WO2015188909A1 - Verfahren zur herstellung eines prägewerkzeugs mittels 3d-lithographie - Google Patents
Verfahren zur herstellung eines prägewerkzeugs mittels 3d-lithographie Download PDFInfo
- Publication number
- WO2015188909A1 WO2015188909A1 PCT/EP2015/000971 EP2015000971W WO2015188909A1 WO 2015188909 A1 WO2015188909 A1 WO 2015188909A1 EP 2015000971 W EP2015000971 W EP 2015000971W WO 2015188909 A1 WO2015188909 A1 WO 2015188909A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- embossing
- primary structure
- photosensitive material
- structures
- master
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G03—PHOTOGRAPHY; CINEMATOGRAPHY; ANALOGOUS TECHNIQUES USING WAVES OTHER THAN OPTICAL WAVES; ELECTROGRAPHY; HOLOGRAPHY
- G03F—PHOTOMECHANICAL PRODUCTION OF TEXTURED OR PATTERNED SURFACES, e.g. FOR PRINTING, FOR PROCESSING OF SEMICONDUCTOR DEVICES; MATERIALS THEREFOR; ORIGINALS THEREFOR; APPARATUS SPECIALLY ADAPTED THEREFOR
- G03F7/00—Photomechanical, e.g. photolithographic, production of textured or patterned surfaces, e.g. printing surfaces; Materials therefor, e.g. comprising photoresists; Apparatus specially adapted therefor
- G03F7/0002—Lithographic processes using patterning methods other than those involving the exposure to radiation, e.g. by stamping
Definitions
- the invention relates to the production of an embossing master by means of 3D laser lithography, as well as its use for producing an embossing tool which is used in a batch or roll-to-roll embossing process.
- Embossing masters are the template for the production of an embossing tool. Methods for producing a stamping master are known. In general, embossing masters are produced by photographic, UV, electron beam or laser lithography.
- the structures produced by conventional lithography are transferred by etching processes into a suitable substrate for producing an embossing master.
- the feature height is dependent on the selectivity (i.e., different etch rates between resist and substrate) of the patterned resist and on the conditions of the etch process.
- 3-dimensional structures ie different height structures with a height profile, i.a. by multi-stage repeated exposure processes in which several times a paint layer is applied and several times an exposure process is generated.
- the object of the invention was to provide a method for producing an embossing tool, wherein an embossing master is used which has 3-dimensional or 2.5-dimensional structures in the highest resolution and precision.
- the invention therefore relates to a method for producing an embossing tool for embossing structures on flexible substrates, wherein for the time being an embossing master is produced with a primary structure and then by galvanic molding or thermal or UV embossing in a polymer or casting with a liquid polymer or a Paint or injection molding or step and repeat duplication of the embossing tool is produced, characterized in that the primary structure of the embossing master as 3D or 2.5D structure by means of 3D laser lithography by patterning a photosensitive material is generated.
- 3D laser lithography is a direct writing technique in which a structure is inscribed in a photosensitive material by means of a focused laser having a defined wavelength, typically in the near IR region, at about 750 to 850 nm, which is not allowed to be in the absorption region of the material to be patterned becomes.
- the difference to conventional laser writing processes by means of UV lasers is that the interaction between laser and material is based on a non-linear optical process, the multi-photon absorption. Only then is it possible to create 3D structures in an exposure step, since the modification of the material by the laser remains limited to a small area around the focus.
- Advantages are the absolute freedom and flexibility in the implementation of a model of a structure in a physical body, such as a stamping tool, as well as the achievable high resolution, which is not limited by diffraction of light.
- the structure is created by a defined movement of the laser focus through the material ("3D laser pen"), which thus inscribes the structure into the material
- the modification of the material is usually a modified solubility caused by photopolymerization, followed by removal of the unexposed material.
- a photoinduced change in the refractive index can be exploited to produce directly embedded photonic structures, but for the optical effect of these structures, there must be a material-dependent minimum refractive index change.
- the manufacturing process of the master or rapid prototyping using 3D laser lithography consists of the following steps:
- a 3D surface or volume object is drawn in a standard CAD program (AutoCAD, Rhinoceros, Solidworks, etc.). This model is used to prepare the structure data for laser writing. Two different strategies can be used.
- the object is decomposed into a stack of contour lines which describe the surface shape and which the laser focus follows later on writing.
- FIG. 1 shows the CAD model of an object
- FIG. 2 shows the contour line stack.
- Figure 3 shows contour line data for the positioning of the laser focus traveling along the circular lines.
- FIG. 4 shows the completely hatched model.
- a suitable substrate is cleaned.
- Suitable substrates are preferably glass, Si wafers and the like.
- the substrate is pre-cleaned with a suitable solvent, for example acetone and / or isopropanol.
- a suitable solvent for example acetone and / or isopropanol.
- oxygen plasma pretreatment is advantageous for some materials to produce smooth, even paint layers.
- the paint is then either spin-coated (by a spin coater) or simply dropped (for tall structures that would require a thick paint film). But it is also possible to apply the paint by printing, brushing, roller application and the like.
- paint layers are according to the invention in particular negative photoresist such as SU-8 (Microchem Corp), hybrid polymers, such as Ormocer ®, acrylic based photoresists such as IP-L, I -G suitable.
- sol-gel systems can continue to be used.
- the sol-gel process is a process for producing non-metallic inorganic or hybrid polymeric materials from colloidal dispersions, the so-called sols.
- the starting materials for a sol synthesis are often alcoholates of metals or non-metals.
- the hydrolysis of precursor molecules and the condensation between resulting reactive species are the essential basic reactions of the sol-gel process.
- the processes involved and the properties of the precursor molecules have a decisive influence on the resulting material properties.
- gelation Once a network of sol particles has formed, it is called gelation.
- the viscous sol has changed into a viscoelastic solid.
- the gel consists of the gel framework and the solvent enclosed by it, but all the pores communicate with each other.
- the sols used as coating solutions must first be applied to the substrate surface.
- all coating methods that can also be used for photoresist systems (dipping, spinning, knife coating, roller coating, flooding or spraying) are suitable for this purpose.
- the coating technique used has a decisive influence on the desired properties such as layer thickness, homogeneity or low defect density.
- the hydrolysis and condensation reactions of the precursor molecules used will continue to progress until aggregation of the sol particles results in a solid gel film.
- photosensitive glass such as chalcogenide glass
- the photosensitive material has an absorption range of 200 to 400 nm.
- the direct 3D laser writing takes place in such a way that the laser focus is moved through the lacquer in accordance with the model data determined from the CAD modeling and locally causes a modification of the material properties (refractive index, solubility).
- the material properties reffractive index, solubility
- the pulse duration can vary from femtoseconds to picoseconds and the repetition rates from kHz to MHz and the pulse energy can be in the range of less than nJ.
- Typical process parameters may be, for example, a pulse duration of about 1 to 1000 fs, typically about 120 to 180 fs, a repetition rate of about 100 MHz and a pulse energy of about O.lnJ.
- the development or post-processing takes place, which in turn essentially depends on the lacquer layer used.
- thermal post-treatment eg, SU-8
- other materials such as IP-L and IP-G can be developed directly with a suitable solvent to wash away the unexposed material (for a negative resist) and the exposed part of a freestanding 3D structure remains on the substrate.
- suitable solvents depending on the coating layer used, are isopropanol, PGMEA, propyl acetate or commercially available SU-8 developers, such as mrdev 600.
- the development of the photoresist is preferably carried out by a critical-point-drying method.
- the water contained in samples is replaced by acetone as intermediate liquid CO2.
- the liquid CO2 can be easily removed by supercritical drying. This type of drying avoids surface forces such as capillary forces that would otherwise occur during drying and damage or destroy fine structures.
- the drying of the photoresist can be effected by UV radiation.
- the structures typically have a height of ⁇ 20 ⁇ , preferably ⁇ 5 ⁇ , more preferably ⁇ 1 ⁇ , their lateral extent is typically ⁇ 20 ⁇ , preferably ⁇ 5 ⁇ , more preferably ⁇ 1 ⁇ .
- This structure then serves as a master for impression taking in a subsequent embossing process.
- the main advantages of the method for producing an embossing master are the highest flexibility in the design, the creation of a true 3-dimensional structure, a high spatial resolution and short development time.
- the master structure produced by means of 3D laser lithography is defect-free and homogeneous over the surface described.
- FIGS. 5 and 6 The method sequence of a step-and-repeat method is shown in FIGS. 5 and 6.
- transition of surfaces with edge lengths in the ⁇ range size of the produced laser-written master structure by means of 3D laser lithography
- areas of about 1 cm 2 which represents the minimum requirement of area size for a step-and-repeat method for embossing tool production, shown.
- the original relief structure is brought into contact with a substrate coated with a lacquer or a lacquer layer.
- the layer assumes the negative topography of the master structure.
- the lacquer layer is cured either with UV light (UV-NIL) or with pressure and temperature (hot stamping).
- the lacquer layer now also has a relief which can be used for further replications.
- Critical process parameters are, above all, the flow behavior of the lacquer layer, since the original structure requires the material to be displaced from certain areas in order to obtain a true-to-life impression, as well as the UV dose or pressure and temperature, as well as the corresponding temporal course of the Embossing parameters (temperature and pressure ramps).
- the first 2.5D masters with structures for the embossing tool production produced by means of 3D laser lithography or via an NIL intermediate step are shown in FIG.
- the shape was as a 4-stage micropyramide with a diameter of 10 ⁇ created, with different floor plans such as circle, 4-corner, 5-corner and 6-corner.
- the step size is ⁇ 1 ⁇ in the axial and lateral directions ( Figure 7).
- the masters with the structures from the 3D laser lithography or from the NIL intermediate step are galvanically molded to obtain a so-called nickel copy.
- an electrically conductive surface e.g., silver, gold, NiV, etc.
- the master structure e.g., by spraying, dipping, sputtering, etc.
- this nickel stamp is used to transfer the structure to an intermediate carrier (via hot embossing in plastic, for example PMMA, PC etc. or via UV embossing in UV lacquer) in accordance with the layout of the final embossing tool.
- This subcarrier is now again used as the master for the final embossing tool and as described by electroforming a nickel copy (Shim) made.
- the resulting nickel shim with the structure thereon is formed into a cylinder by clamping, welding or gluing.
- electron beam e-beam lithography holography or the like.
- a suitable resist e.g., SU-8 suitable for both 3D laser lithography and conventional electron beam lithography is used as the photosensitive resist.
- the structuring can be done by means of 3D laser lithography, then the structuring by electron beam exposure. Subsequently, both structured areas are developed.
- the 2.5D structure generated in a first step by means of SD laser lithography can be masked and the master repainted with a suitable resist for a further patterning, then exposed and developed.
- FIG. 9 shows such a combined structure. 1 means the diffractive structure and 2 the 3D structure.
Abstract
Die Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs zum Prägen von Strukturen auf flexiblen Substraten, wobei vorerst ein Prägemaster mit einer Primärstruktur hergestellt wird und anschließend durch galvanische Abformung oder thermisches oder UV-Prägen in ein Polymer oder Abgießen mit einem flüssigen Polymer oder einem Lack oder Spritzgießen oder Step-and-Repeat-Vervielfältigung das Prägewerkzeug hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur des Prägemasters als 3D- oder 2,5D-Struktur mittels 3D-Laserlithographien durch Strukturieren eines photosensitiven Materials erzeugt wird.
Description
Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs mittel 3D-Laserlithographie
Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Prägemasters mittels 3D-Laserlithographie, sowie dessen Verwendung zur Herstellung eines Prägewerkzeugs, das in einem Batch- oder Rolle-zu-Rolle Prägeverfahren verwendet wird.
Prägemaster bilden die Vorlage für die Herstellung eines Prägewerkzeugs. Verfahren zur Herstellung eines Prägemasters sind bekannt. Im Allgemeinen werden Prägemaster durch Foto-, UV-, Elektronenstrahl- oder Laserlithographie hergestellt.
Dabei wird eine dünne vollflächig abgeschiedene Lackschicht (Foto-, Elektronenstrahl- UV-Lack) durch Belichtung und anschließende Entwicklung strukturiert. Die maximale Strukturhöhe ist dabei durch die maximale Lackdicke vorgegeben.
In einer weiteren bekannten Ausführungsform werden zur Herstellung eines Prägemasters die durch konventionelle Lithographie erzeugten Strukturen durch Ätzprozesse in ein geeignetes Substrat übertragen. In diesem Fall ist die Strukturhöhe von der Selektivität (d.h. unterschiedliche Ätzraten zwischen Lack und Substrat) des strukturierten Lackes und von den Bedingungen des Ätzprozesses abhängig.
In jedem Fall werden auf diese Weise nur 2-dimensionale (bzw. 2.5 dimensionale) Strukturen erhalten, das heißt Strukturen ohne Hinterschneidungen mit gleicher Strukturhöhe.
3-dimensionale Strukturen, also unterschiedlich hohe Strukturen mit einem Höhenprofil, werden i.a. durch mehrstufige wiederholte Belichtungsprozesse, bei denen mehrmals eine Lackschicht aufgetragen wird und mehrmals ein Belichtungsvorgang erfolgt, erzeugt.
Dieses Verfahren ist durch die mehrmals zu wiederholenden durchzuführenden und zueinander zu registrierenden Verfahrensschritte ziemlich aufwändig. Die Strukturen können auch nicht mit ausreichender Präzision dargestellt werden, da durch die Wiederholung der Verfahrensschritte über die einzelnen Lackschichten Unschärfen und Abweichungen entstehen können.
Eine weitere Möglichkeit, 3-dimensionale Strukturen herzustellen, ist das Verfahren der Grayscale Lithographie. Bei diesem Verfahren kann allerdings keine präzise Abstufung der Strukturhöhen erreicht werden, da die Belichtung nicht auf kleine Volumina begrenzt ist. Daher ist auch die Auflösung relativ gering.
Aufgabe der Erfindung war es, ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs bereitzustellen, wobei ein Prägemaster verwendet wird, der 3-dimensionale bzw. 2,5- dimensionale Strukturen in höchster Auflösung und Präzision aufweist. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs zum Prägen von Strukturen auf flexiblen Substraten, wobei vorerst ein Prägemaster mit einer Primärstruktur hergestellt wird und anschließend durch galvanische Abformung oder thermisches oder UV-Prägen in ein Polymer oder Abgießen mit einem flüssigen Polymer oder einem Lack oder Spritzgießen oder Step- and-Repeat-Vervielfältigung das Prägewerkzeug hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur des Prägemasters als 3D- oder 2,5D-Struktur mittels 3D- Laserlithographie durch Strukturieren eines photosensitiven Materials erzeugt wird. 3D-Laserlithographie ist ein Direktschreibverfahren, bei dem mittels eines fokussierten Lasers mit einer definierten Wellenlänge, typischerweise im nahen IR-Bereich, bei etwa 750 bis 850 nm, die nicht im Absorptionsbereich des zu strukturierenden Materials liegen darf, eine Struktur in ein photosensitives Material eingeschrieben wird. Der Unterschied zu herkömmlichen Laserschreibverfahren mittels UV Laser ist, dass die Wechselwirkung zwischen Laser und Material auf einem nicht-linearen optischen Prozess, der Mehrphotonenabsorption beruht.
Erst dadurch ist es möglich, in einem Belichtungsschritt 3D-Strukturen zu erzeugen, da die Modifizierung des Materials durch den Laser auf einen kleinen Bereich um den Fokus beschränkt bleibt. Vorteile sind dabei die absolute Freiheit und Flexibilität in der Umsetzung eines Modells einer Struktur in einen physischen Körper, wie ein Prägewerkzeug, sowie die erreichbare hohe Auflösung, die nicht durch Beugung des Lichts limitiert ist.
Die Erzeugung einer Struktur erfolgt durch ein definiertes Bewegen des Laserfokus durch das Material („3D Laserstift"), der die Struktur somit in das Material einschreibt. Die Modifizierung des Materials ist meist eine durch Photopolymerisation hervorgerufene geänderte Löslichkeit. Durch anschließendes Entfernen des unbelichteten Materials (bei einem Negativlack) entsteht eine freistehende SD- Struktur. Ebenso kann eine photoinduzierte Änderung des Brechungsindex ausgenutzt werden, um direkt eingebettete photonische Strukturen zu erzeugen. Für die optische Wirkung dieser Strukturen muss allerdings eine vom Material abhängige minimale Brechungsindexänderung gegeben sein.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Der Herstellungsprozess des Masters bzw. das Rapid Prototyping mit Hilfe der 3D Laserlithographie besteht aus den folgenden Schritten:
-) Modellerstellung (CAD)
-) Probenpräparation (Lackauftrag auf das Substrat)
-) Laserschreiben (strukturierte Belichtung)
-) Entwicklung bzw. Postprozessierung
Zur Modellerstellung wird in einem handelsüblichen CAD Programm (AutoCAD, Rhinoceros, Solidworks etc.) ein 3D Oberflächen- oder Volumensobjekt gezeichnet.
Von diesem Modell werden die Strukturdaten für das Laserschreiben aufbereitet. Dabei können zwei unterschiedliche Strategien angewendet werden.
In einer ersten Ausführungsform, wie in den Figuren 1 und 2 dargestellt, wird das das Objekt in einen Stapel von Konturlinien zerlegt, die die Oberflächenform beschreiben und denen der Laserfokus später beim Schreiben folgt.
In Figur 1 ist dabei das CAD-Modell eines Objekts dargestellt, Fig. 2 zeigt den Konturlinienstapel.
In einer zweiten Ausführungsform, die in den Figuren 3 und 4 dargestellt ist, wird das gesamte Volumen sozusagen„schraffiert", d.h. mit Linien ausgefüllt und entsprechend geschrieben. Figur 3 zeigt dabei Konturliniendaten für die Positionierung des Laserfokus, der entlang der kreisförmigen Linien verfährt.
Figur 4 zeigt das komplett schraffierte Modell.
Zur Herstellung des Masters wird zuerst ein geeignetes Substrat gereinigt.
Als Substrate kommen vorzugsweise Glas, Si-Wafer und dergleichen in Frage.
Das Substrat wird mit einem geeigneten Lösungsmittel, beispielweise Aceton und/oder Isopropanol vorgereinigt. Ebenso ist eine Sauerstoffplasmavorbehandlung für einige Materialien vorteilhaft, um glatte, gleichmäßige Lackschichten herzustellen.
Der Lack wird dann entweder aufgeschleudert (durch einen Spin Coater) oder einfach nur aufgetropft (für hohe Strukturen, die einen dicken Lackfilm benötigen würden). Es ist aber auch möglich den Lack durch Drucken, Aufstreichen, Walzenauftrag und dergleichen aufzubringen.
Als Lackschichten sind erfindungsgemäß insbesondere Negativ-Photoresists, wie SU- 8 (Microchem Corp), hybride Polymere, wie Ormocer®, acrylbasierte Fotolacke wie IP-L, I -G geeignet.
Einige Lacke, wie beispielsweise SU- 8 verlangen eine thermische Vorbehandlung (Pre- Bake), bei der das Lösungsmittel des Lacks verdampft wird und der Lack beim Abkühlen verfestigt.
Andere Lacke, wie IP-L und IP-G benötigen keine Vorbehandlung.
Als Photolacke können weiterhin Sol-Gel-Systeme eingesetzt werden.
Der Sol-Gel-Prozess ist ein Verfahren zur Herstellung nichtmetallischer anorganischer oder hybridpolymerer Materialien aus kolloidalen Dispersionen, den sogenannten Solen. Bei den Ausgangsmaterialien für eine Solsynthese handelt es sich oft um Alkoholate von Metallen beziehungsweise Nichtmetallen. Die Hydrolyse von Precursor- Molekülen und die Kondensation zwischen dabei entstehenden reaktiven Spezies sind die wesentlichen Grundreaktionen des Sol-Gel-Prozesses. Die dabei ablaufenden Vorgänge und die Eigenschaften der Prekursor-Moleküle haben einen entscheidenden Einfluss auf die resultierenden Materialeigenschaften. Sobald sich ein Netzwerk aus Solpartikeln gebildet hat, spricht man von Gelierung. Das viskos fließende Sol ist in einen viskoelastischen Festkörper übergegangen. Das Gel besteht aus dem Gelgerüst und dem von ihm eingeschlossenen Lösungsmittel, wobei jedoch alle Poren miteinander in Verbindung stehen.
Zur Schichtherstellung müssen die als Beschichtungslösungen verwendeten Sole zunächst auf die Substratoberfläche appliziert werden. Hierzu bieten sich grundsätzlich alle Beschichtungsverfahren an, die auch für Fotolacksysteme verwendet werden können (Tauchen, Schleudern, Rakeln, Roller-Coating, Fluten oder Sprühen). Die verwendete Beschichtungstechnik hat entscheidenden Einfluss auf die gewünschten Eigenschaften wie Schichtdicke, Homogenität oder niedrige Defektdichte. Während des gesamten Beschichtungsvorganges und dem Trocknen des Sols werden die Hydrolyse- und Kondensationsreaktionen der verwendeten Prekursormoleküle weiter fortschreiten, bis die Aggregation der Solteilchen zu einem festen Gelfilm führt.
Alternativ kann als Substrat auch photosensitives Glas, wie beispielsweise Chalkogenid- Glas, verwendet werden.
Das photosensitive Material weist einen Absorptionsbereich von 200 bis 400 nm auf.
Das direkte 3D- Laserschreiben erfolgt derart, dass der Laserfokus entsprechend den aus der CAD- Modellerstellung ermittelten Modelldaten durch den Lack bewegt wird und dort lokal eine Modifikation der Materialeigenschaften (Brechungsindex, Löslichkeit) verursacht. Typischerweise verwendet man Laser mit einer Wellenlänge im nahen Infrarot, wobei die Wellenlänge der Laserstrahlung zwischen 300nm und 2000nm liegt und bei der der Lack transparent ist.
Um die entsprechenden Photonenflussdichten zu erreichen, um nicht-lineare optische Prozesse wie die Zweiphotonenabsorption auszulösen, kommen häufig Kurzpulslaser zum Einsatz. In Abhängigkeit von der verwendeten Zusammensetzung der Lackschicht kann dabei die Pulsdauer von Femtosekunden bis Pikosekunden und die Repetitionsraten von kHz bis MHz variieren, und die Pulsenergie im Bereich weniger nJ liegen.
Typische Verfahrensparameter können beispielsweise eine Pulsdauer von etwa 1 bis 1000 fs, typischerweise ca. 120 bis 180 fs, eine Repetitionsrate von etwa 100 MHz und eine Pulsenergie von etwa O.lnJ sein.
Nach dem vorgehend beschriebenen Belichten mittels eines Lasers erfolgt die Entwicklung bzw. Postprozessierung, die im Wesentlichen wiederum abhängig ist von der verwendeten Lackschicht.
Beispielweise erfolgt bei einigen Materialien eine thermische Nachbehandlung (z.B. SU-8), andere Materialien, wie beispielsweise IP-L und IP-G können direkt mit einem geeigneten Lösungsmittel entwickelt werden, wobei das unbelichtete Material (bei einem negativen Resist) weggewaschen wird und der belichtete Teil a ls freistehende 3D-Struktur auf dem Substrat verbleibt. Geeignete Lösungsmittel sind in Abhängigkeit von der verwendeten Lackschicht Isopropanol, PGMEA, Propylacetat oder handelsübliche SU-8-Entwickler, wie mrdev 600.
Die Entwicklung des Photoresists erfolgt vorzugsweise durch ein Kritisch-Punkt- Trocknungs-Verfahren. Das in Proben enthaltene Wasser wird über Aceton als Zwischenstufe durch flüssiges CO2 ersetzt. Das flüssige CO2 lässt sich durch überkritisches Trocknen leicht entfernen. Durch diese Art der Trocknung werden Oberflächenkräfte wie z.B. Kapillarkräfte vermieden, die sonst bei der Trocknung auftreten und feine Strukturen beschädigen oder zerstören würden.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Trocknung des Photoresists durch UV Strahlung erfolgen.
Die Strukturen weisen typischerweise eine Höhe von < 20 μηι, bevorzugt < 5 μιτι, besonders bevorzugt < 1 μιη, ihre laterale Ausdehnung ist typischerweise < 20 μητι, bevorzugt < 5 μιη, besonders bevorzugt < 1 μι .
Diese Struktur dient dann als Master zur Abformung in einem darauffolgenden Prägeprozess.
Wesentliche Vorteile der Methode zur Herstellung eines Prägemasters sind dabei die höchste Flexibilität im Design, die Erzeugung einer echt 3- dimensionalen Struktur, eine hohe räumliche Auflösung und kurze Entwicklungszeit.
Für die großflächige Herstellung von Prägewerkzeugen ist es wesentlich, dass die mittels 3D-Laserlithographie hergestellte Masterstruktur defektfrei und homogen über die beschriebene Fläche ist. Je größer diese Fläche der Masterstruktur wird, desto wahrscheinlicher treten Defekte auf. Dies ist einerseits durch die endliche mechanische Genauigkeit des Systems oder andererseits durch variierende Umweltbedingungen verursacht.
Abhilfe schafft nur die Beschränkung auf Flächen, die klein genug sind, damit die mechanischen Ungenauigkeiten und die schwankenden Umweltbedingungen nicht
signifikant zum Tragen kommen. Um dennoch große Flächen strukturieren zu können, bedarf es einer Möglichkeit zur Vervielfältigung der Struktur. Ein kachelartiges Aneinanderreihen der Strukturen ermöglicht das sog. Step-and-Repeat-Verfahren (mittels Nanoimprintlithographie), das mit Hilfe des UV Prägens identische Kopien der Masterstruktur über eine größere Fläche herstellt.
Der Verfahrensablauf eines Step-and-Repeat-Verfahrens ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt.
Hier wird der Übergang von Flächen mit Kantenlängen im μηΊ-Bereich (Größe der hergestellten lasergeschriebenen Masterstruktur mittels 3D-Laserlithographie) auf Flächen von etwa 1 cm2, die die minimale Anforderung an Flächengröße für ein Step- and-Repeat-Verfahren zur Prägewerkzeugfertigung darstellt, gezeigt.
Dabei wird zunächst die originale Reliefstruktur in Kontakt mit einem mit einem Lack beschichteten Substrat bzw. einer Lackschicht gebracht. Dabei nimmt die Schicht die negative Topographie der Masterstruktur an. Um diese Struktur dauerhaft zu machen, wird entweder mit UV Licht (UV-NIL) oder mit Druck und Temperatur (Heißprägen) die Lackschicht ausgehärtet.
Anschließend wird die Masterstruktur von der Lackschicht getrennt. Die Lackschicht weist nun ebenfalls ein Relief auf, welches für weitere Replizierungen verwendet werden kann.
Kritische Prozessparameter sind dabei vor allem das Fließverhalten der Lackschicht, da durch die Originalstruktur das Material von bestimmten Bereichen verdrängt werden muss, um eine möglichst getreue Abformung zu bekommen, außerdem die UV Dosis, bzw. Druck und Temperatur, sowie der entsprechende zugehörige zeitliche Verlauf der Prägeparameter (Temperatur- bzw. Druckrampen).
M ittels 3D-Laserlithographie bzw. über einen NIL-Zwischenschritt hergestellte erste 2.5D-Master mit Strukturen für die Prägewerkzeugfertigung sind in Fig. 7 gezeigt. Die Form war ist als eine 4-stufige Mikropyramide mit einem Durchmesser von 10 μηι
angelegt, mit unterschiedlichen Grundrissen wie Kreis, 4-Eck, 5-Eck und 6-Eck. Die Stufengröße beträgt < 1 μηι in axialer und lateraler Richtung (Figur 7).
Zur Herstellung des Prägewerkzeugs werden die Master mit den Strukturen aus der 3D-Laserlithographie bzw. aus dem NIL-Zwischenschritt galvanisch abgeformt, um eine sogenannte Nickel-Kopie zu erhalten.
Dabei wird auf die Masterstruktur zunächst eine elektrisch leitfähige Oberfläche (z.B. Silber, Gold, NiV, etc.) aufgebracht (z.B. durch sprühen, tauchen, sputtern, etc. Figur 8 a).
Über Galvanoformung also elektrolytische Abscheidung von Nickel auf der Masteroberfläche und anschließende Abtrennung der Nickelschicht vom Master) wird dann eine selbsttragende Kopie des Masters aus Nickel (Nickelstempel, Figur 8 b) hergestellt.
Mit diesem Nickelstempel wird in einem weiteren Step-und-Repeat-Verfahren die Struktur gemäß des Layouts des endgültigen Prägewerkzeugs auf einen Zwischenträger (über Heißprägen in Kunststoff z.B. PMMA, PC etc. oder über UV-Prägen in UV-Lack) übertragen.
Dieser Zwischenträger wird nun wiederum als Master für das endgültige Prägewerkzeug verwendet und wie beschrieben durch Galvanoformung daraus eine Nickel-Kopie (Shim) hergestellt. Für die Nutzung in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren wird der so erhaltene Nickelshim mit der sich darauf befindlichen Struktur durch Spannen, Schweißen oder Aufkleben zu einem Zylinder geformt.
In einer weiteren Ausführungsform können zusätzlich zu den durch 3 D- Laserlithographie hergestellten Strukturen auch Strukturen (z.B. diffraktive Strukturen
= 2D oder 2.5D Struktur), die durch Elektronenstrahl-e-beam Lithographie, Holographie oder dergleichen hergestellt wurden, vorhanden sein.
Dabei wird ein geeigneter Resist (z.B. SU-8) der sowohl für 3D-Laserlithographie wie auch für herkömmliche Elektronenstrahl-Lithographie geeignet ist, als photoempfindlicher Lack verwendet. Im ersten Schritt kann dann die Strukturierung mittels 3D Laserlithographie erfolgen, danach die Strukturierung mittels Elektronenstrahlbelichtung. Anschließend werden beide strukturierten Bereiche entwickelt.
In einer weiteren Ausführungsform kann die in einem ersten Schritt mittels SD- Laserlithographie erzeugte 2,5D-Struktur abgedeckt werden und der Master mit einem geeigneten Resist für eine weitere Strukturierungsart neu belackt, danach belichtet und entwickelt werden. In Figur 9 ist eine derartige kombinierte Struktur dargestellt. Dabei bedeutet 1 die diffraktive Struktur und 2 die 3D-Struktur.
Claims
Patentansprüche:
1) Verfahren zur Herstellung eines Prägewerkzeugs zum Prägen von Strukturen auf flexiblen Substraten, wobei vorerst ein Prägemaster mit einer Primärstruktur hergestellt wird und anschließend durch galvanische Abformung oder thermisches oder UV- Prägen in ein Polymer oder Abgießen mit einem flüssigen Polymer oder einem Lack oder Spritzgießen oder Step-and-Repeat-Vervielfältigung das Prägewerkzeug hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, dass
die Primärstruktur des Prägemasters als 3D- oder 2,5D-Struktur mittels SD- Laserlithographie durch Strukturieren eines photosensitiven Materials erzeugt wird.
2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine Höhe < 20 μιη aufweist.
3) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine laterale Ausdehnung von < 20 μπΊ-aufweist.
4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine Höhe < 5 μηι aufweist.
5) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine laterale Ausdehnung von < 5 μιτι aufweist.
6) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine Höhe < 1 μιτι aufweist.
7) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Primärstruktur eine laterale Ausdehnung von < 1 μι aufweist.
8) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Prägewerkzeug eine zylindrische Form aufweist, auf deren Oberfläche sich die Primärstrukturen befinden. 9) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das photosensitive Material ein negativer Photoresist ist.
10) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadruch gekennzeichnet, dass das photosensitive Material ein Acrylat, Epoxidharz, Silikon, Ormocer, eine Keramik ist.
11) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der negative Photoresist über ein So I-Gel- Verfahren hergestellt wurde. 12) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das photosensitive Material ein positiver Photoresist ist.
13) Verfahren nach Anspruch 12, wobei das photosensitive Material ein photosensitives Glas ist.
14) Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Material ein Chalkogenid-Glas, ist.
15) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung außerhalb des Absorptionsspektrums des photosensitiven Materials liegt.
16) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Laserstrahlung zwischen 300 nm und 2000 nm liegt.
17) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserstrahlung gepulst eingebracht wird.
18) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulslänge zw. 1 und 1000 fs liegt.
19) Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Entwicklung des Photoresists durch ein Kritisch-Punkt-Trocknungs-Verfahren erfolgt.
20) Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Trocknung des Photoresist durch UV-Strahlung erfolgt.
21) Verfahren nach Anspruch 8„ wobei sich auf der Oberfläche des Prägewerkzeugs zusätzlich andere Primärstrukturen befinden, die durch e-beam Lithographie, oder Holographie hergestellt wurden.
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ATA453/2014 | 2014-06-10 | ||
| AT4532014 | 2014-06-10 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2015188909A1 true WO2015188909A1 (de) | 2015-12-17 |
Family
ID=53758165
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/EP2015/000971 WO2015188909A1 (de) | 2014-06-10 | 2015-05-11 | Verfahren zur herstellung eines prägewerkzeugs mittels 3d-lithographie |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| WO (1) | WO2015188909A1 (de) |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005072235A2 (en) * | 2004-01-23 | 2005-08-11 | University Of Massachusetts | Structured materials and methods |
| WO2005120831A1 (de) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Hueck Folien Gmbh & Co.Kg | Nahtlose 2d/3d oberflächenstrukturen auf rotativen prägeformen für uv casting verfahren |
| WO2010074659A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Helios Applied Systems Pte Ltd | 3d mold for manufacture of sub-micron 3d structures using 2-d photon lithography and nanoimprinting and process thereof |
-
2015
- 2015-05-11 WO PCT/EP2015/000971 patent/WO2015188909A1/de active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2005072235A2 (en) * | 2004-01-23 | 2005-08-11 | University Of Massachusetts | Structured materials and methods |
| WO2005120831A1 (de) * | 2004-06-14 | 2005-12-22 | Hueck Folien Gmbh & Co.Kg | Nahtlose 2d/3d oberflächenstrukturen auf rotativen prägeformen für uv casting verfahren |
| WO2010074659A1 (en) * | 2008-12-22 | 2010-07-01 | Helios Applied Systems Pte Ltd | 3d mold for manufacture of sub-micron 3d structures using 2-d photon lithography and nanoimprinting and process thereof |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| "Crosslinked PMMA as a high-resolution negative resist for electron beam lithography and applications for physics of low-dimensional structures", SEMICOND. SCI. TECHNOL, 1 January 1996 (1996-01-01), pages 1235, XP055215496, Retrieved from the Internet <URL:http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0268-1242/11/8/021/pdf> [retrieved on 20150923] * |
| DI XU ET AL: "Nanoimprinting lithography of a two-layer phase mask for three-dimensional photonic structure holographic fabrications via single exposure;Nanoimprinting lithography of a two-layer phase mask for three-dimensional photonic structure holographic fabrications via single exposure", NANOTECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 22, no. 3, 9 December 2010 (2010-12-09), pages 35303, XP020202759, ISSN: 0957-4484, DOI: 10.1088/0957-4484/22/3/035303 * |
| KONG MYEONG BAE ET AL: "Direct reproduction of 3D microstructures using a hybrid approach; by creation of master-patterns and metallic molds for embossing", MICROELECTRONIC ENGINEERING, ELSEVIER PUBLISHERS BV., AMSTERDAM, NL, vol. 88, no. 11, 6 July 2011 (2011-07-06), pages 3300 - 3305, XP028109523, ISSN: 0167-9317, [retrieved on 20110728], DOI: 10.1016/J.MEE.2011.07.005 * |
| LEWIS J A ET AL: "Direct writing in three dimensions", MATERIALS TODAY, ELSEVIER SCIENCE, KIDLINGTON, GB, vol. 7, no. 7-8, 1 July 2004 (2004-07-01), pages 32 - 39, XP004599993, ISSN: 1369-7021, DOI: 10.1016/S1369-7021(04)00344-X * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP3230795B1 (de) | Prägelack sowie verfahren zum prägen | |
| Maruo et al. | Recent progress in multiphoton microfabrication | |
| US7374864B2 (en) | Combined nanoimprinting and photolithography for micro and nano devices fabrication | |
| DE102014221480B4 (de) | Verfahren zum Herstellen einer dreidimensionalen Struktur | |
| AT515845B1 (de) | Sicherheitselement und Verfahren zur Herstellung eines Sicherheitselements mit lichtstreuenden Strukturen | |
| DE102009000642B4 (de) | Verfahren zur Herstellung mikrostrukturierter Bauteile mittels Photolithographie | |
| DE112009001633T5 (de) | Feinstruktur und Prägestempel | |
| Malinauskas et al. | Nanophotonic lithography: a versatile tool for manufacturing functional three-dimensional micro-/nano-objects | |
| EP1753590A1 (de) | Erzeugnis mit deckschicht und abformschicht | |
| DE102012224359A1 (de) | Verfahren zur Herstellung von Stempeln für Vorrichtungen für die plasmonische Nanolithographie und Vorrichtung für die plasmonische Nanolithographie | |
| KR20120111288A (ko) | 나노 임프린트용 몰드와 포토 마스크를 동시에 이용한 미세 패턴 형성 방법 | |
| DE102011105679B4 (de) | Verfahren zum Herstellen dreidimensionaler Mikrostrukturen | |
| KR20050019557A (ko) | 나노 임프린트 방법 및 이에 이용되는 고분자 조성물 | |
| CN111819231B (zh) | 结构化纳米多孔材料、结构化纳米多孔材料的制造以及结构化纳米多孔材料的应用 | |
| WO2015188909A1 (de) | Verfahren zur herstellung eines prägewerkzeugs mittels 3d-lithographie | |
| DE102012018635A1 (de) | Verfahren zum Herstellen einer 3D-Struktur | |
| DE102020209106B4 (de) | Verfahren zum Bereitstellen eines Prägeelements für ein Prägewerkzeug, ein Prägeelement, eine Verwendung eines Prägeelements und ein Prägewerkzeug umfassend ein Prägeelement | |
| DE112011104571T5 (de) | Verfahren zum Ausbilden eines feinen Musters in einem großen Bereich unter Verwendung von Laser-Interferenz-Lithographie, Verfahren zum nicht-planaren Transfer des feinen Musters, ausgebildet durch das Verfahren und Artikel, an welchen das feine Muster durch das Transferverfahren transferiert ist | |
| DE102007001953A1 (de) | Mikrostrukturierter Film, Verfahren zu seiner Herstellung und seine Verwendung | |
| DE102014111559B4 (de) | Verfahren zur Herstellung von Schichtenfolgen und Formkörpern aus einer Anzahl von Schichten | |
| EP3517654B1 (de) | Verfahren zur herstellung eines formeinsatzes mit (sub-)mikrostrukturen sowie werkstück mit (sub-)mikrostrukturen | |
| KR101457185B1 (ko) | 진공효과를 이용한 고분자 전구체의 나노기공 내 삽입방법 및 이를 이용한 나노패턴의 정밀 복제방법 | |
| EP1402317A2 (de) | Verfahren fur die erzeugung von mikro- und nanostrukturen mit der imprintlithographie | |
| Tormen et al. | Three-dimensional micro-and nanostructuring by combination of nanoimprint and x-ray lithography | |
| Sato et al. | Development of film mold for roll to roll nanoimprintg process and its application |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 15742179 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 15742179 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |