JP2021527148A - インプリント用組成物及びそれを使用してパターン化層を形成する方法 - Google Patents
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Abstract
ゾルと、インプリント温度でのインプリント中に組成物のゲル化を促進するための添加剤とを含むゾルゲルインプリント用インク組成物が開示される。組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜７のｐＨを有する。添加剤は、プロトン酸とプロトン受容塩基との可逆的反応生成物である。インプリント温度において、酸の蒸気圧は塩基の蒸気圧よりも高く、これにより、インプリント中に、組成物中の塩基の濃度が、組成物中の酸の濃度に対して増加して組成物は塩基性化される。さらに、そのようなゾルゲルインプリント用インク組成物を用いてパターン化層を形成する方法、ならびにパターン化層をそれぞれ含む光学素子及びエッチングマスクが開示される。
Description
本発明は、インプリント用組成物に関する。
本発明はさらに、このようなインプリント用組成物を用いてパターン化層を形成する方法に関する。
本発明はさらに、そのようなパターン化層をそれぞれ含む光学素子及びエッチングマスクに関する。
基板コンフォーマルインプリントリソグラフィ（ＳＣＩＬ）は、他のインプリントリソグラフィ技術と同様に、パターンが付けられたスタンプを用いて、基板の表面に塗布された層にインプリントすることを伴う。スタンプは、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）などのシリコーンゴムから作られる。層は、スタンプを用いたインプリント中に硬化され得る。十分に硬化されると、スタンプは除去され、基板上にパターン化層が残る。
ＵＶ硬化性組成物及びゾルゲル組成物などのさまざまなタイプのインプリント用インクを使用することができる。インプリント可能媒体での使用のための硬化性化合物の適合性は、半導体基板などのキャリア上にパターンを形成した後のそのエッチング特性によって左右される。この理由から、アルコキシシラン誘導ゾル及びゾルゲルなどの無機ゾル及びゾルゲル材料をベースとする組成物が、それらの優れたエッチング抵抗性及び選択性、優れた接着性、ならびにポリシロキサンネットワークに縮合された場合の優れた機械的及び光学的特性によって、人気が高いことが証明されている。さらに、このような組成物は、１０ナノメートル未満〜数百ナノメートルの範囲の寸法を有する特徴を有するパターン化層を生成するために使用することができる。
このような組成物において、ゾル（又は溶液）が、例えば、無機水酸化物及び／又はアルコキシドの加水分解によって最初に形成される。ゾルは、水及び／又はアルコールが放出される縮合プロセスによって形成されるオリゴマー種又は線状ポリマー種を含み得る。インプリント用組成物の製造中、又はインプリント中に、ゾルは、さらなる縮合プロセスによってゾルゲルを形成するように反応し、これにより３次元ネットワークが得られる。水及び／又はアルコールを含むネットワークからの（例えば、蒸発による）溶媒の除去は、（硬化した）無機酸化物の形成をもたらす。このような水酸化物又はアルコキシド前駆体の加水分解及び重縮合から形成されるゾルは、コロイドと見なされる。用語「コロイド」は、固体又は液体粒子が液体媒体中に分散されている固体−液体及び／又は液体−液体混合物を指す。
このような縮合重合（重縮合）反応は、典型的には可逆的な反応であり、これは、浸透性スタンプを用いた組成物のインプリント中に平衡の重縮合側にシフトされる。これは、縮合生成物の形成時に放出される反応生成物（例えば、水又はアルコール）の一部が、スタンプ材料中への／を通しての拡散によって及び蒸発によって、反応部位から離れて運ばれ、これにより、逆（加水分解又はアルコール分解）反応を嫌うことによる。
しかしながら、インプリントリソグラフィにおけるこのようなゾルゲル組成物の塗布は、必ずしも簡単ではない。重要な要件は、インプリントプロセスが大規模で広く適用可能であるためには再現可能でなければならないことである。例えば、硬化性化合物を含むインプリント用インクは、標的基板上への容易な堆積を可能にするのに適切な粘度を有していなければならず、インプリント用インクがスタンプでインプリントされるまで適切な粘度を維持しなければならない。すなわち、インクは、スタンプ表面上の特徴パターンをかたどるのに十分な柔軟性を有していなければならない。
液体から、パターンを損傷することなくスタンプを除去することを可能にする硬化ゲル層となるまで、スタンプがインクと接触している時間として定義されるインプリント時間は、条件に応じて、数秒から１２時間超までさまざまである。ゾル中の縮合の程度、組成物中の水分含有量、共溶媒の存在（Ｍａｒｃ Ａ．Ｖｅｒｓｃｈｕｕｒｅｎ、Ｓｕｂｓｔｒａｔｅ Ｃｏｎｆｏｒｍａｌ Ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ｆｏｒ Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２０１０年、ユトレヒト大学、オランダ）、周囲条件、例えば、基板上への組成物のコーティング中の相対湿度、インプリント中の温度、インプリントされる下地材料の表面化学、（例えば、スピンコーティング、インクジェット、スプレーコーティングなどによる）ゾルゲル層の塗布からスタンプが層に当てられるまでの臨界時間、及び組成物のｐＨなど、さまざまな要素がインプリント時間に影響する。表面化学要素に関して、シリコン上のゾルゲル層のインプリント時間は、室温では５分未満であるが、同じ材料及びスタンプがクロム又はアルミニウムでコーティングされた表面上に塗布される場合、インプリントするのに４〜２０時間であり得る。
この技術の適用における重要な課題は、安定なゾルゲルインプリント用インク組成物の要件を、十分に短いインプリント時間とバランスを取ることに関する。安定なゾルゲルインプリント用インク組成物は、比較的ゆっくりとゲル化するゾルを含み、これは、インクの貯蔵寿命の点で、すなわち、基板上に塗布する前では有益である。しかしながら、比較的遅いゲル化は、硬化により長い時間がかかることを意味する。したがって、より長いインプリント時間が必要となり、その結果、生産スループットが損なわれる。
硬化プロセスは、通常、かなりの程度の収縮及び高密度化を伴う。溶媒の除去速度は、ゲルの多孔性、例えば細孔径分布によって決定され得る。さらに、パターン化層の最終的な微細構造は、硬化中の条件に強く影響され得る。比較的短いインプリント時間で十分に高密度のパターン化層を得るために条件を制御することは、依然として課題である。
韓国特許出願公開第２０１７ ００２７９２６Ａ号は、防汚−抗菌バリアコーティングを調製するための組成物及び方法を開示している。
中国特許出願公開第１０４ １６５ ９１２Ａ号は、グラフェン酸化物の表面上への分子的にインプリントされたゾルゲルポリマーの調製及び適用を開示している。
国際特許公開ＷＯ２００８／０５３４１８Ａ２は、レリーフ層及びそれを作製するためのインプリント方法を開示している。
国際特許公開ＷＯ２０１２／１４２１２６Ａ２は、放射線感受性ゾルゲル材料を作製する方法を開示している。
本発明は、請求項によって規定される。
一態様によれば、ゾルと、１５℃〜１２０℃のインプリント温度でのインプリント中にインプリント用組成物のゲル化を促進するための添加剤とを含むインプリント用組成物が提供される。添加剤は、プロトン酸とプロトン受容塩基との可逆反応生成物であり、組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜７のｐＨを有し、インプリント温度において、酸の蒸気圧が塩基の蒸気圧よりも高い。インプリントは、結果として得られる組成物層をスタンプと接触させる前に、組成物を表面に塗布すること、又は、スタンプに組成物を直接塗布すること（この後に、スタンプに塗布された組成物がスタンプと（例えば基板の）別の表面との間に挟まれるステップがあってもなくてもよい）を含んでもよい。蒸気圧の差は、インプリント中に、組成物がより塩基性になる（塩基性化される）ことをもたらす。これは、次に、組成物の硬化を促進することができる。
組成物のｐＨの尺度は、組成物のサンプルを等容量の脱イオン水で希釈し、得られた混合物のｐＨを常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定することによって得ることができる。本発明は、この方法を使用して測定される組成物のｐＨを４〜７に調整すると、インプリントに適した組成物の層を形成するための適切な特性を有する組成物がもたらされるという認識に部分的に基づいている。これは、ゾル中に線状オリゴマーが形成されるように縮合反応が制御される結果となるこのｐＨによるものと考えられる。
組成物は、プロトン酸とプロトン受容塩基との可逆的反応生成物である添加剤をさらに含む。つまり、反応生成物は、酸、塩基、ならびに酸及び塩基の塩の平衡混合物であるとみなされる。組成物の上述のｐＨは、例えば、酸のｐＫａ及び塩基の共役酸のｐＫａを考慮して、適切な量の酸及び塩基を使用することによって、測定された４〜７の範囲に調整され得る。
インプリント中のインプリント温度において、酸の蒸気圧は塩基の蒸気圧よりも高い。蒸気圧の高い酸は、インプリント温度、すなわち、１５℃〜１２０℃において蒸発し、これは、反応生成物に関連する平衡を酸及び塩基の側に移動させる。塩基の蒸気圧が低いということは、インプリント条件下において、塩基は酸と同程度には蒸発しないことを意味する。塩基の蒸気圧が低いということはまた、スタンプ層内への塩基の拡散が、揮発性の高い酸の場合よりも少ない程度で起こることを意味する。これは、インプリント中の組成物の塩基性化を増大させる。したがって、インプリント中に、組成物中の塩基の濃度は、組成物中の酸の濃度に対して増加する。このようにして、インプリント条件によって、組成物は塩基性となり、これにより、３次元ネットワーク、すなわち、ゲルの形成が促進される。インプリントに必要な時間、すなわち、スタンプを除去できるような十分な硬化に必要な時間は、例えば塩基を含まない酸性組成物と比較して、相応に短縮される。
ゾルは、コロイドとみなすことができる。用語「コロイド」は、固体又は液体粒子が液体媒体中に分散されている固体−液体及び／又は液体−液体混合物を指す。好ましくは、ゾルは液体‐液体混合物である。
ゾルは、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含み得る。ゾルが、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランの加水分解生成物を含むと、テトラアルコキシシランのトリアルコキシシランに対するモル比は、好ましくは１：１〜０．４５：０．５５である。前述の比率のアルキルトリアルコキシシランとテトラアルコキシシランとの組み合わせを使用すると、ゲル中の望ましい架橋度が最終的に得られることがわかった。好ましくは、テトラアルコキシシランは、テトラメトキシオルトシリケート及びテトラエトキシオルトシリケートから選択され、トリアルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランから選択される。
あるいは又はさらに、ゾルは、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド及びハフニウムアルコキシドのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含んでもよい。このような金属アルコキシド誘導ゾルゲル系を用いて、比較的短いインプリント時間で、高品質のパターン化層を得ることができる。
塩基は、例えば、トリエタノールアミンを含む。このアミンは、インプリント温度、すなわち、１５℃〜１２０℃で比較的低い蒸気圧（２０℃で＜１．３Ｐａ）を有し、これは、アミンの蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する酸、例えばギ酸と組み合わされると、インプリント中に組成物が塩基性化され、これにより、インプリント時間が短縮することを意味する。
あるいは又はさらに、塩基は、アルコキシシリル官能化アミンを含んでもよく、ゾルゲル組成物は、アルコキシシリル官能化アミンと、上記のシリコンテトラアルコキシド及び／又はアルコキシシランの加水分解生成物との縮合生成物を含む。アルコキシシリル官能化アミンは、好ましくはアミノプロピルトリエトキシシランである。このようにポリマー構造に塩基を組み込むことによって、塩基の蒸気圧を極めて低くすることができる。酸の蒸気圧が、インプリント温度で十分に高い場合、組成物はインプリント中に塩基性化され、これにより、前述のように、インプリント時間が短縮される。
酸は、式１で表される化合物及び式２で表される化合物のうちの少なくとも１つを含み得る。
式中、Ｒ１は、水素、メチル、又はプロピルである。
式中、Ｒ２及びＲ３は、水素及びＣ１−Ｃ３アルキルから個々に選択される。
式１で表される化合物に関して、この化合物は、塩基と可逆的に反応して塩を形成し、これにより、インプリント温度において、平衡は、組成物からの酸の蒸発によって、酸及び塩基の側に移動する。この点で、ギ酸（Ｒ１＝Ｈ）の蒸気圧は、２０℃で４６００Ｐａであり、酢酸（Ｒ１＝Ｍｅ）の蒸気圧は、２０℃で１５００Ｐａであり、プロピオン酸（Ｒ１＝Ｅｔ）の蒸気圧は、２０℃で３９０Ｐａである。インプリント温度、すなわち、１５℃〜１２０℃でのこれらの化合物の比較的高い蒸気圧は、インプリント中のそれらの蒸発の助けになる塩基の蒸気圧がインプリント温度で十分に低い場合、組成物はインプリント中に塩基性化され、これにより、前述のように、インプリント時間が短縮される。
式２で表される化合物についても同様の考察が適用される。２つのカルボニル炭素間の炭素は、酸性プロトンを有する。例えば、水溶液中のアセチルアセトン（Ｒ２＝Ｒ３＝Ｍｅ）のｐＫａは、２５℃で約９（イオン強度＝０）であり、アセチルアセトンの蒸気圧は、２０℃で９２０Ｐａである。
ゾルは、好ましくは、上述の線状オリゴマーがゾルから相分離しないように、すなわち、溶解したままであるように選択される溶媒を含み得る。溶媒は、オリゴマーの時期尚早な相分離を引き起こす可能性があるので、基板上への組成物堆積中に溶媒が著しく蒸発するのを回避するのに十分に低い蒸気圧を有する。時期尚早な相分離は、例えば組成物の均一な堆積が問題になることから、インプリントプロセスによって形成される構造の品質を低下させる可能性がある。したがって、ゾルは、アルコール、好ましくは１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノール及び１−メトキシ−２−プロパノールのうちの少なくとも１つを含み得る。あるいは又はさらに、ゾルは、ゾルの形成中に加水分解に関与する水を含んでもよい。
別の態様によれば、前述の組成物を形成するためのキットが提供される。キットは、酸及びゾルを含む第１の成分と、塩基を含む第２の成分とを含む。
前述のように、酸性条件は、ゾルの貯蔵寿命の点で有益である。キットの第１の成分は、酸及びゾルを含み、したがって、例えば、キットの貯蔵及び輸送を可能にする貯蔵寿命を有する。インプリント方法で使用する前に、第１の成分を、塩基を含む第２の成分と組み合わせて、ゾルゲルインプリント用組成物が利用可能にされる。あるいは、第２の成分を、第１の成分の層を形成する最後の段階の間に添加しても、インプリントステップの直前に第１の成分の層上にコーティングしてもよい。
さらに別の態様によれば、パターン化層を提供する方法が提供される。方法は、上記組成物を提供するステップと、組成物の層を形成するステップと、層がインプリント中に塩基性化されるように、１５℃〜１２０℃のインプリント温度で、パターン化されたスタンプで層をインプリントするステップとを含む。方法は、インプリントの後に、パターン化スタンプを除去するステップと、任意選択的に、パターン化スタンプを除去した後に、パターン化層を７０℃〜４００℃の温度で加熱するステップとをさらに含んでもよい。このさらなる加熱ステップは、パターン化層のさらなる硬化をもたらすことができる。
さらに別の態様によれば、上記の方法から得られるパターン化層を含む光学素子が提供される。光学素子は、例えば、回折格子又は回折光学素子である。特に、光学素子は、レンズ、光散乱素子、コリメータ、入力（in-coupling）素子、導波路、リング共振器などのフォトニックデバイス、波長フィルタ、又は振幅変更器であってもよい。
さらなる態様によれば、上記の方法から得られるパターン化層を含むエッチングマスクが提供される。エッチングマスクは、例えば、湿式エッチング及び乾式エッチングの両方、例えば、反応性イオンエッチングプロセスと適合可能である。
実施形態は、添付の図面を参照して、より詳細に、かつ、非限定的な例として説明される。
本発明は、図面を参照して説明される。
詳細な説明及び具体例は、装置、システム、及び方法の例示的な実施形態を示しているが、例示のみを目的としたものであり、本発明の範囲を限定することを意図したものではないことを理解されたい。本発明の装置、システム、及び方法のこれら及び他の特徴、態様、及び利点は、以下の説明、添付の特許請求の範囲、及び添付の図面からより良く理解されるのであろう。図面は概略的なものに過ぎず、縮尺通りに描かれていないことを理解されたい。また、特に断らない限り、同じ又は類似の部分を示すために、図面全体にわたって同じの参照符号が使用されることを理解されたい。
本発明の実施形態は、基板コンフォーマルインプリントリソグラフィ（ＳＣＩＬ）などのインプリント技術によってパターン化層を形成するためのゾルゲルインク組成物を提供する。当該技術では、パターン表面、典型的にはμｍ及び／又はｎｍ寸法の特徴のパターンを有する表面を有するスタンプがこのようなインク組成物と接触させられる。誤解を避けるために、本コンテキストにおける用語「インプリント」は必ずしも、パターンが付けられたスタンプが基板の表面上に形成された組成物の層上にプレスされることだけを意味するものではないことに留意されたい。「インプリント」という用語の意味は、パターン付きスタンプの露出したパターン上への組成物の直接塗布もさらに含む。これは、図面を参照して以下にさらに説明される。
本コンテキストにおける用語「インク」は、本インプリント用組成物を、基板とは異なる色のパターンを生成するのに適したものに限定するものとみなされるべきではなく、したがって、インプリント用組成物の光吸収特性は、用語「インク」によって限定されない。
ゾルゲルインプリント用インク組成物は、ゾルと、インプリント温度でのインプリント中に組成物のゲル化を促進するための添加剤とを含む。組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜７のｐＨを有する。添加剤は、プロトン酸とプロトン受容塩基との可逆的反応生成物である。インプリント温度において、酸の蒸気圧は塩基の蒸気圧よりも高く、これにより、インプリント中に、組成物中の塩基の濃度が、組成物中の酸の濃度に対して増加して組成物は塩基性化される。
一実施形態では、インプリント温度は、２０℃〜６０℃など、１５℃〜１２０℃である。好ましくは、インプリント温度は２０℃〜５５℃である。
一実施形態では、ゾルは、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含む。例えば、ゾルは、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランの加水分解生成物を含む。このような系のゾルゲル化学的構造を、例示を目的とするに過ぎない反応スキームＩに示す。反応スキームＩに示す種々の反応は、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、又はハフニウムアルコキシド前駆体から誘導されるものような他のゾルゲル系に類似している。
ゾルゲル系を形成する反応において、酸又は塩基の存在下で反応スキームＩに示すような反応ステップを経るアルコキシシランが使用され得る。反応スキームＩは、酸触媒反応を示す。アルコキシシランは加水分解される。その後に、架橋無機ネットワークが形成される、２つの加水分解されたアルコキシシラン間の縮合反応（水縮合反応）又は加水分解されたアルコキシシランと未反応のアルコキシシランとの間の縮合反応（アルコール縮合反応）が続く。架橋の程度は、アルコキシシラン、ｐＨ、反応温度、水比及び共溶媒の適切な選択によって制御され得る。
ゾルが、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランの加水分解生成物を含むと、テトラアルコキシシランのトリアルコキシシランに対するモル比は、好ましくは１：１〜０．４５：０．５５である。前述の比率のアルキルトリアルコキシシランとテトラアルコキシシランとの組み合わせを使用すると、ゲル中の望ましい架橋度が最終的に得られることがわかった。好ましくは、テトラアルコキシシランは、テトラメトキシオルトシリケート及びテトラエトキシオルトシリケートから選択され、トリアルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランから選択される。あるいは又はさらに、ゾルは、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド及びハフニウムアルコキシドのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含んでもよい。
ゾルゲルインプリント用インク組成物は、例えば、ゾル中に分散されたナノ粒子をさらに含む。このようなナノ粒子は、遷移金属酸化物ナノ粒子、例えば、チタニアナノ粒子であってもよく、これは、屈折率の高いパターン化層をもたらす。光学的用途には、屈折率の高いパターン化層が望ましい。インプリント中の組成物の塩基性化は、組成物のナノ粒子凝集挙動を変え、架橋形成及び硬化を誘導し得る。あるいは、ゾルゲルインプリント用インク組成物は、このようなナノ粒子を含まなくてもよい。ゾルゲルインプリント用インク組成物は、例えば、層形成及びインプリントの前に完全に溶解されていてもよい。
組成物のｐＨの尺度を得るために、組成物のサンプルが、等容量の脱イオン水と混合される。つまり、組成物のサンプルと脱イオン水との容量比は１：１である。得られた混合物のｐＨは、常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定される。例えば、この目的のために、適切な較正されたｐＨプローブを使用することができる。ｐＨを測定する別の信頼できる手段、例えばｐＨ滴定は、当業者に知られている。組成物のｐＨは、例えば、適切な量の酸及び塩基を使用することによって、４〜７の測定範囲に調整される。当業者によって容易に理解されるように、ｐＨを調節するために、酸のｐＫａ及び塩基の共役酸のｐＫａが考慮される。
本発明は、この方法を用いて測定したｐＨが４〜７となるように組成物のｐＨを調整することにより、インプリントに適した組成物の層を形成するために適切な特性、例えば粘度を有する組成物が得られるという認識に部分的に基づいている。このｐＨはまた、例えば、この方法を用いて測定したｐＨが７より大きい組成物と比較して、組成物の貯蔵寿命を延ばすことがわかっている。
いかなる特定の理論にも束縛されることを望まないが、このｐＨは、線状オリゴマーがゾル中に存在するように制御される縮合反応をもたらし得る。線状オリゴマーは、例えば、２〜２０の重合度を有する。
好ましくは、組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜６、例えば４．５〜５．５のｐＨを有する。組成物が上述の方法を使用して測定されて６〜７のｐＨを有すると、ネットワーク形成の程度はより低く、これにより、基板表面上に最初に形成された組成物の層の脱濡れ（dewetting）が生じ、インプリント中の最終架橋は、例えば、上述の方法を使用して測定されて４〜６又は４．５〜５．５のｐＨを有する組成物と比較して、より長くかかる。
４〜７のｐＨ範囲は、組成物の貯蔵寿命、及び高密度のパターン化層を形成するための基板へのその適用性に関して利点を有するが、このようなｐＨは、縮合反応、すなわち、ゲル形成をもたらす縮合反応が、比較的ゆっくりと進行することを意味する。パターン化層に損傷を引き起こすことなくスタンプを除去できる程度まで架橋が起こるためには、例えば、塩基性ゾルゲル組成物のインプリント時間に比べて長いインプリント時間が必要となる。
しかしながら、塩基性条件は、ゾル中に３次元的に架橋されたオリゴマーの望ましくない形成を促進する。このような架橋オリゴマーから形成された固化層は、（プロセス後）収縮しやすい。インプリント前に塩基性であるゾルを含むゾルゲルインプリント用インク組成物は、多孔率が比較的高いパターン化層をもたらし、これは、機械的及び光学的特性が劣る密度の低いパターン化層をもたらす。
しかしながら、３次元ネットワーク、すなわち、ゲルの形成が必要とされるときは、インプリントの間、塩基性条件が望ましい。インプリント温度、例えば、１５℃〜１２０℃において、塩基の蒸気圧に対して酸の蒸気圧が高いことは、インプリント中に、組成物中の塩基の濃度が組成物中の酸の濃度が増加することを意味し、これは、インプリント中の層の塩基性化を可能にする。層の塩基性化、すなわち、ｐＨが７を超えて上昇することは、３次元ネットワーク形成に有利である。インプリントに必要な時間、すなわち、スタンプを除去できるような十分なゲル化及び硬化に必要な時間は、例えば塩基を含まない組成物と比較して、相応に短縮される。
ゾルゲル組成物中で起こる縮合重合（重縮合）反応は、典型的には可逆反応であり、これは、浸透性スタンプを用いた組成物のインプリント中に平衡の重縮合側にシフトされる。これは、縮合生成物の形成時に放出される反応生成物、例えば水又はアルコールの一部が、スタンプ材料中への／を通る拡散によって及び蒸発によって反応部位から離れるように運ばれ、これにより、逆（加水分解又はアルコール分解）反応を嫌うことによる。酸は、インプリント中にスタンプ内に拡散することもある。インプリントの間のこのような反応生成物ならびに酸の除去は層中の塩基の濃度を増加させ、それによって層の塩基性化を促進し、したがってゲル化及び硬化を促進するのにさらに役立つ。
３次元ネットワークの形成が塩基性条件下で好ましいことは、上記から明らかであろう。インプリント中に層から溶剤が除去されるため、比較的高い多孔性、すなわち低密度の層を避けることができる。塩基性条件は例えば、反応スキームＩに示すように、平衡を縮合に向かわせ、さらなるアルコール及び水を放出し、これは、これらの分子の濃度がスタンプよりも層において高いことにより、スタンプによって迅速に吸収される。両方の効果、すなわち、増大した縮合速度及び反応生成物の除去は、酸性又は中性インプリント条件と比較して、より速い固体材料の形成をもたらし、スタンプがより短い時間で除去されることを可能にする。
したがって、ゾルゲルインプリント用インク組成物は、Ｐｈｉｌｉｐｓ ＳＣＩＬ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ ＳｏｌｕｔｉｏｎｓからのＡｕｔｏＳＣＩＬ（商標）ボリューム生産シリーズ機械などの自動ナノインプリント工作機械器具設備において、より高いスループットを可能にすることができる。
さらに、ゾルゲルインプリント用インク組成物は、実施例を参照して説明されるように、適切に高密度のパターン化層を提供する。また、本実施形態によるゾルゲルインプリント用インクを使用すると、スタンプ寿命が向上される。さらに、ゾルゲルインプリント用インクは、異なる基板の表面化学の変動や、周囲相対湿度、共溶媒の存在、及びゾルゲル層の塗布からスタンプが層に当てられるまでの臨界時間などの他のパラメータの変動に対してあまり敏感ではない。
組成物は、プロトン酸及びプロトン受容塩基の両方を含む。しかしながら、前述のように、ゾルゲルインプリント用インク組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜７のｐＨを有する。これは、酸及び塩基が、酸及び塩基の塩と平衡にあることを意味する。したがって、添加剤は、酸、塩基、ならびに酸及び塩基の塩の平衡混合物であるとみなされる。つまり、インプリント中の組成物のゲル化を促進するための添加剤は、酸と塩基との可逆的な反応生成物であるとみなされる。酸及び塩基への塩の加水分解は、インプリント温度、例えば１５℃〜１２０℃で有利であり、これにより、インプリント中に、酸が蒸発し、塩基が層を塩基性化させる。
塩基は、例えば「弱塩基」であり、これは、塩基が水溶液中で完全には解離しないことを示す。水溶液中の塩基の共役酸のｐＫａは、例えば、２５℃で３〜１１の範囲である（イオン強度＝０）。塩基は、例えば、アミンを含むか又はアミンからなり、これは、水溶液中のアミンの共役酸のｐＫａは上述の範囲内であり得るからである。
一実施形態では、塩基は、トリエタノールアミンを含む。特定の例では、塩基は、トリエタノールアミンからなる。トリエタノールアミンは、インプリント温度、すなわち、１５℃〜１２０℃で比較的低い蒸気圧（２０℃で＜１．３Ｐａ）を有し、これは、塩基の蒸気圧よりも高い蒸気圧を有する酸、例えばギ酸と共に使用されると、組成物はインプリントの間に塩基性化されることを意味し、これにより、前述のように、インプリント時間が短縮される。
トリエタノールアミンのようなアミン塩基は、ゾルゲル組成物との適合性から適切であり、コーティング及びインプリントの間に組成物から相分離しない。このような塩基はまた、比較的毒性が低く、貯蔵寿命が長い。重要なことに、トリエタノールアミンのようなアミン塩基は、ＰＤＭＳスタンプを劣化させず、ＰＤＭＳにおける塩基の吸収は最小限であり、これにより、上述のように、層の塩基性化及びインプリント時間の短縮に役立つ。塩基は、好ましくは、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｒｂ、Ｃｓ、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａを含まない。これは、パターン化層が相補型金属−酸化物−半導体（ＣＭＯＳ）プロセスと適合することを保証するためである。
あるいは又はさらに、塩基は、アルコキシシリル官能化アミンを含んでもよく、ゾルゲル組成物は、アルコキシシリル官能化アミンと、上記のシリコンテトラアルコキシド及び／又はアルコキシシランの加水分解生成物との縮合生成物を含む。アルコキシシリル官能化アミンは、好ましくはアミノプロピルトリエトキシシランである。このようにポリマー構造に塩基を組み込むことによって、塩基の蒸気圧を極めて低くすることができる。酸、例えばギ酸の蒸気圧がインプリント温度で十分に高い場合、組成物はインプリント中に塩基性化され、これにより、前述のように、インプリント時間が短縮される。
酸は、例えば「弱酸」であり、これは、酸が水溶液中で完全には解離しないことを示す。つまり、酸は完全には、すなわち、不可逆的に脱プロトン化されない。水溶液中の酸のｐＫａは、例えば、２５℃で２〜１０の範囲である（イオン強度＝０）。
酸及び塩基は、インプリント温度で可逆的に反応するように選択される。これには、当業者に直ちに明らかであるように、酸のｐＫａ及び塩基の共役酸のｐＫａ、すなわち、酸のプロトン供与及び塩基によるプロトン受容に対応するそれぞれの平衡定数の考慮を伴う。
インプリント温度において、酸の蒸気圧は、塩基の蒸気圧よりも高い。酸及び塩基のそれぞれの蒸気圧の値自体は、酸及び塩基が、他の成分、この場合では、ゾルゲル組成物の他の成分の存在下にあるときは異なり得る。しかしながら、酸の蒸気圧自体が塩基の蒸気圧自体よりも高いことを保証することによって、組成物中においても酸の蒸気圧が塩基の蒸気圧よりも高いことが保証される。例えば、酸の蒸気圧自体は、２０℃で３００Ｐａよりも高く、塩基の蒸気圧自体は、２０℃で１０Ｐａよりも低い。
ＡＳＴＭ Ｅ１１９４−１７に、純正液体又は固体化合物の蒸気圧を測定するための手順が記載されている。１×１０−１１〜１００ｋＰａ（約１０−１０〜７６０トル）の蒸気圧を測定することができる単一の技術はない。ＡＳＴＭ Ｅ１１９４−１７の主題は、１×１０−１１〜１ｋＰａ（約１０−１０〜１０トル）の蒸気圧を測定することができるガス飽和である。アイソテニスコープ及び示差走査熱量測定（ＤＳＣ）などの他の方法は、０．１ｋＰａを超える蒸気圧を測定するのに適している。試験法Ｄ２８７９には、１×１０−１〜１００ｋＰａ（約１〜７６０トル）の液体の蒸気圧を測定するためのアイソテニスコープ（標準）法がある。試験法Ｅ１７８２では、２×１０−１〜１００ｋＰａ（約１〜７６０トル）の蒸気圧を測定するためのＤＳＣ（標準）法がある。
一実施形態では、酸及び塩基のそれぞれの蒸気圧のパーセンテージ差、すなわち、（酸の蒸気圧（自体）−塩基の蒸気圧（自体）／酸の蒸気圧（自体））＊１００は、少なくとも５０％、例えば７０％超、例えば９０％超である。
酸は、式１で表される化合物及び式２で表される化合物のうちの少なくとも１つを含み得る。
式中、Ｒ１は、水素、メチル、又はプロピルである。
式中、Ｒ２及びＲ３は、水素及びＣ１−Ｃ３アルキルから個々に選択される。
式１で表される化合物に関して、この化合物は、塩基と可逆的に反応して塩を形成し、これにより、インプリント温度において、平衡は、組成物からの酸の蒸発によって、酸及び塩基の側に移動する。この点で、ギ酸（Ｒ１＝Ｈ）の蒸気圧は、２０℃で４６００Ｐａであり、酢酸（Ｒ１＝Ｍｅ）の蒸気圧は、２０℃で１５００Ｐａであり、プロピオン酸（Ｒ１＝Ｅｔ）の蒸気圧は、２０℃で３９０Ｐａである。インプリント温度、すなわち、１５℃〜１２０℃でのこれらの化合物の比較的高い蒸気圧は、インプリント中のそれらの蒸発の助けになる。塩基の蒸気圧がインプリント温度で十分に低い場合、組成物はインプリント中に塩基性化され、これにより、前述のように、インプリント時間が短縮される。
式２で表される化合物についても同様の考察が適用される。２つのカルボニル炭素間の炭素は、酸性プロトンを有する。例えば、水溶液中のアセチルアセトン（Ｒ２＝Ｒ３＝Ｍｅ）のｐＫａは、２５℃で約９（イオン強度＝０）であり、アセチルアセトンの蒸気圧は、２０℃で９２０Ｐａである。
ゾルは、好ましくは、上述の線状オリゴマーがゾルから相分離しないように、すなわち、それらが溶解したままであるように選択される溶媒を含み得る。溶媒は、オリゴマーの時期尚早な相分離を引き起こす可能性があるので、基板上へのインク堆積中に溶媒が著しく蒸発するのを回避するのに十分に低い蒸気圧を有する。時期尚早な相分離は、例えばインクの均一な堆積が問題になることから、インプリントプロセスによって形成される構造の品質を低下させる可能性がある。したがって、ゾルは、アルコール、好ましくは１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノール及び１−メトキシ−２−プロパノールのうちの少なくとも１つを含み得る。
あるいは又はさらに、ゾルは、ゾルの形成中に加水分解に関与する水を含んでもよい。水は、例えば、組成物中の金属／半金属（例えばシリコン）１モル当たり５〜２０モルの量で含まれる。例えば、水は、アルコキシ基１モル当たり１モルの量で組成物中に含まれる。水分含有量がこの範囲内で選択されると、特に望ましいオリゴマー化特性が得られることがわかった。
好ましい実施形態では、ゾルは、水−アルコール混合物中のテトラメトキシオルトシリケート（ＴＭＯＳ）及びメチルトリメトキシシラン（ＭＴＭＳ）の反応生成物を含む。酸は、好ましくは、ギ酸、酢酸及びプロピオン酸のうちの１つ以上であり、塩基は、アミン塩基、特にトリエタノールアミン（ＴＥＡ）及び／又はアミノプロピルトリエトキシシラン（ＡＰＴＥＳ）である。
一実施形態では、本発明のインク又は組成物は、表Ｉに特定される範囲から選択される組成物を有する。表Ｉにおいて、重量パーセンテージ（ｗｔ％）が参照される場合、これは、特に明記しない限り、組成物の総重量に対するものである。
ゾルゲル前駆体、プロトン酸、水、及び溶媒は、酸加水分解を行うために組み合わされる。続いて、塩基を加水分解混合物に添加する。
一実施形態では、ゾルゲルインプリント用インク組成物は、キットとして供給される。キットは、酸及びゾルを含む第１の成分と、塩基を含む第２の成分とを含む。前述のように、酸性条件は、ゾルの貯蔵寿命の点で有益である。キットの第１の成分は、酸及びゾルを含み、したがって、例えば、キットの貯蔵及び輸送を可能にする貯蔵寿命を有する。インプリント方法で使用する前に、第１の成分を、塩基を含む第２の成分と組み合わせて、ゾルゲルインプリント用インク組成物が利用可能にされる。あるいは、第２の成分を、第１の成分の層を形成する最後の段階の間に添加しても、インプリントステップの直前に第１の成分の層上にコーティングしてもよい。
パターン化層を提供する方法は、上述のゾルゲルインプリント用インク組成物を提供するステップと、組成物の層を形成するステップと、層がインプリント中に塩基性化されるように、１５℃〜１２０℃のインプリント温度でパターン化スタンプで層をインプリントするステップとを含む。
形成するステップは、例えば、基板上へのスピンコーティング、インクジェッティング、スプレーコーティングなどを伴う。スピンコーティングは、実質的に均一な厚さの層として具体的に言及される。例えば２０ｎｍ〜１μｍの層が実現される。
方法は、インプリント後にパターン化スタンプを除去するステップと、任意選択的に、パターン化スタンプを除去した後に、パターン化層を７０℃〜４００℃の温度で加熱するステップとをさらに含んでもよい。この追加の加熱ステップは、パターン化層のさらなる硬化をもたらすことができ、その間にさらなる重縮合反応が起こるか、及び／又は、揮発性成分、例えばアルコール及び水がパターン化層から蒸発する。
次に、上述の１つ以上の実施形態によるインプリント用インク組成物を使用してパターン化層を形成する方法の実施形態を、当該方法を概略的に示す図１を用いて説明する。
ステップＡにおいて、パターン２２を有する主表面を有するエラストマースタンプ２０のための支持体として基板１０が提供される。パターン２２の特徴は、典型的にはμｍ又はｎｍの寸法、すなわち、そのような寸法の幅及び高さを有する。パターン２２は、任意の適切なやり方で、例えば、それ自体はよく知られているように、少なくとも、マスターモールド内にエラストマースタンプ２２のパターン表面を作成することによって、形成される。エラストマースタンプ２０は、好ましくは、インプリント用インク組成物の標的成分がスタンプ材料内に拡散することができるように透過性であり、任意の適切なエラストマー材料、例えば、ＰＤＭＳなどのポリシロキサンや、ＰＦＰＥ（アクリロキシペルフルオロポリエーテル）などの低ヤング率を有する又は水、アルコール及び溶媒に対して適切に高い透過性を有する別のゴム様スタンプ材料から作られてよい。例えば、適当なヤング率は、２〜１００ＭＰａの範囲内にある。誤解を回避するために、報告されているヤング率は、ＡＳＴＭ Ｄ１４１５−０６（２０１２）規格に準拠した標準硬度試験によって、この規格によって規定された条件下で、ゴム材料に硬質ボールを浸透させることによって決定されていることに留意されたい。エラストマースタンプ２０は、バルク材料から作られても、層状に作り上げられてもよい。エラストマースタンプ２０は、ステップＡに示されるように、パターン表面が露出するように基板１０上に置かれる。この目的のために、任意の適切な基板１０、例えば、ガラス基板、シリコン基板などの半導体基板、サファイアなどが使用されてもよい。
ステップＢにおいて、非限定的な例として、ブレーディング、プリンティング、又はスピンコーティングなどの任意の適切な堆積技術を使用して、一実施形態によるインプリント用インク組成物３０をエラストマースタンプ２０のパターン２２上に堆積させる。前述したように、インプリント用インク組成物３０とエラストマースタンプ２０との間の相互作用は、環境への溶媒の蒸発に加えて、１つ以上の溶媒及び／又は酸のエラストマースタンプ材料内への拡散、及び酸の蒸発により、インプリント用インク組成物３０のゲル化を開始し、これにより、前述したように、層が硬化される。
オプションのステップＣにおいて、この段階で、基板１０は、エラストマースタンプ２０の吸収能力を増加するように発泡体１５に置き換えられる。これは、インプリント用インク組成物３０からスタンプリザーバ内に拡散する成分が、発泡体１５の多孔質構造内にさらに貯蔵され得ることによる。発泡体は、開放細孔構造を有するので好ましい。この目的のために、任意の適切なタイプの発泡体、例えばポリウレタン発泡体を使用することができる。あるいは、スタンプの吸収能力は、より多くの溶媒を吸収する異なる材料の層を組み込むことによって、又はガラスのような非透過性バックプレート材料がより透過性のあるポリマー又は穿孔プレートによって置き換えられるＳＣＩＬスタンプレイアウトを使用することによって調整することができる。
ステップＤは、光学体、例えばライトガイドなどの本体４０がインプリント用インク組成物３０上に置かれる別のオプションのステップである。これは、例えば、インプリント用インク組成物３０から形成されたパターン化層が本体４０上の光学層として使用される光学素子１００を提供するために使用される。例えば、パターン化層は、本体４０内に結合されたライトからの光出力を成形するために、本体４０上の屈折層又は出力（out-coupling）層として作用する。パターン化層５０を形成するために、インプリント用インク組成物３０を硬化させることによって、パターン化層５０は、例えば、ステップＥに示されるような光学素子１００を生成するために、本体４０に接着される。
パターン２２と接触している間のインプリント用インク組成物３０の硬化は、１５℃〜１２０℃のインプリント温度で行われてよい。インプリント時間は、１０秒程度の短い期間であってもよい。より長いインプリント時間、例えば最大６０分も考えられるが、このような時間は、上述のインプリント温度での組成物３０の急速な硬化を考慮すると、不必要に長い。任意選択で、インプリント用インク組成物３０に、さらなる刺激、例えば、ＵＶ放射などの光学刺激を与えてもよい。これは、例えば、インプリント用インク組成物３０が、ゾルに加えて重合性成分を含む場合に有利である。
少なくともいくつかの実施形態では、硬化したインプリント層からエラストマースタンプ２０を解放する前又は後に、硬化したインプリント層を、例えば硬化したインプリント層から残留揮発性化合物（例えば、溶媒）を解放して、この層をさらに高密度化するために、高温で（後）硬化ステップに供してもよい。例えば、硬化したインプリント層は、約７０〜４００℃で後硬化される。後硬化のために、任意の適切な期間が企図されるが、パターン化層が形成された基板（又は他の層）が長時間の加熱によって損傷する可能性がある場合、長時間は避けるべきである。後硬化期間は、例えば、最大で約１５分である。
図２は、例示的な実施形態による光学素子１００を含む照明デバイス２００を概略的に示す。光学素子１００は、ここではライトガイドであり、いくつかのソリッドステート照明素子２１０（例えばＬＥＤ）に光学的に結合されている。光学的結合は、ソリッドステート照明素子２１０によって放出された光がライトガイド本体４０内に結合され、インプリント用インク組成物３０から形成されたパターン化層５０の方へ向けられることを保証し、パターン化層５０によって、ライトガイド本体４０の中を進む光がライトガイド本体４０から出力される。ソリッドステート照明素子２１０は、例えば白色ＬＥＤ、青色ＬＥＤ、緑色ＬＥＤなど、任意の適切な色又は色の組み合わせのＬＥＤであってよい。
一実施形態例では、照明デバイス２００は、パターン化層５０が、平行光ビームを生成するために、ライトガイド本体４０を出る光を集中させる（平行にする）投影デバイスである。これは、例えば、この目的のために一般的に使用される複合放物面集光器と比較して、特にコンパクトなコリメータをもたらす。投影デバイスは、原色の光ビームを生成するための複数のモジュールを含み、これらの光ビームは投影レンズ上で組み合わされて、それ自体はよく知られているように、色画像が生成される。このようなモジュールのうちの少なくとも１つが、平行光ビームを生成するために、光学素子１００を含んでいてもよい。一実施形態では、光学素子１００は、例えば、青色ＬＥＤからの光を緑色光に変換（例えば、約４５０ｎｍから約５００ｎｍに変換）するための波長変換素子としてさらに構成される。あるいは、照明デバイス２００は、光学素子１００がライトガイドとして作用し、任意選択的に、波長変換素子としてさらに作用する光ロッドを形成してもよい。
光学素子１００の多くの他の実施形態も同様に実現可能であることを理解されたい。図３は、例えば、光学素子１００が、ソリッドステート照明チップ又はパッケージ３１０（例えばＬＥＤチップ又はパッケージ）と光学的に結合している、例えば物理的に接触している別の実施形態を概略的に示す。ここでは、光学素子１００は、電球などの照明デバイス３００をもたらすように、レンズ素子又はコリメータとして構成されている。
光学素子１００は、他のタイプのデバイス、例えば、他のタイプの電子デバイスに集積されてもよい。例えば、光学素子１００は、光学素子１００が例えば光学センサの集光層として使用される光センサの一部を形成する。
あるいは、光学素子１００は、太陽電池又はソーラーパネルなどの光起電デバイスの一部を形成してもよい。光起電デバイスは、典型的には光を電気に変換するための１つ以上の光起電電池を含む。このようなデバイスでは、光学素子１００は、例えば１つ以上の光電池の入力（in-coupling）層、例えば、光トラッピング層として作用する平坦なシリコン基板のパターン化層として使用される。このような光トラッピング層は、例えばＳｐｉｎｅｌｌｉらによってＡｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、１０２、２３３９０２（２０１３）に説明されているように、それ自体知られており、したがって、簡潔にすることのみを目的として、これ以上詳細には説明しない。誤解を避けるために、この引用文献におけるようなパターン化された光トラッピング層（反射防止コーティング）は、本発明の実施形態によるインプリント用インク組成物及びインプリント方法を用いた単一ステッププロセスで製造することができることに留意されたい。
繰り返しになるが、光学素子１００は、前述の実施形態に限定されず、適切に寸法決めされたパターン化層５０が所定の様式で光と相互作用するために使用され得る任意の実施形態を考慮することができる。このような光学素子の例としては、レンズ、光散乱素子、コリメータ、入力（in-coupling）素子、導波路、リング共振器などのフォトニックデバイス、波長フィルタ、振幅変更器などが挙げられる。他の実施形態は、当業者には明らかであろう。さらに、光学素子１００は、照明デバイス、例えば、光学素子が入力デバイスとして使用されてもよい、電子デバイス、ソーラーパネルのような環境発電デバイスなどに一体化されてもよいことに留意されたい。
図４に、本発明の方法の別の実施例を概略的に示す。ステップＡにおいて、任意の適切な基板、例えば、シリコン基板、ＳｉＧｅ基板、シリコンオンインシュレータ基板、ＧａＡｓ基板などの半導体基板であってよい基板１０が、本発明の一実施形態によるインプリント用インク組成物３０の層で覆われる。インプリント用インク組成物３０は、任意の適切なやり方で、例えば、スピンコーティング、インクジェット、スプレーコーティングなどによって塗布することができるが、スピンコーティングは、このやり方で実質的に均一な厚さの層を実現することができると具体的に言及する。さらに、インクジェットプリント及びその後のインプリントは、毛管力によって、例えば、液滴を分配した後の極性溶媒の表面張力によって、ならびにスタンプの下に、均一な層をもたらすようにインプリント用インク材料を再分配させて、均一な層をもたらす。
パターン２２を有する主表面を有するエラストマースタンプ２０が、硬化性インプリント用インク組成物３０にインプリントされ、これにより、ステップＢに示されるように、パターン２２をこの層に転写する。パターン２２の特徴は、典型的にはμｍ又はｎｍの寸法、すなわち、そのような寸法の幅及び高さを有する。パターン２２は、任意の適切なやり方で、例えば、それ自体はよく知られているように、少なくとも、マスターモールド内にエラストマースタンプ２２のパターン表面を作成することによって、形成される。エラストマースタンプ２０は、好ましくは、透過性であり、任意の適切なエラストマー材料、例えば、ＰＤＭＳなどのポリシロキサンや、ＰＦＰＥ（アクリロキシペルフルオロポリエーテル）などの低ヤング率を有する又は水、アルコール及び溶媒に対して適切に高い透過性を有する別のゴム様スタンプ材料から作られてよい。エラストマースタンプ２０は、バルク材料から作られても、様々なヤング率の層状に作り上げられてもよい。
次に、ステップＣに示すように、インプリント用インク組成物３０のインプリント層は硬化される。これは、任意選択で、前述したように、熱及び／又はＵＶ放射などの刺激を与えることを含み得る。
インプリント用インク組成物３０のインプリント層における重合反応が完了すると、エラストマースタンプ２０は、ステップＤにおいて、この層から解放され、基板１０上にはパターン化層５０が残され、パターン化層は、重縮合反応によって形成されたネットワークのためにその形状を保持する。パターン化層５０は、前述したように、例えば、残存している溶媒を除去するために、熱に晒されることによって、さらに高密度化することができる。
図４に概略的に示される方法は、パターン化層５０から作り上げられる３次元構造を形成するために使用されてもよい。このような３次元構造は、図５に示すように、パターン化層５０上に犠牲平坦化材料６０を堆積させ、必要に応じて、例えばエッチング又は研磨によって余分な材料を除去することによって、パターン化層５０を充填又は平坦化することによって生成することができる。犠牲平坦化材料６０は、好ましくは、熱分解性材料であり、熱分解性ポリマー（ＴＤＰ）などの任意の適切な熱分解性材料とすることができる。ＴＤＰの非限定的な例は、ポリノルボルネン又はポリスチレンである。あるいは、犠牲平坦化材料６０は、特定の溶媒に溶解可能であってもよい。一般に、本発明の一実施形態による硬化性インプリント用インク組成物３０から形成されたパターン化層５０を損傷することなく、形成された多層構造から選択的に除去できる任意の犠牲平坦化材料６０を使用できる。
図６に、このような３次元構造を製造する方法の非限定的な例を示す。ステップＡにおいて、前述したように、基板又はキャリア１０上に平坦化層７０が形成される。平坦化層３０のパターン化層部分５０は、図４に示す方法に従って硬化性インプリント用インク組成物３０を使用するインプリントリソグラフィ（基板コンフォーマルインプリントリソグラフィ、ＳＣＩＬ）によって生成することができる。パターン化層５０は、図５を用いて説明したように、犠牲充填材料６０で充填される、すなわち、平坦化される。ステップＢにおいて、一実施形態による硬化性インプリント用インク組成物３０の次の層が、ステップＡの平坦化層７０の上に、任意の適切なやり方で、例えば、スピンコーティング、分配、又はドクターブレーディングによって塗布される。
ステップＢで堆積された硬化性インプリント用インク組成物３０は、続いて、ステップＣに示すように、適切にパターン化されたエラストマースタンプ２０を基板１０に対して位置合わせした後、スタンプによって、その後エンボス加工される。ステップＣでは、基板１０に対するスタンプ２０のインプリント配向は、第１のパターン化層５０を形成するために使用されるインプリント配向に対して９０°回転されている。他の配向回転角度も同様に実現可能であることが理解されるであろう。
硬化性インプリント用インク組成物３０は、続いて、例えば図４に示されるように、固化（高密度化）され、ステップＤに示されるように、さらなるパターン化層５０’が形成される。当然ながら、さらなるパターン化層５０’の形成は、パターン化されたエラストマースタンプ２０の除去後に、すなわち、前述のように、重合反応を完了することによって、完了される。パターン化されたエラストマースタンプ２０を除去すると、ステップＡの平坦化層７０上にさらなるパターン化層５０’が残る。新しく形成されたパターン化層５０’は、ステップＥに示されるように、再び平坦化されてさらなる平坦化層７０’を形成し、その後、ステップＢ〜Ｅを繰り返すことによってさらなる層を形成することができる。パターン化層５０、５０’のパターン化部分の高さは、追加の処理ステップを使用して、例えば反応性イオンエッチングによって低減することができる。
犠牲平坦化材料６０は、例えば、適切な溶媒に犠牲平坦化材料６０を溶解することによって、又は熱分解によって、後に除去することができ、これにより、ステップＦに示されるような積層構造の形態の光学デバイス４００がもたらされる。インプリント用インク組成物３０は、犠牲平坦化材料６０を溶解するために必要とされるほとんどの溶媒に耐えることができ、さらに、６００℃又は１０００℃までの高温にも耐えることができるので、この方法での適用に特に適している。したがって、ＴＤＰなどの熱分解性化合物の形態の犠牲平坦化材料６０とともに使用するのに特に適している。
前述の実施形態のいずれにおいても、例えば、基板１０上の層がインプリント構造をマスクとして使用してパターン化されたときに、例えば基板１０から残留インプリント構造を除去しなければならない場合がある。インプリント構造は、任意の適切なエッチング技術、例えば、反応性イオンエッチングによって除去することができる。
以下の非限定的な実施例によって、本発明をより詳細に説明する。
実施例１：酸性化ゾルの調製
水（６．５７ｇ）及び酢酸（０．０６ｇ）中のＴＭＯＳ（７．９４１ｇ）及びＭＴＭＳ（７．１０７ｇ）の溶液が調製され、混合物の温度を２０℃未満に保った。続いて、加水分解を２０℃で３０〜１２０分間行った。加水分解後、水（１０．３３ｇ）及び１−プロパノール（１００．５６ｇ）を添加して、酸性化ゾルを形成した。
水（６．５７ｇ）及び酢酸（０．０６ｇ）中のＴＭＯＳ（７．９４１ｇ）及びＭＴＭＳ（７．１０７ｇ）の溶液が調製され、混合物の温度を２０℃未満に保った。続いて、加水分解を２０℃で３０〜１２０分間行った。加水分解後、水（１０．３３ｇ）及び１−プロパノール（１００．５６ｇ）を添加して、酸性化ゾルを形成した。
実施例２：酸性化ゾルゲルインプリント用インクの調製
実施例１で調製した酸性化ゾル（１００ｇ）に、１−プロパノール（８４ｇ）と１−ブタノール（１６ｇ）を添加して、酸性化ゾルゲルインプリント用インクを調製した。インプリント用インクを、−３０℃〜−２０℃の間で少なくとも２０時間保存することによって平衡化させた。このインプリント用インクのｐＨは、組成物のサンプルを等容量の脱イオン水と混合し、得られた混合物のｐＨを常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定することによって測定したところ、４．５〜５．５であった。固形分は、２．５重量％であった。
実施例１で調製した酸性化ゾル（１００ｇ）に、１−プロパノール（８４ｇ）と１−ブタノール（１６ｇ）を添加して、酸性化ゾルゲルインプリント用インクを調製した。インプリント用インクを、−３０℃〜−２０℃の間で少なくとも２０時間保存することによって平衡化させた。このインプリント用インクのｐＨは、組成物のサンプルを等容量の脱イオン水と混合し、得られた混合物のｐＨを常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定することによって測定したところ、４．５〜５．５であった。固形分は、２．５重量％であった。
実施例３〜９：塩基を含む酸性化ゾルゲルインプリント用インク組成物の調製
実施例１で調製した酸性化ゾルゲルインプリント用インクに、ＡＰＴＥＳ又はＴＥＡを添加して、塩基を含む７つの酸性化ゾルゲルインプリント用インク組成物を調製した（表ＩＩ）。塩基は、インプリント用インク組成物の０．１〜１重量％の量で添加した。塩基の添加によるｐＨの上昇を補償するために、追加のギ酸を使用して、ｐＨを、組成物のサンプルを等容量の脱イオン水と混合し、得られた混合物のｐＨを常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定することによって測定して４〜６に調整した。ＴＥＡのギ酸に対するモル比は、１：４であった。この比は、ｐＨを４〜６に調整可能にする点で最適であることが見出された。ＡＰＴＥＳのギ酸に対するモル比は、１：１〜２：１であり、これはｐＨの４．５〜５．５への調整を可能にした。
実施例１で調製した酸性化ゾルゲルインプリント用インクに、ＡＰＴＥＳ又はＴＥＡを添加して、塩基を含む７つの酸性化ゾルゲルインプリント用インク組成物を調製した（表ＩＩ）。塩基は、インプリント用インク組成物の０．１〜１重量％の量で添加した。塩基の添加によるｐＨの上昇を補償するために、追加のギ酸を使用して、ｐＨを、組成物のサンプルを等容量の脱イオン水と混合し、得られた混合物のｐＨを常温常圧（ＮＴＰ）、すなわち、２０℃及び１ａｔｍで測定することによって測定して４〜６に調整した。ＴＥＡのギ酸に対するモル比は、１：４であった。この比は、ｐＨを４〜６に調整可能にする点で最適であることが見出された。ＡＰＴＥＳのギ酸に対するモル比は、１：１〜２：１であり、これはｐＨの４．５〜５．５への調整を可能にした。
実施例２のインプリント用インク及び実施例３〜９のインプリント用インク組成物を、それぞれ、１０００ｒｐｍで１５秒間、シリコン基板上にスピンコーティングした。次に、１０〜４０秒以内にＳＣＩＬスタンプを用いてスピンコート層をインプリントした。これは、優れた毛管湿潤を有するスタンプ−レジスト接触線をもたらすことが見出された、すなわち、スタンプは毛管力によってレジスト中に引き込まれた。
表ＩＩに、組成物を、それらの最小インプリント時間、すなわち、スタンプをパターン化層を損傷することなく除去できる程度まで架橋が起こるのに必要とされる時間を示す。室温（ＲＴ、約２０℃）での貯蔵寿命も定性的に評価した。例えば、７〜１０日の貯蔵寿命とは、この時間の後、毛管湿潤が依然として満足のいくものであることを意味し、これは、スタンプがレジスト内に引き込まれ、接触線の前の空気を変位させるように毛管力が十分に強いことを意味する。
ＲＴでは、実施例２の塩基を含まないインプリント用インクのインプリント時間は、１５〜３０分であった。５０℃では、インプリント時間は、１０〜１５分であった。この変動は、主に、周囲の相対湿度レベルの変動によるものである。
表ＩＩから、実施例３〜９のインプリント用インク組成物は、はるかに短いインプリント時間を用いて成功裏にインプリントされたことが分かる。これは、コーティング及びインプリント中のギ酸（及び溶媒）の蒸発によるものであり、前述のように、ＴＥＡ又はＡＰＴＥＳによる層の塩基性化をもたらす。塩基性化層におけるゲル化は、実施例２のインプリント用インクの場合よりも急速に起こる。
上記の方法を用いて測定されるｐＨを４〜７に調整すると、インプリント用インク組成物中の架橋が制御されることが見出された。シリカ固形分に対して１重量％のＴＥＡを実施例２のインプリント用インクに添加した場合、レジストのｐＨは、７より大きく、最大で７．５と測定された。この場合、測定されたｐＨを４〜７に調整するために、追加の酸は使用されなかった。直ちに使用した場合、このインプリント用インク組成物は、５〜１５秒の最小インプリント時間を示した。しかしながら、組成物の貯蔵寿命は優れておらず、インプリントは、塩基の添加後２〜４時間の組成物を用いてもはや行うことができなかった。これは、組成物がスピンコーティング後に既にあまりにも架橋されていたという事実によるものであった。これはまた、架橋速度に対する塩基性化の効果を実証する。
ＲＴ、７５℃、１５０℃、２００℃及び３００℃で硬化（ポストアニーリング）された実施例２及び６のインプリント層を使用して、ＶＡＳＥ（登録商標)Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｅｒ（Ｊ．Ａ．Ｗｏｏｌｌａｍ Ｅｌｌｉｐｓｏｍｅｔｒｙ Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ）を用いて波長可変角度分光偏光解析測定を行った。図７は、実施例６のインプリント層から作製された硬化層の屈折率対波長を示す。図８は、実施例２のインプリント層から作製された硬化層の屈折率対波長、ならびにインプリントのみを行った後の層のプロット（図８に「ＲＴインプリント」と示す）を示す。
２００℃及び３００℃での後硬化後の硬化層を比較すると、実施例６（図７）の本発明のインク組成物を使用して形成された層の屈折率は、比較的低い蒸気圧の塩基を含まない実施例２（図８）のインクから作製された層と比較して高いことが明らかである。屈折率が高いほど、パターン化層は高密度であり、したがって、パターン化層の細孔が少なくなる。従って、これらの実施例は、本発明のインプリント用インク組成物が、多孔率の低いパターン化層をもたらすことを実証し、これは、前述のように、揮発性塩基によって提供されるゲル化の制御によるものである。
また、Ｐｈｉｌｉｐｓ ＳＣＩＬ Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ ＳｏｌｕｔｉｏｎｓのＡｕｔｏＳＣＩＬ（商標）２００ｍｍ工作機械器具設備を用いてスタンプの寿命試験を行った。大量生産のためには、スタンプの寿命は非常に重要である。スタンプの変更は、ダウンタイムを導入し、追加のスタンプはコストを増加させるからである。シリカ固形分に対して０．３７５重量％のＡＰＴＥＳ、及び１：１のＡＰＴＥＳ：ギ酸比を有する、表ＩＩのインプリント用インク組成物を使用して、いくつかのスタンプを上述の工作機械器具設備に通した。３つのスタンプは、性能の顕著な劣化なしに７００以上のインプリントに達した。１つのスタンプは、性能の顕著な劣化なしに１２００のインプリントに達した。スタンプは、〜１５０ｎｍのピッチ上で＜５０ｎｍの特徴を複製し、ＳＥＭ及び光学測定によって、特徴は、（光学的方法を介して）最初の１０のプリントまでは同一、±０．５ｎｍ以内であることが検証された。
開示された実施形態に対する他の変形は、図面、開示、及び添付の特許請求の範囲の検討から、特許請求された発明を実施する際に当業者によって理解され、実施されることができる。特許請求の範囲において、単語「含む」は、他の要素又はステップを排除するものではなく、単数形は、複数を排除するものではない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に記載されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示すものではない。特許請求の範囲におけるいかなる参照符号も、範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。
Claims (15)
- ゾルと、
１５℃〜１２０℃のインプリント温度でのインプリント中にインプリント用組成物のゲル化を促進するための添加剤であって、プロトン酸とプロトン受容塩基との可逆反応生成物である、添加剤と、
を含む、インプリント用組成物であって、
前記インプリント用組成物は、等容量の脱イオン水と混合されて２０℃及び１ａｔｍで測定されると、４〜７のｐＨを有し、前記インプリント温度において、前記プロトン酸の蒸気圧は、前記プロトン受容塩基の蒸気圧よりも高く、これにより、インプリント中の前記インプリント用組成物の塩基性化を可能にする、
インプリント用組成物。 - 前記ゾルは、トリアルコキシシラン及びテトラアルコキシシランのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含む、請求項１に記載のインプリント用組成物。
- 前記ゾルは、前記トリアルコキシシラン及び前記テトラアルコキシシランの加水分解生成物を含み、前記テトラアルコキシシランの前記トリアルコキシシランに対するモル比は、１：１〜０．４５：０．５５である、請求項２に記載のインプリント用組成物。
- 前記テトラアルコキシシランは、テトラメトキシオルトシリケート及びテトラエトキシオルトシリケートから選択され、前記トリアルコキシシランは、メチルトリメトキシシラン及びメチルトリエトキシシランから選択される、請求項２又は３に記載のインプリント用組成物。
- 前記ゾルは、チタンアルコキシド、ジルコニウムアルコキシド、及びハフニウムアルコキシドのうちの少なくとも１つの加水分解生成物を含む、請求項１に記載のインプリント用組成物。
- 前記プロトン受容塩基は、トリエタノールアミンを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のインプリント用組成物。
- 前記プロトン受容塩基は、アルコキシシリル官能化アミンを含み、前記ゾルゲル組成物は、前記加水分解生成物と前記アルコキシシリル官能化アミンとの縮合生成物を含み、任意選択的に、前記アルコキシシリル官能化アミンは、アミノプロピルトリエトキシシランである、請求項２から４のいずれか一項に記載のインプリント用組成物。
- 前記プロトン酸は、下記式１
- 前記ゾルは、アルコールを含み、前記アルコールは、１−プロパノール、２−プロパノール、１−ブタノール、２−ブタノール、ｔ−ブタノール及び１−メトキシ−２−プロパノールのうちの少なくとも１つである、請求項１から８のいずれか一項に記載のインプリント用組成物。
- 前記ゾルは、水を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のインプリント用組成物。
- 前記プロトン酸及び前記ゾルを含む第１の成分と、
前記プロトン受容塩基を含む第２の成分と、
を含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のインプリント用組成物を形成するためのキット。 - パターン化層を提供する方法であって、
請求項１から１０のいずれか一項に記載のインプリント用組成物を提供するステップと、
前記組成物の層を形成するステップと、
インプリント中に前記層が塩基性化されるように、１５℃〜１２０℃のインプリント温度で、パターン化スタンプを用いて前記層をインプリントするステップと、
を含む、方法。 - 前記インプリントするステップ後に、前記パターン化スタンプを除去するステップと、前記パターン化スタンプを除去した後に、７０℃〜４００℃の温度で、パターン化された前記層を加熱するステップとを含む、請求項１２に記載の方法。
- 請求項１２又は１３に記載の方法から得られるパターン化層を含む、光学素子であって、
前記光学素子は、レンズ、光散乱素子、コリメータ、入力素子、導波路、リング共振器などのフォトニックデバイス、波長フィルタ、又は振幅変調器である、
光学素子。 - 請求項１２又は１３に記載の方法から得られるパターン化層を含む、エッチングマスク。
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