概要
ナノインプリント（Nanoimprint Lithography, NIL）とは、ナノメートルサイズの微細な凹凸パターンを、金型（モールド）を使って基板上に転写する微細加工技術です。
光や電子線を使って描画する従来のリソグラフィとは異なり、「型押し」のような物理的プロセスで構造を形成する点が最大の特徴です。
近年、半導体、光学デバイス、バイオデバイスなどの分野で、より微細で低コストな加工技術が求められる中、ナノインプリントは有力な選択肢として注目されています。
特徴（長所・短所・他手法との違い）
ナノインプリントの長所
ナノインプリントには、他の微細加工技術にはない多くの利点があります。
- 超高解像度
数ナノメートルレベルのパターン形成が可能です。 - 装置が比較的シンプル
高価な光学系や電子銃が不要で、装置構成が簡単です。 - 低コスト・高スループット
一度モールドを作れば、同じパターンを高速で大量転写できます。 - 材料の自由度が高い
樹脂、ポリマー、無機材料など、さまざまな材料に適用できます。
ナノインプリントの短所
一方で、課題も存在します。
- 欠陥転写のリスク
モールドの欠陥がそのまま転写される可能性があります。 - モールドの耐久性
繰り返し使用による摩耗や汚染が問題となる場合があります。 - 位置合わせ（アライメント）の難しさ
多層構造では高精度な位置合わせが求められます。
他のリソグラフィ手法との違い
| 手法 | 特徴 | 主な用途 |
|---|---|---|
| フォトリソグラフィ | 光を用いた描画 | 半導体量産 |
| 電子線描画 | 超高精度・低速 | 研究開発 |
| ナノインプリント | 型押し・高速 | 微細構造量産 |
原理（数式を交えて）
基本的なプロセス
ナノインプリントの基本工程は、次の通りです。
- 基板上に樹脂（レジスト）を塗布
- ナノ構造を持つモールドを押し当てる
- 圧力・熱または光でレジストを変形・硬化
- モールドを剥離してパターン転写完了
代表的な方式には、
- 熱ナノインプリント
- UV（紫外線）ナノインプリント
があります。
熱ナノインプリントの原理
熱ナノインプリントでは、レジストをガラス転移温度 ( T_g ) 以上に加熱し、粘性流動を利用してパターンを転写します。
粘性流体としての変形は、簡略化すると次のように考えられます。
$$ \eta(T) \frac{dv}{dx} = \tau $$
- η(T)：温度依存の粘度
- τ：せん断応力
温度を上げることで粘度が下がり、微細な凹凸まで樹脂が流れ込みやすくなります。
UVナノインプリントの原理
UVナノインプリントでは、低粘度の紫外線硬化樹脂を使用します。
- モールドを押し当てる
- UV光を照射
- 樹脂が重合・硬化
というプロセスで、低圧・低温で高精度な転写が可能です。
歴史
ナノインプリント技術は、1995年にプリンストン大学のスティーブン・チョウ（S. Y. Chou）教授によって提案されました。
- 1990年代：ナノインプリントの概念提案
- 2000年代：研究用途で普及
- 2010年代：量産対応装置の登場
- 近年：半導体・光学分野で実用化が進展
特に、微細化の限界が見え始めたフォトリソグラフィを補完する技術として注目されてきました。
応用例（具体例）
1. ナノフォトニクス・光学素子
ナノインプリントは、
- 回折格子
- メタサーフェス
- フォトニック結晶
などの微細光学構造の量産に適しています。
2. 半導体デバイス
- 次世代メモリ
- 配線形成
- パターン複製
など、微細加工が求められる分野で研究・実用化が進んでいます。
3. バイオ・医療デバイス
- マイクロ流体チップ
- 細胞培養基板
- バイオセンサー
など、生体分野でも活用されています。
4. 表面機能化
- 撥水・防汚表面
- 反射防止構造
- 摩擦低減構造
といった機能性表面の作製にも用いられます。
今後の展望
今後のナノインプリント技術では、
- 高精度アライメント技術の確立
- モールドの長寿命化
- 大面積・高速量産
が重要な課題です。
さらに、ロール・ツー・ロール方式との組み合わせにより、
低コストでの大面積ナノ構造製造が現実になりつつあります。
ナノインプリントは、半導体に限らず、光学・バイオ・エネルギー分野を横断する基盤技術として、今後ますます重要になると考えられます。
まとめ
ナノインプリントは、
- 型押しによるナノスケール微細加工技術
- 高解像度・低コスト・高スループットが魅力
- 次世代デバイスを支える有力な製造手法
です。
従来の微細加工技術では難しかった構造を、比較的簡単に量産できる点が大きな強みです。