CN103959166B - 纳米结构冲头、用于无端压印纳米结构的压印辊、装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于以分步重复法无缝压印压印辊的侧表面的至少一个周缘环的带有凹形弯曲的、纳米结构化的冲头面(7f)的纳米结构冲头以及一种用于无端压印带有在回转体(5)上所施加的压印层(13)的纳米结构的压印辊，压印层(13)具有带有在周向上无缝地构造的、以分步重复法压印的至少一个周缘环(15)的侧表面(13o)。此外，本发明涉及一种用于制造这样的用于无端压印纳米结构的压印辊(16)的方法和装置以及一种用于制造这样的纳米结构冲头(1)的方法和一种用于制造压印基质(18)的方法。

Description

纳米结构冲头、用于无端压印纳米结构的压印辊、装置和方法

技术领域

本发明涉及根据一种权利要求1的用于压印压印辊(Prägerolle)的纳米结构冲头(Nanostrukturstempel)、一种根据权利要求4的用于无端压印(Endlosprägen)纳米结构的压印辊、一种根据权利要求7的用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的装置、一种根据权利要求11的用于制造用于制造压印辊的纳米结构冲头的方法以及一种根据权利要求14的用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的方法。此外，本发明涉及一种根据权利要求18的用于制造具有纳米结构的压印基质(Praegesubstrat)的方法。

背景技术

在用于大面积应用的纳米结构化的表面和半导体结构(例如薄膜)的批量生产技术的发展中存在对起作用的辊对辊机器(Rolle-zu-Rolle-Maschine)的需求，该机器能够将连续的纳米结构化的和/或半导体结构通过辊子压印到传送带或长的工件上。在此，尤其在应用于压印蚀刻(Imprint-Lithographie)时存在显著的问题，这迄今未被令人满意地解决。

在亚微或者说纳米范围中产生连续的样式尤其是一个问题。可容易想象，对于变得越来越小的压印结构在进行无端施加(Endlosaufbringung)时技术问题超过平均水平地上升。

发明内容

本发明的目的因此是说明一种纳米结构冲头以及一种用于制造其的压印辊和方法和装置，利用其即使在尤其与压印辊的大小或直径相比纳米结构的尺寸非常小的情况下也可能无端压印纳米结构，其中，可获得可靠的且可复制的结果。通用的压印辊的直径对于专家已知。根据本发明的实施形式然而适合于任何直径。

该目的利用权利要求1、4、7、11、14和18的特征来实现。本发明的有利的改进方案在从属权利要求中说明。由在说明书、权利要求和/或附图中所说明的至少两个特征构成的全部组合也落到本发明的范围中。对于所说明的值域，处在所提及的界限内的值也应作为极限值公开并且以任意的组合可要求保护。

本发明基于该想法，以分步重复法将待施加到压印辊上的压印结构施加成使得在整个周缘处设置有无缝的压印。对此根据本发明公开了一种新型的纳米结构冲头，其适合于分步重复过程，以便在压印辊的周缘处施加重复的结构。

根据本发明也可考虑以分步重复法沿着压印辊的回转体的回转轴线施加结构。根据本发明，利用压印在多个步骤中产生无缝的微米或纳米结构特别重要，由此在后来的滚压过程(Abrollprozess)中可将压印辊近似无端地或者说连续地、即通过大量整转输送到工件(制造压印基质、还有压印产品)上。利用分步重复法可获得的高对称性的且平移的样式重复允许产生带有独特的表面特性的、尤其带有周期性重复的结构的材料。特别有利的是在光学的领域中、例如在压印玻璃板时的应用。对称性在光学中非常重要，尤其当通过高对称性的结构可最精确地获得所期望的光学效果时。“无缝”在此意味着，在分步重复过程的公差内来压印在整个周缘处均匀的结构，尤其还在最后的压印步骤至压印辊的周缘压印的第一压印步骤的过渡处。

作为独立的发明，因此设置有带有例如凹形弯曲的纳米结构化的冲头面的纳米结构冲头用于以分步重复法无缝压印压印辊的侧表面的至少一个周缘环(Umfangsring)。纳米结构冲头的冲头面因此与压印辊的侧表面相匹配，使得利用唯一的纳米结构冲头可来压印压印辊的整个侧表面。根据本发明同样可考虑在压印辊压印时同时使用多个纳米结构冲头。

只要纳米结构冲头具有冲头架(包括冲头面的冲头模尤其永久地与其相连接)，在相应的用于压印辊的压印的装置中简化了纳米结构冲头的操纵。

当冲头模直接由待压印的压印辊产生时，在此是特别有利的。以该方式，纳米结构冲头或者说纳米结构冲头的冲头面的弯曲精确地与待压印的压印辊相应。

根据本发明的一有利的实施形式，冲头架对于电磁波、尤其UV光是可穿透的，以便能够设置冲头模和/或压印辊的待压印的压印层的硬化。

只要用于电磁波的辐射源、尤其UV源位于压印辊(尤其以空心柱体的形式)的内部，优选地在压印辊的不待加载的区域中、尤其在其内周缘处设置有对于电磁波的屏蔽器件。这优选地是UV不可穿透的保护套，其保护不应被照射的部位并且仅在UV光线应穿过(以使UV可硬化的压印层硬化)的区域处中断。

优选地，根据本发明的纳米结构冲头的冲头面的弧度在压印辊处的滚压方向上关于待压印的压印层的对应的圆周是整数部分，使得对于在压印辊的滚压方向上压印层的圆周的完整压印实现无缝的压印。只要在各个压印步骤中根据本发明设置有重叠截段(Ueberlappungsabschnitt)，弧度可扩展该重叠截段。

附加地根据本发明设置成能够通过成型器件(Verformungsmittel)、尤其通过外部施加影响动态地在微米和/或纳米范围中、尤其在滚压方向上使冲头变形、尤其延展和/或镦粗。

在成型器件的一实施形式中，这通过冲头的热膨胀通过加热和/或冷却来实现。在另一实施形式中使用压电材料。对于该领域的专家清楚的是，冲头的延展可以以任意方式来实现，只要确保压印结构在表面闭合时无缝地过渡到彼此中。对此，可设置有用于测量冲头面相对于压印辊的圆周的比例的测量器件，尤其用于在加工(压印)期间检测。备选地，可通过校正、尤其通过周缘的压印来确定变形度。根据本发明也可考虑一方面测量带有和/或不带压印层的压印辊的周缘和另一方面冲头面的尺寸并且然后尤其通过计算来确定变形。根据本发明尤其扫描显微镜(Rasterkraftmikroskop)和/或光学显微镜和/或扫描电子显微镜适合作为测量方法。

作为独立的发明，还设置有用于无端压印带有施加到回转体上的压印层的纳米结构的尤其利用根据本发明的纳米结构冲头制造的压印辊，压印层带有侧表面，其带有至少在周向上无缝地构造的、以分步重复法压印的至少一个周缘环。利用压印辊可将周期性重复的结构施加到工件上。

通过由根据本发明的纳米结构冲头来压印侧表面，可以以有利的方式制造压印辊。

当回转体构造为柱体、尤其圆柱体时，是特别有利的。因此，不仅在制造压印辊时而且在根据功能应用压印辊时可在纳米结构的无端压印(印刻(Imprinten))中以有利的方式来使用压印辊。

作为独立的发明，此外设置有用于制造根据本发明的用于无端压印纳米结构的压印辊的装置。该装置在工作腔中具有用于容纳和使压印辊的回转体围绕压印辊轴线可控制地回转的压印辊容纳部。该控制尤其通过中央控制装置实现。此外，根据本发明的装置具有用于容纳和使尤其根据本发明的纳米结构冲头相对于压印辊的侧表面可控制地运动的冲头容纳部。该控制同样通过中央控制装置实现，其中，通过压印辊容纳部和冲头容纳部的控制可制造至少在侧表面的周向上无缝地构造的、以分步重复法压印的至少一个周缘环。在该装置的一有利的实施形式中，工作腔由真空腔形成并且可加载以真空，使得在制造压印辊期间可建立适合于制造的环境。

根据本发明的另一实施形式有利地设置成，设置有用于将形成侧表面的压印层施加到压印辊的回转体上的器件。该实施形式负责进一步的集成。

在本发明的另一有利的实施形式中设置成，该装置具有用于尤其逐段地优选地以相应于分步重复法的尤其对应于纳米结构冲头的冲头面的截段使所压印的周缘环硬化的硬化器件。

此外，独立的发明涉及一种用于制造用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的纳米结构冲头的方法，其带有以下步骤、尤其以下过程：

- 将纳米结构冲头的弯曲的或可弯曲的冲头阴模(Stempelnegativ)固定在回转体的侧表面的周缘截段上，

- 将可成形的冲头模材料施加到弯曲的冲头阴模上，

- 将冲头模材料模制在冲头架处以构造凹形弯曲的、纳米结构化的冲头面，

- 使冲头模材料硬化。

在此，根据本发明的一有利的实施形式设置成，周缘截段在侧表面的周缘的少于一半、尤其少于1/3、优选地少于1/4上延伸。通过这些措施来更均匀地施加压印力。

只要使用压印辊的回转体作为回转体，冲头面的弯曲精确地相应于在压印时压印辊的形状，尤其当冲头阴模的厚度大约相应于在压印辊上的压印层的厚度时。

根据本发明的另一独立的方面，其涉及一种用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的方法，其带有以下步骤、尤其以下过程：

- 将带有具有侧表面的压印层的回转体容纳到布置在工作腔中的压印辊容纳部上，

- 以分步重复法借助于容纳在冲头容纳部上的纳米结构冲头压印在侧表面的周向上无缝地构造的周缘环。

通过在多个、尤其按顺序进行的冲压步骤中通过回转体的回转来压印，周缘环的布置精确地与压印辊的回转体的回转轴线相协调。

根据本发明的另一有利的实施形式设置成，部分地重叠来实施冲压步骤用于在分别先前所压印的结构处的对准(Ausrichtung)。以该方式，根据本发明可考虑纳米结构冲头在先前所压印的且硬化的结构处的对准，从而根据通过不同的冲压步骤所压印的结构实现高精度的对准。

因为平行于回转轴线在每个回转位置中设置有多个冲压步骤，压印辊在围绕回转轴线的唯一的完整回转后(即大约360度、可能带有少量重叠)完成压印。

根据装置公开的特征也应适合作为方法特征公开并且反之亦然。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节由优选的实施例的接下来的说明以及根据附图得出；这些附图分别以示意性的视图示出：

图1a显示了用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的根据本发明的装置的第一实施形式，

图1b显示了用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的根据本发明的装置的第二实施形式，

图2a至2f显示了用于制造用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的纳米结构冲头的根据本发明的方法的实施形式，

图3a至3g显示了用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊的根据本发明的方法的实施形式，

图4a显示了对根据第一分步重复法过程的部分地压印的压印辊的俯视图，

图4b显示了对根据分步重复法的第二实施方案的带有部分地压印的结构的压印辊的俯视图，

图5显示了借助于根据本发明的压印辊用于制造“无端地”或者说连续地压印的压印基质的无端压印的方法过程。

在附图中本发明的优点和特征以根据本发明的实施形式分别识别其的附图标记来标示，其中，带有相同的或起相同作用的功能的构件或者说特征以相同的附图标记来标示。

具体实施方式

在附图中，根据本发明的特征不按比例示出，以便能够完全示出各个特征的功能。各个构件的比例也部分不按比例，这尤其可追溯到极强放大地示出的纳米结构14。纳米结构14(其利用本发明来压印或者说被用于将对应的纳米结构压印到工件上)处在纳米和/或微米范围中，而机器构件的数量级处在厘米范围中。

在图1中示意性地示出真空腔2，其包围工作腔6，工作腔6可加载以真空。真空腔2可通过未示出的、密封的门或闸来加载。

在工作腔6中，在真空腔2的底部2b处布置有用于容纳和使回转体5可控制地回转的压印辊容纳部4。回转体5是用于无端压印纳米结构14的压印辊16的组成部分，其中，压印辊16利用在图1中所示的装置来制造。回转体5的回转围绕压印辊轴线5a(其同心于以圆柱体形式的回转体5伸延)实现。用于回转体5至少在回转方向上的的可精确控制的驱动的相应的驱动器件被假设为已知。

在回转体5之上借助于冲头容纳部3可布置有纳米结构冲头1，其中，用于容纳和使纳米结构冲头1相对于回转体5或者说压印辊16的侧表面50可控制地运动的冲头容纳部3至少在X、Y和Z方向上可运动。在X和/或Y和/或Z方向上的相对运动可通过纳米结构冲头1借助于冲头容纳部3的运动和/或通过回转体5通过压印辊容纳部4的运动而实现。因此，所示的装置适合于执行分步重复过程。

换言之：纳米结构冲头11具有至少三个平移自由度(X、Y和Z方向)、尤其附加地具有相对于回转体5的回转自由度。回转体5具有在围绕压印辊轴线5a的回转方向上的自由度、尤其附加地具有两个平移自由度(在X和Y方向上)。回转体5的回转自由度设置用于使回转体5在一压印步骤或多个压印步骤的压印之后围绕压印辊轴线5a继续旋转。

根据图1，此外设置有以UV源8和/或加热系统12的形式的硬化器件用于利用纳米结构冲头1在侧表面5o(更详细的说明下面参见图3a至3g)处压印的纳米结构14的硬化。UV源8和/或加热系统12须相对于纳米结构冲头11定位成使得刚刚新制造的纳米结构14的硬化在一定的时期段之后、优选地尽可能快地、最优选地立即实现。加热系统12根据图1a相对于纳米结构冲头1的定位因此不是最佳的、但是是最直观的实施形式。在一特别的实施形式中，UV源也可根据图1b位于(空心)柱体(回转体5)之内。UV源8在此可由尤其相对或者说相对于回转体可回转的保护套17(屏蔽器件)围绕，以保证UV光仅在待硬化的区域中射到压印层13上。

首先根据图2a至2f来阐述纳米结构冲头1的制造，其尤其对于多个压印辊16的生产仅需来执行一次，因为优选地利用纳米结构冲头1可来制造多个压印辊16。

首先，在平面的、平坦的基质上来构造冲头阴模9(纳米结构冲头1的阴模)。平面的基质优选地由聚合物或薄的结构化的金属薄膜或可弯曲地匹配弯曲的表面(在此用于制造压印辊16的回转体5的侧表面5o)的材料构成。因此，尤其当冲头阴模9的厚度相应于待施加到侧表面5o上的压印层13(见图3a)的厚度时，冲头阴模9的形状在根据图2b施加到侧表面5o上之后精确地相应于待压印的纳米结构14的形状。压印层13比1mm薄、优选地比0.1mm薄、更优选地比1μm薄、还更优选地比0.1μm薄、最优选地比100nm薄、最最优选地比10nm薄。

接着通过未示出的用于施加冲头模材料10的器件将冲头模材料10施加到冲头阴模9上(见图2c)。该施加可半自动地或全自动地实现，但是根据本发明也可考虑手动施加。

接着使冲头架11相对冲头阴模9定位成使得冲头模材料10布置在冲头阴模9与冲头架11之间(见图2d)。为了冲头架11的定位/取向/保持，设置有相应的器件、尤其机器臂。

在图2e中所示的方法步骤中使冲头架11在回转体5或者说压印辊轴线5a或者说冲头阴模9的方向上运动，使得冲头模材料10分布在冲头阴模9与冲头架11之间。由此，以冲头模材料10来充填冲头阴模9的结构(凹部和突起)直到或超过冲头阴模9的边缘9r。

通过未示出的硬化器件(类似图1)使冲头模材料10硬化并且在由此形成的冲头模7的冲头面7f处形成冲头阳模(Stempelpositiv)。同时，冲头模7与冲头架11尤其永久连接。尤其UV辐射器、红外线发射器或加热器用作硬化器件。此外可考虑使回转体5自身加热，尤其通过将电磁辐射器布置在回转体5的内部中。

在硬化之后将完成的纳米结构冲头1从回转体5或者说冲头阴模9取下。

备选于前述纳米结构冲头，根据本发明也可考虑硬冲头(Hartstempel)的制造，硬冲头利用显著的更多耗费以已知方式来制造、然而在根据本发明的其它方面中可应用在辊的制造中。这样的硬冲头可尤其利用平版印刷和/或电子射线和/或铣削方法然而复杂地且昂贵地来制造，这对于弯曲的冲头轮廓和相当小的结构与根据本发明的解决方案相比极其难以实现。

在图3中，纳米结构冲头1应用于在图1中所示的装置中。首先以压印层13在它的尤其整个侧表面5o处来涂覆回转体5，使得压印层13构造(新的)侧表面13o。压印层13的覆层优选地通过回转体5在容纳回转体的仅仅一个周缘截段的浸渗池(Tauchbad)中的回转或者通过喷射方法、滴液分散、PVD方法或CVD方法实现。备选地，可考虑将整个回转体5浸入浸渗池中。优选地使用液态的聚合物作为用于压印层13的覆层材料。在以压印层13的材料加载侧表面5o之后，以所期望的尤其比1mm薄、优选地比0.1mm薄、更优选地比1μm薄、还更优选地比0.1μm薄、最优选地比100nm薄、最最优选地比10nm薄的厚度来制造压印层13。

压印结构本身具有小于1mm、优选地小于0.1mm、更优选地小于1μm、还更优选地小于0.1μm、最优选地小于100nm、最最优选地小于10nm的平均横向分辨率(Auflösung)。

压印辊(16)的直径可任意选择。示例性地但是非排除性地，其大于1mm、优选地大于1cm、更优选地大于10cm、最优选地大于1m、最最优选地大于10m。根据本发明的实施形式的第一原型以在10cm与50cm之间的压印辊(16)的直径来实现。压印辊(16)的直径越大，微米和/或纳米结构(14)从纳米结构(19)的分离越柔和。

接着使带有所施加的且硬化的压印层13的辊支架5(如在图3a或图1中所示)定位和取向，亦即不仅在Y方向和纳米结构冲头相对回转体5的回转位置或者说角度位置中、而且在X方向上沿着平行于压印辊轴线5a的侧表面13o(对此尤其见图4a和4b)。此外重要的是使纳米结构冲头1在回转位置中精确地取向。

根据取向，使纳米结构冲头1在Z方向上(即向压印辊轴线5a)运动，直到纳米结构14的第一压印截段14.1(图4a)或14.3(图4b)被从冲头面7f的冲头阳模压印出。根据本发明，至少主要地、优选地完全地按顺序来压印相邻的结构截段14.n，因为以该方式之前压印的结构、尤其重叠结构14e(重叠截段)在预先压印的结构截段14.[n-1]的边缘处的对齐是可能的。在按顺序的压印中存在在图4a和图4b中所示的备选方案。

在图4a中所示的实施形式中，首先作为第一冲压步骤来压印与冲头面7f对应的纳米结构截段14.1并且接着通过回转体5的回转在一冲压步骤中来压印第二结构截段14.2。

在图4b中所示的实施形式中，在压印第一纳米结构截段14.3之后按顺序地来压印由多个结构截段14.3、14.4、14.5、14.6和14.7构成的平行于压印辊轴线5a伸延的排，与此同时不发生回转体5的回转。因此，在这里所示的五个压印步骤期间仅需要使纳米结构冲头1在X方向上运动并且尤其在分别先前压印的纳米结构截段14.[n-1]的结构处对准。在纳米结构截段14.3至14.7压印之后实现回转体5的回转，从而可压印下一排等等。

每个压印步骤由在图3c至3e中所示的步骤构成，即抬起纳米结构冲头1(图3c)、回转体5的回转和/或纳米结构冲头1在X方向上的运动(见图3d)以及结构截段14.n的压印，尤其通过设置在先前的纳米结构截段的边缘处的至少一个重叠结构14e的重叠(图3e)。

一直重复所说明的过程，直到压印层13的整个侧表面13o设有纳米结构14(见图3g)。

在图4a中所示的实施形式中，首先来压印与冲头面7f在X方向上的宽度相应的周缘环15，而在图4b中所示的实施形式中来压印实际上在侧表面5o的整个宽度上延伸的周缘环15'。

在根据图4a的实施形式中，为了遮盖整个侧表面5o必须相应地来压印多个毗邻布置的周缘环15，从而必须使回转体5多重地围绕其自己的轴线完整地旋转。在图4b中所示的实施形式中，仅需唯一旋转大约360度(在重叠时略微更多)。然而重要的是，在重叠时根据本发明已压印的结构不被冲头的重叠的部分破坏，而是其接合到已存在的结构中，而不破坏它们。

无论如何，在每个冲压步骤之后需要抬起纳米结构冲头1。此外，在抬起之前或之后即在每个冲压步骤之前或之后进行所压印的纳米结构截段14.n的硬化根据本发明是优选的。也可考虑多重硬化，其中，在纳米结构冲头1的每个单个压印步骤之后根据本发明可考虑“预硬化”。根据本发明也可考虑仅在纳米结构冲头1与压印辊5之间执行冲压材料(压印层13)的分离、执行冲压(压印)和硬化过程、使压印辊5继续旋转并且之后才涂覆表面5o的下一部分。由此防止可能在压印辊5的下面和侧面上施加的材料由于重力变形并且压印层13的厚度变得不均匀。

其它情况对于本发明重要的是，压印层13的粘度在施加压印层13之后对于压印足够小、然而不大到足以行进。

如果在周缘环15闭合时、即在压印分别对于每个周缘环15最后的纳米结构截段14.n时来压印无缝的、尤其与其余纳米结构截段14.n有间距地相协调的纳米结构截段14.n，根据本发明是优选的。

因为利用根据本发明的方法以简单的方式可制造纳米结构冲头1，通过制造精确地匹配的纳米结构冲头1可实现完美的过渡。

为了使纳米结构冲头1与具体的回转体5相匹配，可考虑根据图4a的根据唯一的周缘环15的试样压印(Probeprägung)。只要压印完美地实现，纳米结构冲头1可被用于制造多个压印辊16。否则可来测定与(正确的)间距的差并且由此来计算改变的冲头阴模9以制造新的纳米结构冲头1。

在图5中示出近似无端地设有纳米结构19的压印基质18借助于压印辊5的连续压印，其不同于现有技术导致在如此制造的压印基质18上的均匀的且无缝的纳米结构19。

附图标记清单

1 纳米结构冲头

2 真空腔

2b 底部

3 冲头容纳部

4 压印辊容纳部

5 回转体

5o 侧表面

5a 压印辊轴线

6 工作腔

7 冲头模

7f 冲头面

8 辐射器

9 冲头阴模

9r 边缘

10 冲头模材料

11 冲头架

12 加热器件

13 压印层

13o 侧表面

14 纳米结构

14.1至14.n 纳米结构截段

14e 重叠结构

15 周缘环

16 压印辊

17 保护套

18 压印基质

19 纳米结构。

Claims (6)

1.一种压印辊(16)的回转体(5)的应用，其用于制造用于无缝压印侧表面(13o)的至少一个周缘环(15, 15')的带有凹形弯曲的、纳米结构化的冲头面(7f)的纳米结构冲头(1)，其中，所述纳米结构冲头(1)具有冲头架(11)，包括所述冲头面(7f)的冲头模(7)与所述冲头架(11)相连接。

2.一种用于制造纳米结构冲头(1)的方法，所述纳米结构冲头(1)用于制造用于无端压印纳米结构的压印辊(16)，所述方法带有以下步骤、尤其以下过程：

- 将所述纳米结构冲头(1)的被弯曲的或可弯曲的冲头阴模(9)固定在回转体(5)的侧表面(5o)的周缘截段上，

- 将可成形的冲头模材料(10)施加到弯曲的所述冲头阴模(9)上，

- 将所述冲头模材料(10)模制在冲头架(11)处以构造凹形弯曲的、纳米结构化的冲头面(7f)以及

- 使所述冲头模材料(10)硬化。

3.根据权利要求2所述的方法，在其中所述周缘截段在少于所述侧表面(5o)的周长的一半上延伸。

4.根据权利要求2或3所述的方法，在其中所述压印辊(16)被用作回转体(5)。

5.根据权利要求3所述的方法，在其中所述周缘截段在少于所述侧表面(5o)的周长的三分之一上延伸。

6.根据权利要求5所述的方法，在其中所述周缘截段在少于所述侧表面(5o)的周长的四分之一上延伸。