JP5002207B2 - パターンを有する構造体の製造方法 - Google Patents
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Description
これらの手法のうち、例えば、フォトリソグラフィーは特許文献1に、電子線露光は特許文献2に、X線露光は特許文献3に、ナノインプリントリソグラフィーは特許文献4等に開示されている。
そのため、安価に大量生産をする必要のある場合には、X線露光用や紫外線露光用やプレスモールド用のマスクを直描技術等で精密に作製する。そして、フォトリソグラフィーやナノインプリントリソグラフィーで短時間に一括してパターンを形成するという手法が主流になっている。
しかしながら、これらのいずれの手法においても形成できる構造のサイズには限界がある。現在、最も微細な構造を作製することが出来る電子線露光においても、φ10nmの単一ドットを形成することはできるが、これをピッチ20nm以下に配列することは困難である。
また、上記した従来例のアルミニウム等の陽極酸化法や、分子自己組織構造を利用したボトムアップ手法による微細構造の形成法では、規則的な繰り返し構造を大面積に形成するには適しているが、任意の構造を形成することは困難である。
本発明のパターンを有する構造体の製造方法は、
熱可塑性材料である被加工層のパターン形成領域に、表面に凹凸構造を有するスタンパをプレスし、熱転写で第1のパターンを形成する第1のパターン形成工程と、
前記第1のパターンを形成した際のパターン形成領域と前記スタンパとの相対的な位置を移動させ、前記スタンパを前記パターン形成領域の少なくとも一部にプレスし、熱転写で第2のパターンを形成する第2のパターン形成工程と、
を有し、
前記凹凸構造は、格子状に配列された構造を備え、
前記第2のパターンは、前記スタンパにより形成された第1のパターンの格子配列のユニットセルの重心点の位置に形成され、
前記第1のパターンの凹部の深さと前記第2のパターンの凹部の深さとがほぼ等しくなるように、前記第1パターンを第1の温度のもとで形成し、前記第2パターンを前記第1の温度よりも低い第2の温度のもとで形成することを特徴とする。
また、本発明のパターンを有する構造体の製造方法は、
前記凹凸構造の格子状の配列が、四角格子状の配列であり、
前記第2のパターンが、前記スタンパにより形成された第1のパターンの四角格子配列のユニットセルにおける四角形の重心点の位置に形成されることを特徴とする。
また、本発明のパターンを有する構造体の製造方法は、前記凹凸構造の格子状の配列が、三角格子状の配列であり、
前記第2のパターンが、前記スタンパにより形成された第1のパターンの三角格子配列のユニットセルにおける三角形の重心点の位置に形成され、
更に、第3のパターンが、前記第1のパターンの前記三角形における前記第2のパターンが形成されていない重心点の位置に形成されることを特徴とする。
また、本発明のパターンを有する構造体の製造方法は、前記第1パターンを第1の圧力のもとで形成し、前記第2パターンを前記第1の圧力よりも高い第2の圧力のもとで形成することを特徴とする。
また、本発明のパターンを有する構造体の製造方法は、前記第1パターンを第1の時間かけて形成し、前記第2パターンを前記第1の時間よりも長い第2の時間かけて形成することを特徴とする。
本実施の形態では、例えば支持基板上に熱可塑性樹脂からなる被加工層を形成し、被加工層に同一のスタンパで複数回プレスを行うパターンを有する構造体の製造方法を構成することができる。
これによって、スタンパの凹凸構造よりも更に微細なパターンを形成することが可能となる。
この方法においては、まず、上記被加工層内のパターン形成領域に、表面にナノメートルスケールの構造体からなる凹凸構造を有するスタンパをプレスして第1のパターンを形成する。
次に、同じスタンパを用いて、上記第1のパターンを形成した際におけるスタンパとパターン形成領域との相対的な位置を移動させ、上記被加工層内のパターン形成領域の少なくとも一部に、スタンパを再度プレスして第2のパターンを形成する。
これにより、上記第1のパターンと上記第2のパターンとによる、スタンパの凹凸構造よりも更に微細なパターンを形成することができる。
なお、熱可塑性材料を用いた場合には、熱可塑性材料とスタンパを熱して硬度を低下させ、スタンパをプレスし、冷却した後にスタンパを剥離すると、低圧で且つより良い凹凸構造の転写を行うことができる。
また、以上の方法では、第1のパターンと第2のパターンによる2回のパターン形成が行われているが、更に複数回のパターン形成を行っても良い。
また、以上の方法では、複数回のプレスによるパターンは、互いに重なり合わない位置に形成される。
例えば、スタンパの凹凸構造が四角格子状に配列した周期Aの凸構造体である場合、第2のパターンをプレスする位置が第1のパターンの四角格子配列のユニットセルを成す四角形の重心点であるよう調整する。
これにより、第1のパターンと第2のパターンにより形成されるパターンは、周期がA’(=A/√2)の四角格子状配列となるパターンを形成することが可能となる(図1参照)。
その際、位置調整は、被加工層内に設けたアライメントマークで行っても良いし、ピエゾステージ上に被加工層を配置することで行っても良い。
また、スタンパの凹凸構造が三角格子状に配列したナノスケールの周期Bの凸構造体である場合、第2のパターンをプレスする位置と更に第3のパターンをプレスする位置とを、つぎのように調整する。
すなわち、第2のパターンをプレスする位置が第1のパターンの三角格子配列のユニットセルを成す三角形の重心点であるよう調整する。更に、第3のパターンをプレスする位置が第1のパターンの三角形において第2のパターンが形成されていない重心点であるよう調整する。
これにより、第1と第2と第3のパターンから形成されるパターンは、周期がB’(=B/√3)の三角格子状配列となるパターンを形成することが可能となる(図3参照)。
例えば、第1のプレスと第2のプレスを同じ温度・圧力・保持時間で行うと、第1のプレスによる凹凸構造の深さは、第2のプレス後には浅くなる。
そのため、本実施の形態では、第1と第2のプレスによる凹凸構造の形状を等しくする場合には、第2のプレス条件を第1のプレス条件よりも低温で、或いは低温且つ高圧(プレス圧力)、或いは低温且つ高圧且つ長保持時間(プレス時間)で行う、等の方法を用いることができる。
[実施例1]
実施例1においては、本発明を適用した正方配列のパターンを有する構造体の製造方法について説明する。
図1に、本実施例におけるパターンを有する構造体の製造方法を説明する図を示す。
本実施例においては、Siからなる支持基板上に、熱可塑性樹脂であるポリメチルメタクリレート(以下、PMMAと記す)を、厚さ200nmになるようスピンコート法で形成し、被加工層とする。
一方、スタンパ1として、ニッケル(Ni)材料の表面に、直径100nm・高さ200nmの円柱状の凸構造2がピッチ300nm(=スタンパの凹凸構造の周期A)の正方格子状に配列した構造のものを、フォトリソグラフィにより作製する(図1(a))。
なお、複数回のパターン形成をする時、パターンが重なり合わないためには、この円柱状凸構造の直径は、周期に対して小さいことが望ましい。
PMMAとスタンパ1を120℃に加熱し、圧力1tonf/cm2でスタンパを押付けたまま1分間保持し、その後に60℃に冷却してスタンパ1を剥離する。この領域をパターン形成領域とする。
これにより、パターン形成領域には、凸構造2に対応した第1のパターンの凹構造3が形成される(図1(b))。
ここで、スタンパ1をプレスすると、第2のパターンの凹構造4が形成され、第1と第2のパターンにより形成されるパターンは、周期がつぎのような四角格子状配列となるパターンを形成することができる。
すなわち、第1のパターンとは配列方向は45度異なり、周期がA’(複数回プレス後に形成される凹凸構造の周期A’)(=A/√2=212nm)の四角格子状配列となるパターンを形成することができる(図1(c))。
実施例2においては、実施例1とは異なり、第2のパターンを形成する条件を第1のパターンの形成条件と変える場合の製造方法について説明する。
図2に、本実施例におけるパターンを有する構造体の製造方法を説明する図を示す。
本実施例において、第1のパターンの形成条件は実施例1と同様である。
ここで、第2のパターンを形成する条件を、実施例1のように第1のパターンの形成条件と同じ120℃、1tonf/cm2、1分保持で行うと、つぎのような不都合が生じる場合がある。
すなわち、図2(a)に図示するように、第1のパターンの凹構造3が、再度加熱され且つ周囲から圧力が加わるために、図2(b)のように深さが浅いパターン形状となる。
また、第2のパターンは図2(a)の第1のパターンの凹構造3と同じ形状のものが形成される。そのため、第1のパターンの凹構造3と第2のパターンの凹構造4の形状を等しくするには、第1と第2のパターンの形成条件を変える必要がある。
これにより、第1のパターンがやや浅くなるのと同時に、形成される第2のパターンも第1のパターンの初期形状よりは浅くなるため、ほぼ同じ深さにすることが可能となる。この第2のパターンの形成条件の温度を更に下げる場合には、プレス圧力を高くしたり、あるいは保持時間を長くしたりすること、等により調整することが可能である。
実施例3においては、三角格子配列のパターンを有する構造体の製造方法について説明する。
図3に、本実施例におけるパターンを有する構造体の製造方法を説明する図を示す。
本実施例において、スタンパ1は、ニッケル(Ni)材料の表面に、直径100nm・高さ200nmの円柱状の凸構造2がピッチ300nm(=スタンパの凹凸構造の周期B)の三角格子状に配列した構造のものが用いられる(図3(a))。
まず、本発明の実施例1と同様に第1のパターンの凹構造3を形成する(図3(b))。
次に、第2のパターンの凹構造4を形成する位置が第1のパターンの三角格子配列のユニットセルを成す三角形の重心点であるよう調整し、パターンを形成する(図3(c))。
更に、第3のパターンをプレスする位置が第1のパターンの三角形において第2のパターンが形成されていない重心点であるよう調整する。
これにより、第1と第2と第3のパターンから形成されるパターンは、周期が173nm(=複数回プレス後に形成される凹凸構造の周期B’=B/√3)の三角格子状配列となるパターンを形成することができる(図3(d))。
例えば、スタンパとして、ニッケル(Ni)材料の表面に、直径50nm・高さ150nmの円柱状の凸構造を備えた構造のもの、あるいはSi材料の表面に、直径50nm・高さ150nmの円柱状の凸構造を備えた構造のもの、等であってもよい。
2:凸構造
3:第1のパターンの凹構造
4:第2のパターンの凹構造
5:スタンパの凹凸構造の周期A
6:複数回プレス後に形成される凹凸構造の周期A’
7:スタンパの凹凸構造の周期B
8:複数回プレス後に形成される凹凸構造の周期B’
9:第3のパターンの凹構造
Claims (5)
- パターンを有する構造体の製造方法であって、
熱可塑性材料である被加工層のパターン形成領域に、表面に凹凸構造を有するスタンパをプレスし、熱転写で第1のパターンを形成する第1のパターン形成工程と、
前記第1のパターンを形成した際のパターン形成領域と前記スタンパとの相対的な位置を移動させ、前記スタンパを前記パターン形成領域の少なくとも一部にプレスし、熱転写で第2のパターンを形成する第2のパターン形成工程と、
を有し、
前記凹凸構造は、格子状に配列された構造を備え、
前記第2のパターンは、前記スタンパにより形成された第1のパターンの格子配列のユニットセルの重心点の位置に形成され、
前記第1のパターンの凹部の深さと前記第2のパターンの凹部の深さとがほぼ等しくなるように、前記第1パターンを第1の温度のもとで形成し、前記第2パターンを前記第1の温度よりも低い第2の温度のもとで形成することを特徴とするパターンを有する構造体の製造方法。 - 前記凹凸構造の格子状の配列が、四角格子状の配列であり、
前記第2のパターンが、前記スタンパにより形成された第1のパターンの四角格子配列のユニットセルにおける四角形の重心点の位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載のパターンを有する構造体の製造方法。 - 前記凹凸構造の格子状の配列が、三角格子状の配列であり、
前記第2のパターンが、前記スタンパにより形成された第1のパターンの三角格子配列のユニットセルにおける三角形の重心点の位置に形成され、
更に、第3のパターンが、前記第1のパターンの前記三角形における前記第2のパターンが形成されていない重心点の位置に形成されることを特徴とする請求項1に記載のパターンを有する構造体の製造方法。 - 前記第1パターンを第1の圧力のもとで形成し、前記第2パターンを前記第1の圧力よりも高い第2の圧力のもとで形成することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のパターンを有する構造体の製造方法。
- 前記第1パターンを第1の時間かけて形成し、前記第2パターンを前記第1の時間よりも長い第2の時間かけて形成することを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のパターンを有する構造体の製造方法。
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