JP2010052168A - 合成樹脂の成形方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】位置ずれを抑制して、基板に成形部を高精度で成形することができる合成樹脂の成形方法および装置を提供する。
【解決手段】加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂５４をスタンパ金型６０で押圧して、基板５０に複数個の成形部５５を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法である。冷却工程において、スタンパ金型６０と基板５０の面内温度分布に勾配をつけ、中央部ｂ付近を周辺部よりも低温化する。スタンパ金型６０を保持するステージ６１と基板５０を保持するステージ６２とに冷却管７４をそれぞれ設け、各冷却管７４は、中央部ｂ付近から周辺部に向かって冷媒が拡がりながら流れるように配置する。
【選択図】図２

Description

本発明は、合成樹脂の成形方法および装置に関する。

従来、例えば特許文献１に記載されているような光電気変換装置は、電気信号を光信号に変換する発光素子が実装されたマウント基板と、光信号を電気信号に変換する受光素子が実装されたマウント基板とがそれぞれ回路基板を介して配線基板に実装されている。

この光電気変換装置においては、発光素子または受光素子と光学的に結合する導波路がマウント基板にそれぞれ形成され、これらの導波路がマウント基板から張り出して延在していて、その先端同士が光コネクタにより相互に連結されている。

前記のようなマウント基板の導波路は、一般に次のようにして形成される。図６（ａ）に示すような円形状のシリコン基板（シリコンウエハ）５０を用いて、一点鎖線で区分けしたように、複数個（本例では１５個）のマウント基板５１を同時に形成する。そして、最終的には、シリコン基板５０を一点鎖線位置で切断して、図６（ｂ）のように、マウント基板５１を個片化するのである。

先ず、シリコン基板５０のマウント基板５１の位置に、図７（ａ）のように、導波路形成用溝５２（４５度傾斜のミラー部５３を含む。）を形成する。そして、図７（ｂ）のように、導波路形成用溝５２に下クラッド材５４を充填（若しくは塗布。以下同様。）し、次いで、図７（ｃ）のように、スタンパ金型（図示せず）を用いて下クラッド材５４を押圧してコア用溝５５を形成する。このコア用溝５５に、図７（ｄ）のように、コア材を充填してコア５６を形成し、最後に、図７（ｅ）のように、コア５６の上に上クラッド材５７を塗布して、クラッド５８を形成することで、コア５６とクラッド５８とで導波路５９が形成されるようになる。

図８は、シリコン基板５０の各導波路形成用溝５２に、熱可塑性樹脂である下クラッド材５４を充填した後、スタンパ金型６０を用いて下クラッド材５４を押圧してコア用溝５５を形成する工程図である。

図８（ａ）のように、常温（約２３℃）状態で、固定の上ステージ６１にスタンパ金型６０を吸着保持するとともに、可動の下ステージ６２にシリコン基板５０を吸着保持する。

このシリコン基板５０の導波路形成用溝５２には、下クラッド材５４が充填されていて、この状態で、スタンパ金型６０とシリコン基板５０とともに下クラッド材５４を加熱（約９０℃）して軟化若しくは液状化させる。

その後、図８（ｂ）のように、シリコン基板５０とスタンパ金型６０の左右両端のアライメントマーク（図９の符号ａ参照）を、対応するカメラ６３でそれぞれ監視する。そして、左右のアライメントマークの中点座標〔図９（ａ）の符号ｂ参照。〕が一致するように、シリコン基板５０とスタンパ金型６０とを、吸着保持力に抗して水平面内で移動させながら合わせ込む。これにより、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部（重心位置）が一致する。

このようにして、シリコン基板５０とスタンパ金型６０の位置アライメントが完了した後、図８（ｃ）のように、下ステージ６２を上昇させることで、シリコン基板５０の下クラッド材５４をスタンパ金型６０により押圧する。これにより、下クラッド材５４にコア用溝（成形部）５５が形成されるようになる。なお、後述する図９（ａ）では、黒四角マークで表示した部分が導波路形成用溝５２であり、本例では、シリコン基板５０の５７個の導波路形成用溝５２にコア用溝（成形部）５５を同時に形成している。

そして、５７個のコア用溝５５を同時に成形した状態で、図８（ｄ）のように、離型温度（約３５℃）まで冷却して固化させる。

その後、図８（ｅ）のように、下ステージ６２を下降させて、シリコン基板５０の下クラッド材５４からスタンパ金型６０を離型することで、図７（ｃ）に示したように、下クラッド材５４にコア用溝５５が形成されるのである。

図９（ａ）は、上下のステージ６１，６２にスタンパ金型６０とシリコン基板５０をそれぞれ吸着保持した状態を真上から透過した平面図、図９（ｂ）〜（ｅ）は、それぞれ図９（ａ）のＸ−Ｘ部分の要部拡大断面図である。前述したように、図９（ａ）の例では、シリコン基板５０の５７個の導波路形成用溝５２にコア用溝（成形部）５５を黒四角マーク位置に同時に形成している。

図９（ｂ）は、図８（ａ）の吸着保持工程であり、上下のステージ６１，６２にスタンパ金型６０とシリコン基板５０をそれぞれ吸着保持している。この場合には、スタンパ金型６０の各コア用溝形成凸部６０ａは、図８（ｂ）のアライメント工程と相俟って、各導波路形成用溝５２に対して位置アライメントされている。

図９（ｃ）は、図８（ｃ）の押圧工程であり、加熱されるスタンパ金型６０とシリコン基板５０は外方向に膨張するようになる。この場合、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部になる中点座標ｂの位置では熱膨張は小さい。しかし、周辺部の位置ｃでは、熱膨張が大きくなり、導波路形成用溝５２に対してスタンパ金型６０のコア用溝形成凸部６０ａの位置が外方にずれて、コア用溝５５に位置ずれｄが生じる。

図９（ｄ）は、図８（ｄ）の冷却工程であり、冷却されるスタンパ金型６０とシリコン基板５０は内方向に熱収縮するようになる。この図９（ｄ）では、スタンパ金型６０のコア用溝形成凸部６０ａは、熱膨張によるコア用溝５５の位置ずれｄの分だけ正確に熱収縮している状態を表している。

図９（ｅ）は、図８（ｅ）の離型工程であり、コア用溝５５に位置ずれｄが無い状態を表している。

ここで、加熱・冷却工程が不必要な熱硬化性樹脂や、全工程を室温で行える光硬化性樹脂を用いる成形（インプリント）の場合は、前述のような熱膨張や熱収縮が無い。そのために、コア用溝（成形部）５５の位置精度は、図８（ｂ）のアライメント工程によるアライメント時の精度と、成形装置の重ね合わせ精度とで決まり、一般に、シリコン基板５０の所定位置に高精度（±数ｕｍ）で成形が可能である。
特開２００３−２２２７４６号公報

しかしながら、加熱・冷却工程が必要な熱可塑性樹脂等を用いる成形（インプリント）の場合は、前述のような熱膨張や熱収縮が有る。そのために、図１０に示すように、冷却工程中のスタンパ金型６０とシリコン基板５０の収縮で、上下のステージ６１，６２との吸着界面間の摩擦の面内ばらつきにより、コア用溝５５に位置ずれｄが生じるおそれがある。図１０においては、白四角マーク位置が正規の位置、黒四角マーク位置が位置ずれｄをした位置を表している。なお、位置ずれｄとは、重心ずれｅと回転ずれｆを示し、熱収縮によって金型形状ピッチ寸法が変化することに起因したピッチずれは入らない。

この結果、シリコン基板５０の所定位置にコア用溝（成形部）５５を高精度（±数ｕｍ）で成形することが困難であるという問題があった。

本発明は、前記問題を解消するためになされたもので、位置ずれを抑制して、基板に成形部を高精度で成形することができる合成樹脂の成形方法および装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために、本発明は、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法であって、前記冷却工程において、前記スタンパ金型と基板の面内温度分布に勾配をつけ、中央部付近を周辺部よりも低温化することを特徴とする合成樹脂の成形方法を提供するものである。

また、本発明は、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形装置であって、前記スタンパ金型を保持するステージと前記基板を保持するステージとに、冷却管がそれぞれ設けられ、各冷却管は、中央部付近から周辺部に向かって冷媒が拡がりながら流れるように配置されていることを特徴とする合成樹脂の成形装置を提供するものである。

請求項３のように、請求項２において、前記各ステージの周辺部を加熱可能な加熱手段が設けられていることが好ましい。

請求項４のように、請求項３において、前記加熱手段は、リング状ヒータであることが好ましい。

本発明の方法によれば、冷却工程で、スタンパ金型と基板の中央部付近を周辺部よりも先に低温化することにより、中央部付近の合成樹脂が周辺部の合成樹脂よりも先に冷却されて硬化することで重心を先に固定できる。したがって、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型と基板との位置ずれを抑制できるので、基板に成形部を高精度で成形することができる。

本発明の装置によれば、冷却工程で、冷却管の冷媒は、中央部付近から周辺部に向かって流れるほど、周囲の熱を受けて温度が上がって行くため、中央部付近の合成樹脂が周辺部の合成樹脂よりも先に冷却されて硬化することで重心を先に固定できる。したがって、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型と基板との位置ずれを抑制できるので、基板に成形部を高精度で成形することができる。また、冷却管の形状と、その出入り口の形成位置を工夫するだけであるから、構造が簡単で装置コストが安価になる。

請求項３によれば、各ステージの周辺部を加熱手段で加熱することで、周囲部の温度を中央部付近よりも高くした状態で冷却できるから、中央部付近の合成樹脂が周辺部の合成樹脂よりも確実に先に冷却されて硬化するようになる。

請求項４によれば、加熱手段としてリング状ヒータを用いることで、簡易かつ低コストで加熱することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。

最初に、冷却工程における前記スタンパ金型６０と前記シリコン基板５０の面内温度分布について説明する。

図１１（ａ）は上ステージ６１の平面図、図１１（ｂ）は上ステージ６１、スタンパ金型６０、シリコン基板５０、下ステージ６２の断面図、図１１（ｃ）は下ステージ６２の平面図である。図１１（ｄ）は、図９（ａ）と同様に、上下のステージ６１，６２にスタンパ金型６０とシリコン基板５０をそれぞれ吸着保持した状態を真上から透過した平面図である。また、図１２（ａ）は押圧工程における図１１（ｂ）の拡大図、図１２（ｂ）は冷却工程における図１１（ｂ）の拡大図である。

上ステージ６１には、図１１（ａ）において横向きのＵ字状冷却管７０が設けられ、下ステージ６２には、図１１（ｃ）において下向きのＵ字状冷却管７１が設けられているとする。そして、各冷却管７０，７１を流れる冷媒（水またはオイル）は、ＩＮ（入口）からＯＵＴ（出口）に向かって流れるほど、周囲の熱を受けて温度が上がって行く。したがって、図１１（ｄ）から見て、楕円状線で囲んだ左側Ａの冷却されやすい部分と右側Ｂの冷却されにくい部分とが生じるようになる。

このため、冷却工程において、図１２（ａ）のように、左側Ａは右側Ｂよりも先に低温化し、左側Ａの下クラッド材（熱可塑性樹脂）５４が右側Ｂの下クラッド材５４よりも先に冷却されて、固化（高粘度化）するようになる。その結果、図１２（ｂ）のように、スタンパ金型６０とシリコン基板５０が左側Ａの方向に熱収縮する。そして、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中心部になる中点座標ｂの位置（重心）がｂ´に移動してコア用溝５５に位置ずれｄ（特に重心ずれｅ）が生じるようになる。なお、冷却状況によっては、回転ずれｆも生じることがある。

そこで、本発においては、冷却工程におけるスタンパ金型６０とシリコン基板５０の面内温度分布に着目したものである。

図１は、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の面内温度分布に勾配（差）をつける第１実施形態（基本構成）の方法であって、冷却工程における図１１（ｂ）の拡大図である。

図１には、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中央部ｂと周辺部の面内温度分布の曲線Ｃを併記してあり、中央部ｂを周辺部よりも低温化させている。

シリコン基板５０は、例えば４インチのシリコンウエハを用いる場合を想定すると、スタンパ金型６０は、対辺長１００ｍｍの八角形のニッケル電鋳スタンパ（厚さ３００ｕｍ〜５００ｕｍ程度）を用いることが好ましい。

第１実施形態の構成であれば、冷却工程で、スタンパ金型６０とシリコン基板５０の中央部ｂ付近を周辺部よりも先に低温化する。これにより、中央部ｂ付近の下クラッド材５４が周辺部の下クラッド材５４よりも先に冷却されて硬化することで重心（中央部ｂ）を先に固定できる。したがって、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型６０とシリコン基板５０との位置ずれｄを抑制できるので、シリコン基板５０にコア用溝（成形部）５５を高精度で成形することができる。

ここで、加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型６０で押圧して、複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂としては、熱可塑性樹脂が一般的である。熱可塑性樹脂としては、アクリル樹脂（ＰＭＭＡ）、ポリカボネート樹脂（ＰＣ）、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＰ）のようなナノインプリントに用いられるものがある。

この熱可塑性樹脂以外に、常温で固体のエポキシ化合物と常温で液状のエポキシ化合物とを所定の比率で含有し、さらに光重合開始剤を含有し、且つ、加熱により溶融または軟化する、常温で固体の光硬化性樹脂（いわゆる固形未硬化樹脂）も用いることができる。

図２は、第２実施形態の装置であって、図２（ａ）は上ステージ６１の平面図、図２（ｂ）は上ステージ６１、スタンパ金型６０、シリコン基板５０、下ステージ６２の断面図、図２（ｃ）は下ステージ６２の平面図である。

上ステージ６１と下ステージ６２には、中央部ｂ付近に冷却管７４の入口（ＩＮ）７４ａを形成している。また、各ステージ６１，６２には、中央部ｂ付近から周辺部に向かって放射状に、円周上等角度間隔（本例では４５度）で冷却管７４を設けて、各ステージ６１，６２の側面に放射状の冷却管７４の出口（ＯＵＴ）７４ｂをそれぞれ形成している。

図３は、第３実施形態の装置であって、図３（ａ）は上ステージ６１の平面図、図３（ｂ）は上ステージ６１、スタンパ金型６０、シリコン基板５０、下ステージ６２の断面図、図３（ｃ）は下ステージ６２の平面図である。

上ステージ６１と下ステージ６２には、中央部ｂ付近に冷却管７５の入口（ＩＮ）７５ａを形成している。また、各ステージ６１，６２には、中央部ｂ付近から周辺部に向かって螺旋状に冷却管７５を設けて、各ステージ６１，６２の一側面に螺旋状の冷却管７５の出口（ＯＵＴ）７５ｂをそれぞれ形成している。

図４は、第１実施形態の上ステージ６１と下ステージ６２の中央部ｂ付近に形成した冷却管７４の入口７４ａに冷媒を供給する構成である。なお、第２実施形態の冷却管７５の入口７５ａに冷媒を供給する構成も同様であるため、説明は省略する。

図４（ａ）は下ステージ６２の平面図、図４（ｂ）は下ステージ６２の側面断面図である。図４（ｃ）は上下のステージ用補助プレート７６の平面図、図４（ｄ）は、上下のステージ用補助プレート７６の側面断面図である。図４（ｅ）は補助プレート７６をそれぞれ取付けた上下ステージ６１，６２の側面断面図である。

図４（ａ）（ｂ）において、下ステージ６２は、上面がシリコン基板５０の吸着保持面であり、中央部ｂ付近の下面に冷却管７４の入口（ＩＮ）７４ａを形成している。

図４（ｃ）（ｄ）において、補助プレート７６の中央部ｂ付近の上面に、冷媒供給管７７の出口７７ｂを形成し、補助プレート７６の一側面に冷媒供給管７７の入口７７ａを形成している。なお、上ステージ６１と補助プレート７６の構成も同様であるため、同一符号を付して説明は省略する。

図４（ｅ）おいて、上下のステージ６１，６２の各補助プレート７６の冷媒供給管７７の入口７７ａから冷媒が供給されると、冷媒は、冷媒供給管の出口７７ｂから上下のステージ６１，６２の冷却管７４に入口７４ａから入る。そして、放射状（若しくは螺旋状）の冷却管７４を出口７４ｂに向かって拡がりながら流れて、出口７４ｂから排出されるようになる。

第２，第３実施形態の構成であれば、冷却工程で、冷却管７４，７５の冷媒は、中央部ｂ付近から周辺部に向かって流れるほど、周囲の熱を受けて温度が上がって行く。そのため、中央部ｂ付近の下クラッド材５４が周辺部の下クラッド材５４よりも先に冷却されて固化することで重心（中央部ｂ）を先に固定できる。したがって、冷却時の収縮に伴うスタンパ金型６０とシリコン基板５０との位置ずれｄを抑制できるので、シリコン基板５０にコア用溝（成形部）５５を高精度で成形することができる。

また、冷却管７４，７５の形状と、その出入り口７４ａ，７４ｂ，７５ａ，７５ｂの形成位置を工夫するだけであるから、構造が簡単で装置コストが安価になる。

図５は、第４実施形態の装置であって、図５（ａ）は下ステージ６２の平面図、図５（ｂ）は下ステージ６２の側面断面図である。図４（ｃ）は補助プレート７６を取付けた上下ステージ６１，６２の側面断面図である。なお、冷却管７４や補助プレート７６は、図４（ａ）〜（ｅ）の構成と同じであるから、同一符号を付して説明は省略する。

第４実施形態は、上下のステージ６１，６２の周辺部を加熱可能な加熱手段を設けたものであり、この加熱手段としては、リング状ヒータ７８を用いている。なお、リング状ヒータ７８は、上下のステージ６１，６２内の冷却管７４の上側（シリコン基板５０側、スタンパ金型６０側）位置に配置しているが、下側位置であっても良い。また、補助プレート７６内に配置しても良い。

第４実施形態の構成であれば、上下のステージ６１，６２の周辺部をリング状ヒータ７８で加熱することで、周囲部の温度を中央部ｂ付近よりも高くした状態で冷却できる。したがって、中央部ｂ付近の下クラッド材５４が周辺部の下クラッド材５４よりも確実に先に冷却されて硬化するようになる。また、加熱手段としてリング状ヒータ７８を用いることで、簡易かつ低コストで加熱することができる。

本発明の第１実施形態であり、面内温度分布に勾配をつける状態を示した、冷却工程におけるスタンパ金型とシリコン基板の側面断面図である。 本発明の第２施形態であり、（ａ）は上ステージの平面図、（ｂ）は上ステージ、スタンパ金型、シリコン基板、下ステージの断面図、（ｃ）は下ステージの平面図である。 本発明の第３施形態であり、（ａ）は上ステージの平面図、（ｂ）は上ステージ、スタンパ金型、シリコン基板、下ステージの断面図、（ｃ）は下ステージの平面図である。 上下のステージの中央部の入口に冷媒を供給する構成であり、（ａ）は下ステージの平面図、（ｂ）は下ステージの側面断面図、（ｃ）は補助プレートの平面図、（ｄ）は補助プレートの側面断面図、（ｅ）は補助プレートを取付けた上下ステージの側面断面図である。 本発明の第４施形態であり、（ａ）は下ステージの平面図、（ｂ）は下ステージの側面断面図、（ｃ）は補助プレートを取付けた上下ステージの側面断面図である。 （ａ）はシリコン基板の斜視図、（ｂ）はマウント基板の斜視図である。 （ａ）〜（ｅ）は、シリコン基板のマウント基板の位置に、導波路を形成する工程図である。 （ａ）〜（ｅ）は、コア用溝を形成する工程図である。 （ａ）〜（ｅ）は、図８の工程における説明図である。 コア用溝の位置ずれを示す説明図である。 （ａ）〜（ｄ）は、冷却工程における面内温度分布を説明する図である。 （ａ）は押圧工程における図１１（ｂ）の拡大図、（ｂ）は冷却工程における図１１（ｂ）の拡大図である。

符号の説明

５０ シリコン基板
５１ マウント基板
５２ 導波路形成用溝
５４ 下クラッド材（熱可塑性樹脂）
５５ コア用溝
５８ クラッド
５９ 導波路
６０ スタンパ金型
６０ａ コア用溝形成凸部
６１ 上ステージ
６２ 下ステージ
７４ 放射状の冷却管
７５ 螺旋状の冷却管
７６ 補助プレート
７７ 冷媒供給管
７８ リング状ヒータ
ｄ 位置ずれ
ｅ 重心ずれ
ｆ 回転ずれ

Claims (4)

1. 加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形方法であって、
   前記冷却工程において、前記スタンパ金型と基板の面内温度分布に勾配をつけ、中央部付近を周辺部よりも低温化することを特徴とする合成樹脂の成形方法。
2. 加熱で軟化若しくは液状化させた合成樹脂をスタンパ金型で押圧して、基板に複数個の成形部を同時に成形した後に、冷却工程を伴う合成樹脂の成形装置であって、
   前記スタンパ金型を保持するステージと前記基板を保持するステージとに、冷却管がそれぞれ設けられ、各冷却管は、中央部付近から周辺部に向かって冷媒が拡がりながら流れるように配置されていることを特徴とする合成樹脂の成形装置。
3. 前記各ステージの周辺部を加熱可能な加熱手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の合成樹脂の成形装置。
4. 前記加熱手段は、リング状ヒータであることを特徴とする請求項３に記載の合成樹脂の成形装置。

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