CN102210008A - 利用x射线曝光的微细构造物的制造方法 - Google Patents

利用x射线曝光的微细构造物的制造方法 Download PDF

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Abstract

为了容易形成具有立体形状的微细图案的微细构造物，本发明的微细构造物的制作方法包括：感光材料曝光步骤，设置X射线掩模并照射X射线，以侧面曝光的方式对感光材料进行曝光；感光材料蚀刻步骤，对已曝光的感光材料进行蚀刻；模具形成步骤，在已蚀刻的感光材料上填充金属，从而制作形成有微细图案的模具；模具模块形成步骤，将多个模具结合；以及微细构造物成型步骤，利用模具模块成型微细构造物。

Description

利用X射线曝光的微细构造物的制造方法
技术领域
本发明涉及一种微细构造物的制造方法，更详细地讲，涉及一种利用侧面曝光的微细构造物的制造方法。
背景技术
深刻模造(LIGA)工艺是利用发生在放射光加速器中的高能量X射线制造塑料微细构造物的工艺。自从1980年在德国开发该工艺以来，进行了很多关于该工艺开发以及其应用的研究。从德文(Lithographie，Galvanoformung，Abformung)了解到，深刻模造(LIGA)工艺包括以下三个步骤：利用X射线(Lithographie)曝光的制作塑料微细构造物的步骤，和利用电镀(Galvanoformung)制作镶件(mold insert)的步骤，以及利用已制作的镶件进行成型(Abformung)的步骤。而且，还考虑到不是一次性制作的具有高生产率的成型步骤。
与现有的以利用紫外线(UV)的曝光为基础的微细构造物制作工艺(MEMS技术等)不同，执行X射线曝光的深刻模造工艺因用作光源的高能量X射线的特性，可制作高长径比(high aspect ratio)的微细构造物。另外，还具有制作出的微细构造物品质好的优点。在这期间深刻模造工艺适用在如光波导(optical waveguide)、光连接器(optical connector)等光通信领域的微细部件，如微细电动机(micromotor)等机械部件，如热交换器(heat exchanger)和微反应器(micro reactor)等核心部件的制作上。
在开发初期主要使用了利用放射光加速器的高能量X射线的DXRL(Deep X-Ray Lithography)工艺，但之后随着MEMS(Micro Electro Mechanical System)技术发展，利用一般性UV曝光工艺的U V-深刻模造工艺也被广泛使用。
这种深刻模造工艺，先通过曝光工艺制作出与最终要得到的构造物或者产品具有相同形状的超小型构造物，并以制作出的构造物为母结构(mother structure)的施行电镀(electro forming)工艺，从而能够得到可以用于注塑工艺的模具(mold)或者镶件(mold insert)。
通过利用制作出的模具等的注塑工艺，可以大量制作出以曝光工艺制作的与最初构造物具有相同形状的超小型构造物。
为了通过这种深刻模造工艺来大量生产各种超小型构造物，模具或者镶件的精密制作是必须的。另外，模具必须具有所要成型的最终构造物的形状，而且也要具有尺寸精度、机械物性等。只有满足这些条件才能够稳定地大量成型所需的最终构造物。
现在利用各种超小型制作技术，制作可用于大量成型工艺的模具或者镶件。虽有如超小型机械加工或者激光加工等对模具材料直接进行加工的情况，但由于存在尺寸精度以及制作消耗时间等问题，因此一般使用基于半导体工艺的曝光工艺。此时，通过曝光工艺制作超小型构造物，并在此构造物上施行电镀工艺，由此制作金属材质的模具或者镶件。
随着MEMS技术的发达而被一同开发的各种曝光工艺，具有工艺的自动化、尺寸精度以及收率高等优点。通过一般曝光工艺而制作的超小型构造物具有平面形状。这是因为照射光源的方向与基板以及被涂覆的感光材料成垂直状。于是，对垂直曝光工艺而言，就很难制作具有倾斜面等高度不同的立体形状的超小型构造物。
对具有一定倾斜度的超小型构造物而言，能够通过倾斜光源的照射方法(倾斜曝光)来制作。但能够用倾斜曝光来制作的超小型构造物的形状极其有限，并且由于制作用于倾斜曝光的掩模具有难度以及需要复杂的附加装备等，所以只适用在特殊情况。
另外，即使在倾斜曝光的情况下，由于X射线曝光的深度也有限度，因此具有无法在宽度方向上制作尺寸大且复杂形状的问题。
发明内容
发明要解决的课题
本发明是为了解决所述问题而提出的，其目的是提供一种能够容易制作具有各种形状的微细构造物的微细构造物制作方法。
解决课题的方法
为了达到以上目的，根据本发明一实施例的微细构造物的制作方法，其包括：感光材料曝光步骤，设置X射线掩模并照射X射线，以侧面曝光的方式对感光材料进行曝光；感光材料蚀刻步骤，对已曝光的感光材料进行蚀刻；模具形成步骤，在已蚀刻的感光材料上填充金属，从而制作形成有微细图案的模具；模具模块形成步骤，将多个模具结合；以及微细构造物成型步骤，利用模具模块成型微细构造物。
所述感光材料曝光步骤可以通过深X射线光刻(DXRL：Deep X-Ray Lithography)工艺对感光材料进行曝光，且形成于所述模具的微细图案具有相互不同的形状。另外，所述模具形成步骤可以还包括电镀(electro forming)的步骤，所述模具形成步骤中的金属可以由镍或者镍合金构成。
所述微细图案可以由上面高度相互不同且立体的微细图案所构成，所述X射线掩模具有与所述微细构造物的侧面形状相对应的图案形状。所述模具可以沿着所述微细图案的长度方向层积排列。
根据本发明另一实施例的微细构造物形成方法，其包括：感光材料曝光步骤，安装X射线掩模并照射X射线，以侧面曝光的方式对感光材料进行曝光；感光材料蚀刻步骤，对已被曝光的感光材料进行蚀刻；感光材料模具形成步骤，通过将已蚀刻的感光材料层积排列来形成感光材料模块；模具形成步骤，在感光材料模块上填充金属，从而制作形成有微细图案的模具；以及微细构造物成型步骤，利用模具成型微细构造物。
在所述感光材料曝光步骤中，可以通过深X射线光刻(DXRL：Deep X-Ray Lithographuy)工艺对感光材料进行曝光，在所述已蚀刻的感光材料上形成有微细图案，并且形成于感光材料上的微细图案具有相互不同的形状。
所述感光材料可以沿着所述微细图案的长度方向层积排列，所述模具形成步骤可以还包括电镀(electro forming)的步骤。
所述模具形成步骤中的金属可以由镍或者镍合金构成，所述微细图案可以由上面高度相互不同且立体的微细图案所构成。
另外，所述X射线掩模可以具有述微细构造物的侧面形状相对应的图案形状，形成在所述感光材料的棱角上的用于支撑相邻的感光材料的配合突起可以以向所述感光材料的上面或者下面突出的方式形成。
有益效果
通过本发明能够容易制作出具有立体形状微细图案的微细构造物。另外，利用侧面曝光和模具模块，可以增加微细图案的长度。
附图说明
图1是表示本发明第一实施例的微细构造物制作方法的顺序图。
图2a至图2f是用于图示说明本发明第一实施例的微细构造物制作方法的工序图。
图3a是图示根据本发明第一实施例制作出的X射线掩模的照片，图3b是表示利用图3a中图示的X射线掩模而制作出的图案槽的照片。
图4a以及图4b是图示根据本发明第一实施例制作出的模具模块的照片。
图5是表示根据本发明第二实施例制作出的模具模块的立体图。
图6a是表示利用根据本发明第二实施例而制作出的模具模块而形成的模芯的照片，图6b是表示利用图6a所图示的模芯而制作出的聚合物微细构造物的照片。
图7a以及图7b是图示根据本发明第二实施例而制作出的微细构造物的照片。
图8a至图8c是用于说明本发明第三实施例的微细构造物制作方法的工序图。
具体实施方式
在本发明中所谓的“侧面曝光”是指，将光从与形成微细图案的面相交叉的面入射从而进行曝光的工艺。另外，在本发明中“微细图案”或者“微细构造物”是指具有纳米大小或者微米大小间距的图案或者构造物。
以下，为使本发明的所属技术领域的技术人员能够容易实施，参照附图对本发明实施例进行详细说明。但是，本发明能够以各种不同形式来实现，并不限定于以下说明的实施例。此外，为了能够清楚地说明本发明，在附图中省略与说明无关的部分，在说明书全文中对于相同或者类似的构成要素采用了相同的参照附图标记。
图1是表示本发明第一实施例的微细构造物制作方法的顺序图，图2a至图2f是用于说明本发明第一实施例的微细构造物制作方法的工序图。
参照图1进行说明，则本实施例的微细构造物制作方法包括感光材料110曝光步骤S101，感光材料110蚀刻步骤S102，模具130形成步骤S103，模具模块200形成步骤S104，以及微细构造物成型步骤S105。
首先，如图2a所示，准备由PMMA构成的感光材料110。虽然在本实施例中例示的是使用阳性感光材料，但是对于感光材料110可以选择性地采用阳性(positive)感光材料或者阴性(negative)感光材料。
但是，当为如同SU-8的阴性感光材料时，由于呈液状，因此通过旋涂方式以所需的厚度在基板上进行涂覆，之后通过软烤(soft baking)过程使其维持凝固状态。
准备好感光材料110后，如图2b所图示，将X射线掩模120安装于感光材料110之上，之后向感光材料110照射X射线150，从而完成X射线曝光工艺S101。
X射线掩模120包括吸收X射线150的吸收部120b和不吸收X射线的透射部120a。吸收部120b由X射线150的吸收效果优异的金(Au)等构成，透射部120a由不吸收X射线150的多种材质所构成。
在X射线掩模120形成所要成型的图案形状，图案形状以与微细构造物的侧面形状相对应的形状形成。此时，所谓的侧面是指，当将形成微细图案的面称为上面时，与形成有微细图案的面相交叉而形成棱角的面。当上面形成为四边形时，会形成4个侧面，图案形状以与朝向将要连续形成微细图案的方向的面相对应的形状形成。本实施例的图案形状以与透射部120a相同的形状形成。
在以与这些侧面相对向的方式设置X射线掩模120的状态下，向X射线掩模120照射X射线150。
适用侧面曝光方式时，利用光源透射深度大、容易调节所需厚度的深X射线光刻(DXRL：Deep X-Ray Lithographuy)工艺较有利。利用高能量X射线的DXRL工艺，对具有高长径比(high aspect ratio)的超小型构造物的制作非常有利，而且X射线的准直性强，于是可以得到垂直的超小型构造物。另外，制作出的表面粗糙度也很优秀，因此在本实施例适用DXRL工艺。
照射X射线150后进行蚀刻，则如图2c所示，则会得到形成有微细图案112a的图案槽112。在本实施例中例示的是，使用阳性感光材料对X射线照射的部分进行的蚀刻，但本发明不限定于此，也可以适用阴性感光材料。
微细图案112a沿着图案槽112的深度方向形成，这是因为X射线掩模120的图案形状以与微细构造物的侧面相对应的形状形成。微细图案112a的上面倾斜形成，若适用侧面曝光方式，则能容易形成倾斜面等微细图案112a的上面高度互不相同的立体图案。
形成图案槽112后，如图2d所示，在图案槽112中填充金属形成模具130。模具130由镍或者镍合金所构成，因镍或镍合金的机械强度优异，所以适合用作用于超小型大量成型的模具。作为形成模具130的方法可适用电镀(electro forming)方式。图案槽112的深度约为2mm，当实施电镀时，很容易将镍填充在图案槽112中。
如图2e所示，如果将模具130从感光材料110中分离，则会得到形成有微细图案132的模具130，制作多个模具130并将其排列。
此时，模具130的上面形成有微细图案132，并且模具130的侧面形状如上所述与X射线掩模120的图案形状相对应。
如图2f所图示，若结合多个模具130可形成模具模块200，若结合多个模具130则会得到具有延长较长的微细图案的模具模块200。在侧面曝光的情况下，X射线的侵透具有限度，因此得不到延长较长的图案，但、如同本实施例连接多个模具侧面而形成模具模块200，则可以获得延长较长而形成的长度较长的微细图案。即，多个模具沿着微细图案的长度方向层积而形成模具模块。
这样，形成完模具模块，如图2g所图示，则可以通过注塑成型或者模压加工等工艺成型具有微细图案145的微细构造物140，微细构造物可以由金属或者聚合物所构成。
这样，根据本实施例，可以容易制作出具有上面高度互不相同的、立体的微细图案的微细构造物。
图3a是图示根据本发明第一实施例制作出的X射线掩模的照片，图3b是表示利用在图3a中图示的X射线掩模而制作出的图案槽的照片。
图3a所图示的X射线掩模中图案部分由透射X射线的透射层所构成，基底部分由X射线无法透射的吸收层所构成。
如果在设置了这种X射线掩模的状态下进行曝光及蚀刻，可形成图案槽，在图3b出现的图案槽具有2mm的深度。在这图案槽上用电镀方法填充镍即可得到模具。
图4a以及图4b是图示根据本发明第一实施例而制作出的模具模块的照片。
参照图4a以及图4b进行说明，图4a表示具有200μm直径的半圆柱形状微细图案的模具模块，图4b表示具有边长为300μm的正三角形三棱镜形状的微细图案的模块。
图5是表示根据本发明第二实施例而制作出的模具模块的立体图。
根据本实施例的模具模块300包括多个模具310、320、330，形成于模具321、320、330的微细图案312、322、332以相互不同的形状形成。根据本实施例的模具模块300包括第一模具310、第二模具320、以及第三模具330，第一模具310具有直六面体形状的微细图案312，第二模具320以及第三模具330具有三角形形状的微细图案322、332。另外，第二模具320的微细图案322与第三模具330的微细图案332相比具有更低的高度。
在本实施例中，为了形成具有相互不同形状的微细图案312、322、332的模具模块300，准备多个X射线掩模和感光材料来制作形状相互不同的模具。
如此，能够对具有相互不同微细图案的模具进行结合而形成模具模块，由此可容易制作出具有各种微细图案的微细构造物。
图6a是表示利用根据本发明第二实施例制作出的模具模块而形成的模芯的照片，图6b是表示利用图6a所图示的模芯而制作出的聚合物微细构造物的照片。
参照图6a以及图6b进行说明，根据本实施例的形成于模芯的微细图案以逐渐减小大小的方式形成。即，对微细图案大小互不相同的模具进行结合而形成模具模块，并利用该模具模块成型了微细构造物。
图7a以及图7b是图示根据本发明第二实施例而制作出的微细构造物的照片。
首先参照图7a进行说明，第一微细图案410由边长为500μm的正三角形构成，第二微细图案420由边长为450μm的正三角形构成。另外，第三微细图案430由边长为400μm的正三角形构成，第四微细图案440由边长为350μm的正三角形构成。另外，第五微细图案450由边长为300μm的正三角形构成，第六微细图案460由边长为250μm正三角形构成。
另一方面，参照图7b进行说明，第一微细图案510由边长为500μm的正三角形构成，第二微细图案520由直径为500μm的半圆柱形构成。另外，第三微细图案530由边长为400μm的正三角形构成，第四微细图案540由直径为400μm的半圆柱形构成。
这样，组合具有多种微细图案的模具，可以容易制作出具有多种形状的微细构造物。
图8a至图8c是用于说明本发明第三实施例的微细构造物制作方法的工序图。
根据本实施例的微细构造物制作方法，其中，直至蚀刻感光材料的步骤为止与上述第一实施例相同，因此对同一部分省略重复说明。
根据本实施例的微细构造物制作方法包括：感光材料曝光步骤，感光材料蚀刻步骤，层积感光材料层的感光材料模块形成步骤，模具形成步骤，以及微细构造物成型步骤。
如图8a所示，对感光材料110进行曝光、蚀刻，则在感光材料110上形成具有微细图案115a的图案槽115，图案槽115贯通感光材料110而形成。在图案槽115形成有微细图案115a，将形成有图案槽115的感光材料110层积，从而形成感光材料模块160。
为使感光材料110容易层积于规定位置上，在感光材料110的侧面形成配合突起117。配合突起117向感光材料上侧突出，从而容易与位于上部的感光材料110进行插入配合，因而能够支撑相邻的感光材料。配合突起117形成于感光材料110的对角线两侧棱角上，紧贴在棱角并以折曲的形状形成。配合突起117可以向感光材料的上面或者下面突出的方式形成。
如图8b所图示，在层积感光材料110的状态下，用电镀的方法在图案槽115填充金属而形成模具600，如图8c所示，将模具600从感光材料110中分离，则会形成具有延长较长的图案620的模具600。
这样，根据本实施例，通过层积感光材料110形成感光材料模块160，由此可以容易形成具有不同高度且立体的图案的模具600。另外，利用这种模具600形成微细构造物，则可以容易形成具有宽度大且立体的微细图案的微细构造物。
虽然通过上述内容对本发明的优选实施例进行了说明，但本发明不限于此，在权利要求书范围和说明书以及所添加的附图的范围内，可以进行多种变形而实施，而且这些变形显然也属于本发明的范围内。

Claims (17)

1.一种微细构造物的制作方法，其包括：
感光材料曝光步骤，设置X射线掩模并照射X射线，以侧面曝光的方式对感光材料进行曝光；
感光材料蚀刻步骤，对已曝光的感光材料进行蚀刻；
模具形成步骤，在已蚀刻的感光材料上填充金属，从而制作形成有微细图案的模具；
模具模块形成步骤，将多个模具结合；以及
微细构造物成型步骤，利用模具模块成型微细构造物。
2.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，在所述感光材料曝光步骤中，通过深X射线光刻(DXRL：Deep X-Ray Lithography)工艺对感光材料进行曝光。
3.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，形成于所述模具的微细图案具有相互不同的形状。
4.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述模具形成步骤还包括电镀(electro forming)的步骤。
5.根据权利要求4所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述模具形成步骤中的金属由镍或者镍合金构成。
6.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述微细图案由上面高度相互不同且立体的微细图案所构成。
7.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述X射线掩模具有与所述微细构造物的侧面形状相对应的图案形状。
8.根据权利要求1所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述模具沿着所述微细图案的长度方向层积排列。
9.一种微细构造物的制作方法，其包括：
感光材料曝光步骤，设置X射线掩模并照射X射线，以侧面曝光的方式对感光材料进行曝光；
感光材料蚀刻步骤，对已曝光的感光材料进行蚀刻；
感光材料模块形成步骤，通过将已蚀刻的感光材料层积排列来形成感光材料模块；
模具形成步骤，在感光材料模块上填充金属，从而制作形成有微细图案的模具；以及
微细构造物成型步骤，利用模具成型微细构造物。
10.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，在所述感光材料曝光步骤中，通过深X射线光刻(DXRL：Deep X-Ray Lithography)工艺对感光材料进行曝光。
11.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，在所述已蚀刻的感光材料上形成有微细图案，并且形成于感光材料上的微细图案具有相互不同的形状。
12.根据权利要求11所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述感光材料沿着所述微细图案的长度方向层积排列。
13.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述模具形成步骤还包括电镀(electro forming)的步骤。
14.根据权利要求13所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述模具形成步骤中的金属由镍或者镍合金构成。
15.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述微细图案由上面高度相互不同且立体的微细图案所构成。
16.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，所述X射线掩模具有与所述微细构造物的侧面形状相对应的图案形状。
17.根据权利要求9所述的微细构造物的制作方法，其特征在于，形成在所述感光材料的棱角上、用于支撑相邻的感光材料的配合突起以向所述感光材料的上面或者下面突出的方式形成。
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