パターン形成装置、パターン形成方法
パターン形成装置では、金型１００によって基板２００にパターンを形成した後、金型１００を基板２００から離型させるに際し、金型１００に超音波振動を加えるようにした。また、基板２００の表層部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に設定した金型１００を基板２００に押し付け、金型１００のパターンを転写した後、金型１００をガラス転移温度Ｔｇ以下の温度Ｔ２まで冷却した後、金型１００を基板２００から引き離す構成とすることもできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
本発明は、基板等の加工対象物上に所定のパターンを形成するためのパターン形成装置、パターン形成方法に関する。
【背景技術】
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。
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。
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。
こうした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、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、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温度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。）。
さらには、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。
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。
すなわち、金型のパターンを加工対象物面に押し付けて転写した後、金型を加工対象物面から引き離す、いわゆる離型工程で、金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金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。
また、上記のようなプロセスで各種デバイスに対するパターン形成を行うにあたり、実際に工業化を図る際には、当然のことながら高スループット化が要求されている。上記のような現象が生じると、これに対する処置等が必要となり、高スループット化の妨げにもなる。
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。
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、金型に潤滑剤（離型剤）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、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。
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、高スループット化を図るとともに、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、パターン形成方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
かかる目的のもと、本発明のパターン形成装置は、対象物保持部に保持された加工対象物に対し、所定のパターンを形成するための金型をプレス機構により押し付けることで、加工対象物にパターンを形成する。そして、このパターン形成装置は、金型または対象物保持部に振動を加える加振機構を備えており、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付けた後、金型と加工対象物とを離間するときに、制御部の制御により、この加振機構で金型または対象物保持部に振動を加えるようになっている。
これにより、金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が可能となる。
加振機構で加える振動としては、金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。
また、加振機構では、パターンの形状や、高さ方向の寸法（高さ、深さ）、加工対象物の材質等に応じ、金型または対象物保持部に加える超音波振動の周波数を切り替え可能とすることもできる。
パターンが微細である場合、加振機構で加える超音波振動は、金型を加工対象物に押し付ける方向に沿った方向のものであるのが好ましい。
また、振動は、金型、加工対象物のどちらに加えてもよいが、加振機構を、プレス機構と金型の間に設けることで金型に振動を加える構成とし、さらに、金型の部分で最大の振幅となるように振動を生じさせるのが好ましい。
上記したようなパターン形成装置は、ガラス転移温度を有する樹脂またはガラスからなる基板を加工対象物とする際に用いることができる。あるいは、適宜材料からなる基板本体上にガラス転移温度を有する樹脂膜を有したものを加工対象物とする場合にも、このパターン形成装置を用いることができる。形成するパターンとしては、各種配線パターンの他、バイオチップ、化学チップ等を実現する流路パターン、フォトニック結晶等の穴をはじめとする、各種のアスペクト比の高い溝や穴、ノズル孔等がある。
このような加工対象物にパターンを形成する場合、例えば上記の非特許文献１や非特許文献２に示したプロセスを用いるのであれば、加工対象物をガラス転移温度以上に加熱し、その状態で金型を加工対象物に押し付けてパターンを転写し、その後、加工対象物をガラス転移温度以下に冷却した後に、金型を加工対象物から引き離して離型する、といった一連の工程を行うことになる。
このようなプロセスを高温域下で行う場合、加工対象物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加工対象物を熱し、プレス成型した後、離型時に加工対象物と金型の双方の温度がガラス転移温度を下回っていると、双方の熱膨張率の違いにより、特に噛み付きが生じやすくなる。このため、このようなプロセスにおいて本発明を適用すれば、離型をスムーズに行えることが期待できる。
また上記非特許文献１、２に示したプロセスでは、加工対象物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、加工対象物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、加工対象物が大型化すると、ヒータで加熱・冷却する対象の、加工対象物およびテーブルの熱容量が大きくなり、その結果、加工対象物を加熱・冷却し、加工対象物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。これは、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。
このような問題に対し、本発明のパターン形成装置に、加工対象物よりも熱容量が小さい金型を加熱する加熱部をさらに備え、この加熱部で加熱された金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、加工対象物に金型で所定のパターンを形成することが有効である。
これ以外にも、加工対象物は、少なくともその表層部を、光が照射されることで硬化する光硬化型樹脂で形成したものとすることもできる。
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金型と、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金型を押し付けるプレス機構と、金型または対象物保持部に振動を加える加振機構と、金型を加熱する加熱部と、を備え、加熱部で加熱された金型をプレス機構で加工対象物に押し付けることで、この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、加工対象物に金型で所定のパターンを形成することを特徴とすることができる。この場合のパターン形成装置では、加振機構で金型または対象物保持部に振動を加えるタイミングについて限定するものではないが、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付けた後、金型と加工対象物とを離間させるときのみ、金型または対象物保持部に振動を加えることもできる。つまり、この場合、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付ける加圧工程では、振動を加えないのである。
加振機構で加える振動は、上記したように超音波振動が好適であるが、その振動の方向は、金型が加工対象物から離間する方向、これに直交する方向（つまり加工対象物の表面に沿った方向）、さらには金型が加工対象物から離間する方向を中心とした回転方向、ねじり方向等とすることができる。これらは、形成するパターンの形状、寸法、アスペクト比等に応じ、適宜設定すればよい。
パターンの幅や径が、例えば１０μｍ以下の、微小パターンとなる場合等には、パターン精度を低下させないためにも、金型が加工対象物から離間する方向に沿った振動を発生させるのが好ましい。
その場合、振動の振幅は、パターンの高さ方向の寸法より小さくするのが良く、特に、１／５未満が好ましく、さらに好ましくは１／１０未満とするのが良い。振幅がパターンに対して大きすぎると、パターンの再現性（寸法精度）に悪影響を及ぼす可能性があるからである。
また、本発明は、金型で加工対象物上に所定のパターンを形成するパターン形成方法として捉えることもできる。この方法は、金型を、加工対象物のガラス転移温度を基準とした所定の温度に加熱する加熱工程と、金型を加工対象物に押し付けた後、金型に超音波振動を加える加振工程と、超音波振動が加えられた金型を加工対象物から引き離す離型工程と、を有することを特徴とすることができる。
パターンが微細である場合、加振工程では、金型を加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加えるのが好ましい。また、加工効率（生産効率）を高めるには、加振工程で、金型に超音波振動を加える時間を１０秒以内とするのが良い。この、超音波振動を加える時間は、１０秒以上であると、パターン形成に要する時間が著しく長くなり、生産効率が低下するため好ましくなく、１０秒以内、さらに好ましくは５秒以内とするのが良い。また、超音波振動を加える時間が短すぎると、金型と基板との噛み付きを解放できないため、少なくとも噛み付きが解放できるだけの時間、例えば０．５秒以上、１秒以上等とするのが好ましい。
また、加振工程では、金型に対し、金型で加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えるのが好ましく、パターンの高さ方向の寸法の１／５未満の振幅とするのがさらに好ましい。
ところで、加振工程では、金型を加工対象物に押し付けた後、金型を冷却することができる。この場合、金型の冷却後に、金型に超音波振動を加えることになるが、一定時間金型に超音波振動を加えた後、超音波振動を停止させ、離型工程に移行しても良いし、超音波振動を金型に加えながら、金型を加工対象物から引き離すようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本実施の形態におけるパターン形成装置の斜視図、第２図は、基板保持部と金型保持部、および超音波振動部材の構成を示す図、第３図は、金型保持部の構成を示す断面図、第４図は、加工対象物となる基板の例であり、（ａ）は成形素材がそのまま基板形状をなしている基板、（ｂ）は基板本体の表面に、薄膜状の被覆層が形成された基板を示す図、第５図は、金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り、（ａ）は基板に対向させた金型を加熱した状態、（ｂ）は加熱した金型を基板に押し付けた状態、（ｃ）は金型を基板に荷重をかけて押し付け、パターンを形成している状態、（ｄ）は金型を基板から引き離した状態を示す図、第６図は、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、第７図は、パターンを形成する基板の一例を示す図、第８図は、パターンを形成する基板の他の一例を示す図、第９図は、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り、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の中心線に沿った断面図、第１０図は、金型に超音波を加えて離型させた実施例と、超音波を加えずに離型させた比較例における、温度と荷重の変化を示す図、第１１図は、超音波振動の振幅と、金型のリリース力との関係を示す図、第１２図は、超音波振動を加えず、低速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真、第１３図は、超音波振動を加えず、高速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真、第１４図は、超音波振動を加えながら、高速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
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１図は、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。
この第１図に示すように、パターン形成装置１０は、所定のパターンが凹凸により形成された金型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１０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を二次元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金型１００を保持する金型保持部４０と、金型保持部４０に保持された金型１００を駆動する金型駆動機構（プレス機構）５０と、基板２００と金型１００の相対位置を位置決めするためのアライメント機構６０と、を備えている。
第１図および第２図に示すように、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（対象物保持部）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。
また、第２図に示すように、テーブル２１は、保持した基板２００を加熱するためのベースヒータ２２を内蔵している。このベースヒータ２２は、図示しないプログマラブルコンピュータからなるコントローラ（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。このベースヒータ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。
第１図に示したように、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二次元方向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と、下部ベース３２上に設けられてテーブル２１を支持する上部ベース３３と、を有している。
下部ベース３２は、一方向（以下、これをＸ方向と称する）に軸線を有し、図示しないモータによって回転駆動されるボールネジ３４を介し、基台３１に連結されている。また、上部ベース３３は、ボールネジ３４に直交する方向（以下、これをＹ方向と称する）に軸線を有し、図示しないモータによって回転駆動されるボールネジ３５を介して下部ベース３２に連結されている。さらに、この上部ベース３３は、Ｘ−Ｙ平面内での角度を調節する角度調節ネジ３６を備えている。
これにより、移動機構３０では、ボールネジ３４を回転駆動させることで下部ベース３２が基台３１上でＸ方向に移動し、これに直交するボールネジ３５を回転駆動させることで上部ベース３３が下部ベース３２上でＹ方向に移動する。つまり、基板２００を保持するテーブル２１が、移動機構３０により、基板２００の面に平行二次元面内で、Ｘ、Ｙの二方向に移動される構成となっている。
第２図、第３図に示すように、金型保持部４０は、下面に支持面４１ａを有し、この支持面４１ａで金型１００を保持する保持ブロック（基板保持部）４１を備えている。
第３図に示すように、この保持ブロック４１には、金型１００を加熱するトップヒータ（加熱部）４２が内蔵されている。このトップヒータ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。このような保持ブロック４１では、ヒータ電極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。
そして、保持ブロック４１は、その上面側に、冷却ブロック（冷却部）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、この流路４４には、冷却水等の冷媒を流すことができるようになっている。
このような冷却ブロック４３では、流路４４に冷媒を流すことで、保持ブロック４１および金型１００を冷却する機能を有する。
保持ブロック４１は、金型１００を、例えば金属溶着、ネジ、クランプ金具等で固定するようになっている。なお、本実施の形態においては、金型１００を金属溶着によって保持ブロック４１に固定している。
また、保持ブロック４１は、以下のような構成とすることも可能である。すなわち、保持ブロック４１の支持面４１ａに、複数の吸着用電極４５を設け、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させ、この静電力によって金型１００を吸着保持するのである。保持ブロック４１は、吸着用電極４５が金型１００に対して面接触するようになっており、この吸着用電極４５の静電引力により金型１００の上面を吸着保持する。金型１００は、そもそも加工精度が高いものであるため、その上面の平面度も精度良く形成することができる。そして、保持ブロック４１側の吸着用電極４５も平面度を高く形成して、前記の静電引力を利用して金型１００を支持することで、金型１００をネジやクランプ金具等で保持ブロック４１に固定する構造に比較し、金型１００と吸着用電極４５との密着度を高めることができ、保持ブロック４１から金型１００への熱伝導を効率良く行うことができる。
なお、トップヒータ４２のヒータ電極については、金型１００の温度をコントロールするため、コントローラによって電流の供給が制御される構成となっているが、吸着用電極４５については、金型１００の型交換時以外、常に電圧が印加されて吸着力を発揮するようになっている。
ところで、金型１００を保持ブロック４１に静電力で吸着させた場合、基板２００をテーブル２１に静電引力で吸着させることも考えられるが、そのような構成とすると、金型１００で基板２００を成形するに際し、保持ブロック４１がテーブル２１に近接したときに金型１００と基板２００の間で電荷が移動してしまい、その後に金型１００を基板２００から離間させると、金型１００または基板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。このため、基板２００はテーブル２１にバキューム吸着させる構成とするのが良い。
第１図に示したように、金型駆動機構５０は、上記のように金型１００を吸着保持する保持ブロック４１を、移動機構３０によるテーブル２１の移動方向（Ｘ、Ｙ方向）に直交する方向（以下、これをＺ方向と称する）に移動させるものである。
この金型駆動機構５０は、上下方向に軸線を有したボールネジ５１と、このボールネジ５１を回転駆動させるＤＣサーボモータ等のモータ５２とから構成されている。ボールネジ５１は、モータ５２で回転駆動されることで、基台３１上に支柱５３を介して設けられた上部ベース５４に対し、Ｚ方向に上下動するようになっている。
支柱５３に固定された下部ベース５５には、下部ベース５５に一体に設けられたスリーブ５６に対し、支持部材５７が、その回転を拘束された状態で上下方向にのみ移動可能に設けられている。この支持部材５７の上部には、ボールネジ５１の下端部が、ベアリング機構５８を介して連結されており、これにより支持部材５７には、ボールネジ５１の上下動のみが伝達され、その回転は伝わらないようになっている。
そして、この支持部材５７の下面に、超音波振動部材（加振機構）７０を介し、保持ブロック４１が固定状態で取り付けられているのである。
第２図に示したように、この超音波振動部材７０は、支持部材５７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７２とから構成されている。ここで、圧電素子７１は、駆動回路７３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、つまり支持部材５７と保持ブロック４１を結ぶ方向（金型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に取り付けられた金型１００において、その振幅が最大となるようになっている。
本実施の形態において、駆動回路７３では、圧電素子７１で、一定の周波数、例えば１９．２ｋＨｚの超音波振動を発するよう、交流電圧を出力する。
また、駆動回路７３では、複数種の周波数の超音波振動を圧電素子７１で発振できるよう、それぞれの周波数に応じた交流電圧を出力する構成とすることもできる。このようにすれば、超音波ホーン７２により、複数種の周波数の超音波振動を金型１００に加えることができる。また、駆動回路７３では、任意の周波数の交流電圧を出力するようにしても良い。これらの場合、超音波ホーン７２は、駆動回路７３で発振する超音波振動の周波数に応じたものに適宜交換するのが好ましい。
駆動回路７３で出力する交流電圧に基づき、圧電素子７１が超音波振動を発振し、これによって超音波ホーン７２の下端部７２ｂから金型１００に超音波振動を伝えるわけであるが、金型１００で発する超音波振動は、前述したように、縦方向、つまり、支持部材５７と保持ブロック４１を結ぶ方向（金型１００が基板２００から離間する方向、基板２００に形成されるパターンの深さ方向）の振動を発生する。その振幅は、基板２００に形成するパターンの深さより小さいものとされている。さらには、基板２００に形成するパターンの深さに対し、１／１０程度とするのが好ましい。基板２００に形成されるパターンの深さが一定ではない場合、パターンの特定の部分の深さに基づき、振幅を設定しても好い。例えば、パターンの最も浅い部分の深さに基づき、加える超音波振動の振幅を設定したり、あるいは最も深い部分の深さに基づき設定するのである。さらには、例えばパターンの最も浅い部分の深さに基づき、加える超音波振動の振幅を設定した場合、パターンの深い部分における金型１００と基板２００の噛み付きが解放されないことも考えられるため、そのような場合、超音波振動を加える時間を長くするようなことも可能である。
超音波ホーン７２は、固定端となっている上端部７２ａに対し、自由端となっている下端部７２ｂの振動が大きい（最大振幅となる）ため、上端部７２ａ側については、支持部材５７に対し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、下端部７２ｂ側は、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、保持ブロック４１は、超音波ホーン７２の下端部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の固定手段により固定するのが好ましい。
このような金型駆動機構５０によれば、モータ５２でボールネジ５１を回転駆動させると、これによってボールネジ５１は上部ベース５４、下部ベース５５に対してＺ方向に上下動する。このボールネジ５１の上下動に伴い、金型１００を保持する保持ブロック４１が上下動するのである。これにより、金型１００がＺ方向に上下動し、テーブル２１上に保持される基板２００に対し、接近・離間できるようになっている。
ところで、金型駆動機構５０は、上記のボールネジ５１およびモータ５２に代えて、油圧シリンダにより、金型１００を上下動させる構成とすることも可能である。
第１図に示したように、アライメント機構６０は、移動機構３０で基板２００をＸ、Ｙ方向に移動させるに際し、金型１００とテーブル２１上に保持される基板２００との相対位置関係を補正するためのものである。このようなアライメント機構６０としては様々な構成のものを用いることができるが、一例を挙げれば、基板２００上の所定位置に形成されたアライメントマークを撮像するカメラ６１と、このカメラ６１をＸ、Ｙ方向に移動させるためのカメラ移動機構６２、６３とを備える。
このような構成のアライメント機構６０では、カメラ６１で撮像したアライメントマークの位置に基づいてコントローラで移動機構３０を制御することで、金型１００に対する基板２００の位置を補正する。
さて、第３図に示したように、金型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。この凹凸１０１は、金型１００を金属やセラミックス等のいわゆる金型素材、カーボン系の素材、樹脂系の素材、あるいはこれらの組み合わせ（例えば、ニッケルと炭素（フラーレン等）との組み合わせ等）からなる複合材料で形成し、その下面１００ａに精密機械加工を施すことで形成できる。あるいは金型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シリコン基板から剥離したものを、凹凸１０１を有した金型１００として用いることもできる。
この金型１００は、後述するように保持ブロック４１のトップヒータ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。
一方、加工対象となる基板２００は、第４図の（ａ）に示すように、例えばポリカーボネイト、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート等の、熱可塑性樹脂材料や熱硬化性樹脂材料、ガラス転移温度を有するガラス材料、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、これらの素材の薄膜や厚膜がシリコンやガラス基板上に形成されたもの、等を用いることができる。また、第４図の（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。
第４図の（ａ）の場合、第３図に示した金型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、第４図の（ｂ）の基板２００の場合、金型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、この表現は第４図の（ａ）、（ｂ）の双方の場合を含むものとする。
パターン形成装置１０では、金型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。
以下に、上記のようなパターン形成装置１０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１０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１０では、概略としては、第５図の（ａ）に示すように、金型１００を、基板２００のガラス転移温度以上に加熱しておき、その状態で第５図の（ｂ）に示すように金型１００を基板２００に押し付け、基板２００を加熱する。そして、第５図の（ｃ）に示すように、金型１００を一定時間押し付けて荷重を保持した後、金型１００を冷却し、第５図の（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、金型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。
より詳しくは、まず、保持ブロック４１に対し、所定の金型１００を吸着保持させておく。この状態で、金型駆動機構５０は、保持ブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させておき、保持ブロック４１に保持された金型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、テーブル２１ではこれをバキューム吸着する。
続いて、アライメント機構６０のカメラ６１をカメラ移動機構６２、６３で移動させ、このカメラ６１でテーブル２１上に吸着固定された基板２００上、および金型１００上に形成されたアライメントマークを撮像する。そして、撮像したアライメントマークの位置に基づき、コントローラで移動機構３０を制御することで、金型１００に対する基板２００の位置を補正するためのキャリブレーション（初期設定）を行う。
そして、この後に、基板２００に対し、金型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、第６図に示すように、コントローラの制御により、テーブル２１に内蔵されたベースヒータ２２と、保持ブロック４１に備えられたトップヒータ４２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、つまり金型１００を基板２００に押し付ける前の状態で、保持ブロック４１のトップヒータ４２からの熱伝導により、金型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、テーブル２１のベースヒータ２２からの熱伝導により、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。
この後、移動機構３０でテーブル２１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、保持ブロック４１に保持された金型１００に対向させて位置決めする。
続いて、金型駆動機構５０で保持ブロック４１に保持された金型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。金型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、第５図の（ｂ）に示すように、金型１００が基板２００の表面に接触する位置に到達した時点で、金型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金型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、金型１００の温度Ｔ１近くまで上昇する。このとき、金型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の温度は、表層部ほどには上昇しない。
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、第５図の（ｃ）に示したように、金型駆動機構５０で保持ブロック４１に保持された金型１００を基板２００側にさらに移動させる。これにより、金型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、金型１００の凹凸１０１のパターンが転写される。
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、金型１００が基板２００の表面に接触した状態で、金型駆動機構５０による金型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が金型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、金型駆動機構５０によって金型１００が基板２００側に移動され、これによって基板２００に対し、金型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、金型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、金型１００と基板２００が接触した状態の荷重Ｆ１のときに、金型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に移行させて金型１００による成形を行うのである。
なお、金型駆動機構５０で金型１００を基板２００に押し付けるときの荷重制御は、保持ブロック４１あるいはテーブル２１の中に組み込まれた荷重検出センサ（ロードセル、図示無し）によって金型１００と基板２００の間に作用する荷重を検出し、その荷重が予め設定した所定の荷重となるように、モータ５２で発生するトルクをフィードバック制御することによって行うことができる。
また、荷重によるフィードバック制御ではなく、単に金型駆動機構５０における金型１００の移動ストロークによる制御を行うことも可能である。
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、保持ブロック４１のトップヒータ４２に対する電流供給量を下げる。これにより、保持ブロック４１および金型１００、基板２００の温度は低下するわけであるが、このとき、保持ブロック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、金型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し、基板２００の表面に形成されたパターンが固化し、定着する。
続いて、保持ブロック４１のトップヒータ４２に対する電流供給量を下げたタイミングＳ５以降、所定時間が経過、あるいはトップヒータ４２の温度が所定温度にまで低下したタイミングＳ６にて、超音波振動部材７０の駆動回路７３で所定周波数の交流電圧を圧電素子７１に印加し、振動を発生させる。これにより超音波ホーン７２が保持ブロック４１を介し、金型１００に振動を加えることになる。
このとき、圧電素子７１では、縦方向、つまり金型１００と基板２００が互いに離間・接近する方向、金型１００を基板２００に押し付ける方向に沿った超音波振動を、例えば１９．２ｋＨｚの周波数で、成型するパターンの深さ（高さ）の数分の１以下の振幅で生じるように駆動される。
そして、金型１００で超音波振動を加え始めたタイミングＳ６以降、例えば５秒、あるいは５秒以内に設定した所定時間が経過したタイミングＳ７で、第５図の（ｄ）に示すように、金型駆動機構５０を作動させ、金型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。
これにより、基板２００の表層部には、金型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金型１００に加えている振動は、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、金型１００で超音波振動を加え始めたタイミングＳ６以降であれば、どのようなタイミングに設定しても良い。例えば、タイミングＳ７で金型駆動機構５０によって金型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、タイミングＳ７では超音波振動を停止させず、金型１００が基板２００から離れる方向に移動し始めて以降、金型１００が完全に基板２００から離れる前としても良いし、あるいは金型１００が完全に基板２００から離れた後とし、そのまま超音波振動を加えながら金型１００を基板２００から離しても良い。
上記のようにして、金型１００で基板２００に対し、１回のパターン転写を行った後は、所定のタイミングＳ２で保持ブロック４１のトップヒータ４２に流す電流を増やし、これによって保持ブロック４１に保持された金型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、保持ブロック４１のトップヒータ４２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金型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、金型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、前記した金型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、金型１００のパターンを順次転写していくことができる。
ところで、上記のようにして金型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、金型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、金型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。この状態で金型１００を基板２００に接触させる（押し付ける）と、金型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が、温度Ｔ１と温度Ｔ２は、ガラス転移温度Ｔｇを間に挟み、２０〜１００℃の温度差で設定するのが好ましい。
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、金型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は金型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、金型１００の温度をガラス転移温度Ｔｇ以下に低下させ、金型１００と接触している基板２００の温度を低下させるようにした。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、つまり金型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、金型１００を基板２００から引き離すと、基板２００の表層部は金型１００の凹凸１０１の形状を反転転写した状態となり、すなわち金型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。
上述した構成によれば、金型１００によって基板２００にパターンを形成した後、金型１００を基板２００から離型させるに際し、金型１００に超音波振動を加えるようにした。これにより、金型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、金型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、金型１００と基板２００の密着力を低減させることができ、これにより金型１００と基板２００の噛み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、金型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、および金型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。また、レンズやバイオチップ、窓ガラス、ファイバースコープ、ディスプレイ、照明器具のような、ガラス素材の基板２００を高温成形プロセスで形成する場合、温度変化が大きく熱収縮量が大きいため、通常であれば金型１００と基板２００のパターンが噛み付きやすいが、上記のように超音波振動を加えることでこれを防止し、離型を円滑に行うことができる。
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、金型１００と基板２００の噛み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、溝や穴等のパターンに不純物が残存するのを回避でき、不要な化学反応等が生じるのを防止でき、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。
また、上記パターン形成装置１０では、離型時のみに金型１００に超音波振動を加えるようにし、金型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。金型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、この状態で金型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、金型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、離型時のみに金型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。
また、基板２００の表層部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に設定した金型１００を基板２００に押し付け、金型１００のパターンを転写した後、金型１００をガラス転移温度Ｔｇ以下の温度Ｔ２まで冷却し、金型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の表層部に接する金型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よりも金型１００が小さい場合、基板２００の面積全体ではなく、金型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、金型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に対し一つの金型１００で複数回パターンを順次転写する金型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、金型１００のコストを大幅に削減できる。
しかも、このようなパターン形成装置１０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に対するパターン転写を、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。
このようなパターン形成装置１０では、加工対象となる基板２００として、例えば、第７図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に対する乗せ替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、第８図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（半導体素子）、さらに第９図に示すような微小な流路２０３を有したバイオチップや化学チップ等の基板（加工対象物）２００Ｃ等が適用でき、これ以外にも、アスペクト比の高い溝や穴、ノズル孔等を有したものにも適用できる。
【実施例】
ここで、超音波振動を加えることで、基板２００から金型１００を離型させるときの離型力が軽減することを確認したのでその結果を示す。
第１図に示したような構成のパターン形成装置１０を用い、熱可塑性の樹脂からなる基板２００に対し、パターンを形成した。ここで、パターン形成装置１０においては、金型駆動機構５０に、ボールネジ５１およびモータ５２を用い、保持ブロック４１のトップヒータ４２にはセラミックヒータを用い、冷却ブロック４３は冷媒として熱媒体油（パーレムサーム：沸点３０４℃）を用いる構成とした。また、金型１００には、ニッケル電鋳法で形成した金属電鋳層を剥離したものを用いた。
このようなパターン形成装置１０にて、基板２００に対し、金型１００で深さ５μｍのパターンを形成した。
このとき、第１０図に示すように、超音波振動部材７０では、タイミングＳ６で超音波振動を５秒加え、この後に金型１００を基板２００から離型させた。加えた超音波振動は、金型１００を基板２００から離型させる縦方向（金型１００が基板２００から離間する方向、基板２００に形成されるパターンの深さ方向）の振動とし、圧電素子７１で発振する振動の振動数を１９．２ｋＨｚ、振幅を０．８〜１．６μｍとした。また、比較例として、タイミングＳ６では、超音波振動部材７０で金型１００を超音波振動させず、そのまま金型１００を基板２００から離型させた。
また、金型１００を基板２００から離型させるときの金型１００の移動速度（離型速度）は、５、４０、１００μｍ／ｓとし、それぞれにおいて、金型１００を基板２００から離型させる際に必要な力（リリース力）を下記の方法で計測した。すなわち、プレス用のＤＣサーボモータ（モータ５２）の電流値を計測し、その値と、予めロードセルを用いて測定して得たリリース力との関係から、リリース力を求めた。
第１１図はその結果を示すものである。この第１１図に示すように、金型１００の離型速度にかかわらず、金型１００に超音波振動を加えない場合（振幅０μｍ）に比較し、金型１００に超音波振動を加えることで、リリース力が低下することが確認された。また、超音波振動の振幅が大きいほど、リリース力が低下する傾向も確認された。
例えば、リリース速度を４０μｍ／ｓや１００μｍ／ｓとした場合、超音波振動を加えることで、リリース力は、超音波振動を加えずにリリース速度を５μｍ／ｓに抑えた場合と同等に近いレベルにまで低下させることができている。
これにより、離型時に金型１００に超音波振動を加えることによって、金型１００とパターンが形成された基板２００との噛み付きが抑制され、離型を円滑に行えることが明らかとなった。
また、第１２図の（ａ）、（ｂ）は、超音波振動を加えず、約０．１７μｍ／３０ｓのリリース速度で金型１００を離型させた場合の、基板２００の写真、第１３図の（ａ）、（ｂ）は、超音波振動を加えず、約１μｍ／６ｓのリリース速度で金型１００を離型させた場合の、基板２００の写真、第１４図の（ａ）、（ｂ）は、振幅１．６μｍの超音波振動を金型１００に５秒間加えてから、離型を５μｍ／１ｓのリリース速度で行った場合の基板２００の写真である。
第１２図および第１３図を比較すると明らかなように、超音波振動を加えずに離型を行う場合、第１２図に示すように離型を低速度で行えば、高いパターン再現性が得られるものの、第１３図に示すように離型を速く行うと、パターンの形状が乱れることが確認できる（図中、点線の部分）。これは、離型を速く行った場合、金型１００が基板２００のパターンに噛み付いているからであると推測できる。
これに対し、第１４図に示すように、離型時に超音波振動を加えると、離型を高速度で行っても、高いパターン再現性が得られていることが確認できる。これにより、離型時に金型１００に超音波振動を加えることによって、金型１００とパターンが形成された基板２００との噛み付きが抑制されることが明らかとなった。
なお、第１２図の、超音波振動を加えずに離型を行った場合でも、第１４図の超音波振動を加えた場合と同等のパターン再現性が得られているが、第１０図に示すように、第１２図の場合では、離型だけで約３０秒（タイミングＳ６〜Ｓ９）を有しており（ちなみに、第１４図の場合は約５秒）、高い生産性が要求される工業化に際しては、これが大きな妨げとなる。これに対し、超音波振動を加えた第１４図の場合、離型に要する時間は約１秒（タイミングＳ７〜Ｓ８）であり、超音波振動を加える時間である５秒（タイミングＳ６〜Ｓ７）を加味しても、合計約６秒（タイミングＳ６〜Ｓ８）で離型が完了する。これにより、超音波振動を加えることで、高速でしかも高いパターン再現性を得ることができるのが明らかである。
さらに、なお、上記実施の形態では、超音波振動部材７０で、金型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。
また、離型時に超音波振動を加えるという本願発明の主旨を逸脱しないのであれば、それ以外の部分についてはいかなる構成に変更しても差し支えが無い。
例えばトップヒータ４２で金型１００に加える温度プロファイルを変更しても良いし、従来と同様に金型１００側ではなく基板２００側にヒータを備えることで、基板２００をガラス転移温度近傍まで加熱するような構成としてもよい。
また、保持ブロック４１のトップヒータ４２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。
また、パターン形成装置１０では、移動機構３０や金型駆動機構５０を、ボールネジ３４、３５、５１を用いた機構ではなく、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。また、移動機構３０における位置制御は、所望の位置決めが実現できるものであれば、その方式はいかなるものであっても良い。
加えて、基板２００に対し、金型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、金型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。
この他、金型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。
さらに加え、基板２００の少なくとも表層部に紫外線硬化型樹脂（光硬化型樹脂）を用い、紫外線光源から紫外線を照射するような構成においても本発明を適用することが可能である。このような紫外線光源は、パターン形成装置１０とは別に設けても良いが、基板２００を紫外線光を透過する材料で形成し、基板２００の下側、つまりテーブル２１に紫外線光源を備え、この紫外線光源からの光を、基板２００の裏側から透過させることで、表層部の紫外線硬化型樹脂を硬化させ、パターンを定着させる構成とすることもできる。
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。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、金型によって加工対象物にパターンを形成した後、金型を加工対象物から離型させるに際し、金型に超音波振動等の振動を加えるようにしたので、金型と加工対象物の間の密着力を低減させることができ、これにより金型と加工対象物の噛み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、金型によって加工対象物に形成されたパターンの崩れ、金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、および金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。
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いので、加工対象物が、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、薬液や化学反応への影響が生じることもなく、非常に有効である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【技術分野】
本発明は、基板等の加工対象物上に所定のパターンを形成するためのパターン形成装置、パターン形成方法に関する。
【背景技術】
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。
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。
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。
こうした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、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、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温度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。）。
さらには、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。
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。
すなわち、金型のパターンを加工対象物面に押し付けて転写した後、金型を加工対象物面から引き離す、いわゆる離型工程で、金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金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。
また、上記のようなプロセスで各種デバイスに対するパターン形成を行うにあたり、実際に工業化を図る際には、当然のことながら高スループット化が要求されている。上記のような現象が生じると、これに対する処置等が必要となり、高スループット化の妨げにもなる。
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。
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、金型に潤滑剤（離型剤）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、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。
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、高スループット化を図るとともに、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、パターン形成方法を提供することを目的とする。
【発明の開示】
かかる目的のもと、本発明のパターン形成装置は、対象物保持部に保持された加工対象物に対し、所定のパターンを形成するための金型をプレス機構により押し付けることで、加工対象物にパターンを形成する。そして、このパターン形成装置は、金型または対象物保持部に振動を加える加振機構を備えており、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付けた後、金型と加工対象物とを離間するときに、制御部の制御により、この加振機構で金型または対象物保持部に振動を加えるようになっている。
これにより、金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が可能となる。
加振機構で加える振動としては、金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。
また、加振機構では、パターンの形状や、高さ方向の寸法（高さ、深さ）、加工対象物の材質等に応じ、金型または対象物保持部に加える超音波振動の周波数を切り替え可能とすることもできる。
パターンが微細である場合、加振機構で加える超音波振動は、金型を加工対象物に押し付ける方向に沿った方向のものであるのが好ましい。
また、振動は、金型、加工対象物のどちらに加えてもよいが、加振機構を、プレス機構と金型の間に設けることで金型に振動を加える構成とし、さらに、金型の部分で最大の振幅となるように振動を生じさせるのが好ましい。
上記したようなパターン形成装置は、ガラス転移温度を有する樹脂またはガラスからなる基板を加工対象物とする際に用いることができる。あるいは、適宜材料からなる基板本体上にガラス転移温度を有する樹脂膜を有したものを加工対象物とする場合にも、このパターン形成装置を用いることができる。形成するパターンとしては、各種配線パターンの他、バイオチップ、化学チップ等を実現する流路パターン、フォトニック結晶等の穴をはじめとする、各種のアスペクト比の高い溝や穴、ノズル孔等がある。
このような加工対象物にパターンを形成する場合、例えば上記の非特許文献１や非特許文献２に示したプロセスを用いるのであれば、加工対象物をガラス転移温度以上に加熱し、その状態で金型を加工対象物に押し付けてパターンを転写し、その後、加工対象物をガラス転移温度以下に冷却した後に、金型を加工対象物から引き離して離型する、といった一連の工程を行うことになる。
このようなプロセスを高温域下で行う場合、加工対象物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加工対象物を熱し、プレス成型した後、離型時に加工対象物と金型の双方の温度がガラス転移温度を下回っていると、双方の熱膨張率の違いにより、特に噛み付きが生じやすくなる。このため、このようなプロセスにおいて本発明を適用すれば、離型をスムーズに行えることが期待できる。
また上記非特許文献１、２に示したプロセスでは、加工対象物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、加工対象物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、加工対象物が大型化すると、ヒータで加熱・冷却する対象の、加工対象物およびテーブルの熱容量が大きくなり、その結果、加工対象物を加熱・冷却し、加工対象物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。これは、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。
このような問題に対し、本発明のパターン形成装置に、加工対象物よりも熱容量が小さい金型を加熱する加熱部をさらに備え、この加熱部で加熱された金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、加工対象物に金型で所定のパターンを形成することが有効である。
これ以外にも、加工対象物は、少なくともその表層部を、光が照射されることで硬化する光硬化型樹脂で形成したものとすることもできる。
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金型と、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金型を押し付けるプレス機構と、金型または対象物保持部に振動を加える加振機構と、金型を加熱する加熱部と、を備え、加熱部で加熱された金型をプレス機構で加工対象物に押し付けることで、この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、加工対象物に金型で所定のパターンを形成することを特徴とすることができる。この場合のパターン形成装置では、加振機構で金型または対象物保持部に振動を加えるタイミングについて限定するものではないが、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付けた後、金型と加工対象物とを離間させるときのみ、金型または対象物保持部に振動を加えることもできる。つまり、この場合、金型を対象物保持部に保持された加工対象物に押し付ける加圧工程では、振動を加えないのである。
加振機構で加える振動は、上記したように超音波振動が好適であるが、その振動の方向は、金型が加工対象物から離間する方向、これに直交する方向（つまり加工対象物の表面に沿った方向）、さらには金型が加工対象物から離間する方向を中心とした回転方向、ねじり方向等とすることができる。これらは、形成するパターンの形状、寸法、アスペクト比等に応じ、適宜設定すればよい。
パターンの幅や径が、例えば１０μｍ以下の、微小パターンとなる場合等には、パターン精度を低下させないためにも、金型が加工対象物から離間する方向に沿った振動を発生させるのが好ましい。
その場合、振動の振幅は、パターンの高さ方向の寸法より小さくするのが良く、特に、１／５未満が好ましく、さらに好ましくは１／１０未満とするのが良い。振幅がパターンに対して大きすぎると、パターンの再現性（寸法精度）に悪影響を及ぼす可能性があるからである。
また、本発明は、金型で加工対象物上に所定のパターンを形成するパターン形成方法として捉えることもできる。この方法は、金型を、加工対象物のガラス転移温度を基準とした所定の温度に加熱する加熱工程と、金型を加工対象物に押し付けた後、金型に超音波振動を加える加振工程と、超音波振動が加えられた金型を加工対象物から引き離す離型工程と、を有することを特徴とすることができる。
パターンが微細である場合、加振工程では、金型を加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加えるのが好ましい。また、加工効率（生産効率）を高めるには、加振工程で、金型に超音波振動を加える時間を１０秒以内とするのが良い。この、超音波振動を加える時間は、１０秒以上であると、パターン形成に要する時間が著しく長くなり、生産効率が低下するため好ましくなく、１０秒以内、さらに好ましくは５秒以内とするのが良い。また、超音波振動を加える時間が短すぎると、金型と基板との噛み付きを解放できないため、少なくとも噛み付きが解放できるだけの時間、例えば０．５秒以上、１秒以上等とするのが好ましい。
また、加振工程では、金型に対し、金型で加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えるのが好ましく、パターンの高さ方向の寸法の１／５未満の振幅とするのがさらに好ましい。
ところで、加振工程では、金型を加工対象物に押し付けた後、金型を冷却することができる。この場合、金型の冷却後に、金型に超音波振動を加えることになるが、一定時間金型に超音波振動を加えた後、超音波振動を停止させ、離型工程に移行しても良いし、超音波振動を金型に加えながら、金型を加工対象物から引き離すようにしても良い。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本実施の形態におけるパターン形成装置の斜視図、第２図は、基板保持部と金型保持部、および超音波振動部材の構成を示す図、第３図は、金型保持部の構成を示す断面図、第４図は、加工対象物となる基板の例であり、（ａ）は成形素材がそのまま基板形状をなしている基板、（ｂ）は基板本体の表面に、薄膜状の被覆層が形成された基板を示す図、第５図は、金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り、（ａ）は基板に対向させた金型を加熱した状態、（ｂ）は加熱した金型を基板に押し付けた状態、（ｃ）は金型を基板に荷重をかけて押し付け、パターンを形成している状態、（ｄ）は金型を基板から引き離した状態を示す図、第６図は、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、第７図は、パターンを形成する基板の一例を示す図、第８図は、パターンを形成する基板の他の一例を示す図、第９図は、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り、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）の中心線に沿った断面図、第１０図は、金型に超音波を加えて離型させた実施例と、超音波を加えずに離型させた比較例における、温度と荷重の変化を示す図、第１１図は、超音波振動の振幅と、金型のリリース力との関係を示す図、第１２図は、超音波振動を加えず、低速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真、第１３図は、超音波振動を加えず、高速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真、第１４図は、超音波振動を加えながら、高速で離型させた場合の基板を示す写真であり、（ａ）は基板を斜視した状態の写真、（ｂ）は基板の断面写真である。
【発明を実施するための最良の形態】
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１図は、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。
この第１図に示すように、パターン形成装置１０は、所定のパターンが凹凸により形成された金型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１０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を二次元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金型１００を保持する金型保持部４０と、金型保持部４０に保持された金型１００を駆動する金型駆動機構（プレス機構）５０と、基板２００と金型１００の相対位置を位置決めするためのアライメント機構６０と、を備えている。
第１図および第２図に示すように、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（対象物保持部）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。
また、第２図に示すように、テーブル２１は、保持した基板２００を加熱するためのベースヒータ２２を内蔵している。このベースヒータ２２は、図示しないプログマラブルコンピュータからなるコントローラ（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。このベースヒータ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。
第１図に示したように、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二次元方向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と、下部ベース３２上に設けられてテーブル２１を支持する上部ベース３３と、を有している。
下部ベース３２は、一方向（以下、これをＸ方向と称する）に軸線を有し、図示しないモータによって回転駆動されるボールネジ３４を介し、基台３１に連結されている。また、上部ベース３３は、ボールネジ３４に直交する方向（以下、これをＹ方向と称する）に軸線を有し、図示しないモータによって回転駆動されるボールネジ３５を介して下部ベース３２に連結されている。さらに、この上部ベース３３は、Ｘ−Ｙ平面内での角度を調節する角度調節ネジ３６を備えている。
これにより、移動機構３０では、ボールネジ３４を回転駆動させることで下部ベース３２が基台３１上でＸ方向に移動し、これに直交するボールネジ３５を回転駆動させることで上部ベース３３が下部ベース３２上でＹ方向に移動する。つまり、基板２００を保持するテーブル２１が、移動機構３０により、基板２００の面に平行二次元面内で、Ｘ、Ｙの二方向に移動される構成となっている。
第２図、第３図に示すように、金型保持部４０は、下面に支持面４１ａを有し、この支持面４１ａで金型１００を保持する保持ブロック（基板保持部）４１を備えている。
第３図に示すように、この保持ブロック４１には、金型１００を加熱するトップヒータ（加熱部）４２が内蔵されている。このトップヒータ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。このような保持ブロック４１では、ヒータ電極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。
そして、保持ブロック４１は、その上面側に、冷却ブロック（冷却部）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、この流路４４には、冷却水等の冷媒を流すことができるようになっている。
このような冷却ブロック４３では、流路４４に冷媒を流すことで、保持ブロック４１および金型１００を冷却する機能を有する。
保持ブロック４１は、金型１００を、例えば金属溶着、ネジ、クランプ金具等で固定するようになっている。なお、本実施の形態においては、金型１００を金属溶着によって保持ブロック４１に固定している。
また、保持ブロック４１は、以下のような構成とすることも可能である。すなわち、保持ブロック４１の支持面４１ａに、複数の吸着用電極４５を設け、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させ、この静電力によって金型１００を吸着保持するのである。保持ブロック４１は、吸着用電極４５が金型１００に対して面接触するようになっており、この吸着用電極４５の静電引力により金型１００の上面を吸着保持する。金型１００は、そもそも加工精度が高いものであるため、その上面の平面度も精度良く形成することができる。そして、保持ブロック４１側の吸着用電極４５も平面度を高く形成して、前記の静電引力を利用して金型１００を支持することで、金型１００をネジやクランプ金具等で保持ブロック４１に固定する構造に比較し、金型１００と吸着用電極４５との密着度を高めることができ、保持ブロック４１から金型１００への熱伝導を効率良く行うことができる。
なお、トップヒータ４２のヒータ電極については、金型１００の温度をコントロールするため、コントローラによって電流の供給が制御される構成となっているが、吸着用電極４５については、金型１００の型交換時以外、常に電圧が印加されて吸着力を発揮するようになっている。
ところで、金型１００を保持ブロック４１に静電力で吸着させた場合、基板２００をテーブル２１に静電引力で吸着させることも考えられるが、そのような構成とすると、金型１００で基板２００を成形するに際し、保持ブロック４１がテーブル２１に近接したときに金型１００と基板２００の間で電荷が移動してしまい、その後に金型１００を基板２００から離間させると、金型１００または基板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。このため、基板２００はテーブル２１にバキューム吸着させる構成とするのが良い。
第１図に示したように、金型駆動機構５０は、上記のように金型１００を吸着保持する保持ブロック４１を、移動機構３０によるテーブル２１の移動方向（Ｘ、Ｙ方向）に直交する方向（以下、これをＺ方向と称する）に移動させるものである。
この金型駆動機構５０は、上下方向に軸線を有したボールネジ５１と、このボールネジ５１を回転駆動させるＤＣサーボモータ等のモータ５２とから構成されている。ボールネジ５１は、モータ５２で回転駆動されることで、基台３１上に支柱５３を介して設けられた上部ベース５４に対し、Ｚ方向に上下動するようになっている。
支柱５３に固定された下部ベース５５には、下部ベース５５に一体に設けられたスリーブ５６に対し、支持部材５７が、その回転を拘束された状態で上下方向にのみ移動可能に設けられている。この支持部材５７の上部には、ボールネジ５１の下端部が、ベアリング機構５８を介して連結されており、これにより支持部材５７には、ボールネジ５１の上下動のみが伝達され、その回転は伝わらないようになっている。
そして、この支持部材５７の下面に、超音波振動部材（加振機構）７０を介し、保持ブロック４１が固定状態で取り付けられているのである。
第２図に示したように、この超音波振動部材７０は、支持部材５７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７２とから構成されている。ここで、圧電素子７１は、駆動回路７３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、つまり支持部材５７と保持ブロック４１を結ぶ方向（金型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に取り付けられた金型１００において、その振幅が最大となるようになっている。
本実施の形態において、駆動回路７３では、圧電素子７１で、一定の周波数、例えば１９．２ｋＨｚの超音波振動を発するよう、交流電圧を出力する。
また、駆動回路７３では、複数種の周波数の超音波振動を圧電素子７１で発振できるよう、それぞれの周波数に応じた交流電圧を出力する構成とすることもできる。このようにすれば、超音波ホーン７２により、複数種の周波数の超音波振動を金型１００に加えることができる。また、駆動回路７３では、任意の周波数の交流電圧を出力するようにしても良い。これらの場合、超音波ホーン７２は、駆動回路７３で発振する超音波振動の周波数に応じたものに適宜交換するのが好ましい。
駆動回路７３で出力する交流電圧に基づき、圧電素子７１が超音波振動を発振し、これによって超音波ホーン７２の下端部７２ｂから金型１００に超音波振動を伝えるわけであるが、金型１００で発する超音波振動は、前述したように、縦方向、つまり、支持部材５７と保持ブロック４１を結ぶ方向（金型１００が基板２００から離間する方向、基板２００に形成されるパターンの深さ方向）の振動を発生する。その振幅は、基板２００に形成するパターンの深さより小さいものとされている。さらには、基板２００に形成するパターンの深さに対し、１／１０程度とするのが好ましい。基板２００に形成されるパターンの深さが一定ではない場合、パターンの特定の部分の深さに基づき、振幅を設定しても好い。例えば、パターンの最も浅い部分の深さに基づき、加える超音波振動の振幅を設定したり、あるいは最も深い部分の深さに基づき設定するのである。さらには、例えばパターンの最も浅い部分の深さに基づき、加える超音波振動の振幅を設定した場合、パターンの深い部分における金型１００と基板２００の噛み付きが解放されないことも考えられるため、そのような場合、超音波振動を加える時間を長くするようなことも可能である。
超音波ホーン７２は、固定端となっている上端部７２ａに対し、自由端となっている下端部７２ｂの振動が大きい（最大振幅となる）ため、上端部７２ａ側については、支持部材５７に対し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、下端部７２ｂ側は、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、保持ブロック４１は、超音波ホーン７２の下端部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の固定手段により固定するのが好ましい。
このような金型駆動機構５０によれば、モータ５２でボールネジ５１を回転駆動させると、これによってボールネジ５１は上部ベース５４、下部ベース５５に対してＺ方向に上下動する。このボールネジ５１の上下動に伴い、金型１００を保持する保持ブロック４１が上下動するのである。これにより、金型１００がＺ方向に上下動し、テーブル２１上に保持される基板２００に対し、接近・離間できるようになっている。
ところで、金型駆動機構５０は、上記のボールネジ５１およびモータ５２に代えて、油圧シリンダにより、金型１００を上下動させる構成とすることも可能である。
第１図に示したように、アライメント機構６０は、移動機構３０で基板２００をＸ、Ｙ方向に移動させるに際し、金型１００とテーブル２１上に保持される基板２００との相対位置関係を補正するためのものである。このようなアライメント機構６０としては様々な構成のものを用いることができるが、一例を挙げれば、基板２００上の所定位置に形成されたアライメントマークを撮像するカメラ６１と、このカメラ６１をＸ、Ｙ方向に移動させるためのカメラ移動機構６２、６３とを備える。
このような構成のアライメント機構６０では、カメラ６１で撮像したアライメントマークの位置に基づいてコントローラで移動機構３０を制御することで、金型１００に対する基板２００の位置を補正する。
さて、第３図に示したように、金型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。この凹凸１０１は、金型１００を金属やセラミックス等のいわゆる金型素材、カーボン系の素材、樹脂系の素材、あるいはこれらの組み合わせ（例えば、ニッケルと炭素（フラーレン等）との組み合わせ等）からなる複合材料で形成し、その下面１００ａに精密機械加工を施すことで形成できる。あるいは金型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シリコン基板から剥離したものを、凹凸１０１を有した金型１００として用いることもできる。
この金型１００は、後述するように保持ブロック４１のトップヒータ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。
一方、加工対象となる基板２００は、第４図の（ａ）に示すように、例えばポリカーボネイト、ポリイミド、ポリメチルメタクリレート等の、熱可塑性樹脂材料や熱硬化性樹脂材料、ガラス転移温度を有するガラス材料、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、これらの素材の薄膜や厚膜がシリコンやガラス基板上に形成されたもの、等を用いることができる。また、第４図の（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。
第４図の（ａ）の場合、第３図に示した金型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、第４図の（ｂ）の基板２００の場合、金型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、この表現は第４図の（ａ）、（ｂ）の双方の場合を含むものとする。
パターン形成装置１０では、金型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。
以下に、上記のようなパターン形成装置１０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１０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１０では、概略としては、第５図の（ａ）に示すように、金型１００を、基板２００のガラス転移温度以上に加熱しておき、その状態で第５図の（ｂ）に示すように金型１００を基板２００に押し付け、基板２００を加熱する。そして、第５図の（ｃ）に示すように、金型１００を一定時間押し付けて荷重を保持した後、金型１００を冷却し、第５図の（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、金型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。
より詳しくは、まず、保持ブロック４１に対し、所定の金型１００を吸着保持させておく。この状態で、金型駆動機構５０は、保持ブロック４１を所定のストローク領域の上昇端に位置させておき、保持ブロック４１に保持された金型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、テーブル２１ではこれをバキューム吸着する。
続いて、アライメント機構６０のカメラ６１をカメラ移動機構６２、６３で移動させ、このカメラ６１でテーブル２１上に吸着固定された基板２００上、および金型１００上に形成されたアライメントマークを撮像する。そして、撮像したアライメントマークの位置に基づき、コントローラで移動機構３０を制御することで、金型１００に対する基板２００の位置を補正するためのキャリブレーション（初期設定）を行う。
そして、この後に、基板２００に対し、金型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、第６図に示すように、コントローラの制御により、テーブル２１に内蔵されたベースヒータ２２と、保持ブロック４１に備えられたトップヒータ４２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、つまり金型１００を基板２００に押し付ける前の状態で、保持ブロック４１のトップヒータ４２からの熱伝導により、金型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、テーブル２１のベースヒータ２２からの熱伝導により、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。
この後、移動機構３０でテーブル２１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、保持ブロック４１に保持された金型１００に対向させて位置決めする。
続いて、金型駆動機構５０で保持ブロック４１に保持された金型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。金型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、第５図の（ｂ）に示すように、金型１００が基板２００の表面に接触する位置に到達した時点で、金型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金型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、金型１００の温度Ｔ１近くまで上昇する。このとき、金型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の温度は、表層部ほどには上昇しない。
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、第５図の（ｃ）に示したように、金型駆動機構５０で保持ブロック４１に保持された金型１００を基板２００側にさらに移動させる。これにより、金型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、金型１００の凹凸１０１のパターンが転写される。
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、金型１００が基板２００の表面に接触した状態で、金型駆動機構５０による金型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が金型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、金型駆動機構５０によって金型１００が基板２００側に移動され、これによって基板２００に対し、金型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、金型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、金型１００と基板２００が接触した状態の荷重Ｆ１のときに、金型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に移行させて金型１００による成形を行うのである。
なお、金型駆動機構５０で金型１００を基板２００に押し付けるときの荷重制御は、保持ブロック４１あるいはテーブル２１の中に組み込まれた荷重検出センサ（ロードセル、図示無し）によって金型１００と基板２００の間に作用する荷重を検出し、その荷重が予め設定した所定の荷重となるように、モータ５２で発生するトルクをフィードバック制御することによって行うことができる。
また、荷重によるフィードバック制御ではなく、単に金型駆動機構５０における金型１００の移動ストロークによる制御を行うことも可能である。
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、保持ブロック４１のトップヒータ４２に対する電流供給量を下げる。これにより、保持ブロック４１および金型１００、基板２００の温度は低下するわけであるが、このとき、保持ブロック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、金型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し、基板２００の表面に形成されたパターンが固化し、定着する。
続いて、保持ブロック４１のトップヒータ４２に対する電流供給量を下げたタイミングＳ５以降、所定時間が経過、あるいはトップヒータ４２の温度が所定温度にまで低下したタイミングＳ６にて、超音波振動部材７０の駆動回路７３で所定周波数の交流電圧を圧電素子７１に印加し、振動を発生させる。これにより超音波ホーン７２が保持ブロック４１を介し、金型１００に振動を加えることになる。
このとき、圧電素子７１では、縦方向、つまり金型１００と基板２００が互いに離間・接近する方向、金型１００を基板２００に押し付ける方向に沿った超音波振動を、例えば１９．２ｋＨｚの周波数で、成型するパターンの深さ（高さ）の数分の１以下の振幅で生じるように駆動される。
そして、金型１００で超音波振動を加え始めたタイミングＳ６以降、例えば５秒、あるいは５秒以内に設定した所定時間が経過したタイミングＳ７で、第５図の（ｄ）に示すように、金型駆動機構５０を作動させ、金型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。
これにより、基板２００の表層部には、金型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金型１００に加えている振動は、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、金型１００で超音波振動を加え始めたタイミングＳ６以降であれば、どのようなタイミングに設定しても良い。例えば、タイミングＳ７で金型駆動機構５０によって金型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、タイミングＳ７では超音波振動を停止させず、金型１００が基板２００から離れる方向に移動し始めて以降、金型１００が完全に基板２００から離れる前としても良いし、あるいは金型１００が完全に基板２００から離れた後とし、そのまま超音波振動を加えながら金型１００を基板２００から離しても良い。
上記のようにして、金型１００で基板２００に対し、１回のパターン転写を行った後は、所定のタイミングＳ２で保持ブロック４１のトップヒータ４２に流す電流を増やし、これによって保持ブロック４１に保持された金型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、保持ブロック４１のトップヒータ４２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金型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、金型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、前記した金型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、金型１００のパターンを順次転写していくことができる。
ところで、上記のようにして金型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、金型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、金型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。この状態で金型１００を基板２００に接触させる（押し付ける）と、金型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が、温度Ｔ１と温度Ｔ２は、ガラス転移温度Ｔｇを間に挟み、２０〜１００℃の温度差で設定するのが好ましい。
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、金型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は金型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、金型１００の温度をガラス転移温度Ｔｇ以下に低下させ、金型１００と接触している基板２００の温度を低下させるようにした。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、つまり金型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、金型１００を基板２００から引き離すと、基板２００の表層部は金型１００の凹凸１０１の形状を反転転写した状態となり、すなわち金型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。
上述した構成によれば、金型１００によって基板２００にパターンを形成した後、金型１００を基板２００から離型させるに際し、金型１００に超音波振動を加えるようにした。これにより、金型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、金型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、金型１００と基板２００の密着力を低減させることができ、これにより金型１００と基板２００の噛み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、金型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、および金型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。また、レンズやバイオチップ、窓ガラス、ファイバースコープ、ディスプレイ、照明器具のような、ガラス素材の基板２００を高温成形プロセスで形成する場合、温度変化が大きく熱収縮量が大きいため、通常であれば金型１００と基板２００のパターンが噛み付きやすいが、上記のように超音波振動を加えることでこれを防止し、離型を円滑に行うことができる。
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、金型１００と基板２００の噛み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、溝や穴等のパターンに不純物が残存するのを回避でき、不要な化学反応等が生じるのを防止でき、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。
また、上記パターン形成装置１０では、離型時のみに金型１００に超音波振動を加えるようにし、金型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。金型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、この状態で金型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、金型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、離型時のみに金型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。
また、基板２００の表層部のガラス転移温度Ｔｇ以上の温度Ｔ１に設定した金型１００を基板２００に押し付け、金型１００のパターンを転写した後、金型１００をガラス転移温度Ｔｇ以下の温度Ｔ２まで冷却し、金型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の表層部に接する金型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よりも金型１００が小さい場合、基板２００の面積全体ではなく、金型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、金型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に対し一つの金型１００で複数回パターンを順次転写する金型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、金型１００のコストを大幅に削減できる。
しかも、このようなパターン形成装置１０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に対するパターン転写を、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。
このようなパターン形成装置１０では、加工対象となる基板２００として、例えば、第７図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に対する乗せ替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、第８図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（半導体素子）、さらに第９図に示すような微小な流路２０３を有したバイオチップや化学チップ等の基板（加工対象物）２００Ｃ等が適用でき、これ以外にも、アスペクト比の高い溝や穴、ノズル孔等を有したものにも適用できる。
【実施例】
ここで、超音波振動を加えることで、基板２００から金型１００を離型させるときの離型力が軽減することを確認したのでその結果を示す。
第１図に示したような構成のパターン形成装置１０を用い、熱可塑性の樹脂からなる基板２００に対し、パターンを形成した。ここで、パターン形成装置１０においては、金型駆動機構５０に、ボールネジ５１およびモータ５２を用い、保持ブロック４１のトップヒータ４２にはセラミックヒータを用い、冷却ブロック４３は冷媒として熱媒体油（パーレムサーム：沸点３０４℃）を用いる構成とした。また、金型１００には、ニッケル電鋳法で形成した金属電鋳層を剥離したものを用いた。
このようなパターン形成装置１０にて、基板２００に対し、金型１００で深さ５μｍのパターンを形成した。
このとき、第１０図に示すように、超音波振動部材７０では、タイミングＳ６で超音波振動を５秒加え、この後に金型１００を基板２００から離型させた。加えた超音波振動は、金型１００を基板２００から離型させる縦方向（金型１００が基板２００から離間する方向、基板２００に形成されるパターンの深さ方向）の振動とし、圧電素子７１で発振する振動の振動数を１９．２ｋＨｚ、振幅を０．８〜１．６μｍとした。また、比較例として、タイミングＳ６では、超音波振動部材７０で金型１００を超音波振動させず、そのまま金型１００を基板２００から離型させた。
また、金型１００を基板２００から離型させるときの金型１００の移動速度（離型速度）は、５、４０、１００μｍ／ｓとし、それぞれにおいて、金型１００を基板２００から離型させる際に必要な力（リリース力）を下記の方法で計測した。すなわち、プレス用のＤＣサーボモータ（モータ５２）の電流値を計測し、その値と、予めロードセルを用いて測定して得たリリース力との関係から、リリース力を求めた。
第１１図はその結果を示すものである。この第１１図に示すように、金型１００の離型速度にかかわらず、金型１００に超音波振動を加えない場合（振幅０μｍ）に比較し、金型１００に超音波振動を加えることで、リリース力が低下することが確認された。また、超音波振動の振幅が大きいほど、リリース力が低下する傾向も確認された。
例えば、リリース速度を４０μｍ／ｓや１００μｍ／ｓとした場合、超音波振動を加えることで、リリース力は、超音波振動を加えずにリリース速度を５μｍ／ｓに抑えた場合と同等に近いレベルにまで低下させることができている。
これにより、離型時に金型１００に超音波振動を加えることによって、金型１００とパターンが形成された基板２００との噛み付きが抑制され、離型を円滑に行えることが明らかとなった。
また、第１２図の（ａ）、（ｂ）は、超音波振動を加えず、約０．１７μｍ／３０ｓのリリース速度で金型１００を離型させた場合の、基板２００の写真、第１３図の（ａ）、（ｂ）は、超音波振動を加えず、約１μｍ／６ｓのリリース速度で金型１００を離型させた場合の、基板２００の写真、第１４図の（ａ）、（ｂ）は、振幅１．６μｍの超音波振動を金型１００に５秒間加えてから、離型を５μｍ／１ｓのリリース速度で行った場合の基板２００の写真である。
第１２図および第１３図を比較すると明らかなように、超音波振動を加えずに離型を行う場合、第１２図に示すように離型を低速度で行えば、高いパターン再現性が得られるものの、第１３図に示すように離型を速く行うと、パターンの形状が乱れることが確認できる（図中、点線の部分）。これは、離型を速く行った場合、金型１００が基板２００のパターンに噛み付いているからであると推測できる。
これに対し、第１４図に示すように、離型時に超音波振動を加えると、離型を高速度で行っても、高いパターン再現性が得られていることが確認できる。これにより、離型時に金型１００に超音波振動を加えることによって、金型１００とパターンが形成された基板２００との噛み付きが抑制されることが明らかとなった。
なお、第１２図の、超音波振動を加えずに離型を行った場合でも、第１４図の超音波振動を加えた場合と同等のパターン再現性が得られているが、第１０図に示すように、第１２図の場合では、離型だけで約３０秒（タイミングＳ６〜Ｓ９）を有しており（ちなみに、第１４図の場合は約５秒）、高い生産性が要求される工業化に際しては、これが大きな妨げとなる。これに対し、超音波振動を加えた第１４図の場合、離型に要する時間は約１秒（タイミングＳ７〜Ｓ８）であり、超音波振動を加える時間である５秒（タイミングＳ６〜Ｓ７）を加味しても、合計約６秒（タイミングＳ６〜Ｓ８）で離型が完了する。これにより、超音波振動を加えることで、高速でしかも高いパターン再現性を得ることができるのが明らかである。
さらに、なお、上記実施の形態では、超音波振動部材７０で、金型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。
また、離型時に超音波振動を加えるという本願発明の主旨を逸脱しないのであれば、それ以外の部分についてはいかなる構成に変更しても差し支えが無い。
例えばトップヒータ４２で金型１００に加える温度プロファイルを変更しても良いし、従来と同様に金型１００側ではなく基板２００側にヒータを備えることで、基板２００をガラス転移温度近傍まで加熱するような構成としてもよい。
また、保持ブロック４１のトップヒータ４２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。
また、パターン形成装置１０では、移動機構３０や金型駆動機構５０を、ボールネジ３４、３５、５１を用いた機構ではなく、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。また、移動機構３０における位置制御は、所望の位置決めが実現できるものであれば、その方式はいかなるものであっても良い。
加えて、基板２００に対し、金型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、金型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。
この他、金型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。
さらに加え、基板２００の少なくとも表層部に紫外線硬化型樹脂（光硬化型樹脂）を用い、紫外線光源から紫外線を照射するような構成においても本発明を適用することが可能である。このような紫外線光源は、パターン形成装置１０とは別に設けても良いが、基板２００を紫外線光を透過する材料で形成し、基板２００の下側、つまりテーブル２１に紫外線光源を備え、この紫外線光源からの光を、基板２００の裏側から透過させることで、表層部の紫外線硬化型樹脂を硬化させ、パターンを定着させる構成とすることもできる。
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。
【産業上の利用可能性】
本発明によれば、金型によって加工対象物にパターンを形成した後、金型を加工対象物から離型させるに際し、金型に超音波振動等の振動を加えるようにしたので、金型と加工対象物の間の密着力を低減させることができ、これにより金型と加工対象物の噛み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、金型によって加工対象物に形成されたパターンの崩れ、金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、および金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。
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いので、加工対象物が、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、薬液や化学反応への影響が生じることもなく、非常に有効である。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【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金型と、
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、前記金型を押し付けるプレス機構と、
前記金型または前記対象物保持部に振動を加える加振機構と、
前記対象物保持部に保持された前記加工対象物に、前記金型を押し付けた後、当該金型と前記加工対象物とを離間するときに、前記加振機構により前記金型または前記対象物保持部に振動を加えさせる制御部と、
を備えることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項２】
前記加振機構は、前記金型または前記対象物保持部に超音波振動を加え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】
前記加振機構は、前記金型を前記加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加え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４】
前記加振機構は、前記プレス機構と前記金型の間に設けられ、当該金型の部分で最大の振幅となるように振動を生じさせ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５】
前記金型を加熱する加熱部をさらに備え、
前記加熱部で加熱された前記金型を、前記プレス機構で前記加工対象物に押し付けることで、当該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、当該加工対象物に前記金型で所定のパターンを形成す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６】
前記加工対象物が、ガラス転移温度を有する樹脂またはガラスからなる基板、あるいは基板本体上にガラス転移温度を有する樹脂膜を有したもの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７】
前記加工対象物は、その表層部が、光が照射されることで硬化する光硬化型樹脂で形成されてい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８】
前記加振機構は、前記金型または前記対象物保持部に加える超音波振動の周波数を切り替え可能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９】
加工対象物に所定のパターンを形成するための金型と、
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、前記金型を押し付けるプレス機構と、
前記金型または前記対象物保持部に振動を加える加振機構と、
前記金型を加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部で加熱された前記金型を、前記プレス機構で前記加工対象物に押し付けることで、当該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、当該加工対象物に前記金型で所定のパターンを形成することを特徴とするパターン形成装置。
【請求項１０】
前記加振機構では、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物に、前記金型を押し付けた後、当該金型と前記加工対象物と離間させるときのみ、前記金型または前記対象物保持部に振動を加えることを特徴とする請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１１】
前記加振機構は、前記金型が前記加工対象物から離間する方向に沿った振動を発生させることを特徴とする請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１２】
前記加振機構は、前記金型または前記加工対象物に対し、当該金型で前記加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えることを特徴とする請求項１１に記載のパターン形成装置。
【請求項１３】
金型で加工対象物上に所定のパターンを形成するパターン形成方法であって、
前記金型を、前記加工対象物のガラス転移温度を基準とした所定の温度に加熱する加熱工程と、
前記金型を前記加工対象物に押し付けた後、前記金型に超音波振動を加える加振工程と、
超音波振動が加えられた前記金型を前記加工対象物から引き離す離型工程と、
を有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項１４】
前記加振工程では、前記金型を前記加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１５】
前記加振工程で、前記金型に超音波振動を加える時間が１０秒以内であることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
前記加振工程では、前記金型に対し、前記金型で前記加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１７】
前記金型に加える超音波振動の振幅が、前記パターンの高さ方向の寸法の１／５未満であることを特徴とする請求項１６に記載のパターン形成方法。
【請求項１８】
前記加振工程では、前記金型を前記加工対象物に押し付けた後、前記金型を冷却し、この後に前記金型に超音波振動を加えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１９】
前記加振工程では、前記金型の冷却が完了した後、一定時間前記金型に超音波振動を加え、前記一定時間が経過した後、超音波振動を停止させ、前記離型工程に移行することを特徴とする請求項１８に記載のパターン形成方法。
【請求項２０】
前記離型工程では、前記超音波振動を前記金型に加えながら、前記金型を前記加工対象物から引き離すことを特徴とする請求項１８に記載のパターン形成方法。
【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金型と、
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、前記金型を押し付けるプレス機構と、
前記金型または前記対象物保持部に振動を加える加振機構と、
前記対象物保持部に保持された前記加工対象物に、前記金型を押し付けた後、当該金型と前記加工対象物とを離間するときに、前記加振機構により前記金型または前記対象物保持部に振動を加えさせる制御部と、
を備えることを特徴とするパターン形成装置。
【請求項２】
前記加振機構は、前記金型または前記対象物保持部に超音波振動を加え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】
前記加振機構は、前記金型を前記加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加え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４】
前記加振機構は、前記プレス機構と前記金型の間に設けられ、当該金型の部分で最大の振幅となるように振動を生じさせ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５】
前記金型を加熱する加熱部をさらに備え、
前記加熱部で加熱された前記金型を、前記プレス機構で前記加工対象物に押し付けることで、当該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、当該加工対象物に前記金型で所定のパターンを形成す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６】
前記加工対象物が、ガラス転移温度を有する樹脂またはガラスからなる基板、あるいは基板本体上にガラス転移温度を有する樹脂膜を有したもの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７】
前記加工対象物は、その表層部が、光が照射されることで硬化する光硬化型樹脂で形成されてい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８】
前記加振機構は、前記金型または前記対象物保持部に加える超音波振動の周波数を切り替え可能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９】
加工対象物に所定のパターンを形成するための金型と、
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、前記金型を押し付けるプレス機構と、
前記金型または前記対象物保持部に振動を加える加振機構と、
前記金型を加熱する加熱部と、を備え、
前記加熱部で加熱された前記金型を、前記プレス機構で前記加工対象物に押し付けることで、当該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、当該加工対象物に前記金型で所定のパターンを形成することを特徴とするパターン形成装置。
【請求項１０】
前記加振機構では、前記対象物保持部に保持された前記加工対象物に、前記金型を押し付けた後、当該金型と前記加工対象物と離間させるときのみ、前記金型または前記対象物保持部に振動を加えることを特徴とする請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１１】
前記加振機構は、前記金型が前記加工対象物から離間する方向に沿った振動を発生させることを特徴とする請求項９に記載のパターン形成装置。
【請求項１２】
前記加振機構は、前記金型または前記加工対象物に対し、当該金型で前記加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えることを特徴とする請求項１１に記載のパターン形成装置。
【請求項１３】
金型で加工対象物上に所定のパターンを形成するパターン形成方法であって、
前記金型を、前記加工対象物のガラス転移温度を基準とした所定の温度に加熱する加熱工程と、
前記金型を前記加工対象物に押し付けた後、前記金型に超音波振動を加える加振工程と、
超音波振動が加えられた前記金型を前記加工対象物から引き離す離型工程と、
を有することを特徴とするパターン形成方法。
【請求項１４】
前記加振工程では、前記金型を前記加工対象物に押し付ける方向に沿った方向の超音波振動を加えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１５】
前記加振工程で、前記金型に超音波振動を加える時間が１０秒以内であることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１６】
前記加振工程では、前記金型に対し、前記金型で前記加工対象物に形成するパターンの高さ方向の寸法より小さな振幅の振動を与えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１７】
前記金型に加える超音波振動の振幅が、前記パターンの高さ方向の寸法の１／５未満であることを特徴とする請求項１６に記載のパターン形成方法。
【請求項１８】
前記加振工程では、前記金型を前記加工対象物に押し付けた後、前記金型を冷却し、この後に前記金型に超音波振動を加えることを特徴とする請求項１３に記載のパターン形成方法。
【請求項１９】
前記加振工程では、前記金型の冷却が完了した後、一定時間前記金型に超音波振動を加え、前記一定時間が経過した後、超音波振動を停止させ、前記離型工程に移行することを特徴とする請求項１８に記載のパターン形成方法。
【請求項２０】
前記離型工程では、前記超音波振動を前記金型に加えながら、前記金型を前記加工対象物から引き離すことを特徴とする請求項１８に記載のパターン形成方法。
【国際公開番号】ＷＯ２００４／０９３１７１
【国際公開日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【発行日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−５０５３６７（Ｐ２００５−５０５３６７）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００４９９５
【国際出願日】平成１６年４月７日（２００４．４．７）
【出願人】（５０４０９７８２３）ＳＣＩＶＡＸ株式会社 (31)
【出願人】（０００２３４１６６）伯東株式会社 (135)
【Ｆターム（参考）】
【国際公開日】平成１６年１０月２８日（２００４．１０．２８）
【発行日】平成１８年７月６日（２００６．７．６）
【国際特許分類】
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＪＰ２００４／００４９９５
【国際出願日】平成１６年４月７日（２００４．４．７）
【出願人】（５０４０９７８２３）ＳＣＩＶＡＸ株式会社 (31)
【出願人】（０００２３４１６６）伯東株式会社 (135)
【Ｆターム（参考）】
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