CN104823107A - 微接触压印方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及借助结构印模的压印面将压印材料转移到衬底的目标表面上以微接触压印结构的方法，其特征在于，该压印材料至少主要地由硅烷构成或者至少主要地由至少一种硅烷衍生物构成，并且该结构印模为软质印模。此外，本发明涉及相关方法，其中该压印材料是至少主要地由有机分子构成的分子组分。

Description

微接触压印方法

本发明涉及根据权利要求1或者2的微接触压印方法。

如今用于表面的微结构化和/或纳米结构化的现有技术尤其包括光刻法和不同的压印技术。压印技术用硬质或者软质的印模操作。近年来，压印光刻法技术尤其获得成功，并且替代传统的光刻法技术。在压印光刻法技术中，使用所谓的软质印模尤其变得越来越受欢迎。原因在于容易制造该印模、有效的压印过程、各种印模材料的非常好的表面性能、低的成本、压印产品的可复制性和尤其是该印模在脱模时的弹性变形可能性。在软光刻法中，使用由具有微结构化或者纳米结构化的表面的弹性体构成的印模，以制造20 nm至> 1000 μm的结构。压印光刻法技术能够粗略地分为热压印、纳米压印光刻法和纳米接触压印或者微接触压印。在热压印时，主要通过使用力将印模压入（经加热的）压印物料中。在纳米压印光刻法中，非常精细结构化的印模与压印物料接触。尽管在该方法中也使用力，通过毛细作用将压印物料吸收到纳米大小或者微米大小的结构中是压印过程的驱动力。在微接触压印中，不通过力将经结构化的印模压入压印物料中，而是将位于其结构表面上的物质转移到另一表面上。

存在六种已知的微接触压印方法：

· 微接触压印和/或纳米接触压印（μ/nCP）

· 复制铸造（REM）

· 微转移模塑（μTM）或者纳米压印光刻法（NIL）

· 毛细管中的微成型（MIMIC）

· 溶剂辅助的微成型（SAMIM），和

· 相转移光刻法。

弹性体的结构印模制造成母版凹模。母版印模是指由金属或者陶瓷构成的硬印模，其通过相应的复杂的过程通过一次地制造。然后可以由该母版制造任意多的弹性体印模。该弹性体印模在大表面上实现一致、均匀的接触。其可以容易地与其硬性的母版印模，以及与压印产品分离。此外，弹性体印模具有小的表面张力，以容易和方便地分离印模和衬底。技术上的问题在于结构印模和压印材料的材料组合，其中这尤其取决于结构印模的长使用寿命或者长的可用性和微结构和/或纳米结构的精确转移。

因此，本发明的目的是提供微接触压印方法，用其提供适合于将微结构和/或纳米结构精确地转移到大表面上的长使用寿命的结构印模。

该目的通过权利要求1和2的特征实现。本发明的有利的扩展实施方案在从属权利要求中给出。在本发明的范围内，也包括由本说明书、权利要求书和/或附图中给出的特征的至少两种构成的所有组合。对于所给出的值范围，也应公开位于所提到的极限内作为极限值的值，并且以任意组合的方式保护。

本发明描述了方法，其中至少主要地将硅烷或者至少一种硅烷衍生物或者至少主要地由有机分子构成的分子组分作为压印材料用于微接触压印。

因此，本发明涉及方法，其能够使材料以结构化的形式直接和有针对性地沉积到衬底的目标表面上。在此根据本发明，该结构大小在侧向方向上在微米和/或纳米范围内变化。所述的沉积过程基于表面与结构化的印模的接触。在此，粘附在结构印模处的压印材料有针对性地和以结构化的形式转移到目标表面上。

此外，本发明涉及由根据本发明合适的印模材料构成的结构印模用于接触压印任意的分子组分的用途。

本发明的有利的扩展实施方案基于特殊的印模构造，其实现压印材料的自动的材料供给。

被证明为特别有利的是，将本发明的印模材料和/或本发明的印模构造与根据本发明印模材料调整的压印材料的组合用到所选择的本发明衬底表面上和/或用于制造特定种类/类型的最终产品。

本发明能够由上述的本发明组分制造具有极小厚度的几乎任意结构化的表面。在此，以高产率和基于简单的工艺流程和由此产生的少量的工艺步骤而非常成本有利地大批量制造地生产该结构，因为本发明的结构印模可以用于多种印模过程中和大表面上。在使用本发明的印模结构时，尤其自动和/或连续地进行压印材料的压印材料供给，这再度提高了工艺的生产量和降低了成本。

公开的本发明的结构印模的实施方案，特别是所使用的印模材料具有优点，即不污染压印材料，以及从化学角度和生物角度上均不改变其或者影响其反应性。在此，该压印材料同时实现用于接触压印所需的印模的明显改进的生产过程。

因此，本发明还涉及方法，其将分子组分通过接触过程从结构印模转移到特别平坦的，优选平面的衬底的目标表面上。在特别的实施方案中，也可以将分子组分转移到结构化的目标表面上。这尤其允许使用微接触压印，以在三维空间中构建结构化的表面。在此，本发明基于这样的观点，即由根据本发明合适的材料制造的结构化的印模通过附着力和/或扩散到印模材料中，使分子组分固定/粘附在结构印模的结构凸起处和/或一定程度地扩散到印模材料中。该分子组分在结构印模的结构的表面处移动到根据本发明的目标表面上。通过印模靠近目标表面，分子组分与目标表面接触。在目标表面与分子组分接触之后，后者至少部分地转移到目标表面上。这在该意义上理解为，转移粘附在凸起的印模结构上的分子的至少一部分。在此，转移机理是多样的。

将作为结构的分子组分转移到目标表面上，这称为接触压印。在本情况中，待转移的结构的尺寸在纳米和/或微米范围内，由此该方法更精确地称为微接触压印，其也包括纳米接触压印。接触压印方法的优点是，制造极薄的结构化的表面至单层。对应于该技术，不在压印物料中进行印模结构的制模，而是转移至少位于印模的凸起处的分子组分，特别是硅烷和/或硅烷衍生物。

在本发明的一个替代的实施方案中设置，该分子组分具有下述结构中的至少一种或者多种：

- 酶、

- 生物碱、

- 脂质、

- 激素、

- 信息素、

- 维生素、

- 碳水化合物、

- 肽、

- 核酸、

- DNA或者DNA-链、

- 细胞、

- 蛋白质或者多肽、

- 烷烃、烯烃、炔烃、芳族化合物、

- 石墨烯。

这优选地是指转移，其一方面由于分子组分和目标表面之间的附着力差别，另一方面由于分子组分和印模表面之间的附着力差别。因此在一个优选的实施方案中，目标表面和分子组分之间的附着力大于结构化的印模的表面和分子组分之间的附着力。优选地，刚提到的附着力的比例为大于1，优选为大于2，更优选为大于5，还更优选为大于10，最优选为大于100，最大可能优选为大于1000。

在另一个实施方案中，通过压印表面的充电，分子组分从印模表面上脱落。根据本发明，通过印模表面的充电这样改变电势，以致对于待转移的分子组分的粘附小于分子组分对于目标表面的粘附。也可以设想目标表面的充电，其以这样的程度改变电势，以致分子组分和目标表面之间的粘附大于分子组分和印模表面之间的粘附。

在另一个实施方案中，所述的结构印模是至少部分地多孔的，并且优选地通过在多孔结构印模内的孔隙中相比于环境而言提高的压力，使分子组分从印模表面中脱落。在此，该提高的压力可以经由各种流体，因此由液体和/或气体施加。优选地，该流体是指待沉积的分子组分，由此结构印模本身变为分子组分的储存器。在此，环境压力和印模中的压力之间的比例为大于1，优选为大于1.5，更优选为大于2.0，最优选为大于10，最大可能优选为大于100。

在另一个实施方案中，分子组分通过化学过程而脱落，该化学过程选择性地腐蚀分子组分和印模表面之间的接触面，而不腐蚀分子表面和目标表面之间的接触面。

在另一个实施方案中，分子组分通过热过程而脱落，其中将本发明的印模加热和/或冷却至脱落温度，从而使分子组分从印模表面上脱落，而对于目标表面的粘附得以保持。

在另一个实施方案中，分子组分通过电场和/或磁场而脱落，其削弱分子组分和印模表面之间的接触面，而对于目标表面的粘附得以保持。

根据本发明，公开的分子组分转移方法的组合也是可行的。

在一个优选的实施方案中，压印材料仅通过印模供给。因为连续的材料流来自印模背面，分子组分的若干单层始终彼此叠置地粘附。因此根据本发明，分子组分和目标表面之间的粘附大于分子组分本身的各层之间粘附。由此，分子组分至少主要地以单层的形式脱落。

根据一个有利的实施方案，印模优选地是可以弹性变形的，即为所谓的“软印模''。如果印模结构由软质材料制造，就存在软印模。优选地，借助设置在其后，优选安置其后的载体确保软印模的侧向稳定性。该载体特别地由陶瓷或者金属构成。通常通过刚度张量定义弹性。因为本材料具有很近似均匀-各向同性的弹性性能，该弹性性能可以通过弹性模量和横向收缩系数两个物理参数来描述。公开的软印模的弹性模量为10^-3 MPa至100 MPa，优选为10^-2 MPa至10 MPa，更优选为10^-1 MPa至1 MPa，最优选为0.5 MPa至0.8 MPa。

根据本发明，PFPE的E-模量尤其为3至40 MPa。根据本发明，PDMS的E-模量为约0.75 MPa。

横向收缩系数为0.01至0.5，优选为0.1至0.5，更优选为0.2至0.5，最优选为0.25至0.5。

在纳米接触压印和/或微接触压印中，优选“软印模''，因为其能够在转移过程中变形，并且因此适合目标表面的波度和/或粗糙度。如果使用“硬印模''，印模表面以及目标表面必须具有极小的波度和/或粗糙度，这在技术上仅可以非常困难地或者仅可以通过高的成本支出实现。

因此，结构印模优选为“软印模''，即软质的印模。该印模优选地由可以容易制模、弹性、耐酸和/或耐碱、耐摩、惰性、多孔、可以成本有利地制造的材料构成。印模材料优选地是指聚合物。如果结构印模由聚合物构成，其尤其可以通过热过程和/或光辐射而固化。此外，优选为同时用作分子组分的储存器的印模。该储存器通过印模的相应的多孔率实现。该印模的开放的多孔率特别为0（即：大于0）至50%，优选为0至40%，更优选为0至30%，最优选为0至20%，最大可能优选为0至10%。通过吸收分子组分，印模部分地表现为如同海绵。出现印模鼓起。分子组分因此可以从处于印模之后的储存器通过印模进行材料运输，或者印模本身可以通过其吸收能力用作储存器。因此，在印模中和/或通过其的材料运输的相应的基础物理现象是扩散和流动动力学定律。在此，当分子组分能够从印模一侧到达另一侧，或者被印模一侧，如同海绵那般吸收时，那么已经进行了扩散。在特殊情况中，当印模的多孔率极低，然而分子组分由于印模材料的微结构仍能够运动时，这时也存在扩散。

在一个特别的实施方案中，印模由全氟聚醚（PFPE）构成。

在另一个特别的实施方案中，印模由聚二甲基硅氧烷（PDMS）构成。

结构印模优选为透明的，以穿过结构印模向待沉积的分子组分导入电磁辐射，特别是得以在将压印材料转移到目标表面上之前不久和/或期间和/或之后，启动相应的物理和/或化学过程。如果提到的化学和/或物理过程通过热、电流、电场或者磁场启动，这类似地适用于导热性、导电性、原始性质和渗透性。

根据本发明，结构印模为通过x-y-z-平移在空间中可移动的结构印模，或者为辊式印模。辊式印模优选地理解为无缝、结构化的辊，其通过旋转运动将其表面结构转移到目标表面上，并且适合于制造“连续产品''。

本发明的其它的优点、特征和详细说明来自以下的优选实施例以及借助附图的说明；其各自以示意图的形式展示：

图1展示了本发明的第一实施方案的示意性的横截面图，

图2展示了本发明的第二实施方案的示意性的横截面图，

图3展示了本发明的第三实施方案的示意性的横截面图，

图4展示了本发明的第四实施方案的示意性的横截面图，

图5展示了本发明的第五实施方案的示意性的横截面图，和

图6展示了本发明的第六实施方案的示意性的横截面图。

在附图中，本发明的优点和特征用根据本发明的实施方案的各自辨识的附图标记标示，其中具有相同或者相同作用的功能的部件或者特征用相同的附图标记标示。

在附图中，不按比例地展示本发明的特征，得以能够展示各个特征的功能。各个部件的比例也是部分地不按比例地，这特别是由于严重放大展示的结构2和孔隙5。用本发明压印或者用于将相应的纳米结构压印到工件上的结构2，是在纳米和/或微米范围内的，而机器部件的尺寸数量级在厘米范围内。

结构印模1的压印面2o的各个结构2的尺寸优选在微米和/或纳米范围内。各个结构2的尺寸为小于1000 μm，优选为小于10 μm，更优选为小于100 nm，还更优选为小于10 nm，最大可能优选为小于1 nm。

在示于图1至4的实施方案中，展示了结构印模1、1'、1''、1'''，其通过直线运动与衬底4的目标表面4o接触。

在示于图5和6的实施方案中，展示了结构印模1^IV和1^V，其通过围绕结构印模1的旋转轴的旋转运动，连续地通过沿着目标表面4o的滚压与衬底4的目标表面4o接触。

图1展示了具有结构2的优选由PFPE制造的结构印模1的根据本发明的第一实施方案，在其压印面2o上粘附有压印材料3。压印材料3具有朝向压印面2o的第一表面 3o和朝向衬底4的目标表面4o的第二面3u。之前在未示出的涂敷步骤中通过将结构2浸渍到尤其液体的压印材料3的储存器中，将压印材料3施涂到压印面20上。

图2展示了优选由PFPE制造的结构印模1'的根据本发明的第二实施方案，其由于其孔隙5而不同于结构印模1。孔隙5具有开放的多孔性，从而能够进行压印材料3从印模1'的朝向压印面2o的背面1o至结构2的压印面2o的流体运输。

图3展示了优选由PFPE制造的结构印模1''的根据本发明的第三实施方案，其由于安置在其背面1o处的薄膜8而不同于印模1'。薄膜8具有凸起10，其将空腔9彼此分离。空腔9用于吸收压印材料3，其能够通过印模1''扩散，并且因此到达结构2的压印面2o上。凸起10可以特别是柱或者支柱或者拉长的跨整个宽度分布的壁。凸起10主要地用于支撑印模1''。薄膜8具有100至2000 μm的厚度。空腔9的高度或者凸起10的高度为100 μm至500 μm。薄膜8优选地在薄膜8和结构印模1的侧外缘11处与印模1''接合。对此，可以是指胶粘、焊接或者另外的优选的不可脱落的接合方式。

图4展示了印模1'''的根据本发明的第四实施方案，其装配在同样优选为多孔的载体14上。载体14优选地由陶瓷或者金属构成，或者由高强度和硬质的聚合物构成。印模1'''和载体14由屏障12围绕。在载体14上方的空腔15中，可以储存压印材料3。分子组分3通过支撑板14和印模1''' 的扩散，根据如同在其它的所提到的实施方案中那般进行。通过印模1'''的材料移动到载体14的多孔结构中或者在接合的制造过程中被强制压入（hineingezwungen），载体14可以与印模1'''接合。因为印模1'''的材料优选为非常软的，例如可以在载体14上制造印模1'''。在该制造过程中，由其制造印模1'''的高粘度，但是始终仍液态的压印物料已经可以部分地渗入载体14的孔隙中，并且因此提供两个元件之间的接合。在印模1'''的压印物料固化之后，其与印模14坚固地接合。然而根据本发明，载体14和印模1''' 不必须彼此接合，而也可以仅通过屏障12或者各个其它任意的装置相互靠近地压紧，或者至少束紧在一起。

图5展示了优选由PFPE制造的辊1形式的结构印模1^IV的根据本发明的第五实施方案，其可以看作是圆形印模。分配器6提供结构2的压印面2o与压印材料3的特别连续和持久的润湿。通过衬底4与结构印模1^IV的相应的相对运动，将压印材料3转移到目标表面4o上。在最优选的实施方案中，围绕旋转轴7可旋转地设置结构印模1^IV，而衬底4以速度v相对于辊而言平移或者切向地运动。

图6展示了优选由PFPE制造的辊1形式的结构印模1^IV的根据本发明的第六实施方案，其可以看作是圆形印模。结构印模1^V制造成空心轴。该空心轴内的空腔用作压印材料3的储存器。结构印模1^V具有由孔隙5构成的多孔的微结构，其允许压印材料3从空腔中通过到达结构2的表面2o上。通过对应于第五实施方案的衬底4相对于辊的相对运动，将分子组分3转移到目标表面4上。

附图标记列表

1、1'、1''、1'''   结构印模

1^IV、1^V                 结构印模

1o                  背面

2                   结构

2o                  压印面

3                   压印材料

3o                  第一面

3u                  第二面

4                   衬底

4o                  目标表面

5                   孔隙

6                   分配器

7                   旋转轴

8                   薄膜

9                   空腔

10                  凸起

11                  侧外缘

12                  屏障

14                  载体

15                  空腔

V                  速度

Claims (7)

1.借助结构印模(1)的压印面(2o)将压印材料(3)转移到衬底(4)的目标表面(4o)上以微接触压印结构的方法，其特征在于，压印材料(3)至少主要地由硅烷构成或者至少主要地由至少一种硅烷衍生物构成，或者为至少主要地由有机分子构成的分子组分，并且结构印模(1)为软质印模。

2.根据权利要求1的方法，其中所述的分子组分具有以下提到的结构的至少一种或者多种：

- 酶、

- 生物碱、

- 脂质、

- 激素、

- 信息素、

- 维生素、

- 碳水化合物、

- 肽、

- 核酸、

- DNA或者DNA-链、

- 细胞、

- 蛋白质或者肽、

- 烷烃、烯烃、炔烃、芳族化合物、

- 石墨烯。

3.根据前述权利要求任一项的方法，其中结构印模(1)具有10^-3 MPa至100 MPa，优选10^-2 MPa至80 MPa，更优选10^-1 MPa至60 MPa，最优选3 MPa至40 MPa的弹性/弹性模量。

4.根据前述权利要求任一项的方法，其中结构印模(1)是耐酸和/或耐碱的。

5.根据前述权利要求任一项的方法，其中结构印模(1)至少主要地，优选完全地由惰性材料构成。

6.根据前述权利要求任一项的方法，其中结构印模(1)是至少部分地，优选主要地多孔的。

7.根据前述权利要求任一项的方法，其中结构印模(1)由聚合物，特别是PFPE或者PDMS构成。