JP4745177B2 - マイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロコンタクトプリントにおいて、スタンプとワークの平行出しがなされ、スタンプに転写剤として薬液が補充されているスタンプと、ワークを相対的に接近させ、所要の接触圧力で接触させ薬液をワークに転写するために、接触圧力を管理するためのプリント圧力検出方法及び装置に関するものである。

レジストパターンなどの原版をＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）に型取りし、そのＰＤＭＳ型をモールド型として、チオールを含む有機高分子溶液を塗布し、基板上の金属膜にスタンプして自己組織化膜を形成する技術は、マイクロコンタクトプリント法として知られている。この方法は、比較的容易に超微細回路パターンを作成する技術として注目を浴びている。しかしながら、従来この方法を実施するのは、殆ど手作業によっており、工業的に実施する段階には至っていない。

マイクロコンタクトプリントを実施するためには、例えばインクホルダー台からスタンプへインクの補充をするとき、または、スタンプからワークへインクを転写するときに、夫々コンタクト（接触）の過程を経るが、この接触圧力（接触推力）を工業的に制御し、或いは管理する技術は確立されていない。したがって、従来の方法では、正確に一定の接触圧力を保って、精度が一定に保たれたマイクロコンタクトプリントを大量生産することが困難である。このことは、従来の方法では、インク等の材料の粘性による転写特性や、スタンプ及びワークの密着性による転写特性などを、最良の状態に維持できるとは限らないということを意味する。

マイクロコンタクトプリントにおいて、薬液をワークに転写するために、接触圧力を管理することが困難である理由は、そこで転写すべきパターンがナノメーターサイズであることによる。具体的には、１ミクロンのさらに千分の１という極微小サイズであるため、例えば一様な線を引くために、平行度や、移動量などについてもナノメーターレベルの精度が求められるが、これを実施することが容易ではない。ある装置においては、サーボモーターの電流値モニターにより負荷を検出し、加圧力を制御するという方法が取られた。しかしながら、ギアによる減速機構の摩擦や、直動ガイドの摺動抵抗の問題を取り除くことが困難であり、また、電流値によるモータートルク制御の分解能が不足するために、正確な圧力制御は著しく困難であった。

マイクロコンタクトプリント技術においては、何件かの提案もなされており、例えば、特開２００５−１２９７９１号は本出願人の出願に係るものであるが、大量生産を目的とした内容を有するものではない。特開２００６−１４０４９３号はマイクロコンタクトプリントを含むソフトリソグラフィ用のスタンプ及びその製造方法に関するものであるが、具体的な大量生産方法を開示してはいない。

特開２００５−１２９７９１号 特開２００６−１４０４９３号

本発明は上記の点に着目して成されたもので、その課題は、マイクロコンタクトプリント法において、スタンプのワークに対する接触圧力を正確に管理することである。また、本発明の他の課題は、マイクロコンタクトプリント法において、スタンプからインク等の薬液を正確にワークに転写し、マイクロコンタクトプリント法を工業的に実施可能にすることである。

前記の課題を解決するため、本発明は、スタンプとワークの平行出しがなされており、スタンプに転写剤として薬液が補充されており、そのスタンプとワークを相対的に接近させ、所要の接触圧力で接触させて薬液をワークに転写するために、接触圧力を管理する方法でとして、スタンプを保持しているスタンプホルダーに初期圧力を加圧するための手段は、ワークの上昇量に対応して移動可能な重りによる加圧を含む加圧手段であり、上記スタンプホルダーの側に、予め所定の荷重を加えてその値を初期圧力として検出し、スタンプの下位に配置されているワークをスタンプに対して上昇させ、接触圧力を加えるとともに、その接触圧力を検出し、スタンプを保持している側に加えられている初期圧力と上記接触圧力との差をプリント圧力として検出するという方法的手段を講じたものである。

本発明に係るプリント圧力検出方法では、スタンプを所要の接触圧力でワークに接触させて薬液を転写する工程を取り扱うので、スタンプとワークの平行出しは既になされており、かつ、スタンプに転写剤としての薬液が補充可能な段階にあるものである。従って、スタンプとワークを接触させれば、目的とするスタンプを実行できる段階にあるものとする。

本発明の目的とするプリント圧力検出方法では、まず、スタンプを保持している側に、予め所定の荷重を加えてその値を初期圧力として検出しておく。その後で、ワークをスタンプに対して接近させ、さらに接触圧力を加えるとともに、その接触圧力を検出し、初期圧力と接触圧力との差をプリント圧力として検出する。従って、初期圧力＞接触圧力の条件が必要である。なお、ここで圧力を「検出」とは、必ずしも数値として圧力を検出することを意味しない。例えば、初期圧力など特定の圧力が加わっていることを把握でき、かつ、その後、接触圧力など別の圧力が加わったときにもそれを把握できることにより、初期圧力と接触圧力の差を把握できるならばそれで十分である。

初期圧力の検出手段と、接触圧力の検出手段には、同じものを用いても良いし、また、別々の検出手段を用いても良い。初期圧力の検出手段と、接触圧力の検出手段として、同じセンサー手段を用いれば、機構的に合理化され、経済的にも有利となる。本発明のプリント圧力検出方法では、初期圧力を検出する段階では、初期圧力以外の要素から全く独立しているので、検出した圧力は正確である。同じセンサー手段を用いる場合、接触圧力は初期圧力を包含したものとして検出し、初期圧力から接触圧力を差し引くことにより目的のプリント圧力を得る。

本発明に係るプリント圧力検出方法の開発過程において行なった試検では、スタンプに接触するワークの側に圧力の検出手段を設ける方法も考えられた。しかし、その場合にはワーク上昇に伴う問題が生じた。例えば、ワークを直動ガイドで上昇させる方法を取るときは、直動ガイドの摺動抵抗が検出手段への負荷となるし、ワークの下部に圧力検出手段を設ける方式を取ったときには、ワークを接触させる移動動作によって生じる加速度を検出手段が拾ってしまうという問題を生じることが分かったのである。しかし、本発明のように構成すれば、上記のような問題も引き起こすことなく、目的の値を正確に得ることができる。

このような本発明の方法を実施するための装置は、スタンプを下面に保持したスタンプホルダーと、スタンプホルダーを周辺部にて支持するスタンプホルダー支持台を具備するとともに、スタンプホルダーに接触して接触圧力を検出するセンサー手段を、複数個を１組としてスタンプホルダーとスタンプホルダー支持台との間に配置し、複数個のセンサー手段を配置したスタンプホルダー支持台に、スタンプホルダーをセンサー手段に対して予め加圧するために、ワークの上昇量に対応して移動可能な重りによる加圧を含む加圧手段から成る与圧機構を装備し、ワークをスタンプに対して上昇させる昇降機構をスタンプの下位に配置し、昇降機構の作動によってワークによりスタンプに対して接触圧力を加えるものとし、上記１組のセンサー手段により、スタンプを保持している側に加えられている初期圧力を検出するとともに、ワークによるスタンプに対する接触圧力を検出し、上記初期圧力と接触圧力との差をプリント圧力として検出するという構成を有するものとする。

この構成によって、スタンプを下面に保持したスタンプホルダーは相対的に上位に位置し、ワークとこれをスタンプに対して上昇させる昇降機構はスタンプの下位に位置することになる。スタンプホルダーに接触して接触圧力を検出するセンサー手段を、複数個を１組としてスタンプホルダーとスタンプホルダー支持台との間に配置することによって、スタンプを保持している側に加えられている荷重を初期圧力として検出する。

本発明において、スタンプとワークの近接動作を、ワーク側の高さを固定とし、スタンプホルダー全体を降下させることでも実現させることも可能であるが、この場合には前記したように、スタンプホルダー全体を移動させる加速度を圧力検出手段が拾ってしまうという問題が生じる。つまり質量のある物体が圧力検出部に接触している場合、これを移動させると部材のイナーシャが無視できないことになる。

この請求項２の構成は、スタンプとスタンプを下面に保持したスタンプホルダーがどのような状態に置かれているかということを限定していない。従って、スタンプとスタンプを下面に保持したスタンプホルダーが、スタンプホルダー支持台の上に、単に載っている場合を含む。この場合には、スタンプとスタンプを下面に保持したスタンプホルダーの荷重が初期荷重であり、かつ、接触圧力の上限ということになる。

そして本発明では、スタンプとスタンプを下面に保持したスタンプホルダーを、固定手段によって固定することにより、予め一定の荷重を加えておくものであり、このようにして、任意の初期荷重を得ることができる。予め一定の荷重を加えておく、具体的構成の例は、複数個のセンサー手段を配置したスタンプホルダー支持台に、スタンプホルダーをセンサー手段に対して予め加圧する与圧機構を装備することである。

与圧機構には、スタンプホルダー支持台に回転可能に設けられた固定爪を用い、各固定爪は、各センサー手段に１個ずつ設け、各固定爪の回転により、センサー手段の軸外の位置から軸上に配置されるように構成することができる（請求項３記載の発明）。予め一定の荷重を加えておく与圧機構としては、固定爪以外にも、例えば重り、クランプ機構、或いはプランジャーの類などがある。

スタンプホルダーが、円形の平面形状を有しており、その同心円上に３個のロードセルを等角度間隔に配置したものであることは望ましい構成である（請求項４記載の発明）。即ち、スタンプホルダーが、円形の平面形状を有するものであれば、重量バランスに優れた装置となる。

本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出装置に用いるハード的要素に言及すると、まず、上記のロードセルは、圧力検出のためのセンサー手段として好ましいものである。この場合のロードセルは、歪ゲージ式圧力センサーが代表的なものである。また、ワークをスタンプに対して上昇させる昇降機構には、速度制限機能付きトルク制御モーターをＺ軸サーボモーターとして使用することが望ましく、このタイプのモーターは、回転速度、トルク、位置の制御を融合的に行なう機能を有する。

本発明は上記のように構成され、かつ作用するものであるから、マイクロコンタクトプリント法において、スタンプのワークに対する接触圧力を正確に管理することができるという効果を奏する。また、本発明によれば、マイクロコンタクトプリント法において、スタンプを保持している側に加えられている初期圧力と上記接触圧力との差をプリント圧力として正確に検出することができるので、スタンプからインク等の薬液を正確にワークに転写することができ、マイクロコンタクトプリント法を工業的に実施することが可能になる。即ち、本発明によれば、スタンプとワークの接触時におけるスタンプの形状変化の影響の減少、ワークに転写するインク等の薬液の粘性による転写特性の改善、スタンプとワークの密着性が最良となることによる転写特性の向上、自動制御による転写時間短縮による転写特性の向上、などの効果を得ることができる。

方法１
以下図示の実施形態を参照し、本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出方法について、より詳細に説明する。図１は、本発明のプリント圧力検出方法１の例を示しており、モールドを有するスタンプ１１と、スタンプ１１を保持した円形の平面形状を有するスタンプホルダー１２が、スタンプホルダー支持台１３の上に、配置されている構成の例である。スタンプホルダー１２は、中心に方形の窓１２ａを有している。そして、予め所定の荷重を加えるために、複数個の重り１８をスタンプホルダー１２の上部に配置している。この方法１の例では、重り１８を、軸１８ａに交換可能に取り付けており、本発明において予め加える荷重を変更することができる。この例は、具体的な構造の例示というよりも、変更可能な荷重を付与するものとして把握すべきである。

図１において、１４はロードセル即ち圧力検出のための接触子１４ａを有するセンサー手段であり、３個を１組としてスタンプホルダー支持台１３の上に配置され、スタンプホルダー１１をその下面に接して支持している。１５はインク等の薬液であり、ワーク２１に転写される。なお、符号１７は顕微鏡観察のために透明板材で形成されているフォトマスクであり、スタンプ１１はこの下面に従来と同様に落下止めを用いて固定されている。ワーク２１はワーク台２２の上面に固定され、ワーク台２２は、平行調整機構２３を介してＸＹＺΘアライメント機構２４の基台２５の最上位に配置されている。なお、ＸＹＺΘアライメント機構２４のＺ軸アライメント機構が昇降機構である。このＺ軸アライメント機構の昇降機構には、速度制限機能付きトルク制御モーターと称されるタイプのサーボモーターを使用することが望ましい。このタイプのモーターは、回転速度、トルク、位置の制御を融合して行なうことができるもので、上記のセンサー手段１４によって検出される接触圧力のデータに基づいて、制御部から発せられる信号により回転を継続し、設定された接触圧力に達すると停止し、精密な圧力管理を可能にする。

このように構成された本発明のプリント圧力検出方法の例１では、平行調整機構２３によってスタンプ１１とワーク２１の平行出しがなされており、スタンプ１１に転写剤として薬液１５が補充された状態において、センサー手段１４により、スタンプ１１と、スタンプ１１を下面に保持したスタンプホルダー１２、フォトマスク１７及び重り１８の荷重の合計を、初期圧力としてまず検出する。次いで、ＸＹＺΘアライメント機構２４のＺ軸アライメント機構を作動させ、ワーク２１をスタンプ１１に接触させる。ワーク２１のスタンプ１１に対する接触圧力がセンサー手段１４に検出されるので、初期圧力と接触圧力の差を計算することにより、目的のプリント圧力を得ることができる。

方法２
図２は、本発明のプリント圧力検出方法２の例を示しており、スタンプ１１と、スタンプ１１を下面に保持したスタンプホルダー１２が、スタンプホルダー支持台１３の上に、単に載っている例１の構成に加えて、スタンプホルダー１２をセンサー手段１４に対して予め加圧する与圧機構を装備した例である。与圧機構には、スタンプホルダー支持台１３に回転可能に設けられた固定爪１６を用い、各固定爪１６は、各センサー手段１４に１個ずつ設け、各固定爪１６の回転により、センサー手段１４の接触子１４ａの軸上に軸外の位置から配置されるように構成されている。

方法２における他の構成は、方法１の場合と共通しているので、符号を援用し、具体的な説明は省略する。方法２の場合にも、平行調整機構２３によってスタンプ１１とワーク２１の平行出しがなされている。そして、スタンプ１１に転写剤として薬液１５が補充されたものに対して、与圧機構により、スタンプホルダー１２をセンサー手段１４に対して予め加圧状態としておき、予め加圧状態とされたスタンプ１１とスタンプ１１を下面に保持したスタンプホルダー１２に加えられている荷重等の合計をセンサー手段１４により、初期圧力として検出する。

方法２の場合にも、与圧機構において付与する所定の荷重は、自由に設定することが可能であり、その値を管理することは方法１の場合と同様容易に行なえる。この初期圧力を検出した後、ＸＹＺΘアライメント機構２４のＺ軸アライメント機構を作動させ、速度制限機能付きトルク制御モーターによって、ワーク２１をスタンプ１１に接触させる。ワーク２１のスタンプ１１に対する接触圧力がセンサー手段１４に検出されるので、初期圧力と接触圧力の差を計算することにより、目的のプリント圧力を得ることができる。故に、方法２の例では、初期圧力を方法１の例による場合よりもはるかに大きな値に設定することができ、プリント圧力として設定し得る範囲も著しく広いものとなる。

さらに、本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出装置について、より詳細に説明する。図３は、本発明の上記プリント圧力検出装置を適用したマイクロコンタクトプリント装置３０の一例を示す平面図であり、図４はその正面図、図６は
当該装置３０の模式的説明図である。なお、既に方法１及び２の装置的構成における説明で使用した符号はこの装置の説明においても援用する。つまり同じ符号は、全ての図において共通の構成を指すものとする。

各図に示されているように、当該装置３０は、プリントステーション３１とインク補充ステーション３２を本体正面の左右に具備している。本体は上部基板３３と下部基板３４を、支柱を用いて上下に配置した構成を有している。上部基板３３には前後に所定の間隔で設置されたガイドレール３５、３６が設けてあり、そのガイドレール３５、３６に前述のスタンプホルダー支持台１３が、左右へ移動可能に取り付けられている。従って、スタンプホルダー支持台１３は、プリントステーション３１とインク補充ステーション３２との間を往復して、インク補充とプリントを繰り返しながら、マイクロコンタクトプリントを実行する。

スタンプホルダー支持台１３は、その上面にスタンプホルダー１２を配置しており、その同心円上に３個のロードセル（ティアック社製品）が、前記のセンサー手段１４として等角度間隔に配置されている。これら３個のロードセルの中間位置には、回転ブレ止めのために、３個の位置決めピン３７が等角度間隔に設けられている。なお、スタンプホルダー１２は、図１Ａ、図２Ａに示したものと同様に円形の平面形状を有し、かつ、中心に窓１２ａを有している。

センサー手段１４としての３個のロードセルの位置に設けられている与圧機構の例は、図５に詳細に示されている。図５の例における与圧機構は、スタンプホルダー支持台１３の所定位置に植設した支軸３８を用いて、固定爪１６を有するレバー３９を、回転可能に設けている。各固定爪１６は、センサー手段１４の軸外の位置から、支軸３８周りの回転により軸上に配置され、かつ、その位置にて係止部４１がストッパー４２に当たり、位置決めされた状態となり、停止するように構成されている。図示のレバー３９は、止めナット４３との間に樹脂片又はばねより成る弾性部材４４を介在させて取り付けており、初期圧力となる与圧を与えている。

これに対して、ワーク２１を固定するワーク台２２と、ワーク台２２を平行出しする平行調整機構２３と、ＸＹＺΘアライメント機構２４は、下部基板３４に配置されている。図４に示す例では、平行調整機構２３は球面軸受け方式によるものとして示されており、また、ワーク２１を固定する手段４５、４５′は真空吸引方式によるものとして示されている。ＸＹＺΘアライメント機構２４は、最下部にＸ軸、その上にＹ軸、その上にＺ軸、最上位にΘ軸の各アライメント機構を配置しているが、プリントステーション３１とインク補充ステーション３２に２組が必要であるので、インク補充ステーション側についてはダッシュ′を付けて区別している。Ｚ軸アライメント機構には、速度制限機能付きトルク制御モーター（株式会社三明製品）を使用している。なお、４６、４７はスタンプホルダー運搬のための保持部、４８は受け部を示しており、固定爪１６と点接触する。図３、図４には記載していないが、これらに図示した装置にも、図６のものと同様にファインダー用の顕微鏡が備わっている。

このように構成されている本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出装置３０の作用について説明する。スタンプ１１を下面に固定したスタンプホルダー１２を保持した状態において、スタンプホルダー支持台１３について、プリントステーション３１とインク補充ステーション３２の夫々において平行出しを行い、インク補充ステーション３２において、有機分子液その他の薬液を有するインクホルダー４８にスタンプ１１を接触させることにより、インクを補充するとともに、スタンプホルダー支持台１３を、インク補充ステーション３２からプリントステーション３１に移動させる。

プリントステーション３１に帰動したスタンプホルダー支持台１３に対しては、ワーク２１をＺ軸アライメント機構により上昇させるが、ロードセルには与圧機構による圧力が加えられているので、これを検出している圧力管理部において、荷重の０リセット操作を行なう。このリセット操作は、スタンプ１１を保持している側における所定の荷重即ち初期荷重を検出したことに相当する。Ｚ軸アライメント機構によりワーク２１を上昇させると、ワーク２１はスタンプ１１に接触し、接触圧力がセンサー手段１４により検出され、指定されている圧力に達した時点でＺ軸移動が停止する。接触圧力値は、スタンプ（モールド）１１、フォトマスク１７の荷重を含むものである。

本発明は、ワークとスタンプのような２物体の接触圧力を高精度に制御する必要がある用途に応用可能である。例えば微少な凹凸の施されたモールド（型）を塑性変形可能物質（例えば光硬化樹脂）に押しつける光ナノインプリント技術などに応用できる。また、本発明では、接触圧力を非常に高速（リアルタイム）に測定可能であるため、剛体のみならず弾性体や塑性変形材料といった、接触時間によって反力が変化する物質の接触圧力の測定及び制御に利用することが可能である。

本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出方法の例１を説明するもので、Ａは平面図、Ｂは正面図。 さらに本発明に係るプリント圧力検出方法の例１を説明するもので、Ａは平面図、Ｂは正面図。 本発明に係るマイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出装置の一例を示す平面図。 図３に対応する本発明の装置を示す正面図。 本発明の装置における与圧機構を示す断面図。 本発明の方法及び装置の作動を説明するための模式的説明図。

符号の説明

１１ スタンプ
１２ スタンプホルダー
１３ スタンプホルダー支持台
１４ センサー手段
１５ 薬液
１６ 固定爪
１７ フォトマスク
１８ 重り
２１ ワーク
２２ ワーク台
２３、２３′ 平行調整機構
２４、２４′ ＸＹＺΘアライメント機構
２５ 基台
３０ マイクロコンタクトプリント装置
３１ プリントステーション
３２ インク補充ステーション
３３ 上部基板
３４ 下部基板
３５、３６ ガイドレール
３８ 支軸
３９ レバー
４１ 係止部
４２ ストッパー
４３ ナット
４４ 弾性部材
４５ ワークを固定する手段
４６、４７ スタンプホルダー運搬のための保持部
４８ 受け部

Claims (4)

1. スタンプとワークの平行出しがなされており、スタンプに転写剤として薬液が補充されており、そのスタンプとワークを相対的に接近させ、所要の接触圧力で接触させて薬液をワークに転写するために、接触圧力を管理する方法であって、
   スタンプを保持しているスタンプホルダーに初期圧力を加圧するための手段は、ワークの上昇量に対応して移動可能な重りによる加圧を含む加圧手段であり、上記スタンプホルダーの側に、予め所定の荷重を加えてその値を初期圧力として検出し、スタンプの下位に配置されているワークをスタンプに対して上昇させ、接触圧力を加えるとともに、その接触圧力を検出し、スタンプを保持している側に加えられている初期圧力と上記接触圧力との差をプリント圧力として検出することを特徴とする
   マイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出方法。
2. スタンプとワークの平行出しがなされており、スタンプに転写剤として薬液が補充されており、そのスタンプとワークを相対的に接近させ、所要の接触圧力で接触させて薬液をワークに転写するために、接触圧力を管理する方法を実施する装置であって、
   スタンプを下面に保持したスタンプホルダーと、スタンプホルダーを周辺部にて支持するスタンプホルダー支持台を具備するとともに、スタンプホルダーに接触して接触圧力を検出するセンサー手段を、複数個を１組としてスタンプホルダーとスタンプホルダー支持台との間に配置し、複数個のセンサー手段を配置したスタンプホルダー支持台に、スタンプホルダーをセンサー手段に対して予め加圧するために、ワークの上昇量に対応して移動可能な重りによる加圧を含む加圧手段から成る与圧機構を装備し、
   ワークをスタンプに対して上昇させる昇降機構をスタンプの下位に配置し、昇降機構の作動によってワークによりスタンプに対して接触圧力を加えるものとし、
   上記１組のセンサー手段により、スタンプを保持している側に加えられている初期圧力を検出するとともに、ワークによるスタンプに対する接触圧力を検出し、上記初期圧力と接触圧力との差をプリント圧力として検出することを特徴とする
   マイクロコンタクトプリントにおけるプリント圧力検出装置。
3. 与圧機構は、スタンプホルダー支持台に回転可能に設けられた固定爪であり、各固定爪は
   、各センサー手段に１個ずつ設けられ、回転によりセンサー手段の軸外の位置から軸上に
   配置されるように構成されている請求項２記載のマイクロコンタクトプリントにおけるプ
   リント圧力検出装置。
4. スタンプホルダーは円形の平面形状を有しており、その同心円上に３個のロードセルを等
   角度間隔に配置した構成を有する請求項２記載のマイクロコンタクトプリントにおけるプ
   リント圧力検出装置。

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