KR101338684B1 - 임프린트 장치 및 임프린트 방법 - Google Patents

임프린트 장치 및 임프린트 방법 Download PDF

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Abstract

형(型)과 피성형물 사이에 압력을 균일하게 가할 수 있음과 동시에, 고속으로 온도를 높이거나 낮출 수 있는 임프린트 장치 및 임프린트 방법을 제공한다. 형(100)의 패턴을 필름 형상의 피성형물(200)에 전사하기 위한 임프린트 장치(1)에 있어서, 형(100)를 유지하기 위한 스테이지(11)와, 피성형물(200)과 함께 가압실(12)을 구성하는 가압실용 케이스(13)와, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이를 밀폐하는 밀폐수단(14)과, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이를 개폐하는 개폐수단(15)과, 가압실(12) 내의 기압을 조절하는 가압수단(16)과, 형(100)과 피성형물(200)의 어느 한쪽 또는 양쪽을 가열하기 위한 가열수단(17)과, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거하는 탈기수단(18)을 구비하는 임프린트 장치(1).

Description

임프린트 장치 및 임프린트 방법{IMPRINTING DEVICE AND IMPRINTING METHOD}
본 발명은 스루풋이 높은 임프린트 장치 및 임프린트 방법에 관한 것이다.
근년, 마이크로 오더, 나노 오더의 초미세한 패턴을 형성하는 방법으로서, 열나노 임프린트 기술이 주목받고 있다. 이것은, 열가소성을 가지는 수지 등으로 이루어지는 기판이나 필름 등의 피성형물을 상기 수지의 유리전이온도 이상으로 가열하여, 이 피성형물에 미세한 패턴을 가지는 형(型)을 가압함으로써, 상기 패턴을 전사하는 것이다.
이 나노 임프린트 기술에서는, 형과 피성형물의 평행도나 평면도가 중요하다. 형과 피성형물이 평행이 아니면 가해지는 압력이 불균일해져, 형에 국소적으로 큰 응력이 가해져 변형이나 파손을 일으키거나 패턴의 전사 불량을 일으키는 원인이 되기 때문이다.
이것을 해결하는 것으로서, 종래, 형의 뒤측에 탄성 부재를 배치하는 것(예를 들면, 특허 문헌 1 참조)이나, 가요성이 있는 막을 통해 형을 오일 등으로 가압하는 장치가 있다(예를 들면, 특허 문헌 2 참조).
특허 문헌 1: 국제공개번호 WO2007/049530 특허 문헌 2: 국제공개번호 WO01/042858
그러나, 이 경우에 있어서도, 형과 피성형물의 평행도나 평면도에 기인하는 문제를 충분히 해결하는데는 이르지 못했다. 또, 종래의 장치는, 히터와 피성형물 사이에, 피성형물을 유지하는 스테이지 등이 있기 때문에, 이것에 많은 열을 필요로 하여, 가열이나 냉각에 많은 시간을 필요로 한다고 하는 문제가 있었다. 이러한 문제는, 형을 대형화할수록 현저해진다.
그리하여, 본 발명은, 형과 피성형물 사이에 압력을 균일하게 가할 수 있음과 동시에, 고속으로 온도를 높이거나 낮출 수 있는 임프린트 장치 및 임프린트 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해서, 본 발명의 제1 임프린트 장치는, 형의 패턴을 필름 형상의 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 장치에 있어서, 상기 형을 유지하기 위한 스테이지와, 상기 피성형물과 함께 가압실을 구성하는 가압실용 케이스와, 상기 가압실용 케이스와 상기 피성형물 사이를 밀폐하는 밀폐수단과, 상기 가압실용 케이스와 상기 피성형물 사이를 개폐하는 개폐수단과, 상기 가압실 내의 기압을 조절하는 가압수단과, 상기 형과 상기 피성형물의 어느 한쪽 또는 양쪽을 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2 임프린트 장치는, 필름 형상의 형의 패턴을 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 장치에 있어서, 상기 피성형물을 유지하기 위한 스테이지와, 상기 형과 함께 가압실을 구성하는 가압실용 케이스와, 상기 가압실용 케이스와 상기 형 사이를 밀폐하는 밀폐수단과, 상기 가압실용 케이스와 상기 형 사이를 개폐하는 개폐수단과, 상기 가압실 내의 기압을 조절하는 가압수단과, 상기 형과 상기 피성형물의 어느 한쪽 또는 양쪽을 가열하기 위한 가열수단을 구비하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 상기 형과 상기 피성형물 사이의 기체를 제거하는 탈기수단을 구비하는 것이 바람직하다. 또, 상기 가열수단은, 전자파의 방사에 의해 가열하는 것이나, 상기 가압실용 케이스에 소정 온도로 가열된 기체를 공급하는 것을 사용할 수 있다. 또, 상기 피성형물을 냉각하기 위한 냉각수단을 구비하는 편이 바람직하다.
또, 본 발명의 제2 임프린트 장치에 있어서, 상기 형은, 소정의 성형 온도에서 사용되는 필름 형상의 형으로서, 열가소성 수지로 이루어지는 기층과, 상기 성형 온도에서 상기 수지보다 딱딱한 재료로 이루어지고 상기 기층의 성형면 측에 형성되는 경질층을 가지는 것을 사용할 수 있다.
또, 본 발명의 제1 임프린트 방법은, 형의 패턴을 필름 형상의 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 방법에 있어서, 상기 형에 대해 상기 피성형물을 기체로 직접 프레스하는 것을 특징으로 한다.
또, 본 발명의 제2 임프린트 방법은, 필름 형상의 형의 패턴을 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 방법에 있어서, 상기 피성형물에 대해 상기 형을 기체로 직접 프레스하는 것을 특징으로 한다.
이 경우, 형의 패턴을 전사하기 전에, 상기 형과 상기 피성형물 사이의 기체를 제거하는 편이 바람직하다. 또, 상기 형과 상기 피성형물의 어느 한쪽 또는 양쪽을 전자파의 방사에 의해 가열하거나, 또는, 소정 온도의 기체에 의해 가열할 수 있다.
본 발명은, 적어도 형과 피성형물의 어느 한쪽에 가요성이 있는 필름 형상의 것을 사용하여, 이것을 기체로 직접 가압하기 때문에, 형과 피성형물 사이에 압력을 균일하게 가할 수 있어 패턴을 정확하게 전사하는 것이 가능해진다.
또, 형 또는 피성형물과 가열수단 사이에 있는 개재물을 배제할 수 있기 때문에, 전자파의 방사에 의해 가열하거나, 또는 소정 온도의 기체에 의해 가열함으로써, 피성형물을 고속으로 온도를 높이거나 낮출 수 있어 스루풋을 향상하는 것이 가능해진다.
도 1은 본 발명의 제1 임프린트 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 2는 본 발명의 임프린트 장치의 진공실을 형성한 상태의 개략 단면도이다.
도 3은 본 발명의 임프린트 장치의 가압실, 진공실을 개방한 상태의 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 임프린트 장치를 나타내는 개략 단면도이다.
도 5는 본 발명의 임프린트 장치에 관한 필름 형상의 형을 나타내는 개략 단면도이다.
이하, 본 발명의 실시형태를 도면에 근거해 상세하게 설명한다.
실시예 1
본 발명의 제1 임프린트 장치(1)는, 도 1에 나타내듯이, 형(100)의 패턴을 필름 형상의 피성형물(200)에 전사하기 위한 임프린트 장치에 있어서, 형(100)을 유지하기 위한 스테이지(11)와, 피성형물(200)과 함께 가압실(12)을 구성하는 가압실용 케이스(13)와, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이를 밀폐하는 밀폐수단(14)과, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이를 개폐하는 개폐수단(15)과, 가압실(12) 내의 기압을 조절하는 가압수단(16)과, 피성형물(200)을 가열하기 위한 가열수단(17)으로 주로 구성된다. 또, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 탈기하는 탈기수단(18)을 구비하는 편이 바람직하다.
스테이지(11)는, 형(100)을 유지할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 좋지만, 예를 들면, 형(100)을 유지하는 면이 형(100)보다 큰 평면 형상으로 형성되거나, 또는, 상기 평면에, 형(100)의 두께와 동일한 정도의 깊이를 가지고, 형(100)을 내부에 설치할 수 있는 오목부가 형성된다. 재질은, 성형 시의 가압이나 가열에 견딜 수 있는 내압성, 내열성을 가지고 있으면 어떠한 것이어도 좋지만, 형(100)의 열팽창 계수에 가까운 것을 사용하는 편이 바람직하다. 예를 들면, 형(100)이 니켈로 제조된 것이면, 니켈제의 스테이지(11)를 사용할 수 있다. 또, 형(100)과 스테이지(11)를 일체로 형성하는 편이 피성형물(200)에 불필요한 전사흔적이 생기는 것을 방지할 수 있는 점에서 바람직하다. 예를 들면 종래는, 패턴을 전기주조에 의해 형성한 후, 패턴 부분만을 잘라내어 사용되고 있었지만, 이것을 잘라내지 않고 그대로 사용하면 좋다. 또, 피성형물(200)을 유지하는 유지도구를 별도 설치해도 좋다.
가압실용 케이스(13)는, 개구부를 가지며, 바닥을 갖는 원통형으로 형성되어 개구부를 피성형물(200)에 의해 닫음으로써, 밀폐된 공간인 가압실(12)을 구성하는 것이다. 이 개구부는, 적어도 피성형물(200)에 전사되는 패턴 영역보다 크게 형성된다. 재질은, 성형 시의 가압이나 가열에 견딜 수 있는 내압성, 내열성을 가지고 있으면 어떠한 것이어도 좋다. 예를 들면, 탄소강 등 철재나 SUS 등의 금속을 사용할 수 있다.
밀폐수단(14)은, 가압실(12)을 밀실로 하기 위해서, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이를 밀접시키는 것이다. 예를 들면, 도 1에 나타내듯이, 밀폐수단(14)으로서 O링(141)을 준비함과 동시에, 가압실용 케이스(13) 측벽의 단부에 O링의 단면 직경보다 얕은 오목형상의 홈(142)을 형성하고, 이 홈(142)에 O링(141)을 배치하면 된다. 이에 의해, 피성형물(200)을 가압실용 케이스(13)와 스테이지(11)에 의해 협지하고, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200)을 밀접시킬 수 있기 때문에, 가압실(12)을 밀폐할 수 있다. 또, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200) 사이에 경사가 있어도, 그 평행도가 O링(141)의 스퀴즈 이내이면, 가압실(12)을 확실하게 밀폐할 수 있다.
개폐수단(15)은, 가압실용 케이스(13)와 피성형물(200)을 근접 또 이격함으로써, 가압실(12)을 개폐하는 것으로서, 예를 들면 가압실용 케이스(13)를 유압식 또는 공압식의 실린더에 의해 이동하는 것이나, 전기 모터와 볼스크류에 의해 이동하는 것 등을 적용할 수 있다.
가압수단(16)은, 형(100)의 패턴을 피성형물(200)에 전사 가능한 압력까지, 가압실(12) 내의 기압을 조절 가능하면 어떠한 것이어도 좋지만, 예를 들면, 가압실용 케이스(13)에 가압실용 기체급배유로(161)를 접속하고, 가압실용 기체급배유로(161)로부터 가압실(12)에 공기나 불활성 가스 등의 기체를 급기 또는 배기하면 된다. 기체의 공급에는, 압축된 기체를 가지는 봄브(162)(도 1 참조) 또는 가압 펌프를 사용할 수 있다. 또, 기체의 배기에는, 탈기밸브(163)의 개폐에 의해 기체를 배기하도록 하면 된다. 또한, 적당하게 안전밸브 등을 설치해도 좋다.
가열수단(17)은, 형(100)과 피성형물(200)의 어느 한쪽 또는 양쪽을 피성형물의 유리전이온도 이상 또는 용융온도 이상으로 가열할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 좋으며, 스테이지(11) 측에 히터를 마련하여 스테이지(11)측으로부터 형(100)이나 피성형물(200)을 가열하는 것을 사용할 수 있다. 또, 가압실(12) 내에 설치되어 형(100) 또는 피성형물(200)을 원적외선 등의 전자파에 의한 방사에 의해 가열하는 것을 사용할 수도 있다. 예를 들면, 가압실용 케이스(13)의 가압실(12) 측에 설치된 세라믹 히터나 할로겐 히터를 사용하면 된다. 이와 같이 구성하면, 종래의 장치와 같이, 가열수단(17)과 피성형물(200) 사이에 스테이지(11)이나 막 등의 개재물이 없기 때문에 열용량을 작게 할 수 있고, 피성형물(200)을 최소한의 열량으로 고속으로 가열할 수 있다. 또, 이에 의해 냉각도 고속으로 할 수 있다. 또, 가압수단이 공급하는 기체를 가열해 두어, 가열기체에 의해 가열할 수도 있다. 물론, 가열수단(17)은, 이들을 복수 조합한 것이어도 상관없다. 또한, 가압실용 케이스(13)와 가열수단(17) 사이에 단열재(171)를 설치해도 좋다. 또, 열전대(熱電對)등의 온도검출수단을 사용해 형(100)이나 피성형물(200)의 온도를 검지하고, 온도 콘트롤러 등 제어수단(미도시)에 의해 가열수단(17)을 제어하여 온도를 조절하도록 해도 된다.
탈기수단(18)은, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거하는 것이다. 탈기수단(18)을 마련하는 편이 바람직한 이유는, 형(100)과 피성형물(200) 사이에 기체가 존재하면, 형(100)과 피성형물(200)을 충분히 프레스할 수 없거나, 가열 얼룩을 발생하여, 전사 불량의 원인이 되기 때문이다. 이 탈기수단(18)으로서는, 예를 들면, 적어도 형(100) 및 피성형물(200)을 내포하는 진공실(181)을 형성하여, 진공실(181)을 감압함으로써 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거하는 것을 사용하면 좋다.
진공실(181)은, 예를 들면, 가압실용 케이스(13)의 상부를 덮는 천정부재(182)와, 천정부재(182)로부터 아래로 늘어지게 설치되고 가압실용 케이스(13)의 측부를 덮는 주름부(183)와, 상기 주름부(183)와 스테이지(11) 또는 스테이지(11)를 안착하는 베이스(10)와의 사이를 밀폐하는 시일 부재(184)와, 진공실용 기체급배유로를 통해 진공실(181) 내의 기체를 배기하는 진공 펌프(185)에 의해 형성된다. 이 시일 부재(184)는, 주름부(183)의 스테이지(11) 측에 형성된 오목한 형상의 홈에 배치된다. 또, 진공 펌프는, 형(100)에 피성형물(200)을 가압했을 때에 전사 불량이 생기지 않는 범위까지 진공실(181)을 감압할 수 있는 것이면 된다. 또, 천정부재(182)는, 개폐수단(15)에 의해 이동 가능하게 형성된다. 또한, 천정부재(182), 주름부(183), 시일 부재(184)는, 진공으로 했을 때의 외력에 견딜 수 있는 강도를 가짐은 말할 나위도 없다.
또, 도 1에 나타내듯이, 상술한 가압실용 급배유로와 진공실용 기체급배유로를 공통으로 하는 것도 가능하다. 이 경우, 우선, 도 2에 나타내듯이, 가압실(12)을 해방한 상태에서 진공실(181) 및 가압실(12)의 기체를 배출하여 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거한 다음, 도 1에 나타내듯이, 개폐수단(15)으로 가압실(12)을 폐쇄한 후, 가압실(12)에 기체를 공급하여 형(100)에 대해 피성형물(200)을 프레스하면 된다.
또, 임프린트 장치는, 냉각수단을 구비하고 있어도 좋다. 냉각수단은, 형(100) 또는 피성형물(200)을 냉각하는 것이면 어떠한 것이어도 좋지만, 예를 들면, 피성형물(200)의 온도보다 낮은 공기나 불활성 가스 등 기체를 피성형물(200)이나 형(100)에 송풍하는 팬 등을 사용할 수 있다. 또, 가압실(12) 내의 기체를 냉각 가스로 치환하는 치환수단을 사용해도 좋다. 또, 스테이지(11) 내에 알루미늄이나 구리 등의 열전도성이 높은 금속으로 형성된 냉각 유로를 형성하고, 그 내부에 물이나 오일 등 냉각액 또는 공기나 불활성 가스 등의 냉각 기체를 흐르게 하도록 해도 좋다.
여기서, 피성형물(200)로서는, 성형 온도에 있어서 가압실(12)측으로부터의 압력에 의해 형(100)의 형상 등에 따라 변형할 수 있는 것이면 여러 가지를 적용할 수 있다. 예를 들면, 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 파라핀, 환상 올레핀계 열가소성 수지 등 수지 이외에, 알루미늄 등의 금속을 사용하면 좋다. 또, 열가소성 재료이면 판 형상, 시트 형상, 필름 형상 등의 형상을 불문하고 임의로 사용할 수 있다. 본 발명의 효과가 발현하는 열가소성 재료의 두께로서 1mm 이하의 재료가 적합하게 사용할 수 있으며, 특히 500㎛ 이하의 두께를 가지는 시트·필름이 바람직하고, 200㎛ 이하, 100㎛ 이하, 50㎛ 이하로 막두께가 얇아짐에 따라 본 발명의 효과가 현저하게 발현한다.
형(100)은, 예를 들면 「니켈 등 금속」, 「세라믹스」, 「유리 형상의 카본 등의 탄소 소재」,「실리콘」등으로 형성되어 있고, 그 일단면(성형면)에 소정의 패턴이 형성되어 있다. 이 패턴은, 그 성형면에 정밀기계가공을 하여 형성할 수 있다. 또, 실리콘 기판 등에 에칭 등 반도체 미세가공기술에 의해 형성하거나 이 실리콘 기판 등의 표면에 전기주조(ELECTRO FORMING)법, 예를 들면 니켈 도금법에 의해 금속도금을 실시하고, 이 금속 도금 층을 박리해 형성하거나 할 수도 있다. 또, 후술하는 필름 형상의 형(100)과 같이 임프린트 기술을 사용해 형성하는 것도 가능하다. 물론, 형(100)은, 미세 패턴을 형성할 수 있는 것이면 재료나 그 제조 방법이 특히 한정되는 것은 아니다. 이 패턴의 폭(성형면의 평면 방향의 치수)은, 사용되는 피성형물(200)의 종류에도 연관되지만, 100㎛ 이하, 10㎛ 이하, 2㎛ 이하, 1㎛ 이하, 100nm 이하, 10nm 이하 등 각종 크기로 형성된다. 더욱이, 이 패턴의 깊이(성형면 100a와 직교하는 방향의 치수)는, 10nm 이상, 100nm 이상, 200nm 이상, 500nm 이상, 1㎛ 이상, 10㎛ 이상, 100㎛ 이상 등 각종 크기로 형성된다. 또, 이 패턴의 어스펙트비로서는, 0.2 이상, 0.5 이상, 1 이상, 2 이상 등 여러 가지가 있다.
또, 이 형(100)은, 임프린트 프로세스 중에 가열·냉각되기 때문에, 가능한 박형화하여, 그 열용량을 작게 하는 편이 바람직하다.
다음에, 형(100)의 패턴을 필름 형상의 피성형물(200)에 전사하는 임프린트 방법에 대해 설명한다.
[스텝 1]
피성형물(200)에 전사하고 싶은 패턴을 반전시킨 패턴을 가지는 형(100)을 준비하고, 스테이지(11) 상에 고정한다. 이 형(100) 위에, 필름 형상의 피성형물(200)을 배치한다(도 3 참조).
[스텝 2]
탈기수단(18)에 의해, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거한다. 예를 들면, 가압실(12)을 개방한 상태에서, 주름부(183)의 시일 부재를 베이스(10)에 맞닿게 하여 진공실(181)을 형성한다(도 2 참조). 이 진공실(181) 내의 공기를 가압실(12) 내에 설치된 가압실용 기체급배유로(161)로부터 진공 펌프에 의해 배기한다. 또한, 시일 부재에는, 주름부의 탄성력에 의해 베이스(10)에 맞닿게 되지만, 별도 고정수단으로 베이스에 고정하도록 해도 좋다.
[스텝 3]
가압실용 케이스(13)를 개폐수단(15)에 의해 피성형물(200) 측에 이동하고, O링(밀폐수단(14))을 피성형체에 맞닿게 하여 가압실(12)을 구성한다(도 1 참조)
[스텝 4]
가압수단(16)에 의해 가압실(12) 내를 가압하고, 피성형물(200)을 형(100)에 프레스한다.
[스텝 5]
가열수단(17)에 의해 형(100) 또는 피성형물(200)을 피성형물(200)이 유동 가능한 온도(예를 들면, 수지의 유리전이온도) 이상으로 가열한다. 예를 들면, 가압실용 케이스(13)의 천정부에 형성된 원적외선 히터를 사용하여, 형(100)이나 피성형물(200)을 직접 가열하면 된다. 또한, 가압한 후에 가열하는 경우에 대해 설명했지만, 스텝 4와 스텝 5는 반대여도 좋으며, 가열한 후에 가압해도 좋다.
[스텝 6]
형(100)의 패턴을 피성형물(200)에 전사하는데 충분한 소정의 시간 경과 후, 가열수단(17)에 의한 가열을 정지하고, 냉각수단에 의해 피성형물(200)을 냉각한다.
[스텝 7]
가압실(12) 내를 대기압까지 감압한 후, 가압실(12) 및 진공실(181)을 개방하고, 피성형물(200)을 형(100)으로부터 이형한다. 또한, 냉각수단으로서 가압실(12) 내의 기체를 냉각기체와 치환하는 것을 사용하는 경우에는, 냉각과 감압을 동시에 실시하는 것도 가능하다.
이로써, 종래, 형(100)과 피성형물(200) 사이에 존재한 여분의 개재물을 없앨 수 있기 때문에, 형(100)과 피성형물(200) 사이에 압력을 균일하게 가할 수 있음과 동시에, 가열, 냉각을 고속으로 실시할 수 있다.
실시예 2
본 발명의 제2 임프린트 장치(2)는, 도 4에 나타내듯이, 필름 형상의 형(100)의 패턴을 피성형물(200)에 전사하기 위한 임프린트 장치로서, 피성형물(200)을 유지하기 위한 스테이지(11)와, 형(100)과 함께 가압실(12)을 구성하는 가압실용 케이스(13)와, 가압실용 케이스(13)와 형(100) 사이를 밀폐하는 밀폐수단(14)과, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거하는 탈기수단(18)과, 가압실용 케이스(13)와 형(100) 사이를 개폐하는 개폐수단(15)과, 피성형물(200)을 가열하기 위한 가열수단(17)과, 가압실(12) 내의 기압을 조절하는 가압수단(16)으로 주로 구성된다.
즉, 본 발명의 제2 임프린트 장치(2)는, 본 발명의 제1 임프린트 장치(1)에 있어서, 형(100)으로 필름 형상의 것을 사용하고, 형(100)과 피성형물(200)의 위치를 바꾼 것이다.
스테이지(11)는, 피성형물(200)을 유지할 수 있는 것이면 어떠한 것이어도 좋지만, 예를 들면, 피성형물(200)을 유지하는 면이 피성형물(200)보다 큰 평면 형상으로 형성되거나, 또는, 상기 평면에, 피성형물(200)의 두께와 동일한 정도의 깊이를 가지고, 피성형물(200)을 내부에 설치할 수 있는 오목부가 형성된다. 재질은, 성형 시의 가압이나 가열에 견딜 수 있는 내압성, 내열성을 가지고 있으면 어떠한 것이어도 좋지만, 피성형물(200)의 열팽창 계수에 가까운 것을 사용하는 편이 바람직하다.
가압실용 케이스(13)는, 개구부를 가지며, 바닥을 갖는 원통형으로 형성되고, 개구부를 형(100)에 의해 닫음으로써, 밀폐된 공간인 가압실(12)을 구성하는 것이다. 이 개구부는, 적어도 피성형물(200)에 전사되는 패턴 영역보다 크게 형성된다. 재질은, 성형 시의 가압이나 가열에 견딜 수 있는 내압성, 내열성을 가지고 있으면 어떠한 것이어도 좋으며, 예를 들면, 탄소강 등의 철재나 SUS 등의 금속을 사용할 수 있다.
밀폐수단(14)은, 가압실(12)을 밀실로 하기 위해서, 가압실용 케이스(13)와 형(100) 사이를 밀접시키는 것이다. 예를 들면, 도 4에 나타내듯이, 밀폐수단(14)으로서 O링을 준비함과 동시에, 가압실용 케이스(13)의 측벽 단부에 O링의 단면 직경보다 얕은 오목 형상의 홈을 형성하고, 이 홈에 O링을 배치하면 돤다. 이에 의해, 형(100)을 가압실용 케이스(13)와 스테이지(11)에 의해 협지하고, 가압실용 케이스(13)와 형(100)을 밀접시킬 수 있기 때문에, 가압실(12)을 밀폐할 수 있다. 또, 가압실용 케이스(13)와 형(100) 사이에 경사가 있어도, 그 평행도가 O링의 스퀴즈 이내이면, 가압실(12)을 확실하게 밀폐할 수 있다.
개폐수단(15)은, 가압실용 케이스(13)와 형(100)을 근접 또 이격함으로써, 가압실(12)을 개폐하는 것으로, 예를 들면 가압실용 케이스(13)를 유압식 또는 공압식의 실린더에 의해 이동하는 것이나, 전기 모터와 볼스크류에 의해 이동하는 것 등을 적용할 수 있다.
가압수단(16), 가열수단(17), 탈기수단(18), 냉각수단의 구성은, 상술한 제1 임프린트 장치와 동일한 구성이기 때문에 설명은 생략한다.
또, 이 임프린트 장치(2)에 사용하는 형(100)은, 가압실(12) 측으로부터의 압력에 의해 피성형물(200)의 형상 등에 따라 변형할 수 있는 필름 형상이면 여러 가지를 사용할 수 있으며, 예를 들면, 도 5에 나타내듯이, 소정의 패턴(103)을 가지는 기층(101)과 패턴(103) 상에 형성되는 경질층(102)으로 구성되는 것을 사용할 수 있다.
기층(101)은, 환상 올레핀 개환 중합/수소 첨가체(COP)나 환상 올레핀 공중합체(COC) 등의 환상 올레핀계 수지, 아크릴 수지, 폴리카보네이트(polycarbonate), 비닐에테르, 퍼플루오로알콕시알칸(PFA), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리스티렌, 폴리이미드계 수지 등의 열가소성 수지로 이루어지는 필름에 의해 형성된다. 또, 패턴의 치수 안정성의 관점으로부터, 기층(101)에 사용하는 열가소성 수지의 흡수율은 3% 이하인 것이 바람직하다.
또, 기층(101)은, 소정의 패턴(103)을 가진다. 상기 패턴(103)은 어떻게 형성해도 좋지만, 예를 들면 열임프린트법과 같은 나노 임프린트 기술을 이용할 수 있다. 또한, 상기 패턴(103)은, 요철로 이루어지는 기하학적인 형상뿐만 아니라, 예를 들면 소정의 표면 거칠기를 가지는 거울면 상태의 전사와 같이 소정의 표면 상태를 전사하기 위한 것이나, 소정의 곡면을 가지는 렌즈 등의 광학 소자를 전사하기 위한 것도 포함한다.
또, 이 패턴(103)은, 평면 방향의 볼록부의 폭이나 오목부의 폭의 최소 치수가 100μm 이하여도 용이하게 형성된다. 또한, 이 패턴(10)의 폭(평면 방향의 치수)은, 사용되는 피성형물(200)의 종류에도 연관되지만, 100μm 이하, 10μm 이하, 2μm 이하, 1μm 이하, 100nm 이하, 10nm 이하 등 각종 크기로 형성된다.
또, 이 패턴(103)의 깊이 방향의 치수는, 10nm 이상, 100nm 이상, 200nm 이상, 500nm 이상, 1μm 이상, 10μm 이상, 100μm 이상 등 여러 가지 크기로 형성된다. 또, 이 패턴(103)의 어스펙트비로서는, 0.2 이상, 0.5 이상, 1 이상, 2 이상 등 여러 가지가 있다.
또, 기층(101)은, 성형 온도에 있어서 가압실(12) 측으로부터의 압력에 의해 피성형물(200)의 형상 등에 따라 변형할 수 있는 두께로 형성된다.
또, 이 형(100)은, 임프린트 프로세스 중에 가열·냉각되기 때문에, 가능한 박형화하여, 그 열용량을 작게 하는 편이 바람직하다. 예를 들면 500㎛ 이하, 바람직하게는 100㎛ 이하로 형성되지만, 물론 이것에 한정되는 것은 아니다.
경질층(102)은, 형(100)을 열임프린트에 있어서의 성형 온도로 가열하여 피성형물(200)에 프레스할 때에, 기층(101)에 사용되는 열가소성 수지보다 딱딱한 재료에 의해 형성된다. 열임프린트에 있어서의 성형 온도를 고려하면, 적어도 0℃ 이상 100℃ 이하의 범위에서, 기층(101)에 사용되는 열가소성 수지보다 딱딱한 재료를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 재료로서는, 적어도 0℃ 이상 100℃ 이하의 범위에서 고체인 금속 또는 무기 재료가 해당한다. 예를 들면, 백금(Pt)이나 니켈(Ni), 팔라듐, 루테늄, 금, 은, 구리, ZnO, 산화인듐주석(ITO) 등의 금속 또는 금속 화합물, Si나 SiO2 등의 무기물이 있다. 물론, 적어도 0℃ 이상 100℃ 이하의 범위에서, 기층(101)보다 딱딱한 재료이면, 그 외의 재료, 예를 들면 불소계 수지 등을 사용하는 것도 가능하다. 또한, 경도는, 비커스 경도나 브리넬 경도 등을, 고온경도시험기 등을 사용하여 비교하면 된다. 또, 나노 인덴테이션에 의한 시험을 실시하여 확인하는 것도 가능하다.
또, 경질층(102)의 막두께는, 너무 두꺼우면 기층(101)의 패턴(103)이 메워져 버리기 때문에, 강도를 유지할 수 있는 범위에서 얇게 형성되는 편이 바람직하고, 예를 들면 100nm 이하로 형성된다. 또한, 경질층(102)은, 용도에 따라, 다른 재료에 의해 복수층으로 형성해도 물론 상관없다.
이러한 경질층(102)의 형성 방법으로서는, 어떠한 방법이어도 좋지만, 예를 들면, 상기 재료를 화학기상 성장법(CVD)이나 물리기상 성장법(PVD), 도금법 등을 사용하여 퇴적시키는 방법이 있다. 예를 들면, 백금(Pt)이나 니켈(Ni) 등의 금속을 스퍼터링이나 증착에 의해 형성하면 된다. 또, 은거울 반응을 이용해 형성해도 된다. 또, 불소계 수지 등의 재료를 적용하는 경우에는, 재료를 녹인 용액을 기층(101)의 패턴(103) 상에 적하하여 스핀코트 하는 방법이나, 상기 재료를 녹인 용액 중에 기층(101)을 침지하는 방법 등을 이용할 수도 있다.
피성형물(200)은, 여러 가지에 적용할 수 있으며, 예를 들면 폴리카보네이트(polycarbonate), 폴리이미드, 폴리 테트라 플루오로 에틸렌(PTFE), 폴리에틸렌, 폴리스티렌, 폴리프로필렌, 파라핀, 환상 올레핀계 열가소성 수지 등 수지를 사용할 수 있다. 또, 피성형물(200)은, 필름 형상으로 형성되는 것이나 기판 형상, 기판 상에 형성되는 박막 형상 등, 각종 형상을 적용할 수 있다.
다음에, 필름 형상의 형(100)의 패턴을 피성형물(200)에 전사하는 임프린트 방법에 대해 설명한다.
[스텝 1]
피성형물(200)을 준비하고 스테이지(11) 상에 고정한다. 이 피성형물(200) 위에, 피성형물(200)에 전사하고 싶은 패턴을 반전시킨 패턴을 가지는 필름 형상의 형(100)을 배치한다.
[스텝 2]
탈기수단(18)에 의해, 형(100)과 피성형물(200) 사이의 기체를 제거한다. 예를 들면, 가압실(12)을 개방한 상태에서, 주름부(183)의 시일 부재를 베이스(10)에 맞닿게 하여 진공실(181)을 형성한다. 이 진공실(181) 내의 공기를 가압실(12) 내에 설치된 가압실용 기체급배유로(161)로부터 진공 펌프에 의해 배기한다. 또한, 시일 부재에는, 주름부의 탄성력에 의해 베이스(10)에 맞닿게 되지만, 별도 고정수단으로 베이스에 고정하도록 해도 된다.
[스텝 3]
가압실용 케이스(13)를 개폐수단(15)에 의해 형(100) 측으로 이동하고, O링(밀폐수단(14))을 형(100)에 맞닿게 하여 가압실(12)을 구성한다(도 4 참조).
[스텝 4]
가압수단(16)에 의해 가압실(12) 내를 가압하고, 형(100)을 피성형물(200)에 프레스한다.
[스텝 5]
가열수단(17)에 의해 피성형물(200)을 피성형물(200)이 유동 가능한 온도(예를 들면, 수지의 유리전이온도) 이상으로 가열한다. 예를 들면, 가압실용 케이스(13)의 천정부에 형성된 원적외선 히터를 사용하여, 형(100)이나 피성형물(200)을 직접 가열하면 된다. 또한, 가압한 후에 가열하는 경우에 대해 설명했지만, 스텝 4와 스텝 5는 반대로 해도 좋으며, 가열한 후에 가압해도 좋다.
[스텝 6]
형(100)의 패턴을 피성형물(200)에 전사하는데 충분한 소정의 시간 경과 후, 가열수단(17)에 의한 가열을 정지하고, 냉각수단에 의해 피성형물(200)을 냉각한다.
[스텝 7]
가압실(12) 내를 대기압까지 감압한 후, 가압실(12) 및 진공실(181)을 개방하고, 피성형물(200)을 형(100)으로부터 이형한다. 또한, 냉각수단으로서 가압실(12) 내의 기체를 냉각기체와 치환하는 것을 사용하는 경우에는, 냉각과 감압을 동시에 실시하는 것도 가능하다.
이에 의해, 종래, 형(100)과 피성형물(200) 사이에 존재하는 여분의 개재물을 제거할 수 있기 때문에, 형(100)과 피성형물(200) 사이에 압력을 균일하게 가할 수 있음과 동시에, 가열, 냉각을 고속으로 실시할 수 있다. 또, 피성형물(200)이 기판형상이어도 패턴을 전사할 수 있다.
1 임프린트 장치
2 임프린트 장치
11 스테이지
12 가압실
13 가압실용 케이스
14 밀폐수단
15 개폐수단
16 가압수단
17 가열수단
18 탈기수단
100 형(型)
101 기층
102 경질층
200 피성형물

Claims (12)

  1. 형(型)의 패턴을 필름 형상의 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 장치에 있어서,
    상기 형을 유지하기 위한 스테이지와,
    상기 피성형물과 함께 가압실을 구성하는 가압실용 케이스와,
    상기 가압실용 케이스와 상기 피성형물 사이를 밀폐하는 밀폐수단과,
    상기 가압실용 케이스와 상기 피성형물 사이를 개폐하는 개폐수단과,
    상기 가압실 내의 기압을 조절하는 가압수단과,
    상기 피성형물을 가열하기 위한 가열수단과,
    상기 형 및 상기 피성형물을 내포하는 진공실을 가지고, 상기 형과 상기 피성형물을 가압하기 전에 진공실을 감압함으로서 상기 형과 상기 피성형물 사이의 기체를 제거하는 탈기수단,
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  2. 필름 형상의 형의 패턴을 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 장치에 있어서,
    상기 피성형물을 유지하기 위한 스테이지와,
    상기 형과 함께 가압실을 구성하는 가압실용 케이스와,
    상기 가압실용 케이스와 상기 형 사이를 밀폐하는 밀폐수단과,
    상기 가압실용 케이스와 상기 형 사이를 개폐하는 개폐수단과,
    상기 가압실 내의 기압을 조절하는 가압수단과,
    상기 피성형물을 가열하기 위한 가열수단과,
    상기 형 및 상기 피성형물을 내포하는 진공실을 가지고, 상기 형과 상기 피성형물을 가압하기 전에 진공실을 감압함으로써 상기 형과 상기 피성형물 사이의 기체를 제거하는 탈기수단,
    을 구비하는 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가열수단은, 상기 가압실 내에 설치된 전자파의 방사에 의해 가열하는 것인 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 가열수단은, 상기 가압실에 소정 온도로 가열된 기체를 공급하는 것인 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 피성형물을 냉각하기 위한 냉각수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    소정의 성형 온도에서 사용되는 필름 형상의 형으로서, 열가소성 수지로 이루어지고, 소정의 패턴을 가지는 기층과, 상기 성형 온도에서 상기 수지보다 딱딱한 재료로 이루어지고, 상기 기층의 패턴 상에 상기 패턴이 매몰되지 않는 두께로 형성되는 경질층을 가지는 형을 구비하는 것을 특징으로 하는 임프린트 장치.
  7. 형의 패턴을 필름 형상의 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 방법에 있어서,
    상기 형 위에 상기 피성형물을 중첩하여 배치하고,
    상기 형 및 상기 피성형물을 내포하는 진공실을 감압하는 것에 의해 상기 형과 피성형물 사이의 기체를 제거한 후,
    상기 피성형물을 유리전이온도 이상으로 가열하고, 상기 형에 대해 상기 피성형물을 기체로 직접 가압하여 패턴을 전사하는 것을 특징으로 하는 임프린트 방법.
  8. 필름 형상의 형의 패턴을 피성형물에 전사하기 위한 임프린트 방법에 있어서,
    상기 피성형물 위에 상기 형을 중첩하여 배치하고,
    상기 형 및 상기 피성형물을 내포하는 진공실을 감압하는 것에 의해 상기 형과 피성형물 사이의 기체를 제거한 후,
    상기 피성형물을 유리전이온도 이상으로 가열하고, 상기 피성형물에 대해 상기 형을 기체로 직접 가압하여 패턴을 전사하는 것을 특징으로 하는 임프린트 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 형 또는 상기 피성형물을 전자파의 방사에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 임프린트 방법.
  10. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 형 또는 상기 피성형물을 소정 온도의 상기 기체에 의해 가열하는 것을 특징으로 하는 임프린트 방법.
  11. 삭제
  12. 삭제
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