KR101212395B1

KR101212395B1 - 정밀 프레스 장치

Info

Publication number: KR101212395B1
Application number: KR1020110126829A
Authority: KR
Inventors: 다이스께 시마오; 가쯔아끼 이노우에; 다까시 구라따
Original assignee: 가부시키가이샤 히다치 산키시스템
Priority date: 2008-10-09
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-12-13
Also published as: KR20110133463A; EP2174774A2; US20100089255A1; KR101139152B1; TWI388418B; US20130078330A1; TW201020098A; EP2174774A3; KR20100040243A; US8387526B2; KR20110133464A; KR101196923B1

Abstract

본 발명은, 진공 챔버 내에 있어서의 프레스 가공에 있어서, 진공 챔버를 소형으로 하여 진공 도달 시간을 단축시키고, 게다가 고정밀도의 압력 제어를 행하는 정밀 프레스 장치 및 그것에 있어서의 프레스 하중 제어 방법을 제공한다.
이를 해결하기 위해, 본 발명은 진공으로 되는 챔버(16)를 소형화하기 위해, 압력 센서를 챔버(16) 밖에 설치하고, 챔버(16)의 통 형상을 이용하여 통 형상의 플런저(7)가 출몰 가능한 실린더실(17)을 형성한다. 챔버(16) 내의 부압(22)에 기인하여 수압부(2)와 가압부(1)를 서로 끌어당기는 힘이 발생하지만, 역방향으로부터 실린더실(17) 내에 동등해지는 유체의 압력(19)을 넣어 통 형상의 플런저(7)를 압출하여 통 형상 플런저에 가압력(20)을 발생시킴으로써, 이 끌어당기는 힘은 플런저(7)로부터의 가압력(20)에 의해 캔슬된다. 프레스 스테이지에서 전사되는 기판 등으로의 하중을 구동부에 의한 구동력에 기초하여 높은 정밀도로 제어할 수 있다.
또한, 고정밀도로 평행도로 배열하기 위해, 정밀 프레스 장치는, 가이드 포스트(3)에 고정되어 있는 수압부(2), 가이드 포스트로 보유 지지기(70)를 통하여 미끄럼 이동 안내되는 가압부(1), 수압부(2)와 가압부(1)의 각 대향면에 장착되는 프레스 스테이지(50a, 50b) 및 가압부(1)를 베어링 부재(프리 베어링)(10)를 통하여 구동시키는 구동부(11)를 구비하고 있다. 수압부(2)와 가이드 포스트(3)의 사이 및/또는 상기 가압부와 보유 지지기 사이에는 탄성체(60)가 개재 장착되어 있어, 탄성체(60)가 변형됨으로써 양 프레스 스테이지(50)의 면끼리가 서로 배열되어 양 프레스 스테이지에 가해지는 하중을 균일하게 할 수 있다.

Description

정밀 프레스 장치 {PRECISE PRESS APPARATUS}

본 발명은, 고 평탄도로 미세 구조 전사 가능한 정밀 프레스 장치, 특히 표면에 미세한 요철 패턴이 형성된 전사원이 되는 원판(미세 구조 전사 몰드)을 전사처가 되는 기판(피전사체)에 압박하여, 기판 표면에 미세한 요철 패턴을 전사?형성하기 위한 미세 구조 전사 몰드 및 미세 구조 전사 장치에 적용되는 정밀 프레스 장치 및 그것에 있어서의 프레스 하중 제어 방법에 관한 것이며, 또한 고 평탄도로 미세 구조 전사 가능한 정밀 프레스 장치, 특히 표면에 미세한 요철 패턴이 형성된 전사원이 되는 원판(미세 구조 전사 몰드)을 전사처가 되는 기판(피전사체)에 압박하여, 기판 표면에 미세한 요철 패턴을 전사?형성하기 위한 미세 구조 전사 몰드 및 미세 구조 전사 장치에 적용되는 정밀 프레스 장치에 관한 것이다.

현재, 상기 미세 구조 전사 장치에 있어서는, 비교적 저렴한 나노 레벨의 임프린트 장치가 발매되고 있다. 미세 구조 전사 장치는 나노 레벨의 전사가 가능하고, 일반적으로 그러한 장치는 나노 임프린트 장치라고 불리고 있다. 피전사체의 소재는 주로 수지나 글래스 등이 사용되고 있으며, 나노 임프린트의 방식에 대해서는 그들 소재 특성에 의해 자외선을 이용한 광 나노 임프린트 장치와, 열을 이용한 열 나노 임프린트 장치의 크게 2가지로 분류되어 있다. 또한, 전사 방식으로서는 일반적인 프레스 장치의 원리를 이용한 평행 평판 방식과, 롤러 타입의 시트 나노 장치 등을 들 수 있다.

여기서, 평행 평판 타입의 나노 임프린트 장치에 있어서는, 피전사물로의 전사 시에 프레스 스테이지부의 평탄도 및 평행도의 고정밀도화가 특히 중요한 동시에, 열 및 압력의 균일성이 요구되고 있다. 또한, 평면에서 프레스 가공을 행하기 때문에 기포가 발생할 가능성이 있으며, 광 나노 프린트 및 열 나노 프린트의 양쪽에 있어서 피전사물로의 기포 혼입을 피하기 위해서, 현재는 진공 하에서 전사를 행하는 것이 일반적이다. 현재 볼 수 있는 진공 프레스를 행하는 장치로서는, 도 4에 도시된 바와 같은 진공 박스 내에서 프레스를 행하는 방식이나, 특허 문헌 1에 기재한 바와 같은 프레스 스테이지부 부근에 스프링이나 O링 등을 이용한 실링 기능을 탑재시켜, 프레스 스테이지나 가압부만을 진공으로 하는 방식이나, 혹은 특허 문헌 2에 기재된 바와 같은, 상하의 하우징이 접촉되어 진공 상태로 하여 내부 기구에서 프레스하는 방식이 있다.

최근, 평행 평판 타입에 있어서는, 장치의 소형화, 저가격, 고태스크화는 물론, 소형(□20㎜) 내지 대형(φ300㎜)으로 다양한 사이즈 및 재료 종류의 전사에 대응할 수 있는 장치가 요구되고 있다.

프레스 방식으로서는, 에어 실린더를 채용하고 있는 장치도 있지만, 고도의 제어를 용이하게 행할 수 있는 서보 프레스가 일반화되고 있다. 나노 임프린트의 장치 자체는 주로, 반도체 관련에서 취급되는 부류이며, 클린룸 내에서의 사용이 일반적이기 때문에, 발진, 오염면에서 유압 실린더를 채용하고 있는 곳은 많지 않다.

대형(φ300)의 전사도 가능한 나노 임프린트 장치의 경우에 있어서는, 진공 박스를 사용하면 대형화되어 버리는 문제가 있다. 여기서, 소형화를 고려한 경우에 있어서는, 프레스 플레이트 부근에 실링 기능을 갖게 한 것이 유효하다고 생각된다. 여기서, 진공 시의 챔버 내에 발생하는 압력 변동에 관하여 생각해 본다. φ300의 대형 사이즈를 전사할 수 있는 장치에 있어서, 진공화를 행하는 실내의 크기를 φ300로 하고, 대기와 진공의 차압을 약 0.1MPa로 하면, 프레스 플레이트가 접할 때까지 챔버에는 하중으로 하여 약 720㎏이나 하는 부압이 발생한다.

또한, 이 대형 전사 가능한 장치에 있어서, 소형(□20㎜)의 전사를 행할 때는 약 4㎏의 부압밖에 발생하지 않는다. 전사물이 접하고 있는 면적에 관해서는 부압이 발생하지 않게 되지만, 진공 챔버 내에서 피전사물이 접하고 있지 않은 면적에 관해서는 상기 부압이 발생하기 때문에, 약 716㎏이나 하는 하중이 소형(□20㎜)에 가해져 버린다고 하는 문제가 있었다. 진공 박스 사용 시에 있어서, 미끄럼 이동 축 직경을 φ60㎜로 하면, 약 29㎏의 부압이 발생한다. 여기서, 0링이나 스프링의 반발력을 이용하여 부압과 균형을 맞추고자 해도 피전사물의 사이즈나, 두께가 상이한 것만으로 사용 불가능하게 되어 버린다.

여기서, 나노 임프린트 장치에 있어서는, 압력을 피드백 제어하기 위해, 압력 센서가 진공 챔버의 내부, 또는 외부에 설치된다. 그러나, 챔버와 가동축의 경계부는 반드시 존재하기 때문에, 축의 직경분 또는 챔버 직경분의 진공 상태에 있어서의 인장압이 가압축 상에 부압으로서 발생한다고 하는 문제가 있었다. 또한, 진공 챔버 내에 압력 센서를 설치하는 방법에서는, 챔버부가 대형화, 복잡화된다고 하는 문제도 있다. 또한, 프레스 스테이지 및 축 직경이 크면 클수록 부압이 증대하고, 또한 피전사물의 사이즈에 따라서도 프레스 가공 시의 압력에 영향을 주는 등의 문제가 있다.

또한, 현재 상기 미세 구조 전사 장치에 있어서는, 비교적 저렴한 나노 레벨의 임프린트 장치가 발매되고 있다. 미세 구조 전사 장치는 나노 레벨의 전사가 가능하여, 일반적으로 그러한 장치는 나노 임프린트 장치라고 불리고 있다. 피전사체의 소재는 주로 수지나 글래스 등이 사용되고 있으며, 나노 임프린트의 방식에 대해서는, 그들 소재 특성에 의해 자외선을 이용한 광 나노 임프린트 장치와, 열을 이용한 열 나노 임프린트 장치의 크게 2가지로 분류되어 있다. 또한, 전사 방식으로서는 일반적인 프레스 장치의 원리를 이용한 평행 평판 방식과, 롤러 타입의 시트 나노 장치 등을 들 수 있다.

여기서, 평행 평판 타입의 나노 임프린트 장치에 있어서는, 프레스 스테이지부의 평탄도 및 평행도의 고정밀도화가 특히 중요하다. 현재 볼 수 있는 장치의 평행도 조정 기구로서는, 프레스 기구의 수압측이나 가압측 중 어느 한쪽의 프레스 스테이지 바로 아래에 구면 형상의 베어링 기구를 설치하여 구면 상을 미끄럼 이동시켜 조정하는 방식과, 스프링 등의 탄성체를 프레스 스테이지 바로 아래에 설치하는 방식을 들 수 있다.

최근, 미세 구조 전사 장치에 있어서는, 대형화, 고 태스크화의 수요가 증가되고 있다. 그러나, 평행 평판 타입의 나노 임프린트 장치에 있어서는 대형화됨에 따라, 평탄도, 평행도의 정밀도 저하 등의 문제나, 전사 대상물의 사이즈 및 소재에 의해 필요 압력, 필요 온도 등이 크게 상이하여, 적용 범위가 넓고, 제어가 복잡화되고 있다.

프레스 방식으로서는, 에어 실린더를 채용하고 있는 장치도 볼 수 있지만, 고도의 제어를 용이하게 행할 수 있는 서보 프레스가 일반화되고 있다. 나노 임프린트의 장치 자체는 주로, 반도체 관련에서 취급되는 부류의 장치이며, 클린룸 내에서의 사용이 일반적이기 때문에, 발진, 오염면에서 유압 실린더를 채용하고 있는 곳은 많지는 않다.

대향하는 2면에 의해 부품을 사이에 두고 가압하는 프레스기에 있어서, 한쪽면을 포함하는 몰드 보유 지지판을, 그 면의 수선 상에 중심을 갖는 구면 베어링을 개재하여 회전 가능하게 지지시키고, 또한 그 몰드 보유 지지판의 상기 회전을 멈추게 하는 고정 수단을 추가 설치하는 동시에, 당해 한쪽면에 착탈 용이하게 탄성 시트를 설치함으로써, 가압 대상물의 두께의 불균일에 대한 추종성(보정 성능)을 구비하고, 가압 후의 부품을 분리하여 취출하는 것을 가능하게 한 프레스기가 제안되어 있다(특허 문헌3 참조).

또한, 하측 성형형을, 소재에 형상을 전사하는 광학면과 반대측의 면을 볼록 구면 형상으로 형성하고, 하측 성형형을 보유 지지하는 모형을, 하측 성형형의 구면 형상에 대응하는 오목 구면 형상으로 형성하고, 볼록 구면과 오목 구면의 곡률 중심을, 성형형의 중심축 상에 있어서, 프레스된 성형품이 차지하는 위치 내지 성형품의 중심축 상의 단부면으로부터 성형품의 중심축 상 두께 이내의 위치로 하고, 프레스 성형 시에 동형이 상측 성형형에 접촉함으로써, 하측 성형형이 요동하고, 그에 따라 양 성형형의 축선끼리를 일치시켜 기울기를 자동 조정한 프레스 성형 장치가 제안되어 있다(특허 문헌4 참조).

또한, 나노 임프린팅에 있어서, 정보에 상당하는 패턴을 갖는 원반을 보유 지지하는 원반 보유 지지 수단과, 원반의 패턴이 전사되는 기판을 보유 지지하는 기판 보유 지지 수단과, 원반과 기판 사이를 고정하는 고정 수단과, 원반과 기판 사이에 압력을 인가하는 압력 인가 수단과, 원반 보유 지지 수단과 기판 보유 지지 수단 사이에 개재하고 또한 원반 및 기판의 주위에 배치된 탄성체를 갖고, 고정 수단에 의한 원반과 기판 사이의 고정을 해제하여 분리를 행하는 고정 해제 수단을 구비하고 있으며, 원반과 기판에 균일하게 압력을 인가할 수 있고, 또한 전사 후에 원반과 기판을 용이하게 박리할 수 있는 전사 장치 및 전사 방법이 제안되어 있다(특허 문헌5 참조).

그런데, 고 하중이 필요할 경우나, 피전사물이 대형화된 경우에 있어서, 특허 문헌3이나 특허 문헌4에 기재된 나노 프린트 기술과 같이, 구면으로 받는 구조에서는 구면 기구 자체가 대형화되어 마찰이나 마모, 갉아먹기 현상이 발생할 가능성이 높아진다. 또한, 경사로 배열된 후의 구면 베어링을, 원래의 수평 상태로 복귀시키기 위해 스프링 등의 탄성체를 사용해야 하며, 특히 프레스 스테이지의 근방에 있어서의 기구가 복잡화되고, 게다가 대형화에 수반하여 가격이 높아진다. 특허 문헌 5에 있어서는, 스프링으로 하중을 받는 경우는 필요한 하중이 클 경우에 있어서, 스프링이 극단적으로 커져 버린다. 또한, 균열화가 곤란하여, 승온 시간이 길어지는 등의 문제점도 들 수 있다. 특히, 열식 나노 프린트용 프레스에는, 수압부와 가압부의 면이 평행하게 접촉되는 것이 필수적이다. 그러나, 가압부 또는 수압부를 고정밀도로 가공하고, 또한 수압부나 가압부의 가이드를 고정밀도로 가공?조정하는 것은 대단히 곤란하다. 현재, 고정밀도의 평행도를 얻기 위해 가압부 또는 수압부 바로 아래에 구면체로 이루어지는 베어링을 설치하거나, 공기 또는 거기에 준한 유체, 탄성체를 사용하여 쿠션으로 하거나, 수압부를 링크 기구로 하여 평행하게 압력을 받는 고안을 프레스 스테이지의 바로 아래에 설치한다고 하는 대책이 취해져 왔다. 그러나, 프레스 스테이지에는 히터, 냉각로 등 다양한 세공을 행할 필요가 있어, 상기 기구는 그 대부분이 대형화, 복잡화되기 쉽다고 한 문제가 있었다.

<선행 기술 문헌>

특허 문헌1 : 일본 특허 출원 공개 평10-156943호 공보

특허 문헌2 : 일본 특허 출원 공개 제2003-181697호 공보

특허 문헌3 : 일본 특허 출원 공개 제2005-52841호 공보

특허 문헌4 : 일본 특허 출원 공개 제2003-54963호 공보

특허 문헌5 : 일본 특허 출원 공개 제2002-100079호 공보

이상의 기술 과제를 감안하여, 본 발명의 목적은 미세한 형상의 구조체를 형성하기 위한 패턴 전사 기술인 나노 프린트에 있어서, 구조가 용이하고, 고정밀도의 압력 제어가 가능한 미세 구조 전사 장치(나노 임프린트 장치)를 제공하는 것이다.

또한, 나노 레벨 오더의 부품 가공이나 조립이 곤란한 것이나, 강체끼리의 프레스로 인한 나노 레벨 프레스의 곤란성에 착안하여 원반 보유 지지측과 기판 보유 지지측의 양측에 있어서, 양자를 보유 지지 또는 미끄럼 이동 가능하게 결합하는 가이드부와의 사이에서 기울기나 휨을 흡수함으로써, 원반과 기판에 균일하게 압력을 가하는 것을 가능하게 하는 점에서 해결해야 할 과제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 미세 또는 극미세한 가공 패턴을 갖는 제품의 제조 공정을 갖고, 미세한 형상의 구조체를 형성하기 위한 패턴 전사 기술인 나노 프린트법에 있어서, 프레스 스테이지 주위에서의 구조가 간소하여 평행도 조정이 우수한 미세 구조 전사 장치를 제공하는 것이다.

본 발명자는, 소형이면서 고정밀도의 압력 제어를 행할 수 있는 기구에 착안하여, 본 발명에 이르렀다. 본 발명은, 소형화를 염두에 두고 프레스 플레이트부 부근에 진공 챔버가 되는 실링 기구를 갖게 하여, 진공 시의 부압을 상쇄시키기 위해, 상기 챔버 자체에 실린더 기능을 탑재하여 실린더로의 유체 공급 압력을 제어함으로써, 진공 시의 부압과 실린더에 의한 압력을 균형을 이루게 하여, 진공에 의한 영향이 없는 장치를 제공한다. 또한, 실린더의 스트로크를 이용할 수 있기 때문에, 피전사물의 두께 방향의 영향을 받지 않는 정밀 진공 프레스 기구를 제공한다.

본 발명에 따른 정밀 프레스 장치는, 수압부, 당해 수압부에 대향하고 또한 상기 수압부에 대하여 진퇴 가능하게 배치된 가압부, 상기 수압부와 상기 가압부의 각 대향면에 장착되는 프레스 스테이지, 상기 가압부를 구동하는 구동부 및 상기 수압부 및 상기 가압부의 접근 상태에서 상기 수압부와 상기 가압부 사이에서 상기 프레스 스테이지를 밀봉 상태로 둘러싸는 통벽을 갖는 챔버를 구비한 정밀 프레스 장치로서, 상기 챔버 내의 부압에 기초하여 발생하는 상기 수압부와 상기 가압부를 서로 끌어당기는 힘을 상쇄시키는 유체 작동부를 구비하고 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 정밀 프레스 장치에 있어서의 프레스 하중 제어 방법은, 수압부, 당해 수압부에 대향하고 또한 상기 수압부에 대하여 진퇴 가능하게 배치된 가압부, 상기 수압부와 상기 가압부의 각 대향면에 장착되는 프레스 스테이지, 상기 가압부를 구동하는 구동부 및 상기 수압부 및 상기 가압부의 접근 상태에서 상기 수압부와 상기 가압부 사이에서 상기 프레스 스테이지를 밀봉 상태로 둘러싸는 통벽을 갖는 챔버를 구비한 정밀 프레스 장치에 있어서, 상기 통벽을, 상기 수압부와 상기 가압부 중 적어도 한쪽에 형성된 실린더 내의 유체 압력에 기초하여 다른 쪽을 향하여 진퇴 가능하게 설치된 통 형상 플런저로 하고, 상기 챔버 내의 부압에 기초하여 발생하는 상기 수압부와 상기 가압부를 서로 끌어당기는 힘을, 상기 유체 압력에 기초하여 상기 통 형상 플런저에 발생하는 가압력으로 균형을 이루게 하여 상쇄시키는 것을 특징으로 하고 있다.

본 발명에 따른 정밀 프레스 장치 및 그것에 있어서의 프레스 하중 제어 방법에 의하면, 챔버 내의 부압에 기인하여 수압부와 가압부를 서로 끌어당기는 힘이 발생하지만, 실린더 내의 유체 압력에 기초하여 통 형상 플런저에 가압력을 발생시켜, 끌어당기는 힘과 가압력을 균형을 이루게 하여 상쇄시킬 수 있으므로, 프레스 스테이지에서 전사되는 기판 등으로의 하중을 구동부에 의한 구동력에 기초하여 높은 정밀도로 제어할 수 있다.

또한, 상기한 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치는, 가이드 포스트에 보유 지지기를 통해 미끄럼 이동 안내되는 가압부, 상기 가이드 포스트에 고정되어 있는 수압부, 상기 가압부와 상기 수압부의 각 대향면에 장착되는 프레스 스테이지 및 상기 가압부를 베어링 부재를 통해 구동시키는 구동부를 구비하고, 상기 가압부와 상기 보유 지지기 사이 및/또는 상기 수압부와 상기 가이드 포스트 사이에는 탄성체가 개재 장착되어 있어, 상기 탄성체가 변형됨으로써 상기 양쪽프레스 스테이지의 면끼리가 서로 배열되어 상기 양 프레스 스테이지에 가해지는 하중을 균일하게 하는 것을 특징으로 하고 있다.

이 정밀 프레스 장치에 의하면, 평행도 조정을 행하는 기구가 프레스 스테이지의 근방에는 배치되어 있지 않고, 가이드 포스트와 가압부 및/또는 수압부 사이에서 탄성체로서 설치되어 있기 때문에, 가압부와 수압부의 상대적인 기울기나 휨이 이 탄성체로 흡수된다.

본 발명에 따르면, 간소하면서 저렴한 구조로, 양호한 진공 상태, 고정밀도의 압력 제어가 가능한 정밀 프레스 장치 및 정밀 프레스 장치에 있어서의 프레스 하중 제어를 실현할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 정밀 진공 프레스 장치를 미세 구조 전사 장치에 적용한 경우에는 전사되는 재료의 두께의 변화에 용이하게 대응할 수 있다.

또한, 본 발명의 정밀 프레스 장치에 의하면, 간소한 구조로 저렴하고, 고정밀도의 평행도가 얻어지는 미세 구조 전사 장치를 실현할 수 있다. 또한, 평행도 조정을 행하는 기구 그 자체의 구조가 간단할 뿐만 아니라, 프레스 스테이지의 주위의 구조도 간소화된다. 프레스 스테이지의 주위에는, 프레스 상태를 검지하는 센서를 배치하거나 혹은 히터나 냉각로 등의 열관리를 행하는 수단을 배치할 수 있고, 온도 관리가 용이해져 승강온의 방해가 되지 않아, 저압으로부터 고압, 또는 피전사물 사이즈의 대소에 관계없이 평행도의 추종을 행할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 일 실시예를 도시하는 단면 개요도.
도 2는 도 1에 도시된 정밀 프레스 장치의 챔버의 조감도 및 단면도.
도 3은 형상 변경 시의 정밀 프레스용 진공 보유 지지 기구의 단면 개요도.
도 4는 종래의 진공 박스 사용 시의 장치 개요도.
도 5는 별도 압박용 실린더(24) 설치 시의 장치 개요도.
도 6은 별도 인장압용 실린더(25) 설치 시의 장치 개요도.
도 7은 진공 프레스 시의 각 스텝 동작의 개요도.
도 8은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 제어 블록도.
도 9는 스텝A 시의 흐름도.
도 10은 스텝B 시의 흐름도.
도 11은 스텝C 시의 흐름도.
도 12는 본 발명에 따른 나노 프린트 장치의 본체 개략도.
도 13은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 프레스 스테이지의 개략도.
도 14는 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 프레스 스테이지의 조감도.
도 15는 본 발명의 프레스 스테이지의 평면도.
도 16은 본 발명의 다른 프레스 스테이지의 평면도.
도 17은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 일 실시 형태를 도시하는 개략 단면도.
도 18은 도 1에 도시된 정밀 프레스 장치의 개략 사시도.
도 19는 도 1에 도시된 정밀 프레스 장치의 탄성체 설치와 다른 탄성체 설치를 도시하는 부분도.
도 20은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 개략 단면도.
도 21은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 개략 단면도.
도 22는 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 개략 단면도.

이하, 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 실시 형태를, 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다.

본 정밀 프레스 장치의 실시 형태는, 극미세한 패턴의 프레스 성형을 행하는 미세 구조 전사 장치(나노 임프린트 장치)로서 적용되고 있다. 도 1에 도시된 정밀 프레스 장치는, 기본적으로 복수개의 서로 평행하게 배치된 가이드 포스트(3a, 3b)(이하, 총칭으로서 부호 3을 사용한다. 다른 구성 요소에 대해서도 마찬가지)의 일단부에 고정되어 있는 수압부(2)와, 수압부(2)에 대향하여 배치되어 있으며 또한 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동하여 수압부(2)에 대하여 진퇴 가능하게 배치되어 있는 가압부(1)와, 프리 베어링(10)을 개재하여 가압부(1)를 수압부(2)를 향하여 구동하는 구동부(11)를 구비하고 있다. 여기서, 프리 베어링(10)은, 플렉시블 조인트로 압력 센서를 조합하여 압력도 계측하고 있다. 그리고, 가이드 포스트(3)를 3개 이상으로 함으로써, 가압부(1)의 균일한 가이드를 가능하게 하고 있다. 서로의 평행성을 확보할 수 있는 것이라면, 가이드 포스트(3)는 2개로도 가능하다.

가압부(1)는, 가이드 포스트(3)에 대하여 보유 지지기(4)를 통하여 미끄럼 이동 가능하게 배치되어 있다. 가압부(1)에는 각 가이드 포스트(3)를 삽입 관통시키는 미끄럼 이동 구멍이 형성되어 있다. 보유 지지기(4)로서는, 예를 들어 직동 가이드 베어링 등을 사용할 수 있어, 성형형과 전사 대상물이 접촉될 때까지 고 얼라인먼트성을 구비할 수 있다. 보유 지지기(4)에는 그 일단부측에 플랜지부가 설치된 통 형상으로 형성되어 있고, 당해 플랜지부가 가압부(1)에 접촉되어 위치 결정되어 있다. 보유 지지기(4)의 통 형상 내부에 가이드 포스트(3)가 삽입 관통되어 있으며, 보유 지지기(4)는 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동 가능하여 그 결과, 가압부(1)는 보유 지지기(4)를 통하여 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동 가능하다.

가압부(1)와 수압부(2)의 대향면측에는, 각각 프레스 스테이지(50a, 50b)가 설치되어 있다. 프레스 스테이지(50a, 50b)에는, 한쪽에 있어서 표면에 미세 가공이 형성되어 있는 원판이 배치되고, 다른 쪽에는 기판이 배치되어 있어, 프레스 시에 기판과 원판이 서로 눌림으로써 기판에는 원판의 미세 가공이 전사된다.

가압부(1)를 구동시키는 구동부(11)는 프리 베어링(10)을 개재하여 가압부(1)를 압박한다. 프리 베어링(10)의 선단부는 구면으로 되어 있고, 프레스 작동 시에 가압부(1)와 수압부(2)가 배열되는, 즉 후술하는 프레스 스테이지(50a, 50b)가 배열된 경우에 있어서도, 가압부(1)에 대하여 단일점에서 하중을 작용시키는 것이 가능하다. 따라서, 가압부(1)와 수압부(2)의 배열이 보유 지지되어, 프레스 스테이지(50)에 균일한 하중이 작용하여 고 평탄도의 정밀도로 프레스 성형을 행할 수 있다.

가압부(1)와 구동부(11)는 볼트 고정되어 있지 않고, 스트리퍼 볼트, 댐퍼, 또는 스프링과 같은 어느 정도 요동이 가능한 상태로 설치되어 있으며, 프리 베어링(10)에 탑재되어 있다. 또한, 구동부(11)와 가압부(1)의 접촉을 행하는 개재 수단으로서 프리 베어링(10)으로 했지만, 그 대신에 구체와 구면을 조합한 구면 베어링을 구비한 프리 조인트로 하는 것도 가능하다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서는, 구동부(11)의 구동원으로서, 서보 모터, 에어 실린더, 유압 실린더 등을 사용할 수 있다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서는, 구동부(11)가 가압부(1)를 누를 때에 프리 베어링(10)이 가압부(1)에 접촉되는 접촉부는 단일점으로 했지만, 복수점이 균등하게 배열된 구성으로 할 수도 있다. 복수점을 배열할 경우에도, 각 점은 균등하게 배치되어 있으므로, 가압부(1) 및 프레스 스테이지(50b)에는 하중이 균일하게 가해지게 되어 있다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서는, 챔버(16)는 프레스 스테이지(50)를 최소 범위로 둘러싸는 형상을 하고 있다. 챔버(16)는 가압부(1)측과 수압부(2)측에 각각(즉, 상하로 2개), 또는 적어도 한쪽에 배치된다. 도시한 예에서는, 챔버(16)는 수압부(2)측에 있어서는, 유체로 미끄럼 이동하는 통 형상의 플런저(7)를 출몰 가능하게 구비한 통 형상 실린더 방식의 챔버이며, 다른 한 측인 가압부(1)측에 있어서는, 고정 높이의 링(8)으로 구성되어 있다. 가압부(1)측에 있어서, 링(8) 대신에 챔버(16)와 마찬가지의 통 형상 실린더 방식의 챔버로 할 수 있다. 챔버(16)의 표면, 즉 가압부(1)와 수압부(2)의 대향면에 접촉되는 단부면에는 챔버(16) 내가 진공으로 될 때에 그 진공을 보유 지지하기 위한 실링부를 형성하는 링 형상의 탄성체(9), 예를 들어 O링이 적어도 하나 설치되어 있다.

실린더실(17)에 들어가는 유체의 압력(19)은 제어 가능하다. 프레스 시에는 챔버(16) 내는 소위 진공 상태로까지 흡인된다. 챔버(16) 내에 발생하는 부압(22)에 의해, 가압부(1)와 수압부(2)에는 외기의 압력에 기인하여 서로 끌어당기는 힘이 작용한다. 가압용 개구(12)로부터 실린더실(17)에 유체를 넣음으로써 플런저(7)가 압하되어, 가압부(1)와 수압부(2)를 분리하는 방향의 가압력(20)이 발생하여 부압(22)에 기초하는 상기한 끌어 당기는 힘을 상쇄시킬 수 있다.

압력 조정을 행하는 타이밍으로서는 도 7에 도시된 바와 같은 스텝A, B, C의3개를 들 수 있고, 이들 상황에 따라 압력 제어가 가능하다. 이러한 정밀 프레스 장치의 제어 블록도 및 압력 제어에 있어서의 각 스텝의 흐름도를 도 8 내지 도 11에 도시한다.

도 8에 도시된 정밀 프레스 장치의 제어 블록도에 의하면, 정밀 프레스 장치는, 제어부(30)와 센서부(40)와 메카니즘부(150)로 이루어져 있다. 센서부(40)에는 프레스 하중을 검출하는 하중압계(41)와, 챔버(16) 내의 압력을 검출하는 진공압계(42)를 구비하고 있다. 제어부(30)는 센서부(40)로부터의 상기 각 압력계로부터의 검출 출력이 입력되는 PLC(프로그래머블 콘트롤러)(31)와, PLC(31)의 출력을 받아 구동부(11)를 구성하는 액추에이터 등 제어 기기(32)와, 실린더실(17) 내로의 유체 압력을 제어하는 공압 제어 기기(33)를 구비하고 있다. PLC(31)에 있어서는, 각 스텝A, B, C의 제어 내용이 프로그램으로서 기입되어 있다. 또한, PLC(31)는 챔버(16) 내의 압력을 변경?제어하는 진공 펌프(53)를 제어하고 있다. 메카니즘부(150)는, 구동부(11) 등의 동력원(51), 챔버(16)의 플런저(7)의 출몰을 행하는 실린더실(17) 등을 구비하는 유체 작동부(진공 챔버)(52) 및 진공 펌프(53)를 구비하고 있다.

스텝A에서는, 도 7의 상단의 도면에 도시된 바와 같이 가압부(1)가 구동부(11)의 구동에 의해 프리 베어링(10)을 개재하여 눌려 진공화 가능한 위치까지 이동하고, 그 후 진공화(21)를 행했을 때에 챔버(16) 내에 발생하는 부압(22)을 상쇄시키기 위해서, 가압용 개구(12)로부터 실린더실(17)로 유체의 압력(19)을 도입함으로써 가압력(20)을 발생시킨다. 도 9는 스텝A의 제어 내용을 도시하는 흐름도이다. 도 9에는, 가압부(1)의 진공화 가능한 위치까지의 이동과, 그 후의 진공화(21)의 스텝이 도시되어 있다. 즉, 구동부(11)의 구동에 의해 가압부(1)를 수압부(2)의 방향으로 이동시키는 동시에, 플런저(7)를 압출하여(스텝1, 「S1」로 약기한다. 이하 동일하다), 가압부(1)를 수압부(2)와의 사이에서 실린더와 플런저(7) 및 링(8)에 의해, 프레스 스테이지(50)를 둘러싸는 챔버(16)가 형성된다. 진공화 가능 위치에까지 도달하면(S2), 실린더에 관한 액추에이터 작용에 의한 플런저(7)의 이동이 정지되어, 진공 펌프(53)의 작동을 ON으로 하여 진공화가 개시된다(S3). 스텝7에서는, 하중이 0이며 또한 진공도가 설정값 이하이면, 스텝A가 완료되고, 다음 단인 스텝B으로 이행되지만, 그렇지 않은 경우에는 스텝4로 복귀되어, 하중이 플러스 또는 마이너스에 따라 압력 감소(S5) 또는 압력 증가(S6)를 행한다.

다음에 스텝B에 있어서는, 도 7의 중단의 도면에 도시된 바와 같이 진공화 완료 후에 가압부(1)가 피전사물(18)의 전사 위치까지 이동할 때에 발생하는 플런저(7)의 미끄럼 이동 마찰 저항(23)을 상쇄시키기 위하여 가압력(20)을 조정한다. 도 10은 스텝B의 제어 내용을 도시하는 흐름도이다. 도 10에는, 플런저(7)의 미끄럼 이동 마찰 저항(23)을 상쇄시키기 위하여 가압력(20)을 조정하는 스텝이 도시되어 있다. 즉, 가압부(1)가 수압부(2)를 향하는 방향으로 이동하고(S11), 미끄럼 이동 마찰 저항이 고유값 이하인지의 여부를 판정하여(S12), 판정 결과가 "예"이면 공압 제어로 압력을 감소시키고(S14), 하중이 0인지의 여부를 판정하여(S15), 판정 결과가 "예"이면 스텝B가 완료되고, 다음 단인 스텝C로 이행되지만, 그렇지 않을 경우에는 스텝14로 복귀되어, 공압 제어를 반복한다. S12의 판정 결과가 "아니오"이면, 에러 처리(S13)를 한다. 이때, 플런저(7)가 이동할 때의 마찰력이기 때문에, 이동 속도, 접촉 면적, 마찰 계수로부터 구해지는 고유의 값이며, 그 수치를 상회하는 외력이 발생한 경우에 대응하기 위해, 에러 처리(S13)를 도입하고 있다. 이 스텝은 피전사물(18)이 프레스 플레이트(5)면에 접촉되기 전에 행하여지기 때문에, 매우 단시간에 행하여지는 것이다. 또한, 상기 기재한 바대로, 미끄럼 이동 마찰 저항(23)은 고유값이기 때문에, 그 값을 스텝C에서의 스텝22에 있어서의 하중+의 검출값으로부터 제외시킴으로써 스텝B를 생략하고, 스텝A로부터 스텝C로 가는 것도 가능한다.

마지막으로 스텝C에 있어서는, 도 7의 하단의 도면에 도시된 바와 같이 피전사물(18)이 프레스 스테이지(50)면에 접촉되었을 때, 진공화되는 면적이 변화되기 때문에(면적 감소), 압력 변동이 발생한다(끌어당기는 힘 감소). 그 부압(22)의 변화를 상쇄시키기 위하여 가압력(20)을 조정하는 제어를 행하는 것이다. 도 11은 스텝C의 제어 내용을 도시하는 흐름도이다. 도 11에는 진공화 면적의 변화에 기인한 끌어당기는 힘 변동을 상쇄시키기 위한 가압력(20)을 조정하는 스텝이 도시되어 있다. 즉, 가압부(1)가 수압부(2)의 방향으로 이동하여(S21), 상술한 바와 같이, 피전사물(18)이 프레스 스테이지(50)면에 접촉되었을 때 부압(22)은 감소되지만, 가압력(20)은 그대로의 힘을 유지하기 때문에 힘의 균형이 무너져, 검출되는 압력(하중)은 급격하게 증대된다(S22). 그 힘을 검출한 시점에서, 가압부(1)는 이동을 정지하고, 가압력(20)을 감소시켜(S23), 부압(22)과 균형을 맞추어 하중이 0으로 되도록 제어를 행하고(S24), 하중이 0으로 된 시점에서 스텝C가 완료된다.

여기서, 압력 계산값으로서는 다음에 기재된 바와 같다.

가압력(20)=플런저(7) 면적(혹은 별도 설치의 실린더 내경)×유체의 압력(19)

스텝A일 때의 부압(22)=실린더내 면적×외기압과의 차(약 0.1MPa)

스텝B일 때의 부압(22)=부압(22a)-플런저(7)의 미끄럼 이동 마찰 저항(23)

스텝C일 때의 부압(22)=[실린더내 면적-피전사체(18)의 접촉 면적]×외기압과의 차(약 0.1MPa)

이 정밀 프레스 장치에 있어서는, 실린더(17)를 가압하기 위한 유체로서는, 에어, 가스, 오일, 물, 기타 유체를 사용할 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 실링부를 형성하는 탄성체(9)로서, O링, 또는 그 대체가 되는 수지(우레탄, 실리콘, 폴리이미드, 불소, 폴리에틸렌 등)를 사용할 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 진공 시의 부압(22)을 챔버(16)에 부가한 실린더 기구[실린더실(17)로의 압력 도입]로 상쇄시키는 것이 아니라, 도 5에 도시된 바와 같은 수압부(2) 내지 가압부(1) 사이에 별도로 압박용 실린더(24a, 24b)를 설치하여, 압박용 실린더(24a, 24b)의 가압력(20)에 의해 챔버(16) 내의 부압(22)에 반발시킬 수 있다. 또는, 도 6에 도시된 바와 같이, 가압부(1)의 이측에 인장압용 실린더(25a, 25b)를 설치하고, 끌어 당기는 힘(20)에 의해 부압(22)을 상쇄시킬 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 챔버(16)의 실린더 형상의 통벽에 대해서는, 그 형상을 원통형 이외에, 단면이 사각, 다각형, 타원 등, 실린더 기구를 구비할 수 있는 형상을 갖게 할 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 가압부(1) 및 수압부(2)는 상하 역배치로 되어도 장치로서 성립시킬 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이 수압부(2) 또는 가압부(1)의 대향면에 환상 홈을 가공하여 환상 실린더실을 성형하고, 환상 실린더실에 통 형상의 플런저(7)를 매립하여 실린더 기구를 구성할 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 도 3에 도시된 바와 같이 가압부(1)와 수압부(2) 중 적어도 한쪽은 실린더 형상을 취하고 있지만, 다른 한쪽(이 예에서는, 가압부 일측)에서 챔버(16) 및 링(8)을 제거하여, 대향면 그 자체로서도 프레스 가능하게 할 수 있다.

이 정밀 프레스 장치에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같이 플런저(7)가 챔버(16)로부터 분리되지 않도록, 챔버(16)의 실린더측에는 플런저(7)와 걸림 가능한 스토퍼로서의 엔드 플레이트(26)를 적어도 하나 이상 설치할 수 있다. 또한, 이 경우, 플런저(7)에는 기판 등의 두께를 허용하기 위하여, 엔드 플레이트(26)와 간섭하지 않는 영역으로서의 홈을 형성할 수 있다. 또한, 실린더실(17)에 연통되는 가압용 개구(12)는 실린더의 외측에 개방되어 형성할 수 있다. 또한, 진공 누설을 방지하기 위해 O링(9)을 수용하는 홈이 통 형상 플런저(7)의 선단면 및 실린더의 상단부면에 형성되어 있다. 또한, 실린더실(17) 내의 유체 누설을 방지하기 위해 통 형상 플런저(7)의 내외의 각 통면에 형성된 주위 홈에, 실린더실(17)과의 사이에서 시일을 하는 O링이 수용되어 있다.

본 발명인 정밀 프레스 장치가 적용된 나노 프린트 장치의 정면도를 도 12에 도시한다.

도 12에 있어서, 참조 부호 101은 가이드 포스트(104)에 고정되어 있는 수압부, 참조 부호 102는 가이드 포스트(104)에 보유 지지기를 통하여 미끄럼 이동 안내되는 가압부, 참조 부호 103은 조정 너트로, 가이드 포스트(104)에 대하여 높이 조정 가능하게 고정한다. 참조 부호 105는 보유 지지기, 참조 부호 116은 조작 패널로, 챔버 내의 가압부나 수압부의 압력의 승압?강압, 온도의 승온?강온, 또한 챔버의 진공 제어, 또한 메뉴, 레시피를 설치하고, 압력이나 온도의 자동 제어의 설정 등을 행한다. 참조 부호 117은 수압부 및 가압부의 히터 온도 조절기이며, 참조 부호 118은 가압부의 압력을 표시하는 압력 표시기, 참조 부호 119는 챔버 내의 진공도를 표시하는 표시기이다. 참조 부호 120은 진공 챔버를 나타내고, 내부를 진공으로 하여 원판으로부터 기판으로의 전사를 행하는 실이다. 참조 부호 121은 프레임 또는 커버를 나타내고, 장치 내에 진애 등이 침입하지 않도록 하고 있다. 참조 부호 122는 캐스터로, 장치 전체를 이동할 때에 사용한다. 참조 부호 123은 어저스터로, 본 장치를 설치할 경우 수평도를 내기 위하여 높이 조정을 하는 것이다. 참조 부호 124는 앵커 시트로, 어저스터의 높이 조정에 의해 수평도가 나오면, 베이스에 고정하는 것이다. 참조 부호 125는 조작 버튼으로, 전원ON, OFF의 기능을 갖는다.

도 13 및 도 14에 본 발명 장치의 프레스 스테이지의 구조를 도시하고, 도 13은 프레스 스테이지의 단면도를, 도 14는 사시도를 도시한다.

도 13에 있어서, 참조 부호 110은 톱 플레이트, 참조 부호 11은 냉각 가열 플레이트로, 이 냉각 가열 플레이트(111)의 내부에 히터(115) 및 냉각용 통로를 설치한다. 참조 부호 112는 냉각 가열 플레이트(111)에 접속한 단열재로, 히터(115)에 의해 가열된 열이 방열되지 않도록 하고 있다. 또한, 이 단열재(112)에 냉각용의 구멍을 형성하고, 냉각 가열 플레이트(111)를 경유하여 다시 단열재(112)에 설치한 다른 구멍으로부터 냉각용 냉매가 복귀되도록 하고 있다. 도 13에서는, 참조 부호 113이 냉각 매체 입구이며, 참조 부호 114가 냉각 매체 출구를 나타낸다. 냉각 매체로서, 에어, 가스, 물, 오일 등이 있다.

히터(115)는, 냉각 가열 플레이트(111)에 개략 등간격으로 배치되어 있고, 냉각용의 통로(관)도 히터 사이에 거의 등간격으로 배치되어 있다. 이렇게 등간격으로 배치함으로써 톱 플레이트 상의 열의 분포를 균일하게 하는 효과, 즉 온도 편차를 없애는 효과가 있다. 또한, 도 14에 도시된 바와 같이 히터(115)는 직선 형상의 히터를 사용하고, 한쪽으로부터 전원 라인에 접속하여 전원을 온, 오프함으로써 온도 상승이나 하강을 제어한다.

또한, 톱 플레이트(110) 및 냉각 가열 플레이트(111)는, 지금까지 재질 스테인리스가 있었지만, Cu 합금을 채용함으로써 열전도율이 높기 때문에, 프레스 스테이지의 승강온의 제어를 단시간에 할 수 있어, 전사 시간의 단축화를 도모할 수 있어, 효율 향상의 효과가 있다.

도 15는 본 발명 장치의 프레스 스테이지의 냉각 가열 플레이트(111)의 평면도를 도시한다. 도 15에 있어서, 참조 부호 115는 히터로, 공백 부분인 참조 부호 113, 114가 냉각용의 통로를 나타내고, 참조 부호 113은 냉각 매체 입구이며, 참조 부호 114가 냉각 매체 출구를 나타낸다. 냉각 매체를 좌측 상부의 냉각 매체 입구로부터 넣고, 우측 상부의 냉각 매체 출구로부터 나온 매체를 2단째의 냉각 통로의 우측으로부터 넣고, 2단째의 냉각 통로의 좌측으로부터 나온 냉매를 3단째의 냉각 통로에 넣어, 이 구성은 냉각 매체를 냉각 통로의 순서대로 보내는 구성이다. 이와 같은 구성에 의해, 톱 플레이트의 온도를 균일하면서, 또한 단시간에 냉각할 수 있는 효과를 갖는다.

또한, 도 16은 냉각 매체의 흐름을 바꾼 다른 실시예이다. 도 16의 구성은, 좌측으로부터 제1단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분), 제3단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분) 및 제5단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분)에 냉매를 흘리고, 우측으로부터 제2단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분), 제4단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분) 및 제6단째의 냉각 통로(도면의 공백 부분)에 냉각 매체를 유입하는 구성이다. 이렇게 좌우로부터 냉각 냉매를 흘림으로써, 프레스 스테이지의 냉각 효과를 높일 수 있다. 또한, 톱 플레이트의 온도 편차를 작게 하는 효과도 갖는다.

본 발명의 장치는, 지금까지, 나노 스케일(나노미터는, 10억분의 1미터)의 요철 패턴을 성형하는 기술인 열 나노 임프린트 및 광 나노 임프린트의 기술로서 연구?개발되고 있다. 이번의 개발에 따른 열 나노 임프린트 장치는, 가열/냉각 기구를 개량함으로써 전사 스테이지면 내의 온도 변동을 억제하면서, 120°의 승강온 시간을 4분으로 대폭 저감시키는 동시에, 장치 구조와 부품의 재검토를 도모함으로써, 동일 수준의 나노 임프린트 장치로서는 소형화이면서 저가격화를 실현했다. 본 장치를 사용함으로써, φ150㎜까지의 워크 사이즈에 대하여 나노 스케일의 구조체를 10분 이내로 성형하는 것이 가능해진다. 금회의 나노 임프린트 장치의 사양은 다음과 같다.

열 나노 임프린트 장치의 사양

차세대의 미세 가공 기술의 하나로서 주목을 받고 있는 나노 임프린트 기술은, 일본?미국?유럽을 중심으로 실용화를 향한 다양한 연구?개발이 행해지고 있다. 나노 임프린트란, 나노 스케일의 요철 패턴을 성형한 몰드(금형, 스탬퍼, 템플릿이라고도 한다)를, 폴리머 등의 피전사재에 눌러, 요철 패턴을 성형하는 가공 기술이다. 본 기술을 사용하여, 반도체나 광 디바이스, 차세대 스토리지 디바이스, 바이오 디바이스 등의 개발이 진행되고 있으며, 그 실용화에 있어서는 생산성 향상이 하나의 과제로 되어 있다. 특히, 열 나노 임프린트에서는, 글래스 전이 온도 이상까지 가열함으로써 연화시킨 피전사재에 몰드를 프레스하는 기술이기 때문에, 그 승강온 시간이 고 처리량화의 보틀넥으로 되어 있다.

이러한 배경으로부터, 고 처리량화를 목표로 새로운 열 나노 임프린트 장치의 개발을 행했다. 열 해석에 기초하는 히터 구조 및 부재의 대폭적인 재검토에 의해, 가열 시의 온도 변동을 억제하는 동시에, 가열 시간의 단축을 실현했다. 또한, 사출 성형 광 디스크용 금형으로 배양되어 온 냉각 제어 기술을 활용함으로써, 냉각 시간을 대폭 단축했다. 기타 종래 기계의 진공 챔버 구조를 재설계함으로써, 챔버 내용적을 축소시켜, 장치의 소형화와 탈기 시간의 대폭적인 단축이 가능하게 되었다.

또한, 본 출원인이 갖는 플라스틱 성형 금형의 정밀 가공 기술을 구사하여 전사 스테이지 표면은 평면도 수㎛, 면 정밀도 수㎚의 고정밀도 스테이지로 되어 있다. 또한, 몰드의 세트 작업이나 전사 스테이지 교환 등의 작업을 고려하여 워크 취출부를 종래 기계보다도 크게 함으로써, 메인터넌스성을 향상시키고 있다.

본 발명 장치의 특징은, 가열?냉각 기구를 개량하여, 업계 톱 클래스의 승강온 시간4(60°→180°→60°)를 실현하고 있는 것에 있다. 또한, 장치 구조와 부품을 재검토하여, 동일 수준(φ6inch)의 장치로서는, 소형화이면서 저가격화로 되어 있다. 전사 사이즈(폭, 길이, 시트 두께)에 대해서는, 본 장치는 최대 6inchφ 대응이다. 시트 두께에 대해서는, 불문이다. 또한, 양면 전사가 가능하다. 전사 재질은, PS(폴리스티렌), PC(폴리카보네이트), PMMA(피엠엠에이) 등의 열가소성 수지나 열경화성 수지로의 전사가 가능하다.

가열 최대 온도는 300℃이다. 냉각 방법은, 고정밀도의 온도 조정을 행하기 위해 수냉(급랭)과 N₂(질소) 가스 냉각(제냉)의 2개의 방법을 채용하고 있다. 진공도는 1.33kPa(10Torr) 이하로 한다. 본 장치의 최대 하중은 98kN(10t)이 된다. 전사 스피드는, 전사하는 패턴 형상에도 의하지만, 기본 프로세스로 10분 이하로 전사가 가능하다. 프로세스 조건 등의 최적화에 의해 새로운 단축도 가능하다.

가압 방법으로서는, 미세한 나노 구조를 고정밀도로 전사하기 위해, 2단계 압력 제어 방법이 채용되어 있다. 2단 가압이란, 스테이지 상승에 수반하는 서보 모터의 토크 제어로 제1 가압을 행하고, 그 후 본 가압을 행하는 가압 방법이다.

대면적으로의 전사는, 본 장치는 최대 φ6inch 대응이지만, 지금까지의 본 출원인에 의한 장치 개발에서는 최대 φ12inch로의 전사 실적이 있다. 고 어스펙트비의 전사는 통상 어스펙트비 2 이하의 전사를 한다. 최소 전사 사이즈는, 최소 전사 사이즈로서는 φ70㎚, H110㎚의 도트 패턴을 전사한 실적이 있다. 관통 구멍의 전사는, 일반적으로 나노 임프린트 기술을 사용한 관통 구멍의 가공은 불가능하다고 생각된다. 피전사 재료의 온도 분포, 몰드 형상 오목 패턴으로의 기포 고임의 영향에 의해 전사 정밀도가 떨어지는 것을 생각할 수 있으므로, 본 장치에서는 진공 분위기로 하고 있다. 또한, 옵션 대응에 의해 자동 박리 기구를 설치함으로써 자동 박리 대응이 가능하다.

피전사재에 대해서는, 열가소성 재료나 열경화성 수지에 대응 가능하지만, 결정성의 수지에 대해서는 전사가 어려워지기는 하나, 가능하다. 기판 상에 도포된 수지로의 전사에 대해서는, Si(실리콘) 기판이나 글래스 기판으로 열가소성 수지나 열경화성 수지를 도포하고, 전사하는 것은 가능하다. 몰드의 재료로서는, 몰드 재료로서는, Si(실리콘), Ni(니켈), 석영 등이 된다. 몰드의 제작에 대해서는, 반도체 제조 기술인 포토리소그래피나 전자선 직접 묘화법을 사용하여 제작 가능하다.

다음에, 고정밀도로 평행도로 배열되기 위한 정밀 프레스 장치에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 실시 형태를, 도 17 및 도 18을 참조하여 설명한다. 본 정밀 프레스 장치의 실시 형태는, 극미세한 패턴의 프레스 성형을 행하는 미세 구조 전사 장치(나노 임프린트 장치)로서 적용되고 있다. 도 17에 도시된 정밀 프레스 장치는, 기본적으로 복수개(3개, 바람직하게는 도시한 바와 같이 4개)의 서로 평행하게 배치된 가이드 포스트(3a, 3b, 3c, 3d)(이하, 총칭으로서 부호 3을 사용한다. 다른 구성 요소에 대해서도 마찬가지)의 일단부에 고정되어 있는 수압부(2)와, 수압부(2)에 대향하여 배치되고 또한 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동하여 수압부(2)에 대하여 접촉 분리 가능하게 배치되어 있는 가압부(1)와, 프리 베어링(10)을 통하여 가압부(1)를 수압부(2)를 향하여 구동하는 구동부(11)를 구비하고 있다.

수압부(2)는 가이드 포스트(3)에 대하여 조정 너트(103)에 의해 고정되어 있다. 조정 너트(103)에는 세목 나사, 또는 그 이외의 나사를 사용할 수 있다. 조정 너트(103)에 의해, 조립 시에 있어서, 수압부(2)의 가이드 포스트(3)에 대한 설치 높이는 1/100㎜ 레벨에서의 조정이 가능하고, 조립 후에 있어서도 수압부(2)의 평탄도를 나노 레벨로 조정할 수 있다. 가이드 포스트(3)를 3개 이상, 바람직하게는 도시한 바와 같이 4개로 함으로써, 수압부(2)의 균일한 가이드를 가능하게 하고 있다. 서로의 평행성을 확보할 수 있는 것이면 가이드 포스트는 2개로 해도 가능하다.

가압부(1)는 가이드 포스트(3)에 대하여 보유 지지기(70) 및 탄성체(60)를 개재하여 미끄럼 이동 가능하게 배치되어 있다. 가압부(1)에는 각 가이드 포스트(3)를 삽입 관통시키는 미끄럼 이동 구멍이 형성되어 있고, 탄성체(60)가 당해 미끄럼 이동 구멍에 끼워 넣어지는 형태로 고정되어 있다. 보유 지지기(70)로서는, 예를 들어 직동 가이드 베어링 등을 사용할 수 있고, 성형형과 전사 대상물이 접촉될 때까지, 고 얼라인먼트성을 구비할 수 있다. 탄성체(60)는, 예를 들어 우레탄 수지로 이루어지는 통 형상을 갖고 있으며, 일단부측에 플랜지부가 설치되어 있고, 가압부(1)의 상면에 접촉되어 위치 결정되어 있다. 탄성체(60)에는, 그 통 형상 내부에 끼워 넣은 형태로 보유 지지기(70)가 설치되어 있다. 보유 지지기(70)도 일단부측에 플랜지부가 설치된 통 형상으로 형성되어 있고, 당해 플랜지부가 탄성체(60)의 플랜지부에 접촉되어 위치 결정되어 있다. 보유 지지기(70)의 통 형상 내부에 가이드 포스트(3)가 삽입 관통되어 있으므로, 보유 지지기(70)는 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동 가능하고, 그 결과 가압부(1)는 보유 지지기(70) 및 탄성체(60)를 개재하여 가이드 포스트(3) 상을 미끄럼 이동 가능하다.

수압부(2)와 가압부(1)의 대향면측에는, 각각 프레스 스테이지(50a, 50b)가 설치되어 있다. 프레스 스테이지(50a, 50b)에는 한쪽에 있어서 표면에 미세 가공이 형성되어 있는 원판이 배치되고, 다른 쪽에는 기판이 배치되어 있고, 기판에는 프레스 시에 원판에 눌림으로써 원판의 미세 가공이 전사된다.

탄성체(60)는 프레스 시의 평탄도를 나노 레벨로 맞추기 위해, 가이드 포스트(3)에 설치되어 있다. 탄성체(60)로서는, 가압부(1)의 램 전체를 탄성체(60)에 보유 지지시킴으로써, 프레스 스테이지(50b) 또는 가압부(1) 전체를 탄성체(60)로 보유 지지하여, 가압부(1)의 기울기 및 휨을 흡수하여 수압부(2)에 배열되도록 한 것이다.

본 정밀 프레스 장치의 작동으로서, 가압부(1)는 보유 지지기(70) 및 탄성체(60)에 의해 가이드 포스트(3)에 가이드되고 있어, 가압할 때까지의 요동 시에 있어서는, 탄성체(60)는 왜곡되지 않기 때문에 고정밀도의 얼라인먼트성이 있다. 가압부(1)를 구동시키는 구동부(11)는 프리 베어링(10)을 개재하여 가압부(1)를 압박한다. 프리 베어링(10)의 선단부는 구면으로 되어 있고, 프레스 작동 시에 수압부(2)와 가압부(1)가 배열되는, 즉 후술하는 프레스 스테이지(50a, 50b)가 탄성체(60)의 탄성 변형에 의해 배열된 경우에 있어서도, 가압부(1)에 대하여 단일점에서 하중을 작용시키는 것이 가능하다. 가압 시에 있어서는 탄성체(60)가 탄성 변형을 함으로써, 수압부(2)와 가압부(1)의 상대적인 기울기나 휨이 흡수된다. 따라서, 수압부(2)와 가압부(1)의 배열이 보유 지지되어, 프레스 스테이지(50)에 균일한 하중이 작용하여, 고 평탄도의 정밀도로 프레스 성형을 행할 수 있다.

가압부(1)와 구동부(11)는 볼트 고정되어 있지 않고, 스토리퍼 볼트, 댐퍼, 또는 스프링과 같은, 어느 정도 요동이 가능한 상태로 설치되어 있으며, 프리 베어링(10)에 탑재되어 있다. 또한, 구동부(11)와 가압부(1)의 접촉을 행하는 개재 수단으로서 프리 베어링(10)으로 했지만, 그 대신에 구체와 구면이 조합된 구면 베어링을 구비한 프리 조인트로 하는 것도 가능하다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서는, 탄성체(60)로서 1종류 혹은 탄성률이 서로 다른 탄성체를 복수 종류 동시에 사용할 수 있다. 도 19는 탄성체(60)로서 탄성률이 서로 다른 2종류의 탄성체(60a, 60a')를 동시에 사용한 정밀 프레스 장치의 주요부를 도시하는 단면도이다. 이 예에서는, 탄성체(60a, 60a')를 끼워넣는 식으로 내외의 이중 통체로서 구성되어 있다. 이러한 복수 종류의 탄성체를 사용함으로써, 프레스 성형의 소재 종류에 의한 필요압의 변화에 대응하여 성형형의 기울기에도 추종할 수 있다. 또한, 탄성체(60)에는 우레탄 이외의 수지(실리콘, 폴리이미드, 불소, 폴리에틸렌 등), 스프링, 또는 댐퍼를 사용할 수도 있다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서, 탄성체(60)의 형상은, 일단부에 플랜지가 형성된 플랜지가 부착된 통 형상체로서 설명했지만, 이에 한하지 않고, 통 형상, 원 형상, 사각 형상 등의 통체로 할 수 있고, 수압부(2)와 가압부(1)에서의 배열이 얻어지는 탄성체의 형상으로 할 수도 있다.

본 정밀 프레스 장치에 있어서는, 구동부(11)가 가압부(1)를 누를 때에 프리 베어링(10)이 가압부(1)에 접촉되는 접촉부는 단일점으로 했지만, 복수점이 균등하게 배열된 구성으로 할 수도 있다. 복수점을 배열하는 경우에도 각 점은 균등하게 배치되어 있으므로, 가압부(1) 및 프레스 스테이지(50b)에는 하중이 균일하게 가해지게 되어 있다.

도 20은 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 다른 실시 형태를 도시하는 종단면도이다. 도 20에 도시된 실시 형태에 있어서는, 도 17에 도시된 실시 형태에 비하여 가이드 포스트(3)에 대하여 프레스 스테이지(50a, 50b)의 성형형의 기울기를 추종하기 위한 탄성체(60A, 60B)가, 가압부(1)에 설치하는데 대신하여 수압부(2)에 설치되어 있다. 탄성체(60A, 60B)는 플랜지형의 통 형상체로 구성되어 있고, 조정 너트(103a, 103a')에 의해 끼워짐으로써 수압부(2)에 고정되어 있다. 이 실시 형태에서는 수압부(2)와 가압부(1)의 상대적인 기울기 및 휨은, 수압부(2)측에만 설치되어 있는 탄성체(60A, 60B)가 흡수한다. 가압부(1)는 보유 지지기(70)를 통하여 가이드 포스트(3)에 대하여 미끄럼 이동 가능하게 되어 있다. 그 밖의 구성은, 도 17 및 도 18에 도시된 실시 형태와 마찬가지이므로, 다시 설명을 생략한다.

도 21은, 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 종단면도이다. 도 21에 도시된 실시 형태에 있어서는, 도 17에 도시된 실시 형태에 비하여 가이드 포스트(3)에 대하여 프레스 스테이지(50a, 50b)의 성형형의 기울기를 추종하기 위한 탄성체(60)가, 가압부(1)에 설치되는 것 외에 추가로 수압부(2)에 있어서도 설치되어 있다. 수압부(2)측에서는, 탄성체(60A, 60B)가 플랜지형의 통 형상체로 구성되어 있고, 조정 너트(103a, 103a')에 의해 끼워짐으로써 수압부(2)에 고정되어 있다. 이 실시 형태에서는, 가압부(1)측에 있어서도 탄성체(60a, 60b)가 설치되어 있다. 따라서 수압부(2)와 가압부(1)의 상대적인 기울기 및 휨은 수압부(2)와 가압부(1)에 각각 설치되어 있는 탄성체(60A, 60B, 60a, 60b)가 흡수한다. 가압부(1)는 보유 지지기(70)를 통하여 가이드 포스트(3)에 대하여 미끄럼 이동 가능하게 되어 있다. 그 밖의 구성은, 도 17 및 도 18에 도시된 실시 형태와 마찬가지이므로, 다시 설명을 생략한다.

도 22는 본 발명에 따른 정밀 프레스 장치의 또 다른 실시 형태를 도시하는 종단면도이다. 도 22에 도시된 실시 형태에서는, 도 19에 도시된 실시 형태에 있어서, 구동부(11) 및 프리 베어링(10)이 도 19에 도시된 예에 있어서의 가압부(1)로 되어 있는 측으로부터 수압부(2)로 되어 있는 측으로 이전 설치되어 있다. 따라서, 도 22에 도시된 실시 형태에서는, 부호 2가 가동부로서의 가압부를 나타내고 있고, 부호 1이 고정부로서의 수압부를 나타낸다. 또한, 구동부(11)에서 이동되는 가동부는, 상하 좌우의 어느 방향에도 설치할 수 있어, 어떤 경우든 프레스 성형이 가능하다.

1, 102 : 가압부
2, 101 : 수압부
3, 104 : 가이드 포스트
4, 105, 70 : 보유 지지기
6 : 실린더
7 : 플런저
8 : 링
9 : O링(실링부)
10 : 프리 베어링
11 : 구동부
12 : 가압용 개구
13 : 진공화용 출입구
14 : 진공 박스
15 : 손잡이 및 도어
16 : 챔버
17 : 실린더실
18 : 피전사물 및 몰드
19 : 유체의 압력
20 : 가압력
21 : 진공화
22 : (진공화에 의한) 부압
23 : 플런저의 미끄럼 이동 마찰 저항
24 : 압박용 실린더
25 : 인장압용 실린더
26 : 엔드 플레이트
50 : 프레스 스테이지
53 : 진공 펌프
60 : 탄성체
103 : 조정 너트
110 : 톱 플레이트
111 : 가열 냉각 플레이트
112 : 단열재
113 : 냉각 매체 입구
114 : 냉각 매체 출구
115 : 히터
116 : 조작 패널
117 : 히터 온도 조절기
118 : 압력 표시 기기
119 : 진공도 표시기
120 : 진공 챔버
121 : 프레임
122 : 캐스터
123 : 어저스터
124 : 앵커 시트
125 : 조작 버튼

Claims

수압부, 당해 수압부에 대향하고 또한 상기 수압부에 대하여 진퇴 가능하게 배치된 가압부, 상기 수압부와 상기 가압부의 각 대향면에 장착되는 프레스 스테이지, 상기 가압부를 구동하는 구동부, 및 상기 수압부 및 상기 가압부의 접근 상태에서 상기 수압부와 상기 가압부의 사이에서 상기 프레스 스테이지를 밀봉 상태로 둘러싸는 통벽을 갖는 챔버를 구비한 정밀 프레스 장치에 있어서,
상기 챔버 내의 부압에 기초하여 발생하는 상기 수압부와 상기 가압부를 서로 끌어당기는 힘을 상쇄시키는 방향의 힘을 발생시키는 유체 작동부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 작동부는, 상기 통벽을 구성하고 있으며 또한 상기 수압부와 상기 가압부 중 적어도 한쪽에 설치된 실린더와, 상기 실린더 내의 유체 압력에 기초하여 다른 쪽을 향하여 진퇴 가능하게 설치된 통 형상 플런저와, 상기 실린더 내의 상기 유체 압력을 제어하여 상기 수압부와 상기 가압부를 서로 끌어당기는 힘을 상쇄시키는 방향의 힘인 가압력을 상기 통 형상 플런저에 발생시키는 압력 제어부를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제2항에 있어서, 상기 통 형상 플런저의 선단에는 진출 상태로 상기 수압부와 상기 가압부의 상기 다른 쪽에 접촉되어 상기 챔버를 진공 보유 지지하기 위한 시일 부재를 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제2항에 있어서, 상기 실린더는 상기 수압부와 상기 가압부 중 상기 한쪽에 상기 대향면에 설치된 통 형상 실린더이며,
상기 통 형상 플런저는 상기 통 형상 실린더의 내부에 밀봉 상태로 수용되고 또한 상기 통 형상 실린더 선단으로부터 상기 수압부와 상기 가압부 중 다른 쪽을 향하여 진퇴 가능하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제1항에 있어서, 상기 유체 작동부는, 상기 수압부와 상기 가압부를 서로 끌어당기는 힘을 상쇄시키기 위해, 상기 수압부와 상기 가압부 사이에 배치된 압박용 실린더, 또는 상기 가압부의 이측에 설치된 인장압용 실린더를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 작동부는 압력 조정을 행하는 타이밍으로서는 다음 3개의 스텝A, B, C를 순차적으로 실행하는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
스텝A에서는, 상기 가압부를 진공화 가능한 위치까지 이동하고, 진공화를 행했을 때에 발생하는 부압을 상쇄시키기 위해 가압력을 발생시킨다.
스텝B에 있어서는, 진공화 완료 후에 상기 가압부가 피전사물의 전사 위치까지 가동할 때에 발생하는 상기 유체 작동부의 미끄럼 이동 저항을 상쇄시키기 위해서, 상기 가압력을 조정한다.
스텝C에 있어서는, 상기 피전사물이 프레스 플레이트면에 접촉되었을 때, 진공화되는 면적이 변화되는 것에 기인한 압력 변동에 대응하기 위해 상기 가압력을 조정한다.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프레스 스테이지에 가열, 냉각 능력을 갖는 것을 특징으로 하는 정밀 프레스 장치.
삭제
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버에 가압용 개구를 적어도 하나 이상 갖는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 챔버의 상기 통벽은, 원통형, 사각통형, 다각통형 등의 통형으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 정밀 프레스 장치.