyl ketone as a solvent of the dispersion, A single particle film was formed.
Next, this single particle film was compressed by a movable barrier until the diffusion pressure became 25 mNm −1 , and a 4-inch synthetic quartz substrate was pulled up at a speed of 2 mm / min and transferred onto one side of the substrate.
Next, a 1% by mass monomethyltrimethoxysilane hydrolyzate as a binder is infiltrated onto the synthetic quartz substrate on which the single particle film is formed, and then the excess of the hydrolyzate is treated with a spin coater (3000 Cm) for 1 minute. Removed. Then, this was heated at 100 degreeC for 10 minute (s), the binder was made to react, and the synthetic quartz board | substrate with a single particle film etching mask which consists of colloidal silica was obtained.
一方、この単粒子膜エッチングマスクについて、15μm×15μmの領域を無作為に1カ所選択して、その部分の原子間力顕微鏡イメージを得て、ついで、このイメージをフーリエ変換により波形分離したFFT像を得た。ついで、FFT像の赤道方向プロファイルを得て、これにおける0次ピークから1次ピークまでの距離を求め、さらにその逆数を求めた。この逆数がこの領域における粒子間の平均ピッチB1である。
このような処理を合計25カ所の15μm×15μmの領域について同様に行い、各領域における平均ピッチB1〜B25を求め、これらの平均値を算出し、式(1)における平均ピッチBとした。なお、この際、隣り合う各領域同士が5mm〜1cm程度離れるように各領域を設定した。
算出された平均ピッチBは、表1に示すように、378.2nmであった。
そこで、粒子の平均粒径A=375.7nmと、平均ピッチB=378.2nmとを式(1)に代入したところ、この例の単粒子膜エッチングマスクにおける粒子の配列のずれDは表1に示すように0.67%であった。
On the other hand, with respect to this single particle film etching mask, an area of 15 μm × 15 μm was randomly selected to obtain an atomic force microscope image of that portion, and then the FFT image obtained by separating the waveform by Fourier transform. Got. Next, an equatorial profile of the FFT image was obtained, the distance from the 0th order peak to the 1st order peak was obtained, and the reciprocal thereof was further obtained. The inverse is the average pitch B 1 between the particles in this region.
Such processing is similarly performed for a total of 25 15 μm × 15 μm regions, and average pitches B 1 to B 25 in each region are obtained, and an average value thereof is calculated as the average pitch B in the formula (1). . At this time, each region was set so that adjacent regions were separated from each other by about 5 mm to 1 cm.
As shown in Table 1, the calculated average pitch B was 378.2 nm.
Therefore, when the average particle diameter A = 375.7 nm and the average pitch B = 378.2 nm are substituted into the equation (1), the deviation D of the particle arrangement in the single particle film etching mask of this example is shown in Table 1. As shown in the figure, it was 0.67%.
ついで、単粒子膜エッチングマスク付き基板に対して、CF4=100%のエッチングガスにより気相エッチングを行った。エッチング条件は、アンテナパワー1500W、バイアスパワー50〜300W、ガス流量30〜50sccmとした。 Next, vapor phase etching was performed on the substrate with the single particle film etching mask with an etching gas of CF 4 = 100%. Etching conditions were an antenna power of 1500 W, a bias power of 50 to 300 W, and a gas flow rate of 30 to 50 sccm.
こうして得られた微細構造体は、図3(C)に模式的に示すような縦断面形状を備えていた。原子間力顕微鏡イメージから実測した周期格子微細突起の平均高さdは93.1nmで、単粒子膜エッチングマスクについて実施した方法と同じ方法で求めた周期格子微細突起の配列の平均ピッチC(円形底面の平均直径d)は378.1nmで、これらから算出されるアスペクト比は0.246であった。
なお、周期格子微細突起の平均高さdは次のように求めた。まず、微細構造体において無作為に選択された3μm×3μmの領域1カ所について原子間力顕微鏡イメージを得て、ついで、周期格子微細突起の頂点を複数通過するプロファイルを作製した。そして、そこに現れた凹凸の平均値を求めた。このような処理を無作為に選択された合計25カ所の3μm×3μmの領域について同様に行い、各領域における平均値を求めた。こうして得られた25カ所の領域における平均値をさらに平均したものを平均高さdとした。各線上には、7〜8個の突起が含まれる。
そして、この微細構造体に対して、式(2)による円錐状微細突起の配列のずれD'を求めたところ、0.64%であった。
The fine structure thus obtained had a vertical cross-sectional shape as schematically shown in FIG. The average height d of the periodic grating fine protrusions actually measured from the atomic force microscope image is 93.1 nm, and the average pitch C (circularity) of the arrangement of the periodic grating fine protrusions obtained by the same method as that performed for the single particle film etching mask. The average diameter d) of the bottom surface was 378.1 nm, and the aspect ratio calculated from these was 0.246.
The average height d of the periodic grating fine protrusions was determined as follows. First, an atomic force microscope image was obtained for one region of 3 μm × 3 μm randomly selected in the microstructure, and then a profile that passed through a plurality of vertices of periodic grating fine protrusions was produced. And the average value of the unevenness which appeared there was calculated | required. Such treatment was similarly performed on a total of 25 3 μm × 3 μm regions selected at random, and an average value in each region was obtained. The average height d was obtained by further averaging the average values in the 25 regions thus obtained. On each line, 7-8 protrusions are included.
Then, the displacement D ′ of the arrangement of the conical fine protrusions according to the expression (2) was determined for this fine structure, and it was 0.64%.
得られた微細構造体をナノインプリント用モールドの原版とし、円錐状微細突起が形成された表面に対して、Ni無電解めっきを行い、厚さ約50nmのNi層を形成し、次いで電極治具を取り付けて9.0〜10.5A/m3の電流密度において電解Niめっき(スルファミン酸ニッケル浴使用)を行った。最終的なNi層の厚さは約300μmになるように調節した。めっき後、微細構造体からNi層をゆるやかに剥離し、Niからなるナノインプリント用モールドを得た。 The obtained microstructure is used as a master of a nanoimprint mold, Ni electroless plating is performed on the surface on which conical microprojections are formed, a Ni layer having a thickness of about 50 nm is formed, and then an electrode jig is formed. After mounting, electrolytic Ni plating (using nickel sulfamate bath) was performed at a current density of 9.0 to 10.5 A / m 3 . The final Ni layer thickness was adjusted to about 300 μm. After plating, the Ni layer was gently peeled from the microstructure to obtain a nanoimprint mold made of Ni.
作成したナノインプリント用モールドを30mm×30mmに切断したのち、構造面が露出するようにして同サイズのステンレス板(両面鏡面研磨)に貼り付け、紫外線硬化樹脂(CAK-01CL、東洋合成製)に対して2.4MPaの圧力で押圧しつつ2.0Jの露光を行った。しかるのち緩やかに樹脂とモールドを剥離して、厚さ約1.0mmのナノインプリント品を取り出した。このナノインプリント品の構造面と反対側の面は、平坦である。 After cutting the prepared mold for nanoimprint to 30mm x 30mm, it is attached to the same size stainless steel plate (double-sided mirror polishing) so that the structural surface is exposed, and for UV curable resin (CAK-01CL, manufactured by Toyo Gosei) Then, exposure at 2.0 J was performed while pressing at a pressure of 2.4 MPa. Thereafter, the resin and the mold were gently peeled, and a nanoimprint product having a thickness of about 1.0 mm was taken out. The surface opposite to the structure surface of the nanoimprint product is flat.
得られたナノインプリント品の構造面に対して、真空蒸着機(ULVAC製EX−400)でアルミニウムの薄膜層を真空度1.0〜5.0×10−6Torr、蒸着レート2.0〜3.0Å/secにて約100Å(10nm)付与した。 With respect to the structure surface of the obtained nanoimprint product, an aluminum thin film layer was applied to a vacuum degree of 1.0 to 5.0 × 10 −6 Torr and a deposition rate of 2.0 to 3 using a vacuum deposition machine (EX-400 manufactured by ULVAC). About 100 kg (10 nm) was applied at 0.0 kg / sec.
金属薄膜層を蒸着したナノインプリント品に対し、光束0.5mmのキセノン光源からの白色光を入射角度0°±90°で入射し、各入射角度に対して得られる回折光の角度を0°±90°の範囲で測定した。なお、回折光は450〜750nmの範囲で50nm刻みのスペクトルについて測定した。測定には株式会社ジェネシア製、散乱・光源測定器GENESIA/GONIOおよびオーシャンオプティクス社製USB−2000分光計を使用した。測定結果を図6に示す(図中の線は下側から450→750の順に並んでいる)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。 White light from a xenon light source with a luminous flux of 0.5 mm is incident on a nanoimprint product on which a metal thin film layer is deposited at an incident angle of 0 ° ± 90 °. The angle of diffracted light obtained for each incident angle is 0 ° ± Measurements were made in the range of 90 °. The diffracted light was measured for a spectrum in increments of 50 nm in the range of 450 to 750 nm. For the measurement, a scattering / light source measuring device GENESISA / GONIO manufactured by Genesia Co., Ltd. and a USB-2000 spectrometer manufactured by Ocean Optics were used. The measurement results are shown in FIG. 6 (lines in the figure are arranged in the order of 450 → 750 from the bottom). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
[実施例2]
超音波(出力300W、周波数950kHz)を下層水中から水面に向けて照射して粒子が2次元的に最密充填するのを促進する操作を行わない点以外は、実施例1と全く同じ操作で同じ平均粒径A=375.7nmの粒子を用い、LB法による単粒子層マスクおよびドライエッチング法による周期格子微細構造体を製造し、つづいてNi電鋳モールドによりナノインプリント用モールドを作成し、これを用いてナノインプリント品を作成した。この操作における粒子マスクの平均ピッチB=413.9nm、周期格子微細構造の配列の平均ピッチC=414.3nmで、それぞれの配列のずれD=10.2%、D'=10.3%であった。また、周期格子構造の高さは114.6nmであった。つぎに実施例1と同様にして、この微細構造体に金属薄膜層を約100Å(10nm)付与した後、各入射角度の白色光線の回折角を測定した結果を図7に示す(図中の線は下側から450→750の順に並んでいる)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。
[Example 2]
Except that the ultrasonic wave (output 300W, frequency 950kHz) is irradiated from the lower layer water to the water surface and the operation for promoting the two-dimensional closest packing of the particles is not performed, the same operation as in Example 1 is performed. A single particle layer mask by LB method and a periodic grating fine structure by dry etching method are manufactured using particles having the same average particle diameter A = 375.7 nm, and then a nano-imprint mold is prepared by Ni electroforming mold. A nanoimprint product was created using In this operation, the average pitch B of the particle mask is 413.9 nm, the average pitch C of the arrangement of the periodic grating microstructures is 414.3 nm, and the deviation of each arrangement is D = 10.2% and D ′ = 10.3%. there were. The height of the periodic grating structure was 114.6 nm. Next, in the same manner as in Example 1, after applying a metal thin film layer of about 100 mm (10 nm) to this microstructure, the result of measuring the diffraction angle of white light rays at each incident angle is shown in FIG. Lines are arranged in the order of 450 → 750 from the bottom). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
[実施例3]
粒子マスクに平均粒径Aが262.8nmで、粒径の変動係数が6.7%の球形コロイダルシリカを用いる以外は実施例1と全く同じ操作で周期格子微細構造体のナノインプリント原版を製造し、つづいてNi電鋳モールド、およびそのナノインプリント品を作成した。この操作における粒子マスクの平均ピッチB=266.9nm、周期格子微細構造の配列の平均ピッチC=266.7nmで、それぞれの配列のずれD=1.56%、D'=1.48%であった。また、周期格子構造の高さは64.1nmであった。実施例1と同様にして、この微細構造体に金属薄膜層を約100Å(10nm)付与した後、各入射角度の白色光線の回折角を測定した結果を図8に示す(図中の線は450、500を示す)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。
[Example 3]
A nanoimprint master plate with a periodic lattice microstructure was manufactured in exactly the same manner as in Example 1 except that spherical colloidal silica having an average particle size A of 262.8 nm and a particle size variation coefficient of 6.7% was used for the particle mask. Subsequently, a Ni electroforming mold and its nanoimprint product were prepared. In this operation, the average pitch B of the particle mask is 266.9 nm, the average pitch C of the arrangement of the periodic grating fine structures is 266.7 nm, and the deviation D of each arrangement is 1.56% and D ′ = 1.48%. there were. The height of the periodic grating structure was 64.1 nm. In the same manner as in Example 1, after applying a metal thin film layer of about 100 mm (10 nm) to this microstructure, the result of measuring the diffraction angle of white light rays at each incident angle is shown in FIG. 450, 500 are shown). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
[比較例1]
粒子マスクに平均粒径Aが159.0nmで、粒径の変動係数が7.4%の球形コロイダルシリカを用いる以外は実施例1と全く同じ操作で周期格子微細構造体のナノインプリント原版を製造し、つづいてNi電鋳モールド、およびそのナノインプリント品を作成した。この操作における粒子マスクの平均ピッチB=163.4nm、周期格子微細構造の配列の平均ピッチC=164.2nmで、それぞれの配列のずれD=2.77%、D'=3.27%であった。また、周期格子構造の高さは49.3nmであった。実施例1と同様にして、この微細構造体に金属薄膜層を約100Å(10nm)付与した後、各入射角度の白色光線の回折角を測定した結果を図9に示す(図中の線はない)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。
[Comparative Example 1]
A nanoimprint master plate with a periodic lattice microstructure was manufactured in exactly the same manner as in Example 1 except that spherical colloidal silica having an average particle size A of 159.0 nm and a particle size variation coefficient of 7.4% was used as the particle mask. Subsequently, a Ni electroforming mold and its nanoimprint product were prepared. In this operation, the average pitch B of the particle mask is 163.4 nm, the average pitch C of the arrangement of the periodic grating fine structures is 164.2 nm, and the deviations D of each arrangement are 2.77% and D ′ = 3.27%. there were. The height of the periodic grating structure was 49.3 nm. In the same manner as in Example 1, after applying a metal thin film layer of about 100 mm (10 nm) to this microstructure, the result of measuring the diffraction angle of white light rays at each incident angle is shown in FIG. Absent). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
[比較例2]
粒子マスクに平均粒径Aが680.2nmで、粒径の変動係数が8.9%の球形コロイダルシリカを用いる以外は実施例1と全く同じ操作で周期格子微細構造体のナノインプリント原版を製造し、つづいてNi電鋳モールド、およびそのナノインプリント品を作成した。この操作における粒子マスクの平均ピッチB=692.8nm、周期格子微細構造の配列の平均ピッチC=692.7nmで、それぞれの配列のずれD=1.85%、D'=1.84%であった。また、周期格子構造の高さは194.5nmであった。実施例1と同様にして、この微細構造体に金属薄膜層を約100Å(10nm)付与した後、各入射角度の白色光線の回折角を測定した結果を図10に示す(図中の線は下側から450→750の順に並んでいる)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。
[Comparative Example 2]
A nanoimprint master plate of a periodic lattice microstructure was manufactured in exactly the same manner as in Example 1 except that spherical colloidal silica having an average particle diameter A of 680.2 nm and a coefficient of variation of particle diameter of 8.9% was used for the particle mask. Subsequently, a Ni electroforming mold and its nanoimprint product were prepared. In this operation, the average pitch B of the particle mask is 692.8 nm, the average pitch C of the array of the periodic grating microstructures is 692.7 nm, and the deviations D of each array are 1.85% and D ′ = 1.84%. there were. The height of the periodic grating structure was 194.5 nm. In the same manner as in Example 1, after applying a metal thin film layer of about 100 mm (10 nm) to this microstructure, the result of measuring the diffraction angle of white light rays at each incident angle is shown in FIG. They are arranged in the order of 450 → 750 from the bottom). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
[比較例3]
粒子マスクに平均粒径が375.7nmで、粒径の変動係数が4.2%の球形コロイダルシリカを用いる以外は実施例1と全く同じ操作で周期格子微細構造体のナノインプリント原版を製造し、つづいてNi電鋳モールド、およびそのナノインプリント品を作成した。この操作における粒子マスクの平均ピッチB=380.1nm、周期格子微細構造の配列の平均ピッチC=379.9nmで、それぞれの配列のずれD=1.17%、D'=1.12%であった。また、周期格子構造の高さは751.8nmであった。実施例1と同様にして、この微細構造体に金属薄膜層を約100Å(10nm)付与した後、各入射角度の白色光線の回折角を測定した結果を図11に示す(図中の線は下側から450→700の順に並んでいる)。また正面(0°±5°)方向の目視による視認性の可否を評価した結果を表1に示す。
[Comparative Example 3]
A nanoimprint master plate of a periodic lattice microstructure is manufactured in exactly the same manner as in Example 1 except that spherical colloidal silica having an average particle size of 375.7 nm and a particle size variation coefficient of 4.2% is used for the particle mask. Subsequently, a Ni electroforming mold and a nanoimprinted product thereof were prepared. In this operation, the average pitch B of the particle mask is 380.1 nm, the average pitch C of the arrangement of the periodic grating fine structures is 379.9 nm, and the deviation of each arrangement is D = 1.17% and D ′ = 1.12%. there were. The height of the periodic grating structure was 751.8 nm. In the same manner as in Example 1, after applying a metal thin film layer of about 100 mm (10 nm) to this microstructure, the result of measuring the diffraction angle of white light rays at each incident angle is shown in FIG. They are arranged in the order of 450 → 700 from the bottom). In addition, Table 1 shows the results of evaluating the visibility by visual observation in the front (0 ° ± 5 °) direction.
Claims (5)
周期格子構造X:凹凸の最頻ピッチCが225〜415nm、かつ最頻高さdが10〜250nmであり、前記最頻ピッチCに対する最頻高さdの比が1.0以下である2次元周期格子構造体。 A two-dimensional image having a viewing angle control function, wherein a single particle film etching mask is disposed on at least one surface of a substrate, and a periodic grating structure X satisfying the following condition is provided by dry etching using the mask. Periodic grating structure.
Periodic grating structure X: the mode pitch C of irregularities is 225 to 415 nm, the mode height d is 10 to 250 nm, and the ratio of the mode height d to the mode pitch C is 1.0 or less 2 Dimensional periodic lattice structure.
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