CN108153108A - 一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法 - Google Patents

一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法，包括以下步骤：步骤一：基板预处理；步骤二：制造牺牲结构；根据所要制造的微纳模具图形结构，采用热熔融电流体动力喷射打印在硅基板上制造出牺牲结构；步骤三：复制或转移牺牲结构；以打印的牺牲结构为掩模，将牺牲结构复制或转移到基板上；步骤四：去除牺牲结构；将基板上残余的牺牲结构去除，然后将基板去离子水超声处理20min，制得具有所需微纳结构图案的母模板；步骤五：母模板抗粘附处理。本发明结合热熔融电流体动力喷射打印、刻蚀或者微电铸的优势，实现大尺寸无拼接微纳模具的制造，尤其是具有能够实现米级尺度无拼接微纳模具快速和低成本制造的独特优势。

Description

一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法
技术领域
本发明涉及一种模具制造方法，更具体涉及一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法。
背景技术
高清平板显示、高效太阳能电池板、抗反射和自清洁玻璃、LED图形化、晶圆级微纳光学器件等领域为了改进和提高产品的性能和品质，对于大面积微纳图形化技术有着非常巨大的产业需求，这些产品其共同特征是需要在大尺寸非平整刚性衬底上(硬质基材或者基板)或者易碎衬底高效、低成本制造出大面积复杂三维微纳米结构。大尺寸OLED、LCD、光伏太能电池板等领域对于透明电极等超微细导电图形也有着巨大产业需求。纳米压印为高效和低成本制造大面积复杂微纳米结构提供了一种具有工业化应用前景的解决方案，尤其基于软模具的纳米压印光刻工艺具有在非平整表面、曲面、易碎衬底上实现大面积微纳图形化的独特优势。但是大尺寸微纳模具，尤其是大尺寸无拼接微纳模具(母模)的制造是当前大面积纳米压印和大面积微纳图形化技术所面临的一项挑战性难题。现有的电子束光刻、聚焦离子束制造、干涉光刻等微纳制造技术在实现大尺寸无拼接微纳模具制造方面面临许多不足和局限性，诸如加工成本、制造周期、最大图形化面积等，尤其是现有的技术几乎无法实现8英寸以上大尺寸无拼接纳尺度模具的制造，这已经成为制约当前大面积纳米压印和微纳图案化广泛工业化应用的最大技术瓶颈。
电流体动力喷射打印(亦称为电喷印)是近年新出现的一种大面积微纳图形化技术，它具有成本低、分辨率高、超大图形化面积(米级尺度)、效率高、可用材料种类多、适用于软、硬等多种衬底或者基材的显著特点和优势。这为大尺寸无拼接微纳模具制造提供了一种全新的解决方案。
发明内容
本发明的目的是在于提供一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术措施：
一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法，包括以下步骤：
步骤一：基板预处理；
步骤二：制造牺牲结构；
牺牲结构为制作模具的辅助结构；
根据所要制造的微纳模具图形结构，采用热熔融电流体动力喷射打印在基板上制造出牺牲结构；
步骤三：复制或转移牺牲结构；
以打印的牺牲结构为掩模，将牺牲结构复制或转移到基板上；
步骤四：去除牺牲结构；
将基板上残余的牺牲结构去除，然后将基板去离子水超声处理20min，制得具有所需微纳结构图案的母模板；
步骤五：母模板抗粘附处理；
进一步的，所述步骤一中的基板采用单晶硅或者多晶硅作为基板，为了提高打印牺牲结构对硅基板的附着力，采用等离子处理机对硅基板表面进行等离子轰击处理，提高硅基板抗黏附性能。
进一步的，所述步骤二中以聚乙烯醇PVA作为电喷印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，采用热熔融电流体动力喷射打印在硅基板上制造出牺牲结构。
热熔融电流体动力喷射打印打印的材料(牺牲结构材料)包括：聚己内酯PCL、聚乙烯醇PVA等热塑性材料。
进一步的，所述步骤三中以打印的PVA牺牲结构为掩模，采用刻蚀工艺将牺牲结构图形转移到硅基板上。
所采用的刻蚀工艺包括等离子刻蚀、反应离子刻蚀、或者湿法刻蚀等。
进一步的，所述步骤四中去除牺牲结构时，将硅基板置于去离子水中，水浴加热，保持温度在95℃，同时进行超声处理30min，将刻蚀后残留在硅模具上的牺牲结构PVA材料完全溶解在去离子水中；然后将模具置于异丙醇溶液中，进行超声处理20min，再将模具置于去离子水中超声处理20min；最后氮气吹干，制得具有所需微纳结构图案的硅基母模板。
进一步的，所述步骤一中的基板为玻璃材质，并对玻璃基板预进行超声清洗30min，然后氮气吹干，然后在玻璃基板上溅射一层约100nm厚的电铸种子层。
微电铸材料包括金属镍、金属铬、金属铜等材料。
进一步的，所述步骤二中以聚己内酯PCL作为热熔融电流体动力喷射打印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，使用热熔融电流体动力喷射打印工艺在玻璃基板上打印出牺牲结构；
进一步的，所述步骤三中以打印的牺牲结构为掩模，采用微电铸工艺，在玻璃基板电铸种子层材料上形成电铸层，从而沉积复制出牺牲结构。
进一步的，所述步骤四中去除牺牲结构时，采用有机溶剂去除牺牲结构PCL，将玻璃基板和电铸沉积的结构置于四氢呋喃THF中超声处理30min，去除牺牲结构材料PCL，然后用去离子水超声处理20min，制得具有所需微纳结构图案的玻璃母模板。
进一步的，所述步骤五对母模板进行抗粘附处理时，首先对母模板进行清洗，丙酮超声处理20min；去离子水超声20min；异丙醇超声处理20min；异辛烷超声处理20min；以异辛烷为溶剂，配置1％浓度的十七氟癸基三氯硅烷溶液FDTS，静置15min；然后，将母模板放入其中浸泡30min；然后分别用异辛烷、丙酮、异丙醇于超声条件下各清洗20min；从而使母模板表面产生抗粘附层，最后进行氮气吹干。
对于聚己内酯PCL，可以采用丙酮，四氢呋喃THF，富马酸二甲脂DMF，甲苯，二氯甲烷等溶剂溶解去除。对于PVA，将其置于加热到95℃以上水溶液中，时间30分钟后完全去除。
本发明结合热熔融电流体动力喷射打印、刻蚀或者微电铸的优势，实现大尺寸无拼接微纳模具的制造，尤其是具有能够实现米级尺度无拼接微纳模具快速和低成本制造的独特优势，本发明的显著优势包括：
(1)实现超大尺寸米级尺度无拼接微纳模具快速和低成本制造。
(2)具有制造成本低，效率高的突出特点。
(3)工艺简单，不需要专用的设备，充分利用现有的设备。
(4)本发明制造的大尺寸模具没有拼接误差，精度高。
(5)该方法可扩展性和灵活性高，适合批量化制造。
(6)本发明尤其适合线栅结构、网格结构超大尺寸微纳模具制造。
本发明为大面积纳米压印领域所需要的大尺寸无拼接微纳母模的制造提供了一种全新的解决方案，尤其是为大尺寸OLED、触控屏、太阳能电池板、LCD等领域所需要的大尺寸和大面积电极(透明电极)和超微细电路的制造提供一种具有广泛工业化应用前景的全新解决方案，而且具有精度高、无拼接、超大尺寸、低成本、高效的独特优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施实例1制作大尺寸无拼接微纳模具原理示意图。
图2是本发明实施实例2制作大尺寸无拼接微纳模具原理示意图。
图中：1—基板，2—牺牲结构，3—抗粘附层，4—电铸种子层，5—电铸层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
正如背景技术所介绍的，现有技术中存在的是现有的电子束光刻、聚焦离子束制造、干涉光刻等微纳制造技术在实现大尺寸无拼接微纳模具制造方面面临许多不足和局限性，诸如加工成本、制造周期、最大图形化面积等，尤其是现有的技术几乎无法实现8英寸以上大尺寸无拼接纳尺度模具的制造。为了解决如上的技术问题，本申请提出了一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法。
以下结合附图，对本发明的结构作进一步描述。
实施实例1
本实施例以热熔融电流体动力喷射打印制造大面积牺牲结构2，随后通过刻蚀工艺将牺牲结构2转移到硅基板上，所制造的图形结构是线栅结构。制造过程如图1所示，具体制备步骤包括：
(1)基板1预处理：A1对硅基板等离子轰击处理
采用单晶硅或者多晶硅作为基板1(基底)。为了提高打印牺牲结构2对硅基板的附着力，采用等离子处理机对硅基板表面进行等离子轰击处理，提高硅基板抗黏附性能。
(2)制造牺牲结构2：A2采用热熔融电流体动力喷射打印制造牺牲结构2
以聚乙烯醇(PVA)作为电喷印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，采用热熔融电流体动力喷射打印在硅基板上制造出牺牲结构2。
打印牺牲结构2图形为：线宽2μm，周期3μm，高度1μm的线栅结构，有效图形区域面积为500mm X 500mm。
(3)复制或转移牺牲结构2：A3采用反应离子刻蚀工艺对硅基材料进行刻蚀和图形转移
以打印的PVA牺牲结构2为掩模，采用反应离子刻蚀工艺将牺牲结构2图形转移到硅基板上。在硅基板上转移的结构是线宽2μm，周期3μm，高度400nm的线栅结构。
(4)去除牺牲结构2：A4除去硅模具牺牲结构2PVA材料
将硅基板(硅模具)置于去离子水中，水浴加热，保持温度在95℃，同时进行超声处理30min，将刻蚀后残留在硅模具上的牺牲结构2PVA材料完全溶解在去离子水中；然后将模具置于异丙醇溶液中，进行超声处理20min，再将模具置于去离子水中超声处理20min；最后氮气吹干，制得具有所需微纳结构图案的硅基母模板。
(5)母模板抗粘附处理：A5对硅模具表面进行抗粘附处理
首先对母模板进行清洗，丙酮超声处理20min；去离子水超声20min；异丙醇超声处理20min；异辛烷超声处理20min；以异辛烷为溶剂，配置1％浓度的十七氟癸基三氯硅烷溶液(FDTS)，静置15min；然后，将母模板放入其中浸泡30min；然后分别用异辛烷、丙酮、异丙醇于超声条件下各清洗20min；从而使母模板表面产生抗粘附层3，最后进行氮气吹干。
实施实例2
本实施例以热熔融电流体动力喷射打印制造牺牲结构2，随后通过电铸工艺实现牺牲结构2的复形，制作出大尺寸无拼接的微纳镍模具，制造过程如图2所示，具体制备步骤包括：
(1)基板1预处理：B1对玻璃基板进行超声清洗
以玻璃作为热熔融电流体动力喷射打印基板1预。对玻璃基板进行超声清洗30min，然后氮气吹干。
(2)溅射种子层：B2在打印玻璃基板上溅射一层约100nm的种子层
在玻璃基板上溅射一层约100nm厚的Cr/Cu的电铸种子层4。
(3)热熔融电流体动力喷射打印制造牺牲结构2：B3采用热熔融电流体动力喷射打印制造牺牲结构2
以聚己内酯(PCL)作为热熔融电流体动力喷射打印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，使用热熔融电流体动力喷射打印工艺在璃基板1上打印出牺牲结构2。
打印牺牲结构2图形：线宽400nm，周期400nm，高度200nm的线栅结构，有效图形区域面积为700mm X 700mm。
(4)电铸复制打印牺牲结构2：B4电铸复制出牺牲结构2
以打印的牺牲结构2为掩模，采用微电铸工艺，在玻璃基板电铸种子层4材料上形成电铸层5，从而沉积复制出牺牲结构2。
选择一种较好的Watts镍电解液，由此电铸得到的镀层的晶粒不仅带有光泽，且增长稳定，厚度均匀，颗粒细小，无明显针孔现象。具体配方如下：
在玻璃基板上复形的结构是线宽400nm，周期400nm，高度200nm的线栅结构。
(5)去除牺牲结构2：B5去除牺牲结构2材料
采用四氢呋喃(THF)有机溶剂去除牺牲结构2PCL。将玻璃基板和电铸沉积的结构置于THF中超声处理30min，去除牺牲结构2材料PCL。然后用去离子水超声处理20min。
(6)母模板抗粘附处理：B6对模具做抗粘附处理
首先对母模板进行清洗，丙酮超声处理20min；去离子水超声20min；异丙醇超声处理20min；异辛烷超声处理20min；以异辛烷为溶剂，配置1％浓度的十七氟癸基三氯硅烷溶液(FDTS)，静置15min；然后，将母模板放入其中浸泡30min；然后分别用异辛烷、丙酮、异丙醇于超声条件下各清洗20min；从而使母模板表面产生抗粘附层3，最后进行氮气吹干。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：基板预处理；
步骤二：制造牺牲结构；
根据所要制造的微纳模具图形结构，以PCL和PVA为打印材料，采用热熔融电流体动力喷射打印在基板上制造出牺牲结构；
步骤三：复制或转移牺牲结构；
以打印的牺牲结构为掩模，将牺牲结构复制或转移到基板上；
步骤四：去除牺牲结构；
将基板上残余的牺牲结构去除，然后将基板去离子水超声处理，制得具有所需微纳结构图案的母模板；
步骤五：母模板抗粘附处理。
2.如权利要求1所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤一中的基板采用单晶硅或者多晶硅作为基板，为了提高打印牺牲结构对硅基板的附着力，采用等离子处理机对硅基板表面进行等离子轰击处理，提高硅基板抗黏附性能。
3.如权利要求1所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤二中以PVA作为电喷印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，采用热熔融电流体动力喷射打印在基板上制造出牺牲结构。
4.如权利要求3所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤三中以打印的PVA牺牲结构为掩模，采用刻蚀工艺将牺牲结构图形转移到硅基板上。
5.如权利要求4所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤四中去除牺牲结构时，将硅基板置于去离子水中，水浴加热，保持温度在一定温度，同时进行超声处理，将刻蚀后残留在硅模具上的牺牲结构PVA材料完全溶解在去离子水中；然后将模具置于异丙醇溶液中，进行超声处理，再将模具置于去离子水中超声处理；最后氮气吹干，制得具有所需微纳结构图案的硅基母模板。
6.如权利要求1所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤一中的基板为玻璃材质，并对玻璃基板预进行超声清洗，然后氮气吹干，然后在玻璃基板上溅射一层电铸种子层。
7.如权利要求6所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤二中以PCL作为热熔融电流体动力喷射打印打印材料，根据所要制造的微纳模具图形结构，使用热熔融电流体动力喷射打印工艺在玻璃基板上打印出牺牲结构。
8.如权利要求7所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤三中以打印的牺牲结构为掩模，采用微电铸工艺，在玻璃基板电铸种子层材料上形成电铸层，从而沉积复制出牺牲结构。
9.如权利要求8所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述步骤四中去除牺牲结构时，采用有机溶剂去除牺牲结构PCL，将玻璃基板和电铸沉积的结构置于THF中超声处理，去除牺牲结构材料PCL，然后用去离子水超声处理，制得具有所需微纳结构图案的玻璃母模板。
10.如权利要求5或9所述的大尺寸无拼接微纳模具制造方法，其特征在于，所述抗粘附处理包括首先按照规定的时间依次对基板进行去离子水超声处理、异丙醇超声处理、异辛烷超声处理；接着以异辛烷为溶剂，配置一定浓度的十七氟癸基三氯硅烷溶液，将溶液静置一段时间；然后，将玻璃基板放入其中浸泡一段时间；然后分别用异辛烷、丙酮、异丙醇于超声条件下各清洗一段时间；最后进行氮气吹干。
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