TWI290125B - Manufacturing structured elements - Google Patents

Description

1290125 (1) 玫、發明說明 【發明所屬之技術領域】 本發明係在製造例如微光學元件或微光學系統等微構 造兀件的領域’亦可擴及微電子機械系統（MEMS )和例 如微光學電子機械系統（MOEMS )之微光學組合電子及/ 或機械系統。更正確地說，本發明處理以例如浮雕或模製 程序’將一元件複製於一微構造元件的方法。本發明亦處 理複製用的工具和複製用工具的製造方法。 【先前技術】 微先學兀件日漸重要，此處所謂微光學元件係指依賴 微光學之任何種類的元件。此處之，微光學元件'，包括具有 例如微光學電子機械系統（MOEMS )之電.子及/或機械元 件的系統。微光學係相對於傳統光學，且以造成折射及/ 或繞射的細微構造爲基礎。該等構造具有例如〇 ·5微米至 2〇〇微米（最好是在1微米和50微米之間，或在1微米 和30微米之間）之數微米的特徵的深度/高度，且通常其 寬度亦如此。換言之，特徵輪廓深度和特徵輪廓寬度是在 數波長至數十波長等級的折射光學，和在.1波長至數波長 等級的繞射光學。大體而言，微光學元件的構造可使得出 現在該構造鄰近不同位置之輻射的相位關係定義淸楚，此 與古典純折射光學元件相反。在古典純折射光學元件中， 該構造不同元件之輻射行爲可描述於一幾何光學影像。因 此與古典光學元件（例如古典透鏡、反射鏡元件等）相反 -5- 1290125 (2) 的微光學元件，可視爲其構造可使得必須考慮光波的性 質’且光波的性質影響微光學元件輻射的效果。 繞射光學元件（DOES，微光學元件的一種例子）技 藝的製造狀態，已知有不同的方法。第一種方法是使用習 知光構造或電子束構造技術配合光罩或類似物以製造抗蝕 圖案’該抗蝕圖案用於當作繞射元件。第二種方法包括使 用一種前述技術蝕刻基板以形成抗蝕圖案，而製造具有所 欲閃耀形狀的繞射元件。 其他方法（例如揭露於JP-A- 1 6 8 60 1/1 9988與蝕刻有 關）包括以光微影建構一蝕刻阻聚劑層。 上述技藝方法皆不適於大量生產，因爲每一元件的製 造涉及--系列的精細生產步、驟。 因此，.本發明的目的在於提供形成微構造元件的方 法，其適於生產微光學元件，且可克服習知製造方法的缺 點。本發明亦提供三維構造特徵和其絕對尺寸及位置的良 好定義，即便是大的微構造元件或製造一陣列的微構造元 件。 【發明內容】 依據本發明，使用複製工具在一預備物複製/成型 (模製或浮雕或類似方法）三維構造，而製造一構造（微 構造）元件。該複製工具包含從一複製表面突出的一間隔 部。一經複製的而得的微光學元件稱爲複製物 (replica) 〇 -6 - 1290125 (3) 間隔部能在一基材上自動且精確地控制可變形材料的 厚度’間隔部可包含建置於工具的’似腳‘構造。此外， 間隔件防止微光學形狀的變形，因爲間隔件比工具上最高 的構造特徵更突出。 複製物（微構造元件，例如微光學元件、或微光學元 件、或一光學微系統）可由環氧樹脂製，於複製工具仍在 其位置時，以例如紫外線將該環氧樹脂硬化。紫外線硬化 是一種谷易良好控制硬化程序的快速方法。複製程序可爲 一種浮雕程序，其中將用於成形之預備物的可變形或液體 組件置於任何尺寸的基材表面上，例如其可僅爲對應用於 製造之一或數元件面積的小尺寸表面積。另一種實施例的 基材渴如/晶圓尺寸。’晶圓尺寸’意.指相較於半 '導體晶圓尺 寸之似碟狀或似板狀基材的尺寸，例如具有直徑2吋至 12吋之間的碟片。然後複製工具壓抵此表面。 當間隔部抵接基材的頂部表面時，浮雕步驟便停止， 因此該表面做爲浮雕的阻擋表面。 另一實施例，複製程序可爲一種模製程序。對照之 下，在模製程序中’包含例如腳狀構造之間隔部的工具， 首先壓抵於基材的表面上，以界定形成一凹穴，該凹穴稍 後藉模製程序塡注。 間隔部較佳是分布在複製工具的至少一主要比例，例 如遍佈全複製工具或在邊緣。此亦即間隔部的特徵存在於 複製工具的一重要部分’例如間隔部包括分布於複製工具 之全複製表面的複數間隔件。 -7_ 1290125 (4) 間隔件能自動且精準的控制可變形材料層的厚度。 複製工具可包含具一些彈性的材料（例如PDMS )或 其他彈性材料。即使在執行程序的基材表面不完全平坦、 或即使複製工具不完全平坦，該彈性材料可給予等角的厚 度控制。値得注意的是在微光學元件的許多應用方面，元 件的全尺寸上的平坦度必須確保約1微米精度以上，或更 高的精度。換言之，就微光學元件，若定義工具表面爲座 標系統的xy平面，則特徵的高度（座標系統的z .軸位 置）較佳是具有1微米的精度或更高的精度。 複製工具可更包含一剛性背板，以使其在較大尺寸時 具有勁度。 ，間隔部可存在無光學功能的任何部位。 依據一特殊實施例’間隔件可設於最終複製物的角隅 和/或邊緣，以減少應力集中。 依據另一特殊實施例，間隔部可配置成在複製程序期 間使流體動力效果最佳化。例如間隔件可設計形成基材邊 緣未硬化之可變形被製材料流動的障礙。或者，間隔件的 形狀和分布可使得在浮雕程序期間引導可變形複製材料的 流動，例如均勻且完全地塡注矩形複製區域。 通常’複製工具可包含下列特徵：微光學功能、間隔 件、切割記號、對齊特徵（以在光學上或機械上對齊複 製）' 阻擋或再引導可變形材料的流動。此等構造可在一 製版程序（例如微影程序或雷射束寫錄程序）中直接附加 於一母版。例如在雷射舄錄程序中，雖然因爲在可能寫錄 -8 - 1290125 (5) 深度和可獲得之面積的限制，通常單一製版技術不允許在 一母版構造中包含所有的特徵。在此種情況，一存在的母 版、副母版、或工具必須改進特徵，例如間隔件。 本發明的特徵亦包含從母版或副母版製造複製工具 (例如母版工具的負版）的方法。母版構造係指原版構 造。母版的副本稱爲副版。母版典型地由光成形、雷射束 寫錄、或電子束成形（e-beam structuring)等技術製成。 此外’本發明亦關於改進具有間隔部之既存的母版、副母 版、或工具。 【實施方式】 ..如第一圖所示，複製元件1·包含具有負構造特徵的一 複製表面，該負構造特徵是欲形成在一微光學元件表面上 之構造特徵的反面。更正確地說，圖中所示實施例的凹部 lb，對應於微光學元件表面的凸部。構造特徵的典型尺寸 (特徵深度/高度，通常亦包括寬度）爲數微米，例如〇.5 微米至200微米，較佳是在1微米和約5〇微米之間，或 在1微米和約30微米之間。複製工具更具有從複製表面 突出的間隔件1 c ’間隔件的高度h例如介於2微米和 1 〇〇〇微米之間，較佳是介於2微米和200微米之間，例 如在10微米和40微米之間，且通常間隔件最高.的負構造 特徵還突出。間隔件的幾何尺寸（形狀、高度、直徑）和 分布，可爲系統設計和程序發展的重要參數。藉由間隔件 的適當設計，可微調光學功能。再者，所欲的光學功能亦 -9- (6) 1290125

A 隱含一些最大的裕度。尤其當已製成之微光學（或其他） 構造元件的尺寸很大時，此等最大裕度非常嚴格。本發明 的方法允許可設計滿足這些條件的工具。依複製材料的物 理性質’間隔件適於確保良好的製程。 複製工具1由例如具有一點彈性的材料製成，其可由 P D M S製成’或由其他具有彈性、或勁度-可硬化、或熱 塑性聚合物、或其他可變形材料製成。另外的實施例，亦 可由金屬製成，例如鎳合金或其他過渡元素的合金或其他 金屬的合金。亦可由半導體材料（例如鈾刻過的晶圓）、 或結晶或非結晶的絕緣材料製成。爲了簡化起見，將第一 圖中的複製工具1畫成均勻體，但實際上，複製工具1可 由多個材料層或元件製成.r例如構造特徵及，·/或‘間隔部可 由與工具本體不同的材料製成，且工具可更包含以下所示 較具勁度的載體元件，或其他元件。另一實施例的複製工 具’可由一彈性層和具有所欲圖案之一較具勁度的圖案層 所組成。 一種形成微光學元件的方法圖示於第二至四圖。使複 製工具1與一預備物品2接觸，該預備物2在表面具有呈 可變形狀態的一材料組件3 (第二圖）。預備物2更包含 在尺寸上較具勁度的一第二材料組件4。將複製工具壓抵 可變形的材料組件3，直到間隔部緊抵在尺寸上較具勁度 之第二材料組件4的表面（第三圖），該表面做爲阻擋按 壓的表面。另一實施例的阻擋表面可以其他方式形成，例 如’預備物2不須包含尺寸上較具勁度的元件，而以置放 -10- 1290125 ⑺ 一具勁度的載體取代，例如玻璃板或類似物。當 仍在其位置時，藉由例如適度輻射5的照明（第四 加熱、冷卻、暴露於氧、等待一段時間使乾燥、或 式，將可變形的材料組件3硬化，此依可變形材料 而定。 第五至八圖顯示翻新具有間隔部之母版構造或 構造以製造第一圖之工具的較佳方法。原版（母 包含微光學元件執行其功能所需的（正）構造特徵 版設有以例如習知光微影技術建構的一防蝕刻層 六圖），防蝕刻層1 2的構造對應於一圖案的負面 隔部1 c配置於該圖案中。在下一步驟時，以例如 應離子:蝕刻' (:RIE )技術的電漿第·七圖），在原％ 刻出用以形成間隔部的複構造。在此步驟中，防 12做爲防蝕刻劑。然後將防蝕刻層12剝離形成 1 1 ’或副母版（第八圖）。以例如模製、浮雕（若 塑膠材料製的）、電成形（若工具是金屬製的）、 方法，複製已翻新的母版或負母版而獲得複製工具 考第一圖）。 應注意所有的構造特徵並未按照比例，且第五 所示之原版1 1的厚度，較第七和八圖所示的厚度 原版可爲具有間隔部之習知母版或副母版。 翻新母版的負版或複製工具1之製造方法的另 例示於第九至十三圖，該方法包含提供一母版i 五圖所示）、和複製母版以創造由例如P D M S之塑 :製工具 圖）、 類似方 的性質 副母版 版）11 。該母 12 (第 ，而間 具有反 5 11蝕 蝕刻層 的母版 工具是. 或其他 1 (參 和六圖 較小。 一實施 (如第 膠材料 1290125 (8) 製成的負版或工具21、附加一塗覆層22(第十圖）並於 塗覆層22形成構造（第十一圖）使凸部保留在間隔部的 位置等步驟。上述形成構造的步驟可以例如使用防蝕刻層 22、23的光微影程序和一蝕刻步驟進行，該蝕刻步驟不 會腐蝕負母版或工具材料2 1。 第十一圖所示形成的副母版工具2 1 ’包含副母版工具 原版21和從塗覆層所留下的凸部22’。然後複製第十一 圖的副母版構造，產生如第十三圖所示的副母版24。最 後的複製步驟允許製造多個已翻新母版，此具有大量生產 的優點。 涉及副母版工具和副母版的程序具有一些額外的優 …:點.，且該等程序亦可使甩於第十至十三圖以外’的·裎序。因 爲一個PDMS工具只能生產有限數目（可能最多數百個） 的複製品，因此大量生產時持續供給PDMS工具很重要。 但爲了改善母版的壽命，母版的處理和由母版製成工具的 數目應保持最小。涉及副母版工具和副母版的中間步驟是 適當的手段，其中副母版當作大量生產複製品時生產工具 用的母版。副母版可由例如與最終複製品相同的環氧樹脂 製成。副母版的附加步驟導致複製品的可能數量更多。 第十四至十六圖顯示由母版構造或副母版製造複製工 具的程序。將母版或副母版31置於（例如固定）例如玻 璃版或類似物的載體元件3 2上（第十四圖）。其次，將 例如PDMS的液體或黏性材料倒在母版或副母版3 1上， 以完全覆蓋母版或副母版3 1。然後，將剛性背板3 3置於 -12- 1290125 Ο) 該材料的頂端（第十五圖）。 外間隔部元件34使其位置呈水平， 的厚度。依液體或黏性材料及剛性背板的 層（例如環氧樹脂層或其類似物，未示） 液體或黏性材料之間。另一實施例，背板 劑後乾燥。之後，液體或黏性材料會硬化 工具，可能具有一點殘留的彈性。其中， 例子，係在室溫或在較高溫下硬化。最後 母版（第十六圖）。母版或副母版可（部 額外地具有例如鐵弗龍層的灕形層，以助 母版分離。 ，、當..然，·第二至四圖所示的方法亦可以 背板.3 4的工具而執行。 第十七圖顯示複製工具之一實施例的 工具包含規則排列成圖案的複數間隔件 程序。複製表面1 a上供複製微光學元件 徵的位置，以塡滿的圓圈代表。微光學特 造特徵’亦即在間隔件的方向延伸。間隔 光學構造還突出，這點很重要。第十七圖 連續的，但間隔部包含複數不連續的間隔彳 間隔部的典型寬度約1 〇 〇至i 〇 0 0微 2至2 0 0微米。間隔件排列的典型節距（ 離）約0.5至200毫米、〇·5至20毫米 米。 並控制複製工具 黏性，可將一膠 置於剛性背板及 可旋轉塗覆增黏 而提供具勁度的 在PDMS工具的 ，移除母版或副 只在此實施例） 工具與母版或副 具有圖、示之剛性 下視圖，該複製 1 C，供稍後切割 用之具負構造特 徵亦可包含正構 件比最深的正微 中浮雕的表面是 it la 〇 米，典型高度約 相鄰間_部的距 、或〇·5至5毫 •13- (10) 1290125 上述所有製造方法皆可於完整晶圓（尺寸：直徑2吋 至8吋）上進行。 對照於第十七圖，第十八圖的複製工具包含一連續的 間隔部。對照之下’具有負構造特徵的複製表面1 a，， 在間隔部內包含在凹部（以具圓邊的矩形表示）之複數不 連續的複製表面段。以如第十八圖所示之工具複製，產生 複製的凸部構造。 間隔部亦可爲其他形狀，例如間隔部可爲包含複數間 隔環等的間隔柵。 依據一特殊實施例，間隔部配置成在複製程序期間， 流體動力獲得最佳控制。例如間隔部可包含複數間隔件或 一連續的間陽部’其配置在所欲複製區邊:緣，.且:至少部分 包圍著它）之一個或數個完全或不完全的邊界或環內，以 在浮雕程序期間阻擋流動或再引導未硬化的複製材料。此 點特別要求，以防止污染複製設備。在本賓施例的更通常 的形式中，上述’流動阻檔間隔件（flow stop spacer)，亦 可做爲形成隔離的複製區，和具有洞（即非複製部件）或 任意界定之輪廓的複製區。 如第十九圖所示，複製工具可更包含對齊構造，例如 一支或複數對齊銷1 f，以在某些複製程序中定位複製工 具。該等對齊銷在複製程序期間，卡合對應的負構造。另 一實施例或額外地，一工具可包含光學對齊記號（例如十 字），以在複製程序期間或在雙面複製期間，支持光學元 件對齊於基材。 1290125 (11) 在雙面複製程序中，對齊特別重要。第二十和二十一 圖顯示雙面複製程序的示意圖。在第一種方法（第二十 圖）中’二相對齊的工具3 6、3 7置於機械手內複製物的 上側和下側。首先將環氧樹脂（當然其可由其它可變形軟 性、黏性、或液體的適當材料取代）塗布在下方工具3 7 的頂面，然後將基材3 8 (例如由玻璃或其他透明材料製 成）置距下方工具3 7頂面某一距離處，此距離決定頂面 f复製層的厚度’且此厚度可由間隔部界定良好。其次，將 環氧樹脂曝露於紫外線以硬化並完成下側的複製程序。關 於上側的複製，將環氧樹脂塗布在玻璃基材38的頂面， 然後將上方工具置於距基材某一距離處，以進行上側複 製。該義離古間隔部·界定。將上.側複製層暴露於紫.外線後 完成複製程序。 第二十一圖顯示另一複製程序。在第一步驟中，在基 材的上側進行複製程序（衝製和紫外線硬化），然後將基 材上側反轉向下，並再基材的第二面上重複複製程序。在 每一複製程序期間，第二次的複製必須對齊第一次的複 製。此程序非常類似現行在光罩對齊所執行的程序。 雙面兀件的複製方法，除了嚴格要求複製成的厚度之 外’在前/背面對齊有非常嚴格的裕度要求。該兩種裕度 可能要求在1〜2微米範圍內或更嚴格。對雙面元件而言， 複製的整體平坦度非常重要，但此要求可由本發明的複製 方法和複製工具而解決。再者，間隔部的設計對光學功能 的影響，在雙面元件比單面元件更明顯。 - 15 - 1290125 (12) 第二十二圖顯示複製工具1〇1的示意圖，其包含非嚴 格矩形的間隔部1 c。再者，其複製表面1 〇 i a並不限於同 一局度’而是多種高度的複製表面。複製工具1〇1更包含 特徵1 0 1 g，以形成具有機械功能的複製特徵。 以上所示的實施例可以許多方式變化，尤其所描述的 形狀和材料僅做爲例子，以可使用其他的形狀、材料、和 材料組合。尤其是母版、副母版、工具、和/或複製物可 由不同的材料組合製成許多部分。 【圖式簡單說明】 下面本發明的賓施例將參照附圖討論，圖中的構造僅 爲:浪意「。附圖爲：， V . 、 . 第一圖顯示本發明之複製工具的剖面圖； 第二、三、和四圖顯示製造一微光學元件方法中的步 驟； 第五〜八圖顯示以改進供生產複製工具用之具有間隔 件的既存原版，而製造一母版之方法中步驟；. 第九〜十三圖顯示改進供生產複製工具用之具有間隔 件的母版負版或工具之方法中步驟； 第十四〜十六圖顯示從母版或母版副本製造一複製工 具之方法中的步驟； 第十七和十八圖是複製工具之下視圖（即在複製表面 的視圖）的例子； 第十九圖是在邊緣具有對齊裝置的複製工具； -16- 1290125 (13) 第二十和二十一圖是雙面複製程序的例子；及 第二十二圖是具有機械特徵之多階工具的例子。 主要元件對照表 1 複製 la, 1 a ? 複製 lb 凹部 1 c 間隔 If 對齊 2 預備 3 材料 4 士“ 第二 5 輻射 11 原版 12 防蝕 21 工具 21 負母 21 副母 21 5 形成 22 塗覆 225 凸部 23 防蝕 24 副母 3 1 母版 工具 表面 件 銷 物 組件 材料組件 刻層 (第九圖） 版或工具材料（第十圖） 版工具原版（第十一圖） 的副母版工具 層 刻層 版 或副母版

-17 - 1290125 (14) 32 載 體 元 件 33 背 板 34 外 間 隔 部 元 件 35 液 體 或 黏 性 材 料 36 相 對 齊 的 工 具 37 下 方 相 對 齊 的 工具 38 基 材 101 複 製 工 具 101a 複 製 表 面 l〇lg 特 徵 -18 -

Claims (1)

1. 拾、申請專利範圍 附件2 : 第93 1 0 1 878號專利申請案 中文申請專利範圍替換本 民國9 6年5月15日修正 1· 一種製造一元件的方法，該元件（3)具有帶有構 造特徵的一構造表面，包含如下步驟：。 a·提供一複製工具（〗、】〇〗），該複製工具（1、 101)在一複製表面（la、la，、101a，）上具有負構造特 徵’該負構造特徵是至少一些構造特徵的反面，且該複製 工具（1、1 01 )更具有從該複製表面突出的〜間隔部 (lc、 lc’、 101c)； b·提供一預備物，該預製物具有在可變形軟性、黏 性、或液體狀態的一材料組件； c·使該材料組件和與該複製表面相接觸，且該間隔 部抵接一阻擋表面，因此從該複製表面複製出具有構造的 表面。 2.如申請專利範圍第1項所述製造該元件的方法，其 中在步驟c之後，該材料組件硬化，且之後移除該複製工 具（1、101 ) 〇 3 ·如申請專利範圍第1或2項所述製造該元件的方 法’其中該材料組件是環氧樹脂。 4 ·如申請專利範圍第1或2項所述製造該元件的方 法’其中在步驟b和c中，移動該複製工具（1、1〇1)抵 住該預備物’且壓抵該預備物直到該間隔部抵住阻擋表 1290125 面，藉此，該複製程序是一浮雕程序。 5 ·如申請專利範圍第1或2項所述製造該元件的方 法，其中在步驟b和c中，將該複製工具（1、1 〇 1 )置於 一硬表面之上或之下，該硬表面當作該阻擋表面，該間隔 部抵接該硬表面，然後將該材料組件以一黏性或液體狀 態，注入該複製工具和該硬表面之間。 6.—種用以製造一構造元件的複製工具，包含如申請 專利範圍第1至5項中任一項方法所述的構造特徵，該複 製工具（1、101)包含在一複製表面（la、la’、101a’） 上的負構造特徵，該負構造特徵是至少一些構造特徵的反 面，且該複製工具（1、101)更具有從該複製表面突出的 一間隔部（1 c、1 c ’）。 7·如申請專利範圍第6項所述複製工具，其中該間隔 部（1 c )包含配置成規則圖案的複數間隔件。 8 ·如申請專利範圍第6項所述複製工具，其中該間隔 部是連續的。 9 ·如申請專利範圍第6至8項中任一項所述複製工 具，包含彈性體材料組件，例如PDMS。 10.如申請專利範圍第9項所述複製工具，更包含一 剛性背板（D )。 11·如申請專利範圍第6至8項中任一項所述複製工 具，更包含對齊銷（1 f)。 1 2 ·如申請專利範圍第6至8項中任一項所述複製工 具，其中間隔部配置成至少一間隔部邊緣圍繞一複製區， -2- 1290125 使得該間隔部的邊緣至少局部形成該複製區的邊緣’且在 複製程序中形成一流動阻擋或重新引導液體材料。 13. —種用以製造一複製工具（1、1〇1)的方法，該 複製工具（1、101)用以製造一構造元件，該構造元件具 有帶有構造特徵的一表面，該方法包含如下步騾：提供具 有至少一些該構造特徵的一原版；及從該原版複製具有負 構造特徵的一工具，該負構造特徵是至少一些構造特徵的 反面，且該工具具有從該複製表面突出的一間隔部。 14. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中對應於 間隔部之反面的凹部是依該原版以例如蝕刻製成。 15. 如申請專利範圍第13項所述的方法，其中該工具 的該複製包含如下步驟：從該原版複製一母版工具；以一 塗覆層提供該母版工具；成型該塗覆層使其形成對應於該 間隔部的母版凸部；從該母版工具複製一副母版；及從該 副母版複製該工具。 16. —種製備一母版或一副母版或一母版工具以製造 一複製工具的方法，該複製工具具有一複製表面和一間隔 部，該母版或副母版或母版工具包含具有構造特徵的一母 版複製表面，該構造特徵對應於以複製工具複製之一微光 學元件的構造特徵，或對應於其反面的構造特徵，該方法 包含從該母版或副母版或母版工具製得一母版或副母版成 品，該母版或副母版成品包含一凹部，該凹部是該複製工 具的一間隔部的該負版或正版，該複製工具的間隔部從該 複製表面突出。 -3-