JPWO2006011576A1 - 傾き調整装置および傾き調整機能付きパターン形成装置 - Google Patents
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Abstract
所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、前記型に対して傾きが固定された凸球面を有する凸球面座と、前記凸球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凸球面と当接する凹球面を有する凹球面座と、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位手段と、を具備することを特徴とする傾き調整装置。
Description
この発明は、例えば、加工対象物と型の傾き調整装置およびこれを用いたパターン形成装置に関するものである。
従来、LSI(大規模集積回路)に代表される微細回路パターンを半導体基板(以下、単に基板と称する)上に形成するには、フォトリソグラフィーと呼ばれる技術が一般に用いられている。この方法は、ステッパと称される露光装置を用い、レチクル(マスク)上に描かれた回路パターンを、縮小光学系を通して基板上のレジスト表面に投影露光し、その露光を基板全域にわたって繰り返すことで、基板上に所定の微細回路パターンを形成するものである。
この方法により形成される基板の集積度を高めるには、回路パターンの線幅を狭めていく必要があり、現在主流の線幅130nmから、今後100nm以下の線幅に移行することが予想されている。
これに対応するには、投影露光に使用する光源の波長を短くする必要があり、現状でも、各露光装置メーカでは紫外(UV)光、遠紫外(DUV)光、極紫外光(EUV)光等、短波長の光を光源とした露光装置の開発を進めている。
しかし、紫外レーザ光源等の短波長の光を光源として用いると、露光装置の投影光学系を構成するレンズやミラー、光源等に、わずかな温度変化や外部振動によって歪みや光源ノイズが生じる。このため、露光装置には、精度の高い温度管理や除振構造が要求され、その結果、この様な一連の機器によって構成される縮小投影式の露光装置は、装置価格が非常に高価となる(例えば数十億円)傾向にある。また、露光装置自体も大掛かりなものとなるため、設置スペースや消費電力が増大する傾向にある。
この様な装置の大型化やプロセスコストの高騰に鑑み、超微細なパターンを基板上に形成する別の手法として、ナノインプリンティングプロセス技術が開発されている(例えば、G. M. Whitesides, J. C. Love、「ナノ構造を作る新技術」、"日経サイエンス"、日本経済新聞社、平成13年(2001年)12月1日、31巻、12号、p.30−41参照。)。
このプロセスは、形成したいパターンが表面に作り込まれた金型を用いて、基板等の加工対象物上に設けられたレジスト材のガラス転移点を超える温度に基板を熱し、その状態で金型を加工対象物面に押し付けて型のパターンを転写する方法である。この方法では、高価なレーザ光源や光学系を必要とせず、加熱用ヒータとプレス装置とを基本とした簡易な構成であるにもかかわらず、金型に作り込まれたパターンをそのまま精度よく転写することが可能となっており、すでにこの方法によって約20nmの線幅を持つ細線が形成された報告がある(例えば、C. M. Sotomayor, et. al.、"Nanoimprint lithography: an alternative nanofabrication approach"、「Materials Science & Engineering C」、Elsevier Science、平成14年(2002年)、989巻、p.1−9参照。)。
更には、このようなナノインプリンティングプロセス技術を用いることで、回折格子、フォトニック結晶、導波路、等の光デバイス、マクロチャネル、リアクター等の流体デバイスのような、各種のマイクロチップ、マイクロデバイスの製作も可能な状況が実現しつつある。
このようなナノインプリンティングプロセス技術による100μm以下の微細加工においては、金型と加工対象物との傾き調整は非常に重要である。なぜなら、金型が加工対象物に対して傾いていると、均一な力で金型を加工対象物に押し付けても、傾きによって金型が片当たりし、加工対象物の表面に金型の形状を正確に転写することができないからである。光学素子や流体素子などのように、素子の深さ方向の加工精度が素子の性能を左右する場合、この傾きによる成形精度の低下は致命的である。
従来、この傾きの補正をするために、シムを用いて手動で金型を加工対象物に対して平行にする方法がある。また、ピエゾ素子を用いて金型を加工対象物に対して平行にする方法もある。また、金型保持手段に多自由度リンク機構を設けて、押し付け時に自動的に金型を加工対象物に対して平行にする方法もある。更に、金型自体を自由に変形する薄板で構成し、それを静水圧で押し付け、加工対象物の形状に沿って均一な押圧力を発生させるものもある。
しかしながら、シムを用いる方法では、様々な厚みのシムを用意する必要がある他、現在の調整状態をひと目で把握することができないという問題があった。
また、ピエゾ素子を用いる方法では、力が素子に直接加わるので、素子が壊れやすく耐久性が低いという問題があった。
また、金型保持手段に多自由度リンク機構を設ける方法では、金型が基板から受ける力によって平行状態に保持するため、パターンが均一でない場合には、基板から受ける力が不均一になって金型と基板が平行にならず、結果として成形精度の低下を生じるという問題があった。
また、金型自体を自由に変形する薄板で構成し、それを静水圧で押し付ける方法では、成形加工時に金型を成形基板に押し付けながら傾き調整を行うため、傾きを補正できる一定以上の押圧力が必要になり、その押圧力以下で成形する加工対象物には適用できないという問題があった。
更に、従来の方法では、調整機構が押圧手段から力を受ける部分にあり、大きな力がかかると調整機構が変形したり破壊したりするため、精度や強度の点で問題があった。
そこで本発明は、従来のものよりも精度が高く、強度の高い、傾き調整装置およびこれを用いたパターン形成装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の第1の傾き調整装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、前記型に対して傾きが固定された凸球面を有する凸球面座と、前記凸球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凸球面と当接する凹球面を有する凹球面座と、を具備することを特徴とする。また、本発明の第1の傾き調整装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、前記型に対して傾きが固定された凹球面を有する凹球面座と、前記凹球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凹球面と当接する凸球面を有する凸球面座と、を具備するようにしても良い。
この場合、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位手段を具備する方が好ましい。また、前記変位手段は、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具と、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなる方が好ましい。また、前記凸球面および凹球面は、その球の中心が前記パターン面の中心と一致するように形成される方が好ましい。また、前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより硬度の高い表面処理層か、または、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されている方が好ましい。また、前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記変位手段を制御し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を具備する方が好ましい。また、前記凸球面の法線方向に前記凸球面座と前記凹球面座とを固着する固定手段を具備する方が好ましい。
本発明の第1のパターン形成装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、前記型に対して傾きが固定された凸球面を有する凸球面座と、前記凸球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凸球面と当接する凹球面を有する凹球面座と、前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、を具備することを特徴とするものである。また、本発明の第1ののパターン形成装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、前記型に対して傾きが固定された凹球面を有する凹球面座と、前記凹球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凹球面と当接する凸球面を有する凸球面座と、前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、を具備するようにしても良い。
この場合、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位手段を具備する方が好ましい。また、前記変位手段は、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具と、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなる方が好ましい。また、前記凸球面および凹球面は、その球の中心が前記パターン面の中心と一致するように形成される方が好ましい。前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されているか、または、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されている方が好ましい。また、前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記変位手段を制御し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を具備する方が好ましい。また、前記凸球面の法線方向に前記凸球面座と前記凹球面座とを固着する固定手段を具備する方が好ましい。
本発明の第2の傾き調整装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型に対して傾きが固定された断面が凸円弧状の第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、断面が前記第1凸円弧面と同径の凹円弧状であると共に、前記第1凸円弧面と当接する第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、前記第1凹円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ前記第1凹円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凸円弧面を有する第2凸円弧面座と、前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凸円弧面と同径かつ凹円弧状の第2凹円弧面を有し、前記第2凸円弧面と当接する第2凹円弧面座と、を具備することを特徴とする。また、本発明の第2の傾き調整装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型に対して傾きが固定された断面が凹円弧状の第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、断面が前記第1凹円弧面と同径の凸円弧状であると共に、前記第1凹円弧面と当接する第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、前記第1凸円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ前記第1凸円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凹円弧面を有する第2凹円弧面座と、前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凹円弧面と同径かつ凸円弧状の第2凸円弧面を有し、前記第2凹円弧面と当接する第2凸円弧面座と、を具備するようにしても良い。
この場合、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1変位手段と、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第2変位手段とを具備する方が好ましい。また、前記第1変位手段は、互いに対向する方向に前記第1凸円弧面座又は前記第1凹円弧面座を押圧し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具からなり、前記第2変位手段は、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記第2凸円弧面座又は前記第2凹円弧面座を押圧し、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなる方が好ましい。また、前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されているか、または、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されている方が好ましい。また、前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記第1の変位手段および前記第2の変位手段を制御し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる変位量および前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を具備する方が好ましい。また、前記第1凸円弧面の法線方向に前記第1凸円弧面座と前記第1凹円弧面座とを固着する第1の固定手段と、前記第2凸円弧面の法線方向に前記第2凸円弧面座と前記第2凹円弧面座とを固着する第2の固定手段と、を具備する方が好ましい。
本発明の第2のパターン形成装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、前記型に対して傾きが固定された断面が凸円弧状の第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、断面が前記第1凸円弧面と同径の凹円弧状であると共に、前記第1凸円弧面と当接する第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、前記第1凹円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ前記第1凹円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凸円弧面を有する第2凸円弧面座と、前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凸円弧面と同径かつ凹円弧状の第2凹円弧面を有し、前記第2凸円弧面と当接する第2凹円弧面座と、前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、を具備することを特徴とする。また、本発明の第2のパターン形成装置は、所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、前記型に対して傾きが固定された断面が凹円弧状の第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、断面が前記第1凹円弧面と同径の凸円弧状であると共に、前記第1凹円弧面と当接する第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、前記第1凸円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凹円弧状でかつ前記第1凸円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凹円弧面を有する第2凹円弧面座と、前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凹円弧面と同径かつ凸円弧状の第2凸円弧面を有し、前記第2凹円弧面と当接する第2凸円弧面座と、前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、を具備するようにしても良い。
この場合、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1変位手段と、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第2変位手段とを具備する方が好ましい。また、前記第1変位手段は、互いに対向する方向に前記第1凸円弧面座又は前記第1凹円弧面座を押圧し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具からなり、前記第2変位手段は、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記第2凸円弧面座又は前記第2凹円弧面座を押圧し、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなる方が好ましい。また、前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されているか、または、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されている方が好ましい。また、前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記第1の変位手段および前記第2の変位手段を制御し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる変位量および前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を具備する方が好ましい。また、前記第1凸円弧面の法線方向に前記第1凸円弧面座と前記第1凹円弧面座とを固着する第1の固定手段と、前記第2凸円弧面の法線方向に前記第2凸円弧面座と前記第2凹円弧面座とを固着する第2の固定手段と、を具備する方が好ましい。
以下に、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。
本発明のパターン形成装置10は、装置本体15と、加工対象物200に転写するための所定のパターンが形成されている型100と、加工対象物200を保持するための対象物保持手段20と、型100を保持するための型保持手段40と、型100を加工対象物200に押圧するための押圧手段50と、型100に対して傾きが固定された凸球面46を有する凸球面座47と、凸球面46と同径で加工対象物200に対して傾きが固定されると共に、凸球面46と当接する凹球面55を有する凹球面座57と、凸球面46と凹球面55とを相対的に変位させる変位手段60と、で主に構成される。また、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、傾き検知手段が検知した傾きに基づいて変位手段60の変位を制御する制御手段と、を更に加えて傾きの調整を自動で行うように構成する場合もある。なお、凸球面座47と、凹球面座57と、変位手段60と、で傾き調整装置を構成する。
装置本体15は、図1、図2に示すように、上面側に対象物保持手段20を支持する板状の基台16と、基台16の上面両端部に平行に固定される側壁17と、この側壁17と直行する方向であって、側壁17の上面両端部に平行に固定されると共に、型保持手段40を支持する上部ベース18とで構成される。また、装置本体15は、熱伝導性が低く、外力や周囲の温度等により変形し難い剛性の高い材料、例えばグラナイト等の石により形成されている。これにより、周囲の環境の変化によって対象物保持手段20と型保持手段40との位置関係の誤差の発生を可及的に防止することができる。
また、装置本体15は、基台16の下部に形成される免震機構16aを介して地面等に設置される。これにより、人が歩く振動や他の装置によって生じる振動等、周辺環境から生じる微小な振動の装置本体15への伝達を防止することができる。
加工対象物200としては、種々のものを用いることができ、例えばポリカーボネート、ポリイミド等の樹脂の他、アルミニウム等の金属、ガラス、石英ガラス、シリコン、ガリウム砒素、サファイア、酸化マグネシウム等の材料など、成形素材がそのまま基板形状をなしているものを用いることができる。また、シリコンやガラス等からなる基板本体の表面に、樹脂、フォトレジスト、配線パターンを形成するためのアルミニウム、金、銀などの金属薄膜の被覆層等が形成されたものを用いることもできる。更に、加工対象物200は、基板以外の形状、例えばフィルム等であっても勿論良い。
型100は、図4に示すように、その下面に、所定のパターンを形成するための凹凸101が形成されたパターン面100aを有している。この凹凸101は、型100をニッケル等の金属やセラミックス、ガラス状カーボン等の炭素素材などで形成し、そのパターン面100aに精密機械加工を施すことで形成することができる。また、型100の原盤となるシリコン基板等にエッチング等の半導体微細加工技術によって所定のパターンを形成した後、このシリコン基板等の表面にニッケルメッキ法(電気鋳造(エレクトロフォーミング)法)等によって金属メッキを施し、この金属メッキ層を剥離して、凹凸101を有した型100を形成することもできる。もちろん型100は、微細パターンが形成できるものであれば材質やその製造法が特に限定されるものではない。この凹凸101の幅は、用いられる加工対象物200の種類にもよるが、100μm以下、好ましくは10μm以下、更に好ましくは100nm以下、更に好ましくは10nm以下に形成される。なお、この型100は、後述する型保持手段40のヒータ42および冷却ブロック43によって加熱・冷却されるため、なるべく薄型化してその熱容量をできる限り小さくするのが好ましい。
対象物保持手段20は、図3に示すように、加工対象物200を略水平状態で保持するものであり、上面に保持面21aを有した保持ステージ21を備えている。
この保持ステージ21には、保持面21aに多数のバキューム孔(図示無し)が形成されており、このバキューム孔に図示しない負圧源から負圧を作用させることで、保持面21a上に、加工対象物200を吸着保持できる構成となっている。
また、図3に示すように、保持ステージ21の下部には保持した加工対象物200を加熱するための対象物加熱手段、例えばヒータ22を備えている。このヒータ22は、図示しないコントローラにより、保持ステージ21上の加工対象物200を所定の一定温度に維持するよう、その作動が制御される。このヒータ22としては、例えば、伝熱ヒータや、後に詳述するセラミックヒータを好適に用いることができる。
また、対象物保持手段20は、ヒータ22の下部に断熱材23(断熱手段)を介して冷却手段24を有しており、ヒータ22で発生した熱が後述するθステージ25側に伝わるのを抑制することができる。したがって、移動機構30や装置本体15が熱により変形して、型100のパターンと基板との間に誤差が生じるのを防止することができる。断熱材23としては、熱伝導を妨げるものであればどのような材料でもよく、金属やセラミック等を用いることができるが、好ましくは熱伝導率が0.3W/m・k以下、更に好ましくは0.25W/m・k以下の材料を用いるのが好ましい。冷却手段24としては、例えば、アルミニウムや銅などの熱伝導性の高い金属の内部に流路を形成し、この流路内に冷却水等の冷媒を流すように構成したものを用いることができる。この冷却手段24は、例えば図示しないコントローラに接続され、θステージ25側の温度を検出する温度検出手段の検出信号に基づいて、θステージ25側の温度が急激に上がるのを抑えるように制御する構成とすることもできる。なお、熱がθステージ25側に伝わるのを防止することができるものであれば、ペルチェ素子等の他の手段を用いることも勿論可能である。
更に、対象物保持手段20は、対象物保持手段20を加工対象物200上面に平行な面内で所定の方向(以下、Y方向と称する)に直線移動可能なY方向移動手段32と、加工対象物200上面に平行な面内で回転可能な回転手段33と、によって2方向に変位可能に形成されている。
Y方向移動手段32は、例えば、対象物保持手段20および後述するθステージ33aを保持するYステージ32aと、基台16に固定されると共にYステージ32aにY方向の駆動力を与えるリニアモータLM2と、基台16に固定されると共にYステージ32aをY方向に移動可能に支持するリニアガイドLG2とで構成されている。また、Yステージ32a、リニアモータLM2、リニアガイドLG2は、剛性の高い材料が用いられており、型100のパターンと加工対象物200との間に誤差が生じるのを防止することができる。
このようにY方向移動手段32を構成することにより、リニアモータLM2の駆動によって対象物保持手段20に保持される加工対象物200をY方向に任意の距離で正確に移動することができる。
なお、Y方向移動手段32の駆動には、リニアモータLM2を用いる場合について説明したが、加工対象物200をY方向に移動することができるものであれば、これに限られるものではなく、例えばYステージ32aを、基台16に固定されたボールネジに連結し、ボールネジに連結された回転式モータの駆動によって移動するものを用いてもよい。
回転手段33は、Yステージ32a上に設けられ、対象物保持手段20を保持するθステージ33aと、このθステージ33aを回転方向(以下θ方向と称する)に回転可能なモータ(図示無し)、例えばステッピングモータと、ステッピングモータの回転角度を検出し、後述する制御手段にその検出情報を伝達可能なエンコーダ(図示無し)とで構成されている。また、θステージ33aは、剛性の高い材料が用いられており、型100のパターンと加工対象物200との間に誤差が生じるのを防止することができる。
このように回転手段33を構成することにより、エンコーダによる検出情報に基づいて制御手段がモータMの駆動を制御し、対象物保持手段20に保持される加工対象物200を回転方向に任意の角度で正確に回転することができる。
型保持手段40は、図3に示すように、型100を保持するための型保持部41を一端に有すると共に、他端側に凸球面座47が固定されている。
凸球面座47は、型100に対して傾きが固定されると共に、型100のパターン面100aの中心を中心点とする凸球面46を有するものである。凸球面46は、図3に示すように、型保持手段40の側面から鍔状に張り出した凸球面座47の上面に形成すれば良い。この凸球面座47の材料としては、炭素鋼、金型鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、タングステン、モリブデンなどの種々の金属や合金を用いることができる。
また、凸球面座47には、図5に示すように、凸球面座47と凹球面座57とを固着する固定手段、例えばボルト59と、このボルトを通す貫通孔48が形成されている。この場合、ボルトによって、凸球面46の法線方向に凸球面座47と凹球面座57とを締結(固着)すると、凸球面46と凹球面55とのずれを防止できる点で好ましい。
なお、凸球面座47を型保持手段40の上端部に一体にして設けることも勿論可能である。
型保持部41は、図4に示すように、型100を保持する保持面41aに、複数の吸着用電極45が型100に対して面接触するように設けられており、この吸着用電極45に図示しない電源から電圧を印加することで静電力を発生する。そして、この吸着用電極45の静電力によって型100の上面を吸着保持することができる。ここで、吸着用電極45と型100の上面の平面度を高く形成することにより型100と吸着用電極45との密着度を高めることができるので、型100を型保持部41にねじやクランプ金具等で固定する構造に比較して、型保持部41から型100への熱伝導を効率よく行うことができる。なお、金具100の保持は、ネジやクランプ金具等の締結具で型保持部41に固定する構造、溶接等により型保持部41に接合する構造、真空吸着により型保持部41に吸着保持する構造、型保持部41に嵌着する構造を用いることも、もちろん可能である。
また、型保持手段40には、型100を加熱する型加熱手段、例えばヒータ42が内蔵されている。このヒータ42としては、例えば窒化アルミニウム等のセラミック素材で形成され、その内部にヒータ電極としての配線が埋め込まれた、いわゆるセラミックヒータが好適である。そして、ヒータ電極に図示しない電源から電流を流すと、型保持部41に保持された型100の温度が上昇し、電流を切ると温度が下降する。セラミックヒータは、例えば100℃/秒で温度が上昇する、非常に応答の速いヒータである。このようなヒータ電極に対する電源からの電流供給は、図示しないコントローラによって制御されるようになっている。
また、型保持手段40は、図3に示すように、ヒータ42の上方側に、冷却ブロック(型冷却手段)43を一体に備えることもできる。この冷却ブロック43は、アルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属で形成され、その内部に流路44が形成されている。そして、この流路44に、冷却水等の冷媒を流すことで、型100を冷却することができるようになっている。
また、型保持手段40は、図3に示すように、型保持部41の他端側に、圧電素子71と、圧電素子71の下面に取り付けられた超音波ホーン72とから構成される超音波振動部70を備えている。ここで、圧電素子71は図示しない駆動回路により交流電圧が加えられたときに、その交流電圧の周波数で、縦方向、つまり、Zステージ54と型保持部41を結ぶ方向(型100が加工対象物200から離間する方向)の振動を発生する。また、超音波ホーン72は、圧電素子71に接している上端72aが固定端、下端72bが自由端となっている。これにより、圧電素子71が振動すると、自由端となっている超音波ホーン72の下端72bにおいて振動が増幅され、超音波ホーン72の下端72bに取り付けられた型100において、その振幅が最大となるように構成されている。このように、超音波ホーン72は、固定端となっている上端72aに対し、自由端となっている下端72bの振動が大きい(最大振幅となる)ため、上端72aについては、ボルト等の適宜の機械的締結部材で固定することが可能であるが、下端72bは、機械的締結部材を用いるとこれが振動で折損してしまう可能性がある。このため、型保持部41は、超音波ホーン72の下端72bに対し、機械的締結部材を用いず、接着、低融点金属等を用いた融着(はんだ付け、ろう付け等を含む)、あるいは一般的な溶接等により固定されるようになっている。
ところで、型100を型保持部41に静電力で吸着させる構成とし、加工対象物200を保持ステージ21に静電力で吸着させる構成とすることも考えられる。しかし、そのような構成とすると、型100で加工対象物200を成形するときに、型保持部41が保持ステージ21に近接したときに型100と加工対象物200の間で電荷が移動してしまい、その後に型100を加工対象物200から離間させると、型100または加工対象物200の一方が他方に吸い付けられてしまう可能性があるため好ましくない。したがって、型100を型保持部41に静電力で吸着させる場合には、加工対象物200を静電力以外の方法で保持ステージ21に保持する方が好ましく、また、加工対象物200を保持ステージ21に静電力で吸着させる場合には、型100を静電力以外の方法で型保持部41に保持する方が好ましい。
更に、型保持手段40は、加工対象物200上面に平行な面内で型保持手段40をY方向と交差する方向(以下、X方向と称する)に相対的に直線移動可能なX方向移動手段31によって変位可能に形成されている。なお、X方向移動手段31とY方向移動手段とは、直交する方が好ましい。
X方向移動手段31は、例えば、2つの上部ベース18を囲む略方形筒状に形成され、型保持手段40を保持するXステージ31aと、各上部ベース18に平行に固定され、Xステージ31aにX方向の駆動力を与えるリニアモータLM1と、各上部ベース18に平行に固定され、Xステージ31aをX方向に移動可能に支持するリニアガイドLG1とで構成されている。また、Xステージ31aの下面には、型保持手段40を通すことができる穴が形成されている。これらXステージ31a、リニアモータLM1、リニアガイドLG1は、剛性の高い材料が用いられており、型100のパターンと加工対象物200との間に誤差が生じるのを防止することができる。
X方向移動手段31をこのように構成することにより、リニアモータLM1の駆動によって型保持部41に保持される型100をX方向に任意の距離で正確に移動することができる。
なお、X方向移動手段31の駆動には、リニアモータLM1を用いる場合について説明したが、型100をX方向に移動することができるものであれば、これに限られるものではなく、例えばXステージ31aを、上部ベース18に固定されたボールネジに連結し、ボールねじに連結された回転式モータの駆動によって移動するものを用いてもよい。
また、Xステージ31aには、移動機構冷却手段、例えば図示しないファンが設けられており、これにより、Xステージ31a内に空気の流れを起こして装置10内の熱を外部に逃がすことができる。したがって、装置10を構成する部材が熱膨張等を起こすのを抑えて、型100のパターンと加工対象物200との間の正確な位置を制御することができる。
また、型保持手段40側にX方向移動手段を形成し、対象物保持手段20側にY方向移動手段および回転手段33を形成したのは、移動機構30の構成を簡単にして、X方向移動手段、Y方向移動手段、θ方向移動手段の精度を高めるためである。しかし、各移動手段を設ける場所は、型100及び加工対象物200を相対的に精度よく移動させることができるものであれば、型保持手段40と対象物保持手段20のどちら側に設けてもよく、例えば、型保持手段40側、あるいは、対象物保持手段20側に、X方向移動手段、Y方向移動手段、θ方向移動手段の全てを一体的に設けることも可能である。
押圧手段50は、図2に示すように、凸球面座47に当接する凹球面座57に接続されており、凹球面座57を押圧することにより、凸球面座47および型保持手段40を介して型100のパターン面100aを加工対象物200の表面に押圧するものである。
この押圧手段50は、図2に示すように、Xステージ31a内部の上面と下面とに連結される複数本(ここでは4本)の支柱53と、これら支柱53に嵌合されてX方向及びY方向と直交する方向(以下Z方向と称する)に上下動可能であると共に、型保持手段40を通すことができる穴を有するZステージ54と、このZステージ54上に設けられた複数の支柱に支持され、型保持手段40を跨ぐブラケット56と、Xステージ31aとブラケット56の上面とをZ方向に連結するボールネジ51と、このボールネジ51を回転駆動させるモータ52とから構成されている。また、ボールネジ51の下端部とブラケット56の上面はベアリング機構58を介して連結されている。このように構成することにより、Zステージ54は、回転することなく上下方向にのみ移動することができる。そして、これにともない型100を保持する型保持部41が上下し、保持ステージ21上に保持される加工対象物200に対し、接近・押圧及び離間することができる。
更に、Zステージ54の下面には、型保持手段40の凸球面46と同径の凹球面55を有する凹球面座57が設けられている。この凹球面座57は、例えば図2に示すように、Zステージ54と別体として設け、ボルトや溶接によって固定しても良いし、図示しないがZステージ54と一体に設けても良い。
凹球面座57は、凸球面46に当接する凸球面46と同径の凹球面55を有する。また、凹球面55は、押圧手段50、装置本体15、対象物保持手段20を介して加工対象物に対して傾きが固定されている。この凹球面座57の材料としては、炭素鋼、金型鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、タングステン、モリブデンなどの種々の金属や合金を用いることができる。また、凹球面55は、固定手段例えばボルト59によって凸球面46と当接した状態で固定されている。このボルト59は、凸球面46側に設けられたボルト59の直径よりもわずかに大きい径、より詳しくは、後述する変位手段60によって型100の傾きを調整する際に凸球面46と凹球面55とを相対的に変位させる最大幅よりも大きい径の貫通孔48を通して、凹球面55側に設けられた雌ねじ49と締結する。これにより、傾き調整時に凸球面46と凹球面55とを相対的に変位させても、ボルト59が型保持手段40と干渉することがない。なお、ボルト59を油圧又はサーボモータを利用したクランプ機構に置き換えれば、傾き調整を自動化することも可能である。
凸球面座47の凸球面46及び凹球面座57の凹球面55には、摩耗防止のために凸球面46又は凹球面55の母材より硬度の高い表面処理層又は摩擦係数の低い表面処理層を形成する方が好ましい。この場合、硬度の向上を図る表面処理には、侵炭処理、窒化処理、クロムメッキ、ニッケルメッキの他、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜、ダイヤモンドライクカーボン被膜等を形成する方法がある。また、摩擦係数の低減を図る表面処理には、テフロンコーティングやダイヤモンドライクカーボン被膜を形成する方法がある。更に、凸球面46と凹球面55との間に潤滑剤としてグリスを塗布する方が好ましい。特に、摺動抵抗を低減するため、テフロン系添加剤入りのグリスを使用するのが好ましい。
変位手段60は、図5、図6に示すように、例えば凹球面座57に固定されたマイクロゲージ等の調整具によって構成される。この場合、互いに対向する方向に凸球面座47の側面を押圧する第1のマイクロゲージ61a(第1の調整具)及び第2のマイクロゲージ61b(第2の調整具)と、第1のマイクロゲージ61a及び第2のマイクロゲージ61bの押圧方向(以下A方向と称する)と直交する方向(以下B方向と称する)であって、互いに対向する方向に凸球面座47の側面を押圧する第3のマイクロゲージ61c(第3の調整具)及び第4のマイクロゲージ61d(第4の調整具)と、で構成すればよい。これにより、凸球面座47の凸球面46を凹球面座57の凹球面55に対して自由な方向に変位させることができ、それによって、型保持手段40に保持される型100と対象物保持手段20に保持される加工対象物200との相対的な傾きを調整することができる。なお、調整具の数や配置は種々変更が可能であり、3以上の調整具で少なくとも異なる3方向に凸球面座47の側面を押圧するように構成すれば良い。また、調整具は、凸球面座47の凸球面46を凹球面座57の凹球面55に対して自由な方向に変位させることができるものであればどのようなものでもよく、例えばアクチュエータ等を用いることも可能である。
なお、凸球面46と凹球面55とを固定手段で固着することなく自由に変位させることができる状態にすると共に、凸球面46と凹球面55に上述した摩擦係数の低い表面処理層を形成すれば、型100と加工対象物200とを押圧した際に凸球面46と凹球面55とが滑って変位し、型100と加工対象物200との傾きを受動的に変位させることができる。この場合、上述した変位手段60は不要である。例えば、凹球面座の上に凸球面座を載置し、この凸球面座の上に加工対象物200を保持する対象物保持手段20を固定すれば良い。
以下に、このようなパターン形成装置における型100の傾き調整方法について説明する。
まず、後述する傾き検知手段により型100の傾きを検知する。そして、検知した傾き情報からA方向における型100と加工対象物200とのZ方向に対する誤差である傾き調整幅a1を計算して求める。次に、この調整幅a1から第1又は第2のマイクロゲージが型保持手段40の側面を押圧して調整する幅a2を計算して求める。例えば、調整幅a1がパターン面100a上であってパターン面100aの中心からr離れた場所で計算されたものである場合には、
a2=a1・R/r
として計算すればよい。なお、式中、Rは型100のパターン面100aの中心点から凸球面46までの距離(凸球面46の半径)を表す。B方向の傾き調整幅b2もB方向における型100と加工対象物200との傾き調整幅b1から同様に計算すればよい。
a2=a1・R/r
として計算すればよい。なお、式中、Rは型100のパターン面100aの中心点から凸球面46までの距離(凸球面46の半径)を表す。B方向の傾き調整幅b2もB方向における型100と加工対象物200との傾き調整幅b1から同様に計算すればよい。
そして、この調整幅a2、b2に基づいて第1〜第4のマイクロゲージを調整し、凸球面46と凹球面55とを相対的に変位させることにより型100のパターン面100aと加工対象物200との傾きを正確に調整することができる。
なお、傾きを調整できる分解能は、マイクロゲージの分解能と、Rとrの比により決まる。例えば、マイクロゲージの分解能が0.5μmで、Rとrの比が10である場合には、型100の傾きを調整できる最小分解能が50nmとなる。したがって、型100の中心点から凸球面46までの距離をより大きくするか、あるいは、より小さい分解能をもつマイクロゲージ(調整具)を用いることにより、傾き調整できる分解能を更に小さくできる。
パターン形成装置は、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、傾き検知手段が検知した傾きに基づいて変位手段60を制御し、凸球面46と凹球面55とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を更に加えて傾きの調整を自動で行うように構成することも可能である。
傾き検知手段は、例えば型100と加工対象物200との間の距離を静電容量の変化によって測定可能な容量形電気マイクロメータによって構成される。この容量形電気マイクロメータによって、型100のパターン面100aの同一直線上にない任意の3点と加工対象物200の距離を測定することにより、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知することができる。なお、傾き検知手段は、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知することができるものであればどのようなものでもよく、例えば、エアマイクロメータ等を用いることも可能である。
制御手段は、例えばCPU等を用いて、傾き検知手段が検知した傾きの情報に基づいて、第1のマイクロゲージ及び第2のマイクロゲージが凸球面座47の側面をA方向に変位させる幅a2と、第3のマイクロゲージ及び第4のマイクロゲージが凸球面座47の側面をB方向に変位させる幅b2とを計算し、第1〜第4のマイクロゲージを制御して、凸球面46と凹球面55との相対的な変位を調整するように構成されている。
具体的には、上述したように、A方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅がa1である場合には、第1又は第2のマイクロゲージが調整する幅a2を、
a2=a1・R/r
として計算する。また、B方向における第3又は第4のマイクロゲージが調整する幅b2もB方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅b1から同様に計算すればよい。このようにすることにより、型100と加工対象物200との相対的な傾きを自動で調整することができる。なお、凸球面46と凹球面55とを締結する締結手段はクランプ機構を用い、傾き調整する際に、制御手段の制御により凸球面46と凹球面55とを離隔するように構成することも可能である。
a2=a1・R/r
として計算する。また、B方向における第3又は第4のマイクロゲージが調整する幅b2もB方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅b1から同様に計算すればよい。このようにすることにより、型100と加工対象物200との相対的な傾きを自動で調整することができる。なお、凸球面46と凹球面55とを締結する締結手段はクランプ機構を用い、傾き調整する際に、制御手段の制御により凸球面46と凹球面55とを離隔するように構成することも可能である。
なお、上記実施例では、型保持手段40側に凸球面座47を設け、押圧手段50側に凹球面座57を設ける構成について説明したが、型保持手段40側に凹球面座を設け、押圧手段50側に凸球面座を設ける構成とすることも可能である。
また、上記実施例では、凸球面座47と凹球面座57とを型保持手段40側に設ける場合について説明したが、これに限らず、凸球面座と凹球面座とを対象物保持手段20側に設けることも勿論可能である。
この発明の別の実施形態のパターン形成装置は、図7、図8に示すように、第1実施例のパターン形成装置における凸球面座47、凹球面座57、変位手段60の代わりに、第1凸円弧面座142、第1凹円弧面座143、第2凸円弧面座144、第2凹円弧面座157、第1の変位手段160、第2の変位手段170を用いたものである。ここで、第1凸円弧面座142と、第1凹円弧面座(第2凸円弧面座)143と、第2凹円弧面座157と、第1の変位手段160と、第2の変位手段170とで傾き調整装置を構成する。なお、その他の部分については第1実施例において説明したものと同じものを適用することができるので、第1実施例と同一部分には同一符号を付して説明は省略する。
型保持手段140は、型100を保持するための型保持部41を一端に有すると共に、他端側に第1凹円弧面座143と当接する第1凸円弧面座142が固定されている。
第1凸円弧面座142は、型100に対して傾きが固定されると共に、型100のパターン面100aの中心を通る第1中心線を中心とする断面が凸円弧状の第1凸円弧面111を有するものである。また、第1凸円弧面座142は、図7、図8に示すように、型保持手段140の側面から鍔状に形成し、ボルトや溶接等によって締結すればよい。勿論型保持手段140と一体に設けることも可能である。また、第1凸円弧面座142を型保持手段140の上端部に設けることも勿論可能である。この第1凸円弧面座142の材料としては、炭素鋼、金型鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、タングステン、モリブデンなどの種々の金属や合金を用いることができる。
第1凹円弧面座143は、断面が第1凸円弧面111と同径の凹円弧状であると共に、第1凸円弧面と当接する第1凹円弧面112を有する。また、第1凹円弧面座143は、第2凸円弧面座144と一体に設けられ、第1凹円弧面112と第2凸円弧面113との傾きが固定されている。なお、第1凹円弧面座143と第2凸円弧面座144とは必ずしも一体に設ける必要はなく、第1凹円弧面112と第2凸円弧面113との傾きが固定されるものであれば、ボルトや溶接等によって固定してもよい。
第2凸円弧面座144は、第1凹円弧面112に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ第1凹円弧面112の軸方向(第1の中心線の方向)と平行でない所定の方向に形成された第2凸円弧面113を有する。ここで、第1凸円弧面111と第2凸円弧面113は、円弧の軸方向が直交するように設ける方が好ましい。また、第2凸円弧面113の軸は、型100のパターン面100aの中心を通る方が好ましい。また、第1凸円弧面111と第2凸円弧面113の径を同一になるように形成しても良い。
また、第2凸円弧面座144は、第1凸円弧面座142とは独立して形成され、中央に型保持手段140のヘッドを通すことができる穴を有している。ただし、第1凸円弧面座142を型保持手段140の上端部に設ける場合には、この穴は不要である。この第1凸円弧面座142と第1凹円弧面座143とは、第1の固定手段例えばボルト158によって第1凸円弧面111と第1凹円弧面112とが当接した状態で固定されている。このボルト158は、第1凸円弧面座142側に設けられたボルト158の直径よりもわずかに大きい径、より詳しくは、後述する第1の変位手段160によって型100の傾きを調整する際に第1の凸円弧面111と第1の凹円弧面112とを相対的に変位させる最大幅よりも大きい径の貫通孔147を通して、第1凹円弧面座143側に設けられた雌ねじと締結する。
これら第1凹円弧面座143、第2凸円弧面座144の材料としては、炭素鋼、金型鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、タングステン、モリブデンなどの種々の金属や合金を用いることができる。
第2凹円弧面座157は、断面が第2凸円弧面113と同径かつ凹円弧状の第2凹円弧面114を有し、第2凸円弧面113と当接するように形成されている。また、第2凹円弧面114は、押圧手段50、装置本体15、対象物保持手段20を介して加工対象物200に対して傾きが固定されている。この第2凹円弧面座157の材料も第1凸円弧面座142、第1凹円弧面座143、第2凸円弧面座144と同様に、炭素鋼、金型鋼、アルミニウム、チタン、ニッケル合金、タングステン、モリブデンなどの種々の金属や合金を用いることができる。
押圧手段150は、第2凹円弧面座157に接続されており、第2凹円弧面座157を押圧することにより、第2凸円弧面座144、第1凹円弧面座143、第1凸円弧面座142、型保持手段140を介して型100のパターン面100aを加工対象物200の表面に押圧するものである。例えば、第1実施例と同様に、第2凹円弧面座157をZステージ54の下面に形成すればよい。
また、この第2凹円弧面114は、第2の固定手段例えばボルト159によって第2凸円弧面座144の第2凸円弧面113と当接した状態で固定されている。このボルト159は、第2凹円弧面座157側に設けられたボルト159の直径よりもわずかに大きい径、より詳しくは、後述する第2の変位手段170によって型100の傾きを調整する際に第2の凸円弧面113と第2凹円弧面114とを相対的に変位させる最大幅よりも大きい径の貫通孔148を通して、第2凸円弧面座144側に設けられた雌ねじと締結する。
第1の変位手段160は、図7に示すように、例えば互いに対向する方向に第1凸円弧面座142の側面を押圧する第1のマイクロゲージ161a(第1の調整具)及び第2のマイクロゲージ161b(第2の調整具)とによって構成される。また、第1のマイクロゲージ161a及び第2のマイクロゲージ161bは、それぞれ第1凹円弧面座143の側面に固定され、第1凸円弧面座142の側面を押圧することにより、第1凸円弧面111を第1凹円弧面112に対して所定の第1の方向に変位させることができる。
なお、調整具は、第1凸円弧面座142の第1凸円弧面111を第1凹円弧面座143の第1凹円弧面112に対して所定の第1の方向に変位させることができるものであればどのようなものでもよく、例えばアクチュエータ等を用いることも可能である。
第2の変位手段170は、図8に示すように、第1の変位手段160が押圧する第1の方向と直交する第2の方向であって、互いに対向する方向に第2凸円弧面座144の側面を押圧する第3のマイクロゲージ171c(第3の調整具)及び第4のマイクロゲージ171d(第4の調整具)とによって構成される。また、第3のマイクロゲージ171c及び第4のマイクロゲージ171dは、それぞれ第2凹円弧面座157に固定され、第2凸円弧面座144の側面を押圧することにより、第2凸円弧面113を第2凹円弧面114に対して第2の方向に変位させることができる。
なお、調整具は、第2凸円弧面座144の第2凸円弧面113を第2凹円弧面座157の第2凹円弧面114に対して所定の第1の方向に変位させることができるものであればどのようなものでもよく、例えばアクチュエータ等を用いることも可能である。
このように第2実施例では、互いに直交する方向の傾き調整を第1凸円弧面座142および第1凹円弧面座143と第2凸円弧面座144および第2凹円弧面座157とに分離することにより、製作誤差等によって生じる一方の傾き調整による他方の傾きへの干渉を排除することができ、より高精度な傾き調整を行うことができる。また、円弧面の加工の方が球面の加工より容易であるという利点もある。
また、型保持手段140の第1凸円弧面111、第1凹円弧面112、第2凸円弧面113、第2凹円弧面114には、摩耗防止のためにそれぞれの母材より硬度の高い表面処理層又は摩擦係数の低い表面処理層を形成する方が好ましい。この場合、硬度の向上を図る表面処理には、侵炭処理、窒化処理、クロムメッキ、ニッケルメッキの他、窒化クロム被膜、窒化チタン被膜、ダイヤモンドライクカーボン被膜等を形成する方法がある。また、摩擦係数の低減を図る表面処理には、テフロンコーティングやダイヤモンドライクカーボン被膜を形成する方法がある。更に、第1凸円弧面111と第1凹円弧面112との間および第2凸円弧面113と第2凹円弧面114との間に潤滑剤としてグリスを塗布する方が好ましい。特に、摺動抵抗を低減するため、テフロン系添加剤入りのグリスを使用するのが好ましい。
なお、第1凸円弧面111と第1凹円弧面112、第2凸円弧面113と第2凹円弧面114とを第1の固定手段、第2の固定手段で固定することなく自由に変位させることができる状態にし、更に、第1凸円弧面111、第1凹円弧面112、第2凸円弧面113、第2凹円弧面114に上述した摩擦係数の低い表面処理層を形成すれば、型100と加工対象物200とを押圧した際に第1凸円弧面111と第1凹円弧面112、第2凸円弧面113と第2凹円弧面114が滑って変位し、型100と加工対象物200との傾きを受動的に変位させることができる。この場合、上述した第1の変位手段160、第2の変位手段170は不要である。例えば、第2凹円弧面座の上に第2凸円弧面座を載置し、この第2凸円弧面座の上に第1凹円弧面座を固定し、更にこの第1凹円弧面座の上に第1凸円弧面座を載置し、この第1凸円弧面座の上に加工対象物200を保持する対象物保持手段20を固定すれば良い。
なお、パターン形成装置は、第1実施例と同様に、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、傾き検知手段が検知した傾きに基づいて変位手段60の変位を制御する制御手段と、を更に加えて傾きの調整を自動で行うように構成することも勿論可能である。
次に、このようなパターン形成装置における型100の傾き調整方法について説明する。
まず、傾き検知手段により型100の傾きを検知する。そして、検知した傾き情報から第1の方向における型100と加工対象物200とのZ方向に対する誤差である傾き調整幅c1を計算して求める。次に、この調整幅c1から第1又は第2のマイクロゲージが型保持手段140の第1凸円弧面座142の側面を押圧して調整する幅c2を計算して求める。例えば、調整幅c1がパターン面100a上であってパターン面100aの第1中心線からr1離れた場所で計算されたものである場合には、
c2=c1・R1/r1
として計算すればよい。なお、式中、R1は型100のパターン面100aの中心線から第1凸円弧面111までの距離(第1凸円弧面111の半径)を表す。また、第3又は第4のマイクロゲージが第2凸円弧面座144の側面を押圧して調整する幅d2は、第2の方向における型100と加工対象物200との傾き調整幅をd1、型100のパターン面100aの中心線から第2凸円弧面113までの距離(第2凸円弧面113の半径)をR2とすると、調整幅d1がパターン面100a上であってパターン面100aの第2中心線からr2離れた場所で計算されたものである場合には、
d2=d1・R2/r2
として計算すればよい。
c2=c1・R1/r1
として計算すればよい。なお、式中、R1は型100のパターン面100aの中心線から第1凸円弧面111までの距離(第1凸円弧面111の半径)を表す。また、第3又は第4のマイクロゲージが第2凸円弧面座144の側面を押圧して調整する幅d2は、第2の方向における型100と加工対象物200との傾き調整幅をd1、型100のパターン面100aの中心線から第2凸円弧面113までの距離(第2凸円弧面113の半径)をR2とすると、調整幅d1がパターン面100a上であってパターン面100aの第2中心線からr2離れた場所で計算されたものである場合には、
d2=d1・R2/r2
として計算すればよい。
そして、この調整幅c2、d2に基づいて第1〜第4のマイクロゲージ161a〜161dを調整し、第1凸円弧面111と第1凹円弧面112、第2凸円弧面113と第2凹円弧面114を相対的に変位させることにより型100のパターン面100aと加工対象物200との傾きを正確に調整することができる。
なお、第2実施例のパターン形成装置は、第1実施例と同様に、型100と加工対象物200との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、傾き検知手段が検知した傾きに基づいて第1の変位手段160および第2の変位手段170を制御し、第1凸円弧面111と第1凹円弧面112とを相対的に変位させる変位量および第2凸円弧面113と第2凹円弧面114とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、を更に加えて傾きの調整を自動で行うように構成することも勿論可能である。
この場合、制御手段は、例えばCPU等を用いて、傾き検知手段が検知した傾きの情報に基づいて、第1のマイクロゲージ及び第2のマイクロゲージが第1凸円弧面座142の側面を第1の方向に変位させる幅c2と、第3のマイクロゲージ及び第4のマイクロゲージが第2凸円弧面座144の側面を第2の方向に変位させる幅d2とを計算し、第1〜第4のマイクロゲージを制御して、第1凸円弧面111と第1凹円弧面112、第2凸円弧面113と第2凹円弧面114との相対的な変位を調整するように構成すればよい。
具体的には、上述したように、第1の方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅がc1である場合には、型100のパターン面100aの中心線から第1凸円弧面111までの距離(第1凸円弧面111の半径)をR1として、第1又は第2のマイクロゲージが調整する幅c2を、
c2=c1・R1/r1
として計算する。また、第2の方向における第3又は第4のマイクロゲージが調整する幅d2も第2の方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅d1と、型100のパターン面100aの中心線から第2凸円弧面113までの距離(第1凸円弧面111の半径)R2とから、
d2=d1・R2/r2
として計算すればよい。
c2=c1・R1/r1
として計算する。また、第2の方向における第3又は第4のマイクロゲージが調整する幅d2も第2の方向における型100と加工対象物200の傾き調整幅d1と、型100のパターン面100aの中心線から第2凸円弧面113までの距離(第1凸円弧面111の半径)R2とから、
d2=d1・R2/r2
として計算すればよい。
このようにすることにより、型100と加工対象物200との相対的な傾きを自動で調整することができる。なお、第1凸円弧面座142と第1凹円弧面座143、および第2凸円弧面座144と第2凹円弧面座157とを締結する締結手段はクランプ機構を用い、傾き調整する際に、制御手段の制御により第1凸円弧面111と第1凹円弧面112、および第2凸円弧面113と第2凹円弧面114とを離隔するように構成することも可能である。
なお、上記実施例では、型保持手段40側から順に、第1凸円弧面座142、第1凹円弧面座143、第2凸円弧面座144、第2凹円弧面座157を設ける構成について説明したが、型保持手段40側から順に、第1凹円弧面座、第1凸円弧面座、第2凹円弧面座、第2凸円弧面座を設ける構成とすることも可能である。
また、上記実施例では、第1凸円弧面座142、第1凹円弧面座143、第2凸円弧面座144、第2凹円弧面座157を型保持手段40側に設ける場合について説明したが、これに限らず、第1凸円弧面座、第1凹円弧面座、第2凸円弧面座、第2凹円弧面座を対象物保持手段20側に設けることも勿論可能である。
本発明により、簡単な操作で型と加工対象物との傾きを高精度に調整することができる。また、型と加工対象物との間に働く押圧力の影響がない位置に変位手段(第1の調整具、第2の調整具、第3の調整具、第4の調整具)を配置することができるので、変位手段が変形することがなく、長期間使用しても高精度に傾きの調整を行うことができる。
Claims (34)
- 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、
前記型に対して傾きが固定された凸球面を有する凸球面座と、
前記凸球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凸球面と当接する凹球面を有する凹球面座と、
を具備することを特徴とする傾き調整装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、
前記型に対して傾きが固定された凹球面を有する凹球面座と、
前記凹球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凹球面と当接する凸球面を有する凸球面座と、
を具備することを特徴とする傾き調整装置。 - 前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位手段を具備することを特徴とする請求項1又は2記載の傾き調整装置。
- 前記変位手段は、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具と、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなることを特徴とする請求項3記載の傾き調整装置。
- 前記凸球面および凹球面は、その球の中心が前記パターン面の中心と一致するように形成されることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の傾き調整装置。
- 前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の傾き調整装置。
- 前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載の傾き調整装置。
- 前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、
前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記変位手段を制御し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項3記載の傾き調整装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、
前記型に対して傾きが固定された凸球面を有する凸球面座と、
前記凸球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凸球面と当接する凹球面を有する凹球面座と、
前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴とするパターン形成装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、
前記型に対して傾きが固定された凹球面を有する凹球面座と、
前記凹球面と同径で前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、前記凹球面と当接する凸球面を有する凸球面座と、
前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴とするパターン形成装置。 - 前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位手段を具備することを特徴とする請求項9又は10記載の傾き調整装置。
- 前記変位手段は、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具と、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記凸球面座又は前記凹球面座を押圧し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなることを特徴とする請求項11記載のパターン形成装置。
- 前記凸球面および凹球面は、その球の中心が前記パターン面の中心と一致するように形成されることを特徴とする請求項9ないし11のいずれかに記載のパターン形成装置。
- 前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項9ないし11のいずれかに記載のパターン形成装置。
- 前記凸球面および凹球面の少なくとも一方は、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項9ないし11のいずれかに記載のパターン形成装置。
- 前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、
前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記変位手段を制御し、前記凸球面と前記凹球面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項11記載のパターン形成装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、
前記型に対して傾きが固定された断面が凸円弧状の第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、
断面が前記第1凸円弧面と同径の凹円弧状であると共に、前記第1凸円弧面と当接する第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、
前記第1凹円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ前記第1凹円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凸円弧面を有する第2凸円弧面座と、
前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凸円弧面と同径かつ凹円弧状の第2凹円弧面を有し、前記第2凸円弧面と当接する第2凹円弧面座と、
を具備することを特徴とする傾き調整装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置において、前記型と前記加工対象物との傾きを調整する傾き調整装置であって、
前記型に対して傾きが固定された断面が凹円弧状の第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、
断面が前記第1凹円弧面と同径の凸円弧状であると共に、前記第1凹円弧面と当接する第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、
前記第1凸円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凹円弧状でかつ前記第1凸円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凹円弧面を有する第2凹円弧面座と、
前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凹円弧面と同径かつ凸円弧状の第2凸円弧面を有し、前記第2凹円弧面と当接する第2凸円弧面座と、
を具備することを特徴とする傾き調整装置。 - 前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1変位手段と、
前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第2変位手段と、
を具備することを特徴とする請求項17又は18記載の傾き調整装置。 - 前記第1変位手段は、互いに対向する方向に前記第1凸円弧面座又は前記第1凹円弧面座を押圧し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具からなり、
前記第2変位手段は、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記第2凸円弧面座又は前記第2凹円弧面座を押圧し、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなることを特徴とする請求項19記載の傾き調整装置。 - 前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項17ないし19のいずれかに記載の傾き調整装置。
- 前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項17ないし19のいずれかに記載の傾き調整装置。
- 前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、
前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記第1の変位手段および前記第2の変位手段を制御し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる変位量および前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項19記載の傾き調整装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、
前記型に対して傾きが固定された断面が凸円弧状の第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、
断面が前記第1凸円弧面と同径の凹円弧状であると共に、前記第1凸円弧面と当接する第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、
前記第1凹円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凸円弧状でかつ前記第1凹円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凸円弧面を有する第2凸円弧面座と、
前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凸円弧面と同径かつ凹円弧状の第2凹円弧面を有し、前記第2凸円弧面と当接する第2凹円弧面座と、
前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴とするパターン形成装置。 - 所定のパターンを有する型と加工対象物とを押圧して、前記型のパターンを前記加工対象物に転写するパターン形成装置であって、
前記型に対して傾きが固定された断面が凹円弧状の第1凹円弧面を有する第1凹円弧面座と、
断面が前記第1凹円弧面と同径の凸円弧状であると共に、前記第1凹円弧面と当接する第1凸円弧面を有する第1凸円弧面座と、
前記第1凸円弧面に対して傾きが固定されると共に、断面が凹円弧状でかつ前記第1凸円弧面の軸方向と平行でない所定の方向に形成された第2凹円弧面を有する第2凹円弧面座と、
前記加工対象物に対して傾きが固定されると共に、断面が第2凹円弧面と同径かつ凸円弧状の第2凸円弧面を有し、前記第2凹円弧面と当接する第2凸円弧面座と、
前記型と前記加工対象物とを押圧する押圧手段と、
を具備することを特徴とするパターン形成装置。 - 前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1変位手段と、
前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第2変位手段と、
を具備することを特徴とする請求項24又は25記載のパターン形成装置。 - 前記第1変位手段は、互いに対向する方向に前記第1凸円弧面座又は前記第1凹円弧面座を押圧し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる第1の調整具及び第2の調整具からなり、
前記第2変位手段は、前記第1の調整具及び第2の調整具の押圧方向と直交する方向であって、互いに対向する方向に前記第2凸円弧面座又は前記第2凹円弧面座を押圧し、前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる第3の調整具及び第4の調整具と、からなることを特徴とする請求項26のいずれかに記載のパターン形成装置。 - 前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより硬度の高い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項24ないし26のいずれかに記載のパターン形成装置。
- 前記第1凸円弧面、前記第1凹円弧面、前記第2凸円弧面、前記第2凹円弧面の少なくとも1以上は、それらより摩擦係数の低い表面処理層が形成されていることを特徴とする請求項24ないし26のいずれかに記載のパターン形成装置。
- 前記型と前記加工対象物との相対的な傾きを検知する傾き検知手段と、
前記傾き検知手段が検知した傾きに基づいて前記第1の変位手段および前記第2の変位手段を制御し、前記第1凸円弧面と前記第1凹円弧面とを相対的に変位させる変位量および前記第2凸円弧面と前記第2凹円弧面とを相対的に変位させる変位量を調節する制御手段と、
を具備することを特徴とする請求項26記載のパターン形成装置。 - 前記凸球面の法線方向に前記凸球面座と前記凹球面座とを固着する固定手段を具備することを特徴とする請求項3記載の傾き調整装置。
- 前記凸球面の法線方向に前記凸球面座と前記凹球面座とを固着する固定手段を具備することを特徴とする請求項11記載のパターン形成装置。
- 前記第1凸円弧面の法線方向に前記第1凸円弧面座と前記第1凹円弧面座とを固着する第1の固定手段と、
前記第2凸円弧面の法線方向に前記第2凸円弧面座と前記第2凹円弧面座とを固着する第2の固定手段と、
を具備することを特徴とする請求項19記載の傾き調整装置。 - 前記第1凸円弧面の法線方向に前記第1凸円弧面座と前記第1凹円弧面座とを固着する第1の固定手段と、
前記第2凸円弧面の法線方向に前記第2凸円弧面座と前記第2凹円弧面座とを固着する第2の固定手段と、
を具備することを特徴とする請求項26記載のパターン形成装置。
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