TW200932656A - Method of micro/nano imprinting - Google Patents

Description

200932656 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 * 本發明係關於模製微奈米結構於非平面基材的奈米壓 * 印微影方法，具體而言，關於以一預製氣密膜，該氣密膜 5 形狀和非平面基材相對互補貼合，再以流體施壓及紫外光 曝光固化或熱固化，可在非平面上達到大面積均勻施壓及 不壓破脆性基材之目的，此法也可擴充至曲面雙邊微結構 壓印應用。 10 【先前技術】 「曲面」基材上之微/奈米結構元件製作，最近頗受各 界的矚目。曲面有很多傳統平面結構達不到的特殊效果， 例如：碟狀太陽能電池板、仿生複眼影像感測器、航太工 程飛行元件、投影顯示螢幕、光學透鏡裝置…等，產業上 15 應用發展潛力極大。然受限於非平面基材的形狀，很難利 用傳統光學微影（Optical Lithography)、電子束微影（E-beam Lithography)、離子束微影（l〇n-beam Lithography)、X光微 影法（X-ray LIGA)、雷射直寫（Laser Direct Writing)等製程 直接製作；此外，如欲使用機械鑽石刀（Diamond Turning) 20 在曲面上進行微加工刻劃，也是困難重重。 通來，奈米壓印微影術（Nanoimprint Lithography, NIL) 不受光學繞射極限之限制，且具有解析度高、速度快及成 本低廉等特色’被廣泛應用在微奈米結構製作上。主要利 用事先已設計好圖案之母模（Mold) ’藉施加壓力方式將母 200932656 模壓入阻劑（Resist)中，使阻劑產生預期圖案。操作方式可 分為兩類：第一類為熱壓式奈米壓印，其阻劑係使用PMMA - 或PS等熱塑性高分子材料，藉加熱方式使阻劑到達玻璃轉 • 移溫度（Tg)，當母模與阻劑完全密合後，再降溫使阻劑凝 5 固，最後再將母模與阻劑分離；第二類為紫外光固化壓印， 在較低的溫度與壓力下，將母模壓入塗布於基材之光阻劑 中，再進行紫外光照射，使光阻劑在光反應作用下產生交 鏈反應而凝固。奈米壓印製作之微結構尺度從微米至數十 〇 奈米，相同圖案之重複率極高，且製作圖案快速、簡易、 10 低成本，為其他微影技術所不及。 傳統奈米壓印微影製程可容易壓印出圖案，習知技術 亦有多篇專利致力於提升壓印效果，如美國專利7,137,803 號揭露之流體壓力奈米壓印微影方法，該法係將模具與基 材以氣袋包住後，置放於一壓力容器内，再以流體施壓。 15 而美國專利第7，195,734號揭露之方法，係透過一移動平 台，將平板基材或模具送入流體壓印機器内壓印。另查美 Ο 國專利第2006/0246169A1公開號，係由一流體充填形成的 囊墊，再由機器施壓此囊墊因而壓印模具與基材。然而， 上述之習知方法僅適用於平面微結構之製備，皆無法應用 20 於曲面微結構之_壓印。 另外，如Cheng等人所揭露之氣囊式壓印方法，也有一 些製程限制（F. S. Cheng, S. Y. Yang，S· C. Nian and Lon A_ Wang, “Soft mold and gasbag pressure mechanism for patterning submicron patterns onto a large concave substrate，’’ Journal of Vacuum Science & Technology B: 6 25 200932656

Microelectronics and Nanometer Structures, Volume 24, Issue 4, PP. 1724-1727(2006))。施壓過程中氣囊之充氣從中 . 心到外圍的逐漸外擴，因此壓印過程會有不均壓；氣囊不 • 《耐高溫高壓、不易尋得透明氣囊及氣囊材料不易做大等 5缺點。故該方法常侷限在常溫下以UV曝光，且常使用透明 基材（如玻璃、石英）從底部照光，相較於半導體產業常要求 之石夕基底、大面積’其應用方面將受侷限。 因此，尚須發展出更佳之製備曲面微結構之奈米壓印 法’使同時具有改善受壓均句性、防止基材容易受壓破 10裂、並適用於大面積製備，並進一步拓展成曲面雙邊微結 構之應用特性。 【發明内容】 鑒於上述習知技術之問題，本發明提供一種可均壓且 15大面積之模製微奈米結構於曲面基材的奈米壓印方法。藉 由氣密膜形狀和非平面基材相對互補貼合，且流體均勻施 〇 壓特性，可在曲面上達到大面積均勻施壓及不壓破脆性基 材之目的，此法也可擴充至曲面雙邊微結構壓印應用。 本發明之曲面奈米壓印成型方法，係在密閉室内，使 20用預製氣密膜，該氣密膜形狀和非平面基材相對互補貼 合、一模具與一曲面基材上之曲面待壓印物形成堆疊組 合，當曲面待壓印物被加熱至軟化可塑狀態時，直接施壓 至堆疊組合，以便將模具組上的微結構轉印至曲面待壓印 :本發明之特徵在於：相對應曲面基材形狀之預成形氣 25密膜將密閉室内分隔成第一及第二空間，使模具與曲面待 7 200932656 5 €5 10 15 Ο 20 麼印物所形成之待壓印組合處於第二空間内，在曲面待壓 I7物處於可塑性狀態下，以高麼流體直接施壓至堆疊組 合，而將模具上的微結構轉印製至曲面待壓印物上。藉此， 本發明之曲面奈米壓印成型方法，可在曲面上達到大面積 均勻施壓及不壓破脆性基材之目的。 根據本發明之另一態樣，提供用於模製曲面微結構之 微奈米壓印成型方法，可用於將微結構印至曲面待壓印物 的雙面上。此方法包括：在密閉室内，將一相對應曲面基 材^/狀之預成形氣後膜、一分別模具、與夾於二分別模具 之間的曲面待壓印物形成待壓印組合，以將形成於二分別 模具上的微結構複製至曲面待壓印物，其特徵在於：該相 對應曲面基材形狀之預成形氣密膜將密閉室内分隔成第一 及第二空間，模具與曲面待壓印物所形成之堆疊組合處於 第二空間内，在曲面待壓印物處於可塑性狀態下，以高壓 流體直接施壓至堆疊組合，即可將二分別模具組上的微結 構同時壓印至曲面待壓印物之二面上。 又根據本發明，該曲面待壓印物可經由操作台加熱裝 置、遠紅外線加熱器、高週波加熱器、紫外光加熱器、及_素 燈等輻射加熱器加熱至足以處於可塑性狀態之溫度，再藉由流 體全面均勻施壓。此外，流體亦可經過加溫流入腔體内使該曲 面待壓印物處於可塑性狀態，再執行加壓功能。 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，曲面待壓印物 較佳可以一熱輻射器加溫至處於可塑性狀態。 8 200932656 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，較佳可更包括 一步驟：以一照光裝置固化曲面待壓印物。 . 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，使用之曲面基 • 材並無限制’較佳可選自：超薄晶圓、玻璃、石英、陶竞、 5 塑膠、金屬所組成之群組。 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，使用之曲面基 材上曲面待壓印物之材料並無限制，較佳可為樹脂、光阻、 凝膠、超塑性金屬、或其他相似物。 C5 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，使用之氣密膜 10 並無限制，較佳可為塑膠膜、橡膠膜、金屬箔、或其他相 似物。 本發明之曲面微奈米壓印成型方法中，使用之高壓流 體並無限制’較佳可選自：氮氣、二氧化碳、惰性氣體、 蒸汽、水、油、空氣、及其混合氣體所組成之群組。 15 【實施方式】

本發明之詳細實施方法係如下所述。 實施例1 如圖1A所示’係顯示根據本發明之模製曲面微結構之 20 微奈米壓印成型方法裝置圖。本實施例之具體應用範例係 用來製備羅蘭圓（Rowlan(j circle)式凹面型光栅。 首先’提供一曲面玻璃基板50,於曲面玻璃基板50上 塗布一層光阻40(型號SU-8 2010，由MicroChem公司取 仔）接著，將一軟性PDMS(聚二甲基石夕氧燒，Polydimethyl 25 Sll〇xane)模具30製放於上述塗布有光阻40之曲面玻璃基板 9 200932656 50上。接下來，將一相對應曲面基材形狀之預成形氣密薄 膜10覆蓋於上。由氣筏84將腔室82氣體抽出至真空狀態 . 後’將氮氣由氣筏83灌入腔室81中以達到氣壓的效果。腔 . 室82底部之軟性固定塊（Soft Holder)60可用以防止曲面玻 5 璃基板50由於氣壓過大的關係而破裂。接著，使用紫外光 燈20進行曝光，以及加熱器進行加熱使光阻4〇被固化。 最後，固化完畢及啟動冷卻裝置72完成冷卻後，將腔室82 破真空並使腔室81中之氮氣釋放，移除薄膜1〇以及pDMS Ο 模具30後’則可得到一曲面光栅51(如圖1B所示）》 10 本實施例中’預成型之氣密薄膜製備方法係如下所 述。 置成型之氣密薄膜之¥僻 塑膠熱壓成型術係為一量產製備熱塑性薄膜之主要方 法。塑膠熱壓成型術有很多種類，包含：真空成型法、加 15 壓成型法、雙膜成型法（Twin-Sheet Forming)、包模成型法 (Drape Forming)、拉吹中空成型法（Free B1〇wing)、簡單弯 片成型法（SlmPle Sheet Bending)、以及緊合模成形法 (Matched-mold Forming) 〇 其中’緊合模成形法係將一待成型之膠膜置於一公/母 20之模型之間，以緊壓的方法壓製成型。如圖2所示，本發明 係使用熱塑型緊合模成形法將薄膜10預成型，將薄膜10預 成型係為了達到符合曲面玻璃基板50之曲度。 200932656 若薄膜ίο預成型後，可達到符合曲面玻璃基板5〇之曲 度，則加壓過程中，壓力可容易地均勻分布，使製備出之 • 曲面光柵具有良好的光學特性。 • 預成型之薄膜不僅作為使壓力均勻分布之功能，更重 5要的疋，其可應用於大面積之光學元件的製造，而仍維持 均勻施壓以及不壓破脆性基材之效果，為一般不具有預成 型薄膜之奈米壓印微影（NIL)方法所不能達到。 ¢5 翅試例（壓力均句性測琴） 10 本實鉍例中使用一壓感性層膜作為測試曲面基板上受 壓情形的測量。其壓感性層膜（由曰本Fuji prescaie时爪公 司取得）可於5-3000kgf/cm2的範圍内由色彩差異表現出不 同的壓力。 在此，我們取用一半徑為62mm，曲率半徑為92 5mm 15之曲面基板（圖3A)作為測試基板。將壓感性層膜置放於曲 面基板上之後，覆蓋一預成型之薄琪於其上作為實驗組。 〇 並，準備一組不具有預成型薄膜之對照組。提供2〇kgf/cm2 的氣壓，並以一密度測定儀（型號：FPD305E/306E)測量壓感 性層膜表現出顏色密度之狀態’其實驗組之結果如圖3B及 20 3C所示。由圖3C中可看出，覆蓋有一預成型之薄膜之曲面 基板其受壓之平均值為MkgfW’各量測點與平均數之 間的差異罝數為土 1.60 kgf/cm2。相較之下，如圖扣及3E 所不’顯色結果可看出不具有預成型薄膜覆蓋之曲面基板 (對‘、、、、'且）之又壓均句性非常不佳。因此可知，預成型薄膜的 25應用可改善曲面基板受壓之均勻性。 11 200932656 此外’吾人亦取用一直徑為l〇〇mm，高度為30inm之四 英时高曲率圓錐形體（圖4A)作為測試基板。將壓感性層膜 置放於曲面基板上之後，覆蓋一預成型之薄膜於其上作為 . 實驗，提供15kgf/cm2的氣壓，結果如圖4B所示。曲面基板 5 其受壓之平均值為丨5.7 kgf/cm2，各量測點與平均數之間的 差異量數為± 1.16 kgf/cm2。此圖亦可顯示本發明在高曲率 基材上之優越壓力分布均壓性。 ◎ 撞描式電子顯撒鏡照相（SEM、 10 本實施例中，使用光柵重複週期為1.2/z m之矽膠模型 作為母模。製備出來之曲面光柵，如圖5中SEM照相結果所 示，其光柵重複週期為1.2# m。代表著複製出的圖形可非 常接近原本矽膠模型上的圖案’且由SEM照相結果可看 到，光柵的形狀維持的很完整，因此可具有良好的光學特 15 性。 實施例2 如圖6A所不，係顯示根據本發明之模製曲面微結構之 奈米壓印成型方法製得之曲面微結構之實體照片圖，其製 20作方法係與實施例1相同，惟使用具有不同圖形之PDMS模 具。本實施例與上述實施例不同之處在於此應用範例係可 用來製備曲面二維次波長光柵抗反射結構（Antireflecti〇n Subwavelength Structures)，其係可運用在碟型太陽能電池 集光板上。製備得到之曲面二維次波長光柵抗反射結構之 25 SEM照相結果係如圖6B中所示。 12 200932656 實施例3 • 如圖7所示，係顯示根據本發明之模製曲面微結構之奈 米壓印成型方法製得之曲面微結構之SEM照片圖，其製作 5 方法係與實施例1相同，惟使用具有不同圖形之PDMS模 具。本實施例與上述實施例不同之處在於此應用範例係可 用來製備曲面微圓柱結構（Micro-rod)，其係可運用在仿生 複眼影像感測器上。 €3 10 實施例4 如圖8所示，係顯示根據本發明之模製曲面微結構之微 奈米壓印成型方法裝置圖。本實施例之具體應用範例係用 來製備一雙面型曲面光柵，其係可運用在光學微影術、光 通訊和極化分光器上。 15 首先，提供一曲面玻璃基板50,於曲面玻璃基板50雙 表面上塗布一層光阻40(型號SU-8 2010，由MicroChem公司 取得）。接著，將二分別的軟性PDMS(聚二甲基矽氧烷， Polydimethyl Siloxane)模具 30A、30B，與夾於二分別模具 之間的曲面玻璃基板50形成一待壓印組合。接下來，將一 20 相對應曲面基材形狀之預成形氣密薄膜10覆蓋於上。由氣 筏84將腔室82氣體抽出至真空狀態後，將氮氣由氣筏83灌 入腔室81中以達到氣壓的效果。腔室82底部之軟性固定塊 (Soft holder)60可用以防止曲面玻璃基板50由於氣壓過大 的關係而破裂。接著，使用紫外光燈20進行曝光，以及加 25 熱器70進行加熱使光阻40被固化。最後，固化完畢及啟動 13 200932656 冷卻裝置72完成冷卻後，將腔室82破真空並使腔室81中之 氮氣釋放，移除薄膜10以及二分別模具30A、30B後，則可 • 得到一雙表面曲面光栅51(如圖8B、圖9A、以及圖9B所示）。 . 圖9A、圖9B分別為曲面奈米壓印實體之凹面與凸面照片 5 圖。 上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所 主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限 於上述實施例。 10 【圖式簡單說明】 圖1A係本發明實施例1之微奈米壓印成型方法裝置圖。 圖1B係本發明實施例1之曲面光柵之示意圖。 圖2係本發明實施例1之製備預成型之薄膜之示意圖。 圖3A係本發明測試例之曲面基板之示意圖。 15 圖3B〜3C係本發明測試例之實驗組之壓感測試結果圖。 圖3D〜3E係本發明測試例之對照組之壓感測試結果圖。 ^ 圖4A係本發明之圓錐形壓力測量之實體照片圖。 圖4B係本發明之圓錐形壓力測量結果圖。 圖5係本發明實施例1之掃描式電子顯微鏡（SEM)照相圖。 20 圖6A係本發明實施例2之實體照片圖。 圖6B係本發明實施例2之掃描式電子顯微鏡（SEM)照相圖。 圖7係本發明實施例3之掃描式電子顯微鏡（SEM)照相圖。 圖8A係本發明實施例4之製備曲面光柵之一裝置圖。 圖8B係本發明實施例4之曲面光柵之示意圖。 14 200932656 圖9A係本發明實施例4之曲面奈米壓印實體之凹面圖。 圖9B係本發明實施例4之曲面奈米壓印實體之凸面圖。 【主要元件符號說明】 10 薄膜 20 紫外光燈 30 PDMS模具 30A、30B PDMS模具 40 光阻 50 曲面玻璃基板 51 曲面光栅 60 軟性固定塊 70 加熱器 72 冷卻裝置 81 腔室 82 腔室 83 氣筏 84 氣筏 15

Claims (1)

1. 200932656 十、申請專利範圍： 1· 一種用於模製曲面微結構之微奈米壓印成型方 法，在一密閉室内，以一相對應曲面基材形狀之預成形氣 密膜、一模具與一曲面基材上之曲面待壓印物形成一堆疊 組合，當該曲面待壓印物被加熱至軟化可塑狀態時，直接 施壓至該堆疊組合，以便將該模具上之微結構轉印至該曲 面待壓印物’其特徵在於：該相對應曲面基材形狀之預成

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   20 形氣密膜將該密閉室内分隔成一第一及一第二空間，該模 具與該曲面待壓印物所形成之一待壓印組合處於該第二空 間内’在該曲面待壓印物處於可塑性狀態下，以高壓流體 直接施壓至該堆疊組合，而將該模具上之微結構轉印製至 該曲面待壓印物上。 2. 如申請專利範圍第丨項所述之方法，其中，該曲面 待壓印物係以一熱輻射器加溫至處於可塑性狀·離。 3. 如申請專利範圍第！項所述之方法，其；，更包括 以一照光装置固化該曲面待壓印物。 4. 如申請專利範圍第1項 W建之方法’其中’該曲面 基材之材料為選自：超薄晶圓、 及金屬所組成之群、板。 坡壤、石英、陶兗、塑膠、 之方法，其中，該曲面 月旨、光阻、凝膠、或超 5·如申請專利範圍第1項所述 基材上之曲面待壓印物之材料為樹 塑性金屬。 6·如申請專利範圍第1項所述 膜為塑膠膜、橡膠膜或金屬箔。’^之方法，其中，該氣密 16 200932656 C5 15 〇 20 7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中，該高屋 流體係選自由：氮氣、二氧化碳、惰性氣體、蒸汽、水、 油、空氣、及其混合氣體所組成之群組。 8. —種用於模製曲面微結構之微奈米壓印成型方 法，在一密閉室内，將一相對應曲面基材形狀之預成形氣 密膜、二分別模具、與夾於二分別模具之間的曲面待壓印 物形成-待壓印⑯纟’以將形成於該二分別模具上之微結 構複製至該曲面㈣印物，其特徵在於：該相對應曲面基 材形狀之預成形氣密膜將該密閉室内分隔成一第一及一第 二空間，該模具與該曲面待壓印物所形成之—堆叠組合處 於該第二空間内，在該曲面待壓印物處於可塑性狀離下， 以高壓流體直接施壓至該堆疊组人， 之微結構同時轉印至該曲面待壓；物之二：： …9·如申請專利範圍第8項所述之方法，其中 待壓印物係以-熱輻射器加溫至處於可塑性狀離 10. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其； 步驟係以：照光裝置固化該曲面待壓印物。 11. 如申請專利範圍第8項所述之 基材之材料為選自：超 法，/、中，該曲面 及金屬所組成之群組 圓、麵、石英、《、塑朦、 12_如申請專利範圍第8 基材上之曲面待壓印物之材料為其中’該曲面 性金屬。 馬樹知、光阻、凝膠或超塑 該曲面 更包括 17 200932656 13. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中， 膜為塑膠膜、橡膠膜或金屬箔。 14. 如申請專利範圍第8項所述之方法，其中， 流體係選自由：氮氣、二氧化碳、惰性氣體、蒸汽 油、空氣、及其混合氣體所組成之群組 該氣密 該高壓

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