JP2020049646A - 微細加工装置、微細加工方法、転写型、及び転写物 - Google Patents
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Abstract
Description
切削条件(1):各セットの始点と終点で振動の位相が揃っている。
切削条件(2):各セット間で振動の位相が揃っている。
切削条件(1):各セットの始点と終点で振動の位相が揃っている。
切削条件(2):各セット間で振動の位相が揃っている。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):基材上に複数列の微細凹部が形成されており、隣接する微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、2ピッチ毎に微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):基材上に複数列の微細凹部が形成されており、隣接する微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、2ピッチ毎に微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
まず、図1A及び図2に基づいて、本実施形態に係る微細加工装置1の構成について説明する。図1Aは、切削工具の振動と、原盤用基材(ロール)の回転とを同期させて切削を行う微細加工装置1の全体構成を示すブロック図である。微細加工装置1は、原盤用基材(ロール)100を切削することで、原盤用基材100の表面に微細凹部110を形成する。これにより、図10に示す原盤120を作製する。原盤用基材100は円柱または円筒形状となっている。原盤120は、例えばインプリンティング用の原盤であり、原盤120を転写型として図11A、図11Bに示す転写物200を作製することができる。原盤120及び転写物200については後述する。なお、図1Aの構成は、例えば、後述する輪切り切削パターン又は螺旋切削パターンの加工を行う場合に、採用することができる。
つぎに、図3、図4A、図4B、図4Cに基づいて、制御部72による処理の概要について説明する。制御部72は、上述したように、切削装置20の動作を制御する。より具体的には、制御部72は、切削工程を複数セット行う。ここで、切削工程は、工具設置部40を原盤用基材100に対して相対移動させ、かつ切削工具60を振動させながら原盤用基材100を切削する工程である。工具設置部40を原盤用基材100に対して相対移動させることで、微細凹部110が原盤用基材100上に形成され、図3に示す螺旋切削パターン、図4Aに示す輪切り切削パターン、図4Bに示すスラスト切削パターンまたは図4Cに示す斜めスラスト切削パターンが実現される。螺旋切削パターン、輪切り切削パターン、スラスト切削パターン及び斜めスラスト切削パターンは、前セットの切削位置に隣接する位置で現セットの切削を行う並列切削工程の一例である。微細凹部110は、底部110a及び側壁110bを有する。隣接する微細凹部110間の境界部分が微細凸部111となる。
切削条件(1):各セットの始点と終点で振動の位相が揃っている。
切削条件(2):各セット間で振動の位相が揃っている。
つぎに、図6A〜図8Bに基づいて、処理の具体例について説明する。図6A、図6Bは輪切り切削パターンの一例である。この例では、制御部72は、上述した輪切り切削パターンに沿った切削を行う。さらに、制御部72は、上述した切削条件(1)、(2)を満たすように切削工具60をz2軸方向に振動させる。ここでは、原盤用基材100の1周分の切削を1セットの切削工程とする。さらに、制御部72は、切削工具60による切削領域を微細凹部110のピッチ間で重複させる。この結果、図6A、図6Bに示す微細凹部110が形成される。微細凹部110の底部110a、側壁110b及び微細凸部111は平面視で直線となっている。一方で、微細凸部111の上端部の高さがz2軸方向に振動している。さらに、隣接する微細凸部111間で微細凸部111の振動波形が揃っている。なお、切削工具60による切削領域を微細凹部110のピッチ間で離間させた場合、図6Cに示す微細凹部110が形成される。この例では、微細凹部110の底部110aは平面視で直線となっている。一方で、微細凹部110の側壁110bの形状は平面視で振動波形となっている。側壁110bの振動波形の位相は隣接する微細凹部110間で揃っている。切削工具60の工具切削部62がテーパ形状となっているので、このような振動波形が形成される。
ここで、切削条件(1)、(2)で示される通り、本実施形態では、切削工具の振動の位相をセット間または同一セットの始点及び終点で揃えることが非常に重要になる。ただし、実際の切削工程では、振動の位相を完全に揃えることは難しい。そこで、本発明者は、許容誤差について検討したところ、ある程度の許容誤差の範囲内であれば欠陥の発生が抑制されることがわかった。
つぎに、微細加工装置1を用いた微細加工方法の一例を図9Aに示すフローチャートに沿って説明する。作業者は、以下に説明する工程を行うことで、原盤を作製する。
図10A、図10B、図10Cは、上記微細加工方法によって作製される原盤120の一例を示す。原盤120は、例えばインプリント技術に使用される転写型である。原盤120は円柱または円筒形状となっており、その周面には多数の微細凹部110が形成されている。微細凹部110の側壁110b及び底部110aの少なくとも一方は、以下の振動波形条件(1)〜(4)の少なくとも1つ以上(好ましくは全て)を満たす振動波形を有する。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):原盤用基材100上に複数列の微細凹部110が形成されており、隣接する微細凹部110間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):原盤用基材100上に複数列の微細凹部110が形成されており、2ピッチ毎に(すなわち2周に1回)微細凹部110間で振動波形の位相が揃っている。
図11A、図11Bは原盤120の表面形状を転写することで作製される転写物200の一例を示す。転写物200は、転写物用基材210と、転写物用基材210の表面に形成された微細凹凸層220とを有する。微細凹凸層220には、多数の微細凹部230と、微細凹部230間に形成される微細凸部240とが形成されている。微細凹凸層220の表面形状は原盤120の表面形状の反転形状となっている。すなわち、微細凹部230の形状は微細凸部111の反転形状となっており、微細凸部240の形状は微細凹部110の反転形状となっている。図11A、図11Bに示す転写物200は、図7A、図7Bに示す原盤120を用いて作製されたものである。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):転写物用基材210上に複数列の微細凹部230が形成されており、隣接する微細凹部230間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):転写物用基材210上に複数列の微細凹部230が形成されており、2ピッチ毎に微細凹部230間で振動波形の位相が揃っている。
つぎに、本実施形態の実施例を説明する。実施例1では、直径250mm、長さ1000mmの円柱形状の原盤用基材100を準備した。材質はS45Cとした。ついで、原盤用基材100にニッケルリンめっき処理を施すことで原盤用基材100上に被覆層を形成した。さらに、被覆層を平坦化した。平坦化のための具体的な処理は上述したとおりである。
切削パターンを輪切り切削パターンとした他は実施例1と同様の試験を行った。輪切り切削パターンのピッチは実施例1と同様とした。この結果、微細凹部110には振動波形が連続して形成されており、欠陥は見受けられなかった。
切削パターンをクロス螺旋切削パターンとした他は実施例1と同様の試験を行った。クロス螺旋切削パターンのピッチは実施例1と同様とした。この結果、微細凹部110には振動波形が連続して形成されており、欠陥は見受けられなかった。
比較例1では、1セット目の深掘り切削工程と2セット目の深掘り切削工程との位相を45°ずらし、かつ、切込み差を0とした他は実施例1と同様の処理を行った。つまり、比較例1は、切削条件(2)を満たさない切削を行った。図12に振動波形を示す。図12の横軸は振動の位相(°)を示し、縦軸は振動の変位(z2座標値+切込み差)を示す。グラフL11は1セット目の深掘り切削工程の振動波形を示し、グラフL12は2セット目の深掘り切削工程の振動波形を示す。グラフL11とグラフL12との差の最大値(以下、「深さ変動量」とも称する)Dは深さ設定値(振幅+切込み差)の25%程度である。図13のグラフL13は微細凹部110の振動波形を示す。横軸は微細凹部110の振動の位相(°)を示し、縦軸は微細凹部110の振幅を示す。なお、実施例1〜3では、グラフL11、L12の位相が一致することになる。
比較例2では、1セット目の深掘り切削工程と2セット目の深掘り切削工程との位相差を90°とした他は比較例1と同様の処理を行った。比較例2では、深さ変動量Dは深さ設定値の50%となる。比較例2でも欠陥が発見された。
比較例3では、1セット目の深掘り切削工程と2セット目の深掘り切削工程との位相差を180°とした他は比較例1と同様の処理を行った。比較例3では、深さ変動量Dは深さ設定値の100%となる。比較例3でも欠陥が発見された。
比較例4では、1セット目の深掘り切削工程と2セット目の深掘り切削工程との位相差を10°とした他は比較例1と同様の処理を行った。比較例4では、深さ変動量Dは深さ設定値の5%となる。比較例4でも欠陥が発見された。
比較例5では、1セット目の深掘り切削工程と2セット目の深掘り切削工程との位相差を5°とした他は比較例1と同様の処理を行った。比較例5では、深さ変動量Dは深さ設定値の3%となる。比較例5でも欠陥が発見された。
比較例6では、切込み差を3μmとした他は比較例1と同様の処理を行った。図14に振動波形を示す。図14の横軸は振動の位相(°)を示し、縦軸は振動の変位(z2座標値+切込み差)を示す。グラフL11は1セット目の深掘り切削工程の振動波形を示し、グラフL12は2セット目の深掘り切削工程の振動波形を示す。深さ変動量Dは深さ設定値の25%程度である。図15のグラフL13は微細凹部110の振動波形を示す。横軸は微細凹部110の振動の位相(°)を示し、縦軸は微細凹部110の振幅を示す。比較例6でも欠陥が発見された。
比較例7では、切込み差を3μmとした他は比較例2と同様の処理を行った。深さ変動量Dは深さ設定値の50%程度である。比較例7でも欠陥が発見された。
比較例8では、切込み差を3μmとした他は比較例3と同様の処理を行った。深さ変動量Dは深さ設定値の100%程度である。比較例8でも欠陥が発見された。図22に観察画像の一例としてSEM画像を示す。SEM画像から明らかな通り、比較例8では欠陥Aが発見された。
比較例9では、切込み差を3μmとし、位相差を40°とした他は実施例1と同様の処理を行った。深さ変動量Dは深さ設定値の22%程度である。比較例9でも欠陥が発見された。
比較例10では、切込み差を3μmとし、位相差を50°とした他は実施例1と同様の処理を行った。深さ変動量Dは深さ設定値の27%程度である。比較例10でも欠陥が発見された。
比較例11では、振幅を3μmとし、切込み差を1.5μmとした他は比較例2と同様の処理を行った。図16に振動波形を示す。図16の横軸は振動の位相(°)を示し、縦軸は振動の変位(z2座標値+切込み差)を示す。グラフL11は1セット目の深掘り切削工程の振動波形を示し、グラフL12は2セット目の深掘り切削工程の振動波形を示す。深さ変動量Dは深さ設定値の50%程度である。図17のグラフL13は微細凹部110の振動波形を示す。横軸は微細凹部110の振動の位相(°)を示し、縦軸は微細凹部110の振幅を示す。比較例11でも欠陥が発見された。
比較例12では、振幅を3μmとし、切込み差を1.5μmとした他は比較例3と同様の処理を行った。深さ変動量Dは深さ設定値の100%程度である。比較例12でも欠陥が発見された。
比較例13では、切削パターンを輪切り切削パターンとした他は比較例1と同様の処理を行った。比較例13でも欠陥が発見された。
比較例14では、切削パターンを輪切り切削パターンとした他は比較例2と同様の処理を行った。比較例14でも欠陥が発見された。
比較例15では、切削パターンを輪切り切削パターンとした他は比較例3と同様の処理を行った。比較例15でも欠陥が発見された。
比較例16では、切削パターンを輪切り切削パターンとした。さらに、深掘り切削工程は行わず、切削条件(1)を満たさない切削を行った。具体的には、上述したケース1において、オーバーラップの長さが110μmとなり、段差が0.6μmとなるように切削を行った。切削の振動波形を図18に示す。図18の横軸はy座標値(°)を示し、縦軸は振動の変位(μm)を示す。グラフL4は始点近傍の振動波形を示し、グラフL5は終点近傍の振動波形を示す。距離D2は段差の深さを示し、距離D3はオーバーラップの長さを示す。比較例16では、始点と終点との境界部分において欠陥が発見された。
オーバーラップの長さを6.2μm、段差を0.003μmとした他は比較例16と同様の処理を行った。この結果、欠陥は発見されなかった。
比較例17では、切削パターンを輪切り切削パターンとした。さらに、深掘り切削工程は行わず、切削条件(1)を満たさない切削を行った。具体的には、上述したケース2において、平坦部の長さが0.55μmとなるように切削を行った。切削の振動波形を図19に示す。図19の横軸はy座標値(°)を示し、縦軸は振動の変位(μm)を示す。グラフL6は始点近傍の振動波形を示し、グラフL7は終点近傍の振動波形を示す。距離D4は平坦部の長さ(y軸方向の長さ)を示す。比較例17では、始点と終点との境界部分において欠陥が発見された。
平坦部の長さを0.2μmとした他は比較例17と同様の処理を行った。この結果、欠陥は発見されなかった。
切削パターンをスラスト切削パターンとした他は実施例1と同様の試験を行った。なお、実施例6では、切削工具60を、送り軸31の座標に同期させて振動させた。出力される切削工具60のx2z2座標値は、任意波形発生器を用いて生成させた。また、原盤用基材100を回転させずに加工を開始するとともに、送り軸31のエンコーダの1個目のトリガを検出したら、任意波形を発生させて、工具設置部40を駆動させるようにした。この結果、微細凹部110には振動波形が連続して形成されており、欠陥は発見されなかった。
切削パターンを斜めスラスト切削パターンとした他は実施例6と同様の試験を行った。なお、実施例7の斜めスラスト切削パターンでは、原盤用基材100の軸方向に対する微細凹部110の傾斜角度を15°とした。この結果、微細凹部110には振動波形が連続して形成されており、欠陥は発見されなかった。
Claims (8)
- 工具設置部と、
前記工具設置部に設けられ、基材に微細凹部を形成可能な切削工具と、
前記工具設置部を前記基材に対して相対移動させる駆動部と、
前記工具設置部に設けられ、前記切削工具を前記基材の深さ方向及び面方向のうち少なくとも一方に振動させることが可能な振動部と、
前記工具設置部を前記基材に対して相対移動させ、かつ前記切削工具を振動させながら前記基材を切削する切削工程を複数セット行う制御部と、を備え、
前記制御部は、以下の切削条件(1)、(2)の少なくとも一方が満たされるように前記切削工程を行うことを特徴とする、微細加工装置。
切削条件(1):各セットの始点と終点で振動の位相が揃っている。
切削条件(2):各セット間で振動の位相が揃っている。 - 前記切削工程は、同一箇所を繰り返し切削し、かつ前セットの切削深さよりも現セットの切削深さを深くする深掘り切削工程を含むことを特徴とする、請求項1記載の微細加工装置。
- 前記切削工程は、前セットの切削位置に隣接する位置で現セットの切削を行う並列切削工程を含むことを特徴とする、請求項1または2に記載の微細加工装置。
- 前記基材は円柱または円筒形状であり、
前記駆動部は、前記基材を前記基材の中心軸を回転軸として回転させる基材駆動部と、前記工具設置部を前記回転軸に平行な方向に移動させる工具移動部とを備え、
前記制御部は、前記基材を回転させ、かつ前記工具設置部を前記回転軸に平行な方向に移動させることで、前記工具設置部を前記基材に対して相対移動させることを特徴とする、請求項1〜3の何れか1項に記載の微細加工装置。 - 請求項1〜4の何れか1項に記載の微細加工装置を用いた微細加工方法であって、
前記切削工具を前記工具設置部に設ける工程と、
前記工具設置部を前記基材に対向する位置に設置する工程と、
前記工具設置部を前記基材に対して相対移動させ、かつ前記切削工具を振動させながら前記基材を切削する切削工程を複数セット行う工程と、を含み、
以下の切削条件(1)、(2)の少なくとも一方が満たされるように前記切削工程が行なわれることを特徴とする、微細加工方法。
切削条件(1):各セットの始点と終点で振動の位相が揃っている。
切削条件(2):各セット間で振動の位相が揃っている。 - 表面に一又は複数の微細凹部が形成された基材を有し、
前記微細凹部の側壁及び底部の少なくとも一方は、以下の振動波形条件(1)〜(4)の少なくとも1つ以上を満たす振動波形を有することを特徴とする、転写型。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、隣接する微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、2ピッチ毎に微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。 - 前記基材は円柱または円筒形状であることを特徴とする、請求項6記載の転写型。
- 表面に一又は複数の微細凹部が形成された基材を有し、
前記微細凹部の側壁及び底部の少なくとも一方は、以下の振動波形条件(1)〜(4)の少なくとも1つ以上を満たす振動波形を有することを特徴とする、転写物。
振動波形条件(1):振動波形が連続している。
振動波形条件(2):振動波形が複数の振動波形の合成波形となっており、かつ、複数の振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(3):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、隣接する微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
振動波形条件(4):前記基材上に複数列の微細凹部が形成されており、2ピッチ毎に微細凹部間で振動波形の位相が揃っている。
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