JP2006289505A - 型と加工対象物との相対的な変位等を制御可能な加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 型のパターン面と加工対象物の被加工面の位置や、パターン面と被加工面の位置を変化させる変位速度をマイクロメートル、ナノメートルレベルでコントロールすることができる離型制御可能な加工装置を提供すること。
【解決手段】 所定のパターンを有する型１００と加工対象物２００とを押圧して、型のパターンを加工対象物に転写する加工装置であって、型１００と加工対象物２００との相対的な位置およびその位置を変化させる変位速度を調節可能な変位手段５と、型１００および加工対象物２００の少なくともいずれか一方に振動を加える加振手段６と、型１００と加工対象物２００との相対的な位置を検出する位置検出手段７と、型１００と加工対象物２００との間の圧力を検出する圧力検出手段８と、位置検出手段７および圧力検出手段８の検出情報に基づいて、変位手段５および加振手段６の作動を制御する制御手段３００と、を具備する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、型と加工対象物との相対的な変位等を制御可能な加工装置に関するものである。

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。しかしながら、この方法では、形成するパターンの微細化にともない、装置の大型化やコストの増大を招いていた。

また、微細な成型物を得るために、加熱されて溶融した樹脂を、この樹脂のガラス転移温度以下に加熱された金型に高速・高圧で流し込み、圧力をコントロールしながら凝固させて成型する射出成型も用いられている。しかしながら、この方法では、供給された樹脂が金型に熱を奪われながら凝固するため、金型の微細なパターンの中に樹脂が侵入し難く、微細な形状を形成することは困難であった。また、金型を加熱し、微細なパターン内に樹脂が侵入するのを待った後、金型を冷却し成型することも考えられる。しかしながら、射出成型では、金型に樹脂を高圧で流し込む必要があるため、高圧に耐えられる大きな金型が必要であり、金型の熱容量が大きくなる結果、加熱・冷却に時間がかかるという問題があった。

近年、上記問題を解決するものとして、超微細なパターンを基板上に形成するナノインプリンティングプロセス技術が注目されている（例えば、非特許文献１参照。）。このプロセスは、簡単に説明すると以下の手順で行われる。

まず、形成したいパターンが表面に作りこまれた金型を準備し、ガラス転移温度以下の温度に保持された樹脂に、ガラス転移温度以上に加熱された金型を押圧する。すると、樹脂表面が溶融、流動されて、金型のパターンが樹脂に転写される。次に、金型を冷却して樹脂を凝固させ、金型を離型する。これにより、樹脂にパターンが形成される。

この方法では、高価な電子ビーム光源や光学系を必要とせず、加熱用ヒータとプレス装置を基本とした簡易な構造を用いることができる。

また、この方法では、樹脂が金型に熱を奪われて凝固するという問題もなく、樹脂を金型の微細なパターン内に進入させることができる。また、射出成型のような高圧に耐える大型の金型は不要であるため、高速に昇降温が可能であり、スループットの問題は生じない。

実際、型に作り込まれた形状をそのまま精度良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の線幅をもつ細線が形成されたという報告がある（例えば、非特許文献２参照。）。

更に、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、等の光デバイスや、マイクロチャネル、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においては、金型を加工対象物から引き離す離型工程で、加工対象物が金型に密着したまま引き伸ばされて塑性変形を生じ、加工対象物に形成されたパターンが崩れたり、剥がれたりするという問題があった。特に、孔や溝、柱や壁の幅に対し、深さ、高さの寸法が大きい、いわゆる高アスペクト比のパターンを形成しなければならない場合には、このような問題がより顕著なものとなる。

このような問題の対策としては、通常の金型を用いたパターン成形プロセスのように、金型に離型剤(潤滑剤)を塗布したり、酸化膜を形成する等して、金型と加工対象物の間の摩擦を低減させたり、あるいは離型時の金型の移動速度を極端に遅くし、金型と加工対象物の間に急激な剥離力（離型力）が生じ無いようにすること等が考えられる。

しかしながら、これらの対策では、パターン成形を多数回繰り返すうちに金型表面の潤滑剤が加工対象物側に付着して少なくなったり、加工対象物側との摩擦により酸化膜が摩耗したりする。このため、潤滑剤を定期的に補給したり、酸化膜の摩耗状況を適宜点検したり、必要に応じて酸化膜を再形成したりする必要が生じるが、これでは高スループット化を妨げることになる。特に、集積回路を製作するような場合、加工対象物に対し金型が小さく、一つの加工対象物に金型を多数回プレスするため、この問題はより顕著になる。

また、加工対象物が、薬液を流す流路や、形成した孔や溝で化学反応を生じさせるようなものである場合、加工対象物への離型剤の付着等は薬液や化学反応に影響を及ぼすため好ましくない。

さらに、離型時の金型の移動速度を遅くする方法では、スループットの低下に直結するため、好ましくない。

これを解決するために、離型する直前に、金型に超音波振動を加えて加工対象物表面の材料と金型との密着性を低下させるようにしたものもある（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、パターン崩れや剥離等の問題を回避しつつ、スループットの向上を図ることができる。

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 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 国際公開番号ＷＯ２００４／０９３１７１（第１２頁、第２図）

しかしながら、本発明者等が鋭意・研究した結果、パターンの大きさが超音波の振幅の大きさに近くなると、単に超音波振動を加えるだけでは、うまく離型することはできず、離型性を十分に向上するには、超音波の振幅や振動数、金型のパターン面と加工対象物の被加工面の相対的な位置や変位速度、圧力、温度等をそれぞれ正確にコントロールする必要があることを見出した。

そこで本発明は、金型のパターン面と加工対象物の被加工面の位置や変位速度、圧力、温度、超音波振動の振動数や振幅等をそれぞれ正確にコントロールすることができる加工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、本発明の加工装置は、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加工装置であって、前記加工対象物に対する前記型の相対的な位置および前記位置を変化させる変位速度を調節可能な変位手段と、前記型および前記加工対象物の少なくともいずれか一方に振動を加える加振手段と、前記加工対象物に対する前記型の相対的な位置を検出可能な位置検出手段と、を具備することを特徴とする。この場合、前記型と前記加工対象物との間の圧力を検出する圧力検出手段を具備する方が好ましい。また、前記型を加熱する型加熱手段と、前記型を冷却する型冷却手段と、前記型の温度を検出可能な型温度検出手段と、を具備する方が好ましい。また、前記加工対象物を加熱する加工対象物加熱手段と、前記加工対象物を冷却する加工対象物冷却手段と、前記加工対象物の温度を検出可能な加工対象物温度検出手段と、を具備する方が好ましい。また、前記加振手段は、加える振動の振幅を変化させる振幅可変手段を有する方が好ましい。

また、前記位置検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段および前記加振手段の作動を制御する制御手段を具備する方が好ましい。

また、前記位置検出手段および前記圧力検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段および前記加振手段の作動を制御する制御手段を具備する方が好ましい。

また、前記位置検出手段、前記圧力検出手段および前記型温度検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段、前記加振手段、前記型加熱手段および前記型冷却手段の作動を制御する制御手段を具備する方が好ましい。

また、前記位置検出手段、前記圧力検出手段、前記型温度検出手段、前記加工対象物温度検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段、前記加振手段、前記型加熱手段、前記型冷却手段、前記加工対象物加熱手段および前記加工対象物冷却手段の作動を制御する制御手段を具備する方が好ましい。

請求項１，６記載の発明によれば、型のパターンの深さや加工対象物に対する型の相対的な位置、加振手段が加える振動の振幅の大きさに基づいて、加振手段が振動を加える位置を正確に調節したり、離型時の変位速度を正確に調節したりすることができる。したがって、パターンに生じる塑性変形を極力防止した離型を行うことができる。

請求項２，７記載の発明によれば、圧力検出手段で型と加工対象物との間の圧力を正確に検出し、加振手段が振動を加える位置や離型時の変位速度を正確に調節することができる。したがって、パターンに生じる塑性変形を極力防止した離型を行うことができる。

請求項３，８記載の発明によれば、型の温度を型温度検出手段によって正確に検出し、型加熱手段や型冷却手段によって型の温度を正確に調節できるので、加工対象物のガラス転移温度や型の熱収縮等を考慮した離型を行うことができる。したがって、パターンに生じる塑性変形を極力防止した離型を行うことができる。

請求項４，９記載の発明によれば、加工対象物の温度を加工対象物温度検出手段によって検出し、加工対象物加熱手段や加工対象物冷却手段によって加工対象物の温度を正確に調節できるので、加工対象物のガラス転移温度や熱収縮等を考慮して離型を行うことができる。したがって、パターンに生じる永久歪を極力防止した離型を行うことができる。

請求項５記載の発明によれば、パターンの深さや加工対象物に対する型の相対的な位置に基づいて、加振手段が加える振動の振幅を正確に調節することができる。したがって、パターンに生じる永久歪を極力防止した離型を行うことができる。

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。

本発明の加工装置１は、図１に示すように、所定のパターンを有する型１００と加工対象物２００とを押圧して、型のパターンを加工対象物に転写する加工装置であって、型１００を保持する型保持部２と、加工対象物２００を保持する加工対象物保持部１２と、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置およびその位置を変化させる変位速度を調節可能な変位手段５と、型１００および加工対象物２００の少なくともいずれか一方に振動を加える加振手段６と、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置を検出する位置検出手段７と、型１００と加工対象物２００との間の圧力を検出する圧力検出手段８と、型１００を加熱する型加熱手段３と、型１００を冷却する型冷却手段４と、型１００の温度を検出する型温度検出手段３１と、加工対象物２００を加熱する加工対象物加熱手段１３と、加工対象物２００を冷却する加工対象物冷却手段１４と、加工対象物２００の温度を検出する加工対象物温度検出手段１３１と、位置検出手段７、圧力検出手段８、型温度検出手段３１および加工対象物温度検出手段１３１の検出情報に基づいて、変位手段５、加振手段６、型加熱手段３、型冷却手段４、加工対象物加熱手段１３および加工対象物冷却手段１４の作動を制御する制御手段３００と、で主に構成される。

型１００は、加工対象物２００に押圧して加工対象物２００を加工し得るものであればどのようなものでもよいが、その一端面に、所定のパターンとしての凹凸が形成されたパターン面１００ａを有している。この凹凸には、型１００をニッケル等の金属、セラミックス、ガラス状カーボン等の炭素素材、シリコンなどが用いられ、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電気鋳造(エレクトロフォーミング)法、例えばニッケルメッキ法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１μｍ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、型加熱手段３および型冷却手段４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。

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。

型保持部２は、図１に示すように、型１００を保持する型保持面２ａに、ねじやクランプ金具等の締結具で型１００を面接触するように固定可能に形成される。なお、型保持部２の構造は、型１００を型保持面２ａ上に保持するものであればどのようなものでも良く、例えば、型保持面２ａに静電吸着や真空吸着により吸着保持する構造とすることも可能である。

また、型保持部２には、型１００を加熱するための型加熱手段３、例えば非常に応答性の良いカーボンヒータを備えている。カーボンヒータは、制御手段３００によって図示しない電源からの電流供給を制御されており、型１００を所定の一定温度に維持することができる。なお、ヒータとしては、例えば、伝熱ヒータやセラミックヒータ、ハロゲンヒータ、ＩＨヒータ等を用いることも可能である。

また、型保持部２には、型１００を冷却する型冷却手段４が設けられている。型冷却手段４としては、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属で形成された型保持部２の内部に水や油等の冷却液、空気や不活性ガス等の冷却気体を流すことで、型１００を冷却することができる冷却流路を用いることができる。

また、型保持部２には、型１００の温度を検出する型温度検出手段３１、例えば熱伝対が設けられている。また、型温度検出手段３１は、制御手段３００に電気的に接続されており、検出した型１００の温度に関する情報を制御手段３００に伝達するように形成されている。

加工対象物保持部１２は、図１に示すように、加工対象物２００を略水平状態に保持するものであり、上面に加工対象物保持面１２ａを有した保持ステージを備えている。

この保持ステージには、加工対象物保持面１２ａに多数のバキューム孔(図示せず)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、加工対象物保持面１２ａ上に、加工対象物２００を吸着保持できる構成となっている。なお、加工対象物保持部１２の構造は、加工対象物２００を加工対象物保持面１２ａに保持するものであればどのようなものでも良く、例えば、クランプ金具等の締結具で加工対象物保持面１２ａに固定したり、静電吸着で吸着保持したりする構造とすることも勿論可能である。

また、保持ステージの下部には保持した加工対象物２００を加熱するための加工対象物加熱手段１３、例えば非常に応答性の良いカーボンヒータを備えている。カーボンヒータは、制御手段３００によって図示しない電源からの電流供給を制御されており、保持ステージ上の加工対象物２００を所定の一定温度に維持することができる。なお、ヒータとしては、例えば、伝熱ヒータやセラミックヒータ、ハロゲンヒータ、ＩＨヒータ等を用いることも可能である。

また、加工対象物保持部１２には、加工対象物２００を冷却する加工対象物冷却手段１４を設けることも可能である。加工対象物冷却手段１４としては、例えばアルミニウムや銅等の熱伝導性の高い金属で形成された加工対象物保持部１２の内部に水や油等の冷却液、空気や不活性ガス等の冷却気体を流すことで、加工対象物２００を冷却することができる冷却流路を用いることができる。

また、加工対象物保持部１２には、加工対象物２００の温度を検出する加工対象物温度検出手段１３１、例えば熱伝対が設けられている。また、加工対象物温度検出手段１３１は、制御手段３００に電気的に接続されており、検出した加工対象物２００の温度に関する情報を制御手段３００に伝達するように形成されている。

変位手段５は、図１に示すように、例えば、垂直方向に配置されたボールネジ５１と、このボールネジ５１を回転駆動させる電気モータ５２とから構成されている。また、ボールネジ５１の下端部と型保持部２の上面は、押圧部５３、ベアリング機構５４を介して連結されている。そして、ボールネジ５１を電気モータ５２で回転駆動することで、基台５０と上部ベース５５との間に設けられた複数例えば４本の支柱５６に対し、押圧部５３を型１００と加工対象物２００の接離方向（以下、Ｚ方向と称する）に変位させることができる。なお、電気モータ５２としては、直流モータ、交流モータ、ステッピングモータ、サーボモータ等、種々のものを用いることができる。

ところで、ナノインプリントの離型プロセスは、型１００と加工対象物２００との間に所定の圧力（型１００が加工対象物２００を押圧する際の圧力を正とする）を加えて成形した後、加工対象物２００に対して型１００を離間する方向に変位させることで行われる。この際、型１００と加工対象物２００は、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置を、圧力が０になるまで変位させても離型はできない。なぜなら、型１００と加工対象物２００との間の摩擦力や型１００と加工対象物２００の熱収縮の差による噛み合い等により、型１００と加工対象物２００とが付着しているためである。したがって、型１００と加工対象物２００とを完全に離型させるためには、この付着力に応じた引張力（負の圧力）を与える必要がある。一方、この離型プロセスでは、加振手段６を用いて少なくとも型１００と加工対象物２００のいずれか一方に振動を付与する場合がある。加振手段６が振動を付与する位置は、型１００と加工対象物２００との間に押圧力（正の圧力）が付加されている位置や、引張力（負の圧力）が付加されている位置のいずれで行うこともできるが、引張力が付加されている位置で振動を与える場合には、加工対象物２００に対する型１００の位置が非常に重要である。なぜなら、圧力が０になる位置からの加工対象物２００に対する型１００の変位量が、加工対象物２００を構成する材料の弾性域を超えると、加工対象物２００に形成されたパターンに塑性変形が生じるためである。したがって、変位手段５は、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置を、離型する際に加工対象物２００に生じるＺ方向の最大弾性変形量と許容範囲内の塑性変形量（形成されたパターンに生じても構わない塑性変形量）との合計値以下の変位量で調節できるものが好ましく、更に好ましくは、Ｚ方向の許容範囲内の塑性変形量（形成されたパターンに生じても構わない塑性変形量）以下の変位量で調節できるものが好ましい。具体的には、１００μｍ以下で調節することができるものが良く、好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは１μｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下、更に好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以下で調節できるものが好ましい。なお、加工対象物２００に対する型１００の位置は、加工対象物２００に型１００を押圧して型１００のパターンを転写する成型プロセスにおいても重要であり、型１００のパターンの深さ以下の変位量で調節できる方が好ましい。

また、加工対象物２００の材料が高分子材料等の粘弾性を示す材料の場合、離型性は、加工対象物２００に対する型１００の変位速度に大きく依存する。これは、粘弾性体が、低速の変形に対しては軟らかい物体として、高速の変形に対しては硬い物体として振舞う性質のためであると考えられる。したがって、変位手段５は、加工対処物２００に対する型１００の変位速度を、加工対象物２００に用いられる材料の粘弾性とスループットを考慮して調節できるものが好ましい。具体的には、１００μｍ／秒以下で調節できるものが良く、好ましくは１０μｍ／秒以下、更に好ましくは１μｍ／秒以下、更に好ましくは１００ｎｍ／秒以下、更に好ましくは１０ｎｍ／秒以下、更に好ましくは１ｎｍ／秒以下で調節できるものが良い。

なお、ここでは、変位手段５を型保持部２側に設ける場合について説明したが、加工対象物保持部１２側に設けることも勿論可能である。また、変位手段５としては、型１００と加工対象物２００との相対的な変位量や変位速度を調節できるものであれば、ボールねじと電気モータにより構成されるものに限られず、例えば、電圧を調節して大きさ（寸法）を変化させることができる圧電素子や磁界を調節して大きさ（寸法）を変化させることができる磁歪素子を用いることもできる。また、ボールねじおよび電気モータと圧電素子又は磁歪素子の両方を用いることも勿論可能である。この場合には、型１００と加工対象物２００を大きく変位させる際に、ボールねじおよび電気モータを適用し、型１００と加工対象物２００を微小量変位させる際に、圧電素子又は磁歪素子を用いることができる。

変位手段５をこのように構成することによって、型１００を保持する型保持部２を上下し、加工対象物保持部１２に保持される加工対象物２００に対し、型１００のパターン面１００ａを精密に接近・押圧及び離間することができる。なお、ここでは、変位手段５を型保持部５側に設ける場合について説明したが、これに限られるものではなく、加工対象物保持部１２側に設けることも可能である。

位置検出手段７は、例えば、型保持部２に配置されたリニアスケールにより形成される。このリニアスケールを用いて、加工対象物２００と型保持部２との距離を測定し、その値から加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置や変位速度を計算して検出することができる。また、位置検出手段７は、制御手段３００に電気的に接続されており、検出した型１００の位置や変位速度に関する情報を伝達するように形成されている。なお、位置検出手段７としては、リニアスケールに限らず種々のものを用いることができ、例えば、型保持部２側に設けられたレーザー測長機を用いて、加工対象物２００の位置を測定するか、加工対象物保持部１２側に設けられたレーザー測長機を用いて、型１００の位置を測定すればよい。また、電気モータに設けられたエンコーダを用いて、変位手段５の変位量から計算により測定するものでもよい。なお、位置検出手段７の分解能は、少なくとも型１００のパターンの深さ方向（Ｚ方向）の大きさ以下、あるいは、変位手段５が調節できる変位量以下の値で検出できるものが好ましい。具体的には、１００μｍ以下で検出することができるものが良く、好ましくは１０μｍ以下、更に好ましくは１μｍ以下、更に好ましくは１００ｎｍ以下、更に好ましくは１０ｎｍ以下、更に好ましくは１ｎｍ以下で検出することができるものが好ましい。

位置検出手段７をこのように構成することによって、パターンの大きさや後述する加振手段６が加える振動の振幅の大きさに応じて、加工対象物２００に対する型１００のパターン面１００ａの位置を精密に調節することができるので、型１００と加工対象物２００との間の離型性を向上することができる。

圧力検出手段８は、型１００と加工対象物２００との間の圧力を検出するもので、例えば、型１００と加工対象物２００との間の荷重を測定するロードセルを用いることができる。これにより、荷重を測定し、型１００のパターン面１００ａの面積で割れば型１００と加工対象物２００との間の圧力を検出することができる。また、圧力検出手段８は、制御手段３００に電気的に接続されており、検出した圧力に関する情報を伝達するように形成されている。

圧力検出手段８をこのように構成することにより、例えば図２に示すように、加工対象物２００から型１００を離型する際に圧力が０になる位置（図中、時間ｔ_８の位置）を基準とし、パターンの大きさや後述する加振手段６が加える振動の振幅の大きさ、加工対象物の材質等に応じて、加工対象物２００に対する型１００のパターン面１００ａの位置や圧力を精密に調節することができる。したがって、型１００と加工対象物２００との間の離型性を向上することができる。

加振手段６は、図２に示すように、押圧部５３の下部に配置された圧電素子６１と、この圧電素子６１の下面に取り付けられた超音波ホーン６２とから構成される。ここで、圧電素子６１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、Ｚ方向の振動を発生する。また、超音波ホーン６２は、圧電素子６１に接している上端６２ａが固定端、下端６２ｂが自由端となっている。これにより、圧電素子６１が振動すると、自由端となっている超音波ホーン６２の下端６２ｂにおいて振動が増幅され、超音波ホーン６２の下端６２ｂ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。

また、加振手段６は、加える振動の振幅を変化させる振幅可変手段を有する。例えば、圧電素子６１に加える電圧を変化させることができる電圧可変手段（振幅可変手段）を設けることができる。これにより、圧電素子６１に加える電圧を調節して、圧電素子６１の伸縮を調節し、加振手段６の振幅を調節することができる。加振手段６の振幅は、１０μｍ以下で調節できるものが良く、好ましくは１μｍ以下で調節できるものが良く、更に好ましくは１００ｎｍ以下で調節できるものが良く、更に好ましくは１０ｎｍ以下で調節できるものが好ましく、更に好ましくは１ｎｍ以下で調節できるものが好ましい。

加振手段６をこのように構成することにより、パターンの大きさや、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置に合わせて振幅を調節できる。例えば、離型プロセスでは、上述したように、圧力が０になる位置を基準にした加工対象物２００に対する型１００の変位量が、加工対象物２００を構成する材料の弾性域を超えると、加工対象物２００に形成されたパターンに塑性変形を生じる。したがって、加振手段６は、付与する振動の振幅を、離型する際に加工対象物２００に生じるＺ方向の最大弾性変形量と許容範囲内の塑性変形量（形成されたパターンに生じても構わない塑性変形量）との合計値以下の変位量で調節できるものが好ましく、更に好ましくは、Ｚ方向の許容範囲内の塑性変形量（形成されたパターンに生じても構わない塑性変形量）以下の変位量で調節できるものが好ましい。これにより、加工対象物２００の材料に大きな塑性変形が生じるのを極力防止することができる。

なお、上記説明では、加振手段６を圧電素子６１と超音波ホーン６２とから構成する旨説明したが、型１００および加工対象物２００の少なくともいずれか一方に振動を加えることのできるものであればこれに限らず、例えば、圧電素子６１の代わりに、磁歪素子を用いることもできる。磁歪素子は、電磁石等の外部からの磁界の大きさに応じて弾性変形するものである。この場合、電磁石に加える電流の大きさや周波数を変化させることができる電流可変手段（振幅可変手段）を用いて電磁石の磁界の大きさを調節し、加振手段６の振幅を調節するようにしても良い。また、超音波ホーン６２を用いないで、圧電素子６１や磁歪素子等の振動を直接型１００に付加するようにすることも勿論可能である。この場合、超音波ホーンをその固有振動数で共振させる必要がないので、圧電素子の電圧を変化させるか、磁歪素子の磁界を変化させることにより振動数を変化させる振動数可変手段を設けることができる。

制御手段３００は、位置検出手段７、圧力検出手段８、型温度検出手段３１および加工対象物温度検出手段１３１の検出情報に基づいて、変位手段５、押圧手段６、型加熱手段３、型冷却手段４、加工対象物加熱手段１３および加工対象物冷却手段１４の作動を制御するもので、例えばコンピュータを用いることができる。

次に、制御手段３００の制御の一例について、図３に基づいて説明する。制御手段３００は、以下のステップ１からステップ６の順番に加工装置１を制御する。

＜ステップ１＞
型１００と加工対象物２００とを接触させる前（時間ｔ_１より前）に、型温度検出手段３１が検出した型１００の温度に基づき、型１００を例えば、加工対象物２００のガラス転移温度以上に保持するように、型加熱手段３の作動・停止を制御する。また、加工対象物温度検出手段１３１が検出した加工対象物２００の温度に基づき、加工対象物２００を例えば、加工対象物のガラス転移温度以下に保持するように、加工対象物加熱手段１３の作動・停止を制御する。

＜ステップ２＞
変位手段５を作動させ、型１００を加工対象物２００に接触させる（時間ｔ_１）。これにより、型１００の熱が加工対象物２００に伝熱され、加工対象物２００の表面の温度がガラス転移温度以上の所定温度Ｔに加熱される。この際、制御手段３００は、位置検出手段７が検出した加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置、圧力検出手段８が検出した圧力（応力）、型温度検出手段３１が検出した型１００の温度、加工対象物温度検出手段１３１が検出した加工対象物２００の温度に基づいて、変位手段５の変位量や変位速度を制御し、加工対象物２００の表面の温度が所定温度Ｔに達する時間ｔ_２まで、圧力がＰ_１を越えないように調節する。ここで、圧力Ｐ_１は、加工対象物２００に塑性変形が生じる圧力（応力）である。

＜ステップ３＞
位置検出手段７が検出した加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置に基づき、変位手段５の作動・停止を制御し、所定の変位速度と所定の変位量で、型１００を加工対象物２００に押し込むように調節する。これにより、加工対象物２００を型１００のパターンに十分に進入させて確実な成型をすることができる。

＜ステップ４＞
位置検出手段７が検出した加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置に基づき、変位手段５の作動・停止を制御し、時間ｔ_３からｔ_４までの間（圧力Ｐ_max）、変位手段５の変位量（加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置）を維持する。

＜ステップ５＞
型温度検出手段３１が検出した型１００の温度に基づき、型加熱手段３、型冷却手段４の作動・停止を制御し、型１００を例えばガラス転移温度以下の所定の温度になるように調節する。また、加工対象物温度検出手段１３１が検出した加工対象物２００の温度に基づき、加工対象物加熱手段１３、加工対象物冷却手段１４の作動・停止を制御し、加工対象物２００を所定の温度になるように調節する（時間ｔ_４からｔ_５の間）。なお、型１００の所定温度と加工対象物２００の所定温度は、それぞれ任意に設定できる。例えば、型１００の材料と加工対象物２００の材料の熱収縮の差を考慮して設定すれば、型１００が加工対象物２００に噛むのを極力防止できるので、離型性を向上することができる。また、冷却中に型１００と加工対象物２００は熱収縮を起こして圧力が変動するので、圧力検出手段８が検出した型１００と加工対象物２００との間の圧力に基づき、変位手段５の作動を制御し、型１００と加工対象物２００との間の圧力をＰ_maxに維持する。

＜ステップ６＞
位置検出手段７が検出した加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置、圧力検出手段８が検出した型１００と加工対象物２００との間の圧力に基づき、変位手段５の作動・停止を制御し、型１００と加工対象物２００との間の圧力を、型１００と加工対象物２００とが完全に分離しない所定の圧力Ｐ_２（時間ｔ_６）に調節する。この場合、所定の圧力Ｐ_２は、パターンの大きさや加振手段６が加える振動の振幅の大きさに応じて、図３に示す最大圧力Ｐ_maxから最小圧力（最大引張力）Ｐ_minの間で自由に設定できる。勿論、圧力ではなく、パターンの大きさや加振手段６が加える振動の振幅の大きさ等を考慮して、加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置を調節するようにしても良い。また、加工対象物２００に対する型１００の変位速度は、加工対象物２００に用いられる材料の粘弾性やスループットを考慮して決定すればよい。なお、図３で時間ｔ_８以降、圧力が負の値をとるのは、型１００と加工対象物２００との密着力（材料の粘着力）や摩擦力等による引張力が発生するためであり、時間ｔ_９の圧力Ｐ_ｍｉｎが最大引張力となる。

＜ステップ７＞
型１００と加工対象物２００との間の圧力を所定の圧力Ｐ_２に調節した後、加振手段６の作動を制御し、型１００と加工対象物２００との間に所定時間（時間ｔ_６からｔ_７の間）振動を加える。この際、振幅可変手段の作動を制御し、加振手段６が加える振動の振幅を変化させることもできる。

＜ステップ８＞
位置検出手段７の検出した加工対象物２００に対する型１００の相対的な位置に基づき、変位手段５の作動を制御し、型１００と加工対象物２００とが所定の変位速度で離れるように調節する。これにより、時間ｔ_１０で、型１００と加工対象物２００とが完全に分離する。この際、加工対象物２００に対する型１００の変位速度は、加工対象物２００に用いられる材料の粘弾性やスループット等を考慮して決定する。

なお、上記説明では、変位手段５を型１００側に配置する場合について説明したが、これに限られるものではなく、変位手段５を加工対象物２００側に配置することも可能である。

また、加振手段６が振動を加える際の圧力をＰ_２で一定にしているが、これに限られるものではなく、変位手段５の作動を制御し、型１００と加工対象物２００との間の圧力を減圧しながら（離型しながら）振動を加えるようにすることも勿論可能である。

本発明の加工装置を示す概略正面図である。 本発明の型保持部を示す概略正面図である。 本発明の加工装置を用いた成型プロセスにおける圧力と時間の関係を示す図である。

符号の説明

１ 加工装置
３ 型加熱手段
４ 型冷却手段
５ 変位手段
６ 押圧手段
７ 位置検出手段
８ 圧力検出手段
１３ 加工対象物加熱手段
１４ 加工対象物冷却手段
３１ 型温度検出手段
１００ 型
１３１ 加工対象物温度検出手段
２００ 加工対象物
３００ 制御手段

Claims (9)

1. 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加工装置において、
   前記加工対象物に対する前記型の相対的な位置および前記位置を変化させる変位速度を調節可能な変位手段と、
   前記型および前記加工対象物の少なくともいずれか一方に振動を加える加振手段と、
   前記加工対象物に対する前記型の相対的な位置を検出可能な位置検出手段と、
   を具備することを特徴とする加工装置。
2. 前記型と前記加工対象物との間の圧力を検出する圧力検出手段を具備することを特徴とする請求項１記載の加工装置。
3. 前記型を加熱する型加熱手段と、
   前記型を冷却する型冷却手段と、
   前記型の温度を検出可能な型温度検出手段と、
   を具備することを特徴とする請求項１又は２記載の加工装置。
4. 前記加工対象物を加熱する加工対象物加熱手段と、
   前記加工対象物を冷却する加工対象物冷却手段と、
   前記加工対象物の温度を検出可能な加工対象物温度検出手段と、
   を具備す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加工装置。
5. 前記加振手段は、加える振動の振幅を変化させる振幅可変手段を有することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の加工装置。
6. 前記位置検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段および前記加振手段の作動を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の加工装置。
7. 前記位置検出手段および前記圧力検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段および前記加振手段の作動を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項２ないし５のいずれかに記載の加工装置。
8. 前記位置検出手段、前記圧力検出手段および前記型温度検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段、前記加振手段、前記型加熱手段および前記型冷却手段の作動を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の加工装置。
9. 前記位置検出手段、前記圧力検出手段、前記型温度検出手段、前記加工対象物温度検出手段が検出した情報に基づいて、前記変位手段、前記加振手段、前記型加熱手段、前記型冷却手段、前記加工対象物加熱手段および前記加工対象物冷却手段の作動を制御する制御手段を具備することを特徴とする請求項４又は５記載の加工装置。
   
   
   

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