(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の表面にパターンを印刷するスタンプ装置であって、
少なくとも平面方向で剛性を有し第１の面および第２の面を備えたキャリア層と、
前記第１の面上に設けられ第１の材料で作られた被パターン形成層と、
前記第２の面上に設けられ前記第１の材料よりも柔らかい材料で作られたソフト層とを備え、
前記被パターン形成層および前記基板が、印刷中に相対位置決めを正確に行なうセルフアライメント手段を備え、
前記セルフアライメント手段は、凹みを有するロック要素およびテーパー付きの側面を備える突起を有するキー要素を備えており、前記ロック要素は、形状と距離とが一定に形成され、前記キー要素の前記突起は、前記テーパー付きの前記側面の間の長さが当接開始位置から印刷方向に沿った方向に向かって大きくなり、印刷中には前記キー要素が前記ロック要素中に不整合を生じることなく嵌合してアライメントを確保させるように構成される、
スタンプ装置。
【請求項２】
基板の表面にパターンを印刷するスタンプ装置であって、
少なくとも平面方向で剛性を有し第１の面および第２の面を備えたキャリア層と、
前記第１の面上に設けられ第１の材料で作られた被パターン形成層と、
前記第１の材料よりも柔らかい材料で作られており、前記キャリア層の前記第２の面に接触する少なくとも１つのソフト層を備えた接触手段とを備え、
前記被パターン形成層および前記基板が、印刷中に相対位置決めを正確に行なうセルフアライメント手段を備え、
前記セルフアライメント手段は、凹みを有するロック要素およびテーパー付きの側面を備える突起を有するキー要素を備えており、前記ロック要素は、形状と距離とが一定に形成され、前記キー要素の前記突起は、前記テーパー付きの前記側面の間の長さが当接開始位置から印刷方向に沿った方向に向かって大きくなり、印刷中には前記キー要素が前記ロック要素中に不整合を生じることなく嵌合してアライメントを確保させるように構成される、
スタンプ装置。
【請求項３】
前記ソフト層が、前記基板の前記表面に前記被パターン形成層を接触させ、円柱状の表面を少なくとも部分的に備え、かつ円柱状のローラー要素を備える押圧手段によって、前記被パターン形成層上に力を向けることができる裏面を備えている、
請求項１に記載のスタンプ装置。
【請求項４】
前記接触手段が、円柱状の表面を少なくとも部分的に備えた、円柱状の押圧要素からなるローラー要素である、
請求項２に記載のスタンプ装置。
【請求項５】
前記被パターン形成層は、前記基板の前記表面に印刷するパターン形成された構造体を備えており、
前記パターン形成された構造体は、前記被パターン形成層の前記第１の材料が少なくとも部分的に除去されて凹みとして形成された構造体がない領域によって互いに分離されており、
前記構造体がない領域に、前記スタンプ装置に荷重を加えることにより、前記被パターン形成層の前記構造体がない領域がたわんで前記基板に接触するのを防止する、ポストまたはラインとして構成される支持構造体が設けられている、
請求項１または２に記載のスタンプ装置。
【請求項６】
前記支持構造体は、その構造体深さが前記パターン形成された構造体と最大限同じであり、かつ、ＰＭＭＡと同じ固さの材料またはより固い材料から成る、
請求項５に記載のスタンプ装置。
【請求項７】
前記被パターン形成層は、前記基板の前記表面に接触するパターン形成された構造体を備えており、
前記パターン形成された構造体は、構造体がない領域によって互いに分離されており、
前記構造体がない領域は、前記被パターン形成層の前記第１の材料が少なくとも部分的に除去されて凹みとして形成されており、
さらに、
少なくとも１つの通路が前記キャリア層を貫通し前記凹みの中に到達して、前記基板の前記表面と前記スタンプ装置との間に、前記少なくとも1つの通路と前記凹みとが流体ネットワークまたはガス・ネットワークを形成している、
請求項２に記載のスタンプ装置。
【請求項８】
少なくとも２つの通路が設けられており、一方が流体媒体またはガス媒体の流入通路であり、他方が同媒体の流出通路である、
請求項７に記載のスタンプ装置。
【請求項９】
前記流体ネットワークまたはガス・ネットワークの少なくとも２つの層が互いの上に積み上げられて、多次元ネットワークを形成し、前記媒体が前記基板と前記表面とにより形成される多数の場所に、同一平面内で交差することなく出入りできるようにされている、
請求項７に記載のスタンプ装置。
【請求項１０】
前記ロック要素およびキー要素が、前記被パターン形成層と前記基板とが接触する行方向に延在するように配置されている、
請求項１又は２に記載のスタンプ装置。
【請求項１１】
前記被パターン形成層が前記キー要素を備えており、前記基板が前記ロック要素を備えている、請求項１または２に記載のスタンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板の表面にパターンを印刷するスタンプ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
集積回路の基本構造として機能する基板の表面に微細パターンを転写する、よく知られている技術にソフト・リソグラフィー（soft lithography）がある（Xia, Y.; Whitesides, G.M.Angew. Chem. Int'l. Ed. 1998, 37, 550も参照）。ソフト・リソグラフィーは、反応体を基板に接触させるスタンプの影響を受ける（以下では用語「スタンプ」および「スタンプ装置」を使うが、両者は同じものを指す用語である）。
【０００３】
ソフト・リソグラフィーでは、スタンプ材料が、印刷中に毛管現象の力、自己粘着力、および機械応力にさらされる。印刷前または印刷中のこれら応力により、スタンプが変形する、あるいはその一部がつぶれることがある。それにより、印刷が不完全で不正確なものになる。接触印刷（contact printing）に関する研究の大部分は、Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４（Dow Corning 社製およびUSA 社製）を用いてなされたものである。Ｓｙｌｇａｒｄ  １８４とは、市販の熱硬化性シロキサン・ポリマー（Siloxane polymer）のことであり、その構造は１μｍより小さく、インク盛り（inking）時および印刷中に合体する、すなわちつぶれる傾向がある（Biebuyck, H.A.; Larsen, N.b.; Delamarche, E.; Michel, B. IBM J. Res. Develop. 1997, 41, 159 も参照）。
【０００４】
整合性、高い形状安定性、小さな熱的または機械的膨張性、およびランアウト（縁が不整磨滅すること）に代表される要求は多岐にわたり、それらを単独の材料では満足させることはできず、積層構造が必要である。スタンプを構成するポリマー材料の寸法安定性および機械的安定性が不十分な点を部分的に補う実際的な方法は、剛性を有するガラス製のバックプレーン（backplane)上でポリマー材料を塑造してスタンプを作ることである（上掲したBiebuyckらの論文も参照）。このような混成スタンプの全体の精度は良好であるが、ポリマー層が冷えるときに生成される応力は剛性を有する支持体（バックプレーン）に対して増大する。また、印刷工程自体が原因になって、小さい不均一な歪（ゆが）みが生じる。ポリマー層の厚さを極めて薄く（＜０．１ｍｍ）すれば、この問題を低減することができるが、基板の形状およびスタンプの厚さの不均等性を補う力が著しく低減するのを免れない。
【０００５】
スタンプはその表面にパターンを保持しており、印刷中、基板表面に適合的に接触することができるので、スタンプがソフト・リソグラフィーの基本構成要素である。ソフト・リソグラフィーでは、スタンプを平坦でない可能性がある基板に適合させる必要があるが、同時に、つぶれ、変形、およびランアウトを避ける必要がある。実際には、望ましい変形と望ましくない変形との間のバランスを注意深く維持する必要がある。
【０００６】
特に、ソフト・リソグラフィーを大量生産環境に適合させるためには、機械化された大面積印刷を実現することが重要である。この場合、極めて重要な点は、スタンプのパターン（大部分の応用で、スタンプのパターンは化学物質の薄い層によってインク付けされる）を基板（これは、単一の平板でまたは性質が異なる平板を複合して作ることができる）の表面に正確に転写することである。大面積の基板を、その表面全体にわたって品質の高さが変わらないように印刷するのは、高度に精巧な作業である。
【０００７】
大面積印刷に使うことができるスタンプの開発から、横方向の安定性を特徴とする固いバックプレーンと薄い被パターン形成層とを備えた薄膜混成スタンプが生み出された（この点はＷＯ９７／０６０１２に開示されている）。リソグラフィー処理用のこの既知の混成スタンプ構造は、基板表面およびスタンプ構造自体の非平坦性を吸収する弾性的に変形可能な層と、リソグラフィー・パターンを刻んだ被パターン形成層とから構成されている。このスタンプ構造は、スタンプに対する剛性を有する支持体として作用する第３の層を付加してさらに改良することにより、スタンプが望ましくない変形をするのを防止できる。この場合、ＷＯ９７／０６０１２に開示されている混成スタンプの考えとは対照的に、上記変形可能な層は、パターン保持層（被パターン形成層）とバックプレーンとの間ではなく、薄いバックプレーン（これは、その平面と垂直な方向に部分的に可撓性（かとうせい）を有する）の反対面に設ける。
【０００８】
ＷＯ９７／０６０１３には、上述したスタンプを使用して表面に印刷する方法が開示されている。この文献には、反応体を基板上に運ぶスタンプを下げて基板にリソグラフィーすべき形状を生成する工程と、引き続く反応を所望のパターンだけに限定する工程と、上記スタンプを引き上げた後、基板から反応の廃物を除去する工程とが記載されている。この場合、スタンプが、エッチングすべきパターン、またはそのようなパターンに対応する凹（くぼ）みを保持しているのが望ましい。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した事項にかかわらず、ソフト・リソグラフィー手法を用いて基板上に大面積の印刷構造を生成するためには、次に示すいくつかの問題点が残されている。
【００１０】
印刷すべき面積が大きくなるほど、被パターン形成スタンプ層と印刷すべき表面との間に気泡が含まれる確立がより高くなる。たとえば、わずかに反った、平坦でゆったりした振動ローラーで印刷すると、頻繁に気泡が含まれるので、スタンプと振動ローラーの表面との間に接触抜けが生じる結果、印刷が失敗した領域が生じてしまう。
【００１１】
化学的または熱的な収縮、および印刷用具の許容差が原因で薄膜混成スタンプの厚さが不均等になると、スタンプの様々な領域に一様でない荷重がかかるようになる。これにより、パターンつぶれおよび／またはたわみが生じる（「Ａおよび／またはＢ」は「ＡおよびＢ、Ａ、またはＢ」を表わす）。
【００１２】
上述した欠点と関連して、印刷中にスタンプに作用している荷重の実際の表面分布を制御するかモニターするかして、最大荷重か最小荷重を超過している、あるいはまだそれに到達していない印刷領域を突き止めることは不可能である。周知の力変換器と印刷用具とを組み合わせて使用しても、検出して制御できるのは、総荷重だけである。しかし、スタンプと表面との間の接触層における局所的な力の分布をモニターすれば、印刷終了後の解析が可能になる結果、ソフト・リソグラフィー工程を著しく改善することが可能になる。
【００１３】
スタンプの被パターン形成層と印刷すべき表面とを正確にアライメント（alignment:位置合わせ）する場合、接触している２つの表面の膨張条件すなわち引っ張り条件は本来的に異なるので、大面積の印刷を行なうのが困難になる可能性がある。また、１つの表面に様々な組の構造を適合するように繰り返して印刷すると、表面へのスタンプの位置決めが、各印刷作業の間で必然的にずれてしまう。
【００１４】
被パターン形成層の、構造パターンが設けられていない領域では、スタンプと基板との間に、印刷には邪魔な接触が生じてしまう。２つの隣り合うパターン形成された構造体の間の距離が大き過ぎると、スタンプの荷重が本来とは異なってしまう結果、被パターン形成層が凹んでたわみ、意図しない印刷が行なわれてしまう。
【００１５】
本発明の目的は、薄膜混成スタンプを、機械化された大面積印刷が可能になるように改良することである。本発明に係るスタンプ装置を用いるソフト・リソグラフィー工程で作られる印刷結果は、スタンプと基板表面との間の接触面が正確かつ滑らかな平坦面ではなくとも、高品質になるに違いない。
【００１６】
本発明の他の目的は、上述した欠点を取り除くことである。本発明に係るスタンプ装置自体も、優れた付加機能と共に、ミクロン寸法およびサブミクロン寸法の構造を平面上または曲面上に正確に転写する手法の基礎となるに違いない。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
従来の薄膜混成スタンプは、平坦な金属シートまたは薄いガラス箔などのキャリア層を備えている。キャリア層の片側にはＰＤＭＳなどのスタンプ材料で作られた被パターン形成層が取り付けられている。キャリア層は、その平面内では剛性を有するが、その平面と垂直な方向では可撓性を有する。本発明の基礎をなす考えは、剛性を有するキャリア層の反対側を被パターン形成層よりも柔らかい（ソフト）材料で作られた層（ソフト層）と接触させることであり、これを、少なくともスタンプ装置と基板の印刷すべき表面とが接触している間中、行なうことである。印刷中、ソフト層を貫いて剛性を有するキャリア層に向かう荷重が、スタンプに作用する。この状態で、ソフト層は、不均等に作られたスタンプに作用する荷重によって、または基板の歪（ゆが）みによって作りだされる圧力差の大部分を、スタンプのパターンに荷重をかけ過ぎることなく、吸収する。第２の効果は、スタンプと基板との間に大面積の接触領域を作りだすことができる点であり、これにより、かけられた印刷力を分散させることが可能になる。試験結果が示すところによれば、ソフト層の局所的な平坦化効果は、剛性を有するキャリア層が薄いほど、より効果的になる。
【００１８】
本発明に係るスタンプ装置を設計するやり方として、次に示す二者択一的な２つのものがある。第１の実例では、基板表面にパターンを印刷するスタンプ装置は、２つの面を備えた剛性を有するキャリア層を備えている。キャリア層の第１の面上には、第１の材料で作られた被パターン形成層が設けられている。キャリア層の第２の面上には、上記第１の材料よりも柔らかい（ソフト）材料で作られたソフト層が設けられている。被パターン形成層とソフト層とは、協働して機能する。
【００１９】
スタンプ装置と基板とを力によって接触させるためには、ソフト層の裏面に直接作用する押圧手段を用いるのが望ましい。これにより、スタンプ装置と基板とを互いに適合し合うように接触させることができる。
【００２０】
押圧手段自体には、平坦な領域でソフト層と接触するスタンプ面を備えた平坦なスタンプなどを用いることができる。
【００２１】
この代わりに、押圧手段は、曲がった外形をした、ソフト層の裏面と接触するローラー要素などを用いて作ることもできる。この場合、ローラー要素とソフト層の裏面との接触領域は、より直線形状をしている。好ましい実例では、ローラー要素は、長手方向軸を中心に回転し、剛性を有する円柱状の表面を備え、ソフト層の柔らかい裏面に作用する円柱状の押圧要素を備えている。この実例は、機械化された大面積の印刷に適している。というのは、本発明に係る混成スタンプ装置は、基板表面に少しずつ絶え間なく押し付けることができ、そして、それはスタンプの被パターン形成層全体が基板表面と接触するまで続けることができるからである。
【００２２】
第３の実例では、押圧手段は、ソフト層の裏面が接触する、円柱状で曲がった剛性を有する表面を備えたドラムとして作られている。この場合、スタンプの表面は、基板上を回転しており、スタンプの被パターン形成層が基板表面と瞬間的に接触するようになっている。
【００２３】
第４の実例では、押圧手段は、ソフト層で覆われた、円柱状で曲がった剛性を有する表面を備えたドラムとして作られている。この場合、スタンプは、始め、ソフト層上に載せ、次いで、ドラムが回転運動している間、基板表面と密接かつ平坦に接触させ、そして、適所に残置される。この結果、スタンプは、ソフト層を介してドラムの表面に巻き付いた状態になる。この実例の場合、ドラムの典型的な半径は、約０．０５〜１ｍである。
【００２４】
ソフト層は既にスタンプ装置の剛性を有するキャリア層の裏面に設けられている、という事実があるから、上述した押圧手段は、表面が剛性を有することが特徴である。第２および第４の実例では、基板表面にパターンを印刷するスタンプ装置は、両側が剛性を有するキャリア層を備えている。このキャリア層は、その第１の面上に第１の材料で作られた被パターン形成層を備えているが、その第２の面は剛性を有するままであり、第１の実例と異なり、ソフト層は取り付けられていない。その代わりに、上記スタンプに力を加えることにより、上記キャリア層の第２の面に接触する接触手段を備えている。接触手段は、たとえばローラー要素または円柱要素の形をしており、その外側に、上記被パターン形成層の上記第１の材料よりも柔らかい材料から成る少なくとも１つのソフト層を備えている。このようなローラー要素は、その表面にソフト層を備えた円柱形状をしており、接触面が進行する際にスタンプ装置と接触して、それを巻き込むが、一方、スタンプ装置の剛性を有するキャリア層の後部では巻いた物（スタンプ装置）を広げている。ローラー要素または円柱要素がスタンプ装置と基板とに加える力は、最良の印刷結果が得られるように、スタンプ・パターンに応じて変えることができる。さらに、ローラー要素または円柱要素にソフト層を備えることにより、スタンプの厚さの変化と基板の形状の変化とを補償することができるようになる。スタンプが円柱要素上を滑るのを防止するため、あるいは、ローラー要素がスタンプ上を滑るのを防止するために、ソフト層と固い表面（キャリア層の表面）との間に良好な摩擦が確保されている。ただし、ソフト層と剛性を有するキャリア層の表面との間の摩擦係数が約０．５〜１であることが必要である。
【００２５】
剛性を有するキャリア層は、金属箔、ガラス箔、または石英箔で作るのが望ましい。キャリア層は、Ｘ−Ｙ平面内では剛性を有するが、Ｘ−Ｙ平面と垂直の方向では可撓性を有する。したがって、キャリア層は、円柱の表面のように曲がった形状に沿って曲げることができる。箔の典型的な厚さは、約１５０ミクロンから最小数ミクロンの範囲にわたる。
【００２６】
良好な印刷結果を得るためには、次のようにすべきであるように見える。すなわち、ソフト層の厚さは、エラストマー（弾性が顕著な高分子物質）製のスタンプ層とエラストマー製のパターン層との和よりも厚くすべきであり、また、ソフト層は、被パターン形成層を構成する材料よりも柔らかくすべきであり、少なくとも５倍柔らかいのが望ましい。スタンプの被パターン形成表面は、印刷中にその外形が基板表面に転写される構造をしている。この構造物の深さは、典型的には１〜３μｍである。
【００２７】
力誘起手段とスタンプ装置との間に設けたソフト層は、不十分な印刷結果につながりうる最大荷重または居所的荷重不足を全て回避する荷重消散層として働くけれども、印刷中スタンプ装置に実際に作用している荷重を、空間の全ての方向からモニターし、および／または、制御することは、極めて重要である。印刷中における実際の荷重の情報があれば、スタンプ装置に作用している印加荷重を具体的に制御することが可能になる。また、印刷された基板の品質の確保に関しては、印刷結果を明白に示すものを測定データの形で保持していることが重要である。
【００２８】
このため、スタンプ装置の被パターン形成層は、上記スタンプ装置と上記基板との間に作用している通常の力誘起圧力をモニターする力変換器ゾーンを少なくとも１つ備えている。力変換器ゾーンは、構造がない領域（以下「無構造領域」と呼ぶ）を少なくとも１つ取り囲む限定的かつパターン形成された構造を備えた力検出器として働く。そして、無構造領域には、無構造領域を少なくとも１つの方向に狭める構造が余分に設けてある。
【００２９】
力変換器の基礎をなす原理は、スタンプに作用する力の影響によって、被パターン形成層の無構造領域がたわむ効果を使っている。無構造領域は、固有荷重を超過しているので、基板と接触する寸法を限定している。無構造領域の寸法が限定されて小さくなるほど、接触させるのに必要な荷重はより大きくなる。このように、寸法限定が数種類の無構造領域をいくつか、被パターン形成層に、好ましくはスタンプ（被パターン形成層）の境界領域に設けることにより、力変換器を形成することができる。
【００３０】
幅広い構造は平衡状態位置からの変位が幅狭いラインよりも小さい、という事実に基づいて、スタンプに作用する横方向の力を測定する。具体的には、様々な幅をしたラインの配列（第１の配列）を設けると、ラインの方向と垂直な方向で、かつスタンプの平面と平行な方向に作用する横方向（第１の配列に対して）の力を測定することができる。上記第１の配列の方向と垂直の方向に向けたラインの第２の配列を設けると、上記第１の配列によって測定された力と垂直の方向に作用する横方向（第２の配列に対して）の力を測定することができる。上述した力変換器（ラインの第１、第２の配列）の全ての組を設けると、スタンプを通して基板表面に作用する横方向の力と縦方向の力との双方を測定でき、しかも双方を互いに区別することができる。このことは、図面を参照して後述する。
【００３１】
基板とスタンプ装置との双方にトランスルミネッセンス材料（transluminescent material)を使えば、印刷中、印刷装置を検出光で照らして、スタンプと基板との間の接触領域を検出することができる。この手法を使うと、印刷工程をオンライン制御することが可能になる。これにより、歩留りが改善されると共に、印刷の精度と品質が確保される。基板およびスタンプの一方だけにトランスルミネッセンス材料を使っても、同様の検出回路を実現することができるが、この場合の検出回路は、上記の場合と異なり反射光を検出することに基づくものである。
【００３２】
基板に転写する必要があるパターン群は、構造が非常に異なると共に、基板の大面積の表面が印刷時に生じる全ての接触に対して無傷であらねばならない（基板表面は、印刷中、スタンプ装置で覆われるにもかかわらず、こうあらねばならない）、という技術上の要求に影響される度合いが非常に異なる。これら基板表面の面積が大きくなるほど、基板表面に支持されることがない被パターン形成層が居所的にたわむ傾向がより大きくなる。この結果、基板がインクで汚れてしまう（非意図的かつ非制御の汚染）。これら非制御の汚染を避ける方法が、次に示すように、２つある。
【００３３】
第１の方法では、被パターン形成層の上記無構造領域に、ポストまたはラインなどの支持構造体を設けて、上記無構造領域が、上記スタンプ装置に荷重をかけることにより、たわんで上記基板に接触しないようにしている。これらの支持構造体を使っても避けられないのは、接触するのを避けておくべきだったのに、そうしなかった（設計時の検討不足などに起因して）領域におけるスタンプ装置と基板との間の局所的な接触である。しかし、支持構造体を設けると、基板表面で制御された印刷が行なえるようになる。この制御された印刷は、所望の主印刷パターンから離れた場所に行なうことができるので、該パターンの邪魔をすることがない。
【００３４】
このような支持構造体は、その構造深さが被パターン形成層のパターン形成された構造体と最大限同じであり、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸エチル：遠紫外光（deep- ＵＶ）用レジストの一種）などと同じ材料またはより固い材料を用いるのが望ましい。支持ポスト用に別の材料を用いる場合、支持ポストによって作られる印刷跡を最小にしようとすると、上記印刷パターン上にインクの載せてインク溶液から基板表面までインクを運ぶ効率が低下する可能性がある。しかし、このインクを運ぶ効率は、次のようにすることにより、全体的に高めることができる。すなわち、（i）支持ポストの表面を、インク付け工程中インクをはじくように処理する、または、（ii）支持ポストの表面を、印刷工程中インクを保持したままでいるように処理する。
【００３５】
スタンプ装置と基板との間の非制御の接触を避ける別の方法は、上記スタンプ装置に荷重をかけると、たわんで上記基板と接触しがちになる危険な領域に存在する被パターン形成層の材料を除去することである。被パターン形成層の材料を除去すると、剛性を有するキャリア層自体が片側の境界をなす凹みが形成される。しかしながら、被パターン形成層の材料を部分的に除去するだけにすることも可能である。
【００３６】
上述したように被パターン形成層に凹みを形成する場合、被パターン形成層を基板表面に接触させると、スタンプ装置と基板との間に存在する小さな空洞を閉じ込めることができる。もし、スタンプを通る通路を余分に形成して、上記空洞に流体媒体またはガスを供給することができたら。この考えから、スタンプ装置と基板表面とで閉じ込められた流体ネットワークまたはガス・ネットワークが生まれた。このネットワークにより、基板表面で、または閉じ込められた空洞内の空間で、化学反応または生物学的反応を制御して実現することが可能になる。
【００３７】
スタンプ装置を、上で定義した反応（化学反応または生物学的反応）を起こすことができるフレーム（frame:植物の苗を育成するのに用いる温床) のように使うと、スタンプ装置は、オフセット印刷（＝被パターン形成層の構造体が基板表面に接触する際に、基板表面の接触個所で成される印刷）の方法による印刷のためには使うことができなくなる。また、インタリオ印刷（Intaglio printing:凹版印刷）の形態で印刷を行なうこともできる。すなわち、この場合、被パターン形成層中に形成した通路系統が基板表面で閉じ込められている個所で、印刷が行なわれる。基板表面は、通路系統を通って流れている流体で濡（ぬ）れている。さらに、上述した流体ネットワークまたはガス・ネットワークの考えと結びついた印刷が役に立つ別の応用も、考えられる。
【００３８】
また、ガス媒体を通路を通して空洞に導入して、該空洞内を制御性良く圧力過剰状態にすることにより、上記スタンプ装置に荷重をかけたときに生じるたわみを回避することができる。
【００３９】
機械化された大面積印刷の別の重要な側面は、スタンプ装置と基板とが接触する際に依拠する印刷精度である。印刷精度は、基板がさらに先の印刷工程を考慮した構造をその表面上に既に備えている場合に、特に重要である。ＷＯ９７／０６０１２に記載されているような、既知の印刷工程用アライメント手法を使うと、１マイクロメートル（ミクロン）程度の精度が得られる。現在のデバイスの大部分を機能させるためには、１マイクロメートルよりもずっと良好な重ね合わせ精度が必要になる。セルフアライメント（self-alignment: 自己整合）を用いたからといって、パターン形成されていない基板への１回の印刷自体の精度が改善されることはない、しかし、最初の層が不正確であると、それは引き続く層群の印刷工程によって受け継がれてしまう、というのは事実である。リソグラフィーを用いて製造されるデバイスの大部分は、本来、ｐｐｍ級の精度水準など必要としていない。今日、製造業で高水準の精度を用いている主な理由は、それが重ね合わせに必要だからである。たとえば、重ね合わせ誤差が０．１ミクロンあると、２５６ＭビットＤＲＡＭ（dynamic random access memory) 中のＦＥＴ（field effect transistor)の特性が変化する（１００ｍｍに対する０．１ミクロンの相対誤差は、１ｐｐｍに等しい）。また、ＦＥＴのチャネルに１ｐｐｍの相対寸法誤差があっても、見つからない。たとえ比較対象である２つの場合に対する相対精度の分割計画（budget）が同一であっても、そうである。
【００４０】
セルフアライメント用の既知の機構は、ＷＯ９７／０６０１２に開示されているように、平坦なバックプレーン上のロック・キー機構に基づいている。この場合、スタンプと基板との双方の上にセルフアライメント用の手段が設けられている。これらの手段は、基板に形成した凹み（ロック要素）、および、このロック要素と対応関係にあり、その中に正確に嵌（は）まる、スタンプに形成した楔（くさび）形の突起（キー要素）として設けられている。この既提案のセルフアライメント方式の主な問題点は、セルフアライメント手段がセルフアライメント工程前に、少なくともある程度合っている必要がある、という点である。突起（キー要素）と凹み（ロック要素）とが部分的に重なり合っていない、といった不正確さが大きい場合、セルフアライメントは機能しない。
【００４１】
突起（キー要素）と凹み（ロック要素）との形状とサイズとが一定の場合を除き、予めパターン形成されている基板にに対する印刷用にセルフアライメント要素を改良設計するのに好都合なアイデアは、サイズが可変のキー要素を使うことである。すなわち、突起のサイズは、始め、凹みよりも小さくしておき（これにより、突起が特定の粗アライメントすなわち予アライメントに適合することが保証される）、その後、徐々に大きくし、これを突起が凹みに正確に嵌まるまで続ける。この点は、次に述べる。
【００４２】
印刷工程の特徴は、スタンプと基板との間で接触が回転することである。被パターン形成層と基板との間の接触線は、少なくとも円柱形状が接触する線に似ており、所望の印刷方向に進行する。ロック要素とキー要素とは、互いに向き合っている基板とスタンプとの上に、印刷方向に沿った行をなすように配置するのが望ましい。円柱状のスタンプが印刷方向に沿って進行するのにつれて、キー要素は段々大きくなり、それは、ロック要素とキー要素との間に不整合がなくなるまで続く。この状態で、スタンプは、以後、目標を自動追尾すると共に、実質的なパターンの印刷を開始する。
【００４３】
無論、ロック要素の形状とサイズとを変えて、それらのサイズを、形状とサイズとが一定のキー要素のサイズに適合させることも可能である。
【００４４】
最後に、基板に印刷される被パターン形成層の刻印（impress)は、被パターン形成層およびキャリア層の、熱膨張に起因する様々な挙動によって、悪くなる方に影響される可能性がある。通常、印刷中の温度はスタンプ装置を製造する時（すなわち、キャリア層と被パターン形成層とを接合させる時）の温度と異なるから、キャリア層と被パターン形成層との間の熱膨張が異なることに起因して、印刷中に歪（ひずみ）が生じる可能性がある。この邪魔な効果を回避するためには、被パターン形成層（これは、通常、剛性を有するキャリア層の熱膨張係数よりも大きな熱膨張係数の材料で作られている）を剛性を有するキャリア層に引っ張った状態で接合させる必要がある、ということが分かっている。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明を詳細に説明する。図面は実際の寸法通りには描かれていない点に留意すべきである。
【００４６】
図１（ａ）に、バックプレーンすなわちこの開示の用語でキャリア層１を備えた従来のスタンプ装置を示す。キャリア層１は、金属箔、薄いガラス板、または薄い石英板で作られている。キャリア層１の片側にはパターン形成された構造体３を備えた被パターン形成層２が被着されている。構造体３の少なくとも下面は、インク、化学物質、または生物学的物質で濡らされる。これらインクなどの物質は、印刷工程で基板４の表面に転写することができる。印刷中、スタンプ装置は、図１（ａ）の下図に示すように、荷重Ｌの下で基板４の表面に押し付けられる。このとき、荷重Ｌがスタンプ上に均等に分布していないことに起因する機械的な圧縮により、支持されていない領域に変形が生じ、それがパターン形成された構造体３を強く押し付ける結果、たわみが生じる
【００４７】
本発明の一実施形態を示す図１（ｂ）に示すように、キャリア層１の反対側にソフト層５を取り付けると、荷重をかけてもたわみが生じない。ソフト層５は荷重を分散させることにより変形を吸収するので、パターン形成された構造体３は変形しない。
【００４８】
ソフト層５を作っている材料の圧縮率は、被パターン形成層２の圧縮率の高々５分の１の大きさである。一般に、ソフト層５のヤング率は０．６ＭＰａ（２１ＳｈｏｒｅＡを材料にする場合）であるが、一方、被パターン形成層２を作っているＰＤＭＳなどのスタンプ材料のヤング率は約３ＭＰａである。また、ソフト層５の厚さは、スタンプ２（被パターン形成層２）の厚さよりもずっと厚くする必要がある。ソフト層５の典型的な厚さは約２ｍｍであるが、一方、スタンプの厚さは約２００μｍ以下である。キャリア層１は、該層の平面内で剛性を有する、すなわちＸ−Ｙ平面内では剛性を有するが、Ｘ−Ｙ平面と垂直な方向では可撓性を有する堅い材料で作られている。したがって、スタンプ装置は、たとえば円柱の表面の周りに曲げることができる。
【００４９】
別の実施形態を示す図２（ａ）に、キャリア層１と被パターン形成層２とから成るスタンプ装置を、当技術の最新段階を示すものとして示す。この実施形態では、印刷するのに、表面にソフト層５を備えたローラー要素６を使用する。ソフト層５は、キャリア層１の背面にかかる荷重Ｌで押圧されている。ローラー要素６は、被パターン形成層２を基板４に接触させる。キャリア層１と被パターン形成層２とから成るスタンプ装置は、ローラー要素６によって基板４に接触させられる前は、基板４から離れており、わずかに湾曲している。しかし、その曲率半径はローラー要素６の半径よりもずっと大きいので、パターン歪を小さくすることができる。
【００５０】
図２（ｂ）に示す実施形態では、スタンプ装置は、キャリア層１の裏面にソフト層５を備えている。したがって、ローラー要素６は、ソフト層を全く必要としないので、堅い表面（これをソフト層５に押し付けて印刷の用に供する）を備えた裸のローラー要素６を使用することができる。
【００５１】
図２（ｃ）に、円柱状印刷用具７の使い方を、基板表面に沿って左から右へ向かう２段階の運動として示す。パターン形成されたスタンプ表面２（被パターン形成層２の表面）の様々な領域が、基板表面（基板４の表面）、およびソフト層５を合わせたバックプレーン１（キャリア層１）に接触するので、基板４の反り、ならびにスタンプ２（被パターン形成層２）および円柱状印刷用具７の不正確さを均（なら）すのが容易になる。円柱状印刷用具７は、その軸８を中心にして回転する。円柱状印刷用具７が図２（ａ）、（ｂ）に示したローラー６に勝る主な利点は、円柱の表面に薄膜のスタンプを取り付けているので、実効半径を一定に保つことができ、それにより、曲げによって誘起される変形の程度を一定に保つことが可能になる点である。また、図２（ａ）に示すように、ソフト層５は円柱に被着することもできる。この場合、スタンプ（被パターン形成層２）は、機械的手段、接着、または真空吸着によって、そのバックプレーン（キャリア層１）を「柔らかい（ソフト）」円柱表面に取り付ける。
【００５２】
高品質の印刷結果を得るために、スタンプ装置と基板との間の接触面と、印刷力とを制御することは、機械化された大面積印刷にとって重要である。ローラー要素または円柱要素を使うことは、上記薄膜スタンプ装置の長所とローラー方式とを組み合わせたものである。すなわち、薄膜スタンプ装置の長所は、寸法精度が高い点である。一方、ローラー方式では、接触面が進んで行く。これは、機械化された大面積印刷にとって有利である。ローラーまたは円柱が薄膜スタンプ装置と基板とにかける力は、最良の印刷結果が得られるように、スタンプのパターンに応じて変えることができる。さらに、柔らかい（ソフト）表面を備えたローラー要素または円柱要素を使えば、スタンプの厚さの変動および基板形状の変動を補償することができる。
【００５３】
図３（ａ）および（ｂ）、図４（ｃ）および（ｄ）、ならびに図５（ｅ）および（ｆ）に、力検出器を力変換器ゾーンの形で示す。力変換器ゾーンは、スタンプ上に作用する総荷重、不均等荷重、および剪断（せんだん）力をモニターするものである。力変換器ゾーンは、被パターン形成層に設けるが、特に被パターン形成層の縁に配置するのが望ましい。
【００５４】
通常の力をモニターしている力変換器ゾーン９を図３（ａ）に示す。太線は、印刷中、基板と接触したままでいるパターン構造を表わしている。力変換器ゾーン９は、左側で広く、右側へ行くにつれて徐々に狭くなる領域を備えている。ハッチングした領域１０は、接触面積が余分にあると、それが柔らかい（ソフト）スタンプにとってどのように見えるかを示している。このハッチングした領域１０のサイズから、スタンプのたわみに対する相対安定度を導出することができる。階段の第１段目１１までのつぶれは相対安定度が高いことを意味しており、第２段目１２までのつぶれは相対安定度が低いことを意味している（クロスハッチングした領域を参照）、などである。階段の下側には、別の領域がある。この領域は、スタンプの相対安定度が極めて低い場合、および／または、スタンプに作用している力が極めて大きくて、たわみが生じる領域が極めて狭くなっいる場合につぶれ始める。
【００５５】
図３（ｂ）に、図３（ａ）に示した構造と太さが可変のライン１３を備えた構造とを組み合わせたつぶれ副尺（collapse vernier）を示す。図３（ｂ）の構造は、小さな目盛係数で実現してあるので、目盛係数が大きなものよりも大きな荷重を検出することができる。別の実施形態を図４（ｃ）に示す。直線形状のパターン形成された構造によって閉じ込められた領域が小さくなるほど、スタンプ装置に作用する荷重をより大きくする必要があるが、それは、接触がこの領域に到達するまで続ける必要がある。
【００５６】
横方向の力すなわち剪断力をモニターする力変換器ゾーンを図４（ｄ）に示す。上半分に設けられた構造は、右側で幅が狭く、左側に向かうに従って幅が広くなるブリッジ（bridge）を備えている。この構造は、小さな構造を押しつぶす力と、印刷中にこの狭いブリッジと垂直の方向に作用する剪断力に対抗するスタンプ装置の安定性とを検出するためのものである。剪断力によって、ラインは、元の対称軸の位置から横方向に変位する。
【００５７】
図５（ｆ）に、下から見た正方形のスタンプ装置の縁に力変換器ゾーン９を配置したものを示す。スタンプ装置の中央領域に、パターン形成された構造３が配置されている（図示せず）。
【００５８】
図６（ａ）に、所望のパターン１５（図中の空白領域に設けられている。詳細は、図６（ｂ）に示す）に付加した支持構造体１４を示す。支持構造体１４は、所望のパターンが設けられていない大きな領域でたわみを生じさせることなく、首尾よく印刷を実行するために必要なものである。この実施形態では、支持構造体１４は、２００ミクロン四方のポストであり、４５０ミクロン間隔で配置されている。一般に、支持構造体１４は、たわみ始めるのを回避するのに十分な程度に近付ける必要がある。換言すると、支持構造体１４は、印刷力が誘起する押しつぶしに抵抗するのに十分な面積の領域を覆う必要がある。２００ミクロン四方のポストの例では、ポストの間隔は、４００〜１０００ミクロンとなるだろう。これにより、被パターン形成領域の１／４〜１／２５が支持構造体１４で覆われることになる。また、ラインなどの細長い支持構造体も、同様に役に立つ。これら細長い支持構造体を用いた場合、支持構造体で覆われた領域の割合がポストを用いた場合よりも小さくなるが、それでも、つぶれを回避することができる。しかし、細長い支持構造体で覆われた領域を横切る必要がある所望のパターンが細長い支持構造体によって妨害されることがありうる。
【００５９】
薄いスタンプ装置は、高精度の微小流体ネットワークまたはガス・ネットワークと共に使うこともできる。図７（ａ）に、キャリア層１および被パターン形成層２を備え、基板４に接触している改良したスタンプ装置を示す。被パターン形成層２は、室を形成する凹み１６を備えている。室は、２つの通路（流体またはガスはこの中を流れることができる）に接続されている。このスタンプ装置は、化学的なおよび／または生物学的なプロセス用の微小反応室として機能することができる。上記化学的なおよび／または生物学的なプロセスは、上記室内、または基板４の表面で行なうことができる。
【００６０】
この方式は、複数層に拡張することもできる。この場合、通路を備えた第２層の微小流体ネットワークまたはガス・ネットワークは、第１層上に設けるので、第１層で密閉することができる（図７（ｂ）参照）。理論的考察から、次の点を証明することができる。すなわち、図７（ｂ）に示すように３つの層を組み合わせたものを使うと、流体またはガスの１つの型ごとに１つの導入通路を設けることより、各導入通路から基板上の任意の場所に多数の型の流体またはガスを届けることができる。しかし、次の点を考慮に入れる必要がある。すなわち、２つの別々のマス・フロー（mass flow:流体またはガスの流れ）が混合しないように、同一の面内で２つの通路系統が交差しないようにする必要がある。
【００６１】
図８（ａ）に、スタンプ装置の被パターン形成層と基板表面との間の自動固定（lock-in)セルフアライメントの改良された方法を示す。被パターン形成層２および基板４の縁領域にキー要素（１８）とロック要素（１９）とが設けてある。被パターン形成層２に配置されているキー要素（１８）は、サイズおよび形状が可変であり、被パターン形成層２の左側では右側よりも小さくなっいる。これと異なり、ロック要素（１９）は、サイズが一定で基板４の表面に配置されており、被パターン形成層２のキー要素（１８）に対面している。キー要素（１８）およびロック要素（１９）は、１つの線状の行に配置されている。この行の方向は、図２に記載してあるように、印刷中、スタンプ装置が基板と接触する際に依拠する進行方向に等しい。
【００６２】
図８（ｂ）および（ｃ）に、自動固定セルフアライメントが進行する様子を示す。図８（ｂ）の左側の接触領域では、不整合（ｄｘ1 ＝１０）があるので、ロック要素とキー要素とは、まだ整合目標を探しうる状態にある（すなわち、まだ固定されていない状態にある）。スタンプが左（図８（ｂ））から右（図８（ｃ））へ転がるのにつれて、不整合は徐々に小さくなり、それは、スタンプが正確な位置（ｄｘ2 ＜０．１）に固定される（lock into)まで続く。図中の矢印は、ロック要素とキー要素とが不整合であることによって生じる力のベクトルを示している。これらの力によって、スタンプは、回転して望ましい位置（固定される位置）まで変位するのが容易になる。
【００６３】
被パターン形成層２の左側にある小さなキー要素（１８）と大きなロック要素（１９）とによって、特定の粗アライメントすなわち予アライメントの仕様に適合することが保証される（図８（ａ）参照）。
【００６４】
一般に、印刷工程の特徴は、スタンプ装置と基板４との間が接触することである。被パターン形成層２と基板４との間の接触線は、円柱形が接触する線と全く同じではないが、よく似ており、所望の印刷方向に移動する。互いに向き合うスタンプ装置および基板の上の上記印刷方向に沿った行に、キー要素とロック要素とを配置する。円柱状のスタンプが上記印刷方向に沿って移動するのにつれて、キー要素（１８）が徐々に大きくなる。次いで、スタンプは目標を自動追尾し始める。この時点で、スタンプは、実質的なパターンの印刷を始めることが可能になる。この時までには、ロック要素とキー要素との間に、もはや不整合は存在しなくなっている（図８（ｃ）参照）。以上のように、実質的な印刷パターンの縁に、上述したロック要素およびキー要素などのセルフアライメント手段を余分に設けると、スタンプおよび／または基板がたとえ変形しても、全印刷中、高度のアライメントを維持することができる。完全なアライメントを確保する上記ロック要素およびキー要素の他に、基板上に既に存在する構造を用いて、印刷中のアライメントの用に供することができる。
【００６５】
最終的には、光学アライメントを一切（いっさい）必要としない程度に、自動固定セルフアライメント方式を作り上げることができる。たとえば、典型的な位置決め精度が１０マイクロメートル（ミクロン）の機械的な盛り上げピン（banking pin)を使って予アライメントを行なうことができる。そして、その開始時点以後、自動固定セルフアライメントが取って代わり、アライメント精度をサブ０．５ミクロンのレベルまで高めることができる。
【００６６】
ロック要素およびキー要素の形状としては、図中に示したピラミッド形の代わりに、側壁が傾斜した、または垂直の三角形など別のテーパー付きの形状も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  （ａ）は、従来技術の到達水準によるスタンプ装置であり、（ｂ）は、ソフト層を備えたスタンプ装置を示す
【図２】  （ａ）は、ソフト・ローラー要素を備えたスタンプ装置を示し、（ｂ）は、ソフト層とローラー要素とを備えたスタンプ装置を示し、（ｃ）は、主要素としてシリンダーを備えたスタンプ装置を示す図である。
【図３】  （ａ）は、通常の力を検出するための力検出器パターンを示し、（ｂ）通常の力と横方向の力とを検出するための組み合わされた力検出器パターンを示す図である。
【図４】  （ｃ）は、力検出器パターンの別の実施形態を示し、（ｄ）は、力検出器パターンの別の実施形態を示す図である。
【図５】  （ｅ）は、力検出器パターンの別の実施形態を示し、（ｆ）は、被パターン形成層に形成した力検出器パターンの配置を示す図である。
【図６】  （ａ）は、支持要素の配置を示し、（ｂ）は、支持要素の配置を示す図である。
【図７】  （ａ）は、微小流体ネットワークまたはガス・ネットワークを用いたスタンプ装置を示し、（ｂ）は、微小流体ネットワークまたはガス・ネットワークを用いたスタンプ装置を示す図である。
【図８】  （ａ）は、セルフアライメント用のロック・キー構造体を示し、（ｂ）は、進行中の回転しながら固定するセルフアライメントを示し、（ｃ）は、進行中の回転しながら固定するセルフアライメントを示す図である。
【符号の説明】
１…キャリア層、２…被パターン形成層、３…パターン形成された構造体、４…基板、５…ソフト層、６…ローラー要素、７…円柱、８…円柱軸、９…力変換器ゾーン、１０…接触ゾーン、１１…第１段階、１２…第２段階、１３…線状パターン、１４…支持構造体、１５…所望のパターン、１６…凹み、１７…通路、１８…キー要素、１９…ロック要素、  Ｌ…荷重。
【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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