JP2010280150A - 精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】過加熱及び過冷却を押さえ、急速な加熱及び冷却を可能とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法及びその装置を提供する。
【解決手段】転写部の温度が目標温度に達する前に、加熱手段又は冷却手段によって転写部へ与えた又は奪ったエネルギー量（熱量）と観測された転写部に出入りするエネルギー量とを比較し、両エネルギー量の差から余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて転写部の加熱又は冷却を行う。転写部の温度は、ヒータ等の加熱手段や冷却手段が出力する加熱又は冷却の熱量、及び熱の伝達時間を計算し、加熱手段から発生する熱量を、冷却にて打ち消すことにより、転写部の温度の目標温度への急速な制御が可能となる。
【選択図】図２

Description

本発明は、高平坦度で微細構造転写可能な精密ホットプレス装置、特に、表面に微細な凹凸パターンが形成された転写元となる原板（微細構造転写モールド）を転写先となる基板（被転写体）に押し付け、基板表面に微細な凹凸パターンを転写・形成するための微細構造転写モールド及び微細構造転写装置に適用される転写部の加熱冷却制御方法及びその装置に関し、詳細には、微細構造の熱転写における急速加熱及び冷却を可能にする転写部の温度制御方法及び装置に関する。

現在、上記微細構造の熱転写を行う熱式ナノインプリント装置においては、比較的安価なナノレベルのインプリント装置が発売されている。微細構造転写装置はナノレベルの転写が可能であり、一般的にそれらの装置はナノインプリント装置と呼ばれている。ナノインプリント装置において、転写部には様々な機能が備わっているが、その最たる機能としては加熱、冷却機能である。ここで、転写部はサブミクロン台の面精度が必要であるため、一般的に、加熱機能及び冷却機能を実現する各機構は転写部機構と一体成形にて製作されている。

熱式ナノインプリント装置においては、熱転写を行う装置のため、加熱及び冷却が必須であり、熱転写においては、高精度且つ均一な温度制御、並びに急速な加熱及び冷却能力が必要とされている。ここで、加熱機構としては、電熱線、ランプ、電磁誘導等のヒータを利用した加熱機構がある。また、冷却機構としては、冷却経路に冷却媒体（例、水、ガス、油）を流す機構、又は加熱冷却機構自体を冷却するための部屋に入れてしまう手段がある。具体的な加熱機構及び冷却機構の例としては、加熱源又は冷却源をそれぞれ取り付ける加工が成されたブロック体（ヒータプレート）にヒータ及び冷却媒体を通すといった手法が用いられる。加熱冷却の温度制御に関しては、一般的に、市販のプログラム温調機器等が使用されている。熱式ナノインプリント装置に限らず、温度制御の技術としては、例えば特許文献１又は特許文献２に開示されているものがある。

これら特許文献に開示の温度制御方式、又は市販のプログラム温調機器を使用した温度制御は、現在の温度から目標温度への温度変化及びそれに要した時間を計測し、その結果からヒータ及び冷却出力の制御を行うのが一般的であり、これらの温度制御は高精度の温度制御は可能である。しかし、温度変化から制御を行うため、加熱冷却機構の材質及び体積により、伝熱し計測される温度と出力の制御との間にはタイムラグがあり、目標温度に現状温度が近くなるほど加熱出力を抑えるため、急速な温度制御が困難であった。

熱式ナノインプリント装置においては、本出願人が先に出願することで提案したものがある（特願２００８−２６２６９９）。図５は、精密プレス装置としての熱式ナノインプリント装置の一例を示す断面図であり、基本的に、複数本（３本又は４本）の互いに平行に配置されたガイドポスト１４ａ，１４ｂ（以下、総称として符号１４を用いる。他の構成要素についても同様。）の一端部に固定されている受圧部１１と、受圧部１１に対向して配置されており且つガイドポスト１４上を摺動して受圧部１１に対して接離可能に配置されている加圧部１２と、フリー軸受１９を介して加圧部１２を受圧部１１に向かって駆動する駆動部１８とを備えている。加圧部１２と駆動部１８はボルト固定されておらず、ストリッパボルト、ダンパ、又はバネのような、ある程度の揺動が可能な状態で取り付けられており、フリー軸受１９に乗せられている。駆動部１８の駆動源としては、サーボモータ、エアシリンダ、油圧シリンダ等を使用することができる。

受圧部１１は、ガイドポスト１４に対して調整ナット１３によって固定されており、調整ナット３によって、組立時において、受圧部１１のガイドポスト１４に対する取付け高さは１／１００ｍｍレベルでの調整可能であり、組立て後においても受圧部１１の平坦度をナノレベルで調整することができる。受圧部１１はガイドポスト４によって均一にガイドされる。

加圧部１２は、ガイドポスト１４に対して保持器１５及び弾性体１６を介して摺動可能に配置されている。ウレタン樹脂からなる筒状形状を有する弾性体１６が、加圧部１２に形成されている摺動孔に嵌入する態様で固定されている。弾性体１６の筒状内部に嵌入されている保持器１５は、例えば筒状形状に形成された直動ガイド軸受等を使用することができ、成形型と転写対象物が接触するまで、高アライメント性を発揮する。弾性体１６はその一端側に設けられているフランジ部が加圧部１２の上面に当接しており、保持器１５はその一端側に設けられているフランジ部が弾性体１６のフランジ部に当接して、それぞれ軸方向に位置決めされている。保持器１５は、その筒状内部に挿通されているガイドポスト１４上を摺動可能であり、その結果、加圧部１２は保持器１５及び弾性体１６を介して、ガイドポスト１４上を摺動可能である。

受圧部１１と加圧部１２との対向面側には、それぞれプレスステージ１７ａ，１７ｂが設けられている。プレスステージ１７ａ，１７ｂには、一方において表面に微細加工が形成されている原板が配置され、他方には基板が配置されており、基板には、プレス時に原板に押し当てられることで原板の微細加工が転写される。原板又は基板を支持するプレスステージ１７ａ，１７ｂは、それぞれ原板又は基板を加熱・冷却する加熱冷却機構を備えた転写部を構成している。

ガイドポスト１４に設置されている弾性体１６は、プレス時の平坦度をナノレベルで合せるための部材であり、弾性体１６としては、加圧部１２のラム全体を弾性体１６に保持させることで、プレスステージ１７ｂ又は加圧部１２全体を弾性体１６にて保持し、加圧部１２の傾き及び撓みを吸収し、受圧部１１に倣うようにしている。

本精密プレス装置の作動として、加圧部１２を駆動させる駆動部１８はフリー軸受１９を介して加圧部１２を押圧する。フリー軸受１９の先端部は球面となっており、プレス作動時に受圧部１１と加圧部１２とが倣う、即ち、後述するプレスステージ１７ａ，１７ｂが弾性体１６の弾性変形によって倣った場合においても、加圧部１２に対して単一点で荷重を作用させることが可能である。加圧時においては弾性体１６が弾性変形をすることによって、受圧部１１と加圧部１２の相対的な傾きや撓みが吸収される。したがって、受圧部１１と加圧部１２の倣いが維持され、プレスステージ１７に均一な荷重が作用し、高平坦度の精度にてプレス成形を行うことができる。

金型を用いたプラスチック成形において、金型表面近傍に温度センサを配置し、非接触型の温度センサを使用し、成形品と非接触な空中を測定ポイントとすることにより、プラスチック成形金型の蓄熱作用の影響を排除することが提案されている（特許文献３）。また、プラスチック製品の射出成形用金型を用いたプラスチック射出成形において、金型の成形表面材料層内に温度検出センサを直接組み込み、温度検出センサを成形表面に可及的に接近させて成形表面材料層と一体化することにより、金型の表面温度を高速に精度よく制御することが提案されている（特許文献４）。更に、金型の射出成形前温度の制御で加熱熱媒を当初の水蒸気から高温水に切り換え、射出後には冷却水に切り換えて、固化温度以下まで冷却することが提案されている（特許文献５）。

特開２００２−１５７０２４号公報 特開２００５−３２９５７７号公報 特開平０８−３３２６３７号公報 特開平１１−２９１３００号公報 特開２００９−４５８１４号公報

このように、基板表面に微細な凹凸パターンを転写・形成するための微細構造転写モールド及び微細構造転写装置である精密ホットプレス装置においては、凹凸パターンの転写・形成時には基板を軟化し転写後には基板を冷却して凹凸パターンが硬化・確定される。精密プレス装置における微細構造転写の生産性を向上するには、加熱冷却機構によって繰り返される転写部の加熱・冷却をできるだけ迅速に行う必要がある。
そこで、精密ホットプレス装置において、転写部の加熱・冷却に要する時間を可及的に短縮するため、加熱冷却機構による熱の出入りを管理する点で解決すべき課題がある。

この発明の目的は、加熱冷却機構による転写部の加熱・冷却に要する時間を短縮して、生産性を向上した精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法及びその装置を提供することである。

上記課題を解決し目的を達成するため、この発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法は、基板に対して微細構造の熱転写を行う転写部を加熱又は冷却する精密ホットプレス装置の加熱冷却において、前記転写部を目標温度へ加熱又は冷却する際に、前記転写部の温度が前記目標温度に達する前に、当該加熱により前記転写部に与えた又は当該冷却により前記転写部から奪ったエネルギー量と前記転写部へ出入りするのが観測されたエネルギー量を比較し、当該両エネルギー量の差から、余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、前記余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて前記転写部の加熱又は冷却を行うことを特徴としている。

また、この発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置は、基板に対して微細構造の熱転写を行う転写部を熱伝達可能に支持する転写ブロック、前記転写ブロックを加熱する加熱手段及び前記転写ブロックを冷却する冷却手段、前記転写ブロックの温度を監視する温度センサ、並びに前記温度センサが検出した前記転写ブロックの温度に応じて前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段を備えており、前記制御手段は、前記転写部を目標温度へ加熱又は冷却する際に、前記転写部の温度が前記目標温度に達する前に、加熱により前記転写部に与えたエネルギー量又は当該冷却により前記転写部から奪ったエネルギー量と前記転写部へ出入りするのが観測されたエネルギー量を比較し、当該両エネルギー量の差から、余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、前記余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて前記転写部の加熱又は冷却を行うことを特徴としている。

この発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御によれば、転写部の温度が目標温度に達する前に、加熱手段又は冷却手段によって転写部へ与えた又は奪ったエネルギー量（熱量）と観測された転写部に出入りするエネルギー量とを比較し、両エネルギー量の差から余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて転写部の加熱又は冷却を行うので、転写部の温度は実際に得ている加熱又は冷却に基づいて制御されることになり、転写部の温度の目標温度への急速な制御が可能となる。

本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法及び装置によれば、転写部について余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて加熱及び冷却をすることにより、転写部の温度を目標温度へ急速に制御することができるので、熱ナノインプリント装置のような精密ホットプレス装置において、微細構造転写の毎に繰り返される転写部の加熱及び冷却のそれぞれの工程の時間を短縮でき、したがって微細構造転写の生産性を向上することができる。

本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却機構の例を示す斜視概要図である。 図１に示す転写部の加熱冷却制御において、加熱時の転写部の温度変化を示したグラフである。 本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法の一例を示すフローチャートである。 本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置の一例を示す制御ブロック図である。 先の提案に係る精密ホットプレス装置の転写部を含む要部の一例を示す縦断面図である。

以下、図面を参照して、本発明による精密ホットプレス装置に用いられる、急速な加熱冷却を可能とする転写部の加熱冷却制御方法及びその装置の実施形態を説明する。

本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法及び装置の実施形態を、図１を参照して説明する。図１（ａ）〜（ｃ）は、本発明による精密ホットプレス装置における加熱冷却が制御される転写部の例を示す斜視概要図である。精密ホットプレス装置の転写部を含む要部の構造は、例えば、図５に示した構造でよく、再度の説明を省略する。転写部は、加熱冷却機構１及び断熱部４から構成されており、加熱冷却機構１にて発生した熱エネルギーを外部へ逃がさない機構となっている。加熱冷却機構１には、加工により加熱媒体３及び冷却媒体を通すための冷却路２が形成されている。

加熱冷却機構１においては、転写面での温度の均一化を図るため、冷却路２は均等且つ均一交互に複数配列されている。加熱媒体３及び冷却路２の配置構造としては、加熱媒体３を冷却路２が、図１（ａ）のように挟む構造、図１（ｂ）のように加熱媒体３より冷却路２を転写面側へ偏位配列する構造、又は図１（ｃ）のように、加熱冷却機構１の転写面と加熱媒体３との間に径の小さい別途冷却路２を配置することにより、加熱媒体３で発生する加熱を抑え、更に転写面への温度応答性を向上させる構造が可能である。これらの役割は全て、加熱媒体３から発生した余剰分の熱エネルギーを打ち消す又は急速な冷却を行うためのものである。なお、均一に加熱、冷却を行うための機構については、別途研究開発がなされており、本発明においては、加熱冷却機構１として、加熱媒体３及び冷却路２が設置されている構成から成されていれば、図１に示す限りではない。

次に、この加熱冷却機構１において、急速な加熱制御方法として、図２及び図３を参照して以下に説明する。図２は、開示技術による温度制御７、従来技術による温度制御８、及び本発明による温度制御９のそれぞれにおける温度の時間変化曲線を示すグラフである。図３は、本発明による温度制御フローチャートである。

図３に示す温度制御フローチャートに従って、本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱制御手順を説明する。まず、ヒータ容量（Ｗ）、加熱冷却機構１の比熱量（重量と比熱Ｃを積算したもの）、冷却能力を予め算出しておく（ステップ１０）。次にヒータの出力を１００％（手動制御）とし加熱開始する（ステップ１１）。加熱冷却機構１に熱電対等の温度監視センサを設置して置き、その値が目標温度５から所定温度６（例、加熱時は目標温度−５℃、冷却時は目標温度＋５℃）に達した時点で（ステップ１２）、ヒータの制御を自動制御（ＰＩＤ：比例（Ｐ）、積分（Ｉ）、微分（Ｄ）の各制御）、又は出力をＯＦＦとする（ステップ１３）。

この際、ヒータがＯＮとなっていた時間から、ヒータが行った仕事量（転写部に与えた熱エネルギー量）、観測されている仕事量（熱エネルギー量）、及び放熱量を以下に掲げる数式１〜３の通り算出する。数式１（ヒータが行った仕事量）から数式２（観測されている仕事量）、及び数式３（放熱量）を減算することにより、数式４に示すような、加熱冷却機構１において発生している余分な熱エネルギー量が求められる。このエネルギーは余剰分の熱エネルギーとして加熱冷却機構１に内在しているため、放置しておくと転写部の過加熱となる。

ここで、この余剰熱エネルギーと同等のエネルギー量を持つマイナスエネルギーを発生させることにより、過加熱を抑える制御を行う（ステップ１４）。つまり、冷却路２へ冷却媒体を流し入れ、余剰熱エネルギーを打ち消す。冷却でのエネルギー量計算の一実施例を数式５に記載する（他にニュートンの冷却法則等がある）。余剰エネルギーを打ち消した後は、冷却媒体が冷却路２に残ったままであると、加熱冷却機構１と冷却媒体との温度差により、熱エネルギーが奪われる。そのため、エア、又はガスにてブローを行って、冷却媒体を冷却路２より取り除く（ステップ１５）。最終ステップとして（ステップ１６）、計算値と実測値は若干異なるため、温調機器にて加熱媒体３をＰＩＤ制御とし、温度調整を行い急速加熱制御完了となる。このＰＩＤ制御による最終工程は、高精度の温度調整を行うために必要な工程である。

数式１〜５において、放熱、潜熱、或いはヒータ及び冷却機器の仕事効率、並びに安全率、ブローによる除熱等の熱エネルギー量を考慮することにより、更に高精度の温度制御が可能であるが、本発明は急速な加熱の制御を行うものであり、前記数式にて十分行えるものである。

［数式１］ ヒータ仕事量（W・min）＝ヒータ容量（W）×ヒータＯＮ時間（min）
［数式２］ 観測されている仕事量（W・min）＝0.278×60（秒）×比熱Ｃ（Kj／kg・℃）×加熱機構重量（kg）×上昇した温度ｔ（℃）
［数式３］ 加熱冷却機構部の放熱量（W・min）＝（保温部以外の表面積（m＾2））×保温部以外の放熱損失係数１（W／m＾2）＋保温部の表面積（m＾2）×保温部の放熱損失係数２（W／m＾2））×ヒータＯＮ時間（min）
［数式４］ 伝わっていない仕事量（W・min）＝[数式１]−［数式２]−［数式３］
［数式５］ 水が奪うべき仕事量（W／min）＝流量（L／min）×（流出後の水温T2（℃）−流入前の温度T1（℃））

図４に、本発明による精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置の一例が制御ブロック図として示されている。図４に示す加熱冷却制御装置は、転写部１７の加熱・冷却を制御する制御部２０と、転写部１７の温度及び冷却路２を流れる冷却媒体の温度を検出する温度センサ２５とを備えている。制御部２０は、プログラマブルコントローラＰＬＣ２１と、ＰＬＣ２１からの制御信号によって制御される流体制御機器２２及び温度調整機器２３とを備えている。流体制御機器２２は、加熱冷却機構１の冷却路２を流れる冷却媒体の流れを制御して転写部１７の冷却量を制御している。また、温度調整機器２３は、加熱冷却機構１の加熱媒体３を制御して転写部１７の加熱量を制御している。センサ部２５の温度センサ２５１は、冷却媒体の転写部１７への流入前の温度（冷却水の場合には水温T1（℃））と転写部１７からの流出後の温度（水温T2（℃））とを検出しており、検出結果（温度差）をＰＬＣ２１に出力している。センサ部２５は、また、転写部１７の温度を検出する温度センサ２５２を備えている。温度センサ２５２が検出した転写部１７の温度（上昇温度ｔ）に基づいて、数式２に示す「観測されている仕事量」が演算される。また、温度センサ２５１が検出した冷却媒体の流入出温度に基づいて、数式５に示す「冷却水が奪うべき仕事量」が演算される。

加熱冷却機構１において、冷却路２の位置を最適化するため、加熱冷却機構１の寸法、及び材質（熱伝導率）から、温度の分布を計算し、最適な冷却路２を加工することが可能である。また、加熱する場合は、エネルギーのロスを減らすべく、冷却路２に入る冷却媒体を熱容量の小さいものに変更することが望ましい（例、エア、ガス等）。また、余剰エネルギーを抑える、又は冷却に使用する冷却媒体としては熱容量の大きいもの（例、水、油）を使用するのが望ましい。これらの冷却媒体は、状況により切替えられ、また、常時流入するのではなく、流れを留める事ができる機構が最適である。

図２に示すように、この発明による温度制御によれば、目標温度の手前で、熱量計算によって余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、この余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて転写部の加熱又は冷却を行っているので、転写部の過加熱（過冷却）を未然に相殺することができ、目標温度に対してオーバーシュートをすることなく、また目標温度に時間を掛けて漸近することもなく、素早く接近収束する温度制御を実現することができる。したがって、微細構造の熱転写毎に繰り返される転写部の加熱・冷却に要する時間を短くすることができ、精密ホットプレス装置の基板製作の生産性を向上することができる。

１ 加熱冷却機構 ２ 冷却路
３ 加熱媒体 ４ 断熱部
５ 目標温度 ６ 制御開始温度
７ 開示技術の温度推移 ８ 従来技術の温度推移
９ 本発明の温度推移
１７ 転写部
２０ 制御部 ２１ プログラマブルコントローラ
２２ 流体制御機器 ２３ 温度調整機器
２５ センサ部 ２５１，２５２ 温度センサ

Claims (6)

1. 基板に対して微細構造の熱転写を行う転写部を加熱又は冷却する精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却において、
   前記転写部を目標温度へ加熱又は冷却する際に、前記転写部の温度が前記目標温度に達する前に、当該加熱により前記転写部に与えた又は当該冷却により前記転写部から奪ったエネルギー量と前記転写部へ出入りするのが観測されたエネルギー量を比較し、当該両エネルギー量の差から、余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、前記余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて前記転写部の加熱又は冷却を行うこと
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法。
2. 請求項１に記載の精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法において、
   前記エネルギー量として、放射によるエネルギー、潜熱によるエネルギー、ブローによるエネルギー、また、熱効率、安全率を考慮して、前記余剰又は過冷却エネルギー量を算出すること
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御方法。
3. 基板に対して微細構造の熱転写を行う転写部を熱伝達可能に支持する転写ブロック、前記転写ブロックを加熱する加熱手段及び前記転写ブロックを冷却する冷却手段、前記転写ブロックの温度を監視する温度センサ、並びに前記温度センサが検出した前記転写ブロックの温度に応じて前記加熱手段及び前記冷却手段を制御する制御手段を備えた精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置において、
   前記制御手段は、前記転写部を目標温度へ加熱又は冷却する際に、前記転写部の温度が前記目標温度に達する前に、加熱により前記転写部に与えたエネルギー量又は当該冷却により前記転写部から奪ったエネルギー量と前記転写部へ出入りするのが観測されたエネルギー量を比較し、当該両エネルギー量の差から、余剰又は過冷却エネルギー量を算出し、前記余剰又は過冷却エネルギー量に基づいて前記転写部の加熱又は冷却を行うこと
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置。
4. 請求項３に記載の精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置において、
   前記制御手段は、前記余剰エネルギー量又は前記過冷却エネルギー量を打ち消した後に、通常のＰＩＤ温度制御を行うこと
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置。
5. 請求項３又は４に記載の精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置おいて、
   前記加熱手段は、電熱線、ランプ、又は誘導加熱であること
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置。
6. 請求項３又は４に記載の精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置において、
   前記冷却手段は、水、ガス、エア、油等の冷却媒体を使用していること
   を特徴とする精密ホットプレス装置における転写部の加熱冷却制御装置。

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