三維可控硅基模具制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及模壓制造技術中硅基模具的制造,用于在硅基上加工出有連續(xù)變化浮雕結構的三維形貌,其主要加工步驟為:1、通過單點金剛石車削技術在金屬材料上制作具有連續(xù)曲面形貌的浮雕結構的母模具；2、在硅基底上旋涂一層聚合物膜；3、通過熱壓印技術，將模具上的浮雕結構轉移到聚合物上；4、通過等離子體刻蝕將膠上的浮雕結構同比例的轉移到硅材料上，獲得硅基模具。該方法具有形貌可控，工藝簡單，速度快，重復性好的優(yōu)點。
【專利說明】三維可控硅基模具制造方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于模壓技術中模具的制造方法，可用于加工微光學元件，涉及曲面浮雕結構圖層的轉移技術。

【背景技術】
[0002]隨著微光學元件制造技術的發(fā)展，用于加工傳統微光學元件的光刻技術所采用的曝光波長縮小至極限，伴隨著短波長曝光技術費用的增長及復雜性的提高，模壓技術以其工藝靈活、成本低廉、加工快速等優(yōu)點迅速發(fā)展起來，成為下一代光刻技術的主要候選技術。
[0003]模具制造技術是模壓制造技術的關鍵，模具的分辨率決定著轉移到聚合物上的圖形的分辨率，高精度的模具才有可能復制出高精度的圖形，因此，模具的制造技術一直是模壓制造技術的研究熱點之一。被選作模具的材料一般具有高的硬度和拉伸強度，熱膨脹系數小且耐刻蝕性好，這樣才能在使用時有高的精度，如硅片、石英片、金屬、藍寶石和金剛石等，這些高硬度模具在保證高精度復制圖形的同時也增加了制作模具的費用，因此本發(fā)明避免直接在這些模具材料上加工結構，而是先在旋涂于其上的聚合物上加工浮雕結構，再通過等離子體反應刻蝕技術，將圖層等比例的轉移到到模具材料上。
[0004]等離子體由于具有特殊的能量狀態(tài)，其加工制造技術已成為現代微制造領域的常用技術，其中，由于采用反應氣體的不同，而對被加工材料進行去除的等離子體刻蝕技術近年來成為研究的熱點，但是因為傳統刻蝕所要去除的材料是單一的，結構是一維的，只需選擇合適的掩膜和反應氣體即可，對于通過刻蝕加工具有曲面結構的材料目前還沒有成型的可供操作的實際方法出現。


【發(fā)明內容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種工藝簡單，操作可控，重復性好的三維硅基模具制造方法，以解決現有技術存在的高成本和高復雜性問題。
[0006]為了克服現有技術存在的問題，本發(fā)明提供一種三維可控硅基模具制造方法，包括以下步驟:
1、設計制作所需模具的金屬負板:
根據實際需要設計硅基模具的負板，應用單點金剛石切削技術在金屬材料表面上加工出具有三維曲面浮雕結構的負板；
2、將PMMA溶質與苯甲醚溶劑按照溶質:溶液=2~5:10比例配制PMMA溶液，將配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模壓；
3、通過熱壓印技術，將金屬模具上的結構轉移到步驟2中所得的硅基材料上；
4、反應氣體O2與SF6的體積比為2.5~3.5:10，通過等離子體刻蝕技術對步驟3中所得材料進行刻蝕，將聚合物上的浮雕結構轉移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
[0007]上述步驟I中加工的三維浮雕結構深度大于5mm小于10mm。
[0008]上述步驟4中，在確定氣體比例以后，通過等比例的增加或減小兩種氣體的通入量，改變通入反應腔的反應氣體的濃度從而對刻蝕速率進行控制，三維浮雕結構深度越淺，刻蝕速率越慢。
[0009]本發(fā)明的優(yōu)越性在于:
傳統的模壓制造所選的硬質模具材料一般為硅或者金屬，金屬模具的優(yōu)點在于熱變形小，模壓復制性好，但金屬模具具有加工周期長，光刻膠難以去除，費用昂貴等影響其推廣的缺點；軟質模具諸如PDMS等材料雖然成本較低，但其加工精度也相對較低，且使用壽命較短；隨著等離子體技術的發(fā)展，對硅的刻蝕去除技術日漸成熟，硅基模具的加工也變的越來越容易，雖然硅材料比較脆，在使用中容易破碎，但如果能低成本的復制出大量硅基模具，以及在使用時采取一定的防碎措施，就可以得到精度較高的模壓效果，具有較高的推廣價值，本發(fā)明所提供的方法正好解決了這一問題，從而大大降低了生產成本。除此之外本發(fā)明還有以下優(yōu)勢:
1、該方法用途廣泛，可用于加工不同表面浮雕結構的硅基模具。
[0010]2、只需一次高成本制作負板，然后可用其復制出高精度的硅模具，進行元件的大量復制，減低微光學元件的制作成本，縮短制作周期，提高生產效率。
[0011]3、在用等離子體刻蝕的方法轉移圖層時，可以固定氣體比例，減低或升高氣體濃度，對刻蝕速率進行調節(jié)，適合不同深度特征的浮雕結構轉移。
[0012]4、本方法由于等離子體反應機理相同，因此，只需保證刻蝕參數相同，就可獲得穩(wěn)定的刻蝕速率，且重復性好。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013]圖1為本發(fā)明制作母模具側視圖；
圖2為本發(fā)明中母模具的橫截面圖；
圖3為本發(fā)明的制作流程圖；
圖4為不同氣體比例對兩種材料的刻蝕速率示意圖；
圖5為本發(fā)明的圖層轉移示意圖；
圖6、7為實施例二制作硅基模具制作示意圖；
圖8為實施例三的硅基模具制作示意圖。

【具體實施方式】
[0014]一種三維可控硅基模具制造方法，包括以下步驟:
1、設計制作所需模具的金屬負板:
根據實際需要設計硅基模具的負板，應用單點金剛石切削技術在金屬材料表面上加工出具有三維曲面浮雕結構的負板；
2、將PMMA溶質與苯甲醚溶劑按照溶質:溶液=2~5:10比例配制PMMA溶液，將配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模壓；
3、通過熱壓印技術，將金屬模具上的結構轉移到步驟2中所得的硅基材料上；
4、確定等離子體刻蝕的具體參數，對于硅和PMMA這兩種材料的同速率刻蝕去除，發(fā)揮主要作用的是反應氣體的比例，本發(fā)明通過一系列實驗，研究出對應不同溶質和溶液比時反應氣體比例對兩種材料的去除速率，并最終得到在不同溶質和溶液比時O2與SF6的比例范圍為2.5~3.5:10 ；
5、用步驟4中所得的參數通過等離子體刻蝕技術對步驟3中所得材料進行刻蝕，將聚合物上的浮雕結構轉移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
[0015]當所加工模具深度結構較淺時，則同時按比例的減少兩種氣體的通入量，通過減少反應氣體的通入量，減緩材料的去除速率，利于模具制造的實現，比如，SFf^P O2氣體流量分別為15sccm和50sccm時,刻蝕5min可以去除大約2.5mm厚度的兩種材料，同樣比例，若兩種氣體的流量分別為3sccm和1sccm時,去除速率就會大幅下降,這對于較淺結構的加工非常有利。
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明的【具體實施方式】加以說明。
[0017]實施例1:
1、根據實際需要設計硅基模具的負板，應用單點金剛石切削的方法在金屬銅材料上加工出設計好的圖案，見圖1和圖2，該實施例中三維浮雕結構深度6.69μπι;
2、按照溶質于溶液質量比為3:10的比例在苯甲醚中配備PMMA溶液；待溶質充分溶解后用KW-4A/5型勻膠機旋涂于經過清洗的硅片上，90°C烘干5min，烘干后形成厚度均勻的PMMA膜層；
3、用熱壓印的方法將母模具上的浮雕結構轉移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、在牛津儀器有限公司生產的ICP180設備上進行等離子體刻蝕，如圖4，交點位置為亥Ij蝕時的最佳氣體比例，實驗得交點氣體比例為SF6:02=3:10時，按此比例設定通入反應腔的兩種氣體分別為15sCCm和50sCCm，經15分鐘等離子體刻蝕，完成圖層轉移，得到所需模具，如圖5。
[0018]實施例2:
1、設計金屬負板結構如圖6所示，其中結構深度為6μ m，用單點金剛石切削的方法在金屬銅上加工出所需結構，作為制作硅模具的負板；
2、按照溶質于溶液質量比為5:10的比例在苯甲醚中配備PMMA溶液；待溶質充分溶解后用KW-4A/5型勻膠機旋涂于經過清洗的硅片上，90°C烘干5min，烘干后形成厚度均勻的PMMA膜層；
3、用熱壓印的方法將負板上的浮雕結構轉移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、等離子體刻蝕實現圖層轉移，按氣體比例SF6:02=3.5:10，設定通入反應腔的兩種氣體分別為9sCCm和30sCCm，經30分鐘等離子體刻蝕，完成圖層轉移，得到所需模具，如圖7。
[0019]實施例3:
1、設計金屬負板結構如圖8所示，其中結構深度為9μ m，用單點金剛石切削的方法在金屬銅上加工出所需結構，作為制作硅模具的負板；
2、按照溶質于溶液質量比為2:10的比例在苯甲醚中配備PMMA溶液；待溶質充分溶解后用KW-4A/5型勻膠機旋涂于經過清洗的硅片上，90°C烘干5min，烘干后形成厚度均勻的PMMA膜層；
3、用熱壓印的方法將負板上的浮雕結構轉移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、等離子體刻蝕實現圖層轉移，按氣體比例SF6:02=2.5:10，設定通入反應腔的兩種氣體分別為15sCCm和50sCCm，經20分鐘等離子體刻蝕，完成圖層轉移，得到所需模具。
[0020] 上述對實施例的描述是為便于該【技術領域】的普通技術人員能理解和應用本發(fā)明。熟悉本領域技術的人員顯然可以容易地對這些實施例做出各種修改，并把在此說明的一般原理應用到其它實施例中而不必經過創(chuàng)造性的勞動。因此，本發(fā)明不限于這里的實施例，本領域技術人員根據本發(fā)明的揭示，對于本發(fā)明做出的改進和修改都應該在本發(fā)明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種三維可控硅基模具制造方法，包括以下步驟: 1)設計制作所需模具的金屬負板: 根據實際需要設計硅基模具的負板，應用單點金剛石切削技術在金屬材料表面上加工出具有三維曲面浮雕結構的負板； 2)將PMMA溶質與苯甲醚溶劑按照溶質:溶液=2~5:10比例配制PMMA溶液，將配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模壓； 3)通過熱壓印技 術，將金屬模具上的結構轉移到步驟2中所得的硅基材料上； 4)反應氣體O2與SF6的體積比為2.5~3.5:10，通過等離子體刻蝕技術對步驟3中所得材料進行刻蝕，將聚合物上的浮雕結構轉移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
2.如權利要求1所述的三維可控硅基模具制造方法，其特征在于:所述步驟I)中加工的三維浮雕結構深度大于5mm小于10mm。
3.如權利要求1所述的三維可控硅基模具制造方法，其特征在于:所述步驟4)中，在確定氣體比例以后，通過等比例的增加或減小兩種氣體的通入量，改變通入反應腔的反應氣體的濃度從而對刻蝕速率進行控制，三維浮雕結構深度越淺，刻蝕速率越慢。
【文檔編號】C23F1/12GK104046986SQ201310080873
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2013年3月14日 優(yōu)先權日:2013年3月14日
【發(fā)明者】劉衛(wèi)國, 蔡長龍, 鞏燕龍, 周順, 秦文罡, 劉歡 申請人:西安工業(yè)大學