ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の製作
Polymeric Wide-band Wave Plate Produced via Nanoimprint Subwavelength Grating

宮越博

史＊

Miyakoshi, Hiroshi

森川雅

弘＊

Morikawa, Masahiro

増田修＊

Masuda, Osamu

古田

和

三＊

Furuta, Kazumi

要旨
CD、DVD、次世代光ディスクの３波長に対応可能な1/4波長板を廉価に供給する技術が求められている。本研究では、サブ波長構造を利用した広帯域1/4波長板を実現するために、超微細構造の型転写技術として高い生産性が期待できるナノインプリント技術を採用し、光学素子として利用可能な樹脂バルク上への転写技術を独自開発した１）。それにより、ピッチ400Å、高さ1200Åのサブ波

Fig.1 Conventional nanoimprint process

長バイナリ構造の転写が可能になり、広帯域1/4波長板を得た。

２ ナノインプリント技術

Abstract

２．１方式選択We have developed a nanoimprint process on a bulk

成形品が光学素子として利用されるため、屈折率、透surface for the production of low-cost quarter wave plates

過率、耐環境性などの特性から樹脂が決定される。した(QWPs) for use with CDs, DVDs, and next-generation op-

がって樹脂限定が少ない熱式インプリントを採用した。

tical discs. This nanoimprint process achieves high-effi-

開発したプロセスはFig.１に示すものと同じだが、被加工

ciency mold shape transfer on a subwavelength scale

材は基板レス樹脂バルク材を使用している。そのため被(SWS). We obtained wide-band QWPs with a pitch of

成形材は、原形を維持するために加熱せず、型のみを加400nm and a 1200nm-high binary structure.

熱する方式とした（Fig.２）。

１ はじめに
ナノインプリント技術は、主に半導体製造プロセスにおいて開発が進められてきた型転写技術である２）。したがって、転写形状としては微細かつ平面的であり、被加Fig.2 Nanoimprint process with bulk polymer

工材としてはSi基板にレジスト膜を塗布したものが多い。
転写方式は、熱可塑性材料に熱変形を利用して転写する「熱式インプリント」と、光硬化材料を型に充填したのち硬化させる「光硬化式インプリント」に大別され２．２ 構成要素光学素子のナノインプリントを実現するための構成要素について以下に説明する。
1 型

る。
熱式の特徴は、被加工材樹脂の選択肢が多いというこ型の要件は、寸法精度と被成形材との離型性である。とと、加熱・冷却による体積変化で微細パターンへの影本研究では所望の形状が櫛歯断面形状の２次元パター響があるということである。一方、光硬化式は、加熱・ンであり、その寸法が100åオーダであることから、微細冷却などの熱プロセスはないが、光硬化型樹脂に限定さ加工性にすぐれるSiを材料として、電子線直描画とドライれる。

エッチング加工により高精度を達成し、かつ加工粗さを装置は、型の加熱機構とプレス機構、型と被加工材のチャックとアライメント調整機構を備えたものが多い。
インプリントの典型的なプロセスをFig.１に示す。

低減した。加工した型の一例をFig.３に示す。
型表面は疎水コーティング処理により離型性を確保している。コーティング処理品、未処理品について樹脂滴下による接触角評価をFig.４に示す（型および樹脂は140＊コニカミノルタテクノロジーセンター㈱
ナノ加工開発室

デバイス技術研究所℃≧Tgに加熱）。

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3

ナノインプリント装置

試作したナノインプリント装置の外観写真をFig.６に示す。装置の設計要点は、プレス点でモーメント力や誤差運動を発生させないことであり、その要求精度は100å以下となる。
まずフレームについては、1,000N級のプレス力がかかるため、ナノメートルオーダでの高剛性化を追求する設計とはせず、ある程度の剛性をもたせた上で変形がプレス軸上に沿って発生するように４箇所等配置にした。
プレス駆動は、大荷重を出力するために一般的には油(a) Whole of pattern on Si mold

圧式が採用されることが多いが、プレス制御の柔軟性を持たせるためにACサーボモータとボールねじの組合せで構成し、位置もしくは力のフィードバック制御が可能となっている。プレス仕様は、最大出力荷重10,000N（ロードセル分解能10Ｎ）、有効ストローク100aとした。
可動プレートの運動基準は、等配置した４本の転がり軸受である。転動体は線接触で高剛性なニードルタイプを用いている。その結果、可動プレートの走り真直度（プレス軸に直角方向の誤差運動）は、0.15µm/10aストロークを達成した。また、昇降繰返しのＺ方向位置決め(b) SEM image of cross section of SWS(resist mask remains)

精度は、±2σ=±1.8µm（上プレート700N吊下げ、移動速度10a/ｓ時）である。

Fig.3 Si mold and SWS pattern(pitch, 400Å; space, 275Å; depth, 1200Å)Fig.4 Effect of anti-stick coating2

被加工材

被加工材は、半導体製造におけるナノインプリントと大きく異なる。前述のとおり製品に組込む素子であることや、生産性、製品コストを考慮して、Fig.５に示すような光学的に透明な樹脂バルク材を被加工材として用いた。たとえば、ガラス基板に樹脂膜を塗布したものに比べて生産工程数、部材コストの面で有利であると考えられる。
また樹脂種の選択において、樹脂を熱変形させるという加工原理から、粘弾性特性が微細成形性の重要な因子となる。
Fig.6 Nanoimprint processing apparatus

Fig.5 Example of work (polymer, φ 11 ㎜× t2 ㎜)

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３ 広帯域 1/4 波長板の設計
設計では①広帯域性および②生産性を考慮した。
広帯域性に関しては、波長405å 〜780åにおける位相差が90˚±10˚以内になるようにサブ波長構造の設計を行った。設計計算にはEMT（Effective Medium Theory）で２次の項までを利用した。
ここで設計解はいくつか存在するが、ナノインプリン
ト成形の難度と生産性を考慮して、Fig.７に示すピッチ400å、ライン幅275å、高さ2400åという寸法を選択した。さらに今回はFig.８のような２枚貼合せ構成で1/4波長板を仕上げた。この構成は、１枚あたりのSWS高さをFig.7 SWS for QWP (λ 405nm 〜 780nm)設計高さの1/2にできるため生産性向上の効果がある。耐環境性の点でも、SWSを内側密閉構造にできるため防汚効果が期待できる。

４ ナノインプリント結果
インプリント品の評価は、光学顕微鏡によるパターン俯瞰観察、SEMによる構造観察および寸法測定を行った。検討初期にはFig.９に示すような構造欠陥、a抜け、b倒れ、c伸び（20%）が見られたが、プロセスの改良により、Fig.10に示すように、縦方向への伸びが５％認められるものの、φ1aパターンにおいて抜けのない転写結果
Fig. 8 SWS sealed structureを得た。

(b) Collapsed(a) Pulled out(c) Streched

Fig.9 SEM images of SWS defects on polymer after imprint process(a) Whole of imprinted pattern(b) Cross section of SWS imprint(c) Detail of photo (b)Fig.10 SEM images of minimal SWS defects

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５ 光学評価
Fig.10の素子について光学評価した結果をFig.11に示す。図中実線は設計値、黒丸はFig.８に示す２枚構成品、白丸は１枚品の測定結果である３）。
1/4波長板としての性能は、目標位相差90˚±10˚以内（0.25λ±0.03λ）に対して、波長405åで96˚、680åで86˚、780åで99˚という仕上がりで目標を満足できた。製作誤差の原因は、ナノインプリントにおける高さ方向への伸びと、ピッチ方向への倒れがあるためと考えられる。

Fig. 11 Performance results

６ おわりに樹脂バルク上へのナノインプリント技術を開発することにより、素子の試作および光学評価ができた。今後は、製品搭載を目標にしたパターンの大面積化、Siモールドの耐久性向上などを検討していく。

７ 謝辞
本研究の疎水コーティング処理に関しては大阪府立大学大学院 平井教授にご指導いただきました。
●参考文献
１）森川、宮越、古田：第 64 回応用物理学会学術講演会講演予稿集，30p− F− 16（2004）p.1080
２）Chou, US Pat 5,772,905, 6,309,580/APL, Vol. 67, 3114（1995）/
Science, Vol. 272, 85（1996）
３）インターオプト 2004（幕張メッセ、2004 年 7 月 13 日〜 15 日）に
おいてコニカミノルタ テクノロジーセンター株式会社から出展、配布資料。

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