JPWO2014115728A1 - 光透過型インプリント用モールド、大面積モールドの製造方法 - Google Patents

光透過型インプリント用モールド、大面積モールドの製造方法 Download PDF

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Abstract

大面積基材上に塗布された光硬化性樹脂に対して光透過型インプリント用モールドを押し当てた状態で、透明基材の凹凸パターンを再現するように設けられている遮光部材（５）によって硬化される遮光領域の光硬化性樹脂に照射される光量が、それ以外の透光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量よりも少なくなるように光硬化性樹脂に対して硬化光を照射し、遮光領域にある光硬化性樹脂を半硬化（９ｂ）させる露光工程と、露光工程の後にモールドを光硬化性樹脂から離脱させる離脱工程と、次に、モールドの透光領域の端が半硬化された光硬化性樹脂（９ｂ）上に位置するようにモールドを移動させる移動工程と、移動後の位置で露光工程と離脱工程を行う繰り返し工程とを備える、インプリント方法。

Description

本発明は、光透過型インプリント用モールド、及び大面積モールドの製造方法に関する。
インプリント技術とは、所望とする微細な凹凸パターンの反転パターンを有するモールドを、基板上の液状樹脂等の転写材料へ押し付け、これによりモールドのパターンを転写材料に転写する微細加工技術である。微細な凹凸パターンとしては、１０ｎｍレベルのナノスケールのものから、１００μｍ程度のものまで存在し、半導体材料、光学材料、記憶メディア、マイクロマシン、バイオ、環境等、様々な分野で用いられている。
ところで、ナノオーダーの微細な凹凸パターンを表面に有するモールドは、パターンの形成に時間がかかるため非常に高価である。そのため、ナノオーダーの微細な凹凸パターンを表面に有するモールドの大型化（大面積化）は困難である。
そこで、特許文献１では、小さいモールドを用いたインプリントを、加工領域が重ならないようにモールドの位置をずらしながら繰り返す行うことによって大面積のインプリントを可能にしている（ステップアンドリピート）。
特許第４２６２２７１号
しかしながら、特許文献１の方法では、凹凸パターンを連続的に形成するには、モールドのアライメントを極めて高精度で行う必要があり、そのような高精度のインプリント装置は極めて高価であるという問題がある。また、アライメントの精度が低い場合には、すでに形成した凹凸パターン上にモールドを押し付けて凹凸パターンを破壊してしまったり、すでに形成した凹凸パターンと次にモールドを押し付ける位置の間にスペースができてしまって凹凸パターンが連続的にならなかったりするという問題がある。
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、低精度なアライメントであっても凹凸パターンを連続的に形成することができる光透過型インプリント用モールド及びこのモールドを用いたインプリント方法を提供するものである。
本発明によれば、凹凸パターンが形成されたパターン領域を有する透明基材と、前記パターン領域上に設けられた遮光部材とを含む光透過型インプリント用モールドであって、
前記遮光部材は、前記パターン領域の端の一部の領域において、前記凹凸パターンの凹部と凸部との双方を連続して前記凹凸パターンを被覆し且つ前記遮光部材の表面形状が前記凹凸パターンを再現するように、設けられている、光透過型インプリント用モールドが提供される。
特許文献１では非パターン部に遮光部材が設けられているが、本発明はこの発明とは基本的な発想が異なり、モールドの凹凸パターンを被覆し且つ遮光部材の表面形状が前記凹凸パターンを再現するように遮光部材を設ける必要がある。このように遮光部材を設けると、遮光部材が設けられている領域（遮光領域）とそれ以外の領域（透光領域）とで光硬化性樹脂の露光の程度に差を設けることができる。そして、露光量を調節することによって、遮光領域において、液状の光硬化性樹脂を、凹凸パターンの反転パターンの形状が短時間保持される程度に半硬化させることができる。
次に、モールドの透光領域が半硬化された光硬化性樹脂上に位置するようにモールドを配置して、モールドの凹凸パターンを押し付けると、半硬化された光硬化性樹脂にすでに形成されているパターンは容易に変形して、新たに押し付けられたモールドの凹凸パターンに従った反転パターン形状になる。このように半硬化された光硬化性樹脂は容易に変形可能であるので、すでに形成したパターンが破壊されるのではなく、新たな反転パターンへと変形することとなる。
本発明のモールドを用いれば、モールドのアライメントは、モールドを移動させた後の透光領域の端が半硬化された光硬化性樹脂上に位置する程度でよいので、特許文献１のように厳密なアライメントを行う必要がなく、従って、精度がそれほど高くない比較的安価なインプリント装置を用いても、モールドの凹凸パターンの反転パターンを連続的に形成することができる。
以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下に示す実施形態は、互いに組み合わせ可能である。
好ましくは、前記透明基材は、光透過性樹脂である。
好ましくは、前記遮光部材は、金属膜からなる。
また、本発明は、別の観点によれば、大面積基材上に塗布された光硬化性樹脂に対して上記記載の光透過型インプリント用モールドを押し当てた状態で、前記遮光部材が設けられた遮光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量がそれ以外の透光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量よりも少なくなるように光硬化性樹脂に対して硬化光を照射することによって、前記遮光領域にある光硬化性樹脂を半硬化させる露光工程と、
露光工程の後に前記モールドを前記光硬化性樹脂から離脱させる離脱工程と、
次に、前記モールドの透光領域の端が前記半硬化された光硬化性樹脂上に位置するように前記モールドを移動させる移動工程と、
移動後の位置で前記露光工程と前記離脱工程を行う繰り返し工程とを備える、インプリント方法を提供する。
好ましくは、前記露光工程において、前記硬化光は、前記モールド側と前記大面積基材側の両方から前記光硬化性樹脂に対して照射される。
好ましくは、前記遮光部材は、前記硬化光を部分的に透過させ、前記硬化光は、モールド側のみから照射される。
（ａ）は、本発明の第１実施形態のモールドの断面図であり、（ｂ）は、その変形例である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態のインプリント方法の露光工程及び離脱工程を説明するための断面図である。 （ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の第１実施形態のインプリント方法の移動工程及び繰り返し工程を説明するための断面図であり、（ｃ）は、２回目の露光工程及び離脱工程の後に得られる構造を示す断面図である。 本発明の第２実施形態のモールドの断面図である。 本発明の第２実施形態のインプリント方法を説明するための断面図である。
以下、図面を参照しながら本発明の好ましい実施の形態について具体的に説明する。
１．第１実施形態
１−１．光透過型インプリント用モールド
本発明の第１実施形態の光透過型インプリント用モールドは、図１（ａ）に示すように、凹凸パターン３が形成されたパターン領域を有する透明基材４と、前記パターン領域上に設けられた遮光部材５とを含む光透過型インプリント用モールド２であって、遮光部材５は、前記パターン領域の端の一部の領域において、凹凸パターン３の凹部３ａと凸部３ｂとの双方を連続して凹凸パターン３を被覆し且つ遮光部材５の表面形状が凹凸パターン３を再現するように、設けられている。
このようなインプリント用モールド２は、公知のインプリント技術により形成可能であり、一例では、図１（ａ）に示すように透明基材４上に、所望とする微細な凹凸パターン３を有する透明樹脂層６を備える。
（１）透明基材４
透明基材４は、樹脂基材、石英基材などの透明材料で形成される。樹脂基材は、柔軟性を有する樹脂モールドの形成に好ましく、具体的には例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、環状ポリオレフィンおよびポリエチレンナフタレートからなる群から選ばれる１種からなるものである。
（２）透明樹脂層６、凹凸パターン３、パターン領域
透明樹脂層６を形成する樹脂としては、熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂または光硬化性樹脂の何れでもよいが生産性およびモールドとしての使いやすさの観点から光硬化性樹脂が好ましい。具体的には、アクリル樹脂、スチレン樹脂、オレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。また、樹脂は、フッ素化合物、長鎖アルキル化合物、およびワックスなどの剥離成分を含有してもよい。
上記した透明樹脂層６の厚さは、通常５０ｎｍ〜１ｍｍ、好ましくは、５００ｎｍ〜５００μｍである。このような厚さとすれば、インプリント加工が行い易い。
透明樹脂層６を形成する樹脂が熱可塑性樹脂である場合は、透明樹脂層６をガラス転移温度（Ｔｇ）以上の温度に加熱した状態で、凹凸パターン形成用のモールドを０．５〜５０ＭＰａのプレス厚で１０〜６００秒間保持してプレスした後、透明樹脂層６をＴｇ以下の温度にまで冷却し、モールドを透明樹脂層６から引き離すことによって、透明樹脂層６に凹凸パターン３を形成することができる。一方、透明樹脂層６を形成する樹脂が光硬化性樹脂である場合は、液状の透明樹脂層６に凹凸パターン形成用のモールドを押し付けた状態で透明樹脂層６に対して硬化光（ＵＶ光、可視光、電子線などの樹脂を硬化可能なエネルギー線の総称）を照射することによって透明樹脂層６を硬化し、その後、モールドを引き離すことによって、透明樹脂層６に凹凸パターン３を形成することができる。光は、透明基材４側から照射してもよく、モールドが光に対して透明である場合には、モールド側から照射してもよい。また、透明樹脂層６を形成する樹脂が熱硬化性樹脂である場合は、液状の透明樹脂層６に凹凸パターン形成用のモールドを押し付けた状態で透明樹脂層６を硬化温度にまで加熱することによって透明樹脂層６を硬化し、その後、モールドを引き離すことによって、透明樹脂層６に凹凸パターン３を形成することができる。光は、透明基材４側から照射してもよく、モールドが光に対して透過性を有する場合には、モールド側から照射してもよい。
透明樹脂層６の凹凸パターン３に特に制限はないが、周期１０ｎｍ〜２ｍｍ、深さ１０ｎｍ〜５００μｍ、転写面１．０〜１．０×１０６ｍｍ２のものが好ましく、周期２０ｎｍ〜２０μｍ、深さ５０ｎｍ〜１μｍ、転写面１．０〜０．２５×１０６ｍｍ２のものがより好ましい。このように設定すれば、転写体に充分な凹凸パターン３を転写することができる。表面形状としては、モスアイ、線、円柱、モノリス、円錐、多角錐、マイクロレンズが挙げられる。
凹凸パターン３が形成されるパターン領域は、図１（ａ）に示すように、透明基材４の全面に渡って設けてもよく、図１（ｂ）に示すように、透明基材４の一部にのみ設けてもよい。
透明樹脂層６の表面は、転写材料との付着を防止するための剥離処理がされていてもよく、剥離処理は剥離層（図示せず）を形成するものであってもよい。剥離層（図示せず）を形成する離型剤としては、好ましくはフッ素系シランカップリング剤、アミノ基又はカルボキシル基を有するパーフルオロ化合物およびアミノ基又はカルボキシル基を有するパーフルオロエーテル化合物からなる群から選ばれる少なくとも１種からなり、より好ましくは、フッ素系シランカップリング剤、片末端アミン化パーフルオロ（パーフルオロエーテル）化合物ならびに片末端カルボキシル化パーフルオロ（パーフルオロエーテル）化合物の単体または単体および複合体の混合物からなる群から選ばれる少なくとも１種からなる。離型剤として上記のものを用いると、透明樹脂層６への密着が良好であるとともに、インプリントを行う樹脂との剥離性が良好である。剥離層（図示せず）の厚さは、好ましくは０．５〜２０ｎｍ、より好ましくは０．５〜１０ｎｍ、最も好ましくは０．５〜５ｎｍの範囲内である。なお、剥離層と透明樹脂層６の密着性を向上すべく、透明樹脂層６には、ＷＯ２０１２／０１８０４５に開示されているような、離型剤と結合可能な基を有する添加剤を添加してもよい。
（３）遮光部材５
遮光部材５は、図１（ａ）に示すように、凹凸パターン３が形成されたパターン領域の端の一部の領域に形成する。遮光部材５の形成方法や材料は、硬化光を遮光するという目的を達成するものであれば特に限定されない。遮光部材５は、一例では、Ｃｒなどの金属材料をスパッタリングで凹凸パターン３上に付着させることによって形成することができる。遮光部材５は、アクリル系、ウレタン系、ポリカーボネート系などの有機材料や、カーボン系などの無機材料で形成してもよい。これらの材料には、色素など他の材料を含有させてもよい。遮光部材は、パターン領域の一辺に沿ってに直線上に設けてもよく、二辺に沿ってＬ事情に設けてもよく、それ以上の数の辺に沿って設けてもよく、パターン領域の全周に沿って設けてもよい。
遮光部材５を設ける幅は特に限定されないが、遮光部材５は、例えば、パターン領域の幅の２〜２０％の領域に設けることが好ましい。遮光部材５の幅が狭すぎると、遮光部材５を設けたことによる利点が得られなくなり、遮光部材５の幅が広すぎると、インプリントの効率が低下するからである。
遮光部材５は、凹部３ａのみや凸部３ｂのみに形成するのではなく、凹凸パターン３の凹部３ａと凸部３ｂとの双方を連続するように形成する。また、遮光部材５は、その表面が凹凸パターン３を再現するよう形成する。この場合、遮光部材５を転写材料に押し付けて、転写材料に凹凸パターン３を転写することができるからである。
遮光部材５の厚さは特に限定されないが、あまりに薄すぎると遮光性が発揮されず、あまりに厚すぎると凹凸パターン３が適切に再現されないので、必要な遮光性を確保しつつ凹凸パターン３が遮光部材５に適切に再現されるような厚さを適宜選択する。遮光部材５の厚さは、例えば、凹凸パターンの高さの０．０１〜０．９９倍であり、好ましくは０．０１〜０．５倍、または１〜１００ｎｍの範囲である。遮光部材５の厚さは、具体的には例えば凹凸パターンの高さの０．０１、０．０５、０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、０．９５、０．９９倍、又は１、５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０、１００ｎｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
遮光部材５は、硬化光を完全に遮光するもの（遮光度１００％）であってもよく、部分遮光（例えば遮光度５０％）であってもよい。つまり、本明細書において、「遮光」とは、完全遮光と部分遮光の両方を含む用語である。前者の場合は、後述するインプリント方法において、モールド側からの露光では、遮光部材５がある領域（遮光領域）の光硬化性樹脂が全く露光されないので、この領域の光硬化性樹脂を半硬化させるためには転写材料を塗布する大面積基材側からの露光が必要である。一方、後者の場合、遮光領域の光硬化性樹脂もある程度露光されるので、大面積基材側からの露光がなくても本発明のインプリント方法を実施することが可能になる。部分遮光の程度は、光硬化性樹脂の物性等によって適宜変更されるが、例えば、１０、２０、３０、４０、５０、６０、７０、８０、９０％であり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
また、遮光部材５に対して、透明樹脂層６について上述した剥離処理を施してもよい。これによって、遮光部材５に転写材料が付着することが防ぐことができる。
１−２．インプリント方法
次に、上記モールドを用いたインプリント方法の一例について説明する。ここで示すインプリント方法は、例示であって、上記モールドは別のインプリント方法にも利用可能である。
本発明の第１実施形態のインプリント方法は、図２〜図３に示すように、大面積基材７上に塗布された光硬化性樹脂９に対して上記の光透過型インプリント用モールド２を押し当てた状態で、遮光部材５が設けられた遮光領域にある光硬化性樹脂９に照射される光量がそれ以外の透光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量よりも少なくなるように光硬化性樹脂９に対して硬化光を照射することによって、前記遮光領域にある光硬化性樹脂９を半硬化させる露光工程と、露光工程の後にモールド２を光硬化性樹脂９から離脱させる離脱工程と、次に、モールド２の透光領域の端が半硬化された光硬化性樹脂９ｂ上に位置するようにモールド２を移動させる移動工程と、移動後の位置で前記露光工程と前記離脱工程を行う繰り返し工程とを備える。
（１）露光工程
この露光工程では、図２（ａ）に示すように、大面積基材７上に液状の光硬化性樹脂９を塗布し、塗布した光硬化性樹脂９にモールド２の凹凸パターン３を押し付けた状態で、光硬化性樹脂９に硬化光を照射する。本実施形態では、モールド２側からも、大面積基材７からも照射している。モールド２側からの硬化光は、透光領域ではそのままモールド２を通過して光硬化性樹脂９に照射されて、光硬化性樹脂９を完全に硬化させる。一方、遮光領域では、遮光部材５が硬化光を遮って、光硬化性樹脂９には硬化光が照射されない。このままでは遮光領域の光硬化性樹脂９は液状のままになるので、遮光領域の光硬化性樹脂９を半硬化させるために大面積基材７からも硬化光を照射する。遮光領域の光硬化性樹脂９の硬化の程度は、大面積基材７からも硬化光の照射量を変化させることによって調節可能である。
大面積基材７の材質は、特に限定されないが、樹脂基材であることが好ましい。樹脂基材を用いることによって、本発明のインプリント方法によって所望するサイズの（大面積も可能な）樹脂モールドが得られるからである。樹脂基材を構成する樹脂としては、例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリオレフィン、ポリイミド、ポリサルフォン、ポリエーテルサルフォン、環状ポリオレフィンおよびポリエチレンナフタレートからなる群から選ばれる１種からなるものである。また、大面積基材７は適度な柔軟性を有することが好ましく、樹脂基材を用いる場合には、樹脂基材の厚さは２５〜５００μｍの範囲であることが好ましい。
光硬化性樹脂９としては、アクリル樹脂、スチレン樹脂、オレフィン樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリエステル樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等が挙げられる。また、樹脂は、フッ素化合物、長鎖アルキル化合物、およびワックスなどの剥離成分を含有してもよい。
（２）離脱工程
次に、硬化光の照射後にモールド２を外す。これによって、図２（ｂ）に示すように、完全硬化された光硬化性樹脂９ａと、半硬化された光硬化性樹脂９ｂに凹凸パターン３の反転パターンが形成された構造が得られる。半硬化された光硬化性樹脂９ｂは、短時間であれば凹凸パターン３の反転パターンを保持できる程度に硬化されているので、モールド２を外した後も反転パターンの形状が維持される。但し、完全には硬化されていないので、ある程度の力を加えると容易に変形する。
（３）移動工程
次に、図３（ａ）に示すように、モールド２を次の加工領域に移動させる。この際、モールド２の厳密なアライメントは必要ではなく、モールドの透光領域の端が半硬化された光硬化性樹脂９ｂ上に位置するように配置すればよい。従って、モールド２の遮光領域の幅が広いほど必要なアライメントの精度が低くなる。
（４）繰り返し工程
次に、図３（ｂ）に示すように、大面積基材７の光硬化性樹脂９に対してモールド２を押し付けて光硬化性樹脂９に対して硬化光を照射する。この際、半硬化された光硬化性樹脂にすでに形成されている凹凸パターン３の反転パターンは容易に変形して、新たに押し付けられたモールドの凹凸パターン３に従った形状になる。このように半硬化された光硬化性樹脂９ｂは容易に変形可能であるので、すでに形成したパターンが破壊されるのではなく、新たな反転パターンへと変形することとなる。
この工程において、硬化光は、直前のステップで形成された半硬化された光硬化性樹脂９ｂにも照射され、この半硬化された光硬化性樹脂９ｂが完全硬化された光硬化性樹脂９ａとなる。また、このステップにおいても、遮光領域に、半硬化された光硬化性樹脂９ｂが新たに形成される。
以後、離脱工程、移動工程、露光工程を必要な回数だけ繰り返すことによって、所望のサイズの大面積モールドを形成することができる。
２．第２実施形態
図４は、本発明の第２実施形態の光透過型インプリント用モールド２を示す。このモールド２の構成は、第１実施形態と類似しているが、遮光部材５は、硬化光を部分遮光する。
このようなモールドを用いた場合、図５に示すように、硬化光は、モールド２側からのみ照射することができる。透光領域では硬化光はそのままモールド２を通過して光硬化性樹脂９ｂに照射される。遮光領域では、硬化光は、遮光部材５によって減衰されるもののその一部は光硬化性樹脂９ｂに照射される。従って、硬化光の強度と遮光部材５の透過度を適宜調節することによって、光硬化性樹脂９ｂを半硬化させることができる。以後の工程は、第１実施形態と同様に行うことができる。
２：光透過型インプリント用モールド、３：凹凸パターン、４：透明基材、６：透明樹脂層、７：大面積基材、９：光硬化性樹脂

Claims (6)

  1. 凹凸パターンが形成されたパターン領域を有する透明基材と、前記パターン領域上に設けられた遮光部材とを含む光透過型インプリント用モールドであって、
    前記遮光部材は、前記パターン領域の端の一部の領域において、前記凹凸パターンの凹部と凸部との双方を連続して前記凹凸パターンを被覆し且つ前記遮光部材の表面形状が前記凹凸パターンを再現するように、設けられている、光透過型インプリント用モールド。
  2. 前記透明基材は、光透過性樹脂である、請求項１に記載の光透過型インプリント用モールド。
  3. 前記遮光部材は、金属膜からなる、請求項１又は２に記載の光透過型インプリント用モールド。
  4. 大面積基材上に塗布された光硬化性樹脂に対して請求項１又は２に記載の光透過型インプリント用モールドを押し当てた状態で、前記遮光部材が設けられた遮光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量がそれ以外の透光領域にある光硬化性樹脂に照射される光量よりも少なくなるように光硬化性樹脂に対して硬化光を照射することによって、前記遮光領域にある光硬化性樹脂を半硬化させる露光工程と、
    露光工程の後に前記モールドを前記光硬化性樹脂から離脱させる離脱工程と、
    次に、前記モールドの透光領域の端が前記半硬化された光硬化性樹脂上に位置するように前記モールドを移動させる移動工程と、
    移動後の位置で前記露光工程と前記離脱工程を行う繰り返し工程とを備える、インプリント方法。
  5. 前記露光工程において、前記硬化光は、前記モールド側と前記大面積基材側の両方から前記光硬化性樹脂に対して照射される、請求項４に記載の方法。
  6. 前記遮光部材は、前記硬化光を部分的に透過させ、前記硬化光は、モールド側のみから照射される、請求項４に記載の方法。
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