CN102245367B - 用于形成结构的方法和用于制造液体喷射头的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于形成结构的方法，包括：在基板(104)上形成由通过活性能量射线的照射而被硬化的树脂构成的树脂层(103)的步骤；在所述树脂层上按压第一模具(101)的步骤，第一模具由活性能量射线透射材料构成并且具有凸起，所述凸起中的每一个在其端部处具有活性能量射线屏蔽膜(102)；照射所述树脂层的第一照射步骤；在树脂层不被曝光于射线的区域内在所述树脂层上按压第二模具(111)的步骤，第二模具由活性能量射线透射材料构成并且具有凸起，所述凸起中的每一个在其端部处具有活性能量射线屏蔽膜(110)；以及照射树脂层的未曝光区域的一部分的第二照射步骤。

Description

用于形成结构的方法和用于制造液体喷射头的方法

技术领域

本发明涉及用于形成结构的方法和用于制造液体喷射头的方法。

背景技术

作为用于形成微细三维结构的方法，具有不被常规的加工和光刻法的极限限制的分辨率的纳米压印方法受到关注。

例如，USP 5,772,905公开了以下的纳米压印方法。如下所述，首先，制备基板和模具(mold)，其中在所述基板的表面上形成诸如聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)等的热塑性树脂的薄膜，在所述模具的上面形成微细凹陷/凸起图案。接着，将所述模具按压在通过将基板加热到玻璃转变温度(glass transitiontemperature)或更高的温度而被软化的热塑性树脂上。然后，从通过冷却到玻璃转变温度或更低的温度而被固化的热塑性树脂释放所述模具。因此，在热塑性树脂中形成所述模具的微细图案的反转(reverse)图案。

另一方面，作为使用在表面上形成活性能量射线(active energyray)可硬化树脂的薄膜的基板的纳米压印方法，日本专利公开No.2000-194142公开了以下的方法。例如，制备由诸如石英等的活性能量射线透射材料构成并且上面形成有微细凹陷/凸起图案的模具。接着，将所述模具按压在形成在基板上的活性能量射线可硬化树脂层上，通过基板施加活性能量射线以使活性能量射线可硬化树脂硬化，然后释放所述模具。因此，在活性能量射线可硬化树脂层中形成所述模具的微细图案的反转图案。

如上所述，纳米压印方法需要制备上面形成希望的图案的模具。用于形成模具的方法包含使用曝光和显影技术以及蚀刻技术等来形成硅、Ni或石英模具的方法。

但是，为了制备具有多个台阶(step)的微细三维结构，需要重复进行蚀刻。因此，难以使凹陷/凸起图案的深度和高度恒定并且保持边缘的形状，并且，当使用作为活性能量射线透射材料的石英时，由于出现微细沟槽，因此难以制备高精度的模具。

因此，存在用于通过使用分别具有一台阶(one-step)凸起的多个模具进行多次按压来形成微细三维结构的可构想的方法。但是，上述专利文献1中那样的热压印方法需要高温按压处理。因此，当上面形成有一定图案的基板被再次加热到玻璃转变温度或更高的温度并且被按压时，通过按压在热塑性树脂中形成的图案被软化，因此无法保持形状。所以，在热压印方法中，难以通过使用多个模具进行多次按压来以高精度形成微细三维结构。

另一方面，作为非加热按压方法，USP 6,818,139公开了在基板上的热塑性树脂中形成多孔结构并且以玻璃转变温度或更低的温度执行压印的方法。

如上所述，作为用于通过使用分别包含一台阶凸起的多个模具进行多次按压来形成微细三维结构的非加热方法，存在这样的已知方法：在该方法中，在基板上的热塑性树脂中形成多孔结构，并且以玻璃转变温度或更低的温度执行压印。但是，当使用该方法时，多孔材料在每次按压时减少，因此，按压力不被吸收，并且，对于要被按压的图案的周边的影响不能被忽略，由此可能破坏在热塑性树脂中被按压的图案。

因此，在使用其中形成有多孔结构的热塑性树脂的室温压印方法中，难以通过使用多个模具进行多次按压来形成微细三维结构。

发明内容

本发明提供用于通过按压来精确地形成具有台阶差的结构的方法。

作为本发明的例子，一种用于形成结构的方法包括以下步骤：在基板上形成树脂层的步骤，所述树脂层由通过活性能量射线的照射而被硬化的树脂构成；沿从所述树脂层的上表面到所述基板的方向按压第一模具的步骤，第一模具由活性能量射线透射材料构成并且具有凸起，所述凸起被设置在第一模具的表面上，并且所述凸起中的每一个在其端部处具有活性能量射线屏蔽膜；用透射通过第一模具的活性能量射线照射所述树脂层的第一照射步骤；使得被活性能量射线照射的树脂层的一部分硬化的步骤；去除第一模具的步骤；在所述树脂层不被曝光于所述射线的区域内、沿从所述树脂层的上表面到基板的方向按压第二模具的步骤，第二模具由活性能量射线透射材料构成并且具有凸起，所述凸起被设置在第二模具的表面上，并且所述凸起中的每一个在其端部处具有活性能量射线屏蔽膜；用透射通过第二模具的活性能量射线照射所述树脂层的未曝光区域的一部分的第二照射步骤，曝光的部分在第二照射步骤中被硬化；以及去除第二模具的步骤。

在根据本发明的用于形成微细三维结构的方法中，由于未硬化树脂被硬化树脂包围，由此抑制对于要被按压的图案的周边的影响，因此能够通过使用多个模具进行多次按压来形成微细三维结构。

附图说明

图1是示出根据本发明的优选实施例的用于形成微细三维结构的方法的图。

图2是示出根据本发明的优选实施例的用于形成微细三维结构的方法的图。

图3是示出根据本发明的优选实施例的用于形成微细三维结构的方法的图。

图4是示出液体喷射头的配置的图。

图5是示出根据本发明的优选实施例的用于制造液体喷射头的方法的图。

图6是示出根据本发明的另一优选实施例的用于形成微细三维结构的方法的图。

具体实施方式

基于附图来描述本发明的实施例。

图1是示出根据本发明的实施例的通过使用压印模具来形成微细三维结构的方法的示意图。

如图1(a)所示，首先，制备在表面上形成有凸起的第一模具101，并且，在凸起上形成活性能量射线屏蔽膜102。在第一模具101中形成的凸起可以是一台阶凸起。第一模具101由例如为石英的活性能量射线透射材料构成。活性能量射线屏蔽膜102由拦截(intercept)活性能量射线的透射的例如为铬(Cr)的材料构成。

另一方面，如图1(b)所示，制备涂敷有由活性能量射线可硬化树脂构成的树脂层103的基板104。为了防止活性能量射线屏蔽膜下的未硬化树脂在模具释放期间与模具一起分离，活性能量射线可硬化树脂优选地被用作在室温为固体的溶于溶剂中的树脂的溶液，并且为例如SU-8(商品名，由Kayaku Microchem Co.，Ltd.制造)。另外，基板104可以是具有足以防止按压期间的变形的强度和比模具的凹陷/凸起结构的平滑性低的平滑性的任何基板，并且由例如硅(Si)构成。

接着，如图1(c)所示，用适当的力在树脂层103上按压第一模具101。作为结果，树脂层103变形以形成与第一模具的各凸起对应的凹陷106和剩余的凸起105。在该过程中，可为了减小按压力而加热树脂层103和基板104。

然后，如图1(d)所示，在第一模具101在树脂层103上被按压的状态中，通过第一模具101施加活性能量射线。由于第一模具101由透射活性能量射线的材料构成，因此，施加的活性能量射线透射通过第一模具101，并且被施加到树脂层103。但是，活性能量射线屏蔽膜102由屏蔽活性能量射线的材料构成，由此，树脂层103的凹陷106不被活性能量射线照射。因此，在活性能量射线的照射中，树脂层103的凸起105变为其中活性能量可硬化树脂被硬化的硬化区域107，并且，树脂层103的凹陷106变为其中活性能量可硬化树脂不交联(crosslink)的未硬化区域108。即，形成由硬化区域107包围未硬化区域108的树脂层109。

然后，如图1(e)所示，从树脂层109释放第一模具101。优选地，在模具释放之前使树脂层109充分地冷却。另外，取决于使用的活性能量射线可硬化树脂，仅通过活性能量射线的照射可能使得活性能量射线可硬化树脂被不充分地硬化。在这种情况下，可通过在按压第一模具101的状态中或者在紧接在释放第一模具101之后加热，使树脂充分地硬化。

然后，如图1(f)所示，用适当的力在树脂层109上按压第二模具111。由于第二模具111由例如为石英的活性能量射线透射材料构成。在第二模具111中，在表面上形成凸起，并且，在凸起上形成活性能量射线屏蔽膜110。在第二模具111中形成的凸起可以是一台阶凸起。活性能量射线屏蔽膜110由例如为铬(Cr)的拦截活性能量射线的透射的材料构成。作为结果，未硬化区域108变形，以形成与第二模具的各凸起对应的凹陷113和剩余的凸起112。在该过程中，可为了减小按压力而加热树脂层109和基板104。

另外，由于使用第一模具101形成的凸起105通过活性能量射线的照射而硬化，因此，即使通过按压第二模具111，形状也不被破坏。此外，由于未硬化区域108被硬化区域107包围，因此，被模具推动的树脂会在第二模具111和树脂层109之间的空间114中上升。但是，当未硬化区域108沿与图面垂直的方向对于第二模具111具有足够的体积(volume)时，第二模具111和树脂层109之间的空间114中的树脂表面的位移非常小。

第二模具111具有比要被按压的未硬化区域108精细(fine)的图案。即，在第二模具111上形成的凸起110中的每一个的面积比未硬化区域108中的每一个的面积小。

然后，如图1(g)所示，在第二模具111在未硬化区域108上被按压的状态下，通过第二模具111施加活性能量射线。由于第二模具111由透射活性能量射线的材料构成，因此，施加的活性能量射线透射通过第二模具111并且被施加到树脂层109。但是，活性能量射线屏蔽膜110由拦截活性能量射线的材料构成，因此，未硬化区域108的凹陷113不被活性能量射线照射。因此，在活性能量射线的照射中，未硬化区域108的凸起112变为其中活性能量可硬化树脂被硬化的硬化区域115，并且，未硬化区域108的凹陷113变为其中活性能量可硬化树脂不交联的未硬化区域116。即，形成其中未硬化区域116被硬化区域115包围的树脂层117。

接着，如图1(h)所示，从树脂层117释放第二模具111。优选地，在模具释放之前充分地冷却树脂层117。另外，取决于使用的活性能量射线可硬化树脂，仅通过活性能量射线的照射可能使得活性能量射线可硬化树脂不充分地硬化。在这种情况下，通过在按压第二模具111的状态中或者在紧接在释放第二模具111之后加热，可使树脂会充分地硬化。因此，可使用分别包含一台阶凸起的两个模具来形成两台阶微细三维结构。

根据本发明的实施例，可通过使用第n个模具(n是3或更大的整数)重复图1(c)～1(h)中所示的步骤(n-2)次，形成希望的微细三维结构。在第n个模具上形成的凸起可以是一台阶凸起。因此，可使用分别包含一台阶凸起的三个或更多个模具来形成具有三个或更多个台阶的微细三维结构。

根据本发明的实施例，作为步骤1(e)～1(h)的替代，可以执行图2(a)～2(d)所示的步骤。即，使用没有活性能量射线屏蔽膜的模具201作为最终的模具，使得被硬化区域202包围的未硬化区域203中的树脂可通过用活性能量射线照射整个表面而被硬化。

根据本发明的实施例，作为步骤1(e)～1(h)所示的步骤的替代，可以执行图3(a)～3(e)所示的步骤。即，在释放最终模具之后，可通过显影来去除被硬化区域301包围的未硬化区域302中的树脂。另外，在图1(h)所示的状态中，被硬化区域115包围的未硬化区域116中的树脂可通过用活性能量射线照射整个表面而被硬化。

描述根据本发明的实施例的用于制造液体喷射头的方法。液体喷射头是通过向液体施加热能从而产生气泡来喷射液体的装置。

在图4中示出液体喷射头的配置。液体喷射头包含通道(passage)形成部件401和基板402。通道形成部件401包含用于喷射液体的喷射端口405和液体通道403，所述液体通道403中的每一个在端部处与喷射端口405连通并且具有用于产生气泡的区域。基板402包含液体喷射能量产生元件404和被形成为与液体通道403连通的液体供给端口406。

当根据本发明的实施例制造液体喷射头时，可以在图1(e)～1(h)所示的步骤之后实施图5所示的步骤。图5示出与图1相同的断面。图1(h)中所示的状态与图5(a)所示的状态对应。通过重复按压和硬化而形成的硬化部分501和被硬化部分501包围的未硬化部分502被去除，以产生图5(b)所示的状态。然后，上面形成有能量产生元件404的基板402与硬化部分501的上表面接合(图5(c))，然后，将基板504脱离。因此，去除了未硬化部分502的部分变为喷射端口405，并且，硬化部分501形成具有通道403的通道形成部件401(图5(d))。

图6是示出根据本发明的另一实施例的使用压印模具来形成微细三维结构的方法的示意图。该方法对于这样的情况是有效的：希望的图案在压印面内不均匀并且通过多次地重复按压来形成相同高度的台阶差。与上述实施例中的部分相同的部分不被描述。

首先，如图6(a)所示，在形成在基板上并且由活性能量射线可硬化树脂构成的树脂层603上用适当的力按压第一模具602，所述第一模具602被提供有活性能量射线屏蔽膜601并且由活性能量射线透射材料构成。如图6(a)所示，活性能量射线屏蔽膜601不仅形成于模具602的凸起上，而且形成于其凹陷的各部分上。

然后，如图6(b)所示，在第一模具602在树脂层603上被按压的状态中，通过第一模具602施加活性能量射线。然而，树脂层603的所有凸起不被活性能量射线照射，但是，与在第一模具602的凹陷中的其中形成了活性能量射线屏蔽膜601的区域对应的部分在不被照射的情况下保持为未硬化区域。作为结果，形成未硬化区域605被硬化区域604包围的树脂层606。

然后，如图6(c)所示，从树脂层606释放第一模具602。

然后，如图6(d)所示，在树脂层606上用适当的力按压第二模具608，所述第二模具608被提供有活性能量射线屏蔽膜607并且由活性能量射线透射材料构成。第二模具608具有与第一模具602的纵横比不同的纵横比。如图6(d)所示，活性能量射线屏蔽膜607不仅形成于第二模具608的凸起上，而且形成于其凹陷的部分上。

接着，如图6(e)所示，在第二模具608在未硬化区域605上被按压的状态中，通过第二模具608施加活性能量射线。然而，树脂层603的所有凸起不被活性能量射线照射，但是，与在第二模具608的凹陷中的其中形成有活性能量射线屏蔽膜607的区域对应的部分在不被照射的情况下保持为未硬化区域。作为结果，形成树脂层606，在该树脂层606中，形成作为具有较大的表面高度的未硬化区域的凹陷610和作为具有较小的表面高度的未硬化区域的凹陷611，凹陷610和611被硬化区域609包围。

然后，如图6(f)所示，从树脂层释放第二模具608。

此时，作为未硬化区域的凹陷610和611的高度被控制。即，由于被模具推开的树脂的体积等于在模具和树脂之间的空间中上升的树脂的体积，因此，高度被控制为使得当第三和第四模具中的每一个被按压时上升的树脂的高度相等。

然后，如图6(g)所示，在树脂层上用适当的力按压第三模具613，所述第三模具613由活性能量射线透射材料构成并且被提供有活性能量射线屏蔽膜612。如图6(g)所示，活性能量射线屏蔽膜612被形成于第三模具613的凹陷的部分上，并且不被形成于其凸起上。作为结果，凹陷610中的树脂被按压和推动从而被形成为希望的形状。

然后，如图6(h)所示，在第三模具613在凹陷610上被按压的状态下，通过第三模具613施加活性能量射线。作为结果，凹陷610中的树脂硬化从而形成希望的结构。

然后，如图6(i)所示，从树脂层释放第三模具613。

然后，如图6(j)所示，在树脂层上用适当的力按压由活性能量射线透射材料构成的第四模具614。第四模具614具有比第三模具613的凹陷体积小的凹陷体积。另外，如图6(j)所示，不在第四模具614上形成活性能量射线屏蔽膜。作为结果，凹陷611中的树脂被按压和推动以被形成为希望的形状。

然后，如图6(k)所示，在第四模具614在凹陷611上被按压的状态下，通过第四模具614施加活性能量射线。作为结果，凹陷611中的树脂硬化从而形成为希望的结构。

然后，如图6(l)所示，释放第四模具614。

通过上述步骤，如图6所示，希望的图案在压印面内是不均匀的，并且，可通过多次重复按压来形成相同高度的台阶差。但是，被通过使用第一和第二模具而形成的硬化区域包围的未硬化区域可以是不同高度的未硬化区域或具有不同的表面积的未硬化区域。

另外，所用的模具的数量和按压的次数不限于以上情况。所用模具的使用次序不限于以上情况，并且，例如，第一和第二模具的使用次序可以相反。另外，可通过显影来去除使用被提供有活性能量射线屏蔽膜的模具所形成的未硬化区域。

例子

虽然在下面描述本发明的例子，但是，本发明不限于该例子。

虽然在实施例中的每一个中活性能量射线是UV射线，但活性能量射线不必限于此，而是可以使用UV射线以外的活性能量射线。这里，活性能量射线包含诸如电子射线、X射线、可见光线、红外线和热线(heat ray)等的电磁波。

例子1

在例子1中，描述应用了本发明的用于形成微细三维结构的方法。

首先，SU-83000(商品名，由Kayaku Microchem Co.，Ltd.制造)被溶剂稀释(distill)，并且在Si基板上通过旋涂被涂敷为5微米。

另一方面，通过溅射而在石英基板上淀积Al，并且，正光刻胶OFPR-800(商品名，由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)被涂敷到上面有形成Al膜的表面上。然后，使用具有10微米的节距(pitch)的线和空间掩模(line-and-space mask)，通过曝光和显影将Al膜和石英蚀刻1微米(第一模具)。另外，上面形成有另一Al膜和OFPR-800(商品名，由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)的石英基板使用具有5微米的直径的圆形掩模经受曝光和显影，以将Al膜和石英蚀刻3微米(第二模具)。此外，上面仅涂敷OFPR-800(商品名，由TokyoOhka Kogyo Co.，Ltd.制造)的石英基板使用具有3微米的直径的圆形掩模经受曝光和显影，以将石英蚀刻4微米(第三模具)。然后，将用作光刻胶的OFPR-800(商品名，由Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)脱离以完成模具中的每一个。

然后，上面形成有SU-83000(商品名，由Kayaku Microchem Co.，Ltd.制造)的Si基板被加热到100℃，并且，被提供有活性能量射线屏蔽膜的第一模具以1MPa被按压，所述活性能量射线屏蔽膜由Al构成并且在具有10微米的节距和1微米的高度的凸起的端部处被形成。被按压的第一模具被保持1分钟，然后从第一模具侧施加UV射线，然后进一步以100℃烘焙4分钟。然后，释放第一模具，并且，对于树脂的凹陷执行对准。然后，被提供有活性能量射线屏蔽膜的第二模具以1MPa被按压，所述活性能量射线屏蔽膜由Al构成并且在具有5微米的直径和3微米的高度的凸起的端部处被形成。被按压的第二模具被保持1分钟，然后从第二模具侧施加UV射线，然后进一步以100℃烘焙4分钟。然后，释放第二模具，并且，对于树脂的最下面的凹陷执行对准。然后，以1MPa按压具有凸起的第三模具，所述凸起具有2微米的直径和4微米的高度。被按压的第三模具被保持1分钟，然后从第三模具侧向整个表面施加UV射线以使树脂硬化。第三模具进一步在被按压的同时以100℃被烘焙4分钟，然后，第三模具被释放。最终，通过以200℃的1小时的热处理，树脂完全硬化。

如上所述，形成包含三台阶结构的微细三维结构。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽的解释以包含所有的变更方式、等同的结构和功能。

本申请要求在2008年12月19日提交的日本专利申请No.2008-323789的权益，在此以引用方式将其全部内容并入本文。

Claims (7)

1.一种用于形成结构的方法，包括：

在基板上形成树脂层的步骤，所述树脂层由通过活性能量射线的照射而被硬化的树脂构成；

沿从所述树脂层的上表面到所述基板的方向按压第一模具的步骤，第一模具由活性能量射线透射材料构成并且具有被设置在第一模具的表面上并且每一个在端部处具有活性能量射线屏蔽膜的凸起；

用透射通过第一模具的活性能量射线照射所述树脂层的第一照射步骤；

使得被用活性能量射线照射的所述树脂层的一部分硬化的步骤；

去除第一模具的步骤；

在所述树脂层不被曝光于所述射线的区域内沿从所述树脂层的上表面到所述基板的方向按压第二模具的步骤，第二模具由活性能量射线透射材料构成，并且第二模具具有被设置在第二模具的表面上且每一个在端部处具有活性能量射线屏蔽膜的凸起；

用透射通过第二模具的活性能量射线照射所述树脂层的未曝光区域的一部分的第二照射步骤，曝光的部分在第二照射步骤中被硬化；以及

去除第二模具的步骤。

2.根据权利要求1的方法，其中，在第一模具上形成的凸起是一台阶凸起。

3.根据权利要求1的方法，其中，在第二模具上形成的凸起是一台阶凸起。

4.根据权利要求1的方法，还包括：

释放被按压在所述树脂层上的模具的步骤；

在所述树脂层上按压第n个模具以在其中活性能量射线可硬化树脂不被硬化的区域中形成与第n个模具的凸起对应的凹陷的步骤，第n个模具由活性能量射线透射材料构成并且在第n个模具的表面上形成有凸起，其中n是3或更大的整数；和

通过第n个模具向所述树脂层施加活性能量射线，以在其中所述树脂层中的活性能量射线可硬化树脂不被硬化的区域内形成其中活性能量射线可硬化树脂被硬化的区域的步骤，

其中，这些步骤被执行n-2次。

5.根据权利要求4的方法，其中，在第n个模具上形成的凸起是一台阶凸起。

6.根据权利要求1的方法，其中，所述树脂层中的未硬化部分通过显影被去除。

7.一种用于制造液体喷射头的方法，所述液体喷射头包含基板和通道壁，所述基板被提供有产生用于从喷射端口喷射液体的能量的能量产生元件，所述通道壁被设置在所述基板上并与所述喷射端口连通，所述方法包括：

制备通过根据权利要求1的方法形成的结构；以及

使所述基板的能量产生元件侧与所述结构接合。

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