植物生産物を用いる超微細プレス加工の開発
富山県立大学 工学部 機械システム工学科准教授 竹井 敏
（平成 25 年度 一般研究開発助成 AF-2013025）
キーワード：プレス加工、ナノインプリント、微細加工、被転写材、植物高度利用、離型性、金型

１．研究の目的と背景

ラクツロース誘導体を用いる超微細プレス加工の開超微細プレス加工は、既に実用化されている HDD や発により、次世代環境配慮型マイクロ・ナノ製造を実ディスプレイ用反射防止モスアイフィルム用途以外に現させ、かつ化石資源の使用量削減に貢献する、技術

も、半導体や MEMS・NEMS 等の試作チップ、特定ウの差別化と廃液処理の簡素化による省エネルギー化

ィルス検査分析フィルムや分離シート等のバイオ分析の素地を地方の富山県から発信する。

シート、及び太陽電池用表面撥水性汚れ防止シート等への最先端電子デバイス製造での実用化が期待され、本論文では、金型（テンプレート、モールド）から繰り学術・産業界にとって重要な技術である。超微細プレ

返しきれいに剥がれる被転写材料に糖鎖やラクツロースス加工の用途拡大のためには、超微細精密金型の汚れ誘導体を利用した超微細プレス加工について述べている。

防止技術の開発、つまり離型性に優れる超微細プレス加工用成型プラスチック材料の創出が求められている。
これは、成型加工中に超微細精密金型の表面に異物が２．実験方法

付着すると金型の交換や洗浄が必要となり、生産性が2.1 被転写材料著しく低下するためである。超微細精密金型の表面の図１に、細胞分離凝集防止バイオチップの表面ナノ加工

異物防汚技術が、超微細プレス加工が広範囲な用途で用にきれいに剥がれるラクツロース誘導体の化学構造を商業化できるかの鍵となっている1）。

示す。

超微細プレス加工で使用される既存成型プラスチッ
クの被転写材料はアクリル樹脂やエステル樹脂等の非天然の合成樹脂である。非天然の合成樹脂を用いる既存成型プラスチックの被転写材料は著者らが目的とする特定ウィルス検査分析フィルムや分離シート等のバイオ分析シート用途として細胞分離・分散性が悪く、

H2C=HC-OC
H2C=HC-OC
H2C=HC-OC
X X

凝集防止不足の課題があり、飛躍的な性能改善が要求されていた。
筆者は平成 22 年頃から国際科学技術財団 2013 年度日本国際賞受賞者 Carlton Grant Willson 教授（TheX
H2C=HC-OC

CO-CH=CH2O
OX CO-CH=CH2X
OX CO-CH=CH2O

X
CO-CH=CH2

University of Texas at Austin、米国）と国際交流を通じてステップ・アンド・フラッシュ インプリントリソ

図１ 超微細プレス加工用ラクツロース誘導体

グラフィやロール to ロールインプリントプロセスによる超微細プレス加工に使用される機能性材料の開発

最初に、親疎水性の異なる数種の溶媒で精製し、必要なを進めている 2-7）。本研究の目標と目的を以下に示す。

分子量分布を有する超微細プレス加工用ラクツロースを500g 準備した。主原料として側鎖に 8 つ程度の光重合性（１） 細胞分離凝集防止バイオチップの表面ナノ加架橋反応基を有するラクツロース誘導体をラクツロースやの水酸基を置換反応することにより有機合成した。光重合ラクツロース誘導体 11）を被転写材料に利用した超微性架橋反応基として、アクリレート基、又はエポキシ基を細プレス加工のプロセス条件に依存する異物発生頻側鎖に付与し、超微細プレス加工による光照射前に植物生度を研究する。

産物の糖鎖やラクツロース誘導体系被転写材料が室温で工用に、きれいに剥がれる植物生産物の糖鎖8-10）（２） 競合ナノ加工技術であるフォトリソグラフィ

液体状態となるような分子系（側鎖の絡まりやすさや分子に比べ、細胞分離凝集防止バイオチップの生産性及び量の調整）を添加剤との混合フォーミレーションにより最コスト面の優位性を確立する。

適化した。超微細プレス加工の光照射時に光架橋反応を進（３） 工業用デンプンからの機能化技術が生み出す離型性に優れ、きれいに剥がれる植物生産物の糖鎖や行できる被転写材を準備した。

2.2 下層膜材料
図１のラクツロース誘導体系被転写材との高密着性を得るために下層膜材料をシリコンウエハー上にスピンコートした。図２に著者らが Carlton Grant Willson 教授との国際交流により指導を受けたラクツロース誘導体系被転写材と化学的に結合する高密着性下層膜材料の設計指針を示す。

図３ ラクツロース誘導体系被転写材の光硬化性評価
図２ 高密着性下層膜材料の設計指針
2.5 被転写材料の機械的強度
高密着性下層膜材料は、超微細プレス加工による光照射ラクツロース誘導体系被転写材の機械的強度を評価す

前にはラクツロース誘導体系被転写材の粘度は 40-50cp

るため、島津製作所製ダイナミック超微小硬度計であり、液体状態でテンプレートへの流動性に問題が生じDUH-211 を用い、ナノデンテーション試験を行い押し込にくい。一方、光超微細プレス加工による光照射後には、み弾性率の測定をした。バーコビッチ圧子を用い、試験力ラクツロース誘導体系被転写材のアクリレート基、又はエ30 mN による負荷-除荷試験を行った。押し込み弾性率のポキシ基等の光反応基が、下層膜材料の光反応基と化学反測定に、ばらつきが見られたため、最大値と最小値を除い応することにより高密着性が発現する材料を用いた 2）。

た 5 点平均に算出した。

2.3 テンプレート表面処理離型剤

2.6 被転写材料の酸素ガス透過性

テ ン プ レ ー ト 表 面 処 理 離 型 剤 と し て 、特定ウィルス検査分析フィルムや分離シート等のバイ

tridecafluro-1,1,2,2-tetrahydrooctyldimethylchlorosilan

オ分析シートへの展開を目指すラクツロース誘導体系被e を用いた。光超微細プレス加工で使用するテンプレート

転写材の酸素ガス透過性を評価するため、ガス透過試験でをトルエン中に 0.2wt%の濃度で上記のテンプレート表面

は GTR テック製 GTR-10ATU を用い、差圧法によりガス処理離型剤を溶解させ、数時間浸漬させる離型処理を行っ透過係数を測定した。試験ガスを酸素、測定温度を 30 °Cた。とし、比較用試料として、アクリル樹脂であるポリメタクリル酸メチル樹脂 (PMMA)、及びポリエチレン (PE)を使用した。

2.4 被転写材料の光硬化性
ラクツロース誘導体系被転写材の光硬化性を評価する
ため、FTIR 装置に Perkinelmer 製 Spestrum two、ATR

2.7 超微細プレス加工装置に S.T.Japan 製 GladiATR を用い、TPU-Cel01 の化

本研究では、金型（テンプレート、モールド）から繰り学構造を定性した。
測定域 5000-800 cm-1、分解能 4 cm-1、返しきれいに剥がれる被転写材料の超微細プレス加工の及び積算回数 4 回の条件で測定した。ラクツロース誘導体

リピータビリティ特性を評価することが重要である。超微系被転写材の光反応基がアクリレート場合、アクリレート細プレス加工のリピータビリティ特性を評価するため、国中の C＝C は 1635cm-1 付近でピークが観察されるため、内外の最先端研究機関で採用されている定温ステップア

超微細プレス加工のプロセス条件のひとつである最適なンドフラッシュ（SFIL）が可能なキャノン・モレキュラ

光照射量（時間）を計算した。

ーインプリント社製（米国テキサス）の IMPRIO ®を使用した。ナノインプリントによる加工寸法 11nm 世代の微細化を実現する次世代半導体露光装置の開発を加速させるため、半導体露光装置メーカであるキヤノンにより平成系被転写材の酸素ガス透過性を評価した。ラクツロース誘

26 年に買収された実績のある研究用装置を用いた。植物

導体系被転写材の酸素ガス透過係数は PE の半分以下の生産物の糖鎖やラクツロース誘導体を被転写材料に利用ガス透過係数であり、PMMA のそれとほぼ同等であった。

した超微細プレス加工のプロセス条件を最適化した。

また、触媒の添加量がガス透過係数に影響を与えることが分かった。
今後、水蒸気の透過性についても検討を進め、特定ウィ

３．実験結果ルス検査分析フィルムや分離シート等の要求特性の一つ

3.1 被転写材料の光硬化性であるガス透過性を変化させたラクツロース誘導体系被図４にラクツロース誘導体系被転写材の赤外吸収スペ転写材のラインナップを開発することが必要である。

クトルの光照射時間依存性を示す。ラクツロース誘導体系
被転写材の光反応基であるアクリレート中の C＝C は1635cm-1 付近でピークが観察された。光照射時間を増加

3.4 超微細プレス加工

させるとともに 1635cm-1 付近の C＝C が減少しているこ本研究では、金型（テンプレート、モールド）から繰りとが分かった。ラクツロース誘導体系被転写材がキセノン

返しきれいに剥がれる被転写材料の超微細プレス加工の露光光源（Ushio, 50mW/cm2）により 20-30 秒程度で光リピータビリティ特性を評価した。表１に定温ステップア架橋反応したため、従来の熱架橋反応を利用する被転写材

ンドフラッシュによる超微細プレス加工のプロセス条件に比べ高生産性の優位性があることが明らかになった。

を示す。
表１ 超微細プレス加工のプロセス条件
Template pattern

80 nm(L&S=1:1）

Template size

10×10 mm2
quartzTotal resist volume

240 nlwith 39 shot points
Pre exposure delay time
図４ ラクツロース誘導体系被転写材の赤外吸収スペクトル90 s

UV exposure time

30 s

Zheadvelocity

0.45 mm/sImprint force

13.5 N

Template cavity pressure

0.05 bar

3.2 被転写材料の機械的強度
ラクツロース誘導体系被転写材の押し込み弾性率は、1000-2000 MPa であった。触媒の添加量を増加させるに従い、ラクツロース誘導体系被転写材の押し込み弾性率は上昇し、触媒の添加量を最適化した分子系では、光酸触媒を添加していない分子系よりも 3 倍以上高い押し込み弾性率を示した。
また、テンプレート材料として利用されている Poly(dimethylsiloxane)のヤング率は 300-500 MPa と報告されているため、ラクツロース誘導体系被転写材の押し込み弾性率が 2 倍以上大きい結果となった。ラクツロース誘導
体系被転写材は、金型（テンプレート、モールド）から繰り返しきれいに剥がれる超微細プレス加工用被転写材として適用できる機械的強度を有すると考えられた。

3.3 被転写材料の酸素ガス透過性
特定ウィルス検査分析フィルムや分離シート等のバイオ分析シートへの展開を目指すため、ラクツロース誘導体

図５ インクジェットディスペンサにより滴下した
ラクツロース誘導体系被転写材の滴下マップ

高密着性下層膜材料をスピン塗布した後、ラクツロースしかしながら、超微細プレス加工の回数が増加するに従誘導体系被転写材をインクジェットディスペンサによりい、微小欠陥数が増加していた。ラクツロース誘導体系被液滴状に塗布した。図５にラクツロース誘導体系被転写転写材のパターンのアスペクト比、及びテンプレート表面材の滴下マップを示す。テンプレートの凹部に最小量のラ処理離型剤も依存することが考えられるため、研究継続すクツロース誘導体系被転写材の滴下により、超微細プレスる。

加工後のラクツロース誘導体系被転写材の残膜の薄膜化、及び異物発生を抑える低圧（13.5 N）において超微細プレス加工を行った。

４．まとめ

図６に高密着性下層膜材料上のラクツロース誘導体系細胞分離凝集防止バイオチップの表面ナノ加工用に、き被転写材の超微細プレス加工のリピータビリティの評価

れいに剥がれるラクツロース誘導体を被転写材料に利用結果を示す。1 回目のパターンの線幅は、平均値 78 nm

した超微細プレス加工のプロセス条件に依存する異物発であり、テンプレートの線幅 80 nm に比べ小さいことが生頻度を研究した。同一テンプレートを繰り返して超微細分かった。これは、図１に示すラクツロース誘導体系被転プレス加工を 50 回行い、ラクツロース誘導体として良好写材が、光照射時に収縮しているためと考えられる。

な初期結果を確認した。

次に、同一条件で 10-50 回超微細プレス加工した後のラまた、フィルムに成型して特性評価をした結果、優れたクツロース誘導体系被転写材の表面形状を比較した結果、機械的強度と酸素ガス透過係数を有することが分かった。

1 回目と 50 回目のパターンの線幅の平均値は 74±4 nm で今後、工業用デンプンからの機能化技術が生み出す離型性あり、ほぼ等しい線幅が得られたことを分かった。図２にに優れ、きれいに剥がれる植物生産物の糖鎖やラクツロー示すテンプレートをラクツロース誘導体系被転写材に加ス誘導体を用いる超微細プレス加工の開発により、競合ナ圧した状態での光照射により、高密着性下層膜材料と光架ノ加工技術であるフォトリソグラフィに比べ、細胞分離凝橋反応を起こすラクツロース誘導体系被転写材を用いる集防止バイオチップの生産性及びコスト面の優位性の確方法は、同一テンプレートを繰り返して超微細プレス加工立を目指す。

する際に、繰り返しきれいに剥がれる効果があることが分かった。

謝

物理的接触によりパターニングする超微細プレス加工の材料設計指針により解決できる可能性を示した。

辞本研究は公益財団法人 天田財団の一般研究開発助成の欠点であるパターンの剥がれによる加工欠損を本提案（AF-2013025）の補助を受け、遂行された。ここに深く感謝の意を表する。また、平成 26-28 年度、日本学術振興会二国間交流事業オープンパートナーシップ共同研究(課題番号:14039901-000025)の微細加工技術や感光性材料設計について指導いただいた The University of Texas
at Austin の Carlton Grant Willson 教授と富山県立大学
花畑 誠 客員教授にお礼申し上げる。

参考文献
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図６ 超微細プレス加工の繰り返し回数依存性

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