JP2014086100A - Manufacturing method and manufacturing apparatus of nano-uneven patter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属ガラス層表面にナノ凹凸パターンを高効率に形成するための方法および装置に関するものである。 The present invention relates to a method and apparatus for forming a nano uneven pattern on a surface of a metallic glass layer with high efficiency.
素材表面にナノメートルレベルの凹凸パターンを転写形成するナノインプリント技術は、ＩＴ、バイオ、医療をはじめ、環境、エネルギーに至る幅広い分野で応用が進んでいる。特に、コンピュータの普及にともなって、磁気記録媒体には、情報の高記録密度化が求められている。これは、情報処理量の増大とともに、記録装置の電力消費量削減への対応でもある。近年では、面記録密度が１Ｔｂ／ｉｎ２を超え２Ｔｂ／ｉｎ２に至るような磁気記録媒体についてまで開発の要請があり、ナノインプリント技術には更なる微細化と高効率化が求められている。 Nanoimprint technology for transferring nanometer-level uneven patterns on the surface of materials has been applied in a wide range of fields, including IT, biotechnology, medicine, environment, and energy. In particular, with the spread of computers, magnetic recording media are required to have higher information recording density. This is a measure for reducing the power consumption of the recording apparatus as the information processing amount increases. In recent years, there is demand for development areal density to the magnetic recording medium, such as leading to 2Tb / in 2 exceed 1 Tb / in 2, further miniaturization and higher efficiency have been demanded in the nanoimprint technology.
このようなナノインプリント技術の応用例として、基板上に金属ガラス層を設け、その金属ガラス層にナノインプリント法によって微細な凹凸パターンを形成し、その凹部内（または凸部上）に磁性体を配設する技術が、磁気記録媒体の製造方法として下記の特許文献１および２に開示されている。表面にナノパターンを形成した非磁性体に微小な磁性体を埋め込み、磁性体を分離する構造のパターンド磁気記録媒体によって、上記のような高密度の記録が可能になるからである。なお、ナノインプリント法とは、ナノ凹凸パターン（凹凸の幅がナノメートルオーダーであるもの）を有するモールド（金型）を基板上の材料に押し付けることによって、材料の表面に凹凸パターンを転写する方法であり、材料加熱による軟化を転写に利用する場合、当該方法は熱ナノインプリント法と呼ばれている。 As an application example of such nanoimprint technology, a metal glass layer is provided on a substrate, a fine uneven pattern is formed on the metal glass layer by a nanoimprint method, and a magnetic material is disposed in the recess (or on the protrusion). The technology to do this is disclosed in Patent Documents 1 and 2 below as a method of manufacturing a magnetic recording medium. This is because a patterned magnetic recording medium having a structure in which a minute magnetic material is embedded in a nonmagnetic material having a nanopattern formed on the surface and the magnetic material is separated enables high-density recording as described above. The nanoimprint method is a method of transferring a concavo-convex pattern onto the surface of a material by pressing a mold (mold) having a nano concavo-convex pattern (with a concavo-convex width on the order of nanometers) against the material on the substrate. In the case where softening due to material heating is used for transfer, this method is called a thermal nanoimprint method.
特許文献１・２によれば、上記の磁気記録媒体は以下のようにして製造する。まず、Ｐｄ（パラジウム）基合金等を金属ガラス層として基板の上に厚さ20nm程度形成しておく。その基板と表面に凹凸パターンを有するモールドとを加熱することによって、金属ガラス層をガラス遷移温度Ｔｇ以上にまで加熱する。ガラス遷移温度Ｔｇ以上・結晶化温度Ｔｘ以下の過冷却液体温度域ΔＴｘの領域では、金属ガラス層は粘性流動状態となり、微細な転写成形が容易になる。その状態で、金属ガラス層にモールドを押し付けることにより、金属ガラス層に微細凹凸パターンを形成する。その後、基板とモールドとを冷却し、金属ガラス層がガラス遷移温度Ｔｇよりも低くなるとモールドの押し付けを解く。そうして形成された凹凸パターンの凹部内（または凸部上）にそれぞれ磁性体を設けることによって、上記のパターンド磁気記録媒体とする。 According to Patent Documents 1 and 2, the above magnetic recording medium is manufactured as follows. First, a Pd (palladium) based alloy or the like is formed as a metallic glass layer on the substrate to a thickness of about 20 nm. By heating the substrate and a mold having a concavo-convex pattern on the surface, the metal glass layer is heated to a glass transition temperature Tg or higher. In the region of the supercooled liquid temperature range ΔTx that is not lower than the glass transition temperature Tg and not higher than the crystallization temperature Tx, the metal glass layer is in a viscous flow state, and fine transfer molding is facilitated. In that state, a fine concavo-convex pattern is formed on the metal glass layer by pressing the mold against the metal glass layer. Thereafter, the substrate and the mold are cooled, and when the metal glass layer becomes lower than the glass transition temperature Tg, the pressing of the mold is released. The patterned magnetic recording medium is obtained by providing magnetic materials in the concave portions (or on the convex portions) of the concave / convex pattern thus formed.
特許文献１・２に記載の熱ナノインプリント法による磁気記録媒体は、記録密度が格段に高いものである。しかし、それらの文献に記載された熱ナノインプリント法は製造効率が低く、ナノ凹凸パターンを短時間で形成することができないため、磁気記録媒体の製造方法として実用的ではない。すなわち、金属ガラス層とモールドの加熱および冷却にかなりの時間を必要とし、金属ガラス層に凹凸パターンを形成する熱ナノインプリントの過程で、基板１枚につき１０分程度を要する。 The magnetic recording medium by the thermal nanoimprint method described in Patent Documents 1 and 2 has a remarkably high recording density. However, the thermal nanoimprint methods described in these documents are not practical as a method for producing a magnetic recording medium because the production efficiency is low and a nano uneven pattern cannot be formed in a short time. That is, a considerable time is required for heating and cooling the metallic glass layer and the mold, and about 10 minutes are required for each substrate in the process of thermal nanoimprinting for forming a concavo-convex pattern on the metallic glass layer.
これらの課題に鑑み、本発明は、金属ガラスを利用したナノ凹凸パターンを、短時間のサイクルで効率的に形成することを可能にする製造方法および製造装置を提供するものである。 In view of these problems, the present invention provides a manufacturing method and a manufacturing apparatus that enable a nano uneven pattern using metallic glass to be efficiently formed in a short cycle.
本発明は、基板上の金属ガラス層に熱ナノインプリント法によりナノ凹凸パターンを形成せしめる製造方法であって、レーザー照射によって上記金属ガラス層を過冷却液体温度域にまで局所加熱し、当該温度域にある間に当該金属ガラス層にナノインプリントを施すことによって、上記の凹凸パターンを形成することを特徴とする。なお、ここにいうナノ凹凸パターンは、上記した磁気記録媒体のためのものに限らず、燃料電池や太陽電池、光学素子等としても使用できるものをさす。
上記の特許文献１・２等の方法では、抵抗加熱ヒータ等の手段を用いて基板とモールドとを加熱し、それらからの伝導熱によって金属ガラス層を加熱している。しかし、ヒータや基板、モールドには相当の熱容量があるため、金属ガラス層を短時間に加熱してガラス遷移温度Ｔｇ以上にすることは難しい。また、モールドの押し付けを解除する前に金属ガラスをガラス遷移温度Ｔｇ以下に充分冷却することも、やはり基板やモールドの熱容量のために短時間内には行えない。金属ガラス層の加熱および冷却に長時間を要するのは、このような理由によるものである。
それに対し、本発明の製造方法では、金属ガラス層にレーザーを照射して直接にその層を局所加熱するため、加熱に必要な時間を大幅に短縮できる。加熱時間を短縮できるのは、金属ガラスが、樹脂や他の多くの金属と比べてもレーザー光の吸収率が高いこと、金属ガラス層は通常の厚みが１μｍ程度以下であって熱容量が小さいこと、通常の金属の融点よりもかなり低いガラス遷移温度Ｔｇ以上（概ね２５０〜４００℃）まで加熱すれば足りること等が理由である。金属ガラス層の熱容量が小さいうえ、基板やモールドはほとんど温度上昇していないことから、金属ガラス層の冷却も短時間で行える。このように加熱と冷却に要する時間を短縮できることから、本発明によれば、金属ガラス層のナノ凹凸パターンの形成（特にそのナノインプリントの過程）を短時間のサイクルで効率的に行うことが可能である。
The present invention is a manufacturing method for forming a nano uneven pattern on a metal glass layer on a substrate by a thermal nanoimprint method, wherein the metal glass layer is locally heated to a supercooled liquid temperature range by laser irradiation, and the temperature range is reached. The uneven pattern is formed by nanoimprinting the metallic glass layer for a while. In addition, the nano uneven | corrugated pattern here refers to what can be used also as a fuel cell, a solar cell, an optical element etc. not only for the above-mentioned magnetic recording media.
In the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 and the like, the substrate and the mold are heated using means such as a resistance heater, and the metal glass layer is heated by conduction heat from them. However, since the heater, the substrate, and the mold have a considerable heat capacity, it is difficult to heat the metal glass layer in a short time to the glass transition temperature Tg or higher. Further, it is impossible to sufficiently cool the metal glass to the glass transition temperature Tg or less before releasing the pressing of the mold due to the heat capacity of the substrate and the mold within a short time. This is the reason why it takes a long time to heat and cool the metal glass layer.
On the other hand, in the manufacturing method of the present invention, the metal glass layer is irradiated with a laser to directly heat the layer locally, so that the time required for heating can be greatly shortened. The heating time can be shortened because the metal glass has a higher laser light absorption than the resin and many other metals, and the metal glass layer has a normal thickness of about 1 μm or less and a small heat capacity. The reason is that it is sufficient to heat to a glass transition temperature Tg or higher (approximately 250 to 400 ° C.) that is considerably lower than the melting point of ordinary metals. Since the heat capacity of the metal glass layer is small and the temperature of the substrate and the mold hardly increases, the metal glass layer can be cooled in a short time. Since the time required for heating and cooling can be shortened in this way, according to the present invention, it is possible to efficiently form the nano uneven pattern (particularly the nanoimprint process) of the metal glass layer in a short cycle. is there.
本発明については、とくに、上記金属ガラス層に対してナノインプリント用モールドを押し付け、その押し付けの圧力が１０ＭＰａ以上となった後に、その圧力を維持しながら上記金属ガラス層にレーザー照射するのが好ましい。
熱ナノインプリント法によって金属ガラス層に凹凸パターンを形成するためには、ナノインプリント用モールドを金属ガラス層に押し付けることと、金属ガラス層を所定の温度まで加熱することとが必要である。上述のようにレーザー照射によって金属ガラス層の加熱を短時間で行えるようになると、凹凸パターンの形成効率を高めるうえでは、モールドの押し付けに要する時間を短縮することが重要になる。モールドの押し付け等に使用するプレス機構は、駆動部分にモータや流体圧ジャッキを有するが、動作の開始から押し付けの完了まで一般に数十秒かかるため、金属ガラス層の加熱が完了してからモールドの押し付けを開始するのでは、待ち時間が長くなり十分には作業の迅速化が図れない。
その点、上記のように金属ガラス層に対するモールドの押し付けを先に開始し、押し付け圧力がある程度（１０ＭＰａ以上に）上昇した後に、金属ガラス層へのレーザー照射を開始すると、当該金属ガラス層への凹凸パターンの形成を能率的に行える。押し付け圧力はレーザー照射の開始後も低下させず、１５０ＭＰａ程度を超えない範囲に維持しておく。そうすると、金属ガラス層が過冷却液体温度域にまで加熱される時期にちょうど、モールドの押し付け圧力も適度なものとなり、モールドの押し付けに関する待ち時間が効果的に短縮される。
In the present invention, it is particularly preferable that the nanoimprint mold is pressed against the metal glass layer, and after the pressing pressure becomes 10 MPa or more, the metal glass layer is irradiated with laser while maintaining the pressure.
In order to form a concavo-convex pattern on the metallic glass layer by the thermal nanoimprinting method, it is necessary to press the nanoimprinting mold against the metallic glass layer and to heat the metallic glass layer to a predetermined temperature. As described above, when the metal glass layer can be heated in a short time by laser irradiation, it is important to shorten the time required for pressing the mold in order to increase the formation efficiency of the concavo-convex pattern. A press mechanism used for pressing a mold has a motor and a hydraulic jack at the drive part.However, since it generally takes several tens of seconds from the start of operation to the completion of pressing, the heating of the metal glass layer is completed before the mold is heated. If the pressing is started, the waiting time becomes long and the work cannot be sufficiently accelerated.
In that respect, as described above, the pressing of the mold against the metal glass layer is started first, and after the pressing pressure has increased to some extent (to 10 MPa or more), when the laser irradiation to the metal glass layer is started, The uneven pattern can be efficiently formed. The pressing pressure is not lowered even after the start of laser irradiation, and is maintained in a range not exceeding about 150 MPa. Then, just when the metal glass layer is heated to the supercooled liquid temperature range, the pressing pressure of the mold becomes appropriate, and the waiting time for pressing the mold is effectively shortened.
ナノインプリント用モールドとしては、レーザーに対して透明なものを使用し、当該モールドを通して上記金属ガラス層にレーザー照射するとよい。
もし、ナノインプリント用モールドおよび上記の基板がレーザーに対し不透明のものであれば、金属ガラス層へのレーザー照射はモールドを押し付ける前に行わざるを得ない。つまり、前記のように先にモールドを押し付けたうえでレーザー照射を行うことは不可能である。
その点、上のようにレーザーに対して透明なモールドを使用すれば、当該モールドを金属ガラス層に押し付けている間にも、モールドを通して金属ガラス層にレーザー照射を行うことが可能である。またそれにより、金属ガラス層の温度が最も上昇する時期に、同層に対し効率的にモールドによる凹凸パターンの転写を行うことができる。金属ガラス層の加熱とそれへのモールドの押し付けとを同時に行えるので、ナノインプリントのサイクルに要する時間をさらに短縮できるわけである。熱容量が大きく、温度上昇を抑制することも可能なモールドを、レーザー照射の後もしばらく金属ガラス層に接触させておくなどすると、金属ガラス層の冷却時間をさらに短縮することも可能になる。
As the mold for nanoimprinting, a mold transparent to the laser is used, and the metal glass layer is preferably irradiated with laser through the mold.
If the nanoimprint mold and the substrate are opaque to the laser, the metal glass layer must be irradiated with the laser before pressing the mold. That is, it is impossible to perform laser irradiation after pressing the mold first as described above.
In that respect, if a mold transparent to the laser is used as described above, it is possible to irradiate the metal glass layer through the mold while the mold is pressed against the metal glass layer. Thereby, when the temperature of the metallic glass layer rises most, the concave / convex pattern can be efficiently transferred to the same layer. Since the heating of the metallic glass layer and the pressing of the mold on it can be performed simultaneously, the time required for the nanoimprint cycle can be further shortened. If a mold having a large heat capacity and capable of suppressing temperature rise is kept in contact with the metal glass layer for a while after the laser irradiation, the cooling time of the metal glass layer can be further shortened.
本発明については、レーザーに対して透明な基板を使用し、モールドを上記金属ガラス層に押し付けている間を含めて、当該基板を通して上記金属ガラス層にレーザー照射することがモールド耐久性の観点から、とくに好ましい。
金属ガラス層を形成した基板がレーザーに対して不透明のものであれば、モールドを透過させてレーザーを金属ガラス層に照射することになるが、ナノ凹凸パターンを有するモールドを繰り返し加熱・冷却することはモールドの耐久性を著しく劣化させる。これに対して基板は、金属ガラス層と一対一に対応するものであって、繰り返し加熱等されることがないため、その耐久性等が問題になることはない。基板の側から金属ガラス層にレーザー照射するなら、加熱・冷却にともなうモールドの消耗が抑制されるわけである。
For the present invention, from the viewpoint of mold durability, a substrate transparent to the laser is used, and the metal glass layer is irradiated with a laser through the substrate, including while the mold is pressed against the metal glass layer. Particularly preferred.
If the substrate on which the metallic glass layer is formed is opaque to the laser, the mold is transmitted and the metallic glass layer is irradiated with the laser, but the mold having the nano uneven pattern is repeatedly heated and cooled. Significantly degrades the durability of the mold. On the other hand, since the substrate corresponds to the metal glass layer on a one-on-one basis and is not repeatedly heated or the like, its durability or the like does not become a problem. If laser irradiation is performed on the metallic glass layer from the substrate side, mold consumption due to heating and cooling is suppressed.
金属ガラス層の直径以上（または幅寸法以上）の長さを有するバー状の照射範囲をもつレーザー光を、当該長さと直角の方向にスキャンすることによって、金属ガラス層に対し上記のレーザー照射を行うのが有利である。
金属ガラス層に対するレーザー照射は、図３に例示するいずれの方法で行ってもよい。同図の（ａ）は、パワー密度の高い小スポットのレーザー光をいわゆるｘ方向およびｙ方向にスキャンして金属ガラス層の全域を加熱する方法である。（ｂ）は、金属ガラス層の直径以上の長さを有するバー状の照射範囲をもつレーザー光を、当該長さと直角の方向にスキャンするものである。また（ｃ）は、金属ガラス層の全域をカバーする広がりを有するレーザー光を、スキャンさせることなく金属ガラス層に照射するものである。
しかし、発明者らの試験によると、図３（ｂ）に示す上記の方法が最も合理的に加熱を実施できる。（ａ）の例に比べてスキャンの移動距離が短く高速スキャンが不要であるうえ、照射域の部分的な重複が生じないので温度分布が均一な照射が可能であり、しかも、（ｃ）の場合のようには大型のレーザー装置が不要だからである。（ｂ）の場合、レーザーの出力が十分であれば、一方向（片道）に１回照射するだけでガラス層に必要な加熱を行うことも可能となり、さらに能率を向上させられる。
By scanning a laser beam having a bar-shaped irradiation range having a length equal to or greater than the diameter of the metal glass layer (or greater than the width dimension) in a direction perpendicular to the length, the laser irradiation is performed on the metal glass layer. It is advantageous to do so.
The laser irradiation on the metal glass layer may be performed by any method illustrated in FIG. (A) of the figure is a method of heating the entire area of the metal glass layer by scanning a laser beam of a small spot with high power density in the so-called x direction and y direction. (B) scans a laser beam having a bar-shaped irradiation range having a length equal to or larger than the diameter of the metal glass layer in a direction perpendicular to the length. (C) irradiates the metal glass layer with a laser beam having a spread covering the entire area of the metal glass layer without scanning.
However, according to the inventors' tests, the above method shown in FIG. Compared to the example of (a), the scanning movement distance is short and high-speed scanning is unnecessary, and the irradiation area does not partially overlap, so that irradiation with a uniform temperature distribution is possible, and (c) This is because a large-sized laser device is unnecessary as in the case. In the case of (b), if the laser output is sufficient, the glass layer can be heated only once in one direction (one way), and the efficiency can be further improved.
上記のレーザー照射には、波長が８００ｎｍ〜１２００ｎｍのＹＡＧレーザーまたはＹＶＯ４レーザーを使用するのが有利である。
そのようなレーザー光は、金属ガラスにおける吸収率が特に高いうえ、加熱効率が高い点で、上記製造方法において使用するのに適している。比較的低コストで高出力にすることができる点でも好ましい。
For the laser irradiation described above, it is advantageous to use a YAG laser or YVO4 laser having a wavelength of 800 nm to 1200 nm.
Such a laser beam is suitable for use in the above manufacturing method in that the absorption rate in the metal glass is particularly high and the heating efficiency is high. It is also preferable in that a high output can be achieved at a relatively low cost.
上記金属ガラス層を上記の通りレーザー照射で加熱してナノインプリントを施したうえ過冷却液体温度域を下回る温度にまで冷却するサイクルを、基板１枚につき２分以内（従来の抵抗加熱方式の約１／５）で行うこととすると、とくに効果的である。こうした短時間のサイクルを実現するためには、金属ガラス層と接触する上記のモールド等を厳密に温度制御し、またはそれをナノインプリント後に強制的に冷却するための機器を付設して使用することも有意義である。
これにより、金属ガラス層の表面にナノ凹凸パターンを形成する工程は飛躍的に効率化し、特に、ナノ凹凸パターンをパターンド磁気記録媒体に応用した場合、製造効率が改善されると所要コストを下げることも可能になり、当該記録媒体が広く普及する。結果として、情報処理量の増大に対応でき記録装置の電力消費量が削減されるという効果がもたらされる。
The metal glass layer is heated by laser irradiation as described above and subjected to nanoimprinting and then cooled to a temperature below the supercooled liquid temperature range within 2 minutes per substrate (about 1 of the conventional resistance heating method). / 5) is particularly effective. In order to realize such a short cycle, it is also possible to strictly control the temperature of the mold etc. in contact with the metal glass layer, or to attach and use a device for forcibly cooling it after nanoimprinting. Meaningful.
As a result, the process of forming the nano-concave pattern on the surface of the metallic glass layer is remarkably efficient. In particular, when the nano-concave pattern is applied to a patterned magnetic recording medium, the required cost is reduced when the manufacturing efficiency is improved. And the recording medium is widely spread. As a result, it is possible to cope with an increase in the amount of information processing, and the power consumption of the recording apparatus is reduced.
上記した製造方法を実施するための装置（ナノ凹凸パターンの製造装置）としては、レーザー照射することによって上記金属ガラス層を過冷却液体温度域にまで加熱するとともに当該金属ガラス層にナノインプリントを施すものを使用する。
そのような装置であれば、上記の製造方法を円滑に実施することができる。金属ガラス層をレーザー照射によって直接に加熱するため、加熱に必要な時間を短縮してナノインプリントの過程を短時間で能率的に行えるからである。
As an apparatus (a nano uneven pattern manufacturing apparatus) for carrying out the manufacturing method described above, the metal glass layer is heated to the supercooled liquid temperature range by laser irradiation and nanoimprint is applied to the metal glass layer. Is used.
If it is such an apparatus, said manufacturing method can be implemented smoothly. This is because the metal glass layer is directly heated by laser irradiation, so that the time required for heating can be shortened and the nanoimprint process can be efficiently performed in a short time.
上記の製造装置は、基板を固定する手段、モールドを保持して基板上の金属ガラス層に重ねる手段、金属ガラス層に重ねる際のモールドを基板に対して位置合わせする手段、基板上の金属ガラス層にレーザー照射する手段、および、基板とモールドとの間に圧力を加えて後に両者間を分離する手段を有するものであるのが好ましい。図４に示す装置は、そのような製造装置の一例である。
上記の各手段を有する装置なら、１）基板を固定し、２）その基板に対しモールドの位置を合わせたうえ、３）そのモールドを金属ガラス層に重ね、４）レーザー照射を行って金属ガラス層を適切な温度に加熱し、５）当該加熱と同時または加熱の前後から基板・モールド間に圧力を加え、６）レーザー照射が終了して金属ガラス層が所定温度以下になった時点で基板・モールド間を分離する――といった手順に沿って金属ガラス層に微細凹凸パターンを円滑に形成することができる。
The above manufacturing apparatus includes means for fixing the substrate, means for holding the mold and stacking it on the metal glass layer on the substrate, means for aligning the mold with respect to the substrate when stacking on the metal glass layer, metal glass on the substrate It is preferable to have a means for irradiating the layer with laser and a means for applying a pressure between the substrate and the mold to separate them later. The apparatus shown in FIG. 4 is an example of such a manufacturing apparatus.
If it is an apparatus having each of the above means, 1) the substrate is fixed, 2) the mold is aligned with the substrate, 3) the mold is overlaid on the metal glass layer, and 4) laser irradiation is performed to form the metal glass. The layer is heated to an appropriate temperature, 5) pressure is applied between the substrate and the mold simultaneously with the heating or before and after the heating, and 6) when the laser irradiation is completed and the metallic glass layer is below the predetermined temperature. -A fine concavo-convex pattern can be smoothly formed on the metal glass layer according to the procedure of separating molds.
本発明の製造方法および製造装置によれば、基板上の金属ガラス層を直接かつ短時間に加熱でき、その後の冷却も短時間で行えることから、ナノインプリントによって金属ガラス層に微細凹凸パターンを形成するプロセスが迅速に行える。そしてそれにより、金属ガラス層に対する高密度のナノ凹凸パターンの形成能率が向上し、ひいてはコンピュータによる情報処理等を円滑化し省電力化する効果がもたらされる。 According to the manufacturing method and the manufacturing apparatus of the present invention, the metal glass layer on the substrate can be directly heated in a short time, and the subsequent cooling can also be performed in a short time. Therefore, a fine uneven pattern is formed on the metal glass layer by nanoimprinting. The process can be done quickly. As a result, the formation efficiency of the high-density nano uneven pattern on the metal glass layer is improved, and as a result, the information processing by the computer is facilitated and the power saving effect is brought about.
例えば、発明によるナノ凹凸パターンを活用した磁気記録媒体の製造手順は、図１（ａ）〜（ｅ）のように示される。すなわち、まず、酸化物ガラス等の非磁性材料でできた基板１の上に、裏打ち層２をはさんで金属ガラス層３を形成する（図１（ａ））。裏打ち層２は磁気記録媒体の製造に必要なものであって、ナノ凹凸パターンを活用した他の工業的用途ではその有無は問わない。金属ガラス層３としては、Ｐｄ（パラジウム）基の金属ガラス（Ｐｄを約４０原子％、Ｃｕを約３０原子％、Ｎｉを約１０原子％、Ｐを約２０原子％含むもの）が好ましいが、Ｐｔ（白金）基金属ガラスやＺｒ（ジルコニウム）基金属ガラス、Ｌａ（ランタン）基金属ガラス等も使用できる。厚さは例えば１０〜１００ｎｍ程度がより好ましい。
そうした金属ガラス層３に対し、図１（ｂ）（ｃ）のようにモールド４を押し付ける熱ナノインプリント法によって、モールド４上の微細凹凸パターンを金属ガラス層３に転写する。モールド４の表面には、たとえば右方の引出し図（顕微鏡写真）に示す微細凹凸パターン（ドット径が約１０ｎｍ）を事前に形成しておき、加熱した金属ガラス層３にそれを押し付けることにより、金属ガラス層３の表面に同様の凹凸パターンを転写する。転写された金属ガラス層３の表面についても、顕微鏡写真を右方の引出し図に示す。
微細凹凸パターンが形成された金属ガラス層３の上に、スパッタ蒸着等の方法によって磁性体の膜５を形成し（図１（ｄ））、さらにその磁性膜５に化学的エッチング等を施す（図１（ｅ））。これにより、微細凹凸パターンの凹部内に微細な磁性体を配設したパターンド磁気記録媒体ができあがる。図示の例では、２Ｔｂ／ｉｎ２相当の記録密度を有するハードディスク用磁気記録媒体を製造できた。
For example, the manufacturing procedure of the magnetic recording medium utilizing the nano uneven pattern according to the invention is shown as in FIGS. That is, first, a metallic glass layer 3 is formed on a substrate 1 made of a nonmagnetic material such as oxide glass with a backing layer 2 interposed therebetween (FIG. 1A). The backing layer 2 is necessary for the production of the magnetic recording medium, and it does not matter whether it is used in other industrial applications utilizing the nano uneven pattern. The metallic glass layer 3 is preferably a metallic glass based on Pd (palladium) (containing about 40 atomic% Pd, about 30 atomic% Cu, about 10 atomic% Ni, and about 20 atomic% P). Pt (platinum) based metallic glass, Zr (zirconium) based metallic glass, La (lanthanum) based metallic glass, and the like can also be used. The thickness is more preferably about 10 to 100 nm, for example.
The fine concavo-convex pattern on the mold 4 is transferred to the metal glass layer 3 by a thermal nanoimprint method in which the mold 4 is pressed against the metal glass layer 3 as shown in FIGS. On the surface of the mold 4, for example, a fine uneven pattern (dot diameter is about 10 nm) shown in the drawing on the right side (micrograph) is formed in advance and pressed against the heated metal glass layer 3, A similar uneven pattern is transferred to the surface of the metal glass layer 3. A micrograph is also shown in the drawing on the right side of the surface of the transferred metallic glass layer 3.
A magnetic film 5 is formed on the metal glass layer 3 on which the fine concavo-convex pattern is formed by a method such as sputter deposition (FIG. 1D), and chemical etching or the like is further performed on the magnetic film 5 ( FIG. 1 (e)). As a result, a patterned magnetic recording medium in which a fine magnetic material is disposed in the concave portion of the fine concavo-convex pattern is completed. In the illustrated example, a hard disk magnetic recording medium having a recording density equivalent to 2 Tb / in 2 could be manufactured.
本発明では、図１の（ｂ）および（ｃ）の過程を、たとえば図２（ａ）〜（ｃ）に示す手順によって実施する。すなわち、熱ナノインプリントの際、金属ガラス層３を加熱するためにレーザー照射を行うのである。
まず、上記のモールド４として、石英ガラス等でできた透明（レーザーに対して透明）のものを使用し、そのモールド４の外側（裏側。図示上側）にレーザー照射装置を設けておく。レーザー照射には、金属ガラスの吸収率が高い、波長８００〜１２００ｎｍのＹＡＧレーザーまたはＹＶＯ４レーザーを使用するのが好ましい。そして、金属ガラス層３等を事前に形成された上記の基板１をプレス土台の上に設置したのち、その透明のモールド４を通して金属ガラス層３にレーザー照射を開始する（図２（ａ））。
金属ガラス層３が温度上昇してガラス遷移温度Ｔｇを超えた時点、または当該温度Ｔｇに近くなった時点で、プレス土台を上昇させる等して金属ガラス層３にモールド４の凹凸面を押し付ける（図２（ｂ））。押し付け力は、面積２．５ｉｎ２あたり２０トンで、押し付けの量（深さ）は１０ｎｍ程度である。なお、この押し付けの間にレーザー照射を継続してもよいが、すでに金属ガラス層３が上記温度Ｔｇを超えておれば照射を終了してもよい。いずれにしても、金属ガラス層３が上記温度Ｔｇ以上であって過冷却液体温度域にある間にモールド４による転写を行うべきである。
上に示した図２（ａ）（ｂ）の過程は、金属ガラス層３に対してモールド４の凹凸面を先に押し付け、その押し付けの圧力が１０ＭＰａ程度以上（たとえば３０ＭＰａ）となった後に、その押し付けを解除しないまま（またはさらに押し付け圧力を増しながら）、モールド４を通して金属ガラス層３にレーザー照射する、との手順で行うのもよい。そのようにすると、モールド４の押し付けに必要な待ち時間が短縮され、熱ナノインプリントの能率をさらに高めることができる。
レーザー照射を停止したのち、金属ガラス層３の温度が上記温度Ｔｇ以下に下がると、モールド４を金属ガラス層３から引き離す（図２（ｃ））。
以上のような方法によって、金属ガラス層３の熱ナノインプリント、すなわち加熱・加圧・冷却のサイクルを、合計２分以内で行うことが可能になった。加熱・冷却の所要時間をそれぞれ１０秒程度にすることもできる。例えばモールド４やプレス土台に冷却媒体を通すように構成すれば、冷却時間を短縮するうえで有利である。
In the present invention, steps (b) and (c) in FIG. 1 are performed by the procedure shown in FIGS. 2 (a) to 2 (c), for example. That is, laser irradiation is performed to heat the metallic glass layer 3 during thermal nanoimprinting.
First, a transparent (transparent to laser) made of quartz glass or the like is used as the mold 4 described above, and a laser irradiation device is provided on the outside (back side, upper side in the drawing) of the mold 4. For the laser irradiation, it is preferable to use a YAG laser or YVO4 laser having a wavelength of 800 to 1200 nm, which has a high absorption rate of metallic glass. Then, after placing the substrate 1 on which the metal glass layer 3 and the like are formed in advance on a press base, laser irradiation is started on the metal glass layer 3 through the transparent mold 4 (FIG. 2 (a)). .
When the temperature of the metallic glass layer 3 rises and exceeds the glass transition temperature Tg, or when the metallic glass layer 3 approaches the temperature Tg, the uneven surface of the mold 4 is pressed against the metallic glass layer 3 by raising the press base or the like ( FIG. 2 (b)). The pressing force is 20 tons per area of 2.5 in 2 and the pressing amount (depth) is about 10 nm. In addition, although laser irradiation may be continued during this pressing, irradiation may be complete | finished if the metal glass layer 3 has already exceeded the said temperature Tg. In any case, transfer by the mold 4 should be performed while the metal glass layer 3 is at the temperature Tg or higher and in the supercooled liquid temperature range.
2 (a) and 2 (b) shown above, the uneven surface of the mold 4 is first pressed against the metallic glass layer 3, and the pressing pressure becomes about 10 MPa or more (for example, 30 MPa). It is also possible to carry out by the procedure that the metal glass layer 3 is irradiated with laser through the mold 4 without releasing the pressing (or further increasing the pressing pressure). By doing so, the waiting time required for pressing the mold 4 is shortened, and the efficiency of thermal nanoimprinting can be further increased.
After the laser irradiation is stopped, when the temperature of the metallic glass layer 3 falls below the temperature Tg, the mold 4 is pulled away from the metallic glass layer 3 (FIG. 2 (c)).
By the method as described above, the thermal nanoimprint of the metallic glass layer 3, that is, the heating / pressurizing / cooling cycle, can be performed within a total of 2 minutes. The time required for heating and cooling can be set to about 10 seconds, respectively. For example, if the cooling medium is passed through the mold 4 or the press base, it is advantageous in reducing the cooling time.
図３には、金属ガラス層３に対するレーザー照射について三つの態様を例示している。図３（ａ）は、パワー密度の高い小スポットのレーザー光Ｌをいわゆるｘ方向およびｙ方向にスキャンして金属ガラス層３の全域を加熱するものである。図３（ｂ）は、金属ガラス層３の直径以上の長さを有するバー状の照射範囲をもつレーザー光Ｌを、当該長さと直角の方向にスキャンするもの。また図３（ｃ）は、金属ガラス層３の全域をカバーする広がりを有するレーザー光Ｌを、スキャンさせることなく金属ガラス層に照射する例である。いずれによっても金属ガラス層３の加熱を行えるが、図２等の例では、図３（ｂ）に示す態様を合理的であるとして採用している。レーザーの出力を十分高くすると、一方向（片道）に１回照射するだけでガラス層に必要な加熱を行うことも可能となる。
なお、このようなレーザー照射では、金属ガラス層３の全域を同時にガラス遷移温度Ｔｇ以上に加熱することはできない。しかし、金属ガラス層３の直下にクッション性のある裏打ち層２があるため、全域に対して熱ナノインプリントは円滑に実施される。
FIG. 3 illustrates three modes of laser irradiation on the metallic glass layer 3. FIG. 3 (a) scans a small spot laser beam L with high power density in the so-called x direction and y direction to heat the entire area of the metallic glass layer 3. FIG. FIG. 3B is a diagram in which a laser beam L having a bar-shaped irradiation range having a length equal to or larger than the diameter of the metal glass layer 3 is scanned in a direction perpendicular to the length. FIG. 3C shows an example in which the metal glass layer is irradiated with a laser beam L having a spread covering the entire area of the metal glass layer 3 without being scanned. In any case, the metallic glass layer 3 can be heated, but in the example of FIG. 2 and the like, the mode shown in FIG. 3B is adopted as reasonable. When the output of the laser is sufficiently high, the glass layer can be heated only by irradiating once in one direction (one way).
In addition, with such laser irradiation, the entire region of the metal glass layer 3 cannot be heated to the glass transition temperature Tg or more at the same time. However, since the backing layer 2 having a cushioning property is directly under the metallic glass layer 3, thermal nanoimprinting is smoothly performed on the entire area.
図４の製造装置１０は、図２に示す手順によって基板１上の金属ガラス層３に熱ナノインプリントを行う、ナノ凹凸パターンの製造装置である。レーザー照射することによって図２の金属ガラス層３を過冷却液体温度域にまで加熱するとともに当該金属ガラス層３にモールド４を押し付けて、その微細凹凸パターンを転写する。 The manufacturing apparatus 10 of FIG. 4 is a nano uneven | corrugated pattern manufacturing apparatus which performs a thermal nanoimprint to the metallic glass layer 3 on the board | substrate 1 by the procedure shown in FIG. The metal glass layer 3 in FIG. 2 is heated to the supercooled liquid temperature range by laser irradiation, and the mold 4 is pressed against the metal glass layer 3 to transfer the fine uneven pattern.
図４に示す製造装置１０は、金属製のフレーム上につぎのような機構部分を取り付けたものである。すなわち、
プレス機構１１： モールド４を金属ガラス層３に押し付け、その後に引き離すためのもので、上部が鉛直方向上向きに上昇し、かつ下降するようにしている。
基板１の固定機構１２： プレス手段１１の上部に設けたもので、金属ガラス層３等を有する上記の基板１を固定することができる。
モールド４の保持機構１３： モールド４を保持して基板１上の金属ガラス層３に重ねるクランプ手段１４を含み、当該クランプ手段１４とともにモールド４を移動させてその位置を基板１の位置に合わせるものである。固定機構１２とともに、プレス手段１１によって上昇・下降する。
ＣＣＤカメラによる撮像機構１５： 上記保持機構１３によるモールド４の位置合わせのために、モールド４と基板１とを撮像する手段である。カメラの位置を調整する手段１６を有している。
加圧用の支持機構１７： プレス機構１１によって基板１とモールド４とが押し上げられるとき、それらが押し付けられる対象となる固定部材である。また、支持機構１７の上にレーザー照射手段１８を設けており、その照射のために支持機構１７の中央部はレーザーに対して透明な材料で構成している。
The manufacturing apparatus 10 shown in FIG. 4 has the following mechanical parts mounted on a metal frame. That is,
Press mechanism 11: For pressing the mold 4 against the metal glass layer 3 and then pulling it away, the upper part rises upward in the vertical direction and descends.
Fixing mechanism 12 of the substrate 1: It is provided on the upper part of the pressing means 11 and can fix the substrate 1 having the metal glass layer 3 and the like.
Holding mechanism 13 of the mold 4: including clamping means 14 that holds the mold 4 and overlaps the metallic glass layer 3 on the substrate 1, and moves the mold 4 together with the clamping means 14 to adjust its position to the position of the substrate 1. It is. Along with the fixing mechanism 12, the press means 11 moves up and down.
Imaging mechanism 15 by CCD camera: means for imaging the mold 4 and the substrate 1 in order to align the mold 4 by the holding mechanism 13. Means 16 for adjusting the position of the camera are provided.
Support mechanism 17 for pressurization: When the substrate 1 and the mold 4 are pushed up by the press mechanism 11, they are fixed members to which they are pressed. Further, laser irradiation means 18 is provided on the support mechanism 17, and the central portion of the support mechanism 17 is made of a material transparent to the laser for the irradiation.
こうした製造装置１０は、つぎのように使用する。すなわち、
1) 基板１をプレス機構１１上の固定機構１２に固定し、
2) 保持機構１３によってモールド４を保持し、撮像機構１５を用いて基板１にモールド４を位置合わせして金属ガラス層３に重ねたうえ、
3) レーザー照射手段１８にてレーザー照射を行い、金属ガラス層３を加熱し、
4) 当該加熱の後または加熱中に、プレス機構１１を用いて基板１・モールド４間に圧力を加え、
5) レーザー照射が終了して金属ガラス層３が冷却された時点で、プレス機構１１を戻して基板１・モールド４間を分離する。その後、微細凹凸パターンが形成された金属ガラス層３を含む基板１を回収する。
そのような手順で装置１０を使用することにより、金属ガラス層３に微細凹凸パターンが形成された基板１を、円滑かつ迅速に製造することができる。
なお、上記の手順3)・4)を逆の順序で連続的に進めるのも能率的で好ましいことは、図２（ａ）（ｂ）に関連して前記したとおりである。
Such a manufacturing apparatus 10 is used as follows. That is,
1) Fix the substrate 1 to the fixing mechanism 12 on the press mechanism 11,
2) The mold 4 is held by the holding mechanism 13, the mold 4 is aligned with the substrate 1 using the imaging mechanism 15, and the metal glass layer 3 is overlaid.
3) Laser irradiation is performed by the laser irradiation means 18, and the metallic glass layer 3 is heated.
4) After or during the heating, a pressure is applied between the substrate 1 and the mold 4 using the press mechanism 11,
5) When the laser irradiation is completed and the metallic glass layer 3 is cooled, the press mechanism 11 is returned to separate the substrate 1 and the mold 4 from each other. Then, the board | substrate 1 containing the metal glass layer 3 in which the fine uneven | corrugated pattern was formed is collect | recovered.
By using the apparatus 10 in such a procedure, the board | substrate 1 with which the fine uneven | corrugated pattern was formed in the metal glass layer 3 can be manufactured smoothly and rapidly.
As described above with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b), it is efficient and preferable to proceed the above steps 3) and 4) in the reverse order.
以上の方法・装置によって微細凹凸パターンを形成した金属ガラス層表面の電子顕微鏡写真を図５に示す。図示の例は、金属ガラスへのレーザー照射を図３（ｃ）の態様で行ったもので、インプリントの条件は下記のとおりである。
・ 直径１０ｍｍの円状レーザ（Ｑ−ＳＷ，１ｋＨｚ）を使用
・ 一括照射、照射時間：２ｍｉｎ
・ 照射電流：２０Ａ
・ 荷重：１ｋＮ → １２５ＭＰａ
・ 真空雰囲気で実施
FIG. 5 shows an electron micrograph of the surface of the metal glass layer on which the fine concavo-convex pattern is formed by the above method / apparatus. In the example shown in the figure, the laser irradiation to the metal glass is performed in the mode of FIG. 3C, and the imprint conditions are as follows.
・ Use a circular laser (Q-SW, 1 kHz) with a diameter of 10 mm ・ Batch irradiation, irradiation time: 2 min
・ Irradiation current: 20A
・ Load: 1kN → 125MPa
・ Conducted in a vacuum atmosphere
金属ガラス層３にレーザー照射を行うために、上記ではモールド４として透明なものを使用したが、それに代えて各基板１を透明（レーザーに対して透明）なものとするのも有意義である。その場合、レーザー照射手段１８を基板１の側（図４の下方、たとえばプレス機構１１の内部）に設けるのがよい。そうすることにより基板１を通して金属ガラス層３にレーザー照射をするなら、加熱・冷却にともなうモールドの消耗が抑制されるため、モールドの耐久性の点でとくに有利である。なお、モールド４と基板１との双方を透明なものとし、双方を通して金属ガラス層３にレーザー照射するなら、金属ガラス層３の加熱に要する時間をさらに短縮できる。 In order to irradiate the metal glass layer 3 with laser, a transparent material is used as the mold 4 in the above, but it is also meaningful to make each substrate 1 transparent (transparent to the laser) instead. In that case, the laser irradiation means 18 is preferably provided on the side of the substrate 1 (downward in FIG. 4, for example, inside the press mechanism 11). By doing so, if the metal glass layer 3 is irradiated with laser through the substrate 1, the consumption of the mold accompanying heating and cooling is suppressed, which is particularly advantageous in terms of mold durability. If both the mold 4 and the substrate 1 are made transparent and the metal glass layer 3 is irradiated with laser through both, the time required for heating the metal glass layer 3 can be further shortened.
１ 基板
３ 金属ガラス層
４ モールド
１０ 製造装置
１１ プレス機構
１８ レーザー照射手段
Ｌ レーザー光
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Board | substrate 3 Metallic glass layer 4 Mold 10 Manufacturing apparatus 11 Press mechanism 18 Laser irradiation means L Laser beam
Claims (9)
レーザー照射によって上記金属ガラス層を過冷却液体温度域にまで加熱し、当該温度域にある金属ガラス層にナノインプリントを施すことによって、上記の凹凸パターンを形成することを特徴とするナノ凹凸パターンの製造方法。 A manufacturing method for forming a nano uneven pattern on the surface of a metallic glass layer on a substrate,
Heating the metallic glass layer to a supercooled liquid temperature range by laser irradiation, and applying the nanoimprint to the metallic glass layer in the temperature range, thereby forming the concave / convex pattern, producing a nano uneven pattern Method.
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