CN101573665A - 用于通过油墨光刻生成图案的器件和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于在衬底表面制造图案的方法、器件和器件构件，特别是包含这样的结构的图案：该结构具有在一、二或三维上具备选定长度的微米尺寸和/或纳米尺寸部件，并包括具备变化高度、深度、或高度和深度的浮雕和凹进部件。包含多个聚合物层的，且每个聚合物层具有选定的机械和热属性和物理尺度的复合图案化器件，在多种衬底表面和表面形态上提供了高分辨率的图案化。本发明提供了用于在衬底表面生成灰阶图案的灰阶油墨光刻光掩模，或用于在衬底表面生成压印浮雕部件的模具。可以通过改变弹性图案化器件上的三维凹进图案来操纵所制造的图案的具体形状，该弹性图案化器件与衬底共形接触，以使图案化剂位于图案的凹进部。

Description

用于通过油墨光刻生成图案的器件和方法

相关申请的交叉引用

本申请要求2006年10月27日提交的美国临时专利申请60/863,248和2007年2月16日提交的美国非临时专利申请11/675,659的权益，这两份文献通过引用全部纳入本说明书。

发明背景

微米尺寸结构和器件的设计和制造对多种重要技术——包括微电子、光电子、微流体和微传感——有巨大影响。例如，制作微米尺寸电子器件的能力已经革新了电子领域，导致了性能更快更高且能量要求明显少的电子构件(component)。随着这些技术持续快速发展，已经日益明显的是：通过发展对纳米尺度物质进行操纵和组织的能力，会实现更多收益。纳米科学和技术的进步注定会显著影响许多技术领域，从材料科学到生物技术应用工程学。

纳米尺度器件的制造不仅是小型化概念的自然延伸，而且是根本不同的体系，其中的物理和化学行为与较大尺度系统大相径庭。例如，许多材料的纳米尺度组件的性能大大为它们的大界面体积分数和由电子禁闭造成的量子机械效应所影响。在纳米尺度上制作具有明确规定的部件(feature)的结构的能力已经使得基于仅出现在纳米尺度的属性和过程——诸如单电子隧穿、库仑阻塞和量子尺寸效应——来制作器件成为可能。然而，用多种材料制造亚微米尺寸结构的商业实用方法的发展，对纳米科学和技术的继续进步至关重要。

光刻(photolithography)是目前最普遍的微制造方法，几乎所有集成电子电路都是使用这种技术制作的。在常规投影式光刻中，使用光掩模生成对应于选定的二维图案的光学图像。该图像被光学地缩小并被投射在被旋涂在衬底上的光致抗蚀剂薄膜上。替换性地，在“直接写到晶片(Direct Write to Wafer)”光刻技术中，光致抗蚀剂在不使用光掩模的情况下直接曝光于激光、电子束或离子束。光、电子和/或离子和组成光致抗蚀剂的分子之间的相互作用以一方式对选定的光致抗蚀剂区域进行了化学改造，使得制造具有明确规定的物理尺度的结构成为可能。光刻格外适于在平坦衬底上生成二维部件分布。此外，使用其他涉及了多层堆叠的形成的制造方法，光刻能够在平坦衬底上生成更复杂的三维部件分布。

光刻的最近进步已经将它的可应用性扩展到具有亚微米范围尺度的结构的生产上。例如，纳米光刻术——诸如深紫外投射式光刻、软X射线光刻、电子束光刻和扫描探针方法——已经被成功采用，以制造具有10至100纳米数量级部件的结构。虽然纳米光刻提供了制造纳米尺度结构和器件的可行方法，但是这些方法具有某些限制，阻碍了它们实际集成到那些能够对纳米材料提供低成本、高体积处理的商业方法中。首先，纳米光刻方法要求精细且昂贵的步进机或写工具来将光、电子和/或离子引导到光致抗蚀剂表面上。其次，这些方法仅限于对非常狭窄范围的特殊材料进行图案化，而不适于将特定的化学功能引入纳米结构。第三，常规纳米光刻仅限于在小面积的超平坦刚性表面上制造纳米尺寸部件，这样，就不太适合在玻璃、碳和塑料表面进行图案化。最后，包含在三维上具备选定长度的部件的纳米结构难以制造，因为纳米光刻方法提供的聚焦深度有限，并通常要求对多个层作劳动密集型的重复处理。

光刻方法在应用到纳米制造时的实际限制，已经充分激发了人们对开发用于制造纳米尺度结构的替换性非光刻方法的兴趣。近年来，基于模塑、接触印刷和压印——其统称为软光刻(softlithographic)——的新技术已经被开发出来。这些技术使用具有包含明确规定的浮雕图案的转印表面的适合的图案化器件，诸如模板(stamp)、模具或掩模。微米尺寸和纳米尺寸结构是通过材料处理形成的，所述材料处理涉及衬底和图案化器件的转印表面之间的分子尺度的共形接触(conformal contact)。用在软光刻中的图案化器件通常包含弹性材料，诸如聚二甲基硅氧烷(poly(dimethylsiloxane))(PDMS)，并且一般通过将预聚物浇铸在使用常规光刻生成的母板上来制备。该图案化器件的机械特性对在具有良好的保真度和布局准确度的转印表面上制造机械上稳固的图案至关重要。

能够生成微米尺寸和/或纳米尺寸结构的软光刻方法，包括纳米转印、微米转印模塑、复制模塑、毛细微模塑、近场相移光刻(near fieldphase shift lithography)、和溶剂辅助微模塑。例如，常规软光刻接触印刷方法已经被用来生成具有侧向尺度小至大约250nm的部件的金自组装单层图案。通过软光刻生成的结构已经被集成到多种器件中，包括二极管、光致发光多孔硅像素、有机发光二极管、和薄膜三极管。这种技术的其他应用通常包括柔性电子构件、微机电系统、微分析系统、和纳米光子系统的制造。

用于制作纳米结构的软光刻方法提供了多个对制造纳米尺度结构和器件重要的优点。首先，这些方法与多种衬底兼容，诸如柔性塑料、碳质材料、陶瓷、硅、和玻璃，并容许了多种转印材料，包括金属、复杂有机化合物、胶质材料、悬浮液、生物分子、细胞、和盐溶液。其次，软光刻在平坦和扭曲表面上均能够生成转印材料部件，并能够迅速且有效地图案化大面积衬底。第三，软光刻技术适合这样的三维结构的纳米制造，所述三维结构的特征是，在三维上具备可选择地可调节长度的部件。最后，软光刻提供了潜在地可适配到现有商业印刷和模塑技术的低成本方法。

虽然常规PDMS图案化器件能够针对多种衬底材料和表面轮廓建立可再现共形接触，但是在用于制作100nm以下范围的部件时，由于常规单层PDMS模板和模具的低模量(3MPa)和高可压缩率(2.0N/mm²)，这些器件仍遇到与由压力引起的形变关联的问题。首先，在小于大约0.3的深宽比(aspect ratio)，常规PDMS图案化器件具有宽且浅的浮雕部件，其趋于在与衬底表面接触时崩塌。其次，常规单层PDMS图案化器件的邻接部件具有紧凑间隔(＜大约200nm)且狭窄(＜大约200nm)的结构，其趋于在与衬底表面接触时一起崩塌。最后，当模板因表面张力而从衬底松脱时，常规PDMS模板易遭遇所转印的图案中的锐角的圆形化。这些问题的组合效应是，向被转印到衬底的材料的图案引入了不想要的畸变。为了使由常规单层PDMS图案化器件导致的图案畸变最小化，包含多层模板和模具的复合图案化器件已经作为生成尺度小于100nm的结构的设备被研究。

Michel及其合著者报道了使用复合模板的微接触印刷方法，所述复合模板由一薄层可弯曲金属、玻璃或聚合物附接到具有具备浮雕图案的转印表面的弹性层组成。[Michel等人，Printing MeetsLithography：Soft Approaches to High Resolution Patterning，IBMJ.Res.& Dev.，Vol.45，No.5，697-719页(2001年9月)]。这些作者还描述了一种由刚性支撑层和聚合物衬背层组成的复合模板设计，该衬背层包含第一软聚合物层，其附接到具有具备浮雕图案的转印表面的第二较硬层。这些作者报道，所公开的复合模板设计适用于“具有小至80nm的部件尺寸的大面积、高分辨率印刷应用”。

Odom及其合著者公开了一种复合双层模板设计，其由厚(≈3mm)184PDMS衬背层附接到具有具备浮雕图案的转印表面的薄(30-40微米)h-PDMS层组成。[Odem等人，Langmuir，Vol.18，5314-5320页(2002)]。该复合模板被用在这项研究中，以使用软光刻相移光刻方法模塑100nm数量级尺度的部件。这些作者报道，所公开的复合模板提高了机械稳定性，这导致减轻了与常规低膜单层PDMS模板有关的侧壁翘曲和下弯(sagging)。

虽然常规复合模板和模具的使用已经一定程度上提高了用于生成具有100nm以下范围的尺度的部件的软光刻方法的性能，但是这些技术仍易受多个问题的影响，这些问题阻碍了它们有效地商业应用于微米尺度和纳米尺度器件的高产量制造。首先，某些常规模板和模具设计具有有限的柔性，这样就不能与扭曲或粗糙表面形成良好的共形接触。其次，常规多材料PDMS模板的浮雕图案易受热或紫外固化期间的不想要的收缩影响，这使该模板的转印表面上的浮雕图案发生畸变。第三，包含具有不同的热扩张系数的多层的常规复合模板的使用，可以导致该模板的转印表面的浮雕图案和曲率因温度变化而畸变。第四，硬且/或脆的衬背层——诸如玻璃和某些金属层——的使用，使得常规复合模板难于被合并进现存的商业印刷配置，诸如滚压和柔版印刷机配置。最后，具有包含高模量弹性材料的转印表面的复合模板的使用，妨碍了转印表面和衬底表面之间形成对高保真图案化必要的共形接触。

从前述应意识到，目前在本领域中需要用于制造具有10至100纳米尺度部件的结构的高分辨率图案的方法和器件。特别地，需要能够制造具有高保真度、良好机械稳固性和良好布局准确度的纳米尺度结构的图案的软光刻方法和图案化器件。此外，与常规图案化器件相比，需要使图案畸变最小化——例如通过减轻热或紫外固化期间的浮雕图案收缩和/或使由温度引起的畸变最小化——的图案化器件。最后，需要与现存的高速商业印刷和模塑系统兼容，并可以被轻易集成到现存的高速商业印刷和模塑系统中的软光刻方法和器件。

光学光刻(optical lithography)，一般也被称为光刻，是广为使用的、用于对具有微米尺寸和纳米尺寸结构的衬底表面进行图案化的技术，所述衬底诸如用于电子器件构件的功能性材料(例如半导体、导体和绝缘体)。在过去几十年间，这种技术在微电子领域的应用已经成功地实现，用于微芯片、集成电子电路和印刷电路板的生产。光学光刻也已经被应用于制作对多种其它技术有用的结构，所述其他技术包括：宏电子、微流体、微机电系统(MEMS)及纳米机电系统(NEMS)、光电技术、和生物传感器及微阵列。

常规光学光刻包括对沉积在衬底表面的光致抗蚀剂层的特定区域的选择性图案化照射。在这种技术中，对光致抗蚀剂的选择性图案化照射的实现方式是：使用光掩模——其一般被称为光罩——与适当的光源组合，以使光致抗蚀剂被曝光于具有选定的二维空间分布的可见和/或紫外电磁辐射。一般用于生产半导体器件的光掩模是透明的熔融石英衬底，其具有金属薄膜图案，该图案能够生成透射的或反射的电磁辐射，该电磁辐射具有对应于所需的器件几何图形的明确的选定的二维空间强度分布。光致抗蚀剂的成分被选择，以使它经受的化学和/或物理变化被限定在曝光于来自光掩模的电磁辐射的区域。在曝光之后，光致抗蚀剂处理(或显影)去除了光致抗蚀剂材料，以在光致抗蚀剂中生成对应于曝光(或未曝光)于电磁辐射的光致抗蚀剂区域的图案。根据光致抗蚀剂在显影后是否留在被掩模区域，光致抗蚀剂一般被称为“正”或“负”。在某些器件制造应用中，生成在光致抗蚀剂中的图案暴露了其下方的衬底，从而允许在后续处理中对衬底某些区域进行局域接触，例如经由蚀刻、沉积和/或掺杂步骤。

近几十年间，光源、光掩模和光致抗蚀剂材料已经有了惊人的发展，以使光学光刻目前提供了对大量微制造和纳米制造至关重要的稳固的、多用途和高产量的生产平台。虽然这种技术已被广泛接受和实现，但是光学光刻仍易受数个由常规光掩模的机械和光学属性导致的限制。首先，许多常规光掩模仅能够光阻被称为“黑白”的照射，其中该光掩模的光学属性被选择，以为选定的光致抗蚀剂区域提供均匀的电磁辐射强度，并充分地防止其他区域曝光于电磁辐射。这种“全或无”曝光在光致抗蚀剂中生成了具有均匀高度(或深度)的图案。为了生成具有多种高度(或深度)的部件，就需要多个光致抗蚀剂沉积、曝光和校准步骤。据此，目前在光学光刻领域中需要能够在一步处理中生成复杂三维图案的方法，该一步处理要相对简单，同时能确保高图案保真度和部件准确度。其次，许多常规光掩模由机械上刚性的材料制成，诸如硼硅酸盐玻璃和熔融硅石。因为这些光掩模常常以平面结构提供，所以它们与具有非平(例如弯曲)和/或粗糙表面的图案化衬底不兼容。

已经有了数个用于生成“灰阶”图案的途径，其使用扫描激光、微镜投影显示、高能束敏玻璃光掩模(美国专利No.6,524,756)，超高分辨率半调光掩模、和金属玻璃光掩模。然而，这些技术相对复杂且/或昂贵，并当仅允许生成有限的灰阶图案时会显著增加生产处理时间。

本发明将软光刻技术与辐射吸收图案化剂(例如“油墨”)相结合，以获得与已开发的光刻工具和多数微电子工业使用的过程特别兼容的灰阶图案生成。软光刻使用软弹性体、模具、或相位掩模来形成可逆的非破坏性的共形接触，以影响图案转印(见美国公开No.2005/0238967)。弹性体上的浮雕结构被用于对材料进行印刷、模塑、和转印，以形成目标形状。弹性体的共形接触放松了对用于图案化的超平坦表面的要求，并允许了浮雕形状的精确转印。油墨光刻(inklithography)对常规光刻和软光刻进行了最佳利用，以形成二元(binary)振幅掩模，其具有共形接触并可变形(例如，可拉伸、可压缩)，以理想地配合用于光刻的平坦和/或非平坦衬底。

已经总体描述了使用微流体光掩模的灰阶光刻。Chen等人，PNAS100(4)1499-1504(2003)。然而，Chen等人[的方法]使用相对复杂的系统，并要求本发明不要求的额外步骤和设施，因此与现存光刻处理较不兼容。

油墨光刻处理可以补偿某些与常规光刻关联的弱点。油墨光刻的一个优点是，它与多数微电子工业采用的已开发的光刻工具和过程兼容。本发明也适用于生成电子构件和将电子构件放置在柔性和可弯曲塑料衬底上。共形接触保证了在这类衬底上进行精确的图案化。此外，具有嵌入式锁钥部件的弹性体掩模的可拉伸性保证了已存在的图案的校准。尤其是在塑料衬底上的复杂过程之后，因热扩张或残余张力而导致的意料外的不配合使得不可能精确地校准。然而，一致的塑料延长可以通过将弹性体掩模锚定到预图案化的衬底来实现一定程度的自校准。低粘性油墨促进弹性体掩模的三维表面上的变形的穴的填充。该油墨自身可以是锁钥校准处理中的润滑剂。调节被截留的油墨的厚度的多级掩模——其可以控制透射水平——使得可以用单次曝光生成复杂的3D结构。

油墨光刻的优点是共形性和可拉伸性，而不要求超平坦表面。相对廉价的弹性体掩模可以从单母板图案在大面积上生成数百个相同的复制品。如同常规光刻，浮雕结构中的被截留油墨提供了足以用于图案化任意形状的强度对比。而且，油墨的自由流动可以完全填充变形的浮雕形状。这个方面形成了不能用其他技术实现的可伸展二元幅度母板。

发明内容

本发明提供了用于在衬底表面上制造图案的方法、器件和器件构件，特别是包含这样的结构的图案：该结构具有在一、二或三维上具备选定长度的微米尺寸和/或纳米尺寸部件。具体地，本发明提供了用在软光刻制造方法中的用于在平坦和扭曲表面上生成高分辨率结构图案的模板、模具和光掩模，所述表面包括一些在多种衬底上具有大曲率半径的表面，所述衬底包括柔性塑料衬底。本发明的另一个目标是提供用于制造具有明确物理维度的三维结构的方法和器件，特别是这样的结构：其包含物理尺度为数十纳米至数千纳米数量级的明确规定的部件。本发明的另一个目标是提供用于制造如下结构的图案的方法、器件和器件构件：该结构的特征在于在大衬底表面积上的高保真度和良好的布局准确度。本发明的又一个目标是提供如下的复合图案化器件：其展现出比常规单层或多层模板、模具和光掩模更好的热稳定性和对由固化引起的图案畸变的抵抗性。本发明的再一个目标是提供与现存高速商业印刷、模塑和压印技术、器件和系统兼容的软光刻方法、器件和器件构件。

在一方面，本发明提供了包含多个聚合物层的图案化器件，其中每个聚合物层具有选定的机械属性——诸如杨氏模量和抗弯刚度，选定的物理尺度——诸如厚度、表面积和浮雕图案尺度，以及选定的热属性——诸如热扩张系数，以在多种衬底表面和表面形态上提供高分辨率图案。本发明的这个方面的图案化器件包括适用于多种软光刻图案化应用——包括接触印刷、模塑和光学图案化——的多层聚合物模板、模具和光掩模。在一个实施方案中，具有不同的机械属性、物理尺度和热属性的离散聚合物层被组合和/或匹配，以提供这样的图案化器件：其具有累积的机械和热属性，这些属性提供加强的图案分辨率和保真度，并具有高于常规软光刻器件的热稳定性。此外，本发明的包含离散聚合物层组合的图案化器件能容纳多种器件配置、定位和取向，而不破裂，这使得本发明的图案化器件比常规单层或多层模板、模具和光掩模更容易集成到现存的商业印刷、模塑和光学图案化系统中。

在一个实施方案中，本发明提供了一种复合图案化器件，其包含具有低杨氏模量的第一聚合物层和具有高杨氏模量的第二聚合物层。第一聚合物层包含其上布置有至少一个接触表面的选定的三维浮雕图案，并具有与接触表面相对的内表面。第二聚合物层具有外表面和内表面。第一和第二聚合物层被安排，以使施加到第二聚合物层的外表面的力被传递到第一聚合物层。例如，第一和第二聚合物层可以被安排，以使施加到第二层的外表面的力被传递到第一聚合物层的接触表面的至少一部分。在一个实施方案中，第一聚合物层的内表面操作性地耦合到第二聚合物层的内表面。例如，第一聚合物层的内表面可以与第二聚合物层的内表面物理接触。替换性地，第一聚合物层和第二聚合物层可以通过位于第一聚合物层的内表面和第二聚合物层内表面之间的一个或多个连接层——诸如薄金属层、聚合物层或陶瓷层——连接。

本发明的这个方面的复合图案化器件能够在第一聚合物层的接触表面的至少一部分和被图案化的衬底表面之间建立共形接触。可选地，第二聚合物层可以操作性地耦合到能够向第二聚合物层的外侧提供外力以使得图案化器件与被图案化的衬底表面共形接触的致动器，所述致动器诸如模印(stamping)、印刷或模塑器件。可选地，衬底可以操作性地耦合到能够使得衬底与图案化器件共形接触的致动器。

本发明的复合图案化器件中的聚合物层的物理尺度和杨氏模量的选择确立了该复合图案化器件的总体机械属性，诸如该图案化器件的净抗弯强度和顺应性。在本发明的一个适用于软光刻接触印刷和模塑应用——包括但不限于软油墨光刻接触印刷和模塑应用——的实施方案中，第一聚合物层的特征在于，杨氏模量选自大约1MPa至大约10MPa的范围，厚度选自大约1微米至大约100微米的范围，第二聚合物层的特征在于，杨氏模量选自大约1GPa至大约10GPa的范围，厚度选自大约10微米至大约100微米的范围。本发明的用于软光刻接触印刷应用的复合图案化器件还包括这样的实施方案，其中第一聚合物层的厚度和第二聚合物层的厚度的比值选自大约1至大约10的范围，对于某些应用优选地等于大约5。在一个实施方案中，第一聚合物层是弹性层，诸如PDMS或h-PDMS层，第二聚合物层是热塑性或热固性层，诸如聚酰亚胺层，该复合图案化器件的净抗弯刚度选自大约1×10^-7Nm至大约1×10^-5Nm的范围。

使用低模量第一聚合物层，诸如弹性体层，在本发明中是有益的，因为它向具有建立共形接触的能力的图案化器件提供了大面积(大至数m²)的光滑表面、平坦表面、粗糙表面——特别是具有大至1微米的粗糙幅度的表面、以及扭曲表面——优选地是具有大至25微米的曲率半径的表面。此外，低模量第一聚合物层的使用使得可以借助于作用到第二聚合物层外表面的相对低的压力(大约0.1kNm^-2到大约10kNm^-2)，在接触表面和大面积衬底表面之间建立共形接触。例如，包含厚度大于或等于约5微米的PDMS层的低模量第一聚合物层在施加了小于或等于约100Nm^-2的外部压力时，在大至250cm²的衬底表面建立了可再现的共形接触。此外，将低模量第一聚合物层纳入本发明的图案化器件中，使得可以以渐进和受控方式建立共形接触，这样就避免了在第一层的接触表面和衬底表面之间形成被截留的气穴。此外，通过将低模量第一聚合物层纳入，提供了使接触表面从衬底表面和用于制作本发明的复合图案化器件的母板浮雕图案表面脱离的良好松脱特性。

高模量第二聚合物层在本发明的图案化器件中的使用是有益的，因为它提供了如下的图案化器件：所述图案化器件具有足够大的净抗弯刚度以使得接触表面和衬底表面之间形成共形接触时可能出现的浮雕图案畸变最小化。首先，将高模量第二聚合物层纳入本发明的图案化器件中，使得一些平行于一个含有接触表面的平面的平面中的浮雕图案的畸变最小化，所述畸变诸如具有以下特征的畸变：图案的具有高深宽比的狭窄浮雕部件崩塌。其次，将高模量第二聚合物层纳入，使得与含有接触表面的平面相交的平面中的浮雕图案的畸变最小化，所述畸变诸如具有以下特征的畸变：浮雕图案的凹进区下弯。通过纳入高模量第二聚合物层而使提供的浮雕图案畸变的减轻，使得可以使用本发明的图案化器件和方法来制造包含物理尺度小至50纳米的明确规定的部件的小结构图案。

高模量第二聚合物层在本发明的图案化器件中的使用也是有益的，因为它使得本发明的图案化器件易于操纵以及被纳入到印刷、压印和模塑机器中。本发明的特质促进了本图案化器件的安装、再安装、定向、维持和清洁。高模量第二聚合物层的纳入也提高了本发明的图案化器件可以与衬底表面的选定区域接触的准确度，提高到常规单层PDMS模板、模具和光掩模的25倍。例如，25微米厚、杨氏模量等于或大于5GPa的第二聚合物层——诸如聚酰亚胺层——的纳入允许本发明的图案化器件以这样的布局准确度与衬底表面接触：在等于大约232cm²的衬底面积上的布局准确度等于大约1微米。此外，柔性的和有弹性的高模量第二聚合物层使得本发明的图案化器件可以在多种器件配置中运作，并容易集成到常规印刷和模塑系统中。例如，抗弯刚度大约7×10^-6Nm的第二聚合物层使得本发明的图案化器件可以集成到常规滚压和柔版印刷系统中。

在一个替换性实施方案中，本发明的图案化器件包含一元(unitary)聚合物层。该一元聚合物层包含其上布置有至少一个接触表面的三维浮雕图案，并包含基——其具有与接触表面相对的外表面。接触表面与延伸穿过该聚合物层的层校准轴线垂直，该聚合物层的杨氏模量沿着层校准轴线从接触表面到基的外表面连续变化。在一个实施方案中，该聚合物层的杨氏模量沿着层校准轴线连续变化，沿着层校准轴线从接触表面处的低值到接触表面和外表面之间的中点处的高值。在另一个实施方案中，该聚合物层的杨氏模量连续变化，沿着层校准轴线从接触表面和外表面之间的中点处的高模量值到基的外表面处的低模量值。可选地，该聚合物层也可以具有沿着层校准轴线关于该图案化器件中心基本对称的热扩张系数分布。该聚合物层中的杨氏模量的变化可以通过在本领域公知的任何手段来实现，包括这样的手段：其中该一元聚合物层中的交联的程度被选择性地改变，以实现对杨氏模量的控制，使杨氏模量随着沿层校准轴线的位置而变化。

可用在本发明中的三维浮雕图案可以包含单个连续浮雕部件或多个连续和/或离散浮雕部件。在本发明中，对浮雕部件的物理尺度或它们在浮雕图案中的安排的选择是根据要被生成在衬底表面的结构的物理尺度和相对安排做出的。可用在本发明的复合图案化器件中的浮雕图案可以包含这样的浮雕部件：其物理尺度选自大约10纳米至大约10,000纳米的范围，对于某些应用优选地选自大约50纳米至大约1000纳米的范围。可用在本发明中的浮雕图案可以包含浮雕部件的对称图案或浮雕部件的不对称图案。三维浮雕图案可以占据大片面积，某些微制造和纳米制造应用的浮雕面积优选地选自大约10cm²至大约260cm²的范围。

在另一个实施方案中，本发明的复合图案化器件还包含第三聚合物层，其具有内表面和外表面。在这个三层实施方案中，第一、第二和第三聚合物层被安排，以使施加到第三聚合物层的外表面的力被传递到第一聚合物层。例如，第一、第二和第三聚合物层可以被安排，以使施加到第三层的外表面的力被传递到第一聚合物层的接触表面的至少一部分。在一个实施方案中，第二聚合物层的外表面操作性地耦合到第三聚合物层的内表面。例如，第二聚合物层的外表面可以与第三聚合物层的内表面物理接触。替换性地，第二聚合物层和第三聚合物层可以通过位于第二聚合物层的外表面和第三聚合物层的内表面之间的一个或多个连接层——诸如薄金属层、聚合物层或陶瓷层——连接。可选地，第三聚合物层可以操作性地耦合到能够向第三聚合物层的外侧提供外力的致动器，以使该图案化器件的接触表面与受到图案化的衬底表面共形接触。第三聚合物层的纳入也可以提供一种操纵、定位、定向、安装、清洁和维持本发明的复合图案化器件的手段。

将具有低杨氏模量的第三聚合物层纳入本发明的复合图案化器件中对于某些软光刻应用是有益的。首先，低杨氏模量第三聚合物层的使用使得施加到该图案化器件的力可以以渐进和受控的方式施加，这促进了共形的生成，同时不形成截留的气穴。其次，低杨氏模量第三层的集成提供了将施加到该图案化器件的力均匀地分配到第一聚合物层的接触表面的有效手段。将施加到该图案化器件的力均匀分配到接触表面，促进了共形接触在衬底表面的大面积上形成，并加强了生成在衬底表面上的图案的保真度。此外，将施加到该图案化器件的力均匀分配到接触表面，改善了图案化处理的总体效率和能量消耗。一个示例性第三聚合物层的厚度是衬底表面的粗糙和/或曲率半径的数倍。

在另一方面，本发明提供了热稳定复合图案化器件，其比常规单层和多层模板、模具和光掩模受到较少的热致图案畸变。某些具有低杨氏模量的材料的特征也在于大热扩张系数。例如，PDMS具有3MPa的杨氏模量和等于大约260ppm的热扩张系数。因此，温度的上升或下降可以导致包含这些材料的浮雕图案的显著畸变，特别是对于具有大面积浮雕图案的图案化器件。温度变化导致的浮雕图案畸变对于这样的应用尤其成问题：涉及在大面积衬底上制造具有非常小的尺度的部件的结构——诸如亚微米尺寸结构——的图案。

在本发明的一方面，具有不同机械属性和/或热扩张系数的多个层，以提供展现出高热稳定性的图案化器件的方式，被组合和匹配。在本发明的另一方面，多个层被组合，以使该图案化器件的净热扩张属性匹配衬底的热扩张属性，对于某些应用优选地匹配到10％以内或更好。在本描述的语境中，“高热稳定性”指在温度变化下展现出最小图案畸变的图案化器件。与常规单层和多层模板、模具和光掩模相比，本发明的具有高热稳定性的复合图案化器件减小了浮雕图案和接触表面由温度改变引起的拉伸、弓曲、翘曲、扩张和压缩导致的形变。在一个实施方案中，具有低热扩张系数的高模量第二聚合物层，诸如聚酰亚胺层，操作性地耦合到具有大热扩张系数的低模量第一聚合物层，诸如PDMS层或h-PDMS层，的内表面。在这个安排中，具有高模量和低热扩张系数的第二聚合物层的集成，抑制了第一聚合物层的扩张或收缩，因此显著减小了接触表面和三维浮雕图案由温度上升或下降引起的拉伸或压缩的程度。在本发明的这个方面的一个实施方案中，第二聚合物层的热扩张系数小于或等于大约14.5ppm，并且可选地其厚度是第一层的厚度的大约5倍大。

在本发明中，良好的热稳定性也可以通过非连续低模量第一层的纳入来实现，所述第一层操作性地耦合到高模量第二层——优选地是具有低热扩张系数的高模量层。在一个实施方案中，非连续低模量层是包含多个离散浮雕部件的三维浮雕图案。包含低模量层的离散浮雕部件彼此不接触，但都操作性地耦合到高模量层。例如，离散浮雕部件的图案可以在高模量层的内表面上包含个体低模量材料岛图案。将包含多个离散浮雕部件的第一低模量层纳入本发明的复合图案化器件是有益的，因为它减小了低模量层和高模量层之间热扩张属性不匹配的程度。此外，非连续低模量层的使用降低了具有高热扩张系数的材料的净量，这减小了由温度变化引起的扩张或收缩的净程度。在一个示例性实施方案中，非连续低模量层包含弹性体，诸如PDMS或h-PDMS，高模量层包含聚酰亚胺。

在本发明的提供了具有良好热稳定性的图案化器件的另一个实施方案中，多个层被安排，以提供沿着延伸穿过该图案化校准装置的层校准轴线——例如与接触表面垂直的层校准轴线——关于该图案化器件中心基本对称的热扩张系数或厚度分布，或热扩张系数和厚度二者的分布。在一个也展现出良好热稳定性的替换性实施方案中，本发明的温度补偿图案化器件包含一元聚合物层，其具有沿着延伸穿过该图案化装置的层校准轴线——例如与接触表面垂直的层校准轴线——关于该图案化器件中心基本对称的热扩张系数分布。

在这些配置中，热扩张系数、厚度或二者的对称分布提供了补偿一个或多个层的热扩张或压缩的手段。这个补偿方案的结果是，使浮雕图案的由温度变化引起的翘曲、弓曲、拉长和压缩最小化。特别地，热扩张系数和层厚度的对称分布在温度变化时生成了大小近似相同但方向相反的反作用力。据此，这个温度补偿方案被用来使在温度变化时生成的作用于第一层的接触表面、浮雕部件和三维浮雕部件上力的大小最小化。

本发明的一个示例性温度补偿图案化器件包含三个层，它们的机械和物理属性被选择，以提供关于该器件中心基本对称的热扩张系数分布。第一层包含其上布置有至少一个接触表面的三维浮雕图案，并具有与接触表面相对的内表面。第一层也具有低杨氏模量，例如从大约1MPa至大约10MPa。第二层具有内表面和外表面，和高杨氏模量，例如从大约1GPa至大约10GPa。第三层具有内表面和外表面。在这个三层实施方案中，第一、第二和第三层被安排，以使施加到第三层的外表面的力被传递到第一层的接触表面。第一和第三层的厚度和热扩张系数可以被选择，以提供沿着延伸穿过所述图案化器件的层校准轴线——诸如与包括至少一个接触表面的平面垂直的层校准轴线——关于该图案化器件中心基本对称的热扩张系数分布。

一个展现出高热稳定性的示例性三层复合图案化器件包含PDMS第一层、聚酰亚胺第二层和PDMS第三层。在这个实施方案中，第一和第三PDMS层的厚度可以基本相等，例如相等到10％以内，以提供沿着与接触表面垂直延伸的层校准轴线关于该器件中心基本对称的热扩张系数分布。在这个实施方案中，本发明的三层图案化器件的1cm²的浮雕图案在1K的温度变化下出现小于150纳米的图案畸变，该三层图案化器件具有第一和第三PDMS层，它们包含相同材料，厚度等于大约5微米，并被近似25微米厚的聚酰亚胺层分隔。在本发明的一个已经匹配了第一和第三层、提供了基本对称的热扩张系数分布的实施方案中，浮雕深度与第一层的厚度的比值被保持为小(例如，小于或等于0.10)，以避免在浮雕图案凹进区中的不想要的、由温度引起的、对应于浮雕图案凹进区热系数不匹配的热扩张或收缩。

在另一方面，本发明提供了这样的复合图案化器件，相比于常规单层和多层模板、光掩模和模具，其所经受的由制造期间的聚合和固化而导致的图案畸变更小。许多聚合物，诸如PDMS，在聚合中遇到物理尺度的显著减小。因为用在图案化器件中的浮雕图案通常通过与母板浮雕表面——诸如通过常规光刻方法生成的母板浮雕表面——接触的预聚物的聚合来制造，所以这个收缩可以显著地使包含聚合材料——特别是弹性体——的图案化器件的浮雕图案和接触表面的物理尺度发生畸变。

本发明提供了较少受由制造期间的聚合和固化导致的形变影响的多层模板设计。与常规单层和多层模板、模具和光掩模相比，本发明的复合图案化器件——其具有减小的对由固化引起的浮雕图案和接触表面形变的易感性——展现出较小的由制造期间的聚合反应导致的拉伸、弓曲、翘曲、扩张和压缩。在一个实施方案中，具有特定机械和热扩张特性的多个聚合物层以一方式被组合和/或匹配，减小了制造期间的聚合和固化生成的图案畸变的净程度。

本发明的一种对浮雕图案和接触表面的由固化引起的形变具有较小敏感度的复合图案化器件，还包含第三和第四聚合物层，它们都具有内表面和外表面。在这个四层实施方案中，第一、第二、第三和第四聚合物层被安排，以使施加到第四聚合物层的外表面的力被传递到第一聚合物层的接触表面。例如，第一、第二、第三和第四聚合物层可以被安排，以使施加到第四层的外表面的力被传递到第一聚合物层的接触表面的至少一部分。在一个实施方案中，第二聚合物层的外表面操作性地耦合到第三聚合物层的内表面，第三聚合物层的外表面操作性地耦合到第四聚合物层的内表面。通过匹配第一和第三层的厚度、热扩张系数和杨氏模量，并通过匹配第二和第四层的厚度、热扩张系数和杨氏模量，可以提高对由固化和/或聚合引起的畸变的抵抗力。这个匹配的多层设计的最终结果是，将由固化引起的畸变的程度减小到常规单层或双层模板、模具和光掩模的大约1/10。

本发明的图案化器件(包括复合图案化器件)可以是完全地光学透射性或部分地光学透射性的，特别是对于波长在电磁谱的紫外和/或可见区域的电磁辐射。对于某些应用，优选透射可见光的图案化器件，因为它们可以与衬底表面视觉校准。本发明的图案化器件可以将一个或多个电磁辐射图案透射到衬底表面上，这些电磁辐射图案的特征在于，其强度、波长、偏振状态或它们的任意组合具有选定的二维分布。可以通过将具有选定的吸收属性、散射属性和/或反射属性的材料引入聚合物层，控制本发明的图案化器件透射的电磁辐射的强度和波长。在一个示例性实施方案中，该图案化器件是部分透明的光学元件，其特征在于，其吸收系数、消光系数、反射率或这些参数的任意组合具有选定的二维分布。这个设计的一个优点是，它导致在光源——诸如宽带灯、原子灯、黑体源或激光——的照射下，透射到衬底的电磁辐射的强度和波长具有选定的二维分布。在一个实施方案中，选定的二维分布通过位于三维聚合物表面上的凹进部件处的图案化剂而生成。

在一个实施方案中，本发明包含光学透射性模具，其能够透射电磁辐射，用于在布置在该图案化器件的第一层的浮雕图案和衬底表面之间的转印材料或图案化剂中引起聚合反应。在另一个实施方案中，本发明包含光学透射性光掩模，其能够将电磁辐射图案透射到与该图案化器件的第一层的接触表面共形接触的衬底表面。在另一个实施方案中，本发明包含光学透射性模板，其能够照射被转印到衬底表面的材料。

本发明提供了高度多用途的图案化器件，其可以被用在多种软光刻方法、微制造方法和纳米制造方法中。与本发明的图案化器件兼容的示例性制造方法包括但不限于：纳米转移和/或微米转移印刷、纳米转移和/或微米转移模塑、复制模塑、毛细纳米模塑和微模塑、近场相移光刻、和溶剂辅助纳米模塑和微模塑。此外，本发明的图案化器件可与多种接触表面取向——包括但不限于平面、扭曲、凸起和凹下接触表面配置——兼容，这允许它们集成到许多不同的印刷、模塑和掩模系统。在某些应用中，构成本发明的图案化器件的聚合物层的热扩张系数和厚度被选择，以使该图案化器件的净热扩张属性匹配经受图案化的衬底的热扩张属性。该图案化器件和衬底的热扩张属性的匹配是有益的，因为它改善了制造在衬底表面的图案的布局准确度和保真度。

在另一方面，本发明提供了通过接触印刷转印材料来在衬底表面上生成一个或多个图案的方法，包括微米转移接触印刷和纳米转移接触印刷方法。在一个实施方案中，转印材料被沉积在本发明的复合图案化器件的接触表面上，从而在接触表面上生成一层转印材料。转印材料在接触表面上的沉积可以通过在本领域公知的任何手段来实现，这些手段包括但不限于：气相沉积、溅射沉积、电子束沉积、物理沉积、化学沉积浸渍、和其他使接触表面与转印材料贮藏器接触的方法。该图案化器件以一方式接触衬底表面，以在接触表面的至少一部分和衬底表面之间建立共形接触。共形接触的建立使转印材料层的至少一部分曝光于衬底表面。为了在衬底表面上生成图案，该图案化器件从衬底表面分离，这样就将至少一部分转印材料转印到衬底表面。本发明还包括这样的制造方法，其中这些步骤被有序地重复，以构建包含图案化多层堆叠的复杂结构。

在另一方面，本发明提供了通过对转印材料进行模塑来在衬底表面生成一个或多个图案的方法，诸如微模塑和纳米模塑方法。在一个实施方案中，本发明的复合图案化器件与衬底表面接触，以在接触表面的至少一部分和衬底表面之间建立共形接触。共形接触生成了模具，其包含使三维浮雕图案和衬底表面分离的空间。转印材料，诸如预聚物，被引入该模具。为了在衬底表面生成图案，该图案化器件与衬底表面分离，这样就将至少一部分转印材料转印到衬底表面。可选地，本发明的方法还可以包含以下步骤：加热模具中的转印材料，将模具中的转印材料曝光于电磁辐射或将聚合催化剂添加到模具中的转印材料，以发起化学变化，诸如聚合和/或交联化学反应。

在另一方面，本发明提供了通过接触光刻在衬底表面上生成一个或多个图案的方法。在一个实施方案中，本发明的复合图案化器件以一方式与包含一个或多个辐射敏感材料的衬底表面接触，以在接触表面的至少一部分和衬底表面之间建立共形接触。电磁辐射被引导穿过该图案化器件到达衬底表面，从而在衬底表面上生成电磁辐射图案，该电磁辐射图案的强度、波长和/或偏振状态具有选定的二维分布。电磁辐射和衬底的辐射敏感材料之间的相互作用生成了衬底表面的化学和/或物理修改区，从而在衬底表面生成一个或多个图案。可选地，本发明的方法还可以包含以下步骤：去除衬底表面的至少一部分化学修改区或去除衬底表面的至少一部分未化学修改区。本发明的这个方面中的材料去除可以通过在光刻领域公知的任何手段来实现，这些手段包括但不限于：化学蚀刻和暴露于化学试剂，诸如溶剂。

本发明的方法、器件和器件构件能够在多种衬底表面上生成图案，所述衬底包括但不限于：塑料、玻璃、碳质表面、金属、纺织品、陶瓷或这些材料的复合物。本发明的方法、器件和器件构件还能够在具有多种表面形态的衬底表面上生成图案，所述表面形态诸如：粗糙表面、光滑表面、扭曲表面和平坦表面。在制造高分辨率图案——其特征在于良好的布局准确度和高保真度——中，重要的是对支持构成衬底表面的分子和构成接触表面的分子之间的强烈关联的可共形接触表面的使用。例如，PDMS接触表面经受与许多衬底表面的强烈的范德华相互作用，所述衬底表面包括由塑料、聚酰亚胺层、玻璃、金属、非金属、硅和氧化硅、碳质材料、陶瓷、纺织品和这些材料的复合物组成的表面。

本发明的方法能够制造具有多种物理尺度和相关安排的微米尺度和纳米尺度结构。通过本方法可以制造对称和不对称的三维结构。本方法、器件和器件构件可以被用来生成包含一个或多个具有如下部件的结构的图案，所述部件的尺度从大约10纳米至大约100微米，或对于某些应用更优选地从大约10纳米至大约10微米。通过本方法、器件和器件构件生成的结构可以在两个或三个物理维度上具有可选的长度，并可以包含图案化的多层堆叠。本方法还可以被用来生成包含自组装单层和结构的结构。本发明的方法、器件和器件构件能够生成包含多种材料的图案，所述材料包括但不限于：金属、有机化合物、无机化合物、胶质材料、悬浮液、生物分子、细胞、聚合物、微结构、纳米结构和盐溶液。

在另一方面，本发明包含制作复合图案化器件的方法。一种制作复合图案化器件的示例性方法包含以下步骤：(1)提供母板浮雕图案，其具有选定的三维浮雕图案；(2)使母板浮雕图案与低模量聚合物的预聚物接触；(3)使预聚物材料与高模量聚合物层接触；(4)使预聚物聚合，从而生成与高模量聚合物层接触并与母板浮雕图案接触的低模量聚合物层；该低模量层具有三维浮雕图案；和(5)使低模量层与母板浮雕图案分离，从而制作复合图案化器件。可用于本方法的母板浮雕图案包括使用光刻方法制备的浮雕图案。在本发明中，可以使用在本领域公知的任何方法来发起聚合，这些方法包括但不限于：热致聚合方法和电磁辐射引起的聚合方法。

常规光刻通常使用与光致抗蚀剂层直接接触或作为光投影系统的一部分的振幅掩模或振幅与相位掩模。这些掩模通常被造在玻璃或石英或其他刚性透明材料衬底上。使用常规光刻难以生成灰阶图案，灰阶图案的生成要求多个步骤和准确的校准系统，这抬高了成本。本说明书中提出的基于油墨的软光刻技术将常规光刻(即，广泛的工业接受的、充分开发的技术)的最佳特征与软光刻(适于塑料电子器件、微流体和其他领域的不一般应用)的结合。本发明的一个特别重要的方面是，用于图案化塑料电子器件中的结构，其中柔性塑料衬底在处理期间可以以非受控方式变形。本说明书中公开的模板和油墨组合是可变形的振幅掩模，其可以被拉伸以匹配衬底中的畸变。以这种方式，就可以在塑料衬底上，甚至在复杂的弯曲或粗糙表面上进行准确的多级部件配准。

本说明书提出的方法和器件具有作为振幅光掩模的应用，用于生成具有具备不同的深度/高度的部件的图案，以及生成具有连续变化的深度/高度和/或阶跃式变化的深度/高度的个体部件。总体上，提供了一种用于通过在衬底表面和弹性图案化器件的相应的三维图案表面之间建立共形接触来处理衬底表面的方法。共形接触使图案的浮雕部件的凹进部件更容易被图案化剂填充。图案化剂于浮雕部件处的定位通过以下方式处理表面：形成衬底表面的图案，该图案没有被覆盖，或位于填充有图案化剂的凹进部件下方。随后衬底表面曝光于电磁辐射——其中图案化剂能够调制电磁辐射的光学属性——导致了衬底表面上的光学属性的图案化。在这个方面，包含光敏材料的衬底表面导致了该衬底表面的图案的物理属性、化学和/或相位的变化。衬底表面上的特殊图案是通过改变图案化器件三维图案的几何图形、通过选择具有不同调制特性的一种或多种图案化剂和/或向弹性图案化器件提供调制能力来选择的。

替换性地，通过使用至少部分地填充该图案化器件凹进部件的图案化剂，本说明书中提出的方法和器件具有作为模具的应用，其中图案化剂响应信号而修改。在曝光于导致该图案化器件变化的信号之后，将该图案化器件与衬底表面分离，以显现被压印在衬底表面的浮雕部件的图案。这个压印部件图案自身可以是能够进行光学调制以在光敏材料中生成图案的光掩模。术语“信号(signal)”被广义地使用，指能够导致图案化剂的物理或化学变化的相互作用，且包括这样的化学品：其可以导致聚合反应或相位变化，以及与电磁辐射或热量关联的光学属性。

表面处理的进一步控制是通过图案化剂——例如以成图案的一个或多个离散液滴的形式——的图案化应用来获得的。这些液滴中的每一个或任意一个或多个可以通过例如使衬底表面或图案化器件三维表面具有离散的憎水或亲水区域而定址。在一个实施方案中，本发明还包含用于校准该图案化器件和表面衬底的设备，诸如光学波导和/或锁钥配准部件。

表面处理的其他控制是通过修改选定的模板区域的光学属性以提供具有空间区分和选定的调制属性的区域来获得的。例如，具有用于容纳图案化剂的凹进部件的模板可以具有：选定的折射率，用于相位调制；吸收属性，用于依赖波长的光学调制；和/或偏振属性，用于调制入射电磁辐射的偏振状态。通过将相位调制和/或偏振调制的微粒和薄膜纳入到模板的内部或外部，可以选择该模板的反射系数或偏振属性。通过用一薄层具有光学调制特性的材料的膜——诸如介电、金属和/或半导体薄(例如20至500纳米)膜——涂覆凹进或浮雕区域，可以进一步加强图案化剂的效应。可选地，用包括薄膜层或离散微粒的材料来图案化处于图案化的凹进部件对侧并处于入射电磁辐射的路径上的模板顶表面，以提供受控光学调制。

本发明提供了用于在衬底表面制造图案——特别是包含三维浮雕部件的图案——的方法、器件和器件构件，其中所述部件可以具有复杂的几何图形，诸如不同部件具有不同的高度或个体部件具有变化高度。具体地，本发明提供了用在油墨软光刻制造方法中的模板、模具和光掩模，用于在包括柔性塑料衬底的多种衬底上生成平坦和扭曲表面——包括具有大曲率半径的表面——上的高分辨率结构图案。本发明的一个目标是，提供用于制造具有明确规定的物理尺度的三维灰阶结构的一步式方法和器件。这些部件可以具有从数十纳米尺度至数百微米或更大尺度的尺寸范围。本发明的另一个目标是，提供用于制造这样的结构图案的方法、器件和器件构件：该结构的特征在于，大衬底表面积上的高保真度和良好的布局准确度。本发明的另一个目标是，提供用于在在处理期间有变形倾向的衬底上制造图案的方法、器件和器件构件。本发明的另一个目标是，提供可与现存的高速商业印刷、模塑和压印技术、器件和系统兼容的软光刻方法、器件和器件构件。

在一个实施方案中，本发明提供了用于在衬底表面生成图案的图案化器件，所述器件包含在弹性体表面具有三维浮雕和凹进图案的图案化器件。这个三维表面具有能够与衬底表面共形接触的接触表面。为了促进图案生成，图案化剂位于接触表面和衬底表面之间，以使当接触建立时，图案化剂可以填充三维图案的凹进部件的至少一部分。图案化剂可以被放置在衬底表面的一部分上、图案化器件三维图案面上、或二者上。图案化剂能够通过数个机制之任一实现图案生成。在一个实施方案中，当曝光于信号时图案化剂能够在衬底表面生成浮雕图案。所述信号是一种能够使图案化剂产生变化的实际相互作用，所述变化包括状态变化或化学属性变化。一般使用的信号包括但不限于：电磁辐射——诸如紫外线光，和脉冲式的高能源。

在一个实施方案中，图案化剂被用作光掩模的一部分，浮雕图案通过以图案方式蚀刻或去除衬底表面的一部分来形成。图案化剂可以是一种吸收、散射或反射信号的光学介质。图案化剂可以是一种具有不同于图案化器件的折射率的试剂，以便通过相移光刻生成图案。图案化剂可以调制偏振移动或选择性地透射特定波长范围的光。该图案化器件和图案化剂被布置在信号源和光敏层——诸如覆盖衬底表面的至少一部分的固体光致抗蚀剂——之间。这样的安排导致了光致抗蚀剂表面上的信号图案，其中信号在一个实施方案中导致了灰阶图案化、黑白图案化、或灰阶和黑白图案化的组合。对光致抗蚀剂的修改取决于信号强度或品质，这样，图案在曝光于信号之后被蚀刻进光致抗蚀剂，这导致了衬底上的光致抗蚀剂被图案化，其中生成的图案为该器件的三维图案的形状所限。位于该器件的凹进部件内以及聚合物和面向表面的光致抗蚀剂之间的图案化剂的量和物理属性也影响衬底处理和图案生成。一般用于这个实施方案的信号是电磁辐射的光学属性。在一方面，该光学属性是紫外线强度，并且该图案化剂至少部分地吸收紫外线。

这些弹性图案化器件三维图案的形式可以是模板、模具或光掩模，如2005年4月27日提交的美国申请No.11/115,954(美国公开No.20050238967)所公开的，鉴于该说明书中公开的图案化器件、聚合物组成、机械属性和结构，通过引用将该文献特别地纳入本说明书。例如，该弹性器件可以包含多个聚合物或弹性体层，每个层具有选定的机械属性诸如杨氏模量和抗弯刚度，选定的物理属性诸如厚度、表面积和浮雕图案尺度，和选定的热属性诸如热扩张系数，以在多种衬底表面和衬底形态上提供高分辨率图案化。本发明的这个方面的图案化器件包括多层聚合物模板、模具和光掩模，其适用于多种软光刻图案化应用，包括接触印刷、模塑和光学图案化。在一个实施方案中，具有不同机械属性、物理尺度、调制特性和/或热属性的离散聚合物层被组合和/或匹配，以提供具有累积的机械和热属性的图案化器件，提供加强的图案分辨率和保真度，并提供高于常规软光刻器件的热稳定性。此外，本发明的包含了一些离散聚合物层的组合——其包括至少一个具有三维表面的弹性体层——的图案化器件容许多种器件配置、定位和定向，而不破裂，这使得本发明的图案化器件比常规单层或多层模板、模具和光掩模更容易集成到现存的商业印刷、模塑和光学图案化系统中。

该图案化器件的弹性或聚合层可选地包含振幅、相位或偏振状态光学调制特性。模板材料的折射率可以被选择，以提供进一步的图案化控制。层，包括薄膜层(例如，介电、金属和/或半导体薄膜)，可以在模板表面上被图案化，诸如在该模板的顶面上被图案化和/或在该模板的底面上的三维图案的凹进或浮雕部件上或内被图案化。这些层具有光学调制特性，诸如相位、波长或偏振状态调制特性，这提供了进一步的图案化控制。该控制可以提供加强的灰阶控制、二元图案化能力和/或这些功能性的组合。具有光学调制能力的微粒可以被嵌入在该层内、在外表面上、和/或在浮雕或凹进部件的表面上，以提供更多的图案化控制和能力。

在一个实施方案中，本发明提供了一种复合图案化器件，其包含具有低杨氏模量的第一聚合物层和具有高杨氏模量的第二聚合物层。第一聚合物层是弹性的，并包含其上布置有至少一个接触表面的选定的三维浮雕图案，并具有与接触表面相对的内表面。第二聚合物层具有外表面和内表面。第一和第二聚合物层被安排，以使施加到第二聚合物层的外表面的力被传递到第一聚合物层。例如，第一和第二聚合物层可以被安排，以使施加到第二层的外表面的力被传递到第一聚合物层的接触表面的至少一部分。在一个实施方案中，第一聚合物层的内表面操作性地耦合到第二聚合物层的内表面。例如，第一聚合物层的内表面可以与第二聚合物层的内表面物理接触。替换性地，第一聚合物层和第二聚合物层可以通过位于第一聚合物的内表面和第二聚合物的内表面之间的一个或多个连接层——诸如薄金属层、聚合物层或陶瓷层——连接。

本发明的这个方面的图案化器件能够在聚合物或第一聚合物层的接触表面的至少一部分和经受图案化的衬底之间建立共形接触。可选地，聚合物或第二聚合物层可以操作性地耦合到能够向第二聚合物层的外侧提供外力的致动器，诸如模印、印刷或模塑器件，以使该图案化器件与经受图案化的衬底表面共形接触。可选地，衬底可以操作性地耦合到能够使衬底与图案化器件共形接触的致动器。图案化剂可以在共形接触之前被施加到衬底表面、三维聚合物表面或衬底表面和三维聚合物表面二者。在另一个实施方案中，图案化剂可以在共形接触建立之后被施加。用于建立共形接触的设备包括操纵一个或多个压力、力或位移的致动器。所公开的多个复合图案化器件和其相关的多个方面的其中任意一个可选地被纳入本发明的油墨光刻方法和系统，以处理表面并生成图案。

在一个实施方案中，本图案化器件的聚合物可以包含任意数目的聚合物层，包括但不限于三个聚合物层。第三聚合物层可以以第一聚合物层连接到第二聚合物层的前述方式连接到第二聚合物层。一个示例性第三聚合物层具有比该衬底表面的粗糙和/或曲率半径厚数倍的厚度。附加层的使用提供了进一步改变机械层属性的能力，从而进一步加强了衬底表面的图案保真度。

在另一方面，本发明提供了通过本发明的图案化器件之任一在衬底表面生成一个或多个图案的方法。在一个实施方案中，图案化剂被沉积在至少一部分上。在一方面，沉积步骤发生在共形接触之前。在一方面，沉积步骤发生在共形接触之后。图案化剂被曝光于信号，从而使图案化剂产生物理或化学变化，以使图案化剂凝固。所述信号可以包含向图案化剂添加聚合催化剂，以引发化学变化——诸如聚合和/或交联化学反应。在聚合物与衬底分离之后，图案保留在衬底表面对应于图案化剂凝固的区域。

在另一方面，图案化剂吸收、散射或反射电磁辐射，以在辐射敏感材料表面上生成辐射强度分布。这个强度分布生成化学修改过的材料的图案，从而在衬底表面生成该图案。在这个方面，本发明包含对多种图案化剂——每种具有不同的信号透射属性——的沉积，从而在衬底表面生成复杂图案。该沉积可以包含可定址的应用，其中图案化剂以图案方式被施加。例如，对应于三维聚合物图案或想要的待生成图案，成滴、成线和成池的图案化剂的组合可以被施加到衬底表面或三维聚合物表面。如在本领域公知的，通过制备选定的表面亲水区域和/或憎水区域以促进图案化，提供了进一步的图案控制。图案化剂可以具有选定的物理属性——包括粘性，以确保凹进部件的至少局部填充。在一个实施方案中，图案化剂具有大约等于水的粘性(例如大约1cP)，以促进凹进填充和图案化剂在表面上的分布。

在一方面，本器件或方法之任一还包含用于去除多余的图案化剂的设备。用于去除的设备可以包含沟道、开孔、开口、或其他类似的导管，用于将多余的图案化剂从聚合物和衬底表面之间输送到要生成图案的区域之外。

用于将图案化剂沉积到表面的手段可以通过在本领域公知的任何手段来实现，这些手段包括但不限于：气相沉积、溅射沉积、电子束沉积、物理沉积、化学沉积浸渍和其他使接触表面与转印材料贮藏器接触的方法。用于向表面提供图案化剂液滴的手段可选地还包含将液滴放置到适当的区域，其中所述区域可选地是亲水的，与用于沉积图案化剂的设备之任意一个或多个也可选地是亲水的。该图案化器件以一方式与衬底表面接触，以在接触表面的至少一部分和衬底之间建立共形接触。共形接触的建立使得转印材料层至少部分地曝光于衬底表面。为了在衬底表面生成图案，该图案化器件与衬底表面分离，这样就将至少一部分转印材料转印到衬底表面。本发明还包括这样的制造方法，其中这些步骤被有序地重复，以构建包含图案化多层堆叠的复杂结构。

本发明的方法和器件可选地包含一种用于将聚合物层校准到衬底的设备，其包括，例如，外层校准系统，诸如箝位、紧固和/或螺栓系统。用于校准的设备可以包含内层校准系统，诸如锁钥(lock-and-key)，其中钥之一是从衬底表面和聚合物表面之一或二者伸出的浮雕部件，相应的锁包含聚合物表面和衬底表面之一或二者中的相应凹进部件，用于容纳钥。替换性地，用于校准的设备可以是光学校准导向器。

附图说明

图1A是示出了本发明的一个包含两个聚合物层的复合图案化器件的截面视图的示意图。图1B是示出了本发明的另一个包含两个聚合物层并展现出高热稳定性的复合图案化器件的截面视图的示意图。图1C是示出了本发明的一个包含三个聚合物层并展现出高热稳定性的复合图案化器件的截面视图的示意图。图1D是示出了本发明的一个包含四个聚合物层并展现出对由制造期间的聚合和/或固化导致的图案畸变的良好抵抗力的复合图案化器件的截面视图的示意图。

图2A是示出了示例性母板浮雕图案和由这个母板浮雕图案制造的示例性图案化器件的示意图。图2B示出了包含使用本发明的方法制成的复合模板的示例性图案化器件的浮雕结构的扫描电子显微镜图像。

图3A是示出了用于制作本发明的复合图案化器件的一种方法的示意图。图3B是图示了用于制作本发明的复合图案化器件的一种替换性方法的示意图。

图4A示出了本发明的包含复合模板的示例性图案化器件的示意图。图4B示出了本发明的示例性复合模板的截面扫描电子显微镜图像。

图5A和5B示出了示例性复合模板上的部件位置相对于其母板上的部件位置的测量所对应的畸变。

图6A和6B示出了图示本发明的复合模板中的凹进区下弯趋势减小的顶视光学显微图。图6A相应于常规单层PDMS模板，而图6B相应于本发明的复合模板。

图7示出了在本发明的包含第一PDMS层、第二聚酰亚胺层、第三PDMS层和第四聚酰亚胺层的四层复合模板固化之后观察到的收缩程度。

图8是使用本发明的复合模板的示例性纳米转移印刷处理的示意图。

图9A-D示出了使用本发明的复合模板生成的Ti/Au(2nm/20nm)图案的扫描电子显微图。

图10示出了针对本发明的四层复合图案化器件算出的热致聚合期间的畸变程度。

图11A示出了针对本发明的两层复合图案化器件算出的热致聚合期间的畸变程度。图11B是针对该两层图案化器件的聚合之后的曲率半径随PDMS层厚度而变化的标绘图。图11C是该两层图案化器件的聚合之后的曲率半径随固化温度而变化的标绘图。

图12A是包含两个h-PDMS层和两个聚酰亚胺

层的复合四层图案化器件的示意图。图12B示出了该复合四层图案化器件的预计垂直位移(以微米为单位的)随着约90微米长的凹进区上的位置而变化的标绘图。

图13A-C示出了针对本发明的两层复合模板的因聚合期间的热/化学收缩而造成的水平畸变的计算机研究结果。图13A是图示了两层复合模板的示意图，该模板包含操作性地耦合到25微米Kapton层的厚度变化的PDMS层。图13B是预计水平畸变随PDMS第一层厚度而变化的标绘图。图13C是预计水平畸变随沿着PDMS第一层外表面上的距离而变化的标绘图。

图14A和14B提供了图示本发明的纤维强化复合模板的示意图。图14A提供了截面视图，图14B提供了立体视图。图14C提供图示了分别对应于纤维强化复合模板的第二、第三、第四和第五层的第一、第二、第三和第四选定方向的示意图。

图15提供了粘结到PDMS层的复合聚合物层的光学图像。

图16提供了本发明的复合软光掩模的示意图。

图17A示出了本发明的复合软共形光掩模的光学图像，图17B示出了硅衬底上的被曝光和被显影的光致抗蚀剂图案的光学图像。

图18提供了图示制作本发明的复合软共形光掩模的方法的处理流程图。

图19A和19B提供了示出用于校准光掩模和衬底的、使用图案化剂的校准系统的示意图。

图20提供了图示本发明的使用图案化剂的示例性图案化方法的示意图，该图案化剂包含共形光掩模的光学介质(或油墨)。

图21是示出了本发明的包含辐射敏感材料的图案化器件(例如光掩模)的截面视图的示意图，并且示出了用于生成图案的方法中的多种步骤。图21A图示了初始设置，其中图案化剂被沉积在光致抗蚀剂和聚合物之间。图21B示出了施加到该器件以在聚合物和光致抗蚀剂之间生成共形接触的力(箭头)，此时多余的图案化剂被从该器件中去除。图21C图示了穿过聚合物朝向光致抗蚀剂和衬底的电磁辐射。图21D显示，在聚合物去除之后，图案化剂下方被图案化剂保护的光致抗蚀剂区域被保留，而未能免受辐射影响的光致抗蚀剂区域被蚀刻。强度、曝光时间和物理尺度控制蚀刻深度。这个示意图图示了一个在未保护区域蚀刻了整个光致抗蚀剂深度的实施方案。

图22-24图示了可以被用以在光致抗蚀剂内生成多种图案的多种凹进图案。在每个面板A中，聚合物的接触表面与光致抗蚀剂接触，以使凹进被图案化剂填充。在辐射之后，聚合物被去除，光致抗蚀剂被显影，使得在光致抗蚀剂中留下图案(面板B)。

图25图示了包含锁钥校准系统的实施方案。图25A图示了没有与衬底中的校准系统对准的未拉伸聚合物的实施方案。通过拉伸该聚合物，该聚合物与衬底对准(图25B)。

图26是图示了本发明的适用于生成模塑结构，诸如包含光掩模的模塑结构，的图案化器件的截面视图的示意图。图26A图示了被沉积在衬底表面的图案化剂。含有浮雕图案的聚合物与衬底表面接触(图26B)，以使图案化剂被局限于凹进部件。在辐射之后，聚合物被从衬底表面去除，以在衬底表面上显现浮雕图案(图26C)。

图27是穿过黑木染料的UV透射的标绘图，其指示该染料吸收处于能造成光致抗蚀剂化学变化的波长下的紫外线。

图28是以下内容的显微照片：(A)漂浮在油墨上的PDMS模板；

(B)填充有油墨的PDMS模板；和(C)通过作为掩模的PDMS模板而被图案化的光致抗蚀剂。

图29A示出了沉积在塑料上的硅网络。B示出了被图案化成方形的硅网络。C示出了被图案化在这些方形上的MOSFET电极。比例尺是200μm。

图30A示意性地描绘了不使用UV吸收性图案化剂的相移光刻。图30B示出了3.5秒曝光及7秒显影之后的图案。图30C示出了4秒曝光及7秒显影之后的图案。左面板放大12000倍，右面板放大48000倍。较长的曝光使生成的浮雕部件从144nm(B的右面板)减小到137nm(C的右面板)。

图31A图示了使用图案化剂——其是水溶性UV吸收剂——的相移光刻。为了比较的目的，图31B是不使用UV吸收剂生成的图案，图31C是使用UV吸收剂生成的图案(左面板放大12000倍；右面板放大48000倍)。

图32示出了通过本发明的器件和方法的、大面积5μm部件尺寸的图案生成。整个图案是2×2cm。A中的比例尺是300μm，B中的比例尺是200μm。

图33示出了光致抗蚀剂中的UV强度的计算机有限元分析结果，其中，PDMS掩模中填充有UV吸收性图案化剂，A没有UV吸收剂层，B有50nm厚的UV吸收剂层。

图34是包含受压腔以在模板衬背上施加均匀的压力以促进共形接触的致动器的示意图。

图35图示了对衬底表面的预处理(使用UVO技术)，该预处理局域地控制“润湿”表面的油墨的量。继而，衬底按原样被图案化(不使用弹性图案化器件的毯式UV曝光(blanket UV exposure)来图案化衬底，或者可以使用PDMS模板修整油墨“滴”的最终形状来图案化更精细的部件。

图36是概括了本发明的作为光掩模或模具的一个应用的处理流程图。所生成的模塑结构自身可以是适用于后续的光致抗蚀剂材料图案化和处理的光掩模。

图37示意性地图示了对模板的选定的凹进部件进行涂覆，以获得振幅掩模，该振幅掩模连同图案化剂一起提供振幅调制。A是侧截面视图，B是底视图。

图38示意性地图示了对模板顶表面的图案化，该图案化用以提供额外的振幅调制性能。A是侧视图，B是顶视图。

图39图示了用于通过A嵌入或B沉积具有振幅调制性能的微粒来提供具有振幅调制性能的模板的另一个实施方案。

图40示意性地图示了用于生成适用于后续通过光刻生成图案的掩模的处理。图40A图示了初始设置，其中图案化剂被沉积在光致抗蚀剂和聚合物之间。图40B示出了穿过聚合物的电磁辐射信号(被标为“EMR”并用箭头表示)，该电磁辐射信号使图案化剂聚合以生成模塑结构。图40C图示了聚合物模板的去除，该聚合物模板被去除，用以呈现一模塑结构，该模塑结构是光敏层上的光掩模。在图40D中，第二EMR信号被施加，以使光敏层图案化。图40E示出了处理和显影之后图案在衬底表面的生成。

图41是概括了掩模生成的处理流程图，其中掩模被用在后续的通过光学光刻的图案生成中。

图42是使用水溶性油墨作为UV吸收剂使光致抗蚀剂(PR)图案化的制造程序：(i)一滴UV吸收剂被放置在一层正PR层上，继而PDMS模板被放置在油墨上；(ii)模板沟道中的油墨在曝光期间阻挡了紫外线；(iii)对被曝光的光致抗蚀剂的显影生成了对应于该模板的浮雕部件的几何图形的图案。

图43是4μm线距的PDMS相位掩模的(a)光学显微镜(“OM”)、(b、c)SEM和(d)AFM图像；由不使用UV吸收剂的PDMS相位掩模产生的光致抗蚀剂图案的(e)光学显微镜、(f、g)SEM和(h)AFM图像；由使用UV吸收剂UVINUL3048的PDMS相位掩模产生的光致抗蚀剂图案的(i)光学显微镜、(j、k)SEM和(1)AFM图像。

图44是PDMS相位掩模(1mm宽，420nm深)和使用同一相位掩模的光致抗蚀剂图案及使用UV吸收剂的光致抗蚀剂图案：PDMS相位掩模的OM(a)、AFM(b)和SEM(c)图像；由使用该PDMS相位掩模的相移光刻产生的OM(d)、AFM(e)和SEM(f)图像；使用UV吸收剂UVINUL3048的图案的OM(g)、AFM(h)和SEM(i)图像；从(g)和(h)图案除去光致抗蚀剂之后的78nm厚的Ti/Au岛的OM(j)和AFM(k)图像。

图45是PDMS相位掩模(720nm宽，420nm深)和使用及不使用UV吸收剂UVINUL3048的光致抗蚀剂图案：PDMS相位掩模的OM(a)、AFM(b)和SEM(c)图像；由使用同一PDMS相位掩模的相移光刻产生的OM(d)、AFM(e)和SEM(f)图像；使用UV吸收剂UVINUL3048的图案的OM(g)、AFM(h)和SEM(i)图像；从(g)和(h)图案除去光致抗蚀剂之后的20nm厚的Ti/Au岛的OM(j)和AFM(k)图像。

图46是使用和不使用UV吸收剂六水合钌(II)(Ruthenium(II)Hexahydrate)的960nm宽的方形点的FEM(场发射显微镜)(左)和NSOM(近场扫描光学显微镜)(右)结果。

图47是使用UV吸收剂六水合钌(II)制成的1μm、700nm、440nm、300nm的方形点图案的AFM(左)和SEM(右)图像。

图48是本发明的生成具有V形凹槽的模塑结构的灰阶图案制造实施方案的概括示意图。

图49是Si母板的OM图像(上排)和SEM截面图像(下排)，其示出了4μm深、在表面10μm宽、在底部缩窄至4.3μm宽的凹槽。

图50是PDMS模板的OM图像。左面板是顶视图，右面板是底视图。比例尺是20μm。

图51示出了不使用油墨、显影10秒生成的图案。浮雕部件大约800nm高、10μm宽。

图52示出了使用油墨、显影10秒生成的灰阶图案。浮雕部件具有最大大约600nm的变化高度和最大大约9.8μm的变化宽度。

图53示出了不使用油墨、显影45秒生成的图案。浮雕部件大约1.2μm高、10μm宽。

图54示出了使用油墨、显影45秒生成的灰阶图案。浮雕部件具有最大大约1μm的变化高度和最大大约9.8μm的变化宽度。

具体实施方式

参照附图，相似的数字指示相似的元件，在多于一个的图中出现的相同的数字指示相同的元件。另外，此后下列定义适用：

“热扩张系数”指表征材料在温度变化下所经历的尺寸变化的参数。线性热扩张系数是表征材料在温度变化下所经历的长度变化的参数，其可以用下面的等式表达：

ΔL＝αL₀|T    (I)

其中ΔL是长度变化，α是线性热扩张系数，L₀是初始长度，ΔT是温度变化。本发明提供了复合多层图案化器件，其中离散层的热属性和物理尺度被选择，以提供沿着延伸穿过该器件的层校准轴线关于该器件中心基本对称的热扩张系数分布。

“布局准确度”指图案转印方法或器件在衬底的选定区域生成图案的能力。“良好的布局准确度”指某方法和器件能够在衬底的选定区域生成与绝对准确定向的空间偏差小于或等于5微米的图案，特别是针对在塑料衬底上生成图案。

“保真度”指被转印到衬底表面上的图案和图案化器件上的浮雕图案的相似性的量度。“良好的保真度”指被转印到衬底表面的图案和图案化器件上的浮雕图案之间的偏差小于100纳米。

“杨氏模量”是材料、器件或层的机械属性，其指给定物质的应力-应变曲线(stress-strain curve)的斜率。杨氏模量可以用下式表达：

其中E是杨氏模量，L₀是平衡长度，ΔL是应力施加下的长度变化，F是施加的力，A是力作用于其上的面积。杨氏模量也可以用拉梅常数(Lame constant)表达为下面的等式：

$E=\frac{\mathrm{\μ}(3\mathrm{\λ}+2\mathrm{\μ})}{\mathrm{\λ}+\mathrm{\μ}}---\left(\mathrm{III}\right)$

其中λ和μ是拉梅常数。杨氏模量可以以每单位面积的力来表达，诸如帕斯卡(Pa＝Nm^-2)。

高杨氏模量(或“高模量”)和低杨氏模量(或“低模量”)是给定材料、层或器件中杨氏模量大小的相对描述词。在本发明中，高杨氏模量大于低杨氏模量，对于某些应用优选地大约为10倍大，对于另一些应用优选地大约100倍大，对于又一些应用优选地大约1000倍大。在一个实施方案中，具有高杨氏模量的材料的杨氏模量选自从大约1GPa至大约10GPa的范围，具有低杨氏模量的材料的杨氏模量选自从大约1MPa至大约10MPa的范围。

“共形接触”指建立在表面之间和/或被涂覆的表面之间的接触，其可以适用于在衬底表面上制造结构。在一方面，共形接触涉及复合图案化器件的一个或多个接触表面与衬底表面总体形状的宏观适配。在另一方面，共形接触涉及复合图案化器件的一个或多个接触表面与衬底表面的微观适配，这导致无缝紧密接触。术语“共形接触”意在与该术语在软光刻领域中的使用一致。共形接触可以建立在聚合物或复合图案化器件的一个或多个裸接触表面和衬底表面之间。替换性地，共形接触可以建立在一个或多个被涂覆的接触表面之间，所述接触表面如图案化器件(包括复合图案化器件)和衬底表面的其上沉积有转印材料和/或图案化剂的接触表面。替换性地，共形接触可以建立在图案化或复合图案化器件的一个或多个裸的或被涂覆的接触表面和被涂覆有材料的衬底表面之间，衬底表面涂覆的材料诸如：转印材料、图案化剂、固体光致抗蚀剂层、光敏材料、预聚物层、液体、薄膜或流体。共形接触包括与衬底上的光致抗蚀剂层共形接触的弹性图案化器件。在本发明的某些实施方案中，本发明的图案化器件能够建立平坦表面的共形接触。在本发明的某些实施方案中，本发明的图案化器件能够建立波状表面的共形接触。在本发明的某些实施方案中，本发明的图案化器件能够建立粗糙表面的共形接触。在本发明的某些实施方案中，本发明的图案化器件能够建立光滑表面的共形接触。在本说明书中，“接触”包括表面之间有一薄层例如液体图案化剂的情况。

“抗弯刚度”是材料、器件或层的机械属性，其指材料、器件或层的变形能力。抗弯刚度可以用下面的表达式给出：

$D=\frac{E{h}^3}{12(1-v^2)}---\left(\mathrm{IV}\right)$

其中D是抗弯刚度，E是杨氏模量，h是厚度，v是泊松比(Poissonratio)。抗弯刚度的表达单位可以是力乘以单位长度，诸如Nm。

“聚合物”指包含多个重复化学组——通常指单体——的分子。聚合物常常以高分子量为特征。适用于本发明的聚合物可以是有机聚合物或无机聚合物，并且可以是无定形、半定形、晶体或部分晶体状态。聚合物可以包含具有相同化学成分的单体，或可以包含多个具有不同化学成分的单体，诸如共聚物。具有相链接的单体链的交联聚合物特别适用于本发明的某些应用。适用于本发明的方法、器件和器件构件的聚合物包括但不限于：塑料、弹性体、热塑性弹性体、弹性塑料、恒温器(thermostat)、热塑性塑料、和丙烯酸酯。示例性聚合物包括但不限于：缩醛聚合物、生物可降解聚合物、纤维素聚合物、含氟聚合物、尼龙、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚酰亚胺、聚芳酯(polyarylate)、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物和变性聚乙烯、聚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺(polyphthalamide)、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯树脂(styrenic resin)、砜基树脂(sulphone based resin)、乙烯基树脂(vinyl-based resin)、或它们的任意组合。

“弹性体”指可以被拉伸或变形并回到原始形状而不本质上永久变形的弹性材料。弹性体一般经受基本弹性的形变。适用于本发明的示例性弹性体可以包含：聚合物、共聚物、聚合物与共聚物的复合材料或混和物。弹性层指包含至少一种弹性体的层。弹性层还可以包括掺杂剂和其他非弹性材料。适用于本发明的弹性体可以包括但不限于：含硅聚合物诸如聚硅氧烷，包括聚二甲基硅烷(poly(dimethylsiloxane))(即PDMS和h-PDMS)、聚甲基硅烷(poly(methylsiloxane))、部分烷基化聚甲基硅烷(partially alkylatedpoly(methyl siloxane))、聚烷基甲基硅烷(poly(alkyl methylsiloxane))和聚苯基甲基硅烷(poly(phenyl methyl siloxane))、硅变性弹性体、热塑性弹性体、苯乙烯材料(styrenic material)、烯烃材料(olefenic material)、聚烯烃、聚氨酯、聚氨酯热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)(poly(styrene-butadiene-styrene))、聚丁二烯、聚氨酯、聚氯丁烯、和硅树脂。

“聚合物层”指包含一种或多种聚合物的层(特别是弹性体层)。适用于本发明的聚合物层可以包含基本纯的聚合物层或包含多种不同聚合物的混合物层。适用于本发明的聚合物层还包括多相聚合层(multiphase polymeric layer)和/或包含一种或多种聚合物和一种或多种附加材料——诸如掺杂剂或结构添加剂——的复合聚合层。将这种附加材料并入本发明的聚合物层，对于选择和调制聚合物层的机械属性——诸如杨氏模量和抗弯刚度——是有用的。附加材料在复合聚合物层中的分布可以是各向同性的、部分各向同性的、或不是各向同性的。适用于复合聚合物层的有用材料包括赋予聚合物层从而赋予模板光学调制功能的材料。适用于本发明的复合聚合层包含一种或多种这样的聚合物：(i)与纤维，诸如玻璃纤维或聚合纤维，结合；(ii)与微粒，诸如硅微粒和/或纳米尺寸微粒，结合；和/或(iii)与其他结构增强剂结合。在本发明的一个实施方案中，具有高杨氏模量的聚合物层包含这样的聚合物：其杨氏模量选自大约1GPa至大约10GPa的范围。示例性高杨氏模量聚合物层可以包含：聚酰亚胺、聚酯、聚醚醚酮、聚醚砜、聚醚酰亚胺、萘二酸乙二醇酯(polyethyleneapthalate)、聚酮、聚苯硫醚、或这些材料的组合，或具有类似机械属性的其他聚合材料。在本发明的一个实施方案中，具有低杨氏模量的聚合物层包含这样的聚合物：其杨氏模量选自大约1MPa至大约10MPa的范围。示例性低杨氏模量聚合物层可以包含弹性体，诸如：PDMS、h-PDMS、聚丁二烯、聚异丁烯、聚苯乙烯-丁二烯-苯乙烯、聚氨酯、聚氯丁烯、和硅树脂。在一方面，该图案化器件包含多个层——包括多个弹性层，一层操作性地耦合到具有高杨氏模量的致动器。

“复合物”指包含多于一个构件——诸如多于一种材料或相——的材料、层或器件。本发明可以利用包含具有不同化学成分和机械属性的多种聚合物或弹性体层的复合图案化器件。本发明的复合聚合物层包括这样的层：其包含一种或多种聚合物或弹性体和纤维——诸如玻璃或弹性纤维——和颗粒——诸如纳米微粒或微米微粒或它们的任意组合——的组合物，如Rogers等人的美国专利申请No.11/115,954(2005年4月27日提交)，鉴于其中可用作本发明的聚合物的复合图案化器件而将该文献纳入本说明书。

术语“电磁辐射”指电磁场的波。适用于本发明的方法的电磁辐射包括但不限于：伽玛射线、X射线、紫外光、可见光、红外光、微波、无线电波、或它们的任意组合。图案化剂可以被溶解在水中，并具有选定的浓度，以生成适当的电磁辐射透射。在一个实施方案中，使用比耳定律(Beer′s law)选择图案化剂透射比(transmittance)。在一方面，图案化剂的透射比被选为从0.01％至99％，或小于0.1％。在本说明书中，假如某材料透射少于0.1％的选定波长的紫外线，则该材料是“UV吸收剂”。图案化剂成分可以被选择，以匹配与其邻接的聚合物的折射率。例如，对于折射率为1.4的PDMS聚合物，具有更高折射率的流体可以被添加到溶解在水中的图案化剂——例如包括甘油——中，以更好地匹配折射率。折射率匹配减小了PDMS图案化剂-光敏材料界面处的相位效应，从而增大了图案部件分辨率。替换性地，图案化剂可以是当被照射时发生改造的材料，其包括但不限于在曝光于UV辐射时交联以形成固体的液体预聚物。这样的图案化剂适用于模具应用，其中图案被沉积在衬底上，而不是通过影响衬底或衬底的一部分上的光敏材料的变化来进行图案化。

术语“强度”指一个或多个电磁波的振幅的平方。在这个语境中，术语“振幅”指电磁波振荡的大小。替换性地，术语“强度”可以指一个或多个电磁辐射束的时间平均能量通量，例如一个或多个电磁辐射束每平方厘米每单位时间的光子的数目。

“致动器”指能够提供力和/或移动和/或控制某物的器件、器件构件或元件。本发明的示例性致动器能够生成力，诸如用来使图案化器件与衬底表面接触——诸如共形接触——的力。

“层”指本发明的复合图案化器件、聚合物、衬底或光敏材料的元件。示例性层的物理尺度和机械属性使得图案化器件能够在衬底表面制造具有卓越保真度和良好布局准确度的图案。所制造的图案可以具有任意尺寸，包括纳米尺寸(从大约10至1000纳米)和微米尺寸

(从数微米到数千微米)以及更大。本发明的层可以是连续或均一体，或可以是非连续体的集合，诸如浮雕部件的集合。本发明的层可以具有同质成分或异质成分。本发明的一个实施方案提供了一种包含多个层——诸如聚合物层——的图案化器件。本发明中的层可以用它们的沿着延伸穿过图案化器件的层校准轴线——诸如与含有一个或多个接触表面的平面垂直的层校准轴线——的厚度来表征。

“热稳定”指器件或器件构件的这种特性：承受温度变化而不失去特征属性，所述特征属性诸如浮雕图案的浮雕部件的物理尺寸和空间分布。

“热扩张系数关于图案化器件的中心基本对称分布”指这样的器件配置：其中一个或多个包含图案化器件的层的机械和热属性被选择，以使存在一个沿着层校准轴线——例如与含有一个或多个接触表面的平面垂直的层校准轴线——关于该器件中心基本对称的热扩张系数分布。在一个实施方案中，热扩张系数的特征在于，其关于图案化器件中心对称的分布与绝对对称分布的偏差小于10％。在另一个实施方案中，热扩张系数的特征在于，其关于图案化器件中心的对称分布与绝对对称分布的偏差小于5％。

“操作性地耦合”指本发明的复合图案化器件的层和/或器件构件的配置。操作性地耦合的层或器件构件，诸如第一、第二、第三和/或第四聚合物层，指这样的安排：其中施加到一个层或器件构件的力被传递到其他层或器件构件。操作性地耦合的层或器件构件可以相接触，诸如具有内和/或外表面的层物理接触。替换性地，操作性地耦合的层或器件构件可以通过位于两个层或器件构件的内和/或外表面之间的一个或多个连接层——诸如薄金属层——相连接。在一方面，负责在接触表面上生成均匀压力的致动器可以包含压力可控腔。据此，致动器和图案化器件之间可以可选地没有直接物理接触，但致动器和图案化器件保持“操作性地耦合”。

包含一个或多个聚合物层的图案化器件被用来在一步处理中生成可以具有复杂的形状和几何图形的图案。“聚合物”指包含多个重复化学组——通常指单体——的分子。聚合物常常以高分子量为特征。适用于本发明的聚合物可以是有机聚合物或无机聚合物，并且可以是无定形、半定形、晶体或部分晶体状态。聚合物可以包含具有相同化学成分的单体，或可以包含多个具有不同化学成分的单体，诸如共聚物。具有相链接的单体链的交联聚合物特别适用于本发明的某些应用。适用于本发明的方法、器件和器件构件的聚合物包括但不限于：塑料、弹性体、热塑性弹性体、弹性塑料、恒温器、热塑性塑料、和丙烯酸酯。示例性聚合物包括但不限于：缩醛聚合物、生物可降解聚合物、纤维素聚合物、含氟聚合物、尼龙、聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亚胺聚合物、聚酰亚胺、聚芳酯、聚苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亚胺、聚乙烯、聚乙烯共聚物和变性聚乙烯、聚酮、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基戊烯、聚苯醚和聚苯硫醚、聚邻苯二甲酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯树脂、砜基树脂、乙烯基树脂、或它们的任意组合。

“弹性体”指可以被拉伸或变形并回到原始形状而不本质上永久变形的弹性材料。弹性体一般经受基本弹性的形变。适用于本发明的示例性弹性体可以包含：聚合物、共聚物、聚合物与共聚物的复合材料或混和物。弹性层指包含至少一种弹性体的层。弹性层还可以包括掺杂剂和其他非弹性材料。适用于本发明的弹性体可以包括但不限于：含硅聚合物诸如聚硅氧烷，包括聚二甲基硅烷(即PDMS和h-PDMS)、聚甲基硅烷、部分烷基化聚甲基硅烷、聚烷基甲基硅烷和聚苯基甲基硅烷、硅变性弹性体、热塑性弹性体、苯乙烯材料、烯烃材料、聚烯烃、聚氨酯、聚氨酯热塑性弹性体、聚酰胺、合成橡胶、聚异丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚丁二烯、聚氨酯、聚氯丁烯、和硅树脂。

本发明的弹性体还包含具有凹进部件三维图案的弹性体表面。在本说明书中，“凹进部件三维图案”指具有凹进部件的表面，从而指对应的由凹进部件的几何图形、数目和位置限定的浮雕部件。在一方面，凹进部件具有可变深度，以使生成的图案具有高度变动的部件。

在本发明的语境中，“部件”指弹性表面上的结构或弹性表面整体的一部分。“部件”也指生成在衬底表面的图案，其中部件的图案的几何图形被弹性表面的部件影响。术语“部件”包括被下方的表面支撑的独立结构——诸如完全底切的独立结构，并且包括整体地连接到下方的表面的结构(例如，单片结构，或通过粘合层或包括范德华力的表面力相连接的离散结构，等等)。在本发明中所用的一些部件是微米尺度(如，从微米量级到约一毫米)的结构，或者是纳米尺度(如，从纳米量级到约一微米)的结构。在本说明书中，术语“部件”也指图案或结构阵列，并且包括纳米结构图案、微米结构图案、或微米结构和纳米结构图案。在一个实施方案中，部件包含功能器件构件或功能器件。

在一方面，“图案化剂”被用来指能够吸收电磁辐射的材料，或在曝光于信号时发生相变或化学变化的材料。图案化剂可以是液体、胶体悬浮液、凝胶、或在本发明的方法和器件中有用的任何其他材料或相。一图案化剂在本发明中是起作用的，例如，假如该剂的存在可以生成或加强光学信号的二维空间分布，所述光学信号包括对应于电磁辐射强度、波长、偏振状态、或相位的光学信号。“二维空间分布”指衬底表面上的光学属性图案，其影响相应的衬底表面的化学变化或相变图案，其中该光学属性的大小或品质可以随在衬底表面的位置而变化。衬底表面的变化的图案包括衬底的一个或多个物理属性的图案化的变化，诸如：如热导率等的热属性、光导属性、或电子属性诸如介电属性或电导率等图案化的变化。

“衬底表面”或“衬底的表面”指这样的材料，其表面能够促进与对立表面——诸如本发明的接触表面——的共形接触。该术语被广义地使用，可以包括具有一层光致抗蚀剂的衬底表面。衬底表面上的图案指部件的图案，其中部件是凹进的或浮雕的，并可以包含不同的材料、形状、尺度、和物理属性。本发明的弹性图案化器件包括单层或多层聚合和/或弹性模板、模具、和光掩模，它们适用于多种软光刻图案化应用，包括接触印刷、模塑、和光学图案化。

“光致抗蚀剂”指能够针对具体波长进行辐射敏感化学反应的材料。例如，该反应可以导致受照射区域的酸性增强(正光致抗蚀剂)或减弱(负光致抗蚀剂)。继而该光致抗蚀剂被显影，例如通过将其曝光于碱性溶液，该碱性溶液去除曝光(正光致抗蚀剂)或未曝光(负光致抗蚀剂)区域。一般使用的光致抗蚀剂包括对紫外线辐射敏感的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂材料自身可以是功能材料，诸如电子材料、热材料、和/或机械材料。适用的光致抗蚀剂材料包括：光聚合物(photopolymer)、预聚物、电功能材料，诸如半导体材料、介电材料、热导体、导电材料。特别地，图案化可以包含物理属性——诸如传导率(例如，热导率、电导率)——或调制属性(例如，EMR吸收、散射等等)方面的图案化变化。

在一个实施方案中，光致抗蚀剂材料是导电的聚合物，诸如半导体聚合物。在这些实施方案中，光致抗蚀剂材料的图案化生成了适用于电子器件应用的半导体结构，包括灰阶结构，所述电子器件应用诸如：晶体管中的半导体沟道、光二极管或激光器件中的发光元件、或太阳电池器件中的光电元件。在另一个实施方案中，光敏材料是不导电的聚合物，诸如介电聚合物。在这些实施方案中，光敏材料的图案化生成了适于作为电子器件应用中的绝缘体的介电结构，包括灰阶结构，所述电子器件应用包括了晶体管。在另一个实施方案中，光敏材料是导热的聚合物，诸如导热聚合物。在这些实施方案中，光敏材料的图案化生成了适用于电子器件应用中的热管理策略的结构。

“布局准确度”指图案转印方法或器件在衬底的选定区域生成图案的能力。“良好的布局准确度”指某方法和器件能够在衬底的选定区域生成与绝对准确定向的空间偏差小于或等于5微米的图案，特别是对于塑料衬底上的图案生成。

“保真度”指被转印到衬底表面上的图案和图案化器件上的浮雕图案的相似性的量度。“良好的保真度”指被转印到衬底表面的图案和图案化器件上的浮雕图案之间的偏差小于100纳米。

在下面的描述中，阐述了本发明的器件、器件构件和方法的多个细节，以提供对本发明精确性质的彻底解释。然而，对本领域技术人员很明显，不用这些具体细节也可以实施本发明。

本说明书中采用的术语和表达被用来描述而非限制，并且不意在排除所示出和描述的部件或其局部的任何等价物，但应认识到，在所要求的发明的范围内进行多种修改是可能的。这样，应理解，虽然已经通过优选实施方案、示例性实施方案和可选部件具体描述了本发明，但是本领域技术人员可以采用本说明书公开的概念的修改和变更，这样的修改和变更被认为处于本发明的如所附权利要求所限定的范围内。本说明书提供的具体实施方案是本发明的适用实施方案的实例，对本领域技术人员很明显的是，可以使用本描述阐述的多种器件、器件构件、方法步骤中的多个变体来执行本发明。方法和适用于本方法的器件可以包括多个光学器件元件和构件，包括：附加的聚合物层、玻璃层、陶瓷层、金属层、微流体沟道和元件、致动器诸如滚压印刷机和柔版印刷机、操纵元件、光纤光学元件、双折射元件诸如四分之一和半波片、光学滤波器诸如FP标准具、高通截止滤波器和低通截止滤波器、光学放大器、准直元件、准直透镜、反射器、衍射光栅、聚焦元件诸如聚焦透镜和反射器、反射器、偏光片、光纤光学耦合器和发送器、温度控制器、温度传感器、宽带光源和窄带光源。

本应用中引用的所有参考文献通过引用全部纳入本说明书，只要它们与本应用中的公开不矛盾。对本领域技术人员很明显的是，除了具体描述的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术以外的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术可以被应用于本说明书中广义公开的发明的实施，而不用诉诸于过多的实验。本发明意在包括本说明书中具体描述的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术的所有在本领域公知的功能等价物。

本发明提供了用于在衬底表面制造图案——诸如包含微米尺寸结构和/或纳米尺寸结构的图案——的方法、器件、器件构件。本发明提供了复合图案化器件——诸如模板、模具和光掩模，其展现了加强的热稳定性和对固化引起的图案畸变的抵抗力。本发明的方法、器件和器件构件能够生成展现出良好保真度和卓越布局准确度的高分辨率图案。

图1A是示出了本发明的包含两个聚合物层的复合图案化器件的截面视图的示意图。所示的复合图案化器件100包含具有低杨氏模量的第一聚合物层110和具有高杨氏模量的第二聚合物层120。第一聚合物层110包含三维浮雕图案125，其具有被多个凹进区134分隔的多个浮雕部件133。第一聚合物层110还具有多个接触表面130，其与内表面135相对。本发明包括这样的实施方案：其中多个接触表面130是共面的，以及包括这样的实施方案：其中多个接触表面130占有多于一个的平面。第二聚合物层120具有内表面140和外表面150。在图1A所示的实施方案中，第一聚合物层110的内表面135与第二聚合物层120的内表面140接触。可选地，第二聚合物层120操作性地连接到致动器155，该致动器能够将力(示意性地用箭头156表示)引导到外表面150上。

第一聚合物层110和第二聚合物层120可以以任意方式耦合，只要该方式允许施加在外表面150上的力被有效地传递到接触表面130。在示例性实施方案中，第一聚合物层110和第二聚合物层120经由构成每个层的聚合物之间的共价键来耦合。替换性地，第一聚合物层110和第二聚合物层120可以通过每个层之间的吸引性的分子间力来耦合，所述吸引性的分子间力诸如范德华力、偶极-偶极力、氢键、和伦敦力。替换性地，第一聚合物层110和第二聚合物层120可以通过外部层校准系统来耦合，所述外部层校准系统诸如箝位、紧固和/或焊接系统。替换性地，第一聚合物层110和第二聚合物层120可以使用位于内表面135和内表面140之间的一个或多个连接层(在图1A中未示出)来耦合，所述连接层诸如薄金属层。对于某些应用，第一聚合物层110和第二聚合物层120优选地经由强共价键和/或吸引性的分子间力来耦合，因为这为浮雕部件133和凹进区134提供了良好的机械刚度，并提供了使施加到外表面150的力均匀地分布到接触表面130的有效手段。

在图1A所示的示例性实施方案中，沿着层校准轴线160——其与包括第一聚合物层110的接触表面130的平面垂直——的成分、杨氏模量和/或厚度被选择，以便为图案化器件100提供这样的机械属性：该机械属性使得能够制造展现出减小的图案畸变的微米尺度和/或纳米尺度结构的高分辨率图案。此外，第一聚合物层110和第二聚合物层120的杨氏模量和/或厚度也可以被选择，以使图案化器件100容易集成到商业印刷和模塑系统中。在一个示例性实施方案中，第一聚合物层110包含PDMS层，其沿着层校准轴线160的厚度选自大约5微米至大约10微米的范围。替换性地，第一聚合物层110的厚度可以借助于接触表面130和第二聚合物层120的内表面140之间的最短距离来限定。在一个示例性实施方案中，第二聚合物层120包含聚酰亚胺层，其沿着层校准轴线的厚度等于大约25微米。替换性地，第二聚合物层120的厚度可以借助于第二聚合物层120的内表面140和外表面150之间的最短距离来限定。

为了制造包含一个或多个结构的图案，就要使复合图案化器件100和衬底180的表面185彼此接触，优选地是在接触表面130和衬底表面185的至少一部分之间建立共形接触。这些表面之间的共形接触可以通过将外力(示意性地用箭头156表示)施加到外表面150上以移动图案化器件100使其与衬底180接触来实现。替换性地，外力(示意性地用箭头190表示)可以被施加到衬底180，以移动衬底180使其与图案化器件100接触。本发明还包括这样的实施方案：其中共形接触通过力(156和190)的组合以及衬底180和图案化器件100的移动来建立。

图1B是示出了本发明的包含两个聚合物层并展现出高热稳定性的另一个复合图案化器件的截面视图的示意图。如图1B所示，复合图案化器件200包含具有低杨氏模量的不连续第一聚合物层210，该第一聚合物层操作性地连接到具有高杨氏模量的第二聚合物层120。在这个实施方案中，不连续第一聚合物层210包含三维浮雕图案225，其包含被多个凹进区234分隔的多个离散浮雕部件233。如图1B所示，离散浮雕部件233彼此不接触，但都操作性地耦合到第二聚合物层120。将一个包含多个离散浮雕部件的第一聚合物层纳入本发明的复合图案化器件是有益的，因为这减小了第一聚合物层210和第二聚合物层120的热扩张属性之间的不匹配程度，并减小了第一聚合物层210中的材料的净量，第一聚合物层210可以包含具有高热扩张系数的材料，诸如PDMS。

图1C是示出了本发明的包含三个聚合物层并展现出高热稳定性的另一个复合图案化器件的截面视图的示意图。所示的复合图案化器件300还包含第三聚合物层310，其具有内表面315和外表面320。在图1C所示的实施方案中，第三聚合物层310的内表面315与第二聚合物层120的外表面150接触。可选地，第三聚合物层310操作性地耦合到致动器155，该致动器能够将力(示意性地用箭头156表示)引导到外表面320上。

在图1C所示的实施方案中，第三聚合物层310沿着层校准轴线160的厚度330近似等于第一聚合物层110沿着层校准轴线160的厚度340，对于某些应用优选地在10％以内近似等于第一聚合物层110沿着层校准轴线160的厚度340。在这个实施方案中，选取具有相同或相近(例如在10％以内)的热扩张系数的第三聚合物层310和第一聚合物层110，诸如两个层都包含PDMS层，从而提供高热稳定性和对由温度改变引起的图案畸变的抵抗力。特别地，这样的安排提供了沿着层校准轴线160的关于图案化器件300的中心(用中心线轴线350表示)基本对称的热扩张系数分布。热扩张系数的对称分布使得在温度变化时生成相反的作用力，这使浮雕图案125、浮雕部件133和接触表面130拉伸、弓曲、翘曲、扩张和压缩的程度最小化。

图1D是示出了本发明的对由制造期间的聚合和/或固化导致的图案畸变展现出良好抵抗力的四层复合图案化器件的截面视图的示意图。所示的复合图案化器件400还包含第四聚合物层410，其具有内表面415和外表面420。在图1D所示的实施方案中，第四聚合物层410的内表面415与第三聚合物层310的外表面320接触。可选地，第四聚合物层410操作性地连接到致动器155，该致动器能够将力(示意性地用箭头516示出)引导到外表面420上。

在图1D所示的实施方案中，第三聚合物层310沿着层校准轴线160的厚度330近似等于第一聚合物层110沿着层校准轴线160的厚度340，对于某些应用优选地在10％以内近似等于第一聚合物层110沿着层校准轴线160的厚度340，第四聚合物层410沿着层校准轴线160的厚度430近似等于第二聚合物层120沿着层校准轴线160的厚度440，对于某些应用优选地在10％以内近似等于第二聚合物层120沿着层校准轴线160的厚度440。在这个实施方案中，选取具有相同的热扩张系数和杨氏模量的第三聚合物层310和第一聚合物层110，诸如两个层都包含PDMS层，以及选取具有相同的热扩张系数和杨氏模量的第四聚合物层410和第二聚合物层120，诸如两个层都包含聚酰亚胺层，从而提供对由温度改变引起的图案畸变的抵抗力。特别地，这样的安排使聚合和/或固化期间浮雕图案125和接触表面130拉伸、弓曲、翘曲、扩张和压缩的程度最小化。

本发明中的包括第一、第二、第三和第四层的聚合物层的表面可以具有适用于在层和层之间提供适当校准的特定浮雕图案，诸如校准沟道和/或凹槽。替换性地，本发明中的聚合物层的表面可以具有特定浮雕图案，诸如校准沟道和/或凹槽，用于在复合图案化器件和致动器之间提供适当的校准，所述致动器诸如具有互补(即匹配)沟道和/或凹槽的印刷器件、模塑器件、或接触光刻设备。替换性地，本发明中的聚合物层的表面可以具有特定浮雕图案，诸如校准沟道和/或凹槽，用于在复合图案化器件和具有互补(即匹配)沟道和/或凹槽的衬底表面之间提供适当校准。本领域普通技术人员应理解，这样的“锁钥”校准机构、沟道、凹槽和系统的使用在微制造领域是公知的，并易于集成到本发明的图案化器件中。

对本发明的复合图案化器件中的聚合物层的成分、物理尺度和机械属性的选取大体上取决于所要采用的材料转印方法(例如，印刷、模塑等等)和要制造的结构/图案的物理尺度。在这个意义上，本发明的复合图案化器件规格可以被认为是可针对要实现的特殊功能任务或图案/结构尺度而可选择性地加以调节。例如，本发明的适用于经由软光刻方法印刷纳米尺寸结构的两层图案化器件可以包含弹性第一聚合物层——其具有选自大约1微米至大约5微米范围的厚度，和包含聚酰亚胺层的第二聚合物层——其具有小于或等于大约25微米范围的厚度。相对比，本发明的适用于具有从大约10微米至大约50微米的尺度的微模塑结构的两层图案化器件，可以包含弹性第一聚合物层——其具有选自大约20微米至大约60微米范围的厚度，和包含聚酰亚胺层的第二聚合物层——其具有选自大约25微米至大约100微米范围的厚度。

本发明的复合图案化器件，诸如模板、模具和光掩模，可以通过材料科学、软光刻和光刻领域公知的任何手段来制作。本发明的示例性图案化器件的制备方式是：通过在通过常规光刻方法制备的包含图案化的光致抗蚀剂部件(Shipley 1805)的母板浮雕图案上浇铸和固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物(Dow Corning Sylgard 184)来制造包含弹性体的第一聚合物层。对于适用于本发明的母板浮雕图案，大于大约2微米的部件可以使用常规接触模具光刻来制造，小于大约2微米的部件可以使用电子束刻蚀来制造。在一个示例性方法中，PDMS(来自Dow Corning的Sylgard 184)或h-PDMS(VDT-731，Gelest Corp)被混合和脱气、被倾倒在母板上、并在炉中在大约80摄氏度被固化。替换性地，184PDMS的固化可以使用过量的固化剂在室温执行。包含PDMS或h-PDMS的第一聚合物层优选地在存在第二高模量层——诸如聚酰亚胺层——的情况下被固化，以减小由固化和/或聚合引起的收缩。在一个实施方案中，聚酰亚胺层的内表面在与PDMS预聚物接触之前被粗糙化，以在PDMS预聚物被固化时加强PDMS第一层与聚酰亚胺第二层的粘合强度。聚酰亚胺层的表面粗糙化可以通过本领域公知的任何手段来实现，包括将聚酰亚胺层的内表面曝光于等离子体。

复合图案化器件中的附加层——例如高模量第二聚合物层——的制造和固化优选地与弹性第一层的制备同时进行，以使由固化和/或聚合引起的弹性第一层的浮雕图案和接触表面收缩的程度最小化。替换性地，高模量第二聚合物层，例如聚酰亚胺层，可以使用粘附或连接层，诸如薄金属层，附接到第一聚合物层。

一种示例性母板浮雕图案是使用正光致抗蚀剂(S1818，Shipley)和剥离光致抗蚀剂(lift off resist)(LOR 1A；micron Chem.)制造的。在这个示例性方法中，近似450微米厚的测试级硅晶片(MontcoSilicon Technologies)被用丙酮、异丙醇和去离子水清洁，继而在热板上在150摄氏度干燥10分钟。LOR 1A树脂以3000rpm被旋涂30秒，继而在热板上在130摄氏度预焙5分钟。接下来，S1818树脂以3000rpm被旋涂30秒，然后在热板上在110摄氏度焙5分钟。借助于光学接触校准器(aligner)(Suss Microtech MJB3)，并使用铬离子玻璃掩模将得到的双层(bilayer)(近似1.7微米厚)曝光(λ＝365nm，16.5mW/cm²)7秒，继而显影(MF-319；Shipley)75秒。该显影去除了所有被曝光的S1818光致抗蚀剂。并以大致各向同性的方式去除了曝光和未曝光区域的LOR 1A。这个处理得到了位于LOR 1A上的S1818图案，其中曝光区域是裸露衬底，图案边缘有轻微底切。包含模板的复合图案化器件是在使用标准软光刻程序下在母板浮雕图案上浇铸和固化PDMS，而从这个母板浮雕图案制备的。图2A是示出了示例性母板浮雕图案461和从这个母板浮雕图案制造的示例性图案化器件463的示意图。图2B示出了包含使用本发明的方法制成的复合模板的示例性图案化器件的浮雕结构的扫描电子显微镜图像。

图3A是图示了用于制作本发明的复合图案化器件的方法的示意图。如图3A的处理步骤A所示，该图案化器件可以通过在包含硅上树脂浮雕部件的母板浮雕图案上旋涂PDMS预聚物来制备。可选地，母板浮雕图案可以用自组装单层材料处置，以使PDMS第一层到母板的粘附性最小化。如图3A的处理步骤B所示，PDMS第一层可以通过使用热板在大约60至大约80摄氏度之间的固化温度固化数小时来制造。固化之后，钛、金薄膜或二者的组合的薄膜可以经由电子束蒸发方法布置在PDMS第一层的内表面上，如图3A的处理步骤C所示。钛、金薄膜或二者的混合的薄膜还可以被布置在高模量第二聚合物层的内表面上(见图3A的步骤C)。经由对第一和第二层的被涂覆的内表面的冷焊，第一和第二层操作性地耦合，然后复合图案化器件可以从母板浮雕图案分离，分别如图3A的处理步骤D和E所示。

图3B示出了制造本发明的复合多层图案化器件的一个替换性方法。如图3B的处理步骤A所示，高模量第二层的内表面涂有钛、氧化硅或二者的组合。高模量第二层的被涂覆的内表面与旋涂有PDMS预聚物的母板浮雕接触，压力被施加到高模量第二层的外表面，如图3B的处理步骤B所示。这样的配置使得PDMS预聚物层的厚度可以通过旋转母板浮雕图案和/或用平坦的或基于摇杆(rocker)的压迫向高模量第二层的外表面施加压力而选择性地加以调节。一旦达到所要求的厚度，PDMS预聚物使用大约60至80摄氏度的固化温度在炉中被固化数小时，从而形成PDMS第一层，如图3B的处理步骤C所示。最后，复合图案化器件从母板浮雕图案分离。可选地，这个方法包括以下步骤：用自组装单层材料处置母板浮雕图案，以使PDMS第一层到母板的粘附性最小化。

本说明书中采用的术语和表达被用来描述而非限制，并且不意在排除所示出和描述的部件或其局部的任何等价物，但应认识到，在所要求的发明的范围内进行多种修改是可能的。这样，应理解，虽然已经通过优选实施方案、示例性实施方案和可选部件具体描述了本发明，但是本领域技术人员可以采用本说明书公开的概念的修改和变更，这样的修改和变更被认为处于本发明的如所附权利要求所限定的范围内。本说明书提供的具体实施方案是本发明的适用实施方案的实例，对本领域技术人员很明显的是，可以使用本描述阐述的多种器件、器件构件、方法步骤中的多个变体来执行本发明。方法和适用于本方法的器件可以包括多个光学器件元件和构件，包括：附加的聚合物层、玻璃层、陶瓷层、金属层、微流体沟道和元件、致动器诸如滚压印刷机和柔版印刷机、操纵元件、光纤光学元件、双折射元件诸如四分之一和半波片、光学滤波器诸如FP标准具、高通截止滤波器和低通截止滤波器、光学放大器、准直元件、准直透镜、反射器、衍射光栅、聚焦元件诸如聚焦透镜和反射器、反射器、偏光片、光纤光学耦合器和发送器、温度控制器、温度传感器、宽带光源和窄带光源。

本应用中引用的所有参考文献通过引用全部纳入本说明书，只要它们与本应用中的公开不矛盾。对本领域技术人员很明显的是，除了具体描述的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术以外的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术可以被应用于本说明书中广义公开的发明的实施，而不用诉诸于过多的实验。本发明意在包括本说明书中具体描述的方法、器件、器件元件、材料、程序和技术的所有在本领域公知的功能等价物。

实施例1：用于纳米转移印刷的复合模板

实验研究验证了本发明的复合图案化器件具有提供用于纳米转移印刷应用的复合模板的能力。具体地，本发明的一个目标是，提供具有以下能力的复合模板：能够对大面积的衬底表面进行图案化，使其具有一些量级为微米和几十纳米的选定长度的结构。此外，本发明的一个目标是，提供用于接触印刷一些展现出良好保真度和布局准确度的高分辨率图案的复合模板。

为了实现前述目标，复合模板使用本发明的方法被制造，并被用来经由纳米转移印刷(nTP)在衬底上生成包含金单层的图案。具体地，包含与25微米厚的聚酰亚胺(

DuPont)衬背层接触的薄(5-10微米)PDMS层的大面积复合模板被生成和测试。此外，包含附加的PDMS和/或聚酰亚胺层的大面积复合模板被生成和测试。在一个实施方案中，大约10毫米厚的第二PDMS层被附接到聚酰亚胺层。在另一个实施方案中，提供了第二聚酰亚胺层，其通过薄(近似4微米)PDMS层与第一聚酰亚胺层分离。附加的PDMS和/或聚酰亚胺层的使用促进了复合模板的操纵，并避免了在从母板浮雕图案分离之后的卷曲，其源于PDMS层的收缩和/或PDMS和聚酰亚胺层的热扩张系数的不匹配。

图4A示出了用在这个研究中的示例性复合模板的示意图，图4B示出了相应的截面扫描电子显微镜图像。如图4B所示，该复合模板的浮雕图案涂有一薄层金。这个复合模板的浮雕图案对应于有源矩阵电路的源/漏电平，所述有源矩阵电路用于16cm乘16cm面积上的排列成方阵的256个互连晶体管构成的电子纸显示器。

通过用显微镜测量两个相继的印刷之间每个晶体管位置处、一个印刷的模板以及和用于印刷的模板之间、以及模板和它的母板浮雕图案之间的不重合情况，本发明的复合模板的畸变被量化。图5A和5B B示出了示例性复合模板上的部件位置相对于其母板上的部件位置的测量结果所对应的畸变。这些结果包括对总体平移和旋转不重合以及各向同性收缩(对于在80摄氏度固化的模板大约228ppm，对于在室温固化的模板大约60ppm)的修正。残余畸变接近该测量方法的估计准确度(近似1微米)。这些畸变包括以下累计效应：(i)制造模板和从其母板浮雕图案松脱模板；和(ii)在不均匀衬底上(母板具有一些近似9微米厚的浮雕部件)进行印刷(润湿模板)。

本实施例的复合模板设计的另一个优点是，它减小了浮雕图案凹进区的机械下弯趋势，该下弯可以导致不想要的模板-衬底接触，这会使被印刷到衬底表面的图案发生畸变。举例来说，在相隔60微米的60微米宽的线(500纳米浮雕高度)的情形下，规则单元件(regularsingle element)PDMS模板的凹进区完全下弯。相反，对于包含四个聚合物层的复合模板上的相同的浮雕几何图形，没有观察到下弯。所述四个聚合物层是：(1)25微米的PDMS第一层；(2)25微米的聚酰亚胺第二层；(3)60微米的PDMS第三层；和(4)25微米的聚酰亚胺第四层。图6A和6B示出了那图示了本发明的复合模板中的凹进区的下弯趋势减小的顶视光学显微图。图6A对应于常规单层PDMS模板，图6B对应于本发明的复合模板。复合模板(图6B)的凹进区的颜色均匀性指示，下弯几乎是零。该复合模板的多层结构的有限元建模显示，当残余PDMS层薄时，聚酰亚胺层有效地减小了模板下弯趋势。

图7示出了在本发明的包含与聚酰亚胺层接触的薄PDMS层的两层模板固化之后观察到的收缩程度。如图7所示，本发明的复合模板发生了等于0.2％或更少的水平收缩和0.3％或更少的垂直收缩。本发明的复合模板设计提供的对由固化引起的收缩的抵抗力，使三维浮雕图案和接触表面的畸变最小化，并提供了展现出相对于木板浮雕图案具有良好保真度的高分辨率图案。

图8是使用本发明的复合模板的纳米转移印刷过程的示意图。如图8所示，该过程从金涂层沉积在复合模板表面开始，通过沉积在弹性第一层的凸起和凹进区上形成不连续的金涂层。模板与衬底——该衬底支撑被设计为粘结到金的自组装单层(SAM)(例如，以硫醇结尾的SAM(thiol terminated SAM))——的接触，导致金和衬底之间的强烈粘附。去除模板——金仅弱粘附到模板，使得模板凸起区上的金转印到衬底。

金属蒸发用Temescal电子束系统(BJD 1800)执行，并使用1nm/s的沉积率。沉积期间的压力通常是大约1×10^-6托或更少。沉积率监控器被安装在位，以使沉积率可以在将模板或衬底曝光于金属流之前被建立和稳定化。在沉积之后不久，该印刷在开放环境下执行。该模板通常与衬底紧密接触，而不用施加除重力以外的压力。在某些情形下，用手施加的小压力被用来发起沿着边沿的接触，这继而在模板-衬底界面自然地推进。数秒后，模板就与衬底脱离接触，印刷完成。

图9A-D示出了使用本发明的复合模板生成的Ti/Au(2nm/20nm)图案的扫描电子显微图。如这些图所示，本发明的方法和器件能够生成多种包含具有一定物理尺度范围的结构的图案。如图9A-D所示，被转印的Ti/Au图案大体上没有裂缝和其他表面缺陷。对于某些应用，优选地使用具有小于100μm的厚度的本发明的复合模板，因为与常常充分较厚(例如，近似1cm厚)的常规PDMS模板相比，小于100μm的厚度的本发明的复合模板在被弯曲时(在操纵或接触开始期间)，形成于该复合模板表面的应力小。

实施例2：复合图案化器件的热特性和机械属性的计算机建模

计算模拟(computation simulation)评估了本发明的多层图案化器件对由机械应力和制造期间的聚合引起的畸变的易感性。具体地，针对四层复合图案化器件计算了由制造期间的聚合引起的形变和凹进区的由重力引起的形变的程度。这些研究验证了本发明的复合图案化器件对由聚合引起的收缩和由重力引起的下弯展现出增强的稳定性。

针对两个不同的复合模板设计，计算并比较由聚合引起的畸变程度。首先，图10示意性地示出的四层复合图案化器件600被评估，器件600包含5微米厚的第一PDMS聚合物层610、25微米厚的第二聚酰亚胺

聚合物层620、5微米厚的第三PDMS聚合物层630、和25微米厚的第四聚酰亚胺

聚合物层640。其次，图11A示意性地示出的两层复合图案化器件700被评估，器件700包含5微米厚的第一PDMS聚合物层710和25微米厚的第二聚酰亚胺

聚合物层720。这两个计算中都使用从20摄氏度至80摄氏度的温度变化。PDMS的杨氏模量和热扩张系数被假定为独立于温度，分别等于3MPa和260ppm。聚酰亚胺的杨氏模量和热扩张系数被假定为独立于温度，分别等于5.34GPa和14.5ppm。

图10示出了针对四层复合图案化器件600计算的热致聚合期间的预计畸变程度。如图10所示，在聚合时没有观察到该四层图案化器件的卷曲。图11A示出了针对两层复合图案化器件700计算的热致聚合期间的畸变程度。与该四层图案化器件的结果相对比，观察到了该两层图案化器件的由聚合引起的卷曲。图11B和11C提供了针对该两层图案化器件的聚合后曲率半径分别随PDMS层厚度和固化温度而变化的标绘图。

也经由计算机模拟研究了本发明的四层图案化器件的凹进区的垂直位移程度。如图12A所示，被评估的复合图案化器件包含两个h-PDMS层和两个聚酰亚胺

层。h-PDMS第一层的厚度范围为从大约6微米至大约200微米，聚酰亚胺第二层的厚度恒为25微米，h-PDMS第三层的厚度恒为5微米，聚酰亚胺第四层的厚度恒为25微米。图12B示出了预计垂直位移(以微米为单位的)随着约90微米长的凹进区上的位置而变化的标绘图。如图12B所示，对于厚度等于或小于50微米的PDMS第一层，观察到因下弯而造成的小于大约0.2微米的畸变。此外，从所有被研究实施方案观察到的下弯程度总是小于每个被评估的厚度的大约0.1％。这些模拟的结果显示，本发明的四层复合图案化器件不太可能展现出因浮雕图案凹进区下弯而造成的在第一层的凹进区和衬底表面之间不想要的接触。

图13A-C示出了针对本发明的两层复合模板的因聚合期间的热/化学收缩而造成的水平畸变的计算机研究结果。图13A是图示了两层复合模板的示意图，该模板包含操作性地耦合到25微米Kapton层的厚度变化的PDMS层。图13B是预计水平畸变随以微米为单位的PDMS第一层厚度而变化的标绘图。图13C是预计水平畸变随以毫米为单位的沿着PDMS第一层外表面的距离而变化的标绘图。建模结果显示，平行于接触表面——其位于PDMS第一层的外表面上——的平面中的因聚合而造成的畸变的大小直接地与PDMS第一层的厚度成比例。此外，建模结果显示，当PDMS第一层的厚度减小时，平行于接触表面——其位于PDMS第一层的外表面上——的平面中的因聚合而造成的畸变大体上限于模板边缘。

实施例3：纤维强化复合图案化器件

本发明包括包含一个或多个复合聚合物层的复合图案化器件，所述聚合物层包括这样的聚合物层：其具有提供有益的机械、结构和/或热属性的纤维材料。本发明的这个方面的复合图案化器件包括这样的设计：其中纤维以选定的几何图形集成到聚合物层中和/或之间——该几何图形被选择以提供使浮雕图案的浮雕部件的畸变最小化的净抗弯刚度，从而提供能够在衬底表面生成展现出良好保真度和布局准确度的图案化器件。此外，本发明的这个方面的复合图案化器件包括这样的设计：纤维以选定的几何图形集成到聚合物层中和/或之间，以使聚合物层的因温度变化而造成的扩张和收缩最小化，和/或促进本发明的图案化器件的实际操纵，例如增大这些器件的厚度。

为了评估验证集成纤维材料在本发明的复合图案化器件中的效用(utility)，设计了包含多个玻璃纤维强化聚合物层的图案化器件。图14A和14B提供了图示本发明的纤维强化复合模板的示意图。图14A提供了截面视图，图14B提供了立体图。如图14A和14B所示，纤维强化复合模板900包含：第一层905，其包含PDMS并具有浮雕图案，该浮雕图案具有具备选定的物理尺度的浮雕部件；第二层910，其包含复合聚合物，该聚合物在第一选定方向上具有精细玻璃纤维阵列；第三层915，其包含复合聚合物，该聚合物在第二选定方向上具有较粗玻璃纤维网(mesh)；第四层920，其包含复合聚合物，该聚合物在第三选定方向上具有较粗玻璃纤维网；第五层925，其包含复合聚合物，该聚合物在第四选定方向上具有精细玻璃纤维阵列。第一层905具有低杨氏模量，能够在它的接触表面和一系列表面——包括扭曲、弯曲和粗糙表面——之间建立共形接触。第二层910是复合聚合物层，其中在选定方向上添加精细玻璃纤维阵列向第一层905的浮雕部件的顶部(roof)提供了机械支撑，从而使在与衬底表面形成共形接触时第一层905上的浮雕图案的畸变最小化。第三层915和第四层920提供了纤维强化复合模板900的总体厚度，以使模板可以容易地被操纵、清洁和/或集成到模印器件中。玻璃纤维合并到第二层910、第三层915、第四层920和/或第五层925，也提供了选择纤维强化复合模板的净抗弯刚度的手段，并提供了选择本发明的图案化器件中的个体层的杨氏模量的手段。例如，第二层910、第三层915、第四层920和第五层925中的纤维的成分、方向、尺寸和密度的选择，可以提供适用于在衬底表面上生成展现出良好保真度和布局准确度的图案的净抗弯刚度。第二层910、第三层915、第四层920和第五层925可以包含由具有低杨氏模量的聚合物或具有高杨氏模量的聚合物构成的纤维强化复合层。可选地，纤维强化复合模板900还可以包含一个或多个附加的高或低杨氏模量的聚合物层，包括具有纤维材料的附加的复合聚合物层。

图14C提供了图示纤维强化复合模板900的第二层910、第三层915、第四层920和第五层925所分别对应的第一选定方向930、第二选定方向935、第三选定方向940和第四选定方向945的示意图。如图14C所示，第一选定方向930在第二层910中提供了纵向校准的精细玻璃纤维阵列，其沿着垂直于第五层925的第四选定方向945的纵向校准的精细玻璃纤维的轴线排列。第二和第三选定方向提供了纤维网，其中两组纤维被校准并沿着正交的轴线交织。此外，对应于第二选定方向935和第三选定方向940的纤维网提供了彼此正交的纤维方向，如图14C所示。使用如图14C所示的纤维网方向，使本发明的聚合物层和图案化器件的平面机械属性中的各向异性最小化。

图15提供了粘结到PDMS层的复合聚合物层的光学图像。如图15所示，复合聚合物层971包含玻璃纤维网，PDMS层972不具有任何集成纤维材料。

再次参照图14A，所示的模板设计提供了关于设计轴线960对称的纤维强化层安排。对具有基本相同的热扩张系数的第二层910和第五层925和具有基本相同的热扩张系数的第三层915和第四层920的使用，提供了具有关于层校准轴线980基本对称的热扩张系数分布的纤维强化复合模板900。这尤为如此，假如相比于第二、第三、第四第五层之和，第一层较薄，例如对于某些应用优选地小于10％，对某些应用优选地小于5％。如上所述，使用本发明的器件配置，从而提供关于垂直于含有接触表面的平面的层校准轴线980基本对称的热扩张系数分布，这有利于提供展现出最小的由温度改变引起的图案畸变的热稳定图案化器件。此外，这个对称安排使固化期间引起的浮雕图案畸变最小化，所述畸变如由固化期间的聚合物层卷曲导致的图案畸变。

纤维材料的使用使得多种具有有用的机械和热属性的材料——包括脆性材料——能够以一种保持它们的下述能力的方式集成到本发明的图案化器件和聚合物层，所述能力为展现出能够使与粗糙和扭曲衬底表面——诸如具有大曲率半径的表面——建立共形接触的柔性的能力。例如，SiO₂是体相(bulk phase)非常脆的材料。然而，相对薄(例如直径小于大约20微米)的SiO₂纤维、纤维阵列和纤维网的使用允许了聚合物层的结构性强化，并加强了净抗弯刚度，同时维持了其被弯曲、被拉伸和被变形能力。此外，SiO₂展现出到某些聚合物——包括PDMS——的良好粘附性。碳纤维是另一类这样的材料：其集成到聚合物层会使抗弯刚度和杨氏模量基本加强，同时兼顾了器件柔性——其适用于与多种表面形态建立良好共形接触。

在本发明的提供了展现出有益的机械、结构和热属性的图案化器件和聚合物层的纤维强化聚合物层中，可以使用任意纤维材料组合和纤维材料物理尺度。适用于本复合图案化器件的纤维材料包括但不限于包含玻璃的纤维、碳、聚合物诸如芳纶(aramid fiber)和迪尼玛(dyneema)、金属和陶瓷，所述玻璃包括：氧化物，诸如SiO₂、Al₂O₂、B₂O₃、CaO、MgO、ZnO、BaO、Li₂O、TiO₂、ZrO₂、Fe₂O₃、F₂和Na₃O/K₂O，或可以将这些材料的混合物合并到本发明的图案化器件中。对于某些应用，优选这样的纤维材料：其展现出对包含有其所要集成于上的层的聚合物具有良好的粘附性。长度大约1至大约100微米的纤维是适用于本发明的纤维强化复合图案化器件中的，对于某些应用优选地大约5至大约50微米。直径从大约0.5微米至大约50微米的纤维是适用于本发明的纤维强化复合图案化器件中的，对于某些应用优选地大约5至大约10微米。

本发明的纤维强化图案化器件中的复合层可以具有任何选定的能够为图案化器件提供适用的机械和热属性的纤维排列。以高纤维体积分数(fiber volume fraction)——例如大于大约0.7的纤维体积分数——为特征的纤维排列适用于这样的复合层(例如图14A中的层910)：其向具有一个或多个接触表面的低模量层的浮雕图案中的浮雕部件和凹进区提供支撑，包括顶部支撑。以低纤维体积分数——例如小于大约0.5的纤维体积分数——为特征的纤维排列适用于这样的复合层(例如图14A中的层915和920)：其提供所需的净模板厚度以维持纤维强化复合图案化器件的柔性。如图14A-C中的示意图所例示，具有不同的选定纤维方向的多个复合层适用于提供这样的纤维强化复合图案化器件：其沿着与含有接触表面的平面垂直的轴线具有各向同性的形变机械属性。

除了结构和机械属性，还可以基于光学和/或热属性来选择用于本发明的纤维强化图案化器件的纤维材料。使用其折射率等于或近似于其所要集成于之内的聚合物材料(即，匹配到10％以内)的折射率的纤维，有利于提供光学透明的复合聚合物层。例如，SiO₂纤维的折射率可以被调到与PDMS的折射率(通常在1.4至1.6之间)相匹配，以制作高度透明的复合聚合物层。使给定复合聚合物层中纤维和聚合物材料的折射率匹配，对本发明的纤维强化复合光掩模特别有用。此外，选取热扩张系数等于或近似于其所要集成于之内的聚合物材料(即，匹配到10％以内)的热扩张系数的纤维材料，有利于提供热稳定纤维强化复合图案化器件。

实施例4：复合软共形光掩模

本发明包括包含光掩模的复合图案化器件，所述光掩模能够与受到电磁辐射处理的衬底表面建立和维持共形接触。本发明的复合共形光掩模的一个优点是，它们能够顺应多种衬底表面形态，而不用显著改变该光掩模的光学属性，诸如二维透射和吸收属性。本发明的这一属性提供了能够透射电磁辐射的光掩模——所述电磁辐射在衬底表面的选定区域上具有明确的强度、偏振状态和/或波长二维空间分布，从而允许在衬底上制造展现出良好保真度和布局准确度的图案。

图16提供了本发明的复合软共形光掩模的示意图。如图16所示，复合软共形光掩模1000包含：第一聚合物层1005，其具有低杨氏模量，并具有接触表面1010；对层进行光掩模的图案化层1015，其包含多个光学透射区1017和非透射区1016；和第二聚合物层1020，其具有高杨氏模量和外表面1025。在一个适用的实施方案中，第一聚合物层包含PDMS，第二聚合物层包含聚酰亚胺。透射区1017至少部分地透射被曝光于外表面1025的电磁辐射，非透射区1016至少部分地削弱被曝光于外表面1025的电磁辐射的强度，例如通过反射、吸收或散射该电磁辐射。在图16所示的实施方案中，非透射区1016是与基本透明的Ti/SiO₂层接触的反射性薄铝膜。在这个安排中，这些反射性薄铝膜之间的基本透明区是透射区。

为了在衬底表面上提供图案化，复合软共形光掩模1000与衬底表面接触，以使第一聚合物层1005的接触表面1010与衬底表面建立共形接触。具有第一强度、偏振状态和/或波长二维分布的电磁辐射被引导到复合软共形光掩模1000的第二聚合物层1020的外表面1025上。非透射区1016的反射、吸收和/或散射生成了以不同的强度、偏振状态和/或波长二维分布为特征的透射电磁辐射。该透射电磁辐射与衬底表面相互作用，生成了该衬底表面的物理和/或化学修改区。通过去除衬底的至少一部分化学和/或物理修改区或去除衬底的至少一部分未化学和/或物理修改区，图案被制造。

图17A示出了本发明的复合软共形光掩模的光学图像，图17B示出了硅衬底上的已曝光和已显影的光致抗蚀剂图案。如图17A所示，复合软共形光掩模1000具有5毫米厚的柄1105，其提供了边界，该柄使得该光掩模可以借助于其他处理器械被轻松地操纵、清洁和集成。图17A和图17B的比较证实了，使用该复合软共形光掩模可以生成具有高保真度的图案。

图18提供了图示制作本发明的复合软共形光掩模的方法的处理流程图。如图18的处理步骤A所示，薄铝层经由电子束蒸发沉积在高杨氏模量聚合物的内表面上。如图18的处理步骤B所示，光致抗蚀剂层被沉积在铝层上——例如通过旋涂，并被图案化——例如使用常规光刻。这个图案化步骤生成了包含具有选定的物理尺度和位置的薄铝膜的图案化光掩模层。如图18的处理步骤C所示，Ti/SiO₂薄膜被沉积在铝图案化光掩模层和高杨氏模量聚合物层的内表面的曝光区上。Ti/SiO₂层的使用有利于在后续处理步骤中增进与PDMS层的粘附性。如图18的处理步骤D所示，基本平坦的硅衬底用不沾(nonstick)的自组装单层处理，一薄层PDMS被旋涂在自组装单层的顶部上。在本发明的这个方面，自组装单层的使用对于防止PDMS层到硅表面的不可逆的粘结和避免PDMS层在从硅衬底分离时的损坏是重要的。如图18的处理步骤E所示，包含高杨氏模量层及图案光掩模层的复合结构的Ti/SiO₂层与涂有PDMS的硅衬底接触。力被施加到高杨氏模量层的外表面，该PDMS层于60至80摄氏度之间的温度下被固化数小时。最后，该PDMS层从硅衬底分离，从而形成复合软共形光掩模。

实施例5：使用图案化剂的锁钥配准系统

本发明提供了一些方法、图案化器件和/或衬底表面，其中图案化器件和/或衬底表面具有适用于提供该图案化器件和衬底表面的适当配准和校准的特定浮雕图案——诸如校准沟道、槽和/或凹槽。特别地，在本发明中，使用包含互补的(即匹配的)浮雕部件和凹进区的“锁钥”校准系统是有利的，因为互补部件的接合约束了图案化器件的接触表面和衬底表面之间可能的相对定位。所述的约束这些元件的相对定位的能力，对于在大衬底面积上制造具有良好布局准确性的器件和器件阵列是有利的。

在一方面，本发明包括使用图案化剂的校准系统，其用于在图案化器件的接触表面——诸如复合图案化器件的接触表面或单层图案化器件的接触表面——和衬底表面的选定区域之间建立和维持选定的空间校准。在本说明书的语境中，术语“图案化剂”指被提供在图案化器件的接触表面的至少一部分和被处理的衬底表面之间的一种或多种材料。在本发明的这个方面，图案化剂的功能是促进互补浮雕部件和凹进区以一方式适当校准和接合，以使这些元件良好配准。除了促进图案化器件和衬底表面的适当校准，本发明的图案化剂还可以提供其他功能。在一个实施方案中，本发明的图案化剂包含用于本发明的光掩模的光学过滤介质。在另一个实施方案中，图案化剂包含被模塑到衬底表面上的转印材料，例如在曝光于电磁辐射或温度上升时被模塑到一个被压印到衬底表面上的图案中的预聚物材料。本发明的图案化剂还可以提供多功能特性，诸如以下两项的组合：促进图案化器件的接触表面和被处理的衬底表面之间的校准，并提供用于对衬底表面进行图案化的光学过滤和/或转印材料。

在一个实施方案中，本发明的图案化剂充当润滑剂，以减小生成在校准系统——诸如锁钥配准系统——的匹配接触表面和衬底表面对之间的摩擦。通过减小摩擦，图案化剂允许该图案化器件和衬底建立共形接触并相对于彼此移动，从而检验一系列可能的相对定位。在本发明的这个方面，该图案化剂提供的附加的移动性允许该图案化器件和衬底表面实现稳定的、选定的相对定位，所述稳定的、选定的相对定位的特征在于互补浮雕部件和凹进区在匹配表面上的有效耦合。有效的图案化剂促进建立正确的配准，而不干扰共形接触的建立。适用的图案化器件包括：流体——诸如液体和胶体、薄膜和颗粒材料。示例性图案化剂包括：光学增亮剂、来自Mayzo的Benetex OB-EP、派克油墨(Parker ink)、来自Constantines Wood Center的水溶性黑木染料粉末。

本发明的这个方面的图案化器件具有这样的接触表面：其具有多个凹进区或浮雕部件，它们具有与被处理的衬底表面上的凹进区或浮雕部件互补的形状和物理尺度。本发明的这个方面的图案化器件还具有这样的设备，其用于将图案化剂引入到接触表面和衬底表面之间的区域的至少一部分。用于引入图案化剂的设备可以是流体沟道、凹槽，或可以涉及在建立共形接触之前例如使用浸渍系统润湿接触表面或衬底表面。为了实现配准，通过建立适当的力——例如与含有至少一部分接触表面的平面垂直的力，图案化器件和衬底表面逐渐接触。可选地，校准可以包括衬底表面和图案化器件的配合表面在其他方向上的移动，例如表面的横向移动。

在另一方面，图案化剂充当用于共形光掩模的光学过滤介质。在本发明的这个方面，图案化剂的成分被选择，以使其吸收、散射、反射或调制入射在光掩模上的电磁辐射的某些属性。在一个实施方案中，例如，图案化剂被提供在具有浮雕图案的共形光掩模和衬底外表面之间。光掩模和衬底外表面之间的共形接触生成了一系列由浮调图案的浮雕部件和凹进区限定的、被图案化剂占据的空间。这些空间可以包含一系列沟道、腔、穴、凹槽、缝隙和/或光掩模和衬底外表面之间的通路。光掩模的浮雕部件和凹进区的形状和物理尺度确定了存在于光掩模和衬底表面之间的空间中的图案化剂的光学厚度。从而，对浮雕图案几何图形和图案化剂成分的选择，提供了一种调制被透射电磁辐射的方式，以实现被透射到衬底表面上的光的选定的强度、波长和/或偏振状态二维空间分布。本发明的这个方面特别适用于对其外表面上沉积有一层光敏材料的衬底表面进行图案化。

本发明的这个图案化途径的优点包括：(i)它可与贯穿所述应用而描述的复合图案化器件的类型兼容；(ii)该图案化剂可以具有低粘性，这使得它能够在图案化器件与图案化剂接触时迅速且有效地流动(这有助于将大多数图案化剂推出对应于图案化器件上的凸起区的区域)；(iii)它可以润滑接触表面(或被涂覆的接触表面)和衬底表面(或被涂覆的衬底表面)之间的界面；(iv)它不改变图案化器件的可拉伸性，可拉伸性是重要特性——尤其是假如图案化器件需要被拉伸以匹配锁钥构件时(例如因衬底的轻微形变)；和(v)它可以对其处理条件和使用在许多重要的电子和光子应用中已确立的常规光致抗蚀剂进行图案化。

图19A和19B提供了示出使用用于校准光掩模和衬底的图案化剂的校准系统的示意图。参照图19A和19B，本发明的校准系统1300包含：具有接触表面1306的共形光掩模1305、具有受到处理的外表面1313的衬底1310、和被布置在接触表面1306和外表面1313之间的图案化剂1315。在图19A和19B所示的实施方案中，受到处理的外表面1313涂有光敏层1314，诸如光致抗蚀剂层。在图19A所示的设计中，共形光掩模1300包含具有多个凹进区1320的第一聚合物层，例如PDMS层，凹进区1320具有与存在于受到处理的外表面1313上的浮雕部件1325互补的形状和物理尺度。在图19B所示的设计中，共形光掩模1300包含具有多个浮雕部件1340的第一聚合物层，例如PDMS层，浮雕部件1340具有与存在于受到处理的外表面1313上的凹进区1345互补的形状和物理尺度。本发明的这个方面的浮雕部件和凹进区可以具有一对互补形状，包括但不限于选自以下的形状：棱锥形、圆柱形、多边形、矩形、正方形、圆锥形、梯形、三角形、球形和这些形状的任意组合。

可选地，共形光掩模1305还可以包含附加的浮雕部件1308和凹进区1307，它们具有选定的形状和物理尺度。如图19A和19B所示，光掩模1305和外表面1313的共形接触生成了多个被图案化剂1315占据的空间，因为衬底1310不具有与附加浮雕部件1308和凹进区1307互补的浮雕部件和凹进区。在一个实施方案中，图案化剂1315是吸收、反射或散射被引导到光掩模1305上的电磁辐射的材料，从而，浮雕部件1308和凹进区1307的形状和物理尺度建立了被透射到外表面1313上的光敏层1314的电磁辐射的强度、波长和/或偏振状态二维空间分布。以这种方式，光敏层1314的选定区域可以被具有选定的波长和偏振状态的强度选定的电磁辐射照射，并且光敏层1314的选定区域可以被遮蔽而不曝光于具有选定波长和偏振状态的电磁辐射。本发明的这个方面适用于对光敏层1314进行图案化——通过将光敏层曝光于具有以下特征的电磁辐射：该电磁辐射具有选定的能够产生光敏层1314的对应于所要求图案的化学和/或物理修改区的强度二维空间分布。在一个实施方案中，光掩膜1305仅是基本透明的相位掩模。在这个实施方案中，当图案化剂存在于接触表面1306和外表面1313之间时，它仅形成振幅光掩模。

在另一个实施方案中，图案化剂1315是用于将图案模塑到衬底表面上的转印材料。从而，在这个实施方案中，浮雕部件1308和凹进区1307的形状和物理尺度确定了被压印到外表面1313上的光敏层1314上的图案的部件。本发明的这个方面的实施方案还适用于经由在外表面1313上直接模塑图案(即，不存在光敏层1314)来对衬底表面进行图案化。

可选地，共形光掩模1305是复合光掩模，其还包含附加的聚合物层，诸如高杨氏模量层、复合聚合物层、和低杨氏模量层(在图19A和19B中未示出)。如本应用通篇所讨论，本发明的具有一个或多个附加的聚合物层的图案化器件提供了有益的机械和/或热属性。然而，本发明的这个实施例的图案化器件不必须是复合图案化器件。

为了在衬底1310的表面上生成图案，图案化剂被提供在光掩模1305的接触表面1306和外表面1313之间，并且接触表面1306和外表面1313共形接触。图案化剂1315润滑共形光掩模1305上的第一聚合物层和外表面1313上的光敏层1314之间的界面。由图案化剂1315的存在导致的摩擦减小使得接触表面1306能够与外表面1313校准，以使浮雕部件(1325或1340)最佳地接合凹进区(1320或1345)。最佳校准通过提供使配合表面靠到一起的渐进力(gradual force)来实现，所述渐进力诸如沿着与接触表面垂直的轴线作用的力(示意性地用箭头1380表示)。可选地，接触表面1306和外表面1313可以被横向地(沿着平行于轴线1390的轴线)移动，以加强凹进区(1320或1345)和浮雕部件(1325或1340)的最佳接合的建立。

共形光掩模1305被电磁辐射照射，并将具有选定的强度、波长和/或偏振状态二维空间分布的电磁辐射透射到光敏层1314。例如，存在于浮雕部件1308及凹进区1307和外表面1313之间的区域的图案化剂1315可以吸收、散射或反射入射电磁辐射，从而提供空间解析光学过滤功能。例如，在一个实施方案中，图案化剂1315吸收UV电磁辐射，这样就利用紫外光创建了用于对光敏层1314进行图案化的对比度。被透射的电磁辐射与光敏层1314的局部互相作用，从而生成化学和/或物理修改区的图案。在曝光于一针对给定应用而言为充足的电磁辐射之后，共形光掩模1305和衬底1310被分离，并且，通过去除光敏层1314的化学和/或物理修改区的至少一部分，或通过去除光敏层1314的未经化学和/或物理修改的至少一部分，将光敏层1314显影。

图20提供了图示本发明的使用图案化剂的示例性图案化器件的示意图，所述图案化剂包含共形光掩模的光学介质(或油墨)。如图20所示，提供了其外表面具有光致抗蚀剂层的衬底。光致抗蚀剂层与包含油墨的图案化剂接触，使共形光掩模与衬底共形接触。如图20所示，图案化剂存在于由共形光掩模的浮雕图案限定的空间中。共形光掩模被电磁辐射照射，图案化剂调制被透射到光致抗蚀剂层的电磁辐射的强度。如图20所示，共形光掩模继而被去除，光致抗蚀剂层被显影，从而在衬底表面生成由存在于光掩模和衬底之间的图案化剂的光学厚度限定的图案。

本发明还提供了用于在衬底表面上制造图案——诸如包含微米尺寸结构和/或纳米尺寸结构的三维图案——的方法、器件和器件构件。本发明提供了图案化器件，诸如模板、模具和光掩模，以及用于生成三维图案的图案化剂。本发明的方法、器件和器件构件能够生成展现出良好的保真度和卓越的布局准确度的高分辨率图案。

实施例6：用于通过软光刻印刷的油墨模板光掩模

在一个实施方案中，提供了具有浮雕结构的柔性弹性体掩模，其与紫外吸收油墨(UV absorbable ink)组合使用，通过光刻在衬底上生成图案(见图26)，所述紫外吸收油墨是图案化剂。这个组合可以用作用于光刻的二元振幅掩模。在这个处理中，紫外吸收油墨被放置在衬底上的光致抗蚀剂层和其表面具有图案化浮雕结构的弹性体掩模之间。该油墨可以润滑邻接表面，并且特别适用于多级图案化和紫外线吸收，以生成图案，该图案源于位于下方的对紫外线敏感的材料上的化学改变的差异。弹性掩模被推向光致抗蚀剂，以使油墨被局限于弹性模板上的三维浮雕图案的凹进区。光致抗蚀剂被例如穿过弹性掩模的紫外线照射。紫外线的空间强度被紫外吸收油墨调制，低强度区域对应于位于如下区域之下的光致抗蚀剂区域，所述如下区域为紫外线穿过油墨的路径最大的区域。因此，紫外线强度对应于弹性掩模中的填充有油墨的凹进部件的深度。去除模板、洗去油墨并显影光致抗蚀剂，生成了光致抗蚀剂图案——其可以被用在例如对其他材料进行图案化的常规处理序列中。具有多个和/或连续改变的浮雕深度的模板可以与油墨共同使用，以实现透射光的“灰阶”调制，以生成包含具有复杂形状和多个凹进和/或浮雕部件深度的图案的抗蚀剂部件。

在一个重要实施方案中，通过本发明的过程制成的模塑结构是适用于在光敏材料——诸如光致抗蚀剂——中生成图案的光掩模。在这些实施方案中，模塑结构被生成在光敏材料的外表面上。该模塑结构随后被从图案化器件分离，并被电磁辐射照射，以提供对位于下面的光敏材料的图案化。光学光刻领域技术人员应理解，在这些实施方案中，模塑结构自身充当光掩模，独立于被用来制造该模塑结构的图案化器件。

图21是用于使用基于油墨的软光刻过程生成图案的示例性器件和方法的示意图。图21A提供了聚合物层或弹性图案化器件2100的初始配置，器件2100邻近至少部分地覆盖衬底2400的光敏层2300——诸如光致抗蚀剂——上的图案化剂2200。图案化器件2100具有三维浮雕部件2120和相应的凹进部件图案2130。被曝光的浮雕和凹进部件一起限定了三维图案2105。力2600被施加，以在图案化器件接触表面2110的至少一部分和光致抗蚀剂内表面2310之间建立共形接触(图21B)。图案化剂2200填充，并被局限于凹进部件2130。在本说明书中，“填充”或“局限”指足量的图案化剂被容纳在凹进2130内。“足量”指在凹进2130中有足够的图案化剂，以使到达表面2310的信号2700(图21C)——其中该信号可以是电磁辐射的光学属性——的强度或品质在凹进2130下方区域与浮雕部件2120下方区域是不同的，以使每个光致抗蚀剂区域中发生有区别的化学响应。光致抗蚀剂表面2310上的信号(例如紫外线)2700的强度的空间分布导致这样的光致抗蚀剂图案，其包含浮雕部件2320和凹进部件2330，它们分别对应于聚合物模板2100上的凹进2130和浮雕2120部件(图21D)。通过改变三维图案2105的曝光时间和图案化剂吸收属性中的一个或多个，浮雕部件之间的互连被生成，以促进图案化光致抗蚀剂2300从衬底2400光学剥离。

在一个实施方案中，图案化剂2200是吸收、反射或散射被引导到光掩模2100上的电磁辐射的材料，且因此，浮雕部件2120和凹进区2130的形状和物理尺度建立了被透射到衬底2400上的光敏层2300的电磁辐射的强度、波长和/或偏振状态的二维空间分布。以这种方式，光敏层2300的选定区域可以被具有选定波长和偏振状态的强度选定的电磁辐射照射，光敏层2300的选定区域可以被遮蔽，以不曝光于具有选定波长和偏振状态的电磁辐射。本发明的这个方面适用于对光敏层2300进行图案化——通过将光敏层曝光于具有以下特征的电磁辐射：该电磁辐射具有选定的能够产生光敏层2300的对应于所要求图案的化学和/或物理修改区的强度二维空间分布。在一个实施方案中，光掩膜2100仅是基本透明的相位掩模。在这个实施方案中，当接触表面2110和表面2310之间共形接触，图案化剂存在于凹进部件2130内时，它仅形成振幅光掩模。

图22-24是三个不同的灰阶生成实施例，其图示，通过修改聚合物图案2105的几何图形，本发明的器件和方法可以被用来生成更复杂的图案。图22A示出，当聚合物2200与衬底2400上的光致抗蚀剂2300接触时，图案化剂2200填充图案化器件2100中的三角形凹进。图22B示出了在UV照射、图案化器件2100及图案化剂2200去除、和光致抗蚀剂显影之后生成的图案。图23示出了由一系列弯曲凹进图案生成的结果图案。图24示出了具有不同深度的聚合物凹进部件导致生成各具不同高度的浮雕图案部件。图21-24中描绘的所生成的图案可以被混合并匹配，以同时生成具有不同形状、几何图形和/或尺度的数个几何部件。通过应用具有不同吸收/透射属性的多种图案化剂，就可能生成更复杂的形状。将三维聚合物表面作为微流体流动的导管，多种图案化剂可以在层流(laminar flow)条件下占据同一个凹进图案而不显著混合。在本说明书中，对于小于2000、小于1000或小于100的雷诺数(Reynolds number)，流是分层的。

在一方面，本发明包括使用图案化剂的校准系统，其用于在图案化器件的接触表面——诸如复合图案化器件的接触表面或单层图案化器件的接触表面——和衬底表面的选定区域之间建立和维持选定的空间校准。在本描述的语境中，术语“图案化剂”指被提供在图案化器件的接触表面的至少一部分和被处理的衬底表面之间的一种或多种材料。在本发明的这个方面，图案化剂的功能是促进互补浮雕部件和凹进区以一方式适当校准和接合，以使这些元件良好配准。除了促进图案化器件和衬底表面的适当校准，本发明的图案化剂还可以提供其他功能。在一个实施方案中，本发明的图案化剂包含用于本发明的光掩模的光学过滤介质。在另一个实施方案中，图案化剂包含被模塑到衬底表面上的转印材料，例如在曝光于电磁辐射或温度上升时被模塑到一个被压印到衬底表面上的图案中的预聚物材料。本发明的图案化剂还可以提供多功能特性，诸如以下两项的组合：促进图案化器件的接触表面和被处理的衬底表面之间的校准，并提供用于对衬底表面进行图案化的光学过滤和/或转印材料。

图25图示了锁钥配准部件，其适用于，例如，确保弹性体变形以匹配衬底畸变。图25A图示了锁部件2840，其是图案化器件2100上的凹进部件；以及相应的钥部件2820，其是光致抗蚀剂2300和衬底2400上的浮雕部件。这里存在用标注“不匹配”表示的初始不匹配。图25B示出，通过拉伸弹性体2100并将钥2820插入锁2840，来相对于衬底2400校准图案化器件2100。用这个校准系统，衬底2400的任何后续形变都导致图案化器件2100的关联形变，从而确保了提高的图案保真度和准确度。图25图示，图案化剂2200可以被可配准地定址并沉积在表面上。换言之，可以相对于图案化器件2100的凹进部件三维图案来定位或校准图案化剂2200。如下所讨论，使用这样的可定址液滴图案化的一个实施例是光致抗蚀剂2300表面具有选定的亲水和/或憎水区域。除了可控地定位个体油墨液滴或部件外，每个液滴或部件内的体积也可以被可控地选择和应用。术语“液滴”被广义地使用，以包含下列应用：液滴图案，和被定址到衬底表面特定区域(例如，相对于亲水和/或憎水区域放置)的液滴。

本发明的这个图案化途径的优点包括：(i)它可与贯穿所述应用而描述的复合图案化器件的类型兼容；(ii)该图案化剂可以具有低粘性，这使得它能够在图案化器件与图案化剂接触时迅速且有效地流动(这有助于将大多数图案化剂推出对应于图案化器件上的凸起区的区域)；(iii)它可以润滑接触表面(或被涂覆的接触表面)和衬底表面(或被涂覆的衬底表面)之间的界面；(iv)它不改变图案化器件的可拉伸性，可拉伸性是重要特性，尤其是假如图案化器件需要被拉伸以匹配锁钥构件时(例如因衬底的轻微形变)；和(v)它可以对常规光致抗蚀剂进行图案化，常规光致抗蚀剂的处理条件和使用对于许多重要的电子和光子应用来说都已经确定。

实施例7：通过油墨聚合物模板光刻生成模塑结构

在一个实施方案中，可以通过与图案化器件2100的接触表面关联的三维图案来生成图案并约束至所述三维图案(图26)。图26A示出了位于图案化器件2100和衬底2400之间的图案化剂2200。力被施加，以使图案化器件2100的接触表面2110的至少一部分与衬底内表面2410的至少一部分接触，从而将多余的图案化剂2200挤出接触表面2210和衬底2400之间的区域。图26B图示了用于去除多余的图案化剂的可选设备，其包含将多余的图案化剂2210从接触表面2110和衬底内表面2410之间运出的沟道2500。图26C示出，在曝光于图案化剂化学改造信号之后，图案化器件2100被去除，以显露图案化剂浮雕图案2220。

对于光致抗蚀剂应用，合适的图案化剂包括在处理状态具有低粘性的液态预聚物。合适的油墨包括但不限于：派克油墨、水溶性木染料、和光学增亮剂。所有这些油墨都吸收处于该光致抗蚀剂敏感的光谱处的紫外线。图27示出了黑木染料UV透射，表明了该油墨吸收几乎所有紫外线。据此，填充图案化器件2100中的凹进2130的油墨以一种类似于常规刚性掩模的方式充当光掩模。然而，因低粘性、聚合物的柔性本性、和制造与聚合物接触表面关联的复杂三维图案的能力，本说明书公开的油墨光刻器件和方法十分适合弯曲柔性塑料衬底上的图案生成。本领域普通技术人员可以选择图案化剂，同时应意识到，该图案化剂应当能够填充凹进部件2130——当使器件2100与衬底2400接触时；并且该图案化剂应该吸收以下波长处的光：能影响(例如，化学改造)光致抗蚀剂的波长处的光。通过例如改变溶液中的油墨浓度，可以控制图案化剂的吸收属性。

替换性地，在图案生成于凹进部件2130内部的实施方案中，图案化剂应仍能够填充凹进部件2130，如所描述的，并在曝光于信号时能够产生化学或物理属性改造或变化。例如，这些凹进可以填充有预聚物液体，并响应UV信号开始交联，或可以响应脉冲能量源出现结晶。

实施例8：图案生成

图28示出了聚合物模板与图案化剂的相互作用。图28A是漂浮在油墨上的PDMS模板的顶视显微照片。不存在从外部施加的以使聚合物和衬底之间生成紧密接触的力。每个凹进部件仅部分填充有油墨，非凹进部件区中存在实质上过多的油墨。图28B示出了被压到油墨上的PDMS模板和具有填充有油墨的浮雕部件的光致抗蚀剂衬底层。如下所讨论，吸收几乎所有UV信号的UV吸收油墨导致该过程中容许聚合物的凹进部件中存在截留的气穴。图28B显示，大多数多余油墨被挤出模板和光致抗蚀剂之间。图28C是在UV曝光和处理之后所得到的被蚀刻到光致抗蚀剂中的图案的显微照片。光致抗蚀剂中的浮雕部件对应于图28B中勾勒的填充有油墨的凹进下方的光致抗蚀剂区域。

聚合物模板和衬底之间的配准可以通过在衬底表面上方移动聚合物模板手动地实现，因为油墨是有效的润滑剂。替换性地，校准系统可以促进精确配准。例如，两个层处的校准标记可以被校准，并通过常规掩模校准器的显微评估光学地验证。这是在塑料衬底上制作多层结构的实用方法。图29示出了塑料衬底上两个层的配准(图29A)。这个硅网络继而通过本发明的方法和器件被图案化为规则的方块(图29B)。随后的MOSFET图案化被校准到硅网络方块上(图29C)。如图29C所示，适当的校准手段在特定图案化应用中是重要的。

图30-31图示了使用凹进部件内的图案化剂作为掩模的益处和优点。图30A图示了不使用图案化剂——其是UV吸收剂——的常规相位掩模的使用。图30B和30C分别示出了3.5秒和4秒UV曝光之后所得的蚀刻图案。随后光致抗蚀剂被显影7秒。

图31A概括了当UV吸收图案化剂存在时的处理。图31B是没有图案化剂时蚀刻的图案的图像。图31C是当使用了UV吸收图案化剂时所获得的图案的图像。区别在于，没有UV油墨时，仅有一条细带(strip)(例如大约140nm)未被蚀刻。相对比，UV吸收油墨保护了下面的光致抗蚀剂，以使2.32μm宽的光致抗蚀剂带未被蚀刻(见图31C，右面板)。在使用弹性体掩模作为光学元件的常规软光刻(近场相移光刻)中，透明弹性体仅用作相位调制元件。因此，图案化限于浮雕部件的边界，仅形成细带或点形状。弹性体掩模的拉伸导致因相位掩模的形状变化而造成的较不明确的图案化。

本发明可以可靠地在大面积上形成部件。例如，在一个实施方案中，以这样的方式图案化微米尺寸部件：(1)3000rpm将光致抗蚀剂Shipley 1818旋涂到硅晶片上；(2)在115℃预焙光致抗蚀剂10分钟，以使光致抗蚀剂硬化；(3)9000rpm将油墨(Mayzo，UV吸收剂)旋抛到光致抗蚀剂上，以均匀地减小油墨深度；(4)提供浮雕PDMS模板；(5)将模板压向涂有油墨的光致抗蚀剂。适当施加的力使模板和光致抗蚀剂之间的界面处的薄油墨层去除。在这个实施例中，油墨层如此之薄，以致于聚合物PDMS模板上的凹进部件没有被完全填充，在凹进部件中可以观察到气泡；(6)用紫外线照射适当长的时间，以匹配由填充有油墨的PDMS掩模所引起的剂量对比；和(7)显影。图32示出了2×2cm面积上的5μm部件的图案化。图32是通过四个连贯的光刻应用获得的图案，其指示该程序是可靠且可重现的。通过在水浸模式光刻中使用本发明以获得更短的光学波长和更高的数值孔径，可以获得更进一步的分辨率。

实施例9：图案化剂涂覆厚度的效应

可以通过有限元分析为光图案化剂对光致抗蚀剂上的信号强度的影响建模，以计算UV吸收油墨对光致抗蚀剂上的UV强度空间分布的影响。例如，FEMLAB软件被用来研究油墨涂覆深度对油墨下方光学强度的效应。图33A示出了未涂覆系统(例如，没有图案化剂2200覆盖光致抗蚀剂内表面2310)的光致抗蚀剂上的UV强度，其中所有多余的油墨被从图案化器件2100接触表面和光致抗蚀剂表面2310之间去除。图案化剂2200——其是UV吸收油墨——被局限在图案化器件凹进部件2130。该模拟的结果显示，油墨有效地阻挡了凹进部件下方的UV透射，而曝光的光致抗蚀剂区域经历显著的UV曝光。图33B示出了在光致抗蚀剂表面上的50nm的UV吸收油墨涂层的计算结果。该结果显示，即使是薄油墨层也可以影响到达光致抗蚀剂的UV剂量。然而，薄涂层下方的光致抗蚀剂接收相对于凹进部件2130下方的光致抗蚀剂而言为显著的UV曝光，从而仍产生图案。这些研究显示，去除尽可能多的多余油墨对提高分辨率是有益的。根据要制作的图案几何图形，通过改变图案化剂以允许更多的UV透射，可以提高分辨率。这些结果显示，本说明书公开的油墨光刻处理可以容许聚合物凹进部件的不完全的油墨填充，因为相对小的油墨层就可以有效地阻挡UV曝光。

用于浮雕掩模的弹性体材料是根据它们与多种溶剂的兼容性来选择的。商业硅树脂弹性体(PDMS，sylgard 184)和光固化全氟聚醚(photocurable perfluoropolyether)(PFPE)是合适材料的实例。建模结果也支持油墨的吸收响应行为。如本说明书所讨论，通过改变油墨浓度和选择不同的油墨，UV透射的量被可控地改变。油墨材料可以是水溶性UV吸收剂，它是合乎需要的，因为：i)它避免了溶解光聚合物；ii)它不使浮雕和凹进部件的弹性体网络膨胀；iii)它使有害材料的使用最小化；和iv)它在曝光后容易清洁。

图34和35提供了本发明的其他实施方案。本发明的一个重要特征是弹性图案化器件2100的接触表面和衬底2400的表面之间的共形接触。图34图示，通过提供由软膜2910、腔顶2900和图案化器件2100的顶表面所限定的压力可控腔2930，共形接触是可能的。通过增大腔2930内的压力，器件2100的顶表面上的压力增大，从而增大了形成器件2100与衬底2400共形接触的力。

图35图示了一种光学处理技术，UV/ozone处置(“UVO”)(Childs等人，Masterless Soft Lithography：Patterning UV/Ozone-InducedAdhesion on Poly(dimethylsiloxane)Surfaces.Langmuir，21(22)，10096-10105，2005)，以局域地控制润湿表面的油墨的量。相应的亲水区域2315促进图案化剂液滴2200对光致抗蚀剂材料表面2310的可定址应用。继而，衬底可以按原样被图案化，其中生成对应于亲水和/或憎水区域的图案。这样的液体图案化剂器件是“液体振幅掩模”。为了生成更精细的部件，该系统还可以包含这样的图案化器件，其具有与涂有衬底的表面接触的、更精细的凹进图案。该图案化剂可以通过在本领域公知的任何过程——诸如被用在喷墨印刷、旋涂和浸渍中的过程——沉积为薄膜。印刷器头可以装载有图案化剂和可以用一压力将预定图案和/或深度内的图案化剂排出。替换性地，对于带电荷的图案化剂，可以利用电势将预定图案和/或深度内的图案化剂排出。替换性地，图案化剂与模板共同施加。

实施例10：具有振幅调制能力的模板

图37-39提供了如下图案化器件的实施例，所述图案化器件通过对模板进行调节控制而具有另一级的振幅或灰阶控制。图37概括了选定凹进区的表面修改，其能够提供进行振幅修改的模板。在一个实施方案中，表面修改是凹进部件2130中的薄膜2730，其中该薄膜具有光学调制能力，其可以加强位于凹进部件2130内的图案化剂的调制能力。该薄膜可以选择性地施加到个体凹进部件、所有凹进部件、个体浮雕部件、或所有浮雕部件。

图38示出了具有光学调制能力的薄膜2740，其被放置在弹性图案化器件2100的顶表面2710上。该薄层可以以如图38所示的选定图案施加，或可以覆盖几乎全部顶表面2710。这个图案化可选地与图37中所概括的凹进部件中的薄膜应用相组合。薄膜2730或2740自身可以包含具有选定的光学调制特性的图案化剂。

另一种适用于向图案化器件2100提供振幅调制能力的技术是，将具有光学调制能力的微粒2750嵌入器件2100。图39A示出了以图案方式施加的这样的微粒2750。该图案可以对应于弹性图案化器件2100的表面上的凹进或浮雕部件的图案。微粒2760也可以被施加到弹性图案化器件2100的表面(图39B)。微粒2750或2760可以在跨越器件2100的长度和宽度的层中被图案化，并且还可以包含多个层。替换性地，微粒2750可以被散布到器件2100的整个高度。

图40-41概括了本发明的通过油墨光刻来生成模塑结构以产生适用于通过光刻生成图案化结构的光掩模的方法。图40A-B与图21A-B的相似之处是，图案化器件2100与一表面共形接触，且图案化剂2200位于器件2100中的凹进部件。图案化剂2200响应EMR(电磁辐射)(图40B)或其他信号发生物理或化学变化，而器件2100的去除在光敏材料(例如光致抗蚀剂层)2300的表面上生成了模塑结构(图40C)。在这个实施方案中，模塑结构充当能够调制光学属性的光掩模2770。用作光掩模2770的模塑结构(图40D)被EMR照射，以在光敏层2300的表面上生成EMR属性的二维分布。后续处理和显影在衬底层2400上生成了图案。图40图示了经由对用作光掩模的2770的模塑结构进行照射生成的几何部件的图案。在一个实施方案中，该图案包含功能属性——诸如电属性或热属性——图案，其中光敏层2300的几何图形没有变化。相反，可以存在物理特性的图案化变化，以生成功能器件，诸如电路、电介质、或具有导热区域的器件。

图42-54提供了图案化生成的实施例，特别示范了图案化剂对图案生成的影响。图42提供了示出用于使用图案化剂——其是UV吸收剂——对光致抗蚀剂进行图案化的方法的示意图。图43-45是三个不同的图案化PDMS相位掩模以及使用和不使用图案化剂——其是UV吸收剂(“UVINUL3048”)——生成所得的图案的实例。图46-47是使用UV吸收剂六水合钌(II)的处理中的方形点图案的图像。

图48-54概括了针对不同显影条件(10秒或45秒)的、使用或不使用图案化剂的V形凹槽图案生成。图48提供了图示用于将光致抗蚀剂图案化为凹槽图案的方法的示意图。图49-50提供了该三维图案化器件表面的形状(例如，灰阶，其具有多种高度构件和恒定高度构件)。图51和53分别是不使用图案化剂时使用10和45秒显影时间时生成的图案的图像。所生成的浮雕部件的几何图形趋于具有一致的高度，并且没有令人满意地复制PDMS模板的三维部件(例如灰阶凹槽)。相反地，图52和54使用图案化剂来生成对应于PDMS模板的三维部件的灰阶浮雕部件。随着显影时间的增加，蚀刻深度增大(例如，10秒显影导致600nm的最大深度；45秒显影导致1μm的最大深度)。

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Claims (54)

1.一种处理衬底表面的方法，所述方法包含以下步骤：

a)提供在外侧具有凹进部件三维图案的弹性图案化器件，其中所述外侧具有沉积于其上的至少一个接触表面；

b)在衬底表面的至少一部分上提供图案化剂；和

c)以一方式使弹性图案化器件与衬底接触，以在弹性图案化器件的接触表面的至少一部分和具有所述图案化剂的衬底表面之间建立共形接触，其中所述共形接触使所述图案化剂填充所述弹性图案化器件的所述凹进部件的至少一部分，从而处理所述衬底的所述表面。

2.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件是至少部分透明的；所述方法还包含将与所述衬底共形接触的所述弹性图案化器件曝光于电磁辐射；其中所述弹性图案化器件的所述凹进部件中的所述图案化剂调制被弹性图案化器件和所述凹进部件中的图案化剂透射的电磁辐射的光学属性。

3.权利要求2的方法，其中所述光学属性选自：强度、相位、波长、偏振状态、和它们的任意组合。

4.权利要求3的方法，其中所述弹性图案化器件的所述凹进部件中的所述图案化剂吸收、散射或反射曝光到所述弹性图案化器件的电磁辐射，从而生成被所述弹性图案化器件和所述凹进部件中的所述图案化剂透射的所述电磁辐射，其中所述被透射的电磁辐射具有所述光学属性的选定的二维空间分布。

5.权利要求3的方法，其中所述衬底包含光敏材料层，其位于与所述接触表面共形接触的支撑材料上；并且其中被所述弹性图案化器件和所述凹进部件中的所述图案化剂透射的电磁辐射与所述光敏材料层相互作用。

6.权利要求5的方法，其中光敏材料包含光致抗蚀剂。

7.权利要求4的方法，其中所述被透射的电磁辐射选定的二维空间分布是通过塑造凹进部件的所述三维图案的形状而生成的，从而生成所述选定的二维空间分布。

8.权利要求7的方法，其中所述塑造包含改变一个或多个所述凹进部件的位置、长度、深度或截面形状中的一个或多个。

9.权利要求8的方法，其中所述凹进部件具有非均匀深度，随深度改变的截面形状，或二者兼有。

10.权利要求4的方法，其中所述光学属性的所述选定的二维空间分布是通过提供液滴形式的图案化剂而生成的，其中一个或多个液滴具有与至少一个其他液滴的成分不同的成分，从而区别调制电磁辐射的所述光学属性。

11.权利要求4的方法，其中所述光学属性的所述二维空间分布在一个或两个空间维度上改变。

12.权利要求11的方法，其中所述光学属性的所述二维空间分布包含强度，其中所述强度在一个或两个空间维度上连续地改变。

13.权利要求5的方法，其中所述被透射的电磁辐射与所述光敏材料层的所述相互作用在所述光敏层中产生了化学修改区图案，所述方法还包含以下步骤：处理所述光敏材料，以在所述光敏层中生成三维图案。

14.权利要求13的方法，其中化学修改区在处理步骤期间被去除。

15.权利要求13的方法，其中未化学修改区在处理步骤期间被去除。

16.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件和所述凹进部件中的所述图案化剂包含用于在衬底表面上生成三维部件的振幅光掩模。

17.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件和所述凹进部件中的所述图案化剂包含用于在衬底表面上生成三维图案的相移光掩模。

18.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件的所述凹进部件包含模具，所述方法还包含以下步骤：

a)使所述弹性图案化器件的所述凹进部件中的所述图案化剂发生物理或化学变化；和

b)使所述图案化器件与所述衬底的所述表面分离，从而生成被压印到所述衬底的所述表面上的浮雕部件图案。

19.权利要求18的方法，其中所述被压印的部件包含光掩模。

20.权利要求19的方法，还包含将与所述衬底接触的所述光掩模曝光于电磁辐射；其中所述光掩模调制被所述光掩模透射的电磁辐射的光学属性。

21.权利要求18的方法，其中所述图案化剂的所述变化选自：相位变化和聚合反应。

22.权利要求18的方法，其中所述图案化剂是预聚物。

23.权利要求18的方法，其中所述变化是由将所述图案化剂曝光于信号所导致的，所述信号选自：电磁辐射、温度和聚合剂。

24.权利要求1的方法，其中所述被提供到所述衬底表面的所述图案化剂包含一个或多个液滴。

25.权利要求24的方法，其中所述液滴以液滴图案被施加。

26.权利要求24的方法，其中所述一个或多个液滴可选地被定址到衬底表面的选定的区域。

27.权利要求1的方法，其中所述受到处理的衬底表面包括选定的憎水区域、选定的亲水区域或二者。

28.权利要求1的方法，其中所述三维图案包含选定的憎水区域、选定的亲水区域或二者。

29.权利要求1的方法，其中所述图案化剂以图案形式被提供到所述衬底表面。

30.权利要求1的方法，其中所述图案化剂以覆盖所述衬底表面的至少一部分的层或薄膜形式被提供到所述衬底表面。

31.权利要求1的方法，还包含将所述弹性图案化器件与所述衬底表面校准。

32.权利要求31的方法，其中所述校准包含校准锁钥配准部件。

33.权利要求32的方法，还包含施加力以拉紧所述弹性图案化器件，从而接合所述锁钥配准部件。

34.权利要求1的方法，其中所述衬底表面是畸变的，所述方法还包含施加力以拉紧所述弹性图案化器件，以匹配所述衬底畸变，以促进所述共形接触。

35.权利要求1的方法，其中所述衬底表面的至少一部分是非平面的。

36.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件包含单个弹性层。

37.权利要求1的方法，其中所述弹性图案化器件是包含多个弹性层的复合图案化器件。

38.权利要求1的方法，还包含从图案化器件中抽出空气，以促进所述凹进部件被所述图案化剂填充。

39.权利要求1的方法，还包含用HMDS、等离子体O₂、UVO、或它们的任意组合来处理接触表面、凹进部件、衬底表面、或它们的任意组合。

40.一种在衬底的光敏表面上生成图案的方法，所述方法包含：

a)在衬底表面的至少一部分上提供图案化剂，其中所述图案化剂以图案方式被施加，以使所述表面至少局部地涂覆有所述图案化剂；

b)向所述被涂覆的表面施加电磁辐射，以在所述衬底表面上生成电磁辐射的二维空间分布；和

c)处理所述衬底，以获得图案。

41.权利要求40的方法，其中所述图案化剂包含液滴。

42.权利要求40的方法，其中所述图案化剂包含薄膜。

43.权利要求40的方法，其中所述表面包含一个或多个憎水或亲水区域。

44.权利要求43的方法，其中图案化剂被施加到亲水区域。

45.权利要求40的方法，还包含：

a)提供在外侧具有凹进部件三维图案的弹性图案化器件，其中所述外侧具有沉积于其上的至少一个接触表面；和

b)使弹性图案化器件与衬底以一种方式接触，以在弹性图案化器件的接触表面的至少一部分和具有所述图案化剂的衬底表面之间建立共形接触，其中所述共形接触使所述图案化剂填充所述弹性图案化器件的所述凹进部件的至少一部分。

46.权利要求45的方法，还包含去除多余的图案化剂。

47.一种用于在衬底表面上生成三维图案的图案化器件，所述器件包含：

a)弹性层，其包含外表面和内表面，所述外表面具有三维浮雕图案；

b)向所述衬底表面或所述浮雕图案提供图案化剂的设备；和

c)用于在所述浮雕图案和所述衬底表面之间建立共形接触的设备。

48.权利要求47的器件，其中用于建立共形接触的所述设备包含致动器，所述致动器操作性地连接到所述弹性层内表面。

49.权利要求48的器件，其中所述致动器向所述弹性层施加均匀的力、均匀的位移、或二者，以建立共形接触。

50.权利要求47的器件，其中所述衬底表面具有一个或多个亲水区域，并且其中提供图案化剂的手段包含将液滴应用到所述一个或多个亲水区域。

51.权利要求1的方法，还包含向所述弹性图案化器件的选定区域施加薄膜，其中所述薄膜调制电磁辐射的光学属性，所述区域选自：凹进部件、浮雕部件、和顶表面。

52.权利要求1的方法，还包含将微粒嵌入所述弹性图案化器件，其中所述微粒调制电磁辐射的光学属性。

53.权利要求52的方法，其中所述微粒以图案方式被嵌入。

54.权利要求1的方法，还包含将微粒沉积在所述弹性图案化器件的顶表面上，其中所述微粒调制电磁辐射的光学属性。

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