JP5488766B2 - 流体圧インプリント装置およびインプリント方法 - Google Patents
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Description
本発明は、型のパターンを被成形物に連続的に転写するためのインプリント装置およびインプリント方法に関する。
近年、マイクロオーダ、ナノオーダの超微細なパターンを形成する方法として、ナノインプリント技術が注目されている。これは、樹脂等の被成形物に微細なパターンを有する型を加圧して、当該パターンを被成形物に転写するものである（例えば、特許文献１参照）。このインプリント技術においては、転写面積の拡大を図るために、流体圧を利用したインプリント装置が考えられている（例えば、特許文献２参照）。
ここで、従来のインプリント装置においては、型と被成形物の間に存在する気体が転写時に気泡となり、転写不良を生じることがあった。そこで、前記特許文献２に記載のインプリント装置においては、型と被成形物の周りの雰囲気を減圧し、型と被成形物との間の気体を除去する脱気手段を設けている。
しかしながら、被成形物が、転写面積の大きいものやレンズの曲面のような非平面状のものである場合、単に脱気手段を設けるだけでは、型と被成形物の間に存在する気体を十分に除去できないことがあった。
そこで本発明では、型と被成形物との間の気体を確実に除去することができるインプリント装置およびインプリント方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明のインプリント装置は、型の成型パターンを被成形物に転写するためのものであって、前記型と前記被成形物を流体によって加圧するための加圧室を有する加圧部と、前記加圧部の圧力を受けた前記型および前記被成形物を支持するステージと、前記加圧室内の流体の圧力を調節する加圧手段と、前記型と前記被成形物の周りの雰囲気を減圧するための減圧室を有する減圧部と、前記減圧室内において、前記型と前記被成形物の間を離す離間手段と、を具備することを特徴とする。
この場合、前記離間手段によって前記型と前記被成形物の端部に形成された隙間に流体を噴射する流体噴射手段を具備する方が好ましい。
また、前記加圧部は、前記型又は前記被成形物と共に前記加圧室を構成する加圧室用筐体と、前記型又は前記被成形物との間を密閉する密閉手段と、前記加圧室用筐体と前記型又は前記被成形物との間を開閉する開閉手段と、で構成するか、あるいは、前記型又は前記被成形物と接触する面に配置された可撓性のある膜と、前記膜と共に前記加圧室を構成する加圧室用筐体と、から構成すれば良い。
また、前記型又は前記被成形物の温度を調節する温調手段や、前記被成形物に所定波長の光を照射する光照射手段を具備する場合もある。
また、本発明のインプリント方法は、型の成型パターンを被成形物に転写するためのものであって、型と被成形物を離間した状態で前記型と前記被成形物の周りの雰囲気を減圧する減圧工程と、前記型と前記被成形物の間を密接して閉じる密接工程と、前記型と前記被成形物の間を密接した状態で流体によって加圧する加圧工程と、を有することを特徴とする。
本発明のインプリント装置は、図１ないし図３に示すように、型100の成型パターンを被成形物200に転写するためのものであって、型100と被成形物200を流体によって加圧するための加圧室51を有する加圧部５と、加圧部５の圧力を受けた型100および被成形物200を支持するステージ２と、加圧室51内の流体の圧力を調節する加圧手段６と、型100と被成形物200の周りの雰囲気を減圧するための減圧室91を有する減圧部９と、減圧室91内において、型100と被成形物200の間を離す離間手段７と、で主に構成される。
なお、本明細書中で、型100とは、例えば「ニッケル等の金属」、「セラミックス」、「ガラス状カーボン等の炭素素材」、「シリコン」などから形成されており、その一端面（成型面）に所定のパターンを有するものを指す。このパターンは、その成型面に精密機械加工を施すことで形成することができる。また、シリコン基板等にエッチング等の半導体微細加工技術によって形成したり、このシリコン基板等の表面に電気鋳造(エレクトロフォーミング)法、例えばニッケルメッキ法によって金属メッキを施し、この金属メッキ層を剥離して形成したりすることもできる。また、インプリント技術を用いて作製した樹脂製の型を用いることも可能である。この場合、型は、被成形物の被成形面に対して可撓性のあるフィルム状に形成しても良い。もちろん型100は、微細パターンが形成できるものであれば材料やその製造方法が特に限定されるものではない。
また、型100に形成される成型パターンは、凹凸からなる幾何学的な形状のみならず、例えば所定の表面粗さを有する鏡面状態の転写のように所定の表面状態を転写するためのものや、所定の曲面を有するレンズ等の光学素子を転写するためのものも含む。また、成型パターンは、平面方向の凸部の幅や凹部の幅の最小寸法が１００μｍ以下、１０μｍ以下、２μｍ以下、１μｍ以下、１００ｎｍ以下、１０ｎｍ以下等種々の大きさに形成される。また、深さ方向の寸法も、１０ｎｍ以上、１００ｎｍ以上、２００ｎｍ以上、５００ｎｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上等種々の大きさに形成される。
また、被成形物200とは、例えば、熱可塑性樹脂や重合反応性基含有化合物類の重合反応（熱硬化、または光硬化）によって製造される樹脂を指す。
熱可塑性樹脂としては、環状オレフィン開環重合／水素添加体（ＣＯＰ）や環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）等の環状オレフィン系樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート、ビニルエーテル樹脂、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）やポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等のフッ素樹脂、ポリスチレン、ポリイミド系樹脂、ポリエステル系樹脂等を用いることができる。
重合反応性基含有化合物類の重合反応（熱硬化、または光硬化）によって製造される樹脂としては、エポキシド含有化合物類、（メタ）アクリル酸エステル化合物類、ビニルエーテル化合物類、ビスアリルナジイミド化合物類のようにビニル基・アリル基等の不飽和炭化水素基含有化合物類等を用いることができる。この場合、熱的に重合するために重合反応性基含有化合物類を単独で使用することも可能であるし、熱硬化性を向上させるために熱反応性の開始剤を添加して使用することも可能である。更に光反応性の開始剤を添加して光照射により重合反応を進行させて成型パターンを形成できるものでもよい。熱反応性のラジカル開始剤としては有機過酸化物、アゾ化合物が好適に使用でき、光反応性のラジカル開始剤としてはアセトフェノン誘導体、ベンゾフェノン誘導体、ベンゾインエーテル誘導体、キサントン誘導体等が好適に使用できる。また、反応性モノマーは無溶剤で使用しても良いし、溶媒に溶解して塗布後に脱溶媒して使用しても良い。
なお、被成形物200は、可撓性のあるフィルム状に形成したものや、シリコン等の無機化合物又は金属からなる基板上に層状に形成したものを用いても良い。また、被成形物200は、平面状のものに限られるものではなく、例えばレンズのような被成形面が曲面のものも含まれる（図５、図６参照）。
また、図１においては、ステージ２側に型100、加圧部５側に被成形物200が配置されているが、ステージ２側に被成形物200、加圧部５側に型100を配置しても構わない。
加圧部５は、型100と被成形物200を流体によって直接的又は間接的に加圧するための加圧室51を有するもので、例えば、型100又は被成形物200と共に加圧室51を構成する加圧室用筐体52と、型100又は被成形物200との間を密閉する密閉手段54と、加圧室用筐体52と型100又は被成形物200との間を開閉する開閉手段（図示せず）とで構成すれば良い。図３には、加圧室用筐体52と被成形物200とで加圧室51を構成した場合を示す。
加圧室用筐体52は、開口部を有する有底筒状に形成され、開口部を型100又は被成形物200によって閉じることにより、密閉された空間である加圧室51を構成するものである。この開口部は、少なくとも被成形物200に転写されるパターン領域より大きく形成される。材質は、インプリントプロセス中の成形条件に対し、耐圧性、耐熱性を有するものであればどのようなものでも良く、例えば、炭素鋼等の鉄材やＳＵＳなどの金属を用いることができる。
密閉手段54は、加圧室51を密閉にするために、加圧室用筐体52と型100又は被成形物200との間を密接させるものである。例えば、図１に示すように、密閉手段54としてＯリングを用意すると共に、加圧室用筐体52の側壁52Ａのステージ側端部にＯリングの断面の直径より浅い凹状の溝55を形成し、この溝にＯリングを配置すれば良い。これにより、型100又は被成形物200を加圧室用筐体52とステージ２とによって挟持し、加圧室用筐体52と被成形物200とを密接させることができるので、加圧室51を密閉することができる。また、加圧室用筐体52と型100又は被成形物200との間に傾きがあっても、その平行度がＯリングのつぶし代以内であれば、加圧室51を確実に密閉することができる。
開閉手段は、図示しないが、加圧室用筐体52と型100又は被成形物200とを近接又離間することにより、加圧室51を開閉するもので、例えば加圧室用筐体52を油圧式又は空圧式のシリンダによって移動するものや、電気モータとボールねじによって移動するもの等を適用することができる。
なお、加圧部５をこのように構成する場合には、加圧室51を構成する型100又は被成形物200は、可撓性のあるフィルム状のものである方が好ましい。このようにすれば、被成形面に流体による均一な圧力を加えることができる。
また、図示しないが、加圧部５の別の例としては、型100又は被成形物200と接触する面に配置された可撓性のある膜と、当該膜と共に加圧室を構成する加圧室用筐体と、で構成しても良い。これにより、加圧室の圧力を、膜を介して間接的に型100と被成形物200に加えることができる。
可撓性のある膜の材料としては、例えば、樹脂や薄い金属、ゴム等の弾性体などを用いることができる。また、加圧室側に被成形物200に対して所定波長の光を放射する光源を設ける場合には、当該膜は当該光を透過可能な材料が選択される。膜の厚さは、10mm以下、好ましくは３mm以下、更に好ましくは１mm以下に形成される。
加圧室用筐体は、先の例と同様に、開口部を有する有底筒状に形成される。また、当該加圧室用筐体と膜は接着剤等により固着され、加圧室内が密閉される。なお、当該加圧室用筐体と膜は、上述したのと同様に、密閉手段によって密閉しても良い。
ステージ２は、加圧部５の圧力を受けた型100及び被成形物200を支持するためのものである。ステージ２の型100又は被成形物200と接触する側の面は、十分に広く円滑に形成される。材質は、インプリントプロセス中の成形条件に対し、耐圧性、耐熱性を有するものであればどのようなものでも良く、例えば、炭素鋼等の鉄材やＳＵＳなどの金属を用いることができる。また、型100又は被成形物200をステージ２側から加熱する場合には、金属等の熱伝導性の高いものを用いる方が好ましい。また、型100又は被成形物200を加圧室51側から加熱する場合には、ステージ２側に熱が逃げるのを防止するため熱伝導性の低いものを用いても良いが、加熱むらを防止するため、ステージ表面は熱伝導性の高いもので構成する方が好ましい。また、光インプリントプロセスにおいて、光源をステージ２側に配置する場合には、ガラス等の透明な材料を用いれば良い。また、被成形物200に不要な転写跡が生じるのを防止するために、型100とステージ２を一体に形成しても良い。例えば従来は、パターンを電気鋳造によって形成した後、パターンの部分のみを切り出して用いているが、これを切り出さずにそのまま用いることができる。
加圧手段６は、型100のパターンを被成形物200に転写可能な圧力まで、加圧室51内の流体の圧力を調節可能であればどのようなものでも良いが、例えば、加圧室用筐体52に加圧室用気体給排流路62を接続し、加圧室用気体給排流路62を介して加圧室51へ空気や不活性ガス等の気体を給気又は排気すれば良い。当該気体の供給には、圧縮された気体を有するボンベやコンプレッサー等の気体供給源61を用いることができる。また、気体の排気には、図示しないが、脱気弁の開閉によって気体を排気するようにすれば良い。なお、適宜安全弁等を設けても良い。
減圧部９は、型100と被成形物200の周りの雰囲気、特に型100と被成形物200の間の雰囲気を減圧するための減圧室91を有するもので、これにより、型100、被成形物200、ステージ２の間に存在する気体を除去し、型100と被成形物200を均一に押圧することができる。
減圧部９としては、例えば、型100及び被成形物200のいずれか一方又は両方を内包する減圧室91と、減圧室に接続される減圧室用気体給排流路95と、減圧室用気体給排流路95を介して減圧室91内の気体を排気する減圧用ポンプ96とで構成すれば良い。
減圧室91は、例えば図１に示すように、加圧室用筐体52と、加圧室用筐体52の上部から水平に延伸するフランジ部52Ｂと、加圧室用筐体52を覆うようにフランジ部52Ｂから垂下する蛇腹93と、当該蛇腹93とステージ２の間を密閉するシール部材94と、ステージ２とで形成される。したがって、加圧室51も減圧室の一部となる。なお、シール部材94は、蛇腹93のステージ２側に形成された凹状の溝97に配置される。また、減圧用ポンプ96は、型100に被成形物200を加圧した際に転写不良が生じない範囲まで減圧室91を減圧できるものであれば良い。なお、蛇腹93、シール部材94は、減圧した際の外力に耐えられる強度を有するものであることは言うまでもない。
また、上述した加圧室用気体給排流路62と減圧室用気体給排流路95を共通にすることも可能である。この場合、まず、加圧室51を解放した状態で減圧室91及び加圧室51の気体を排出して減圧室91内の気体を除去し、次に、加圧室51を閉鎖した後、加圧室51に気体を供給して型100に対し被成形物200を押圧すれば良い。
なお、加圧部５を加圧室用筐体と可撓性のある膜とで構成し、当該加圧室用筐体と膜の間を接着剤等により固着する場合には、減圧時に加圧室51内と減圧室91内の圧力を同圧にするための減圧用圧力調節手段（図示せず）を設けても良い。減圧用圧力調節手段としては、例えば、加圧室51と減圧室91を開閉弁を介して接続する連通路を設ければ良い。これにより減圧時に開閉弁を開放することで、加圧室51と減圧室91を同圧にすることができる。
離間手段７は、減圧室91内において、減圧時に型100と被成形物200の間を離し、型100と被成形物200との間の気体を確実に除去するためのものである。これにより、転写面積が大きくなっても気体の除去を確実に行うことができる。離間手段７は、型100と被成形物200の間に隙間150を形成するものであればどのようなものでも良いが、例えば図１に示すように、型100又は被成形物200の端部を挟持する挾持部71と、型100と被成形物200が離間する方向に当該挟持部71を移動させる昇降手段72とで構成すれば良い。
挾持部71は、例えば、ばね等の弾性力を付勢して挾持するクリップ等を用いることができる。
昇降手段72としては、油圧式又は空圧式のシリンダによって移動させるものや、電動モータとボールねじによって移動させるもの等を用いることができる。
また、本発明のインプリント装置は、図４に示すように、型100と被成形物200の端部に流体を噴射する流体噴射手段３を設けても良い。これにより、転写後に密接している型100と被成形物200の端部に離間手段７を利用して隙間を形成し、当該隙間に流体を噴射することで離型を行うことができる。
流体噴射手段３は、型100と被成形物200の間に流体を噴射する噴射口31と、噴射口31から噴射する流体の流速を調節する流速調節手段（図示せず）と、噴射口31に流体を供給する流体供給源（図示せず）とで主に構成される。
噴射口31は、例えば被成形物200の端部に沿って形成せれたスリット状に形成することができる。スリットの幅は型100と被成形物200の接着力等に応じて調節すれば良いが、例えば、0.2〜0.5mm幅のものを用いれば良い。また、被成形物200の端部に沿って適当な間隔で複数の孔が設けられたマルチノズルを用いることも可能である。なお、噴射口31は離間手段７とは独立して設けても良いが、例えば、上述した挾持部11の下部に一体に形成しても良い。
また、図４に示すように、噴射口31は、被成形物200を挟んで対向する位置に設ける方が好ましい。これにより、対向する位置から噴射された流体が型100と被成形物200の間の中央部で衝突する。すると、流体は速度を失って動圧から静圧に変わり、衝突部の静圧が被成形物200の上面の圧力よりも高くなるので、被成形物200を持ち上げる。こうして、噴出された高速流体のエネルギーは静圧に変換されるので、流体が壁面で生じる剥がれ、渦流、せん断力を瞬時に消滅させることで、被成形物200に転写されたパターンが損傷等を受けるのを防止することができる。なお、流体圧が型100と被成形物200の間で相殺されるのであれば、噴射口31は、流体を３方向や４方向から噴射する位置に設けることも勿論可能である。
流速調節手段は、噴射口31から噴射する流体の流速を調節できればどのようなものでも良いが、例えば、流速を圧力と噴出時間で調節するものを用いることができる。具体的には、アキュムレーターで0.2〜0.5MPaに畜圧された流体を50〜300msのパルスで噴出するように構成すれば良い。
流体供給源は、気体を噴射口31に送る空気圧縮機や圧縮された気体を貯留するボンベ等を用いることができる。
温調手段は、図示しないが、被成形物を加熱又は冷却することにより被成形物の温度を調節するものである。温調手段は、被成形物を直接的又は間接的に加熱する加熱手段や冷却する冷却手段を用いることができる。
加熱手段は、型100と被成形物200のいずれか一方又は両方を、所定温度、例えば被成形物200のガラス転移温度以上又は溶融温度以上に加熱することができるものであればどのようなものでも良い。また、被成形物200をステージ２側から加熱するものでも、加圧室51側から加熱するものでも良い。例えば、ステージ２内にヒータを設けてステージ２側から型100や被成形物200を加熱するものを用いることができる。また、加圧室51にセラミックヒータやハロゲンヒータのような電磁波による放射によって加熱する放射熱源を設け、型100や被成形物200を加熱するものを用いることもできる。また、加熱した液体や気体を用いて加熱することも可能である。
冷却手段は、型100と被成形物200のいずれか一方又は両方を、所定温度、例えば被成形物200のガラス転移温度未満又は溶融温度未満に冷却することができるものであればどのようなものでも良い。また、被成形物200をステージ２側から冷却するものでも、加圧室51側から冷却するものでも良い。例えば、ステージ２内に冷却用の水路を設けてステージ２側から型100や被成形物200を冷却するものを用いることができる。
また、光インプリントプロセスに用いる場合には、被成形物200に所定波長の電磁波を放射できる光源を加圧室51内に配置すれば良い。
次に、本発明のインプリント方法を本発明のインプリント装置の動作と共に説明する。本発明のインプリント方法は、型100の成型パターンを被成形物200に転写するためのものであって、型100と被成形物200を離間した状態で型100と被成形物200の周りの雰囲気を減圧する減圧工程と、型100と被成形物200の間を密接して閉じる密接工程と、型100と被成形物200の間を密接した状態で流体によって加圧する加圧工程と、から主に構成される。
減圧工程では、開閉手段によって、加圧室用筐体52を移動し、減圧部９のシール部材94をステージ２に当接し、減圧室91を密閉する。また、離間手段７を用いて被成形物200を型100から離す。この状態で、減圧用ポンプ96を作動させ、減圧室91内を減圧し、被成形物200と型100の間の気体を除去する（図１又は図５参照）。
密接工程では、離間手段７を用いて被成形物200を型100の上に重ねる（図２参照）。続いて、開閉手段によって加圧室用筐体52を移動し、加圧部５のシール部材54を被成形物200に当接して型100と被成形物200の間を閉じる（図３参照）。
加圧工程では、気体供給源61から加圧室51に気体を供給し、被成形物200と型100を加圧する。この際、熱インプリントにおいては、被成形物200を温調手段により加熱・冷却して型100の成型パターンを被成形物200に転写する。また、光インプリントにおいては、被成形物200に光源の光を照射して型100の成型パターンを被成形物200に転写する。
最後に、被成形物200から型100を離型する。
このようにすることにより、転写面積が大きくなっても、型100と被成形物200との間の気体を確実に除去することができ、気泡を原因とする転写不良を確実に防止することができる。
２ ステージ
３ 流体噴射手段
５ 加圧部
６ 加圧手段
７ 離間手段
９ 減圧部
51 加圧室
52 加圧室用筐体
54 密閉手段
91 減圧室
100 型
200 被成形物
３ 流体噴射手段
５ 加圧部
６ 加圧手段
７ 離間手段
９ 減圧部
51 加圧室
52 加圧室用筐体
54 密閉手段
91 減圧室
100 型
200 被成形物
Claims (7)
- 型の成型パターンを被成形物に転写するためのインプリント装置であって、
前記型と前記被成形物を流体によって加圧するための加圧室を有する加圧部と、
前記加圧部の圧力を受けた前記型および前記被成形物を支持するステージと、
前記加圧室内の流体の圧力を調節する加圧手段と、
前記型と前記被成形物の周りの雰囲気を減圧するための減圧室を有する減圧部と、
前記減圧室内において、前記型と前記被成形物の間を離す離間手段と、
を具備することを特徴とするインプリント装置。 - 前記離間手段によって前記型と前記被成形物の端部に形成された隙間に流体を噴射する流体噴射手段を具備することを特徴とする請求項１記載のインプリント装置。
- 前記加圧部は、前記型又は前記被成形物と共に前記加圧室を構成する加圧室用筐体と、前記型又は前記被成形物との間を密閉する密閉手段と、前記加圧室用筐体と前記型又は前記被成形物との間を開閉する開閉手段と、からなることを特徴とする請求項１又は２記載のインプリント装置。
- 前記加圧部は、前記型又は前記被成形物と接触する面に配置された可撓性のある膜と、前記膜と共に前記加圧室を構成する加圧室用筐体と、からなることを特徴とする請求項１又は２記載のインプリント装置。
- 前記型又は前記被成形物の温度を調節する温調手段を具備することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のインプリント装置。
- 前記被成形物に所定波長の光を照射する光照射手段を具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のインプリント装置。
- 型の成型パターンを被成形物に転写するためのインプリント方法であって、
型と被成形物を離間した状態で前記型と前記被成形物の周りの雰囲気を減圧する減圧工程と、
前記型と前記被成形物の間を密接して閉じる密接工程と、
前記型と前記被成形物の間を密接した状態で流体によって加圧する加圧工程と、
を有することを特徴とするインプリント方法。
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