JP2005178236A

JP2005178236A - 微細形状物の成形方法及び成形機

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Publication number: JP2005178236A
Application number: JP2003424365A
Authority: JP
Inventors: Masaya Hirata; 雅也平田; Nobuyuki Asahi; 信行朝日
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2003-12-22
Filing date: 2003-12-22
Publication date: 2005-07-07

Abstract

【課題】微細形状を有する薄肉樹脂成形物の成形方法において、微細形状部の成形転写性を確保し、かつ厚み精度の良い成形品を得る。
【解決手段】基板１の上に樹脂２の液が略均一厚みとなるように樹脂液面を制御しながら樹脂液を塗布する樹脂液塗布工程と、基板上の樹脂液を冷却して粘度を高める樹脂液粘度上昇工程と、樹脂液粘度上昇させた後、基板と平行な軸周りに回転可能に設けられたスタンパを用いて真空雰囲気内で樹脂液を圧縮成形する圧縮成形工程と、樹脂圧縮成形後、樹脂を架橋反応させて樹脂硬化させる樹脂硬化工程と、を備える。樹脂液の粘度を高めた後に、回転可能なスタンパ８を用いて樹脂を圧縮成形するので、スタンパ８と基板１間の平行度のズレを吸収でき、微細形状物を精度良く転写成形することができ、また、成形品厚みを所望の精度内に成形することができる。
【選択図】図５

Description

本発明は、微細形状を有する薄肉樹脂成形品の成形方法及び成形機に関する。

大型の薄板状成形品を高精度に成形する方法として、最終成形品の平面サイズの４０〜１００％の平面サイズを有する予備成形体を熱硬化性樹脂で成形し、この予備成形体を成形型内で加圧成形する方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、画像表示等に用いられる光スイッチングデバイスの微細構造体の製造方法において、半導体基板上に樹脂を塗布し、樹脂の粘度を低くした状態でスタンパにより微細形状をエンボス成形するものがある（特許文献２参照）。
特開２００１−２０５６４９号公報特開２００２−２８７０４３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された方法では、基本的に顆粒状または破砕材料を用いた成形を想定しており、成形品厚みに関しても２〜３ｍｍ程度の、比較的厚みのある薄板成形方法に関するものである。また、成形品厚みの精度に関しても、１００μｍ未満程度であるため、最終成形品厚みが数十μｍ程度以下となることを想定した成形品への適用は困難であり、実際上、数μｍ〜十数μｍの成形品厚み精度で成形することはできない。

また、上記特許文献２に記載された方法では、樹脂塗布工程後、樹脂粘度が低いまま、圧縮成形を行うため、基材とスタンパ形状面との平行が出ていないと、プレス時に、基材とスタンパの一部分だけが最初に接触することになり、この時、スタンパ保持ブロックの重みで樹脂が変形してしまうため、成形品厚みが均一な成形品を得ることが難しいという問題がある。
本発明は、上記の問題を解決するためになされたものであり、微細形状を有する薄肉樹脂成形品について、微細形状部の成形転写性を確保し、かつ厚み精度の良い成形品を得ることができる、微細形状成形品の成形方法及び成形機を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、微細形状を有する薄肉樹脂成形物の成形方法において、基板の上に樹脂液が略均一厚みとなるように樹脂液面を制御しながら樹脂液を塗布する樹脂液塗布工程と、上記基板上の樹脂液を冷却して粘度を高める樹脂液粘度上昇工程と、上記工程により樹脂液粘度上昇させた後、基板と平行な軸周りに回転可能に設けられたスタンパを用いて真空雰囲気内で樹脂液を圧縮成形する圧縮成形工程と、上記工程による樹脂圧縮成形後、樹脂を架橋反応させて樹脂硬化させる樹脂硬化工程と、を備えたものである。

請求項２の発明は、請求項１記載の微細形状成物の成形方法において、樹脂液塗布工程の液面制御方法として、スピンコート法を用いることを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１記載の微細形状物の成形方法において、樹脂液塗布工程で樹脂液面を１０μｍ以内の平面度で制御することを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１記載の微細形状物の成形方法において、圧縮成形工程において、背面に弾性体を備えたスタンパを用いることを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項４記載の微細形状物の成形方法において、圧縮成形工程において、１０Ｎを負荷したときに前記弾性体が２０μｍ以上変位する構造を有することを特徴とする。

請求項６の発明は、請求項４記載の微細形状物の成形方法において、圧縮成形工程において、圧縮方向へのスタンパの変位量を制限するストッパ機構を有する成形機を用いることを特徴とする。

請求項７の発明は、請求項１記載の微細形状物の成形方法において、圧縮成形工程において、基材との位置合せ用の嵌合凹凸部を前面に備えたスタンパを用いることを特徴とする。

請求項８の発明は、請求項７記載の微細形状物の成形方法において、圧縮成形工程において、前記嵌合凹凸部がテーパ形状を備えているスタンパを用いることを特徴とする。

請求項９の発明は、請求項４記載の微細形状物の成形方法における圧縮成形工程を実施するために用いられる成形機であって、背面に弾性体を備えたスタンパを備えたものである。

請求項１の発明によれば、液面制御された樹脂液を冷却して粘度を高めた後に、回転可能なスタンパを用いて樹脂を圧縮成形するので、スタンパと基板間の平行度のズレを吸収でき、微細形状物を精度良く転写成形することができ、さらには空気を噛み込むことがなくなり、より高精度な成形が可能となる。また、樹脂の粘度を制御することにより、圧縮工程における樹脂の変形量を規定でき、成形品厚みを所望の精度内に成形することができる。なお、樹脂液粘度上昇工程として、樹脂液を加熱して粘度を上昇させると、樹脂液が半硬化した状態で賦形することになり、精度の良い転写は困難である。

請求項２の発明によれば、容易に樹脂液面を所定の厚み精度に塗布制御することが可能となる。

請求項３の発明によれば、圧縮成形工程におけるプレス量が小さくてすむため、成形品厚みを所望の精度内に成形することが可能となる。

請求項４の発明によれば、圧縮成形時において、基板に塗布された樹脂厚み分布にしたがって、スタンパが自由に回転（首振り）できると共に、樹脂液に圧縮力を与えることができるため、成形樹脂厚み精度の確保と形状転写性の向上が可能となる。

請求項５の発明によれば、小さい負荷圧で大きく変形する弾性体を適用することにより、成形樹脂厚み精度の確保が行い易い。

請求項６の発明によれば、圧縮成形時において圧縮量を規定できる。

請求項７の発明によれば、圧縮成形時において上下型の位置合せが容易に行える。

請求項８の発明によれば、圧縮成形時において上下型の位置が多少ずれていても、最終的な位置合せが可能となる。

請求項９の発明によれば、薄肉の微細形状を持つ樹脂成形物を精度良く成形可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態による微細形状物の成形方法の手順を示す。本成形方法は、基材となる例えばＳｉ基板の上に樹脂液が略均一厚みとなるように樹脂液面を制御しながら樹脂液を塗布する樹脂液塗布工程（＃１）と、上記基板上の樹脂液を冷却して粘度を高める樹脂液粘度上昇工程（＃２）と、基板と平行な軸周りに回転可能に設けられたスタンパを用いて真空雰囲気内で樹脂液を圧縮成形する圧縮成形工程（＃３）と、樹脂の圧縮成形後、樹脂を架橋反応させて樹脂硬化させる樹脂硬化工程（＃４）と、を備えている。これら各工程について詳細説明する。

まず、樹脂液塗布工程（＃１）について説明する。図２は樹脂液塗布と樹脂液面制御の様子を、図３はスピンコート法を用いた樹脂液面制御方法を示す。Ｓｉ基板１（またはガラス基板、金属基板）等の均一平面を有する基材の上に液状の樹脂２を所定量だけ塗布し、スピンコート法により樹脂液面を制御して樹脂液層の厚みを均一にする。使用する樹脂液の例としては、アクリル系の架橋反応性樹脂が挙げられ、常温（２５℃）での樹脂液粘度は５００〜２０００ｍＰａ・ｓ程度である。樹脂液面制御の方法としては、樹脂液中に基材を一旦浸してから引き上げるディッピングや、樹脂の塗布後、ヘラで樹脂液を均一にならすスキージング等の方法があるが、図３に示すように基材を回転させて不要な樹脂液をＳｉ基板外に飛ばしてしまうスピンコートを行うことで、容易に樹脂液層の厚みを均一にすることができる。この時、樹脂液層の厚みは１０〜２０μｍ程度となる。

上記ディッピング、スキージング、スピンコート等のいずれの方法を用いても、樹脂液層の厚み精度を均一にし、樹脂液面を１０μｍ以内の平面度になるように制御することが可能であり、スピンコート法であれば、樹脂粘度とスピンコート時の回転速度を調整することにより、樹脂液面を１０μｍ以内の平面度で制御することは容易である。樹脂液面を１０μｍ以内の平面度で制御することにより、後工程である圧縮成形工程においてプレスする量が小さくてすみ、最終的な成形品厚み精度を確保しやすくなる。

次に、樹脂液粘度上昇工程（＃２）の２つの実施方法を説明する。図４は冷却による樹脂液粘度調整（上昇）工程の実施に用いる冷蔵庫の断面を示す。図５は冷却による樹脂液粘度調整（上昇）工程の実施に用いる成形機の断面を示す。上述の樹脂液塗布工程の後、図４に示すように、樹脂２を塗布したＳｉ基板１（基材という）を冷蔵庫３に移動させて冷却し（５〜１５℃程度）、樹脂２の粘度を上昇（３０００〜６０００ｍＰａ・ｓ程度）させる。この樹脂粘度上昇工程の後に、後述する圧縮成形工程を行う。樹脂粘度上昇工程を行うことにより、樹脂粘度を制御することができるため、圧縮成形工程における樹脂の変形量を規定することができ、成形品厚みを所望の精度内に成形することが可能となる。

また、図５に示すように、成形機４に基材をセットした後に、下ダイプレート６近傍に設けた冷却媒体噴出管１３より液体窒素等を噴出し、成形雰囲気温度を低下させた状態で成形を行うことも可能である。成形機４は、開閉可能な上ダイプレート５と下ダイプレート６とから成り、上ダイプレート５には枠状に上型保持ブロック７が取り付けられ、このブロック７にスタンパ８の周囲が保持される。スタンパ８の上にはスタンパ保持ブロック９と弾性体１０が位置する。上下ダイプレート５，６には、ヒータ１１が設けられている。

樹脂粘度上昇工程を設けたことにより次の効果が得られる。いま、樹脂粘度上昇工程を行わずに、樹脂塗布工程後、すぐに圧縮成形を行った場合を考えると、図６に示した圧縮成形工程において、図示のように、Ｓｉ基板１（基材）とスタンパ形状面との平行が出ていないと、プレス時に、Ｓｉ基板１とスタンパ８の一部分だけ（図中左端）が最初に接触することになる。この時、樹脂２の粘度が低いと、スタンパ保持ブロック９の重みで樹脂２が変形してしまうため、成形品厚みが均一の成形品を得ることができない。

次に、圧縮成形工程（＃３）について説明する。図６（ａ）（ｂ）（ｃ）は、成形機４の圧縮成形手順毎の断面を示す。ここでは、Ｓｉ基板１（基材）とスタンパ形状面との平行が出ていない場合を図示している。圧縮成形工程において、先ず、図６（ａ）に示すように、樹脂粘度上昇工程を経た後の基材を、成形機４の下ダイプレート６に設置する。基材の樹脂塗布面には、スタンパの微細形状部８ａ（凹凸が５〜１５μｍ程度）を有する面が相対するように配置される。スタンパ８は厚みが１００〜５００μｍの薄板であり、厚み精度は±１〜５μｍであり、微細形状を有さない裏面は平滑面である。スタンパ保持ブロック９は、十分な厚み（３〜１０ｍｍ程度）があり、スタンパ８と接触している面は平面度が１０μｍ以下の平滑面で、磁力、又は真空吸着力等でスタンパ８を密着（接着）保持しており、スタンパ８と一体物となっている。

このようにスタンパ保持ブロック９と一体になっているスタンパ８の微細形状を有する面は、ソリやうねりのない平滑面として構成することができ、最終成形品の微細形状面もソリやうねりのない平滑面とすることができる。一体物となっているスタンパ８及びスタンパ保持ブロック９は、その周囲が上型保持ブロック７に支持されているだけの構造としている。この構造であれば、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９の一体物は下から力が加わったとき、力が加わった部分が上へ持ち上がる。なお、一体物となっているスタンパ８及びスタンパ保持ブロック９の総重量は１００〜２００ｇ程度である。

ここに、Ｓｉ基板１（基材）とスタンパ形状面との平行が出ていない場合には、図６（ｂ）に示すように、プレス時に、Ｓｉ基板１（基材）の樹脂塗布部とスタンパ８の一部分だけ（図中左端）が最初に接触することになる。この時、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９は、その周囲が上型保持ブロック７に支持されているだけの構造であるので、最初に接触した部分（図中左端）のみが持ち上がる。つまり、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９は、図中右端の支点１５を通り紙面に垂直な軸に対して、時計回りに回転することになる。こうして、図６（ｃ）に示すように、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９の自重によるプレスが完了する。

このように、スタンパ８がＳｉ基板１（基材）面に対して平行な軸周りに回転可能な構成とすることにより、スタンパ８とＳｉ基板１（基材）間の平行度のズレを吸収し、成形品厚み精度を確保することが可能となる。また、圧縮成形のプレスは、真空雰囲気中で行う。真空下でプレスを行うことにより、樹脂と形状部の間に空気を噛み込むことがなく、高精度な成形を行うことができる。

次に、樹脂硬化工程（＃４）について説明する。図７、図８はそれぞれ樹脂硬化工程を実施するための構成を示す。圧縮成形工程後、成形樹脂が熱硬化性樹脂である場合には、加熱により樹脂を硬化させる。そのために、図７に示すように、成形機ダイプレート内に配置されているヒータ１１を用いて加熱し、樹脂硬化させる。また、図８に示すように、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９とＳｉ基板１（基材）が一体化したものを成形機から取出し、加熱炉１７内に移動させて樹脂硬化させる方法でも構わない。図８に示す方法であれば、複数の型（スタンパ）を用いれば、圧縮成形工程と樹脂硬化工程を並行して行うことができるため、全体としての工程時間短縮に有効である。成形樹脂が光硬化性樹脂である場合には、基材をガラス基板とし、圧縮成形工程後、ガラス基板越しに光を照射して樹脂硬化を行う。

図９は、本発明の他の実施例として、圧縮成形工程に関わる構成が上記と異なる成形機を示す。圧縮成形工程において、前工程（樹脂液塗布工程）で液状樹脂層の厚みが均一に塗布されたＳｉ基板１（基材）を、成形機４の下ダイプレート６に設置する。Ｓｉ基板１の樹脂塗布面には、スタンパ８の微細形状部を有する面が相対するように配置されている。前述と同様に、スタンパ保持ブロック９と一体になっているスタンパ８の微細形状を有する面は、ソリやうねりのない平滑面として構成することができる。一体物となっているスタンパ８及びスタンパ保持ブロック９は、その周囲が上型保持ブロック７に支持される。また、一体物となっているスタンパ８及びスタンパ保持ブロック９背面と成形機４の上ダイプレート５との間には弾性体１０を備えている。

この構造であれば、Ｓｉ基板１（基材）とスタンパ形状面との平行が出ていない場合には、プレス時にＳｉ基板１の樹脂塗布部とスタンパ８の一部分だけ（図中左端）が最初に接触することになり、この時、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９の一体物の最初に接触した部分（図中左端）のみが持ち上がるが、この持ち上がり部分に相対する弾性体１０の部分（図中左端）が凹むことによって、成形機４の上ダイプレート５からのプレス力を均一にスタンパ保持ブロック９及びスタンパ８に伝えることが可能となる。つまり、本実施例の構造によれば、圧縮時において、Ｓｉ基板１に塗布された樹脂厚みにしたがって、スタンパ８及びスタンパ保持ブロック９の一体物が自由に回転（首振り）できると共に、樹脂液に圧縮力を均一に与えることができるため、成形品樹脂厚み精度の確保と形状転写の向上が可能となる。上記効果をより有効に実現するためには、弾性体１０が、１０Ｎ（ニュートン）の力を負荷した時に２０μｍ以上変位する構造を有するものとする。

実施例として、４インチサイズのシリコン基板上に粘度３０００ｍＰａ・ｓ程度に制御した樹脂液を１０〜２０μｍの厚みで塗布した場合に、望ましくは、１０Ｎの力を負荷した時に０．２８ｍｍから０．３３ｍｍ変位する弾性体を用い、樹脂とスタンパとが初期に接触した位置から０．１ｍｍ押し込むことにより、成形品平面度２μｍ、形状転写率９５％の成形品を得ることができた。

図１０は、本発明のさらに他の実施例による成形機を示す。この成形機４は、下ダイプレート６に、「Ｓｉ基板＋最終成形品厚み」と同じ高さであるストッパブロック１８を備える。圧縮成形工程において、ストッパブロック１８上面とスタンパ８の形状面とが接触した時点で、プレスを停止させる。このストッパブロック１８は、圧縮成形工程において、圧縮方向へのスタンパ８の変位量を制限するストッパ機構となり、これにより、成形品厚みを確実に規定できるため、厚み精度にすぐれた成形品を得ることが可能となる。なお、上記実施例では、成形機４の下ダイプレート６にストッパブロック１８を備える場合について述べたが、成形機４の上側にストッパ機構を設けても構わない。

図１１は、本発明のさらに他の実施例による成形機を示す。この成形機は、スタンパ形状面に位置合せ凸部１９を設け、その凸部１９と相対するＳｉ基板１（基材）に凸部１９と嵌合可能な凹部２０を設け、これらの凹凸部形状をアライメントマークとして用いる。アライメントは図示しないＣＣＤカメラ等で行い、アライメント後、プレス工程を行う。凹部の寸法は凸部１９の寸法より数μｍ大きめの寸法で設定し、嵌合時には若干のアライメント誤差を吸収できる設定とする。

このように、位置合せ用の凹凸形状を設けることにより、微細形状が変更されてもスタンパとＳｉ基板１（基材）は確実に位置合せが可能となり、位置合せが必要となる成形品（パッシブ構造導波路基板、光−電気複合基板等）に対しては有効な手段となる。

図１２は、本発明のさらに他の実施例による成形機を示す。この成形機は、スタンパ形状面に位置合せテーパ嵌合部２１を設け、テーパ嵌合部２１と相対するＳｉ基板１（基材）に該嵌合部２１と嵌合可能な凹部２２を設け、これら凹凸形状の先端をテーパ形状としたものである。これにより、初期のアライメントのズレを容易に吸収することができると共に、凹凸のテーパ形状が最終的に沿うことにより、Ｓｉ基板１（基材）に対する成形品の最終の位置を誤差なく決めることが可能となる。なお、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で種々の変形が可能である。

本発明の実施形態に係る微細形状物の成形方法の手順を示すフロー図。実施形態に係る樹脂液塗布と樹脂液面制御の様子を示す図。実施形態に係るスピンコート法を用いた樹脂液面制御方法を説明する図。実施形態に係る樹脂液粘度調整（上昇）工程での冷蔵庫の断面図。実施形態に係る樹脂液粘度調整（上昇）工程での成形機の断面図。（ａ）（ｂ）（ｃ）は成形機の圧縮成形手順毎の断面図。実施形態に係る樹脂硬化工程での成形機の断面図。実施形態に係る樹脂硬化工程での加熱炉の断面図。他の実施例による成形機の圧縮成形手順毎の断面図。さらに他の実施例による成形機の圧縮成形手順毎の断面図。さらに他の実施例による成形機の圧縮成形手順毎の断面図。さらに他の実施例による成形機の圧縮成形手順毎の断面図。

符号の説明

１Ｓｉ基板（基材）
２樹脂
３冷蔵庫
４成形機
５上ダイプレート
６下ダイプレート
７上型保持ブロック
８スタンパ
１０弾性体
１１ヒータ
１３冷却媒体噴出管
１７加熱炉
１８ストッパブロック（ストッパ機構）
１９位置合せ凸部（嵌合凹凸部）
２０，２２凹部（嵌合凹凸部）
２１位置合せテーパ嵌合部（嵌合凹凸部）

Claims

微細形状を有する薄肉樹脂成形物の成形方法において、
基板の上に樹脂液が略均一厚みとなるように樹脂液面を制御しながら樹脂液を塗布する樹脂液塗布工程と、
上記基板上の樹脂液を冷却して粘度を高める樹脂液粘度上昇工程と、
上記工程により樹脂液粘度上昇させた後、基板と平行な軸周りに回転可能に設けられたスタンパを用いて真空雰囲気内で樹脂液を圧縮成形する圧縮成形工程と、
上記工程による樹脂圧縮成形後、樹脂を架橋反応させて樹脂硬化させる樹脂硬化工程と、
を備えたことを特徴とする微細形状物の成形方法。
樹脂液塗布工程の液面制御方法として、スピンコート法を用いることを特徴とする請求項１記載の微細形状成物の成形方法。
樹脂液塗布工程で樹脂液面を１０μｍ以内の平面度で制御することを特徴とする請求項１記載の微細形状物の成形方法。
圧縮成形工程において、背面に弾性体を備えたスタンパを用いることを特徴とする請求項１記載の微細形状物の成形方法。
圧縮成形工程において、１０Ｎ（ニュートン）を負荷したときに前記弾性体が２０μｍ以上変位する構造を有することを特徴とする請求項４記載の微細形状物の成形方法。
圧縮成形工程において、圧縮方向へのスタンパの変位量を制限するストッパ機構を有する成形機を用いることを特徴とする請求項４記載の微細形状物の成形方法。
圧縮成形工程において、基材との位置合せ用の嵌合凹凸部を前面に備えたスタンパを用いることを特徴とする請求項１記載の微細形状物の成形方法。
圧縮成形工程において、前記嵌合凹凸部がテーパ形状を備えているスタンパを用いることを特徴とする請求項７記載の微細形状物の成形方法。
請求項４記載の微細形状物の成形方法における圧縮成形工程を実施するために用いられる成形機であって、背面に弾性体を備えたスタンパを備えた微細形状物成形用の成形機。