CN107272344A - 曝光方法、曝光设备及三维结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种曝光方法、曝光设备及三维结构。该曝光方法包括：涂布光可固化材料于基板上；利用光纤提供第一光源进行曝光，使光可固化材料的至少一部分固化，以形成第一光固化材料，其中光纤具有光输出端，以及朝向光输出端逐渐缩窄的锥状部分；以及移除未受到第一光源曝光的光可固化材料，保留第一光固化材料。通过实施本发明，可大幅降低光输出面积及三维结构的临界尺寸。

Description

曝光方法、曝光设备及三维结构

技术领域

本发明是有关于一种3D打印技术，且特别是有关于一种曝光方法、曝光设备及其所形成的三维结构。

背景技术

由于具备低成本、工艺简单等优点，近年来3D打印技术广泛受到设计及制造业的注目。然而，受限于制作设备的技术能力，所制作的3D结构的临界尺寸皆为数十微米的等级，不利于生产微型且精细的产品。

举例而言，以喷墨式打印(Inkjet Print)工艺所制作的3D结构，最终结构的临界尺寸受到墨滴的尺寸所限制。再者，以选择性激光烧结(Selective Laser Sintering)或选择性激光熔化(Selective Laser Melting)工艺所制作的3D结构，最终结构的临界尺寸则是受到光源的光束尺寸(beam size)所限制。由于临界尺寸无法进一步缩小，因而限制了3D打印在微机电系统及打印电子方面的应用。因此，仍有需要对3D打印技术进行改良，以使其具有更小的临界尺寸。

发明内容

本发明的一实施例提供一种曝光方法，包括：涂布光可固化材料于基板上；利用光纤提供第一光源进行曝光，使光可固化材料的至少一部分固化，以形成第一光固化材料，其中光纤具有光输出端，以及朝向光输出端逐渐缩窄的锥状部分；以及移除未受到第一光源曝光的光可固化材料，保留第一光固化材料。

本发明的另一实施例提供一种曝光设备，包括：承载平台，其中承载平台用以放置光可固化材料；光源模块，其中光源模块包括光纤，其中光纤具有光输出端，以及朝向光输出端逐渐缩窄的锥状部分，且光纤提供光源以对光可固化材料实施曝光步骤；以及控制模块，控制光纤的移动。

本发明的又一实施例提供一种三维结构，包括：基板；以及光固化结构，形成于基板上，且其中光固化结构在垂直于基板的上表面的方向具有10μm-1000μm的高度，且固化结构在平行于基板的上表面的方向上具有宽度及长度，其中宽度与长度中的至少其中一个为1nm-100nm。

本发明实施例的有益效果在于，通过实施本发明，可大幅降低光输出面积及三维结构的临界尺寸。

附图说明

图1为本发明一些实施例的曝光设备的剖面示意图。

图2A至图2B为本发明一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。

图3为图2A中区域R的放大剖面示意图。

图4A至图4E为本发明一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。

图5A至图5E为本发明另一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。

图6A至图6B为本发明一些实施例的形成一具有锥状部分的光纤的工艺剖面示意图。

附图标号

100～曝光设备

110～承载平台

120～光源模块

130～控制模块

202～基板

204、204-1、204-2～光可固化材料

204a、204a-1、204a-2、204b-1～光固化材料

206～掩膜

210～光纤

210-A～光输出端

210-B～锥状部分

212～光源产生器

220、510～光源

250、260～三维结构

260a～第一部分

260b～第二部分

610～刻蚀槽体

620～刻蚀溶液

630～控制器

D～距离

L～长度

R～区域

W～宽度

Δx、Δy、Δz～临界尺寸

具体实施方式

为使本发明的上述和其他目的、特征、优点能更明显易懂，下文特举出较佳实施例，并配合所附图式，作详细说明如下。为简化图式与突显技术特征，各元件可能未依照比例描绘。在各实施例中可能会出现相同的元件符号以简化描述，但这不代表各实施例之间必然有特定的关联性。

图1为本发明一些实施例的曝光设备100的剖面示意图。请参照图1，曝光设备100可包括承载平台110、光源模块120以及控制模块130。承载平台110用以放置基板202。在一些实施例中，可利用承载平台110的真空系统(未绘示)先将基板202固定于承载平台110上，再将欲进行曝光的材料，例如，光可固化材料204涂布于基板202上。在一些实施例中，承载平台110可被配置用以控制基板202及光可固化材料204在Z轴方向的移动。换言之，可通过承载平台110控制光可固化材料204与光源模块120之间的距离。

光源模块120包括光源产生器212及光纤210。光源模块120可被配置用以提供将光可固化材料204固化的曝光光源。曝光光源可包括紫外光。曝光光源的波长λ可为100nm-450nm。在一些实施例中，光源波长λ可为100nm-400nm。在另一些实施例中，光源波长λ可为200nm-400nm。曝光光源可为线光源或激光。

请继续参照图1，光纤210具有光输出端210-A以及朝向光输出端210-A逐渐缩窄的锥状部分210-B。在曝光步骤中，光纤210被配置用以将光源产生器212所发射的曝光光源传导至光可固化材料204。相较于不具有锥状部分的光纤，由于光纤210具有锥状部分210-B，因此可大幅缩小光输出端210-A的光输出面积，进而可大幅降低三维结构的临界尺寸，此部分将于下文中详细讨论。

控制模块130被配置用以控制光纤210在X轴、Y轴及Z轴方向的移动，藉以对光可固化材料204进行区域性曝光(localized exposing)。其中，通过控制光纤210在Z轴的移动，控制模块130可调整所曝光的线宽，并有助于降低三维结构的临界尺寸。在一些实施例中，控制模块130例如可使用适用于原子力显微镜的控制模块，其通常可包括压电陶瓷扫描器、悬臂梁、偏移量检测器、扫描器、回馈电路及电脑控制系统。在此为简化图式，仅示意性的绘示悬臂梁。

图2A至图2B为本发明一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。请参照图2A，首先，在基板202上涂布一层光可固化材料204。基板202可包括半导体基板、玻璃、高分子材料、陶瓷、金属或上述的组合。光可固化材料204为具有流动性的高分子材料，可均匀涂布于基板202的表面上而形成一薄膜。当光可固化材料204受到特定波长的光线照射(曝光)时，高分子会产生交联反应而被固化。光可固化材料204具有光可固化的官能基团，例如，烯基、羧基(carboxyl group)、不饱和聚酯基(unsaturatedpolyester group)、丙烯酰基(acryl group)、环氧基(epoxy)或其他合适的官能基团。光可固化材料204可使用任何适合光可固化材料。在一些实施例中，光可固化材料204可包括负型光刻胶材料，例如，酚醛树脂(phenolic resins)、聚异戊二烯橡胶(polyisoprene rubber)或其他负型光刻胶材料。在一些实施例中，光可固化材料204可包括环氧树脂、丙烯酸系树脂或其他合适的光可固化高分子。

继续参照图2A，然后，利用光纤210将光源220传导至光可固化材料204的表面，藉以对部分的光可固化材料204进行曝光，以形成光固化材料204a。请参照图2B，接着，在形成光固化材料204a之后，移除未受到光源220曝光而固化的光可固化材料204。在此可理解的是，光固化材料204a的尺寸是取决于光输出端210-A的光输出面积。光输出面积越小，则固化的材料204a的尺寸也越小。在本发明中，通过在光纤210的一端形成锥状部分210-B，可大幅降低光输出端210-A的光输出面积。因此，可有效降低三维结构的临界尺寸。

图6A至图6B为本发明一些实施例的形成一具有锥状部分的光纤210的工艺剖面示意图，图中虚线部分为光纤210的尖端在刻蚀溶液620的放大示意图。请参照图6A，首先，在刻蚀槽体610中装入刻蚀溶液620，并将光纤210的一部分浸泡于刻蚀溶液620中。接着，如图6B所示，利用控制器630缓慢且逐渐地将光纤210自刻蚀溶液620中抽离。由于越靠近端点的部分浸泡于刻蚀溶液620中的时间越久，因此光纤材料被刻蚀移除的量也越多。如此一来，即可形成具有锥状部分210-B的光纤210。

光纤210可选用已知的光纤材料。在一些实施例中，光纤210可包括石英玻璃。刻蚀溶液620可为酸性溶液、碱性溶液或其他合适的刻蚀溶液。可依据光纤210的材料选择合适的刻蚀溶液620。举例而言，在光纤210为石英玻璃的实施例中，可选择氢氟酸(HF)溶液作为刻蚀溶液620。

控制器630的功能在于控制光纤210自刻蚀溶液620中抽离的速度。通过调整光纤210的抽离速度，可调整锥状部分210-B的剖面轮廓(profile)以及光输出端210-A的光输出面积大小。举例而言，抽离速度越慢，光输出端210-A的光输出面积越小。在一些实施例中，控制器630可包括步进式电机。

如第6B图所示，通过浸泡于刻蚀溶液620中，可大幅降低光纤210的光输出端210-A的光输出面积。在一些实施例中，光输出端210-A的光输出面积为10nm²-10⁶nm²。在一些实施例中，光输出端210-A的光输出面积为10nm²-10⁵nm²。在一些实施例中，光输出端210-A的光输出面积为10nm²-10⁴nm²。由于光输出端210-A的光输出面积降低，提高了曝光工艺的解析度，三维结构的临界尺寸亦可随之降低。

在本实施例中，是采用等向性的刻蚀方法刻蚀，且所采用的光纤210为圆柱状，因此所得到的光输出端210-A具有实质上呈圆形的切面。然而，本发明并不以此为限。光输出端210-A亦可具有其他形状的切面，例如，矩形、椭圆形或不规则多边形。为了改变光输出端210-A的切面形状，可使用具有其他形状(例如，矩形)切面的光纤210进行上述刻蚀步骤，或是可采用其他刻蚀方法(例如，干式刻蚀)刻蚀光纤210。此外，亦可使用机械研磨或模造成型的方法形成锥状部分210-B。

本案发明人发现锥状部分210-B的剖面轮廓、光可固化材料的选择以及光纤与光可固化材料的距离皆可能会影响曝光工艺。这些参数将于下文中详细讨论。

图3为图2A中区域R的放大剖面示意图。请参照图3，锥状部分210-B的剖面轮廓具有长度L及宽度W。长度L与宽度W的比例L/W可控制于特定的范围之内。在一些实施例中，长度L与宽度W的比例L/W为5-20。若L/W的比值太小，曝光光源将在锥状部分大量损失，而难以有效固化光可固化材料。另外，当L/W的比值太小时，因浸泡于刻蚀溶液中的长度L太短，会难以控制浸泡时间。一旦浸泡时间太短，则光纤受到刻蚀移除的量太少，无法有效降低光输出端210-A的光输出面积。反之，若浸泡时间太长，则光纤受到刻蚀移除的量太多，因此锥状部分210-B的宽度无法逐渐缩窄，而是急遽地缩窄。如此一来，将导致光纤断裂。然而，若L/W的比值太大，则锥状部分210-B的长度L太长，控制模块将难以精准地控制光纤的移动量，且在移动光纤的过程中，可能会造成光纤的弯折或挠曲。

仍请参照图3，锥状部分210-B的长度L可依据所使用的曝光光源波长而控制于特定的范围之内。在一些实施例中，曝光光源的波长为λ，且长度L与波长λ的比例L/λ例如是大于10。值得注意的是，当光纤210的轮廓变化过于剧烈时，会大幅降低光纤210收束曝光光源的能力。因此，通过控制锥状部分210-B的长度L与波长λ的比例L/λ大于10，可确保光纤210的轮廓变化不会对曝光光源的收束产生影响，提高本发明曝光工艺的稳定性。

在此特别说明的是，在选择光可固化材料时，需要考虑的是光可固化材料与曝光光源的匹配，以及光可固化材料的折射率与光纤的折射率的比例。当使用能量不匹配的曝光光源，可能导致光固化材料固化不完全或固化反应速率太低。如此一来，将提高能源消耗及生产成本并且降低产品的产率。因此，可依据曝光光源的波长选用合适的光可固化材料，亦可依据光可固化材料使用所需的曝光光源。在一些实施例中，光可固化材料可以是具有不饱和聚酯基、丙烯酰基或环氧基等官能基团的高分子材料，且所使用的曝光光源是波长100nm-400nm的UV光。另外，为了使光线能够从光输出端输出而进入光可固化材料，光可固化材料的折射率与光纤的折射率应尽可能相近。若光可固化材料的折射率太低，则光线可能会在光纤与光可固化材料的界面产生全反射，而使光线无法进入光可固化材料。在一些实施例中，光纤的折射率为n1，光可固化材料的折射率为n2，且n1/n2为0.9-1.1。在另一些实施例中，光纤的折射率n1可实质上等于光可固化材料的折射率n2。

仍请参照图3，在进行曝光步骤的期间，光纤210与光可固化材料204相隔一段距离D。在本发明中，此距离D亦被称为光纤与光可固化材料的最短距离。距离D可控制于特定的范围之内。在一些实施例中，光纤与光可固化材料的距离D为0.1nm-100nm。在另一些实施例中，光纤与光可固化材料的距离D为0.1nm-1nm。若距离D太小因而使光纤直接接触光可固化材料，则尚未固化的光可固化材料可能会附着于光纤的表面并且固化，并导致光纤的使用寿命缩短，亦可能会刮伤光可固化材料的表面，进而降低产品良品率且提高生产成本。反之，若距离D太大，则光纤的光输出效率降低。如此一来，将导致曝光固化的时间必须延长，进而降低生产效率。再者，若距离D太大，则从光纤输出的光聚焦的效果会变差。因此，所得到的三维结构的临界尺寸也会随之增大，不利于临界尺寸的微小化。

由于光可固化材料或下方基板的表面粗糙度不一，可能会使得光纤与光可固化材料的距离D产生变化，而影响曝光工艺的均匀性。因此，在本发明一些实施例中，可通过控制模块(未绘示)动态对光纤于Z轴进行微调，使得光纤与光可固化材料保持固定的距离，以提升曝光工艺在不同区域的均匀性。如前所述，控制模块例如为可适用于原子力显微镜等具有垂直微调能力的控制模块。

本发明亦提供一种曝光方法。图4A至图4E为本发明一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。请参照图4A，首先，于基板202上涂布光可固化材料204-1。基板202与光可固化材料204-1的材料如上文所述，在此不再详述。可利用合适的方法涂布光可固化材料204，例如，旋转涂布法(spin coating)、浸渍涂布法(immersion coating)、喷涂法(spray coating)、印刷法(printing)等等。接着，如图4B所示，利用光纤210将光源220传导至光可固化材料204-1的表面，藉以对至少一部分光可固化材料204-1的表面进行曝光，以形成光固化材料204a-1。

请参照图4C，涂布光可固化材料204-2于光可固化材料204-1上。接着，请参照图4D，利用光纤210将光源220传导至光可固化材料204-2的表面，藉以对至少一部分光可固化材料204-2的表面进行曝光，以形成光固化材料204a-2。光可固化材料204-2所选用的材料的与涂布方法可类似于光可固化材料204-1，在此不再详述。在一些实施例中，光可固化材料204-2相同于光可固化材料204-1。在另一些实施例中，光可固化材料204-2也可不同于光可固化材料204-1，因此可视需要更换光纤210与曝光光源220。

在一些实施例中，可重复进行图4A-图4B的步骤多次，以得到所需的三维结构。在其他实施例中，当光可固化材料204-2不同于光可固化材料204-1时，依据所需的三维结构，可分别重复进行图4A-图4B与图4C-图4D的步骤多次，以使最终结构中的光固化材料204a-1与204a-2分别具有所需的厚度。此厚度是沿着垂直于基板上表面的方向(即，Z轴方向)量测而得，因此在本发明中，此厚度亦可被称为高度。光固化材料204a-1与204a-2的高度可达到微米级以上。在一些实施例中，光固化材料204a-1与204a-2的高度可为10μm-1000μm。

应注意的是，在本发明中所列举的实施例仅用于说明，并非用以限定。本领域人士应可理解，依据所需的三维结构，光可固化材料可包括3种或3种以上，并且可依据所需的高度分别决定每一种光可固化材料的曝光步骤重复次数。

请参照图4E，在所有曝光步骤完成之后，移除未受到光源220曝光的光可固化材料204-1及204-2，并保留光固化材料204a-1及204a-2，以形成三维结构250。可使用合适的方法移除光可固化材料204-1及204-2，例如，等离子体灰化或利用显影剂清洗。在本实施例中，为了缩短工艺所费时间，光可固化材料的移除步骤是在所有曝光步骤完成之后实施。然而，移除光可固化材料的步骤的顺序及次数可视需要调整。举例而言，在一些实施例中，可在每一次曝光步骤完成之后实施一次移除光可固化材料的步骤。

请参照图4E，三维结构250在X方向上的尺寸为Δx，在Y方向上的尺寸为Δy，在Z方向上的尺寸为Δz。Δx、Δy及Δz能够实现的最小值分别被定义为三维结构250在X、Y及Z方向上的临界尺寸。应可理解的是，三维结构250在X、Y及Z方向上的临界尺寸分别取决于光纤210在X、Y及Z方向上最小移动距离(亦即，控制模块在X、Y及Z方向上的控制精准度)。如上所述，在一些实施例中，当使用原子力显微镜的控制模块控制光纤210的移动时，光纤210在X、Y及Z方向上最小移动距离可达到纳米等级，并可大幅降低三维结构的临界尺寸。在一些实施例中，三维结构250在X、Y及Z方向上的临界尺寸Δx、Δy及Δz可各自为1nm-100nm。

图5A至图5E为本发明另一些实施例的曝光方法的工艺剖面示意图。为了简化说明，图5A至图5E中相同于图4A至图4E的部分不再详述。请参照图5A，涂布光可固化材料204于基板202上。接着，请参照图5B，提供一掩膜206作为遮罩，利用光源510对光可固化材料204表面的一部分进行曝光，以形成光固化材料204b-1，如图5C所示。在形成光固化材料204b-1之后，移开掩膜206。然后，请参照图5D，在移开掩膜206之后，利用前述实施例所述的方法，以光纤210及光源220，对光可固化材料204的剩余部分(亦即，先前受到掩膜206遮蔽的部分或未经过光源510固化的部分)进行曝光，以形成光固化材料204a-1。

请参照图5E，可重复进行图5A-图5D的步骤多次，以完成三维结构260。三维结构260包括第一部分260a及第二部分260b。第一部分260a使用光纤210及光源220曝光固化，因此具有较小的临界尺寸。第二部分260b因使用光源510进行大面积曝光固化，所以临界尺寸远大于第一部分260a。特别说明的是，在本实施例中是先以掩膜206及光源510进行大面积曝光，再以光纤210及光源220对未经过光源510固化的部分进行曝光。在其他实施例中，亦可视需要先以光纤210及光源220进行小面积的曝光之后，再以掩膜206及光源510进行大面积曝光。

图5A至图5E所绘示的实施例为一种两步骤曝光方法，其使用波长相同但是光输出面积不同的光源。利用光输出面积极小的光源进行极小面积的曝光及固化反应，可降低三维结构的临界尺寸。另一方面，利用光输出面积较大的光源进行大面积的曝光及固化反应，可大幅降低工艺所需的时间且提高生产效率。因此，本实施例可快速且大量生产高复杂度与高精密度的三维结构。

综上所述，本发明提供一种曝光设备。此曝光设备包括具有锥状部分的光纤，因此可大幅降低光输出面积及三维结构的临界尺寸。再者，此曝光设备控制光纤于X、Y、Z方向的移动，可同时降低三维结构在三维方向上的临界尺寸，同时亦可提升曝光工艺在不同区域的均匀性。另外，本发明亦提供一种曝光方法。在一些实施例中，此曝光方法通过使用具有锥状部分的光纤进行光可固化材料的曝光及固化，可大幅降低三维结构的临界尺寸。在另一些实施例中，本发明提供一种两步骤曝光方法。此两步骤曝光方法通过使用波长相同但光输出面积不同的光源进行光可固化材料的曝光及固化，可快速且大量生产高复杂度与高精密度的三维结构。

虽然本发明已以多个较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作任意的更动与润饰，本发明的保护范围当视权利要求所界定者为准。

Claims (14)

1.一种曝光方法，其特征在于，包括：

涂布步骤：涂布一光可固化材料于一基板上；

曝光步骤：利用一光纤提供一第一光源进行曝光，使该光可固化材料的至少一部分固化，以形成一第一光固化材料，其中该光纤具有一光输出端，以及朝向该光输出端逐渐缩窄的一锥状部分；以及

移除步骤：移除未受到该第一光源曝光的该光可固化材料，保留该第一光固化材料。

2.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，该光输出端具有一10nm²-10⁶nm²的光输出面积。

3.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，该光纤的该锥状部分的剖面轮廓具有一长度L及一宽度W，其中该长度L与该宽度W的比例L/W的取值范围为5-20。

4.如权利要求3所述的曝光方法，其特征在于，该光源具有一波长λ，且该长度L与该波长λ的比例L/λ大于10。

5.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，该光纤具有一第一折射率n1，该光可固化材料具有一第二折射率n2，且该第一折射率与该第二折射率的比例n1/n2的取值范围为0.9-1.1。

6.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，在曝光该光可固化材料时，该光纤与该光可固化材料的最短距离的取值范围为0.1nm-100nm。

7.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，更包括重复该涂布步骤、曝光步骤及移除步骤至少1次，以形成一三维结构。

8.如权利要求1所述的曝光方法，其特征在于，在利用一光纤提供一第一光源进行曝光之前，更包括：

形成一图案化掩膜层于该光可固化材料上；

利用一第二光源对未受到该图案化掩膜层覆盖的该光可固化材料进行曝光，以形成一第二光固化材料；以及

移除该图案化掩膜层，其中利用一光纤提供一第一光源进行曝光的步骤是针对该第二光固化材料之外的该光可固化材料实施。

9.一种曝光设备，其特征在于，包括：

一承载平台，其中该承载平台用以放置一光可固化材料；

一光源模块，其中该光源模块包括一光纤，其中该光纤具有一光输出端，以及朝向该光输出端逐渐缩窄的一锥状部分，且该光纤提供一光源以对该光可固化材料实施一曝光步骤；以及

一控制模块，控制该光纤的移动。

10.如权利要求9所述的曝光设备，其特征在于，该光输出端具有一10nm²-10⁶nm²的光输出面积。

11.如权利要求9所述的曝光设备，其特征在于，该光纤的该锥状部分的剖面轮廓具有一长度L及一宽度W，其中该长度L与该宽度W的比例L/W的取值范围为5-20。

12.如权利要求10所述的曝光设备，其特征在于，该光源具有一波长λ，且该长度L与该波长λ的比例L/λ大于10。

13.如权利要求9所述的曝光设备，其特征在于，控制模块使该光纤在X方向上移动的最小距离为Δx，在Y方向上移动的最小距离为Δy，在Z方向上移动的最小距离为Δz，其中该Δx、Δy、Δz中的至少一个的取值范围为1nm-100nm。

14.一种三维结构，其特征在于，包括：

一基板；以及

一光固化结构，形成于该基板上，且其中该光固化结构在垂直于该基板的上表面的方向具有一10μm-1000μm的高度，且该固化结构在平行于该基板的上表面的方向上具有一宽度及一长度，其中该宽度与该长度中的至少其中一个的取值范围为1nm-100nm。