JP5999738B2 - Immersion imprint method - Google Patents

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Description

本発明は、成形材料の表面に微細凹凸構造を転写するインプリント方法に関わり、特に熱可塑性材料を対象とした熱インプリント技術における欠陥防止に関するものである。   The present invention relates to an imprint method for transferring a fine concavo-convex structure on the surface of a molding material, and more particularly to defect prevention in a thermal imprint technique for thermoplastic materials.

ナノインプリントはプラスチック材料のための複製技術と、半導体製造技術を応用して作製された精密なモールドやテンプレートを組み合わせて、ナノメートルサイズのパターンを簡便に大量転写できる技術である。
ナノインプリントに関する様々な技術が開発され、その応用範囲も多岐にわたっている。
その中で、成形材料の選択肢が多いことから、熱ナノインプリントが電子デバイス、光学デバイス、バイオチップ等の製作手法に取り入れられている。
Nanoimprinting is a technology that can easily transfer large quantities of nanometer-sized patterns by combining replication technology for plastic materials and precision molds and templates produced by applying semiconductor manufacturing technology.
Various technologies related to nanoimprinting have been developed, and their application ranges are diverse.
Among them, since there are many choices of molding materials, thermal nanoimprint has been incorporated into manufacturing methods for electronic devices, optical devices, biochips and the like.

前述のデバイスでは、バルク材の熱可塑性材料が加工されることが多いが、ドライエッチング用のマスキング層として利用する場合には、Si基板上に塗布された熱可塑性材料薄膜がインプリントされる。熱インプリントでは、ガラス転移温度以上に加熱されて流動性を得た熱可塑性材料が、モールドのプレス動作と連動してモールドパターンの凹凸構造に流れ込む。
その際、凹型のモールドパターンには周辺部分から軟化した成形材料が流れ込み、中心部に残留した空気は高い圧力によって徐々に圧縮され、最後には消えて完全充填される。
しかし、流動する材料が不充分な場合には成形パターンに欠陥が発生し易い。特に、厚みがあり成形材料が潤沢に存在するバルク材とは異なり、Si基板上に形成された薄膜は薄いために流動量が不足しがちで、モールドパターンに成形材料が完全に充填されずに気泡が残存することにより成形不良が発生する可能性が高い。
In the above-described device, a thermoplastic material of bulk material is often processed, but when used as a masking layer for dry etching, a thermoplastic material thin film applied on a Si substrate is imprinted. In thermal imprinting, a thermoplastic material that has been heated to a temperature higher than the glass transition temperature and obtained fluidity flows into the concavo-convex structure of the mold pattern in conjunction with the press operation of the mold.
At that time, the molding material softened from the peripheral portion flows into the concave mold pattern, and the air remaining in the central portion is gradually compressed by a high pressure, and finally disappears and completely filled.
However, if the flowing material is insufficient, defects in the molding pattern are likely to occur. In particular, unlike bulk materials that are thick and contain abundant molding materials, the thin film formed on the Si substrate is thin and tends to have a shortage of flow, so that the molding pattern is not completely filled with the molding material. There is a high possibility of forming defects due to the remaining bubbles.

このような成形不良を防ぐ手段として、モールドを製作する際に、予め成形材料の充填時間を考慮してパターン配置を設計したり、残留ガスを格納するためのマイクロトレンチをモールドパターン内部に併設する手法が下記特許文献1及び2に開示されている。
また、減圧された環境下での成形や、超音波振動によって成形材料の流動性を向上させる手法が下記非特許文献1と特許文献3に、そして、モールドと成形材料間の空隙を積極的に空気から凝縮性ガスに置換して、気体封入によるバブル欠陥を防止する手法が下記特許文献4にそれぞれ開示されている。
As means for preventing such molding defects, when manufacturing a mold, the pattern arrangement is designed in advance in consideration of the filling time of the molding material, or a micro-trench for storing residual gas is provided inside the mold pattern. Methods are disclosed in Patent Documents 1 and 2 below.
Further, a technique for improving the fluidity of a molding material by molding under a reduced pressure environment or ultrasonic vibration is described in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3 below, and a gap between the mold and the molding material is positively formed. Patent Document 4 below discloses a method for preventing bubble defects caused by gas filling by replacing air with a condensable gas.

しかし、前述の方法を用いる場合には幾つかの技術的な問題がある。
下記特許文献1と2で開示された手法のようにモールドパターンの設計時に制約がある場合、インプリント技術を適用して製作できるデバイスの種類に制限が生じるため、インプリント技術の汎用性が損なわれる虞がある。また、下記非特許文献1や特許文献3で開示されたような減圧環境の実現や超音波振動の印加には真空ポンプや超音波発生器等をインプリント装置に付加しなければならない。
However, there are some technical problems when using the method described above.
When there is a restriction during the design of the mold pattern as in the methods disclosed in Patent Documents 1 and 2 below, the type of device that can be manufactured by applying the imprint technology is limited, so the versatility of the imprint technology is impaired. There is a risk that. Further, a vacuum pump, an ultrasonic generator, or the like must be added to the imprint apparatus in order to realize a reduced pressure environment and to apply ultrasonic vibration as disclosed in Non-Patent Document 1 and Patent Document 3 below.

これは、装置やプロセスの複雑化や製造コストの上昇を招く。また下記特許文献4で開示された気体封入によるバブル欠陥防止法は、紫外線硬化性樹脂を成形対象とした光ナノインプリント法に適合している。この手法ではテンプレートとSi基板上にスピンコートされた紫外線硬化性樹脂層間に凝縮性ガス(例えばペンタフルオロプロパンなど)を流し込み、凝縮性ガスに圧力を加えると液化する性質を利用して残留ガスによるバブル欠陥を防止する。しかしペンタフルオロプロパンは、熱ナノインプリントにおける一般的な成形温度領域では飽和蒸気圧が高く、ガスの液化効果は期待できない。   This leads to complicated equipment and processes and increased manufacturing costs. Moreover, the bubble defect prevention method by gas enclosure disclosed by the following patent document 4 is suitable for the optical nanoimprint method which made the ultraviolet curable resin the shaping | molding object. In this method, a condensable gas (for example, pentafluoropropane) is poured between a template and an ultraviolet curable resin layer spin-coated on a Si substrate, and pressure is applied to the condensable gas. Prevent bubble defects. However, pentafluoropropane has a high saturated vapor pressure in a general molding temperature region in thermal nanoimprint, and a gas liquefaction effect cannot be expected.

特開2010−171338号公報JP 2010-171338 A 特開2007−042715号公報JP 2007-042715 A 特許第3619863号公報Japanese Patent No. 3619863 特許第3700001号公報Japanese Patent No. 3700001

N.Roos et al.,Proc.SPIE,vol.5037,p.211(2003)N. Roos et al., Proc. SPIE, vol. 5037, p. 211 (2003)

図1は従来の熱インプリントの工程を示している。大気中で熱インプリントを行う場合、モールド3と成形材料2(熱可塑性材料薄膜)間の雰囲気は空気で満たされている(図1(a))。前記のように、大気中でモールド3を成形材料2上に押し付ける際には、モールド3に形成されたパターンの凹部と成形材料2間の空隙に空気が取り込まれ、プレス工程の進行とともにモールドパターン内部に流入してきた成形材料2によって圧縮される(図1(b))。
しかし、薄膜のように成形材料2の全体量が比較的少なく、モールドパターンを完全充填するために必要な成形材料の流入量が確保できない場合には、モールドパターンの形状を正確に成形材料上へ転写できなくなり、成形材料2表面の凹凸構造には不良成形の原因となる欠陥4が発生してしまう(図1(c))。
以上の技術課題を鑑み、本発明は、熱インプリントにおいて真空ポンプや超音波発生器を利用することなく、インプリント工程中の雰囲気を構成する気体がモールド3と成形材料2間の空隙に取り込まれることによる転写精度の低下を防ぐために、高沸点液体による置換工程を追加したインプリント方法を提供することを目的とする。
FIG. 1 shows a conventional thermal imprint process. When thermal imprinting is performed in the atmosphere, the atmosphere between the mold 3 and the molding material 2 (thermoplastic material thin film) is filled with air (FIG. 1A). As described above, when the mold 3 is pressed onto the molding material 2 in the air, air is taken into the gaps between the concave portions of the pattern formed on the mold 3 and the molding material 2, and the mold pattern is developed as the pressing process proceeds. It is compressed by the molding material 2 flowing into the inside (FIG. 1B).
However, when the total amount of the molding material 2 is relatively small, such as a thin film, and the inflow amount of the molding material necessary for completely filling the mold pattern cannot be secured, the shape of the mold pattern is accurately placed on the molding material. Transfer becomes impossible, and the defect 4 that causes defective molding occurs in the uneven structure on the surface of the molding material 2 (FIG. 1C).
In view of the above technical problems, in the present invention, the gas constituting the atmosphere during the imprint process is taken into the gap between the mold 3 and the molding material 2 without using a vacuum pump or an ultrasonic generator in the thermal imprint. It is an object of the present invention to provide an imprint method in which a replacement step with a high boiling point liquid is added in order to prevent a decrease in transfer accuracy due to the above.

上記の課題を解決するため、本発明者らは、モールドと成形材料間に存在する空気を、予め成形温度でも気化せず、発火しない高沸点液体で置換し、加熱によって流動性が高まった高沸点液体を成形圧力によって瞬時にモールドパターンの外側に押し出し、間髪入れずにモールドパターンの内部を軟化した成形材料によって充填することによって、残留空気の存在によって引き起こされる欠陥を容易に防止できることを着想し本発明に到った。   In order to solve the above-mentioned problems, the present inventors replaced the air existing between the mold and the molding material with a high-boiling liquid that does not vaporize at the molding temperature in advance and does not ignite, and the fluidity increased by heating. The idea is that defects caused by the presence of residual air can be easily prevented by extruding the boiling point liquid to the outside of the mold pattern instantaneously by the molding pressure and filling the mold pattern with a softened molding material without inserting a gap. The present invention has been reached.

すなわち、本発明はインプリント方法の発明であり、モールド表面の凹凸構造を基板上に形成した熱可塑性材料薄膜に欠陥なく転写するために、モールドと成形材料間に残留する空気を高沸点液体で置換し、加熱により流動性が向上した液体を加圧とともに、モールドの外側に押し出してモールドパターン内を軟化した熱可塑性材料で完全充填するものである。   That is, the present invention is an invention of an imprinting method, and in order to transfer the uneven structure on the mold surface to the thermoplastic material thin film formed on the substrate without defects, the air remaining between the mold and the molding material is a high-boiling liquid. The liquid whose fluidity has been improved by replacement is heated and completely filled with a thermoplastic material which is pressed out and extruded to the outside of the mold to soften the mold pattern.

より具体的には、本発明のインプリント方法は、基板表面上に塗布した成形材料を成形温度であるガラス転移温度を超過する温度に加熱し、前記成形材料をモールドに対してプレスして、モールド表面に形成した凹凸構造を転写する工程を備えたインプリント方法において、前記成形材料を前記モールドに対してプレスを行うプレス工程に先立って、前記モールド表面に形成された凹凸構造内部に、前記成形材料の成形温度より沸点及び発火点が高く、かつ、前記成形材料として使用する熱可塑性材料に対し化学反応を起こさない不活性液体を、前記凹凸構造の内部の空気を排除するように充填する液体充填工程を備え、前記プレス工程において、前記成形材料が前記凹凸構造の凹部内に流入し、前記不活性液体が押し出され、前記モールドの端部から排出される工程を備えた。 More specifically, the imprint method of the present invention, by heating to a temperature in excess of the glass transition temperature is the molding material molding temperature coated on the substrate surface and pressed the molding material against motor Rudo In the imprint method comprising the step of transferring the concavo-convex structure formed on the mold surface, prior to the pressing step of pressing the molding material against the mold, inside the concavo-convex structure formed on the mold surface, Filled with an inert liquid that has a boiling point and ignition point higher than the molding temperature of the molding material and does not cause a chemical reaction with the thermoplastic material used as the molding material so as to exclude air inside the concavo-convex structure. A liquid filling step, wherein in the pressing step, the molding material flows into the recesses of the concavo-convex structure, the inert liquid is extruded, and the mold With a step that is discharged from the end.

本発明によれば、熱インプリントにおいて欠陥の防止が困難な基板上に塗布された熱可塑性材料薄膜に対して、成形温度でも気化しない高沸点液体をモールドと成形材料間に挿入し、残留空気を高沸点液体で置換することによって、モールド表面の凹凸パターンを成形材料上に完全転写できるようになる。   According to the present invention, a high boiling point liquid that does not evaporate even at a molding temperature is inserted between a mold and a molding material for a thermoplastic material thin film coated on a substrate that is difficult to prevent defects in thermal imprinting, and residual air By substituting with a high boiling point liquid, the uneven pattern on the mold surface can be completely transferred onto the molding material.

従来の熱インプリント方法の工程図。Process drawing of the conventional thermal imprint method. 本発明に係る液浸インプリント方法の工程図。The process drawing of the liquid immersion imprint method which concerns on this invention. 本発明に係る液浸インプリント方法の実験配置時の断面図。Sectional drawing at the time of experiment arrangement | positioning of the liquid immersion imprint method which concerns on this invention. Si基板上にスピンコートしたPMMA薄膜上の成形パターンの光学顕微鏡写真。(a)本発明に係る液浸インプリント方法で成形し、欠陥が防止された状態と(b)従来の熱インプリント方法で成形し、欠陥が発生した状態。The optical microscope photograph of the shaping | molding pattern on the PMMA thin film spin-coated on Si substrate. (A) A state in which defects are prevented by molding by the liquid immersion imprinting method according to the present invention, and (b) a state in which defects are generated by molding by a conventional thermal imprinting method. Si基板上にスピンコートしたPMMA薄膜上の成形パターンのコンフォーカル顕微鏡と図中の白線部分の断面プロファイル。(a)従来の熱インプリント方法で成形し、欠陥が発生した状態と(b)本発明に係る液浸インプリント方法で成形し、欠陥が防止された状態を示す。The cross-sectional profile of the white line part in a confocal microscope of the shaping | molding pattern on the PMMA thin film spin-coated on Si substrate, and a figure. (A) The state which shape | molded with the conventional thermal imprint method, and the defect generate | occur | produced, (b) The state which shape | molded with the liquid immersion imprint method which concerns on this invention, and the defect was prevented is shown. 本発明に係るフロリナートFC−43の動粘度が温度上昇と伴に減少する態様を示す曲線。The curve which shows the aspect which the kinematic viscosity of the florinate FC-43 based on this invention reduces with a temperature rise. 本発明に係るフロリナートFC−43を離型処理が施されたSi基板上に滴下し、基板に対するフロリナートFC−43の接触角が温度上昇と伴に増加する態様を示す曲線。The curve which shows the aspect which drops the fluorinate FC-43 which concerns on this invention on the Si substrate by which the mold release process was performed, and the contact angle of the florinate FC-43 with respect to a board | substrate increases with a temperature rise.

以下、図面を参照しつつ本発明の実施例について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図2を参照しながら、本発明に係るインプリント工程について説明する。Siウエハーのような固体基板1に塗布された成形材料2は、その表面がモールド3の表面に形成された凹凸パターンと対向するように配置される。
次に、モールド3と成形材料2間の距離を縮め、間隙に存在する空気等の残留ガスを後述する液体5で置換する(図2(a))。
The imprint process according to the present invention will be described with reference to FIG. The molding material 2 applied to the solid substrate 1 such as a Si wafer is arranged so that the surface thereof is opposed to the concavo-convex pattern formed on the surface of the mold 3.
Next, the distance between the mold 3 and the molding material 2 is reduced, and the residual gas such as air existing in the gap is replaced with the liquid 5 described later (FIG. 2A).

液体5は予めモールド3か成形材料2のどちらか、もしくは両方に滴下しておいてもよいし、モールド3と成形材料2を接近させた後に、強制的に液体を送り込んで空気を押し出してもよい。
また、モールド3と成形材料2を含むプレス機構そのものを、液体で満たした容器の中に浸漬するようにしてもよい。空気と置換される液体5に求められる物性は、成形温度まで加熱されても気化せずに、この温度でも発火することなく化学的に安定な液体の状態を保ち、しかも、成形材料2、モールド3の材質に対し溶解性や浸食性がないことである。
The liquid 5 may be dropped in advance on either or both of the mold 3 and the molding material 2, or after the mold 3 and the molding material 2 are brought close to each other, the liquid is forcibly sent to extrude the air. Good.
Moreover, you may make it immerse the press mechanism itself containing the mold 3 and the molding material 2 in the container filled with the liquid. The physical properties required of the liquid 5 to be replaced with air do not evaporate even when heated up to the molding temperature, and remain in a chemically stable liquid state without igniting at this temperature. The material 3 has no solubility or erosion.

次にモールド3と成形材料2を、成形材料2のガラス転移温度以上に加熱し、成形材料2の表面にモールド3の表面に形成された凹凸構造を押し付ける。
このプレス工程の進行に併せて、軟化した成形材料2がモールドパターンの凹部内に流入し、モールドパターンに充填された液体5は押し出されるようにしてモールドパターンの外側に排出され、モールド3の端部から外部へ排出される。
この液体5の存在により、成形材料2は空気等の残留ガスに妨げられることなく、モールドパターン内部を完全に充填できる(図2(b))。
モールド3と成形材料2を成形材料のガラス転移温度以下に冷却した後、モールド3と成形材料2を引き離し、モールドパターンの凹凸構造を反転させた凸凹構造を成形材料2の表面上に完全な形状で転写することができる(図2(c))。
Next, the mold 3 and the molding material 2 are heated to a temperature equal to or higher than the glass transition temperature of the molding material 2, and the uneven structure formed on the surface of the mold 3 is pressed against the surface of the molding material 2.
Along with the progress of the pressing process, the softened molding material 2 flows into the recesses of the mold pattern, and the liquid 5 filled in the mold pattern is discharged to the outside of the mold pattern so as to be pushed out. It is discharged to the outside from the department.
Due to the presence of the liquid 5, the molding material 2 can be completely filled inside the mold pattern without being obstructed by residual gas such as air (FIG. 2B).
After the mold 3 and the molding material 2 are cooled below the glass transition temperature of the molding material, the mold 3 and the molding material 2 are separated from each other, and the concavo-convex structure in which the concavo-convex structure of the mold pattern is inverted is completely formed on the surface of the molding material 2 (FIG. 2 (c)).

なお、この液体は、充填時にモールドパターンの凹凸構造内部の空気を確実に排除して充填されるとともに、プレス工程時スムースに排出されるよう流動特性が要求されるが、プレス工程終了時に必ずしも完全に排出される必要はなく、成形材料とモールドパターンの凹凸構造表面との間に、きわめて薄くかつ均一な層として残存してもよい。   In addition, this liquid is required to have a fluid characteristic so that air inside the uneven structure of the mold pattern is surely eliminated during filling and to be smoothly discharged during the pressing process, but it is not necessarily completely at the end of the pressing process. However, it may remain as a very thin and uniform layer between the molding material and the uneven surface of the mold pattern.

以下、具体例について詳述する。
この例では、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)を成形材料として使用し、モールド13の表面に形成されたモールドパターンの凹凸構造の内部に充填される液体として、フッ素系不活性液体を使用した。
図3は実際のインプリント実験での成形材料11とSi製モールド13の配置を示している。成形材料11の用意とモールド13の離型処理は下記の手順で行った。
(ステップ1)
エチルセロソルブアセテート溶液にポリメタクリル酸メチル(PMMA)が溶解した東京応化工業社製の紫外線硬化性樹脂(OEBR=1000)をSi基板10上に回転数4000rpmでスピンコートした。オーブンにて170℃で20分間加熱することにより、厚み460nmのPMMA薄膜層となった成形材料11をSi基板10上に形成する。
(ステップ2)
Si製モールド13に形成された凹凸パターンの表面にダイキン工業社製のフッ素離型剤Optool HD−1101をディッピング法によって塗布する。
(ステップ3)
PMMA薄膜層となった成形材料11が塗布されたSi基板10の外周端は、平ワッシャー9とアルミニウム製試料ホルダー6との間に挟まれるようにボルト8によって固定する。
(ステップ4)
アルミニウム製試料ホルダー6は、PMMA薄膜層となった成形材料11が下側になるように、熱インプリント装置の上部セラミックヒーター7aに、上部バネ付きフック16aにより物理的に固定する。
(ステップ5)
Si製モールド13は、ポリイミド製基材とシリコーン製接着剤で構成された耐熱性両面テープ14によってグラッシーカーボン製プレート15に接着する。
(ステップ6)
グラッシーカーボン製プレート15は、Si製モールド13の表面に形成された凸凹パターンが上側になるように、熱インプリント装置の下部セラミックヒーター7bに下部バネ付フック16bにより物理的に固定する。
(ステップ7)
上記のように、Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11の配置が完了した後、パーフルオロトリブチルアミンを主成分とする3M社製のフッ素系不活性液体フロリナートFC−43(沸点:174℃)12をSi製モールド13の表面に形成された凹凸構造の上にピペットを用いて滴下する。
(ステップ8)
上部と下部のセラミックヒーター7a、7bに通電し、Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11を、PMMAのガラス転移温度である105℃を超過する145℃まで加熱する。
(ステップ9)
Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11の温度が設定値に達した段階で、Si製モールド13の表面に形成された凹凸構造に対し、PMMA薄膜層となった成形材料11の表面を1MPa〜5MPaの圧力でプレスする。
(ステップ10)
成形圧力が設定値に達した段階で、10〜60秒間保持する。
(ステップ11)
上部と下部のセラミックヒーター7a、7bへの通電を停止して、Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11の温度がPMMAのガラス転移温度を下回る95℃になるまで自然冷却する。
(ステップ12)
SiモールドをPMMA薄膜から離型する。
Specific examples will be described in detail below.
In this example, polymethyl methacrylate (PMMA) was used as a molding material, and a fluorine-based inert liquid was used as a liquid filled in the uneven structure of the mold pattern formed on the surface of the mold 13.
FIG. 3 shows the arrangement of the molding material 11 and the Si mold 13 in an actual imprint experiment. Preparation of the molding material 11 and mold release processing of the mold 13 were performed according to the following procedure.
(Step 1)
An ultraviolet curable resin (OEBR = 1000) manufactured by Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. in which polymethyl methacrylate (PMMA) was dissolved in an ethyl cellosolve acetate solution was spin-coated on the Si substrate 10 at a rotational speed of 4000 rpm. By heating in an oven at 170 ° C. for 20 minutes, the molding material 11 having a PMMA thin film layer having a thickness of 460 nm is formed on the Si substrate 10.
(Step 2)
A fluorine mold release agent Optool HD-1101 manufactured by Daikin Industries, Ltd. is applied to the surface of the concavo-convex pattern formed on the Si mold 13 by a dipping method.
(Step 3)
The outer peripheral end of the Si substrate 10 coated with the molding material 11 that is a PMMA thin film layer is fixed by a bolt 8 so as to be sandwiched between the flat washer 9 and the aluminum sample holder 6.
(Step 4)
The aluminum sample holder 6 is physically fixed to the upper ceramic heater 7a of the thermal imprint apparatus by the upper spring hook 16a so that the molding material 11 which becomes the PMMA thin film layer is on the lower side.
(Step 5)
The Si mold 13 is adhered to the glassy carbon plate 15 by a heat-resistant double-sided tape 14 composed of a polyimide base material and a silicone adhesive.
(Step 6)
The glassy carbon plate 15 is physically fixed to the lower ceramic heater 7b of the thermal imprint apparatus by the lower spring hook 16b so that the uneven pattern formed on the surface of the Si mold 13 is on the upper side.
(Step 7)
As described above, after the placement of the Si mold 13 and the molding material 11 that has become the PMMA thin film layer is completed, the fluorine-based inert liquid fluorinate FC-43 (boiling point) manufactured by 3M, whose main component is perfluorotributylamine. : 174 ° C.) 12 is dropped onto the concavo-convex structure formed on the surface of the Si mold 13 using a pipette.
(Step 8)
The upper and lower ceramic heaters 7a and 7b are energized to heat the Si mold 13 and the molding material 11 formed of the PMMA thin film layer to 145 ° C. exceeding 105 ° C. which is the glass transition temperature of PMMA.
(Step 9)
When the temperature of the molding material 11 that has become the Si mold 13 and the PMMA thin film layer reaches a set value, the molding material 11 that has become the PMMA thin film layer with respect to the concavo-convex structure formed on the surface of the Si mold 13. The surface is pressed at a pressure of 1 MPa to 5 MPa.
(Step 10)
When the molding pressure reaches the set value, hold for 10 to 60 seconds.
(Step 11)
The energization of the upper and lower ceramic heaters 7a and 7b is stopped, and natural cooling is performed until the temperature of the molding material 11 that becomes the Si mold 13 and the PMMA thin film layer becomes 95 ° C. below the glass transition temperature of PMMA.
(Step 12)
The Si mold is released from the PMMA thin film.

得られた成形パターンを光学顕微鏡により観察したところ、図4(a)に示したように欠陥は全く観察されず、高い転写精度が実現できた。このように、大気中でPMMA薄膜層となった成形材料11を熱インプリントする場合には、Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11間に高沸点のフッ素系不活性液体であるフロリナートFC−43を挿入することが効果的であることが確認された。   When the obtained molding pattern was observed with an optical microscope, no defects were observed as shown in FIG. 4A, and high transfer accuracy was realized. As described above, when the molding material 11 that has become the PMMA thin film layer is thermally imprinted in the atmosphere, a high-boiling fluorine-based inert liquid is used between the Si mold 13 and the molding material 11 that has become the PMMA thin film layer. It has been confirmed that it is effective to insert a certain florinate FC-43.

また、図5はPMMAの成形パターンをコンフォーカル顕微鏡Optelics S130(レーザーテック社製)で観察した結果を示している。
下図の線図は、上図の白線を示した部分の断面形状を示している。
図5(a)に示されたフロリナートFC−43を滴下しない従来法でインプリントした場合では、モールドパターンのサイズと比較して、かなり大きな陥没と隆起構造が確認された。
2本の点線で示した高さの最大値と最小値間の差は532nmであり、凸型Siモールドのパターン高さ200nmの2倍以上の値である。
一方、図5(b)に示されたフロリナートFC−43を滴下した場合では、最大値と最小値の差は32nmと測定され、この値は、フロリナートFC−43を使用しない従来法での高低差の僅か6%にあたり、転写精度が劇的に改善されたことを意味している。
FIG. 5 shows the result of observing the molding pattern of PMMA with a confocal microscope Optelics S130 (manufactured by Lasertec).
The lower diagram shows the cross-sectional shape of the portion indicated by the white line in the upper diagram.
In the case of imprinting by the conventional method in which Fluorinert FC-43 shown in FIG. 5A was not dropped, a considerably large depression and a raised structure were confirmed as compared with the size of the mold pattern.
The difference between the maximum value and the minimum value indicated by the two dotted lines is 532 nm, which is more than twice the pattern height of the convex Si mold 200 nm.
On the other hand, when Fluorinert FC-43 shown in FIG. 5B is dropped, the difference between the maximum value and the minimum value is measured as 32 nm. This value is higher or lower than in the conventional method not using Fluorinert FC-43. Only 6% of the difference means that the transfer accuracy has been dramatically improved.

なお、この実施例では、液体としてフッ素系不活性液体フロリナートFC−43を使用し、ピペットによりSi製モールド13の表面に形成された凹凸構造の上に滴下したが、実際の製造工程では、プレス工程直前、あるいはプレス工程中の適当なタイミングで、滴下装置を自動的にSi製モールド13の表面に形成された凹凸構造上に位置決めし、その内部を確実に充填し得る最適量を圧送供給するようにしてもよい。
特に、複数の素子を一挙に成形するため、素子毎の凹凸構造を多数並べたモールドを使用する場合には、滴下装置の位置、液体供給量を自動的にプログラム制御して、必要な箇所に最適な量が供給されるようにすることが好ましい。
In this example, fluorinated inert liquid Fluorinert FC-43 was used as the liquid, and was dropped onto the concavo-convex structure formed on the surface of the Si mold 13 by a pipette. Immediately before the process or at an appropriate timing during the pressing process, the dropping device is automatically positioned on the concavo-convex structure formed on the surface of the Si mold 13, and an optimum amount capable of reliably filling the inside is pumped and supplied. You may do it.
In particular, in order to form a plurality of elements at once, when using a mold with a large number of uneven structures for each element, the position of the dropping device and the liquid supply amount are automatically programmed and controlled to the required location. It is preferable that an optimal amount is supplied.

なお、液体自体は、プレス工程終了時にほぼ全量が排出されることになるが、フッ素系不活性液体フロリナートFC−43のように不活性な液体を使用する場合、何度でも再使用可能である。そこで、Si製モールド13の外周からあふれ出た液体を、Si製モールド13の下方外周に設けた液体受け部等により回収し、液体供給タンク等に再循環させるようにすれば、製造コストを最小限に抑制することができる。   The liquid itself is almost completely discharged at the end of the pressing process, but can be reused any number of times when an inert liquid such as fluorinated inert liquid Fluorinert FC-43 is used. . Therefore, if the liquid overflowing from the outer periphery of the Si mold 13 is collected by a liquid receiving portion provided on the lower outer periphery of the Si mold 13 and recirculated to the liquid supply tank or the like, the manufacturing cost is minimized. It can be suppressed to the limit.

また、液体を確実にSi製モールド13の表面に形成された凹凸構造の内部に充填するため、モールド13の外周全周にわたり、表面から若干突出する液体保持具を装着し、プレス工程に連動して下方に待避させるようにすることも好適である。   In addition, in order to reliably fill the liquid into the concave-convex structure formed on the surface of the Si mold 13, a liquid holder that slightly protrudes from the surface is attached over the entire outer periphery of the mold 13, and interlocked with the pressing process. It is also preferable to evacuate downward.

[比較例1]
本発明の効果を実証するため、上述の実施例において、フッ素系不活性液体フロリナートFC−43をSi製モールド13の表面に形成された凹凸パターンの上に滴下せずに、まったく同じ成形条件でインプリントした結果を図4(b)に示す。パターンエリア周辺の凸型スペースエリアの大部分で、加圧によって圧縮された残留空気が減圧時に爆発して生成された欠陥が観察された。
一般的に熱ナノインプリントでは、成形温度、冷却温度、成形圧力、プレススピ−ド、保持時間等の条件が成形精度に大きな影響を与える。そこで、本実験では、加熱温度と冷却温度をそれぞれ145℃と95℃に固定し、その他の成形条件を増減させてみたが、いずれの条件でも欠陥の消失は確認できなかった。
[Comparative Example 1]
In order to demonstrate the effect of the present invention, in the above-described embodiment, the fluorine-based inert liquid fluorinate FC-43 is not dropped on the uneven pattern formed on the surface of the Si mold 13, but under exactly the same molding conditions. The result of imprinting is shown in FIG. In most of the convex space area around the pattern area, a defect was observed in which the residual air compressed by pressurization exploded during decompression.
In general, in thermal nanoimprinting, conditions such as molding temperature, cooling temperature, molding pressure, press speed, and holding time have a great influence on molding accuracy. Therefore, in this experiment, the heating temperature and the cooling temperature were fixed at 145 ° C. and 95 ° C., respectively, and other molding conditions were increased / decreased, but the disappearance of defects could not be confirmed under either condition.

[比較例2]
次に、フッ素系不活性液体フロリナートFC−43の代わりに、比較的沸点の低いパ−フルオロトリプロピルアミンを主成分とするフッ素系不活性液体フロリナートFC−3283(沸点:128℃)をSiモールド表面の凹凸パターンの上に滴下して、実施例1とまったく同じ成形条件でインプリントしたが、プレス工程の途中で全てのフロリナートFC−3283が蒸発してしまい、欠陥を防止する効果は確認できなかった。
[Comparative Example 2]
Next, instead of fluorine-based inert liquid fluorinate FC-43, fluorine-based inert liquid fluorinate FC-3283 (boiling point: 128 ° C.) mainly composed of perfluorotripropylamine having a relatively low boiling point is used as a Si mold. Although it was dropped on the uneven pattern on the surface and imprinted under exactly the same molding conditions as in Example 1, all Fluorinert FC-3283 evaporated during the pressing process, and the effect of preventing defects could be confirmed. There wasn't.

[比較例3]
さらに、温度上昇がフッ素系不活性液体フロリナートFC−43の流動性に及ぼす影響を検証するため、セラミックヒ−タ−7による加熱温度と動粘度、表面張力に伴う接触角の関係を調べた。
Si製モールド13とPMMA薄膜層となった成形材料11が加熱されるに伴い、Si製モールド13とPPMMA薄膜層となった成形材料11間の隙間を満たしているフロリナートFC−43も伝熱効果によって加熱され、その物性にも影響を及ぼす。
液体の流動性を示す重要な性質の一つに動粘度がある。図6によると、フロリナートFC−43の動粘度は145℃まで加熱されると室温時の25cStから0.33cStまで低下する。
また、流動性に影響を及ぼす他の要因として、表面張力の相互作用が挙げられる。つまり、基板とフロリナートFC−43間の表面張力の相対的な大小関係はフロリナートFC−43の流動性を変化させるのである。
なお、図6はSi製モールド13の代替品として離型処理を施したSi基板にフロリナートFC−43を滴下して接触角の温度依存性を測定した結果である。Si基板温度を145℃まで加熱すると、基板上のフロリナートFC−43液滴の接触角は室温時の7.9°から22.3°まで上昇した。このことから、成形温度付近の環境下ではフロリナートFC−43とSiモールド間との界面張力は小さくなり、流動性が向上することが予想される。
したがって、本発明に係るインプリント方法で使用される高沸点液体は、成形温度付近で安定な液体状態を保ちつつ、温度上昇に伴い流動性が向上する特性を有することが望ましい。
[Comparative Example 3]
Furthermore, in order to verify the influence of the temperature rise on the fluidity of the fluorinated inert liquid Fluorinert FC-43, the relationship between the heating temperature by the ceramic heater 7, the kinematic viscosity, and the contact angle accompanying the surface tension was examined.
As the molding material 11 that becomes the Si mold 13 and the PMMA thin film layer is heated, the Fluorinert FC-43 that fills the gap between the Si mold 13 and the molding material 11 that becomes the PPMMA thin film layer also has a heat transfer effect. It will be heated by and will affect its physical properties.
One of the important properties indicating the fluidity of a liquid is kinematic viscosity. According to FIG. 6, the kinetic viscosity of Fluorinert FC-43 decreases from 25 cSt at room temperature to 0.33 cSt when heated to 145 ° C.
Another factor that affects fluidity is the interaction of surface tension. That is, the relative magnitude relationship of the surface tension between the substrate and Fluorinert FC-43 changes the fluidity of Fluorinert FC-43.
FIG. 6 shows the results of measuring the temperature dependence of the contact angle by dropping Fluorinert FC-43 onto a Si substrate that has been subjected to a release treatment as an alternative to the Si mold 13. When the Si substrate temperature was heated to 145 ° C., the contact angle of the Fluorinert FC-43 droplet on the substrate increased from 7.9 ° at room temperature to 22.3 °. From this, it is expected that the interfacial tension between Fluorinert FC-43 and the Si mold is reduced in an environment around the molding temperature, and the fluidity is improved.
Therefore, it is desirable that the high boiling point liquid used in the imprinting method according to the present invention has a characteristic that the fluidity improves as the temperature rises while maintaining a stable liquid state near the molding temperature.

なお、モールド表面に形成した凹凸構造内部に充填する液体としては、成形材料の材質に応じて、さまざまな液体を使用することが可能であり、モールドを成形温度に加熱した状態で、沸騰、気化、発火せず、成形材料に対して化学的に安定した特性を有し、成形材料をモールドに対してプレスする段階で、気泡を混入することなく、スムースに排出されるような粘度特性、流動特性を有するものを使用することができる。   In addition, various liquids can be used as the liquid to be filled in the concavo-convex structure formed on the mold surface, depending on the material of the molding material. When the mold is heated to the molding temperature, it will boil and vaporize. Viscosity characteristics, flow that has a stable chemical property to the molding material, does not ignite, and is smoothly discharged without mixing bubbles when the molding material is pressed against the mold. Those having characteristics can be used.

以上説明したように、本発明に係る液浸インプリント法は、例えば、残留空気に起因する欠陥を排除した状態でSi基板上に塗布された熱可塑性材料薄膜を高速でパターニングできるため、成形後の熱可塑性材料層をドライエッチング用のマスキング層として利用して、半導体素子の配線パターン等をSi基板上に加工する量産技術として広く応用されることが期待できる。
また、過度な成形荷重を加えることができない比較的脆い材料の基板上や、熱特性の異なる複数の材料が積層された基板上にマイクロ・ナノ構造体を形成する際にも、気泡混入による欠陥の発生を確実に低減でき、低荷重成形技術として威力を発揮することが期待される。
As described above, the liquid immersion imprint method according to the present invention can pattern a thermoplastic material thin film applied on a Si substrate at a high speed in a state in which defects due to residual air are eliminated, for example, after molding. This thermoplastic material layer is used as a mask layer for dry etching, and can be expected to be widely applied as a mass production technique for processing a wiring pattern of a semiconductor element on a Si substrate.
Defects caused by air bubbles are also present when micro / nano structures are formed on relatively brittle materials that cannot be subjected to excessive molding load or on substrates with multiple layers of different thermal properties. It is expected to reduce the generation of defects and to demonstrate its power as a low-load molding technology.

1 基板
2 成形材料(熱可塑性材料薄膜)
3 モールド
4 欠陥
5 高沸点液体
6 アルミニウム製試料ホルダー
7 セラミックヒーター
8 ボルト
9 平ワッシャー
10 Si基板
11 PMMA薄膜層となった成形材料
12 フロリナートFC−43
13 Siモールド
14 ポリイミド製両面テープ
15 グラッシーカーボン製プレート
16 バネ付きフック
1 Substrate 2 Molding material (thermoplastic material thin film)
3 Mold 4 Defect 5 High-boiling liquid 6 Aluminum sample holder 7 Ceramic heater 8 Bolt 9 Flat washer 10 Si substrate 11 Molding material 12 PMMA thin film layer Fluorinert FC-43
13 Si mold 14 Polyimide double-sided tape 15 Glassy carbon plate 16 Spring hook

Claims (1)

基板表面上に塗布した成形材料を成形温度であるガラス転移温度を超過する温度に加熱し、前記成形材料をモールドに対してプレスして、モールド表面に形成した凹凸構造を転写する工程を備えたインプリント方法において、
前記成形材料を前記モールドに対してプレスを行うプレス工程に先立って、前記モールド表面に形成された凹凸構造内部に、前記成形材料の成形温度より沸点及び発火点が高く、かつ、前記成形材料として使用する熱可塑性材料に対し化学反応を起こさない不活性液体を、前記凹凸構造の内部の空気を排除するように充填する液体充填工程を備え、
前記プレス工程において、前記成形材料が前記凹凸構造の凹部内に流入し、前記不活性液体が押し出され、前記モールドの端部から排出されることを特徴とするインプリント方法。
The molding material applied on the substrate surface is heated to a temperature in excess of the glass transition temperature is the molding temperature, and press the molding material against motor Rudo, a step of transferring an uneven structure formed on the mold surface In the imprint method provided,
Prior to the pressing step of pressing the molding material against the mold, the concavo-convex structure formed on the mold surface has a boiling point and an ignition point higher than the molding temperature of the molding material, and as the molding material A liquid filling step of filling an inert liquid that does not cause a chemical reaction with the thermoplastic material to be used so as to exclude air inside the concavo-convex structure;
In the pressing step, the molding material flows into the concave portion of the concavo-convex structure, and the inert liquid is pushed out and discharged from an end of the mold.
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