(57)【要約】【課題】  パターンの形成を低コスト化、高効率化することができ、またアスペクト比の高いパターン等も形成することのできるパターン形成装置を提供することを目的とする。【解決手段】  パターン形成装置１０Ｂでは、ヒータブロック４１で、基板表層部のガラス転移温度以上に加熱した型１００を押し付けて基板にパターンを形成した後、型１００を基板から離型させるに際し、超音波ホーン７２で型１００に超音波振動を加えるようにした。そして、型１００を加熱するためのヒータブロック４１を、型取付部材９０によって緩衝材９１Ａ、９１Ｂに挟み込まれた状態で保持するようにした。また、超音波ホーン７２と、ヒータブロック４１とを、高温ハンダ、銀ロウ等の接合剤を介して接合するようにしても良い。【選択図】図１１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、
前記加工対象物に前記型を押し付けるプレス機構と、
前記型に振動を加える加振機構と、
前記加振機構に設けられ、前記型を加熱するヒータと、を備え、
前記加振機構と前記ヒータとが、少なくとも前記ヒータが前記型を加熱する際に生じる温度以上の耐熱性を有する接合剤によって接合されていることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項２】
前記接合剤が、ハンダまたは銀ロウであることを特徴とする請求項１に記載のパターン形成装置。
【請求項３】
加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、
前記加工対象物に前記型を押し付けるプレス機構と、
前記型に振動を加える加振機構と、
前記型を加熱するヒータと、
前記加振機構に設けられ、前記型を保持するとともに前記ヒータを内部に収容する保持部材と、
を備えることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項４】
前記保持部材に収容された前記ヒータの周囲に配設された緩衝材をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載のパターン形成装置。
【請求項５】
前記ヒータで加熱する前記型の温度を制御するコントローラを備え、
前記コントローラは、前記型を、当該型と前記加工対象物が離れた状態では前記加工対象物のガラス転移温度を下回る温度とし、前記型が前記加工対象物に押し付けられる状態では前記加工対象物のガラス転移温度近傍またはそれ以上の温度となるように制御することを特徴とする請求項３または４に記載のパターン形成装置。
【請求項６】
前記型を冷却する冷却部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のパターン形成装置。
【請求項７】
加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、
前記加工対象物を保持する対象物保持部と、
前記対象物保持部に保持された前記加工対象物に前記型を押し付けるプレス機構と、
前記型に振動を加える加振機構と、
前記加振機構に設けられ、前記型を加熱するヒータと、
前記加振機構と前記ヒータとの間に設けられ、前記加振機構による振動を吸収する吸収部と、
を備えることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項８】
前記加振機構に設けられ、前記型を保持するとともに前記ヒータを内部に収容する保持部材と、
前記保持部材に収容された前記ヒータの周囲に配設された前記吸収部としての緩衝材と、をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載のパターン形成装置。
【請求項９】
加工対象物に所定のパターンを転写する型を保持する型保持ヘッドであって、
超音波振動を前記型に加える超音波振動部材と、
前記超音波振動部材の先端部に取り付けられ、前記型の取付面を有した型取付部材と、
前記型取付部材と前記超音波振動部材の間に緩衝材を介装した状態で保持され、前記型を加熱するヒータと、
を備えることを特徴とする型保持ヘッド。
【請求項１０】
前記緩衝材がグラファイトシートであることを特徴とする請求項９に記載の型保持ヘッド。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パターン形成装置、型保持ヘッドに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、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、縮小投影露光方式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している。
【０００３】
このようにして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（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。
【０００４】
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、こうした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くなる（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。
その結果、縮小投影式の露光装置を用いて製造される基板の生産コストが上昇することとなっている。
【０００５】
このような装置大型化やプロセスコストの高騰を防ぐことを目的として、超微細なパターンを基板上に形成する手法として、ナノインプリンティングプロセス技術が紹介された（例えば、非特許文献１参照。）。
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型を用いて、基板上に設けられたレジスト材のガラス転移温度を超える温度に基板を熱し、その状態で型を基板面に押し付けて型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を基本とした簡易な構成であるにもかかわらず、型に作り込まれた形状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、非特許文献２参照。）。
【０００６】
【非特許文献１】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
【非特許文献２】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
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記したようなプロセスには、以下のような問題が存在する。
上記のプロセスでは、基板をガラス転移点以上に加熱し、その状態で型を基板に押し付けてパターンを転写し、その後、基板をガラス転移点以下に冷却した後に、型を基板から引き離して脱型する、といった一連の工程を行っている。
このような工程では、基板を加熱・冷却するわけであるが、このために基板全体をヒータで加熱・冷却する方式を用いている。このヒータは、基板を支持するテーブルに設けられるのが通常である。そして、基板が大型化すると、ヒータで加熱・冷却する対象の、基板およびテーブルの熱容量が大きくなり、その結果、基板を加熱・冷却し、基板全体を均一な温度にするには数１０秒〜数分の時間が必要となる。
これにより、パターン形成の高スループット化を妨げる大きな要因となっている。
【０００８】
集積回路の製作は一般的に広い面積の基板（ウエハ）に数多くのチップを形成することで生産性やデバイスコストの低減を図っている。現在主流の６〜１２インチの基板全域を一括して押し付ける型が製作できれば、一度の押し付け工程でパターンを基板全域に形成できるので非常に効率的である。これには、６〜１２インチの大きさの基板全面を一括で成形するために、型を大型化する必要がある。
しかしながら、上記のプロセスでは、型の形状が基板に転写形成されるものであるので、型を正確に製作する必要があり、この点において、型を大型化するにあたっての障害がある。すなわち、型を大型化しようとすると、型と基板の平行度や温度均一性確保が困難となる。また、型の温度変化に伴なう熱膨張・収縮による寸法変動は、型が大型化すれば当然大きくなるので、精度確保のための温度変化による寸法管理も困難となる。さらに、型と基板の熱収縮率の違いにより、冷却後に型を基板から脱型しようとしたときに、型が基板に食い込みやすくなるという問題もある。この他、型の大面積化に伴ない、型を基板に押し付けたり離型させたりするときに必要な力も増大し、大出力のプレス機構が必要となって装置全体の大型化、高コスト化に繋がる。
【０００９】
また、型のパターンを加工対象物面に押し付けて転写した後、型を加工対象物面から引き離す、いわゆる離型工程で、型と加工対象物の離型がスムーズで無い場合、加工対象物に形成されたパターンが崩れたり、加工対象物側の材料が型に密着して剥がれる等の現象が生じる。その結果、パターンの再現精度（繰り返し精度）が低下するという問題が生じる。
様々なパターンを形成するには、例えば直径１００ｎｍで深さ５μｍといった、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ことがある。上記の問題はこのような場合により顕著なものとなる。
【００１０】
このような問題の対策としては、型に潤滑剤（離型剤）を塗布したり、酸化膜を形成する等して、型と加工対象物の間の摩擦を低減させること等が考えられる。
しかしながら、これでは、パターン成形を多数回繰り返すうちに型表面の潤滑剤が加工対象物側に付着して潤滑剤が少なくなったり、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、必要に応じて酸化膜を再形成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、加工対象物に対し型が小さく、一つの加工対象物に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、薬液を流す流路を有したバイオチップや、形成した孔や溝で化学反応を生じさせるマイクロリアクタのようなものである場合、離型剤の付着等は薬液や化学反応に影響を及ぼすために好ましくないのは言うまでもないことである。
さらに、離型時の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。
【００１１】
このような問題に対し、本発明者は、加熱部で加熱された型を加工対象物に押し付けることで、加工対象物をガラス転移温度近傍またはそれ以上に加熱して表層部側から加熱して軟化させ、加工対象物に型に形成されたパターンを転写する技術を既に開発した。これにより、基板の全体ではなく、熱容量が小さい型を加熱してパターン形成することができ、基板に対するパターン形成を、高効率で行うことが可能となった。
さらに、型を加工対象物に押し付けた後に型と加工対象物とを離間するとき、型に超音波等による振動を加える技術を開発し、これにより、型を加工対象物から離すときに、双方の間の密着力を低減させることを可能とした。
【００１２】
しかし、本発明者らが、このような技術の実用化・量産化に向けてさらに検討を行ったところ、以下に示すような問題が存在するのを見出した。
上記したような構成では、超音波ホーンの先端部にヒータや型が装着されるわけであるが、超音波振動を加えることで、ヒータや型の取り付け部分では、超音波振動によりボルトに熱が発生し、ボルトが破損しやすく、耐久性が得られないという問題があった。
【００１３】
また、上記したように型を加熱する場合、１ショットごとに、加熱・冷却を繰り返すことになり、超音波ホーンに対するヒータ等の取り付け部分に、この熱変動の影響が加わる。基板に対し、型によるパターン形成を複数回行う、いわゆるステップアンドリピートの場合、スループット確保の面から、１ショットあたりのサイクルタイムは非常に短いものとなり、型の加熱・冷却も高速で行う必要があるため、加わる熱変動も激しいものとなる。
さらに、型を基板に押し付けてパターン形成を行う際には、ヒータや型の取り付け部分に荷重が掛かり、急激な加熱・冷却による熱衝撃と合わせ、取り付け部分に掛かる負荷が非常に大きい。
このため、ヒータや型の取り付け部分には、超音波振動に加え、高速の加熱・冷却、荷重が加わることになり、通常のボルト等を用いた接合方法では、上記耐久性の問題が一層顕著なものとなる。
【００１４】
また、高温の加熱・冷却を行うため、型を加熱する加熱部としては、セラミックヒータを用いるのが好適であるが、すると、一般に金属製の型と異種接合することとなり、これが要因となって、超音波振動によりセラミックヒータが破損しやすいという問題もある。
【００１５】
本発明は、このような技術的課題に基づいてなされたもので、パターンの形成を低コスト化、高効率化するとともに、高い耐久性を有したパターン形成装置等を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
これに対してなされた本発明は、加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、加工対象物に型を押し付けるプレス機構と、型に振動を加える加振機構と、加振機構に設けられ、型を加熱するヒータと、を備え、加振機構とヒータとが、少なくともヒータで型を加熱する際に生じる温度以上の耐熱性を有する接合剤によって接合されていることを特徴とする。このような接合剤としては、ハンダまたは銀ロウが好適である。
【００１７】
本発明のパターン形成装置は、加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、加工対象物に型を押し付けるプレス機構と、型に振動を加える加振機構と、型を加熱するヒータと、加振機構に設けられ、型を保持するとともにヒータを内部に収容する保持部材と、を備えることを特徴とすることもできる。
このようにして、ヒータを保持部材に収容することで、当然のことながらヒータを加振機構や型に直接接合する必要がなくなる。
そして、保持部材に収容されたヒータの周囲には、熱変動、荷重変動、振動を緩衝する緩衝材を配設するのが好ましい。
【００１８】
このようなパターン形成装置において、加振機構では、型または対象物保持部に超音波振動を加えることができ、これによって離型性を高めることができる。
加振機構で加える振動としては、型と加工対象物との間の密着力を低減させることができるのであればいかなる周波数、振幅であってもよいが、パターンの径や幅等が微小な場合、超音波振動を加えるのが好ましい。ここで超音波振動としては、例えば１９．２ｋＨｚ等、おおよそ２０ｋＨｚ前後からそれ以上の周波数の振動を用いることができる。
【００１９】
また、加熱部で加熱された型をプレス機構で加工対象物に押し付けることで、加工対象物をガラス転移温度近傍またはそれ以上に加熱して、加工対象物に型で所定のパターンを形成するのも有効である。その場合、ヒータで加熱する型の温度を制御するコントローラを備え、このコントローラでは、型を、型と加工対象物が離れた状態では加工対象物のガラス転移温度を下回る温度とし、型が加工対象物に押し付けられる状態では加工対象物のガラス転移温度近傍またはそれ以上の温度となるように制御するのが良い。
また、型を冷却する冷却部をさらに備える場合、型は高速で冷却されることになるが、このような熱変動が激しい場合に本発明は有効となる。
【００２０】
本発明は、加工対象物に所定のパターンを形成するための型と、加工対象物を保持する対象物保持部と、対象物保持部に保持された加工対象物に型を押し付けるプレス機構と、型に振動を加える加振機構と、加振機構に設けられ、型を加熱するヒータと、加振機構とヒータとの間に設けられ、加振機構による振動を吸収する吸収部と、を備えることを特徴とするパターン形成装置として捉えることもできる。
加振機構とヒータとをハンダまたは銀ロウにより接合し、この、ハンダまたは銀ロウによって加振機構とヒータとの間に形成される層を吸収部とすることもできる。
また、加振機構に、型を保持するとともにヒータを内部に収容する保持部材を設け、保持部材に収容されたヒータの周囲に、吸収部として緩衝材を配設することもできる。
【００２１】
さらに、本発明は、加工対象物に所定のパターンを転写する型を保持する型保持ヘッドとして捉えることもでき、その場合、超音波振動を型に加える超音波ホーン等の超音波振動部材と、超音波振動部材に取り付けられ、型の取付面を有した型取付部材と、型取付部材と超音波振動部材の間に、グラファイトシート等からなる例えばシート状の緩衝材を介装した状態で保持され、型を加熱するヒータと、を備えることを特徴とすることができる。
このような型保持ヘッドは、ヒータで型を加熱する工程、超音波振動を加える工程を有するものであれば、様々な加工工程に適用することも可能である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明によれば、予め加熱した型を、加工対象物となる加工対象物に押し付け、型の熱を加工対象物の表層部に伝達させた後、型で加工対象物の表層部にパターンを形成するようにしたので、加工対象物の全体ではなく、熱容量が小さい型を加熱してパターン形成することができ、加工対象物に対するパターン形成を、高効率で行うことが可能となる。また、型によって加工対象物にパターンを形成した後、型を加工対象物から離型させるに際し、型に超音波振動等の振動を加えるようにしたので、型と加工対象物の間の密着力を低減させることができ、これにより型と加工対象物の食い付きの発生を抑制して離型をスムーズに行うことが可能となる。その結果、アスペクト比の高いパターンを形成するような場合であっても、型によって加工対象物に形成されたパターンの崩れ、型に対する加工対象物の材料の付着等を防止することができ、パターン再現精度の向上、および型等のメンテナンス頻度を抑えることによる高スループット化、メンテナンス費用の抑制を図ることができる。
そして、ハンダや銀ロウ等の耐熱性接合材による接合や、保持部材で接合を用いずにヒータを保持する構成等を採用し、熱変動、荷重変動、振動等を緩衝・吸収することによって、耐久性の高い型保持構造を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、添付図面に示す実施の形態に基づいてこの発明を詳細に説明する。
［第一の実施の形態］
図１および図２は、本実施の形態におけるパターン形成装置の全体構成を説明するための図である。
これら図１、図２に示すように、パターン形成装置１０Ａは、所定のパターンが凹凸により形成された型１００を基板（加工対象物）２００に転写することで、基板２００にパターンを形成するものである。
このパターン形成装置１０Ａは、加工対象となる基板２００を保持する基板保持部（対象物保持部）２０と、基板保持部２０を一方向に移動させる移動機構３０と、基板２００に所定のパターンを形成するための型１００を保持する型保持部（型保持ヘッド）４０Ａと、型保持部４０Ａに保持された型１００を二方向に駆動する型駆動機構（プレス機構）５０と、を備えている。
【００２４】
図１および図２に示すように、基板保持部２０は、基板２００を略水平状態で保持するものであり、上面に支持面２１ａを有したテーブル２１を備えている。
このテーブル２１には、支持面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、支持面２１ａ上に、基板２００を吸着保持できる構成となっている。
図４に示すように、テーブル２１は、保持した基板２００を加熱するためのヒータ２２を内蔵している。このヒータ２２は、図示しないコントローラ（制御部）により、テーブル２１上の基板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。
【００２５】
図１に示したように、移動機構３０は、上記の基板２００を保持するテーブル２１を、テーブル２１の支持面２１ａ、つまり保持される基板２００の面に平行な面内で一方向（以下、これをＹ方向と称する）に移動させるものである。この移動機構３０は、基台３１上に設けられた下部ベース３２を有している。
下部ベース３２は、その両端部を、一方向に延在する二本一対のリニアガイド３３によってスライド自在に支持され、二本のリニアガイド３３、３３間に平行に設けられたリニアモータ３４によって、リニアガイド３３、３３に沿ってＹ方向に進退駆動されるようになっている。
さらに、この下部ベース３２上には、上部ベース３５が設けられ、この上部ベース３５は、Ｘ−Ｙ平面内での角度を調節する機構（図示無し）を備えている。
【００２６】
型駆動機構５０は、型保持部４０Ａを、移動機構３０によるテーブル２１の移動方向（Ｙ方向）に直交する二方向（以下、これをＸ、Ｚ方向と称する）に移動させるものである。
型駆動機構５０は、基台３１の両側に設けられた側壁５１、５１上に支持された前後２つの固定ブロック５２、５２と、これら固定ブロック５２、５２に対し、Ｘ方向に移動する移動フレーム５３と、この移動フレーム５３に設けられ、型保持部４０Ａを上下動させる昇降機構５４とを備える。
固定ブロック５２、５２は、Ｘ方向に長い矩形ブロック状で、側壁５１、５１上に、Ｙ方向に間隔を隔てて固定されている。各固定ブロック５２には、テーブル２１の移動方向に直交する水平方向、すなわちＸ方向に延在するリニアガイド５５が設けられている。
【００２７】
図２に示したように、移動フレーム５３は、前後の固定ブロック５２、５２を囲むような略角筒状とされ、前後の固定ブロック５２、５２のリニアガイド５５、５５によって、Ｘ方向に移動自在に支持されている。また、この移動フレーム５３は、固定ブロック５２、５２との間に設けられたリニアモータ５６により、リニアガイド５５、５５に沿ってＸ方向に移動するようになっている。
【００２８】
昇降機構５４は、移動フレーム５３の天板５３ａに固定されたモータ５７と、テーブル２１の支持面２１ａに直交する方向、すなわち鉛直方向に延在するボールネジ５８と、このボールネジ５８に噛み合うベアリング部５９を備えた支持ベース６０と、移動フレーム５３の天板５３ａ、底板５３ｂ間に設けられたガイド６１とから構成されている。
支持ベース６０は、ガイド６１に沿って鉛直方向、つまりＺ方向に昇降自在に支持されており、モータ５７でボールネジ５８を回転駆動させると、支持ベース６０がＺ方向に昇降するようになっている。
そして、この支持ベース６０の下面に超音波振動部材（加振機構）７０を介し、型保持部４０Ａが取り付けられているのである。
【００２９】
図３に示すように、型保持部４０Ａは、下面に支持面４１ａを有し、この支持面４１ａで型１００を保持するとともに、型１００を加熱するヒータブロック（基板保持部、加熱部）４１を備えている。
このヒータブロック４１は、プレート状で、例えば窒化アルミニウム、炭化珪素等のセラミック素材で形成され、その内部にヒータ電極４１ｂ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。このようなヒータブロック４１では、ヒータ電極４１ｂに図示しない電源から電流を流すと温度が上昇し、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１０秒で１０００度近く温度が上昇する、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。
【００３０】
型保持部４０Ａは、ヒータブロック４１の上面側の超音波ホーン７２の先端部に、冷却ブロック（冷却部）４３を備えることもできる。この冷却ブロック４３は、その内部に流路４４が形成されている。冷却ブロック４３は、この流路４４に、冷却水、冷却油等の冷媒を流すことで、ヒータブロック４１および型１００を冷却する機能を有する。
【００３１】
図４に示すように、この超音波振動部材７０は、支持ベース６０の下面に取り付けられた圧電素子７１と、圧電素子７１の下面に取り付けられた超音波ホーン（超音波振動部材）７２とから構成されている。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、支持ベース６０とヒータブロック４１を結ぶ方向（型１００が基板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に接している上端部７２ａが固定端、下端部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の下端部７２ｂ側において、振動が増幅され、超音波ホーン７２の下端部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なっている。
【００３２】
さて、このような型保持部４０Ａにおいて、超音波ホーン７２は、例えばステンレス等の金属材料で形成するのが一般的である。ここで、図３に示したように、金属材料からなる超音波ホーン７２と、セラミック素材で形成されるヒータブロック４１とは、接合剤（吸収部）８０を介して接合されている。この接合剤８０としては、高温ハンダ、銀ロウ等、少なくともヒータブロック４１の加熱温度に十分に耐えうる耐熱性を有する接合材を用いるのが好ましい。
また、ヒータブロック４１に対する型１００の取り付けは、ネジによる締結、静電チャック、真空チャック等を用いることができるが、超音波ホーン７２とヒータブロック４１との接合部分と同様、接合剤８０による接合を適用してもよい。
【００３３】
さて、型１００は、その下面１００ａに、所定のパターンを形成するための凹凸１０１が形成されている。
一方、加工対象となる基板２００は、図５（ａ）に示すように、例えばポリカーボネート、ポリイミド等の樹脂材料、ガラス材料、シリコン、ガリウム砒素、サファイア、酸化マグネシウム等、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、図５（ｂ）に示すように、基板２００として、シリコンウエハやガラスウエハ等からなる基板本体２０１の表面に、樹脂膜、フォトレジスト、配線パターンを形成するためアルミ、金、銀等の金属膜等を薄膜状の被覆層２０２が形成されたものを用いることができる。
図５（ａ）の場合、図３に示した型１００の凹凸１０１により、基板２００の表層部にパターンが転写され、図５（ｂ）の基板２００の場合、型１００の凹凸１０１のパターンは、被覆層２０２に転写されるが、いずれの場合も、基板２００の表層部にパターンを転写することに変わりは無いため、以下の説明においては、パターンが転写される部分を「基板２００の表層部」と単に称し、この表現は図５（ａ）、（ｂ）の双方の場合を含むものとする。
【００３４】
パターン形成装置１０Ａでは、型１００の下面１００ａに形成された所定のパターンの凹凸１０１を上記の基板２００に所定圧力で押し付けることで、基板２００の表層部のみにパターンを転写して形成する。
【００３５】
以下に、上記のようなパターン形成装置１０Ａにおけるパターン形成工程について説明する。なお、以下に示すパターン形成装置１０Ａの動作は、基本的に、図示しないコントローラによって自動的に制御されるものである。
パターン形成装置１０Ａでは、概略としては、図６（ａ）に示すように、型１００を、基板２００のガラス転移温度以上に加熱しておき、その状態で図６（ｂ）に示すように型１００を基板２００に押し付け、基板２００を加熱する。そして、図６（ｃ）に示すように、型１００を一定時間押し付けて荷重を保持した後、型１００を冷却し、図６（ｄ）に示すように、基板２００から引き離す。この一連の工程で、基板２００の表層部が、型１００の凹凸１０１に対応した形状に成形加工されるようになっている。
【００３６】
より詳しくは、まず、ヒータブロック４１に対し、所定の型１００を保持させておく。この状態で、型駆動機構５０は、ヒータブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させておき、ヒータブロック４１に保持された型１００とテーブル２１は、互いに離れて位置するようにしておく。
そして、テーブル２１上に、加工対象となる基板２００がセットされると、これをバキューム吸着する。
【００３７】
この後に、基板２００に対し、型１００を押し付けて所定のパターンを転写するわけであるが、これに先立ち、図７に示すように、コントローラにより、テーブル２１に内蔵されたヒータ２２と、ヒータブロック４１は、所定のタイミングＳ１で、予めそれぞれオンにしておく。また、冷却ブロック４３の流路４４には、冷却水等の冷媒を流しておく。
この状態、つまり型１００を基板２００に押し付ける前の状態で、ヒータブロック４１およびテーブル２１のヒータ２２からの熱伝導により、型１００を、前記のガラス転移温度Ｔｇ以上の所定温度Ｔ１に維持し、基板２００を、基板２００の加工対象部分となる表層部を形成する素材のガラス転移温度Ｔｇよりも低い所定の温度Ｔ２に維持している。
【００３８】
この後、移動機構３０、型駆動機構５０で、テーブル２１とヒータブロック４１をＸ、Ｙ方向に移動させることで、テーブル２１に吸着固定された基板２００の所定の領域を、ヒータブロック４１に保持された型１００に対向させて位置決めする。
【００３９】
続いて、型駆動機構５０でヒータブロック４１に保持された型１００をＺ方向に移動させ、テーブル２１に保持された基板２００に接近させる。型１００の凹凸１０１が所定温度Ｔ１に温度上昇した後の所定のタイミングＳ３で、図６（ｂ）に示すように、型１００が基板２００の表面に接触すると、型駆動機構５０でヒータブロック４１に保持された型１００の移動を停止させる。すると、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に温度上昇した状態の型１００から基板２００の表層部に対し、熱が伝導され、これによって基板２００の表層部の温度が、型１００の温度Ｔ１近くまで上昇する。このとき、型１００の凹凸１０１が直接接触する基板２００の表層部以外の他の部分は、さほど温度上昇しない。
基板２００の表層部が、ガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１近く、あるいは少なくともガラス転移温度Ｔｇ近傍の温度まで上昇したタイミングＳ４で、図６（ｃ）に示したように、型駆動機構５０でヒータブロック４１に保持された型１００を基板２００側にさらに移動させる。これにより、型１００は、基板２００の表面に対し、さらに大きく食い込むことになり、基板２００の表層部に、型１００の凹凸１０１のパターンが転写される。
【００４０】
ところで、上記のような動作において、タイミングＳ３とＳ４の間では、型１００が基板２００の表面に接触した状態で、型駆動機構５０による型１００の移動が停止している。つまり、タイミングＳ３とＳ４の間では、荷重コントローラとして機能するコントローラの制御により、基板２００に対し、基板２００の表層部の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも低い状態で永久歪みを与えない所定の荷重Ｆ１が型１００から付与された状態となっている。
そして、タイミングＳ４以降で、型駆動機構５０によって型１００が基板２００側に移動され、これによって基板２００に対し、型１００から、基板２００の表層部の温度がガラス転移温度Ｔｇよりも高い状態で永久歪みを与えて成形を行うための、荷重Ｆ１とは異なる所定の荷重Ｆ２が付与されるようになっている。
このようにして、型１００から基板２００に対して付与する荷重を、荷重Ｆ１とＦ２とで２段階に変動させて、型１００と基板２００が接触した状態の荷重Ｆ１のときに、型１００の熱を基板２００側に伝導させて基板２００の表層部を軟化させ、その後、荷重を荷重Ｆ２に移行させて型１００による成形を行うのである。
【００４１】
さて、タイミングＳ４以降、予め設定した所定時間ｔが経過したタイミングＳ５で、ヒータブロック４１に対する電流供給量を下げる。これにより、ヒータブロック４１および型１００、基板２００の温度は低下するわけであるが、このとき、ヒータブロック４１の上面側には、ガラス転移温度Ｔｇ以下の冷却ブロック４３が設けられているので、型１００および基板２００の温度は、例えばテーブル２１の温度Ｔ２近傍まで速やかに下降する。
【００４２】
続いて、ヒータブロック４１に対する電流供給量を下げたタイミングＳ５以降、後述する離型を開始するタイミングＳ７よりも所定時間前に設定されたタイミングＳ６にて、超音波振動部材７０の圧電素子７１に電圧を印加し、振動を発生させる。これにより超音波ホーン７２がヒータブロック４１を介し、型１００に振動を加えることになる。
このとき、圧電素子７１では、例えば縦方向、つまり型１００と基板２００が互いに離間・接近する方向に、例えば２０ｋＨｚの周波数で、型１００の表面において、成型する深さ（高さ）の数分の１以下の振幅の超音波振動を生じるように駆動される。
【００４３】
そして、型１００で超音波振動を加え始めたタイミングＳ６以降、所定時間が経過したタイミングＳ７で、図６（ｄ）に示すように、型駆動機構５０を作動させ、型１００をテーブル２１に保持された基板２００から離し、離型させる。
【００４４】
これにより、基板２００の表層部には、型１００の凹凸１０１によって構成される所定のパターンが転写形成されるようになっている。
ところで、圧電素子７１を振動させることで型１００に加えている振動は、型１００が基板２００から離れ始めた後の所定のタイミングで、圧電素子７１に対する電圧供給を遮断させることで停止させる。なお、このタイミングは、型１００が基板２００から離れる方向に移動し始めた以降であれば、どのようなタイミングに設定してもよく、例えば型駆動機構５０で型１００を基板２００から離れる方向に移動させるとほぼ同時としてもよいし、型１００が完全に基板２００から離れる前、あるいは型１００が完全に基板２００から離れた後としても良い。
【００４５】
上記のようにして、型１００で基板２００に対し、１回のパターン形成を行った後は、所定のタイミングＳ２でヒータブロック４１に流す電流を増やし、これによってヒータブロック４１に保持された型１００を、再びガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に設定しながら、移動機構３０で、基板２００を、次のパターン形成位置まで移動させる。
この、ヒータブロック４１に流す電流を増やすタイミングＳ２は、次のパターン形成位置において型１００の凹凸１０１が基板２００の表面に接触する（押し付けられる）よりも前に、型１００がガラス転移温度Ｔｇ以上の所定温度Ｔ１に上昇するのであれば、いかなるタイミングでも良い。
この後は、前記した型１００の押し付け、冷却、離型といった工程を同様に行うことで、他の位置にパターンを形成することができる。
そして、上記一連の工程を順次繰り返すことで、基板２００の複数箇所に対し、型１００のパターンを順次転写していくことができる。
【００４６】
ところで、上記のようにして型１００を基板２００に押し付ける際、基板２００の温度を、その加工対象となる表層部の素材のガラス転移温度Ｔｇよりも低く一定に設定しておき、一方、型１００の温度をガラス転移温度Ｔｇよりも高く設定した。例えば、基板２００をポリカーボネイト樹脂（ＰＣ）とする場合、ポリカーボネイト樹脂においてガラス転移温度Ｔｇは約１５０℃であるので、基板２００（テーブル２１）の温度Ｔ２をガラス転移温度Ｔｇ以下の約１４０℃に、型１００の温度Ｔ１をガラス転移温度Ｔｇ以上の約１６０〜１７０℃に設定しておく。この状態で型１００を基板２００に押し付けると、型１００の温度が基板２００の表層部に伝わり、基板２００の表層部から温度上昇し、徐々にその全体に伝わる。
例えば、基板２００の表層部を形成する素材のガラス転移温度Ｔｇに対し、温度Ｔ１は約２０℃高く、温度Ｔ２は約３０〜５０℃低く設定するのが好ましい。もちろん、素材の種類によってその設定温度は変化するものであり、一義的にその値に決まっているものではない。
基板２００を構成する樹脂やガラス材料において、ガラス転移温度Ｔｇを超えた状態は、外部応力によって非常に変形しやすい、つまり成形加工しやすい状態になっているので、このガラス転移温度Ｔｇを超えた状態を保持したまま、型１００に荷重を増大させ、基板２００に押し付ける。そうすると、基板２００は型１００の形状に沿って変形していき、凹凸１０１の形状を反転転写した状態で安定する。
その後、型１００の温度をガラス転移温度Ｔｇ以下に低下させ、型１００と接触している基板２００の温度を低下させた。ガラス転移温度Ｔｇ以下の状態では、基板２００は初期状態と同様、変形しにくい状態であり、つまり型１００の凹凸１０１形状に沿って硬化し、パターンが定着した状況である。この基板２００がガラス転移温度Ｔｇ以下になった状態で、型１００を基板２００から引き離すと、基板２００の表層部は型１００の凹凸１０１の形状を反転転写した状態となり、すなわち型１００の凹凸１０１の反転形状のパターンが成形されるのである。
【００４７】
また、型１００によって基板２００にパターンを形成した後、型１００を基板２００から離型させるに際し、型１００に超音波振動を加えるようにした。これにより、型１００と基板２００との間に相対変位が生じ、その直前、つまり離型させる直前の段階で、型１００と基板２００の間に作用している静摩擦力を動摩擦力に変移させることができる。周知の通り、静摩擦力よりも動摩擦力の方が小さいため、型１００と基板２００の密着力を低減させることができ、これにより型１００と基板２００の食い付きの発生を抑制して離型をスムーズに行うことが可能となる。その結果、アスペクト比が高いパターンを形成するような場合であっても、基板２００に形成されたパターンの崩れ、型１００に対する基板２００の材料の付着等を防止することができ、パターン再現精度の向上、および型１００等のメンテナンス頻度を抑えることによる高スループット化、メンテナンス費用の抑制を図ることができる。
加えて、潤滑剤を塗布したり酸化被膜を形成する必要もなく、型１００と基板２００の食い付きを防止できるので、形成する基板２００が、特に、薬液を流したり化学反応を生じさせるためのパターンを有するものである場合であっても、薬液や化学反応への影響が生じることもなく、この技術を非常に好適に用いることができる。
【００４８】
また、上記パターン形成装置１０Ａでは、離型時のみに型１００に超音波振動を加えるようにし、型１００を押し付ける工程では、超音波振動を加えない構成とした。型１００を押し付ける工程では、基板２００の表層部がガラス転移温度Ｔｇ以上に加熱されて軟化しているので、この状態で型１００に超音波振動を加えると、特にパターンのサイズが微小である場合、型１００の凹凸１０１の寸法に振動の振幅が加わったものがパターンとして形成され、パターンの再現精度が低下してしまうことがある。これに対し、上記したように、離型時のみに型１００に超音波振動を加えるようにすることで、パターンの再現精度が低下するのを回避することができる。
【００４９】
また、基板２００の表層部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に設定した型１００を基板２００に押し付け、型１００のパターンを転写した後、型１００をガラス転移温度Ｔｇ以下の温度Ｔ２まで冷却し、型１００を基板２００から引き離す構成とした。
このようにして、パターンが形成される基板２００の表層部に接する型１００から、基板２００の全体ではなく、加工対象部分となる表層部に対してのみ熱を直接与えるので、これによって基板２００側の加熱・冷却時間も短縮することができる。さらには、基板２００よりも型１００が小さい場合、基板２００の面積全体ではなく、型１００が当たる局所的な部分のみを加熱するので、この点においても加熱を短時間で行うことに寄与することができる。
これにより、型１００による基板２００に対するパターン形成に際し、加える熱サイクルの効率を高めることが可能となり、スループットを高めるとともに、使用するエネルギーを省力化することができる。また、基板２００に対し一つの型１００で複数回パターンを順次転写する型１００は、小型で済み、精度確保や温度管理等も、大型のものに比較すれば容易であり、型１００のコストを大幅に削減できる。
【００５０】
しかも、このようなパターン形成装置１０Ａは、光学系や光源を用いることのない、メカニカルな構造で実現できるので、従来のステッパ等に比較し、遥かに低コストで製作することができ、また装置の小型化を図ることもできる。
このようにして、基板２００に対するパターン形成を、高効率、しかも低コストで行うことが可能となるのである。
【００５１】
そして、パターン形成装置１０Ａでは、型保持部４０Ａにおいて、金属材料からなる超音波ホーン７２と、セラミック素材で形成されるヒータブロック４１とを、高温ハンダ、銀ロウ等の接合剤８０を介して接合するようにした。これにより、超音波ホーン７２とヒータブロック４１との接合部分の耐熱性・耐荷重性、耐振動性を高めることができ、高速の昇温・加熱、超音波振動、荷重等の作用に起因する破損等がヒータブロック４１に生じるのを抑制し、耐久性を高めることができる。
【００５２】
このようなパターン形成装置１０Ａでは、加工対象となる基板２００として、例えば、図８に示すようなウエハ（加工対象物）２００Ａを適用することができる。このようなウエハ２００Ａ上に複数のパターンＰを転写することができるのである。これにより、ウエハ２００Ａの大面積化が可能となり、ウエハ２００Ａのテーブル２１に対する乗せ代え等のハンドリング時間を節約することができるので、１個の成形品の生産コストを低減することができる。
また、基板２００としては、他に、図９に示す微小なドット形状が一定の周期で配列しているフォトニック結晶（加工対象物）２００Ｂや、所定の配線パターンを有した半導体電子回路基板、さらに図１０に示すような微小な流路２０３を有した基板（加工対象物）２００Ｃ等が適用できる。
【００５３】
［第二の実施の形態］
次に、本発明にかかるパターン形成装置の第二の実施の形態を示す。以下に説明する第二の実施の形態のパターン形成装置１０Ｂは、前記第一の実施の形態に対し、型保持部（型保持ヘッド）４０Ｂにおける型１００の保持構造が異なるものであり、型保持部４０Ｂ以外については、上記第一の実施の形態と同様である。このため、以下の説明においては、上記第一の実施の形態と異なる構成についてのみ説明し、共通する構成については同符号を付してその説明を省略する。
図１１に示すように、パターン形成装置１０Ｂの型保持部４０Ｂは、先端部に冷却ブロック４３を備える超音波ホーン７２に、型取付部材（保持部材）９０を介し、型１００が取り付けられている。
型取付部材９０は、底板部９０ａの周囲から上方（超音波ホーン７２側）に立ち上がる支持壁部９０ｂが形成された有底筒状をなしている。型取付部材９０は、超音波ホーン７２に対し、支持壁部９０ｂにおいて、溶接や、ネジによる締結等によって固定されている。
そして、この型取付部材９０の底板部９０ａの下面に型１００が取り付けられている。型１００の型取付部材９０に対する固定は、ネジによる締結、静電チャック、真空チャック等を用いることができるが、上記第一の実施の形態と同様、接合剤８０を用いた接合を適用することもできる。
【００５４】
支持壁部９０ｂを有した型取付部材９０により、底板部９０ａと超音波ホーン７２の先端面７２ａとの間には空間が形成されており、この空間にヒータブロック４１が収容されている。
このヒータブロック４１の上下には、グラファイトシート等の、耐熱性を有した緩衝材（吸収部）９１Ａ、９１Ｂが配設されている。これによりヒータブロック４１は、緩衝材９１Ａ、９１Ｂに挟み込まれた状態で、型取付部材９０と超音波ホーン７２との間に保持されている。
【００５５】
このような構成を有した型保持部４０Ｂにおいては、ヒータブロック４１が型取付部材９０によって緩衝材９１Ａ、９１Ｂに挟み込まれた状態で保持されており、機械的な接合を用いていないため、当然のことながら、ヒータブロック４１と、その上下の超音波ホーン７２や型１００と異種接合をする必要もない。したがって、この接合部分において高速の昇温・加熱、超音波振動、荷重等の作用に起因する破損等が生じることもなく、半永久的ともいえる高い耐久性を得ることができる。
【００５６】
ところで、型取付部材９０については、超音波ホーン７２に対し、例えばネジによる締結によって固定がなされるが、超音波ホーン７２で発する超音波振動は、型１００の部分で最大となるようにされるため、型取付部材９０と超音波ホーン７２の接合部分に超音波振動のエネルギーが集中することもなく、この部分で破損が生じる可能性は低く抑えることができる。
【００５７】
なお、このような構成において、ヒータブロック４１と型１００との間に、緩衝材９１Ｂおよび型取付部材９０が介在するため、ヒータブロック４１と型１００とを直接接合した上記第一の実施の形態における構成に比較すれば、ヒータブロック４１の型１００に対する伝熱効率は低い。しかし、上記第一の実施の形態における接合剤８０による接合の場合、長期にわたって使用するには、接合の際に接合剤８０に巣等の空隙が生じるのを防止する必要があり、それでも微細な巣等からクラックが生じる可能性を完全には回避できない。これに比較すれば、型取付部材９０を用いた構造の方が、遥かに耐久性が高く、特にパターン形成装置１０Ｂを量産対応のものとする場合に好適である。
【００５８】
なお、上記実施の形態では、超音波振動部材７０で型１００を振動させるようにしたが、基板２００を保持するテーブル２１側に同様の機構を備えるようにしてもよい。
これ以外にも、例えばヒータブロック４１で型１００に加える温度プロファイルを変更しても良いし、従来と同様に型１００側ではなく基板２００側にヒータを備えることで、基板２００をガラス転移点近傍まで加熱するような構成としてもよい。
また、ヒータブロック４１をセラミックヒータとし、冷却ブロック４３を冷媒を用いた冷却構造としたが、高速に加熱冷却できるものであれば、特にそれらに限定されることはなく、レーザや超音波による加熱、またペルチェ素子による冷却等を用いてもよい。
さらに、このような冷却ブロック４３を備えない構成とすることも可能である。
【００５９】
また、パターン形成装置１０Ａ、１０Ｂでは、移動機構３０で基板２００をＹ方向に移動させ、型駆動機構５０で型１００をＸ、Ｚ方向に移動させるようにしたが、これに限るものではなく、またその駆動機構も、油圧機構や空圧機構等を用いたものとすることもできる。
加えて、基板２００に対し、型１００を相対移動させながら複数回のパターン形成を繰り返す構成としたが、一つの基板２００に対し、型１００で一回のパターン形成のみを行うような構成であっても良い。
【００６０】
この他、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は特に限定されるものではない。一方、基板２００は、その表層部の成形素材と基板が一体のもの、例えば樹脂基板やガラス基板、あるいは成形素材が基板上に薄く形成されたもの、例えばシリコン基板やガラス基板上に形成された樹脂膜、等、その組み合わせは特に限定されるのもではない。
さらに、加工対象物は、基板２００に限らず、他の加工対象物であっても本発明を適用することが可能である。例えば、加工対象物側、あるいは型側を加熱することなく、パターン形成を行うような場合であっても、本発明を適用することで、上記実施の形態と同様の効果を得ることができる。
これ以外にも、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本実施の形態におけるパターン形成装置を示す正面図である。
【図２】図１の側断面図である。
【図３】第一の実施の形態における型保持部の構成を示す断面図である。
【図４】基板保持部と型保持部、および超音波振動部材の構成を示す図である。
【図５】加工対象物となる基板の例を示す図である。
【図６】型による基板に対するパターン工程の流れを示す図である。
【図７】パターン形成時の、ヒータ、基板、基板表層部の温度変化、超音波振動加振、離型のタイミングを示す図である。
【図８】パターンを形成する基板の一例を示す図である。
【図９】パターンを形成する基板の他の一例を示す図である。
【図１０】パターンを形成する基板のさらに他の一例を示す図である。
【図１１】第二の実施の形態における型保持部の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
【００６２】
１０Ａ、１０Ｂ…パターン形成装置、２０…基板保持部（対象物保持部）、２１…テーブル、３０…移動機構、３１…基台、４０Ａ、４０Ｂ…型保持部（型保持ヘッド）、４１…ヒータブロック（基板保持部、加熱部）、５０…型駆動機構（プレス機構）、５４…昇降機構、７０…超音波振動部材（加振機構）、７２…超音波ホーン（超音波振動部材）、８０…接合剤（吸収部）、９０…型取付部材（保持部材）、９１Ａ、９１Ｂ…緩衝材（吸収部）、１００…型、１０１…凹凸、２００…基板（加工対象物）、Ｐ…パターン
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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