CN110891895B - 通过选择性模板移除来进行微米和纳米制造的方法 - Google Patents

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Abstract

公开了一种移除薄膜材料的、否则会均匀地沉积在一模板上的选定部分的方法。该方法依赖于一适当的灌封材料来封装并移除沉积在所述模板顶点上的材料。该方法可在单个处理步骤中产生一个和/或两个器件：(i)具有由模板顶点形状限定的微米孔和/或纳米孔的薄膜材料，以及(ii)通过模板顶点的设计而成形和定位在灌封材料中的微米和/或纳米颗粒。用这种方法制成的器件可以应用于机械、化学、电气和光学器件的制造中。

Description

通过选择性模板移除来进行微米和纳米制造的方法
技术领域
本发明总体上涉及微米和纳米结构的制造方法。更具体地，本发明涉及通过选择性地移除沉积在微米或纳米结构模板上的薄膜材料来制造微米结构和纳米结构的方法。
背景技术
在常规的微米和纳米制造中，存在多种情况，其中可能需要制造特定式样的薄膜材料。例子可以包括在电子芯片上生产微米或纳米结构的带式样的薄膜电触点；等离子体装置中的微米或纳米结构式样的穿孔金属膜；用于光伏电池、等离子设备、超材料设备、光学过滤器、生物传感器、气体检测器、光学偏振器、显示器、文件安全特征等的微米或纳米结构的带纹理的电极。
在常规的微米和纳米加工中，还存在多种情况，其中可能需要进行精确成形的微米或纳米颗粒的特定空间设置。例子可包括可用于上述那些应用中的微米或纳米颗粒和结构的生产。
常规已知的方法依赖于已有的微米或纳米制造工艺，该工艺可提供微米或纳米结构的制造，如在在先列出的应用中所使用。通常，这种常规工艺常常用于在共享的大晶片(例如硅晶片)上制造许多单独的和分开的小器件。生产微米或纳米结构晶圆的总制造成本将在同一晶圆上制造的许多独立器件之间分配；因此，每个器件的常规制造成本通常由包含多个常规小型器件的晶片的单位面积成本来定义。
但是，在某些情况下，最终的基于微米或纳米结构的器件的面积需要很大(例如>1cm2)。对于许多潜在的应用，使用常规的已知的晶片级的微米或纳米制造方法通常将使这种大面积器件昂贵或不可行。例如，等离子体彩色过滤器可包括30nm的金属膜，该金属膜上穿孔有100nm直径的孔，这些孔周期性地排列在200nm间距或周期的晶格中。例如，对于照明或摄影应用，基于等离激元的彩色过滤器的理想尺寸应在约25cm2的范围内，过滤效率应较高，且此类应用的所需价格应较低(每片过滤器1美元或更少)。如果过滤器是一次性的，则应合理地生产大量(数百万或数十亿)的此类设备。使用常规已知的制造工艺不可能实现这样的相对较大的面积和相对便宜的单位设备价格，其中这种纳米结构的过滤器设备的成本通常比这种应用所期望的价格高一个或多个数量级。
在一种常规方法中，光学光刻技术可以用于在薄膜材料中制造微米或纳米结构。该工艺通常包括：(i)光刻胶涂覆、曝光和显影步骤，(ii)薄膜材料涂覆步骤，以及(iii)转移光刻胶图案到所述薄膜的步骤(例如湿法蚀刻、干法蚀刻和剥离)。在光学光刻中，可以使用一个单个的通常昂贵的光学掩模对许多晶片进行构图；由于对最终器件进行构图需要很多步骤，最终晶片的每单位面积成本可能仍保持明显高于所希望的成本，因此掩模的成本可以在许多最终构图的晶片之间分配。而且，光学光刻通常覆盖最小特征尺寸的范围，该最小特征尺寸的范围大于上面列出的那些应用通常可能需要的尺寸。特别令人关注的是，对于精密纳米结构的制造，光学光刻通常可能会提供较差的结果。存在多种常规的直接(即，无掩模)制造方法，其可以用于以微米或纳米尺寸直接图案化最终晶片。
在一种常规的无掩模方法中，聚焦离子束(FIB)可用于由沉积在平面基材上的薄膜材料制成微米或纳米结构。FIB可用于铣削薄膜中甚至小于15nm的特征。但是，这种方法的缺点是产量非常低，这通常将实际装置面积限制到不希望的小尺寸(例如＜1cm2)。
在另一种传统的无掩模方法中，电子束光刻(EBL)可用于制造微米或纳米结构。该过程通常包括：(i)用薄膜材料涂覆基材，(ii)电子束光刻来在旋涂在薄膜上的抗蚀剂中形成开口，以及(iii)反应离子蚀刻以蚀刻穿过未被抗蚀剂保护的薄膜。另一个典型的过程包括：(i)电子束光刻在旋涂在基材上的抗蚀剂中形成开口；(ii)用薄膜材料涂覆抗蚀剂和开口；以及(iii)通过将抗蚀剂溶解在适当的化学药品中来剥离那些沉积在抗蚀剂上的材料。与FIB相比，EBL的产量更高；这使得制造更大面积的设备成为可能。然而，EBL的缺点是对于直接制造许多大面积的微米和纳米结构的器件而言太慢且太昂贵。
在另一种传统的无掩模方法中，干涉光刻可以用于制造微米或纳米结构。该工艺通常包括：(i)用光抗蚀剂涂覆基材，(ii)一步或几步干涉光刻，然后进行抗蚀剂显影以在基材上产生周期性的抗蚀剂结构，(iii)薄膜材料沉积，和(iv)从光抗蚀剂上剥离薄膜。干涉光刻比EBL更快，并且可以在较大区域进行快速构图。然而，干涉光刻技术在可能制造的最终图案的形状和精度以及适用于该工艺的材料方面受到了很大的限制。
在另一种常规方法中，聚苯乙烯纳米球自组装在基材上。随后的反应性离子蚀刻可用于将球的尺寸缩小至所需值。薄膜材料在球体上的沉积和剥离会产生周期性的微米或纳米结构。然而，这种纳米球光刻通常在所制造的结构的类型及其均匀性的控制上受到限制。
这种典型的常规工艺依赖于公知的微米或纳米制造技术来产生单个装置或共享单个主晶片的多个装置。这意味着要制作相同设备的另一个副本，几乎必须重复整个过程，这通常对工业规模生产的理想的廉价大型设备有重大限制。然而，以上常规技术或本领域中的其他常规技术可用于产生具有模板图案的单个昂贵的母版晶圆，该模板图案可使用已知的常规复制方法之一复制为许多廉价的副本。
在一种常规的复制方法中，纳米压印光刻可以用于复制昂贵的母版的微米或纳米结构，该母板通过上面列出的常规技术之一或本领域已知的其他技术制成。该过程通常包括：(i)使聚合物/树脂与母板表面接触并使其就地固化，(ii)从母板上剥离硬化的聚合物/树脂。剥离的聚合物/树脂将在其表面上携带图案的复制品。该过程可以重复多次，以从单个母板中获得许多便宜的副本。
在另一种常规复制方法中，软光刻可以用于复制昂贵的母版的微米或纳米结构。该过程通常包括：(i)通过纳米压印光刻技术制作主晶片的软复制品，(ii)用光抗蚀剂涂覆目标基材，(iii)使软复制品与目标晶片共形接触，以及(iv)紫外线照射。显影曝光的抗蚀剂将导致母版复制到目标基材。
在另一种常规复制方法中，可以使用卷对卷纳米压印光刻技术(也称为“浇铸和固化”，“卷对卷UV浇铸”和“卷对卷压花”)来复制昂贵母版的微米或纳米结构。该过程通常包括：(i)使用纳米压印光刻、软光刻等将母版复制到一柔性副本中，和/或将所述副本进一步处理为金属(例如镍)垫片，以及(ii)将所述柔性副本卷绕到一压模辊，所述压模辊压在一后辊上。类似于印刷机，薄的基材在两个辊之间移动，通过热或UV工艺在此接收图案的副本。卷对卷工艺的巨大产量可以廉价地在巨大的表面上高速复制微米和纳米图案。同一过程的变化可以以板对卷方式实施。
此类常规复制技术和本领域其他技术通常提供通常昂贵的母版的树脂/塑料复制品。仍然需要采用金属/材料沉积、剥离、蚀刻等来产生包括微米或纳米结构的薄膜材料的最终装置。任何可以产生比本领域中已知的方法更经济且无需使用揭起或蚀刻的微米或纳米结构薄膜材料的方法，由于其可以降低成本并降低制造过程的复杂性，因此具有很高的工业价值。
在一种避免剥离或蚀刻的常规方法中，模板剥离可用于选择性地移除薄膜材料的一部分，否则该部分薄膜材料将均匀地沉积在模板上(母版或母版的复制品)。该过程通常包括：(i)用一薄膜材料涂覆模板，(ii)将涂覆的模板压在一塑料基材上，同时将夹在其中的材料加热到高于所述塑料的玻璃化转变温度的温度，以及(iii)剥落冷却的塑料。该过程导致将微米或纳米结构的薄膜材料转移到塑料上，从而在模板的谷底留下薄膜。该方法利用了薄膜与模板的不良粘合性以及薄膜与软化塑料的良好粘合性。
常规的模板剥离可以以不同的变化来实现。在一个变化中，将可UV固化树脂涂覆在涂覆有所述薄膜的模板上以剥离沉积的薄膜。在另一个变化中，将粘合剂涂覆在薄膜涂覆的模板上以剥离沉积的薄膜。在又一个变化中，在每个薄膜沉积和剥离循环的开始时清洁并重复使用模板。在又一个变化中，在薄膜和模板界面处形成的超光滑表面被带到最终穿孔薄膜的顶部功能表面，从而增强了最终器件的性能。在又一个变化中，使用模板条带来制造用于近场光学显微镜、纳米聚焦或其他的纳米尖部端。在又一个变化中，将沉积在模板上的所有薄膜材料转移到目标基材上，以产生非常光滑的纹理表面。
模板剥离的所有变化，无论是用于剥离沉积在模板上的整个薄膜以制成非常光滑的表面，还是用于剥离选定的金属表面以制成微米或纳米结构的材料，通常都特别依赖于沉积的薄膜材料对下面的模板的粘附力“很差”，而薄膜对所涂覆的用于移除的树脂/粘合剂层的粘附力却“很强”。它避免了揭起或蚀刻，并导致了低成本和更环保的工艺。然而，这样的剥离技术通常依赖于粘合剂的使用以将最终产品保持在最终基材上，并且模板通常需要在每次使用之前清洁和准备。因此，这样的剥离技术通常不理想地限制了最终产品的结构坚固性、该方法的工业实施的最大产量、模板材料的选择和/或其抗粘附表面处理以及沉积的薄膜材料的类型。
因此，需要在基材表面上制造微米或纳米结构的薄膜的额外和改进的方法，其可理想地减少所需的微米或纳米结构的每单位面积的制造费用。此外，需要在基材表面上制造微米或纳米结构的薄膜的额外的和改进的方法，其可理想地增加制造产量。还需要在基材表面上制造微米或纳米结构薄膜的额外和改进的方法，其可能理想地增加产品的耐用性和可能使用的材料的范围。
发明内容
本发明的实施例涉及由沉积并粘附到限定了微米或纳米结构的模板的薄膜材料来制造微米和/或纳米结构的方法，同时避免揭起或蚀刻。[注：针对您对术语“和/或”的使用的评论，是的，它用于包括在同一基材上同时使用微米和纳米结构的选项]。
根据本发明的一个实施例，提供一种制造(i)在基材表面上包含微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，以及(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒的方法。该制造方法包括以下步骤：
a)提供一微米或纳米结构模板，其包括基材表面和在基材表面上方延伸的凸起的微米和/或纳米结构；
a)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上沉积第一组适当涂层材料的单个或几个薄膜涂层，从而使所述薄膜涂层基本上粘附在它们要沉积的层上，形成一薄膜帽，例如在所述凸起的微米或纳米结构上悬垂的薄膜帽，并且薄膜总厚度小于在基材表面上方的所述微米或纳米结构的高度；[注：这是对有关是否应该使用“悬垂(overhanging)”一词的评论，因为该词是一个相对术语且易于解释。尽管悬垂在日常使用中可能是相对的术语，但我们可以使用图纸将其定义得更具体。在说明书中尽可能详细总是最好，因为如果必须包括附加特征才能权利要求获得授权，则以后可以依靠说明书来获得支持。这是在说明中添加以后可以使用的内容的唯一机会。不能依靠详细描述来确定保护范围。权利要求是确定保护范围的唯一部分，因此，向审查员提出的第一组权利要求应尽可能广泛，可以理解的是，可以在以后添加说明书中的更多细节以克服任何将来的对权利要求的异议。在进一步阅读说明书后，悬垂的盖似乎是本发明的重要特征，因为悬垂的盖允许灌封材料封装所述盖并在移除灌封材料时将盖移开。]
c)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上的第一组薄膜涂层沉积一层灌封材料(例如，可UV(紫外)固化树脂)，以使灌封材料基本上较弱地粘附到最后沉积的薄膜上；
d)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料将所述凸起的微米或纳米结构上的薄膜帽封装起来；和
e)从所述第一组薄膜涂覆的模板中移除硬化的灌封材料，以使所述薄膜帽保持封装在硬化的灌封材料中，以获得：(i)穿孔的薄膜涂覆的基材，其中所述薄膜在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)封装在硬化灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采用其形状。
根据本发明的一替代实施例，上述方法的步骤e)可以可选地还包括：
e)从所述第一组薄膜涂覆的基材上移除硬化的灌封材料，使得所述薄膜帽和凸起的微米或纳米结构与硬化的灌封材料一起移除，以获得：(i)穿孔的薄膜涂覆的基材，其中所述薄膜在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)封装在硬化的灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采取其形状。
根据本发明的另一实施例，制造在基材表面上包括微米或纳米结构的穿孔的穿孔薄膜的方法还包括：
f)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上沉积第二组适当的涂层材料的单个或几个薄膜涂层，使得第二薄膜涂层基本上粘附到其要沉积的层上，并在所述凸起的微米或纳米结构上形成第二薄膜帽；
g)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上的第二组薄膜涂层上沉积一层灌封材料，以使灌封材料基本上较弱地粘附到最后沉积的薄膜上；
h)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料将所述第二薄膜帽封装在所述凸起的微米或纳米结构上；和
i)从第二组薄膜涂覆的基材上移除硬化的灌封材料，使得所述第二薄膜帽保持封装在硬化灌封材料中，以获得：(i)穿孔的第一和第二组薄膜涂覆的基材，其中薄膜组在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)来自所述第二组薄膜的微米或纳米颗粒封装在硬化的灌封材料中，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采用其形状。
根据本发明的又一实施例，提供另一种制造(i)在基材表面上包含微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒的方法。该制造方法包括以下步骤：
a)提供一微米或纳米结构模板，其包括基材表面和在基材表面上方延伸的凸起的微米或纳米结构；
b)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上沉积第一组适当的涂覆材料的单个或几个薄膜涂层，从而使薄膜涂层基本上粘附到它们要沉积的材料上，并且总的薄膜厚度小于基材表面上方的所述微米或纳米结构的高度；
c)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上的薄膜涂层沉积一层灌封材料，使得所述灌封材料基本上较弱地粘附到最后沉积的薄膜上；
d)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料封装薄膜涂覆的凸起的微米或纳米结构，从而使薄膜涂覆的凸起的微米或纳米结构与硬化的灌封材料互锁；和
e)从薄膜涂覆的基材上移除硬化的灌封材料，以使薄膜涂覆的悬垂的凸起的微米或纳米结构保持封装在硬化的灌封材料中，以获得：(i)穿孔的薄膜涂覆基材，其中薄膜在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)封装在硬化的灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采用其形状。
在本发明的一个实施例中，所述模板可以是主晶片或主晶片的复制品。在本发明的一个实施例中，所述模板材料可以是半导体、玻璃、石英、树脂、塑料或任何其他适当的材料。在本发明的一个实施例中，在应用本发明的方法之前，所述模板可能已经包括附加的设备层。在本发明的一个实施例中，所述模板可以包括单个图案或多个图案。在本发明的一个实施例中，在沉积薄膜材料之前，所述模板可以使用或可以不使用粘合控制层处理。在本发明的一个实施例中，所述模板可以同时包含峰和谷类型的结构。在本发明的一个实施例中，可以通过旋涂、化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积中的至少一种将薄膜涂层沉积在所述基材表面上。在另一实施例中，所述薄膜可以包括以下至少一种：金属，例如银、金、铝、铜、钛、铬；介电材料，例如二氧化硅、二氧化钛、氧化铌、半导体、硅和任何其他能够牢固粘附到所述基材表面的材料。在另一实施例中，所述灌封材料可以包括可固化树脂、可固化树脂或聚合物、可UV固化树脂或聚合物、可热固化树脂或聚合物、热软化聚合物以及可化学固化树脂或聚合物中的至少一种。在又一实施例中，所述薄膜与所述基材之间的粘合强度可以大于所述薄膜与所述灌封材料之间的粘合强度。在本发明的一个实施例中，保留在所述模板的穿孔薄膜，或由灌封材料封装的薄膜微米或纳米结构，或两者都可以是该方法的最终有用产品。在本发明的一个实施例中，本发明方法的最终产物可以通过常规的微米或纳米制造方法进一步处理。
附图说明
图1示出了根据本发明一个实施例的一制造方法的横截面示意图，该方法制造(i)包括在基材表面上的微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材内的成形和定位的微米或纳米颗粒；
图2示出了根据本发明另一实施例的制造方法的横截面示意图，该方法制造(i)包括在基材表面上的微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒；
图3示出了根据本发明又一实施例的制造方法的横截面示意图，该方法制造(i)包括在基材表面上的微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒；
图4示出了根据本发明的又一实施例的制造方法的截面示意图，该方法制造包括在基材表面上的微米或纳米结构穿孔的多层穿孔薄膜；
图5a示出了根据本发明一实施例的示例性的、包括凸起的纳米结构的薄膜涂覆的模板的立体电子显微镜图；
图5b示出了根据本发明的另一实施例的在基材表面上的示例性穿孔薄膜的立体电子显微镜图，所述穿孔薄膜在从模板的凸起的纳米结构上选择性地移除薄膜涂覆的盖之后包括纳米结构穿孔；和
图6示出了根据本发明的又一实施例的在从凸起的纳米结构中选择性地移除薄膜涂覆的盖之后的、包括纳米结构穿孔的基材表面上的示例性穿孔薄膜涂层的放大立体电子显微镜图。
具体实施方式
在本发明的一个实施例中，提供了一种制造方法，用于制造(i)在基材表面上具有微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材中成形并定位的微米或纳米结构的颗粒。
在本发明的一个特定实施例中，由均匀沉积在具有凸起结构例如微米和/或纳米结构顶部或顶点的模板基材上的薄膜层制造穿孔薄膜涂层的方法，可以包括通过使用硬化的树脂或聚合物灌封材料来封装并随后移除封装的微米或纳米结构的薄膜帽，来选择性地移除模板上的薄膜涂层的顶盖部分。
在本发明的另一实施例中，移除包括封装的薄膜微米和/或纳米结构帽的硬化树脂或聚合物灌封材料可理想地在所述模板上产生穿孔或图案化的薄膜(在薄膜微米或纳米结构帽移除之后)，和/或包括成型和定位的微米或纳米结构薄膜帽硬化树脂或聚合物灌封材料层，其然后包括隔离成形和定位的微米或纳米结构的颗粒。
与用于移除均匀地沉积在微米或纳米结构模板上的薄膜的一部分的常规模板剥离相反，本发明的实施例依赖于沉积到所述微米或纳米结构的薄板表面上薄膜(例如金属和/或介电材料)之间的理想的较好的粘附力(并且优选至少良好的粘附力)，和在薄膜层的顶部沉积的薄膜与所应用的硬化树脂或聚合物灌封材料之间的较差的粘附力(优选至少较弱的粘附力)。
在一个实施例中，所述微米或纳米结构可以使用任何适当的微米或纳米结构制造方法例如光学光刻、聚焦离子束、电子束光刻，干涉光刻、纳米球光刻最初在一主晶片上产生。所述模板可以是原版晶圆，也可以是使用复制方法(例如，卷对卷纳米压印光刻法)中的一种制造的复制品，并且可以通过任何适当的薄膜沉积方法来沉积薄膜，例如在物理气相沉积辊涂机中，其余的灌封材料沉积、硬化(例如通过UV或其他适当的灌封材料固化)和移除硬化的灌封材料层可以通过辊对辊机械完成。因此，在一个这样的实施例中，可以理想地应用选择性地模板移除(模板抓取)的方法，以理想的改进的高通量和低成本来大规模生产微米或纳米穿孔的薄膜以及微米或纳米结构的颗粒器件。
参考图1，示出了根据本发明一实施例的制造在基材表面上的包括微米/纳米结构穿孔的穿孔薄膜的方法的截面示意图。在一个这样的实施例中，选择性模板移除方法包括首先提供具有凸起结构的微米和/或纳米结构的模板110，例如在其表面130上的微米或纳米图案的结构120。在一个实施例中，所述微米/纳米结构模板可以使用任何适当的微米/纳米结构制造方法来制造，例如根据晶片起源工艺或者可以是原版晶片的复制品。在一个实施例中，接下来，在薄膜沉积步骤150中，将厚度小于凸起的图案化结构120的高度的薄膜层140沉积在模板110的表面130上。沉积的薄膜层140可以理想地与所述模板110有很强的粘附力。所述薄膜层140可以是单层或多层，每个都理想地与它们所沉积的材料有很强的粘附力。可以使用能够在模板110上提供牢固粘附的薄膜层140的任何适当的薄膜沉积方法，例如物理气相沉积或导致形成微米或纳米结构的其他适当方法，所述微米或纳米结构例如是薄膜帽或“岛状物”160。在一个实施例中，所述薄膜帽160具有一悬垂部170。在一个实施例中，每个悬垂部的尺寸理想地至少比模板基材110的所述凸起结构120大一点，而在一些实施例中，类似于这种“蘑菇”形的悬垂薄膜帽。
在一个实施例中，随后在灌封材料涂覆步骤190中用厚的可固化灌封材料180进一步涂覆所述薄膜涂覆的模板110，所述可固化灌封材料在硬化或固化时将表现出对沉积的薄膜层140的不良粘附性。灌封材料的厚度大于所述凸起的图案结构120的高度。所述可固化灌封材料可以是任何适当的可固化树脂和/或聚合物灌封材料，在一方面可以理想地提供例如使用标准时间的热和/或UV固化技术来硬化。在一个实施例中，所述硬化的灌封材料180可以理想地围绕和并封装薄膜材料的所述薄膜帽160(例如通过机械互锁或“抓握”所述薄膜帽160)。
在一个方面，选择性模板移除(可以称为“模板抓取”)步骤200可以理想地将硬化的灌封材料(例如UV固化的树脂或聚合物)180与所述模板110机械分离，以便理想地将所述涂覆的薄膜表面140留在其所粘附的平坦表面130上，这是因为与涂覆在薄膜表面140上的灌封材料180相比，薄膜层140优选地更牢固地粘附到所述模板110上。在一个特定实施例中，同样的机械式选择性模板移除步骤200也理想地从所述模板110移除或“抓取”所述悬垂的薄膜帽160，这是因为所述薄膜帽160(或涂覆在多个凸起结构中的每一个的顶部上的薄膜层的“岛状”部分)被封装或机械互锁在硬化的灌封材料180的相应腔内。
在一个实施例中，这种选择性模板移除步骤200可以理想地导致两个微米/纳米结构装置。在一个方面，第一个这样的装置可包括微米/纳米结构的图案化的穿孔薄膜210，其包括多个微米/纳米结构穿孔。在一个实施例中，所述多个微米/纳米结构穿孔中的每一个对应所述模板110的所述多个凸起结构120中的每个的位置。第二个这样的装置可以包括硬化的灌封材料层180，其包括多个封装在硬化的灌封材料层180内的精确成形和定位的纳米/微结构颗粒220(包括选择性移除的悬垂薄膜帽160)。
在一个这样的实施例中，两种微米/纳米结构装置都可以用于许多应用中，例如：等离子体装置、超材料(metamaterial)装置、膜(例如在分离、燃料电池、液体过滤器、气体过滤器等应用中)、光学过滤器、带纹理的电极、带图案的触点、带图案的电子/光学电路、传感器(例如生物传感器、气体检测器、折射率传感器、流体传感器、分子检测器等)，光学偏振片、显示器(在例如电视、监视器、手机、笔记本电脑、可穿戴电子设备等设备中)以及文件安全特征。
选择性模板移除(即模板抓取)的第一种变化在图2中示出。处理步骤基本上类似于图1的处理步骤。然而，所述薄膜帽160牢固地粘附在所述模板110的表面120上，使得硬化的灌封材料180与模板110的机械分离200(或模板抓取)导致每一凸起结构和所述薄膜帽160一起从所述板110的表面130分开和分离。尽管有微小的差别，但是该过程的产品可以基本上类似于图1的产品。
选择性模板移除(即模板抓取)的第二种变化在图3中示出。处理步骤与图1完全相同。但是，沉积在每个凸起结构120的顶部上的薄膜不需要形成大于所述凸起结构本身的尺寸的尺寸。即，每个薄膜帽160不需要如图1所示的变化中的悬垂部170。而是，所述多个凸起结构120中的每一个成形为具有一悬垂轮廓，该悬垂轮廓为灌封材料180提供机械手段来硬化和封装它们。类似于图2，这里硬化的灌封材料180与模板110的机械分离导致所述多个凸起结构120中的每一个与所述薄膜帽160一起从所述模板110的表面130分开和分离。尽管有这个微小的差异，该方法的最终产品与图1和图2的产品基本上相似。
图4示出了选择性模板移除(即模板抓取)的又一实施例。模板110被第一薄膜层240层叠或覆盖，该第一薄膜层240在实施第一模板抓取步骤200时在所述模板110上产生一第一穿孔薄膜250。然后，用第二或随后的薄膜层260覆盖所述第一穿孔薄膜层250，再进行第二模板抓取，以产生一第二或随后的穿孔薄膜260。可以重复该过程以产生多层的穿孔薄膜。
如图所示，初始薄膜沉积步骤150可以开始以小于在模板110上的所述凸起结构120的高度的厚度沉积第一薄膜层240。除了用于制造具有包括微米和/或纳米结构的穿孔的穿孔薄膜产品的较早的步骤，将第二适当涂层材料的第二或随后的薄膜层260沉积在基材和所述凸起120上，使得所述第二薄膜层260粘附到所述第一薄膜层240，并在所述多个凸起结构120的每一个的顶部上形成第二或后续的悬垂薄膜帽280。在一个实施例中，第二或后续的灌封材料层沉积在第二薄膜260之上，随后硬化或固化。所述灌封材料的硬化或固化使得硬化的灌封材料封装所述第二或随后的悬垂的薄膜帽280。移除硬化的灌封材料会获得层叠在所述第一个穿孔的薄膜层上的第二或随后的穿孔薄膜260，其中所述穿孔对应于所述多个凸起结构120中的每一个的位置。
图5a和5b示出了通过图2所示的方法形成的穿孔膜的放大的扫描电子显微镜图像。图5a示出了根据本发明的一实施例的在模板表面上的示例性的薄膜涂覆的纳米结构模板的立体电子显微镜图，该模板表面包括具有薄膜层的凸起的纳米结构290。图5b示出了根据另一实施例的从凸起的纳米结构上选择性地移除薄膜涂覆的帽之后的、包括纳米结构穿孔300的模板表面130上的示例性穿孔薄膜层的立体电子显微镜图。
图6示出了模板抓取方法的结果的扫描电子显微镜图像。在此，将诸如30nm的铝的薄膜层沉积在其表面上具有周期性排列的纳米结构的模板上(参见图6的左侧)，所述纳米结构例如是纳米柱。该模板是通过主晶圆起源和纳米压印光刻技术制成的。使用硬的UV固化树脂抓取沉积在纳米柱模板上的铝层，导致在模板上留下穿孔的铝薄膜(参见图6的右侧)。
在又一实施例中，在上述选择性模板移除的方法中使用的模板可以包括经过所有制造步骤的原始微米/纳米结构模板晶片，或者包括通过已知方法(包括纳米压印光刻法)复制的主晶片的复制品。在使用纳米压印光刻法的一个实施例中，可以应用适当的纳米压印光刻方法，例如板对板、板对卷或卷对卷方法。在多个实施例中，可以通过光学光刻、电子束光刻、聚焦离子束、激光干涉或任何其他适当的微米或纳米制造技术的组合来制造模板或主晶片。
在一个实施例中，所述模板材料可以是半导体、玻璃、石英、树脂、塑料、金属或其他适当的材料，并且可以包括尺寸小于10μm的任意形状的特征。
尽管本文的附图示出了单个图案，但是在一个实施例中，所述模板可以包括具有不同形状、尺寸和高度的单个或多个图案。
在一个实施例中，可以在沉积薄膜材料之前用粘合控制层处理模板，也可以不使用粘合控制层处理模板，以帮助薄膜层在基材表面上粘合。
在一个实施例中，模板可包含升高的和降低的微米/纳米结构，例如峰和谷。沉积在多个凸起结构(即顶点)的每一个的顶部上的薄膜材料会通过模板抓取来移除。留在谷中的材料将保留在模板上，并可以为最终设备提供其他功能。
在多个实施例中，所沉积的薄膜层的材料可以是诸如银、铝、金、铜、钛的金属；或诸如SiO2(氧化硅)，TiO2(氧化钛)，Nb2O5(氧化镍)的电介质；或诸如硅的半导体；或任何对模板表面具有强粘附力的材料，并且所述沉积方法可以是物理气相沉积或任何其他适合沉积具有应用所需特性的薄膜的方法。
在一个实施例中，对于每个选择性模板移除或模板抓取步骤，可以沉积单层或多层薄膜材料。
在一个实施例中，所述树脂可以是热固化、UV固化、熔融塑料或任何满足所需硬度和粘附性的材料。
在一个实施例中，可以人工地或通过设计/使用适当的机器以卷对卷、板对板或板对卷的形式来实施选择性模板移除或模板抓取过程。
在一个实施例中，可以通过沉积更多的层和/或蚀刻步骤和/或其他微米/纳米制造步骤来进一步处理模板抓取的器件，以产生最终的器件。
在一个实施例中，最终产品可以用作蚀刻掩模或光学掩模以制造其他产品和器件。
在一个实施例中，选择性模板移除或模板抓取过程可以重复一次以上以产生多层纳米或微米结构薄膜层。
在一个实施例中，由上述选择性模板移除方法产生的最终的微米/纳米结构的设备可以包括等离子体设备、超材料、包括用作用于文件安全的光学可变设备的薄膜色移设备。
在一个实施例中，最终的装置可以包括用于产生结构颜色的等离激元或超材料装置，例如用于环境友好的无模印刷。在一个实施例中，最终装置可以用作光学偏振器和/或光学滤波器。在一个实施例中，最终装置可以用作折射率、流体、气体、分子、生物材料等的传感器。在一个实施例中，最终装置可以用作分离膜、燃料电池、液体或气体过滤器等。在一个实施例中，最终设备可以用于显示器或诸如电视、监视器、手机、笔记本电脑、可穿戴电子设备等设备的构造。
一方面，微米/纳米结构的模板可包括基本上微米/纳米结构的特征，例如微米/纳米圆柱体或微米/纳米长方体或凹槽。在本发明的其他方面，根据上述方法的原始微米/纳米结构可包括以下至少之一：包含不同微米/纳米结构尺寸和/阵列周期律和/或阵列类型(即矩形、六边形和其他几何阵列)的多个周期性阵列；包含不同微米/纳米结构尺寸的、排列为任意位置的微米/纳米结构的非周期性或周期性阵列；不同微米/纳米结构的不同阵列的多种组合；多个不同设置或形状的微米/纳米结构的阵列，例如一个或多个微米/纳米园柱或柱、微米/纳米锥、微/纳米线、微米/纳米圆顶、微米/纳米脊、微米/纳米塔、微米/纳米孔、细长的微米/纳米孔、微米/纳米槽和微米/纳米凹部。在本发明的又一实施例中，根据上述方法的原始微米/纳米结构可以包括在模板基材表面上的2D(例如平面内)和/或3D(例如平面外)的微米/纳米结构和/或其网格或阵列的任何理想的组合、几何形状或构造。。
在此描述了本发明的示例性实施例(包括在摘要中所描述)并不意在穷举或限制本发明的精确形式。尽管本文中出于说明性目的并且为了使本领域的其他技术人员理解其教导描述了特定的实施例和示例，但是如本领域的技术人员可以理解，可以在不脱离本公开的范围的情况下进行各种等同修改。

Claims (14)

1.一种制造(i)在基材表面上包括微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，和(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一微米或纳米结构模板，该微米或纳米结构模板包括一基材表面并在所述基材表面上方延伸凸起的微米或纳米结构；
b)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上沉积第一组涂层材料的单个或几个薄膜涂层，从而使所述薄膜涂层粘附到它们所沉积的层上，并在所述凸起的微米或纳米结构上形成悬垂的薄膜帽；
c)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上的所述第一组涂层材料的薄膜涂层上沉积一层灌封材料；
d)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料将所述凸起的微米或纳米结构上的所述悬垂的薄膜帽封装；和
e)从薄膜涂覆的基材移除所述硬化的灌封材料，以使所述悬垂的薄膜帽仍被封装在所述硬化的灌封材料中，以获得：(i)穿孔薄膜涂覆的基材，其中所述薄膜是在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，以及(ii)封装在所述硬化的灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采取所述微米或纳米结构的形状。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，其中步骤e)包括：
e)从所述薄膜涂覆的基材上除去所述硬化的灌封材料，使得所述悬垂的薄膜帽和凸起的微米或纳米结构与所述硬化的灌封材料一起移除，以获得：(i)穿孔薄膜涂覆的基材，其中所述薄膜在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)封装在所述硬化的灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采用所述微米或纳米结构形状。
3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于，还包括：
f)在所述基材和凸起的微米或纳米结构上沉积第二组涂层材料的单个或几个薄膜涂层，使得第二薄膜涂层粘附到其沉积的层上，并在所述凸起的微米或纳米结构上形成一悬垂的第二薄膜帽；
g)在所述基材和凸起的微米或纳米结构的所述第二组涂层材料的薄膜涂层上沉积一第二层灌封材料；
h)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料将在所述凸起微米或纳米结构上的第二薄膜帽封装；和
i)从所述第二组涂层材料的薄膜涂覆的基材移除去所述硬化的灌封材料，以使所述悬垂的第二薄膜帽保持封装在所述硬化的灌封材料中，以获得：(i)穿孔的第一组涂层材料的薄膜涂覆的和第二组涂层材料的薄膜涂覆的基材，其中第一组涂层材料的涂层和第二组涂层材料的涂层在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)来自所述第二组涂层材料的薄膜的微米或纳米颗粒封装在所述硬化的灌封材料中，其中所述颗粒在所述模板的所述微米或纳米结构的位置并采取所述微米或纳米结构形状。
4.一种制造(i)在基材表面上包括微米或纳米结构穿孔的穿孔薄膜，以及(ii)封装在基材中的成形和定位的微米或纳米颗粒的方法，该方法包括以下步骤：
a)提供一微米或纳米结构模板，所述微米或纳米结构模板包括一基材表面和在所述基材表面上方延伸的悬垂的凸起的微米或纳米结构；
b)在所述基材上沉积第一组涂层材料的单个或几个薄膜涂层，并悬垂在所述凸起的微米或纳米结构上，使得所述薄膜涂层粘附到它们所沉积的材料上；
c)在所述基材上和凸起的微米或纳米结构上的薄膜涂层沉积一层灌封材料；
d)硬化或固化所述灌封材料，使得硬化的灌封材料封装涂覆在悬垂的凸起的微米或纳米结构上的薄膜，从而使所述薄膜涂覆的悬垂的凸起的微米或纳米结构与所述硬化的灌封材料互锁；和
e)从薄膜涂覆的基材移除去所述硬化的灌封材料，以使所述薄膜涂覆的悬垂的凸起的微米或纳米结构保持封装在所述硬化的灌封材料中，以获得：(i)穿孔薄膜涂覆的基材，其中所述薄膜在所述模板的微米或纳米结构的位置穿孔，和(ii)封装在所述硬化的灌封材料中的微米或纳米颗粒，其中所述颗粒在所述模板的微米或纳米结构的位置并采用其形状。
5.根据权利要求1或4方法，其特征在于，通过旋涂、化学气相沉积、物理气相沉积和原子层沉积中的至少一种将所述薄膜涂层沉积在所述基材表面上。
6.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述凸起的微米或纳米结构包括在所述基材表面上方的一高度，并且所述薄膜包括一厚度，并且所述微米或纳米结构的高度大于所述薄膜的厚度。
7.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述灌封材料包括热软化的聚合物和可固化的树脂或聚合物中的至少一种。
8.根据权利要求7的方法，其特征在于，所述可固化的树脂或聚合物包括可紫外线固化的树脂或聚合物、可热固化的树脂或聚合物以及可化学固化的树脂或聚合物中的至少一种。
9.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述灌封材料较弱地粘附到所述薄膜上。
10.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述薄膜和其上沉积的层之间的第一粘合强度大于最后沉积的薄膜和所述灌封材料之间的第二粘合强度。
11.根据权利要求1或4的方法，其特征在于，所述薄膜包括以下至少一种：金属、介电质绝缘体、和半导体。
12.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述金属包括银、金、铝、铜、钛、铬中的至少一种。
13.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述介电质绝缘体包括二氧化硅、二氧化钛、氧化铌中的至少一种。
14.根据权利要求11的方法，其特征在于，所述半导体为硅。
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