ITVI20120230A1 - Metodi e assemblaggi di stampo per la fabbricazione di strutture polimeriche tramite tecniche di stampa. - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

dell’ invenzione dal titolo “METODI E ASSEMBLAGGI DI STAMPO PER LA FABBRICAZIONE DI STRUTTURE POLIMERICHE TRAMITE TECNICHE DI STAMPAâ€

Campo della presente divulgazione

In generale, la presente invenzione riguarda il campo della fabbricazione di strutture polimeriche in miniatura utilizzando litografia a stampa ( imprint) e in particolare litografia a nano stampa (nanoimprint - NIL).

Descrizione dell’arte antecedente

La fabbricazione di strutture isolate di dimensioni ridotte costituisce un importante aspetto in molti settori tecnici , quali la fotonica, l’elettronica, la produzione di farmaci, l ’ ingegneria tissutale e simili . A questo scopo, à ̈ stata sviluppata una pluralità di tecniche di produzione al fine di fornire strutture di una pluralità di materiali desiderati con dimensioni nell’ intervallo dei micrometri e , in recenti sviluppi, anche di pochi nanometri . Queste strutture di dimensioni minime nell’ intervallo compreso tra alcune centinaia di micrometri e alcuni nanometri , che saranno di seguito denominate “microstrutture†, a prescindere dalle loro effettive dimensioni laterali , vengono tipicamente formate sulla base di tecniche litografiche, in cui un pattern di una maschera litografica viene riprodotto otticamente in un materiale sensibile a radiazioni così da formare al suo interno un’immagine latente, che viene successivamente sviluppata in modo da fornire una maschera per l’ulteriore patterning di un materiale sottostante. Tecniche litografiche "senza contatto" spesso non sono compatibili con materiali da sottoporre a patterning e si trovano inoltre a dover affrontare importanti sfide in termini di complessità di processo e quindi costi di produzione, in particolare quando si considera la fabbricazione di microstrutture aventi dimensioni laterali significativamente al di sotto della lunghezza d’onda della radiazione di esposizione utilizzata. Tali inconvenienti vengono attualmente risolti in misura crescente utilizzando le cosiddette tecniche di litografia a stampa. La tecnica di litografia a stampa richiede solitamente la predisposizione di un modello che può essere portato a diretto contatto con un materiale deformabile così da trasferire il pattern del modello nel materiale deformabile, ottenendo in tal modo una microstruttura desiderata nel materiale deformabile. In base alla complessiva strategia di processo il materiale deformabile può quindi essere utilizzato come ulteriore modello oppure può rappresentare esso stesso il materiale finale della microstruttura di interesse. Frequentemente il modello può essere fornito sotto forma di uno stampo, in cui almeno una prima parte può presentare formato al suo interno il pattern desiderato, che può essere riempito con un materiale desiderato da sottoporre a patterning , in cui un assieme di stampo "chiuso" può essere formato completando la prima parte e il materiale contenuto al suo interno con una seconda parte complementare, specificamente adattata, quanto a dimensioni, materiale e forma, alla prima parte dell’assieme di stampo. Questo concetto viene tipicamente applicato al momento della fabbricazione di un polimero o di pattern polimerici desiderati sulla base della litografia a stampa. In altre parole il trasferimento del pattern desiderato dall’assieme di stampo al materiale precursore polimerico viene realizzato formando il materiale precursore tra la prima e la seconda parte di stampo e applicando condizioni di pressione e di temperatura appropriate in modo controllato e uniforme attraverso tutto l’assieme di stampo. In particolare, durante la fabbricazione di microstrutture a base di un materiale polimerico, l’uso di materiali elastomerici morbidi come materiali di base per lo stampo à ̈ estremamente vantaggioso, dal momento che spesso tali materiali sono trasparenti a radiazioni ultraviolette (UV), il che consente di utilizzare materiali sensibili alle radiazioni al fine di permettere o migliorare il processo di stampa durante il trattamento di un materiale polimerico. Inoltre, tali materiali elastomerici morbidi possono presentare un modulo elastico molto basso, il che conferisce in tal modo la flessibilità richiesta allo stampo al fine di fornire un contatto conforme tra le parti di stampo indipendentemente da eventuali irregolarità di superficie che possono essere presenti, per esempio, nella parte di stampo complementare. Inoltre, la flessibilità delle parti di stampo semplifica il distacco delle parti di stampo quando lo stampo viene formato sulla base di un modello master estremamente rigido e conferisce un’elevata durata dello stampo per una lunga vita utile e una maggiore ripetibilità di processo. Per esempio, polidimetilsilossano (PDMS) à ̈ un materiale di base frequentemente usato per fabbricare stampi, che vengono utilizzati per la fabbricazione di microstrutture sulla base della litografia a stampa.

Tuttavia, il processo di fabbricazione di microstrutture polimeriche mediante litografia a stampa tipicamente applicato non solo determina la formazione della struttura desiderata, ma può anche creare uno strato polimerico residuo indesiderato, denominato anche strato “scum†. Questo strato polimerico residuo indesiderato può formare un collegamento tra singoli elementi della struttura, che non dovrebbero essere accoppiati meccanicamente, il che richiede pertanto una fase di processo aggiuntiva per eliminare i collegamenti indesiderati tra singoli elementi della struttura. Frequentemente, viene applicato un corrispondente processo di attacco chimico a base di plasma al fine di eliminare lo strato polimerico residuo, causando in tal modo aggiuntivi effetti collaterali negativi in termini di costi di produzione e rendimento complessivi. Inoltre, il processo di attacco chimico influenza anche tipicamente gli elementi della struttura per esempio modificando la forma, lo spessore, la ruvidità e generalmente la chimica superficiale di questi elementi. Altri approcci utilizzano stampi in PFPE (Perfluoropolietere) che potrebbero presentare un’energia superficiale adatta a evitare la formazione di strato “scum†con alcuni materiali di processo. Tuttavia a causa della sua fragilità il PFPE presenta una bassa durabilità e può essere utilizzato solo con un numero limitato di materiali in grado di essere compatibili con la sua energia superficiale.

In considerazione della situazione sopra descritta, un obiettivo della presente divulgazione à ̈ quello di fornire mezzi per fabbricare microstrutture, in particolare microstrutture polimeriche, sulla base di stampi formati a partire da un materiale organico, quali materiali elastomerici, evitando al contempo o almeno riducendo gli effetti di uno o più dei problemi sopra identificati in relazione alle tecniche di litografia a stampa.

Sommario della divulgazione

In generale, la presente divulgazione fornisce tecniche e assiemi di stampo o parti degli stessi, che possono essere utilizzati per fabbricare microstrutture a base polimerica, in cui un adattamento appropriato delle caratteristiche superficiali di almeno una parte di stampo può tradursi nell’assenza o almeno in una significativa riduzione di uno strato polimerico residuo al momento dell’esecuzione di un processo di litografia a stampa, cioà ̈ al momento dell’esecuzione di un processo per formare una microstruttura polimerica utilizzando un assieme di stampo elastomerico. Grazie alla capacità di modulare l’energia superficiale dell’assieme di stampo, in questa invenzione à ̈ reso possibile il patterning di un gran numero di materiali polimerici rispetto ad altre alternative note che sono limitate alle proprietà di base del materiale di stampo.

Secondo un aspetto della presente divulgazione l’obiettivo di cui sopra può essere conseguito attraverso un metodo. Il metodo comprende applicare un trattamento superficiale ad una superficie di almeno una tra una prima parte di stampo realizzata in un primo materiale organico e una seconda parte di stampo realizzata in un secondo materiale organico, in cui il trattamento superficiale dà come risultato un’energia superficiale obiettivo di dette prima e/o seconda parte di stampo rispetto ad un materiale polimerico che deve essere formato a partire da un materiale precursore polimerico. Il metodo comprende inoltre riempire la prima e/o la seconda parte di stampo con il materiale precursore polimerico. Inoltre, il metodo comprende formare un assieme di stampo a partire dalla prima e dalla seconda parte di stampo e dal materiale precursore polimerico. Il metodo comprende in aggiunta rimuovere la prima e la seconda parte di stampo dopo indurimento del materiale precursore polimerico così da fornire una micro-struttura polimerica costituita dal materiale polimerico.

Secondo il concetto inventivo della presente divulgazione, materiali organici consolidati, quale PDMS, possono essere utilizzati come stampi per eseguire un processo di litografia a stampa, in cui tuttavia, diversamente da strategie convenzionali, viene applicato un trattamento superficiale al fine di regolare adeguatamente l’energia superficiale, consentendo in tal modo un efficiente controllo del processo litografico, in particolare per quanto riguarda la migrazione di materiale polimerico e/o materiale precursore polimerico durante l’esecuzione del processo di stampa. Di conseguenza, in particolare, microstrutture di dimensioni ridotte possono essere formate con un livello notevolmente ridotto di materiale polimerico residuo, incrementando così la fedeltà al pattern della microstruttura risultante. Dall’altro lato, l’assieme di stampo costituito da materiali organici può tuttavia permettere l’esecuzione di molti processi di replicazione il che à ̈ confrontabile con modelli rigidi per via delle caratteristiche superficiali adeguatamente adattate e delle proprietà meccaniche ottimali, fornendo al contempo comunque i vantaggi associati all’uso di materiali di stampo organici.

Per esempio, in una forma di realizzazione illustrativa l’applicazione del trattamento superficiale comprende la riduzione della bagnabilità della superficie di almeno una tra la prima e la seconda parte di stampo. Per esempio, la regolazione della bagnabilità di una o più delle aree superficiali di interesse dell’assieme di stampo permette di regolare un rapporto desiderato di energia superficiale tra la prima e la seconda parte di stampo e il materiale polimerico da formare. In tal modo, durante il processo di stampa si ottiene una distribuzione migliorata del materiale precursore, impedendo così sostanzialmente la formazione di uno strato di materiale residuo.

In una forma di realizzazione illustrativa l’applicazione del trattamento superficiale comprende la formazione di uno strato superficiale idrofobo avviando una reazione tra gruppi idrossilici ed etossi alchil silani perfluorurati. In tal modo al fine di adattare le caratteristiche superficiali possono essere applicati reagenti chimici e tecniche consolidati.

In un’ulteriore forma di realizzazione illustrativa l’applicazione del trattamento superficiale comprende l’esecuzione di un processo al fine di creare e/o attivare gruppi idrossilici sulla superficie. In altri termini può essere applicato qualsiasi processo appropriato, per esempio un bombardamento ionico nell’ambito di un trattamento al plasma e simili, al fine di preparare la superficie per la successiva reazione con molecole di etossi alchil silani perfluorurati. Di conseguenza, sono disponibili in totale 2 o più fasi di processo, in cui le caratteristiche superficiali in ultimo desiderate possono essere controllate in modo efficiente, dato che, per esempio, il tipo di molecole di reazione, uno o più parametri di processo del processo di preparazione della superficie prima dell’applicazione delle molecole di reazione, e simili, possono rappresentare parametri di controllo efficienti. Per esempio, sono disponibili strategie consolidate per un trattamento al plasma sulla base di un ambiente ossigenato che possono essere utilizzate per attivare e/o generare gruppi idrossilici in corrispondenza delle aree superficiali di interesse. Dall’altra parte, queste fasi di processo vengono condotte prima di formare l’effettiva microstruttura polimerica o di depositare il materiale precursore al fine di evitare un’interazione indebita di questi processo di pre-stampa con i materiali sensibili.

In una forma di realizzazione preferita il primo materiale organico à ̈ polidimetilsilossano (PDMS). Di conseguenza, possono essere utilizzate strategie consolidate per fornire i materiali precursori per l’assieme di stampo allo scopo di ottenere le parti in PDMS, per esempio sulla base di un modello rigido realizzato in silicio, e simili, utilizzando qualsiasi tecnica litografica avanzata, in cui l’elevato grado di trasparenza del PDMS nei confronti delle radiazioni UV consente la fabbricazione di strutture polimeriche a base di materiali precursori induribili con radiazioni. In tal modo, la varietà di materiali utilizzabili per formare microstrutture polimeriche à ̈ notevolmente aumentata rispetto ad altri materiali per stampo quale PFPE, permettendo quindi di modulare con precisione le proprietà meccaniche, elettriche, di biocompatibilità e di biodegradabilità delle microstrutture polimeriche finali. Per esempio, permettendo l’uso di un’ampia varietà di materiali precursori le microstrutture polimeriche possono essere configurate per l’uso in molte applicazioni industriali dall’erogazione di farmaci all’ingegneria tissutale e l’elettronica di plastica.

In alcune forme di realizzazione illustrative il secondo materiale organico à ̈ diverso dal primo materiale organico, fornendo in tal modo una flessibilità aggiuntiva nella configurazione dell’assieme di stampo. Per esempio, la seconda parte di stampo può essere fornita sotto forma di un substrato realizzato in PET, e simili, che viene adattato per quanto riguarda dimensioni e forma alla prima parte di stampo, che può essere realizzata in PDMS.

Durante il processo di litografia a stampa può essere applicata una pressione adeguata compresa tra pressione ambiente e circa 20 Bar, preferibilmente tra pressione ambiente e 10 bar, ad una temperatura compresa tra temperatura ambiente e 250°C, in base al materiale da processare, in modo da fornire un alto grado di compatibilità con ambienti di processo consolidati che possono essere stabiliti nel contesto delle tecniche di micro-fabbricazione. Grazie alle superiori caratteristiche superficiali e grazie alle superiori caratteristiche generali di parti di stampo elastomeriche, si può ottenere un notevole miglioramento in relazione alla resa produttiva sulla base dei parametri di processo sopra identificati, nel contempo si può avere anche una riduzione dei costi complessivi grazie alla possibilità di evitare ulteriori complesse fasi di processo post-litografia, quali tecniche di attacco chimico al plasma, che sono convenzionalmente tipicamente necessarie per affrontare il problema di strati di materiale residuo durante la formazione di microstrutture polimeriche a base di materiali di stampo elastomerici.

Come discusso in precedenza, in alcune forme di realizzazione illustrative la fase di indurimento del materiale precursore polimerico comprende esporre il materiale precursore polimerico a radiazioni UV, il che dà come risultato un processo di litografia estremamente efficiente per materiali sensibili a radiazioni, in cui almeno una parte di stampo à ̈ sostanzialmente trasparente alle radiazioni UV.

Secondo un ulteriore aspetto della presente divulgazione l’obiettivo sopra identificato viene conseguito attraverso un metodo di formazione di una parte di stampo. Il metodo comprende preparare un materiale precursore organico e colare il materiale precursore organico su un modello master rigido che presenta, formata al suo interno, una microstruttura da replicare. In aggiunta, il metodo comprende indurire il materiale precursore organico così da formare una parte di stampo polimerica. Inoltre, il modello master rigido viene rimosso dalla parte di stampo polimerica. In aggiunta, il metodo comprende adattare la bagnabilità di una superficie della parte di stampo rispetto ad una seconda parte di stampo e ad un materiale polimerico da formare nella parte di stampo eseguendo un trattamento superficiale.

Come sopra discusso, in questo aspetto della presente invenzione il trattamento superficiale per adattare la bagnabilità della parte di stampo può essere incorporato in modo efficiente nel processo di fabbricazione per formare la parte di stampo, ottenendo così la parte di stampo affinché presenti caratteristiche superficiali desiderate, che possono essere specificamente configurate rispetto alla microstruttura polimerica da formare. Per esempio, la bagnabilità della superficie può essere ridotta in modo efficiente sulla base dell’avvio di una reazione chimica al fine di stabilire legami chimici tra gruppi idrossilici e molecole appropriate, fornendo in tal modo una superficie altamente idrofoba. Il grado di modifica superficiale può essere adeguatamente determinato e quindi regolato sulla base di tecniche di misurazione consolidate, quale la misurazione dell’ angolo di contatto con l’acqua, che descrive la relazione tra tensione superficiale di acqua, materiale polimerico e aria. Di conseguenza, l’angolo di contatto con l’acqua può essere prontamente utilizzato come misura per determinare parametri adeguati per il trattamento superficiale per quanto riguarda qualsiasi materiale precursore da processare con la parte di stampo presa in considerazione.

Di conseguenza, in una forma di realizzazione illustrativa l’esecuzione del trattamento superficiale comprende formare uno strato superficiale idrofobo su una superficie della parte di stampo avviando una reazione tra gruppi idrossilici forniti sulla superficie e etossi alchil silani perfluorurati, consentendo in tal modo l’applicazione di sostanze chimiche consolidate per fornire una superficie con bagnabilità ridotta. A tale scopo, può essere eseguito qualsiasi processo appropriato al fine di creare e/o attivare i gruppi idrossilici sulla superficie, aumentando così flessibilità e controllabilità del trattamento superficiale, così come discusso anche in precedenza. Per esempio, può essere utilizzato un processo al plasma ossigeno al fine di preparare adeguatamente la superficie prima di applicare il tipo desiderato di molecole che formeranno infine uno strato sostanzialmente monomolecolare.

Secondo ancora un ulteriore aspetto della presente divulgazione l’obiettivo sopra identificato viene conseguito da un assieme di stampo configurato per formare una microstruttura polimerica. L’assieme di stampo comprende una prima parte di stampo costituita da un primo materiale organico e avente una prima superficie. L’assieme di stampo comprende inoltre una seconda parte di stampo costituita da un secondo materiale organico e avente una seconda superficie, in cui la prima e/o la seconda superficie presentano, formato su di esse, uno strato superficiale idrofobo che fornisce un angolo di contatto corretto in modo da eliminare materiale polimerico residuo durante lo stampaggio ( imprinting ), quale un angolo di contatto con l’acqua pari a 130° o superiore.

Di conseguenza, l’assieme di stampo della presente invenzione fornisce caratteristiche superficiali che danno luogo ad una bagnabilità notevolmente ridotta rispetto a materiali di stampo organici convenzionali, come indicato dall’angolo di contatto con l’acqua moderatamente elevato, cosicché in particolare i materiali precursori polimerici possono essere processati in modo efficiente nell’assieme di stampo, evitando al contempo o almeno riducendo notevolmente la presenza di eventuali strati di materiale polimerico residuo indesiderati, che in strategie convenzionali necessitano di ulteriori processi post-litografia sotto forma di processi di attacco chimico, e simili.

Come sopra discusso, in particolare, caratteristiche superficiali possono essere determinate in modo efficiente e misurate oggettivamente sulla base dell’angolo di contatto con l’acqua, consentendo così anche una regolazione efficiente delle caratteristiche superficiali obiettivo finali in modo oggettivo e riproducibile.

In una forma di realizzazione preferita l’assieme di stampo della prima e/o della seconda parte di stampo à ̈ realizzato in PDMS.

Beve descrizione dei disegni

Ulteriori forme di realizzazione illustrative della presente divulgazione sono definite anche nelle rivendicazioni allegate e nella descrizione, che va studiata nel contesto dei disegni, in cui:

la Figura 1 illustra schematicamente una fotografia al microscopio ottico di una microstruttura polimerica formata sulla base di un materiale di stampo elastomerico in una strategia convenzionale, dando come risultato pertanto uno strato di materiale polimerico residuo;

le figure da 2a a 2g illustrano schematicamente viste in sezione trasversale di una parte di stampo durante un processo di fabbricazione, in cui caratteristiche superficiali superiori vengono conferite ad una parte di stampo in conformità con forme di realizzazione illustrative della presente divulgazione;

la figura 2h illustra schematicamente i risultati di una misurazione dell’angolo di contatto con l’acqua al fine di specificare le caratteristiche superficiali di una superficie di una parte di stampo formato sulla base dei principi della presente divulgazione rispetto ad una parte di stampo fabbricata in modo convenzionale;

la figura 2i illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un assieme di stampo con caratteristiche superficiali superiori così da formare una microstruttura polimerica in conformità con forme di realizzazione illustrative della presente divulgazione; e

la figura 2j illustra schematicamente una fotografia al microscopio ottico della microstruttura polimerica risultante ottenuta sulla base della strategia di processo illustrata nella figura 2i.

Descrizione dettagliata

Con riferimento ai disegni allegati saranno ora descritte in maggior dettaglio ulteriori forme di realizzazione illustrative della presente divulgazione.

La Figura 1 illustra schematicamente una microstruttura polimerica 150, che può comprendere una pluralità di singoli elementi strutturali 151 , forniti per esempio sotto forma di elementi rettangolari con dimensioni laterali conformi ai requisiti specifici. Come sopra discusso, le dimensioni laterali dei singoli elementi strutturali 151 possono andare da diverse centinaia di micrometri a 20 nm e persino meno, a seconda della specifica applicazione. Si dovrà tuttavia apprezzare che gli elementi 151 possono presentare qualsiasi altra configurazione geometrica. Nell’esempio mostrato, gli elementi 151 dovrebbero essere forniti come elementi indipendenti. Come sopra discusso, tuttavia, sebbene l’applicazione di tecniche di litografia a stampa possa teoricamente essere estremamente vantaggiosa, nonostante ciò, dopo la separazione delle parti di stampo si possono tipicamente osservare significative porzioni di materiale polimerico residuo 152. Per comodità, à ̈ illustrata una parte di stampo 110 che può essere fornita sotto forma di un substrato, mentre non viene mostrata l’altra parte di stampo che ha effettivamente implementato al suo interno il pattern per formare la microstruttura 150. Come à ̈ evidente dalla figura 1 , molti degli elementi strutturali 151 non possono essere rimossi come componenti separati dalla parte di stampo 110 senza applicare processi aggiuntivi, quale un processo di attacco chimico, e simili, determinando così complessità e costi aggiuntivi del processo di produzione globale. Inoltre, il processo di attacco chimico richiesto può anche modificare notevolmente le caratteristiche degli elementi 151 e della parte di stampo 110. Per esempio, la dimensione e la forma nonché le caratteristiche superficiali degli elementi 151 possono essere negativamente influenzate in modo considerevole da un processo di attacco chimico a base di plasma che viene utilizzato per rimuovere lo strato residuo 152.

Con riferimento alle figure da 2a a 2h sarà ora descritto in maggior dettaglio un processo di fabbricazione, in cui parti di stampo di un assieme di stampo vengono formate a base di un materiale organico, in cui caratteristiche superficiali superiori vengono conferite ad almeno una delle parti di stampo al fine di evitare ulteriori fasi di processo postlitografia necessarie nella strategia convenzionale per la rimozione dello strato residuo 152 come sopra discusso con riferimento alla figura 1.

La Figura 2a illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un modello rigido 290, che può essere utilizzato come modello master per formare una parte di stampo di materiale elastomerico. Il modello 290 può comprendere qualsiasi materiale di substrato rigido appropriato 291 , che può includere uno strato di materiale appropriato 292, in cui una microstruttura desiderata 293 può essere formata in base alle tecniche litografiche disponibili, quali litografia ottica, litografia a fascio elettronico, e simili. Per esempio, almeno lo strato 292 può essere fornito sotto forma di silicio, diossido di silicio, nitruro di silicio, e simili, mentre il substrato 291 può essere qualsiasi materiale di substrato appropriato. Si dovrebbe tuttavia apprezzare che, in alcuni approcci, il substrato 291 e lo strato 292 possono essere realizzati con lo stesso materiale. Per via della rigidità del modello 290, un utilizzo diretto del modello 290 per formare una pluralità di repliche di una microstruttura polimerica può dar luogo ad una scarsa fedeltà del pattern e ad alti costi di produzione.

Pertanto, il modello 290 può essere utilizzato in modo efficiente per formare un assieme di stampo elastomerico, che può essere realizzato utilizzando materiali precursori consolidati al fine di ottenere uno stampo flessibile. In una forma di realizzazione illustrativa, almeno una parte di stampo può essere formata a partire da materiale PDMS, che può essere realizzato selezionando un materiale precursore adeguato, quale Sylgard 184 kit-Base, in combinazione con un agente di indurimento adatto al materiale precursore indicato sopra. L’agente di indurimento e il materiale precursore possono essere preparati con un rapporto di 1 : 10 in termini di percentuale in peso. In seguito, la miscela può essere degassata in un essiccatore in condizioni di vuoto. La sostanza risultante, schematicamente indicata con 201 nella figura 2a può quindi essere applicata sul modello master 290 in base a qualsiasi tecnica di deposizione appropriata. Si dovrebbe apprezzare che nella figura 2a à ̈ illustrata solo una porzione del modello 290, mentre nella struttura da formare sono tipicamente previsti effettivamente molti più elementi strutturali.

La Figura 2b illustra schematicamente una vista in sezione trasversale dell’assieme risultante, in cui una pre-forma di una parte di stampo 220 à ̈ mostrata per essere posizionata sul modello master 290. In questa fase, viene applicato qualsiasi processo di indurimento adatto, per esempio un indurimento termico a 100°C per 30 minuti, così da ottenere le caratteristiche finali desiderate del materiale di base della parte di stampo 220.

La Figura 2c illustra schematicamente la parte di stampo 220 che presenta, formato al suo interno, un pattern 221 il quale corrisponde al pattern del modello master 290. Nella fase mostrata, la parte di stampo 220 à ̈ separata dal master 290, il che può essere realizzato in base a qualsiasi tecnica di processo consolidata.

La Figura 2d illustra la parte di stampo 220 quando viene sottoposta ad un trattamento superficiale, che à ̈ illustrato schematicamente con 280, in cui caratteristiche superficiali appropriate vengono conferite alle aree superficiali esposte 220S della parte di stampo 220. Come discusso in precedenza la tensione superficiale e quindi la bagnabilità sono riconosciute come proprietà molto importanti di uno stampo, per esempio uno stampo fabbricato in PDMS. Grazie al trattamento 280 queste proprietà superficiali possono essere adeguatamente adattate agli specifici materiali da formare sotto forma di liquidi o solidi impiegando lo stampo, in cui anche le caratteristiche superficiali dell’altra parte di stampo, che può essere piana o anch’essa dotata di pattern (nel caso in cui siano desiderate caratteristiche di microstruttura su entrambi i lati del polimero processato). Questo viene altrimenti adeguatamente adattato alla parte di stampo 220 e rappresenta pertanto una parte di stampo complementare per formare un assieme di stampo, può essere preso in considerazione oppure può essere inoltre regolato in base ad un trattamento superficiale. In altri termini la migrazione superficiale del materiale da processare neH’assieme di stampo viene influenzata in modo significativo dalla sua tensione superficiale, che dipende a sua volta dall’energia superficiale del materiale di stampo e dall’energia di interfaccia tra il materiale da processare e la superficie dello stampo. Di conseguenza, adattando specificamente le caratteristiche superficiali di almeno una parte di stampo rispetto al resto dei componenti si può ottenere un comportamento superiore durante il processo di litografia a stampa, per esempio evitando o almeno riducendo notevolmente la formazione di uno strato di materiale residuo.

Per esempio, quando si esegue il trattamento superficiale 280 viene formato uno strato superficiale 222, per esempio sotto forma di uno strato mono-molecolare costituito da molecole adeguatamente selezionate, che determinano sostanzialmente le caratteristiche superficiali risultanti. Per esempio, possono essere utilizzate molecole della famiglia dei perfluoroeteri di trietossi silano, quale Fluorolink S 10 prodotto da Solvay Solexis, disciolte in un solvente alcolico, quale alcool isopropilico, dato che tali molecole reagiscono in modo efficiente con i gruppi idrossilici presenti sulla superficie 220S, creando in tal modo uno strato superficiale idrofobo, quale lo strato 222. Di conseguenza, la tensione superficiale viene notevolmente ridotta rispetto alla tensione superficiale del materiale di base non trattato della parte di stampo 220. Inoltre, l’uso di un solvente alcolico per avviare la reazione chimica delle molecole con i gruppi idrossilici può consentire l’utilizzo di materiali elastomerici, quale PMMS, poiché questo materiale non subisce alcun relativo rigonfiamento nell’alcool per cui il pattern definito nella superficie del componente 220 viene preservato.

Si dovrebbe apprezzare che il trattamento superficiale 280 può essere controllato in modo da ottenere un grado desiderato di modifica superficiale in base allo strato 222 per rispettare i requisiti per l’ulteriore trattamento di un materiale precursore appropriato in combinazione con una parte di stampo complementare, che può anche entrare in contatto con aree superficiali della parte di stampo 220.

Con riferimento alle figure da 2e a 2g saranno ora descritte in maggior dettaglio forme di realizzazione illustrative del trattamento superficiale 280. Alcune di queste fasi di processo possono essere simili a tecniche di processo così come descritte anche nella domanda di brevetto US 2011/0006032, in cui tuttavia in questo caso l’adesione di strati metallici deve essere migliorata, anziché regolare caratteristiche superficiali appropriate in relazione al miglioramento di un processo di litografia a stampa .

La Figura 2e illustra schematicamente la parte di stampo 220 secondo forme di realizzazione illustrative, in cui un processo 281 , quale un processo al plasma a base di un ambiente ossigenato, può essere eseguito prima di applicare effettivamente molecole appropriate al fine di preparare o condizionare le aree superficiali 220S. Durante il processo 281 nella superficie 220S possono essere creati gruppi idrossilici aggiuntivi oppure rispettivi gruppi idrossilici possono essere "attivati", cioà ̈ questi gruppi possono essere forniti in modo che siano disponibili come legami pendenti al fine di fornire condizioni appropriate per formare legami chimici covalenti con molecole che devono ancora essere applicate. Inoltre, durante il processo 281 contaminanti possono essere rimossi in modo efficiente, fornendo in tal modo anche migliori condizioni di processo durante il successivo processo di modifica superficiale.

Si dovrebbe apprezzare che un plasma a base di ossigeno può essere eseguito sulla base di ricette di processo consolidate, in cui il controllo di parametri di processo, quali potenza ad alta frequenza, potenza a bassa frequenza, pressione, e simili, può permettere un controllo efficiente delle condizioni superficiali risultanti, che a loro volta possono influenzare l’ulteriore trattamento, fornendo così un ulteriore meccanismo di controllo nella regolazione delle caratteristiche superficiali in ultimo desiderate.

La Figura 2f illustra schematicamente un trattamento superficiale 283 progettato per formare uno strato superficiale che conferisce le caratteristiche superficiali desiderate al materiale di base della parte di stampo 220. In questa forma di realizzazione, il trattamento 283 include l’applicazione di una miscela appropriata, che comprende molecole appropriate che possono reagire con gruppi idrossilici nella superficie della parte di stampo 220. In questa forma di realizzazione la modifica superficiale include l’avvio di una formazione di legame covalente di etossi alcano silani perfluorurati con i gruppi idrossilici formati sulla superficie della parte di stampo 220 realizzata in PDMS. A questo scopo possono essere utilizzate le seguenti formulazioni:

(CH3CHO)3SiO(CF2CF2O)m(CF2O)nCF3;

(CH3CHO)3SiO(CF(CF3)CF2O)m(CF2O)nCF3;

(CH3CHO)3SiO(CF(CF3)CF2O)mCF2CF3; or

(CH3CHO)3SiO(CF2CF2CF2O)mCF2CF3.

La soluzione può essere preparata, per esempio utilizzando la seguente composizione standard dalla scheda tecnica di Fluorolink 10, ottenendo così la risoluzione dell’agente silanizzante (le percentuali sono espresse in peso):

0,1 - 1 ,0% di Fluorolink S 10;

0,4 - 4,0% di acqua (rapporto 4/1 acqua/Fluorolink S 10);

0,1 - 1 ,0% di acido acetico o HC1 10% (rapporto 1/1 acido acetico/Fluorolink S 10) e

99,4 - 94,0% di alcool isopropilico.

Almeno 30 minuti dopo la preparazione di questa soluzione, indicata con 284, la parte di stampo 220 viene immersa in questa soluzione per alcuni secondi, o in alternativa la soluzione viene applicata con qualsiasi altra tecnica di deposizione appropriata. Per esempio, come mostrato nella figura 2f, durante il trattamento 283 la soluzione 284, per esempio così come preparata nella modalità sopra discussa, viene applicata su aree superficiali esposte della parte di stampo 220, per esempio costituita da PDMS, che vengono pertanto ricoperte dalla soluzione 284. Durante il contatto delle aree superficiali esposte con la soluzione 284 gli etossi alcano silani perfluorurati formano uno strato 222P di spessore definito.

La figura 2g illustra schematicamente la parte di stampo 220 durante un processo di indurimento 285, eseguito per esempio a circa 100°C per circa 60 minuti, in cui vengono formati legami chimici tra le molecole dello strato 222P e i gruppi idrossilici sulla superficie 220S. Per via di questo meccanismo di reazione si forma un monostrato molecolare auto-assemblato, cioà ̈ lo strato 222.

In seguito, può essere applicata un’ulteriore fase di processo 286, in cui viene utilizzata energia ultrasonica in combinazione con isopropanolo e acqua al fine di rimuovere reagenti in eccesso, fornendo così la configurazione come mostrato nella figura 2g.

Si dovrebbe apprezzare che i parametri di processo nonché il tipo di molecole fluorurate delle fasi di processo sopra descritte possono essere prontamente determinati sulla base di esperimenti in modo da ottenere caratteristiche superficiali desiderate, cioà ̈ caratteristiche dello strato 222 conformi ai requisiti per l’ulteriore uso della parte di stampo 220.

La figura 2h illustra schematicamente risultati di misurazione delle caratteristiche superficiali della parte di stampo 220 dopo la formazione dello strato 222, come sopra discusso. Nella parte destra della figura 2h l’angolo di contatto con l’acqua della parte di stampo 220 à ̈ determinato pari a 130° o superiore, per esempio pari a circa 137°, a indicare pertanto una bagnabilità notevolmente ridotta della superficie della parte di stampo 220 dovuta alla presenza dello strato superficiale 222. In confronto, la parte sinistra della figura 2h illustra la stessa procedura di misurazione per una parte di stampo sostanzialmente identica, che però à ̈ priva dello strato superficiale 222 e rappresenta quindi una parte di stampo in PDMS formata in conformità con strategie convenzionali. Di conseguenza, si può ottenere un notevole aumento dell’ angolo di contatto con l’acqua, che conferisce la ridotta bagnabilità richiesta alla superficie della parte di stampo 220.

Sulla base della parte di stampo 220 che possiede le caratteristiche superficiali superiori possono essere formate corrispondenti microstrutture polimeriche secondo qualsiasi tecnica di litografia a stampa appropriata.

Con riferimento alle figure 2i e 2j à ̈ decritta una corrispondente sequenza di processo, in cui a titolo di esempio un materiale polimerico sotto forma di polietilenglicole diacrilato (PEDGA, 700 Da, Sigma Aldrich) deve essere formato come una microstruttura utilizzando un assieme di stampo avente una prima parte di stampo costituita da PDMS, quale la parte di stampo 220 descritta in precedenza, e una seconda parte di stampo appropriata come parte di stampo complementare o adattata, per esempio fornita sotto forma di uno strato di polietilentereftalato (PET).

La figura 2i illustra schematicamente una vista in sezione trasversale di un assieme di stampo 200 comprendente la parte di stampo 220, che comprende, in una forma di realizzazione illustrativa, lo strato superficiale 222 al fine di fornire caratteristiche superficiali superiori, come sopra discusso. Inoltre, una seconda parte di stampo 210, costituita per esempio da PET, può fungere da parte complementare per definire una microstruttura 250 che deve essere formata a partire da qualsiasi materiale precursore appropriato. Si dovrebbe apprezzare che la seconda parte di stampo 210 può anche comprendere uno strato superficiale modificato 212, se si ritiene che le caratteristiche di materiale del materiale da processare nell’assieme di stampo 200 richiedano caratteristiche superficiali modificate sia per la parte 210 sia per la parte 220. Si dovrebbe tuttavia apprezzare che in altri casi può essere sufficiente fornire ad una delle parti di stampo 210 e 220 caratteristiche superficiali superiori, ottenendo comunque nel contempo prestazioni complessive superiori al momento della formazione della microstruttura 250.

Per esempio, se lo strato superficiale modificato 212 deve essere formato su aree superficiali esposte della parte di stampo 210 una simile sequenza di processo può essere applicata come sopra descritto con riferimento alla parte di stampo 220.

A titolo esemplificativo, al momento della formazione della microstruttura 250 Ã ̈ stata preparata una miscela composta dal 78% di PEGDA, il 20% di acqua e il 2% di foto-iniziatore DAROCURE.

Questo materiale precursore liquido può essere introdotto nella parte di stampo 220 utilizzando qualsiasi tecnica di deposizione appropriata, la parte di stampo 210 essendo predisposta sopra, per esempio applicando una leggera pressione in modo da eliminare qualsiasi parte di materiale precursore liquido in eccesso.

L’assieme di stampo risultante 200 che include il precursore della microstruttura 250 può quindi essere posizionato in un ambiente di processo appropriato per eseguire il processo di litografia a stampa 230. A tale scopo, per esempio, può essere applicata una pressione di 500.000 Pascal o superiore per un tempo di processo definito in modo da avviare la polimerizzazione del materiale precursore per ottenere il materiale polimerico desiderato della microstruttura 250. Per esempio, in una forma di realizzazione illustrativa, viene applicata una pressione di circa 900.000 Pascal per 30 secondi, in cui, mantenendo la pressione, può essere utilizzata un’esposizione aggiunta 231 a radiazioni UV per 120 secondi. Queste fasi di processo possono essere condotte a temperatura ambiente, ottenendo così le caratteristiche desiderate del materiale polimerico. Si dovrebbe apprezzare che l’esposizione a radiazioni UV à ̈ resa possibile grazie all’elevato grado di trasparenza della parte di stampo 220 nei confronti delle radiazioni UV.

Si dovrebbe inoltre notare che durante il processo di litografia a stampa 230 può essere applicata qualsiasi altra ricetta di processo, a seconda del materiale precursore usato e delle caratteristiche della microstruttura 250 in ultimo desiderate.

Grazie alle caratteristiche superficiali specificamente adattate di almeno uno dei componenti dell’assieme di stampo 200 la rimozione di materiale in eccesso del liquido precursore della microstruttura 250 può essere migliorata rispetto a tecniche di processo convenzionali, evitando in tal modo residui indebiti di materiale nella microstruttura 250 dopo la polimerizzazione del materiale precursore liquido durante la fase di stampa 230. Inoltre, le parti di stampo 220, 210 possono essere separate in modo molto efficiente grazie alle caratteristiche superficiali migliorate, facilitando pertanto anche il processo di stampa 230, 231 rispetto a strategie convenzionali.

La figura 2j illustra schematicamente una fotografia al microscopio ottico della microstruttura risultante 250, che viene comunque formata sulla parte di stampo 210. Come mostrato, può essere prevista una pluralità di elementi strutturali 251 aventi fondamentalmente le stesse dimensioni laterali come discusso in precedenza con riferimento alla figura 1. Diversamente dalla situazione convenzionale tuttavia, grazie alle caratteristiche superficiali superiori la formazione di uno strato residuo o strato “scum†può essere eliminata cosicché gli elementi strutturali 251 possono essere ancora singole particelle indipendenti. Per comodità, alcuni degli elementi 251 sono stati meccanicamente staccati dalla parte di stampo 210 per dimostrare l’assenza di qualsiasi strato “scum†. Di conseguenza, gli elementi strutturali 251 possono essere ottenuti come singoli elementi senza alcun ulteriore trattamento post-litografia, come tipicamente richiesto in strategie di processo convenzionali, come discusso con riferimento alla figura 1.

Come spiegato prima, a seconda del materiale polimerico da utilizzare per formare la microstruttura 250, un trattamento superficiale può essere applicato alla parte di stampo 220, alla parte di stampo 210 o a entrambe le parti di stampo. Il trattamento superficiale della presente divulgazione non à ̈ invasivo nemmeno per materiali di base critici, quale il PDMS, dal momento che vengono utilizzati esclusivamente solventi alcolici. Di conseguenza, i trattamenti superficiali sopra descritti possono essere applicati ad un’ampia gamma di materiale di substrato organico sostanzialmente senza variare le dimensioni originali degli elementi strutturali 251 , che sono determinate dalle dimensioni del modello master usato per formare la parte di stampo 220, come sopra discusso. In altri termini, il trattamento superficiale fisico chimico, grazie alla natura non invasiva, conserva il pattern originale della microstruttura da formare, e permette di regolare un rapporto obiettivo di energie superficiali tra il materiale da stampare e i componenti dello stampo. In questo modo, le caratteristiche superficiali combinate con condizioni di pressione e di temperatura appropriate permettono di eliminare residui polimerici tra elementi indipendenti (strato “scum†). Di conseguenza, possono essere formati molti tipi di microstrutture sulla base della litografia a stampa usando componenti di stampo elastomerici, in cui in particolare microparticelle di dimensioni e forma desiderate possono essere fornite per un’ampia varietà di materiali polimerici in base ad assiemi di stampo organici con un’elevata resa produttiva e una ridotta complessità globale di processo rispetto a strategie convenzionali.

Claims (20)

1. RIVENDICAZIONI: 1. Metodo, comprendente: applicare un trattamento superficiale ad una superficie di almeno una tra una prima parte di stampo realizzata in un primo materiale organico e una seconda parte di stampo realizzata in un secondo materiale organico, detto trattamento superficiale dando come risultato un’energia superficiale obiettivo di detta almeno una tra la prima e la seconda parte di stampo rispetto ad un materiali polimerico da formare a partire da un materiale precursore polimerico; riempire almeno una di dette prima e seconda parte di stampo con detto materiale precursore polimerico; formare un assieme di stampo a partire da dette prima e seconda parte di stampo e da detto materiale precursore polimerico; e rimuovere dette prima e seconda parte di stampo dopo indurimento di detto materiale precursore polimerico così da fornire una micro-struttura polimerica costituita da detto materiale polimerico.
2. 2. Metodo secondo la rivendicazione 1 , in cui l’applicazione di detto trattamento superficiale comprende la riduzione della bagnabilità di detta superficie di almeno una di dette prima e seconda parte di stampo.
3. 3. Metodo secondo le rivendicazioni 1 o 2, in cui l’applicazione di detto trattamento superficiale comprende la formazione di uno strato superficiale idrofobo avviando una reazione tra gruppi idrossilici ed etossi alchil silani perfluorurati.
4. 4. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 3, in cui l' applicazione di detto trattamento superficiale comprende eseguire un processo in modo perlomeno da creare e attivare gruppi idrossilici su detta superficie.
5. 5. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto processo viene implementato sotto forma di un bombardamento particellare in un ambiente contenente ossigeno.
6. 6. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 5, in cui detto primo materiale organico à ̈ un polimero elastomerico.
7. 7. Metodo secondo la rivendicazione 6, in cui detto polimero elastomerico à ̈ polimetilsilossano (PDMS).
8. 8. Metodo secondo le rivendicazioni 6 o 7, in cui detto secondo materiale organico à ̈ diverso da detto primo materiale organico, e in particolare à ̈ PET.
9. 9. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 8, comprendente inoltre applicare una pressione compresa tra pressione ambiente e 20 Bar, preferibilmente tra pressione ambiente e 10 bar, ad una temperatura compresa tra temperatura ambiente e 250°C a seconda del materiale da processare.
10. 10. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 9, in cui l' indurimento di detto materiale precursore polimerico comprende l’esposizione di detto materiale precursore polimerico a radiazioni UV.
11. 11. Metodo per formare una parte di stampo, detto metodo comprendendo: preparare un materiale precursore organico; colare detto materiale precursore organico su un modello master rigido che presenta, formata al suo interno, una microstruttura da replicare; indurire detto materiale precursore organico così da formare una parte di stampo polimerico; staccare detto modello master rigido da detta parte di stampo polimerico; e adattare la bagnabilità di una superficie di detta parte di stampo rispetto ad una seconda parte di stampo e ad un materiale polimerico da formare in detta parte di stampo eseguendo un trattamento superficiale.
12. 12. Metodo secondo la rivendicazione 11 , in cui resecuzione di detto trattamento superficiale comprende la formazione di uno strato superficiale idrofobo su una superficie di detta parte di stampo avviando una reazione tra gruppi idrossilici forniti su detta superficie e etossi alchil silani perfluorurati.
13. 13. Metodo secondo la rivendicazione 12, in cui l’esecuzione di detto trattamento superficiale comprende inoltre l’esecuzione di un processo così da creare e/o attivare detti gruppi idrossilici su detta superficie.
14. 14. Metodo secondo la rivendicazione 4, in cui detto processo à ̈ implementato come processo al plasma a ossigeno.
15. 15. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 14, in cui detto materiale precursore polimerico à ̈ un materiale organico a base di acqua, in particolare almeno uno tra PEG, gelatine, PPF (polipropilenfumarato) e PEDOT (Poli(3,4-etilendiossitiofene) poli(stirensolfonato).
16. 16. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 15, in cui microstrutture polimeriche fabbricate vengono raccolte da detta seconda parte di stampo.
17. 17. Metodo secondo qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16, in cui microstrutture polimeriche fabbricate vengono lasciate su detta seconda parte di stampo.
18. 18. Assieme di stampo configurato per formare una microstruttura polimerica, detto assieme di stampo comprendendo: una prima parte di stampo costituita da un primo materiale organico e avente una prima superficie; una seconda parte di stampo costituita da un secondo materiale organico e avente una seconda superficie, almeno una di dette prima e seconda superficie presentando, formato su di esse, uno strato superficiale idrofobo che fornisce un angolo di contatto corretto al fine di eliminare materiale polimerico residuo durante lo stampaggio ( imprinting ).
19. 19. Assieme di stampo secondo la rivendicazione 18, in cui dette prima e seconda parti di stampo sono sottoposte a patterning .
20. 20. Assieme di stampo secondo le rivendicazioni 18 o 19, in cui una di dette prima e seconda parte di stampo à ̈ realizzata in PDMS.