專利名稱：使用2d光子光刻和納米壓印來制造亞微米3d結(jié)構(gòu)的3d模具及其工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用整合了雙光子光刻和納米壓印技術(shù)的工藝來制造亞微米3D 結(jié)構(gòu)從而制造出高產(chǎn)量和低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)的3D模具。
背景技術(shù)：
雙光子光刻是一種從液體光敏材料得到復(fù)雜三維結(jié)構(gòu)的非常強(qiáng)大但又十分簡(jiǎn)單 的技術(shù)。雙光子聚合(TPP)基于兩個(gè)光子的同時(shí)吸收，這在透明矩陣(matrix)內(nèi)的起動(dòng)分 子與單體之間引發(fā)了化學(xué)反應(yīng)。兩個(gè)光子的吸收需要極高的峰值強(qiáng)度，因而，需要超短脈沖 激光器來提供這種高強(qiáng)度。先前，雙光子吸收(TPA)最常見的應(yīng)用是雙光子共聚焦顯微鏡， 其中在以TPI方式被激勵(lì)之后觀察到染色分子的熒光。在標(biāo)準(zhǔn)光子和立體光刻技術(shù)中使用 的單光子吸收本質(zhì)上是二維的，因?yàn)樽贤夤庠谧畛醯膸孜⒚變?nèi)被樹脂吸收。因?yàn)楣饷魳渲?在近紅外(NIR)區(qū)域中是透明的，所以NIR激光脈沖可以聚焦到樹脂的體積內(nèi)。當(dāng)激光焦 點(diǎn)在樹脂的體積內(nèi)三維移動(dòng)時(shí)，沿著允許制造任意3D微結(jié)構(gòu)的路徑開始聚合處理。TPA的速率是非線性的或者與入射強(qiáng)度成平方關(guān)系，因此，能夠在聚合結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn) 比IOOnm更好的橫向分辨率。對(duì)于需要3D結(jié)構(gòu)的很多應(yīng)用，諸如組織工程框架、生物醫(yī)學(xué) 植入、微透鏡、微光器件和在幾微米內(nèi)需要3D分辨率的其它微型器件(MEMS)，TPP工藝提供 了快速且簡(jiǎn)單的方法來實(shí)現(xiàn)所需的分辨率。納米壓印納米壓印的原理是很簡(jiǎn)單的。圖3中示出了原型NIL工藝中發(fā)展出的工藝方案。 包含微米_納米尺度表面起伏的硬質(zhì)模具在受控的溫度和壓力下被壓入鍛造在基板上的 聚合物材料中，由此產(chǎn)生聚合物材料中的厚度反差。聚合物材料的薄殘留層保留在模具突 起下方且用作軟墊層，該軟墊層防止硬質(zhì)模具對(duì)基板的直接影響且有效地保護(hù)模具表面上 的精細(xì)納米尺度特征。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，這種殘留層需要通過各向異性的O2等離子體蝕刻 工藝去除以完成圖案定義。納米壓印光刻工藝中的步驟目前已經(jīng)發(fā)展出了被稱為步進(jìn)閃光壓印光刻(SFIL)或UV納米壓印光刻的納米壓 印的變型。在這種技術(shù)中，如下面所述，使用透明模具和可UV固化的前體液體來定義圖案， 從而能夠在室溫下實(shí)施該工藝。
權(quán)利要求
一種生產(chǎn)3D模具以制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的工藝，所述工藝整合了雙光子光刻和納米壓印，其特征在于包括以下步驟使用雙光子激光光刻和3D刻寫技術(shù)來制備該3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模具；并利用納米壓印由3D結(jié)構(gòu)的每一層的所述3D模具形成該層的一片聚合物膜；以及制造每一層以獲得所述亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
2.一種高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的層的3D模具，其中，該層的3D模具是這 樣創(chuàng)建的利用雙光子激光光刻和3D刻寫技術(shù)獲得該3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模具，并 使用納米壓印來形成3D結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚合物膜，從而獲得所述亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品 的該層的3D模具。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的利用整合了雙光子光刻和納米壓印的工藝的高 產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的層的3D模具，其中，該層的3D模具是如下制造的 創(chuàng)建3D結(jié)構(gòu)的3D層的設(shè)計(jì)；利用雙光子光刻工具來設(shè)立刻寫工藝，以產(chǎn)生該3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的該層的3D圖像；將該層的3D圖像的光刻膠/聚合物顯影在基板上；將一層或多層金屬濺射到該層的3D圖像的光刻膠/聚合物的表面上，以形成種子金屬層；通過電鍍工藝來轉(zhuǎn)印涂覆了該種子金屬層的3D聚合物圖像，以形成3D金屬模具；其中，該3D金屬模具將被用于制造3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的同一層的3D圖像的拷貝。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的創(chuàng)建亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的3D層的模具的設(shè)計(jì)的步驟，其中， 該步驟包括以下處理將3D CAD的底座錨定在該基板的表面上、補(bǔ)償聚合物收縮，并使其 在機(jī)械方面足夠強(qiáng)以防止該亞微米3D結(jié)構(gòu)在沖洗和干燥工藝中塌陷。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，其中，每一層的3D 圖像都是厚度從0. 01微米到150微米的圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，其中，每一層的3D 圖像優(yōu)選地都是厚度為100微米的圖像。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，其中，厚度從0.01 微米到100微米的每一層的參數(shù)被用作制造該層的模具的輸入。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，其中，優(yōu)選為100 微米的每一層的參數(shù)被用作制造該層的模具的輸入。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的3D層的3D圖像，其中，該3D圖像的每一層都是 從0.01微米至150微米。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的將該層的3D圖像的光刻膠/聚合物顯影在基板上的步驟， 其中，該步驟包括以下處理清潔該基板，在該基板上涂覆旋涂抗蝕劑，使用溶劑去除該基 板背面上的所有光刻膠，如有必要對(duì)該基板進(jìn)行預(yù)烘烤，將該基板放置到真空吸盤上，開啟 真空，對(duì)準(zhǔn)晶片，輸入正確的工藝參數(shù)，標(biāo)記和檢查該基板以確保每個(gè)器件都正確地定位， 以及去除該基板的該層的圖像的切片的該光刻膠/聚合物。
11.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過將一層或多層金屬濺射到圖像的光刻膠/聚合物的表 面上來形成種子金屬層的步驟，其中，該步驟包括以下處理核實(shí)該基板上沒有光刻膠殘留 物或遺留其它材料，將晶片放置到濺射工具中，將腔體泵降到基礎(chǔ)壓力，執(zhí)行簡(jiǎn)短的等離子 體清洗工藝以確保該表面是清潔的，逐層地沉積一個(gè)或多個(gè)金屬層以形成種子金屬層，以及從腔體中取出晶片。
12.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過電鍍工藝來轉(zhuǎn)印由種子金屬層形成的聚合物圖像以 形成金屬模具的步驟，其中，該步驟包括以下處理將具有種子金屬層的基板放置到電鍍池 中，設(shè)置電鍍參數(shù)，進(jìn)行電鍍直到達(dá)到期望厚度為止，從支座上取下晶片，從3D模具上去除 抗蝕劑，用去離子水徹底沖洗模具，研磨3D模具的背面和邊緣以進(jìn)行尺寸調(diào)整，在去離子 水中沖洗3D模具，對(duì)3D模具的表面執(zhí)行O2等離子體清洗。
13.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過電鍍工藝來轉(zhuǎn)印由種子金屬層形成的聚合物圖像以 形成金屬模具的步驟，其中，該步驟包括以下處理將具有種子金屬層的基板放置到電鍍池 中，設(shè)置電鍍參數(shù)，進(jìn)行電鍍直到達(dá)到期望厚度為止，從支座上取下晶片，從3D模具上去除 抗蝕劑，用去離子水徹底沖洗模具，剖切3D模具的背面和邊緣以進(jìn)行尺寸調(diào)整，在去離子 水中沖洗3D模具，對(duì)3D模具的表面執(zhí)行O2等離子體清洗。
14.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通過電鍍工藝來轉(zhuǎn)印由種子金屬層形成的聚合物圖像以 形成金屬模具的步驟，其中，該步驟包括以下處理將具有種子金屬層的基板放置到電鍍池 中，設(shè)置電鍍參數(shù)，進(jìn)行電鍍直到達(dá)到期望厚度為止，從支座上取下晶片，從3D模具上去除 抗蝕劑，用去離子水徹底沖洗模具，沖壓3D模具的背面和邊緣以進(jìn)行尺寸調(diào)整，在去離子 水中沖洗3D模具，對(duì)3D模具的表面執(zhí)行O2等離子體清洗。
15.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造模具的步驟，其中，該步驟包括以下處理用光刻膠來 涂覆基板，設(shè)置沖壓工具的工藝參數(shù)，通過一系列沖壓和步進(jìn)序列將3D圖像從金屬模具轉(zhuǎn) 印到大基板上，在處理之后對(duì)抗蝕劑進(jìn)行顯影，將抗蝕劑/聚合物從基板上剝離，將基板包 裹在夾具上以形成圓筒，對(duì)圓筒進(jìn)行電鍍直到達(dá)到期望厚度為止，對(duì)圓筒進(jìn)行研磨和拋光 以校正光潔度和厚度。
16.根據(jù)權(quán)利要求3所述的制造模具的步驟，其中，該模具包括主模具和輔模具。
17.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在制備2個(gè)輥?zhàn)幽＞邥r(shí)制造模具的步驟，其中，針對(duì)3D結(jié)構(gòu) 的層的上表面制備一模具，且針對(duì)3D結(jié)構(gòu)的同一層的下表面制備另一模具，其中，隨后將 各層對(duì)準(zhǔn)且壓在一起以粘合在一起而形成多層結(jié)構(gòu)。
18.根據(jù)權(quán)利要求3所述的在納米壓印工藝中使用模具的步驟，其中，該納米壓印工藝 包括熱NIL或UV NIL或卷對(duì)卷NIL。
19.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，雙光子光刻使用專用軟件來制 造任意形狀的3D模具以及可以組合以形成復(fù)雜模具的不同形狀的模具。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，與具有垂直或傾斜側(cè)壁的典型 灰階結(jié)構(gòu)相比，初始模板在形狀方面是3D的(半球或具有彎曲側(cè)壁的其它形狀)。
21.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，由柔性聚合物制成的模具被附 接到滾筒的表面上以形成柔性聚合物模具的輥?zhàn)?，用來進(jìn)行納米壓印。
22.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，由金屬板制成的模具被附接到 滾筒的表面上以形成具有聚合物特征的金屬板模具的輥?zhàn)樱脕磉M(jìn)行納米壓印。
23.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，由鋁板制成的模具被附接到滾 筒的表面上以利用鎳主模具形成壓印了金屬特征的鋁板的輥?zhàn)?，用來進(jìn)行納米壓印。
24.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具，其中，由表面上電鍍了金屬特征的金 屬板制成的模具被附接到滾筒的表面上以形成具有金屬特征的金屬板模具的輥?zhàn)?，用來進(jìn)行納米壓印。
25.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的制造3D模具的工藝，其中，該工藝遵循OTL工藝 流程，并包括使用形狀庫改進(jìn)模具制造的設(shè)計(jì)，以建立用于3D器件的批量制造的設(shè)計(jì)規(guī)則，使用這 些3D模板來制備模具；使用NIL熱沖壓、UV、沖壓和卷對(duì)卷技術(shù)。
26.一種用于生產(chǎn)3D模具以制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的系統(tǒng)，整合了 雙光子光刻和納米壓印的所述系統(tǒng)的特征在于，使用雙光子激光光刻和3D刻寫技術(shù)來制 備3D結(jié)構(gòu)的每一層的3D模具；并利用納米壓印由3D模具形成3D結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚 合物膜；并堆疊3D結(jié)構(gòu)的每一層，以制造該亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的生產(chǎn)3D模具以制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的 系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)利用3D刻寫技術(shù)來對(duì)用于3D模具的模板進(jìn)行構(gòu)圖。
28.根據(jù)權(quán)利要求22所述的制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的系統(tǒng)，其中，納 米壓印是熱NIL或UV NIL或卷對(duì)卷納米壓印。
29.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于制造器官/組織框架的多個(gè)3D模具，其中， 創(chuàng)建諸如腎臟或肝臟這樣的復(fù)雜器官的完整器官框架的3D結(jié)構(gòu)的圖像的多個(gè)層，包括以 下方面a.通過將框架的3DCAD設(shè)計(jì)剖切為多個(gè)層而制造的器官/組織框架，每一層都是使用 納米壓印單獨(dú)制造的，重疊和結(jié)合所有層以形成最終的框架，創(chuàng)建這種框架，這些框架在解 剖學(xué)上類似于活體物理環(huán)境中創(chuàng)建的框架，b.組織工程框架，c.醫(yī)學(xué)可植入器件的制造。
30.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于經(jīng)單次操作來制造諸如正弦結(jié)構(gòu)和半球之 類的簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)的3D模具，其中，在制造光子學(xué)器件、LCD產(chǎn)業(yè)、全息標(biāo)簽、用于聚焦的微 透鏡、包帶中使用單次沖壓納米壓印工藝。
31.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于制造簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)的3D模具，其中，NIL工 藝中使用的材料既可以是合成材料也可以是生物材料。
32.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的多個(gè)3D模具在制造用于組織工程的框架方面 的應(yīng)用，該應(yīng)用包括以下步驟a.使用雙光子光刻來創(chuàng)建3D模板，b.根據(jù)工藝所需的模具類型(柔性、硬質(zhì)、尺寸、表面屬性以及分辨率)，通過電鑄或任 意類型的成型技術(shù)，例如電子束光刻或光學(xué)光刻，將3D圖像轉(zhuǎn)印到3D模具上，c.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序CAD來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，d.使用以3DCAD繪圖作為輸入的專用軟件來自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多個(gè)層，e.去除具有重復(fù)圖案的層，f.制造用于模具制備的模板，g.為每一層制造主模具，以產(chǎn)生用于沖壓/卷對(duì)卷納米壓印工具的硬質(zhì)/柔性模具，h.將產(chǎn)生的每一層彼此層疊以形成物理尺寸與實(shí)際天然框架接近的完整器官框架。
33.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具在制造醫(yī)學(xué)器件方面的應(yīng)用，所述醫(yī)學(xué)器件例如是用于需要物理治療的神經(jīng)和骨骼以引導(dǎo)神經(jīng)和骨頭生長(zhǎng)的橋接體，該應(yīng)用包括以下步驟a.使用雙光子光刻來創(chuàng)建3D模板，b.根據(jù)工藝所需的模具類型(柔性、硬質(zhì)、尺寸、表面屬性以及分辨率)，通過電鑄或任意類型的成型技術(shù)，例如電子束光刻或光學(xué)光刻，將3D圖像轉(zhuǎn)印到模具上，c.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序CAD來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，d.利用以3DCAD繪圖作為輸入的專用軟件來自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多個(gè)層，e.去除具有重復(fù)圖案的層，f.制造用于模具制備的模板，g.為每一層制造主模具，以產(chǎn)生用于沖壓/卷對(duì)卷納米壓印工具的硬質(zhì)/柔性模具，h.將產(chǎn)生的每一層彼此層疊以形成物理尺寸與實(shí)際天然框架接近的完整器官框架。
34.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的3D模具在制造定制微透鏡以形成更多功能的光學(xué)膜方面的應(yīng)用，該應(yīng)用包括以下步驟a.使用雙光子光刻來創(chuàng)建3D模板，b.根據(jù)工藝所需的模具類型(柔性、硬質(zhì)、尺寸、表面屬性以及分辨率)，通過電鑄或任 意類型的成型技術(shù)，例如電子波束光刻或光學(xué)光刻，將3D圖像轉(zhuǎn)印到模具上，c.利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序CAD來設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，d.利用以3DCAD繪圖作為輸入的專用軟件來自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多個(gè)層，e.去除具有重復(fù)圖案的層，f.制造用于模具制備的模板，g.為每一層制造主模具，以產(chǎn)生用于沖壓/卷對(duì)卷納米壓印工具的硬質(zhì)/柔性模具，h.將產(chǎn)生的每一層彼此層疊以形成完全由具有定制設(shè)計(jì)曲率的復(fù)合微透鏡制成的完 整光學(xué)膜，其中，該光學(xué)膜可以結(jié)合到薄膜的表面上或玻璃的薄層上，以減小反射、全內(nèi)反射、收 集光和將收集的光聚焦到有源器件上。
全文摘要
公開了一種制造3D模具以制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的工藝。該工藝整合使用了雙光子激光光刻和3D刻寫技術(shù)以制備3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模型，且利用納米壓印由該層的所述3D模具形成3D結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚合物膜。該片聚合物膜的每一層然后制造成亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。高產(chǎn)量低成本的亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模具進(jìn)一步被用于制備主模具，該主模具然后用于形成3D結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚合物膜以制造亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。還公開了使用該工藝的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G03F1/00GK101971092SQ200980108977
公開日2011年2月9日 申請(qǐng)日期2009年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月22日
發(fā)明者簡(jiǎn)錫恒 申請(qǐng)人:艷陽應(yīng)用系統(tǒng)公司