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JP7570110B2 - Method for manufacturing a microstructure - Google Patents
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Description

本発明は、タルボット効果を用いて加工する微細構造体の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for manufacturing a microstructure by using the Talbot effect.

近年、サブミクロンオーダーの3次元構造体に注目が集まっている。半導体デバイスおよび微小電気機械システム(MEMS)における微細構造の部品や生物が有する機能性微細構造を模したバイオミメティクス構造体、屈折率が異なる物質を光の波長と同程度の間隔で並べることで構成される、ナノ構造のフォトニック結晶があげられる。これらのサブミクロンオーダーの3次元構造体、特に周期構造を持つ構造体は、機能性の材料として注目が集まっている。微細構造体を作製する手法としては、リソグラフィ、エッチング、ナノインプリント、レーザー微細加工、原子間力顕微鏡(AFM)による原子操作及び自己組織化手法、等がある。これらの方法において、構造の多次元化に伴い、加工に要する時間が長くなり、加工効率を向上させることが求められている。また、複雑な構造の作製も要求されており、周期性を任意に制御可能な高い加工自由度と加工精度も求められている。しかしながら、加工効率と加工自由度はトレードオフの関係にあり、簡易な手法でありながら多次元加工成形を実現する技術が確立されておらず、構造体の開発が行われている。また、加工精度を高めるだけでなく、加工領域をミリメートルオーダーの広範囲の領域とすることも構造体を製造する上で求められている。In recent years, attention has been focused on three-dimensional structures on the submicron order. These include microstructured components in semiconductor devices and microelectromechanical systems (MEMS), biomimetic structures that mimic the functional microstructures of living organisms, and nanostructured photonic crystals that are composed of materials with different refractive indices arranged at intervals similar to the wavelength of light. These three-dimensional structures on the submicron order, especially those with periodic structures, are attracting attention as functional materials. Methods for fabricating microstructures include lithography, etching, nanoimprinting, laser microfabrication, atomic manipulation and self-organization methods using atomic force microscopes (AFMs). In these methods, the time required for processing increases as the structure becomes more multidimensional, and there is a demand for improving processing efficiency. In addition, there is a demand for the fabrication of complex structures, and high processing freedom and processing accuracy that allow the periodicity to be arbitrarily controlled are also required. However, there is a trade-off between processing efficiency and processing freedom, and no technology has been established that can realize multidimensional processing molding using a simple method, so structures are being developed. In addition to improving the processing accuracy, there is also a demand for wide processing areas on the order of millimeters in the manufacture of structures.

微細構造体を簡便に製造する方法には、レジスト用樹脂を材料として、3次元リソグラフィ技術を用いて作製する手法があげられ、特に,タルボット効果を用いた3次元リソグラフィ加工は、特定の波長と回折格子を用いることで、周期的なパターンを大面積に一括して成形することが容易となり、加工効率は極めて高い。しかし、タルボット効果を用いたリソグラフィは、周期を制御するパラメータが波長と格子ピッチとなり、周期の制御が2次元に限定されるため加工自由度が低いという問題があり、加工領域を3次元構造体の「表面」や「内部」に限定せずに任意の形状を加工する技術は確立されてなかった。One method for easily manufacturing microstructures is to use three-dimensional lithography technology with a resist resin as the material. In particular, three-dimensional lithography processing using the Talbot effect uses a specific wavelength and diffraction grating, making it easy to mold periodic patterns over a large area all at once, and has extremely high processing efficiency. However, lithography using the Talbot effect has the problem that the parameters that control the period are the wavelength and grating pitch, and period control is limited to two dimensions, resulting in low processing freedom. As a result, no technology had been established for processing any shape without limiting the processing area to the "surface" or "interior" of a three-dimensional structure.

特許文献1には、タルボット効果を用いたリソグラフィ加工の技術が開示されているが、エッチング用スクリーンマスクの加工を目的とした技術であるため、構造体の内部加工は行われていない。特許文献2には、タルボット効果を用いて高精度のパターンが形成可能なマスク及びパターン形成する方法が開示されているが、構造体を作製する技術ではない。特許文献3には、エッチングにより周期構造の凹部又は孔を形成することがされているが、微細構造を簡易に作製することは困難である。非特許許文献1には、タルボット効果による光造形手法を応用して金属ナノ粒子を分散させる構造の提案であるが、実際タルボット効果による明確な階層構造を作製するまでは至っていない。非特許文献2には、1次元層構造および2次元周期構造における広範囲のナノ構造を作製することが開示されているが、構造体の精度や構造維持に問題があり、周期性のある構造体には至っていない。非特許文献3および非特許文献4には、多重露光の数値解析の結果から3次元ナノ周期構造が作製できる可能性が示唆されているが、構造体の精度や構造維持に問題があり、実用レベル構造体には至っていない。 Patent Document 1 discloses a lithography processing technique using the Talbot effect, but since this technique is intended for processing an etching screen mask, internal processing of the structure is not performed. Patent Document 2 discloses a mask and a pattern forming method capable of forming a highly accurate pattern using the Talbot effect, but is not a technique for fabricating a structure. Patent Document 3 discloses forming recesses or holes of a periodic structure by etching, but it is difficult to easily fabricate a fine structure. Non-Patent Document 1 proposes a structure in which metal nanoparticles are dispersed by applying a photo-shaping technique based on the Talbot effect, but it has not yet been able to fabricate a clear hierarchical structure based on the Talbot effect. Non-Patent Document 2 discloses the fabrication of a wide range of nanostructures in a one-dimensional layer structure and a two-dimensional periodic structure, but there are problems with the accuracy and structure maintenance of the structure, and a structure with periodicity has not been created. Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 suggest the possibility of fabricating a three-dimensional nano-periodic structure based on the results of a numerical analysis of multiple exposures, but there are problems with the accuracy and structure maintenance of the structure, and a structure at a practical level has not been created.

WO2016-190247号明細書WO2016-190247 specification 特開2015-169803号公報JP 2015-169803 A 特開2006-343671号公報JP 2006-343671 A

タルボット効果を用いた金属3次元ナノ構造の作製(第1報)、格子形状の影響解析及び作製プロセスの検証(2016年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集)Fabrication of 3D metallic nanostructures using the Talbot effect (1st report), analysis of the influence of lattice shape and verification of the fabrication process (Proceedings of the 2016 Japan Society for Precision Engineering Spring Meeting) タルボット効果を用いた広範囲3次元リソグラフィ(第1報)、波面制御および定在波を援用した機能性構造の作製(2017年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集)Large-area 3D lithography using the Talbot effect (Part 1), fabrication of functional structures using wavefront control and standing waves (Proceedings of the 2017 Japan Society for Precision Engineering Spring Meeting) タルボット効果を用いた広範囲3次元リソグラフィ(第2報)、多重露光を援用した3次元ナノ周期構造の作製(2019年度精密工学会春季大会学術講演会講演論文集)Large-area 3D lithography using the Talbot effect (Part 2), Fabrication of 3D nano-periodic structures using multiple exposure (Proceedings of the 2019 Japan Society for Precision Engineering Spring Meeting) タルボット効果による多重露光リソグラフィを用いた3次元ナノ周期構造の作製(精密工学会誌/Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.85, No.8, 2019)Fabrication of three-dimensional nano-periodic structures using multiple exposure lithography based on the Talbot effect (Journal of the Japan Society for Precision Engineering Vol.85, No.8, 2019)

以上説明のとおり、レジスト用樹脂による3次元構造体に関して、有用な技術として着目され従来から研究がなされているが、本格的な実用化には至っていない。これは、3次元構造の周期性を制御することが難しいためである。
本発明は、これら従来の課題を解決するため、構造体の表面及び内部の周期性まで制御した微細成形加工ができる3次元構造体を提供する。
As explained above, three-dimensional structures using resist resins have been attracting attention as a useful technology and have been researched, but have not yet been put to full-scale practical use because it is difficult to control the periodicity of the three-dimensional structure.
In order to solve these conventional problems, the present invention provides a three-dimensional structure that can be subjected to micro-molding processing with the periodicity of the surface and interior of the structure being controlled.

本発明は、内部に孔を含む微細構造体の製造方法であって、
(1)基板上にエネルギー線活性樹脂を均一厚みに塗工する工程と、
(2)前記塗工したエネルギー線活性樹脂層をプリベーク(加熱)する工程と、
(3)前記(2)で得られた樹脂層に対し回折格子を上面に設置し、エネルギー線を斜め方向から照射し、樹脂層にパターンを生成する工程と、
(4)前記(3)で得られた樹脂層を現像液により化学反応させ、硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた部分を溶解させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった部分を硬化させる工程、または硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた部分を硬化させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった部分を溶解させる工程と、
(5)前記(4)により得られた基板を純水にて洗浄処理することにより溶解部を溶出させ、微細構造体を得る工程
を含み、
前記微細構造体はエネルギー線活性樹脂を含むシートであり、
少なくとも内部まで、傾斜を有する孔が造形されており、
前記微細構造体内部の孔は、タルボット距離が下記(数1)で規定される造形パターンの形状をしており、
隣り合うタルボット構造との関係式が下記(数2)及び(数3)を満たし、
但し、(数1)~(数3)において、
T :タルボット距離(nm)
n:露光マスクの回折格子の、回折格子に照射される紫外線(UV)の屈折率
d:露光マスクの回折格子のピッチ間距離(nm)
λ:微細構造体の製造時に照射する紫外線(UV)の光波長(nm)
ΔX:照射面から見て1列目の照射スポット部分と、隣り合う3列目の照射スポット部分の水平距離(nm)
θi:紫外線(UV)の照射角度
平面方向に周期性のある形状を有する微細構造体の製造方法である。
The present invention relates to a method for producing a microstructure containing a hole therein, comprising the steps of:
(1) applying an energy ray active resin to a substrate in a uniform thickness;
(2) pre-baking (heating) the applied energy ray active resin layer;
(3) placing a diffraction grating on the resin layer obtained in (2) above, and irradiating the resin layer with an energy beam from an oblique direction to generate a pattern in the resin layer;
(4) a step of chemically reacting the resin layer obtained in (3) with a developer to dissolve the portion irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and to cure the portion not reaching the energy ray curing threshold, or a step of curing the portion irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and dissolving the portion not reaching the energy ray curing threshold;
(5) A step of washing the substrate obtained by (4) with pure water to dissolve the dissolved portion, thereby obtaining a microstructure ,
the microstructure is a sheet containing an energy ray-activatable resin,
A hole having a slope is formed at least to the inside,
The hole inside the microstructure has a shape of a shaping pattern in which the Talbot distance is defined by the following (Equation 1),
The relationship between adjacent Talbot structures satisfies the following (Equation 2) and (Equation 3),
However, in (Equation 1) to (Equation 3),
Z T : Talbot distance (nm)
n: the refractive index of the ultraviolet (UV) light irradiated onto the diffraction grating of the exposure mask
d: Pitch distance of the diffraction grating of the exposure mask (nm)
λ: wavelength (nm) of ultraviolet (UV) light irradiated during the manufacture of the microstructure
ΔX: Horizontal distance (nm) between the first row irradiation spot portion and the adjacent third row irradiation spot portion as viewed from the irradiation surface
θi: UV irradiation angle
This is a method for manufacturing a microstructure having a shape that is periodic in the planar direction .

本発明の微細構造体は、露光の入射角とタルボット距離の調整により、構造体の表面や内部に孔空け加工でき、構造体の表面及び内部まで周期性を制御して微細成形加工ができる。 The microstructure of the present invention can be processed to have holes drilled on its surface or inside by adjusting the exposure light incidence angle and the Talbot distance, and the periodicity can be controlled both on the surface and inside of the structure to perform micromolding processing.

図1Aは本発明の基本概念を説明するため、フォトレジスト樹脂の上面に露光マスクを設置し、紫外線(UV)を照射する模式的断面図、図1Bは同、フォトレジスト樹脂内に光が照射された部分を説明する模式的断面図である。FIG. 1A is a schematic cross-sectional view illustrating a process of placing an exposure mask on the upper surface of a photoresist resin and irradiating it with ultraviolet (UV) light in order to explain the basic concept of the present invention, and FIG. 1B is a schematic cross-sectional view illustrating a portion of the photoresist resin irradiated with light. 図2Aは従来例の露光を示す模式的断面図、図2Bは本発明の一実施形態の露光の模式的断面図である。FIG. 2A is a schematic cross-sectional view showing exposure in a conventional example, and FIG. 2B is a schematic cross-sectional view showing exposure in one embodiment of the present invention. 図3A-Eは本発明の一実施形態の製造方法を示す模式的断面図であり、図3Fは模式的斜視図である。3A-E are schematic cross-sectional views showing a manufacturing method of one embodiment of the present invention, and FIG. 3F is a schematic perspective view. 図4Aは本発明の実施例1の微細構造体の内部を示す模式的斜視図、図4Bは同、写真である。FIG. 4A is a schematic perspective view showing the inside of the microstructure of Example 1 of the present invention, and FIG. 4B is a photograph of the same. 図5Aは比較例の微細構造体の内部を示す模式的斜視図、図5Bは同、写真である。FIG. 5A is a schematic perspective view showing the inside of a microstructure of a comparative example, and FIG. 5B is a photograph of the same.

本発明は、エネルギー線活性樹脂を含むシートに傾斜を有する孔が造形されている。前記傾斜を有する孔は、垂直方向から15~30°の範囲で傾斜しているのが好ましい。さらに好ましくは、16°~27°の範囲がよい。これにより連続孔が形成できる。構造体の内部の孔は、タルボット距離が前記(数1)で規定される造形パターンの形状をしており、隣り合うタルボット構造(孔)との関係式が下記(数2)及び(数3)を満たし、平面方向に周期性のある形状を有する。In the present invention, inclined holes are formed in a sheet containing an energy beam-activated resin. The inclined holes are preferably inclined at an angle of 15 to 30 degrees from the vertical direction. More preferably, the angle is in the range of 16 to 27 degrees. This allows the formation of continuous holes. The holes inside the structure have a shape of a shaping pattern in which the Talbot distance is defined by the above (Equation 1), the relationship between adjacent Talbot structures (holes) satisfies the following (Equation 2) and (Equation 3), and the shape is periodic in the planar direction.

エネルギー線活性樹脂はレジスト用樹脂が好ましく、より好ましくはポジ型レジスト用樹脂である。ポジ型レジスト用樹脂はエネルギー線を露光させることにより、露光部は溶液に溶ける性質を有し、微細加工に好適である。ネガ型レジスト用樹脂は、ポストベーク処理による高温に曝されるため、樹脂にひずみが生じ、正確な周期性を持った微細構造体を得にくい。The energy beam-activated resin is preferably a resist resin, more preferably a positive resist resin. Positive resist resins have the property that when exposed to energy beams, the exposed areas dissolve in solution, making them suitable for microfabrication. Negative resist resins are exposed to high temperatures during post-baking, which causes distortion in the resin and makes it difficult to obtain microstructures with accurate periodicity.

前記周期性のある形状は、格子ピッチ:波長λ≦格子ピッチdであり、かつピッチデューティ比:0.2~0.7が好ましい。これにより、より微細な加工ができる。前記周期性のある形状は、規則性のある形状が好ましい。これにより均一性の高い微細構造体となる。The periodic shape preferably has a grating pitch of wavelength λ≦grating pitch d and a pitch duty ratio of 0.2 to 0.7. This allows for finer processing. The periodic shape preferably has a regular shape. This results in a highly uniform microstructure.

前記構造体内部の孔は、表面から内部まで存在していてもよいし、表裏面に貫通していてもよい。この孔は、溝及び/又は穴を含む概念である。The holes inside the structure may be present from the surface to the inside, or may penetrate from the front to the back. The hole is a concept that includes grooves and/or holes.

本発明の微細構造体の製造方法は、下記の工程を含む。
(1)基板上にエネルギー線活性樹脂を均一厚みに塗工する工程。
(2)前記塗工したエネルギー線活性樹脂層をプリベーク(加熱)する工程。
(3)前記(2)で得られた樹脂層に対し回折格子を上面に設置し、タルボット効果が得られるエネルギー線を斜め方向から照射し、樹脂層にパターンを生成する工程。
(4)前記(3)で得られた樹脂層を現像液により化学反応させ、硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた樹脂部分を溶解させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった樹脂部分を硬化させる工程、または硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた部分を硬化させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった部分を溶解させる工程。
(5)前記(4)により得られた樹脂を純水にて洗浄処理することにより溶解部を溶出させ、微細構造体を得る工程。
The method for producing a microstructure of the present invention includes the following steps.
(1) A step of applying an energy ray active resin to a substrate in a uniform thickness.
(2) A step of pre-baking (heating) the applied energy ray active resin layer.
(3) A process of placing a diffraction grating on the upper surface of the resin layer obtained in (2) above, and irradiating the resin layer with an energy beam capable of producing the Talbot effect from an oblique direction to generate a pattern in the resin layer.
(4) A process of chemically reacting the resin layer obtained in (3) with a developer to dissolve the resin portion that has been irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and to cure the resin portion that has not reached the energy ray curing threshold, or a process of curing the portion that has been irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and dissolving the portion that has not reached the energy ray curing threshold.
(5) A process of washing the resin obtained in (4) above with pure water to dissolve the dissolved portion, thereby obtaining a microstructure.

前記(1)のエネルギー線活性樹脂を均一厚みに塗工する手段は、一例としてスピンコート法が使用できる。スピンコート法は比較的小さな面積で薄く均一膜厚で塗工できる。
前記(2)のプリベーク(加熱)条件は、メーカー推奨値の0~100℃で1~5分程度が好ましい。
前記(3)のパターンを生成工程のエネルギー線の斜め方向からの照射は、垂直方向から30~50°の角度が好ましく、より好ましくは35~45°の角度である。これにより連続孔が形成できる。また、露光量は100~300mJ/cm2、露光回数は1回がそれぞれ好ましい。
前記(3)と(4)の間に、露光後のレジストを安定化させるためにポストベーク(加熱)するのが好ましい。ポストベーク条件は、30~100℃で1~60分程度が好ましい。
前記(5)の洗浄処理は、一例としてスピンコート法が使用できる。
The method for applying the energy ray-activatable resin to a uniform thickness as described above in (1) can be, for example, a spin coating method, which can apply a thin, uniform thickness to a relatively small area.
The pre-baking (heating) conditions in (2) above are preferably 0 to 100° C. and about 1 to 5 minutes, which are the manufacturer's recommended values.
The oblique irradiation of the energy beam in the pattern generating step (3) is preferably at an angle of 30 to 50° from the vertical direction, more preferably at an angle of 35 to 45°. This allows the formation of continuous holes. The exposure dose is preferably 100 to 300 mJ/ cm2 , and the number of exposures is preferably one.
It is preferable to perform post-baking (heating) between the steps (3) and (4) in order to stabilize the resist after exposure. The post-baking conditions are preferably 30 to 100° C. and about 1 to 60 minutes.
The cleaning treatment of (5) above can be performed, for example, by spin coating.

本発明の微細構造体の一例は次のとおりである。
(1)加工領域は1回の露光で1辺が20mmの面積まで可能である。さらに広い面積を加工する場合は、露光を繰り返すことにより可能である。
(2)構造体の厚みは500nm~100μmが可能である。より好ましくは700nm~50μm、さらに好ましくは1~20μmである。
(3)微細加工できる孔の長さ(深さ方向の長さ)は、10nm~3000nmが好ましい。より好ましくは100~1500nmである。
(4)周期性は、1~20周期まで可能であり、好ましくは2周~10周程度である。
An example of the microstructure of the present invention is as follows.
(1) The processing area can be up to 20 mm on a side with one exposure. To process a larger area, it is possible to do so by repeating the exposure.
(2) The thickness of the structure can be from 500 nm to 100 μm, more preferably from 700 nm to 50 μm, and even more preferably from 1 to 20 μm.
(3) The length (depth) of a hole that can be microfabricated is preferably 10 nm to 3000 nm, and more preferably 100 to 1500 nm.
(4) The periodicity can be from 1 to 20 cycles, and is preferably from about 2 to 10 cycles.

本発明で使用するタルボット効果は次のとおりである。
(1)平面波が回折格子に入射した際に,フレネル領域の回折光同士が干渉することで周期的な光強度分布が3次元的に繰り返される現象である。
(2)周期的な光強度分布を回折格子で発生させ,リソグラフィの露光に用いることで,大面積に周期的な微細構造を一括で3次元的に加工することが可能である。
The Talbot effect used in the present invention is as follows.
(1) When a plane wave is incident on a diffraction grating, the diffracted lights in the Fresnel region interfere with each other, resulting in a periodic light intensity distribution that is repeated three-dimensionally.
(2) By generating a periodic light intensity distribution using a diffraction grating and using it for lithography exposure, it is possible to process periodic fine structures in a large area in three dimensions in one go.

以下図面を用いて説明する。以下の図面において、同一符号は同一物を示す。図1Aは本発明の基本概念を説明するための図面であり、フォトレジスト樹脂3の上面に光学フィルター(露光マスク)2を設置し、紫外線(UV)1を照射する模式的断面図である。フォトレジスト樹脂3はポジ型フォトレジスト用樹脂を使用し、光学フィルター(露光マスク)2は一例としてポリカーボネート製の回折格子を使用する。フォトレジスト樹脂3と光学フィルター(露光マスク)2の間隔を距離lとする。X,Yは面方向、Zは深さ方向である。詳細は図面内に示すとおりである。図1Bは同、フォトレジスト樹脂3内に光が照射された露光部分4を説明する模式的断面図である。露光された光強度分布はドット模様で示しており、ドット数が多いほど露光強度が高い。露光強度は,一番強い光強度で規格化しているため任意単位(a.u.と表記)とした。 The following description will be given with reference to the drawings. In the following drawings, the same reference numerals indicate the same objects. FIG. 1A is a diagram for explaining the basic concept of the present invention, and is a schematic cross-sectional view in which an optical filter (exposure mask) 2 is placed on the upper surface of a photoresist resin 3 and ultraviolet (UV) light 1 is irradiated. The photoresist resin 3 is a resin for positive photoresist, and the optical filter (exposure mask) 2 is, for example, a diffraction grating made of polycarbonate. The distance between the photoresist resin 3 and the optical filter (exposure mask) 2 is the distance l. X and Y are the surface directions, and Z is the depth direction. Details are as shown in the drawings. FIG. 1B is a schematic cross-sectional view for explaining an exposed portion 4 in the photoresist resin 3 where light is irradiated. The exposed light intensity distribution is shown in a dot pattern, and the greater the number of dots, the higher the exposure intensity. The exposure intensity is normalized by the strongest light intensity, so it is expressed in arbitrary units (denoted as a.u.).

図2Aは従来例の露光を示す模式的断面図である。フォトレジスト樹脂3の表面に対して垂直方向から紫外線(UV)1を照射すると、露光部分5a,5bができる。ZTはタルボット距離(nm)である。すなわち、照射面から見て同一照射線の1列目の照射スポット部分の中心点と、3列目の照射スポット部分の中心点の垂直距離(nm)である。 2A is a schematic cross-sectional view showing a conventional exposure example. When ultraviolet (UV) rays 1 are irradiated perpendicularly to the surface of the photoresist resin 3, exposed portions 5a and 5b are formed. ZT is the Talbot distance (nm). That is, it is the vertical distance (nm) between the center point of the irradiation spot portion in the first row and the center point of the irradiation spot portion in the third row of the same irradiation line as seen from the irradiation surface.

図2Bは本発明の一実施形態の露光の模式的断面図である。紫外線(UV)1の照射角度Θiは30~50°が好ましい。この範囲で照射すると、フォトレジスト樹脂3内部には連続した露光部6が形成される。露光部6を後に溶解させると、この部分は連続孔となる。Δxは照射面から見て1列目の照射スポット部分の中心点P1と、隣り合う3列目の照射スポット部分の中心点P2の水平距離(nm)である。 2B is a schematic cross-sectional view of exposure according to one embodiment of the present invention. The irradiation angle Θ i of the ultraviolet (UV) 1 is preferably 30 to 50°. When irradiated in this range, a continuous exposed portion 6 is formed inside the photoresist resin 3. When the exposed portion 6 is later dissolved, this portion becomes a continuous hole. Δx is the horizontal distance (nm) between the center point P1 of the irradiation spot portion in the first row and the center point P2 of the irradiation spot portion in the adjacent third row as viewed from the irradiation surface.

図3A-Eは本発明の一実施形態の製造方法を示す模式的断面図であり、図3Fは模式的斜視図である。
(1)図3Aは、基板10上にバッハー層(buffer layer)11として、厚み10μmのフォトレジスト樹脂を硬化させたシートを配置し、その上にスピンコートにより、フォトレジスト樹脂液13を塗工し、フォトレジスト樹脂層12aとした状態を示す。
(2)図3Bは、前記塗工したフォトレジスト樹脂層12aをホットプレート14上でプリベーク(加熱)し、フォトレジスト樹脂層12bとした状態を示す。
(3)図3Cは、前記(2)で得られたフォトレジスト樹脂層12bの上に光学フィルター(露光マスク)15を載せ、紫外線(UV)16を斜め方向から照射し、フォトレジスト樹脂層12cに露光パターン17を形成した状態を示す。
(4)図3Dは、前記(3)で得られたフォトレジスト樹脂層12cを安定化させるためにポストベーク(加熱)する状態を示す。次いで、図3Eは、ポストベーク(加熱)したフォトレジスト樹脂層12dをスピンコートにより、現像液で化学反応させ、硬化閾値を超える紫外線(UV)照射を受けた部分17を溶解させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった樹脂部分19を硬化させる状態を示す。フォトレジスト樹脂層12eは孔18が空いた状態となる。
(5)図3Fは、前記(4)により得られた樹脂19を純水にて洗浄処理することにより溶解部を溶出させ、微細構造体となった状態を示す。
3A-E are schematic cross-sectional views showing a manufacturing method of one embodiment of the present invention, and FIG. 3F is a schematic perspective view.
(1) FIG. 3A shows a state in which a 10 μm-thick sheet of hardened photoresist resin is placed on a substrate 10 as a buffer layer 11, and a photoresist resin liquid 13 is applied thereon by spin coating to form a photoresist resin layer 12 a.
(2) FIG. 3B shows the state in which the coated photoresist resin layer 12a is pre-baked (heated) on a hot plate 14 to form a photoresist resin layer 12b.
(3) FIG. 3C shows a state in which an optical filter (exposure mask) 15 is placed on the photoresist resin layer 12b obtained in (2) above, and ultraviolet (UV) rays 16 are irradiated from an oblique direction to form an exposure pattern 17 in the photoresist resin layer 12c.
(4) Fig. 3D shows a state where the photoresist resin layer 12c obtained in (3) is post-baked (heated) to stabilize it. Next, Fig. 3E shows a state where the post-baked (heated) photoresist resin layer 12d is spin-coated and chemically reacted with a developer to dissolve the parts 17 that have been irradiated with ultraviolet (UV) rays exceeding the curing threshold, and harden the resin parts 19 that have not reached the energy ray curing threshold. The photoresist resin layer 12e has holes 18.
(5) FIG. 3F shows the state in which the resin 19 obtained in (4) above is washed with pure water to dissolve the dissolved portion, resulting in a microstructure.

本発明の好ましい加工条件は次のとおりである。
(1)樹脂材料
ポジ型レジストを用いるのが好ましい。例えばポジ型UV硬化樹脂が好ましい。ネガ型を用いると、バッハー層を配置させる工程が必要となる。また、ネガ型を用いると、ポストベーク処理による高温に曝されるため、樹脂にひずみが生じ、正確な周期性を持った微細構造体の製造ができにくい。樹脂加工温度(プリベーク)は、0~100℃が好ましい。これは樹脂メーカーの推奨される樹脂硬化温度域である。
(2)洗浄液:樹脂に非侵襲な液体であれば可能である。純水を使用するのが好ましい。
(3)光波長:レーザーによるUV光を用いる。例えばλ=360nmである。波長領域としては0.1nm~380nmが使用できる。エネルギー線は、紫外線(UV-A,B,C)、X線、電子線等が用いられる。
(4)回折格子:1枚以上の光学フィルターを使用する。例えばポリカーボネートの光学フィルターを用いる。格子ピッチ:波長λ≦格子ピッチdで規定される。ピッチデューティ比:0.2~0.7であり、好ましくは0.4~0.6である。一例として、格子ピッチ:747nm、格子高さ:150nmを使用する。これはDVD表面を利用できる。DVD以外の回折格子としては、表1に記載のものを使用できる。
The preferred processing conditions of the present invention are as follows.
(1) Resin material It is preferable to use a positive resist. For example, a positive UV-curable resin is preferable. If a negative resist is used, a process of arranging a buffer layer is required. In addition, if a negative resist is used, the resin is exposed to high temperatures during post-baking, which causes distortion in the resin and makes it difficult to manufacture a microstructure with accurate periodicity. The resin processing temperature (pre-baking) is preferably 0 to 100°C. This is the resin curing temperature range recommended by the resin manufacturer.
(2) Cleaning liquid: Any liquid that is non-invasive to the resin is acceptable. It is preferable to use pure water.
(3) Light wavelength: UV light from a laser is used. For example, λ=360 nm. The wavelength range that can be used is from 0.1 nm to 380 nm. The energy rays that can be used include ultraviolet rays (UV-A, B, C), X-rays, electron beams, etc.
(4) Diffraction grating: one or more optical filters are used. For example, a polycarbonate optical filter is used. Grating pitch: defined as wavelength λ≦grating pitch d. Pitch duty ratio: 0.2 to 0.7, preferably 0.4 to 0.6. As an example, a grating pitch of 747 nm and a grating height of 150 nm are used. This can be the surface of a DVD. As diffraction gratings other than DVD, those listed in Table 1 can be used.

Figure 0007570110000004
Figure 0007570110000004

(5)加工パターン
規則性のある溝構造が形成できる。周期性があり、1~20周期まで任意に変更可能である。表面は鋭角にも平面にも造形可能である。
(6)加工特徴
(a)1ショット露光を行い、位相シフトによらない精密な加工を行う。
(b)露光状態・時間によって、加工状態を変更できる。光閾値を越えたら樹脂硬化が起こる。硬化は露光時間で制御する。
(c)照射光は、基材面の垂直方向から30~50°の入射角とする。
(d)タルボット距離を前記(数1)に規定する式で求める。これがタルボット効果の及ぼす範囲となる。加工特性は、前記(数2)及び(数3)で規定する。
この結果、下記のようになる。
(i)隣り合うタルボット距離を伸ばすことで、隣り合う加工領域を結合する。
(ii)隣り合う波長距離Xを制御することで、前後の加工領域を結合する。
(5) Processing pattern A regular groove structure can be formed. It has periodicity and can be changed arbitrarily from 1 to 20 periods. The surface can be shaped to have sharp angles or flat surfaces.
(6) Processing Features (a) One-shot exposure is performed, and precise processing is performed without relying on phase shift.
(b) The processing state can be changed by changing the exposure state and time. When the light threshold is exceeded, the resin hardens. The hardening is controlled by the exposure time.
(c) The irradiating light is set at an incident angle of 30 to 50° from the perpendicular direction to the substrate surface.
(d) The Talbot distance is calculated using the formula (1) above. This is the range in which the Talbot effect is exerted. The processing characteristics are defined by the formulas (2) and (3) above.
This results in the following:
(i) Adjacent processed regions are joined by increasing the Talbot distance between them.
(ii) By controlling the adjacent wavelength distance X, the front and rear processed regions are joined.

以下実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。なお本発明は下記の実施例に限定されるものではない。
(実施例1)
次のとおり実験した。
(1)スピンコーターを用い、基板10の上のバッハー層11上に厚みが均一なUV硬化樹脂のSIPR-3251-6.0(ShinEtsuMicroSi社製)樹脂層12aを形成した。厚みは6μmであった(図3A)。
(2)(1)により形成した樹脂層12aをホットプレート14に載せて、100℃で2分間プリベーク(加熱)処理を行い、樹脂層12aに含まれる溶媒を揮発させ、樹脂層12bとした(図3B)。
(3)(2)で得られた樹脂層12bに対し、ポリカーボネート製、屈折率n=1.59の回折格子15(ピッチ幅:747nm)を上面に設置した。紫外線LED面光源(波長λ=360nm)の光16を垂直方向から40°の角度で1ショット露光し、樹脂層12cにパターンを生成した(図3C)。このとき、前記数式1~3を満たすようにした。
(4)(3)で得られた樹脂層12cをSIPR-3251用現像液(現像液は樹脂購入時に付属)により化学反応させ、SIPR-3251の光硬化閾値を超える光照射を受けた部分を溶解させ、樹脂層12dとした(図3D)。次いで、樹脂層12dをスピンコートにより、現像液で化学反応させ、硬化閾値を超える紫外線(UV)照射を受けた部分18を溶解させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった樹脂部分19を硬化させた。フォトレジスト樹脂層12eは樹脂部19に孔18が形成された状態となった(図3E)。
(5)前記(4)により得られた樹脂19を純水にて洗浄処理することにより溶解部を溶出させ、微細構造体を得た(図3F)。
The present invention will be described in more detail below with reference to examples, although the present invention is not limited to the following examples.
Example 1
The experiment was carried out as follows.
(1) Using a spin coater, a resin layer 12a of SIPR-3251-6.0 (manufactured by ShinEtsu MicroSi) made of UV-curable resin was formed with a uniform thickness on the buffer layer 11 on the substrate 10. The thickness was 6 μm ( FIG. 3A ).
(2) The resin layer 12a formed in (1) was placed on a hot plate 14 and pre-baked (heated) for 2 minutes at 100° C. to volatilize the solvent contained in the resin layer 12a, thereby forming a resin layer 12b (FIG. 3B).
(3) A polycarbonate diffraction grating 15 (pitch width: 747 nm) with a refractive index n=1.59 was placed on the resin layer 12b obtained in (2). A pattern was generated in the resin layer 12c by exposing it to light 16 from an ultraviolet LED surface light source (wavelength λ=360 nm) at an angle of 40° from the vertical direction (FIG. 3C). At this time, the above formulas 1 to 3 were satisfied.
(4) The resin layer 12c obtained in (3) was chemically reacted with a developer for SIPR-3251 (the developer was included when the resin was purchased) to dissolve the portion irradiated with light exceeding the photocuring threshold of SIPR-3251, forming a resin layer 12d (FIG. 3D). Next, the resin layer 12d was chemically reacted with the developer by spin coating to dissolve the portion 18 irradiated with ultraviolet (UV) light exceeding the curing threshold, and harden the resin portion 19 that did not reach the energy ray curing threshold. The photoresist resin layer 12e was in a state in which holes 18 were formed in the resin portion 19 (FIG. 3E).
(5) The resin 19 obtained in (4) above was washed with pure water to elute the dissolved portion, thereby obtaining a microstructure (FIG. 3F).

(比較例1)
紫外線LED面光源(波長λ=360nm)の光16を垂直方向から照射した以外は実施例1と同様に実施した。
以上の条件と結果を表2にまとめて示す。
(Comparative Example 1)
The same procedure as in Example 1 was carried out, except that light 16 from an ultraviolet LED surface light source (wavelength λ=360 nm) was irradiated from a vertical direction.
The above conditions and results are shown in Table 2.

Figure 0007570110000005
Figure 0007570110000005

図4A-Bに示すとおり、実施例1で得られた微細構造体(シート)20は、樹脂部21の内部まで、傾斜を有する連続孔22が周期性をもって造形されていた。
これに対して比較例1で得られた微細構造体(シート)23は、図5A-Bに示すとおり、樹脂部24の内部に独立気泡状態の孔25が造形されていた。
As shown in FIGS. 4A and 4B, in the microstructure (sheet) 20 obtained in Example 1, continuous pores 22 having an inclination were formed with periodicity all the way to the inside of the resin portion 21.
In contrast, in the microstructure (sheet) 23 obtained in Comparative Example 1, as shown in FIGS. 5A and 5B, holes 25 in a state of isolated bubbles were formed inside the resin portion 24.

本発明の微細構造体は、樹脂層内部に溝、貫通孔、連続気泡などが形成されており、フィルターを含むフォトニック構造体、バイオミメティクス構造体、機能性部材等に応用可能である。The microstructure of the present invention has grooves, through holes, open cells, etc. formed inside the resin layer, and can be applied to photonic structures including filters, biomimetic structures, functional components, etc.

1,16 紫外線(UV)
2,15 光学フィルター(露光マスク)
3 フォトレジスト樹脂
4,5a,5b 露光部分
6 連続した露光部
10 基板
11 バッハー層
12a-12f フォトレジスト樹脂層
13 フォトレジスト樹脂液
14 ホットプレート
17 露光パターン
18 孔
19 樹脂部
20,23 微細構造体
21,24 樹脂部(シート)
22 傾斜を有する連続孔
25 独立気泡状態の孔
1,16 Ultraviolet light (UV)
2, 15 Optical filter (exposure mask)
Reference Signs List 3: Photoresist resin 4, 5a, 5b; Exposed portion 6: Continuous exposed portion 10: Substrate 11: Buffer layer 12a-12f; Photoresist resin layer 13: Photoresist resin liquid 14: Hot plate 17: Exposed pattern 18: Hole 19: Resin portion 20, 23: Microstructure 21, 24 Resin part (sheet)
22 Continuous pores having an inclination 25 Holes in a closed cell state

Claims (10)

内部に孔を含む微細構造体の製造方法であって、
(1)基板上にエネルギー線活性樹脂を均一厚みに塗工する工程と、
(2)前記塗工したエネルギー線活性樹脂層をプリベーク(加熱)する工程と、
(3)前記(2)で得られた樹脂層に対し回折格子を上面に設置し、エネルギー線を斜め方向から照射し、樹脂層にパターンを生成する工程と、
(4)前記(3)で得られた樹脂層を現像液により化学反応させ、硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた部分を溶解させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった部分を硬化させる工程、または硬化閾値を超えるエネルギー線照射を受けた部分を硬化させ、エネルギー線硬化閾値に満たなかった部分を溶解させる工程と、
(5)前記(4)により得られた基板を純水にて洗浄処理することにより溶解部を溶出させ、微細構造体を得る工程
を含み、
前記微細構造体はエネルギー線活性樹脂を含むシートであり、
少なくとも内部まで、傾斜を有する孔が造形されており、
前記微細構造体内部の孔は、タルボット距離が下記(数1)で規定される造形パターンの形状をしており、
隣り合うタルボット構造との関係式が下記(数2)及び(数3)を満たし、
但し、(数1)~(数3)において、
T :タルボット距離(nm)
n:露光マスクの回折格子の、回折格子に照射される紫外線(UV)の屈折率
d:露光マスクの回折格子のピッチ間距離(nm)
λ:微細構造体の製造時に照射する紫外線(UV)の光波長(nm)
ΔX:照射面から見て1列目の照射スポット部分と、隣り合う3列目の照射スポット部分の水平距離(nm)
θi:紫外線(UV)の照射角度
平面方向に周期性のある形状を有することを特徴とする微細構造体の製造方法。
A method for producing a microstructure containing a hole therein, comprising the steps of:
(1) applying an energy ray active resin to a substrate in a uniform thickness;
(2) pre-baking (heating) the applied energy ray active resin layer;
(3) placing a diffraction grating on the resin layer obtained in (2) above, and irradiating the resin layer with an energy beam from an oblique direction to generate a pattern in the resin layer;
(4) a step of chemically reacting the resin layer obtained in (3) with a developer to dissolve the portion irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and to cure the portion not reaching the energy ray curing threshold, or a step of curing the portion irradiated with energy rays exceeding the curing threshold and dissolving the portion not reaching the energy ray curing threshold;
(5) A step of washing the substrate obtained by (4) with pure water to dissolve the dissolved portion, thereby obtaining a microstructure ,
the microstructure is a sheet containing an energy ray-activatable resin,
A hole having a slope is formed at least to the inside,
The hole inside the microstructure has a shape of a shaping pattern in which the Talbot distance is defined by the following (Equation 1),
The relationship between adjacent Talbot structures satisfies the following (Equation 2) and (Equation 3),
However, in (Equation 1) to (Equation 3),
Z T : Talbot distance (nm)
n: the refractive index of the ultraviolet (UV) light irradiated onto the diffraction grating of the exposure mask
d: Pitch distance of the diffraction grating of the exposure mask (nm)
λ: wavelength (nm) of ultraviolet (UV) light irradiated during the manufacture of the microstructure
ΔX: Horizontal distance (nm) between the first row irradiation spot portion and the adjacent third row irradiation spot portion as viewed from the irradiation surface
θi: UV irradiation angle
A method for producing a microstructure having a shape that is periodic in the planar direction .
前記エネルギー線の斜め方向からの照射が、垂直方向から30~50°の傾斜位置である請求項1に記載の微細構造体の製造方法。 The method for manufacturing a microstructure according to claim 1, wherein the energy beam is irradiated from an oblique direction at an inclination of 30 to 50 degrees from the vertical direction. 前記エネルギー線活性樹脂がレジスト用樹脂である請求項1又は2に記載の微細構造体の製造方法。 3. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the energy ray active resin is a resist resin. 前記エネルギー線活性樹脂がポジ型レジスト用樹脂である請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 4. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the energy ray active resin is a resin for a positive resist. 前記周期性のある形状が、格子ピッチ:波長λ≦格子ピッチdであり、かつピッチデューティ比:0.2~0.7である請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 5. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the periodic shape has a grating pitch: wavelength λ≦grating pitch d, and a pitch duty ratio: 0.2 to 0.7. 前記構造体内部の孔は、表裏面に貫通している請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 6. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the holes inside the structure penetrate from the front to the back surface. 前記構造体内部の孔は、溝及び/又は穴を含む請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 The method for producing a microstructure according to any one of claims 1 to 6 , wherein the pores inside the structure include grooves and/or holes. 前記構造体内部の孔は、独立気泡状態である請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 8. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the pores inside the structure are in a closed bubble state. 前記周期性のある形状が、規則性のある形状である請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 The method for producing a microstructure according to any one of claims 1 to 8 , wherein the periodic shape is a regular shape. 前記傾斜を有する孔は、垂直方向から15~30°傾斜している請求項1~のいずれか1項に記載の微細構造体の製造方法。 10. The method for producing a microstructure according to claim 1, wherein the inclined holes are inclined at an angle of 15 to 30 degrees from the vertical direction.
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