JP5963357B2 - 樹脂射出成形方法 - Google Patents

Description

本発明は、簡単な工程によってナノレベルの微細なパターン転写が可能な樹脂射出成形方法に関する。

これまでに行われている微細構造を転写する方法の一つとして、注型が広く知られている。このうち、真空注型は硬化前に真空の状態にすることにより、気泡の混入を防止するものであり、また、加圧ゲル化法は、樹脂の硬化収縮に合わせて樹脂を加圧補給しながら注型を行うものである。エポキシ樹脂の硬化に関して加圧ゲル化法を用いたものの一例が、特許文献１に記載されている。

しかし、特許文献１に記載されているように、注入圧が４バール（０．４ＭＰａ）と低圧であり、転写時の圧力が足りないため、ナノレベルでの転写は困難であり、一般的にはミクロンレベルでの転写に用いられている。また、加圧時間が２０分と長時間を要するため、簡便な方法とは言い難い。

ナノサイズのパターン転写を行う方法としては従来、適切なプレス力を加えることによって転写性を改善した、プレス成形の一種であるナノインプリントが一般的に用いられており、熱ナノインプリント、ＵＶナノインプリントの技術が主に用いられている。

図２に、ナノインプリントの工程を示す。
ナノインプリントによる加工は、原版作成工程とモールド作成工程とパターン転写工程とからなる。原版作成工程は、準備された基板にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィー（電子線リソグラフィー）によって原版を作成する工程である。ＥＢリソグラフィーでは、電子線描画を行ったものを現像して焼成することにより原版を得る。また、フォトリソグラフィーでは、マスクを作成して露光し、これを現像して焼成することにより原版を得る。

モールド作成工程は、電鋳型、エッチング型、直接加工型のいずれかを選択してモールドを作成する工程である。電鋳型では、蒸着またはメッキによって電鋳を行い、離型してモールドを作成する。エッチング型では、シリコンや石英ガラス等に対するエッチングによってモールドを作成する。また、直接加工型では、機械加工によって超精密加工を行ってモールドを作成する。

パターン転写工程は、モールドに形成されたナノ形状のパターンを転写する工程である。シート状のものを挿入するかあるいは基材に液状のものを塗布するかして材料供給を行い、真空引きを行う。その後、熱ナノインプリントでは、昇温しプレスして冷却した後、離型して製品を得る。また、ＵＶナノインプリントでは、プレスしてＵＶ照射を行った後、離型して製品を得る。

このように、ナノインプリントによってパターン転写を行うには、基板にレジストが塗布されたものに対して、フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによって原版を作成した後、モールドを作成する必要がある。熱ナノインプリントにおけるモールドは、熱と圧力に耐えることが求められるため、シリコンや石英ガラス等に対するエッチングで作られたマスター、またはニッケル等の電鋳やメッキによって作られたマスターが使用されている。また、ＵＶナノインプリントでは、ＵＶ光を照射して硬化するため、透明な石英ガラスに対するエッチングによって作られている。

これらのモールド作成工程で用いられるエッチングや電鋳、メッキによると、パターンの形状や深さ、材料等が変わる毎に条件出しを行うことが必要であり、条件出しの際に見出すべきパラメーターの数が多いため、工程が複雑になるという問題がある。このような条件出しは試行錯誤によってなされるものであり、一旦最適条件が見出されると量産は可能であるものの、試作品や多品種少量生産の場合には、条件出しの作業が工程上の大きな負担となる。従って、パターン変更が頻繁に行われる先端技術分野においては、パターン変更に伴うモールド製作の手間やコストが掛かることが問題となっている。

このパターン変更に伴う手間やコストを改善するために、フレキシブルナノインプリント法（ＦＮＩ法）と言われる技術が開発されており、その一例が特許文献２に記載されている。ＦＮＩ法は、ナノサイズの角錐状の圧子を材料に押し付けて圧痕を付けたり、または、ひっかき傷を残したりすることによって、ナノ形状の加工を直接行うものであり、パターン変更は圧子の動かし方によって変更できるため、パターン変更の度にモールド型を製作する必要は無い。

しかし、ＦＮＩ法では、ナノサイズの圧子を製作するのが難しく、この圧子の動きを精度よく制御することには困難な点が多い。また、転写加工よりも直接加工の性格が強いため、一つのマイクロ流路を形成するのに長時間を要し、バイオチップ等のマイクロ流路のプロトタイピングを製作する手段としては、手間やコストの削減効果の点では問題が残る。

その一方、注型法の発展型として、樹脂を溶剤に溶かすことによって極めて低粘度にし、転写性の改善を図ったナノキャスティング法あるいは注型インプリント法が開発されており、その技術の一例が特許文献３に記載されている。

図３に、ナノキャスティング法の工程を示す。
ナノキャスティング法による加工は、原版作成工程とモールド作成工程とパターン転写工程とからなる。原版作成工程とモールド作成工程は、図２に示すナノインプリントの場合と同じである。パターン転写工程ではまず、溶剤に溶かした樹脂を薄く塗布するスピンコートを行ってから乾燥させた後、ＵＶ接着剤を塗布して、ナノ形状のパターンが転写された薄膜を基材に貼り付ける。その後、ＵＶ照射を行って硬化させてから離型し焼成する。

特開２００５−５３１６５号公報 特開２００４−１２２２８３号公報 特開２００６−２３７３１２号公報

この方法によると、モールドに圧力や熱サイクルを加えることが無いため、ナノインプリントで課題とされていたモールドの負荷を大きく低減することが可能である。しかし、ナノキャスティング法では樹脂を溶剤で溶かした物を注ぐため、モールドはシリコンやガラス等の溶剤に解けない材質である必要があり、モールド型製作の手間やコストの問題は解決されない。

また、従来からの注型との違いとして、ナノキャスティング法では溶剤を乾かすために、０．５〜２ミクロンと極めて薄い膜である必要がある。この薄膜だけではハンドリングが極めて困難であり、そのため、ナノ形状のパターンが転写された薄膜と、ベースとなる筐体を別々に作って貼り合わせる等の手間が別途必要になり、工程が複雑となる。また、貼り合わせに接着剤が用いられるため、信頼性の低下の原因となる。従って、ナノキャスティング法を用いても、パターン変更が頻繁に行われる先端技術分野において、ナノ形状を持ったマイクロ流路等を簡便に供給する手段としては不十分である。
このように、ＦＮＩ法やナノキャスティング法は、学術的には大きな意義を有していると考えられるが、産業レベルでの利用の観点からは問題が残る。

本発明は、このような事情を考慮してなされたもので、複雑な工程を経ることなく、短時間でナノレベルの微細なパターン転写が可能な樹脂射出成形方法を提供することを目的とする。

以上の課題を解決するために、本発明の樹脂射出成形方法は、基板にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーまたはＥＢリソグラフィーによって原版を作成する原版作成工程と、前記原版作成工程で作成された原版を型として用い、この型に液状樹脂を注入して硬化し離型するパターン転写工程とを有することにより、パターン転写された射出成形品を得ることを特徴とする。

フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによって作成された原版を直接、型として用いてパターン転写を行う射出成形方法であるため、エッチングや電鋳が施されて作成されるモールド製作工程を省略することができる。そのため、エッチングや電鋳のように、パターンの形状や深さ、材料等が変わる毎に条件出しを行う必要がなく、工程を簡略化できる。

また、ＦＮＩ法が直接加工の性格が強い加工方法であるのに対して、本発明の射出成形は転写加工であるため、ＦＮＩ法のように、圧子の動きを精度よく制御することに伴う困難さが一切なく、加工に長時間を要することなく、速やかにパターン転写を行うことができる。

さらに、パターン転写された射出成型品が得られるため、ナノキャスティング法のように、ナノ形状のパターンが転写された薄膜とベースとなる筐体を別々に作って貼り合わせる必要が無く、パターン転写された射出成形品を得ることができるため、工程を簡略化できる。

本発明の樹脂射出成形方法においては、前記液状樹脂の注入時間は、０．１秒以上３０秒以下であり、前記液状樹脂の注入時の加圧圧力は、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であることが好ましい。

射出成形は硬化前の液状の状態で充填しながら転写を行うため、型の表面に形成された微細な形状を壊さずに転写を行うことが可能である。そのため、このような短い加圧時間で、比較的低い圧力で転写を行うことができるため、型の圧力耐性に問題を生じることが無い。

本発明の樹脂射出成形方法においては、前記液状樹脂の粘度は、３Ｐａ・Ｓ以上２０Ｐａ・Ｓ以下であることが好ましい。

２０Ｐａ・Ｓ以下の低粘度の液状シリコン樹脂を用いることにより、極めて低い圧力での射出成形が可能となり、低い圧力での射出成形であるため、レジスト材からなる原版であっても、複数回の転写に耐えることができ、簡単にナノサイズのパターン転写を行うことができる。このような低粘度の液状樹脂として、ＰＤＭＳ（Ｐｏｌｙ ＤｉＭｅｔｈｙｌ Ｓｉｌｏｘａｎｅ）を用いることができる。

本発明は、フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによって作成された原版を直接、型として用いてパターン転写を行う射出成形方法であるため、エッチングや電鋳が施されて作成されるモールド製作工程を省略することができる。そのため、エッチングや電鋳で問題となっていた、パターンの形状や深さや材料等が変わる毎に条件出しを行うことによる煩雑な工程を省略することができ、簡単な工程で、短時間でナノ形状のパターン転写を行うことができる。

本発明の実施形態に係る樹脂射出成形方法の工程を示す図である。 ナノインプリントの場合の工程を示す図である。 ナノキャスティング法の場合の工程を示す図である。

以下に、本発明の樹脂射出成形方法をその実施形態に基づいて説明する。
図１に、本発明の実施形態に係る樹脂射出成形方法の工程を示す。
本発明の樹脂射出成形方法は、原版作成工程とパターン転写工程とからなるものである。原版作成工程は、準備された基板にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによって原版を作成する工程である。ＥＢリソグラフィーでは、電子線描画を行ったものを現像して焼成することにより原版を得る。また、フォトリソグラフィーでは、マスクを作成して露光し、これを現像して焼成することにより原版を得る。

パターン転写工程は、原版作成工程で作成された原版を直接、型として用いてパターン転写を行う射出成形工程である。真空引きを行って、型に液状樹脂を注入して保圧する。射出した直後の樹脂は柔らかいため、１次硬化を経て離型する。その後、付加的に２次硬化を行って、ナノ形状のパターンが転写された射出成形品を得る。

真空引きは、射出材料である液状樹脂中の泡を除去するために行うものであり、これを行うかどうかは必要に応じて適宜選択できる。また、１次硬化は成形品を離型するために必要な硬さとなるまで硬化する処理であり、離型した後の２次硬化を行うかどうかは必要に応じて適宜選択できる。

注入は型内の製品形状を液状樹脂で満たすまでの動作であり、液状樹脂の注入時間は、製品形状すなわち型内の空間容積に依存するが、成形品の形状が極めて小さい場合には、０．１秒程度で十分に液状樹脂を充填することができる。また、液状樹脂の注入時間が３０秒を超えると、注入過程において液状樹脂の硬化が始まって十分な充填を行うことが困難になる。そのため、液状樹脂の注入時間は、０．１秒以上３０秒以下とすることが好ましい。

このように、本発明は射出成形の手法を用いているため、ナノ形状のパターン転写を行うためになされる液状樹脂の注入時間は極めて短い。従来行われている熱インプリントでは、３０秒から１２０秒の時間をかけてゆっくりと微細な形状の末端まで充填と転写が行われており、これと比較すると、転写に必要な時間を大幅に短縮できる。

液状樹脂の注入時の加圧圧力は、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下とすることが好ましい。射出成形の場合の圧力は、ほとんど全てが樹脂を成形機から型内へ移動させるために費やされる。注入時の加圧圧力が０．１ＭＰａ未満であると、短い時間に粘性のある流体である液状樹脂を成形機から型内へ移動させることができない。また、注入時の加圧圧力が２０ＭＰａを超えると、上下の型が合わさった面であるパーティング面からの樹脂もれが大きくなる。また、樹脂の流れが速くなるため、泡の巻き込みや、負圧の発生による気泡の顕在化などの不良が発生しやすくなる。

本発明における液状樹脂の注入圧力を、ナノインプリントにおける転写圧力と比較すると、ナノインプリントは開かれた系での加工であるため、材料の粘性によって転写時の圧力が左右される。そのため、ナノインプリントでは材料のガラス転移点以上、溶融点以下の温度領域で転写を行うのが一般的である。また、ＰＤＭＳのような熱硬化性樹脂を用いる場合には、粘性が大きい材料を薄く塗布することによって界面張力を利用して転写時の圧力を確保している。
このように、ナノインプリントなどのプレス加工法では、半固溶状態の樹脂に対して局所的に大きな力を生じながら転写を行っている。

これに対し、本発明においては、射出成形の手法を用いているため、容積・体積が閉じられた型の中へ所定の圧力で注入するものであり、転写時の圧力は材料の粘性の影響を受けにくい。射出成形は硬化前の液状の状態で充填しながら転写を行うため、型の表面に形成された微細な形状を壊さずに転写を行うことが可能である。このように、上述した短い加圧時間で、比較的低い圧力で転写を行うことができるため、型の圧力耐性に問題を生じることが無い。

樹脂の注入の後の保圧は、樹脂を型内に充満した後、硬化によって逆戻りが生じなくなるまでの時間、圧力を保つ動作のことを言う。保圧の時間は、製品形状や材料の硬化速度に大きく左右され、肉厚の形状ほど中心部の硬化が遅れるため長い時間を必要とする。保圧の圧力は０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下とし、保圧時間は１秒以上６０秒以下とすることが好ましい。保圧時間が１秒未満、あるいは保圧圧力が０．１ＭＰａ未満であると、硬化していない樹脂が逆流を起こし、製品形状に巣や気泡が発生する原因となる。また、保圧時間が６０秒を超え、あるいは保圧圧力が２０ＭＰａを超えると、スプルーやランナー、ゲートに歪が残り、形状の変形や離型不良などの原因となりやすい。

液状樹脂の粘度は、３Ｐａ・Ｓ以上２０Ｐａ・Ｓ以下とすることが好ましい。液状樹脂の粘度が３Ｐａ・Ｓ未満であると、液状樹脂を射出する際にもれを生じやすくなり、作業性が低下する。また、液状樹脂の粘度が２０Ｐａ・Ｓを超えると、高い充填圧力が必要になり、型にダメージを与えやすくなる。ただし、状況によっては、１Ｐａ・Ｓ程度の低粘度の樹脂を用いることもでき、あるいは、６０Ｐａ・Ｓ程度の高粘度の樹脂を用いることもできる。液状樹脂注入時の型の温度は、１２０℃程度とするのが妥当である。型の温度が一定の条件下で離型を行うため、熱膨張による影響を受けない点においてもメリットがある。

本発明は、フォトリソグラフィーやＥＢリソグラフィーによって作成された原版を直接、型として用いてパターン転写を行う射出成形方法であるため、エッチングや電鋳が施されて作成されるモールド製作工程を省略することができる。そのため、エッチングや電鋳で問題となっていた、パターンの形状や深さや材料等が変わる毎に条件出しを行うことによる煩雑な工程を省略することができ、簡単な工程で、短時間でナノ形状のパターン転写を行うことができる。そのため、パターン変更が頻繁に行われる先端技術分野において使用される試作品や多品種少量生産等の用途のものとして利用できる他、量産用としても利用することができる。

Claims (1)

1. 基板にレジストを塗布し、フォトリソグラフィーまたはＥＢリソグラフィーによって原版を作成する原版作成工程と、前記原版作成工程で作成された原版を型として用い、この型に液状樹脂を注入して硬化し離型するパターン転写工程とを有することにより、パターン転写された射出成形品を得る樹脂射出成形方法であって、前記液状樹脂の注入時の加圧圧力は、０．１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下であり、前記液状樹脂の粘度は、３Ｐａ・Ｓ以上２０Ｐａ・Ｓ以下であることを特徴とする樹脂射出成形方法。

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