JPWO2019230460A1 - パターン原盤、パターン原盤の製造方法、モールドの製造方法および基体の製造方法 - Google Patents

パターン原盤、パターン原盤の製造方法、モールドの製造方法および基体の製造方法 Download PDF

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Abstract

表面に微細な凹凸パターンを有するパターン原盤であって、基体と基体の一面に設けられた凹凸構造層とを備え、基体の少なくとも一面はエッチングストップ機能を有する材料からなり、凹凸構造層の凹部のうちの少なくとも一部の凹部の底部に、基体が露出しており、凹凸パターンは一面に垂直な方向における、凹凸パターンの各凹部の底点の位置のばらつきが20nm以下であるパターン原盤、パターン原盤の製造方法、モールドの製造方法、および表面に凹凸構造を備えた基体の製造方法。

Description

本開示は、微細な凹凸パターンを表面に有するパターン原盤、パターン原盤の製造方法、パターン原盤を用いたモールドの製造方法および表面に凹凸構造を有する基体の製造方法に関する。
ガラス、プラスチックからなるレンズおよびカバーガラスなどの透明基体においては、表面反射による透過光の損失を低減するために光入射面に反射防止構造あるいは反射防止膜が設けられる場合がある。例えば、可視光に対する反射防止構造としては、可視光の波長よりも短いピッチの微細凹凸構造、いわゆるモスアイ構造が知られている。
モスアイ構造を形成する方法として、スループットの観点から、ナノインプリント法によるパターン転写技術が注目されている(特開2015−29118号公報(以下において、特許文献1)参照)。ナノインプリントは、凹凸パターンを有する型を被加工物上に塗布されたレジストに押し付け、レジストを力学的に変形または流動させて微細なパターンを精密にレジスト膜に転写する技術である。パターン転写の後、例えば、パターンが転写されたレジストをマスクとして被加工物をエッチングすることにより凹凸構造を被加工物の表面に形成することができる。なお凹凸パターンを有する型は、一般に、モールド、スタンパ、あるいはテンプレートとも呼ばれる。以下においてはインプリント用の凹凸パターンを有する型をモールドと称する。
ナノインプリント法に用いられるモールドとしては、例えば、基板上に陽極酸化ポーラスアルミナ層からなる凹凸構造を備えた構成が知られている(国際公開第2010/087139号(以下において、特許文献2)、特開2012−137534号公報(以下において、特許文献3))。
また、特開2007−268831号公報(以下において、特許文献4)には、基板上にレジスト層を形成し、レジスト層への露光および現像によるパターン形成を行い、パターン形成されたレジスト層をマスクとしてエッチングして、基板の表面に凹凸パターンが形成されてなるモールドを作製する方法が開示されている。特許文献4では、基板として、面方位の異なる同一物質を積層してなる積層体を用い、面方位によってエッチングレートが異なることを利用して、凹凸の深さが一定な凹凸パターンを備えたモールドを製造する方法が開示されている。
ナノインプリント法では、同じモールドを何回も繰り返し使用することができるが、繰り返し回数に応じてモールドは劣化する。このため、例えば、光学素子の製造や表面加工等の現場では、同じパターンを有するモールドを複製し、複数準備しておく必要がある。このモールドの複製には、モールドの凹凸構造に対して反転した凹凸構造を有するマスターモールド(パターン原盤)が用いられる。
特開2013−185188号公報(以下において、特許文献5)、特開2015−59977号公報(以下において、特許文献6)には、基体表面にベーマイトからなる微細な凹凸構造層を形成し、この凹凸構造層をマスクとして基体表面をエッチングする方法が開示されている。特に、特許文献5においては、モールドの作製に用いられるパターン原盤を作製する方法が記載されている。
特許文献2および3のモールドの製造においては、モスアイ構造を形成するために、陽極酸化とエッチングを繰り返す必要があり、時間がかかる。また、特許文献4のモールドの製造においては、レジストの露光および現像工程を行うために、時間がかかる。モールドの製造においては、スループットの向上が望まれる。
他方、特許文献5のように、ベーマイトからなる凹凸構造層をエッチングマスクとしてパターン原盤を作製し、このパターン原盤を用いてインプリント用のモールドを製造すれば、従来よりも高いスループットでモールドを製造することができる。
しかしながら、特許文献5に記載されている方法で作製したパターン原盤を用いて製造されたモールドを用いてインプリントを行うと、被加工物の表面に形成される凹凸パターンの凹凸高さが極端に小さいあるいは所望の凹凸パターン形成ができない、などの問題が生じる場合があることがわかってきた。そして、発明者らは、鋭意研究により、モールドの凹凸パターンにおける凸部頂点の高さ位置のばらつきが大きいために、インプリント時にレジストの残膜の厚みに大きなばらつきが生じてしまうことが上記問題を引き起こす原因であることを見出した。さらに、モールドの凸部頂点の高さ位置のばらつきは、パターン原盤の凹凸パターンにおける凹部の底点の高さ位置のばらつきにあることを見出した。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものである。本開示は凹凸パターンの凹部底点の高さのばらつきが抑制されたパターン原盤、パターン原盤の製造方法、パターン原盤を用いたモールドの製造方法および表面に凹凸構造を有する基体の製造方法を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
<1> 表面に微細な凹凸パターンを有するパターン原盤であって、基体と、基体の一面に設けられた、上記凹凸パターンに沿った複数の凸部および複数の凹部を含む凹凸構造層とを備え、上記基体の少なくとも上記一面は、エッチングストップ機能を有する材料からなり、上記凹凸構造層の凹部のうちの少なくとも一部の凹部の底部に、上記基体が露出しており、上記凹凸パターンは、上記一面に垂直な方向における、上記凹凸パターンの各凹部の底点の位置のばらつきが20nm以下であるパターン原盤。
<2> 上記凹凸パターンが、平均周期400nm以下であり、不均一な凹凸である<1>に記載のパターン原盤。
<3> 上記凹凸パターンにおいて、上記一面に垂直な方向における各凸部の頂点の位置のばらつきが5nmを超える<1>または<2>に記載のパターン原盤。
<4> 上記凹凸構造層と上記基体との界面領域に、上記凹凸構造層を構成する材料と上記基体の上記一面を構成する材料とが混じり合う相互拡散層が形成されている<1>から<3>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<5> 上記基体の上記一面がシリコン酸化物からなる<1>から<4>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<6> 上記基体の上記一面が金属からなる<1>から<4>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<7> 上記凹凸構造層がシリコンを主成分とする層である<1>から<6>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<8> 上記凹凸構造層がシリコンを主成分とする層であり、上記基体の上記一面がニッケルを主成分とする層である<1>から<4>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<9> 上記凹凸構造層と上記基体との界面領域にニッケルシリサイド層が形成されている<8>に記載のパターン原盤。
<10> 上記凹凸構造層が多結晶あるいはアモルファスのシリコンからなる<7>から<9>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<11> 上記基体が、上記一面を含む第1の層と、第1の層とは異なる材料からなる第2の層とを含む積層体からなる<1>から<10>のいずれか1つに記載のパターン原盤。
<12> 基体の一面に、被加工層および、アルミニウムを含有する薄膜を順に備えた積層体であって、上記基体の少なくとも上記一面がエッチングストップ機能を有する材料からなる積層体を用意し、上記アルミニウムを含有する薄膜を温水処理することにより、アルミナの水和物からなる第1の凹凸構造層を形成し、上記第1の凹凸構造層が除去され、上記被加工層に形成される凹部の少なくとも一部に上記基体の上記一面が露出するまで第1の凹凸構造層および上記被加工層を第1の凹凸構造層側からエッチングし、上記被加工層を複数の凸部と複数の凹部を含む第2の凹凸構造層に加工するパターン原盤の製造方法。
<13> 上記エッチングの工程において、上記第1の凹凸構造層の凹部に上記被加工層が露出した後のエッチングを、上記第1の凹凸構造層のエッチングレートをRa、上記被加工層のエッチングレートをRw、上記基体のエッチングレートをRsとした場合に、
Rw>Ra>Rs
の条件下で行う<12>に記載のパターン原盤の製造方法。
<14> 上記基体の少なくとも上記一面が、シリコン酸化物または金属からなる<12>または<13>に記載のパターン原盤の製造方法。
<15> 上記被加工層が、シリコンを主成分とする層である<12>から<14>のいずれか1つに記載のパターン原盤の製造方法。
<16> 上記エッチングにおいて、ハロゲン原子を含むエッチングガスを用いる<12>から<15>のいずれか1つに記載のパターン原盤の製造方法。
<17> 上記ハロゲン原子が、フッ素原子である<16>に記載のパターン原盤の製造方法。
<18> アルミニウムを含有する薄膜を、2nm以上、20nm以下の膜厚とする<12>から<17>のいずれか1つに記載のパターン原盤の製造方法。
<19> 上記エッチングの工程の後に、熱処理を行う<12>から<18>のいずれか1つに記載のパターン原盤の製造方法。
<20> <1>から<11>のいずれか1つに記載のパターン原盤を用い、
上記パターン原盤の上記凹凸パターンの転写凹凸パターンを表面に有するモールドを製造するモールドの製造方法。
<21> 上記パターン原盤の上記表面の上記凹凸パターンに沿って樹脂組成物層を形成し、上記樹脂組成物層を硬化させることにより、上記凹凸パターンの転写凹凸パターンを有する樹脂層を形成し、上記樹脂層を上記パターン原盤から剥離して、上記転写凹凸パターンを表面に有するフレキシブルモールドを得る<20>に記載のモールドの製造方法。
<22> <1>から<11>のいずれか1つに記載のパターン原盤を用いて、上記パターン原盤の上記凹凸パターンが転写された第1の転写凹凸パターンを表面に有するモールドを作製し、被加工基体の一面にレジストを塗布し、上記レジストに、上記モールドの上記第1の転写凹凸パターンを押し付けることにより、上記レジストに上記第1の転写凹凸パターンを転写して第2の転写凹凸パターンを形成し、上記第2の転写凹凸パターンが形成されたレジストを硬化させることにより、上記第2の転写凹凸パターンを有する第2の樹脂層を形成し、第2の転写凹凸パターンを有する第2の樹脂層をマスクとして、第2の樹脂層側から第2の樹脂層および上記被加工基体をエッチングし、被加工基体の表面に凹凸パターンを形成する、表面に凹凸構造を備えた基体の製造方法。
本発明の一実施形態によれば、凹凸パターンの凹部の底の位置のばらつきが抑制されたパターン原盤を提供することができる。
本発明の第1の実施形態のパターン原盤の断面を模式的に示す図である。 図1に示すパターン原盤の一部を拡大して示す図である。 本発明の一実施例のパターン原盤の凹凸パターンを基体の一面に垂直な方向から撮影した走査型電子顕微鏡像である。 本発明の他の実施例のパターン原盤の凹凸パターンを基体の一面に垂直な方向から撮影した走査型電子顕微鏡像である。 本発明のさらに他の実施例のパターン原盤の凹凸パターンを基体の一面に垂直な方向から撮影した走査型電子顕微鏡像である。 一実施形態のパターン原盤において、凹凸構造層と基体との間に形成される相互拡散層を模式的に示す図である。 本発明の第2の実施形態のパターン原盤の断面を模式的に示す図である。 第2の実施形態のパターン原盤の製造工程を示す図である。 本発明の一実施形態のフレキシブルモールドの製造工程を示す図である。 表面に凹凸構造を備えた基体の製造工程を示す図である。 実施例のパターン原盤の表面を撮影した走査型電子顕微鏡像である。 実施例のパターン原盤の断面を撮影した走査型電子顕微鏡像である。
以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
「パターン原盤」
本発明の第1の実施形態のパターン原盤について説明する。図1は、第1の実施形態のパターン原盤1の断面を模式的に示す図である。
パターン原盤1は、表面に微細な凹凸パターン2を有する。パターン原盤1は、基体10と、基体10の一面10aに設けられた、凹凸パターン2に沿った複数の凸部22aおよび複数の凹部22bを含む凹凸構造層20とを備える。基体10の少なくとも一面10aは、凹凸構造層20とは異なる材料からなり、特には、基体10の一面10aは、エッチングストップ機能を有する材料からなる。ここで、エッチングストップ機能を有する材料とは、凹凸構造層20をエッチング形成する際のエッチングガスに対して、凹凸構造層20よりも低いエッチングレートを有する材料である。特には、希ガス、酸素ガス、フッ素系ガスおよび塩素系ガスのうちの少なくともいずれかのガスを含むエッチングガスに対して凹凸構造層20よりも低いエッチングレートを有する材料が好ましい。
凹凸パターン2は主として凹凸構造層20の複数の凸部22aおよび複数の凹部22bによって構成される。すなわち、凹凸構造層20は、凹凸パターン2に沿った凸部22aおよび凹部22bを含んでいる。凹凸パターン2の凸部2aおよび凹部2bの多くは凹凸構造層20の凸部22aおよび凹部22bと一致する。
図2は、図1に示したパターン原盤1の一部の拡大図である。凹凸構造層20の凹部22bのうちの少なくとも一部の凹部22bの底部に基体10が露出している。この場合、凹凸構造層20の凹部22bの底部に基体10の一面10aが露出している形態、あるいは、凹凸構造層20の凹部22bの底部に基体10が露出しており、その基体10の一部にも凹部10bが形成されている形態などがある。これらの場合には、凹凸パターン2の凹部2bは、凹凸構造層20の凹部22bと基体10の一面10aとから、あるいは凹凸構造層20の凹部22bと基体10に設けられた凹部10bとから構成されることとなる。
本パターン原盤1の凹凸パターン2は、基体10の一面10aに垂直な方向における、各凹部2bの底点の位置のばらつきαが20nm以下である。
ここで、凹部2bの底点とは、基体10の一面10aに垂直な方向において、個々の凹部2bの最も深い位置にある点である。図2に示すように、各凹部2bの底点の位置のばらつきαとは、複数の凹部2bのうち最も深い凹部の底点から最も浅い凹部の底点までの距離である。以下において、凹部の底点の位置(あるいは、底点位置)とは、基体10の一面10aに垂直な方向における凹部底点の位置をいう。
他方、本パターン原盤1の凹凸パターン2は、基体10の一面10aに垂直な方向における、各凸部2aの頂点の位置のばらつきは小さいほど好ましい。しかしながら、5nmを超えるものであってもよい。
ここで、凸部2aの頂点とは、基体10の一面10aに垂直な方向において、個々の凸部2aの最も高い位置にある点である。図2に示すように、各凸部2aの位置のばらつきβとは、複数の凸部2aのうち最も高い凸部の頂点から最も低い凸部の頂点までの距離である。以下において、凸部の頂点の位置(あるいは頂点位置)とは、基体10の一面10aに垂直な方向における凸部頂点の位置をいう。
凹部底点および凸部頂点の位置のばらつきは、原子間力顕微鏡(AFM)により、パターン部の高さ計測を行い、凹部底点および凸部頂点をそれぞれ10個無作為に抽出して求めることとする。抽出された10個の凹部底点のうち、最も深いものと最も浅いものとの差を凹部底点の位置のばらつきとする。また、抽出された10個の凸部頂点のうち、最も高いものと最も低いものとの差を凸部頂点の位置のばらつきとする。
なお、上記凹凸パターンの凹部の底点位置のばらつきおよび頂点位置のばらつき度合いは、パターン原盤1の断面について走査型電子顕微鏡(SEM)画像を撮影し観察することができる。
凹凸パターン2における凹凸の高低差は100nm以上であることが好ましく、200nm以上であることがより好ましく、300nm以上であることがさらに好ましい。反射防止の観点から凹凸の高低差は大きい方が好ましい。但し、機械強度の観点から1μm以下、更には500nm以下であることが好ましい。ここでいう高低差は凹部の底点から凸部の頂点までの距離であり、凹凸パターン2の凸部2aの頂点位置のばらつき中心と凹部2bの底点位置のばらつき中心との距離を、その凹凸パターン2の凹凸の高低差とみなすことができる。
凹凸パターン2は、平均周期が400nm以下であり、不均一な凹凸であることが好ましい。平均周期は、300nm以下であることが好ましく、200nm以下であることがより好ましい。ここで、周期とは、凸部同士あるいは凹部同士の配置周期を意味し、図1に示すように、凹凸パターン2における1つの凹部を挟み最も近接した凸部同士の距離T、あるいは1つの凸部を挟み最も近接した凹部同士の距離Tであらわすことができる。凹凸パターン2は、各凸部2aおよび各凹部2bの配置周期は一定ではない。また、凸部形状および凹部形状も不均一である。
なお、平均周期は、例えば、SEMで微細な凹凸構造の表面画像を撮影し、画像処理をして2値化し、統計的処理によって求めることができる。
凹凸パターン2は複数の孤立した凸部と凸部を囲む凹部領域とから構成されていてもよいし、孤立した凹部と凹部を囲む凸部領域とから構成されていてもよい。前者の場合、凸部の形状および配置、並びに凹部領域の形状のいずれも不均一でよい、また、後者の場合も同様に、凹部の形状および配置、並びに凸部領域の形状のいずれも不均一でよい。また、凸部領域と凹部領域とが不均一に形成された凹凸パターンであってもよい。
図3〜図5は、本発明の実施例のパターン原盤の凹凸パターンを基体に垂直な方向から撮影したSEM画像である。各図において、白く視認される部分が凸部であり、濃い灰色で視認される部分が凹部である。いずれにおいても海島構造状に凹部と凸部が不均一に形成された凹凸パターンとなっている。本明細書において「不均一な凹凸」とは、このように、各凹部、各凸部の形状が異なり、かつ、凹部および凸部の配置に規則性がない海島構造状の凹凸をいう。図3においては、複数の孤立した凸部と凸部を囲む凹部領域とから構成された凹凸パターンが形成されている。図4においては、複数の孤立した凹部と凹部を囲む凸部領域とから構成された凹凸パターンが形成されている。また、図5においては、図3および図4の中間的な凹凸パターンであって、連続的な凸部領域と連続的な凹部領域とが入り混じった凹凸パターンが形成されている。
図6に示すように、凹凸構造層20と、基体10との界面領域には、凹凸構造層20を構成する材料と、基体10の一面10aを構成する材料とが混じり合う相互拡散層15が形成されていることが好ましい。
相互拡散層15を備えることにより、凹凸構造層20と基体10との密着性を向上させることができる。凹凸構造層20と基体10との密着性が高いため、後述するフレキシブルモールド製造時において、フレキシブルモールドを凹凸構造層から剥離する際に凹凸構造層20と基体10とが剥離するのを抑制することができる。
既述の通り、基板10の一面10aは凹凸構造層20をエッチング形成する際のエッチングガスに対して、凹凸構造層20よりも低いエッチングレートを有する材料で構成すればよい。例えば、凹凸構造層20がシリコンである場合、凹凸構造層20をエッチングするガスとしてはフッ素系ガス、例えば六フッ化硫黄(SF)およびトリフルオロメタン(CHF)が適し、このガスに対して、凹凸構造層20よりも低いエッチングレートを有する材料としては、ニッケル(Ni)およびクロム(Cr)などの金属やシリコン酸化物(SiO)、サファイアなどが挙げられる。また、凹凸構造層20がCrである場合、凹凸構造層20をエッチングするガスとしては、塩素ガスが適し、このガスに対して凹凸構造層20よりも低いエッチングレートを有する材料としては、サファイアが挙げられる。
基体10の一面10aはシリコン酸化物、あるいはサファイアなどの酸化物、金属などの窒化物もしくは炭化物、あるいは金属から構成されていることが好ましい。金属としては、ニッケル、クロムなどが挙げられる。これらの材料から、基体10の一面10aは凹凸構造層20の材料およびエッチングガスとの関係で、エッチングストップ層として機能するものを選択すればよい、
他方、凹凸構造層20はシリコンを主成分とする層であることが好ましい。シリコンを主成分とする層とは、シリコンの含有量が50原子%以上である層を意味する。シリコンを主成分とする層としては、多結晶のシリコン層、もしくはアモルファスのシリコン層が特に好ましい。
なお、凹凸構造層20がシリコンを主成分とする層である場合に、基体の一面10aはニッケルを主成分とする材料から構成されていることが好ましい。この場合、凹凸構造層20と基体10との界面領域に相互拡散層15であるニッケルシリサイド層が形成されていてもよい。界面にニッケルシリサイド層が形成されていれば、凹凸構造層20と基体10との密着性が向上するため好ましい。
基体10は、少なくとも一面10aが、エッチングストップ機能を有する材料からなればよいが、基体全体が同一の材料から構成されていてもよい。他方、基体10は、一面10aを含む第1の層と、第1の層とは異なる材料からなる第2の層とを含む、2層以上の層からなる積層体であってもよい。
図7は、第2の実施形態のパターン原盤3の断面を模式的に示す図である。
パターン原盤3は、第1の実施形態のパターン原盤1の構成をすべて含む。パターン原盤3は、基体10が、一面10aを含む第1の層11と、第1の層と接して積層された第2の層12とを含む構成である点で第1の実施形態のパターン原盤1と異なる。第1の層11は凹凸構造層20をエッチングにより形成する際にエッチングストップ機能を奏するエッチングストップ層である。
第1の層11としては、第1の実施形態において説明した基体10の一面10aを構成する材料を用いることができる。すなわち、第1の層11としてはシリコン酸化物、あるいはニッケルなどの金属層を用いることができる。第1の層11は第2の層12上にスパッタ等により形成することができる。
第2の層12としては、例えば、シリコンウエハを用いることができる。
本構成においても第1の実施形態のパターン原盤1と同様の効果を得ることができる。
「パターン原盤の製造方法」
本発明の一実施形態のパターン原盤の製造方法について説明する。図8は、本発明の一実施形態のパターン原盤の製造方法であって、一例として、上述の第2の実施形態のパターン原盤3を製造する製造方法の工程を示す図である。
パターン原盤の製造方法においては、まず、基体10の一面10aに、被加工層20aおよび、アルミニウムを含有する薄膜25を順に備えた積層体をであって、基体10の少なくとも一面10aが被加工層20aに対するエッチングストップ機能を有する材料からなる積層体5を用意する(Step1)。ここでは、第2の層12の一面にエッチングストップ層である第1の層11が形成されてなる基体10を用いている。
次に、アルミニウムを含有する薄膜25を温水処理する(Step2)。例えば、容器7に収容された純水6中に積層体5ごと浸漬させて温水処理する。この温水処理により、アルミナの水和物からなる凹凸構造層26を形成する(Step3)。
その後、アルミナの水和物からなる凹凸構造層26側からこの凹凸構造層26および被加工層20aを、凹凸構造層26が除去され、被加工層20aに設けられる凹部に基体10の一面10aが露出するまでエッチングして(Step4)、被加工層20aを、凸部22aと凹部22bからなる凹凸構造層20に加工する(Step5)。
以上の工程を経て、表面に微細な凹凸パターン2を有するパターン原盤3を得ることができる。
なお、エッチングの後、基体10とその一面10aに備えられた凹凸構造層20とからなる積層体を熱処理し、熱処理後の積層体をパターン原盤としてもよい。
アルミニウムを含有する薄膜25を温水処理すると、その表面にアルミナの水和物(Al・HO)を主成分とする微細凹凸構造が形成されることが知られている。ここで、アルミナ水和物を主成分とする、とは、凹凸構造層に占めるアルミナの水和物の含有率が50質量%以上であることをいう。
アルミニウムを含有する薄膜25は、アルミニウム、アルミニウム酸化物、アルミニウム窒化物、あるいはアルミニウム酸窒化物のいずれかからなるものであることが好ましい。さらに、薄膜25はアルミニウム合金からなるものであってもよい。「アルミニウム合金」とは、アルミニウムを主成分とし、かつ、ケイ素(Si)、鉄(Fe)、銅(Cu)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、亜鉛(Zn)、クロム(Cr)、チタン(Ti)およびニッケル(Ni)等の元素の少なくとも1種を含む化合物又は固溶体を意味する。薄膜25は、凹凸構造を形成する(ベーマイト化の)観点から、すべての金属元素に対するアルミニウムの成分比が80モル%以上であることが好ましい。このようなアルミニウムを主成分とする薄膜は温水処理によりベーマイトなどのアルミナの水和物へと変質し、その表面に凹凸構造が形成される。
アルミニウムを含有する薄膜25を被加工層20a上に形成する方法は、特に限定されない。例えば、蒸着法、スパッタ法、イオンプレーティング法、化学気相成長法をはじめとする気相法、あるいは、アルミニウム前駆体溶液をスピンコート法、ディップコート法、インクジェット法をはじめとする液相法により塗布した後に焼結して形成するゾルゲル法を用いることができる。
本明細書において「温水処理」とは、温水を、アルミニウムを含有する薄膜に作用させる処理を意味する。温水処理は、例えば、アルミニウムを含有する薄膜25が形成された積層体5を室温の水(特には純水が好ましい。)に浸漬した後に水を煮沸する方法、高温に維持された温水に上記積層体5を浸漬する方法、あるいは高温水蒸気に曝す方法等である。例えば本実施形態では、ホットプレート8を用いて容器7中の純水6を加熱し煮沸させた中に積層体5ごと浸漬させている。煮沸や浸漬する時間および温水の温度は、所望の凹凸構造に応じて適宜設定される。目安としての時間は1分以上であり、特には3分以上、15分以下が適する。温水の温度はベーマイト化の観点から、60℃以上が好ましく、特には、90℃より高温であることが望ましい。温度が高いほど処理の時間が短くて済む傾向にある。例えば、厚さ10nmのアルミニウム薄膜を100℃の温水中で3分間煮沸すると、凸部同士の間隔が50〜300nm、凸部の高さが50〜100nmのランダムな配置の凹凸構造、すなわち、不均一な凹凸の凹凸パターンが得られる。凹部深さ位置、凸部高さ位置にもばらつきが大きく、5nm以上あるいは10nm以上のばらつきが生じている場合が多い。
温水処理後に形成されるアルミナの水和物からなる凹凸構造層26(以下において、これを第1の凹凸構造層26という。)の厚みは、被加工層20aの表面から、凸部頂点までの高さと規定する。第1の凹凸構造層26の厚みとしては、130nm以上であることが好ましく、200nm以上であることがさらに好ましい。130nm以上の凹凸構造層を得るための条件は、その前駆体であるアルミニウムを含有する薄膜の材料によって変化するが、概ね2nm以上20nm以下の膜厚とすることが好ましい。同一の温水処理条件であれば、アルミニウムの膜厚が大きくなるほど凹凸構造層の厚みは大きくなる。
アルミニウムを含有する薄膜25の厚みや、薄膜25を温水処理して得られる凹凸構造層26の厚みはそれぞれの工程において、断面SEM像を撮影すれば求めることができる。しかしながら、実際の製造時には、断面出しを行うことができないため、薄膜25の膜厚と成膜時間との関係、薄膜25の膜厚と凹凸構造層26の厚みとの関係などを予め求めておき、予め求められた関係に従って、製造すればよい。
本実施形態のパターン原盤の製造方法においては、このアルミナの水和物からなる微細凹凸構造側からその凹凸構造に沿ってエッチングすることによりその表面形状を後退させて、被加工層20aにアルミナの水和物の凹凸構造を反映した形状の凹凸構造を形成する。なお、アルミニウムを含有する薄膜の凹凸構造が「反映された」とは、その凹凸構造の凸部または凹部それぞれに一対一に対応する位置に凸部または凹部を有する(いわゆる転写)程の位置精度は必要ではなく、何らかの起伏に類似性を有する程度の状態を意味する。
基体10および被加工層20aとからなる積層体は、被加工層20aが加工されることによりパターン原盤1となる部材である。基体10の形状は、特に限定されず、製造すべきパターン原盤1に応じて適宜決定される。例えば基体10として、ウエハ状や矩形状の平坦な基板を使用することができる。さらに、湾曲した一面(例えば球面)を有する立体的形状部材も基体として使用できる。
基体10は、少なくともその一面10aが、被加工層20aと比較してエッチングレートが低く、被加工層20aをエッチングする際のエッチングストップ層として機能する材料から構成されていればよい。
被加工層20aは、エッチングされてパターン原盤1の凹凸パターンに沿った凸部および凹部を有する凹凸構造層20に加工される層である。被加工層20aは、アルミナの酸化物からなる第1の凹凸構造層26よりもエッチングレートが高く、エッチングされやすい材料からなることが好ましい。被加工層20aの第1の凹凸構造層26に対するエッチング選択比が高ければ、第1の凹凸構造層26の凹部において被加工層20aが露出した後、被加工層20aのエッチングが第1の凹凸構造層26のエッチングよりも早く進行することとなる。これにより、被加工層20aを、第1の凹凸構造層26の高低差よりも高低差の大きい凹凸を有する第2の凹凸構造層20に加工することができる。
エッチング工程は、サイドエッチングによる形状劣化を抑制するために、微細凹凸構造の表面側からエネルギービームを照射する異方性エッチングによって実施されることが好ましい。このようなエッチングとしては、反応性イオンエッチング、反応性イオンビームエッチングなどが挙げられる。
エッチングガスGとしては、アルゴン(Ar),酸素(O),窒素(N),ジフルオロメタン(CH),トリフルオロメタン(CHF)、四フッ化メタン(CF)、オクタフロロシクロブタン(C)、六フッ化硫黄(SF)、一酸化炭素(CO)、二酸化炭素(CO)および塩素(Cl)の中から選ばれる1種以上を用いることができる。特には、エッチングガス中にフッ素、塩素、臭素、ヨウ素およびアスタチンなどのハロゲン原子を含むことが好ましく、特には、フッ素原子を含むことが好ましい。エッチング中の装置内の圧力は0.5Pa以上が望ましい。
エッチングの工程において、アルミナの水和物からなる第1の凹凸構造層26の凹部に被加工層20aが露出した後のエッチングは、第1の凹凸構造層26のエッチングレートをRa、被加工層のエッチングレートをRw、基体の一面のエッチングレートをRsとした場合に、
Rw>Ra>Rs
の条件で行うことが好ましい。
被加工層20aのエッチングレートRwが第1の凹凸構造層26のエッチングレートRaよりも大きければ、第1の凹凸構造層26の凹部に露出した被加工層20aのエッチングは第1の凹凸構造層26のエッチングよりも早く進行することとなる。これにより、被加工層20aを第1の凹凸構造層26の高低差よりも高低差の大きい凹凸を有する第2の凹凸構造層20に加工することができる。
アルミナの水和物からなる第1の凹凸構造層26は不均一な凹凸を有し、凸部の高さおよび凹部の深さは均一でなく、各凸部および各凹部によって異なる。そのため、エッチングの開始から、第1の凹凸構造層26の凹部毎で被加工層20aが露出されるまでの時間が異なる。すなわち、第1の凹凸構造層26の形状に依存して被加工層20aの表面の場所によって、エッチングされ始める時刻が異なる。従って、被加工層20aの早期にエッチンが開始された箇所において、凹部の底に基体10の一面10aが露出した時に、被加工層20aの他の箇所に形成される凹部の底が基体10の一面10aに到達していない状況が生じる。
しかし、基体10の一面10aのエッチングレートRsが被加工層20aのエッチングレートRaよりも小さいので、エッチングにより被加工層20aに形成された凹部から基体10の一面10aが露出した場合、一面10aでエッチングの進みが遅くなる。基体10の一面10aもいくらかエッチングされるが、被加工層20aのエッチングレートは基体10のエッチングレートよりも大きいので、被加工層20aにおける基体10の一面10aに到達していない凹部のエッチングがより速く進行する。
エッチングストップ層として機能する面がない場合、ベーマイトなど均一性の低い凹凸を有する第1の凹凸構造層をマスクとしてエッチングを行うと、凹部底点の位置のばらつきは20nmを超える大きいものとなる。しかし、本実施形態の製造方法によれば、上述のように、基体10の一面10aを構成する第1の層11が、エッチングストップ層として機能するので、エッチングによって形成される凹凸パターン2の各凹部2bの底点の位置を基体10の一面10aの近傍に揃えることができる。従って、凹凸パターン2の複数の凹部2bの底点の位置のばらつきを20nm以下とすることができる。なお、エッチング条件の調整により、ばらつきを10nm以下、あるいは5nm以下とすることも可能である。一方で、凹凸パターン2の各凸部の頂点位置には、第1の凹凸構造層の不均一な凹凸の影響が残るため、頂点位置のばらつきは底点の位置のばらつきよりも大きくなる場合が多い。
以上のように、上記一実施形態に係るパターン原盤の製造方法によれば、基体表面に備えられた被加工層上にアルミニウムを含有する薄膜を成膜し、温水処理、エッチング処理という非常に簡単な工程で凹凸パターンの凹部の底の高さのばらつきが抑制されたパターン原盤を得ることができる。従って、高いスループットでパターン原盤を製造することが可能である。
エッチング後に熱処理する場合には、凹凸構造層20とエッチングストップ機能を有する面10aが相互拡散する条件で行う事が好ましい。例えば、凹凸構造層20をシリコン、エッチングストップ層をニッケルとする場合は、350℃以上の温度で熱処理する事が好ましい。凹凸層とエッチングストップ層の相互拡散により界面の強度が高まり、パターン原盤として用いる場合の耐久性が高くなるというメリットがある。
「モールドの製造方法」
本発明の一実施形態に係るモールドの製造方法について説明する。一実施形態のモールドの製造方法は、上記のパターン原盤を用い、その凹凸パターンの転写凹凸パターンを表面に有するモールドを製造する方法である。ここでは、モールドとしてフレキシブルモールドを製造する場合について説明する。図9は一実施形態のフレキシブルモールドの製造方法の工程を示す図である。
まず、パターン原盤を用意する(Step11)。ここでは、上記第2の実施形態のパターン原盤3を用いている。このパターン原盤3の凹凸パターン2にフレキシブルモールドの原材料である樹脂組成物層30を形成する(Step12)。例えば、凹凸パターン2の表面に紫外線硬化型の樹脂組成物を塗布して樹脂組成物層30を形成する。
その後、樹脂組成物を硬化させて樹脂層31とする(Step13)。樹脂組成物が紫外線硬化型である場合には、紫外線(UV)を照射して硬化させる。
樹脂層としては、例えば、ジメチルポリシロキサン(PDMS)が好適である。樹脂組成物は紫外線硬化型に限らず、熱硬化型の樹脂であってもよく、熱硬化型の場合には加熱により硬化させることができる。
その後、樹脂組成物を硬化して得られた樹脂層31をパターン原盤3から剥離する(Step14)。この樹脂層31の一面にはパターン原盤3の凹凸パターン2が転写されて転写凹凸パターン32が形成されている。この転写凹凸パターン32を備えた樹脂層31がフレキシブルモールド(以下において、フレキシブルモールド31と称する。)である。
このフレキシブルモールド31の転写凹凸パターン32は、パターン原盤3の凹凸パターン2の反転パターンである。パターン原盤3の凹凸パターン2は、その凹部の底点のばらつきが抑制されているので、反転パターンである転写凹凸パターン32は凸部32aの頂点位置のばらつきαが抑制されたものとなっている。好ましくはこの頂点位置のばらつきαは20nm以下である。ばらつきαは10nm以下であることが好ましく、より好ましくは5nm以下である。他方、転写凹凸パターン32の凹部32bの底点位置のばらつきβは、小さいほど好ましいが、パターン原盤3の凹凸パターン2の凸部2aの頂点位置のばらつきβ(図1参照。)に対応し、5nmを超える場合がある。
既述の通り、このフレキシブルモールド31は凹凸パターン32の凸部32aの頂点位置のばらつきが抑制されており、均一な高さの凸部を有する。したがって、ナノインプリントのモールドとして用いた場合に、レジストの残膜厚みを均一なものとすることができ、被加工物の表面に良好な凹凸パターンを形成することが可能である。
このフレキシブルモールド31は、各種基材の表面に凹凸構造を形成するために使用することができる。例えば、反射防止構造として機能する凹凸パターンを光学素子表面に形成するために用いることができる。
なお、上記では、上記パターン原盤を用いたモールドの製造方法においては、パターン原盤の凹凸パターン上に、例えばニッケルを電鋳し、パターン原盤の凹凸パターンの転写凹凸パターンを有する電鋳物を形成し、この電鋳物を剥離して、電鋳物からなるモールドを製造することもできる。この場合にも、転写凹凸パターンの凸部の頂点位置のばらつきが小さいモールドを作製することができる。したがって、上記フレキシブルモールドの場合と同様に、レジストの残膜厚みを均一なものとすることができ、被加工物の表面に良好な凹凸パターンを形成することが可能である。
「表面に凹凸構造を備えた基体の製造方法」
本発明の一実施形態に係る、表面に凹凸構造を備えた基体の製造方法について説明する。図10は、一実施形態の基板の製造方法の工程を示す図である。
まず、上述のパターン原盤を用いて、フレキシブルモールドを作製する。フレキシブルモールドの作製工程は、上述した一実施形態のフレキシブルモールドの製造方法と同様とする。なお、ここでは、上記のフレキシブルモールドの製造工程を経て得られたフレキシブルモールド31を用いるが、パターン原盤を用いて、電鋳により作製されたモールドを用いてもよい。
被加工基体としては、サファイア基板、各種ガラス基板、あるいはレンズなどの光学部材が好適である。
被加工基体40の一平面上に、例えば、紫外線硬化型のレジスト50を塗布する(Step21)。そのレジスト50上にフレキシブルモールド31を、その転写凹凸パターン32がレジスト50に押し付けられるように圧接する(Step22)。
紫外線を、被加工基体40を透過させてレジスト50に照射し、レジスト50を硬化させる(Step23)。レジスト50が硬化されて、フレキシブルモールド31の第1の転写凹凸パターン32が転写されてなる第2の転写凹凸パターン52を表面に有する樹脂層51が形成される。
樹脂層51表面からフレキシブルモールド31を剥離する(Step24)。これにより、サファイア基板40上に第2の転写凹凸パターン52を有する樹脂層51を備えた構成が得られる。このとき、フレキシブルモールド31の凸部頂点の高さが均一であるので、レジストの残膜厚みが均一になる。
樹脂層51の第2の転写凹凸パターン52は、パターン原盤3の凹凸パターン2と同様の凹凸パターンとなっている。したがって、凹部52bの底点位置のばらつきαは抑制されており、凸部52aの頂点位置のばらつきβは大きい。転写を繰り返すことでばらつきの大きさは多少変化するが、底点位置のばらつきαは、20nm以下であることが好ましく、10nm以下、さらには5nm以下であることがより好ましい。一方、凸部52aの頂点位置のばらつきβは5nmを超える。凹部52bの底点位置のばらつきが小さいことはレジストの残膜厚みが均一であることを意味する。
次に、樹脂層51をマスクとしてエッチングを行う(Step25)。
前処理として、樹脂層51の残膜を除去する。樹脂層の転写凹凸パターン52の凹部52bから基板40までに残る樹脂層51が残膜であり、この残膜をエッチングもしくはアッシングにより除去して基板40の表面を露出させる処理である。残膜にばらつきがあると、厚い残膜の除去に要する時間を要し、このアッシング処理によって凸部の形状が鈍り、高さも減少してしまい、結果として基板のエッチング時のマスクとしての機能が低下する。しかし、本実施形態においては、上記フレキシブルモールド31を用いているので、残膜厚みが均一であり、一定の残膜処理時間で各凹部52bの残膜を良好に除去することができる。残膜除去には、酸素ガス、アルゴンガス、フッ素系ガス等を用いることができる。
樹脂層51の第2の転写凹凸パターンの各凹部52bに被加工基体40が露出した後は、樹脂層51に対する被加工基体40のエッチング選択比が大きくなるエッチングガスを用いてエッチングを行う。このエッチングにより、被加工基体40の表面に樹脂層51の第2の転写凹凸パターン52に応じた凹凸パターン42を形成することができる(Step25)。
以上のようにして、微細な凹凸パターンを表面に有する基体41を作製することができる。
本発明の実施例のパターン原盤の製造方法を以下に説明する。
シリコンウエハ上にニッケル層を積層してなる基体の、ニッケル層上にシリコン層を形成した積層体を準備する。ニッケル層が基体の一面を含む第1の層であり、シリコンウエハが第2の層に相当する。また、ニッケル層上に形成されたシリコン層が被加工層である。ニッケル層の厚みは20nm、シリコン層は300nmの厚みとした。
その後、シリコン層の表面にスパッタリング法によりアルミニウムを含有する薄膜としてアルミニウム膜を10nm成膜した。次いで、アルミニウム膜が形成された積層体を100℃の温水に3分間浸漬させて温水処理することにより、アルミナの水和物からなる第1の凹凸構造層を得た。その後、この第1の凹凸構造層が形成された面に対して、反応性イオンエッチング装置を用いてエッチングを行った。エッチングは第1の凹凸構造層が除去されるまで行った。なお、エッチングガスとしてはSFとCHFの混合ガスを用いた。
上記エッチングにより、第1の凹凸構造層が除去され、かつ被加工層が凸部と凹部からなる第2の凹凸構造層に加工され、表面に微細な凹凸パターンを有するパターン原盤を得た。
図11および12は、上記製造方法により製造したパターン原盤の表面および断面のSEM画像である。図11に示す表面の画像において、凸部は白く、凹部は黒く観察され、不均一な凹凸の凹凸パターンが形成されていることが分かる。図12に示す断面の画像において、ニッケル層でエッチングがストップして、凹部の底点位置がニッケル層表面にあり、凹部の底点位置のばらつきが非常に小さい凹凸パターンが形成されていることが明らかである。なお、図12に示す画像には凹部(あるいは凸部)の斜面状の側壁の断面が含まれている。本実施例においては凸部高さ(凹部深さ)が約300nm程度の凹凸パターンが得られた。
2018年5月30日に出願された日本出願特願2018−103819号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、及び技術規格は、個々の文献、特許出願、及び技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (22)

  1. 表面に微細な凹凸パターンを有するパターン原盤であって、基体と、該基体の一面に設けられた、前記凹凸パターンに沿った複数の凸部および複数の凹部を含む凹凸構造層とを備え、
    前記基体の少なくとも前記一面は、エッチングストップ機能を有する材料からなり、
    前記凹凸構造層の凹部のうちの少なくとも一部の凹部の底部に、前記基体が露出しており、
    前記凹凸パターンは、前記一面に垂直な方向における、前記凹凸パターンの各凹部の底点の位置のばらつきが20nm以下であるパターン原盤。
  2. 前記凹凸パターンが、平均周期400nm以下であり、不均一な凹凸である請求項1に記載のパターン原盤。
  3. 前記凹凸パターンにおいて、前記一面に垂直な方向における前記凹凸パターンの各凸部の頂点の位置のばらつきが5nmを超える請求項1または2に記載のパターン原盤。
  4. 前記凹凸構造層と前記基体との界面領域に、前記凹凸構造層を構成する材料と前記基体の前記一面を構成する材料とが混じり合う相互拡散層が形成されている請求項1から3のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  5. 前記基体の前記一面がシリコン酸化物からなる請求項1から4のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  6. 前記基体の前記一面が金属からなる請求項1から4のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  7. 前記凹凸構造層がシリコンを主成分とする層である請求項1から6のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  8. 前記凹凸構造層がシリコンを主成分とする層であり、前記基体の前記一面がニッケルを主成分とする層である請求項1から4のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  9. 前記凹凸構造層と前記基体との界面領域にニッケルシリサイド層が形成されている請求項8に記載のパターン原盤。
  10. 前記凹凸構造層が多結晶あるいはアモルファスのシリコンからなる請求項7から9のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  11. 前記基体が、前記一面を含む第1の層と、該第1の層とは異なる材料からなる第2の層とを含む積層体からなる請求項1から10のいずれか1項に記載のパターン原盤。
  12. 基体の一面に、被加工層および、アルミニウムを含有する薄膜を順に備えた積層体であって、前記基体の少なくとも前記一面がエッチングストップ機能を有する材料からなる積層体を用意し、
    前記アルミニウムを含有する薄膜を温水処理することにより、アルミナの水和物からなる第1の凹凸構造層を形成し、
    前記第1の凹凸構造層が除去され、前記被加工層に形成される凹部の少なくとも一部に前記基体の前記一面が露出するまで、前記第1の凹凸構造層および前記被加工層を前記第1の凹凸構造層側からエッチングし、前記被加工層を複数の凸部と複数の凹部を含む第2の凹凸構造層に加工するパターン原盤の製造方法。
  13. 前記エッチングの工程において、前記第1の凹凸構造層の凹部に前記被加工層が露出した後のエッチングを、
    前記第1の凹凸構造層のエッチングレートをRa、前記被加工層のエッチングレートをRw、前記基体のエッチングレートをRsとした場合に、
    Rw>Ra>Rs
    の条件下で行う請求項12に記載のパターン原盤の製造方法。
  14. 前記基体の少なくとも前記一面が、シリコン酸化物または金属からなる請求項12または13に記載のパターン原盤の製造方法。
  15. 前記被加工層が、シリコンを主成分とする層である請求項12から14のいずれか1項に記載のパターン原盤の製造方法。
  16. 前記エッチングにおいて、ハロゲン原子を含むエッチングガスを用いる請求項12から15のいずれか1項に記載のパターン原盤の製造方法。
  17. 前記ハロゲン原子が、フッ素原子である請求項16に記載のパターン原盤の製造方法。
  18. アルミニウムを含有する薄膜を、2nm以上、20nm以下の膜厚とする請求項12から17のいずれか1項に記載のパターン原盤の製造方法。
  19. 前記エッチングの工程の後に、熱処理を行う請求項12から18のいずれか1項に記載のパターン原盤の製造方法。
  20. 請求項1から11のいずれか1項に記載のパターン原盤を用い、
    前記パターン原盤の前記凹凸パターンの転写凹凸パターンを表面に有するモールドを製造するモールドの製造方法。
  21. 前記パターン原盤の前記表面の前記凹凸パターンに沿って樹脂組成物層を形成し、
    前記樹脂組成物層を硬化させることにより、前記凹凸パターンの転写凹凸パターンを有する樹脂層を形成し、
    前記樹脂層を前記パターン原盤から剥離して、前記転写凹凸パターンを表面に有するフレキシブルモールドを得る請求項20に記載のモールドの製造方法。
  22. 請求項1から11のいずれか1項に記載のパターン原盤を用いて、前記パターン原盤の前記凹凸パターンが転写された第1の転写凹凸パターンを表面に有するモールドを作製し、
    被加工基体の一面にレジストを塗布し、
    前記レジストに、前記モールドの前記第1の転写凹凸パターンを押し付けることにより、前記レジストに前記第1の転写凹凸パターンを転写して第2の転写凹凸パターンを形成し、
    前記第2の転写凹凸パターンが形成されたレジストを硬化させることにより、前記第2の転写凹凸パターンを有する第2の樹脂層を形成し、
    該第2の転写凹凸パターンを有する第2の樹脂層をマスクとして、該第2の樹脂層側から該第2の樹脂層および前記被加工基体をエッチングし、該被加工基体の表面に凹凸パターンを形成する、表面に凹凸構造を備えた基体の製造方法。
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