JP2010052173A

JP2010052173A - 合成樹脂の成形方法および装置

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Publication number: JP2010052173A
Application number: JP2008216925A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kinugasa; 豊衣笠; Hiroyuki Yagyu; 博之柳生; Tadahiro Yamaji; 忠寛山路
Original assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2008-08-26
Filing date: 2008-08-26
Publication date: 2010-03-11

Abstract

【課題】位置ずれを抑制して、基板に成形部を高精度で成形することができる合成樹脂の成形方法および装置を提供する。
【解決手段】加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂５４をスタンパ金型６０で押圧して、基板５０に複数個の成形部５５を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法である。スタンパ金型６０を保持するステージ６１と基板５０を保持するステージ６２の各保持力を、周辺部よりも中央部を強く設定する。スタンパ金型６０を吸着保持するステージ６１と基板５０を吸着保持するステージ６２の各吸着穴６１ａ，６２ａは、周辺部よりも中央部ｂに多く形成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、合成樹脂の成形方法および装置に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているような光電気変換装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子が実装されたマウント基板と、光信号を電気信号に変換する受光素子が実装されたマウント基板とがそれぞれ回路基板を介して配線基板に実装されている。

この光電気変換装置においては、発光素子または受光素子と光学的に結合する導波路がマウント基板にそれぞれ形成され、これらの導波路がマウント基板から張り出して延在していて、その先端同士が光コネクタにより相互に連結されている。

前記のようなマウント基板の導波路は、一般に次のようにして形成される。図５（ａ）に示すような円形状のシリコン基板（シリコンウエハ）５０を用いて、一点鎖線で区分けしたように、複数個（本例では１５個）のマウント基板５１を同時に形成する。そして、最終的には、シリコン基板５０を一点鎖線位置で切断して、図５（ｂ）のように、マウント基板５１を個片化するのである。

先ず、シリコン基板５０のマウント基板５１の位置に、図６（ａ）のように、導波路形成用溝５２（４５度傾斜のミラー部５３を含む。）を形成する。そして、図６（ｂ）のように、導波路形成用溝５２に下クラッド材５４を充填（若しくは塗布。以下同様。）し、次いで、図６（ｃ）のように、スタンパ金型（図示せず）を用いて下クラッド材５４を押圧してコア用溝５５を形成する。このコア用溝５５に、図６（ｄ）のように、コア材を充填してコア５６を形成し、最後に、図６（ｅ）のように、コア５６の上に上クラッド材５７を塗布して、クラッド５８を形成することで、コア５６とクラッド５８とで導波路５９が形成されるようになる。

図７は、シリコン基板５０の各導波路形成用溝５２に、熱可塑性樹脂である下クラッド材５４を充填した後、スタンパ金型６０を用いて下クラッド材５４を押圧してコア用溝５５を形成する工程図である。

図７（ａ）のように、常温（約２３℃）状態で、固定の上ステージ６１にスタンパ金型６０を吸着保持するとともに、可動の下ステージ６２にシリコン基板５０を吸着保持する。

このシリコン基板５０の導波路形成用溝５２には、下クラッド材５４が充填されていて、この状態で、スタンパ金型６０とシリコン基板５０とともに下クラッド材５４を加熱（約９０℃）して軟化若しくは液状化させる。

その後、図７（ｂ）のように、シリコン基板５０とスタンパ金型６０の左右両端のアライメントマーク（図８の符号ａ参照）を、対応するカメラ６３でそれぞれ監視する。そして、左右のアライメントマークの中点座標〔図８（ａ）の符号ｂ参照。〕が一致するように、シリコン基板５０とスタンパ金型６０とを、吸着保持力に抗して水平面内で移動させながら合わせ込む。これにより、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部（重心位置）が一致する。

このようにして、シリコン基板５０とスタンパ金型６０の位置アライメントが完了した後、図７（ｃ）のように、下ステージ６２を上昇させることで、シリコン基板５０の下クラッド材５４をスタンパ金型６０により押圧する。これにより、下クラッド材５４にコア用溝（成形部）５５が形成されるようになる。なお、後述する図８（ａ）では、黒四角マークで表示した部分が導波路形成用溝５２であり、本例では、シリコン基板５０の５７個の導波路形成用溝５２にコア用溝（成形部）５５を同時に形成している。

そして、５７個のコア用溝５５を同時に成形した状態で、図８（ｄ）のように、離型温度（約３５℃）まで冷却して固化させる。

その後、図７（ｅ）のように、下ステージ６２を下降させて、シリコン基板５０の下クラッド材５４からスタンパ金型６０を離型することで、図６（ｃ）に示したように、下クラッド材５４にコア用溝５５が形成されるのである。

図８（ａ）は、上下のステージ６１，６２にスタンパ金型６０とシリコン基板５０をそれぞれ吸着保持した状態を真上から透過した平面図、図８（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ図８（ａ）のＸ−Ｘ部分の要部拡大断面図である。前述したように、図８（ａ）の例では、シリコン基板５０の５７個の導波路形成用溝５２にコア用溝（成形部）５５を黒四角マーク位置に同時に形成している。

図８（ｂ）は、図７（ａ）の吸着保持工程であり、上下のステージ６１，６２にスタンパ金型６０とシリコン基板５０をそれぞれ吸着保持している。この場合には、スタンパ金型６０の各コア用溝形成凸部６０ａは、図７（ｂ）のアライメント工程と相俟って、各導波路形成用溝５２に対して位置アライメントされている。

図８（ｃ）は、図７（ｃ）の押圧工程であり、加熱されるスタンパ金型６０とシリコン基板５０は外方向に膨張するようになる。この場合、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部になる中点座標ｂの位置では熱膨張は小さい。しかし、周辺部の位置ｃでは、熱膨張が大きくなり、導波路形成用溝５２に対してスタンパ金型６０のコア用溝形成凸部６０ａの位置が外方にずれて、コア用溝５５に位置ずれｄが生じる。

図８（ｄ）は、図７（ｄ）の冷却工程であり、冷却されるスタンパ金型６０とシリコン基板５０は内方向に熱収縮するようになる。この図８（ｄ）では、スタンパ金型６０のコア用溝形成凸部６０ａは、熱膨張によるコア用溝５５の位置ずれｄの分だけ正確に熱収縮している状態を表している。

図８（ｅ）は、図７（ｅ）の離型工程であり、コア用溝５５に位置ずれｄが無い状態を表している。

ここで、加熱・冷却工程が不必要な熱硬化性樹脂や、全工程を室温で行える光硬化性樹脂を用いる成形（インプリント）の場合は、前述のような熱膨張や熱収縮が無い。そのために、コア用溝（成形部）５５の位置精度は、図７（ｂ）のアライメント工程によるアライメント時の精度と、成形装置の重ね合わせ精度とで決まり、一般に、シリコン基板５０の所定位置に高精度（±数ｕｍ）で成形が可能である。
特開２００３−２２２７４６号公報

しかしながら、加熱・冷却工程が必要な熱可塑性樹脂等を用いる成形（インプリント）の場合は、前述のような熱膨張や熱収縮が有る。そのために、図９に示すように、冷却工程中のスタンパ金型６０とシリコン基板５０の収縮で、上下のステージ６１，６２との吸着界面間の摩擦の面内ばらつきにより、コア用溝５５に位置ずれｄが生じるおそれがある。図９においては、白四角マーク位置が正規の位置、黒四角マーク位置が位置ずれｄをした位置を表している。なお、位置ずれｄとは、重心ずれｅと回転ずれｆを示し、熱収縮によって金型形状ピッチ寸法が変化することに起因したピッチずれは入らない。

この結果、シリコン基板５０の所定位置にコア用溝（成形部）５５を高精度（±数ｕｍ）で成形することが困難であるという問題があった。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、位置ずれを抑制して、基板に成形部を高精度で成形することができる合成樹脂の成形方法および装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法であって、前記スタンパ金型を保持するステージと前記基板を保持するステージの各保持力を、周辺部よりも中央部を強く設定することを特徴とする合成樹脂の成形方法を提供するものである。

また、本発明は、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形装置であって、前記スタンパ金型を吸着保持するステージと前記基板を吸着保持するステージの各吸着穴は、周辺部よりも中央部に多く形成されていることを特徴とする合成樹脂の成形装置を提供するものである。

本発明の方法によれば、スタンパ金型と基板を保持する各ステージの保持力を、周辺部よりも中央部を強く設定する、つまり、保持力を中央部に集中させる。これにより、冷却工程において、スタンパ金型と基板の保持面は、熱収縮のために各ステージの保持面を摺動するが、中央部の保持力が周辺部よりも強いために、中央部（重心）を固定状態に維持できる。逆に、収縮量の多い周辺部は、より収縮しやすくなる。その結果、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型と基板との位置ずれを抑制できるので、基板に成形部を高精度で成形することができる。

本発明の装置によれば、スタンパ金型と基板を吸着保持する各ステージの吸着保持力を、周辺部よりも中央部を強く設定する、つまり、吸着保持力を中央部に集中させる。これにより、冷却工程において、スタンパ金型と基板の吸着保持面は、熱収縮のために各ステージの吸着保持面を摺動するが、中央部の吸着保持力が周辺部よりも強いために、中央部（重心）を固定状態に維持できる。逆に、収縮量の多い周辺部は、より収縮しやすくなる。その結果、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型と基板との位置ずれを抑制できるので、基板に成形部を高精度で成形することができる。また、ステージの吸着穴の位置を工夫するだけであるから、構造が簡単で装置コストが安価になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

最初に、前記スタンパ金型６０と前記シリコン基板５０の吸着保持力について説明する。図４（ａ）は前記上下のステージ６１，６２の平面図、図４（ｂ）は図４（ａ）の断面図である。

各ステージ６１，６２の中点座標ｂの位置（重心）を中心とする複数（本例では３個）の同心円を描いて、各同心円の円周上等角度間隔（本例では４５度）の位置に、吸着穴（本例では２５個）６１ａ，６２ａをそれぞれ形成している。すなわち、各ステージ６１，６２の吸着穴６１ａ，６２ａは、各吸着保持面に対して、ほぼ均等に分散して形成されている。

したがって、冷却工程において、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の吸着保持面は、熱収縮のために各ステージ６１，６２の吸着保持面を摺動する。この場合、吸着穴６１ａ，６２ａは、各吸着保持面に対して、ほぼ均等に分散して形成されている。これにより、摺動方向が安定しないために、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部になる中点座標ｂの位置（重心）が移動してコア用溝５５に位置ずれｄ（特に重心ずれｅ）が生じるようになる。なお、冷却状況によっては、回転ずれｆも生じることがある。

そこで、本発明においては、冷却工程におけるスタンパ金型６０とシリコン基板５０の吸着保持力に着目したものである。

図１は、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の吸着保持力に勾配（差）をつける実施形態の構成であって、（ａ）は上下のステージ６１，６２の平面図、（ｂ）は（ａ）の側面断面図である。

図１（ｂ）には、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中央部ｂと周辺部の吸着保持力の分布の曲線Ｄを併記してあり、周辺部よりも中央部ｂを強く設定している。

シリコン基板５０は、例えば４インチのシリコンウエハを用いる場合を想定すると、スタンパ金型６０は、対辺長１００ｍｍの八角形のニッケル電鋳スタンパ（厚さ３００ｕｍ〜５００ｕｍ程度）を用いることが好ましい。また、各ステージ６１，６２は、１１５ｍｍ角を用いることが好ましい。

図１（ａ）に示したように、各ステージ６１，６２の吸着穴６１ａ，６２ａは、各ステージ６１，６２の中点座標ｂの位置（重心）、つまり中心部付近に集中して、多数個（本例では１３個）を形成している。また、周辺部には、同心円上に数個（本例では４個）を形成している。なお、吸着穴６１ａ，６２ａの個数は、理解を容易にするための例示であって、これらの個数に限らないことは言うまでもない。

なお、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型６０で押圧して、複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂としては、熱可塑性樹脂が一般的である。熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカボネート樹脂（ＰＣ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＰ）のようなナノインプリントに用いられるものがある。

この熱可塑性樹脂以外に、常温で固体のエポキシ化合物と常温で液状のエポキシ化合物とを所定の比率で含有し、さらに光重合開始剤を含有し、且つ、加熱により溶融または軟化する、常温で固体の光硬化性樹脂（いわゆる固形未硬化樹脂）も用いることができる。

図２は、実施形態の上ステージ６１と下ステージ６２の各吸着穴６１ａ，６２ａを真空吸引する構成である。

図２（ａ）は補助プレート７６の平面図、図２（ｂ）は、補助プレート７６の側面断面図である。

補助プレート７６は、各ステージ６１，６２に設けられ、各ステージ６１，６２と同じ外形状に設定されている。そして、各ステージ６１，６２の吸着保持面の反対側の面に対向する面には、中心部の各吸着穴６１ａ，６２ａの最外周部分を覆う円形状の窪み部７６ｃと、周辺部の各吸着穴６１ａ，６２ａを覆うリング状の窪み部７６ｄとが形成されている。また、窪み部７６ｃと窪み部７６ｄを連通させる窪み部７６ｅが放射状に形成されている。

さらに、中心部の窪み部７６ｃから補助プレート７６の内部を貫通して一側面の出口７６ｆに至る真空吸引通路７６ｇが形成されている。

補助プレート７６は、図３に示すように、各ステージ６１，６２の吸着保持面の反対側の面に、窪み部７６ｃ〜７６ｅを形成した面を宛って、気密に固定されるようになる。

そして、各補助プレート７６の出口７６ｆから真空吸引されると（矢印ｓ参照）、各吸着穴６１ａ，６２ａに真空吸引力が作用して、上ステージ６１にスタンパ金型６０が吸着保持されるとともに、下ステージ６２のシリコン基板５０が吸着保持されるようになる。

前記実施形態の構成であれば、スタンパ金型６０とシリコン基板５０を吸着保持する各ステージ６１，６２の吸着保持力を、周辺部よりも中央部ｂを強く設定する、つまり、吸着保持力を中央部ｂに集中させることができる。

これにより、冷却工程において、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の吸着保持面は、熱収縮のために各ステージ６１，６２の吸着保持面を摺動するが、中央部ｂの吸着保持力が周辺部よりも強いために、中央部（重心）ｂを固定状態に維持できる。逆に、収縮量の多い周辺部は、より収縮しやすくなる。

その結果、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型６０とシリコン基板５０との位置ずれｄを抑制できるので、シリコン基板５０にコア用溝（成形部）５５を高精度で成形することができる。

また、各ステージ６１，６２の吸着穴６１ａ，６２ａの位置を工夫するだけであるから、構造が簡単で装置コストが安価になる。

前記実施形態は、スタンパ金型６０とシリコン基板５０を各ステージ６１，６２にそれぞれ真空吸引で吸着保持したものであるが、真空吸引の吸着以外の保持構造であっても良い。

前記実施形態では、冷却工程時に押圧力が大きい場合は、押圧力と比べて真空吸引による吸着保持力が小さ過ぎて無視できる程度となり、効果は低いと考えられる。したがって、押圧力が大気圧（約０．１ＭＰａ）と同程度（若しくはそれ以下）か、最大でも０．５ＭＰａまでの押圧力での成形（インプリント）時に、特に効果がある。

本発明の実施形態であり、（ａ）は上下のステージの平面図、（ｂ）は（ａ）の側面断面図である。（ａ）は補助プレートの平面図、（ｂ）は（ａ）の側面断面図である。上下のステージで、スタンパ金型とシリコン基板をそれぞれ吸着保持する構成の側面断面図である。吸着穴を均等に形成したタイプであり、（ａ）は上下のステージの平面図、（ｂ）は（ａ）の側面断面図である。（ａ）はシリコン基板の斜視図、（ｂ）はマウント基板の斜視図である。（ａ）〜（ｅ）は、シリコン基板のマウント基板の位置に、導波路を形成する工程図である。（ａ）〜（ｅ）は、コア用溝を形成する工程図である。（ａ）〜（ｅ）は、図７の工程における説明図である。コア用溝の位置ずれを示す説明図である。

符号の説明

５０シリコン基板
５１マウント基板
５２導波路形成用溝
５４下クラッド材（熱可塑性樹脂）
５５コア用溝
５８クラッド
５９導波路
６０スタンパ金型
６０ａコア用溝形成凸部
６１上ステージ
６１ａ吸着穴
６２下ステージ
６２ａ吸着穴
７６補助プレート
ｂ中央部
ｄ位置ずれ
ｅ重心ずれ
ｆ回転ずれ

Claims

加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法であって、
前記スタンパ金型を保持するステージと前記基板を保持するステージの各保持力を、周辺部よりも中央部を強く設定することを特徴とする合成樹脂の成形方法。
加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形装置であって、
前記スタンパ金型を吸着保持するステージと前記基板を吸着保持するステージの各吸着穴は、周辺部よりも中央部に多く形成されていることを特徴とする合成樹脂の成形装置。