JP6343814B2 - モールド、インプリント装置及びインプリント方法 - Google Patents

モールド、インプリント装置及びインプリント方法 Download PDF

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Description

本開示に係る技術分野は、モールド、インプリント装置及びインプリント方法に関する。
近年、ディスプレイ、照明などの商品に用いられる光学部品において、ナノメートル(nm)オーダーからミクロンメートル(μm)オーダーの微細なパターンの形成が要望されている。形成された微細なパターンは、光の反射や回折制御などの特殊光学特性を発揮する。微細なパターンを形成する方法として、フォトリソグラフィー技術や電子線描画技術などが知られており、この中でも特に、インプリント技術が注目されている。
インプリント技術とは、表面に微細形状の付与されたモールドを、光学部品である基材の表面に塗布された樹脂に押し付けることで、微細パターンを形成する方法である。
インプリント方法には、大別して熱インプリント法と、UVインプリント法とが知られている。熱インプリント法は、ガラス転移温度以上に加熱されたモールドを、基板表面に塗布された熱可塑性樹脂に押し当てることにより、熱可塑性樹脂にモールドの微細パターンを転写する方法である。一方、UVインプリント法は、微細パターンの付与されたモールドが押し当てられた状態のUV(紫外線)硬化樹脂にUV光を照射することにより、UV硬化樹脂に微細パターンを転写する方法である。熱インプリント法は転写材料の選択性が広いという特徴がある。しかし、その反面、微細パターンを転写する際にモールドを昇温および降温する必要があるため、スループットが低いという問題がある。これに対して、UVインプリント法は紫外線で硬化する転写材料に限定されるため、熱インプリント法と比較すると選択性が狭いものの、数秒〜数十秒で硬化を完了させることが可能である。すなわち、UVインプリント法は、スループットが非常に高いことを特徴とする。熱インプリント法およびUVインプリント法のいずれを採用するかは、生産するデバイスにより異なるが、材料起因の問題がない場合には、UVインプリント法が量産工法として適していると考えられている。
ここで、従来のUVインプリント法について説明する。特許文献1に示されるようにUVインプリント法は、予め基板の表面に塗布されたUV硬化樹脂に対して微細パターンの形成されたシート状モールドを押圧ロールで加圧することにより実行される。UV硬化樹脂の硬化は、押圧ロールと基板の接触箇所付近にUV光を照射することで実施される。
特開2014−54735号公報
本開示のモールドは、凹凸パターン層と、無機シート層と、弾性シート層とを有する。無機シート層は、無機材料で構成され、凹凸パターン層を支持する。弾性シート層は、無機シート層を支持する。
図1は、本実施の形態に係るインプリント装置の断面模式図である。 図2は、本実施の形態に係るモールドの説明図である。 図3は、本実施の形態に係るインプリント装置に保持されるモールドの平面視と要部断面を示す図である。 図4は、本実施の形態に係るインプリント装置のインプリント動作を示す工程断面図である。
従来のモールドの基材は、周囲の温度変化により、容易に伸縮してしまう。また、姿勢制御のためにモールドを保持して所定の張力を加える際に、モールドが伸張しすぎてしまう。その結果、従来例では、転写精度の向上が困難であった。
本開示の実施の形態に係るモールドおよびインプリント装置の構成並びにインプリント方法について説明する。
<インプリント装置>
本実施の形態に係るインプリント装置2の模式的断面図を図1に示す。インプリント装置2は、シート状のモールド1と、固定保持部25と、可動保持部26とを備える。また、インプリント装置2は、押圧ロール21と、ステージ22と、UV照射器23と、制御部24とを有していてもよい。インプリント装置2は、ロール加圧式のUVインプリント法を実施するための装置である。また、固定保持部25と、可動保持部26とを総称して保持部とする。
押圧ロール21は、円筒状であって、その中心に軸を有しており、軸周りに回転自在である。また、押圧ロール21は、軸の方向(軸方向Z)と平行な平面を移動可能である。押圧ロール21は、ステージ22に向かう方向(押圧方向Y)と、軸方向Z及び押圧方向Yに垂直な方向(送り方向X)とに移動可能である。
ステージ22は、被転写体としてのUV硬化樹脂27の塗布された基板28を載置するための載置領域を有している。載置領域は、モールド1の凹凸パターン面側と向かい合う。また、載置領域には、図示しない基板吸着孔が形成されている。
UV照射器23は、ステージ22の方向にコリメートされたUV光を照射可能である。UV照射器23は、照射されたUV光が押圧ロール21に遮られない位置に設けられる。例えば、UV照射器23は、押圧ロール21の押圧方向YにUV光を照射する。この場合、押圧方向Yから見て、UV照射器23は押圧ロール21と重ならない位置に設けられる。UV照射器23は、例えばLED(発光ダイオード)又は水銀灯であるが、これらに限定されない。
モールド1は、シート状であって、押圧ロール21と、ステージ22との間に設けられる。詳細は後述するが、モールド1の端部にはパターンの形成されない領域が設けられており、その一端が固定保持部25に保持され、他端が可動保持部26によって保持される。押圧ロール21と可動保持部26とを移動させることにより、モールド1にかかる張力、及びステージ22に対するモールド1の角度を任意に調整できる。
制御部24には、プロセッサとメモリが備わっている。メモリには、押圧ロール21及び可動保持部26等のインプリント装置2の各構成の個別または全体の動作を制御するよう、1又は複数のプロセッサを動作させるプログラムが記憶される。制御部24は、UV照射器23とも接続され、UV照射器23の点消灯や光量を制御するようなプログラムも記憶している。
<モールド>
本実施の形態に係るモールド1の構成について説明する。図2は、モールド1の説明図である。図2の(a)は、モールド1を凹凸パターン層11側から見た上面図である。図2の(b)は、モールド1の凹凸パターン層11の一部領域の拡大平面図である。図2の(c)は、図2の(b)の線A−A’における拡大断面図を示す。モールド1は、樹脂で構成される凹凸パターン層11と、凹凸パターン層11を支持し、かつ、無機材料で構成される無機シート層12と、無機シート層12を支持し、かつ、樹脂で構成される弾性シート層13とを備える。モールド1は、特に、無機シート層12を備えた積層構造を有することで、弾性シート層13が伸縮する場合においても、凹凸パターン層11への影響を抑えることができる。詳細には、弾性シート層13が伸縮しても、無機シート層12はほとんど伸縮しないため、無機シート層12に支持される凹凸パターン層11もほとんど伸縮しない。これにより、凹凸パターンを高い精度で保持可能である。それゆえ、モールド1により、高精度な転写が可能となる。すなわち、ナノオーダー又はマイクロオーダーでの転写精度が求められるような、例えば半導体の製造分野等にモールド1を適用できる。
次に、モールド1を構成する各層を説明する。
(凹凸パターン層)
凹凸パターン層11は樹脂で構成される。ナノオーダー又はマイクロオーダーの微細構造が凹凸パターン層11の表面に形成される。凹凸パターン層11を構成する樹脂は、UV光に対する透過性があり、加圧転写時にパターンの崩れがない程度の強度があれば、特に限定されるものではない。なお、透過性があるとは、具体的には波長10nm〜400nmの光の透過率が60%以上である状態を示し、以下の説明においても同様である。
凹凸パターン層11を構成する樹脂として熱可塑性樹脂、具体的には、ポリエチレン樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂などが挙げられる。また、凹凸パターン層11を構成する樹脂としてUV硬化性樹脂、具体的には、ウレタンアクリレート樹脂、エポキシアクリレート樹脂、ポリエステルアクリレート樹脂、アクリルアクリレート樹脂などが挙げられる。
なお凹凸パターン層11の表面に離型膜を設けてもよい。離型膜の材料としてはフッ素系離型剤、シリコン系離型剤などが挙げられる。離型膜の材料は、凹凸パターン層11を構成する樹脂との密着性や、離型膜の厚みなどにより、適宜選択すると良い。
凹凸パターン層11は、無機シート層12に樹脂を塗布し、その樹脂にマスターモールドを押し当ててマスターモールドに形成された凹凸パターンを転写し、樹脂を硬化させた後にマスターモールドを樹脂から離型することによって形成される。
(無機シート層)
無機シート層12は、凹凸パターン層11を支持する無機材料で構成される。無機シート層12は、凹凸パターン層11と弾性シート層13との間に配され、弾性シート層13の伸縮の影響が凹凸パターン層11に及ぶのを防止する機能を発揮する。無機シート層12は無機材料で構成され、好ましくは、UV光に対する透過性があり、ヤング率が高く可撓性を有し、表面に平滑性がある材料で構成される。
なお、高いヤング率を有する材料である無機材料で無機シート層12を構成するのが好ましい。さらに、UV透過性および可撓性を考慮すると、無機シート層12をガラスで構成するのがより望ましい。ガラスとしてはアルミノ珪酸ガラス、硼珪酸ガラス、ソーダ石灰ガラス、無アルカリガラス、石英ガラスなどが挙げられる。特に、加工性、材料コスト等に鑑みると、無アルカリガラスを用いるのが好ましい。
また、無機シート層12における外周の端面は平滑であることが望ましい。これはインプリント転写時にモールド1を変形させながら加圧ロールで逐次パターンを転写するため、端面が平滑でないと、そこの箇所が起点となって割れやすいためである。端面を平滑に切断する方法としてはスクライバー等を適用することができる。特に、レーザースクライブ方法で端面を切断するのが好ましい。
また、凹凸パターン層11との密着性を向上させるために、無機シート層12の凹凸パターン層11の形成面(無機シート層12と凹凸パターン層11との界面)に、プライマー処理を行い、密着性を付与してもよい。
(弾性シート層)
弾性シート層13は、樹脂で構成され、無機シート層12を支持する。弾性シート層13は、モールド1の基材として無機シート層12を保持し、無機シート層12を介して凹凸パターン層11を保持する。弾性シート層13は、インプリント法の実施時に、積極的に変形させるため、可撓性を有するとともに表面に平滑性がある樹脂で構成される。また、UVインプリント法を実施するため、弾性シート層13は、UV光に対して透過性を有するのが望ましい。
弾性シート層13を構成する樹脂として、PET樹脂、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ナイロン樹脂などが挙げられる。この中でも特に、UV光の透過性および平滑性、可撓性に優れたPET樹脂が、弾性シート層13として好適である。
また、弾性シート層13は、凹凸パターン層11と無機シート層12のいずれよりも外形寸法が大きくなるように構成されている。弾性シート層13の外周の一部あるいは全周には、モールド1をインプリント装置2に保持させるための保持領域14が設けられている。この際、弾性シート層13は、平面視(上面視)において、無機シート層12に覆われない領域である保持領域14を有する。すなわち、上面視において、弾性シート層13は、無機シート層12よりも大きい。保持領域14をインプリント装置2の保持部(固定保持部25、可動保持部26)で保持することで、インプリント時に、弾性シート層13のみに応力を集中させることができ、凹凸パターン層11への影響を抑制可能となる。仮に、保持領域14を設けずに無機シート層12又は凹凸パターン層11をインプリント装置2で直接保持してしまうと、無機シート層12に応力が集中し、無機シート層12が割れ、これに伴い凹凸パターン層11が破壊されてしまう恐れがある。保持領域14において、弾性シート層13は、無機シート層12に覆われずに露出するため、当該露出領域で応力集中を緩和することができる。
図3に、弾性シート層13の保持領域14をインプリント装置2で保持した際の模式図を示す。図3の(a)は、モールド1の平面模式図である。図3の(b)は、図3の(a)の線B−B’における要部断面図であり、厚み方向の断面の一部拡大図である。インプリント装置2の保持部(固定保持部25、可動保持部26)に保持される領域は、保持領域14の全面積より狭いため、インプリント装置2への装着時においても保持領域14の一部は露出する。すなわち、モールド1は、インプリント装置2に保持された状態であっても、弾性シート層13の一部が露出する。図3において、保持領域14のうち保持部に保持された領域を破線で示し、保持部に保持されず露出する領域を露出領域14aとして図示している。露出領域14aにより、インプリント時の応力を解放し、凹凸パターン層11への影響を抑制することで、凹凸パターン層11のパターン精度が高く保たれる。
保持領域14及び露出領域14aの大きさは、保持部によって保持するための領域が必要となるため、弾性シート層13の外形寸法は凹凸パターン層11の外形寸法に対して1mm以上大きくかつ300mm以上大きくならないように設定することが望ましい。
なお、モールド1の左右方向の両端部を固定保持部25および可動保持部26により保持する構成としたが、上下方向を保持してもよく、また上下左右方向を保持してもよい。例えばモールド1の上下左右方向の保持領域14を保持部により保持し、張力を加えて保持してもよい。このような構成にすることによりモールド1の反りをより低減することが期待できる。なお、ここで左右方向とは、例えば、弾性シート層13の長軸方向であり、上下方向とは、弾性シート層13の短軸方向である。
(接着層)
弾性シート層13と無機シート層12は、接着層15によって固定されてもよい。すなわち接着層15が、弾性シート層13と無機シート層12との間に配されても良い。接着層15はUV透過性を有する材料で構成され、インプリント後の凹凸パターン層11を転写体から離型する際に剥がれない程度の接着強度を有すればよく、公知の接着剤または粘着剤、粘着シートなどで構成される。
<モールドの各層の厚さ>
モールド1の各層の厚さを以下に説明するように適切に設定することで、より高精度な転写を実現できる。
凹凸パターン層11の厚さは無機シート層12の厚さよりも薄いことが望ましい。凹凸パターン層11の厚さが、無機シート層12の厚さ以上になると、凹凸パターン層11の硬化収縮による影響で、凹凸パターン層11の厚み方向に反りが発生する恐れがある。また、厚み増加に伴い、凹凸パターン層11の平面方向に対する収縮量も増大する恐れがある。そのため、マイクロオーダーでの転写精度を確保することが困難となる。凹凸パターン層11の厚さの具体的寸法としては、0.01μm以上30μm以下が望ましく、0.01μm以上10μm以下がより望ましい。
無機シート層12の厚さは弾性シート層13の厚さよりも薄いことが望ましい。無機シート層12の厚みを薄く形成することにより、可撓性が向上するため、弾性シート層13に対して多少曲げ応力が加わったとしても無機シート層12に割れが発生し難くなる。無機シート層12の具体的な厚みは、30μm以上500μm以下がよく、より好ましくは30μm以上100μm以下である。なお無機シート層12の厚さが30μm未満になると可撓性は向上するもののハンドリング性が非常に悪くなる。
弾性シート層13は、モールド1を構成する層のなかで最も厚いのが望ましい。具体的には、弾性シート層13の厚さは、50μm以上1000μm以下であり、より好ましくは100μm以上500μm以下である。弾性シート層13の厚さが1000μmを超えると、可撓性が低下するとともにUVの透過性が著しく低下するため、転写体の硬化反応が促進しない恐れがある。
接着層15の厚さは、無機シート層12よりも薄く、凹凸パターン層11よりも厚いことが望ましい。具体的には接着層15の厚さは1μm以上100μm以下であることが望ましく、10μm以上50μm以下であることがさらに望ましい。接着層15の厚さを10μm以上確保することで、接着強度を確保できるとともに、50μm以下に設定することによりUV透過性の低下を抑制することができる。
以上から、モールド1を構成する各層の厚みの関係をまとめると次の通りである。弾性シート層13の厚さが無機シート層12の厚さよりも厚く、無機シート層12の厚さが凹凸パターン層11の厚さよりも厚い。また、無機シート層12の厚さが接着層15の厚さよりも厚く、接着層15の厚さが凹凸パターン層11の厚さよりも厚い。これらの関係を満たしつつ上記の具体寸法の範囲内で各層の厚みが設定される。これにより、モールド1として高い可撓性を有しつつ、高精度なパターン転写を実現できる。なお、各層の厚さは面内で略均一であり、上記の各層の厚さは最大厚みを示す。凹凸パターン層11の厚さとは、凹凸パターン層11と無機シート層12との界面から凹凸パターンの凸部の先端までの距離のこと示す。
<モールドの各層のヤング率>
モールド1の各層のヤング率を以下に説明する条件を満たすように設定することで、より高精度な転写が実現できる。すなわち、無機シート層12のヤング率が弾性シート層13のヤング率よりも高く、弾性シート層13のヤング率が接着層15のヤング率よりも高い。
具体的には、モールド1全体として適切な可撓性を持たせるため、弾性シート層13のヤング率は1GPa以上10GPa以下であることが望ましい。
また、無機シート層12のヤング率は10GPa以上600GPa以下、より望ましくは50GPa以上500GPa以下が望ましい。このようなヤング率に設定することにより、弾性シート層13に対して所定の張力が加えられた場合に無機シート層12で凹凸パターン層11の伸びを抑制できる。さらに、このようなヤング率を持つ無機シート層12により、凹凸パターン層11の平面方向の伸びを抑制することができるため、精度良くパターンを転写することが可能となる。
また、接着層15のヤング率は、0Paより大きく1GPa以下が望ましく、0.1GPa以下がより望ましい。弾性シート層13よりも接着層15のヤング率を小さく設定することにより、反りを軽減することができる。さらに、弾性シート層13に加えられた応力が接着層15によって吸収されるため、無機シート層12に加わる応力を緩和できる。
<インプリント方法>
次に、モールド1およびインプリント装置2を用いたインプリント方法について図4を用いて説明する。図4の(a)〜(d)は、本実施の形態に係るインプリント装置2のインプリント動作を示す工程断面図である。本インプリント方法は、樹脂の塗布された基板を準備し、上記したモールド1を用いて上記樹脂にパターンを転写することを特徴とする。本方法について以下に詳述する。
まず図4の(a)に示すように未硬化のUV硬化樹脂27の塗布された基板28をステージ22上に準備する。次に、UV硬化樹脂27とモールド1の凹凸パターン形成面とが向かい合うように、モールド1と基板28との相対位置を調整する。そして、基板28の一端側とモールド1の一端側とを接触させ、この接触点に押圧ロール21を押し当てる。この位置調整は、固定保持部25を下降(接近方向への移動)しつつ可動保持部26を上昇(離間方向への移動)させることで実行される。このとき、モールド1の他端側は基板28と離間させておくため、モールド1は滑らかな曲面状に変形する。また、基板28は所定の位置にアライメントされ、基板吸着孔によってステージ22の載置領域上に吸着保持される。次にモールド1の両端を保持する保持部により所定の張力及び角度に制御しつつ、押圧ロール21をモールド1の厚み方向である押圧方向Yに移動させる。押圧ロール21が押圧方向Yに移動することにより、基板28に対して垂直に圧力が加えられる。このとき、圧力の大きさは、ロードセル(図示しない)によって計測されており、計測された圧力が所定の圧力に到達すると、次の工程に進む。
次の工程では、図4の(b)に示すように、基板28に所定の圧力が加えられると、押圧ロール21を送り方向X(モールド1の面方向)に移動させる。これにより、可撓性を有するモールド1は、押圧ロール21の移動に沿って変形する。この際、押圧ロール21が送り方向Xに移動することにより、押圧ロール21は、モールド1との摩擦力の影響を受けてその軸周りに回転する。そして、モールド1の凹凸パターン面は、基板28上のUV硬化樹脂27と順次接触していき、凹凸パターンがUV硬化樹脂27に順次転写される。押圧ロール21の移動に伴い可動保持部26を徐々に下降(基板28に接近)させることで、なめらかな転写を実現する。
次に、図4の(c)に示すように、UV照射器23により、UV硬化樹脂27にUV光を照射して、UV硬化樹脂27を硬化させる。モールド1はUV透過性を有する材料であるため、モールド1を介して基板28に向けてUV光を照射することにより、UV硬化樹脂27にUV光を当てることが可能である。このようにモールド1を介してUV光を照射する方法は、基板28がUV透過性を有さない場合に有効である。
最後に、図4の(d)に示すようにモールド1をUV硬化樹脂27から離型する。具体的には、押圧ロール21を送り方向Xに送った方向と反対の方向に移動させつつ可動保持部26を上昇(基板28から離間)させることにより、モールド1に係る張力を利用して、モールド1をUV硬化樹脂27から剥離することが可能である。
以上の工程により本インプリント方法は、精度良く均一な転写を実現できる。
なお、本インプリント方法は、UVインプリント方法として実施するのが最適であるが、モールド1及びインプリント装置2を用いて熱インプリント法を実施してもよい。
なお、上記様々な構成のうちの任意の構成を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。
本開示に係る態様によれば、モールドに係る張力変化や、周囲の温度変化があってもパターンの寸法変化を小さくできるため、高精度な転写が可能となる。
本開示は、ナノオーダー又はマイクロオーダーで転写位置精度が求められるようなインプリント分野に有用である。
1 モールド
2 インプリント装置
11 凹凸パターン層
12 無機シート層
13 弾性シート層
14 保持領域
15 接着層
21 押圧ロール
22 ステージ
23 UV照射器
24 制御部
25 固定保持部
26 可動保持部
27 UV硬化樹脂
28 基板

Claims (11)

  1. 凹凸パターン層と、
    無機材料で構成され、前記凹凸パターン層を支持する無機シート層と、
    前記無機シート層を支持する弾性シート層と、を備え、
    前記弾性シート層は、上面視において、前記無機シート層よりも大きく、
    前記弾性シート層は、前記無機シート層に覆われない領域を有するモールド。
  2. 前記凹凸パターン層は、樹脂で構成され、
    前記弾性シート層は、樹脂で構成され、
    前記無機シート層は、ガラスで構成される、
    請求項1に記載のモールド。
  3. 前記弾性シート層の厚さは、前記無機シートの厚さよりも厚く、
    前記無機シートの前記厚さは、前記凹凸パターン層の厚さよりも厚い、
    請求項1に記載のモールド。
  4. 凹凸パターン層と、
    無機材料で構成され、前記凹凸パターン層を支持する無機シート層と、
    前記無機シート層を支持する弾性シート層と、を備え、
    前記弾性シート層の厚さは、前記無機シート層の厚さよりも厚く、
    前記無機シート層の前記厚さは、前記凹凸パターン層の厚さよりも厚く、
    前記弾性シート層の厚さは、50μm以上1000μm以下であり、
    前記無機シート層の厚さは、30μm以上100μm以下であり、
    前記凹凸パターン層の厚さは、0.01μm以上30μm以下である、
    モールド。
  5. 前記無機シート層と、前記弾性シート層との間に、接着層が配される請求項に記載のモールド。
  6. 凹凸パターン層と、
    無機材料で構成され、前記凹凸パターン層を支持する無機シート層と、
    前記無機シート層を支持する弾性シート層と、を備え、
    前記無機シート層と、前記弾性シート層との間に、接着層が配され、
    前記無機シート層の前記厚さは、前記接着層の厚さよりも厚く、
    前記接着層の前記厚さは、前記凹凸パターン層の前記厚さよりも厚い、
    モールド。
  7. 凹凸パターン層と、
    無機材料で構成され、前記凹凸パターン層を支持する無機シート層と、
    前記無機シート層を支持する弾性シート層と、を備え、
    前記無機シート層と、前記弾性シート層との間に、接着層が配され、
    前記無機シート層のヤング率は、前記弾性シート層のヤング率よりも高く、
    前記弾性シート層の前記ヤング率は、前記接着層のヤング率よりも高い、
    モールド。
  8. 前記無機シート層の前記ヤング率は10GPa以上600GPa以下であり、
    前記弾性シート層の前記ヤング率は1GPa以上10GPa以下であり、
    前記接着層の前記ヤング率は0Paより大きく1GPa以下である、
    請求項に記載のモールド。
  9. 前記凹凸パターン層、前記無機シート層、および前記弾性シート層は、UV光を透過させる、
    請求項1〜のいずれかに記載のモールド。
  10. 請求項に記載のモールドと、
    前記弾性シート層の前記無機シート層に覆われない前記領域を保持する保持部と、を備える
    インプリント装置。
  11. 樹脂の塗布された基板を準備し、
    請求項1〜いずれかのモールドを用いて前記樹脂にパターンを転写するインプリント方法。
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