TWI438578B - 利用雙光子微影法及奈米轉印法製造次微米３ｄ結構之３ｄ模具及其方法 - Google Patents

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Description

利用雙光子微影法及奈米轉印法製造次微米3D結構之3D模具及其方法
本發明係有關一種用以製造次微米3D結構之3D模具，其利用一整合雙光子微影法及奈米轉印法的製程，以製造高生產率及低成本之次微米3D結構。
雙光子微影法係為一種非常強力卻簡單，用以從一液態光敏材料產生複雜的三度空間結構之技術。雙光子聚合(TPP)係建立在兩個光子同時進行吸收反應的基礎上，其引發一透明矩陣內的啟動分子與單體之間的化學反應。該二光子的吸收反應需要極高的峰值光度，因此需要一超短脈衝雷射提供高強度的峰值。目前雙光子吸收(TPA)最常見的應用係為雙光子共軛焦顯微鏡，其染劑分子的螢光在激發後係以TPA的方法而吸收掉。因為紫外線被一開始的幾個微米內的樹脂所吸收，使用在標準光微影及立體微影技術中的單光子吸收在本質上係為二微的反應。因為光敏樹脂在近紅外線(NIR)的區域內係呈透明，使近紅外線雷射脈衝可以聚焦到樹脂的體積上。當雷射焦距在樹脂的體積上以三維的方式移動，該聚合方式可遵循製作任何3D微結構的方式而開始。
雙光子吸收的速率係依據入射強度而作出非線性或二次方的變化，因此，其可在聚合的結構中達到比100nm高的橫向解析度。在許多需要3D結構的應用中，例如組織工程支架、生醫植入物、微透鏡、微米光學及其他微裝置(MEMS)，其需要達到微米級的3D解晰度，而雙光子聚合製程提供了快速且簡單的方式來達到預計的解析度。
奈米轉印技術
如第15圖所示，奈米轉印法的原理極為簡單。第3圖係為原本的奈米壓印微影技術中所發展的製程示意圖。一包括微米至奈米級表面輪廓特徵的硬質模具係在一控制的溫度及壓力下，被壓入到一設在基質上之聚合物材料的鑄模內，因而在該聚合物材料中產生一厚度差。聚合物材料的一殘餘薄層係留在該模具突出部的下面，以作為一柔軟的緩衝層，供防止該硬質模具直接撞擊基質，並有效保護模具表面的精密奈米級特徵。在大多數的應用當中，該殘餘層需要藉由一非等向性的氧電漿蝕刻製程而移除掉，以完成該圖樣的定義。
奈米轉印法以發展出各種不同的形式，例如步進閃光式壓印微影技術(Step and Flash Imprint Lithography,SFIL)或紫外光奈米壓印微影技術。在這個技術中，係使用一透明模具及UV硬化型前趨物液體來定義圖像，使製程可在室溫下實施，如第16圖所示。
使用雙光子微影技術製作用於奈米轉印技術的3D模板/模具
目前的奈米壓印微影技術係仰賴電子束微影技術、雷射寫入及光微影技術而將裝置的設計圖寫到奈米壓印微影模板上。不幸的是，這些技術本質上係為二維的寫入技術，且其無法製作許多奈米壓印微影技術的應用中所需要的3D結構。雖然目前研究人員藉由一多結構層的製程克服這個問題，但這在製造上並非是一個得到低成本3D奈米結構的有效長期解決方案。這些因多結構層的製程所產生的灰階步驟或效果在許多應用中亦無法被接受。
在奈米轉印技術的模板製造中利用雙光子微影技術的方法 係為新的概念。對於簡單3D需求的應用，例如半球體結構，其沖壓製程係可一次完成，以減少多次沖壓覆蓋製程的需求。
與傳統的解析度約600nm雷射直寫光罩製造系統相比，雙光子微影技術具有極高的寫入解析度(約100nm)。再者，與傳統雷射直寫光罩製造系統相似，在與電子束光罩曝光機相比時，光子微影技術具有相對高的寫入速度，除了需要解析度低於100nm的應用之外，這項技術對於大多數的寫入應用係為理想的。
在組織工程及其他應用上使用3D奈米轉印技術
目前無法得知有多少人致力在利用3D奈米轉印技術而發展器官/組織支架。在被壓印的結構中，彼此相疊的結構層會使這快速原型製作技術具有最高的解析度及相對高的生產率。在與其他快速原型製作製程相比時，這製程因其係仰賴物理性的沖壓制程來定義其特徵，故不會受到太多材料限制。
而本發明所發展的技術之相關應用係可使用於在聚合物薄膜上製作獨特的光子結構，以產生具功能性的薄膜。這樣的薄膜的其中一個例子就是以如此的配置而製作微透鏡。具有一如雙光子微影工具之高解析度工具而製作微透鏡的優點在於，其可以利用非常薄的薄膜而達到透鏡的曲度。這樣的方法具有下列優點：1)低材料成本；2)平滑的透鏡表面將減少失光程度；以及3)使用較細薄的聚合物薄膜將確保更少的光被吸收。
雖然奈米壓印微影技術的方法係被設計成提供下一世代的半導體晶圓製作中的解決之道，科學家及工程師已致力於其各種應用層面，例如混合型塑膠電子元件、有機電子元件、新穎矽裝 置、新穎砷化鎵裝置、有機雷射、光電、非線性光學聚合結構、高解析度有機發光二極體(OLED pixels)、散射光學元件、寬頻極化器、硬碟、DNA複製、奈米級蛋白質圖樣及細胞培養等。目前，奈米壓印微影技術係被硬碟工業用在碟片媒介的製作上。
奈米壓印微影技術的關鍵技術步驟係被區分為：1)模具製作；2)光阻；以及3)製程。
本發明的製程係利用一高生產率之次微米3D結構科技，其整合了先前技術中的多個樣態：[1]雙光子微影技術；[2]奈米轉印技術；以及[3]滾軸型奈米轉印技術。
在衡量各種技術下，係可產生低成本的次微米3D結構。這方法係相近於半導體晶圓工業中所使用的方法，而半導體晶圓工業係利用許多昂貴的主要設備，減少每一單一元件的成本而大量生產出矽晶圓上的整合電路。
本發明之製程技術在模具製造的步驟係背離傳統奈米壓印微影技術。傳統的奈米壓印微影模板係利用電子束微影技術或光微影技術而製程圖像，且這些圖像製作的技術基本上係為使用在2D空間的技術。然而，本發明的製程提出使用雙光子微影技術及3D寫入技術而圖樣化該模板的概念。圖樣化後的模具將呈現3D立體結構。
本發明的第一個目的在提供一種製造3D模具以製作高生產 率及低成本之次微米3D結構製品之製程，該製程係整合雙光子微影法及奈米轉印法，其特徵在於，利用雙光子雷射微影法及3D寫入技術以製造3D結構製品中每一結構層的3D模具，並利用奈米轉印法而從該結構層的3D模具形成一片3D結構中每一結構層的聚合物薄膜，以製作出每一結構層而製造該次微米3D結構製品。
本發明的第二個目的在提供一種高生產率及低成本之次微米3D結構製品之結構層之3D模具，該結構層的3D模具係利用雙光子雷射微影法及3D寫入技術而產生，以製造該3D結構製品中每一結構層的3D模具，該結構層的3D模具並利用奈米轉印法，以形成一片3D結構中每一結構層的聚合物薄膜，供製造該次微米3D結構製品中該結構層的3D模具。
在一較佳的實施方式中，該高生產率及低成本之次微米3D結構製品之3D模具係利用一整合上述雙光子微影法及奈米轉印法的製程，其中該結構層之3D模具係經由下列步驟製造：製作該3D結構之3D結構層設計圖；建立一寫入製程，以利用雙光子微影法產生該3D結構製品中該結構層的3D影像；在一基質上對該結構層的3D影像的光阻/聚合物進行顯影；濺鍍一或多層結構層金屬至該結構層的3D影像的光阻/聚合物表面，以形成一金屬種層；利用一電鍍製程轉移該覆蓋有金屬種層之3D聚合物影像，以形成一3D金屬模具；其中，該3D金屬模具將被用以製造該3D結構製品的同一結構層3D影像之複製品。
優點是，於製作該次微米3D結構製品之3D結構層之模具設計圖的步驟中，其包括固定該基質表面的3D CAD底部，補償聚合物的收縮，並使其具有防止該次微米3D結構在沖洗及乾燥製程中瓦解的機械強度。
優點是，於建立寫入製程而產生一3D結構層的模具的步驟中，每一結構層的3D影像係為一具有0.01-150微米厚度的影像。
優點是，於建立寫入製程而產生一3D結構層的模具的步驟中，每一結構層的3D影像最好為一具有100微米厚度的影像。
優點是，於建立寫入製程而產生一3D結構層的模具的步驟中，每一結構層使用0.01-100微米的厚度參數作為製造該結構層模具之輸入值。
優點是，於建立寫入製程而產生一3D結構層的模具的步驟中，每一結構層最好以100微米的厚度參數作為製造該結構層模具之輸入值。
優點是，該3D影像的每一結構層係具有0.01-150微米厚度。
優點是，於在一基質上對該結構層的3D影像的光阻/聚合物進行顯影的步驟中，該步驟包括清除該基質，塗覆一旋轉塗佈光阻到該基質上，以一溶劑移除該基質背部的光阻，必要時先烘烤該基質，將該基質置放到一真空吸盤上，開啟真空，對準一晶圓，輸入正確的製程參數，標記並檢查該基質而確認每一裝置係正確的定位，以及，移除基質上該結構層影像的光阻/聚合物。
優點是，於濺鍍一或多層結構層金屬至該影像的光阻/聚合物表面而形成一金屬種層的步驟中，該步驟包括檢查該基質上未殘留光阻的殘餘物或其他物質，將該晶圓置放到一濺鍍工具中，將該腔室抽真空至基礎壓力下，執行一短暫的電漿清除製程而確 保其表面為乾淨狀態，沉積一或複數金屬層，如此一層層的方式以形成該金屬種層，並將該晶圓從腔室中移出。
優點是，於利用一電鍍製程，移轉金屬種層上所形成的聚合物影像而形成金屬模具之步驟中，該步驟包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，移除該3D模具，以去離子水徹底沖洗該模具，研磨該3D模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D模具，以氧電漿清潔該3D模具的表面。
優點是，於利用一電鍍製程，移轉金屬種層上所形成的聚合物影像而形成金屬模具之步驟中，該步驟包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，移除該3D模具，以去離子水徹底沖洗該模具，切割該3D模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D模具，以氧電漿清潔該3D模具的表面。
優點是，於利用一電鍍製程，移轉金屬種層上所形成的聚合物影像而形成金屬模具之步驟中，該步驟包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，移除該3D模具，以去離子水徹底沖洗該模具，沖裁該3D模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D模具，以氧電漿清潔該3D模具的表面。
優點是，於製作模具的步驟中，該步驟包括塗佈光阻於一基質上，設定沖壓工具的製程參數，藉由一連串的沖壓及步驟程序，將該3D影像從該金屬模具轉移到一大型基質上，在加工後對光阻進行顯影，將光阻/聚合物從該基質上分層出來，在一工膜上纏繞該基質以形成一圓柱體，電鍍該圓柱體直至達到預定的 厚度，研磨並拋光該圓柱體至恰當的成品表面及厚度。
優點是，於製作模具的步驟中，該模具包括一主模及複數個副模。
優點是，於製作模具的步驟中，其中一模具係為了一3D結構的其中一結構層的上表面而製造，而另一模具係為了一3D結構的同一結構層的下表面而製造，且每一結構層係接著被對準且被拉在一起以相互夾黏合而形成多層結構。
優點是，於奈米轉印製程中利用該等模具的步驟中，該奈米轉印製程包括熱奈米壓印微影技術、紫外光奈米壓印微影技術或捲軸型奈米壓印微影技術。
在一較佳的實施方式中，在3D模具的製作中，該雙光子微影法係利用專屬軟體，以製作具有任何形狀的3D模具及可結合成複合模具之不同形狀的模具。
在一較佳的實施方式中，在3D模具的製作中，該起始模板與典型具有垂直或傾斜側壁的灰階結構相比時，其為半球面或其他具有彎曲側壁的形狀之3D形狀。
在一較佳的實施方式中，為了得到該3D模具，該以彈性聚合物製成的模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之彈性聚合物模具滾軸。
在一較佳的實施方式中，為了得到該3D模具，該以鈑金製成的模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之具有聚合物特性的鈑金模具滾軸。
在一較佳的實施方式中，為了得到該3D模具，該以鋁片製成的模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中利用一鎳金屬主模沖壓之具有金屬特性的鋁片滾軸。
在一較佳的實施方式中，為了得到該3D模具，該以鈑金製成且以電鍍至其表面之具有金屬特性的模具係貼附至一圓柱體的表面，以形成一用於奈米轉印中具有金屬特性的鈑金滾軸。
在一較佳的實施方式中，該製作3D模具的製程係遵循奈米壓印微影技術製程作業，並包括： 在模具製造時以形狀資料庫獲得改善的設計圖，以建立用於3D裝置大量製造時之設計規範，使模具具有這些3D模板； 利用熱、紫外光、沖壓及捲軸型奈米壓印微影技術之壓印機。
本發明的第三個目的在提供一種製造3D模具以製作高生產率及低成本之次微米3D結構製品之系統，該系統係整合雙光子微影法及奈米轉印法，其特徵在於，利用雙光子雷射微影法及3D寫入技術以製造3D結構製品中每一結構層的3D模具，並利用奈米轉印法而從該3D模具形成一片3D結構中每一結構層的聚合物薄膜，並堆疊該3D結構的每一結構層，以製作出該次微米3D結構製品。
在一較佳的實施方式中，該製造3D模具以製作高生產率及低成本之次微米3D結構製品的系統係利用3D寫入技術以構成用於該3D模具之模板圖案。
在一較佳的實施方式中，該製造高生產率及低成本之次微米3D結構製品之系統係使用熱奈米壓印微影技術、紫外光奈米壓印微影技術或捲軸型奈米壓印微影技術之奈米轉印技術。
本發明的第四個目的在提供複數個用以製作器官/組織支架之3D模具，其產生出如腎或肝等複合器官的整個器官支架的3D結構之複數個影像結構層，並包括： a.複數個藉由將該支架的一3D CAD設計圖切削成複數結構層而製作出的器官/組織支架，每一結構層係利用奈米轉印法而個別製作出來，以覆蓋並結合所有結構層而形成最後的支架，且如此產生的支架在結構上係近似於活體內的肉體環境所產生的器官/組織支架；b.複數個組織工程支架；c.可植入型醫療裝置的製作。
本發明的第五個目的在提供一種用以製作簡單的3D結構之3D模具，其如一次完成的正弦結構和半球體，其中，在光子、LCD工業、全像標籤、對焦用之微透鏡、繃帶等的製造中係使用一次沖壓奈米轉印製程。
在一較佳的實施方式中，為了得到該用以製作簡單3D結構的3D模具，在奈米壓印微影技術製程中使的的材料係為合成或生物材料。
本發明的第六個目的在提供複數個使用於組織工程支架的製造中的3D模具，其包括下列步驟：a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄或任何如電子束微影技術或光微影技術等形式的成形技術而移轉到一3D模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用專屬軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層； e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造模具用的模板；g.為每一結構層製作一主模，以產生一用於沖壓/滾軸型奈米壓印微影工具之堅硬/彈性模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成一具有肉體規模接近正常支架之完整器官支架。
本發明的第七個目的在提供一種用以製造醫療裝置，例如需要物體形貌以引導神經或骨頭生長之神經及骨頭架橋之3D模具，其包括下列步驟：a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄或任何如電子束微影技術或光微影技術等形式的成形技術而移轉到一模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用專屬軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層；e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造模具用的模板；g.為每一結構層製作一主模，以產生一用於沖壓/滾軸型奈米壓印微影工具之堅硬/彈性模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成一具有肉體規模接近正常支架之完整器官支架。
本發明的第八個目的在提供一種用以製造客製化微透鏡，藉 以形成一更具功能性的光學薄膜之3D模具，其包括下列步驟：a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄或任何如電子束微影技術或光微影技術等形式的成形技術而移轉到一模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用專屬軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層；e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造模具用的模板；g.為每一結構層製作一主模，以產生一用於沖壓/滾軸型奈米壓印微影工具之堅硬/彈性模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成全全以具客製化曲度之複合微透鏡所製造的完整光學薄膜；其中，該光學薄膜係可合併至一薄膜或一薄層玻璃的表面上，以減少反射及全內反射，並集光及聚光在主動裝置上。
為進一步了解本發明，以下舉較佳之實施例，配合圖式、圖號，將本發明之具體構成內容及其所達成的功效詳細說明如后：請參閱第1圖，其為本發明製作一次微米3D模具之步驟流程圖。大概的製程及步驟如下：
1)將3D CAD設計圖輸入到本發明製程中的雙光子微影步驟中。
2)接著將該等檔案利用工具軟體進行前製作業，其中該3D設計圖係被切削成複數個100nm厚的結構層。
3)接著將每一結構層掃描到表面覆蓋有光阻的晶圓/基質表面。
4)對該光阻進行顯影。
5)接著在該光阻模板上沉積一金屬種層。
6)接著進行一電鍍步驟。
7)該模具係已可用來沖壓，或用以作為一主模，以產生副模或滾輪轉印模具。
請參閱第2-9圖，其為本發明的製程中，每一步驟的流程圖。
如第2圖所示，其為本發明產生3D CAD設計圖的第一步驟，以作為雙光子微影法步驟的輸入值之步驟流程圖。其產生該3D結構的設計圖，並作為3D設計圖而以STL(Stereolithhography)檔案格式及下列方式輸出：
1)機械3D設計圖，以利用本領域中熟知的3D CAD軟體設計其結構。
2)遵守下列設計規範。
a.該3D設計圖的底部必須固定在基質的表面；這係用以防止結構在標記時漂移掉。
b.該結構將必須被設計成在顯影的過程中所使用的溶劑係可移除未曝光的聚合物。
c.該結構將必須被設計成其可以補償聚合物在顯影後的收縮。
d.該結構將必須具有機械性的強度，以防止裝置在沖洗及乾燥製程中瓦解。
這些3D結構的設計圖係以STL檔案格式匯出，以進行其他程序。
第3圖係為本發明建立用於寫入步驟的雙光子微影工具之步驟流程圖。這裡要說明的是一個通用性的製程，且其中的一些製程步驟將被簡略或增加，以符合特定的需求。
1)首先，該具有3D CAD設計圖的STL檔案係被匯入到本領域中熟知的客製化雷射掃描軟體。
2)接著，該影像的大小係被校正過，以確保匯入到客製化雷射掃描軟體的輸入影像係正確地調整到正確的實體尺寸。
3)輸入雷射焦點的位置到系統內，以提供起始的晶圓對準基準。
4)將該影像切削成複數個100nm後的薄片(這厚度係可根據預定的最終裝置之解析度而調整)。
5)輸入製程中正確的聚合物參數。
a.雷射的強度-基本上係用來控制該工作的解晰度及掃描時間。
b.掃描速度-掃描速度將衝擊到解析度(光點大小)。
c.校正檔案-這決定於該工作中所使用的透鏡及聚合物種類。藉由選擇正確的校正檔案，將減少影像的失真。
d.擺動-藉由擺動雷射而可增加該雷射的有效的光點大小。這會增加系統的生產量，同時在製出裝置的表面上提供不同的質地。
e.舖面(Hatching)-舖面將決定掃描線的執行數量，以填充一需要填充的區域。改變舖面的圖案也將影響製出 裝置的表面質地。
f.會影響掃描裝置的其他因素-跳躍時間(稜角銳利度)、加速度(一致的線條厚度)、照野(一較大的掃描面積代表著該裝置在該面積的邊緣容易失真)、雷射的對接位置(docking position，如果對接不正確，散射的雷射光會部份聚合成阻力)、前進步伐(結構之間的溝與槽也會影響較大裝置的線跡)及前進方式(其影響裝置間的精確性)。
第4圖係為本發明製備用於雙光子微影掃描步驟中的基質之步驟流程圖。基質種類的挑選將依據生產副模或製作裝置時所使用的沖壓工具種類而定。在熱奈米壓印微影技術中，一標準矽基質/製程係足以勝任於該技術中，而其係選作典型具有供雷射寫入的最佳表面之矽晶圓的製程。在步進閃光式壓印微影技術中，將需要一如玻璃晶圓或基質的透明基質。
基質的選擇將影響掃描的製程，其係因下列差別：a)必須使用到黏合層；b)需要具有低反射率的玻璃和高掃描功率；c)玻璃晶圓並非像矽晶圓一樣的平坦，且雷射掃描製程可能產生不佳的產量。
依據第4圖的製程步驟，下面將敘述一通用的矽製程。不同種類的基質將需要一些改良。
1)取決於其最後的應用，不同的基質可以被裝載到工具內。
a.在最多熱奈米壓印微影技術的製程中所使用的矽；b.在步進閃光式壓印微影技術的應用中所使用的玻璃及 其他透明基質。
2)對於矽晶圓，進行過氧硫酸清洗(使用如下列文獻所載之熱硫酸清洗製程：“Silicon Processing for the VSLI Era Vol.1-Process Technology Chapter 15“Wet Processing：Cleaning and Etching”by Stanley Wolf & Richard N Tauber,1986 Lattice Press)。
3)對於玻璃基質，將晶圓浸入稀釋的氟化氫30秒鐘，並以去離子(DI)水清洗2分鐘。吹乾該基質及玻璃基質，以準備作使用。
4)快速旋轉塗覆/蒸發正確的黏合層到該基質上(這取決於光組及基質種類，且可以改變其種類)。
5)快速旋轉塗覆正確的光阻到該基質上。再一次的，這明顯的可以依其應用而改變。
6)以正確的溶劑移除該基質背面的所有光阻。
7)在必要時預先烘烤該基質(這會清除掉過多的溶劑，並減少該結構在製程結束後收縮)。
8)將基質放到真空腔室，並開啟真空。
9)將臺座歸位。
10)對齊晶圓，輸入用於正確的基質種類及光阻之正確製程參數。
11)開始標記製程。
12)在製程完成後，檢查該基質，以內建的雙光子微影工具之對比特徵確認每一裝置係正確的定位。
13)最後移除該基質，以進行光阻的顯影。
第5圖係為本發明對光阻進行顯影的步驟之步驟流程圖。該 光阻顯影的製程步驟係與用於不同光阻種類者不同。下列所述之製程步驟係用於玻璃或矽晶圓上以聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)為基質的光阻。其所使用的顯影劑係可根據應用方式、厚度及標記製程而以其他化學物質作調整。
其他必須採用的預防措施係用來確保該3D裝置的乾燥製程並未造成該等裝置瓦解，且必須執行如基質之臨界點乾燥等標準微機電結構(MEMS)製程技術。
1)將晶圓至入一晶圓托架。
2)將晶圓浸入顯影劑中。這可根據所使用的光阻種類而改變。
3)晶圓在顯影劑內的停置時間係取決於所使用的光阻厚度，且設計圖中並沒有深層的底切度。
4)在浸泡晶圓於顯影劑中一段足夠長的時間後，將晶圓於新的顯影劑中再浸泡一小時。
5)以正確的溶劑或去離子水清洗晶圓。
6)最後乾燥晶圓。或者進行一快速旋轉乾燥製程，風乾或臨界點乾燥。
7)該樣品係可以準備用在進一步的製程中。
取決於模具的應用，所開發出的模具在這各階段係可用來沖壓，例如簡單的奈米壓印微影技術研究及發展應用。在大多的應用中，係需要一如鎳金屬之金屬模具。
第6圖係為本發明藉由濺鍍到光阻/聚合物的表面而形成金屬種層之步驟示意圖。這形成金屬的步驟是導致金屬化步驟的預備階段，其中該聚合物影像的移轉係利用一電鍍製程而實施。該 聚合物影像至該金屬模具上的移轉動作係藉由一電鍍製程而完成。不幸的是，該基質上覆蓋有聚合物的表面並不具有傳導性，且不會成為一個好的電鍍電極。因此，需要一金屬種層或鎳金屬濺鍍或蒸發到該光阻/聚合物的表面上。
一典型的種層成形製程步驟係在第6圖的步驟流程圖中說明。
1)確保沒有先前製程步驟的殘餘物。
2)將晶圓置放到一蒸發工具或濺鍍工具中。
3)將該腔室抽真空至基礎壓力下。
4)執行一短暫的電漿清除製程而確保其表面為乾淨狀態。
5)沉積一20nm後的鈦金屬層。
6)在沉積一300nm後的金層。
7)將晶圓從腔室中移出。
該基質現在係已可為電鍍之用。
第7圖係為本發明藉由金屬化以形成一金屬模具之步驟示意圖，其中該聚合物影像的移轉係利用一電鍍製程實施，且該電鍍製程使用一濺鍍在光阻/聚合物表面之金屬種層。該金屬層係完全以一電鍍製程形成，如第7圖所示，其描述了這些步驟：
1)該具有金屬種層的基質係置放到一電鍍槽內。
2)接著設定電鍍參數。
3)開始電鍍，直到電鍍至預定的厚度-一般在3-5mm的範圍內。
4)將晶圓移出托架。
5)將光阻從模具上移除。這一般係可以一光阻剝除液或熱丙 酮進行。此時該矽/玻璃基質將被移除掉。
6)以去離子水徹底清洗該模具。
7)接著研磨該模具的背部和邊緣至適當大小。
8)以去離子水沖洗該模具。
9)以氧電漿清潔該模具的表面。
該模具現在係已可準備使用。典型的模具大小係大約4mm x 20mm的尺寸，且不適合使用在高生產率的應用層面中。而這樣的應用層面會必須使用模具，以生產具功能性且未加工過的材料(功能性膜)。在這個例子中，其需要一個副模，這樣的副模製作方式將在下面說明。
第8圖係為本發明製作該第二模具之步驟示意圖。對許多應用層面而言，使用者所需要的圖樣係為週期性的(反覆的)。雙光子微影工具所需要的寫入時間係為冗長且昂貴的。為了減少寫入時間，係需要該主模以利用一沖壓工具而生產一較大的副模，其理由如下：
1)藉由利用該雙光子微影工具所生產的3D主模，並沖壓至一覆蓋有光阻/聚合物的基質上，係可製作出一大上許多的模具。這可幫助減少所需的寫入時間，以複製一大型模具。
2)減少任何錯誤的機會。
3)增加產量。
4)係可以相當快的時間生產非常大表面的區域。
製作該副模的製程步驟請參第8圖，並說明如下：
1)首先，快速旋轉塗覆一適當的光阻/聚合物到一基質的表 面上。該機質係可為矽晶圓、大片狀的聚合物、鈑金及玻璃(取決於該最終產品的應用)。
2)取決於使用在製程中的基質及光阻種類，輸入正確的沖壓製程參數到壓花/沖壓工具內。
3)裝載主模到一沖壓工具內，並開始在全部的基質上構成圖樣。
4)接著，該已圖樣化的基質係進行顯影，且一金屬種層係濺鍍到該圖樣化基質上。
5)接著將該基質浸入到一電鍍槽內，並開始電鍍至一預定厚度。
6)接著研磨該最終裝置至正確的厚度。
7)該模具的邊緣亦被研磨至正確的厚度。
藉由利用該主模在一大區域上踩踏許多次，在技術上係可製作出相當大(1m2)的模具。
對於高生產率的應用以及連續性的大片功能性聚合物膜的製作，係可製作一滾輪模具。
第9圖係為本發明製作該奈米壓印微影技術之滾輪模具之步驟示意圖。一如上述所說明的內容，大片具有功能性的材料係可能在特定的應用中所需要。現今轉印大表面面積的方法係藉由滾輪轉印機的使用而達到，且一具有奈米級3D特徵的滾輪係持續的用以產生一大片且連續的聚合物。
製作捲軸型奈米壓印微影模具的步驟請參第9圖，並說明如下：
1)首先，以光阻塗覆在一適當的基質上。某些可能的基質 係PMMA膜、鈑金、矽晶圓及玻璃等等。
2)接著設定沖壓工具的製程參數。
3)藉由一連串的沖壓及步驟程序將該3D影像從該金屬模具轉移到一大型基質上。
4)在加工後對光阻進行顯影。
5)將光阻/聚合物從該基質上分層出來。
6)沉積一金屬種層至該基質的表面上。
7)在一工膜上纏繞該基質以形成一圓柱體。
8)電鍍該圓柱體直至達到預定的厚度。該最小的厚度必須大於3mm。
9)研磨並拋光該圓柱體至正確的成品表面及厚度。
10)該滾輪模具係已製備並可使用。
本發明亦適合在利用二滾輪模模具而製作上下表面具有特徵的結構層之中。在這樣的應用當中，該二滾輪模具係以其上端而彼此對齊。對於簡單的雙結構層結構，一次完成的雙重模具即已足夠。對於需要更多結構層的較複雜結構，每一結構層係可藉由相互夾黏合而對齊。這些結構係可用來將膜保持在一起，並對齊不同的結構層。該第一結構層及第二結構層係於相互夾黏合時對齊。每一結構層係接著彼此黏合而形成複結構層結構。
彈性模具的製作
用於奈米轉印技術的彈性滾輪轉印模具係可使用在3D結構的轉印之中。由表面具有圖案特徵之鈑金或聚合物所製成的彈性模具12係可纏繞第17圖所示的大型滾輪10。
一大型滾輪模具係可藉由黏接數個彈性模具12到該圓柱體 的表面上而形成。該方法係相當近似於印刷工業中的平版印刷，其具有光敏化學物的鋁片係進行曝光而移轉該印刷影像到平版上，並黏合到該印版滾筒36上，如第18圖所示。
第18圖係為平版印刷中之上墨流程。墨水係藉由一系列的滾輪而散佈到印版滾筒36上。在印刷中，該印版滾筒36係依序被位在水盤34上的水滾輪30、以及墨水滾輪32所弄濕。該墨水滾輪32將墨水由墨槽而散佈到印版滾筒36上。該印版滾筒36的影像區係由墨水滾輪32沾取墨水。各印版滾筒36接著將其影像移轉到一膠版滾筒38，轉而將影像移轉到壓印滾筒40以及紙42上。
根據如同平版印刷的方法，該等彈性模具/平版係貼附到設計在滾輪表面上的狹縫上，且該狹縫係以該等彈性模具/平版邊緣的凹槽而大致對齊定位。接著調整該等滾輪及聚合物輸送系統的位置而精細對位。藉由高達10微米的對齊精準度之建立，係可達成頂部及底部的轉印。
利用雙光子微影技術產生的3D主模而生產彈性模具的方法有很多種：1)彈性聚合物模具；2)具有聚合物特性的鈑金模具；3)利用一鎳金屬主模且沖壓有金屬特性的鋁片(軟性金屬)模具；4)具有電鍍在表面的金屬特性之鈑金模具。
一種使用不同種類的彈性模具的製程步驟將在下面說明。
用以製造彈性聚合物模具/模板之製程步驟
請參閱第10圖，其係有關製造一彈性聚合物模具/模板之步驟流程圖。
在這製程中，一由鈑金或聚合物基質所製造的彈性模具係可被生產出來。
1)首先，塗覆一適當的光阻/聚合物到一彈性基質的表面上。這基質係可為一大片的聚合物或鈑金(取決於最終成品的應用層面)。
2)取決於使用在製程中的基質及光阻種類，將正確的沖壓製程參數輸入到該沖壓工具中。該沖壓製程係可為一紫外線轉印製程、熱轉印製程或上述兩者之結合。
3)裝載該主模至一沖壓工具內，並開始在所有的基質上構成圖樣。
4)該聚合物模現在係可被用作一副模或作為一纏繞一滾輪之生產模具。
利用物理性沖壓一鋁板而製作一金屬模具或模板之製程步驟圖
第11圖係為本發明利用物理沖壓鋁板而製造一金屬模具或模板之步驟流程圖。
在這製程中，一彈性模具係由鈑金所製程，其以物理性的方式，利用一鎳金屬模具沖壓一軟性金屬。
1)建立製程參數。
2)安裝沖壓用的正確模具(該模具必須由一如鎳金屬之硬質金屬製成)。
3)裝載該鈑金到該沖壓工具內。
4)開始進行樣品製程。
5)該鈑金現在係可用作一副模，或作為一纏繞一滾輪之生產模具。
製作具有金屬特性之金屬模具或模板之製程步驟
第12圖係為本發明製造一片具有表面電鍍金屬特性之金屬模具或模板之步驟流程圖，其說明如下：
1)塗覆光阻到該鈑金的表面。
2)輸入正確的製程參數。
3)裝載3D模具到該沖壓工具內。
4)裝載鈑金到工具內。
5)進行沖壓製程。
6)沉積金屬種層或執行一清潔步驟，以曝露該鈑金的聚合物結構底部，以進行電鍍。
7)進行電鍍。
8)從鈑金上剝除並移除光阻。
製作一具有聚合物特性之鈑金模具或模板之製程步驟
第13圖係為本發明製造一片具有聚合物特性之金屬模具或模板之步驟流程圖，其說明如下：
1)塗覆光阻至鈑金的表面上。
2)輸入正確的製程參數。
3)裝載3D模具到沖壓工具內。
4)裝載鈑金到工具內。
5)進行沖壓製程。
6)後製該聚合物，以硬化該聚合物。
7)該模具係已可準備使用。
本發明之製程的應用
不同製作技術的相對優點係顯示在第19圖中。在與所有的競爭製造技術相比，本發明藉由結合雙光子微影技術及奈米轉印技術，使大量製造的裝置具有極低的成本。
從上面不同製作技術的矩陣圖中，可以看到本發明係最適合用在生物性的應用中。使用本發明製程的生物性應用係相當近似於臨床的器官移植及現有移植技術等方法。將用來取代利用屍體上可用的生物材料，係製作出一完全合成的支架，以減低疾病傳染的爭議及適用屍體的短缺，並降低成本。
首先，係利用雙光子微影技術產生一3D模板，或是產生其他種類的快速原型製作技術(取決於最終裝置的解析度)。接著，該影像係藉由電子成型或任何種類的成型技術而移轉到一模具上，這取決於製程所需的模具種類(彈性、硬度、尺寸、表面特性及解析度)。只需要單一次沖壓製程的製品係可接著藉由標準滾軸型技術、標準奈米壓印微影技術或紫外光奈米壓印微影技術而生產。
該結構係以一電腦輔助設計程式(CAD)而設計。接著這3D CAD圖像係輸入到本發明所使用的專屬軟體內，並自動切削成複數層結構層。具有重複圖樣的結構層會被清除掉，而用以製造模具之模板會被製作出來。利用這樣的一個模板，會製作出每一結構層的主模，以產生一堅硬/彈性的模具，供用於一沖壓型/捲軸型奈米壓印微影工具。
在單一轉印步驟係已足夠的應用中，例如全像標籤、對焦用之微透鏡、液晶顯示器及繃帶，該最終的成品係被包裝而販售。其他需要更複雜3D結構的應用係可使其每一結構層與其他結構 層彼此結合，以形成一較大裝置，例如一組織支架或器官支架。這樣的發明技術係可使一速率為4/hour之器官支架的產生成為可能。
該製造方法係包括奈米轉印技術中用以寫入3D模板的製程，並透過雙光子微影技術的使用。其起始模板的形狀在與典型具有垂直或傾斜側壁的灰階結構相比時，其形狀係為半球面或其他具有彎曲側壁的形狀之3D形狀。
這奈米轉印技術之寫入3D模板的製程係建立在奈米壓印微影技術的製程步驟上，其包括：在模具製造時以形狀資料庫獲得改善的設計圖，以建立用於3D裝置大量製造時之設計規範；使模具具有這些3D模板；以及利用熱、紫外光、沖壓及捲軸型奈米壓印微影技術之壓印機。
該方法係利用雙光子微影法而製作器官/組織支架，以製造任何形式的3D結構，並進行奈米轉印以製造如腎或肝等複合器官之完整器官支架，其包括下列步驟：
a.複數個藉由將該支架的一3D CAD設計圖切削成複數結構層而製作出的器官/組織支架。每一結構層係利用奈米轉印法而個別製作出來，以覆蓋並結合所有結構層而形成最後的支架。利用這樣的技術支架係在結構上係近似於活體內的肉體環境所產生的器官/組織支架。
b.複數個組織工程支架。
c.可植入型醫療裝置的製作。
該用以製作簡單3D結構的方法，如一次完成的正弦結構和半球體，係可使用在光子、LCD工業、全像標籤、對焦用之微透鏡、繃帶等的製造中。
在該用以製作簡單3D結構的方法中，其用在奈米壓印微影技術製程的材料係可為合成或生物性材料。
這製造科技係可用在器官/組織工程支架的製作中。
本發明的製程係為器官/組織工程的促成科技，且為下列科技的關鍵新方法。
具有3D奈米轉印科技的器官/組織製作
傳統用於支架製作的支架方法係包括溶劑鑄造鹽析法、氣體發泡、纖維網及纖維結合、相分離法、熔模法、冷凍乾燥與溶液鑄造及冷凍乾燥法等技術。這些製程技術牽扯到一些限制，例如其缺乏了正確孔洞大小、幾何形狀、互連性及空間分佈的控制，以及該等支架間內部通道的建構。除此之外，這些技術大部份係使用如氯仿或二氯甲烷等有機溶劑作為這些製程的一部份，以溶解合成的聚合物。有機溶劑的殘餘物存在係為傳統製作方法的一重大問題，這些毒素及致癌物會導致細胞因溶劑殘餘物的存在而曝露在其中。
另一個製作支架的方法是，經由進步的製造科技/快速原型製作(RP)科技的開發利用，例如立體微影技術(SLA)、選擇性雷射燒結法(SLS)、3D噴印法、熔融擠製成型法(FDA)及3D生物性繪圖法等。目前只有少數研究團隊展示快速原型製作在臨床應用上的開發利用。在骨骼組織工程中，已證實選擇性雷射燒結法在製作聚己內酯多元醇支架的有效性。3D噴印法也已被用來創 造陰模，供聚乳酸溶液倒入該陰模內，熱進行分離以產生奈米纖維支架。所有的生物性研究結果顯示，微孔洞及微細緻表面特徵可改善骨骼到支架中的生長，其增加蛋白質吸收的表面面積、增加微環境中的離子溶解度、以及提供複數個供骨細胞黏附的點。上述所有已提到的快速原型製作方法尚未導向具協調組織化的複合組織之建構。這是因為其缺少現今快速原型製作的印刷解析度，且其難以將各種種類的細胞嵌入到錯綜複雜的設計中。器官列印(organ printing)是唯一有能力這樣做的科技，且有些結構以利用這一步而列印出，並同時列印出數種細胞種類及生物性材料。然而，其建立並不適合易損的細胞種類之中，例如肝細胞。再者，發明人已發現生物性材料過去常常列印細胞交互作用間的合成障礙物，以維持其功能及分化作用。下列圖表係為不同支架科技的比較圖。
本發明製程於器官/組織工程的應用
組織工程對於再生醫學工業係為一必要的科技。其可以被定義為用以修復有病的身體部位之功能性組織及器官工程。自體移植組織工程裝置係藉由結合由病人得來的細胞以及可分解的材料而形成，其並被植入至身體內。該材料的名稱為支架或基體 (matrix)，其具有多孔的或膠狀的性質，以確保在基質內併入到細胞中，而非單獨的存在細胞表面。組織工程的目的在於繞過傳統對於受損組織或器官在器官使用移植或生物性材料移植上的臨床治療限制，最主要的限制係因這些治療牽涉到捐贈器官的短缺、慢性排斥及細胞發病率。
組織工程佔優勢的方法係包括在體外培養相關細胞，將其養成可模擬細胞外的基體的功能之支架。如果沒有任何3維支撐結構，細胞會形成一任意二維形狀且主要為單層的細胞。因此，支架的主要功能在於，其作為供細胞黏合的基質。此外，支架亦提供暫時的結構性支撐作用，並導引生長中的組織。
近年來許多研究學者係仰賴屍首上之去細胞器官、心臟及胸膛，以提供體系結構、形狀及細胞組成物而建立人造生物性器官。這些支架係重新補入細胞，並培養在一灌流生物反應器中達數個星期，而其結果組成係可表現出一器官的一些或大多功能。在其他如角膜、膀胱、皮膚及骨骼等簡單的器官，其器官支架基體系以一全合成支架所取代。
上述內容中所提到的臨床上的成功教示了提供3D支架支持物的方法對於再生醫學而言是最好的方法。然而，從屍首獲得支架是一連串的過程，且具有許多與本技術相關的爭議，例如疾病的傳播，可獲得的屍首數目，取出該部位的技術純熟的外科醫生，道德及品質控制等爭議。以本發明的技術、一生理上相似的環境以及正確的化學訊號，其全合成的器官/組織支架係可再現再生醫學。
目前對於發展組織工程的器官係有明顯的需求。然而，用於更複雜的組織的工程的主要問題在於血管生成，以長出血管供新 的組織及血液使用，並發展出許多3D基體以培養新的組織。
本發明使用便宜、高生產率、高解析度的3D製造科技，以提供目前研究人員在發展血管化的3D基體時所面對到的問題之解決方案。這進一步會引起組織工程的研究，並改善一般的醫療保健。當使用在細胞培養時，其他關於這些支架的生醫應用係可用以提供製藥公司發展更好的藥物模式，以執行藥物測試、降低臨床試驗以及藥物發展的成本。
本發明的製程具有廣泛的應用，列舉其中如下：
上面的表格係為本發明所發展的科技之可能的應用。
本發明對於組織工程的應用係可延伸到植物及農業的範疇。
本發明的製程於製造微透鏡的應用
光線的控制及調整係可藉由許多利用折射、散射、干擾或反射方式而達成，且可以透過操作透過微透鏡的光線而實現。本發明的製程所產生的微透鏡係可設計成該透鏡的表面/邊緣輪廓，以聚焦、反射、導引及弄偏光線。藉由該微透鏡系統的微型化，係可降低大多透鏡材料的體積，使其因為大體積吸收所導致的訊號失真較少而具有改善的傳送率及效率。這些微透鏡係整合到膜內，以產生功能性的光學膜。
目前微透鏡係由模具以下列方式而製作：
1)熔化熔解玻璃/光阻/液體，並使其表面張力形成透鏡需要的圓滑球形表面。
2)其他牽涉到重複蝕刻圖樣的技術，已形成複數個排列整齊的透鏡。許多這些透鏡的複製係藉由鑄模或壓印一主模透鏡陣列而形成。
目前所製造的薄膜光電(PV,photo voltaic)模組係因其面板可靠度低而造成長期的麻煩。這是薄膜隨著時間損壞所造成，其原因在於紫外光的吸收會破壞聚合物中未飽和的鍵結，以及受到化 學物所造成的效率下降。本發明的製程所發展出的光學膜係可用於過濾紫外光，且在光面傳送到光電基板前不會減弱光譜的其他部份。
大多所製作出的次微米裝置本質上係為二維結構。以現有的技術，要製作出製作微透鏡所需要的具曲度之側壁係非常困難的。藉由引入一另外的空間維數到該製作過程中將會使設計者在新的應用中運用額外的表面。
1)這表示可生產出具有客製化曲度之複合微透鏡。
2)藉由這些裝置，係可製作出具有新應用方式的功能性膜，例如聚集、輸送及操作光線等應用。
由本發明的製程所製出的模具除了可製作出小型具有彎曲側壁的裝置，並可使模具沖壓到較軟的材料上，製作出非球面形狀的透鏡或特殊設計的透鏡，且其曲度不限於用來製造微透鏡的液體之表面張力的特性。
第14圖係為鑄造的微透鏡52之奈米轉印聚合物膜54之外觀示意圖，其具有鑄造的反射器，該反射器係設置於一玻璃聚合物導波器58上方之黏合層50上。
這樣的光學膜係有利於太陽能光學製造業者，這些膜係可併入到薄膜或玻璃的表面以降低反射、全內反射和集光現象，並將其併入到主動性裝置上。雖然將膜直接應用在光電基板上係可在效果上提供些許的增值，但這膜係可達到如集光器的功用。這是藉由在平坦表面上收集光線，在該膜內使光線彎曲以達到內全反射的條件，並引導光線穿過薄膜，最後發射出該膜的邊緣。所發射出的光的強度將成為該膜的表面區域之直接功能。藉由將膜合併一起而收集光線，並將光線傳輸到該光電基板，該光電基板將 可暴露在比以往所可能的光線之更多的光線中。這些膜係平坦且低成本，其可有效利用在其他任何可能不是最佳吸收光線地點的表面上，例如在都會區之中，以收集並輸送光線到光電基板。
除了利用該功能性膜在太陽能光電工業，其他的應用係包括顯示技術。
1)以這樣的功能性膜，其可藉由收集、傳輸及聚集到光電基板而應用在太陽能電力的產生之中。該光電基板在提供太陽光能到類似表面區域的光電膜上時，係可以不曝露在極端氣候條件中的方式而裝載。
2)這些膜亦可設計成光學膜，以傳送及聚集光線到LCD螢幕的像素及彈性電子應用上。
當這樣的膜被應用在光電模組，其係用作下列功能：1)抗反射膜；2)集光膜；3)傳送光線；4)聚焦/集中光線。
這將會使光電基板吸收與收集到的光之數量增加到最大的限度。這代表著高光電效率、較容易的面板裝載方式以及更低的成本。
本發明的製程所製造出的微透鏡係可使用於將光線從外部引導到建築物的內部。
其他的應用
簡單的單結構層製程具有許多應用方式，例如LCD應用中之非對稱微光柵、通訊裝置之光學元件的微型化、以及在綠能產 業中可有效收集光線之光電裝置中用以聚集光線之微透鏡。
本發明之優越的功效
藉由結合雙光紫微影技術及奈米轉印技術，係可以低成本製作出3D結構中每一結構層的高解析度次微米3D模具。每一結構層係接著用以形成該3D結構。除了這裡討論到的應用層面，例如器官/組織工程，許多新的奈米轉印應用亦可使用到本發明的製程，例如LCD螢幕產業、隱形眼鏡產業、塑膠製品的表面質地、半導體產業以及硬碟產業，甚至是偽造技術。
10‧‧‧大型滾輪
12‧‧‧彈性模具
30‧‧‧水滾輪
32‧‧‧墨水滾輪
34‧‧‧水盤
36‧‧‧印版滾筒
38‧‧‧膠版滾筒
40‧‧‧壓印滾筒
42‧‧‧紙
第1圖係為本發明製作次微米3D模具之步驟流程圖。
第2圖係為本發明產生3D CAD設計圖的第一步驟，以作為雙光子微影法步驟的輸入值之步驟流程圖。
第3圖係為本發明建立用於寫入步驟的雙光子微影工具之步驟流程圖。
第4圖係為本發明製備用於雙光子微影掃描步驟中的基質之步驟流程圖。
第5圖係為本發明對光阻進行顯影的步驟之步驟流程圖。
第6圖係為本發明藉由濺鍍到光阻/聚合物的表面而形成金屬種層之步驟示意圖。
第7圖係為本發明藉由金屬化以形成一金屬模具之步驟示意圖，其中該聚合物影像的移轉係利用一電鍍製程實施，且該電鍍製程使用一濺鍍在光阻/聚合物表面之金屬種層。
第8圖係為本發明製作該第二模具之步驟示意圖。
第9圖係為本發明製作該奈米壓印微影技術之滾輪模具之步驟示意圖。
第10圖係為本發明製造彈性聚合物模具或模板之步驟流程 圖。
第11圖係為本發明利用物理沖壓鋁板而製造一金屬模具或模板之步驟流程圖。
第12圖係為本發明製造一片具有表面電鍍金屬特性之金屬模具或模板之步驟流程圖。
第13圖係為本發明製造一片具有聚合物特性之金屬模具或模板之步驟流程圖。
第14圖係為本發明於製造側射薄膜層時，該微透鏡之奈米轉印聚合物膜之外觀示意圖。
第15圖係為奈米轉印微米製程的步驟流程圖。
第16圖係為熱奈米壓印微影技術與紫外光奈米壓印微影技術之比較示意圖。
第17圖係為彈性模具纏繞大型滾輪之外觀示意圖。
第18圖係為係為平版印刷之上墨流程圖。
第19圖係為不同製作技術之比較示意圖。

Claims (51)

  1. 一種高生產率及低成本之次微米3D結構製品之結構層之3D金屬模具，其利用一整合雙光子微影法及奈米轉印法的製程而形成一片該次微米3D結構製品之結構層之金屬薄膜，其中該結構層之3D金屬模具係經由下列步驟製造：製作該3D結構之3D結構層的設計圖；建立一寫入製程，以利用雙光子微影法產生該3D結構製品中該結構層的3D影像；在一基質上對該結構層的3D影像的光阻或聚合物進行顯影；濺鍍一或多層結構層金屬至該結構層的3D影像的光阻或聚合物表面，以形成一金屬種層；利用一電鍍製程轉移該覆蓋有金屬種層之3D聚合物影像，以形成一3D金屬模具；其中，該3D金屬模具將被用以製造該3D結構製品的同一結構層3D影像的複製品。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該設計圖的製作步驟係包括固定該基質表面的3D CAD底部，補償聚合物的收縮，並使其具有防止該次微米3D結構在沖洗及乾燥製程中瓦解的機械強度。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層的3D影像係為一具有0.01-150微米厚度的影像。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層的3D影像係為一具有100微米 厚度的影像。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層係使用0.01-100微米的厚度參數作為製造該結構層之金屬模具之輸入值。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層係以100微米的厚度參數作為製造該結構層之金屬模具之輸入值。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之3D金屬模具，其中該3D影像的每一結構層係具有0.01-150微米厚度。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該顯影步驟係包括清除該基質，塗覆一旋轉塗佈光阻到該基質上，以一溶劑移除該基質背部的光阻，先烘烤該基質，將該基質置放到一真空吸盤上，開啟真空，對準一晶圓，輸入正確的製程參數，標記並檢查該基質而確認每一裝置係正確的定位，以及，移除基質上該結構層影像的光阻或聚合物。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該金屬種層的形成步驟係包括檢查該基質上未殘留光阻的殘餘物或其他物質，將該晶圓置放到一濺鍍工具中，將該腔室抽真空至基礎壓力下，執行一短暫的電漿清除製程而確保其表面為乾淨狀態，沉積一或複數金屬層，如此一層層的方式以形成該金屬種層，並將該晶圓從腔室中移出。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，將光阻或聚合物移出3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗 該模具，研磨該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，將光阻或聚合物移出3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗該模具，切割該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，移除該3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗該模具，沖裁該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該步驟更包括塗佈光阻於一基質上，設定沖壓工具的製程參數，藉由一連串的沖壓及步驟程序將該3D影像從該金屬模具轉移到一大型基質上，在加工後對光阻進行顯影，將光阻或聚合物從該基質上分層出來，在一工膜上纏繞該基質以形成一圓柱體，電鍍該圓柱體直至達到預定的厚度，研磨並拋光該圓柱體至恰當的成品表面及厚度。
  14. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該金屬模具係包括一主金屬模及複數個副金屬模。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其係用以製造二滾輪金屬模具，其中，一金屬模具係為了一3D結構的其中一結構層的上表面而製造，而另一金屬模具係為了一3D結構的同一結構層的下表面而製造，其中，每一結構層係接著被對準且被拉在一起以相互夾黏合而形成多層結構。
  16. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該奈米轉印製程係包括熱奈米壓印微影技術、紫外光奈米壓印微影技術或捲軸型奈米壓印微影技術。
  17. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該雙光子微影法係利用軟體以製作具有任何形狀的3D金屬模具及可結合成複合模具之不同形狀的金屬模具。
  18. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該以彈性聚合物製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之彈性聚合物金屬模具之滾軸。
  19. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該以鈑金製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之具有聚合物特性的鈑金模具滾軸。
  20. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該以鋁片製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中利用一鎳主金屬模沖壓之具有金屬特性的鋁片滾軸。
  21. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其中該以鈑金製成且以電鍍至其表面之具有金屬特性的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面，以形成一用於奈米轉印中具有金屬特性的鈑金滾軸。
  22. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其係用以製作簡單的3D結構，例如一次完成的正弦結構和半球體，其中，在光子、顯示工業、全像標籤、對焦用之微透鏡、繃帶等的製造中係使用一次沖壓奈米轉印製程。
  23. 如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具，其係用以製作簡單的3D結構，其中在奈米壓印微影技術製程中使用的材料為合成或生物材料。
  24. 一種製造3D金屬模具以製作高生產率及低成本之次微米3D結構製品之系統，該系統係整合雙光子微影法及奈米轉印法，其特徵在於，利用雙光子雷射微影法及3D寫入技術以製造3D結構製品中每一結構層的3D金屬模具，並利用奈米轉印法而從該3D金屬模具形成一片3D結構中每一結構層的聚合物薄膜，並堆疊該3D結構的每一結構層，以製作出該次微米3D結構製品。
  25. 如申請專利範圍第24項所述之製造3D金屬模具以製作高生產率及低成本之次微米3D結構製品之系統，其係利用3D寫入技術以構成用於該3D金屬模具之模板圖案。
  26. 如申請專利範圍第24項所述之製造3D金屬模具以製作高生產率及低成本之次微米3D結構製品之系統，其中該奈米轉印技術係為熱奈米壓印微影技術、紫外光奈米壓印微影技術或捲軸型奈米壓印微影技術。
  27. 一種製造如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具之製程，其係用以製作器官或組織支架，供產生出如腎或肝等器官的整個器官支架的3D結構之複數個影像結構層，包括：a.複數個藉由將該支架的一3D CAD設計圖切削成複數結構 層而製作出的器官或組織支架，每一結構層係利用奈米轉印法而個別製作出來，以覆蓋並結合所有結構層而形成最後的支架，且如此產生的支架在結構上係近似於活體內的肉體環境所產生的器官或組織支架；b.複數個組織工程支架；c.可植入型醫療裝置的製作。
  28. 一種製造如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具之製程，其係使用在組織工程之支架的製造中，包括下列步驟：a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需金屬模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄，或包含電子束微影技術或光微影技術之任何形式的成形技術，而移轉到一3D金屬模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層；e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造金屬模具用的模板；g.為每一結構層製作一主金屬模，以產生一用於沖壓或滾軸型奈米壓印微影工具之堅硬/彈性金屬模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成一完整器官支架。
  29. 一種製作如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具之方法，其係用以製造醫療裝置，例如需要物體形貌以引導神經或骨頭生長之神經及骨頭的架橋，其包括下列步驟： a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需金屬模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄，或包含電子束微影技術或光微影技術之任何形式的成形技術，而移轉到一金屬模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層；e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造金屬模具用的模板；g.為每一結構層製作一主金屬模，以產生一用於沖壓或滾軸型奈米壓印微影工具之金屬模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成一完整器官支架。
  30. 一種製作如申請專利範圍第1項所述之3D金屬模具之方法，其係用以製造客製化微透鏡，藉以形成光學薄膜，其包括下列步驟：a.利用雙光子微影法產生一3D模板；b.依據製程中所需金屬模具的種類，如其彎曲性、硬度、尺寸、表面特性及解析度，將該3D影像藉由電鑄，包含電子束微影技術或光微影技術之任何形式的成形技術，而移轉到一金屬模具上；c.以電腦輔助設計程式(CAD)設計其結構；d.利用軟體，輸入3D CAD圖像以將該等結構自動切削成複數結構層； e.清除具有重複圖樣的結構層；f.製作製造金屬模具用的模板；g.為每一金屬結構層製作一主模，以產生一用於沖壓或滾軸型奈米壓印微影工具之金屬模具；h.將所產生的結構層以相夾合的方式結合一起，以形成全全以具客製化曲度之複合微透鏡所製造的完整光學薄膜；其中，該光學薄膜係可合併至一薄膜或一薄層玻璃的表面上，以減少反射及全內反射，並集光及聚光在主動裝置上。
  31. 一種高生產率及低成本之次微米3D結構製品之結構層之3D金屬模具之製造方法，其利用一整合雙光子微影法及奈米轉印法的製程而形成一片該次微米3D結構製品之結構層之金屬薄膜，該方法包括下列步驟：製作該3D結構之3D結構層的設計圖；建立一寫入製程，以利用雙光子微影法產生該3D結構製品中該結構層的3D影像；在一基質上對該結構層的3D影像的光阻或聚合物進行顯影；濺鍍一或多層結構層金屬至該結構層的3D影像的光阻或聚合物表面，以形成一金屬種層；利用一電鍍製程轉移該覆蓋有金屬種層之3D聚合物影像，以形成一3D金屬模具；其中，該3D金屬模具將被用以製造該3D結構製品的同一結構層3D影像的複製品。
  32. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該設計圖的製 作步驟係包括固定該基質表面的3D CAD底部，補償聚合物的收縮，並使其具有防止該次微米3D結構在沖洗及乾燥製程中瓦解的機械強度。
  33. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層的3D影像係為一具有0.01-150微米厚度的影像。
  34. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層的3D影像係為一具有100微米厚度的影像。
  35. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層係使用0.01-100微米的厚度參數作為製造該結構層之金屬模具之輸入值。
  36. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中於該寫入製程的建立步驟中，每一結構層係以100微米的厚度參數作為製造該結構層之金屬模具之輸入值。
  37. 如申請專利範圍第32項所述之製造方法，其中該3D影像的每一結構層係具有0.01-150微米厚度。
  38. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該顯影步驟係包括清除該基質，塗覆一旋轉塗佈光阻到該基質上，以一溶劑移除該基質背部的光阻，先烘烤該基質，將該基質置放到一真空吸盤上，開啟真空，對準一晶圓，輸入正確的製程參數，標記並檢查該基質而確認每一裝置係正確的定位，以及，移除基質上該結構層影像的光阻或聚合物。
  39. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該金屬種層的形成步驟係包括檢查該基質上未殘留光阻的殘餘物或其他物 質，將該晶圓置放到一濺鍍工具中，將該腔室抽真空至基礎壓力下，執行一短暫的電漿清除製程而確保其表面為乾淨狀態，沉積一或複數金屬層，如此一層層的方式以形成該金屬種層，並將該晶圓從腔室中移出。
  40. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，將光阻或聚合物移出3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗該模具，研磨該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  41. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，將光阻或聚合物移出3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗該模具，切割該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  42. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該3D金屬模具的形成步驟係包括將該基質及金屬種層放置到一電鍍槽內，設定電鍍參數，直到電鍍至預定的厚度，將晶圓移出托架，移除該3D金屬模具，以去離子水徹底沖洗該模具，沖裁該3D金屬模具的背部和邊緣至適當大小，以去離子水沖洗該3D金屬模具，以氧電漿清潔該3D金屬模具的表面。
  43. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該步驟更包括 塗佈光阻於一基質上，設定沖壓工具的製程參數，藉由一連串的沖壓及步驟程序將該3D影像從該金屬模具轉移到一大型基質上，在加工後對光阻進行顯影，將光阻或聚合物從該基質上分層出來，在一工膜上纏繞該基質以形成一圓柱體，電鍍該圓柱體直至達到預定的厚度，研磨並拋光該圓柱體至恰當的成品表面及厚度。
  44. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該金屬模具係包括一主金屬模及複數個副金屬模。
  45. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其係用以製造二滾輪金屬模具，其中，一金屬模具係為了一3D結構的其中一結構層的上表面而製造，而另一金屬模具係為了一3D結構的同一結構層的下表面而製造，其中，每一結構層係接著被對準且被拉在一起以相互夾黏合而形成多層結構。
  46. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該奈米轉印製程係包括熱奈米壓印微影技術、紫外光奈米壓印微影技術或捲軸型奈米壓印微影技術。
  47. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該雙光子微影法係利用軟體以製作具有任何形狀的3D金屬模具及可結合成複合模具之不同形狀的金屬模具。
  48. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該以彈性聚合物製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之彈性聚合物金屬模具之滾軸。
  49. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該以鈑金製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中之具有聚合物特性的鈑金模具滾軸。
  50. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該以鋁片製成的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面上，以形成一用於奈米轉印中利用一鎳主金屬模沖壓之具有金屬特性的鋁片滾軸。
  51. 如申請專利範圍第31項所述之製造方法，其中該以鈑金製成且以電鍍至其表面之具有金屬特性的金屬模具係貼附至一圓柱體的表面，以形成一用於奈米轉印中具有金屬特性的鈑金滾軸。
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