JP2006326991A - ジンバル機構を備えた転写装置及び同装置を用いた転写方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 微細な凹凸形状の場合でも成形された凹凸形状を損傷することなく離形を容易にする転写装置および転写方法を提供することを目的としている。
【解決手段】 ジンバル機構４５を備えた転写装置において、被成形材料を搭載するテーブル１１と、テーブル１１面に対向して配置された型を固定保持する型保持体２０５と、型保持体２０５を保持すると共に凸球面部を形成してなるジンバル部材２０１と、前記凸球面部と対接する凹球面部を形成したジンバル部材２０３と、ジンバル部材２０３を保持し、テーブル１１面に対し垂直方向に進退可能な可動体１９と、ジンバル部材２０１の姿勢を調整保持するための姿勢調整及び保持手段とを有し、前記姿勢調整手段及び保持手段は、ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータを、各ジンバル部材２０１、２０３の間に３個配置して構成されている転写装置である。
【選択図】図４

Description

本発明は、リソグラフィ技術を用いて型の表面に形成された微細な凹凸パターンを被成形品の表面に転写する転写装置に係り、特に型と被成形品の位置ずれ（横ずれ）を小さく抑えることのできる転写装置に関する。

近年、電子線描画法などで石英基板等に超微細なパターンを形成して型（テンプレート、スタンパ）を作成し、被成形品として被転写基板表面に形成されたレジスト膜に前記型を所定の圧力で押圧して、当該型に形成されたパターンを転写するナノインプリント技術が研究開発されている（非特許文献１参照）。

ところで、テンプレート、スタンパ等の型にリソグラフィ技術を用いて形成された超微細な凹凸のパターンを被成形品に押圧し転写するとき、前記パターンが形成された型の転写面と被成形品の表面とが密着しかつ均一に接触し、型に形成された微細な凹凸のパターンが被成形品に精確に転写されるように、被成形品の表面に対して前記型の姿勢を高精度に微調整する必要がある。

型の上記微調整を行う構成として、前記非特許文献１においては、型を保持する保持部をフレキシブルな素材によって構成し、型の転写面を被成形品の表面へ押圧したときに、被成形品の表面に倣って型の保持部を従動的に被成形品の表面に追従させる構成である。

このように、従動的に型の姿勢を微調整する構成の場合、型を被成形品の表面に押圧したとき、被成形品に損傷を与えないようにできるだけ小さな圧力で押圧する必要があり、型の保持部は姿勢制御用の小さな圧力をもとに構成されている。

したがって、被成形品の表面に対する型の姿勢の微調整を行った後に、型の転写面に形成されているパターンを被成形品の表面に転写するには大きな圧力を加える必要がある。ところが、前述したように型の保持部が姿勢制御用の小さな圧力に対応するように構成されている場合には、転写に必要な大きな圧力を印加することができないという難点・課題がある。また、被成形品には用途に応じて色々な素材があり、型に形成したパターンを被成形品に転写する際にも転写圧を種々変更する必要がある。

また、この種の転写装置は、型と被成形品の互いに接触する表面の平行度を厳密に保つと共に型の押し付け、及び型離し時に型と被成形品の相互の押圧方向に対して直交する方向の位置ずれ（横ずれ）を抑える必要がある。

このため、従来、特開２００４−３４３００号公報に記載の装置が提案されている。この装置は、図９に示すように、Ｌ字型のフレーム１０１の下部水平部１０１ＡにＸＹステージ１０２を設けてその上に被成形品（公報では被加工材と称している）支持部１０３を搭載し、フレーム１０１の垂直部１０１Ｂの上部に上下方向の移動機構１０４を介して型支持部１０５を設けている。

そして、上記被成形品支持部１０３は、支持部材（被加工材支持部材）１０６とその上に設けられた磁性体１０７とからなり、この磁性体１０７の上に被成形品１０８をセットする。また、上記型支持部１０５は、移動機構１０４によって上下動される支持部材１０９と、その下面に弾性体１１０を介在させて取り付けられた磁石１１１を有し、この磁石１１１の下面に型１１２をセットする。

この従来装置は、弾性体１１０を介在させて平行度のずれを吸収すると共に、型１１２と被成形品１０８とを互いに押し付ける際、型１１２を支持する支持部材１０９と被成形品１０８を支持する支持部材１０６との間に、磁石１１１と磁性体１０７により磁気吸引力を働かせて、押し付け方向と直交する方向への相対移動、すなわち位置ずれ（横ずれ）を防止するようにしたものである。
特開２００４−３４３００号公報 Precision Engineering Journal of the International Societies for Precision Engineering and Nanotechonology

特許文献１に開示された装置は、磁石１１１と磁性体１０７による磁気吸引力により型１１２を被成形品１０８に押し付ける場合には、位置ずれ（横ずれ）を抑えることはできるが、磁気吸引力に加えて移動機構１０４により型１１２をより強く押し付けると、その反力によりフレーム１０１の垂直部１０１Ｂの上部が図９において左方へ反り、位置ずれ（横ずれ）を生じる。また、温度変化によりフレーム１０１が変形した場合にも、位置ずれ（横ずれ）を生じるという難点・課題がある。

さらに、型を被成形品から離形させる際に超音波振動を与えて離形を容易にする試みがあるが、超音波振動の振幅が前記微細な凹凸形状よりも大きい場合、離形を容易にするが、一方で微細な凹凸形状を損傷することがあり必ずしも超音波振動の付与が好ましいとはいえないという問題がある。

本発明は、前述した課題を解決し、型を保持するためのフレキシブルな素材に代えてジンバル機構を採用して構造をシンプルにすると共に、押し付け力や温度変化等による位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることのでき、さらに、微細な凹凸形状の場合でも成形された凹凸形状を損傷することなく離形を容易にする転写装置および転写方法を提供することを目的としている。

本発明は、ジンバル機構を備えた転写装置において、被成形材料を搭載するテーブルと、同テーブル面に対向して配置された転写用の型を固定保持する型保持体と、前記型保持体を一方の面側に保持すると共に他方の面側に凸球面部を形成してなる第１のジンバル部材と、前記第１のジンバル部材の凸球面部と対接する凹球面部を形成した第２のジンバル部材と、前記第２のジンバル部材を保持し、前記テーブル面に対し垂直方向に進退可能な可動体と、前記可動体を前記テーブル面に対し垂直方向に進退駆動せしめるサーボモータを含む可動体駆動手段と、前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持するための姿勢調整及び保持手段とを有し、前記姿勢調整手段及び保持手段は、ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータを、前記第１のジンバル部材と前記第２のジンバル部材との間に少なくとも３個配置して構成されているジンバル機構を備えた転写装置である。

また、本発明は、請求項１記載の構成を備えた転写装置を用いて微細転写を行なう方法であって、前記可動体の下降中で型が基板に接触する直前の所定下降位置までは前記ジンバル機構の第１のジンバル部材の姿勢を保持し、前記所定下降位置に達したとき前記第１のジンバル部材の姿勢をフリー状態とし、且つ低速にして被成形材料に対する成形動作を行う転写方法である。

この発明によれば、可動体は、両側面のほぼ中央位置で案内手段により支持されているため、フレームが温度変化により変形しても可動体の位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることができる。このため、押し付け力や温度変化に対する型と被成形品の位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えることができる。

また、型保持体を取り付けた第１のジンバル部材はピエゾアクチュエータによりその姿勢を極めて高精度に調整することができ、且つその姿勢を保持することが可能であり、また、前記ピエゾアクチュエータヘの指令値をメモリから読み出してその姿勢をいつでも再現することが可能である。

さらに、離形動作中にピエゾアクチュエータによる加振により、きわめて小さな振幅の振動を与えることが可能となり、微細な凹凸形状を有する被成形品に対し、損傷することなく離形を容易にすることが可能となる。

図１〜図３は本発明の実施形態に係る転写装置の全体的構成を例示するものであって、図１，図２において、符号１は転写装置、３は本体フレームである。本体フレーム３は、図１に示すように、側面視した場合の形状は概ねＬ字型をしており、下部側にベースフレームとしての四角形状の下部フレーム７が一体的に取り付けられている。下部フレーム７の４隅には、それぞれタイバー９が本体フレーム３の垂直部と平行に立設され、タイバー９の上端には、駆動手段を支持するための支持フレームとしての四角形状の上部フレーム５が取り付けられている。タイバー９には、前記上部フレーム５と下部フレーム７との間において、四角形状の可動体１９がタイバー９に沿う方向すなわち上下に移動自在に遊嵌されている。

本体フレーム３の上部は、上部フレーム５及び可動体１９の左右両側面における前後方向のほぼ半分（中間）の位置に達するように前方（図１において右方）に突出し、その先端には上下に伸びるリニアガイド（案内手段）２１が取り付けられている。上部フレーム５と可動体１９の左右両側面には、リニアガイド２１に係合して、例えば零クリアランスの状態で上下に精密に案内移動されるスライダ２３，２４が取り付けられている。

上記説明より理解されるように、前記本体フレーム３は、前記下部フレーム（ベースフレーム）７を支持するフレーム支持部３Ａを一端側（下端側）に備えることにより、側面視したときに、図１に示すように概ねＬ字形を呈するものである。そして、前記本体フレーム３の他端側（上端側）の左右両側（図１において紙面に垂直な方向の両側）に、前記リニアガイド２１を備えたガイドフレーム３Ｂを前方に突出して備えることにより、上端側（他端側）に凹部を形成した構成である。

そして、前記上部フレーム５及び前記可動体１９は、図３に示すように、本体フレーム３における左右の前記ガイドフレーム３Ｂの間に配置してあり、前記上部フレーム５，可動体１９に備えた前記スライダ２３，２４は、上部フレーム５，可動体１９の前後方向（図１，図３において左右方向）及び左右方向（図１において紙面に垂直な方向、図３において上下方向）の中心を中心として対称的な位置において前記リニアガイド２１に移動可能に係合してある。なお、図１には、前記リニアガイド２１は、前記スライダ２３，２４に共通化してあるが、前記スライダ２３，２４にそれぞれ対応したリニアガイドを別個に設けることも可能である。しかし、加工の容易性、互いの平行度の加工精度を考慮すると、スライダ２３，２４に対してリニアガイド２１を共通に設けることが望ましいものである。

ここに、上部フレーム５は、タイバー９を介して下部フレーム７及び本体フレーム３に固定されているが、後述する型の押し付け力や温度変化等によりタイバー９が伸縮したとき、上部フレーム５の上下動を許すと共に、タイバー９の曲がりや伸縮によって生じるタイバー９と垂直な面内における上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）を防止するために、上記リニアガイド２１とスライダ２３が設けられている。これは、上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）をより確実に防止するためのものであり、上部フレーム５は、本体フレーム３から切り離し、タイバー９により下部フレーム７に連結固定するのみでもよい。

可動体１９は、上記のようにタイバー９には遊嵌されているため、リニアガイド２１とスライダ２４により上下方向（テーブル１１の面に対して垂直方向）への移動を精密に案内される。

上記リニアガイド２１及びスライダ２３，２４は、上部フレーム５及び可動体１９自体の温度変化による位置ずれ（横ずれ）を防止するため、上部フレーム５及び可動体１９の前後左右の中心に対して対称の位置に配置することが好ましい。

下部フレーム７の上面中央には、上に向かって垂直に伸びる固定台１０が取り付けられている。固定台１０の上には、図２に示すように、Ｘ，Ｙテーブル等のＸ，Ｙ方向（前後左右方向）へ移動可能かつ微調整して位置決め可能な可動テーブル１１が設けられ、この可動テーブル１１の上には、被成形品１３を支持する支持台１５が設けられている。なお、可動テーブル１１は、リニアガイドとスライダにより案内され、サーボモータにより駆動されるもので、公知の構成であるため、詳述を避ける。

被成形品１３は、例えば、シリコン、ガラス、セラミック等の適宜な材料よりなる基板の上面に紫外線硬化樹脂等からなる被成形層（図示せず）を数１０ｎｍ〜数μｍの厚さに塗布した薄膜を備えた構成である。なお、この上記被成形層は、熱可塑性樹脂よりなるレジストを用いる場合もあるため、支持台１５には、上記被成形層を加熱軟化させて成形を容易にするためのヒータのような加熱手段（図示せず）を内蔵させてもよい。

図２に示すように、可動体１９の下面中央（前記ベースフレームに対向した対向面の中央）には、ロードセル４６を介して旋回台４７が可動体１９の下面中央を中心として旋回可能かつ所定の角度位置に固定可能に取り付けられている。この旋回台４７には、ジンバル機構４５を介して型支持プレート４３が取り付けられ、この型支持プレート４３に型４１が着脱可能に装着される。

ジンバル機構４５は、型４１の型表面（図２において下面）中央を中心とする球面を有し、詳細な図示は省略するが、この球面を空気軸受で支持し、型４１を上記型表面の中央を中心として自在に傾動可能にすると共に、空気軸受を負圧にして型４１の姿勢を不動状態に固定可能な構成となっている。

型４１は、型表面（図２において下面）にリソグラフィ技術を用いて微細な凹凸のパターンが形成されており、この実施形態においては紫外線を透過し易い透明の石英ガラスからなっている。

上記型支持プレート４３、ジンバル機構４５、旋回台４７及びロードセル４６は、いずれも中央に貫通穴４３Ａ等を有し、可動体１９には、紫外線光源（ＵＶ発生装置）４２から光ファイバ４２Ａ及び反射ミラー４２Ｂを介して紫外線を上記貫通穴から型４１の背面へ導く貫通穴４２Ｃが設けられている。すなわち導光路が備えられている。なお、ＵＶ発生装置４２は、可動体１９の側方で可動体１９に保持されている。

前記導光路は、ＵＶ発生装置４２から与えられるＵＶ（紫外線）を水平方向に導く第１の導光路と、この第１の導光路を進行するＵＶを垂直方向であるジンバル機構４５の中心軸方向に偏向する反射ミラー４２Ｂと、この反射ミラー４２Ｂで反射されたＵＶを型保持体２０５に向けて導くよう前記第１および第２のジンバル部材２０１、２０３に形成された貫通孔４３Ａからなる第２の導光路とにより形成されている。なお、前記第１の導光路の反射ミラー４２Ｂ側の部位は前記可動体１９内に形成され、前記第１の導光路のＵＶ発生装置４２側の部位は、光ファイバー４２Ａで構成されている。また、反射ミラー４２Ｂは、前記第１の導光路の端部側（ＵＶ発生装置４２とは反対側；前記第２の導光路の上側）に設けられている。

支持フレームとしての前記上部フレーム５には、前記可動体１９を移動するための駆動手段の一例としてのサーボモータ３３が装着支持されている。サーボモータ３３の出力軸３５は、軸受２９により上部フレーム５に回転のみ自在に取り付けられた中空軸３１に連結され、中空軸３１の下端には、ボールネジ機構２５を構成するボールネジナット２６が取り付けられている。このボールネジナット２６には、可動体１９の前後左右の中央部(中心)に垂直に取り付け固定されたボールネジ軸２７が係合し、可動体１９を所定の速度及びトルクで上下に移動させるようになっている。なお、参照符号３３Ａはサーボモータ３３の回転位置を検出するロータリーエンコーダである。

上部フレーム５には、バランス取り手段の一例としてのバランスシリンダ５０が、図３に示すように、可動体１９の中心を中心として対称な位置に複数設けられている。これらのバランスシリンダ５０のピストンロッド５２は、それぞれ可動体１９に連結され、重力による可動体１９の下向きの荷重を相殺するようになっている。

可動体１９の下面には、型支持プレート４３等を囲むリング状の上カバー５４が取り付けられている。他方、下部フレーム７側には、下端を固定台１０の周面に移動可能に係合され、上端を上記上カバー５４の下端に当接可能に形成されて可動テーブル１１等を囲む同じくリング状の下カバー５６が取り付けられている。この下カバー５６は、下部フレーム７に取り付けられた上下動用アクチュエータの一例としての複数のシリンダ５８により上下に移動され、上カバー５４とにより、型支持プレート４３及び可動テーブル１１の周囲に開閉可能な成形室（減圧成形室）６０を形成するようになっている。

次いでこの転写装置の作用について説明する。上下動用アクチュエータとしてのシリンダ５８により下カバー５６を下降させて成形室６０を開き、型４１を型支持プレート４３に取り付け、型４１の中央を中心とする水平な回転方向の取付角度（型の方向性）を旋回台４７により微調整する。なお、この型４１の取付角度調整は、型取付時のみでなく、マークを用いた公知の位置合わせ手段により、支持台１５上にセットされた被成形品１３に合わせてその都度、自動的に微調整するようにしてもよい。

上記のように型４１をセットした後、上面に紫外線硬化樹脂からなる被成形層を塗布した被成形品１３を支持台１５上にセットする。

次いでシリンダ５８により下カバー５６を上昇させて成形室６０を閉じ、サーボモータ３３のトルクを比較的小さな値に設定した状態で可動体１９を下降させて型４１を被成形品１３に接近移動し、型４１を被成形品１３の上面に比較的小さな押し付け力で押圧する。

このとき、可動体１９は、左右両側方に配置されたリニアガイド２１及びスライダ２４により、移動方向に対して直交する方向への位置ずれ（横ずれ）をより小さく抑えられて下降し、被成形品１３の所定位置に向けて押し付けられる。また、このとき、可動体１９は、バランスシリンダ５０により重力による下向きの荷重を相殺されているため、サーボモータ３３はより小さなトルクで作動可能であり、トルク及び速度をより正確に制御されて下降する。

型４１が被成形品１３に押し付けられる際、両者の当接面（接触面）の平行度にずれがあると、型４１はジンバル機構４５により傾動自在に支持されているため、被成形品１３の上面に倣って型４１の全面が均一な面圧で押し付けられる。このとき、ジンバル機構４５は、型４１の型表面（図２において下面）中央を中心とする球面により、型表面の中央を中心として傾動するため、横方向（水平方向）の位置ずれを生じない。

上記押し付け力は、ロードセル４６により検出され、サーボモータ３３にフィードバックされて所定の値に保たれる。このときにも、可動体１９の荷重は、バランスシリンダ５０により相殺され、サーボモータ３３のトルクはより小さな値であるため、トルク制御がより正確に行われる。

こうして比較的小さな押し付け力による押し付けが完了したところで、ジンバル機構４５の空気軸受を負圧にして型４１の姿勢を不動状態に固定した後、サーボモータ３３のトルクを増加させる。このトルク増加により型４１は、被成形品１３の上面に塗布された紫外線硬化樹脂からなる被成形層に強く押し付けられ、型４１の表面に形成された微細な凹凸のパターンを被成形品１３の被成形層に転写する。

この型４１の強い押し付け力により、タイバー９は極くわずかではあるが伸び、上部フレーム５を上方向へ変位させる。この上部フレーム５の変位はリニアガイド２１とスライダ２３により吸収され、本体フレーム３の上部を図１において左方へ反らせるような不具合は生じない。そこで、型４１の押し付けに伴う型４１の移動方向に対して直交する方向の位置ずれ（横ずれ）が抑えられる。

また、上部フレーム５は、上記リニアガイド２１とスライダ２３により支持されているため、複数のタイバー９の伸びに差が生じるような場合にも、上部フレーム５の位置ずれ（横ずれ）は小さく抑えられ、型４１の位置ずれ（横ずれ）を小さく抑える。

なお、このタイバー９の伸びの差は、型４１の押し付け力が比較的小さい場合には、極めてわずかであるため、上記リニアガイド２１とスライダ２３による上部フレーム５の案内手段は省略してもよい。

上記転写の後、紫外線光源４２から光ファイバ４２Ａ及び反射ミラー４２Ｂ等よりなる導光路を通して紫外線を型４１の背面へ所定時間照射する。型４１の背面へ照射された紫外線は、型４１が透明の石英ガラスからなっているため、これを透過して被成形品１３の上面に塗布された紫外線硬化樹脂からなる被成形層に照射され、この被成形層を硬化させる。

こうして被成形層を硬化させた後、型４１の姿勢を固定したままサーボモータ３３により可動体１９を上昇させて型４１を被成形品１３から離す。次いでシリンダ５８により下カバー５６を下降させて成形室６０を開き、被成形品１３を取り出して一連の転写動作を終了する。

図４〜図６は、前記ジンバル機構４５の部分の詳細を示す。

図４はジンバル機構４５の垂直方向縦断面図、図５は図４におけるＺ矢視図、図６は図４のＢ−Ｂ線矢視図である。

図４において、それぞれ中心部に貫通孔を備えて、凸球面部を有すると共にジンバル機構４５を構成している下側ジンバル部材２０１と凹球面部を有すると共にジンバル機構４５を構成している上側ジンバル部材２０３が対接配置されている。下側ジンバル部材２０１の下面には断熱材２０７を介して型保持体２０５が固定されている。同型保持体２０５の下面には型４１が取り付けられている。またその内部にはヒータ２０９が内蔵されている。また内部にヒータ２０９に加え、冷却装置（図示せず）を内蔵することも可能である。

上側ジンバル部材２０３には前記対接面に開口する吸引用管路２１１が形成され、真空引き装置（負圧発生手段）２１５へ真空度調整装置（負圧調整手段）２１７を介して接続されている。この吸引用管路２１１の詳細が図６に例示されている。さらに、上側ジンバル部材２０３には浮上用管路２１３が設けられており、同管路２１３には圧縮エアー供給源からラインＬ１を通り圧縮エアーが下側ジンバル部材２０１の凸球面部に隣接して形成された張出し部の傾斜面２１９（浮上面）に噴射するようになっている。

より詳細には、前記傾斜面２１９は、図４に示すように、下側ジンバル部材２０１の軸心に対して上側が離反するように傾斜した傾斜面又は上部側が大径となるテーパ面に形成してある。そして、前記浮上用管路２１３のエアー噴出孔は、前記傾斜面２１９に対向して上側ジンバル部材２０３に形成した傾斜面又はテーパ面に開口してある。

なお、参照符号２１８は調整ライナであって、傾斜面２１９と下側ジンバル部材２０１の対向面との間隔を調整するものである。

参照符号２２１はピエゾハンマーであってそのフレーム２２１Ｆは上側ジンバル部材２０３の下方傾斜面Ｓの周囲３ヶ所に均等配置して取り付けられる。図示のように、ピエゾハンマー２２１は、下側ジンバル部材２０１と上側ジンバル部材２０３との間に設けられていると共に、エアーシリンダ２２３のロッドに大きい慣性体２２７と先端部にハンマー２３１を取り付けた小さい慣性体２２５を有し、両慣性体の間にはピエゾ（圧電）素子２２９が接続結合されている。従って、ピエゾ素子２２９に所定のパルス状電圧を与えることにより、両慣性体の慣性の差に基づいてハンマー２３１が瞬時に下側ジンバル部材２０１の前記傾斜面に配置してある硬質材の埋込みブロック２３３を打つようになっている。これにより下側ジンバル部材２０１の傾斜面２１９がハンマー２３１により軸方向に変位するとその分だけエアーシリンダ２２３によりピエゾ素子２２９及び両慣性体が変位するようになっている。このような構成によりピエゾハンマー２２１は比較的少ない積層によるピエゾ素子であっても大きなストロークを移動可能である。

上側ジンバル部材２０３の上面には回動部材２３５が固定されており、同回動側部材２３５の内周側には回転軸受２３７を介して内側固定部材２３９が配設されている。さらに、内側固定部材２３９の上面にはプレート２４１が取り付け固定されている。前記プレート２４１及び内側固定部材２３９にはラインＬ２を介して圧縮エアーを導入する管路２４３が形成されている。この圧縮エアーは図示の如く回動部材２３５を静圧的に浮上させている。

図５に示されているように、回動部材２３５は一対のピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂにより時計方向及び反時計方向に回動されることが可能である。なお、ピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂはそのフレームがプレート２４１に固定されている。

なお、前記ピエゾハンマー２２１、２２１Ａ、２２１Ｂに代えて、圧電素子を積層した所謂、ピエゾアクチュエータを用いることも可能である。その場合にはピエゾハンマーとは異なり、ピエゾアクチュエータの先端部位置を電気的に保存することが可能でありジンバル機構の姿勢を再現することが可能である。すなわち、ピエゾハンマー２２１の代わりにピエゾアクチュエータ（図示せず）を当該位置に配置した場合には、その各ピエゾアクチュエータヘの指令電気信号を制御することにより３つのピエゾアクチュエータ自体によって下側ジンバル部材２０１の姿勢を固定し、保持することが可能である。また、一旦固定し保持したときの各ピエゾアクチュエータヘの指令電気信号の値をメモリに保存しておくことにより、いつでもその保存されている値を読み出すことで下側ジンバル部材２０１の姿勢を再現することが可能である。

なお、このピゾアクチュエータの場合、成形動作中（離形も含め）常時、下側ジンバル部材２０１を所定の姿勢に固定保持することも可能であるし、後述するピエゾハンマーのように、テーブルに接近した所定位置で第１のジンバル部材２０１をフリー状態とすることも可能である。

図４において、プレート２４１の上面にはロードセル４６が設けられている。参照符号４６Ａは信号取出し用端子である。可動体１９の内部には、図２で説明したように、紫外線発生装置（ＵＶ発生装置））４２から紫外線強度調整装置（ＵＶ強度調整装置）および紫外線照射時間調整装置（ＵＶ照射時間調整装置）２５５を介して光ファイバ４２Ａの束がレンズ系（可動体１９に設けられたレンズ系）２５３に導かれ、ここで均一な紫外線分布に形成され反射ミラー４２Ｂに照射されるようになっている。同ミラー４２Ｂで反射された紫外線はシール用のガラス材２５１を経てジンバル機構４５の中心軸ａｘに同心状に形成された貫通孔４３Ａを通って下方に向かうようになっている。紫外線硬化形の樹脂を被成形材料（被成形品）とする場合は、前記型保持体２０５及び型４１は石英などの紫外線透過が可能な材料により形成されることは当然である。また、その場合には前記ヒータ２０９は不要である。

なお、参照符号２６１は下側ジンバル部材２０１の貫通孔内周面に形成したネジ部（ＵＶ反射抑制手段の例であるネジ部）である。貫通孔４３Ａ上方からの紫外線は完全に平行ではないためある程度広がりを有する。従って、下方へ向かう紫外線が特に下側ジンバル部材２０１の貫通孔内周面にて反射しながら型４１を通過すると当該紫外線の分布が不均一となるのでこれを避けるため、前記ネジ部２６１のネジ面にて下方への反射を阻止するものである。その場合、当該ネジ面を反射率の少ない材料でコーティングしておくことが好ましい。なお、前記反射抑制手段として、ＵＶ吸収機能を有する材料を前記貫通孔４３Ａの内周面に塗布またはコーティングした構成にしてもよい。

上述した貫通孔４３Ａ及びレンズ系２５３、紫外線発生装置４２等は被成形材料である樹脂が紫外線硬化形の場合に利用されるが、紫外線硬化形樹脂を使用しない場合にはこれら貫通孔４３Ａ及びレンズ系２５３、紫外線発生装置４２等はなくてもよい。

上述のピエゾハンマー２２１及びピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂはそれぞれオプションとして設けることができる。即ち、ジンバル機構４５の旋回、回動をさせる必要がない場合は前記回動部材２３５、内側固定部材２３９及びピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂを省略することが可能である。また、３つのピエゾハンマー２２１による下側ジンバル部材２０１の姿勢調整を行なわない場合はこのピエゾハンマー２２１を省略することが可能である。

以下、前記ピエゾハンマー２２１及び前記回動部材２３５、内側固定部材２３９及びピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂを装備していない場合の動作について説明する。

この場合には、被成形品は、典型的には、ＣＤ、ＤＶＤなどのように円周上に微細な凹凸を形成されたもので、中心点が一致しておればその回転方向位置の影響を受けない被成形品が好適である。可動テーブル１１上に配置された基板の中心をジンバル機構４５の中心軸ａｘと一致するように当該テーブル１１をＸ，Ｙ方向に位置決めする。可動体１９を下降させる際には、ジンバル機構の吸引力を最大にして下側ジンバル部材２０１を上側ジンバル部材２０３に吸着した状態とする。

この状態で、型４１が基板上の樹脂に接触する直前の所定位置まで降下したとき、下降速度を低速にすると共に真空引きの吸引力を弱め、下側ジンバル部材２０１をフリーな状態にして成形圧力をゆっくり与える。即ち、下側ジンバル部材２０１に取り付け固定されている型保持体２０５及び型４１は下側ジンバル部材２０１と共に前記テーブル上面に配置された基板上の樹脂を下方へ押し付けつつ最終的には基板と平行な姿勢に倣うようになっている。その場合ジンバル機構４５の凸及び凹の球面中心がジンバル機構の中心軸ａｘ上で型の下端面に一致するように配置されているのでこの押圧成形過程では水平方向のずれが生じない。

ところで、前述のように真空引きの吸引力を弱めて下側ジンバル部材２０１をフリーな状態にするとき、上側ジンバル部材２０３の凹球面部に開口したエアー噴出口（図示省略）から下側ジンバル部材２０１に向けて少量のエアーを噴出する構成とすることが望ましい。このような構成とすることにより、上側ジンバル部材２０３と下側ジンバル部材２０１との間の摩擦抵抗がより小さくなり、下側ジンバル部材２０１をより軽く円滑に動かすことができ、型４１の転写面を基板に対して平行にすることが容易であって、基板上の樹脂に対する押圧がより正確に行われるようになるものである。

また、図６に示した複数の吸引用管路２１１を個別に、又は適宜の複数組み毎にグループ化して、上側ジンバル部材２０３の凹球面部に形成された複数の環状溝の適数本に選択的に吸引力を作用するようにする。例えば小さな真空度での吸引力の場合には例えば奇数番目の環状溝あるいは少数の環状溝に吸引力を作用し、大きな真空度での吸引力の場合には多数の又は全ての環状溝に吸引力を作用するようにする。

すなわち、吸引力を作用する環状溝の本数を選択する構成（各吸引用管路２１１を個別にあるいはグループ毎に、真空引き装置に対してバルブ等によって連通遮断自在な構成）とすることにより、真空引きによる吸引力の調整を行うことができるものである。なお、より細かくグループ分けすれば、さらに微妙な真空度の調整ができるものである。

なお、前記型４１が基板上の樹脂に接触する直前の所定位置の検出のためにサーボモータ３３に結合されているロータリーエンコーダ３３Ａの信号を利用するが、たとえば、テーブル１１または型保持体２０５上に、電気的な導通・非導通を行なわせる部材を設けて検出することも可能である。

また、オプションとしてピエゾハンマー２２１を装着した場合、このピエゾハンマー２２１を機能させるのは、例えば、次のような場合である。即ち、基板上に樹脂を供給する前に、ジンバル機構４５を前述と同様に、吸着状態で下降し、型４１を基板に押し当てて接触させる。このときその接触状態が完全に平行でなく不均一である場合、吸引力を弱めた状態でその不均一な状態を修正するために３つのピエゾハンマー２２１に適宜の数の電圧パルスを与えて修正を行なう。このように、予め微調整を行うことにより均一状態となったときにジンバル機構を吸着状態に戻したのち、成形動作を開始する。また、非成形品の成形後、型を樹脂から離形する場合にピエゾハンマー２２１を高い周波数で振動させながら上方へ引き上げると離形動作をスムーズに行なうことが可能である。この場合、振動の振幅は超音波等に比べ格段に小さいので離形中に成形された樹脂を損傷することもない。

その場合、ハンマーの回数は１回又は複数回を短時間で、すなわち高い周波数で与えることが可能である。

一方、ジンバル機構４５を旋回、回動させるための一対のピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂを備える場合には、このピエゾハンマーを機能させるのは例えば次のような場合である。即ち、基板がテーブル上で、Ｘ，Ｙ方向に一致せず回転成分を有する場合であって、且つ中心点が一致していてもその回転方向位置の影響を受けるような被成形品の場合である。この場合にはその回転方向位置即ち、角度を予め測定しておけば、その値に対応する電圧パルスをピエゾハンマー２２１Ａ、２２１Ｂに与えてジンバル機構４５を旋回した状態で吸着させるのである。

なお、前記角度及び平行度不均一の測定用として、可動テーブル上面、基板、型保持体の下面等にマーキングを設けてこれらマーキングを物理的（例えば光学的、電磁気的）に検出し前記回転方向位置や不均一性を算出することが可能である。

さらに、ピエゾアクチュエータを用いた場合、転写動作の完了後型４１を被成形材料から離形する初期の段階において、前記ピエゾアクチュエータによりジンバル機構４１に少なくとも１回または複数回の首振り動作を与えるようにしてもよい。

ところで、前記可動体１９は前記リニアガイド２１に案内されて垂直に上下動するものの、可動テーブル１１上に載置された被成形品１３の上面と型４１の下面との関係が相対的に僅かに傾斜した関係にあると、前述したように、ジンバル機構４５を介して型４１が被成形品１３の上面に倣って容易に傾斜し、型４１の下面（転写面）と被成形品１３の上面（被転写面）とが平行になって転写が行われる。

前記ピエゾアクチュエータを用いてジンバル機構の姿勢を制御するときは以下のような方法を用いる。

図７にジンバル機構にピエゾアクチュエータを取り付けた一実施例を示す。

ここでは３本のピエゾアクチュエータを１２０度ずつ位相をずらせて等間隔に配置し、アクチュエータの変位する方向とジンバル機構の側面が垂直になるように取り付けている。３本のアクチュエータの取り付け位置をそれぞれＰ１，Ｐ２，Ｐ３とする。各ピエゾアクチュエータは変位量ゼロの平衡状態にあるとき、型板は水平状態にあるものとする。

図７に示したようにジンバル機構の回転中心Ｏ（図４の型板４１の下面の中心点ＣＰ）を原点としたＸ−Ｙ−Ｚ座標系を用いたとき、平衡状態におけるＰ１，Ｐ２，Ｐ３の各点におけるピエゾアクチュエータとジンバル機構側面との接点の座標値は次のようになる。

ここでｒはＰ１，Ｐ２，Ｐ３を結ぶ円のピッチサークル半径、ｈは型板下面からＰ１，Ｐ２，Ｐ３で作られる水平面までの高さを表している。

ジンバルの姿勢を変えて型板下面の傾きを微調整するには、各ピエゾアクチュエータに電圧を加えて変位させる必要がある。

しかし、ジンバル機構との関係で幾何学的な制約条件があるため、各アクチュエータに対してはお互いに関連をもった変位指令を与える必要がある。

図８に示したように型板下面の単位法線ベクトルの垂直軸（Ｚ軸）に対する傾き角をΦとし、この法線のＸ−Ｙ平面への射影をρ、この射影のＸ−Ｙ平面における偏角をζとすると、ρ＝sinΦとなる。型板を希望する姿勢に制御する際、このρとζを指定して傾きを指示するものとすると、各ピエゾアクチュエータに対して、次のように１２０度位相のずれた変位を指令すると、希望する姿勢が得られる。ここでΔ１，Δ２，Δ３は各ピエゾアクチュエータの平衡状態からの変位量を表している。

この値に比例した電圧Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３を各微調整用アクチュエータ２２１−Ａ，２２１−Ｂ，２２１−Ｃに加えることにより型に対して必要な微小回転（微小揺動）を与えることができる。なお、前記演算は、制御装置において行われるものである。

本発明は、前述したごとき実施形態のみに限るものではなく、適宜の変更を行うことにより、その他の形態で実施可能である。すなわち、
（Ａ）被成形層は、上記紫外線硬化樹脂、熱可塑性樹脂のほか、いずれのものでもよい。被成形層の材料に応じてその軟化及び／又は硬化手段を選定することができる。

（Ｂ）型４１を下部フレーム７側にセットし、被成形品１３を可動体１９側に取り付けるようにしてもよい。このとき、被成形層の軟化及び／又は硬化手段も合わせて変更する。

（Ｃ）ジンバル機構４５は、被成形品１３がＸ及び／又はＹ方向へ移動しない場合には、被成形品１３を装置する側に配置してもよく、この場合、及び型４１を下部フレーム７側にセットする場合、ジンバル機構４５は下部フレーム７側に取り付けてもよい。

（Ｄ）図１，図２に示した構成を上下逆にすることや、横にすることも可能である。すなわち、前記説明においては縦型の構成の場合について例示したが、縦型であって上下逆の構成や横型の構成とすることも可能であり、種々の構成を採用することができる。

（Ｅ）前述した実施形態例では、テーブルが下方に配置され、ジンバル機構および可動体は上方に配置される構成としてあるが、これらを上下逆に配置されるようにしてもよい。このように上下を逆に配置した場合には、第１のジンバル部材には重力により常時下方への力が作用するので、その下にある第２のジンバル部材への吸引または吸着カは、図４の構成の場合の配置に比べ少なくすることが可能であるか、または、当該重力そのものを利用して吸引または吸着力を別途発生させる必要をなくすることも可能となり、その際には圧縮空気による第１のジンバル部材に対する浮上力のみを制御すればよい。

（Ｆ）前述した実施形態例では、下側ジンバル部材２０１（本発明における第１のジンバル部材に対応する）を上側ジンバル部材２０３（本発明における第２のジンバル部材に対応する）へ吸引するため真空すなわち減圧を利用する方式としたが、その場合、下方に配置される成形室６０を真空引きする構成とするとそれらの減圧が相殺されるので吸引効果が期待できないこととなる。この対策として、たとえば、電磁石や永久磁石を用い前記両ジンバル部材２０１、２０３との間に、成形室６０での減圧により生じる吸引力より大きな吸引力を発生させるようにしてもよい。

この発明による転写装置の一実施形態例を示す左側面図である。 図１のＡ−Ａ線による断面図である。 図１の平面図である。 本発明のジンバル機構の垂直方向の縦断面図である。 図４におけるＺ矢視図である。 図４のＢ−Ｂ線矢視図である。 ジンバル機構にピエゾアクチュエータを取り付けた場合の説明図である。 ジンバル機構の姿勢制御の説明図である。 従来の転写装置の構成を示す説明図である。

符号の説明

１ 転写装置
３ 本体フレーム
５ 上部フレーム（支持フレーム）
７ 下部フレーム（ベースフレーム）
９ タイバー
１０ 固定台
１１ 可動テーブル
１３ 被成形品
１５ 支持台
１９ 可動体
２１ リニアガイド（案内手段）
２３，２４ スライダ（案内手段）
２５ ボールネジ機構
２６ ボールネジナット
２７ ボールネジ軸
２９ 軸受
３１ 中空軸
３３ サーボモータ
３５ 出力軸
４１ 型
４２ 紫外線光源
４２Ａ 光ファイバ
４２Ｂ 反射ミラー
４２Ｃ，４３Ａ 貫通穴
４３ 型支持プレート
４５ ジンバル機構
４６ ロードセル
４７ 旋回台
５０ バランスシリンダ（バランス取り手段）
５２ ピストンロッド
５４ 上カバー
５６ 下カバー
５８ シリンダ
６０ 成形室
２０１ 下側ジンバル部材
２０３ 上側ジンバル部材
２０５ 型保持体
２０７ 断熱材
２０９ ヒータ
２１１ 吸引用管路
２１３ 浮上用管路
２２１，２２１Ａ，２２１Ｂ ピエゾハンマー
２３５ 回動部材
２３９ 内側固定部材
２４１ プレート
２５３ レンズ系
２５５ 紫外線強度調整装置
２６１ ネジ部

Claims (16)

1. ジンバル機構を備えた転写装置において、
   （ａ）被成形材料を搭載するテーブルと、
   （ｂ）同テーブル面に対向して配置された転写用の型を固定保持する型保持体と、
   （ｃ）前記型保持体を一方の面側に保持すると共に他方の面側に凸球面部を形成してなる第１のジンバル部材と、
   （ｄ）前記第１のジンバル部材の凸球面部と対接する凹球面部を形成した第２のジンバル部材と、
   （ｅ）前記第２のジンバル部材を保持し、前記テーブル面に対し垂直方向に進退可能な可動体と、
   （ｆ）前記可動体を前記垂直方向に進退駆動せしめるサーボモータを含む可動体駆動手段と、
   （ｇ）前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持するための姿勢調整及び保持手段と、
   を有し、前記姿勢調整手段及び保持手段は、ピエゾ素子を積層して形成されたピエゾアクチュエータを、前記第１のジンバル部材と前記第２のジンバル部材との間に少なくとも３個配置して構成されていることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
2. 請求項１に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整手段は、さらに、前記可動体の非回転部と回転部との間に少なくとも前記ピエゾアクチュエータの一対がその周辺部に対向配置されていることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、前記第１のジンバル部材を前記第２のジンバル部材に向けて真空引きするために、前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口された真空引き用の管路と同管路に接続された真空引き装置とを有する構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
4. 請求項３に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記真空引き装置は、真空による吸引力を調整する調整手段を有することを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
5. 請求項４に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記真空による吸引力の調整手段は、前記管路に与えられる真空度を調整する構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
6. 請求項４または請求項５に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記真空による吸引力の調整手段は、前記真空引き用の管路を増減自在に備えたことにより真空度を調整する構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
7. 請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記姿勢調整及び保持手段は、さらに、前記第２のジンバル部材から前記第１のジンバル部材に向けてエアーを噴射するために、前記第２のジンバル部材内部に形成され且つ前記凹球面部に開口されたエアー噴出用の管路と同管路に接続されたエアー源とを有する構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
8. 請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記第１のジンバル部材は前記凸球面部に隣接して形成された張出し傾斜面を有しており、前記姿勢調整及び保持手段は、さらに、前記張出し傾斜面に圧縮気体を噴射供給する圧縮気体供給管路を前記第２のジンバル部材内部に形成してなる構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
9. 請求項１〜請求項８のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
   前記テーブルは、水平面内のＸ，Ｙ方向にそれぞれ移動可能な構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
10. 請求項１に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
    前記第２のジンバル部材と前記可動体との間に設けられ、前記可動体に対し前記第２のジンバル部材をその中心軸周りに回転せしめる回動手段を設けたことを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
11. 請求項１〜請求項１０のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
    前記第１のジンバル部材に形成された凸球面部の球面中心位置は、前記第１のジンバル部材の中心軸上であって且つ前記型保持体に固定保持された型の端面に位置している構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
    前記型の下端部が前記テーブル上の前記被成形材料の上面近傍に接近したことを検出する検出手段を備え、同検出手投からの信号に応答して前記可動体の速度を遅くする構成であることを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
13. 請求項１〜請求項１２のいずれか１項に記載のジンバル機構を備えた転写装置において、
    略Ｌ字型のフレームと、このフレームの下部に一体的に設けられた下部フレームと、
    この下部フレームに一端を固着され前記Ｌ字型の垂直部に互いに平行に伸びる複数のタイバーと、
    これらのタイバーの他端に固着された上部フレームと、
    前記下部フレームと上部フレームとの間にあって前記タイバーに沿って移動自在に配置された前記可動体と、
    前記フレームから前記可動体の左右両側面のほぼ中央位置まで突出したフレーム突出部と、
    この突出部と前記可動体の左右両側面のほぼ中央位置とを前記タイバーに沿って移動自在に係合接続する案内手段と、
    前記上部フレームに取り付けられ、前記可動体を前記案内手段に沿って移動させるための前記サーボモータを含む可動体駆動手段とを有することを特徴とするジンバル機構を備えた転写装置。
14. 請求項１に記載の構成を備えた転写装置を用いて微細転写を行なう方法であって、前記可動体の下降中で型が基板に接触する直前の所定下降位置までは前記ジンバル機構の第１のジンバル部材の姿勢を保持し、前記所定下降位置に達したとき前記第１のジンバル部材の姿勢をフリー状態とし、且つ低速にして被成形材料に対する成形動作を行うことを特徴とする転写方法。
15. 請求項１４に記載の転写方法において、
    前記第１のジンバル部材の姿勢を調整保持するための姿勢調整及び保持手段が第１のジンバル部材を第２のジンバル部材に真空吸引することからなり、前記第１のジンバル部材の姿勢保持は真空吸引を強くして吸着状態となし、当該姿勢のフリー状態は真空吸引を弱めることにより遂行されることを特徴とする転写方法。
16. 請求項１４または１５に記載の転写方法おいて、
    転写動作の完了後前記型を被成形材料から離形する初期の段階において前記ピエゾアクチュエータにより前記ジンバル機構に少なくとも１回または複数回の首振り動作を与えることを特徴とする転写方法。

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