JP4920278B2 - 成形装置 - Google Patents

Description

本発明は、所定の型（モールド）を被加工物に押圧することによって、微細なパターンの転写を行う成形装置に関するものであり、特に、高アスペクト比のナノサイズインプリント技術に関するものである。

成形装置（インプリント装置）は樹脂などの被加工物（成形材）の表面に微細なパターンを有する成形部品を形成する装置として知られている。ナノサイズの微細なパターンであっても比較的精度よく成形できるため、磁気記録媒体の微細形状や半導体集積回路の微細パターンなどを形成する技術に適用されている。

パターンの微細化に伴って生じるこの装置の問題点として、モールド先端の一部が基板（被加工物）に「片当たり」するために生じる「位置ずれ」や、大荷重をかけた際に弾性バネが変形するために生じる「横ずれ」といった問題があり、モールドと基板との平行度を高精度に保ちつつ、モールドの押し付け動作を行う必要性が指摘されている。その解決手段として、「モールドの押し付け方向がモールドのパターン形成面に対して垂直方向を維持するように制御する」機構、その他の傾斜調整機構を設けることにより、精度を高める方法が開示されている（特許文献１，２）。

特に、上記特許文献１は、剛性の高い構造体のメインフレームにＺ軸（垂直方向、つまりモールドの移動方向の軸）ガイド及びＺ軸駆動部を設置して、Ｚ軸がステージ定盤の上面と垂直になるように調整され、さらに、センサを用いてモールドの姿勢及び位置を制御する方法が開示されている。

特開２００５−１０１２０１号公報 特開２００３−７７８６７号公報

モールドと基板の平行度が悪いときに生じる他の技術的課題として、高アスペクト比のパターン形成が困難になる、という問題が挙げられる。上述した従来技術を適用すれば、結果としてモールドと基板の平行度を高めることができ、高アスペクト比のインプリントが可能であると考えられる。

しかし、ステージの姿勢を調整して平行度を保つようにする構成は非常に複雑な制御が必要であるためコストが増大し、姿勢制御のための準備にも時間を要すると考えられるため、実用性は低下する。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、高アスペクト比のナノサイズインプリントを可能にする新規な成形装置を提供することを技術的課題とする。

本発明に係る成形装置は、下端にモールドが取り付けられ垂直方向に移動するピストンと、前記ピストンを内包するシリンダと、成形材を設置する下部プレートと、前記ピストンを特定の水平方向に押圧する摺動性押圧部材を備え、前記ピストンが特定の水平方向に付勢された状態で垂直方向に上下して前記成形材に前記モールドを押圧して成形する成形装置であって、前記ピストンの内部にガス流通路が設けられていると共に、前記モールドの裏面に前記ガス流通路と連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする。

このような構成によると、成形動作時にシリンダが直線ガイドの役割を果たし、成形時と離型時のピストンの軌跡がずれにくくなり、高アスペクト比のナノサイズインプリントが可能になる。また、離型時に貫通孔を介してガス流通路からガスを導入することにより、離型性を高めることができる。特に、アスペクト比の高いパターン形成においては、成形時よりも離型時に不良が生じやすい。このため、ガスの圧力を補助的に利用して離型性を高めることで、アスペクト比の高いパターン形成においても精度よく成形することができる。

ここで、摺動性押圧部材とは、水平方向に付勢すると共に垂直方向の摺動性を妨げないようにすることができる部材であり、例えばボールプランジャやローラーなど、弾性部材によってピストンを押圧すると共にピストン側面に接する面積が小さいものが挙げられる。摺動性押圧部材により押圧される特定の水平方向とは、ピストンの断面重心方向であることが好ましい。また、ピストン及びシリンダの形状は、角柱又は円柱状であることが好ましい。

本発明に係る成形装置は、さらに、前記シリンダに真空排気口が設けられ、該シリンダと前記下部プレートで囲まれた成形材設置部の周囲が局所的に真空排気されるように構成されていてもよい。このようにすると、真空状態での成形が可能となり、成形品からの脱ガスによる成形不良等が起こりにくい。また、大がかりな真空機構を用いる必要がないため、製造コストを下げることができる。なお、真空機構を設ける場合、ピストンとシリンダの気密性を高くしておくことが必要である。

本発明の他の局面に係る成形装置は、下端にモールドが取り付けられ垂直方向に移動する角柱状又は角柱状の一部が面取りされた形状で構成されたピストンと、前記ピストンを内包するシリンダと、成形材を設置する下部プレートと、前記ピストンを特定の水平方向に押圧する摺動性押圧部材を備え、前記ピストンが特定の水平方向に付勢された状態で垂直方向に上下して前記成形材に前記モールドを押圧して成形する成形装置であって、
前記特定の水平方向は、前記ピストンにおける隣り合う少なくとも２つの側面を前記シリンダにおける隣り合う少なくとも２つの内側面に対して押圧する方向であることを特徴とする。

このような構成によると、成形動作時にシリンダが直線ガイドの役割を果たし、成形時と離型時のピストンの軌跡がずれにくくなる。成形動作時に生じやすいピストンの回転や位置ずれを効果的に抑制することができ、高精度で精密な成形、離型が可能となる。また、ボールプランジャやローラーなどの摺動性押圧部材の働きにより、ピストンは水平方向に付勢された状態で垂直方向に移動するにもかかわらず、摺動性が低下しにくい。

また、成形材を下部プレートに固定するための試料設置用フレームを設けておくことが好ましい。このフレームにより成形材の端部をネジ等によりしっかりと押さえつけることができ、アスペクト比の高いパターン形成の際にも成形材が動かず、精度よく成形することができる。

本発明によると、平行度及び垂直度が確保され、モールドを成形材に押し付ける際に生じる摩擦を低減することができる。また、回転や位置ずれを効果的に抑制することができ、高アスペクト比のパターンを形成することが可能となる。

（第１の実施形態）
図１及び図２は、本発明に係る成形装置の一例を示す概略構成図であり、図１（ａ）は、装置全体の構成の概略を示し、図１（ｂ）は、図１（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視図を示している。図２（ａ）は、成形時の動作を説明するための説明図、図２（ｂ）は、離型時の動作を説明するための説明図である。

図１（ａ）に示すように、この装置は、ピストン１１とこれを内包するシリンダ１２（上部シリンダ１２ａ，下部シリンダ１２ｂ）と下部プレート１３を備えている。これらは、超鋼や炭素鋼などの金属或いはセラミックス等により構成される。なお、上下のシリンダ１２ａ，１２ｂは通常はボルト等によって強固に固定されていて取り外すことができないが、シリンダ１２と下部プレート１３とは金具（不図示）を操作することで容易に取り外すことができる。さらに、ピストン１１の先端部にはモールド（型）１４が取り付らけ、下部プレート１３側に成形材Ｓが取り付けらる。また、下部プレート１３の下にヒーター（不図示）を設置して成形材Ｓを加熱してもよい。

なお、成形材は、樹脂、金属、ガラス等などを適用することができる。また、ピストン１１の上下及び成形圧力の制御はサーボモータや油圧、水圧又は空圧等により行う。またモールドは、金属、ガラス、シリコン等を適用することができる。

図２（ａ）に示すように、ピストン１１はシリンダ１２（１２ａ，１２ｂ）内を垂直方向に移動することができ、成形材Ｓにモールド１４を押し付けることにより、成形材Ｓの表面にパターンを形成することができる。また、成形材Ｓが設置されるシリンダ１２の内部と下部プレート１３で囲まれた空間は小さな真空チャンバーを構成している。すなわち、真空排気口１５から排気することにより、真空状態での成形が可能である。

このように、下部シリンダ１２ｂに真空排気口１５を設けておき、成形を行う部分を局所的な真空状態、いわゆる「囲み真空状態」にすることで、真空状態での成形を可能にし、成形性が向上する。また、ピストン１１とシリンダ１２のクリアランスを可能な限り小さくすることで、気密性を高くすることができ、シンプルな構造で真空状態にすることができる。この下部シリンダ１２ｂに接続する排気システムを利用して下部プレート１３の成形材Ｓの設置部に真空排気口１６を設け、成形材Ｓを真空チャックで固定してもよい。

また、図２（ｂ）に示すように、成形後はシリンダ１２と下部プレート１３と切り離すことで成形品を容易に取り出すことができる。

図１（ｂ）に示すように、シリンダ１２ａの側面部に設けられた孔２０にはボールプランジャ２１が取り付けられ、これによりピストン１１がシリンダ内でボールプランジャ２１に接しているときは常にシリンダ１２の内部で矢印Ｐの方向に押圧される。この成形装置の特徴の一つは、ピストン１１が特定の水平方向に付勢された状態で垂直方向に上下する構成を採用した点にある。

図３（ａ）は、ボールプランジャ２１がピストン１１を特定の水平方向（矢印Ｐの方向）に押圧している様子を示す原理図である。この図に示すように、押圧方向は矩形断面の重心方向（斜め方向）に押圧することが好ましい。このようにすると、一つの押圧力でｘ方向又はｙ方向に押圧した場合、他の水平方向（ｘ方向に付勢した場合はｙ方向、ｙ方向に付勢した場合はｘ方向に）ずれるおそれがあるためである。
また、ピストン１１にはボールプランジャ２１の先端部が安定して接するように、ボールプランジャ２１の先端部が確実に接するように、水平断面の形状が矩形ではなく図１（ｂ）、図３（ａ）のように角柱状の一つの面（１１ａ）が面取りされた形状で構成されている。

このような構成によると、成形動作時にシリンダ１２が直線ガイドの役割を果たし、成形時と離型時のピストン１１の軌跡がずれにくくなる。成形動作時に生じやすいピストンの回転や位置ずれを効果的に抑制することができ、高精度で精密な成形、離型が可能となる。また、ボールプランジャ２１の働きにより、ピストン１１は水平方向に付勢された状態で垂直方向に移動するにもかかわらず、摺動性が低下しにくい。

この装置によると、アスペクト比が少なくとも５以上のような高アスペクト比のパターンを低コストで精度よく形成することができる。

なお、ピストン１１は垂直方向（上下方向）に移動するため、水平方向への付勢力をなるべく均一にするように、孔２０とボールプランジャ２１はそれぞれ複数設けることが好ましい。図１の例では３つであるが、特に限定されない。

（変形例）
図１の例では、水平方向に付勢すると共に垂直方向の摺動性を妨げないようにするためにボールプランジャ２１を用いた例を説明したが、ボールプランジャに代えて、「ローラー」を用いてもよい。
図３（ｂ）は、ローラー２２とバネ２３を用いて水平方向へ付勢した例を示している。この図に示すようにピストン１１を角柱にして角部にローラー２２を当接させながらバネ２３により矢印Ｐの方向に付勢しても、ボールプランジャ２１を用いた場合と同様の作用を得ることができる。

ボールプランジャ２１及びローラー２２は、弾性部材を用いてピストン１１を水平方向に付勢した状態で垂直方向に移動させ、このとき、摺動性が損なわれないようにするための部材（これを本明細書では「摺動性押圧部材」という。）の一例であるということができる。この「摺動性押圧部材」は、ピストン１１との接触面積が小さいことが一つの特徴であるが、水平方向への押圧と垂直方向の摺動性を確保する構成であれば他の構成でも特に限定されない。また、当接面に摺動性のよいコーティングを施してもよい。

図４（ａ）乃至（ｆ）は、第１の実施形態のその他の変形例を示す図である。図４（ａ）（ｂ）、（ｃ）（ｄ）、及び（ｅ）（ｆ）は、いずれも斜視図及び断面図でシリンダ１２ａ及びピストン１１の形状とボールプランジャ等により付勢される押圧方向を示した変形例である。

（第２の実施形態）−モールドの固定方法−
図５（ａ）は、モールド１４を、真空チャックにより固定した様子を示す断面図であり、いわゆる真空チャックの基本原理を説明するための図である。図５（ｂ）及び（ｃ）は、第２の実施形態における成形性及び離型性を高めたモールドの原理を説明するための図である。

図５（ａ）に示すような形状の、内部にガス流通路３０を設けたピストン３１において、図の矢印の方向に吸引することにより、モールド１４を固定する（真空チャック）。
このような構成により、モールド１４を固定することでモールド１４の着脱が容易となる。

また、図５（ｂ）に示すように、内部にガス流通路３０を設けたピストン３２に、貫通孔ｈを設けたモールド３４を取り付けてもよい。成形時には成形材Ｓからのガス抜き等のために排気する一方、離型時にはモールド３４の裏面から貫通孔ｈを介してガスを送り込むことで離型性が向上する。このようにすると、アスペクト比の高いパターンの転写性が特に向上する。

なお、このような貫通孔ｈを設けたモールド３４は、金属に限らず、ガラス、シリコンなどによって構成してもよい。貫通孔ｈの大きさは、適宜設計すればよいが、例えば１００μｍとする。なお、技術的には３０μｍ程度でも可能である。また、ガスを送り込む際、モールド３４がピストン３２から外れることを防止するため、図５（ｂ）に示すように、ピストン３２の一部にテーパー部Ｔを設け、モールド３４にもこれに嵌合する逆テーパーを設けるなどしておくか、或いはこれに代えて接着剤で固定してもよい。すなわち、モールドがピストンから外れることを防止する構成であれば他の構成でも特に限定されない。但し、接着剤は成形材が傾くなどの問題もあるため、高アスペクト比のパターン形成においては、注意が必要である。

さらに、図５（ｃ）に示すように、内部に２種類のガス流通路（３０ａ，３０ｂ）を設けたピストン３３に、モールド３５を真空チャックし、離型時にはモールド３５の裏面から貫通孔ｈを介してガスを送り込むことで離型性が向上する。

このようにすると、モールドの着脱も瞬時に行うことができ、かつ、離型性も高いため、実用的である。

高アスペクト比のパターン形成においては、離型時に不良が生じやすいが、図５（ｂ）及び（ｃ）によると、ガスの圧力を補助的に利用して離型性を高めることで、アスペクト比の高いパターン形成においても精度よく成形することができる。

（第３の実施形態）−成形材の固定方法−
第１の実施形態で示したように、成形材は真空チャックで固定してもよいが、成形材の端部を着実に固定するために、試料設置用フレームを下部プレート上に設置し、そのフレームと下部プレートの間に試料（成形材）を固定してもよい。

図６（ａ）は、試料設置用のフレーム４０の平面図を、図６（ｂ）は、試料設置用のフレーム４０の正面図をそれぞれ示している。また、図６（ｃ）は、このフレーム４０を用いて下部プレート１３に試料を取り付けた状態を示す図である。

この試料設置用のフレーム４０に試料（成形材Ｓ）を取り付け、矩形状の四隅をネジ又はボルト等で下部プレート１３に締め付けて固定する。このようにすると、成形材Ｓが確実に固定され、成形性及び離型性が向上する。

なお、第２及び第３の実施形態は第１の実施形態と独立して、或いは第１の実施形態に加えて追加的に実施することが可能である。特に、アスペクト比の高いパターンを成形する際には、第１の実施形態に第２及び第３の実施形態を適用することが効果的である。

本発明に係る成形装置は成形動作時に生じるピストンの位置ずれを抑制し、高精度で精密な成形及び離型を行うことができる。また、装置構成が比較的単純であり、安価に構成しうることから、産業上の利用可能性は大きい。

符号の説明

１１ ピストン
１２ シリンダ
１３ 下部プレート
１４ モールド
１５、１６ 真空排気口
２０ 孔
２１ ボールプランジャ
２２ ローラー
２３ バネ
３０ ガス流通路
３１、３２、３３ ピストン
３４、３５ モールド
４０ フレーム
Ｓ 成形材
ｈ 貫通孔
Ｔ テーパー

図１は、本発明に係る成形装置の一例を示す概略構成図であり、図１（ａ）は装置全体の構成の概略を示し、（ｂ）は、（ａ）におけるＡ−Ａ線矢視図を示している。 図２は、本発明に係る成形装置の一例を示す概略構成図であり、（ａ）は、成形時の動作を説明するための説明図、（ｂ）は、離型時の動作を説明するための説明図である。 図３（ａ）は、ボールプランジャ２１がピストンを特定の水平方向（矢印Ｐの方向）に押圧している様子を示す原理図である。図３（ｂ）は、ローラー２２とバネ２３を用いて水平方向へ付勢した例を示している。 図４（ａ）乃至（ｆ）は、第１の実施形態のその他の変形例を示す図である。 図５（ａ）は、モールド１４を、真空チャックにより固定した様子を示す断面図であり、いわゆる真空チャックの基本原理を説明するための図である。（ｂ）及び（ｃ）は、第２の実施形態における離型性を高めたモールドの原理を説明するための図である。 図６（ａ）は、試料設置用フレーム４０の平面図を、図６（ｂ）は、試料設置用フレーム４０の正面図をそれぞれ示している。また、図６（ｃ）は、このフレーム４０を用いて下部プレート１３に試料を取り付けた状態を示す図である。

Claims (4)

1. 下端にモールドが取り付けられ垂直方向に移動するピストンと、前記ピストンを内包するシリンダと、成形材を設置する下部プレートと、前記ピストンを特定の水平方向に押圧する摺動性押圧部材を備え、前記ピストンが特定の水平方向に付勢された状態で垂直方向に上下して前記成形材に前記モールドを押圧して成形する成形装置であって、
   前記ピストンの内部にガス流通路が設けられていると共に、前記モールドの裏面に前記ガス流通路と連通する貫通孔が設けられていることを特徴とする成形装置。
2. 下端にモールドが取り付けられ垂直方向に移動する角柱状又は角柱状の一部が面取りされた形状で構成されたピストンと、前記ピストンを内包するシリンダと、成形材を設置する下部プレートと、前記ピストンを特定の水平方向に押圧する摺動性押圧部材を備え、前記ピストンが特定の水平方向に付勢された状態で垂直方向に上下して前記成形材に前記モールドを押圧して成形する成形装置であって、
   前記特定の水平方向は、前記ピストンにおける隣り合う少なくとも２つの側面を前記シリンダにおける隣り合う少なくとも２つの内側面に対して押圧する方向であることを特徴とする成形装置。
3. 前記シリンダに真空排気口が設けられ、該シリンダと前記下部プレートで囲まれた成形材設置部の周囲が局所的に真空排気されるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の成形装置。
4. 前記成形材を下部プレートに固定するための真空チャック及び／又は試料設置用フレームを備えていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の成形装置。

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