(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
モールド上のパターンを被加工物上に転写するために、被加工物をモールドで押圧する工程において、空気シリンダーと油圧シリンダーとに連通された、モールドあるいは被加工物が固定されるピストンロッドを、空気シリンダーにより加圧移動させる工程と、この加工移動の途中でリミッターが油圧シリンダー内の油圧ピストンに当接することにより油圧シリンダーと空気シリンダーとを起動してピストンロッドに油圧制御作用を重畳させる工程とを有し、モールドと被加工物とをソフトタッチさせるようにしたナノプリント方法。
【請求項２】
被加工物をモールドで押圧することにより、モールド上のパターンを被加工物上に転写する装置において、モールドと被過去物との温度制御部と、モールドあるいは被加工物が固定されるピストンロッドと、このピストンロッドが連通し制御部から電磁弁を介して制御される空気シリンダーと油圧シリンダーと
各シリンダー内でピストンロッドに固定されたエアーピストンと油圧ピストンと、ピストンロッドの特定下降位置で油圧ピストンを起動させるリミッターとを有し、温度制御信号に対応し空気式シリンダーがピストンロッドを加圧移動させる途上で油圧シリンダー内のピストンによる油圧ダンパー作用を重畳し、モールドと被加工物をソフトタッチさせるように構成したことを特徴とするナノプリント装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、微細な構造を持つ金型（モールト゛）を、例えば高分子樹脂にプレスすることで、モールト゛の微細構造を基板上の樹脂に転写するナノインプリント方法およびその装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
サブ波長光学素子や半導体素子などの微細構造体の作製に代表される超精密微細加工の研究が盛んに行われている構造寸法が１0ミクロンより微細な加工には、フォト・リソグラフィと呼ばれる写真製版技術が利用されている。
しかしこの技法は、光の回折による技術のため、解像度に物理的な制限が生じ、５０〜７０nmが解像度の限界といわれている。
【０００３】
フォト・リソグラフィより更に分解能が優れているリソグラフィの中のひとつに、電子線リソグラフィがある。この技術は数nmレベルのパターンを作製することができる。しかし電子線リソグラフィでは、電子線を操作して露光を行うためパターンの作製に時間がかかり、生産の効率化に大きな影響を及ぼす。また、これらのリソグラフィ技術に必要な設備にかかるコストも１０億円以上という巨額なものであると言われ、経済性においても疑問がもたれている。
【０００４】
このような従来のリソグラフィの効率を改善する手法として、電子線露光などによって作製した微細パターンを施した金型（モールド）を、高分子樹脂薄膜または金属にプレスすることによってパターンを転写し、ナノ構造体を作製した微細パターンを施した金型（モールド）を、高分子樹脂薄膜または金属にプレスすることによってパターンを転写し、ナノ構造体を作成するインプリント・リソグラフィという技術が提案されている。
【０００５】
この手法は、ガラス転移温度以上に加熱した高分子樹脂に、モールドをプレスし、冷却後にモールドを離型することで、微細構造を基板上の樹脂に転写するものであり、従来のリソグラフィに変わるナノ構造体の安価で高効率な生産技術として期待が持たれ盛んに研究されている。
【０００６】
この技術は、上述のように一般的に１０ナノメートル以下の解像性が示され、高価な設備や付帯工程が不要で、集積された微細構造体の一括形成が可能なため、次々世代の半導体用超微細加工技術として注目されつつある。
【０００７】
このナノインプリント法には、被加工材料（物）としてプレート状のバルク材や基板上に樹脂を塗布したものを用いる。使用する樹脂については、ガラス転移温度以上では変形しやすくなり、再び常温に戻すと硬化する熱可塑性樹脂がよく用いられ、例えばアクリル樹脂、PET、ポリカーボネートなどの工業プラスチックがよく利用されている。
【０００８】
高分子樹脂は、加熱することによってその機械的性質が変化し、ガラス転移温度以下では、弾性的な性質を示しているが、ガラス転移温度を越えると弾性率が減少し、粘性的な性質が現れ、エラストマと呼ばれるゴム状態になる。更に温度が上昇すると、粘性的な性質が顕著となり、粘性流体状態になることが知られている。
【０００９】
これらの性質は、モノマーの種類や分子量によって異なるが、例えばアクリル樹脂の場合概ね１００℃前後でガラス転移温度となり２００℃以上では溶融状態となる。一般にインプリントで使用される温度は、ガラス転移温度以上のゴ ム弾性領域から、溶融状態にかけての温度域である。
【００１０】
一般に、低分子量の樹脂はガラス転移温度以上でより低い粘弾性特性を示すが、一方では常温で脆くなり、離型時に欠陥が発生しやすくなる。経験上、アスペクト比が３程度までは比較的容易に成型できるが、アスペクト比が６を超えると、離型時の不良が発生する。また、離型時に、モールドとの摩擦により、樹脂が伸張してモールドが破壊される虞もある
【００１１】
このため、樹脂の機械的特性を十分考慮に入れて樹脂を選択するとともに、プレス温度やプロセスシーケンスを最適化する必要があり、さらにプレス速度を調整することで、使用する樹脂の粘弾性を考慮したインプリントを行うことができる。
【００１２】
このインプリント工程は、一般的に第１図の（A）、（B）、（C）の順に示すように、（A）図のごとき配置から基板１上に載置され、且つ例えばガラス転移温度以上に加熱された高分子樹脂（被加工物）２に後述のピストンロッドに固定されたモールド（金型）３を下降させて（B）図のようにプレスし、冷却後（C）図のごとくモールト゛３を離型することで、モールト゛の微細構造が基板１上の樹脂２に転写される。
【００１３】
この場合、一般的に基板（被加工物）とモールト゛との平行性、換言すれば基板上における各部分での加重の均一性を保つ必要がある。このため、従来は、モールト゛を弾性変形部で押圧しながら高分子樹脂（例えばレジスト層）をプレスする構成とし、このプレス時、弾性変形部を徐々に変形（膨張）・拡大しながらモールトド上の押圧面積を大きくし、結果的にモールト゛の全域を押圧して高分子樹脂をプレスする方式が考えられている（特許文献１参照）。
【００１４】
この従来の方式にあっては、弾性変形部を設け、その拡大程度を調整して高分子樹脂を押圧するなど、複雑な構成とともに高度なテクニックを要し、また操作に熟練が必要で、この種装置の利用拡大には障害になっていた。
【００１５】
【特許文献１】特開２００４−３３０６８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
この発明は従来のナノプリント方法、および装置が有していた操作性の難易度を軽減し、基板とモールト゛との平行性、加重の均一性を簡単な構成と操作で保持しようとするとともに、更にモールト゛と被加工物との最初の接触を低速でのソフトタッチとし、以後冷却の進行に伴って，荷重の増減をふくめて連続に制御が可能なナノプリント方法および装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
上記する課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、モールド（３）上のパターンを被加工物（２）上に転写するために、被加工物（２）をモールド（３）で押圧する工程において、空気シリンダー（５）と油圧シリンダー（６）とに連通された、モールドあるいは被加工物が固定されるピストンロッド（＄）を、空気シリンダー（５）により加圧移動させる工程と、この加工移動の途中でリミッター（７）が油圧シリンダー（７）内の油圧ピストン（６１）に当接することにより油圧シリンダー（６）と空気シリンダー（５）とを起動してピストンロッド（４）に油圧制御作用を重畳させる工程とを有し、モールドと被加工物とをソフトタッチさせるようにしたナノプリント方法であることを特徴としている。
【００１８】
更に、請求項２に記載の発明は、被加工物をモールドで押圧することにより、モールド上のパターンを被加工物上に転写する装置において、モールドと被過去物との温度制御部と、モールドあるいは被加工物が固定されるピストンロッドと、このピストンロッドが連通し制御部から電磁弁を介して制御される空気シリンダーと油圧シリンダーと各シリンダー内でピストンロッドに固定されたエアーピストンと油圧ピストンと、ピストンロッドの特定下降位置で油圧ピストンを起動させるリミッターとを有し、温度制御信号に対応し空気式シリンダーがピストンロッドを加圧移動させる途上で油圧シリンダー内のピストンによる油圧ダンパー作用を重畳し、モールドと被加工物をソフトタッチさせるように構成したことを特徴とするナノプリント装置であることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
上記のように、この発明においては、空気圧動作のピストンは、空気シリンダーの動きに油圧のダンパー作用を重畳して、つまりプレス前のピストンロッドの移動速度を空気式のみでは得られない遅い速度で移動するようにしたので、モールト゛が被加工物に接する時は、ソフトタッチとなり、以後は空気シリンダーによるプレス力でじっくりと押圧され、モールト゛は被加工物を正確に押圧することになる。
【００２０】
この結果、モールドと被加工物が良くなじむこととなり、モールト゛と被加工物間には空気が閉じ込められることはなく、また両者間でダンピングもなく、またピストンロッドが、空気シリンダー、油圧シリンダーに連通しているので、換言すれば、ピストンロッドの先端のモールドが被加工物に接触した時、ピストンロッドがエアー、およびオイルで保持されている状況であるので、そのフレキシビリテイの結果、モールド面と被加工物は平行に接触することとなり、より正確な転写、すなわちモールド形状に正確に合致して形成された被加工物が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
第２図は、本発明の実施形態である。
図において、１は基板で、これには被加工物２が載置されている。３はピストンロッド４の先端に固定されているモールドで、このモールド（ピストンロッド）３の下降に従い、被加工物２がモールド（ピストンロッド）で押圧（プレス）され、モールド３に形成されている形状が被加工物２に移し取られる。５はこのピストンロッド４を内蔵する空気シリンダー、６は同じくピストンロッドを内臓する油圧シリンダーであり、後述するようにこの実施例ではピストンロッドは油圧・空気シリンダーを連通して、その先端にはリミッター７が設けられ、このリミッターは、ピストンロッドのストローク位置を検出し、油圧
シリンダーのダンパー作用をスタートさせる位置を決定する。
【００２２】
８は空油コンバータで、スロットルチエック弁９を介して油圧シリンダー６内のピストン６１の移動速度を調整し、結果的にピストンロッド４のスピードを減速し、つまりダンパー作用を発揮した速度に制御するものである。
【００２３】
１０はスピードコントローラーで、空気シリンダー５内のエアーピストン５１の移動の速度を調整するものである。
１１は、電磁弁で、ピストンロッド４の位置に対応して空気シリンダー内のピストンを動作させるために空気シリンダーに空気を送り,あるいは空油コンバータを介して油圧シリンダーの動きを制御し、ピストンロッドの空気を制御し、ピストンロッドの空気制御に油圧制御（ダンパー作用）を重畳させる機能を果たすものである。
【００２４】
１２は流量調節弁で、基板１あるいはピストンロッド４の先端部（モールド部３）に冷却バルブ１３から冷却水あるいは冷却エヤーを送り、モールドあるいは基板温度をコントロールするものである。
【００２５】
１４は、装置全体の制御部で、基板１およびピストンロッド４（モールド３）に埋め込まれているヒーターパイプおよび冷却管（図示せず）を介してこれらの加熱温度を調整すると同時に、冷却バルブ１３に、冷却時間制御信号を発信して冷却バルブ１３から水、エアーを流路制御弁１２を介して基板１あるいはモールド３近辺の冷却管に送り、これらの温度を制御するものであり、またこの制御部１４は、この基板、モールドの温度にもとずき、加圧指令信号、あるいは電磁弁指令信号を発して電磁弁１１あるいは選択バルブ１５を制御する。
【００２６】
この選択バルブ１５は、空気圧の高圧、中圧、低圧の圧力源１６，１７，１８を空気シリンダー５に電磁弁１１を介して接続するものであり、モールドでの被加工物の押圧力（プレス力）を調整する。
【００２７】
第３図は、この発明のモールドと被加工物とのソフトタッチを可能とする空気、油圧シリンダーの構成の大略を説明するものである。
この構成は、エアプレス機構にハイドロチエック機構がコンパクトに組み込まれたもので、ピストンロッドの被加工物へのアプローチ区間はエアーで早送りをし、コントロールを必要とする区間（ソフトタッチの直前）だけ油圧に変換し制動することで、エアー圧縮性に起因する―圧縮性に起因するステイックスリップや飛び出しなどの問題点を解消し、モールドと被加工物間との接触をナノプリントに最適のソフトタッチとなるような制御を可能とする。
【００２８】
図において、基板１に対向するピストンロッド（モールド）４は、空気シリンダー５と油圧シリンダー６に連通し、その一方にはストローク調整ナット（リミッター）７を有している。
【００２９】
電磁弁１１、およびスピードコントローラ１０の働きで、空気シリンダー５にエアが送り込まれた結果、シリンダー内のエアーピストン５１の働きでピストンロッド４が下方に急速に移動を開始する。なお１９は、空気を送る場合のフィルターである。
【００３０】
このピストンロッド４の下方への移動の結果、その先端のリミッター７が油圧シリンダー６内の油圧ピストン６１を下方に押し出す。このとき、スロットルチエック弁９による油圧送りの速度調整の結果、油圧シリンダー内の油によってピストン６１の移動速度が制限を受け、ピストンと一体のピストンロッド４の移動にブレーキがかかり（ダンパー作用）、移動速度が低速となる。
なお、この場合、スロットルチエック弁９の操作で、油送りの速度を調整することによって、ピストンロッドの速度を適宜調整することが可能となる。
【００３１】
次に第1図〜第3図、および第４図によって本発明装置の全体的動作を説明する。
高分子樹脂（被加工物）は、加熱することによってその機械的特性が変化する。
まず、最初に制御部１４によって、基板１（被加工物２）およびモールド３をガラス転移温度以上に加熱（予熱）する。                                                                           
【００３２】
図のように設定温度がガラス転移温度以上になったことを制御部１４が検出すると、制御部１４からの選択バルブ１５への信号により、選択された高圧ガス源１６〜１８が電磁弁１１を介して空気シリンダー５内のエアーピストン５１を駆動し、ピストンロッド４（モールド３）は急速に下降してゆく。この過程において、ピストンロッド４の他端に固定されているリミッター７が油圧シリンダー６内の油圧ピストン６１を駆動し、ピストンロッド４の動きに油圧ダンパー作用で急制動を掛け、図に示すように以後油圧作用の結果でピストンロッド４が緩やかに下降し、モールド３は、被加工物２にソフトタッチすることとなる。
この場合、ピストンロッド自体はエアー、オイルでフレキシブルに保持されているので、モールド面と被加工物とは、平行に接触（タッチ）することになる。
【００３３】
以上の時点で、油圧での下降は終了し、以後は所定の空気圧力で、被加工物にモールドの形状をプリントする。この過程で、制御部１４により加熱・加圧状況にある状況から設定温度を降下させてゆき、ガラス転移温度以下になった状態では積極的に冷却モードに入り、徐々に温度を降下させながら、エアー圧力も中圧源１７、低圧源１８に切り替えられ低下させてゆく。
【００３４】
上記のように、被加工物の温度がガラス転移温度以下に降下した後、エアーにるプレス圧力を徐々に緩め、モールドと被加工物との離反を行うが、被加工物の温度が低下しているので、モールド形状が被加工物から離反するに際しても、微細形状の溝などの型崩れが発生することはない。
【００３５】
（実験例）
・  被加工物
シリコン、あるいは石英基板（１インチ四方）にアクリルやポリカーボネートのペレットもしくは粉末を、シクロヘキサンやトルエンなどの有機溶剤に重量比で１：１０から１：４０程度に溶解したものを回転塗布。膜厚200nmから1ミクロン程度・  被加工物を１５０℃で５分のベイクにより溶剤を揮発その後被加工物を常温まで冷却・インプリント
・余熱    被加工物をピストンロッドにセットし、１４０℃〜１８０℃程度（ガラス転移温度より４０℃程度高温）に予熱  
（ｂ）プレス    圧力は、低アスペクト比のパターンなら５MPa〜２０MPa、高アスペクト比のパターンなら２０MPa〜５０MPa程度の圧力を選択
プレスの保持時間；約５分  プレス時速度により成型条件が異なるが、低速度(0.1〜10mm/秒)でモールドを被加工物に押し付ける必要がある。
（ｃ）冷却
冷却時、樹脂は弾性体に戻るため、エッジ部分に応力集中が発生し、作製したパターンやモールドにダメージが残る事を避けるため、モールドを基板に添えたままで温度を変化させ、圧力を変化させる。
樹脂にアクリルを用いた場合、ガラス転移温度である１００℃前後まではゆっくりと冷却し、その後室温２０℃まで水冷で冷却する。冷却に要する時間は約１５〜３０分である。
このようにゆっくりと冷却することによって残留応力の影響を緩和できる。
【００３６】
一般的なインプリントのシーケンスフローを第５図に示す。
このシーケンスでは、圧力は、冷却時には完全に除去しているが、場合によっては温度を徐々に低下させながら、それに合わせて圧力も、樹脂形状を維持しながら徐々に低下させてゆく必要がある。
【００３７】
以上の実験で得られたパターン（写真）とその条件を第６図として示す。
金型サイズ（モールドの溝の深さ）；２，１μm  、溝幅；２００ｎｍ、プレス圧力；２０MPa、プレス時間；５分、プレス温度；１８０℃、樹脂；PMMA（分子量）；１５万  膜厚；２mm（バルク材）
以上の条件での実験結果、図から明らかなように、プリントされた被加工物には、微細な溝構造が、つぶれることなく正確にインプリントされており、この発明の、効果が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】ナノプリントの概要を説明する図
【図２】この装置の全体の構成概略を説明する図
【図３】油圧ダンパー機能の概略を説明する図
【図４】一般的なナノプリントのシーケンスフローの概略を説明する図
【図５】実験時のシーケンスフローを説明する図
【図６】実験で作製したナノプリント結果の写真
【符号の説明】
【００３９】
１  基板
２  被加工物
３  モールド（金型）
４  ピストンロッド
５  空気シリンダー
５１ エアーピストン
６  油圧シリンダー
６１ 油圧ピストン
７  リミッター
１１  電磁弁
１２  流量調節弁
１３  冷却バルブ
１４  制御部
１５  選択バルブ
１６、１７、１８  空気圧の圧力源
【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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