JP5259522B2

JP5259522B2 - 熱転写装置

Info

Publication number: JP5259522B2
Application number: JP2009181752A
Authority: JP
Inventors: 大輔島尾
Original assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Current assignee: Hitachi Industrial Equipment Systems Co Ltd
Priority date: 2009-08-04
Filing date: 2009-08-04
Publication date: 2013-08-07
Anticipated expiration: 2029-08-04
Also published as: JP2011031547A

Description

本発明は、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（転写部：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、もって、当該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の転写装置に関し、特に、かかる装置に適用するに好適な、即ち、装置の加圧部又は／及び受圧部を急速でかつ均一に加熱・冷却可能な加熱・冷却機構に関する。

高い平坦度で微細な構造を転写することが可能な精密プレス装置として、現在、上述した微細構造の熱転写を行う熱式ナノインプリント装置が既に知られており、また、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。かか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。そして、これらのナノインプリント装置では、その転写部において、様々な機能が備わっており、特に、その最たる機能としては、加熱・冷却機能が挙げられる。

即ち、ナノインプリント装置においては、かかる加熱・冷却機能は、その転写部にはサブミクロン台の面精度（平坦度）が要求されることから、一般的には、転写部又は受圧部と一体となるよう製作されている。

また、ナノインプリント装置においては、その機能として、転写元である微細構造転写モールドの微細構造を基板表面に熱転写を行う装置であるため、高精度、且つ、均一な温度制御が必須であり、また、そのタクトを短縮するためも、急速な加熱・冷却能力も要求されている。

そして、ナノインプリント装置では、一般に、例えば、以下の特許文献１にも知られるように、その加熱手段として蒸気などを利用すると共に、その冷却手段としては、主に、転写部又は受圧部に一体に形成された冷却経路に冷却媒体（例えば、水、ガス、油など）を流す機構が用いられる。又は、これに替えて、前記転写部自体を冷却槽に入れてしまうことも行われている。そのため、転写部又は受圧部には、特に、均一な冷却を実現するためには、その内部に冷却路を蛇行、又は、とぐろ状等に加工する必要があり、さらに、急速な冷却を実現するため、冷却路自体を複数組み設けることが行われている。

また、上述したナノインプリント装置とは異なるが、例えば、プリント基板を含む電子部品の冷却、鋳造用金型の冷却、或いは、互いに並列接続された冷却機器の構造は、以下の特許文献２〜５により既に知られている。

特開２００７−８３４０２号公報特開平８−１７２２８５号公報特開２００３−１３６１８９号公報特開２０００−２７４９１１号公報特開２００７−８３４０２号公報

ところで、上述したナノインプリント装置に代表される熱転写装置においては、実際の使用の際には、装置を湿気やダストから保護する（即ち、除去する）ため、転写部を真空チャンバ内に配置する場合もるが、しかしながら、上述したように、転写部又は受圧部へ配管を設けることは、特に、前記転写部又は受圧部の、更には、装置全体の大型化を招くとともに、当該転写部や受圧部の加工の複雑化が懸念される。さらに、前記冷却路を複数組み設置する場合には、それらを制御するために、複数の電磁弁が必要となる。

一方、上述したように、均一、且つ、急速に冷却するための従来技術としては、冷却路を蛇行、又はとぐろ状等に加工する技術がある。しかしながら、ナノインプリント装置のような熱転写装置では、冷却と共に、加熱機構も含む機構とする必要があるため、転写部又は受圧部が大型化し、また、加熱冷却機構（手段）が混在することから、複雑な加工を要するものが多く、更には、真空チャンバ内に配置される場合には、当該真空チャンバ内において複数の路配管を行う必要があり、作業性が悪くなるという問題点があった。即ち、上記の従来技術では、上述した作業性における問題と共に、設計性、加工性、小形化、且つ安価に製造することが困難であった。

そこで、本発明は、上述した従来技術における問題点に鑑みて達成されたものであり、均一、且つ、その転写部や受圧部を急速に加熱・冷却することが可能であると共に、装置の転写部や受圧部の取り付け作業性やその加工性が容易となる熱転写装置を提供することをその目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明によれば、まず、微細構造の熱転写を行う熱転写装置であって、加圧部と、受圧部と、当該加圧部と受圧部との間に配置された加熱冷却能力を備えた転写部とを備えており、前記転写部は、断熱層を形成する断熱部材の表面に加熱冷却部材を搭載して構成されており、前記加熱冷却部材には、加熱媒体を内部に挿入するための穴が加工されると共に、前記転写部を冷却のための冷却媒体を内部に通流するための複数の穴が並列に加工され、前記断熱部材の一部にも、前記加熱冷却部材に形成された穴に連通して上下に貫通穴が加工され、そして、前記加圧部又は受圧部には、前記断熱部材を介して、前記加熱冷却部材に形成された穴に連通する複数の穴が加工されており、もって、前記加工された穴が、一系統の配管から複数本に分岐し、並列、且つ、交互に冷却媒体が流入／出される流路を構成しており、かつ、前記転写部と前記加圧部又は受圧部との連結部には、Ｏリングから成るシール材を設けた熱転写装置が提供される。

また、本発明によれば、上述した熱転写装置において、前記加圧部又は前記受圧部には、少なくとも冷却媒体の流入及び流出のための一対穴が設けられていることが好ましく、更には、前記冷却媒体として、水、ガス、エア、油のうち何れか使用することが好ましい。そして、前記複数の穴の深さ、逃げ穴の段数を増加させることにより、更に多数本の冷却路を構成することも可能である。

上述した本発明になる熱転写装置によれば、特に、その冷却構造において、簡素な機構であるにも関わらず、均一、且つ急速な冷却が可能であり、加えて、転写部の小形化及び加工性、更には、作業性を容易とし、冷却能力の向上を図り、装置のコストダウンが図れるという実用的にも優れた利点を備えた熱転写装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施の形態になる熱転写装置である、所謂、熱式ナノインプリント装置の概略構造を示す斜視図である。上記熱式ナノインプリント装置の詳細構造を示すための断面図である。本発明の他の実施の形態である他の熱式ナノインプリント装置の概要を示すための断面図である。上記熱転写装置である熱式ナノインプリント装置の特徴である転写部の詳細な内部構造を示すための、一部断面を含む斜視図である。上記図４に示した転写部における冷却媒体の流路を示すための図である。更に、上記転写部での冷却媒体流れ模式図である。

以下、本発明の一実施の形態について、添付の図面を参照しながら、詳細に説明する。
まず、添付の図１には、本発明が関わる熱転写装置である、所謂、熱式ナノインプリント装置の構造が示されている。即ち、この熱式ナノインプリント装置は、加圧部１、受圧部２、駆動部１７、転写部１０ａ、１０ｂ、そして、真空チャンバ１８（実際は、一対のチャンバからなるが、この図では一方しか示されていない）などから構成されている。さらに、転写部１０は、以下にも述べるように、加熱冷却機構１１、断熱層１２から構成されており、特に、当該加熱冷却機構１１においては、加熱媒体１９、及び、冷却媒体２０を通すための複数の冷却路９の加工が施されている。また、加圧部１は、ここでは図示しないが、上記加圧部１を上下に摺動するための駆動部、更には、ガイド保持器２１ａ〜２１ｄ、及び、受圧部２と連結されるガイド２２ａ〜２２ｄ（但し、２２ｄは示されない）などからなる。また、図中の符号３は、以下にも述べるが、冷却路の縦穴であり、深い穴を示している。

そして、上記にその構成を説明した熱転写装置においては、微細構造の熱転写を行うために、加圧部１と受圧部２との間に、転写部１０を介して、転写が行われる部材（転写部材）を挿入した後、当該転写部１０を転写部材に押し付けると共に、加熱、及び、加圧を行う。このように、熱転写装置では、加熱、及び、加圧が必要であり、そのため、加圧部１、及び、受圧部２はナノレベルの均一加圧を行うため、撓みを抑える必要があり、かつ、ある程度の厚みを持たせねばならない。一例として、転写面をφ３００ｍｍ、圧力２ＭＰａとした場合においては約１４．４ｔｏｎもの加圧が掛かり、加圧部１、受圧部２の寸法にもよるが、両端固定支持の場合、撓みを０．１ｍまで抑えるには板厚３８ｍｍ以上必要である。また、転写部１０において均圧となる機構が施されたものもあるが、しかしながら、当該転写部１０が大型化してしまい、ここでは図示しない。

なお、上記熱転写装置の側面図が添付の図２に示されており、これらの図において、同じ符号に対してａ、ｂ、ｃ、ｄなどの添え字を追加して表示しているが、場合によっては、この添え字を省略して示すこともある。また、この熱転写装置は、上記の図１や図２に示す構成に代え、例えば、添付の図３に示す様に、転写部１０ａ、１０ｂと共に、加圧部１と受圧部２をも真空チャンバ１８内に収納した形態をとることもあり、本発明では、熱転写装置は、これらの何れかの構造であればよい。

次に、添付の図４は、上述した本発明になる熱転写装置、即ち、熱式ナノインプリント装置を構成する冷却機構の一実施例の概要を示す斜視図であり、添付の図５は、本発明になる熱転写装置の冷却機構における冷却媒体の流れを示す図である。

これらの図からも明らかなように、本発明になる熱転写装置である熱式ナノインプリント装置の、特に、その転写部における冷却機構では、加圧部１及び受圧部２（この図では、その一方のみを示す）に対して、並列、且つ、交互に分布された複数本の冷却路を設けたことを特徴する構造となっている。即ち、簡素な複数配管構造を別途設けている。

このように、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、本発明では、その転写部は加熱冷却能力を備えており、即ち、図４にも示すように、各転写部１０ａ又は１０ｂは、上記加圧部１又は受圧部２の上面には、ほぼ同じ寸法の断熱層である断熱部材１２を介して、加熱冷却部材１１が設けられている。そして、この加熱冷却部材１１には、当該加熱冷却部材を加熱するための加熱媒体である、例えば、シースヒータ１９が貫通穴内に挿入されると共に、当該加熱冷却部材１１には、その内部に冷却媒体を通流して冷却を行うための冷却路（穴）９が多数形成されている。なお、これらの冷却路（穴）９の端部の太線部には、図示しないが、所謂、栓が挿入されて閉止されている。そして、図からも明らかなように、各冷却路（穴）９の両端部には、更には、その下部の断熱部材１２を介して加圧部１又は受圧部２にまで通じる、穴の深さの異なる縦方向の穴３ａ、３ｂと４ａ、４ｂが形成されている。そして、加圧部１又は受圧部２を構成する金属板には、上記の縦方向の穴と共に、横方向の貫通穴５ａ、５ｂと６ａ、６ｂ、更には、上記の貫通穴５ａ、５ｂを避けるための穴７ａ、７ｂなどが多数形成されており、そして、これら段違いの穴が、並列、且つ、交互となる構造となっている。

なお、ここでは、説明の簡単のため、以下には、これらの冷却路が二段である場合の構造について説明を行うが、しかしながら、更に、多段の深さの異なる縦穴加工、及び、貫通穴を避けるための穴加工を施すことによれば、段違いの冷却路を増やすことが可能である。横方向の貫通穴５、及び６には、さらに、冷却媒体２０の流入又は流出（以下、「流入／出」と記す）のための穴８ａ、８ｂが施されている。なお、この図５において、図にも示すが、図中の「○：４」は、縦方向の穴であり、冷媒が上方から下方に向かって流れる穴を、その内部に斜線を施した「○：３」は、やはり縦方向の穴であり、但し、冷媒が下方から上方に向かって流れる穴を、それぞれ示している。また、図中の「●：１４」は、栓が挿入されていることを、そして、「△：１６」は、流路が閉止されていることを、それぞれ示している。

そして、上述した各種の穴により形成される冷却媒体の流路によれば、添付の図５に矢印で示すように、加圧部１及び受圧部２の側面に形成した流入穴８ａから導入された冷却媒体は、一系統の配管から複数本に分岐し、そして、加熱冷却部材１１内を、並列、且つ、交互に流れ、その後、流出穴８ｂから放出されることとなる。ここで、一例として、この流入８ａより冷却媒体２０を流し入れた場合を想定すると、以下の図６にも示すように、同じ温度の冷却媒体２０が複数の穴より同時に入り、平行、且つ、交互に流入する。このような構造においては、前記冷却路は複数に分割されているため、冷却路が短距離となり、もって、冷却媒体２０の流入時と流出時の温度差が低減されることとなる。更に、冷却媒体２０は、平行、且つ、交互に流入するため、均一、且つ、急速な冷却が可能となる。

また、上述した冷却媒体の流路の構造では、前記転写部１０、特に、その加熱冷却部材１１内には、冷却のための穴加工が施されているが、しかしながら、当該転写部から外部への直接的な配管作業を不要とし（即ち、転写部１０の下の加圧部１又は受圧部２を介して流入／出穴８ａ、８ｂが設けられている）、そして、代わりに、前記加圧部１又は受圧部２に深さ、及び／又は、径の異なる冷却を目的とした穴が加工されており、前記穴加工の構造により、均一、且つ、その転写部や受圧部を急速に加熱・冷却することが可能であると共に、装置の転写部や受圧部の取り付け作業性やその加工性が容易となる熱転写装置を提供することを可能とする。

なお、上述した構造において、前記転写部（より具体的には、加熱冷却部材１１と断熱部材１２を含む）と加圧部１又は受圧部との連結部には、例えば、Ｏリング等のシール材を使用して冷却媒体を流路内に密封することが好ましい。

ここでは、一実施の形態として、上述した図１の構成が挙げられるが、しかしながら、前記に記載した夫々の穴加工は、加熱冷却機構１１の寸法内に収まる範囲であれば、穴加工の数を多く、かつ、細かくすることによれば、さらに、その均一性や急速冷却が可能となる。

また、上記の構成に代え、加圧部１及び受圧部２の中央部に、前記に記載した冷却路の穴加工を施すことによれば、その中央から両サイドへの冷却媒体２０の流入／出が可能である。なお、その場合、冷却媒体２０の流速、温度、加熱冷却機構１１の構造にもよるが、小型（２００ｍｍ程度）のものであれば、中央部から両サイドからの流入／出のみで、均一、且つ、急速な冷却が可能である。なお、中型のものであれば、当該中央部に熱が篭り易いため、中央部から両サイドへの流出を行う冷却路を追加することが効果的である。さらに、大型のものでは、上記の中央部以外にも、縦方向の穴を複数個設けることによれば、同様の効果を得ることができる。

また、前記加圧部１及び受圧部２への継手の取り付けは、冷却媒体２０の流入／出のための穴８のみに行えばよいことから、配管の省スペース化が図れると共に、作業性、組立性の向上が図れるほか、更には、冷却媒体２０に使用する電磁弁の数、及び、その配管作業を低減することが可能となる。

また、前記冷却路の機構を持つ加圧部１及び受圧部２においては、冷却媒体２０が漏れないよう、穴加工端部に止め栓１４を取り付ける。また、冷却とは関係の無い穴部（余長部１５）には、その内部に冷却媒体２０が流入するのを塞ぐため、冷却路止め栓１６を取り付け、もって、冷却効率低下を防ぐ構造とすることが望ましい。

なお、上述した冷却媒体２０としては、例えば、エア、ガス、水、アルコール、油等が使用可能であり、そのため、常用水を使用することも可能ではあるが、クリーンルーム内での使用を考慮すると、冷却機器（例：チラー）を使用し、純水、又は、純水とアルコールを混合した液体を使用することが望ましい。

１加圧部
２受圧部
３冷却路縦穴１（深い）
４冷却路縦穴２（浅い）
５冷却路横穴１（１０用）
６冷却路横穴２（１１用）
７冷却路逃げ穴（１３用）
８冷却媒体流入出穴
９冷却路（加熱冷却機構部）
１０転写部
１１加熱冷却機構
１２断熱層
１３Ｏリング
１４端部止め栓
１５余長部
１６冷却路止め栓
１７駆動部
１８真空チャンバ
１９加熱媒体
２０冷却媒体
２１ガイド保持機
２２ガイド。

Claims

微細構造の熱転写を行う熱転写装置であって、加圧部と、受圧部と、当該加圧部と受圧部との間に配置された加熱冷却能力を備えた転写部とを備えており、
前記転写部は、断熱層を形成する断熱部材の表面に加熱冷却部材を搭載して構成されており、
前記加熱冷却部材には、加熱媒体を内部に挿入するための穴が加工されると共に、前記転写部を冷却のための冷却媒体を内部に通流するための複数の穴が並列に加工され、
前記断熱部材の一部にも、前記加熱冷却部材に形成された穴に連通して上下に貫通穴が加工され、そして、
前記加圧部又は受圧部には、前記断熱部材を介して、前記加熱冷却部材に形成された穴に連通する複数の穴が加工されており、もって、前記加工された穴が、一系統の配管から複数本に分岐し、並列、且つ、交互に冷却媒体が流入／出される流路を構成しており、かつ、前記転写部と前記加圧部又は受圧部との連結部には、Ｏリングから成るシール材を設けたことを特徴とする熱転写装置。
前記請求項１に記載の熱転写装置において、前記加圧部又は前記受圧部には、少なくとも冷却媒体の流入及び流出のための一対穴が設けられていることを特徴とする熱転写装置。
前記請求項２に記載の熱転写装置において、前記冷却媒体として、水、ガス、エア、油のうち何れか使用したことを特徴とする熱転写装置。
前記請求項３に記載した熱転写装置において、前記複数の穴の深さ、逃げ穴の段数を増加させることにより、更に多数本の冷却路を構成したことを特徴とする熱転写装置。