JP5953126B2

JP5953126B2 - 型および型の製造方法

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Publication number: JP5953126B2
Application number: JP2012123109A
Authority: JP
Inventors: 小久保　光典; 光典小久保; 勇室伏; 鈴木　亨; 亨鈴木; 啓明大曲; 秀敏篠原
Original assignee: Toshiba Machine Co Ltd
Current assignee: Shibaura Machine Co Ltd
Priority date: 2012-05-30
Filing date: 2012-05-30
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-05-30
Also published as: JP2013248749A

Description

本発明は、型および型の製造方法に係り、特に、ゴム等で構成され微細な転写パターンが形成されているものに関する。

近年、電子線描画法などで石英基板等に超微細な転写パターンを形成して型（モールド）を作製し、被成形品に前記型を所定の圧力で押圧して、当該型に形成された転写パターンを転写するナノインプリント技術が研究開発されている（たとえば、非特許文献１参照）。

また、従来、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）系のシリコーンゴムを利用したインプリント用モールド（ＰＤＭＳモールド；転写用の型）３０１が知られている（図５（ａ）参照）。

このＰＤＭＳモールド３０１には、微細な凹凸で形成された転写パターン３０３が形成されている。ＰＤＭＳモールド３０１に形成されている微細な転写パターン３０３を、被成形物に転写することで、微細な転写パターンが形成された成形品（図示せず）を得ている。

なお、上記従来の技術に関連する特許文献として、たとえば特許文献１、特許文献２を掲げることができる。

特開２０１１−２４０５９６号公報特開２００９−５６６５９号公報

Precision Engineering Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechnology 25(2001) 192-199

ところで、ゴムの性質を有するＰＤＭＳモールド３０１を繰り返し使用して上記転写を行うと、離型するときに（図示しない硬化した被成形物からＰＤＭＳモールドを剥がす等して分離するときに）、ＰＤＭＳモールド３０１に負荷（外力）が加わり、弾性限界を超えてＰＤＭＳモールド３０１が変形し（たとえば、図５（ａ）に示す状態から図５（ｂ）で示すように変形し）、微細な転写パターン３０３の形状が崩れてしまうおそれがあるという問題がある。

そこで、図６に示すように、ＰＤＭＳモールド３０１の面積方向（面内方向）の変形を防止すべく、ＰＤＭＳモールド３０１にＰＥＴフィルム３０５を接着したものをモールド（補強済みモールド）３０７として採用することが考えられる。

なお、ＰＥＴフィルム３０５を採用した理由は、補強済みモールド３０７を離型するときの利便性を考慮し、補強済みモールド３０７を、剛性が高いが反ることができるものとするためである。

しかし、補強済みモールド３０７では、ＰＥＴフィルム３０５とＰＤＭＳモールド３０１との接着力が弱く、離型のときにＰＥＴフィルム３０５とＰＤＭＳモールド３０１とが簡単に（僅かな離型回数で）剥離してしまうという問題がある。

なお、上記問題は、ＰＤＭＳ系のシリコーンゴム以外のゴム材料やＰＥＴフィルム以外の補強材料を採用した場合にも同様に発生する場合がある。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、弾性材料で構成され微細な転写パターンが形成されている本体部とこの本体部を補強している補強材とを備えた型（モールド）において、繰り返し使用しても（被成形物に転写パターンを転写しこの後離型することを繰り返しても）、微細な転写パターン等が変形しにくく、本体部と補強材とが剥離しにくい型および型の製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、厚さ方向の一方の面に微細な転写パターンが形成されている板状の型において、前記微細な転写パターンが形成されている本体部と、前記本体部を補強するため、前記本体部と一体化がなされている補強材とを有し、前記補強材は、板状に形成されており、前記補強材には、この厚さ方向を貫通している複数の貫通孔が設けられており、前記本体部は、前記各貫通孔に充填されて前記補強材の厚さ方向の両側に設けられており、前記補強材の厚さ方向から見ると、前記補強材が前記本体部よりも大きく形成されている型である。

請求項２に記載の発明は、厚さ方向の一方の面に微細な転写パターンが形成されている板状の型の製造方法において、前記転写パターンが形成されているマスター型に、硬化しても弾性を備える未硬化の第１の被成形材料を供給する第１の被成形材料供給工程と、前記第１の被成形材料供給工程で未硬化の前記第１の被成形材料を供給した後、補強材を未硬化の前記第１の被成形材料に設置する補強材設置工程と、前記補強材設置工程で前記補強材を設置した後、前記第１の被成形材料と協働して前記補強材を包み込むように、硬化しても弾性を備える未硬化の第２の被成形材料を供給する第２の被成形材料供給工程と、前記第２の被成形材料供給工程で未硬化の前記第２の被成形材料を供給した後、前記各被成形材料を硬化する被成形材料硬化工程とを有し、前記補強材は、板状に形成されており、前記補強材には、この厚さ方向を貫通している複数の貫通孔が設けられており、前記補強材設置工程で前記補強材を設置したとき、前記補強材の各貫通孔から前記第１の被成形材料が覗けるようにして前記補強材が前記第１の被成形材料を覆っており、前記第２の被成形材料供給工程で未硬化の前記第２の被成形材料を供給したとき、前記補強材の各貫通孔によって前記第１の被成形材料と前記第２の被成形材料とが接触して一体化するとともに、前記各被成形材料で、前記補強材を挟み込み、前記補強材の厚さ方向から見ると、前記補強材が前記被成形材料硬化工程で硬化した前記各被成形材料よりも大きく形成されている型の製造方法である。

本発明によれば、弾性材料で構成され微細な転写パターンが形成されている本体部とこの本体部を補強している補強材とを備えた型において、繰り返し使用しても、微細な転写パターン等が変形しにくく、本体部と補強材とが剥離しにくいという効果を奏する。

（ａ）は本発明の実施形態に係る型（モールド）の概略構成を示す平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＩＢ−ＩＢ断面を示す図である。本発明の実施形態に係る型の製造方法を示す図である。本発明の実施形態に係る型の製造方法を示す図である。本発明の実施形態に係る型を用いた転写方法を示す図である。従来の型を示す図である。従来の型を示す図である。

本発明の実施形態に係る型（モールド）１は、従来のＰＤＭＳモールド３０１と同様に使用されるものである。すなわち、型１に形成されている微細な転写パターン３を、被成形材料（被成形物）５に転写することで、微細な転写パターン９が形成された成形品７を得るものである（図４参照）。

型１は、図１で示すように、板状（たとえば矩形な平板状）に形成されており、厚さ方向の一方の面に微細な凹凸で形成された転写パターン３が設けられている。転写パターン３を構成している凹凸の高さやピッチは、たとえば、可視光線の波長〜１ｍｍ程度になっている。微細な転写パターン３は、たとえば、型１の周辺部を除く中央側の部位（図１（ａ）に二点鎖線Ｌ１で示す四角形の内側）に形成されている。

また、型１は、本体部１１と補強材１３とを備えて構成されている。本体部１１は、たとえば、ＰＤＳＭ（ポリジメチルシロキサン）系のシリコーンゴム等の弾性を備えたゴム材料で構成されている。微細な転写パターン３は本体部１１の一部に形成されている。

なお、型１の本体部１１が必ずしも弾性材料で構成されている必要は無く、たとえば、転写パターン３のアスペクト比が低い場合（図１（ｂ）に示す転写パターン３の凹凸において、「図３の上下方向の寸法／図３の左右方向の寸法」の値が小さい場合）には、型１の本体部１１が弾性をほとんど備えていない樹脂で構成されていてもよい。すなわち、型１の本体部１１が高分子材料で構成されていればよい。

補強材１３は、本体部１１を補強するためのものであり、たとえばＰＥＴ樹脂等の樹脂で構成されており、本体部１１と一体化している。また、補強材１３は、たとえば加熱することで本体部１１が固化し（硬化し）成形されるときに（たとえば図２に示すマスター型１５等を用いて成形されるときに）、本体部１１との一体化がなされたものである。

本体部１１の機械的性質と補強材１３の機械的性質とを比較する。本体部１１の縦弾性係数を「Ｅ_０」とし、本体部１１のせん断弾性係数を「Ｇ_０」とし、本体部１１のクリープ速度を「Ｒ_０」とし、補強材１３の縦弾性係数を「Ｅ_１」とし、補強材１３のせん断弾性係数を「Ｇ_１」とし、補強材１３のクリープ速度を「Ｒ_１」とする。このときに、たとえば、「Ｅ_１＞Ｅ_０」かつ「Ｇ_１＞Ｇ_０」かつ「Ｒ_１＜Ｒ_０」の関係が成立している。さらには、「Ｅ_１＞＞Ｅ_０」かつ「Ｇ_１＞＞Ｇ_０」かつ「Ｒ_１＜＜Ｒ_０」になっていることが望ましい。これにより、補強材１３を、型１の変形・クリープ抑制材として捉えることもできる。

本体部１１と補強材１３との一体化が本体部１１の硬化成形のときになされた型１では、本体部１１と補強材１３とがお互いに直接接触しており、本体部１１と補強材１３との間には、異物（接着剤等の異物）が存在していることはない。なお、本体部１１と補強材１３との一体化は、たとえば、本体部１１と補強材１３とが機械的結合をすることでなされているのであるが、機械的結合に代えてもしくは加えて、物理的相互作用や化学的相互作用で、本体部１１と補強材１３との一体化がなされていてもよい。

補強材１３は、板状（たとえば、矩形な平板状）に形成されており、補強材１３には、この厚さ方向を貫通している複数の貫通孔（たとえば円形に形成され、お互いが所定の間隔をあけて離れている貫通孔）１７が設けられている。

補強材１３をこの厚さ方向から見ると、図１（ａ）で示すように、各貫通孔１７は、たとえば碁盤目配列とされている。貫通孔１７の内径寸法は、補強材１３の肉部の幅寸法（お互いが隣接している貫通孔１７の間に存在している補強材１３の部位の寸法）よりも小さくなっているが、貫通孔１７の内径寸法が、補強材１３の肉部の幅寸法と等しくてもよいし、貫通孔１７の内径寸法が、補強材１３の肉部の幅寸法よりも大きくなっていてもよい。また、各貫通孔１７が、千鳥目配列等の他の形態で配置されていてもよい。

本体部１１は、各貫通孔１７に充填されていてしかも補強材１３の厚さ方向の両側に設けられている。

さらに説明すると、本体部１１は、第１の部位１９と第２の部位２１と充填部位２３とを備えて構成されている。

第１の部位１９は、たとえば矩形な平板状に形成されており、補強材１３の厚さ方向の一方の側に設けられている。第２の部位２１も、たとえば矩形な平板状に形成されており、補強材１３の厚さ方向の他方の側に設けられている。充填部位２３は、補強材１３の貫通孔１７に充填されている部位である。

第１の部位１９、第２の部位２１、充填部位２３は、お互いが一体で成形されおり、補強材１３に直接接触しており、第１の部位１９の厚さ方向と第２の部位２１の厚さ方向と補強材１３の厚さ方向とはお互いが一致している。また、補強材１３の厚さ方向（型１の厚さ方向）から見ると、図１から理解されるように、補強材１３と第１の部位１９と第２の部位２１とはお互いに重なっている。

これにより、第１の部位１９と第２の部位２１とで補強材１３が挟まれ、しかも、充填部位２３を介して第１の部位１９と第２の部位２１とがお互いにつながっている。

なお、図１で示すものでは、補強材１３（型１）の厚さ方向から見たときに、第１の部位１９と第２の部位２１とは同じ形状になっており、第１の部位１９の総てと第２の部位２１の総てとがお互いに重なっており、補強材１３が第１の部位１９や第２の部位２１よりも大きく形成されており、補強材１３の内側に第１の部位１９や第２の部位２１が存在している。これにより、第１の部位１９や第２の部位２１で覆われておらず補強材１３が露出している「ロ」字状の部位が、型１の周辺部に形成されている。

補強材１３（型１）の厚さ方向から見たときの、補強材１３に対する第１の部位１９や第２の部位２１の大きさは、自由に適宜変更してよい。たとえば、補強材１３の厚さ方向から見たときの、第１の部位１９や第２の部位２１の大きさを補強材１３と同じにして、補強材１３の総てと第１の部位１９の総てと第２の部位２１の総てとがお互いに完全に重なるようにしてもよい。

微細な転写パターン３は、本体部１１の第１の部位１９の表面（第１の部位１９の厚さ方向の一方の面であって、補強材１３に接している面とは反対側の面）に形成されている。また、補強材１３の厚さ方向から見ると、微細な転写パターン３が形成されている部位は、第１の部位１９や第２の部位２１よりも、たとえば、小さく形成されており、第１の部位１９や第２の部位２１の内側に存在している。

上述したように構成されていることで、平板状の型１は、補強材１３と同様な剛性と可撓性とクリープ特性（耐クリープ性）とを備えている。

詳しく説明すると、型１の面内方向（型１の厚さ方向に対して直交する任意の方向）で型１に引張り力を加えても、補強材１３によって剛性を備えている型１は、ゴムのような弾性変形することはなく、ほとんど変形しない。

一方、型１は、上記面内方向以外では、可撓性を備えている。たとえば、型１は、この厚さ方向の両面が平面から曲面に変形する態様の可撓性を備えている（反るようになっている）。これにより、離型のときに（被成形材料５を硬化した後、成形品７から型１を剥がす等して分離するときに）、めくるような力を型１に加えると、型１は、この厚さ方向の両面が平面から曲面に変形する態様で変形し、容易にめくりあがる（図４（ｂ）の二点鎖線Ｌ２参照）。すなわち、物体の平面に粘着剤を介して貼り付いている薄板状のシールを、この端部からめくることで剥がすときと同様の態様で、型１が変形する。

また、補強材１３で補強されている型１は、あらゆる方向の外力に対しても（特に型１の面内方向の引張り力に対して）、クリープがほとんど発生しないようになっている。

次に、型１の製造方法について説明する。

まず、図２（ａ）で示すように、平板状のベース体２５の上面にマスター型１５を設置する。マスター型１５は、たとえば、石英ガラスもしくはニッケル等の金属等で構成されており、平板状（たとえば矩形な平板状）に形成されている。マスター型１５の厚さ方向の一方の面には、転写パターン（マスターとなる転写パターン）が形成されている。

マスター型１５はこの厚さ方向が上下方向になるようにしてベース体２５に設置されている。マスター型１５の微細な転写パターンは、ベース体２５に設置されたマスター型１５の上面に存在している。また、ベース体２５には、ヒータ２７が設けられている。

続いて、図２（ｂ）で示すように、マスター型１５に、硬化しても弾性を備える未硬化の第１の被成形材料（本体部１１の一部になる材料）２９を供給する（第１の被成形材料供給工程）。

第１の被成形材料供給工程では、マスター型１５の上面に未硬化の第１の被成形材料（第１の被成形物）２９を供給する。供給された未硬化の第１の被成形材料２９は、膜状になってマスター型１５の上面を覆い、マスター型１５の微細な転写パターンに隙間無く入り込んでいる。

続いて、図２（ｃ）で示すように、第１の被成形材料供給工程で未硬化の第１の被成形材料２９を供給した後、第１の被成形材料２９が未硬化の状態を維持している状態で、補強材１３を未硬化の第１の被成形材料２９に設置する（補強材設置工程）。

補強材設置工程による補強材１３の設置は、第１の被成形材料２９の上に補強材１３を載置することでなされる。載置された補強材１３は、厚さ方向が上下方向になっており、たとえば、第１の被成形材料２９内に沈むことなく、第１の被成形材料２９の上で浮いている。

続いて、図３（ａ）で示すように、補強材設置工程で補強材１３を設置した後、第１の被成形材料２９が未硬化の状態を維持している状態で、第１の被成形材料２９と協働して補強材１３を包み込むように（たとえば挟み込むように）、硬化しても弾性を備える未硬化の第２の被成形材料（本体部１１の一部になる材料；たとえば、第１の被成形材料と同じ被成形材料）３１を供給する（第２の被成形材料供給工程）。

第２の被成形材料供給工程では、補強材１３の上に未硬化の第２の被成形材料（第２の被成形物）３１を供給する。供給された未硬化の第２の被成形材料３１は、補強材１３の上で膜状になって補強材を覆っているとともに、補強材１３の貫通孔１７に入り込んで、第１の被成形材料２９とつながっている。

続いて、図３（ｂ）で示すように、第２の被成形材料供給工程で未硬化の第２の被成形材料３１を供給した後、各被成形材料をたとえば加熱することで硬化する（被成形材料硬化工程）。

被成形材料２９，３１を硬化することで、被成形材料２９，３１は、補強材１３と一体化する。なお上記硬化は、平板状の押圧体３３と平板状のベース体２５とで、マスター型１５、被成形材料２９，３１、補強材１３を挟み込んで押圧し、加熱することでなされる。なお、押圧体３３にもヒータ３５が設けられている。

続いて、ベース体２５と押圧体３３とによる挟み込みをやめて、マスター型１５から、補強材１３と硬化して補強材１３と一体化している被成形材料２９，３１とを離すことで、型１が得られる。

なお、既に理解されるように、上述した補強材設置工程で補強材１３を設置したとき、補強材１３は、この厚さ方向が上下方向になって第１の被成形材料２９にかぶさっており、補強材１３の貫通孔１７から第１の被成形材料２９が覗けるようになっている（第１の被成形材料２９が露出している）。また、第２の被成形材料供給工程で未硬化の第２の被成形材料３１を供給したとき、補強材１３の貫通孔１７によって第１の被成形材料２９と第２の被成形材料３１とがお互いに接触して一体化するとともに（つながるとともに）、第１の被成形材料２９と第２の被成形材料３１とで、補強材１３を挟み込んでいる。

次に、型１を用いた被成形材料５の成形方法について説明する。

まず、図４（ａ）で示すように、平板状の基材３７の上に未硬化の被成形材料５を膜状に設ける。

続いて、図４（ｂ）で示すように、型１と基材３７とで被成形材料５を挟み込んで押圧する。これにより、型１の微細な転写パターン３に未硬化の被成形材料５が隙間無く入り込む。

続いて、未硬化の被成形材料５を加熱しもしくは未硬化の被成形材料５に紫外線を照射する等して、被成形材料５を硬化し、この硬化後、二点鎖線Ｌ２で示すようにして、型１をめくり上げ、型１を硬化した被成形材料５から剥がして分離する（離型する）。

これにより、図４（ｃ）で示すように、基材３７と硬化した被成形材料５とで構成された成形品７を得ることができる。硬化した被成形材料５（成形品７）には転写によって微細なパターンが転写され形成されている。

型１によれば、補強材１３と本体部１１との一体化が本体部１１の固化（硬化）によってなされるので、接着剤を用いて接着する場合に比べて本体部１１と補強材１３との結合力が強くなっている。これにより、繰り返し使用しても（被成形材料５に転写パターン３を転写しこの後離型することを繰り返しても）、微細な転写パターン３等が変形しにくく、本体部１１と補強材１３とが剥離しにくくなっている。また、接着剤が一切使用されていないので、離型のときに型１が反りやすくなっている。

また、型１によれば、補強材１３の貫通孔１７のところ（本体部１１の充填部位２３）で、本体部１１の第１の部位１９と第２の部位２１とがお互いにつながり結合されているので、補強材１３と本体部１１との結合力が一層強くなっており、補強材１３からの本体部１１の剥離が一層し難くなっている。

なお、貫通孔１７の径を大きくしたり貫通孔１７の数を多くすると、本体部１１と補強材１３との結合力は高まるが、その一方で、型１の剛性（型１の面内方向での引張り力に対する剛性）は低くなる。そこで、型１では、貫通孔１７の径や貫通孔１７の数を適宜決めることで、本体部１１と補強材１３との結合力と型１の剛性とのバランスをとっている。

ところで、型１において補強材１３を、複数本の紐状部材で構成してもよい。この場合、各紐状部材は、お互いが所定間隔をあけて離れ、型１の面内方向で平行に延伸しているものとする。また、各紐状部材は、型１の一方の端部から他方の端部まで本体部１１内に入り込んで延伸している。

なお、補強材１３が、一方向だけでなく、この一方向と直交する方向等の交差する方向に延びて設けられていてもよいし、補強材１３が網状に形成されていてもよい。

また、上記説明では、型１の本体部１１をヒータ２７で加熱し硬化しているが、型１の本体部１１の材料として紫外線硬化樹脂を採用し、紫外線を照射することで、本体部１１を硬化してもよい。この場合、補強材１３が紫外線を良く透過する透明な材料で構成されているものとする。また、図３（ｂ）で示す押圧体３３も紫外線を良く透過する透明な材料で構成されているものとする。そして、型１を押圧しながら押圧体３３の上から紫外線を照射することで、本体部１１を硬化することとする。

さらに、型１の本体部１１の材料として紫外線硬化樹脂を採用した場合、押圧体３３の上から紫外線を照射することに代えてもしくは加えて、マスター型１５とベース体２５とを、紫外線を良く透過する透明な材料で構成し、型１を押圧しながらベース体２５の下から紫外線を照射することで、本体部１１を硬化してもよい。

１型
３微細な転写パターン
１１本体部
１３補強材
１７貫通孔

Claims

厚さ方向の一方の面に微細な転写パターンが形成されている板状の型において、
前記微細な転写パターンが形成されている本体部と、
前記本体部を補強するため、前記本体部と一体化がなされている補強材と、
を有し、
前記補強材は、板状に形成されており、
前記補強材には、この厚さ方向を貫通している複数の貫通孔が設けられており、
前記本体部は、前記各貫通孔に充填されて前記補強材の厚さ方向の両側に設けられており、
前記補強材の厚さ方向から見ると、前記補強材が前記本体部よりも大きく形成されている、
ことを特徴とする型。
厚さ方向の一方の面に微細な転写パターンが形成されている板状の型の製造方法において、
前記転写パターンが形成されているマスター型に、硬化しても弾性を備える未硬化の第１の被成形材料を供給する第１の被成形材料供給工程と、
前記第１の被成形材料供給工程で未硬化の前記第１の被成形材料を供給した後、補強材を未硬化の前記第１の被成形材料に設置する補強材設置工程と、
前記補強材設置工程で前記補強材を設置した後、前記第１の被成形材料と協働して前記補強材を包み込むように、硬化しても弾性を備える未硬化の第２の被成形材料を供給する第２の被成形材料供給工程と、
前記第２の被成形材料供給工程で未硬化の前記第２の被成形材料を供給した後、前記各被成形材料を硬化する被成形材料硬化工程と、
を有し、
前記補強材は、板状に形成されており、
前記補強材には、この厚さ方向を貫通している複数の貫通孔が設けられており、
前記補強材設置工程で前記補強材を設置したとき、前記補強材の各貫通孔から前記第１の被成形材料が覗けるようにして前記補強材が前記第１の被成形材料を覆っており、
前記第２の被成形材料供給工程で未硬化の前記第２の被成形材料を供給したとき、前記補強材の各貫通孔によって前記第１の被成形材料と前記第２の被成形材料とが接触して一体化するとともに、前記各被成形材料で、前記補強材を挟み込み、
前記補強材の厚さ方向から見ると、前記補強材が前記被成形材料硬化工程で硬化した前記各被成形材料よりも大きく形成されている、
ことを特徴とする型の製造方法。