CN105378562A - 具有印模结构的印模及其制造装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及制造用于在基底或软印模上施加微-和/或纳米结构的具有印模结构的结构印模的方法，其中所述印模结构至少部分地用涂层涂覆。另外，本发明涉及相应的结构印模以及制造用于在基底或软印模上施加微-和/或纳米结构的具有印模结构的结构印模的装置，其中所述装置具有用于涂覆所述印模结构的涂覆工具。

Description

具有印模结构的印模及其制造装置和方法
本发明涉及如权利要求1所述的制造用于在基底或软印模上施加纳米结构的具有印模结构的印模的方法、如权利要求7所述的相应装置以及如权利要求5所述的结构印模。
在半导体工业中，必须对材料进行结构化工艺以能够制造相应的功能元件。过去几十年最重要的结构化工艺之一迄今仍是光刻术。
然而近年来除光刻以外，压印技术已被承认是新的替代性的结构化技术，其不仅，但目前仍主要用于结构化高度对称的尤其重复性的结构元件。通过压印技术，可通过印模工艺直接在压印物料中建立表面结构。由此产生的优点显而易见。可省去光刻工艺仍需要的用于显影和蚀刻的化学品。另外，现在已经可以压印纳米范围的结构尺寸，但用常规光刻术仅可通过极其复杂且尤其昂贵的装置才能制造它们。
在压印技术中，区分两种类型的印模，即硬印模及软印模。理论上可利用硬印模或软印模进行各种印模方法。然而，对于仅使用硬印模本身作为所谓的母印模和每当必要时由该母印模形成软印模（其随后用作实际的结构印模）而言，存在多种技术及经济原因。该硬印模因此是软印模的负型（Negativ）。仅在制造多个软印模时需要该硬印模。可通过不同的化学、物理及技术参数区分软印模与硬印模。将可想到由于弹性行为的区别。软印模具有主要归因于熵弹性的变形行为，硬印模具有主要归因于能弹性（Energieelastizität）的变形行为。另外，这两种印模类型例如可通过其硬度来区分。硬度是材料抵抗侵入物体的阻力。由于硬印模主要由金属或陶瓷组成，其具有相应的高硬度值。存在说明固体硬度的不同方式。一种非常常见的方法是维氏硬度的说明。不进行深入分析，可大致认为硬印模具有大于500 HV的维氏硬度。
尽管硬印模的优点在于其可通过合适的方法例如电子束光刻或激光束光刻由具有高强度和高刚度的材料的部件来直接制造。这种硬印模具有非常高的硬度且因此或多或少是耐磨的。然而，该高强度和耐磨性尤其面临着制造硬印模所需的高成本。即使硬印模可用于几百次压印步骤，其也随时间不再具有可靠的耐磨性。另外，技术上难以使该硬印模从压印物料脱模。硬印模具有相当高的抗弯强度。它们不能特别好地变形，因此在理想情况下必须将其沿法线方向（Normalrichtung）提起。在压印过程之后的硬印模脱模中，在此通常导致压印的纳米-和/或微结构的破坏，因为硬印模具有非常高的刚度且因此可破坏恰好成型的压印物料的微-和/或纳米结构。另外，基底可具有后续可导致硬印模的损伤或破坏的缺陷。然而如果硬印模仅用作母印模，则由该母印模成型软印模的过程是可以非常好地控制的，并伴随着非常少的母印模磨损。
软印模可非常容易地通过复制方法由母印模（硬印模）来制造。在此情况下，母印模为对应于软印模的负型。因此在母印模上压印该软印模，此后脱模，随后将其用作结构印模以在基底上压印印模结构。与硬印模相比，软印模可明显更容易、更温和和更不成问题地从压印物料上移除。另外，可从母印模成型任意多的软印模。在软印模具有一定程度的磨损后，丢弃该软印模并从母印模形成新的软印模。
当前现有技术的问题在于，软印模因其化学构造而尤其对其它分子化合物具有非常高的吸收能力。因此相比主要由金属、陶瓷或玻璃组成的硬印模而言，它们可渗透其它分子化合物。在金属和陶瓷微结构的情况下，在大多数情况下排除分子物质的吸收，然而在特殊硬印模的情况下，其也可导致分子物质的吸收。
在利用压印物料的压印工艺期间，软印模通常吸收压印物料的一部分。该吸收导致多种不希望的影响。
首先由于吸收压印物料分子，导致软印模膨胀。该膨胀在软印模表面上的微-和/或纳米结构区域中尤其成问题，因为少量压印物料分子已经足以使微-和/或纳米结构变形。由于软印模被使用多次，其在使用过程中吸收越来越多的压印物料分子。压印物料分子的吸收决定性地降低软印模的使用寿命。可通过不同探针例如原子力显微镜（AFM）、扫描电子显微镜（SEM）等直接测量该膨胀，或经由体积和/或重量增量来间接测量该膨胀。然而，体积和/或重量增量的测量需要具有非常高分辨率的测量装置。例如，可想到通过微-和/或纳米重量法测量该重量增量。
另外，所述压印物料是以热方式或通过电磁辐射来固化的。尤其在通过电磁辐射的固化中，已部分渗入印模中的压印物料分子对整个压印物料的曝光时间具有不利影响。对此的原因在于已渗入软印模中的压印物料分子的固化。软印模中的压印物料分子固化，因此变得较不透明，并因此降低传播到实际压印物料中的电磁辐射的强度。此问题对于软印模和硬印模同样重要。
软印模的粘附是第三个问题。软印模主要由物理和/或化学性质与压印物料相似的聚合物组成。因此导致软印模表面与压印物料粘附，其对软印模的脱模性能具有不利影响。
因此，本发明的目的是改进用于压印技术的结构印模的制造，从而改进该结构印模在使用寿命和成型品质方面的性能。
该目的通过权利要求1、5和7的特征实现。本发明的有利扩展实施方式示于从属权利要求中。来自说明书、权利要求和/或附图中给出的特征中至少两个的所有组合也涵盖在本发明的范围内。在给出的值范围的情况下，位于上述极限值内的值也应视为作为极限值公开并以任何组合的形式要求保护。
本发明涉及印模，优选软印模，其通过本发明的印模结构的涂层允许该印模从压印物料上极其容易地脱模，防止其膨胀，并使其不受实际压印物料的污染。根据本发明，该涂层因此相对于压印物料尤其是不可渗透的。当压印物料和本发明结构印模的涂层之间的亲水性和疏水性交替时，这是本发明特别的优点。如果压印物料是疏水性的，则本发明的结构印模的涂层应为亲水性，反之亦然。然而在非常特别的情况下，当结构印模和压印物料均为疏水性时，这可能是特别有利的。由于可选择本发明的结构印模的涂层，可始终选择具有相对于压印物料的小的粘附性能的材料。另外当本发明涂层对于压印物料分子不可渗透时，这根据本发明因此是有利的。另外当本发明涂层尽可能薄时，根据本发明是有利的，以在使用软印模弯曲着脱模的情况下尽可能不造成破坏。本发明的另一优点是该涂层的可以特别有针对性地调节的表面。根据本发明，可由此产生对于压印物料的极其平坦和光滑的接触表面。在不存在本发明涂层的情况下，压印物料将在压印过程期间与印模表面直接接触。尤其在表面具有极高粗糙度的软印模的情况下，这将对于待压印的结构造成不利影响。通过使用本发明涂层，首先通过较光滑表面而使与压印物料的接触面积最小化，其次基本上避免表面的形状决定性（formschlüssig）连接。由此导致更好的脱模。更好和更有效的脱模尤其归因于脱模所需的力变得较低。本发明涂层表面的粗糙度因此特别是小于1 μm，优选为小于100 nm，更优选为小于10 nm，最优选为小于1 nm。所公开的粗糙度值适用于平均粗糙度和/或均方根（quadratisch）粗糙度和/或平均粗糙深度（Rautiefe）。
在一个非常特别的实施方案中，本发明涂层是导电的。由此优选地防止或至少减少静电充电。还更优选地，本发明导电涂层可以制造为接地，从而导出其表面上产生的电荷。通过电中性表面，阻碍或完全消除颗粒的吸引力，特别是静电吸引力，并因此增加印模的更长时间的洁净。优选地，接地件接触本发明涂层的边缘。
亲水性理解为物质表面与水的高的相互作用能力。亲水性表面主要为极性，并且与流体分子的永久偶极，优选与水相当好地相互作用。表面亲水性通过接触角测量装置来定量。在此，亲水性表面具有非常小的接触角。如果本发明涂层必须具有亲水性表面以能够尽可能容易地从压印物料上脱模，根据本发明应适用下列值范围：本发明亲水性表面特别具有小于90°，优选小于60°，更优选小于40°，还更优选小于20°，最优选小于1°的接触角。
疏水性理解为物质表面与水的低的相互作用能力。疏水性表面主要为非极性，并且几乎不与流体分子的永久偶极相互作用。如果本发明的一个实施方案中的本发明涂层具有疏水性表面以能够尽可能容易地从压印物料上移除，根据本发明应适用下列值范围：本发明的疏水性表面特别具有大于90°，优选大于100°，更优选大于120°，还更优选大于140°，最优选大于160°的接触角。
本发明的印模特别是用于压印技术的压印印模。该印模设计为用于制造软印模的硬印模或优选设计为用于压印基底的软印模。还可想到直接用于压印所述压印物料且不仅仅用作母印模的硬印模的本发明涂层。
通过本发明涂层，印模从压印物料上的脱模能够通过使该涂层优选具有相对于压印物料的小的粘附来实现，而不损伤和/或（部分地）破坏结构。可通过能量/单位表面，即能量表面密度最佳地描述两个表面之间的粘附能力。其理解为沿单位表面将两个相互接合的表面再次彼此分离所需要的能量。本发明的压印物料与结构印模之间的粘附在此特别是小于2.5 J/m2，优选为小于1 J/m2，更优选为小于0.1 J/m2，还更优选为小于0.01 J/m2，最优选为小于0.001 J/m2，最大可能优选为小于0.0001 J/m2，最最优选为小于0.00001 J/m2。脱模由此比不具有涂层的印模或硬印模更容易、更快、更有效和更经济。更经济尤其是由于提高的脱模速度可增加每时间单位的压印步骤数量。另外，该印模的使用寿命急剧提高，从而由此还降低制造成本。
另外，由于该涂层的密封性，通过该涂层阻止结构印模，特别是软印模的膨胀，因为没有压印物料能够渗入软印模中。相应地，最大程度地避免印模结构的变形。
另外，如果涂层阻断压印物料吸收到印模结构中，压印物料的曝光时间通过该印模涂层而减少。如果通过该结构印模曝光压印物料，这根据本发明是尤其有利的。本发明涂层因此优选主要对于所用的电磁辐射是透明的。因为大多数压印物料经UV光固化，本发明涂层优选对UV光是透明的。本发明涂层因此特别在5000 nm至10 nm，优选1000 nm至100 nm，更优选700 nm至200 nm，最优选500 nm至400 nm的波长范围中是透明的。
特别地除该涂层以外，印模表面优选设计为具有对于压印物料的低的粘附性能。
根据本发明的另一方面，本发明基于通过本发明涂覆方法用涂层，优选金属涂层来涂覆所述印模，优选软印模的表面。
该印模结构和/或结构印模本身特别地至少主要，优选完全由以下材料中的至少之一组成：
● 聚合物，特别是
○ 聚二甲基硅氧烷（PDMS）
○ 全氟聚醚（PFPE）
○ 多面体低聚倍半硅氧烷（POSS）
○ 聚二甲基硅氧烷（PDMS）
○ 正硅酸四乙酯（TEOS）
○ 聚(有机)硅氧烷（硅酮）
○ 热塑性塑料
○ 热固性塑料
● 金属
● 陶瓷
● 玻璃。
在本发明软印模的情况下，该印模结构优选由聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成。另外，可根据本发明想到由上述材料的材料组合制造该印模，特别是印模结构。还可想到成套使用印模和背板，其中印模和背板特别由不同材料组成。使用多种不同材料导致由此制造的单个或组合的印模为本发明有利的混合印模。在此，背板可用于加固印模。然而，还可想到极其柔韧且仅用作印模的载体的背板。这时，该背板特别具有小于2000 μm，优选小于1000 μm，更优选小于500 μm，最优选小于100 μm的厚度。
然而，当所述结构印模或至少该结构印模的材料至少部分地由能够吸收压印物料的材料组成时，本发明涂层尤其为特别有效的。因此，以下材料的印模结构通过本发明涂层特别受保护：
● 聚二甲基硅氧烷（PDMS）
● 聚合物
● 全氟聚醚（PFPE）
● 陶瓷。
本发明的涂覆方法优选为以下方法之一：
● 化学气相沉积（CVD）
● 物理气相沉积（PVD）
● PE-CVD
● 电化学沉积
● 原子层沉积（ALD）
● 分子层沉积（MLD）。
根据本发明，优选为CVD方法，其特别用于沉积铬。
根据本发明，尤其使用以下材料/材料类别作为用于至少部分涂覆该印模结构的涂层材料：
● 金属
○ Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al
● 半导体材料
○ Si、Ge、α-Sn、Se、Te、B、GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGa1-xAs、InxGal-xN或上述材料的氧化物
● 陶瓷
○ 非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物）
○ Si3N4、BN、SiC
● 氧化物陶瓷
○ Al2O3、MgO、ZrO2、TiO、Ti2O3、TiO2
○ 低氧化物
● 玻璃
○ 硼硅酸盐玻璃、石英（SiO2）
● 聚合物
● 有机分子。
对于本发明涂层，优选选择具有对于压印物料的低粘附的材料，特别是以下材料：
● 金属，特别是
○ Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al。
在一个特别优选的实施方案中，将印模首先用本发明涂层材料涂覆，并随后额外地用抗粘附层涂覆，以额外地减小涂层材料与压印物料之间的粘附。该抗粘附层优选是具有对于压印物料的相当低的粘附性能的有机分子。如果该印模已对于压印物料分子是不可渗透的，正如对于例如金属、陶瓷或玻璃印模的通常情况那样，可省去作为扩散障碍的本发明涂层，并且可将该印模直接用抗粘附层（在此种情况下作为本发明涂层）涂覆。因此得到至少一个基于粘附的脱模性能方面的有利效果。
根据本发明的另一个有利实施方案，仅涂覆印模结构的印模表面，即特别是该印模结构的与压印物料接触的突起。这对于纳米接触压印而言尤其是令人感兴趣的。
在一个特别的实施方案中，将印模的印模结构的整个表面用本发明涂层涂覆。
本发明涂层的层厚度特别是小于1 mm，优选为小于100 μm，更优选为小于10 μm，最优选为小于1 μm，最可能优选为小于100 nm，最最优选为小于10 nm。
极小的层厚度也对所用电磁辐射的透明度具有有利作用。固体仅可吸收与该固体中的粒子（例如电子）或准粒子（特别是光学声子）相互作用的光子。该效应为每位物理学家而言是充分已知的。虽然现在无法避免该相互作用，但可通过电磁辐射强度来增加光子数量或根据本发明通过减小层厚度来减少固体中的粒子（或准粒子）数量，从而使第一亦即光子相比于第二亦即粒子和准粒子占优势。因此，固体不再参与与粒子（或准粒子）的激发，并且根据本发明通过减小涂层的层厚度而使光子能够穿透实际非透明的固体。该固体由于层厚度而至少部分是透明的。因此公开了，本发明涂层的小厚度对于穿透涂层的光子数量具有有利作用。这又对于被该涂层覆盖的压印物料的固化具有有利作用。
在压印物料的UV固化中，本发明涂层材料优选对于使压印物料交联的电磁辐射波长范围是至少部分透明的。在此，透明度为大于0%，优选为大于20%，更优选为大于50%，最优选为大于80%，最可能优选为大于95%。对于该光学透明度的波长范围特别是100 nm至1000 nm，优选为150 nm至500 nm，更优选为200 nm至400 nm，最优选为250 nm至350 nm。
如果使所述压印物料热固化，则印模，特别是本发明涂层具有尽可能高的导热率。在此，导热率为大于0.1 W/(m*K)，优选为大于1 W/(m*K)，优选为大于10 W/(m*K)，最优选为大于100 W/(m*K)，最可能优选为大于1000 W/(m*K)。
具有涂层的结构印模特别设计为对温度稳定的。该结构印模可以特别在高于25℃，优选高于100℃，更优选高于500℃，最优选高于1000℃，最可能优选高于1500℃的温度下使用。
该涂层材料的热膨胀系数与印模材料的热膨胀系数之间的比例为小于10000，优选为小于1000，更优选为小于100，还更优选为小于10，最优选为小于5，最可能优选为刚好1。
从权利要求、以下附图说明以及附图标记中得到本发明的其它特征。
图1显示了本发明第一制造步骤中印模的示意性横截面图，
图2显示了本发明第二制造步骤中印模的示意性横截面图，和
图3显示了本发明第三制造步骤中印模的示意性横截面图。
在其它实施方案中，公开了配有接地件4且用本发明层5涂覆的印模1的制造。
在图1的第一制造步骤中，将具有印模表面1o和结构2的印模1固定到背板3上。
在图2的第二制造步骤中，使导电层，接地件4尤其环形，优选仅设置在侧边缘上地沉积在印模1的侧旁在背板3的背板表面3o上。
在图3的第三制造步骤中，用本发明涂层5涂覆印模1，以使涂层5也与接地件4接触，且特别至少主要地，优选完全地覆盖其，并因此在涂层表面5o与接地件4之间产生导电接触。
接地件4优选完全环绕印模2。可通过导线L1例如在接地件4的侧边4s上移除电荷。替代或额外地，还可想到制造穿过背板3的钻孔6，以通过导线L2移除电荷。
如果可省去背板3，特别可想到在印模1的边缘上直接沉积接地件4。
附图标记
1 印模
1o 印模表面
2 结构
3 背板
3o 背板表面
4 接地件
5 涂层
5o 涂层表面
6 钻孔
L1、L2 导线。

Claims (7)

1.制造用于在基底或软印模上施加微-和/或纳米结构的具有印模结构的结构印模的方法，其中所述印模结构至少部分地用涂层涂覆。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述印模结构和/或所述结构印模特别地至少主要，优选完全由以下材料中的至少之一形成：
● 聚二甲基硅氧烷（PDMS）
● 聚合物
● 全氟聚醚（PFPE）
● 热塑性塑料
● 热固性塑料
● 金属
● 陶瓷
● 玻璃。
3.如权利要求1或2所述的方法，其中所述涂层通过以下所示方法中的至少之一来施加：
● 化学气相沉积（CVD）
● 物理气相沉积（PVD）
● PE-CVD
● 电化学沉积
● 原子层沉积（ALD）
● 分子层沉积（MLD）。
4.如前述权利要求中至少之一所述的方法，其中根据本发明使用以下材料/材料类别中的至少之一作为用于涂覆所述印模结构的涂层材料：
● 金属
● Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al
● 半导体材料
● Si、Ge、α-Sn、Se、Te、B、GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGa1-xAs、InxGal-xN
● 陶瓷
● 非氧化物陶瓷（碳化物、氮化物、硼化物、硅化物）
● Si3N4、BN、SiC
● 氧化物陶瓷
● Al2O3、MgO、ZrO2、TiO、Ti2O3、TiO2、SiO2
● 低氧化物
● 玻璃
● 聚合物
● 有机分子。
5.用于在基底或软印模上施加纳米结构的具有印模结构的印模，其中所述印模结构至少部分地用涂层涂覆。
6.如权利要求5所述的印模，其中所述印模结构由固化的聚合物，特别是弹性体，优选硅氧烷，优选由聚二甲基硅氧烷（PDMS）组成。
7.制造用于在基底或软印模上施加微-和/或纳米结构的具有印模结构的结构印模的装置，其中所述装置具有用于涂覆所述印模结构的涂覆工具。
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