專利名稱：熱壓印方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種熱壓印方法，尤其是在高分子材料上形成微納米圖案結(jié)構(gòu)的熱壓印方法。
背景技術(shù)：
熱壓印技術(shù)是一種可大批量重復(fù)性地制備納米圖形結(jié)構(gòu)的技術(shù)。目前，其廣泛應(yīng)用于微機(jī)電芯片、CD(Compact Disk)存儲(chǔ)與磁存儲(chǔ)、光電及光學(xué)器件、生物芯片和微流體器件等的制備。
熱壓印技術(shù)(Hot Embossing Lithography，簡(jiǎn)稱HEL)由Stephen Y.Chou于1995年首先提出并相應(yīng)提出專利申請(qǐng)，參見美國公告專利第5,772,905號(hào)。該熱壓印技術(shù)的工藝參見圖1(a)～1(d)。如圖1(a)所示，提供一壓模200，其由壓模本體201、微浮雕結(jié)構(gòu)的凸結(jié)構(gòu)202及相鄰?fù)菇Y(jié)構(gòu)之間的凹結(jié)構(gòu)(圖中未標(biāo)示)構(gòu)成，且凹凸結(jié)構(gòu)尺寸達(dá)納米級(jí)；提供一高分子材料基底300，其一般為熱塑性或熱可固化高分子材料，在其玻璃化溫度之上具有很好的流動(dòng)性，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其玻璃化溫度約為105℃；在抽真空下的腔室(Chamber)，將壓模200與高分子材料基底300對(duì)準(zhǔn)。通過加熱器400對(duì)壓模200及高分子材料基底300加熱，并加壓(圖1(b)箭頭所示方向?yàn)闊釅悍较?，使壓模200與高分子材料基底300充分接觸，從而將壓模200上的微浮雕結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印到高分子材料基底300(如圖1(c)所示)。之后，如圖1(d)所示，冷卻壓摸200與高分子材料基底300，破真空后，將壓模200與高分子材料基底300分離(圖1(c)中箭頭所示方向?yàn)槿ツ７较?，從而完成整個(gè)熱壓成形過程。但是，(1)由于微浮雕結(jié)構(gòu)的凸結(jié)構(gòu)202細(xì)微，達(dá)納米級(jí)；壓模200與高分子材料基底300之間的界面吸附力很強(qiáng)，從而導(dǎo)致高分子材料基底300沾附在壓模200上；(2)熱壓工藝完成后，即進(jìn)行脫模工序，由于材料本身屬性(一般壓模材料采用金屬、半導(dǎo)體材料、介電材料、陶瓷及其結(jié)合)，壓模的降溫速率比高分子材料基底要快，導(dǎo)致壓模200與形成在高分子材料基底300的微浮雕結(jié)構(gòu)的凸結(jié)構(gòu)相互卡住。當(dāng)通過外力將壓模200與高分子材料基底300分離時(shí)，以上兩種現(xiàn)象都將導(dǎo)致壓印圖案受損，從而難以實(shí)現(xiàn)圖案的精確轉(zhuǎn)移。
因此，有必要達(dá)成納米圖形結(jié)構(gòu)的精確轉(zhuǎn)移以實(shí)現(xiàn)制備各種應(yīng)用器件的高產(chǎn)率。
為達(dá)成納米圖形結(jié)構(gòu)的精確轉(zhuǎn)移，現(xiàn)有技術(shù)中采用下列解決方案(1)參見美國專利申請(qǐng)公開第20020127499號(hào)，其通過在壓模表面形成一薄膜層，由于薄膜層的材質(zhì)具有低表面能，從而能在一定程度上抑制高分子材料基底的微浮雕結(jié)構(gòu)粘附在壓模之上。但是，由于微浮雕結(jié)構(gòu)的尺寸已達(dá)納米級(jí)，再在其表面形成一薄膜層相當(dāng)困難，且該薄膜層必須相當(dāng)?shù)谋∫员３治⒏〉窠Y(jié)構(gòu)的特征尺寸；另外，所形成的薄膜層與壓模附著不夠牢固，易于脫落；因此其操作比較困難，成本較高。(2)參見美國專利申請(qǐng)公開第20010027570號(hào)，其通過采用具有三角輪廓的微浮雕結(jié)構(gòu)的壓模，從而有利于壓模與高分子材料基底的分離，而不會(huì)出現(xiàn)壓模與形成在高分子材料基底的微浮雕結(jié)構(gòu)相互卡住的現(xiàn)象；但由于采用該具有三角輪廓的微浮雕結(jié)構(gòu)的壓模，其在高分子材料基底上形成的微浮雕結(jié)構(gòu)亦具有三角輪廓，為實(shí)現(xiàn)后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移(蝕刻或剝離工序)，必須增加一掩模；因此，其工序較復(fù)雜，成本較高。
有鑒于此，為提高各種應(yīng)用器件制備的產(chǎn)率，達(dá)成納米圖形結(jié)構(gòu)的高精度轉(zhuǎn)移，有必要提供一操作簡(jiǎn)單、成本低、且具有高的圖形轉(zhuǎn)移精度的熱壓印方法。

發(fā)明內(nèi)容為解決現(xiàn)有技術(shù)中熱壓印方法的操作較復(fù)雜、成本較高的缺點(diǎn)，本發(fā)明提供一操作簡(jiǎn)單、成本低，且具有高的圖形轉(zhuǎn)移精度的熱壓印方法為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明提供一熱壓印方法，其包括以下步驟提供一基底；提供一壓模，其具有一預(yù)定圖案；將壓模與基底對(duì)準(zhǔn)；通入小分子物質(zhì)蒸汽；加熱，并施壓；冷卻壓模與基底；將壓模與基底分離。
所述基底包括熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)。
所述壓模包括鎳、硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化硅氧烷聚合物等金屬、半導(dǎo)體材料、介電材料、陶瓷、有機(jī)材料及其結(jié)合。
所述壓模的預(yù)定圖案包括凹凸結(jié)構(gòu)(Pits)、凹槽結(jié)構(gòu)(Grooves)、凸塊結(jié)構(gòu)(Bumps)、微波紋形結(jié)構(gòu)(Microwaviness)及其結(jié)合。
所述小分子物質(zhì)蒸汽包括水蒸汽及酒精蒸汽。
優(yōu)選的，所述壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)具有3～5度的脫模角。
優(yōu)選的，所述冷卻壓模與基底，包括將壓模緩慢降溫，同時(shí)將基底快速冷卻。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明通過通入小分子物質(zhì)蒸汽以降低壓模與基底之間的強(qiáng)界面吸附能，操作簡(jiǎn)單、成本低，且能有效地抑制形成在基底的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)粘附在壓模之上，從而利于圖形的高精度轉(zhuǎn)移。優(yōu)選的，在壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)上形成有3～5度的脫模角；在基本上不改變凸結(jié)構(gòu)的輪廓的條件下，使壓模與基底易分離。優(yōu)選的，在冷卻壓模與基底過程中，將壓模緩慢降溫，同時(shí)將基底快速冷卻，使壓模在基底上形成的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)相對(duì)于壓模上的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)是收縮的；從而更有利于壓模與基底的分離。

圖1(a)～1(d)是現(xiàn)有技術(shù)的熱壓印工藝流程示意圖。
圖2(a)～2(d)是本發(fā)明實(shí)施例的熱壓印工藝流程示意圖。
圖3是相關(guān)本發(fā)明的壓模預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)具有3～5度脫模角的示意圖。
具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖將對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
參見圖2(a)～2(d)，本發(fā)明所提供的熱壓印方法，其包括以下步驟如圖2(a)所示，提供一基底30，該基底為高分子材料，在其玻璃化溫度(下面以Tg表示)之上有較好的流動(dòng)性；例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其玻璃化溫度Tg約為105℃；提供一壓模20，其由壓模本體21、形成在壓模本體21上的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)22及相鄰?fù)菇Y(jié)構(gòu)之間的凹結(jié)構(gòu)(圖中未標(biāo)示)構(gòu)成。該壓模材料相對(duì)于基底材料較硬，其具有高Knoop硬度(努普顯微壓痕硬度)、大壓縮強(qiáng)度、大抗拉強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、低熱膨脹系數(shù)、高抗腐蝕性等特點(diǎn)，例如鎳壓模；且壓模20下表面(即其與基底的接觸面)的預(yù)定圖案，其特征尺寸可達(dá)微米或納米；將壓模20與基底30置于一腔室(Chamber)(未示出)內(nèi)，抽真空并將壓模20與基底30對(duì)準(zhǔn)；向腔室內(nèi)通入小分子物質(zhì)蒸汽50，通過小分子物質(zhì)的擴(kuò)散以潤濕壓模的預(yù)定圖案結(jié)構(gòu)，降低壓模的預(yù)定圖案結(jié)構(gòu)的表面吸附能；如圖2(b)所示，通過上壓板加熱器40及下壓板加熱器40′分別對(duì)壓模20與基底30加熱至基底玻璃化溫度Tg之上(通常將壓模及基底加熱至基底的玻璃化溫度Tg之上50℃～100℃)；通過上壓板10及下壓板10對(duì)壓模與基底施加均衡穩(wěn)定的壓強(qiáng)(約40～100Bar，1Bar＝105Pa)，將壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)22壓入基底(圖2(b)中的箭頭方向?yàn)槭悍较?；將壓模20與基底30冷卻；當(dāng)壓模20與基底30的溫度降至基底的玻璃化溫度附近(約為Tg±(10～30℃))時(shí)，將壓模20與基底30分離(圖2(c)中的箭頭方向?yàn)槿ツ７较?；最終如圖2(d)所示，在基底30上形成與壓模預(yù)定圖案互補(bǔ)的圖案，即完成熱壓成形工藝，以便進(jìn)行后續(xù)的圖形轉(zhuǎn)移。
優(yōu)選的，所述壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)具有3～5度的脫模角(如圖3所示，脫模角θ＝3～5°)；通過在預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)上形成3～5度的脫模角，即在基本上不改變凸結(jié)構(gòu)的輪廓的條件下，使基底材料不易沾附在壓模上，從而更有利于壓模20與基底30的分離。
優(yōu)選的，所述將壓模20與基底30冷卻，采取將壓模20緩慢降溫，同時(shí)將基底30快速冷卻的方法；現(xiàn)有技術(shù)中，在熱壓成形工藝壓模與基底的冷卻過程，由于壓模與基底本身的材料屬性，壓模的降溫速率比基底要快，造成壓模上的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)熱脹冷縮，導(dǎo)致其上的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)的收縮速率比基底快，從而壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)與形成在基底上的互補(bǔ)圖案的凸結(jié)構(gòu)相互卡住而難以卸下來；因此，在壓模20與基底30的冷卻過程中，通過上壓板加熱器40將壓模20緩慢降溫，同時(shí)通過下壓板加熱器40′將基底30快速冷卻，使在基底上轉(zhuǎn)印出的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)相對(duì)于壓模上的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)22是收縮的，從而使壓模20與基底30易于分離。
上述實(shí)施例中，所述高分子材料基底，還包括熱塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)，如聚碳酸酯(Polycarbonate)，聚苯乙烯(Polystyrene)，Shipley公司的Shipley 8000，Micro Resist Technology GmbH公司的SU8、MR-I8000系列、MR-I9000系列等等。
上述實(shí)施例中，所述壓模還包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化硅氧烷聚合物等金屬、半導(dǎo)體材料、介電材料、陶瓷、有機(jī)材料及其結(jié)合。
上述實(shí)施例中，所述壓模的預(yù)定圖案，包括凹凸結(jié)構(gòu)(Pits)、凹槽結(jié)構(gòu)(Grooves)、凸塊結(jié)構(gòu)(Bumps)、微波紋形結(jié)構(gòu)(Microwaviness)及其結(jié)合。
上述實(shí)施例中，所述小分子物質(zhì)蒸汽包括水蒸汽、酒精蒸汽等。
綜上所述，本發(fā)明提供的熱壓印方法，操作簡(jiǎn)單及成本低，且能有效地抑制基底材料粘附在壓模上，壓模與基底易分離；從而達(dá)成操作簡(jiǎn)單、低成本、高精度的圖形轉(zhuǎn)移。
另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)做其它變化，如通入其它小分子物質(zhì)蒸汽等設(shè)計(jì)。當(dāng)然，這些依據(jù)本發(fā)明精神所做的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種熱壓印方法，其包括提供一基底；和提供一壓模，其具有一預(yù)定圖案；將壓模與基底對(duì)準(zhǔn)；通入小分子物質(zhì)蒸汽，以降低壓模的預(yù)定圖案結(jié)構(gòu)的表面能；加熱，并施壓；然后，冷卻壓模及基底；將壓模與基底分離。
2.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述基底包括熱塑性聚合物。
3.如權(quán)利要求2所述的熱壓印方法，其特征在于，所述熱塑性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯。
4.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述壓模包括金屬、半導(dǎo)體材料、介電材料、陶瓷、有機(jī)材料及其結(jié)合。
5.如權(quán)利要求4所述的熱壓印方法，其特征在于，所述壓模包括鎳、硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化硅氧烷聚合物。
6.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述壓模的預(yù)定圖案包括凹凸結(jié)構(gòu)、凹槽結(jié)構(gòu)、凸塊結(jié)構(gòu)、微波紋形結(jié)構(gòu)及其結(jié)合。
7.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述小分子物質(zhì)蒸汽包括水蒸汽及酒精蒸汽。
8.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述壓模的預(yù)定圖案的凸結(jié)構(gòu)具有3～5度的脫模角。
9.如權(quán)利要求1所述的熱壓印方法，其特征在于，所述冷卻壓模與基底，包括將壓模緩慢降溫，同時(shí)將基底快速冷卻。
10.如權(quán)利要求8所述的熱壓印方法，其特征在于，所述冷卻壓模與基底，包括將壓模緩慢降溫，同時(shí)將基底快速冷卻。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種熱壓印方法，尤其是在高分子材料上形成微納米圖案結(jié)構(gòu)的熱壓印方法。該熱壓印方法包括提供一基底和一具有預(yù)定圖案的壓模；將壓模與基底在真空腔室內(nèi)對(duì)準(zhǔn)；通入小分子物質(zhì)蒸汽；加熱壓模與基底至基底的玻璃化溫度之上，并施壓；之后，將壓模與基底冷卻，最后將壓模與基底分離，從而完成壓印工藝。本發(fā)明通過通入小分子物質(zhì)蒸汽以降低壓模與基底界面間的吸附能，實(shí)現(xiàn)微納米圖形結(jié)構(gòu)的精確轉(zhuǎn)移，操作簡(jiǎn)單、成本低廉；從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中操作較復(fù)雜、成本較高的不足。
文檔編號(hào)B41M1/26GK1778568SQ20041005238
公開日2006年5月31日 申請(qǐng)日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者余泰成 申請(qǐng)人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司