TW201507836A - 具有壓模結構之模具及供其製造之裝置及方法 - Google Patents

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Abstract

本發明係關於一種製造具有用於在基板或軟模上施加微結構及/或奈米結構之壓模結構之結構模具之方法，其中該等壓模結構至少部分經塗層塗佈。另外，本發明係關於相應的結構模具以及製造具有用於在基板或軟模上施加微結構及/或奈米結構之壓模結構之結構模具之裝置，其中該裝置具有用於塗佈該等壓模結構之塗佈構件。

Description

具有壓模結構之模具及供其製造之裝置及方法
本發明係關於一種如技術方案1之製造具有用於在基板或軟模上施加奈米結構的壓模結構的模具之方法，如技術方案7之相應裝置以及如技術方案5之結構模具。
在半導體工業中，必須對材料進行結構化方法以可製造相應功能元件。過去十年到現在，一種最重要的結構化方法仍是光微影蝕刻。
然而，近年來，除光微影蝕刻以外，壓印技術已被接受作為一種新穎替代性結構化技術，其並不只是但此時甚至主要用於結構化高度對稱的尤其重複性結構元件。藉由壓印技術，可藉由壓模方法直接在壓刻材料中創造表面結構。由此產生的優點顯而易見。可省去光微影蝕刻方法仍所需要的用於顯影及蝕刻的化學品。另外，即使現在，亦可壓刻奈米範圍的結構值；但僅藉由極其複雜且(尤其)昂貴的裝置才可能利用習知光微影蝕刻製造其等。
在壓印技術中，兩種類型的模具硬模及軟模之間存在區別。理論上可利用硬模或軟模進行各壓模方法。然而，就僅使用硬模本身作為所謂之標準模且每當必要時自此標準模形成軟模(其隨後用作實際結構模具)而言，存在若干技術及經濟原因。硬模因此係軟模之負型。該硬模僅在製造若干軟模時需要。可藉由不同化學、物理及技術 參數區別硬模與軟模。將可想到基於彈性行為的區別。軟模具有主要基於熵彈性的變形行為，及硬模具有主要基於能量彈性的變形行為。另外，該兩種類型的模具可藉由(例如)其硬度來區別。硬度係材料向上抵抗穿透體的阻力。由於硬模主要由金屬或陶瓷組成，因此其具有相應的高硬度值。存在各種指示固體硬度的方式。一種非常普通的方法係指示維克氏(Vickers)硬度。不進行深入分析，其可大致表述為硬模具有大於500HV的維克氏硬度值。
具體言之，硬模的優點在於其可藉由適宜方法(例如電子束微影蝕刻或雷射術微影蝕刻)自由具有高強度及高剛度的材料製成的組件來直接製造。該等硬模具有非常高的硬度且因此幾乎耐磨。然而，發現該高強度及耐磨性主要伴隨製造硬模所需的高成本。即使該硬模可用於成百個壓刻步驟，其甚至將隨時間經歷顯著磨損。另外，技術上難以使該硬模自壓刻材料脫模。硬模具有相當高抗撓性。其等尤其不容易變形，亦即，在理想情況下，必須將其等沿法線方向提起。在壓刻方法後之硬模脫模中，在此情況下，其可通常導致壓刻奈米結構及/或微結構的破裂，因為該硬模具有非常高的剛度且因此可破壞剛成型壓刻材料之微結構及/或奈米結構。另外，基板可具有後續可導致硬模的破壞或破裂的缺陷。然而，若硬模僅用作標準模，則自標準模之軟模成型方法係非常容易可控制且與該標準模之極微小磨損有關。
軟模可非常簡單地藉由複製方法自標準模(硬模)來製造。在此情況下，該標準模表示對應該軟模的負型。該等軟模因此壓刻在標準模上，因此脫模，及隨後用作結構模具以在基板上壓刻壓模結構。與硬模相比，可更簡單地、溫和地及較不成問題地自壓刻材料移除軟模。另外，可藉由標準模成型任何數量的軟模。在軟模已經歷一定磨損後，棄除該軟模並自該標準模成形新的模具。
當前技術水平的問題在於軟模因化學設計而尤其對其他分子化 合物具有非常高的吸收性。因此，其等相比主要由金屬、陶瓷或玻璃組成的硬模而言可滲透其他分子化合物。在金屬及陶瓷微結構的情況下，在大多數情況下排除分子物質的吸收，由於在特殊硬模的情況下，其可導致分子物質的吸收。
在利用壓刻材料之壓刻方法期間，軟模通常吸收部分壓刻材料。該吸收導致若干非所欲效應。
首先，由於吸收壓刻材料分子，因此導致軟模膨脹。該膨脹在軟模表面上的微結構及/或奈米結構區域中尤其成問題，因為甚至少量的壓刻材料分子亦足以使微結構及/或奈米結構變形。由於軟模被使用多次，因此其在其使用過程中吸收遞增量的壓刻分子。壓刻材料分子的吸收勢必降低軟模的使用壽命。可藉由不同探針(如(例如原子力顯微術(AFM)、掃描式電子顯微術(SEM)等)直接或經由體積及/或重量增加來間接測量膨脹。然而，體積及/或重量增量的測量需要具有非常高解析度的測量裝置。例如，可想到藉由微重量及/或奈米重量法測量重量增量。
另外，壓刻材料係以熱方式或藉由電磁輻射硬化。尤其在藉由電磁輻射之硬化中，已部分穿透至模具中之壓刻材料分子對整個壓刻材料之曝露時間具有不利影響。此原因在於已穿透至軟模中之壓刻材料分子之硬化。軟模中之壓刻材料分子係硬化，因此較不透明，及因此降低穿透實際壓刻材料之電磁輻射強度。此問題對於軟模及硬模同樣重要。
軟模的黏著性代表第三個問題。軟模係主要由物理及/或化學特徵與壓刻材料者相似的聚合物組成。因此，其導致軟模之表面黏著壓刻材料，此對軟模之脫模特徵具有不利影響。
因此，本發明之目標係增進用於壓印技術的結構模具的製造，方式為增強該結構模具之使用壽命及成型品質的特徵。
此目標係藉由技術方案1、5及7之特徵來達成。本發明之其他有利發展係指示於子技術方案中。由說明書、技術方案及/或圖式中指示的特徵中之至少兩者組成之所有組合亦位於本發明框架內。在指示的值範圍的情況下，位於上述限值內的值亦視作經揭示作為邊界值且可以任何組合形式主張。
本發明係關於一種模具(較佳軟模)，其因本發明壓模結構之塗層防止其膨脹而允許該模具自壓刻材料極其簡單地脫模，及其不受實際壓刻材料污染。根據本發明，該塗層因此相對壓刻材料尤其不可滲透。當親水性及疏水性在壓刻材料及本發明結構模具之塗層之間交替時，其為本發明之特殊優點。若壓刻材料係疏水性，則本發明結構模具之塗層應為親水性且反之亦然。然而，在十分特殊的情況下，當結構模具及壓刻材料均為疏水性時，其可係特殊優點。由於可選擇本發明結構模具之塗層，因此可始終選擇具有相對壓刻材料之此等邊緣黏著特徵之材料。另外，當本發明塗層對壓刻材料分子不可滲透時本發明因此有利。另外，為確保在當使用軟模時的可撓脫模的情況下之儘可能較少破裂，當本發明塗層儘可能薄時本發明係有利。本發明之另一優點係該塗層之尤其目標性可調整表面。因此，本發明可產生與壓刻材料之非常平坦的光滑接觸表面。在不存在本發明塗層的情況下，壓刻材料將在壓刻過程期間與模具表面形成直接接觸。尤其在表面具有非常高程度的粗糙度的軟模的情況下，此將對待壓刻的結構造成不利影響。藉由使用本發明塗層，首先，藉由較光滑表面而使與壓刻材料之接觸表面最小，及第二，較大地避免表面的聯鎖連接。因此導致更佳脫模。增強的及更有效的脫模尤其歸因於脫模所需的力較低的事實。本發明塗層之表面之粗糙度因此特定言之小於1μm，較佳小於100nm，更佳小於10nm，及最佳小於1nm。所揭示的粗糙度值適用於平均粗糙度及/或二次粗糙度及/或粗糙度的平均深度。
在一十分特殊的實施例中，本發明塗層係導電。因此，較佳防止或至少減少靜電充電。仍更佳地，本發明導電塗層可以接地方式設計從而排掉其表面上產生的充電。由於電中性表面的緣故，力(特定言之靜電力)受到粒子束縛或完全被消除，及因此增加模具潔淨的時間。地面較佳接觸本發明塗層之邊緣。
親水性係定義為物質表面與水相互作用的高能力。親水表面主要為極性且與流體分子(較佳與水)的永久偶極子相應良好相互作用。表面親水性係藉由接觸角測量裝置來定量。在此情況下，親水表面具有非常小的接觸角。若本發明塗層必須具有親水表面以儘可能容易地自壓刻材料脫模，則隨後考慮以下範圍的本發明值：本發明親水表面(特定言之)具有小於90°，較佳小於60°，更佳小於40°，甚至更佳小於20°，及最佳小於1°的接觸角。
疏水性係定義為物質表面與水相互作用的低能力。疏水表面主要非極性且幾乎不與流體分子的永久偶極子相互作用。若本發明一個實施例中的本發明塗層具有疏水表面以儘可能簡單地自壓刻材料移除，則隨後考慮以下範圍的本發明值：本發明疏水表面(特定言之)具有大於90°，較佳大於100°，更佳大於120°，甚至更佳大於140°及最佳大於160°的接觸角。
本發明模具特定言之係用於壓印技術的壓印模。該模具設計成用於製造軟模的硬模或較佳用於壓印基板的軟模。亦可想到硬模(其直接用於壓印壓刻材料且不僅作為標準模)之本發明塗層。
由於本發明塗層，因此該模具自壓刻材料之脫模可藉由較佳具有相對壓刻材料之輕微黏著性之該塗層來實現而不減損及/或(部分)破裂該等結構。可藉由能量/單位表面(即，能量表面密度)最佳地描述兩個表面之間之黏著性。此係指沿單位表面分離兩個相互連接的表面可需要的能量。壓刻材料與結構模具之間的本發明黏著性在此情況下特 定言之小於2.5J/m2，較佳小於1J/m2，更佳小於0.1J/m2，甚至更佳小於0.01J/m2，最佳小於0.001J/m2，最佳小於0.0001J/m2及最佳小於0.00001J/m2。脫模因此可比不具有塗層之模具或硬模更輕、更快、更有效及更經濟。尤其更經濟的是由於高脫模速度，因此可增加每單位時間的壓刻步驟數量。另外，該模具之保持時間顯著增加，因此就此而言，亦降低製造成本。
另外，由於該塗層之不可滲透性，因此沒有壓刻材料可穿透軟模，因此結構模具(特定言之軟模)之膨脹受該塗層阻止。相應地，最大可能程度地避免壓模結構的變形。
另外，壓刻材料之曝露時間因該模具塗層而減少，只要該塗層阻斷該等壓模結構吸收壓刻材料。根據本發明，此尤其有利，只要壓刻材料被結構模具曝露。本發明塗層因此較佳主要透射所用的電磁輻射。由於大多數壓刻材料經UV光硬化，因此本發明塗層較佳透射UV光。本發明塗層因此特定言之透射5,000nm至10nm，較佳1,000nm至100nm，更佳700nm至200nm及最佳500nm至400nm的波長範圍。
特定言之除該塗層以外，模具表面較佳經設計具有對壓刻材料之低黏著特徵。
根據本發明之另一態樣，本發明係基於藉由本發明塗佈方法利用層(較佳金屬層)塗佈該模具(較佳軟模)表面之理念。
特定言之，該等壓模結構及/或結構模具本身至少主要(較佳完全)由以下材料中之至少一者組成：
●聚合物，特定言之
○聚甲基矽氧烷(PDMS)
○全氟聚醚(PFPE)
○多面體寡聚矽倍半氧烷(POSS)
○聚二甲基矽氧烷(PDMS)
○原矽酸四乙酯(TEOS)
○聚(有機)矽氧烷(聚矽氧)
○熱塑性塑膠
○熱固性材料
●金屬
●陶瓷
●玻璃。
在本發明軟模的情況下，該等壓模結構較佳由聚二甲基矽氧烷(PDMS)組成。另外，可根據本發明想到自上述材料之材料組合製造該等模具(特定言之壓模結構)。亦可想到串聯使用模具及底板，其中模具及底板特定言之由不同材料組成。若干不同材料的使用導致由此產生個別或拼合模具，其稱作本發明之有利混合模具。在此情況下，底板可用作模具之加強板。然而，亦可想到非常可撓且僅用作模具之支撐體之底板。特定言之，底板隨後具有小於2,000μm，較佳小於1,000μm，更佳小於500μm及最佳小於100μm的厚度。
然而，當該結構模具或至少該等結構模具之材料至少部分由可吸收壓刻材料的材料組成時，本發明塗層尤其具有主要效果。因此，以下材料的壓模結構尤其受本發明塗層保護：
●聚二甲基矽氧烷(PDMS)
●聚合物
●全氟聚醚(PFPE)
●陶瓷。
本發明塗佈方法較佳係以下中之一者：
●化學氣相沈積(CVD)
●物理氣相沈積(PVD)
●PE-CVD
●電化學沈積
●原子層沈積(ALD)
●分子層沈積(MLD)。
特定言之就沈積鉻而言，本發明以CVD方法較佳。
本發明尤其使用以下材料/材料類別作為用於該等壓模結構之至少部分塗層之塗層材料：
●金屬
○Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al
●半導體材料
○Si、Ge、α-Sn、Se、Te、B、GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGal-xAs、InxGal-xN或上述材料之氧化物
●陶瓷
○非氧化物陶瓷(碳化物、氮化物、硼化物、矽化物)
○Si3N4、BN、SiC
●氧化物陶瓷
○Al2O3、MgO、ZrO2、TiO、Ti2O3、TiO2
○低價氧化物
●玻璃
○硼矽酸鹽玻璃、石英(SiO2)
●聚合物
●有機分子。
就本發明塗層而言，彼等材料較佳經選擇具有對壓刻材料之低黏著性，特定言之以下材料：
●金屬，特定言之
○Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al。
在一尤其佳的實施例中，該模具首先經本發明塗層材料塗佈及隨後添加抗黏著層以附加達成塗層材料與壓刻材料之間的黏著性的降低。該抗黏著層較佳為具有對壓刻材料之對應低黏著特徵之有機分子。假如該模具已對壓刻材料分子不可滲透，正如大部分情況(例如金屬、陶瓷或玻璃模具)，則可省去本發明塗層作為擴散屏障，且該模具可直接經抗黏著層(在此情況下作為本發明塗層)塗佈。因此，基於黏著性產生相對脫模之特徵之至少一個積極效應。
根據本發明之另一有利施例，僅塗佈該模具之結構之壓模表面(亦即，特定言之該等壓模結構之突起物，其與壓刻材料形成接觸)。此對於奈米接觸壓印而言尤其有利。
在一特殊實施例中，該模具之壓模結構之整個表面係經本發明塗層塗佈。
本發明塗層之層厚度特定言之係小於1mm，較佳小於100μm，更佳小於10μm，最佳小於1μm，最佳小於100nm及最佳小於10nm。
極小層厚度亦對使用的電磁輻射之透射性具有積極效應。固體僅可吸收與該固體中的粒子(例如，電子)或準粒子(特定言之光學聲子)相互作用的光子。此等效應為任何物理學家充分知曉。現在，具體而言，無法避免此等相互作用，但可藉由電磁輻射強度增加光子數量或藉由減小本發明層厚度來減少固體中的粒子(或準粒子)數量，該方式為首先(亦即)光子占主導及第二(亦即)粒子及準粒子占主導。因此，固體不再參與與粒子(或準粒子)之相同激發，及根據本發明，使該等光子處於可固有地穿透非透明固體的位置，此歸因於該塗層層厚 度的減小。該固體因層厚度而至少部分透明。因此揭示本發明塗層之最小厚度對穿透該塗層的光子數量具有積極效應。此進一步對被該塗層覆蓋之壓刻材料之硬化具有積極效應。
在壓刻材料之UV硬化中，本發明塗層材料較佳對使壓刻材料交聯的電磁輻射的波長範圍至少部分透射。在此種情況下，透光度係大於0%，較佳大於20%，更佳大於50%，最佳大於80%，最佳大於95%。該透光度之波長範圍具有(特定言之)100nm至1,000nm之間，較佳150nm至500nm之間，更佳200nm至400nm之間及最佳250nm至350nm之間的值。
若欲使壓刻材料熱硬化，則該模具(特定言之本發明塗層)具有儘可能高的導熱率。在此情況下，該導熱率係大於0.1W/(m*K)，較佳大於1W/(m*K)，較佳大於10W/(m*K)，最佳大於100W/(m*K)，及最佳大於1,000W/(m*K)。
具有塗層之結構模具係經設計(特定言之)以具有溫度安定性。該結構模具可在(特定言之)高於25℃，較佳高於100℃，更佳高於500℃，最佳高於1000℃及最佳高於1500℃的溫度下使用。
該塗層材料之熱膨脹係數與該模具材料之熱膨脹係數之間之比例係小於10,000，較佳小於1,000，更佳小於100，甚至更佳小於10，最佳小於5及最佳精確地為1。
自技術方案、圖式之後續描述以及圖式可知本發明之另外特徵。後者顯示於：圖1：本發明之第一製造步驟中之模具之示意性橫截面圖，圖2：本發明之第二製造步驟中之模具之示意性橫截面圖，及圖3：本發明之第三製造步驟中之模具之示意性橫截面圖。
在其他實施例中，揭示提供具有接地件4且經本發明層5塗佈之模具1之製造。
在圖1之第一製造步驟中，將模具1緊固至模具表面1o及結構2緊固至底板3。
在圖2之第二製造步驟中，在底板3之底板表面3o上進行導電層，特定言之呈圈形配置之側接模具1的接地件4(較佳位於在側邊緣)之沈積。
在圖3之第三製造步驟中，利用本發明塗層5進行模具1的塗佈，以使塗層5亦與接地件4接觸，且特定言之至少顯著，較佳完全覆蓋其，且因此在塗層表面5o與接地件4之間產生導電接觸。
接地件4較佳完全包圍模具2。可經由線L1移除(例如)接地件4之側邊4s上的電荷。或者或另外，亦可想到經由底板3製造孔6，以經由線L2移除電荷。
若可省略底板3，則特定言之可想到在模具1之邊緣上直接沈積接地件4。
1‧‧‧模具
1o‧‧‧模具表面
2‧‧‧結構
3‧‧‧底板
3o‧‧‧底板表面
4‧‧‧接地件
4s‧‧‧接地件4之側邊
5‧‧‧塗層
5o‧‧‧塗層表面
6‧‧‧孔
L1,L2‧‧‧線
圖1：本發明之第一製造步驟中之模具之示意性橫截面圖。
圖2：本發明之第二製造步驟中之模具之示意性橫截面圖。
圖3：本發明之第三製造步驟中之模具之示意性橫截面圖。
1‧‧‧模具
1o‧‧‧模具表面
2‧‧‧結構
3‧‧‧底板
3o‧‧‧底板表面
4‧‧‧接地件
4s‧‧‧接地件4之側邊
5‧‧‧塗層
5o‧‧‧塗層表面
6‧‧‧孔
L1,L2‧‧‧線

Claims (7)

  1. 一種製造具有用於在基板或軟模上施加微結構及/或奈米結構之壓模結構之結構模具之方法，其中該等壓模結構係經塗層至少部分塗佈。
  2. 如請求項1之方法，其中特定言之，該壓模結構及/或該結構模具係至少主要(較佳完全)自以下材料中之至少一者形成：●聚二甲基矽氧烷(PDMS)●聚合物●全氟聚醚(PFPE)●熱塑性塑膠●熱固性材料●金屬●陶瓷●玻璃。
  3. 如請求項1或2之方法，其中該塗層係藉由下示方法中之至少一者來施加：●化學氣相沈積(CVD)●物理氣相沈積(PVD)●PE-CVD●電化學沈積●原子層沈積(ALD)●分子層沈積(MLD)。
  4. 如請求項1或2之方法，其中使用以下材料/材料類別中之至少一者作為用於塗佈本發明壓模結構之塗層材料：●金屬 ●Cr、Be、Wi、Cd、Ga、In、Ir、Mg、Mn、Mo、Os、Pa、Rh、Ru、Ta、Ti、V、Zn、Sn、Zr、Cu、Ni、Co、Fe、Pt、Ag、Au、Pb、W、Al●半導體材料●Si、Ge、α-Sn、Se、Te、B、GaP、GaAs、InP、InSb、InAs、GaSb、GaN、AlN、InN、AlxGal-xAs、InxGal-xN●陶瓷●非氧化物陶瓷(碳化物、氮化物、硼化物、矽化物)●Si3N4、BN、SiC●氧化物陶瓷●Al2O3、MgO、ZrO2、TiO、Ti2O3、TiO2●低價氧化物●玻璃●聚合物●有機分子。
  5. 一種具有用於在基板或軟膜上施加奈米結構之壓模結構之模具，其中該壓模結構係經塗層至少部分塗佈。
  6. 如請求項5之模具，其中該壓模結構係由硬化聚合物，特定言之彈性體，較佳矽氧烷，較佳聚二甲基矽氧烷(PDMS)組成。
  7. 一種製造具有用於在基板或軟模上施加微結構及/或奈米結構之壓模結構之結構模具之裝置，其中該裝置具有用於塗佈該等壓模結構之塗佈構件。
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