JP2009512576A - ナノインプリントリソグラフィーにより作製される階層ナノパターン - Google Patents

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Abstract

ナノインプリンティングにより物品上に階層パターンを形成する方法を開示する。本方法は、第1の成形型を用いて第1の温度および第1の圧力で物品上に一次パターンを形成することと(ただし、第1の温度および第1の圧力は、物品の弾性率を減少させることが可能である)、第2の成形型を用いて物品のガラス転移温度未満の第2の温度で一次パターン上に二次パターンを形成することと(ただし、二次パターンの形成は、第2の圧力で行われる)、を含む。
【選択図】 図1

Description

本発明は、ナノインプリンティングによる階層パターンの形成方法に関し、排他的というわけではないが特定的には、秩序化三次元(3D)階層構造の形成方法に関する。
マイクロエレクトロメカニカルシステムおよびナノエレクトロメカニカルシステム、マイクロ流体デバイス、マイクロ光学素子またはナノ光学素子、生物学者向けツールセット(デオキシリボース核酸アレイ用マイクロ流体チップ)、ならびに医術(顕微手術ツール)の技術の進歩に伴って、サブマイクロメートルスケールの階層構造または三次元構造の開発がますます重要になっている。
階層構造は、ハスの葉の極めて大きい表面疎水性、アメンボの足の優れた撥水性、およびサメの皮膚の低減された水抵抗のような自然界に見られるいくらかのユニークな性質に関与する。人工的な適用としては、抗力を減少させるために階層表面トポロジーをもたせて航空機にプラスチックコーティングを適用することが挙げられる。
現在利用可能な製造技術としては、マイクロステレオリソグラフィー、ディープ反応性イオンエッチングとバルクマイクロマシニングとの組合せプロセス、傾斜ディープX線リソグラフィー、および傾斜紫外リソグラフィーが挙げられる。いずれも、三次元のマイクロ構造およびナノ構造が得られることが実証された。しかしながら、階層構造の製造は可能になっていない。報告されたほとんどの階層構造は、自己集合法から得られたものであった。しかしながら、そのような構造の正確性およびその長距離秩序は不十分である。また、これらの技術はスループットが低い。
Chou et.al Stephen Y. Chou, Peter R. Krauss, Preston J. Renstrom, Appl. Phys. Lett 67(1995) 3114の発表以来、ナノインプリントリソグラフィー(「NIL」)は、二次元ナノ構造を作製するための魅力的な技術として認識されるようになっている。ナノインプリントリソグラフィーの主要な加工原理は、ポリマーの粘弾性に基づく。この方法では、ポリマー膜は、そのガラス転移温度(T)超に加熱される。その時、ポリマーは、流動して硬質成形型のトポロジーを獲得するであろう。ガラス状態になるまでポリマーを冷却させた時、パターンが固定される。したがって、パターンの解像度は、主に硬質成形型によって決まる。
第1の好ましい態様によれば、ナノインプリンティングにより物品上に階層パターンを形成する方法が提供される。この方法は、
(a)第1の成形型を用いて第1の温度および第1の圧力で物品上に一次パターンを形成することと、ただし、第1の温度および第1の圧力は、物品の弾性率を減少させることが可能である、
(b)第2の成形型を用いて物品のガラス転移温度未満の第2の温度で一次パターン上に二次パターンを形成することと、ただし、二次パターンの形成は、第2の圧力で行われる、
を含む。
第1の温度および第1の圧力は、物品の溶融粘度を減少させることも可能である。第1の温度は、好ましくは、物品のガラス転移温度超である。物品は、ポリマー膜でありうる。また、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、およびヒドロキシル側基を有するポリイミドのうちの1つ以上でありうる。ポリマー膜は、炭酸カルシウム、カーボン充填材、ガラス充填材、繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、およびカーボンナノチューブから選択される粒子で強化されたポリマー複合材でありうる。ポリマー膜は、基板上に存在しうる。
二次パターンは、一次パターンに対して角度をなして形成可能であり、角度は、0°〜90°の範囲内である。
物品からの引離しを容易にするために、第1の成形型および第2の成形型のうちの少なくとも一方を低表面エネルギーコーティングで処理することが可能である。コーティングはペルフルオロデシルトリクロロシランでありうる。
第1の成形型は、物品上に第1のグレーティング構造を形成するための第1のグレーティングを有しうる。また、第2の成形型は、第1のグレーティング構造上に第2のグレーティング構造を形成するための第2のグレーティングを有しうる。第1のグレーティングを第2のグレーティングよりも大きくすることが可能である。他の選択肢として、第1のグレーティングを第2のグレーティングよりも小さくすることが可能であるかまたはそれと同一にすることが可能である。第1のグレーティング構造は、物品上に突起および溝を有しうる。第2のグレーティングは、突起上および溝内に形成可能である。第1のグレーティングは2マイクロメートルでありうる。また、第2のグレーティングは250ナノメートルでありうる。第1のグレーティングおよび第2のグレーティングは、異なるジオメトリーを有しうる。
好ましくは、第1の温度は120℃〜200℃の範囲内であり、二次温度は60℃〜200℃の範囲内であり、一次圧力は40bar〜50barの範囲内であり、そして二次圧力は10bar〜50barの範囲内である。
より好ましくは、残留溶媒は物品から除去される。ヒドロキシル側基を有するポリイミドは多孔性膜でありうる。
さらなる好ましい態様によれば、以上の方法により製造される製品が包含される。
次に、本発明を十分に理解し実用的効果を発揮しうるようにすべく、限定のためではなく単なる例として本発明の好ましい実施形態について説明する。説明は、添付の説明図を参照しながら行う。
好ましい実施形態の詳細な説明
階層ナノ構造の作製プロセスを図1に模式的に示す。最初に、突起11と溝13とを備えた第1のグレーティング14を有する第1の成形型10をポリマー膜12(自立性であるかまたは基板15上に担持される)にプレスする。これは、好ましくは、ポリマー膜12のガラス転移温度T超の温度で行われる。使用圧力は事前に決定される。圧力と温度との組合せは、膜12の弾性率を減少させるのに十分なものでなければならない。好ましくは、温度および圧力は、膜12の弾性率および弾性粘度を減少させるのに十分なものである。離型すると、突起17と溝19とよりなる一次パターン16がポリマー膜12中に形成される。次の工程で、第2のグレーティング20を有する第2の成形型18を使用する。第2のグレーティング20は、第1のグレーティング14と異なっていてもよいし、第1のグレーティング14と同一であってもよい。次に、第2の成形型18をポリマー膜12に対して所定の向きでアライメントして、T未満、好ましくはTよりも十分に低い温度でプレパターン化ポリマー膜12をプレスすることにより、一次パターン16を破壊することなくその上に二次パターンを形成する。同様に、三次パターンまたはより高次のパターンを順次作製することが可能である。第2のグレーティング20は、より多数の密に充填されたスパイク22であってもよい。所要もしくは所望により、第1のグレーティング14および第2のグレーティング20は、異なるジオメトリーであってよい。また、それらは、異なるサイズであってもよいし、同一であってもよい。
以上のプロセス時、二次インプリントまたはより高次のインプリントにおけるT超のインプリンティング温度の使用は、一次パターンが後続のインプリント中に破壊されないことを保証するものでなければならない。
2つのインプリンティング工程間でのアライメントを変化させたり後続のインプリンティングに対するインプリンティング条件を制御したりすることにより、さまざまな精巧な階層パターンを得ることが可能である。一次パターン16の変形が最小限に抑えられるように、インプリンティング手段を最適化することが可能である。二次インプリンティングおよび後続のインプリンティングに対するインプリンティング温度は、ポリマー12のT未満の温度でなければならない。後続のインプリンティングの圧力および持続時間もまた、得られる階層構造の最終特徴に有意な影響を及ぼす。
好適なポリマー膜12としては、たとえば、ポリカーボネート(PC)、ポリメチルメタクリレート(「PMMA」)、およびヒドロキシル側基(HPI)を有する合成ポリイミドのようなさまざまなポリマーの膜が挙げられる。それらのTは、それぞれ、150℃、105℃、および415℃である。ポリマー膜12はまた、たとえば、炭酸カルシウム、カーボン充填材、ガラス充填材、繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、およびカーボンナノチューブのような粒子で強化されたポリマー複合材であってもよい。
実施例1
この実施例では、T=150℃のポリカーボネート(「PC」)の自立性膜上への一連の階層的インプリンティングについて記述する。最初に、2μmグレーティング14付き成形型10を用いて、一次パターンを膜上にインプリントする。ただし、グレーティング14は、SiO中に存在し酸素プラズマで処理されたものである。180°かつ40barでインプリンティングを5分間行い、膜12上に2μmグレーティング構造16を形成する。続いて、同様に酸素プラズマで処理されたSiO中の250nmグレーティング10付き成形型18を用いて、二次インプリントを行う。第1の成形型10は、第2の成形型18のグレーティング18よりも大きいグレーティング14を有する。
階層構造は、インプリンティング手段と、二次インプリント時および後続のインプリント時の成形型18のアライメントと、に強く依存する。二次インプリントを100℃(Tよりも50℃低い)かつ49barで行った場合、250nmグレーティング構造が一次グレーティング構造全体にわたり形成される。すなわち、突起17および溝19の両方がインプリントされる。得られた構造を図2Aに示す。この実施例では、二次インプリントは、一次パターンに対して垂直(すなわち90°)のアライメントで行われる。45°または平行(すなわち0°)のアライメントを利用した場合、同一のインプリンティング温度および圧力で、異なる階層ナノ構造が得られる(それぞれ図2Bおよび2C)。
二次インプリンティング温度を80℃に低下させることにより40barの圧力では、一次パターンの突起中に250nmインプリントが形成されるが(図2D)。80℃かつ10barでは、ごくわずかなインプリントが溝底に観測されるにすぎない(図2E)。さらにインプリンティング温度を70℃(Tの50%未満)にかつ圧力を10barに低下させると、実質的にまったくインプリントが溝底に観測されない(図2F)。これらは、あらかじめインプリントされたポリマー上でのみ機能した。フラット膜上で使用した場合、インプリンティングは行われなかった。
二次インプリントは、グレーティング構造16全体にわたり一次インプリントに割り込み、加えられた圧力に起因していくらか突起17の平坦化を招く可能性があるが、これにより階層構造が損なわれることはない。
以上の説明からわかるように、ナノインプリンティングは、100℃〜70℃(ポリマーのTよりも50℃〜80℃低い)程度の低い温度でプレパターン化PC膜中で行われる。一次インプリンティング後にポリマーがより軟質になるので、ナノインプリンティングが行われる。ポリマーの弾性率がより低いので、ポリマーがより軟質になる。また、ポリマーの溶融粘度がより低い可能性もある。
実施例2
基板により支持された薄膜上で階層的ナノインプリンティングを行う。この実施例では、インプリンティング後の膜からの引離しを容易にするために、成形型10、18の一方または両方を低表面エネルギーのペルフルオロデシルトリクロロシラン(「FDTS」)で処理する。シラン処理によりパターニングの歩留りをより高くすることが可能であり、そのような処理をしなければ、ポリマー膜は、離型中に成形型10、18に接着する可能性がある。
プラズマ処理を行うことなく、ヘプタン中またはイソプロパノール中で超音波処理された裸のシリコンウェーハ上にテトラヒドロフラン(THF)中の5重量%PC溶液をスピンコーティングし、次に、アセトンで濯ぎ、そして圧縮窒素を吹き付けて乾燥させる。スピニングを6000rpmで30秒間行って約400nmの厚さを有する膜を得る。次に、膜を空気中80℃で5分間ベーキングして残留溶媒をすべて除去する。次に、成形型10(OプラズマおよびFDTSで処理されたもの)を用いて160℃40barで膜を2分間インプリントし、次に、引き離す。続いて、成形型18(OプラズマおよびFDTSで処理されたもの)を平行パターンでアライメントし、80℃かつ15barで30秒間プレスする。そのように行うことにより、溝底は元のままの状態で、2ミクロングレーティングの突起を250nmグレーティングにより長手方向に「スライス」する(図3−A)。得られた構造を成形型18(二次パターンに垂直にアライメントされたもの)によりさらにインプリントした場合、三次パターンが得られ、2ミクロングレーティングの突起上にナノ正方形が形成される(図3−B)。
2工程および3工程のシーケンスのいずれにおいても、80℃かつ15barで250nmの二次および三次のグレーティングが形成される。
実施例3
この実施例では、厚さ400nmのポリメチルメタクリレート(PMMA、T=105℃)の膜を階層的にインプリントする。使用される溶媒がトルエンであるという点を除いて実施例1および2のPCのときと同一の方法で膜を調製する。インプリンティングは、第1の工程(FDTSで処理された成形型10を用いる)の場合、120℃、40bar、120秒間よりなり、第2の工程(FDTSで処理された成形型18を前のグレーティングに垂直または平行にアライメントして用いる)の場合、60℃〜70℃、40bar、120秒間よりなる。形成された異なるパターンのSEM画像が図4に示されている。この図は、2ミクロンの突起上の良好な解像度を有する二次の250nmグレーティングを示している。
この実施形態をさらに明確にするために、AFMライン走査を用いて二次インプリントの深さを測定した。この際、Si基板上に支持されたスピンコートPMMA膜を使用した。図5は、インプリント深さがインプリンティング温度により制御されることを示している。図5に見られるように、二次インプリンティング温度は、90℃〜50℃であり、インプリント深さは、深さ250nmのグレーティング成形型を基にして約200nmから80nmまで変化する。温度範囲は、PMMA膜のT未満である。これらの温度では、インプリンティングは、フラットPMMA膜上またはスピンコートPMMA膜上で行われない可能性がある。
多孔性材料を使用した場合にも、階層的インプリンティングを達成することが可能である。合成HPI(ヒドロキシル側基を有するポリイミド)によりこのことを実証する。THF中の2.5%(重量基準)HPI溶液をSi基板上に5500rpmで30秒間スピンコーティングして厚さ約250nmの多孔性膜を得る。残留溶媒を除去するためにベーキングした後、いずれもFDTSで処理された成形型10を用いて2回の連続したインプリントを膜に施す。2回のインプリントを200℃50barで120秒間または300秒間行った場合、平行四辺形、菱形、および正方形の特徴部が得られる。SEM画像を図6に示す。
インプリント領域の細孔は部分的にまたは完全に潰れ、その結果、多孔性ドメインの秩序化アレイを有するハイブリッド膜が得られる。そのほか、得られる階層構造の変形は、ほとんどまたはまったく存在しない。この差は、インプリンティングプロセス中に生成されるストレスを軽減または散逸しうるHPI膜の多孔性構造に起因しうる。非多孔性HPI膜上のときは同一の条件下でインプリントは行われないので、細孔の存在により、ポリマーのT未満の温度で行われる一次インプリントが促進される。
階層的NILの機構
階層的パターニングの機構を実証するために、プレーンPC膜上およびPC膜中にインプリントされた2μmグレーティングの突起上で原子間力顕微鏡(AFM)ナノインデンテーションを行った。トライボインデンター(Triboindenter)を用いてPCの弾性率を独立に測定したところ、2.8GPaであった。Wang et al. M. Wang, H. J. Jin, D. L. Kaplan and G. C. Rutledge, Macromolecules 2004, 37, 6856-686により報告された比較法を用いて、インプリントサンプルの弾性率を評価した:
/S=r/r (1)
式中、SはPmaxにおける除荷曲線の傾きであり、Pは加荷重であり、rはインデンテーション接触半径であり、そしてEは弾性率である。下付き添字1および2は、それぞれ、インプリントサンプルおよびプレーンサンプルを表す。この方法では、本目的に適した相対弾性率が測定される。
両サンプルで得られた荷重vs変位曲線を図7に示す。これらの曲線から、SおよびSは、それぞれ、180および200と近似される。図7中、破線は、Pmaxにおける近似接線である。AFM断面プロファイル(図8)は、インデントの接触サイズ(式1中の「r」)を提供し、接触サイズは、インプリントサンプルでは117nm、元の状態の膜では61nmである。ここで、Aはインプリント膜であり、Bは元の状態の膜である。
インプリントPCの弾性率は、式1を用いて1.3GPaであると評価された。これは、PC膜の弾性率(2.8GPa)よりも約50%低い。
低減された弾性率は、インプリンティングプロセス中に成形型の溝内を満たすポリマーの「流動」の結果である。図9は、このプロセスの説明図を示している。成形型をT超でポリマー膜にプレスした場合、成形型の突起のすぐ近傍のポリマー溶融体は、成形型の溝内に流入する。溝は、ポリマー鎖が広がる比較的大きい自由空間を有する。それと同時に、成形型の突起の近傍のポリマー溶融体はまた、外向きのポリマー流動に起因してより薄くなる。その結果として、成形型の溝内のポリマーの自由体積は、インプリンティングプロセス前の自由体積よりも大きい。より大きい自由体積は、インプリントポリマーの突起中のより低い弾性率の原因であると考えられるので、二次インプリントまたは後続のインプリントは、有機溶媒のような可塑化剤を注入することなく、より低い温度および圧力で行うことが可能になる。そのような可塑化剤の使用は望ましくない。なぜなら、可塑化剤は、ポリマーならびに周囲の要素および/または基板の性質の変化を引き起こす可能性があるからである。
それぞれ2μmおよび250nmのピッチのシリコングレーティング成形型10、18(両方とも1:1のデューティーサイクルを有する)は、フォトリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングにより製造可能である。好ましくは、アセトン、イソプロパノール、および酸素プラズマ(80W、250mTorr、2分間)で成形型を清浄化する。基板により支持された薄膜上にインプリントする場合、窒素グローブボックス内でペルフルオロデシルトリクロロシラン(FDTS、ヘプタン中20mM)で成形型をさらに処理することが可能である。相対湿度は、15%〜18%に保持可能である。
PCの階層的ナノインプリンティングの場合、一次インプリント(すなわち2μmグレーティング)はすべて、180℃または160℃かつ40barで実施可能であり、PMMAの場合、一次インプリントは、120℃かつ40barで実施可能である。
ナノインデンテーションは、マルチモードAFM(MultiMode AFM)(Veeco Instruments)とナノスコープIV(Nanoscope IV)コントローラーおよびシリコン先端(RTESPモデル、公称先端曲率半径10nm未満)とを併用して実施可能である。カンチレバーのバネ定数および共振周波数は、それぞれ、70N/mおよび259kHzである。システムを変位制御ではなく力制御することが可能である。偏位信号の適切なトリガー設定点を設定することにより、最大加荷重を±1%の確度またはそれよりも良好な確度に制御することが可能である。同一の荷重/除荷速度1Hzを用いてすべてのインデンテーションを行った。インデンテーション中にプローブの25°補償を用いて、カンチレバーが横方向に、典型的にはx方向に沿って表面を削り取るのを防止した。AFMインデンテーション手順は、3段階よりなるものであった。最初に、タッピングモードを用いてAFMによりサンプルを検査し、インデンテーションのためにサンプルの位置決めを行った。次に、AFMをフォースモードに切り替えて、インデンテーションを行った。最後に、タッピングモードに切り替えて、インデント領域を画像化した。
以上の説明では本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明から逸脱することなく設計または構成の詳細事項に多くの変更または修正を加えうることは、関連技術分野の当業者であればわかるであろう。
図1は、階層的ナノインプリンティング法の概略図である。 図2は、自立性PC膜中のパターンの一連のSEM画像である。 図3は、基板により支持されたPC膜上のパターンの一連のSEM画像である。 図4は、シリコン基板上にスピニングされたPMMA膜上のパターンの一連のSEM画像である。 図5は、二次インプリント深さとインプリント温度との相関を示すグラフである(PMMAスピンコート膜の場合)。 図6は、HPIスピンコート膜上のパターンの一連のSEM画像である。 図7は、荷重・変位ナノインデンテーション曲線を示す2つのグラフである。 図8は、タッピングモードAFM画像の説明図である。 図9は、ポリマー流動の説明図である。

Claims (20)

  1. ナノインプリンティングにより物品上に階層パターンを形成する方法であって、
    (a)第1の成形型を用いて第1の温度および第1の圧力で該物品上に一次パターンを形成することと、ただし、該第1の温度および該第1の圧力は、該物品の弾性率を減少させることが可能である、
    (b)第2の成形型を用いて該物品のガラス転移温度未満の第2の温度で該一次パターン上に二次パターンを形成することと、ただし、該二次パターンの形成は、第2の圧力で行われる、
    を含む、上記方法。
  2. 前記第1の温度および圧力が前記物品の溶融粘度を減少させることも可能である、請求項1に記載の方法。
  3. 前記第1の温度が前記物品のガラス転移温度超である、請求項1または請求項2に記載の方法。
  4. 前記物品がポリマー膜である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の方法。
  5. 前記ポリマー膜が、熱可塑性ポリマー、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート、多孔性ポリマー、およびヒドロキシル側基を有するポリイミドよりなる群から選択される、請求項4に記載の方法。
  6. 前記ポリマー膜が、炭酸カルシウム、カーボン充填材、ガラス充填材、繊維、ガラス繊維、カーボン繊維、およびカーボンナノチューブよりなる群から選択される粒子で強化されたポリマー複合材である、請求項4または請求項5に記載の方法。
  7. 前記ポリマー膜が基板上に存在する、請求項4〜6のいずれか1項に記載の方法。
  8. 前記二次パターンが前記一次パターンに対して角度をなして形成され、該角度が0°〜90°の範囲内である、請求項1〜7のいずれか1項に記載の方法。
  9. 前記第1の成形型および前記第2の成形型のうちの少なくとも一方が、前記物品からのそれらの引離しを容易にするために低表面エネルギーコーティングで処理される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の方法。
  10. 前記コーティングがペルフルオロデシルトリクロロシランである、請求項9に記載の方法。
  11. 前記第1の成形型が、前記物品上に第1のグレーティング構造を形成するための第1のグレーティングを有し、かつ前記第2の成形型が、該第1のグレーティング構造上に第2のグレーティング構造を形成するための第2のグレーティングを有する、請求項1〜10のいずれか1項に記載の方法。
  12. 前記第1のグレーティングが、前記第2のグレーティングと比較して、同一、より大きい、およびより小さいよりなる群から選択されるサイズである、請求項11に記載の方法。
  13. 前記第1のグレーティングおよび前記第2のグレーティングが、異なるジオメトリーを有する、請求項11または請求項12に記載の方法。
  14. 前記第1のグレーティング構造が前記物品上の突起および溝である、請求項11〜13のいずれか1項に記載の方法。
  15. 前記第2のグレーティングが前記突起上および前記溝内に形成される、請求項14に記載の方法。
  16. 前記第1のグレーティングが2マイクロメートルのピッチであり、かつ前記第2のグレーティングが250ナノメートルのピッチである、請求項11〜15のいずれか1項に記載の方法。
  17. (a)前記第1の温度が120℃〜200℃の範囲内であり、
    (b)前記第2の温度が60℃〜200℃の範囲内であり、
    (c)前記第1の圧力が40bar〜50barの範囲内であり、かつ
    (d)前記第2の圧力が10bar〜50barの範囲内である、
    請求項1〜16のいずれか1項に記載の方法。
  18. 工程(a)の前に残留溶媒がすべて前記物品から除去される、請求項1〜17のいずれか1項に記載の方法。
  19. ヒドロキシル側基を有する前記ポリイミドが多孔性膜である、請求項5に記載の方法。
  20. 請求項1〜19のいずれか1項に記載の方法により製造される製品。
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