KR20170028365A - 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드 및 그 제조 방법 - Google Patents

스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드 및 그 제조 방법 Download PDF

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KR20170028365A
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유키히로 미야자와
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소켄 케미칼 앤드 엔지니어링 캄파니, 리미티드
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Abstract

몰드를 뗄 때에 경화 수지층에 형성한 요철 패턴의 단부의 변형을 억제할 수 있는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드를 제공한다.
본 발명에 의하면, 투명기재와, 그 위에 형성되는 동시에 요철 패턴이 형성된 패턴 영역을 가지는 투명수지층과, 상기 투명기재와 상기 투명수지층의 사이에 상기 패턴 영역의 일부에서 상기 패턴 영역에 겹치도록 설치된 차광 부재를 갖추는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드가 제공된다.

Description

스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드 및 그 제조 방법{Mold for Step and Repeat Imprinting, and Method for Producing Same}
본 발명은 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드 및 그 제조 방법에 관계한다.
임프린트 기술이란 요철 패턴을 가지는 몰드를 기판 상의 액상수지 등의 전사(轉寫) 재료에 가압하고, 이것에 의해 몰드의 패턴을 전사 재료에 전사하는 미세가공 기술이다. 미세한 요철 패턴으로서는 10nm레벨의 나노 스케일로부터 100㎛정도의 스케일까지 존재하고 반도체재료, 광학재료, 저장매체, 마이크로 머신, 바이오, 환경 등 여러가지 분야에서 사용되고 있다.
그런데, 나노 오더가 미세한 요철 패턴을 표면에 가지는 몰드는 패턴의 형성에 시간이 걸리기 때문에 상당히 고가이다. 때문에, 나노 오더가 미세한 요철 패턴을 표면에 갖추는 몰드의 대형화(대면적화)는 곤란하다.
그래서, 특허문헌 1에서는 작은 몰드를 사용한 임프린트를 가공 영역이 겹치지 않도록 몰드의 위치를 어긋나게 하면서 반복함으로써 대면적의 임프린트를 가능하게 하고 있다(스텝 앤드 리피트).
일본등록특허 제4262271호
특허문헌 1의 방법에서는, 몰드의 요철 패턴을 전사 재료에 가압한 상태에서 전사 재료를 노광하여 경화시킴으로써 요철 패턴을 가지는 경화 수지층을 형성하고, 그 후 몰드를 경화 수지층으로부터 떼내는 공정이 되풀이된다. 본 발명자가 이 방법에 대하여 상세한 검토를 한 바, 몰드를 전사 재료로부터 뗄 때에 경화 수지층에 형성된 요철 패턴의 단부가 변형할 경우가 있는 것을 알아차렸다.
본 발명은 이러한 실정에 비추어 진행한 것이며 몰드를 뗄 때에 경화 수지층에 형성한 요철 패턴의 단부의 변형을 억제할 수 있는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드를 제공하는 것이다.
본 발명에 의하면 투명기재와 그 위에 형성되는 동시에 요철 패턴이 형성된 패턴 영역을 가지는 투명수지층과 상기 투명기재와 상기 투명수지층의 사이에 상기 패턴 영역의 일부에서 상기 패턴 영역에 겹치도록 설치된 차광 부재를 갖추는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드가 제공된다.
본 발명자의 분석에 의하면, 특허문헌 1의 방법에서는 요철 패턴이 반전(反轉)된 반전 패턴이 전사 재료에 형성되는 영역과, 전사 재료가 경화되는 영역이 거의 같기 때문에, 경화 수지층의 반전 패턴의 단부에서 반전 패턴에 여분의 힘이 가해져 반전 패턴이 변형하기 쉬웠다. 본 발명에서는, 몰드의 요철 패턴이 형성된 패턴 영역의 일부에 패턴 영역에 겹치도록 차광 부재를 설치하고 있기 때문에, 전사 재료에 반전 패턴이 형성되는 영역보다도 전사 재료가 경화되는 영역이 좁다. 때문에, 경화 수지층의 반전 패턴의 단부에 인접하여 미경화 수지층의 반전 패턴이 존재하고 있기 때문에, 경화 수지층의 반전 패턴의 단부에 가해지는 힘이 저감되어 경화 수지층의 반전 패턴의 변형이 억제된다.
이하, 본 발명이 여러가지 실시 형태를 예시한다. 이하에 나타내는 실시 형태는 서로 조합가능하다.
바람직하게는, 상기 패턴 영역이 광경화성 수지로 형성되어 있는 피전사 수지층에 상기 요철 패턴을 전사한 후에 활성 에너지선의 조사에 의해 상기 피전사 수지층을 경화시키는 투광 영역과, 상기 투광 영역의 주변부에 상기 활성 에너지선을 조사해도 상기 피전사 수지층이 경화되지 않는 차광 영역으로 구성되어 있다.
바람직하게는, 상기 투명기재는 가요성을 가진다.
바람직하게는, 상기 투명기재는 상기 투명수지층이 형성되어 있는 측의 면이 평탄면이다.
본 발명이 다른 관점에 의하면, 투명기재 상의 소정위치에 차광 부재를 배치하고 상기 차광 부재를 덮도록 상기 투명기재 상에 요철 패턴이 형성된 패턴 영역을 가지는 투명수지층을 형성하는 공정을 갖추고, 상기 차광 부재는 상기 패턴 영역의 일부에 상기 패턴 영역에 겹치도록 설치된 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드의 제조 방법이 제공된다.
도1은 본 발명의 제1실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도2는 도1의 몰드(2)의 제조 공정을 나타내는 단면도이다.
도3은 도1의 몰드(2)을 채용한 임프린트 방법을 나타내는 단면도이다.
도4는 본 발명의 제2실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도5는 본 발명의 제3실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)의 구성을 나타내는 단면도이다.
도6은 본 발명의 제3실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)의 사용 방법을 나타내는 단면도이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 구체적으로 설명한다.
<제1실시 형태>
본 발명의 제1실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)는 도1에 도시한 바와 같이, 투명기재(4)와, 그 위에 형성되는 동시에 요철 패턴(3)이 형성된 패턴 영역(13)을 가지는 투명수지층(6)과, 상기 투명기재(4)와 상기 투명수지층(6)의 사이에 상기 패턴 영역(13)의 단부에서 상기 요철 패턴(3)에 겹치도록 설치된 차광 부재(5)를 구비한다.
이하, 각구성 요소에 대해서 상세하게 설명한다.
1.임프린트용 몰드(2)의 구성
(1) 투명기재(4)
투명기재(4)는 수지기재, 석영기재, 실리콘 기재 등의 투명재료로 형성되는 기재이다. 수지기재는 유연성을 가지는 수지 몰드의 형성에 바람직하고 구체적으로는 예를 들면, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리카보네트, 폴리에스테르, 폴리올레핀, 폴리이미드, 폴리 설폰, 폴리에테르 설폰, 환상 폴리올레핀 및 폴리에틸렌 나프탈레이트로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종으로 이루어진다.
(2) 투명수지층(6), 요철 패턴(3), 패턴 영역(13)
투명수지층(6)을 형성하는 수지로서는 열가소성수지, 열경화성수지 또는 광경화성 수지의 임의의 것이면 되지만 생산성 및 몰드로서의 사용상의 관점에서 광경화성 수지가 바람직하다. 구체적으로는 아크릴수지, 스티렌수지, 올레핀 수지, 폴리카보네트 수지, 폴리에스테르 수지, 에폭시 수지, 실리콘 수지 등을 들 수 있다. 또한, 수지는 불소화합물, 장쇄 알킬 화합물 및 왁스 등의 박리성분을 함유해도 된다.
상기한 투명수지층(6)의 두께는 통상 50nm~1mm, 바람직하게는 500nm~500㎛이다.
이러한 두께로 하면 임프린트 가공을 실시하기 쉽다.
투명수지층(6)의 요철 패턴(3)에 특히 제한은 없지만 주기 10nm~2mm, 깊이 10nm~500㎛, 전사면 1.0~1.0×106mm2인 것이 바람직하고, 주기 20nm~20㎛, 깊이 50nm~1㎛, 전사면 1.0~0.25×106mm2인 것이 보다 바람직하다. 이렇게 설정하면 전사체에 충분한 요철 패턴(3)을 전사할 수 있다. 표면형상으로서는 모스 아이, 선, 원주, 모놀리스, 원추, 다각뿔, 마이크로렌즈를 들 수 있다.
요철 패턴(3)이 형성되는 패턴 영역(13)은 투명기재(4)의 전면에 걸쳐 설치해도 되고 투명기재(4)의 일부에만 설치해도 된다.
투명수지층(6)의 표면은 전사 재료와의 부착을 방지하기 위한 박리처리가 되어 있어도 되고 박리처리는 박리층(도시하지 않음)을 형성하는 것이어도 된다. 박리층(도시하지 않음)을 형성하는 이형제(離型劑)로서는, 바람직하게는 불소계 실란 커플링제, 아미노기 또는 카르복실기를 가지는 퍼플루오로 화합물 및 아미노기 또는 카르복실기를 가지는 퍼플루오로에테르 화합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어지고 보다 바람직하게는, 불소계 실란 커플링제, 편말단 아민화 퍼플루오로(퍼플루오로에테르) 화합물 및 편말단 카르복실화 퍼플루오로(퍼플루오로에테르) 화합물의 단체 또는 단체 및 복합체의 혼합물로 이루어지는 군으로부터 선택되는 적어도 1종으로 이루어진다. 이형제로서 상기의 것을 사용하면 투명수지층(6)에의 밀착이 양호함과 동시에 임프린트를 하는 수지와의 박리성이 양호하다. 박리층(도시하지 않음)의 두께는 바람직하게는 0.5~20nm, 보다 바람직하게는 0.5~10nm, 가장 바람직하게는 0.5~5nm의 범위내이다. 한편, 박리층과 투명수지층(6)의 밀착성을 향상하기 위하여 투명수지층(6)에는 WO2012/018045에 공개되어 있는 것과 같은 이형제와 결합가능한 기를 가지는 첨가제를 첨가해도 된다.
(3) 차광 부재(5)
차광 부재(5)는 도1에 도시한 바와 같이, 투명기재(4)와 투명수지층(6)의 사이에 패턴 영역(13)의 단부에서 패턴 영역(13)에 겹치도록 설치된다.
차광 부재(5)를 투명수지층(6)의 요철 패턴(3) 위에 형성하면 요철 패턴(3)의 영향으로 차광 부재(5)에 의해 차광되는 차광 영역(S)의 단부의 직선성을 확보하기 어려운 경우가 있지만, 본 실시 형태의 구성에 의하면 평탄한 투명기재(4) 위에 차광 부재(5)를 부착시킬 수 있기 때문에, 차광 영역(S)의 단부의 직선성을 향상시킬 수 있고, 그 결과, 차광 부재(5)에 의해 차광되지 않는 투광 영역(T)의 위치 정밀도를 향상시킬 수 있다. 또한, 차광 부재(5)를 투명기재(4)의 배면(4a) 위에 형성하면 차광 부재(5)와 요철 패턴(3) 사이의 거리가 길기 때문에, 스텝 앤드 리피트에 의한 임프린트 시에 조사하는 활성 에너지선(19)(도3 (a) 및 (d)에 도시)이 차광 부재(5)와 요철 패턴(3)의 사이에서 굴절·회절·반사되기 쉬워지고, 그 결과, 차광 영역(S)에 도달하는 활성 에너지선(19)의 광량이 증대하는 문제가 있다. 그러나, 본 실시 형태의 구성에 의하면 차광 부재(5)와 요철 패턴(3)의 거리가 매우 짧기 때문에 차광 영역(S)에 도달하는 활성 에너지선(19)의 광량을 최소한으로 할 수 있다.
차광 부재(5)의 형성 방법이나 재료는 활성 에너지선을 차광하는 목적을 달성하는 것이라면 특히 한정되지 않는다. 차광 부재(5)는 일예에서는, Cr등의 금속재료를 스퍼터링으로 요철 패턴(3) 위에 부착시키는 것에 의해 형성할 수 있다. 차광 부재(5)는 아크릴계, 우레탄계, 폴리카보네트계 등의 유기재료나 카본계 등의 무기재료로 형성해도 된다. 이 재료에는 색소 등 다른 재료를 함유시켜도 된다. 차광 부재는 패턴 영역(13)의 한 변에 따라 직선 형상으로 설치해도 되고, 두 변에 따라 L자 형상으로 설치해도 되고 그 이상의 수의 변에 따라 설치해도 되고 라인 형상이나 도트 형상, 격자상으로 설치해도 되고 패턴 영역(13)의 전주(全周)에 따라 설치해도 된다.
차광 부재(5)를 설치하는 폭은 특히 한정되지 않지만, 차광 부재(5)는 예를 들면, 패턴 영역(13)의 폭의 2~20%의 영역에 설치하는 것이 바람직하다. 차광 부재(5)의 폭이 지나치게 좁으면 차광 부재(5)을 설치함에 의한 이점을 얻을 수 없게 되고 차광 부재(5)의 폭이 지나치게 넓으면 임프린트의 효율이 저하되기 때문이다.
차광 부재(5)의 두께는 특히 한정되지 않고 차광 영역(S)에서의 전사 재료의 경화를 충분히 억제할 수 있는 두께이면 된다.
2. 임프린트용 몰드(2)의 제조 방법
다음, 임프린트용 몰드(2)의 제조 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도2 (a)에 도시한 바와 같이, 투명기재(4) 상의 투광 영역(T)에 포토리소그래피 등을 이용하여 리프트 오프용의 수지층(15)을 형성하고, 다음, 투명기재(4) 상에 금속재료층(5a)을 형성한다.
다음, 도2(b)에 도시한 바와 같이, 수지층(15) 및 그 위에 있는 금속재료층(5a)을 제거함으로써 투명기재(4) 상에 차광 부재(5)가 설치된 구성을 얻을 수 있다. 한편, 차광 부재(5)는 리프트 오프법에 의해 형성하는 대신, 포토리소그래피, 잉크젯 인쇄, 스크린 인쇄 등의 방법으로 소정위치에 수지층을 형성함으로써 형성해도 된다.
다음, 도2(c)에 도시한 바와 같이, 차광 부재(5)를 덮도록 투명기재(4) 상에 투명수지층(6)을 형성하기 위한 수지를 도포하여 피전사 수지층(16)을 형성한다.
다음에, 도2(d)에 도시한 바와 같이, 요철 패턴(3)이 반전된 반전 패턴(3r)을 가지는 몰드(17)를 이용하여 피전사 수지층(16)에 요철 패턴(3)을 형성한다. 투명수지층(6)을 형성하기 위한 수지가 열가소성수지인 경우에는, 피전사 수지층(16)을 유리 전이온도(Tg) 이상의 온도로 가열한 상태에서, 요철 패턴 형성용의 몰드(17)를 0.5~50MPa의 프레스 두께로 10~600초간 유지하고 프레스한 후, 피전사 수지층(16)을 Tg 이하의 온도로까지 냉각하고 몰드(17)를 피전사 수지층(16)으로부터 떼어 놓는 것에 의해, 요철 패턴(3)을 가지는 투명수지층(6)을 형성할 수 있다. 한편, 투명수지층(6)을 형성하기 위한 수지가 광경화성 수지인 경우에는, 액상의 피전사 수지층(16)에 요철 패턴 형성용의 몰드(17)를 가압한 상태에서 피전사 수지층(16)에 대하여 활성 에너지선(UV광, 가시광, 전자선 등의 수지를 경화가능한 에너지선의 총칭)(18)을 조사함으로써 피전사 수지층(16)을 경화하고, 그 후, 몰드(17)를 떼어 놓는 것에 의해, 요철 패턴(3)을 가지는 투명수지층(6)을 형성할 수 있다. 이 경우, 몰드(17)를 투명재료로 형성하고 몰드(17)를 통하여 피전사 수지층(16)에 활성 에너지선(18)을 조사할 수 있다. 또한, 투명수지층(6)을 형성하기 위한 수지가 열경화성수지인 경우에는 액상의 피전사 수지층(16)에 요철 패턴 형성용의 몰드(17)를 가압한 상태에서 피전사 수지층(16)을 경화 온도로까지 가열함으로써 피전사 수지층(16)을 경화하고 그 후, 몰드(17)를 떼어 놓는 것에 의해, 요철 패턴(3)을 가지는 투명수지층(6)을 형성할 수 있다.
3.임프린트 방법
다음, 상기 몰드(2)를 이용하여 스텝 앤드 리피트법에 의한 임프린트 방법에 대하여 설명한다.
먼저, 도3 (a)에 도시한 바와 같이, 대면적 기재(7) 상에 액상의 광경화성 수지를 도포하여 피전사 수지층(9)을 형성하고 피전사 수지층(9)에 몰드(2)의 요철 패턴(3)을 가압한 상태에서 투명기재(4)를 통하여 활성 에너지선(19)을 조사한다. 활성 에너지선(19)의 조사 영역 중 투광 영역(T)에만 활성 에너지선(19)이 조사되는 것에 의해 피전사 수지층(9)이 경화되어 반전 패턴(3r)이 형성된 경화 수지층(19)이 형성된다. 또한, 차광 영역(S)에서는 피전사 수지층(9)에 반전 패턴(3r)이 형성되지만 피전사 수지층(9)은 경화되지 않는다. 따라서, 도3(b)의 상태에서는, 경화 수지층(19)에 형성된 반전 패턴(3r)과 피전사 수지층(9)에 형성된 반전 패턴(3r)이 연속하여 형성되어 있다.
다음, 도3(b)의 상태로부터 몰드(2)를 뗀다. 이 때, 경화 수지층(19)에 형성된 반전 패턴(3r)의 단부에 반전 패턴(3r)에 여분인 힘이 가해져 반전 패턴(3r)이 변형하기 쉽다. 그러나, 본 실시 형태에서는 경화 수지층(19)에 인접한 미경화의 피전사 수지층(9)에도 반전 패턴(3r)이 형성되어 있기 때문에 경화 수지층(19)의 반전 패턴(3r)에 가해지는 힘이 저감되어 경화 수지층(19)의 반전 패턴(3r)의 변형이 억제된다.
다음, 도3(c)에 도시한 바와 같이, 몰드(2)를 다음의 가공 영역으로 이동시킨다. 몰드(2)는 도3(c)에 도시한 바와 같이, 차광 영역(S)과 투광 영역(T)의 경계의 위치가 경화 수지층(19)과 피전사 수지층(9)의 경계의 위치에 거의 일치하는 위치에 이동시키는 것이 바람직하다. 그리고, 이동 후의 위치에서 도3(d)에 도시한 바와 같이, 피전사 수지층(9)에 요철 패턴(3)을 전사하고 투광 영역(T)에 있는 피전사 수지층(9)에 활성 에너지선(19)을 조사하여 반전 패턴(3r)이 형성된 경화 수지층(19)을 형성한다.
이상의 공정을 필요한 회수만 반복함으로써 원하는 사이즈의 미세구조체를 형성할 수 있다. 이 미세구조체는 임프린트용 몰드, 마이크로 콘택트 프린트용 스탬퍼, 광학 시트(반사 방지 시트, 홀로그램 시트, 렌즈 시트, 편광분리 시트), 발수 시트, 친수 시트 세포배양 시트 등에 이용가능하다.
<제2실시 형태>
도4를 이용하여 본 발명의 제2실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)에 대하여 설명한다. 제1실시 형태에서는, 차광 부재(5)는 패턴 영역(13)의 단부에서만 패턴 영역(13)에 겹치도록 설치되어 있었지만, 본 실시 형태에서는 차광 부재(5)는 도4에 도시한 바와 같이 패턴 영역(13)의 단부만이 아니라, 패턴 영역(13)의 단부 이외의 부위에도 설치되어 있다. 이러한 구성에 의하면, 도4에 도시한 바와 같이, 패턴 영역(13)의 단부에 설치된 차광 부재(5)로 덮어져 있는 영역이 단부차광 영역(S1)으로 되고, 패턴 영역(13)의 단부 이외에 설치된 차광 부재(5)로 덮어져 있는 영역이 비단부차광 영역(S2)으로 되고, 나머지의 영역이 투광 영역(T)으로 된다. 이러한 구성이여도 경화 수지층(19)의 반전 패턴(3r)의 변형을 억제할 수 있다.
<제3실시 형태>
도5~도6을 이용하여 본 발명의 제3실시 형태의 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드(2)에 대하여 설명한다.
본 실시 형태에서는, 차광 부재(5)는 도5에 도시한 바와 같이, 패턴 영역(13)의 단부에는 설치되지 않고 패턴 영역(13)의 단부 이외의 부위에만 설치되어 있다. 이러한 구성의 몰드(2)는 예를 들면 도6에 도시한 바와 같이, 차광 부재(5)의 외측의 영역에 활성 에너지선(19)이 조사되지 않도록 임프린트 장치의 유지부(21)로 유지된 상태에서 사용할 수 있다. 이러한 사용 방법에 의하면, 패턴 영역(13)의 단부에 가장 가까운 차광 부재(5)에 의해 덮어져 있는 영역이 단부차광 영역(S1)으로 되고, 그 이외의 차광 부재(5)로 덮어져 있는 영역이 비단부차광 영역(S2)으로 되고, 나머지의 영역이 투광 영역(T)으로 된다. 따라서, 제2실시 형태와 마찬가지로, 경화 수지층(19)의 반전 패턴(3r)의 변형을 억제할 수 있다.
또한, 차광 부재(5)는 본 실시 형태와 같이, 패턴 영역(13)의 일부에서 패턴 영역에 겹치도록 설치하면 되고 차광 부재(5)를 설치하는 위치는 패턴 영역(13)의 단부가 아니어도 된다.
2:임프린트용 몰드, 3:요철 패턴, 4:투명기재, 5:차광 부재, 6:투명수지층, 7:대면적기재, 9:피전사 수지층, 21:유지부

Claims (5)

  1. 투명기재와, 그 위에 형성되는 동시에 요철 패턴이 형성된 패턴 영역을 가지는 투명수지층과, 상기 투명기재와 상기 투명수지층의 사이에 상기 패턴 영역의 일부에서 상기 패턴 영역에 겹치도록 설치된 차광 부재를 갖추는 것을 특징으로 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패턴 영역이 광경화성 수지로 형성되어 있는 피전사 수지층에 상기 요철 패턴을 전사한 후에 활성 에너지선의 조사에 의해 상기 피전사 수지층을 경화시키는 투광 영역과, 상기 투광 영역의 주변부에 상기 활성 에너지선을 조사해도 상기 피전사 수지층이 경화되지 않는 차광 영역으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 투명기재는 가요성을 가지는 것을 특징으로 하는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드.
  4. 제1항 내지 제3항의 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명기재는 상기 투명수지층이 형성되어 있는 측의 면이 평탄면인 것을 특징으로 하는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드.
  5. 투명기재 상의 소정위치에 차광 부재를 배치하고
    상기 차광 부재를 덮도록 상기 투명기재 상에 요철 패턴이 형성된 패턴 영역을 가지는 투명수지층을 형성하는 공정을 갖추고,
    상기 차광 부재는 상기 패턴 영역의 일부에서 상기 패턴 영역에 겹치도록 설치되는 스텝 앤드 리피트용 임프린트용 몰드의 제조 방법.
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