JP4328153B2 - ナノメートル又はマイクロメートルの寸法を有する三次元構造の作成方法 - Google Patents

Description

本発明は、ナノメートル又はマイクロメートルの寸法の三次元構造の作成方法に関する。

ある技術領域では、例えばチャンネルを形成するために、一定の幾何学的形状にしたがって整列配置された５００ミクロン以内の高さを有する表面突起を備えた構成要素が現在使用されている。

示された種類の三次元の表面構造によって特徴づけられた構成要素は、照明デバイス、マイクロメカニカルデバイスおよびマイクロ流体デバイスを作成するために、例えば、回折光学デバイス、医療デバイス、マイクロタービンなどを作成するために、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）で典型的に用いられる。

最先端技術では、あらかじめ形成されたパターンに従って整列配置されたナノメートル又はマイクロメートルの寸法の突起を備えた前述の表面は、機械加工のプロセスによって入手することができない。前記の三次元構造を得るために、多かれ少なかれ従来の写真平版技術は、所望の突起の高さおよびタイプに従って用いられる。

なし

この目的のために用いられた写真平版プロセスは、非常に複雑で高価である。写真平版プロセスの他の欠点は、それらが、表面突起の高さと近傍の表面突起からの距離との比率として理解された高いアスペクト比を備えた三次元構造を得ることを可能にしないということである。

本発明の目的は、写真平版の技術を用いて、入手可能なものに類似した特徴を有しているが、コストおよび複雑さを大きく低下させる三次元のナノメートル又はマイクロメートルの構造の作成を可能にする新方式を開示することである。

本発明によれば、上記及び他の目的は、ナノメートル又はマイクロメートルの寸法の三次元構造、特に一定の幾何学的形状に従って整列配置された５００ミクロン以内の高さを有する表面突起が表面から突出する、三次元構造を作成する方法によって達成される。その方法は、
離隔して配向可能なナノ粒子を含む光重合の又はＵＶの混合物を得るステップと、
各基板上に混合物の層を堆積するステップと、
上記層を紫外線に露光し、重合状態をリアルタイムで制御するステップと、
磁場及び／又は電場を印加して、層から表面突起を成長させるために、ナノ粒子を所望の配向又は位置決めをさせることを可能にするステップと、
混合物を重合するステップと、
を備えることを特徴としている。

本発明に係る方法の好ましい特徴は、不可欠な部分を形成するものとして理解される添付の請求項に開示されている。

本発明のさらなる目的、特徴および利点は、説明のためのものであって非限定的な例として単に提供された詳細な説明及び添付図面から明確になるであろう。

前に述べたように、本発明の基礎となる考えは、三次元のナノメートル又はマイクロメートルの構造を作成するために、磁場又は電場によって、離隔して配向可能なナノ粒子と結合された光重合体を用いるということである。

本発明によれば、光重合の又はＵＶの混合物において、１つ以上の配向可能な物質が導入されており、配向可能な物質は混合物自身を外力、特に電場または磁場の働きに敏感にさせるものである。前記の外部場は、所望の表面突起の高さへの成長を可能にし、かつそれらの幾何学的な様相の制御を改善するために、システムの外部で適切に調整される。

本発明の実施のために用いられたＵＶ混合物は、それ自身知られたタイプのものであり、アクリル酸塩のオリゴマーおよびモノマーによって構成されている。他方では、電場または磁場がある状態での配向可能性という特徴を備えた物質は、それ自身知られている、鉄流動体、電気流動体材料、液晶または磁気流動体材料によって構成される。

本発明が基にしている原理を模式的に説明するために、図１は、本発明に係る方法の中で用いられる混合物の光重合体のマトリックスにおけるマイクロ粒子１の模式図である。マイクロ粒子１は、配向可能なナノ粒子２（それらは本願でナノ磁石であると仮定される）を含んでいる。図２では、ナノ粒子１を含む光重合体の混合物Ｍは磁場のない状態で模式的に表わされる一方、図３では、同じ混合物Ｍが磁場のある状態で表わされている。図２と３との比較から明らかなように、適切に分極化された磁場を印加することによって、ナノ粒子１の所望の配向が、ナノ磁石２の存在によって得られる。

本発明によれば、２つの異なった操作方法が、得ようとしている表面突起のナノメートル又はマイクロメートルの寸法によれば、特に、およそ５０からおよそ５００ミクロンまでの表面突起の寸法を持ったマイクロメートルの構造を形成するために、およびおよそ５０ナノメートルから１ミクロンまでの表面突起の寸法を持ったナノメートルの構造を形成するために、使用可能であると考えられいる。

本発明に係る高いアスペクト比を備えた三次元のマイクロメートルの構造を生成するために用いられた方法は、次のステップを考えている。すなわち、
１）光重合の又はＵＶの混合物の中に配向可能なナノ粒子を可溶化するステップと、
２）粘稠液フィルムの形で２値のマスクまたはハーフトーン・マスク上にＵＶ混合物を堆積するステップと、
３）前述のマスクを通して混合物を紫外線に露光し、電場及び／又は磁場がある状態で、表面突起の所望の成長を決定するために、混合物の重合の状態を制御するステップと、
４）混合物を最終的に重合するステップと、
を備える。

操作のステップ１）および２）は、それ自身知られた技術を用いて実行され、本願には記載されていない。ステップ２で言及したマスクの作成についても同様である。

図４は、ステップ３を実行するために使用可能な装置の実施形態を示している。

図４では、参照符号１０は、紫外線ランプのような紫外線の一般的なソースを示す。その下流には、１１で示された赤外フィルタが設けられている。

参照符号１２、１３および１４は、それぞれ、第一のダイクロイックミラー、第二のダイクロイックミラーおよび黒いスクリーンを示している。構成要素１２、１３および１４は、１５で示された２値のマスクまたはハーフトーン・マスクであり、ランプ１０によって生成された紫外線のビームＦを方向づけるために用いられる。粘稠液フィルムの形の混合物Ｍが、それ自体知られた様相でマスク上に堆積される。

パソコン１６が、ランプ１０に加えて、電磁石１８の電源１７を制御するために操作され、電磁石１８の電源１７は、紫外線露光の間に混合物Ｍに電場または磁場を印加するためのものである。

紫外線によって混合物Ｍを重合させる制御システムは、異なった架橋度の領域で液体混合物Ｍの屈折率の変化と、電磁石１８によって生成された場の強度の変更をリアルタイムで与える。この目的のために、レーザー１９によって、マスク上に存在する格子の、および重合ステップでＵＶ混合物から成る格子の重ね合せに起因する回折の次数での強度の分布をリアルタイムで制御することが可能である。回折の次数の強度の前記の分布は、テレビカメラ２０によって検出され、マスク１５からの数センチメートルのところに位置している。

紫外線Ｆがマスク１５の格子を通り抜けて、光重合体の混合物Ｍの屈折率をやがて変化させるように、紫外線Ｆが調整される。この調整は、異なった強度によって照明された領域によって達成された架橋の異なった状態にリンクされる。

混合物Ｍは、酸素の抑止的な行動を防止するために、不活性な環境下で、紫外線Ｆと、電磁石１８によって生成された外部の磁場又は電場とに同時にさらされる。図４の例では、前記の不活性な環境は窒素を含むチャンバー２１によって提供される。

電磁石１８によって生成された外部場と、ビームＦおよびマスク１５の力線の整列配置による紫外線との組合せは、高いアスペクト比を備えた三次元構造を得ることができる。

図５は、紫外線と磁場の結合した効果を備えた三次元構造を形成するために用いられたマスクの場合の模式的な例示である。前記図では、番号１５は２値のマスクを示し、文字Ｍは光重合体と磁場ナノ粒子との混合物を示す。図５において、表面突起Ｒが形成されている。参照符号１８Ａは上部の磁場支持体を示す。また、Ｆは、紫外線のビームを示す。この場合、磁場支持体１８Ａは、図４の電磁石１８の機能を果たしている。

図６の場合には、その代りに、電場が、例えば電気流動体材料または液晶から成る混合物Ｍのナノ粒子の配向を得るために用いられる。この場合、２値のマスク１５と混合物Ｍとの間で、表面突起Ｒが形成され、ナノ粒子の配向に必要な電場を印加するために導電性のフィルム２２が設けられていることは注目されるべきである。

印加された外部場のタイプに関係なく、本願で提案された方法において、不均一な紫外線への露光によって、例えば、特別のあらかじめ形成されたパターンにしたがって入射強度の一部を吸収することができるハーフトーン・マスク１５の使用によって、高分子フィルムＭのいくつかの領域の最初の「膨潤」が得られる。

屈折率の変化をリアルタイムで制御することを結合された上記のタイプの照射は、暗い領域から明るい領域への材料の移動現象により表面突起Ｒを最初に成長させることで、最も明るい領域（つまり最も照明された領域）と最も暗い領域（つまり最も照明されていない領域）との間で高分子の格子の形成の際に不均一性を作成することができる。

表面突起Ｒに対する所望の高さおよび幾何学的な様相を達成するために、電場または磁場の印加によって、前述の照射領域がさらに「成長」することができる。上記方法で表面突起Ｒを形成した後に、混合物の最終的な重合を得るために、フィルムＭは十分な紫外線にさらされる。実施された実際的なテストから、紫外線と外部の磁場及び／又は電場のと組合せは、入手可能な表面突起の高さについての、そして三次元構造のアスペクト比についての明白な効果を作り出すことが分かっている。

その代りに、三次元のナノメートルの構造を生成するために用いられた方法は、
１）光重合体の混合物の中に配向可能なナノ粒子を可溶化するステップと、
２）透明基板上に、液体膜の形で混合物を堆積するステップと、
３）混合物を前重合するステップ、つまり紫外線への露光により液体混合物からゲルに変化させるステップと、
４）ナノメートルの先端によって、表面突起を成長させるステップと、
５）混合物を最終的に重合するステップとを備える。

この場合でも、操作のステップ１）および２）は、それ自身知られた技術を用いて実行され、従って本願中には記載されていない。ステップ２で言及された透明基板の作成についても同様である。

図７は、本発明に係る三次元のナノメートルの構造を形成するために用いられた装置の動作原理の模式図である。

図７では、参照符号３０は透明基板を示し、ナノ磁石を含む光重合体の混合物Ｍのフィルムがその上に堆積されている。前記堆積に続いて、紫外線のビームＦ１が生成される。図７の上部のａ）に記載されているように、それは透明基板３０を横断してフィルムＭに突き当たる。混合物を前重合すること、つまり液状からゼラチン状に変化することが得られる。

一旦、混合物がゲルに変化したならば、図７の中央部分のｂ）に記載されているように、磁場先端３１がフィルムＭの近傍に位置決めされる。ナノメートルの寸法（最終直径が２０〜３０ｎｍである）の先端３１は、シリコンで作ることができ、磁場フィルムで覆うことができる。各可動スライド３２に支持された先端３１の位置決めは、表面突起Ｒの生成のために、ソフトウェア（例えばパソコン）で制御される。このように、前記の原理に類似した原理にしたがって混合物Ｍの一部を形成するナノ磁石を上方へ引き寄せるために、フィルムＭは、パターンにしたがって、先端３１によって生成された磁場に局所的にさらされる。この場合でも、表面突起ＲがフィルムＭから先端３１の方向に成長していることが視認されている。

最後に、図７の下部のｃ）に記載されているように、先端自体の近傍に、ＵＶビームＦ２の焦点を合わせて、前に形成された三次元構造を架橋する、つまり、その最終的な重合を得るために、光ファイバー３３が先端３１を支えるアームに結び付けられている。

上述したことから、適切な方法でスライド３２を制御して先端３１及び光ファイバー３３を位置決めすることによって、様々なタイプの表面突起Ｒをどのように作成することができることは明白である。

図８〜１１は、単なる例として、上記方法で入手可能な表面突起Ｒのいくつかの可能な形態を表わしている。特に図８および９では、ポイント状の表面突起Ｒの場合が示される一方、図１０および１１では、連続的な表面突起Ｒの場合が示される。

上記説明から、本発明の特徴および利点が明らかになる。特に、電場または磁場と結び付けられて紫外線の影響下の架橋することのできる配向可能なナノ含有物を備えた特別の光重合体の混合物を利用することにより、ナノメートル又はマイクロメートルの寸法の三次元構造を作り出すための新しい方法が記載されている。

重合の状態を制御するための装置（それは本発明の不可欠な部分を形成する）は、ハイレベルな、高さ、精度、および得られた表面突起のアスペクト比の再現性を可能にする。

もちろん、本発明の原理を損なうことなく、構成の詳細および実施形態は、単に例として本願に記載され図示されるものを参照して変形される。

本発明に係る方法の中で用いられる光重合体の混合物のマイクロ粒子の模式図である。 外部磁場がない状態での、図１に示されたタイプのマイクロ粒子の挙動の模式図である。 外部磁場がある状態での、図１に示されたタイプのマイクロ粒子の挙動の模式図である。 本発明に係る三次元のマイクロメートルの構造を形成するために用いられた装置の模式図である。 図４の装置の一部分の第一の実施形態の模式図である。 図４の装置の一部分の第二の実施形態の模式図である。 本発明に係る三次元のナノメートルの構造を形成するために用いられた装置の動作原理の模式図である。 図７の装置を用いた第一例の模式平面図である。 図７の装置を用いた第一例の模式側面図である。 図７の装置を用いた第二例の模式平面図である。 図７の装置を用いた第二例の模式平面図である。

符号の説明

１ ナノ粒子
２ ナノ磁石
１０ ランプ
１５ マスク
１７ 電源
１８ 電磁石
１９ レーザー
１８Ａ 磁場支持体
２１ チャンバー
３０ 透明基板
３１ 先端部
３２ スライド
３３ 光ファイバー
Ｆ ビーム
Ｍ 高分子フィルム
Ｒ 突起

Claims (17)

1. a)離隔して配向可能なナノ粒子を含む光重合の又は紫外線重合の樹脂の混合物を得るステップと、
   b)各基板上に混合物の層を堆積するステップと、
   c)混合物を液体状態からゼラチン状態に変換することを得るために、前記混合物の層を紫外線に露光し、その屈折率を変えることにより混合物の重合を制御するステップと、
   d)混合物の層から表面突起を成長させるために、ナノ粒子を所望に位置決めすることのできる、磁場及び／又は電場を印加するステップと、
   e)混合物を重合するステップと、を備えることを特徴とする、一定の幾何学的形状に従って整列配置された５００ミクロン以内の高さを有する表面突起が突出する表面を有する三次元構造を作成する方法。
2. 前記混合物の層を紫外線に露光するステップは、磁場及び／又は電場を印加するステップが付随していることを特徴とする、請求項１記載の方法。
3. 前記混合物の層を紫外線に露光するステップ及び磁場及び／又は電場を印加するステップが、酸素がないという不活性な環境下で行われることを特徴とする、請求項１記載の方法。
4. 紫外線は、表面突起を作らなければならない領域に局在化されていることを特徴とする、請求項１記載の方法。
5. 紫外線は、２値のマスクまたはハーフトーン・マスクによって局在化されていることを特徴とする、請求項４記載の方法。
6. 紫外線で最も照明された混合物の層の領域と紫外線で最も照明されていない混合物の層の領域とが存するように、混合物の層はマスクを介して紫外線に露光され、それによって、紫外線で最も照明された混合物の層の領域と、紫外線で最も照明されていない混合物の層の領域との間での高分子格子の形成を不均一にさせることを特徴とする、請求項１記載の方法。
7. 前記樹脂の混合物の重合状態の制御は、異なった架橋度を備えた領域において混合物の層の屈折率の変化を検出し、その結果、磁場又は電場の強度を変更するものであることを特徴とする、請求項６記載の方法。
8. 前記混合物の層の近傍にある複数の軸（ｘ、ｙ、ｚ）で位置決め可能な磁気先端によって局所的磁場を印加するステップを備えることを特徴とする、請求項７記載の方法。
9. 前記磁気先端は、シリコンで作られており、磁性材料からなるフィルムで覆われることを特徴とする、請求項８記載の方法。
10. 混合物を液体状態からゼラチン状態に変換することは、磁場及び／又は電場を印加しない状態で、混合物を紫外線に露光することによって得られることを特徴とする、請求項１記載の方法。
11. 光重合の又は紫外線重合の樹脂の混合物は、アクリル酸塩のオリゴマーおよびモノマーを備えることを特徴とする、請求項１記載の方法。
12. 配向可能なナノ粒子は、鉄流動体、電気流動体材料、液晶および磁気流動体材料からなる群から選択されることを特徴とする、請求項１記載の方法。
13. 請求項１乃至１２の少なくとも１項の方法に従って得られて、一定の幾何学的形状に従って整列配置された５００ミクロン以内の高さを有している表面突起を備えることを特徴とする、固体の構成要素。
14. 少なくとも１つの表面を有し、その表面から、一定の幾何学的形状に従って整列配置された５００ミクロン以内の高さを有している表面突起が突出した固体の構成要素であって、磁場及び／又は電場によって離隔して配向可能なナノ粒子が添加された光重合体を用いることによって、少なくとも部分的に作られ、配向可能なナノ粒子の濃度は表面突起で大きいことを特徴とする固体の構成要素。
15. 光重合体はオリゴマー及びモノマーをベースにしていることを特徴とする、請求項１４記載の構成要素。
16. 配向可能なナノ粒子は、鉄流動体、電気流動体材料、液晶および磁気流動体材料からなる群から選択されていることを特徴とする、請求項１４記載の構成要素。
17. 請求項１乃至１２の少なくとも１項の方法を実行するための及び／又は請求項１３乃至１６の少なくとも１項の構成要素を得るための装置であって、
    離隔して配向可能なナノ粒子を含む光重合の又は紫外線重合の樹脂の混合物の層を堆積するための支持体と、
    紫外線を前記混合物の層に露光するための手段と、
    混合物を液体状態からゼラチン状態に変換することを得るために、混合物の屈折率の変化を制御して混合物の重合を制御するための手段と、
    混合物の層からの表面突起の成長を引き起こすために、ナノ粒子を所望に位置決めすることのできる磁場及び／又は電場を印加するための手段と、
    混合物の重合を行うための手段と、を備えることを特徴とする装置。

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