(57)【要約】【課題】  従来のホットエンボス法、射出成形法、圧縮成形法、ナノインプリント法に比べて格段に優れた製品を高い生産性で生産可能な微細転写方法および装置を提供すること。【解決手段】  微細な凹凸形状１Ｌｃを有する下型スタンパー１Ｌの表面１Ｌａ上にプラスチック基材２を装着し、加圧手段６により、上型１２Ｕをプラスチック基材２に向けて加圧し、プラスチック基材２を下型スタンパー１Ｌに押圧する。下型スタンパー支持体５Ｌには幅方向７に長いスリット状の開口部８を設け、そこを通して炭酸ガスレーザ１３によりビーム状の赤外線３を照射し長手方向４に移動させ下型スタンパー１Ｌの微細な凹凸形状と反転する凹凸形状をプラスチック基材２に形成し、冷却し、プラスチック基材２を離型する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記スタンパーの裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする微細転写方法。
【請求項２】
表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体の幅方向に長く設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする請求項１に記載の微細転写方法。
【請求項３】
前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写した後、冷却手段によって前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に剥離手段によって前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする請求項１または２に記載の微細転写方法。
【請求項４】
表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を一体として移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写方法。
【請求項５】
前記微細な凹凸形状の幅、高さおよび深さが１ｎｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法。
【請求項６】
前記基材が固体状の熱可塑性樹脂または溶融状の熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法。
【請求項７】
前記基材が、−１２５〜２９０℃のガラス転移温度を有する請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法。
【請求項８】
表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーの裏面から赤外線を照射するための赤外線光源と、
前記スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記スタンパー及び基材を加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記スタンパーの表面に前記基材を装着し、前記スタンパー裏面を前記支持体で支持し、前記加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体に設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記移動手段により前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして長手方向に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記冷却手段によって前記スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材とスタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。
【請求項９】
表面に微細な凹凸形状を有する上型スタンパーおよび表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなる下型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーの裏面側に設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記下型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型、下型および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記加圧手段に固定し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記上型スタンパーで基材を加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型、下型および加圧手段を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の下型スタンパーと接する面に下型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、前記基材の上型スタンパーと接する面に前記上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を前記加熱手段による加熱溶融と加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。
【請求項１０】
各々が表面に微細な凹凸形状を有し赤外線透過材料からなる下型スタンパーおよび上型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの裏面に各々設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと各々の赤外線光源との間に各々設けられ、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面と上型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型および下型を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型スタンパー支持体と上型スタンパー支持体を前記加圧手段に固定し、前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記上型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面と上型スタンパー表面との間隙に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記基材を上型スタンパーおよび下型スタンパーで加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型および下型を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面および上型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと接する面に前記下型スタンパー表面および上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置。
【請求項１１】
表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成された支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記支持体上を移動させるための移動手段と、
前記スタンパーを加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写装置。
【請求項１２】
前記支持体または上型スタンパー支持体および／または下型スタンパー支持体が、前記スタンパーが移動する方向順で、加熱部位、断熱部位、冷却部位およびスタンパー真空吸着部位を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１３】
前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの一部が、波長１０．６μmの赤外線を４０％以上透過するＦＺシリコンで形成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１４】
前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの少なくとも一部が、ＦＺシリコン、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＮａＣｌ、ＢａＦ2、ＫＢｒおよびＣａＦ2から選択された赤外線透過材料またはこれらの組み合わせから形成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１５】
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーの少なくとも一部が、Ｎｉ電鋳で形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１６】
前記赤外線光源が、赤外線ランプ、炭酸ガスレーザまたはＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１７】
前記赤外線光源から照射される赤外線が、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナー、ステッピングモータもしくはＡＣサーボモータを用いた揺動機構、または、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズもしくはホモジナイザーにより線状ビームに変形され、該線状ビームが、前記支持体または前記上型スタンパー支持体または下型スタンパー支持体の幅方向に設けられたスリット状の開口部を通過することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１８】
前記スタンパーまたは前記上型スタンパーまたは下型スタンパーの厚さが０．３mm〜３０mmであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項１９】
前記加圧手段によって与えられる加圧力が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項２０】
前記支持体および前記下型スタンパー裏面と接する下型スタンパー支持体および上型スタンパー裏面と接する上型スタンパー支持体の表面の少なくとも一部が、低摩擦すべり軸受、転動軸受またはコンベアーで形成されたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項２１】
前記加熱手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および／または上型スタンパー支持体に加熱用ヒータを設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項２２】
前記冷却手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および／または上型スタンパー支持体に水冷配管を設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【請求項２３】
前記剥離手段が、前記上型、下型、上型スタンパー支持体および／または下型スタンパー支持体に設けた真空吸着孔、空気吹出孔、突出ピン、急速冷却用水空気配管または急速冷却用ベルチェ素子からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微細転写方法および装置に関するものであり、詳しくは、従来のホットエンボス法、射出成形法、圧縮成形法、ナノインプリント法に比べて格段に優れた製品を高い生産性で生産可能な微細転写方法および装置に関するものである。本発明の方法および装置によれば、表面に微細な凹凸形状を有するとともに、辺長が数cm〜数十cmの大面積の製品を得ることができる。
【背景技術】
【０００２】
熱可塑性プラスチック、熱硬化性プラスチック、光硬化性プラスチックないしは低融点ガラスなどの材料からなり、表面に数ｎｍから数百μmの微細な凹凸形状を形成した部材には、回折格子、マイクロレンズアレイ、ＣＤ、ＤＶＤ、Ｂｌｕ−ｒａｙディスク用ピックアップレンスなどの光学部品、ＣＤ、ＤＶＤ、Blu-ray Disk、大容量ハードディスクなどの光記憶媒体、光導波路、光スイッチ、光ファイバー接合用Ｖ溝、コネクターなどの光通信部品、液晶表示用導光板、高輝度フロントライト、波長板、表面無反射構造体、有機ＥＬレセプター、有機ＴＦＴ隔壁、光学位相板などの電子ディスプレィ部品、μ−ＴＡＳ、化学合成チップ、ＤＮＡチップ、指紋センサーアレイ、タンパクチップ、微生物検出チップ、診断チップなどのライフサイエンス用部材などがある。これらの部材を製造する現在の方法として、射出成形法、ホットエンボス法、ナノインプリント法などが挙げられる。
【０００３】
射出成形法は、数百ｎｍからの微細凹凸形状を金型表面に形成し、加熱溶融した樹脂を閉じた金型に数十MPa〜200MPaの高圧で充填し、冷却・固化して離型し、取り出す方法である。この方法は極めて高い生産性が得られ、複雑三次元形状を自由に成形でき、自動化が容易であるという特徴があり、最も普及したプラスチック成形加工法となっている。射出成形法により、数百nm幅の微細ピットを有するＤＶＤが３秒前後のサイクルタイムで生産されている。また、レンズ、回折格子、液晶表示バックライト用導光板など、表面に数百ｎｍから数百μｍの微細凹凸形状を有する部材の多くに適用されている。しかし、常温近くに冷却された金型に、２００〜３５０℃の溶融樹脂を高圧で充填するため、成形品に高い残留応力、複屈折、歪、ソリ変形を生じ、光学特性が損なわれやすい。また、樹脂の充填を開始する金型スプルーから流動末端までの圧力勾配が大きく、流動末端に樹脂が十分に充填されにくく、さらには、樹脂が流動末端に向けて進むに従って、樹脂が金型に冷やされて温度が下がり、流動性が低下するので、流動末端における金型壁面の微細な凹凸形状を転写することが難しいという課題があった。また、冷却された金型表面に樹脂が接触しながら流動するので、金型壁面に接する樹脂の粘度が上昇し、さらには金型壁面近くに樹脂の固化層を形成するので、金型壁面に形成された微細な凹凸形状を充填できず、十分な転写性を得ることが難しかった。
【０００４】
ホットエンボス法は、固体状の樹脂を金型に装填し、金型を樹脂のガラス転移温度近辺まで加熱し、金型で樹脂を加圧して樹脂を加熱・軟化させながら、金型の微細凹凸部に樹脂を加圧充填し、その後に樹脂を冷却、固化して離型する成形方法である。金型の微細凹凸部は、金型に直接機械加工をするか、あるいは、ＬＩＧＡプロセスやフトリソグラフィ技術で表面に微細な凹凸形状を形成した板状のスタンパーを金型に装着すること等で付与される。この方法により、ナノメートル〜マイクロメートルの微細な凹凸を樹脂に形成できると言われている。この方法は、射出成形に比べて、樹脂の流動変形量と変形速度が小さいので、微小な凹凸形状を成形するのに有利と言われている。また、流動による樹脂の変形量が小さく、しかも加熱がゆっくりと定常状態を保ちながら進行するので、成形品内部の残留応力が小さいというメリットがある。さらには、流動を生じるのに必要な圧力勾配が小さく、樹脂の平面内に均一に圧力が加わるので、低圧での成形ができ、薄肉の成形品を得られやすい。しかし、１成形サイクル内で金型を加熱、冷却するのに数分の時間を要するので生産性が低く、成形サイクルは、冷却した金型に樹脂を充填する射出成形が数秒〜数十秒であるのに対し、１サイクル内での金型の加熱冷却を必要とするホットエンボス法では数分〜数十分が必要である。また、加熱軟化させると言えども固体に近い樹脂を加圧変形させるので、数十ＭＰａの高圧を要する。さらに、固体状態に近い樹脂を変形させることにより、金型の微細凸部を樹脂に押し込む時に樹脂の角部に大きな弾性変形と丸みを生じ、この部分の歪が大きくなり光学特性を損なうという問題がある。成形品の品質は、単に形状精度だけできまるのではなく、光学部品、ディスプレィ素子等においては、特に成形品内部の性状（残留歪、複屈折分布）を向上させる必要があるのであり、前記の光学特性を損なうことは、基本的な欠点と言える。さらには、金型に微細凸部を押し込む時に、金型の微細凹部に空気が封じ込められ、これが金型の微細凹凸部の樹脂への転写を阻害することになる。このため、金型内を真空状態に維持して成形する必要があり、設備コストが上がり、真空引きと大気圧への開放のために時間を要し生産性を損なうという問題がある。また、得られる製品形状が平面形状に限定され、三次元形状どころか偏肉形状を作ることも難しいという制約がある。さらには、フィルム・シート状の固体プラスチックを供給する必要があるので、成形に先立って、プラスチックをフィルム・シート状に作製しておかなくてはならない。
【０００５】
ナノインプリント法は、1995年Princeton大のChouにより提案された方法であり、ナノメートルスケールの微細な凹凸形状を持つモールド（型）を、ウエハー基板上に形成した樹脂レジストに押し付け、モールドの構造をレジストに転写することでレジストに微細な凹凸形状を形成する。この結果、幅が200ｎｍ以下で25nm程度までの微細な凹凸パターンが形成されたと記載されている（下記特許文献１）。しかし、この方法は、前述のホットエンボス法との比較において、基板上に形成した樹脂薄膜にモールドを押し付ける点と、200nm以下の微細パターンが形成できたとする発見を除いては、前述のホットエンボス法と同一であり、従って、ホットエンボス法と同じ問題点を有する。
【０００６】
一方、下記特許文献２には、プラスチック射出成形加工における金型の一部を赤外線が透過する材料で構成し、成形工程中の樹脂に対して例えば炭酸ガスレーザを照射して溶融樹脂の冷却速度を制御する方法が提案されている。射出充填中の金型内の樹脂にφ４mmの範囲で炭酸ガスレーザを照射することにより、分子配向に起因する複屈折の除去、転写性の向上などが可能となることを示している。しかも、赤外線透過材料の温度は殆ど上昇しないので、転写性向上のために従来のように金型温度を高く設定する必要性が無く、したがって冷却時間を伸ばす必要がないので、高い生産性が得られることが示されている。炭酸ガスレーザ照射により、金型壁に接触している樹脂を直接赤外線ふく射加熱することで充填中の表面固化層の発生を抑制し、流動と固化に伴う残留複屈折が低減し、金型壁の幅100μm、200μm、深さ100μmの微細な凹凸形状に対する樹脂の転写性が向上することが示されている。赤外線光源としては、炭酸ガスレーザ、ＹＡＧレーザ、赤外線ランプが例示されている他、高分子が吸収する範囲で適宜選択できる、とされている。また、赤外線透過材料としては、ZnSe、サファイア、赤外線用ガラスが示されている。実施例では、照射密度80W／cm2の炭酸ガスレーザを充填中の樹脂に照射することにより、金型壁面部の樹脂が高温となり、固化層が消滅し、分子配向層が形成されず、光学的特性に偏奇が無く、残留複屈折が消滅し、転写性が向上することが示されている。ただし、これらの結果はいずれも、成形品のごく小面積のΦ４mmの部分に赤外線を照射して得られた結果であり、大面積への照射による転写性向上の効果、照射した場合の表面状態、特に照射した部分としない部分とにおける照射ムラや外観不良、照射密度が高いことによる焼け、変色などの副作用の発生については何ら確認されていない。
また、赤外線透過材料であるZnSeは厚くするほど極めて高価となる。さらにZnSeは脆性材料で加工が難しく、射出成形のように金型内の樹脂圧力が数十MPa〜200MPaに達する高圧下では、樹脂圧力による曲げ応力を鋼に比べて極めて低く抑える必要があり、このため、ZnSeとして大面積かつ厚肉のものを使うことは、曲げ応力が大きくなるので難しい。また、たとえ赤外線透過材料として大面積で強度が十分なものがあっても、大面積に必要な赤外線を照射するためには、大出力の赤外線光源を要し、経済的に見合わなかった。微細な凹凸形状への加工も難しく、100〜200μmの凹凸形状が加工できる限界であった。これらの理由により、特許文献２の技術は実用上必要な中〜大面積の成形品に対して実用化されることはなかった。
【０００７】
一方、特許文献３には、転写面を具えてかつプラスチック材料からなる基材を用意し、転写面を露出した状態で基材を固定し、少なくとも一部が赤外線透過材料からなるスタンパーの賦型面を基材の転写面と密着状態に保持し、スタンパーに対して基材を指向する方向に赤外線を照射することを特徴とするプラスチック成形加工方法が開示されている。これにより、射出成形のような高生産性を維持するとともに、プラスチック材料の転写性を向上させ、併せて均一な物理的特性（例えば光学的特性）を具えた成形品を提供する、とされている。実施例では、転写面を具えた基材としてＣＤ−ＲＯＭなどの薄い円盤が示されている。これは、基材の転写面に対して赤外線透過材料を通して赤外線を照射して成形する方法であり、前記のホットエンボス法に対し赤外線照射による転写性向上を図ったものである。
しかし、この方法で、賦型面の一部に赤外線を照射した場合、照射した部分のみが転写され、他の部分は転写されないばかりか、照射された部分とされない部分との間での照射ムラにより賦型面表面の平滑性が損なわれる。本方法では、転写面全体に均一に赤外線を照射する方法は示されていない。また、本発明者らの実験によれば、赤外線を照射しても、少なくとも0.1〜1MPa程度の加圧力がなければ、スタンパー表面の微細な凹凸形状を十分な深さまで転写できないことがわかっている。従って、特許文献３で示されているように、加圧無しで賦型面の転写性を向上するというのは、困難である。
【０００８】
また、下記非特許文献１には、二工程赤外線支援精密転写法が提案されている。この方法は、まず従来の射出成形法等でほぼ所要の寸法を満足する素成形品を成形しておく。次に、精密寸法を有し一部に赤外線透過材が設けられている金型内に素成形品を挿入し、外部より赤外線を照射して樹脂表面温度を上昇させて薄い層を溶融させる。その際、温度上昇により体積膨張して型内圧力も上昇するので精密転写が可能となる。ＣＤディスクなども転写成形可能であることが、実験的に検証されている。実験の結果、幅２μm、深さ５．６μmの三角形溝が、加圧力1MPa、金型温度１００℃、照射密度55W/cm2で100％近く転写できている。しかし、密閉した金型内に成形品を装填し、微細な凹凸形状を有するスタンパーに赤外線を照射した場合、微細凹凸内に残存する空気が転写を阻害する。この結果、本成形法では、1MPaで加圧し、金型温度を100℃まで上昇させているにも関わらず、転写のために60秒もの時間を要している。また、本成形法でも、金型内の赤外線透過材料の取り付け構成は、先の特許文献２の射出成形金型とほぼ同一であり、射出成形に比べて低圧で済むといえども、脆性材料である赤外線透過材料を大面積化するためには、赤外線透過材料を厚くしなければならず、結果的に高コスト、スタンパー冷却時間の増大による成形時間の増大が必要になる。また、転写できる面積もφ１２ｍｍが示されているに過ぎず、大面積での転写については、何等示されていない。さらに、微細形状に転写した後の離型については何ら考慮されていない。
【０００９】
なお、特許文献４には、赤外線ふく射を用いた別の転写方法が開示されている。これは、金型に形成した微細パターンを基板表面に転写する方法であり、表面に微細パターンを有する金型を準備し、転写すべき基板表面に金型の表面を隣接させ、基板表面を軟化または液化するために基板表面をふく射し、軟化あるいは液化した基板表面に向けて金型の表面を加圧し、金型を移動して金型表面の微細形状パターンが転写された基板を剥離する方法である。ここで、ふく射としてレーザふく射、レーザふく射の波長は１nm〜100μm、ふく射はランプふく射でもよく、赤外線ふく射も含まれている。また、金型は赤外線透過材料でもよく、基板はポリマーでも良く、金型または全体の基板を実質的に加熱せずにふく射で加熱してもよい、とされている。これらは、実質的には、先の特許文献２、３、非特許文献１の技術と同じであるので、前記と同様の課題を有する。すなわち、照射ムラが無いように転写面全体に均一に照射して平滑な表面を得る点、単に金型を基板に押し当てるだけでは金型の微細な凹凸形状に残存する空気が該部分の転写を阻害する点、大面積の薄いスタンパーを用いる場合に、プレス加圧による曲げの作用により、脆性材料である赤外線透過材料が破損する点、離型を容易にする方法の欠如である。さらに、特許文献４に開示された技術のように、基板表面に形成された薄いポリマー層に金型を押し付けて微細な凹凸形状を形成した場合、ポリマー層と金型との剥離が困難になるが、その具体的な離型方法は規定されていない。また、本方法で微細凹凸面を形成できるのは、基板表面のポリマーへの片面のみであり、両面に微細な凹凸を形成することはできない。
【００１０】
【非特許文献１】平成10年度新エネルギー・産業技術総合開発機構・新規産業創造型提案公募事業研究成果報告書、「赤外線照射支援による超精密構文氏射出成形：転写・形成性向上技術の開発」、2000年3月）
【特許文献１】米国特許第５，７７２，９０５号明細書
【特許文献２】特許第３１６９７８６号公報
【特許文献３】特開２００１−１５８０４４号公報
【特許文献４】米国特許出願公開２００４／０４６２８８Ａ１号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のような従来の技術の課題は、以下のようにまとめられる。
（１）微細な凹凸形状の高い転写性と光学特性
射出成形法では、低温の金型に溶融樹脂を充填するため、金型壁面に接する樹脂が急激に冷却されて温度降下するため、高粘度化および固化層を形成し、金型壁面の微細な凹凸に樹脂が充填されにくいので転写性が損なわれる。また、樹脂が金型壁面に冷やされて高粘度化および固化しながら流動するので、金型壁面近くに高い残留応力、複屈折、歪、ソリ変形を生じ、光学特性が損なわれる。
ホットエンボス法およびナノインプイリント法では、射出成形に比べると附形時の樹脂の流動変形量および変形速度が小さいので、微細な凹凸形状を形成するのに有利であり、しかも残留応力が小さいと言われる。しかし、固体状態に近い樹脂を加圧変形させるので、微細凸部を基板に押し込む時に樹脂の角部に大きな弾性変形を生じ、光学特性を損なうという問題がある。
特許文献２および３に開示されるように、金型壁面またはスタンパーを赤外線透過材料で形成し、外部から赤外線を照射することにより、型壁に接する樹脂を直接加熱溶融する方法では、金型またはスタンパーの表面に形成された微細な凹凸形状の高い転写性が得られ、残留応力や複屈折が低減される。しかし、微細な凹凸形状を赤外線透過材料に加工する上では、加工性の良い材料が必要である。光透過性が90％以上のZnSeやZnSは加工が難しい。また、高い転写性を高い生産性で得るためには、赤外線照射に加えて、０．１〜１MＰa程度の加圧力を作用させる必要がある。しかし、一般に赤外線透過材料は脆性材料であり、加圧力が高くなると曲げにより破損する可能性が高い。また、赤外線透過率は赤外線透過材料の厚さに依存し、厚くなるほど透過率が低くなる。エッチング等による微細加工が容易なシリコンでは、波長10.6μmの炭酸ガスレーザに対して厚さ１ｍｍ以下では約４３％の透過率を有するが、厚み５ｍｍでは９％以下、厚さ１０ｍｍでは１．８％となる。このため、高い微細転写性を得るためには、極力薄い赤外線透過材料を用いることが必要である。また、金型またはスタンパーに形成された微細な凹凸形状をプラスチック基材に押し込む時に、微細凹部に封じ込められた空気が抵抗となり、微細凹凸への転写を阻害する。このため、赤外線ふく射加熱を用いる場合であっても、高い転写性を得るためには、加圧力を作用させながらも極力薄く加工性の良い赤外線透過材料を使用し、なおかつ空気の封じ込みによる転写性阻害を解決する新たな手段を講ずる必要がある。
【００１２】
（２）加熱冷却時間と成形圧力
ホットエンボス法やナノインプリント法では、金型、スタンパーあるいはプラスチック基材を電熱ヒータや加熱媒体などの加熱手段によってプラスチックのガラス転移温度付近まで加熱し、金型あるいはスタンパーをプラスチック基材に押し付けてプラスチック表面に微細な凹凸形状を形成した後、プラスチック基材を常温付近まで冷却して離型するものである。この場合、加熱と冷却に少なくとも数分〜十分以上の時間を要し、生産性を損ない、製品のコストアップにつながる。また、固体状態のプラスチックを加圧し、スタンパーからの伝熱によりで軟化させるためには、10MPaを超える高圧を要し、スタンパーや金型に剛性を要する。さらに、プラスチックにスタンパーの凹凸を押し付ける際、軟化したプラスチックは粘弾性的変形を示し、スタンパーと接しない部分は固体として変形するので、この部位に歪が発生し、複屈折を生じて光学的特性を損なうことになる。したがって、できる限りスタンパーとプラスチック基材の加熱・冷却に要する時間を短くするとともに、成形に要する圧力を低減する手段を講ずる必要がある。
特許文献２および３に開示されるように、金型壁面またはスタンパーを赤外線透過材料で形成し、外部から赤外線を照射することにより、型壁に接する樹脂を直接加熱溶融する方法では、金型またはスタンパーを加熱せずに直接樹脂を瞬間的に加熱できるので、生産時間が短縮される。また、非特許文献１に開示された技術では、成形１MPa、金型温度100℃、加圧および赤外線照射時間60秒、照射密度55W/cm2の条件下でμm台の微細な凹凸形状が100％転写できている。しかし、金型を100℃まで上昇させる必要があり、60sもの時間を要している。したがって、射出成形に匹敵する高生産性を確保しながら高い転写性と1MPa以下の低圧での成形を実現するためには、高い転写性を確保するため必要な加熱冷却時間を低減し、なおかつ低圧化ができる新たな手段を講ずる必要がある。
【００１３】
（３）赤外線透過材料の破損防止と低コスト化
特許文献２に開示された方法において、赤外線透過材料は通常の金型材料に比べて靭性や強度に劣る。このため、少なくとも10MPa以上の樹脂圧力が赤外線透過材料に作用する射出成形法では、赤外線透過材料が破損するため、実用に耐えることが難しかった。また、シリコンやゲルマニウムなどの赤外線透過材料では、厚さが厚くなるほど赤外線透過率が急速に低下するため、使用できる厚さはシリコンでは１mm、ゲルマニウムでは10mmが限界であり、射出成形に要求される高圧に耐えることは難しかった。さらに、ZnSe、ZnS、Si、Geをはじめとした赤外線透過材料は、面積が大きくなり厚さが厚くなるに従って急激に価格が上昇するため、この点からも実用性がなかった。一方、特許文献３に開示された技術では、微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料製スタンパーの表面にプラスチック基材を固定し、該スタンパーの裏から赤外線を照射することにより、プラスチック基材を加圧しなくても微細な凹凸形状をプラスチック基材に転写できるとされている。しかし、本発明者らの実験によれば、赤外線ふく射加熱を用いる場合であっても、十分な微細な凹凸形状転写を達成するためには、1MPa以下の加圧は必要である。また、転写に十分な加圧力をかけると、特に転写面の面積が大きくなるほど赤外線透過材料が破壊するという問題がある。このため、転写圧力を極力低くするとともに、微細な凹凸形状を中〜大面積（数ｃｍ〜数十ｃｍ）のプラスチック基材に形成するために必要な、最小限の加圧力を作用させても、赤外線透過材料が破損しない手段を講ずる必要がある。また、コスト低減と赤外線透過率を上げる目的から、できるだけ薄い赤外線透過材料を使用して、なおかつ加圧力を作用させることのできる新たな手段を講ずる必要がある。
【００１４】
（４）大面積化
赤外線透過材料でできた金型またはスタンパーを通してプラスチック基材に赤外線をふく射して微細な凹凸形状をプラスチック基材の表面に形成する従来の方法は、いずれの場合においても、直径φ４〜１２mm程度の小径ビームをプラスチックのごく一部に照射し、照射された部分の転写性や光学特性を評価したものばかりであり、辺長が数cm〜数十cmの中〜大面積の成形体全体に赤外線を照射する方法および装置については、何ら報告されていない。すなわち、大面積への照射による転写性向上の効果、照射した場合の表面状態については、報告されていない。特に、成形体の一部分のみに赤外線を照射した場合、照射した部分としない部分との境界に転写ムラが生じ、表面がデコボコになって外観を損なう。また、照射密度が高い場合には、特定部位に照射を続けるとプラスチック基材にヤケ、変色が生じる。このため、赤外線透過材料を通して大面積の成形体に均一に赤外線を照射して高い転写性と平滑な表面性状を得るためには、大面積の赤外線透過材料を準備し、これに均一に赤外線を照射する新たな手段を講ずる必要がある。しかし、特に赤外線レーザを用いる場合、単一のビームにより大面積に同時に照射するためには、極めて高出力のレーザが必要である。そこで、単一ビームを線状にして照射することが考えられるが、この場合には、線状の赤外線ビームを赤外線透過材料を通してプラスチック基材に照射しながら、なおかつ基材の全面に均一に赤外線が照射されるようにしながら、しかも前述のように微細な凹凸形状の転写性を確保するための加圧をかけながら、さらには照射ムラの無い平滑な転写面を得るための新規は方法を講ずる必要がある。しかし、大面積の赤外線透過材料に加圧力を加えると、プラスチックに作用する圧力が低くても、面積全体では大きな力が加わり、赤外線透過材料に作用する曲げ応力が大きくなるので、破壊の可能性が高くなる。そこで、赤外線透過材料を厚くすると、材質によっては赤外線透過率が減少し、微細な凹凸形状への転写性を損なう。また、厚くするほど、これを加熱冷却する場合に時間を要し、なおかつ経済性と生産性を損なう。そこで、大面積の赤外線透過材料に赤外線を均一に照射しながら加圧しても、赤外線透過材料に対して破壊に至るような曲げ応力が作用しない機構とし、できる限り大面積で薄い赤外線透過材料を使用して微細凹凸の高い転写性を実現し、しかも、加熱冷却する場合の時間を短くして高生産性を維持する新規な手段を講ずることが必要である。しかしながら、特許文献２〜４の技術では、このような目的を達することはできなかった。
【００１５】
（５）急速加熱冷却による生産性の向上
加熱冷却を迅速にして高い生産性を得るためには、できる限り赤外線透過材料を薄膜にして、薄い赤外線透過材料からできたスタンパーを用いることで、加熱冷却を迅速に行うことが必要である。しかし、従来は、脆性材料である赤外線透過材料からできたスタンパーを加圧して破壊しないためには、面積を小さくせざるを得なかった。したがって、薄い大面積のスタンパーでも破損しないような加圧手段を講ずると共に、スタンパーが薄くなるほど加熱、冷却が急速にできる手段を講ずる必要がある。
【００１６】
（６）ソリ変形
赤外線透過材料製のスタンパー裏面からプラスチック基材に向けて赤外線を照射した場合、赤外線を照射した面は温度が上昇するが、反対側の非照射面では温度が低いので、プラスチック基材の表面と裏側との間に温度差が生じ、高温側の面が冷却されることにより収縮し、プラスチック基材が照射された側にそるという問題があった。これを解決するためには、赤外線を照射しない面についても、適度の加熱を行い、ソリ変形が生じない新たな手段を講ずる必要があるが、このような問題について、従来は何ら対策が講じられることが無かった。
【００１７】
（７）赤外線照射ムラの解消
赤外線透過材料を通してプラスチック基材に赤外線を照射すると、照射された部分には微細形状が転写されるが、照射されない部分では転写されない。また、照射された部分とされない部分との境界に紋様が現れ、成形品の外観を損ねることになる。このため、スタンパーの微細な凹凸が形成されている領域も、凹凸が形成されていない領域も、均一に赤外線を照射する手段を講ずることが不可欠であるが、このような機構について、従来は何ら検討されていなかった。
また、赤外線として１０．６μｍの波長を発生する炭酸ガスレーザを使用する場合、レーザビームの強度はビーム断面内で一様ではなく、図２４に示すように場所によって変わるビームモードが存在する。このため、プラスチック基材に単純に照射するだけでは、ビームモードに従って、強度が高い部分はよく溶融し、強度が弱い部分は溶融しない部分が出てくる。このため、強度の強弱がプラスチック基材表面の凹凸となって現れたり（照射ムラ）、金型またはスタンパーの微細凹凸部が転写された部分とされない部分とが現れる（転写ムラ）。従来技術は、単純にレーザを照射する場合しか検討されておらず、照射ムラや転写ムラが避け難い。しかし、プラスチック基材の表面全体に均一にレーザビームを照射して照射ムラや転写ムラを解消する方法は従来検討されていなかった。
【００１８】
（８）プラスチック基材表裏両面への微細形状転写
赤外線透過材料を金型またはスタンパーの一部として用い、これを通してプラスチック基材に赤外線を照射する方法では、従来は、射出成形を除いて、上型および下型の双方の表面に形成された微細な凹凸形状を、プラスチック基材の表裏両面に同時に形成することはできなかった。しかし、実用的な製品では、表裏両面に微細凹凸形状を同時に一括して形成することが必要となるものがあり、そのためには、新規な手段を講ずることが必要である。
【００１９】
（９）成形サイクルの安定性
赤外線透過材料を金型またはスタンパーの一部として用い、これを通してプラスチック基材に赤外線を照射する方法では、赤外線透過材料の殆ど全ては赤外線の一部を吸収し、徐々に温度が上昇する。また、プラスチック基材の赤外線照射面が赤外線を吸収して温度上昇した場合、プラスチック基材の赤外線照射面と相接する赤外線透過材料にプラスチック基材からの熱が伝わり温度が上昇する。このため、安定した成形サイクルで繰り返し転写を行うためには、赤外線透過材料の温度を毎成形サイクル一定になるように、転写終了後に冷却しなければならない。しかし、従来の技術では、このような温度条件の管理については全く検討されず、実用性がなかった。
本発明は、上記のような従来の課題を解決することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
請求項１の発明は、表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記スタンパーの裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする微細転写方法である。
【００２１】
請求項２の発明は、表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体の幅方向に長く設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を、線状の赤外線に対して直交する長手方向に相対的に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写することを特徴とする請求項１に記載の微細転写方法である。
【００２２】
請求項３の発明は、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写した後、冷却手段によって前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に剥離手段によって前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする請求項１または２に記載の微細転写方法である。
【００２３】
請求項４の発明は、表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を一体として移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写方法である。
【００２４】
請求項５の発明は、前記微細な凹凸形状の幅、高さおよび深さが１ｎｍ〜１ｍｍの範囲であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法である。
【００２５】
請求項６の発明は、前記基材が固体状の熱可塑性樹脂または溶融状の熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法である。
【００２６】
請求項７の発明は、前記基材が、−１２５〜２９０℃のガラス転移温度を有する請求項１〜４のいずれかに記載の微細転写方法である。
【００２７】
請求項８の発明は、表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなるスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーの裏面から赤外線を照射するための赤外線光源と、
前記スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記スタンパーおよび基材を加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記スタンパーの表面に前記基材を装着し、前記スタンパー裏面を前記支持体で支持し、前記加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体に設けられたスリット状の開口部から前記スタンパー裏面を通して前記基材の表面に赤外線を幅方向に線状に照射して前記スタンパー表面と面する基材表層を線状に溶融させ、これと同時に、前記移動手段により前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして長手方向に移動させ、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記冷却手段によって前記スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材とスタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
【００２８】
請求項９の発明は、表面に微細な凹凸形状を有する上型スタンパーおよび表面に微細な凹凸形状を有する赤外線透過材料からなる下型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーの裏面側に設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーと赤外線光源との間に設けられ、前記下型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型、下型および加圧手段を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型および／または下型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記加圧手段に固定し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記上型スタンパーで基材を加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型、下型および加圧手段を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の下型スタンパーと接する面に下型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、前記基材の上型スタンパーと接する面に前記上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を前記加熱手段による加熱溶融と加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
【００２９】
請求項１０の発明は、各々が表面に微細な凹凸形状を有し赤外線透過材料からなる下型スタンパーおよび上型スタンパーと、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを固定するための下型および上型と、
前記上型スタンパー表面と下型スタンパー表面との間に挟み込んで装着する基材と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの裏面に各々設けた赤外線光源と、
前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと各々の赤外線光源との間に各々設けられ、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーを支持するとともに前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成され、前記赤外線光源から発せられる赤外線が前記下型スタンパー裏面と上型スタンパー裏面に線状に照射されるように、前記下型スタンパーおよび上型スタンパーの幅方向に長いスリット状の開口部を備えた下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体と、
前記上型スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記下型スタンパー、上型スタンパー、基材、上型および下型を一体にして前記幅方向と直交する長手方向に移動させるための移動手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを加熱するために前記上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた加熱手段と、
前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却するために上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた冷却手段と、
前記基材を前記下型スタンパーおよび上型スタンパーから剥離するために上型、下型、下型スタンパー支持体および／または上型スタンパー支持体に設けられた剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記下型スタンパー支持体と上型スタンパー支持体を前記加圧手段に固定し、前記下型に固定した前記下型スタンパーを前記下型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、前記上型スタンパーを固定した前記上型を前記上型スタンパー支持体上に互いに摺動または転動可能に支持し、この状態で前記上型スタンパーと下型スタンパーを加熱手段により加熱しながら、前記下型スタンパー表面と上型スタンパー表面との間隙に前記基材を装着して前記加圧手段によって前記基材を上型スタンパーおよび下型スタンパーで加圧すると同時に、前記移動手段によって前記基材、上型スタンパー、下型スタンパー、上型および下型を一体として長手方向に移動させながら、前記下型スタンパー支持体および上型スタンパー支持体に設けられた開口部を通して赤外線を前記下型スタンパー裏面および上型スタンパー裏面に線状に照射することにより、前記基材の前記下型スタンパーおよび上型スタンパーと接する面に前記下型スタンパー表面および上型スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する微細な凹凸形状を赤外線輻射による加熱溶融、前記加熱手段による加熱溶融および加圧によって形成し、その後、前記冷却手段によって前記上型スタンパーおよび下型スタンパーを冷却し、前記剥離手段により前記基材と上型スタンパーおよび下型スタンパーとを剥離することを特徴とする微細転写装置である。
【００３０】
請求項１１の発明は、表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーと、
前記スタンパーに装着する基材と、
前記スタンパーを支持するとともに前記スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成された支持体と、
前記スタンパーを前記基材に押圧するための加圧手段と、
前記スタンパー、基材および加圧手段を一体にして前記支持体上を移動させるための移動手段と、
前記スタンパーを加熱するための加熱手段と、
前記スタンパーおよび基材を冷却するための冷却手段と、
前記基材を前記スタンパーから剥離するための剥離手段と、を有する微細転写装置であって、
前記表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面に基材を装着し、前記スタンパー裏面を、前記支持体で支持し、加圧手段により前記基材を前記スタンパーに押圧しながら、前記支持体上で前記スタンパーおよび基材を移動させながら加熱手段により両者を加熱し、前記スタンパー表面と面する前記基材表層全体を溶融および加圧することにより、前記スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、前記基材表層に転写させ、その後、前記スタンパーおよび基材を冷却手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を冷却し、次に前記スタンパーおよび基材を剥離手段に移動させ、前記スタンパーおよび基材を剥離することを特徴とする微細転写装置である。
【００３１】
請求項１２の発明は、前記支持体または上型スタンパー支持体または下型スタンパー支持体が、前記スタンパーが移動する方向順で、加熱部位、断熱部位、冷却部位およびスタンパー真空吸着部位を有することを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３２】
請求項１３の発明は、前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの一部が、波長１０．６μmの赤外線を４０％以上透過するＦＺシリコンで形成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３３】
請求項１４の発明は、前記スタンパーまたは上型スタンパーまたは下型スタンパーの少なくとも一部が、ＦＺシリコン、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＮａＣｌ、ＢａＦ2、ＫＢｒおよびＣａＦ2から選択された赤外線透過材料またはこれらの組み合わせから形成されていることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３４】
請求項１５の発明は、前記上型スタンパーおよび下型スタンパーの少なくとも一部が、Ｎｉ電鋳で形成されていることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３５】
請求項１６の発明は、前記赤外線光源が、赤外線ランプ、炭酸ガスレーザまたはＹＡＧレーザであることを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３６】
請求項１７の発明は、前記赤外線光源から照射される赤外線が、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナー、ステッピングモータもしくはＡＣサーボモータを用いた揺動機構、または、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズもしくはホモジナイザーにより線状ビームに変形され、該線状ビームが、前記支持体または前記上型スタンパー支持体または下型スタンパー支持体の幅方向に設けられたスリット状の開口部を通過することを特徴とする請求項８〜１０のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３７】
請求項１８の発明は、前記スタンパーまたは前記上型スタンパーまたは下型スタンパーの厚さが０．３mm〜３０mmであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３８】
請求項１９の発明は、前記加圧手段によって与えられる加圧力が０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａ、さらに好ましくは０．１〜１ＭＰａであることを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００３９】
請求項２０の発明は、前記支持体および前記下型スタンパー裏面と接する下型スタンパー支持体および上型スタンパー裏面と接する上型スタンパー支持体の表面の少なくとも一部が、低摩擦すべり軸受、転動軸受またはコンベアーで形成されたことを特徴とする請求項８〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００４０】
請求項２１の発明は、前記加熱手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および／または上型スタンパー支持体に加熱用ヒータを設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００４１】
請求項２２の発明は、前記冷却手段が、前記下型、下型スタンパー支持体、上型および／または上型スタンパー支持体に水冷配管を設け、温度制御のために熱電対を設けてなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【００４２】
請求項２３の発明は、前記剥離手段が、前記上型、下型、上型スタンパー支持体および／または下型スタンパー支持体に設けた真空吸着孔、空気吹出孔、突出ピン、急速冷却用水空気配管または急速冷却用ベルチェ素子からなることを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の微細転写装置である。
【発明の効果】
【００４３】
本発明によれば、基材をスタンパーに押圧するとともに、線状の赤外線ビームをスタンパーに照射しながら、基材とスタンパーとを固定した状態で長手方向に移動させることにより、スタンパーと接する基材の表層を溶融、膨張させることで、スタンパーの微細な凹凸形状に残存する空気を逐次排除しながら加圧転写を行うことができるので、空気の残存による微細な凹凸形状の転写の阻害を解消でき、１ＭＰａ以下の極低圧でも十分な転写が可能となる。この結果、基材に残留応力や複屈折が残存せず、光学特性に優れた成形体を得ることができる。しかも、基材全面に均一に赤外線を照射し、照射ムラによる凹凸を解消することができるので、辺長が数ｃｍ〜数十ｃｍの大面積にわたり良好な転写面を得ることができる。また、赤外線を照射するスタンパーとして、その殆どが脆性材料である赤外線透過材料、例えば厚さによって赤外線透過率が低下するＦＺシリコン（0.5ｍｍ厚さで50％、1ｍｍ厚さで43％、厚さ5ｍｍで９％）やＧｅ（厚さ１mmで47％、厚さ５ｍｍで46％、厚さ10mmで45％）などの材料を用い、しかも０．３〜１ｍｍ程度の薄いスタンパーを用いても、スタンパーに殆ど曲げが作用せず、したがって曲げによる破壊が生ずることが無い。この結果、極めて薄く安価な赤外線透過材料を使用できる。また、スタンパーと基材を加熱冷却するための加熱部位、冷却部位を独立して設けた形態で、しかも熱容量の小さい薄いスタンパーを用いることができるので、スタンパーの加熱から冷却への移行を迅速にできるので、基材の加熱冷却が極短時間で可能となり、高い生産性が得られる。なお、上型スタンパーと下型スタンパーの温度を独立して制御する形態によれば、基材で赤外線を照射する面と照射しない面の冷却過程での熱収縮による熱応力を制御できるので、基材のソリ変形を解消することができる。さらには、基材の裏表両面に微細な凹凸形状を転写する形態では、基材の表裏両面に赤外線ふく射を同時に行って転写を行うので、従来は難しかった表裏両面への微細凹凸形状の付与が可能となり、高い生産性で大面積の表裏両面の微細凹凸形状製品を作製することが可能となる。また、加熱、冷却、離型の工程を繰り返し連続的に実施することにより、安定した成形サイクルでの生産が可能となる。さらにまた、スタンパーと基材の温度制御と急速冷却により、基材とスタンパーとの剥離を容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
以下、本発明の実施形態を図面を参照しながらさらに説明する。
図１は、本発明の微細転写方法を実施するための装置を説明するための図である。図１（ａ）は、該装置の正面図、（ｂ）は側面図である。
本発明で使用される基材は、赤外線を吸収し、その表層が溶融可能な材料であればとくに制限されず、例えばプラスチックや低融点ガラスが挙げられるが、以下は、本発明に好適なプラスチックを基材として用いた形態について説明する。  図１において、微細な凹凸形状１Ｌｃを有する下型スタンパー１Ｌは、厚さが０．３〜１ｍｍのＦＺシリコンであり、１０．６μｍ波長の赤外線を４０％以上透過する。微細な凹凸形状は、例えば幅、高さおよび深さが１ｎｍ〜１ｍｍの範囲である。下型スタンパー１Ｌの表面１Ｌａ上にプラスチック基材２を装着する。プラスチック基材２の厚さは50μｍ〜数ｍｍである。プラスチック基材２は、アクリル樹脂、ポリカーボネート樹脂、環状オレフィン樹脂、ポリスチレン、ＰＥＴ樹脂など、赤外線を吸収する樹脂であればとくに制限されないが、−１２５〜２９０℃のガラス転移温度を有する熱可塑性樹脂が好ましい。なお、下型スタンパー１Ｌに装着するプラスチック基材２は、固体状以外にも、溶融した状態の熱可塑性樹脂を下型スタンパー１Ｌに塗布等によって装着してもよい。下型スタンパー１Ｌを、下型スタンパー支持体５Ｌの上に載せている。上型１２Ｕには、加熱手段９として電熱ヒータを設け、冷却手段１０として水管を設け、離型手段１１として機械式エジェクターを設けている。加圧手段６により、上型１２Ｕをプラスチック基材２に向けて加圧し、プラスチック基材２を下型スタンパー１Ｌに押圧している。下型スタンパー支持体５Ｌには幅方向７に長いスリット状の開口部８を設け、その下から炭酸ガスレーザ１３によりビーム状の赤外線３を照射して揺動ミラー１６を揺動させることにより線状のレーザビームを形成し、開口部８を通して下型スタンパー１Ｌに線状に照射する。以上の構成において、加熱した上型１２Ｕを通して加圧手段６によりプラスチック基材２を下型スタンパー１Ｌに押圧しながら、下型スタンパー１Ｌの裏面１Ｌｂに線状の赤外線３を照射しながら、加圧手段６、上型１２Ｕ、プラスチック基材２および下型スタンパー１Ｌを一体として、長手方向４に移動させる。これによって、プラスチック基材２で微細な凹凸形状を含めて製品となる転写面全体に均一に赤外線３が照射され、赤外線３が照射された面が溶融して下型スタンパー１Ｌの微細な凹凸形状と反転する凹凸形状がプラスチック基材２に形成される。ここで、下型スタンパー１Ｌと下型スタンパー支持体５Ｌとは、互いに摺動または転動可能に形成されており、摺動の場合は、下型スタンパー支持体の摺動部はテフロン樹脂、テフロンコーティング製合金、その他低摩擦すべり軸受などで形成されている。転動の場合は、転動軸受またはコンベアー等で形成されている。所定の平面度が保たれたコンベアーを使用してもよい。下型スタンパー支持体５Ｌには、１ｃｍ前後のごく狭い幅の開口部８が線状に形成されており、ここの部位にスタンパーを押し付けても、スタンパーには殆ど曲げが作用しない。このため、その多くが脆性材料である赤外線透過材料でできた下型スタンパー１Ｌが薄いものであっても、曲げによる破壊を生じない。続いて下型スタンパー１Ｌは、図２（ａ）に示したように、下型スタンパー支持体５Ｌの加熱部位５ＬＨ、断熱部位５ＬＩ、冷却部位５���Ｃを経て、図２（ｂ）に示したように真空吸着部位５ＬＶで下型スタンパー１Ｌを支持体に吸着し、この状態で図３（ａ）に示したように上型１２Ｕを開くことで、表面に微細凹凸形状が転写されたプラスチック基材２を離型する（図３（ｂ））。
【００４５】
実際に、赤外線透過材料として直径３インチ、厚さ０．５ｍｍのＦＺシリコンを使用し、本ＦＺシリコンに５０μｍ角の格子と、５〜５０μｍまで５μｍピッチで形成したライン＆スペースとを、深さ１０μｍに加工した下型スタンパー１Ｌの一部を図４に示す。この下型スタンパー１Ｌを用い、下型スタンパー支持体５Ｌは常温のままとし、冷却も自然放冷とし、炭酸ガスレーザ出力は５５Ｗ、十分な強度を有するビーム径（ビーム強度がピークの１／ｅ2となるビーム直径）をφ７ｍｍとして下型スタンパー１Ｌの裏面１Ｌｂに幅方向７で照射した。プラスチック基材２としては幅４ｃｍ×長さ５ｃｍ×厚さ３ｍｍの固体状アクリル樹脂を使用した。線状ビームを形成するための揺動ミラー１６の周波数は１Ｈｚとし、照射する線状ビームの幅は５ｃｍとした。プラスチック基材２、下型スタンパー１Ｌ、加圧手段６、上型１２Ｕを一体として長手方向４に移動させる速度は５ｍｍ／ｓとし、長手方向４に６ｃｍ動かした後、逆方向に６ｃｍ移動させた。すなわち、プラスチック基材２を１往復させながら線状ビームを照射した。加圧力は０．１ＭＰａ〜１０ＭＰａが採用できるが、本形態では０．１ＭＰａとした。照射時間は(６０ｍｍ／５ｍｍ/s)×２＝２４秒である。５５Ｗのレーザ出力の場合、ＦＺシリコンを透過したエネルギーは２８Ｗであった。このため、照射密度は２８Ｗ／（０．７2・π／４）＝７２Ｗ／ｃｍ2であった。この状態では、図５に示すように、５ｍｍ／ｓで長手方向４にスタンパーを７ｃｍ移動させながら、幅５ｃｍ（振幅）で１Ｈｚの周波数で線状ビームを形成した場合、十分なビーム強度がφ７ｍｍであるので、実線２０で表される照射プロファイルによれば、プラスチック基材２には、レーザビームが照射されない領域は無く、４ｃｍ×５ｃｍのアクリル樹脂全面に、均一にレーザビームが照射されることになる。すなわち、図５に示したように、ビームの揺動機構を用いる場合、レーザビームが往復動するために振幅の両端で極短時間でも停止するため、両端での照射時間が他の領域に比べて長くなり、両端とそれ以外では照射エネルギーが不均一となり、照射ムラによるプラスチック基材表面のデコボコを生じやすい。このため、図５に示したように、ビームが極短時間停止する両端を除く領域で、プラスチック基材２の製品領域全面に均一にレーザが照射されるようにすることが重要である。この結果、４ｃｍ×５ｃｍのアクリル製プラスチック基材に形成された微細な凹凸形状を図６に示す。図４で示したＦＺシリコンの微細な凹凸形状と反転する凹凸形状が、ほぼ１００％の転写率（転写体の凹凸高さ／スタンパーの凹凸高さ）で得られた。また、微細な凹凸形状面以外はＦＺシリコンと同様の平滑な平面となった。以上より、上型１２Ｕ、下型スタンパー１Ｌ、下型スタンパー支持体５Ｌを何ら加熱冷却することなく、０．１ＭＰａという極低圧で加圧しながら、２８秒間炭酸ガスレーザを照射するだけで、深さが１０μｍで５〜５０μｍのライン＆スペース、同じ深さで５０μｍ角の格子を十分に転写でき、しかも、極めて良好な表面性状を得ることができた。
【００４６】
図７および８は、本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。図７は、該装置の正面図、図８は、側面図である。図７および８に示された装置は、前述の図１の装置とほぼ同じ構成を有するが、下型１２Ｌに赤外線透過材料でできた下型スタンパー１Ｌを固定し、上型１２ＵにはＮｉ電鋳でできた、表面１Ｕａを有する上型スタンパー１Ｕを固定し、加圧手段６、上型１２Ｕ、下型１２Ｌ、上型スタンパー１Ｕおよび下型スタンパー１Ｌを一体として長手方向に移動させる移動手段１４を設けた点が異なっている。
まず、図８に示したように、上型１２Ｕ、下型スタンパー支持体５Ｌが加熱された状態でプラスチック基材２を、下型スタンパー１Ｌの上に固定する。
【００４７】
図１８は、下型１２Ｌに微細な凹凸形状１Ｌｃを有する下型スタンパー１Ｌを固定した状態を示す図である。図１８において、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は底面図である。φ３インチ、厚さ０．５〜１mmのＦＺシリコンを下型スタンパー１Ｌとして使用している。これを、プラスチック基材２を装填するための四角形の枠を有する下型で固定している。ここで、ＦＺシリコン以外に、Ｇｅ、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、ＮａＣｌ、ＢａＦ2、ＫＢｒ、ＣａＦ2などを下型スタンパー１Ｌとして使用してもよい。
【００４８】
次に、図９に示したように、加圧手段６により上型１２Ｕを閉じ、上型１２Ｕでプラスチック基材２を加圧することにより、プラスチック基材２を下型スタンパー１Ｌに押し付けることで、プラスチック基材２に予熱を与える。ここで予熱を与えるのは、プラスチック基材２の面積が大きい場合に、下型スタンパー１Ｌとプラスチック基材２との密着性をよくするためと、上型スタンパー１Ｕを加熱してプラスチック基材２の上面に上型スタンパーの表面１Ｕａの微細な凹凸形状を転写するためである。上型１２Ｕはプラスチック基材２のガラス転移温度前後に加熱する。下型スタンパー１Ｌについては、プラスチック基材２との密着性を高めるための最小限の加熱でよい。
【００４９】
この状態で、図１０に示したように、移動手段１４により、加圧手段６、上型１２Ｕ、下型１２Ｌ、上型スタンパー１Ｕ、下型スタンパー１Ｌ、プラスチック基材２とを一体として長手方向４に移動させながら、下型スタンパー支持体５Ｌに設けられた幅方向７に長いスリット状の開口部８を通して、赤外線３を下型スタンパー１Ｌの裏面に向けて線状に照射する。下型スタンパー１Ｌ全体に均一に赤外線３が照射されるとともに、図５に示したように、プラスチック基材２の全面に照射ムラが無いように、照射する。なお、図１１に示したように、長手方向で左右に数回往復させることで、赤外線ふく射による微細な凹凸形状の転写率を確実なものにしてもよい。前述の通り、開口部８はごく幅が狭いスリット状であるので、この部位に下型スタンパー１Ｌを押し付けても、下型スタンパー１Ｌに曲げは殆ど作用せず、下型スタンパーが薄い脆性材料であっても、曲げによる破壊を生ずることが無い。
【００５０】
これらを完了したら、図１２に示したように、加圧手段６および加熱手段９により、加圧力を適度に調整しながら加熱を行い、プラスチック基材２表裏面での収縮差を無くしてそり変形を防止する。
【００５１】
以上で賦型を完了すると、図１３に示したように、移動手段１４により、加圧手段６、上型１２Ｕ、下型１２Ｌ、上型スタンパー１Ｕ、下型スタンパー１Ｌおよびプラスチック基材２を一体として、下型スタンパー支持体５Ｌの断熱部位５ＬＩを通って隣接する冷却部位５ＬＣに移動することにより、下型スタンパー１Ｌおよびこれと接するプラスチック基材２の微細な凹凸形状面を急速に冷却する。下型スタンパーを極めて薄くできるので、急速な冷却が可能となる。さらに、図１４に示したように、真空吸着部位５ＬＶより図示しない真空ポンプで下型スタンパー１Ｌ裏面を真空吸着することにより、離型の準備をする。そして、図１５に示したように、加圧手段６により上型１２Ｕを開くと、上型スタンパー１Ｕに付着したプラスチック基材２が上型スタンパー１Ｕと同時に上昇し、下型スタンパー１Ｌとプラスチック基材２とが剥離する。これは、上型スタンパーの温度が下型スタンパー１Ｌよりも少し高温となるように制御することにより、上型スタンパー１Ｕとプラスチック２との付着力が、下型スタンパー２とプラスチック基材２との付着力よりも大きくすることで行う。下型スタンパーに線膨張率が２．６×１０-6℃-1と小さくかつ赤外線透過材料であるＦＺシリコンを用いると、プラスチック基材２との線膨張率との差が非常に大きくなり（例えばアクリル樹脂の線膨張率は５０〜９０×１０-6℃-1）、下型スタンパー１Ｌとプラスチック基材２の温度が低くなるに従って、賦型時の温度から離型時の温度までの温度降下量に対応する熱収縮量の差異が大きくなり、この結果、下型スタンパー１Ｌとプラスチック基材２との間でズリ変形に伴う剥離力が発生して剥離が容易になる。これに対して、上型スタンパー１ＵにＮｉ電鋳を用いると、Ｎｉの線膨張率は１３．４×１０-6℃-1であることから、ＦＺシリコンに比べてプラスチック基材２との線膨張率の差は小さいため、例え上型スタンパー１Ｕと下型スタンパー１Ｌとが同じ温度であったとしても、上型スタンパー１Ｕとプラスチック基材２との剥離力のほうが下型スタンパー１Ｌに対して小さくなる。このため、上型スタンパーに付着しやすくなる。なお、前記とは逆に、下型スタンパー１ＬをＮｉ製とし、上型スタンパー１ＵをＦＺシリコンにし、赤外線を上型スタンパーの裏面を通して照射する形態でもよい。
【００５２】
次に、図１６に示したように、上型１２Ｕに内蔵した離型手段１１である機械式エジェクターによりプラスチック基材２を突き出して成形を完了し、図１７に示したように、洗浄手段１５で上型スタンパー１Ｕと下型スタンパー１Ｌを洗浄する。以上の成形サイクルを繰り返すことにより、表裏面に微細な凹凸形状を有するプラスチック基材２を連続的に生産することが可能となる。本微細転写装置を用いて、赤外線透過材料であるＦＺシリコンとして厚さ０．５〜１ｍｍ、直径８インチまでのものを使用して、直径１８０ｍｍの成形品を製作できた。さらに大口径のＦＺシリコンを用いれば、より大きな成形品を作製することが可能となる。
【００５３】
図１９は、本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。図１９は、該装置の正面図を示す。なお符号は、前記の図面と同じ意味である。図１９は、上型スタンパー１Ｕおよび下型スタンパー１Ｌの双方に赤外線透過材料を用いて、プラスチック基材２の表裏両面に、赤外線３を照射して微細な凹凸形状を付与するための装置の実施例である。上型スタンパー１Ｕ、下型スタンパー１Ｌはともに厚さ０．５〜１ｍｍの赤外線透過材料であるＦＺシリコンを使用した。
上型１２Ｕには、１０ｍｍ以上の厚さでも赤外線透過率が９０％以上であるＺｎＳｅを使用した。下型スタンパー支持体５Ｌ上に、下型スタンパー１Ｌ、プラスチック基材２、上型スタンパー１Ｕ、上型１２Ｕを重ね、これらを下型１２Ｌに装填した。揺動ミラー１６を加圧手段６の下型スタンパー支持体５Ｌおよび上型スタンパー支持体５Ｕの背面に形成した。炭酸ガスレーザ１３から出射されるレーザビームをビームスプリッター１７を介して上下に分割し、固定ミラー１８を経て、上型スタンパー１Ｕの裏面１Ｕｂと下型スタンパー１Ｌの裏面１Ｌｂに揺動ミラー１６を介して線状に照射する構成とした。
【００５４】
図２０および２１に示すように、加圧手段６により上型スタンパー支持体５Ｕを閉じて上型１２Ｕを加圧し、プラスチック基材２を上型スタンパー１Ｕ、下型スタンパー１Ｌで押圧する。これと同時に、揺動ミラー１６を介して炭酸ガスレーザ１３から出射されるレーザビーム３を上型スタンパー１Ｕと下型スタンパー１Ｌの各々の裏面からプラスチック基材２に向けて線状に照射しながら、移動手段１４により長手方向４に上型スタンパー１Ｕ、下型スタンパー１Ｌ、上型１２Ｕ、下型１２Ｌ、プラスチック基材２を一体として移動させることにより、プラスチック基材の表裏両面に赤外線照射による微細凹凸形状の形成を行う。成形サイクルは図７〜１７で示した形態と同様である。なお、符号５ＵＨ、５ＵＩ、５ＵＣ、５ＵＶは、それぞれ加熱部位、断熱部位、冷却部位、真空吸着部位であり、先の符号５ＬＨ、５ＬＩ、５ＬＣ、５ＬＶと同様に、上型スタンパーの急速な加熱、冷却、容易な離型を行うために設けられている。以上により、上下両面の全体に均一に赤外線を照射しながら、極めて短時間で、表裏両面に微細な凹凸形状を有し、なおかつ表裏両面に照射ムラの無い円滑な表面性状を有するプラスチック基材を得ることができた。
【００５５】
図２２は、四角形のプラスチック基材２を、下型１２Ｌおよび表面に微細な凹凸形状を有し赤外線透過材料からなる下型スタンパー１Ｌ上に固定し、下型スタンパー１Ｌの裏面から赤外線３を線状に照射しながら、プラスチック基材２を下型スタンパー１Ｌに押圧しながら、プラスチック基材２、下型１２Ｌおよび下型スタンパー１Ｌを一体として長手方向４に移動させた時の、下型スタンパー裏面から見た状態を示す。プラスチック基材２の微細な凹凸形状を有する表面を均一に加熱溶融し、微細な凹凸形状を転写するとともに照射ムラのない平滑な表面性状を得るためには、図２２に示すように、線状ビームの幅と長手方向への照射距離が、プラスチック基材の幅と長さよりも大きくなるように照射する必要がある。これは、レーザビームの強度分布において、赤外線３のビーム強度が最大強度の１／ｅ2倍となる直径をφＢとし、プラスチック基材の幅Ｗ、長さＬとおくと、
線状ビームの振れ幅ＷＢ＞Ｗ＋φＢ、線状ビームの照射長さＬＢ＞Ｌ＋φＢ
を満たすことである。これは、図５において、プラスチック基材２の幅×長さ＝４ｃｍ×５ｃｍ、ビーム径＝７ｍｍに対して、線状ビームの振れ幅×照射長さ＝５ｃｍ×６ｃｍでは満足されている。
【００５６】
図２３は、本発明の微細転写方法において、赤外線透過材料でできた下型スタンパー１Ｌの表面に形成された微細な凹凸形状をプラスチック基材２に加圧しながら、下型スタンパー１Ｌの裏面より線状に赤外線を照射することで、下型スタンパー１Ｌの微細な凹凸形状に残存する空気が、溶融・転写される領域から未溶融で未転写の領域に向けて排出されていく様子を示す。図２３（ａ）において、赤外線が照射されると、照射した部分の樹脂は溶融、膨張する（符号２３１）。これに加圧力が作用することで、図２３（ｂ）に示したように、溶融し膨張した樹脂２３１は、逐次、下型スタンパー１Ｌの微細な凹凸部に充填され、空気が未溶融の領域に向けて逐次排出され（矢印２３２）、全体として円滑に微細な凹凸がプラスチック基材２に転写されていく（図２３（ｃ）〜（ｄ））。この結果、下型スタンパー１Ｌの微細な凹凸形状に残存する空気がプラスチック基材２への微細な凹凸形状の転写を阻害することが無いので、表面性状が平滑で、なおかつ１ＭＰａ以下の超低圧で、なおかつ短時間に微細凹凸形状のプラスチック基材２への転写が可能となった。
【００５７】
なお、前記では、スタンパーとしてＦＺシリコンを例にとり説明したが、本発明ではこれに限定されず、それ以外の赤外線透過材料、例えばＺｎＳｅ、ＺｎＳ、Ｇｅ、ＮａＣｌ、ＢａＦ2、ＫＢｒおよびＣａＦ2から選択された赤外線透過材料またはこれらの組み合わせから形成されていてもよい。
また、赤外線光源は、炭酸ガスレーザのほかに、赤外線ランプまたはＹＡＧレーザ等であってもよい。
また、前記の揺動ミラー以外の揺動機構としては、ポリゴンミラー、ガルバノスキャナー、ステッピングモータもしくはＡＣサーボモータを用いた揺動機構等が、線状ビームの形成方法としては、ビームエキスパンダー、シリンドリカルレンズもしくはホモジナイザーを使用する方法が挙げられる。
また、前記加熱手段としては、下型、下型スタンパー支持体、上型、上型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、温度制御のために熱電対を設けてなるのが好ましい。同様に前記冷却手段としては、下型、下型スタンパー支持体、上型、上型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、温度制御のために熱電対を設けてなるのが好ましい。
さらに前記剥離手段としては、上型、下型、上型スタンパー支持体、下型スタンパー支持体のいずれに設けてもよく、例えば真空吸着孔、空気吹出孔、突出ピン、急速冷却用水空気配管または急速冷却用ベルチェ素子等を利用することができる。
【００５８】
なお、前記では赤外線照射を必須とする微細転写方法および装置について説明したが、微細加工後のプラスチック基材の容易な剥離が困難であるという、従来の課題の一つは、例えば図１〜３で説明した装置を用いて克服が可能である。すなわち、赤外線照射をとくに用いることなく、表面に微細な凹凸形状を有するスタンパーの表面にプラスチック基材を装着し、スタンパー裏面を、スタンパーと互いに摺動または転動可能に形成した支持体で支持し、加圧手段により前記プラスチック基材をスタンパーに押圧しながら、支持体上で前記スタンパーおよびプラスチック基材を一体として移動させながら加熱手段により両者を加熱し、スタンパー表面と面するプラスチック基材表層全体を溶融および加圧することにより、スタンパー表面の微細な凹凸形状と反転する凹凸形状を、プラスチック基材表層に転写させ、その後、スタンパーおよびプラスチック基材を冷却手段に移動させ、スタンパーおよびプラスチック基材を冷却し、次にスタンパーおよびプラスチック基材を剥離手段に移動させ、スタンパーおよびプラスチック基材を剥離することにより、微細な凹凸形状の付与後、製品の容易な剥離が可能となる。これは、本発明ではスタンパーとプラスチック基材の温度制御と急速冷却が可能であることに基づいている。すなわち、加熱したプラスチック基材とスタンパーを、急速に冷却すると、プラスチック基材の線膨張率はシリコンやニッケルからできたスタンパーの線膨張率の１０倍以上大きいので、冷却してプラスチック基材が収縮する過程で、プラスチック基材とスタンパーとの界面に大きなひずみ速度およびこれと対応したずり応力が生じ、プラスチックとスタンパーとの間に剥離力が生ずるためである。なお、図７〜１７に示したような、上型スタンパー、下型スタンパー、上型、下型、加圧手段、移動手段、加熱手段、冷却手段、剥離手段を備えた装置を用いても、同様な効果が奏されることは勿論である。
【産業上の利用可能性】
【００５９】
本発明によれば、前記の従来の課題を解決することができ、従来のホットエンボス法、射出成形法、圧縮成形法、ナノインプリント法に比べて格段に優れた製品を高い生産性で生産可能な微細転写方法および装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の微細転写方法を実施するための装置を説明するための図である。
【図２】本発明の微細転写方法を実施するための装置を説明するための図である。
【図３】本発明の微細転写方法を実施するための装置を説明するための図である。
【図４】実施の形態で使用したスタンパーのＳＥＭ写真である。
【図５】実施の形態で採用した赤外線照射プロファイルである。
【図６】実施の形態で製造された成形品の微細な凹凸形状のＳＥＭ写真である。
【図７】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図８】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図９】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１０】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１１】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１２】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１３】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１４】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１５】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１６】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１７】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図１８】下型に微細な凹凸形状を有する下型スタンパー１Ｌを固定した状態を示す図である。
【図１９】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図２０】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図２１】本発明の微細転写装置の別の形態を説明するための図である。
【図２２】プラスチック基材を下型スタンパー上に固定した時の、下型および下型スタンパー裏面から見た状態を示す図である。
【図２３】本発明の微細転写方法において、下型スタンパーの微細な凹凸形状に残存する空気が、溶融・転写される領域から未溶融で未転写の領域に向けて排出されていく様子を示す図である。
【図２４】炭酸ガスレーザのビーム強度分布を説明するための図である。
【符号の説明】
【００６１】
１Ｌ：下型スタンパー、１Ｌａ：下型スタンパー表面、１Ｌｂ：下型スタンパー裏面、１Ｌｃ：下型スタンパーの微細な凹凸形状、１Ｕ：上型スタンパー、１Ｕａ：上型スタンパー表面、１Ｕｂ：上型スタンパー裏面、２：プラスチック基材、３：赤外線ビーム、４：長手方向、５Ｌ：下型スタンパー支持体、５ＬＨ：加熱部位、５ＬＣ：冷却部位、５ＬＩ：断熱部位、５ＬＶ：真空吸着部位、６：加圧手段、７：幅方向、８：開口部、９：加熱手段、１０：冷却手段、１１：離型手段、１２Ｌ：下型、１２Ｕ：上型、１３：赤外線光源、１４：移動手段、１５：洗浄手段、１６：揺動機構、１７：ビームスプリッター、１８：固定ミラー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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