JP2005167166A - 位置制御可能なパターン形成装置及び位置制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 金型のパターンを基板上の正確な位置に転写すること。
【解決手段】 基板２００に所定の形状パターンを形成するための金型１００を保持する保持ブロック４１と、基板２００を保持するウエハステージ２１と、ウエハステージ２１に保持された基板２００に金型１００を押圧するプレス機構５０と、ウエハステージ２１及び保持ブロック４１を相対移動させる移動機構３０と、ウエハステージ２１に保持された基板２００のパターン及び金型１００の相対位置を示す位置情報を検出するためのＣＣＤカメラ８４と、金型１００の位置を示す位置情報を予め格納した格納手段と、ＣＣＤカメラ８４が検出した位置情報及び格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、移動機構３０を制御する制御手段と、を具備し、正確に位置を制御して基板２００に金型１００のパターンを転写する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、例えば、加工対象物と金型の位置制御方法及びその装置に関するものである。

従来、ＬＳＩ（大規模集積回路）に代表される微細回路パターンを半導体基板（以下、単に基板と称する）上に形成するには、フォトリソグラフィーと呼ばれる技術が一般に用いられている。この方法は、ステッパと称される露光装置を用い、レチクル（マスク）上に描かれた回路パターンを、縮小光学系を通して基板上のレジスト表面に投影露光し、その露光を基板全域にわたって繰り返すことで、基板上に所定の微細回路パターンを形成するものである。

この方法により形成される基板の集積度を高めるには、回路パターンの線幅を狭めていく必要があり、現在主流の線幅１３０ｎｍから、今後１００ｎｍ以下の線幅に移行することが予想されている。

これに対応するには、投影露光に使用する光源の波長を短くする必要があり、現状でも、各露光装置メーカでは紫外（ＵＶ）光、遠紫外（ＤＵＶ）光、極紫外光（ＥＵＶ）光等、短波長の光を光源とした露光装置の開発を進めている。

しかし、紫外レーザ光源等の短波長の光を光源として用いると、露光装置の投影光学系を構成するレンズやミラー、光源等に、わずかな温度変化や外部振動によって歪みや光源ノイズが生じる。このため、露光装置には、精度の高い温度管理や除振構造が要求され、その結果、この様な一連の機器によって構成される縮小投影式の露光装置は、装置価格が非常に高価となる（例えば数十億円）傾向にある。また、露光装置自体も大掛かりなものとなるため、設置スペースや消費電力が増大する傾向にある。

この様な装置大型化やプロセスコストの高騰を防ぐことを目的として、超微細なパターンを基板上に形成する手法として、ナノインプリンティングプロセス技術が開発されている（例えば、非特許文献１参照。）。

このプロセスは、形成したいパターンが表面に作り込まれた金型を用いて、基板等の加工対象物上に設けられたレジスト材のガラス転移点を超える温度に基板を熱し、その状態で金型を加工対象物面に押し付けて型のパターンを転写する方法である。この方法では、高価なレーザ光源や光学系を必要とせず、加熱用ヒータとプレス装置とを基本とした簡易な構成であるにもかかわらず、金型に作り込まれたパターンをそのまま精度よく転写することが可能となっており、すでにこの方法によって約２０ｎｍの線幅を持つ細線が形成された報告がある（例えば、非特許文献２参照。）。

さらには、このようなナノインプリンティングプロセス技術を用いることで、回折格子、フォトニック結晶、導波路、等の光デバイス、マクロチャネル、リアクター等の流体デバイスのような、各種のマイクロチップ、マイクロデバイスの製作も可能な状況が実現しつつある。
Ｇ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｊ．Ｃ．Ｌｏｖｅ、「ナノ構造を作る新技術」、"日経サイエンズ"、日本経済新聞社、平成１３年（２００１年）１２月１日、３１巻、１２号、ｐ．３０−４１ Ｃ．Ｍ．Ｓｏｔｏｍａｙｏｒ，ｅｔ．ａｌ．、"Ｎａｎｏｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ：ａｎ ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ ｎａｎｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ａｐｐｒｏａｃｈ"、「Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｃ」、Ｅｌｓｅｖｉｅｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ、平成１４年（２００２年）、９８９巻、ｐ．１−９

上記のようなプロセスで各種デバイスに対し正確にパターンを形成するには、加工対象物と金型のパターンとの間の正確な位置関係を調整する必要がある。
ここで、フォトリソグラフィーに用いる装置においては、直接パターン領域を観測してパターンを転写することができた。一方、透明ではない金型を用いる熱式のインプリンティング装置においては、パターン領域を直接観測することができないため、まずＣＣＤ等の位置検出手段によって加工対象物の位置を検出した後、その位置に金型を移動し、基板と金型のパターンとの位置合わせを行っていた。

しかしながら、熱式のナノインプリンティング装置は、金型のパターンを基板に押圧する際に大きな荷重が装置にかかるため、装置を構成する部材の重量が大きくなる傾向がある。したがって、加工対象物と金型のパターンとの間の位置を検出した後、金型や加工対象物を移動等させた場合には、その重量により装置全体に大きな力がかかり、金型と加工対象物との位置関係に誤差を生じやすいという問題があった。

また、加工対象物の加熱等によって、金型や加工対象物を移動するための移動機構に温度変化が生じると、移動機構に微小な変形が生じ、正確な位置に移動することができなくなるという問題があった。

本発明は、このような技術課題に基づいてなされたもので、金型の形状パターンを基板上の正確な位置に転写することができる位置制御可能なパターン形成装置及び位置制御方法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、この発明のパターン形成装置は、加工対象物に所定の形状パターンを形成するための金型を保持する金型保持手段と、前記加工対象物を保持する対象物保持手段と、前記対象物保持手段に保持された加工対象物に前記金型を押圧するプレス機構と、前記対象物保持手段及び前記金型保持手段を相対移動させる移動機構と、前記対象物保持手段に保持された加工対象物のパターン及び前記金型の相対位置を示す位置情報を検出するための位置検出手段と、前記金型の位置を示す位置情報を予め格納した格納手段と、前記位置検出手段が検出した位置情報及び前記格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、前記移動機構を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする（請求項１）。

また、この発明の第２のパターン形成装置は、加工対象物に所定の形状パターンを形成するための金型を保持する金型保持手段と、前記加工対象物を保持する対象物保持手段と、前記対象物保持手段に保持された加工対象物を加熱可能な対象物加熱手段と、前記対象物保持手段に保持された加工対象物に前記金型を押圧するプレス機構と、前記対象物加熱手段から前記移動機構への熱伝導を抑制する冷却手段と、前記対象物保持手段及び前記金型保持手段を相対移動させる移動機構と、前記対象物保持手段に保持された加工対象物のパターン及び前記金型の相対位置を示す位置情報を検出するための位置検出手段と、前記金型の位置を示す位置情報を予め格納した格納手段と、前記位置検出手段が検出した位置情報及び前記格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、前記移動機構を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする（請求項２）。

この場合、前記対象物加熱手段と前記移動機構との間に設けられ、前記対象物加熱手段から前記移動機構への熱伝導を抑制する断熱手段を具備する方が好ましい（請求項３）。また、前記移動機構を冷却可能な移動機構冷却手段を有する方が好ましい（請求項４）。また、周辺の環境から前記移動機構に至る振動を抑制する免震機構を具備する方が好ましい（請求項５）。また、前記位置検出手段は、前記金型及び前記対象物保持部の相対的な位置を示す位置情報を検出可能な金型位置検出手段を有する方が好ましい（請求項６）。また、前記移動機構は、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物の上面に平行な面内で第１の方向に前記金型及び前記対象物保持部を相対的に直線移動可能なＸ方向移動手段と、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物上面に平行な面内で、前記第１の方向と互いに交差する第２の方向に前記金型及び前記対象物保持部を相対的に直線移動可能なＹ方向移動手段と、前記加工対象物上面に平行な面内で前記金型及び前記対象物保持部を相対的に回転可能な回転手段と、を具備し、前記金型位置検出手段は、前記金型及び前記対象物保持部の第１の方向の相対的な位置を示す位置情報を検出可能なＸ位置検出手段と、前記金型及び前記対象物保持部の第２の方向の相対的な位置を示す位置情報を検出可能なＹ位置検出手段と、前記金型及び前記対象物保持部の回転方向の位置を示す位置情報を検出可能なθ位置検出手段と、を具備する方が好ましい（請求項７）

また、この発明の第１の位置制御方法は、格納手段に予め記憶された金型のパターンの位置を示す位置情報に基づいて、金型及び加工対象物を相対的に移動させ、前記金型で前記加工対象物上に所定のパターンを形成する工程と、前記加工対象物に形成されたパターンの位置を示す位置情報を検出する工程と、前記格納手段に予め記憶された金型のパターンの位置情報と前記加工対象物に形成されたパターンの位置情報の誤差を計算し、前記金型のパターンの位置情報を補正して格納手段に記憶する工程と、を有することを特徴とする（請求項８）。

また、この発明の第２の位置制御方法は、加工対象物上の目印の位置情報を検出する検出手段を、格納手段に予め記憶されている目印の位置を示す位置情報に基づいて移動させ、加工対象物上の少なくとも１以上の目印の位置情報を検出する工程と、前記格納手段に予め記憶された目印の位置情報と検出された前記目印の位置情報の誤差を計算する工程と、前記格納手段に予め記憶された目印の位置情報と前記誤差に基づいて、前記金型と前記加工対象物を相対的に移動させ、前記金型で前記加工対象物上の前記目印に対応する領域に所定のパターンを形成する工程と、を有することを特徴とする（請求項９）。

請求項１記載の発明によれば、加工対象物の形状パターンと金型との相対的な位置を示す位置情報を検出し、その位置情報と格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、移動機構を制御することができるので、正確に位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項２記載の発明によれば、対象物加熱手段から移動機構への熱の伝導を抑制する冷却手段を有するので、移動機構が熱により変形し、金型のパターン位置が変化するのを防止することができる。したがって、正確に位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項３記載の発明によれば、対象物加熱手段と移動機構との間に対象物加熱手段から移動機構への熱の伝導を抑制する断熱手段を有するので、移動機構が熱により変形し、金型のパターン位置が変化するのを防止することができる。したがって、正確に位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項４記載の発明によれば、移動機構を冷却可能な移動機構冷却手段を有するので、移動機構が熱により変形し、金型のパターン位置が変化するのを防止することができる。したがって、正確に位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項５記載の発明によれば、周辺の環境から移動機構に至る振動を抑制する免震機構を具備するので、移動機構のぶれにより、金型のパターン位置が変化するのを防止することができる。したがって、正確に位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項６，７記載の発明によれば、位置検出手段は、金型と対象物保持部との相対的な位置を示す位置情報を検出可能な金型位置検出手段を有するので、正確に金型の位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項８記載の発明によれば、格納手段に予め記憶されている金型のパターンの位置情報を、実際に形成したパターンの位置情報によって補正することができるので、金型交換時等に正確に金型の位置を制御して加工対象物の所定位置に金型のパターンを転写することができる。

請求項９記載の発明によれば、加工対象物に形成された１以上の目印の位置情報を検出して、金型の位置を制御するので、所定の位置に正確にパターンを形成することができる。

以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。

図１、図２は、本実施の形態におけるパターン形成装置の全体構成を説明するための図である。

この図１、図２に示すように、パターン形成装置１０は、所定の形状パターンが凹凸により形成された金型１００を基板（加工対象物）２００に転写することで、基板２００にパターンを形成するものである。

このパターン形成装置１０は、装置本体１５と、加工対象物、例えば基板２００を保持する基板保持部（対象物保持部）２０と、基板２００に所定のパターンを形成するための金型１００を保持する金型保持部４０と、基板保持部２０及び金型１００を相対移動させる移動機構３０と、金型保持部４０に保持された金型１００を駆動する金型駆動機構（プレス機構）５０と、基板２００及び金型１００の相対的な位置情報を検出可能な位置検出手段と、位置検出手段が検出した位置情報に基づいて、移動機構３０を制御する制御手段とを備えている。

図１、図２に示すように、装置本体１５は、移動機構３０を保持するもので、上面側に基板保持部２０を支持する板状の基台１６と、基台１６の上面両端部に平行に固定される側壁１７と、この側壁１７と直行する方向であって、側壁１７の上面両端部に平行に固定されると共に、金型保持部４０を支持する上部ベース１８とで構成される。また、装置本体１５は、熱伝導性が低く、外力や周囲の温度等により変形し難い剛性の高い材料、例えばグラナイト等の石により形成されている。これにより、周囲の環境の変化によって基板保持部２０と金型保持部４０との位置関係の誤差の発生を可及的に防止することができる。

また、装置本体１５は、基台１６の下部に形成される免震機構１６ａを介して地面等に設置される。これにより、人が歩く振動や他の装置によって生じる振動等、周辺環境から生じる微小な振動の装置本体１５への伝達を防止することができる。

図３に示すように、基板保持部２０は、基板２００を略水平状態で保持するものであり、上面に保持面２１ａを有した保持ステージ（対象物保持手段）２１を備えている。

この保持ステージ２１には、保持面２１ａに多数のバキューム孔（図示無し）が形成されており、このバキューム孔に図示しない負圧源から負圧を作用させることで、保持面２１ａ上に、基板２００を吸着保持できる構成となっている。

また、図３に示すように、基板保持部２０は、保持ステージ２１の下部に形成され、保持した基板２００を加熱するためのヒータ２２（対象物加熱手段）を備えている。このヒータ２２は、図示しないコントローラにより、保持ステージ２１上の基板２００を所定の一定温度に維持するよう、その作動が制御される。このヒータ２２としては、例えば、伝熱ヒータや、後に詳述するセラミックヒータを好適に用いることができる。

さらに、基板保持部２０は、ヒータ２２の下部に断熱材２３（断熱手段）を介して冷却手段２４を有しており、ヒータ２２で発生した熱が後述するθステージ２５側に伝わるのを抑制することができる。したがって、移動機構３０や装置本体１５が熱により変形して、金型１００のパターンと基板との間に誤差が生じるのを防止することができる。

断熱材２３としては、熱伝導を妨げるものであればどのような材料でもよく、金属やセラミック等を用いることができるが、好ましくは熱伝導率が０．３Ｗ／ｍ・ｋ以下、さらに好ましくは０．２５Ｗ／ｍ・ｋ以下の材料を用いるのが好ましい。

冷却手段２４としては、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い金属の内部に流路を形成し、この流路内に冷却水等の冷媒を流すように構成したものを用いることができる。この冷却手段２４は、例えば図示しないコントローラに接続され、θステージ側の温度を検出する温度検出手段の検出信号に基づいて、θステージ２５側の温度が急激に上がるのを抑えるように制御する構成とすることもできる。なお、熱がθステージ２５側に伝わるのを防止することができるものであれば、ペルチェ素子等の他の手段を用いることも勿論可能である。

一方、加工対象となる基板２００は、例えばポリカーボネート、ポリイミド等の樹脂材料、ガラス材料、シリコン、ガリウム砒素、サファイア、酸化マグネシウム等、成形素材がそのまま基板形状をなしているものを用いることができる。また、基板２００として、シリコンウエハやガラスウエハ等からなる基板本体の表面に、樹脂膜、フォトレジスト、配線パターンを形成するためアルミ、金、銀等の金属膜等を薄膜状の被覆層が形成されたものを用いることができる。

図３に示すように、金型保持部４０は、下面に支持面４１ａを有し、この支持面４１ａで金型１００を保持する保持ブロック４１（金型保持手段）を備えている。

図４に示すように、この保持ブロック４１には、金型１００を加熱するヒータ（金型加熱手段）４２が内蔵されている。このヒータ４２としては、例えば窒化アルミニウム等のセラミック素材で形成され、その内部にヒータ電極としての配線が埋め込まれた、いわゆるセラミックヒータが好適である。このような保持ブロック４１では、ヒータ電極に図示しない電源から電流を流すと温度が上昇し、電流を切ると温度が下降する。セラミックヒータは、例えば１００℃／秒で温度が上昇する、非常に応答の速いヒータである。このようなヒータ電極に対する電源からの電流供給は、図示しないコントローラによって制御されるようになっている。

また、金型保持部４０は、保持ブロック４１の上面側に、冷却ブロック（冷却部）４３を一体に備えることもできる。この冷却ブロック４３は、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属で形成され、その内部に流路４４が形成され、この流路４４には、冷却水等の冷媒を流すことができるようになっている。

このような冷却ブロック４３では、流路４４に冷媒を流すことで、保持ブロック４１及び金型１００を冷却する機能を有する。

また、保持ブロック４１は、支持面４１ａに、複数の吸着用電極４５が設けられており、この吸着用電極４５に図示しない電源から電圧を印加することで静電力を発生する。保持ブロック４１は、吸着用電極４５が金型１００に対して面接触するようになっており、この吸着用電極４５の静電引力により金型１００の上面を吸着保持するようになっている。金型１００は、そもそも加工精度が高いものであるため、その上面の平面度も精度良く形成することができる。そして、保持ブロック４１側の吸着用電極４５も平面度を高く形成して、前記の静電引力を利用して金型１００を支持することで、金型１００をネジやクランプ金具等で保持ブロック４１に固定する構造に比較し、金型１００と吸着用電極４５との密着度を高めることができ、保持ブロック４１から金型１００への熱伝導を効率よく行うことができる。なお、金具１００の保持は、ネジやクランプ金具等の締結具で保持ブロック４１に固定する構造、溶接等により保持ブロック４１に接合する構造、真空吸着により保持ブロック４１に吸着保持する構造、保持ブロック４１に嵌着する構造を用いることも、もちろん可能である。

なお、ヒータ４２のヒータ電極については、金型１００の温度をコントロールするため、コントローラによって電流の供給がコントロールされる構成となっているが、吸着用電極４５については、金型１００の型交換時以外、常に電圧が印加されて吸着力を発揮するようになっている。

ところで、金型１００を保持ブロック４１に静電力で吸着させる構成とし、基板２００を保持ステージ２１に静電力で吸着させる構成とすることも考えられる。しかし、そのような構成とすると、金型１００で基板２００を成形するときに、保持ブロック４１が保持ステージ２１に近接したときに金型１００と基板２００の間で電荷が移動してしまい、その後に金型１００を基板２００から離間させると、金型１００または基板２００の一方が他方に吸い付けられてしまう可能性があるため好ましくない。したがって、金型１００を保持ブロック４１に静電力で吸着させる場合には、基板２００を静電力以外の方法で保持ステージ２１に保持する方が好ましく、また、基板２００を保持ステージ２１に静電力で吸着させる場合には、金型１００を静電力以外の方法で保持ブロック４１に保持する方が好ましい。

また、図４に示すように、金型１００は、その下面１００ａに、所定のパターンを形成するための凹凸１０１が形成されている。この凹凸１０１は、金型１００を金属やセラミックス等のいわゆる金型素材で形成し、その下面１００ａに精密機械加工を施すことで形成できる。あるいは金型１００の原盤となるシリコン基板等にエッチング等の半導体微細加工技術によって所定のパターンを形成した後、このシリコン基板等の表面にニッケルメッキ法（電気鋳造（エレクトロフォーミング）法）等によって金属メッキを施し、この金属メッキ層を剥離して、凹凸１０１を有した金型１００として用いることもできる。

この金型１００は、前述したように保持ブロック４１のヒータ４２及び冷却ブロック４３によって加熱・冷却されるため、なるべく薄型化してその熱容量をできる限り小さくするのが好ましい。

移動機構３０は、図１、図２に示すように、金型１００及び基板保持部２０を相対的に移動可能に構成されるもので、例えば、金型１００及び基板保持部２０を、基板２００上面に平行な面内で第１の方向（以下、Ｘ方向と称する）に相対的に直線移動可能なＸ方向移動手段３１と、金型１００及び基板保持部２０を、基板２００上面に平行な面内でＸ方向と交差する第２の方向（以下、Ｙ方向と称する）に相対的に直線移動可能なＹ方向移動手段３２と、金型１００及び基板保持部２０を、基板２００上面に平行な面内で相対的に回転可能な回転手段３３とで構成される。なお、Ｘ方向とＹ方向は、直行する方が好ましい。

Ｘ方向移動手段３１は、例えば、２つの上部ベース１８を囲む略方形筒状に形成され、金型保持部４０を保持するＸステージ３１ａと、各上部ベース１８に平行に固定され、Ｘステージ３１ａにＸ方向の駆動力を与えるリニアモータＬＭ１と、各上部ベース１８に平行に固定され、Ｘステージ３１ａをＸ方向に移動可能に支持するリニアガイドＬＧ１とで構成されている。また、Ｘステージ３１ａ、リニアモータＬＭ１、リニアガイドＬＧ１は、剛性の高い材料が用いられており、金型１００のパターンと基板２００との間に誤差が生じるのを防止することができる。

Ｘ方向移動手段３１をこのように構成することにより、リニアモータＬＭ１の駆動によって保持ブロック４１に保持される金型１００をＸ方向に任意の距離で正確に移動することができる。

なお、Ｘ方向移動手段の駆動には、リニアモータＬＭ１を用いる場合について説明したが、金型１００をＸ方向に移動することができるものであれば、これに限られるものではなく、例えばＸステージを、上部ベース１８に固定されたボールネジに連結し、ボールねじに連結された回転式モータの駆動によって移動するものを用いてもよい。

また、Ｘステージ３１ａには、移動機構冷却手段、例えば図示しないファンが設けられており、これにより、Ｘステージ３１ａ内に空気の流れを起こして装置１０内の熱を外部に逃がすことができる。したがって、装置１０を構成する部材が熱膨張等を起こすのを抑えて、金型１００のパターンと基板２００との間の正確な位置を制御することができる。

Ｙ方向移動手段３２は、例えば、基板保持部２０及び後述するθステージ３４を保持するＹステージ３２ａと、基台１６に固定され、Ｙステージ３２ａにＸ方向と直交するＹ方向の駆動力を与えるリニアモータＬＭ２と、基台１６に固定され、Ｙステージ３２ａをＹ方向に移動可能に支持するリニアガイドＬＧ２とで構成されている。また、Ｙステージ３２ａ、リニアモータＬＭ２、リニアガイドＬＧ２は、剛性の高い材料が用いられており、金型１００のパターンと基板２００との間に誤差が生じるのを防止することができる。

Ｙ方向移動手段３２を、このように構成することにより、リニアモータＬＭ２の駆動によって基板保持部２０に保持される基板２００をＹ方向に任意の距離で正確に移動することができる。

なお、Ｙ方向移動手段の駆動には、リニアモータＬＭ２を用いる場合について説明したが、基板２００をＹ方向に移動することができるものであれば、これに限られるものではなく、例えばＹステージを、基台１６に固定されたボールネジに連結し、ボールネジに連結された回転式モータの駆動によって移動するものを用いてもよい。

回転手段３３は、Ｙステージ３２ａ上に設けられ、基板保持部２０を保持するθステージ３３ａと、このθステージ３３ａを回転方向（以下θ方向と称する）に回転可能なモータ（図示無し）、例えばステッピングモータと、ステッピングモータの回転角度を検出し、後述する制御手段にその検出情報を伝達可能なエンコーダ（図示無し）とで構成されている。また、θステージ３３ａは、剛性の高い材料が用いられており、金型１００のパターンと基板２００との間に誤差が生じるのを防止することができる。

回転手段３３を、このように構成することにより、エンコーダによる検出情報に基づいて制御手段がモータＭの駆動を制御し、基板保持部２０に保持される基板２００を回転方向に任意の角度で正確に回転することができる。

なお、金型保持部４０側にＸ方向移動手段を形成し、基板保持部２０側にＹ方向移動手段及びθ方向移動手段を形成したのは、移動機構３０の構成を簡単にして、Ｘ方向移動手段、Ｙ方向移動手段、θ方向移動手段の精度を高めるためである。しかし、各移動手段を設ける場所は、金型１００及び基板２００を相対的に精度よく移動させることができるものであれば、金型保持部４０と基板保持部２０のどちら側に設けてもよく、例えば、金型保持部４０側、あるいは、基板保持部２０側に、Ｘ方向移動手段、Ｙ方向移動手段、θ方向移動手段の全てを一体的に設けることも可能である。

図２に示したように、金型駆動機構５０は、金型１００を吸着保持する保持ブロック４１を、Ｘ方向及びＹ方向に直行する方向（以下、Ｚ方向と称する）に移動させるものである。この金型駆動機構５０は、Ｘステージ３１ａ内部の上面と下面とに連結される複数本（ここでは４本）の支柱５３と、これら支柱５３に嵌合されて上下動可能なＺステージ５４と、Ｘステージ３１ａの上面とＺステージ５４とをＺ方向に連結するボールネジ５１と、このボールネジ５１を回転駆動させるモータ５２とから構成されている。そして、このように構成することにより、Ｚステージ５４が、その回転を拘束された状態で上下方向にのみ移動可能に設けられている。また、ボールネジ５１の下端部とＺステージ５４の上面はベアリング機構５８を介して連結されており、これによりＺステージ５４には、ボールネジ５１の上下動のみが伝達され、その回転は伝わらないようになっている。

このＺステージ５４の下面には、支持部材５７が固定されているおり、その下部に設けられた超音波振動部材（加振機構）７０を介して、保持ブロック４１が固定状態で取り付けられている。そして、Ｘステージ３１ａの下面に設けられた穴を通って、Ｚ方向に上下動可能に形成されている。

図３に示したように、この超音波振動部材７０は、圧電素子７１と、圧電素子７１の下面に取り付けられた超音波ホーン７２とから構成されている。ここで、圧電素子７１は図示しない駆動回路により交流電圧が加えられたときに、その交流電圧の周波数で、縦方向、つまり、Ｚステージ５４と保持ブロック４１を結ぶ方向（金型１００が基板２００から離間する方向）の振動を発生する。また、超音波ホーン７２は、圧電素子７１に接している上端部７２ａが固定端、下端部７２ｂが自由端となっている。これにより、圧電素子７１が振動すると、自由端となっている超音波ホーン７２の下端部７２ｂ側において、振動が増幅され、超音波ホーン７２の下端部７２ｂに取り付けられた金型１００において、その振幅が最大となるようになっている。

このように、超音波ホーン７２は、固定端となっている上端部７２ａに対し、自由端となっている下端部７２ｂの振動が大きい（最大振幅となる）ため、上端部７２ａ側については、支持部材５７に対しボルト等の適宜の機械的締結部材で固定することが可能であるが、下端部７２ｂ側は、機械的締結部材を用いるとこれが振動で折損してしまう可能性がある。このため、保持ブロック４１は、超音波ホーン７２の下端部７２ｂに対し、機械的締結部材を用いず、接着、低融点金属等を用いた融着（はんだ付け、ろう付け等を含む）、あるいは一般的な溶接等の固定手段により固定されるようになっている。

このような金型駆動機構５０によれば、モータ５２でボールネジ５１を回転駆動させると、これによってボールネジ５１は上部ベース１８、下部ベース５５に対してＺ方向に上下動する。このボールネジ５１の上下動に伴い、金型１００を保持する保持ブロック４１が上下動するのである。これにより、金型１００がＺ方向に上下動し、保持ステージ２１上に保持される基板２００に対し、接近・離間できるようになっている。

位置検出手段は、基板保持部２０と金型１００との相対的な位置情報を検出可能な金型位置検出手段と、基板２００上のパターン領域と金型１００との相対的な位置情報を検出可能なパターン位置検出手段とからなる。位置検出手段をこのように構成することにより、移動機構３０の駆動によって基板保持部２０や金型１００の位置に機械的な誤差が生じても正確に位置情報を検出することができる。

金型位置検出手段は、例えば、Ｘステージ３１ａとＹステージ３２ａとのＸ方向の相対的な位置を検出可能なＸ位置検出手段と、Ｙステージ３２ａのＹ方向の位置を検出可能なＹ位置検出手段と、Ｙステージ３２ａのθ方向の位置を検出可能なθ位置検出手段とで構成される。

図１に示すように、Ｘ位置検出手段８１としては、例えば側壁１７に固定された２つのレーザ干渉計８１ａ，８１ｂを用いることができる。この場合、一方のレーザ干渉計８１ａでＹステージ３２ａの上部に設けられたバーミラー８５のＸ方向の位置を測定し、もう一方のレーザ干渉計８１ｂで金型保持部４０又はＸステージ３１ａに設けられたミラー（図示無し）のＸ方向の位置を測定する。ここで、バーミラー８５は、位置制御に必要な誤差より小さい平坦な表面を有しており、Ｙステージが移動しても、レーザ干渉計８１ａから放出されたレーザが垂直に反射するように設けられている。これにより、レーザ干渉計８１ａ，８１ｂで測定（検出）された位置情報に基づいて、Ｙステージ３２ａに対するＸステージ３１ａのＸ方向の相対的な位置を正確に検出することができる。

図２に示すように、Ｙ位置検出手段８２としては、基台１６上に固定されたレーザ干渉計８２ａを用いることができる。この場合、レーザ干渉計８２ａでＹステージ３２ａの側面に形成されたミラー（図示無し）のＹ方向の位置を測定する。これにより、レーザ干渉計８２ａで測定（検出）された位置情報に基づいて、Ｙステージ３２ａのＹ方向の位置を正確に検出することができる。なお、レーザ干渉計を更に１つ設けて金型保持部４０のＹ方向の位置を検出すれば、金型保持部４０に対するＹステージ３２ａのＹ方向の相対的な位置を正確に検出することができる点で好ましい。

θ位置検出手段８３は、例えば基台１６上に固定されたレーザ干渉計８３ａを用いることができる。この場合、まず、レーザ干渉計８３ａによってＹステージの側面に形成されたミラー（図示無し）のＹ方向の位置が測定され、次に、その位置情報と、前記レーザ干渉計８２ａ（Ｙ位置検出手段）が検出した位置情報との差からＹ方向の位置の微小なずれが計算される。この差から、Ｙステージ３２ａが移動等した際に生じるθ方向の微小な位置のずれを検出することができる。

なお、上記説明では、Ｘ位置検出手段８１、Ｙ位置検出手段８２、θ位置検出手段８３としてレーザ干渉計を用いる場合について説明したが、Ｘ方向、Ｙ方向、θ方向の位置を検出することができるものであればこれに限られず、種々のものを用いることができる。

また、図１に示すように、パターン位置検出手段としては、例えば基板２００上の所定位置に形成されたパターンを撮像し、その位置を検出可能なＣＣＤカメラ８４を用いることができる。この場合、Ｘステージ３１ａの金型１００の近傍に設けられたＣＣＤカメラ８４は、検出された画像情報を後述する制御手段に伝達し、あらかじめ制御手段に記憶されているパターンの位置と実際に測定されたパターンの位置との差を、画像処理等により計算してその誤差を検出する。これにより、金型１００とパターンとの相対的な位置情報を検出することができ、金型の交換時における金型のパターン位置のキャリブレーションを正確に行うことができる。また、基板保持部２０や金型保持部４０の位置が移動機構等により変動して、位置に誤差が生じても、その誤差を正確に検出することができる。

なお、ＣＣＤカメラ８４が検出するものはパターンに限られず、例えば基板状に付されたアライメントマークＡＭを撮像し、その位置を検出することも可能である。

また、ＣＣＤカメラ８４は、Ｘステージ３１ａに形成し、移動機構３０の駆動により金型保持部４０と一体的に移動させるものでもよいし、移動機構３０とは独立した別の移動機構を設けて移動させるものでもよい。

さらに、金型位置検出手段の別の構成としては、例えば金型１００上の所定位置に形成された位置情報を撮像し、その位置を検出可能なＣＣＤカメラを基板保持部２０に設けることも可能である。

また、Ｘ位置検出手段８１、Ｙ位置検出手段８２、θ位置検出手段８３、パターン位置検出手段が検出した位置情報は、後述する制御手段に伝達される。

制御手段（図示無し）は、格納手段例えばメモリに予め記憶されている位置情報及び位置検出手段が検出した位置情報に基づいて、移動機構３０を制御し、金型１００と保持ステージ２１上に保持される基板２００のパターンとの相対位置関係を補正するためのものである。このような制御手段の制御としては様々な構成のものを用いることができるが、例えば、メモリに予め記憶された金型１００のパターンの位置を示す位置情報と、ＣＣＤカメラ８４で撮像されたパターンの位置情報と、Ｘ位置検出手段、Ｙ位置検出手段、θ位置検出手段によって得られた金型１００と基板２００との相対的な位置情報とを、ＣＰＵ（制御手段）によって比較計算する。次に、この計算値に基づいて、金型１００のパターンと基板２００との位置の誤差を補正するように、Ｘ方向移動手段３１、Ｙ方向移動手段３２、回転手段３３の駆動を制御する。これにより、基板２００に金型１００のパターンを正確に転写することができる。

また、基板２００のパターン領域にアライメントマークＡＭ（図９参照）が付されている場合には、まず、所定の位置に形成されたアライメントマークＡＭをＣＣＤカメラ８４で撮像して、アライメントマークＡＭの位置情報を検出する。次に、その位置情報と、Ｘ位置検出手段、Ｙ位置検出手段、θ位置検出手段によって得られた金型１００と基板２００との相対的な位置情報とを、ＣＰＵ（制御手段）によって比較計算し、これに基づいて、Ｘ方向移動手段３１、Ｙ方向移動手段３２、回転手段３３の駆動を制御する。これにより、金型１００に対する基板２００上のパターンの位置を正確に補正することができるので、アライメントマークＡＭの位置に従って金型１００のパターンを正確に転写することができる。

以下に、上記のようなパターン形成装置１０におけるパターン形成工程について説明する。

パターン形成装置１０では、概略としては、図５（ａ）に示すように、金型１００と基板２００あるいは基板２００上のパターンとのパターン位置の制御を行うと共に、ヒータ４２によって金型１００を、基板２００のガラス転移温度以上に加熱する。その状態で図５（ｂ）に示すように金型１００を基板２００に押し付け、基板２００を加熱する。そして、図５（ｃ）に示すように、金型１００を一定時間押し付けて荷重を保持した後、冷却ブロック４３によって金型１００を冷却し、超音波振動部材７０によって金型１００に超音波振動を加える。その後、図５（ｄ）に示すように、基板２００から引き離す。この一連の工程で、基板２００の表層部が、金型１００の凹凸１０１に対応した形状に成形加工されるようになっている。

次に、金型保持部の金型を交換等した際の金型の位置制御方法（初期設定方法）について、図６、図７を用いて詳細に説明する。
まず、保持ブロック４１に対し、所定の金型１００を保持させる。この状態で、金型駆動機構５０は、保持ブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させておき、保持ブロック４１に保持された金型１００と保持ステージ２１を、互いに離れた位置（初期位置）におく（ステップ１）。

また、保持ステージ２１上に、加工対象物となる基板２００をセットし、これをバキューム吸着する（ステップ２）。

制御手段は、移動機構３０（Ｘ方向移動手段３１、Ｙ方向移動手段３２、回転手段３３）を制御し、予め格納手段例えばメモリに記憶されたパターン領域の位置Ｐまで、金型１００を移動させる（ステップ３）。

次に金型駆動機構５０を駆動させて基板２００の表面にダミーパターンＱを形成する（ステップ４）。

続いて、基板２００上に形成されたダミーパターンＱをＣＣＤカメラ８４で撮像して、ダミーパターンＱの所定の位置Ｍ３，Ｍ４の情報（画像情報）を検出する。検出されたダミーパターンＱの位置情報Ｍ１，Ｍ２は、制御手段に伝達される（ステップ５）。

制御手段は、予め記憶された金型のパターンＰの所定の位置Ｍ１，Ｍ２及びＣＣＤカメラ８４で撮像して得られたダミーパターンＱの位置Ｍ３，Ｍ４を比較し、その位置の誤差、例えば、Ｘ方向の誤差ｄＸ、Ｙ方向の誤差ｄＹ、θ方向の誤差ｄθに基づき、格納手段に予め記憶されている金型のパターンの位置を補正して記憶する（ステップ６）。これにより、パターン形成装置１０の初期設定が終了する。

このように初期設定を行えば、１の位置情報を検出することにより、予め記憶された金型のパターンと実際の金型のパターンのＸ方向、Ｙ方向、θ方向のいずれか２つの位置の誤差を補正することができ、２以上の位置情報を検出することにより、予め記憶された金型のパターンと実際の金型のパターンのＸ方向、Ｙ方向、θ方向の全ての位置の誤差を検出することができる。

なお、Ｙステージ３２ａに対するＸステージ３１ａのＸ方向の位置、Ｙステージ３２ａのＹ方向の位置、Ｙステージ３２ａのθ方向の位置は、レーザ干渉計８１ａ、レーザ干渉計８１ｂ、レーザ干渉計８２ａ、レーザ干渉計８３ａによって検出され、制御手段によって補正されている。

次に、パターン１０２を形成する際のパターン位置の制御方法について、図８、図９を用いて詳細に説明する。

まず、金型駆動機構５０は、保持ブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させておき、保持ブロック４１に保持された金型１００と保持ステージ２１を、互いに離れた位置（初期位置）におく（ステップ１１）。

また、保持ステージ２１上に、加工対象物となる基板２００をセットし、これをバキューム吸着する（ステップ１２）。

続いて、制御手段は、移動機構３０（Ｘ方向移動手段３１、Ｙ方向移動手段３２、回転手段３３）を制御し、予め格納手段例えばメモリに記憶された目印の位置、例えばアライメントマークＡＭの位置まで、ＣＣＤカメラ８４（パターン位置検出手段）を移動させる（ステップ１３）。なお、位置を検出することができるものであれば目印はアライメントマークに限られず、パターン１０２の特徴的な部分を目印としてもよい。

次に、保持ステージ２１上に吸着固定された基板２００上に形成されたアライメントマークＡＭをＣＣＤカメラ８４で撮像して、その位置情報（画像情報）を検出する。検出された位置情報は、制御手段に伝達される（ステップ１４）。

制御手段は、予め記憶されたアライメントマークＡＭの位置と、ＣＣＤカメラ８４で撮像して得られたアライメントマークＡＭの実際の位置とを比較計算し、その位置の誤差を検出する（ステップ１５）。なお、Ｙステージ３２ａに対するＸステージ３１ａのＸ方向の位置、Ｙステージ３２ａのＹ方向の位置、Ｙステージ３２ａのθ方向の位置は、レーザ干渉計８１ａ、レーザ干渉計８１ｂ、レーザ干渉計８２ａ、レーザ干渉計８３ａによって検出され、制御手段によって補正されている。

続いて、予め記憶されたアライメントマークＡＭの位置と検出して得られた誤差に基づき、制御手段で移動機構３０を制御することで、金型１００を基板２００上の正確な位置に移動する（ステップ１６）。

そして、基板２００に対し、金型駆動機構５０の駆動により金型１００を所定時間押し付けることによって、基板上の所定の位置に正確に金型１００のパターンを転写することができる（ステップ１７）。

その後、金型駆動機構５０の駆動により金型１００を離型させ（ステップ１８）、保持ブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させて、保持ブロック４１に保持された金型１００を次のパターン領域に移動させるか、初期位置に戻す。

なお、次のパターン領域に移動させる場合には、パターン１０２を形成する毎に、あるいは、一定数のパターン１０２を形成する毎に、ＣＣＤカメラ８４でパターン１０２ごとに形成されるすくなくとも１以上の位置情報（画像情報）を検出し、格納手段に記憶されている金型１００のパターンの位置と、実際に形成されたパターンの位置との誤差の大きさが一定値以上になったらその誤差を補正するようにしてもよい。

また、基板２００上にパターンを複数、例えばＮ個形成する場合には、ステップ１８からステップ１３に戻り、次に形成するパターンのアライメントマークＡＭの位置情報を検出して、逐次パターンを転写するようにしてもよいし、ステップ１３とステップ１４をＮ回繰り返して、アライメントマークＡＭの位置情報を全て検出した後に、パターンを転写するようにしてもよい。

また、検出するアライメントマークＡＭの数は１個でもよいが、２個以上のアライメントマークＡＭの位置を検出すれば、各アライメントマークＡＭのＸ方向の位置とＹ方向の位置のズレから、θ方向の誤差も検出し補正することができる点で好ましい。

このようなパターン形成装置１０では、加工対象となる基板２００として、例えば、ウエハ（加工対象物）を適用することができる。また、基板２００としては、他に、微小なドット形状が一定の周期で配列しているフォトニック結晶（加工対象物）や、所定の配線パターンを有した半導体電子回路基板、さらに微小な流路を有した基板（加工対象物）等が適用できる。

また、保持ブロック４１のヒータ４２をセラミックヒータとし、冷却ブロック４３を冷媒を用いた冷却構造としたが、高速に加熱冷却できるものであれば、特にそれらに限定されることはなく、レーザや超音波による加熱、またペルチェ素子による冷却等を用いてもよい。

さらに、このような冷却ブロック４３を備えない構成とすることも可能である。
また、パターン形成装置１０では、移動機構３０や金型駆動機構５０を、ボールネジ３４、３５、５１を用いた機構ではなく、油圧機構や空圧機構等を用いたものとすることもできる。また、移動機構３０における位置制御は、所望の位置決めが実現できるものであれば、その方式はいかなるものであっても良い。

加えて、基板２００に対し、金型１００を相対移動させながら複数回のパターン形成を繰り返す構成としたが、一つの基板２００に対し、金型１００で一回のパターン形成のみを行うような構成であっても良い。

この他、金型１００は、微細パターンが形成できるものであれば材質やその製造法は特に限定されるものではない。一方、基板２００は、その表層部の成形素材と基板が一体のもの、例えば樹脂基板やガラス基板、あるいは成形素材が基板上に薄く形成されたもの、例えばシリコン基板やガラス基板上に形成された樹脂膜、等、その組み合わせは特に限定されるのもではない。

これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。

本実施の形態におけるパターン形成装置の概略正面図である。 本実施形態におけるパターン形成装置を側面から見た概略断面図である。 基板保持部と金型保持部の構成を示す概略正面図である。 金型保持部の構成を示す概略断面図である。 本実施の形態におけるパターン形成工程を説明する概略断面図である。 本実施の形態における位置制御方法（初期設定方法）を示すフローチャートである。 本実施の形態における位置制御方法（初期設定方法）を説明する図である。 本実施の形態における位置制御方法（パターン位置制御方法）を示すフローチャートである。 本実施の形態におけるパターン位置検出手段による撮像図である。

符号の説明

ＡＭ アライメントマーク
１６ａ 免震機構
２１ 保持ステージ（対象物保持手段）
２２ ヒータ（対象物加熱手段）
２３ 断熱材（断熱手段）
２４ 冷却手段
３０ 移動機構
３１ Ｘ方向移動手段
３２ Ｙ方向移動手段
３３ 回転手段
４１ 保持ブロック（金型保持手段）
５０ 金型駆動機構（プレス機構）
８１ Ｘ位置検出手段（金型位置検出手段、位置検出手段）
８２ Ｙ位置検出手段（金型位置検出手段、位置検出手段）
８３ θ位置検出手段（金型位置検出手段、位置検出手段）
８４ ＣＣＤカメラ（位置検出手段）
１００ 金型
２００ 基板（加工対象物）

Claims (9)

1. 加工対象物に所定の形状パターンを形成するための金型を保持する金型保持手段と、
   前記加工対象物を保持する対象物保持手段と、
   前記対象物保持手段に保持された加工対象物に前記金型を押圧するプレス機構と、
   前記対象物保持手段及び前記金型保持手段を相対移動させる移動機構と、
   前記対象物保持手段に保持された加工対象物のパターン及び前記金型の相対位置を示す位置情報を検出するための位置検出手段と、
   前記金型の位置を示す位置情報を予め格納した格納手段と、
   前記位置検出手段が検出した位置情報及び前記格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、前記移動機構を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とするパターン形成装置。
2. 加工対象物に所定の形状パターンを形成するための金型を保持する金型保持手段と、
   前記加工対象物を保持する対象物保持手段と、
   前記対象物保持手段に保持された加工対象物を加熱可能な対象物加熱手段と、
   前記対象物保持手段に保持された加工対象物に前記金型を押圧するプレス機構と、
   前記対象物加熱手段から前記移動機構への熱伝導を抑制する冷却手段と、
   前記対象物保持手段及び前記金型保持手段を相対移動させる移動機構と、
   前記対象物保持手段に保持された加工対象物のパターン及び前記金型の相対位置を示す位置情報を検出するための位置検出手段と、
   前記金型の位置を示す位置情報を予め格納した格納手段と、
   前記位置検出手段が検出した位置情報及び前記格納手段に予め記憶された位置情報とに基づいて、前記移動機構を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とするパターン形成装置。
3. 前記対象物加熱手段と前記移動機構との間に設けられ、前記対象物加熱手段から前記移動機構への熱伝導を抑制する断熱手段を具備することを特徴とする請求項１又は２記載のパターン形成装置。
4. 前記移動機構を冷却可能な移動機構冷却手段を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のパターン形成装置。
5. 周辺の環境から前記移動機構に至る振動を抑制する免震機構を具備することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のパターン形成装置。
6. 前記位置検出手段は、前記金型及び前記対象物保持部の相対的な位置を示す位置情報を検出可能な金型位置検出手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のパターン形成装置。
7. 前記移動機構は、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物の上面に平行な面内で第１の方向に前記金型及び前記対象物保持部を相対的に直線移動可能なＸ方向移動手段と、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物上面に平行な面内で、前記第１の方向と互いに交差する第２の方向に前記金型及び前記対象物保持部を相対的に直線移動可能なＹ方向移動手段と、前記加工対象物上面に平行な面内で前記金型及び前記対象物保持部を相対的に回転可能な回転手段と、を具備し、
   前記金型位置検出手段は、前記金型及び前記対象物保持部の第１の方向の相対的な位置を示す位置情報を検出可能なＸ位置検出手段と、前記金型及び前記対象物保持部の第２の方向の相対的な位置を示す位置情報を検出可能なＹ位置検出手段と、前記金型及び前記対象物保持部の回転方向の位置を示す位置情報を検出可能なθ位置検出手段と、を具備することを特徴とする請求項６記載のパターン形成装置。
8. 格納手段に予め記憶された金型のパターンの位置を示す位置情報に基づいて、金型及び加工対象物を相対的に移動させ、前記金型で前記加工対象物上に所定のパターンを形成する工程と、
   前記加工対象物に形成されたパターンの位置を示す位置情報を検出する工程と、
   前記格納手段に予め記憶された金型のパターンの位置情報と前記加工対象物に形成されたパターンの位置情報の誤差を計算し、前記金型のパターンの位置情報を補正して格納手段に記憶する工程と、
   を有することを特徴とする位置制御方法。
9. 加工対象物上の目印の位置情報を検出する検出手段を、格納手段に予め記憶されている目印の位置を示す位置情報に基づいて移動させ、加工対象物上の少なくとも１以上の目印の位置情報を検出する工程と、
   前記格納手段に予め記憶された目印の位置情報と検出された前記目印の位置情報の誤差を計算する工程と、
   前記格納手段に予め記憶された目印の位置情報と前記誤差に基づいて、前記金型と前記加工対象物を相対的に移動させ、前記金型で前記加工対象物上の前記目印に対応する領域に所定のパターンを形成する工程と、を有することを特徴とする位置制御方法。

Images