CN1693182A - 深亚微米三维滚压模具及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于微纳器件或功能结构制造的深亚微米三维滚压模具及其制作方法。滚压模具包括一个滚筒，滚筒内部有电阻式加热器，其特征在于，该滚筒表面依次有模具金属层和纳米级厚度的类金刚石过渡层，构成深亚微米三维结构，其截面尺寸组合为：侧壁特征的倾斜度范围为90°＜α＜180°、横向尺寸范围L＞50nm、纵向深度范围0＜H＜50μm。其模具制造方法为：通过实施调节电子束流剂量，在电子光刻胶上直写出按任意xy位置函数变化的曝光深度，显影后形成深亚微米三维结构电子光刻胶腔体；应用溅射技术在电子光刻胶腔体中附着纳米级厚度类金刚石过渡层；通过精密电铸形成厚度为0.2－0.5mm的金属模具本体，并弯卷在内装电阻加热器的金属滚筒上。

Description

深亚微米三维滚压模具及其制作方法

                          技术领域

本发明属于微制造技术领域，特别涉及一种深亚微米三维模具的构造及其制作方法，该深亚微米三维滚压模具主要用于有机半导体太阳能电池异质结处深亚微米三维界面结构、微流控器件三维流道结构、微电子机械传感器中三维构件、微致动器件中三维构件等的热印制造。

                          背景技术

传统的微制造技术中，对于深亚微米(即小于500nm)特征尺寸器件的制作，目前主要采用集成电路光刻中的常规制作工艺(即光刻+化学物理干刻蚀)。其制作特点局限为直壁的槽形结构形式，且深宽比较小。对于较大尺寸(即特征尺寸微米以上级)器件的制作，LIGA工艺是目前最被看好和应用最广的技术，其特点是通过在SU8型光刻胶上深度曝光(采用X射线曝光)形成大深度的直壁曝光区域，再通过显影、电铸等制作工艺，制作出微米级大深宽比(可达20∶1以上)的元器件。如果结合lift-off工艺，也能够实现底部悬空的器件(如悬臂梁结构)的制作。上述两类工艺其共同的特点是只能制作底面、顶面、壁面均为平直的结构，且制作周期长、成本较高。

随着太阳能电池、生物微流控及微反应器件、各种微电子机械传感及微致动器件的发展，不仅在特征结构尺度上要求越来越小(小至深亚微米级)，且对其特征形状三维复杂度和精确度的要求越来越高。上述常规工艺对这些要求的适应性不强，尤其对深亚微米的三维结构特征，除成本问题外，技术实现上存在极大的困难。

近几年来出现的压印工艺，其压印复型的特征尺度最小可达6nm。但已公开的压印工艺中均采用平板式模具，实行分区压印，效率较低，且无三维微结构压印尝试的先例或专利记载。

总结起来，微制造通常采用的是集成电路制作工艺(深亚微米级，深宽比约1∶1)、微电子机械制作中的LIGA或准LIGA(微米以上级，深宽比20∶1以上)工艺，主要是根据制作器件的特征尺度来决定。其共同特点是所制作的微器件结构简单、结构特征截面的轮廓主要以直线组成(即特征结构的底面、顶面、侧壁等均为平直的平面状)。对于目前包含复杂三维微结构的器件要求来说(如有机太阳能电池异质结处的深亚微米三维界面、微流控器件中的深亚微米三维流道结构、微电子机械传感及微致动器件的深亚微米三维构件、光学镜表面的三维功能性微轮廓等)，现有工艺仍存在相当的制作困难(包括技术和制作成本)。

                          发明内容

由于已有的刻蚀方法、材料切削方法、及上述的集成电路光刻工艺等无法在圆柱形表面直接生成深亚微米结构，更不能形成三维的微结构轮廓，本发明针对未来深亚微米三维结构的热印，本发明的目的在于，提供一种带深亚微米三维滚压模具及其制作方法。该模具采用连续旋转滚压的方式，实现大面积三维微结构器件的滚压复制，从而大幅度提高生产制作效率。

为了实现上述目的，本发明采取如下技术解决方案：

一种深亚微米三维滚压模具，包括一个滚筒，滚筒内部有电阻式加热器，其特征在于，该滚筒表面依次有模具金属层和纳米级厚度的类金刚石过渡层，构成深亚微米三维结构，其截面尺寸组合为：侧壁特征的倾斜度范围为90°＜α＜180°、横向尺寸范围L＞50nm、纵向深度范围0＜H＜50μm。

上述深亚微米三维滚压模具的制作方法，包括下列步骤：

(1)首先在平面基材(如硅片)表面上用均胶机均匀涂铺一层液态的电子光刻胶(正型电子光刻胶)，其自由流平后在室温或加热条件下固化形成固态的电子光刻胶层；

(2)采用常规电子束直写光刻系统，通过实时控制聚焦电子束束流的剂量，在电子光刻胶层表面的不同xy位置对进行变深度曝光，即控制电子束在z向的深度曝光。曝光深度取为x和y位置的函数，从而生成三维曲面边界的曝光空间区域；聚焦电子束束斑直径一般小于6nm，而曝光深度可达50μm，因此可生成xy方向尺度为深亚微米级、z向深度为微米级的大深宽比三维曝光空间区域；

(3)用电子光刻胶对应的显影液对电子光刻胶层进行清洗，洗除被曝光空间区域中的电子光刻胶材料，未曝光的电子光刻胶部分被保留下来，并显现出深亚微米的三维腔体结构；

(4)用溅射机将炭原子沉积到电子光刻胶层深亚微米三维腔体结构的表面，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜。此类金刚石过渡层薄膜作为下一工艺步骤电铸所需的初始导电表面；

(5)将已生成的类金刚石过渡层作为阴阳电极中的一极，在电铸机中将金属沉积到深亚微米三维结构的电子光刻胶层腔体中形成金属层。电铸过程将模具金属层的宏观厚度沉积至0.2mm～0.5mm之间，以保持适当的强度和弯卷柔性。

(6)将具有深亚微米微三维结构的金属模具弯卷，用热固性胶粘贴在金属滚筒上即成。滚筒的材料应该具有良好的热导性，并内部装有电阻式加热装置，可实现滚压过程(即生产过程)时的加热。

上述方法成形的深亚微米三维微腔体结构的尺寸组合为：结构截面的倾斜角度范围90°＜α＜180°，横向尺寸范围L＞50nm，纵向深度范围0＜H＜50μm。

本发明的深亚微米三维结构滚压模具依托于热印工艺，其对微器件结构的制作尺度包括深亚微米及微米级，采用剂量可控聚焦电子束对正型电子光刻直写曝光、在电子光刻胶上形成取值为xy位置函数的z向曝光深度、溅射类金刚石过渡层、精密电铸填充微结构，最终成形具有深亚微米三维结构的金属滚压模具。模具表面微结构的截面轮廓复杂度可以任意，非其它常规工艺可经济地达到。

本发明的电子光刻胶与金属模具本体之间的类金刚石过渡层，对金属模具微结构表面的物理和化学特性改变非常重要。类金刚石过渡层将附着于金属模具的表面，赋予模具以自润滑性、耐腐蚀性、耐磨性及适度的表面硬度。自润滑性对生产过程中滚压模具与热塑性或热固性被加工材料的脱离具有脱模剂的作用。类金刚石过渡层作为生产中的实际表面，其耐腐蚀性在金属模具的清洗(酸碱液)中起保护层的作用；耐磨性和表面高硬度可以降低滚压过程中深亚微米三维结构的磨损、变形，从而提高滚压模具的使用寿命。

                          附图说明

附图1～图8(a、b)为深亚微米三维结构滚压模具的制作工艺流程示意图。图中的标号分别表示：1为电子束曝光机的束流剂量控制器、2为电子束曝光机产生的电子束、3为电子束在电子光刻胶上的三维曝光空间区域、4为电子光刻胶、5为支撑电子光刻胶的平面基材、6为电子束曝光显影后在电子光刻胶上形成的深亚微米三维结构、7为类金刚石过渡层、8为电铸初始阶段沉积的金属薄层(附着于类金刚石过渡层上)、9为精密电铸完成后具有深亚微米三维结构的模具金属层、10为滚压模具的加热滚筒、11为内置于滚筒中电阻加热器、12为滚压模具滚压旋转方向、13为被加工的热塑性或热固性材料、14为被加工材料的支撑基材。

附图中：图1为在基底5上匀胶制备电子光刻胶4薄膜、图2为在电子光刻胶上进行剂量可控电子束扫描曝光、图3a为纵向曝光组合尺寸、图3b电子束曝直写扫描方式、图4为电子光刻胶曝光空间区域显影后形成深亚微米三维腔体结构、图5为电子光刻胶深亚微米三维结构中溅射类金刚石过渡层、图6a和图6b为精密电铸成形的包含深亚微米三维结构的金属模具、图7为除去电子光刻胶后含深亚微米三维结构的金属模具、图8a为滚压模具装卡(F1、F2为金属模具弯卷装卡方向)、图8b为含深亚微米三维结构的滚压模具总装。

以下结合附图对本发明的制作方法作更进一步的详细描述。

                     具体实施方式

参见附图。附图中的标号分别为：1、电子束曝光机的束流剂量控制器、2、电子束曝光机产生的电子束、3、电子束在电子光刻胶上的三维曝光空间区域、4、电子光刻胶、5、支撑电子光刻胶的平面基材、6、电子束曝光显影后在电子光刻胶上形成的深亚微米三维结构、7、类金刚石过渡层、8、电铸初始阶段沉积的金属薄层(附着于类金刚石过渡层上)、9、精密电铸完成后具有深亚微米三维结构的金属模具层、10、滚压模具的加热滚筒、11、内置于滚筒中电阻加热器，12、滚压模具滚压旋转方向、13、被加工的热塑性或热固性材料、14、被加工材料的支撑基材。

滚压模具一个加热滚筒10，滚筒内部有电阻式加热器11，该滚筒表面依次有模具金属层9和纳米级厚度的类金刚石过渡层7，表面构成深亚微米三维结构。

其基本工作原理为：通过连续旋转滚压方式和施加一定压力，并将滚筒和金属模具本体加热，通过滚压模具滚压旋转将金属模具表面的深亚微米三维结构热印到任何热塑性或热固性的被加工材料的支撑基材14(如许多类型的高分子材料)表面上。其特点为：微结构形状可以为三维、热印效率和精度高、特征结构尺度范围宽、成本低廉。

深亚微米三维滚压模具制作的主要工艺要素包括：剂量可控电子束直写电子光刻胶、电子光刻胶与金属模具本体之间的类金刚石过渡层溅射沉积、模具材料(金属)的精密电铸。其中，采用剂量可控的聚焦电子束在光刻胶上按xy位置的任意函数(如y＝kx，k为常数，只要数学解析式能够表达即可)形成变化的曝光深度是成形深亚微米三维结构的关键。参见附图2、3a、3b，此工艺可实现的三维微结构的尺寸组合为：结构的截面最小宽度L＞50nm、深度范围0＜H＜50μm、倾斜角度范围90°＜α＜180°。与常规的微纳制造工艺相比，本发明可以实现小至深亚微米的大尺度范围的结构成形，且结构的截面轮廓为非平直的任意形状。

本发明的模具金属层9和纳米级厚度的类金刚石过渡层7，对金属模具微结构表面的物理和化学特性改变非常重要。类金刚石过渡层7将附着于金属模具的表面，赋予模具以自润滑性、耐腐蚀性、耐磨性及适度的表面硬度。自润滑性对生产过程中滚压模具与热塑性或热固性被加工材料的脱离具有脱模剂的作用。类金刚石过渡层作为生产中的实际表面，其耐腐蚀性在金属模具的清洗(酸碱液)中起保护层的作用；耐磨性和表面高硬度可以降低滚压过程中深亚微米三维结构的磨损、变形，从而提高滚压模具的使用寿命。精密电铸工艺的采用可完成深亚微米微三维结构从电子光刻胶向金属模具材料的转移过程。

本发明的深亚微米三维滚压模具制作方法包括以下工艺的组合：电子光刻胶涂铺工艺(附图1)、采用电子束剂量可控方式在电子光刻胶上形成深亚微米三维结构的工艺(附图2、3a、3b)、电子光刻胶曝光后的显影工艺(附图4)、类金刚石过渡层的溅射工艺(附图5)、金属模具的精密电铸工艺(附图6a、6b)、模具脱胶工艺及滚压模具制作工艺(附图7、8a、8b)。与其它微纳制造工艺相比，本发明制备的深亚微米三维滚压模具更适合制作小至深亚微米尺度的三维结构产品的能力，且采用旋转滚压方式，在制作效率和成本等方面都有较大优势。

以某金属(镍)滚压模具的制作为例，具体实施过程如下：

(1)电子光刻胶的涂铺。用市售的均胶机将适当的正型电子光刻胶(如市售的正型PMMA类电子光刻胶)涂铺在平板基材(如抛光后的硅片)表面，待其自然流平后再经室温或加热固化；

(2)深压微米三维曝光空间区域成形。采用电子束直写光刻系统(如德国产RAITH100型)，通过在其上加装电子束流剂量控制电路和实时扫描控制软件，电子束斑点扫描到不同平面位置时设定不同的电子束流剂量，获得不同的曝光深度。曝光深度H可取为所希望的xy位置的函数H＝f(x，y)，从而生成三维的被曝光空间区域。电子光刻胶的最小曝光线宽为50nm，曝光深度可达到50μm；

(3)电子光刻胶显影。用市售的适当显影液对该电子光刻胶进行清洗，洗除掉被曝光的空间区域材料。未曝光电子光刻胶部分保留下来，并显现出深亚微米的三维微腔体结构(三维被曝光空间区域的反形)；

(4)溅射类金刚石过渡层。用市售的溅射机将炭原子沉积到电子光刻胶显影后的表面(已含深亚微米三维结构腔体)，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜，并作为下一步电铸所需的初始导电表面(电极)；

(5)精密电铸金属镍。将已生成的类金刚石过渡层及金属镍靶(高纯度镍材料)分别作为电铸的阴阳两极，用市售的精密电铸机和适当的电解液将金属镍离子沉积和填充到深亚微米三维结构的电子光刻胶腔体中，形成金属镍模具。要求电铸过程将模具的宏观厚度沉积至0.2-0.5mm之间；

(6)从金属镍模具上脱去电子光刻胶。由于电子光刻胶与镍之间存在类金刚石过渡层，其自润滑性起到了金属镍模具背部界面与电子光刻胶的脱模剂作用，手工便可完成剥离；

(7)滚压金属镍模具制作。由于模具的宏观厚度小于0.5mm，其具有高度的弯卷柔性。利用市售的热固性胶，将具有深亚微米三维结构的金属镍模具(至此为镍箔状)粘贴在高导热型金属(如铜等)滚筒上，最终形成滚筒状并含深亚微米三维结构的金属镍模具；

(8)采用本发明制作的深亚微米三维结构滚压模具，利用滚筒内部的电阻式加热器将滚筒和其上的金属镍模具稳定持续加热，以连续滚压方式，将镍模具表面的深亚微米三维结构热印到平面状的热塑性或热固性材料(如有机玻璃)上，实现这类材料上的深亚微米三维结构的生产性加工。

Claims (2)

1.一种深亚微米三维滚压模具，包括一个滚筒，滚筒内部有电阻式加热器；其特征在于，该滚筒表面依次有模具金属层和纳米级厚度的类金刚石过渡层，构成深亚微米三维结构；该深亚微米三维结构截面的尺寸组合为：侧壁特征的倾斜度范围为90°＜α＜180°、横向尺寸范围L＞50nm、纵向深度范围0＜H＜50μm。

2.一种深亚微米三维滚压模具的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

(1)首先在平面基材表面上用均胶机均匀涂铺一层液态的正型电子光刻胶，其自由流平后在室温或加热条件下固化形成固态的电子光刻胶层；

(2)采用常规电子束直写光刻系统，通过实时控制聚焦电子束束流的剂量，在电子光刻胶层表面的不同xy位置对进行变深度曝光，即控制电子束在z向的深度曝光，曝光深度取为x和y位置的函数，从而生成三维曲面边界的曝光空间区域；

(3)用电子光刻胶对应的显影液对电子光刻胶层进行清洗，显现出深亚微米的三维腔体结构；

(4)用溅射机将炭原子沉积到电子光刻胶层深亚微米三维腔体结构的表面，形成厚度为纳米级的金刚石过渡层薄膜；

(5)将已生成的类金刚石过渡层作为阴阳电极中的一极，在电铸机中将金属沉积到深亚微米三维结构的电子光刻胶层腔体中；电铸过程将模具金属层的宏观厚度沉积至0.2mm～0.5mm之间，即可得到深亚微米微三维结构的金属模具；

(6)将具有深亚微米微三维结构的金属模具弯卷，并用热固性胶粘贴在内部有电阻式加热器的金属滚筒上即成。

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