JP6107131B2 - ナノ構造体及びその作製方法 - Google Patents

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Description

本発明は、ナノ構造体とその作製方法に関する。
可視光波長以下の微細ピッチの表面凹凸により、可視光波長域の光に対して優れた反射防止効果を発揮するモスアイ構造が知られており、種々の反射防止フィルムなどに使用が期待されている。
モスアイ構造の作製方法としては、大面積のモスアイ構造を継ぎ目なく得る方法が望まれている。これに関し、微細凹凸パターンが形成されたスタンパシートを複数枚接合し、それを筒の内周面に貼り付け、そのスタンパシート上にメッキ層を形成することによりスタンパ筒をシームレスの筒として作製し、スタンパ筒の表面凹凸を、被転写基材上のレジスト層に転写し、レジスト層をマスクとして被転写基材を加工する方法が知られている（特許文献１）。
特許４４６９３８５号明細書
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、スタンパシートを接合するメッキ用マスキングテープの部分にメッキ層が形成されないため、スタンパ筒を完全なシームレス状態に製造することができない。
このような従来技術に対し、本発明は、微細凹凸構造がより規則的に均一に形成されることにより、シームレス状態に視認されるナノ構造体を提供することを課題とする。
上述の課題を解決するため、本発明は、基体表面の凸部又は凹部により形成された構造体の、所定ピッチの配列を含むトラックが多数列配置されてなるナノ構造体であって、所定ピッチに構造体が存在しない部分がトラックの配列方向に連続的に形成された帯状部分（以下、シームという）が視認されないように、シームにおける隣り合う構造体の中心間距離が設定されているナノ構造体を提供する。
また、本発明は、上述のナノ構造体の作製方法であって、
原盤の表面にレジスト層を形成する工程、
原盤上のレジスト層にレーザ光をパルス照射しつつ照射位置を移動させることにより、露光部からなるスポット状潜像の露光方向の所定ピッチの配列を含む潜像のトラックが多数列配置されてなる潜像パターンを形成する工程、
潜像を現像してレジストパターンを形成する工程、
レジストパターンをマスクとして原盤をエッチング処理することにより原盤の表面に凹凸パターンを形成する工程、及び
原盤の表面凹凸を樹脂材料に転写する工程
を有し、
前記潜像パターンを形成する工程において、潜像のトラックに緩衝領域として設けるレーザ光非照射部分の幅、又は緩衝領域として設けるレーザ光非照射部分が潜像の複数のトラックの配列方向に配列する長さを、作製後のナノ構造体においてシームが視認されないように設定するナノ構造体の作製方法を提供する。
本発明のナノ構造体によれば、基体表面の微細凹凸構造をなす個々の構造体が、微細な所定ピッチで配列したトラックを成す。そのトラックが多数列配置されるにあたり、シームが視認できないように、シームにおける構造体の中心間距離が設定されている。そのため本発明は、微細構造の均一性に優れたシームレスのナノ構造体となる。
また、本発明のナノ構造体の作製方法によれば、ナノ構造体の作製に使用する、表面凹凸を有する原盤の作製工程において、原盤上のレジスト層にレーザ光をパルス照射することにより、スポット状潜像を微細な所定ピッチに配列し、さらにそのスポット状潜像の配列を多数列配置した潜像パターンを形成する。ここで、潜像のトラックの緩衝領域としてレーザ光非照射部分を設定し、かつレーザ光非照射部分の幅を、作製後のナノ構造体でシームが視認されないように定める。又はレーザ光非照射部分が連続的に配列する長さを、シームが視認されない長さに定める。このため、微細構造の均一性に優れたナノ構造体を作製することが可能となる。
図１のＡは、本発明の一実施例のナノ構造体の概略平面図、Ｂは、Ａに示したナノ構造体の部分拡大平面図、Ｃは、ＢのトラックＴ１、Ｔ３における断面図、Ｄは、ＢのトラックＴ２、Ｔ４における断面図、Ｅは、ナノ構造体の原盤の作製においてＢのトラックＴ１、Ｔ３に対応する潜像を形成するレーザ光の変調波形を示す略線図、Ｆは、ナノ構造体の原盤の作製においてＢのトラックＴ２、Ｔ４に対応する潜像を形成するレーザ光の変調波形を示す略線図である。 図２は、ロール原盤露光装置の概略説明図である。 図３は、ロール原盤に形成するパターンの説明図である。 図４は、ロール原盤上のレジスト層を露光するレーザ光のパルスの説明図である。 図５Ａは、潜像パターンの模式図である。 図５Ｂは、潜像パターンの模式図である。 図５Ｃは、潜像パターンの模式図である。 図５Ｄは、潜像パターンの模式図である。
以下の本発明を、図面を参照しつつ詳細に説明する。
本発明のナノ構造体では、例えば、図１に示す一実施例のナノ構造体１のように、基体２の表面の凸部により形成された構造体３が微細な所定ピッチＰ１で多数配置されている。より詳細には、構造体３の微細な所定ピッチＰ１の配列を含むトラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3、…が、所定のトラックピッチＴpで多数配列したものとなっている。
ここで、構造体３の微細ピッチＰ1の大きさは、例えば可視光波長以下、より具体的には約３００ｎｍ以下とすることができる。用途によっては、１０００ｎｍ以下とすることもできる。
また、基体２は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）などの透明性合成樹脂あるいはガラスなどで形成される。
基体２の形状は、例えば、フィルム状、シート状、プレート状、ブロック状等とすることができる。
図１に示すナノ構造体１では、隣り合うトラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3同士で、構造体３の配列のピッチが半周期ずれており、それにより、各トラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3では、隣り合うトラック同士の構造体３が互い違いの配置となり、構造体３の配置パターンは、図１のＢに示すように準六方格子のパターンとなっている。なお、本発明において、構造体の配置パターンは、準六方格子に限られない。正六方格子でもよく、正四方格子でもよく、準四方格子でもよい。ここで、準六方格子とは、正六方格子をトラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3の延在方向（図１のｘ方向）に引き延ばすことにより歪ませたパターンであり、準四方格子とは、正四方格子をトラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3の延在方向（図１のｘ方向）に引き延ばすことにより歪ませたパターンである。
各トラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3では、構造体３が上述のよう可視光波長以下の所定ピッチＰ1で配列しているが、後述する本発明の作製方法で説明するように、各トラックＴ1、Ｔ2、Ｔ3には、レーザ光のパルス照射の緩衝領域（Buffer Area：以下ＢＡという）の調整により、構造体３の中心間距離が、所定ピッチＰ1と異なる部分、即ち、所定ピッチＰ1に構造体３が存在しない部分（以下、構造体の欠落部ともいう）も形成される。そして、構造体の欠落部が複数のトラックに亘って配列し、帯状に連なったシームは、その大きさによってはライン状に視認される。
これに対し、本発明のナノ構造体１では、構造体の欠落部における隣り合う構造体３の中心間距離が、当該トラックの所定ピッチＰ1に対して大きいことを許容するが、シームが視認されないようにするため、過度に大きくならないように設定されている。又はシームが視認されないように、複数のトラックにわたって連なる長さが過度に長くならないように設定されている。例えば、構造体の欠落部において、隣り合う構造体３の中心間距離を、当該トラックの所定ピッチＰ1の１．５２倍以下とし、また、構造体の欠落部が当該トラックのピッチＰ1の１．５２倍以上でもトラックの配列方向に連なる長さを５０μｍ以下とする。なお、ここで構造体の欠落部が連なるトラックの配列方向とは、トラックの延在方向に対して、垂直に限られず、斜め方向であってもよい。
このように本発明のナノ構造体１によれば、シームをもたらす構造体の中心間距離や、構造体の欠落部の連なる長さが規制されることにより、シームがライン状に視認されることはなく、本発明のナノ構造体１は、実際上シームレスのナノ構造体となる。
なお、本発明において、個々の構造体３の形状自体には特に制限はなく、底面が円形、楕円形、長円形、卵形等の形状となっている錐体構造としてもよく、底面が円形、楕円形、長円形、卵形等で、頂部が曲面に形成されていてもよく、頂部が平坦に形成されていてもよい。また、各構造体３の間に微小な凸部を設けてもよい。
各構造体３の高さについても特に制限はなく、例えば、１８０ｎｍ〜４２０ｎｍ程度とすることができる。
構造体３は、基体２の表面に凸部を形成することにより、又は凹部を形成することにより、設けることができる。
上述のナノ構造体１は、本発明の方法に従い、原盤の表面にレジスト層を形成する工程、原盤上のレジスト層にレーザ光をパルス照射しつつ照射位置を移動させることにより、露光部からなるスポット状潜像の露光方向の微細ピッチの配列を含む潜像のトラックが多数列配置されてなる潜像パターンを形成する工程、潜像を現像してレジストパターンを形成する工程、レジストパターンをマスクとして原盤をエッチング処理することにより原盤の表面に凹凸パターンを形成する工程、及び原盤の表面凹凸を樹脂材料に転写する工程
を行うことで作製することができる。
この作製方法は、潜像パターンを形成する工程が特徴的であり、潜像パターンを形成する工程以外は、常法により行うことができる。即ち、本発明のナノ構造体の作製方法は、潜像パターンを形成する工程において、潜像のトラックのＢＡとしてレーザ光非照射部分を設定し、そのレーザ光非照射部分の幅、又はレーザ光非照射部分が潜像の複数のトラックの配列方向に配列する長さを、作製後のナノ構造体においてシームが視認されないように定める。
図２は、このような潜像パターンを形成するのに好適なロール原盤露光装置１０の概略である。このロール原盤露光装置１０は、ロール原盤１１の表面に着膜したレジスト層１２を露光するためのレーザ光（波長２６６ｎｍ）を発するレーザ光源１３、レーザ光源１３から出射されたレーザ光Ｌが入射する電気光学素子（ＥＯＭ：Electro Optical Modulator）１４、偏光ビームスプリッタで構成されたミラー１５、フォトダイオード１６を有し、ミラー１５を透過した偏光成分がフォトダイオード１６で受光され、フォトダイオード１６が電気光学素子１４を制御してレーザ光Ｌの位相変調を行い、レーザノイズを軽減する。
また、このロール原盤露光装置１０は、位相変調したレーザ光Ｌに対して強度変調を行う変調光学系（ＯＭ）１７を有している。変調光学系（ＯＭ）１７は、集光レンズ１８、音響光学素子（ＡＯＭ：Acoustic-Optical Modulator）１９、平行光をつくるレンズ２０を備えている。また、潜像の２次元パターンを形成するフォーマッター２１と、ドライバ２２を有し、フォーマッター２１がレジスト層１２に対するレーザ光の照射タイミングを制御し、ドライバ２２が、音響光学素子（ＡＯＭ）１９を制御する。
この潜像の２次元パターンの形成では、より具体的には、フォーマッター２１が、１トラック毎に極性反転フォーマッター信号とロール原盤１１の回転コントローラーを同期させる信号を発生し、音響光学素子１９により強度変調させる。角速度一定（ＣＡＶ：Constant Angular Velocity）で適切な回転数と適切な変調周波数と適切なパルスデューティと適切な送りピッチで露光することにより、図３に示すように六方格子のパターンの潜像を形成することができる。同図の六方格子のパターンは、例えば、ロール原盤１１の円周方向の周期（即ち、露光方向のピッチＰ1）を３１５ｎｍ、円周方向に対して約６０度方向（約−６０度方向）の斜めピッチＰ2を３００ｎｍ、送りピッチＴpを２５１ｎｍにすればよい（ピタゴラスの法則）。この場合、ロール原盤１１の回転数は、例えば、４５０ｒｐｍ、９００ｒｐｍ、又は１８００ｒｐｍで一定とし、この回転数に応じてフォーマッター２１による極性反転フォーマッター信号の周波数を定める。同様にして準六方格子、四方格子、準四方格子のパターンの潜像を形成することもできる。
パルスデューティを５０％未満とした場合には、ＢＡとして設けるレーザ光非照射部分をゼロに設定する。これにより、図４に示すように極性反転発光させることができ、スポット状潜像が露光方向（円周方向）に所定ピッチＰ1で配列し、かつ隣り合うトラック同士ではスポット状潜像の位置が半ピッチずれた潜像パターンを形成することができる。
ここで、パルスデューティは、パルス周期に対する照射時間の比率（％）であり、パルスデューティが５０％未満であると、上述のように、ＢＡとして設けるレーザ光非照射部分をゼロに設定することができる。これに対し、パルスデューティを５０％以上とする場合には、ＢＡとして設けるレーザ光非照射部分において、該レーザ光非照射部分を挟む一対のスポット状潜像の中心間距離を、スポット状潜像の所定ピッチＰ1の１．５２倍以下とすることが好ましい。なお、この数値は、本発明者が構造体の配置パターンや構造体のピッチが異なる種々のナノ構造体を検討することにより見出したものである。
また、ＢＡは、隣り合う潜像のトラック同士のスポット状潜像の位置調整のために、潜像のトラックに設けるレーザ光非照射部分の長さであり、１トラックの長さ（ロール原盤１１の周長）、パルスの周波数、パルスデューティ等に応じて変調光学系（ＯＭ）１７で制御する。各トラックに設定したＢＡは、ロール原盤１１の回転軸方向に連ねてもよく、ロール原盤１１の回転軸に対して斜め方向に連ねても良い。
こうして強度変調されたレーザ光は、ミラー２３で反射され、移動テーブル２４上のビームエクスパンダ（ＢＥＸ）２５により所望のビーム形状に成形され、対物レンズ２６を介してロール原盤１１上のレジスト層１２を照射する。より具体的には、例えば、ビームエクスパンダ２５で５倍のビーム径に拡大し、開口数（ＮＡ）０．９の対物レンズ２６を介してロール原盤１１上のレジスト層１２を照射する。
ロール原盤１１は、スピンドルモータ２７に接続されたターンテーブル２８に載置されている。そこで、ロール原盤１１を回転させると共に、レーザ光を高さ方向に移動させながらレジスト層１２へレーザ光をパルス照射する。こうして照射によりレジスト層１２に形成した潜像は、円周方向に長軸を有する略楕円形状となる。
以上、ロール原盤露光装置１０を使用してレジスト層１２に潜像パターンを形成する方法を説明したが、本発明のナノ構造体の作製方法においては、ディスク原盤に露光することにより潜像パターンを形成してもよい。
潜像パターンを形成した後は、レジスト層１２に現像処理をし、露光した部分のレジストを溶解させる現像を行い、レジストパターンを形成する。
次に、レジストパターンをマスクとして原盤をエッチング処理することにより原盤の表面に凹凸パターンを形成する。このパターニングは、例えば、ＣＨＦ3ガス雰囲気でガラス原盤にプラズマエッチングをすることにより行う。
このエッチングでは、原盤の表面が露出している領域でのみエッチングが進行し、レジストが存在する領域は、レジストがマスクとなってエッチングが進行しない。こうして、表面に微細な凹凸パターンが形成された原盤を得ることができる。
表面に微細な凹凸パターンを形成した原盤をアクリルシートなどの樹脂材料と密着させ、紫外線照射等により樹脂材料を硬化させ、剥離することにより、原盤表面の微細凹凸パターンが転写されたナノ構造体を得ることができる。ここで、原盤としてロール原盤を使用すると、ロールツーロールで、大面積でシームが視認されないモスアイ構造シートを得ることができる。
本発明のナノ構造体は、ディスプレイ、光エレクトロニクス、光通信（光ファイバー）、太陽電池、照明装置など種々の光デバイスにおいて、モスアイ構造による機能を得るために好適に使用することができ、より具体的には、例えば、反射防止機能により外光の映り込みを抑えて鮮明な画像を得たり、照明等のインテリアの質感を向上させたりすることが可能となる。また、本発明のナノ構造体はモスアイ構造のみではなくナノ構造体が周期性（ピッチ）を持つものに適用可能である。
以下、本発明をより具体的な実施例により説明する。
実施例１〜４、比較例１および２
図２に示したロール原盤露光装置１０であって、ロール原盤１１を使用し、化学増幅型レジストを使用し、露光条件を表１のように変えることにより図５Ａ〜図５Ｄに示すタイプＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄの潜像パターンを形成した。
なお、図中、Ｔは露光方向を示している。
比較例１および２の潜像パターン（図５Ｃ）では、ＢＡの潜像の中心間距離は、１トラックおきに露光方向ピッチＰ1よりも長くなっており、表１には、このＰ1よりも長い潜像の中心間距離を記載した。
潜像パターンを形成したレジスト層を現像し、エッチングすることにより、表面に微細凹凸が形成されたロール原盤を得た。そして、その表面の微細凹凸をアクリルシートに転写してナノ構造体を得た。
得られたナノ構造体の表面の微細凹凸の均一性を次の基準で評価した。結果を表１に示す。
判定基準は、○：シームが視認されない、△：シームがかすかに視認される、×：シームが視認される、とした。
Figure 0006107131
表１から、パルスデューティが５０％未満である場合（実施例１、２、３）や、パルスデューティが５０％以上であっても、ＢＡとして設定するレーザ光非照射部分において隣り合う潜像の中心間距離が、潜像の露光方向ピッチの１．５２倍以下であると、シームが視認されず、ナノ構造体の微細凹凸の均一性が高いことがわかる。
１ ナノ構造体
２ 基体
３ 構造体
１０ ロール原盤露光装置
１１ ロール原盤
１２ レジスト層
１３ レーザ光源
１４ 電気光学素子（ＥＯＭ）
１５ ミラー
１６ フォトダイオード
１７ 変調光学系（ＯＭ）
１８ 集光レンズ
１９ 音響光学素子（ＡＯＭ）
２０ レンズ
２１ フォーマッター
２２ ドライバ
２３ ミラー
２４ 移動テーブル
２５ ビームエクスパンダ
２６ 対物レンズ
２７ スピンドルモータ
２８ ターンテーブル
Ｌ レーザ光
Ｐ1 ピッチ（露光方向）
Ｐ2 斜めピッチ
Ｔ1、Ｔ2、Ｔ3 トラック
Ｔp トラックピッチ又は送りピッチ

Claims (3)

  1. 基体表面の凸部又は凹部により形成された構造体の所定ピッチの配列を含むトラックが多数列配置されてなるナノ構造体であって、所定ピッチに構造体が存在しない部分がトラックの配列方向に配列した帯状部分（以下、シームという）を有し、各トラックにおいて、シームを挟む一対の構造体の中心間距離が前記所定ピッチよりも長く且つ前記所定ピッチの１．５２倍以下であるナノ構造体。
  2. 構造体の配置パターンが、六方格子または準六方格子パターンである請求項１記載のナノ構造体。
  3. 請求項１記載のナノ構造体の作製方法であって、
    原盤の表面にレジスト層を形成する工程、
    原盤上のレジスト層にレーザ光をパルス照射しつつ照射位置を移動させることにより、露光部からなるスポット状潜像の露光方向の所定ピッチの配列を含む潜像のトラックが多数列配置されてなる潜像パターンを形成する工程、
    潜像を現像してレジストパターンを形成する工程、
    レジストパターンをマスクとして原盤をエッチング処理することにより原盤の表面に凹凸パターンを形成する工程、及び
    原盤の表面凹凸を樹脂材料に転写する工程
    を有し、
    前記潜像パターンを形成する工程において、各潜像のトラックに緩衝領域としてレーザ光非照射部分を設定し、このレーザ光非照射部分を挟む一対のスポット状潜像の中心間距離を、スポット状潜像の所定ピッチよりも長く且つ１．５２倍以下とするナノ構造体の作製方法。
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