專利名稱：3d金屬模具及其制造系統(tǒng)和方法
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(lái)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(lái)提供這種高強(qiáng)度。先前，雙光子吸收(TPA)最常見(jiàn)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(shù)脂吸收。因?yàn)楣饷魳?shù)脂在近紅外(NIR)區(qū)域中是透明的，所以NIR激光脈沖可以聚焦到樹(shù)脂的體積內(nèi)。當(dāng)激光焦點(diǎn)在樹(shù)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(kāi)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(lái)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，如圖15所示。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(guò)各向異性的O2等離子體蝕刻工藝去除以完成圖案定義。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(lái)定義圖案，從而能夠在室溫下實(shí)施該工藝，如圖16所示?，F(xiàn)有技術(shù)的討論在制造用于納米壓印的3D模板/模具中使用雙光子光刻當(dāng)前的NIL技術(shù)取決于電子束光刻、激光刻寫器和光學(xué)光刻技術(shù)來(lái)將器件的設(shè)計(jì)寫入到NIL模板上。不幸的是，這些技術(shù)本質(zhì)上是2D刻寫技術(shù)，且不能制造很多NIL應(yīng)用所需要的3D結(jié)構(gòu)。盡管當(dāng)前設(shè)計(jì)者通過(guò)多層工藝來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，但是沒(méi)有有效的長(zhǎng)期制造解決方案來(lái)獲得低成本的3D納米結(jié)構(gòu)。多層工藝產(chǎn)生的灰度的階梯(step)或影響在很多應(yīng)用中也是不可接受的。在納米壓印模板制造中提議使用雙光子光刻是新穎的。對(duì)于存在簡(jiǎn)單3D需求的應(yīng)用(如半球結(jié)構(gòu))，可以在單一步驟中執(zhí)行沖壓工藝，從而不再需要多個(gè)沖壓堆疊工藝。與常規(guī)激光刻寫器( 600nm)相比，雙光子光刻具有極高的刻寫分辨率( IOOnm)0而且，類似于常規(guī)激光刻寫器，與電子束刻寫器相比，雙光子光刻具有相當(dāng)高的刻寫速度，使得該技術(shù)對(duì)于除要求小于IOOnm的分辨率的應(yīng)用之外的大多數(shù)刻寫應(yīng)用是非常理想的。在組織工程和其它應(yīng)用中使用3D納米壓印目前，存在很多已知的致力于研究使用3D納米壓印技術(shù)來(lái)發(fā)展器官/組織框架的工作組。壓印結(jié)構(gòu)彼此堆疊的疊層將使得該快速成型技術(shù)具有高分辨率和相當(dāng)高的產(chǎn)量。與其它快速成型工藝相比，該工藝不會(huì)受到很多的材料限制，因?yàn)樗Q于物理壓印工藝來(lái)限定其特征。在本發(fā)明下發(fā)展出的技術(shù)的應(yīng)用可以在聚合物薄膜上制造獨(dú)特光子結(jié)構(gòu)中使用以產(chǎn)生功能膜。這種膜的示例可以是制造這種構(gòu)造的微透鏡。使用諸如雙光子光刻工具之類的高分辨率工具來(lái)制造微透鏡的優(yōu)點(diǎn)在于，可以使用非常薄的膜來(lái)實(shí)現(xiàn)透鏡的曲率。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是(I)較低的材料成本；(2)光滑的透鏡表面將導(dǎo)致較少的光損耗；以及(3)較薄的聚合物的使用將確保較少的光吸收。盡管NIL方法被設(shè)計(jì)為提供下一代半導(dǎo)體晶片制造中的光刻解決方案，但是科學(xué)家和工程師已經(jīng)致力于混合塑料電子器件、有機(jī)電子器件、新型硅器件、新型砷化鎵器件、有機(jī)激光器、光子器件、非線性光學(xué)聚合物結(jié)構(gòu)、高分辨率有機(jī)發(fā)光二極管(0LED像素)、衍射光學(xué)元件、寬帶偏振器、硬盤驅(qū)動(dòng)器、DNA操控、納米尺度蛋白構(gòu)圖和細(xì)胞烘烤養(yǎng)中的很多應(yīng)用。當(dāng)前，NIL技術(shù)被硬驅(qū)行業(yè)在制造硬件介質(zhì)中所使用。NIL中的關(guān)鍵技術(shù)步驟可以分為I)模具制造；2)光刻膠；以及3)處理。本發(fā)明的工藝使用整合了現(xiàn)有技術(shù)的多個(gè)狀態(tài)的高產(chǎn)量亞微米3D結(jié)構(gòu)技術(shù)，[I]雙光子光刻；[2]納米壓??；以及[3]卷對(duì)卷納米壓印。通過(guò)平衡每項(xiàng)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)可以低成本地生產(chǎn)亞微米3D結(jié)構(gòu)。該方法類似于半導(dǎo)體晶片制造行業(yè)中的方法，其中利用用于高真空生產(chǎn)的很多昂貴的資產(chǎn)設(shè)備在硅晶片上制造集成電路，同時(shí)減小了每個(gè)單獨(dú)組件的成本。本發(fā)明工藝的技術(shù)源于常規(guī)NIL技術(shù)，從模具制造步驟開(kāi)始。常規(guī)NIL模板是利用電子束光刻或光學(xué)光刻進(jìn)行構(gòu)圖的，基本上這些構(gòu)圖技術(shù)本質(zhì)上是2D的。然而，本發(fā)明提出使用雙光子光刻和3D刻寫技術(shù)來(lái)對(duì)模板進(jìn)行構(gòu)圖。構(gòu)圖出的模具將是3D的。CN 102981358 A書明說(shuō)3/17 頁(yè)發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一目的是一種制造3D模具以制造高產(chǎn)量和低成本的亞微米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，使用雙光子激光光刻和3D 刻寫技術(shù)來(lái)制備3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模具，且利用納米壓印從該層的所述3D模具形成3D結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚合物膜，制造每一層以制備亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
本發(fā)明的第二目的是一種高產(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3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的每一層的3D模具，并使用納米壓印來(lái)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。
優(yōu)選的是，如前述權(quán)利要求中任意一個(gè)所述，高產(chǎn)量和低成本亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的層的3D模具使用整合了雙光子光刻和納米壓印的工藝，其中該層的3D模具按以下方式制造
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(lái)設(shè)立(set up)刻寫工藝以產(chǎn)生3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的該層的3D圖
將該層的3D圖像的光刻膠/聚合物顯影在基板上；
將一層或更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(guò)電鍍工藝來(lái)轉(zhuǎn)印覆蓋了種子金屬層的3D聚合物圖像以形成3D金屬模具；
其中，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。
有利的是，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)的步驟包括在基板的表面錨定(anchor) 3D CAD的底座，補(bǔ)償聚合物收縮且使其機(jī)械方面足夠強(qiáng)以防止亞微米3D 結(jié)構(gòu)在沖洗和干燥工藝中塌陷。
有利的是，在設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟中，每一層的3D圖像都是從 O. 01微米到150微米厚的圖像。
有利的是，對(duì)于設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，每一層的3D圖像優(yōu)選地都是100微米厚的圖像。
有利的是，對(duì)于設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，從O. 01微米到100微米厚的每一層的參數(shù)用作制造該層的模具的輸入。
有利的是，對(duì)于設(shè)立刻寫工藝以產(chǎn)生3D層的模具的步驟，優(yōu)選地是100微米的每一層的參數(shù)被用作制造該層的模具的輸入。
優(yōu)選的是，3D圖像的每一層都從O. 01微米至150微米。
有利的是，對(duì)于將該層的3D圖像的光刻膠/聚合物顯影在基板上的步驟，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，使用溶劑去除基板背面上的所有光刻膠，如有必要預(yù)烘烤該基板，將該基板放置到真空吸盤上，開(kāi)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光刻膠/聚合物。
有利的是，對(duì)于通過(guò)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(lái)6形成種子金屬層的步驟，該步驟包括以下處理核實(shí)基板上沒(méi)有光刻膠或其它材料殘留，將晶片放置到濺射工具中，將腔體泵降(pump down)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。
有利的是，對(duì)于通過(guò)電鍍工藝來(lái)轉(zhuǎn)印從種子金屬層形成的聚合物圖像以形成金屬模具的步驟，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，使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。
有利的是，對(duì)于通過(guò)電鍍工藝來(lái)轉(zhuǎn)印從種子金屬層形成的聚合物圖像以形成金屬模具的步驟，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，使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。
有利的是，對(duì)于通過(guò)電鍍工藝來(lái)轉(zhuǎn)印從種子金屬層形成的聚合物圖像以形成金屬模具的步驟，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，使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。
有利的是，對(duì)于制造模具的步驟，該步驟包括以下處理使用光刻膠來(lái)涂覆基板， 設(shè)置沖壓工具的工藝參數(shù)，通過(guò)一系列沖壓和步進(jìn)序列(step sequence)將3D圖像從金屬模具轉(zhuǎn)印到大基板上，在處理之后顯影光刻膠，將光刻膠/聚合物從基板上剝離，將基板包裹在夾具上以形成圓筒(cylinder)，對(duì)圓筒進(jìn)行電鍍直到達(dá)到期望厚度為止，研磨和拋光圓筒以校正光潔度(finish)和厚度。
有利的是，制造模具的步驟包括主模具和輔模具。
有利的是，對(duì)于制造模具的步驟，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，然后將各層對(duì)準(zhǔn)且扣在一起以粘合在一起而形成多層結(jié)構(gòu)。
有利的是，對(duì)于在納米壓印工藝中使用模具的步驟，納米壓印工藝包括熱NIL或 UV NIL或卷對(duì)卷NIL。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具的制造，雙光子光刻使用專用軟件來(lái)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。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具的制造，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)。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具，由柔性聚合物制成的模具被附接到圓筒的表面上以形成柔性聚合物模具的錕子，用來(lái)進(jìn)行納米壓印。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具，由金屬板制成的模具被附接到圓筒的表面上以形成具有聚合物特征的金屬板的錕子，用來(lái)進(jìn)行納米壓印。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具，由鋁板制成的模具被附接到圓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錕子，用來(lái)進(jìn)行納米壓印。
優(yōu)選的是，對(duì)于3D模具，由表面上電鍍了金屬特征的金屬板制成的模具被附接到圓筒的表面上以形成具有金屬特征的金屬板模具的錕子，用來(lái)進(jìn)行納米壓印。
優(yōu)選的是，制造3D模具的工藝遵循NIL工藝流程，且包括
使用形狀庫(kù)改善模具制造的設(shè)計(jì)以確立用于3D器件批量制造的設(shè)計(jì)規(guī)則，使用這些3D模板來(lái)制備模具；
使用NIL熱沖壓、UV、沖壓和卷對(duì)卷工藝。
本發(fā)明的第三目的是一種用于制造3D模具以制造高產(chǎn)量和低成本亞微米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，通過(guò)使用雙光子激光光刻和3D刻寫技術(shù)來(lái)制備3D結(jié)構(gòu)的每一層的3D模具，且利用納米壓印從3D模具形成3D 結(jié)構(gòu)的每一層的一片聚合物膜，且堆疊3D結(jié)構(gòu)的每一層以制造亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品。
優(yōu)選的是，制造3D模具以制造高產(chǎn)量和低成本亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的所述系統(tǒng)使用3D刻寫技術(shù)來(lái)對(duì)用于3D模具的模板進(jìn)行構(gòu)圖。
優(yōu)選的是，制造高產(chǎn)量和低成本亞微米3D結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的所述系統(tǒng)使用納米壓印，該納米壓印是熱NIL或UV NIL或卷對(duì)卷技術(shù)。
本發(fā)明的第四目的是制造器官/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)的圖像的多層，包括以下方面
a.通過(guò)將框架的3D CAD設(shè)計(jì)剖切為多層而制造的器官/組織框架，每一層都是使用納米壓印獨(dú)立制造的，重疊和結(jié)合所有層以形成最終的框架，創(chuàng)建這種框架，該框架在解剖學(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。
本發(fā)明的第五目的是一種3D模具，該3D模具用于經(jīng)單次操作來(lái)制造諸如正弦結(jié)構(gòu)和半球之類的簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)，其中在制造光子學(xué)器件、IXD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。
優(yōu)選的是，對(duì)于用于制造簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)的3D模具，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。
本發(fā)明的第六目的是用于制造用于組織工程框架的多個(gè)3D模具，包含以下步驟
a.使用雙光子光刻來(lái)創(chuàng)建3D模板，
b.取決于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(guò)電鍍或任意類型的成型技術(shù)，如電子束光刻或光學(xué)光刻，將3D圖像轉(zhuǎn)印到模具上，
c.使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序(CAD)來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，
d.利用以3D CAD繪圖作為輸入的專用軟件來(lái)自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多層，
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。
本發(fā)明的第七目的是用于制造醫(yī)學(xué)器件的3D模具，諸如用于需要物理治療的神經(jīng)和骨骼的引導(dǎo)神經(jīng)和骨頭生長(zhǎng)的橋接體(bridge)，包含以下步驟
a.使用雙光子光刻來(lái)創(chuàng)建3D模板。
b.取決于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(guò)電鑄或任意類型的成型技術(shù)，如電子束光刻或光學(xué)光刻，將3D圖像轉(zhuǎn)印到模具上。
c.使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序(CAD)來(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。
d.利用以3D CAD繪圖作為輸入的專用軟件來(lái)自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多層。
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)卷壓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。
本發(fā)明的第八目的是用于制造定制微透鏡以形成更多功能的光學(xué)膜的3D模具， 包含以下步驟
a.使用雙光子光刻來(lái)創(chuàng)建3D模板。
b.取決于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(guò)電鑄或任意類型的成型技術(shù)，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(lái)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，
d.利用以3D CAD繪圖作為輸入的專用軟件來(lái)自動(dòng)將所述結(jié)構(gòu)剖切為多層，
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，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。
毋庸置疑，本發(fā)明的這些和其它目的將對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員在研究下文后變得明顯，或可以通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐來(lái)了解。


附圖結(jié)合到本說(shuō)明書中且構(gòu)成本說(shuō)明書的一部分，附圖示出了本發(fā)明中引用的工藝的示例，且與發(fā)明概述一起用于解釋本發(fā)明的原理。
圖I是本發(fā)明工藝的制造亞微米3D模具中的步驟的工藝流程。
圖2是用于創(chuàng)建作為本發(fā)明工藝的雙光子光刻步驟的輸入的3D CAD設(shè)計(jì)的第一步驟的工藝流程。
圖3是本發(fā)明工藝中用于設(shè)立刻寫步驟的雙光子光刻工具的工藝流程。
圖4是本發(fā)明工藝中用于置備雙光子光刻掃描步驟的基板的工藝流程。
圖5是本發(fā)明工藝中用于顯影光刻膠的步驟的工藝流程。
圖6是本發(fā)明工藝中用于形成被濺射到光刻膠/聚合物的表面上的種子金屬層的步驟。
圖7是金屬化以形成本發(fā)明工藝的金屬模具的步驟，其中，利用電鍍工藝來(lái)執(zhí)行聚合物圖像的轉(zhuǎn)印，該電鍍工藝?yán)昧藶R射到光刻膠/聚合物的表面的種子金屬材料。
圖8是本發(fā)明工藝中的制造輔模具的步驟。
圖9是本發(fā)明工藝中的制造輥?zhàn)覰IL模具的步驟。
圖10是用于制備柔性聚合物模具或模板的工藝流程的說(shuō)明。
圖11是利用鋁板的物理沖壓來(lái)制備金屬模具或模板的工藝流程的說(shuō)明。
圖12是制備表面上電鍍了金屬特征的金屬板模具或模板的工藝流程的說(shuō)明。
圖13是制備具有聚合物特征的金屬板模具或模板的工藝流程的說(shuō)明。
圖14是制造側(cè)發(fā)光(side emitting)薄膜層中的微透鏡的納米壓印聚合物膜的說(shuō)明。
圖15是納米壓印光刻工藝中的步驟的說(shuō)明。
圖16是熱NIL與UV NIL工藝的比較。
圖17是裹在大輥?zhàn)由系娜嵝阅＞叩恼f(shuō)明。
圖18是偏移印刷中的加墨(inking)工藝的說(shuō)明。
圖19是不同制造技術(shù)的比較。
具體實(shí)施方式
圖I中示出了本發(fā)明工藝的制造亞微米3D模具中的步驟的工藝流程。一般工藝過(guò)程和步驟如下
I)將3D CAD設(shè)計(jì)輸入到本發(fā)明工藝的雙光子光刻步驟中。
2)然后通過(guò)工具軟件對(duì)文件進(jìn)行預(yù)處理，其中3D設(shè)計(jì)被剖切為IOOnm厚的多個(gè)層。
3)然后將每一層掃描到涂覆有光刻膠的晶片/基板的表面上。
4)然后顯影光刻膠。
5)接下來(lái)在光刻膠模板上沉積金屬種子層。
6)接著是電鍍步驟。
7)現(xiàn)在準(zhǔn)備好模具來(lái)沖壓或用作主模具來(lái)生產(chǎn)輔模具或輥?zhàn)訅河∧＞摺?br> 圖2至圖9說(shuō)明了一般工藝過(guò)程中的每個(gè)步驟。
圖2是用于創(chuàng)建用作本發(fā)明的雙光子光刻的輸入的3D CAD設(shè)計(jì)的第一步驟的工藝流程。3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是按照以下方式創(chuàng)建的且作為STL文件格式導(dǎo)出為3D設(shè)計(jì)
I)機(jī)械3D設(shè)計(jì)，應(yīng)使用本領(lǐng)域已知的3D CAD程序繪制結(jié)構(gòu)。
2)必須遵循的設(shè)計(jì)規(guī)則
a. 3D設(shè)計(jì)的底座將必須錨定在基板的表面；這是為了防止結(jié)構(gòu)在標(biāo)記過(guò)程中漂移。
b.結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)為使得在顯影過(guò)程中使用的溶劑能夠去除未曝光的聚合物。
c.結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)為使得其能夠補(bǔ)償顯影之后的聚合物收縮。
d.結(jié)構(gòu)必須設(shè)計(jì)為機(jī)械方面足夠強(qiáng)，以防止在沖洗和干燥工藝中器件塌陷。
這些3D結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)被導(dǎo)出為STL文件格式以供進(jìn)一步處理。
圖3是本發(fā)明工藝中用于建立刻寫步驟的雙光子光刻工具的工藝流程。此處描述的是一般工藝，為了滿足特定需求將會(huì)忽略或添加相應(yīng)的工藝步驟
I)首先將帶有3D CAD設(shè)計(jì)的STL文件導(dǎo)入到本領(lǐng)域已知的定制的激光掃描軟件中。
2)接下來(lái)，校正圖像的尺寸以確保輸入到定制激光掃描軟件中的圖像的尺寸與正確的物理尺寸恰好相符。
3)將激光焦點(diǎn)的位置輸入到系統(tǒng)中以提供初始晶片對(duì)準(zhǔn)。
4)將圖像剖切為IOOnm厚的片(該厚度可基于最終器件的所需分辨率而不同)。
5)輸入工藝中所使用的聚合物的正確參數(shù)。
a.激光功率-主要控制作業(yè)的分辨率和掃描時(shí)間。b.掃描速度-掃描速度將影響分辨率(光斑尺寸)。
c.校正文件——它由作業(yè)所使用的透鏡類型和聚合物決定。通過(guò)選擇正確的校正文件，圖像失真將最小化。
d.搖晃——通過(guò)搖晃激光，激光的有效光斑尺寸可以增大。這將增加系統(tǒng)的產(chǎn)量， 并且提供制造出的器件表面上的不同紋理。
e.陰影——陰影將決定用于填充需填充區(qū)域所執(zhí)行的線掃描的次數(shù)。改變陰影圖案也將影響制造出的器件的表面紋理。
f.將影響掃描的器件的其它因素——跳躍速度(拐角銳度)、加速度(恒定的線厚度)、場(chǎng)尺寸(較大的掃描場(chǎng)意味著器件可能更傾向于在場(chǎng)邊緣失真)、激光的對(duì)接位置(如果不正確地對(duì)接，散射的激光將部分地聚合光刻膠)，步進(jìn)尺寸(結(jié)構(gòu)之間的縫隙和巷道，也將影響較大器件的拼接)、步進(jìn)圖案(影響器件到器件的精度)。
圖4是制備用于雙光子光刻的基板的工藝流程?；孱愋偷倪x擇取決于在輔模具的生產(chǎn)、器件制造中所使用的沖壓工具的類型。對(duì)于熱NIL，標(biāo)準(zhǔn)硅基板/工藝就足夠了且選擇硅晶片的工藝典型地具有用于激光刻寫的最佳表面(低均方根粗糙度和平整度)。對(duì)于 SFIL，將需要諸如玻璃晶片或基板這樣的透明基板。
由于以下的差異，基板的選擇將影響掃描工藝
a)將必須使用粘合劑層，
b)玻璃具有較小的反射，且需要較高的掃描功率，
c)玻璃晶片不像硅晶片那樣平整，且激光掃描工藝可能產(chǎn)生較低產(chǎn)量。
下面將參照?qǐng)D4的工藝流程來(lái)描述一般的硅工藝。對(duì)于其它類型的基板，需要一些改動(dòng)。
I)取決于最終應(yīng)用，將不同的基板裝載到工具中。
a.對(duì)于大多數(shù)熱NIL工藝，為硅基板。b.對(duì)于SFIL應(yīng)用，為玻璃和其它透明基板。
2)對(duì)娃晶片執(zhí)行過(guò)氧硫酸清洗(利用諸如“Silicon Processing for the VSLI Era Vol. 1-Process Technology Chapterl5，“Wet Processing:Cleaning and Etching^by Stanley Wolf & Richard N Tauber, 1986 Lattice Press 中描述的熱硫酸清洗工藝)。
3)對(duì)于玻璃基板，將晶片浸入稀釋氫氟酸中30秒并使用去離子(“DI”)水沖洗2 分鐘。吹干基板然后玻璃基板就可以使用了。
4)將正確的粘合劑層(取決于光刻膠和基板類型，這可能會(huì)不同)旋涂/蒸發(fā)到基板上。
5)將正確的光刻膠旋涂到基板上。同樣這將取決于應(yīng)用而明顯不同。
6)使用正確的溶劑去除基板的背面上的所有光刻膠。
7)如有必要，對(duì)進(jìn)行基板預(yù)烘烤(這將去除過(guò)剩溶劑且使處理之后結(jié)構(gòu)的收縮最小化)。
8)將基板放置到真空吸盤上且開(kāi)啟真空。
9)復(fù)位工作臺(tái)(home the stage)。
10)對(duì)準(zhǔn)晶片，針對(duì)正確的基板類型、光刻膠輸入正確的工藝參數(shù)。
11)開(kāi)始標(biāo)記工藝。
12)在工藝完成之后，檢查基板以確保每個(gè)器件都正確地布置了雙光子光刻工具的內(nèi)置對(duì)比(contrast)特征。
13)最后去除基板進(jìn)行光刻膠顯影。
圖5說(shuō)明了本發(fā)明工藝中的用于對(duì)進(jìn)行顯影光刻膠進(jìn)行顯影的步驟的工藝流程。 用于光刻膠顯影的工藝流程對(duì)于不同類型的光刻膠有所不同。下面針對(duì)玻璃或硅晶片上的基于PMMA的光刻膠來(lái)描述工藝流程。取決于應(yīng)用、厚度和標(biāo)記工藝，可以用其它化學(xué)制品來(lái)調(diào)整顯影液的使用。
必須引入其它預(yù)防措施以確保3D器件的干燥工藝不會(huì)導(dǎo)致器件塌陷，并且必須執(zhí)行諸如基板的臨界點(diǎn)干燥的標(biāo)準(zhǔn)MEMS處理技術(shù)。
I)將晶片放置到晶片支座上。
2)將晶片浸入顯影液中。這將基于使用的光刻膠的類型而不同。
3)晶片在顯影液中的浸泡時(shí)間取決于使用的光刻膠的厚度以及設(shè)計(jì)中是否存在深的切口。
4)在將晶片浸泡在顯影液內(nèi)足夠時(shí)長(zhǎng)之后，將晶片在新的顯影液中再浸泡一個(gè)小時(shí)。
5)使用正確的溶劑或使用DI水來(lái)沖洗晶片。
6)最后使晶片干燥。使用旋轉(zhuǎn)干燥工藝、空氣干燥或臨界點(diǎn)干燥均可。
7)樣品這是可以進(jìn)一步處理了。
取決于模具的應(yīng)用，此階段顯影的模具可用于沖壓，例如，簡(jiǎn)單的NIL研究和開(kāi)發(fā)應(yīng)用。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，可能需要諸如鎳的金屬模具。
圖6是本發(fā)明工藝中的形成濺射到光刻膠/聚合物的表面上的種子金屬層的步驟。該播種(seeding)步驟導(dǎo)致金屬化的步驟，其中使用電鍍工藝來(lái)執(zhí)行聚合物圖像的轉(zhuǎn)印。聚合物圖像到金屬模具的轉(zhuǎn)印是使用電鍍工藝來(lái)完成的。不幸的是，基板的聚合物涂覆表面不導(dǎo)電且不會(huì)是電鍍的良好電極。因此，需要鎳的種子金屬層濺射或蒸發(fā)到光刻膠 /聚合物的表面上。
下面參照?qǐng)D6來(lái)描述工藝流程中形成種子金屬層工藝的典型步驟。
I)確保沒(méi)有來(lái)自先前工藝步驟的殘留。
2)將晶片放置到蒸發(fā)工具或?yàn)R射工具中。
3)將腔體泵降到基本壓力。
4)執(zhí)行簡(jiǎn)短的等離子體清潔處理以確保表面清潔。
5 )沉積20nm厚的鈦層。
6)接下來(lái)是300nm厚的金層。
7 )將晶片從腔體中取出。
基板現(xiàn)在準(zhǔn)備好進(jìn)行電鍍了。
圖7是本發(fā)明工藝的金屬化以形成金屬模具的步驟，其中利用電鍍工藝來(lái)執(zhí)行聚合物圖像的轉(zhuǎn)印，該電鍍工藝使用了濺射到光刻膠/聚合物的表面上的種子金屬層。通過(guò)電鍍工藝最終形成金屬模具，參照?qǐng)D7，在以下步驟中描述該電鍍工藝
I)將具有種子金屬層的基板放置在電鍍池中。
2 )接下來(lái)設(shè)置電鍍參數(shù)。
3)反復(fù)電鍍直到期望厚度——典型地在3_5mm的范圍內(nèi)。
4)從支座上取下晶片。
5)從模具上去除抗蝕劑。這通常使用光刻膠剝離器或熱丙酮來(lái)執(zhí)行。此時(shí)，硅/ 玻璃晶片將被去除。
6)使用DI水徹底地沖洗模具。
7)接下來(lái)研磨模具的背面和邊緣以調(diào)整尺寸。
8)在DI水中沖洗模具。
9)對(duì)模具的表面執(zhí)行O2等離子體清洗。
該模具現(xiàn)在準(zhǔn)備好使用了。典型的模具尺寸為4mmX 20mm，可能不適于高產(chǎn)量應(yīng)用。這種應(yīng)用將必須使用模具來(lái)生產(chǎn)功能原材料(功能膜)。在這種情況下，需要輔模具。將在下文詳細(xì)描述這種輔模具的制造。
圖8是本發(fā)明工藝中的制造輔模具的步驟。對(duì)于很多應(yīng)用，用戶所需的圖案是周期性(重復(fù))的。雙光子光刻工具的刻寫時(shí)間長(zhǎng)且昂貴。為了最小化刻寫時(shí)間，由于以下原因，利用沖壓工具，主模具將用于產(chǎn)生較大的輔模具
I)通過(guò)利用由雙光子光刻工具生產(chǎn)的3D主模具且沖壓到光刻膠/涂覆了聚合物的基板上，將制造出更大的模具。這將幫助減小復(fù)制大模具所需的刻寫時(shí)間。
2)減小出錯(cuò)的機(jī)會(huì)。
3)增加產(chǎn)量。
4)將相當(dāng)快地產(chǎn)生出非常大的表面區(qū)域。
下面參照?qǐng)D8來(lái)描述用于制造輔模具的步驟的工藝流程
I)首先將合適的光刻膠/聚合物旋涂到基板的表面上。該基板可以是硅晶片、大聚合物板、金屬板、玻璃(取決于最終產(chǎn)品的應(yīng)用)。
2)取決于基板的類型和工藝中使用的光刻膠，向壓印/沖壓工具鍵入沖壓工藝的正確參數(shù)。
3)將主模具裝載到?jīng)_壓工具上且開(kāi)始在整個(gè)基板上推進(jìn)圖案。
4)接下來(lái)對(duì)經(jīng)構(gòu)圖的基板進(jìn)行顯影且在構(gòu)圖基板之上濺射種子金屬層。
5)然后將基板浸入電鍍池且反復(fù)電鍍到期望厚度。CN 102981358 A書明說(shuō)11/17 頁(yè)
6)然后將最終器件研磨到正確的厚度。
7)模具的邊緣也被研磨到正確的厚度。
通過(guò)使用主模具在大區(qū)域上推進(jìn)很多次，技術(shù)上可以制造出相當(dāng)大(Im2)的模具。
對(duì)于高產(chǎn)量應(yīng)用和大片功能聚合物膜的連續(xù)制造，應(yīng)制造輥?zhàn)幽＞摺?br> 圖9是本發(fā)明工藝中的制造輥?zhàn)覰IL模具的步驟。如前面的段落中所解釋的，對(duì)于某些應(yīng)用可能需要大片的功能材料。壓印大表面區(qū)域的當(dāng)前方法是通過(guò)使用輥?zhàn)訅河C(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，其中連續(xù)地使用 具有納米尺度3D特征的錕子來(lái)模制大的連續(xù)聚合物片。
參照?qǐng)D9來(lái)描述制造輥?zhàn)覰IL模具的步驟。
I)首先用光刻膠來(lái)涂覆合適的基板。一些可能的基板可以是PMMA膜、金屬板、硅晶片、玻璃等。
2)接下來(lái)設(shè)置用于沖壓工具的工藝參數(shù)。
3)通過(guò)一系列沖壓和步進(jìn)序列將3D圖像從主模具轉(zhuǎn)印到大基板上。
4)在處理之后對(duì)抗蝕劑進(jìn)行顯影。
5)從基板上剝離光刻膠/聚合物。
6)向基板的表面上沉積種子金屬層。
7)將柔性基板裹在夾具上以形成圓筒。
8)電鍍圓筒直到期望厚度。最小厚度將必須大于3mm。
9)研磨和拋光鎳圓筒以校正光潔度和厚度。
10)輥?zhàn)幽＞攥F(xiàn)在準(zhǔn)備好了使用。
本發(fā)明還涉及使用2個(gè)輥?zhàn)幽＞邅?lái)制造上層和下層上都具有特征的層。在這種應(yīng)用中，2個(gè)輥?zhàn)幽＞呖梢员舜松舷聦?duì)準(zhǔn)。對(duì)于簡(jiǎn)單的2層結(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)模具一次處理就足夠了。對(duì)于需要更多層的更復(fù)雜結(jié)構(gòu)，每一層將通過(guò)拼接在一起而對(duì)準(zhǔn)。這些結(jié)構(gòu)可用于將膜保持在一起且對(duì)準(zhǔn)不同的層。當(dāng)?shù)谝粚雍偷诙悠唇釉谝黄饡r(shí)，它們將被對(duì)準(zhǔn)。然后每一層彼此粘合以形成多層結(jié)構(gòu)。
柔性模具的制造
用于納米壓印的柔性輥?zhàn)訅河∧＞邔⒂糜?D結(jié)構(gòu)的壓印。由表面上有構(gòu)圖特征的金屬板或聚合物制成的柔性模具(12)將包裹大的錕子(10)，如圖17所示.
通過(guò)將若干柔性模具(12)附接到圓筒的表面上可以形成大的輥?zhàn)幽＞?。這種方法十分類似于印刷工業(yè)中的膠印，其中具有光敏化學(xué)特性的鋁板被曝光以將印刷圖像轉(zhuǎn)印到圖板上且附接到圖板滾筒(36)上，如圖18所示。
圖18示出了偏移印刷中的加墨工藝。通過(guò)一系列輥?zhàn)訉⒛植嫉綀D板滾筒(36) 上。印刷時(shí)，圖板滾筒(34)被加濕，先通過(guò)水盤(34)中的水輥(30)，然后是墨輥(32).墨棍將墨從墨源(ink fountain)分布到圖板滾筒(36)上。圖板滾筒(36)的圖像區(qū)域從墨棍(32)汲取墨。每個(gè)圖板滾筒(36)隨后將其圖像轉(zhuǎn)印到偏移滾筒(38)上，后者又將圖像轉(zhuǎn)印到壓印滾筒(40)上然后印到紙(42)上。
基于和偏移印刷相同的方法，柔性模具/圖板附接到設(shè)計(jì)在錕表面上的狹縫且通過(guò)柔性模具/圖板的邊緣上的缺口而粗略對(duì)準(zhǔn)位置。然后通過(guò)調(diào)節(jié)錕和供應(yīng)的聚合物的位置來(lái)進(jìn)行細(xì)調(diào)。使用這種布置，可以實(shí)現(xiàn)頂部和底部壓印的高達(dá)10微米的對(duì)準(zhǔn)精度。
目前使用主3D模具(利用雙光子光刻形成)來(lái)制造柔性膜的方法有很多種14
I)柔性聚合物模具；
2)具有聚合物特征的金屬板模具；
3)具有使用鎳主模具壓印的金屬特征的鋁板(軟金屬)模具；以及
4)具有電鍍到表面上的金屬特征的金屬板。
在下面的部分中描述使用不同類型的柔性模具的工藝流程的示例。
制備柔性聚合物模具/模板的工藝流程
參照?qǐng)D10來(lái)描述用于制備柔性聚合物模具/模板的工藝流程。
在該工藝中，可以產(chǎn)生由金屬板或聚合物基板制成的柔性模具。
I)首先在柔性基板的表面上涂覆合適的光刻膠/聚合物。該基板可以是大片的聚合物或金屬板(取決于最終產(chǎn)品的應(yīng)用)。
2)取決于基板的類型和工藝中使用的光刻膠，向沖壓工具中鍵入沖壓工藝的正確參數(shù)。沖壓工藝可以是UV沖壓工藝或熱壓印工藝或其組合。
3)將主模具裝載到?jīng)_壓工具上并開(kāi)始在整個(gè)表面上步進(jìn)圖案。
4)聚合物膜此時(shí)可以用作輔模具或作為裹在錕上的產(chǎn)品模具。
利用鋁板的物理沖壓來(lái)制備金屬模具或模板的工藝流程
參照?qǐng)D11來(lái)描述利用鋁板的物理沖壓來(lái)制備金屬模具或模板的工藝流程。
在該工藝中，利用鎳模具通過(guò)物理沖壓到軟金屬由金屬板制備出柔性模具。
I)設(shè)置工藝參數(shù)。
2)安裝用于沖壓的正確模具(模具將必須由諸如鎳的較硬金屬制成)。
3)首先將金屬板裝載到?jīng)_壓工具上。
4)進(jìn)行沖壓工藝。
5)金屬板現(xiàn)在可以用作輔模具或裹在錕上的產(chǎn)品模具。
用于制備表面上電鍍有金屬特征的金屬板模具或模板的工藝流程
參照?qǐng)D12來(lái)描述用于制備表面上電鍍有金屬特征的金屬板模具或模板的處理工藝，如下
I)在金屬板的表面上涂覆光刻膠。
2)輸入正確的工藝參數(shù)。
3 )將3D模具裝載到?jīng)_壓工具上。
4)將金屬板裝置到工具上。
5)進(jìn)行沖壓工藝。
6)沉積種子金屬或應(yīng)用清洗步驟以在聚合物結(jié)構(gòu)的底部暴露出金屬板來(lái)進(jìn)行電鍍。
7)進(jìn)行電鍍。
8)從金屬板上剝離并去除抗蝕劑。
用于制造具有聚合物特征的金屬板模具或模板的工藝流程
參照?qǐng)D13來(lái)描述用于制造具有聚合物特征的金屬板模具或模板的工藝流程，如下
I)在金屬板的表面上涂覆光刻膠。
2)輸入正確的工藝參數(shù)。
3 )將3D模具裝載到?jīng)_壓工具上。
4)將金屬板裝載到工具上。
5)進(jìn)行沖壓工藝。
6)對(duì)聚合物進(jìn)行后處理以使聚合物硬化。
7)模具準(zhǔn)備好了使用。
本發(fā)明的工藝的應(yīng)用
圖19以矩陣的方式示出了不同制造工藝的對(duì)比優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)組合雙光子光刻和納米壓印，與所有競(jìng)爭(zhēng)的制造技術(shù)相比，本發(fā)明都將能夠?qū)崿F(xiàn)極低成本的器件的大規(guī)模制造。
從不同制造技術(shù)的矩陣可以看出，本發(fā)明的工藝最適合于生物學(xué)應(yīng)用。利用本發(fā)明工藝的生物學(xué)應(yīng)用非常類似于器官移植(transplantation)的臨床方法和現(xiàn)有移植 (grafting)技術(shù)。不是使用從尸體提取的生物材料，而是制造完全合成的框架以最小化疾病傳播、合適尸體的短缺和更低成本的問(wèn)題。
首先，創(chuàng)建3D模板，該3D模板是使用雙光子光刻或其它類型的快速成型技術(shù)(由最終器件的分辨率決定)創(chuàng)建的。接下來(lái)，取決于處理所需的模具的類型(柔性、硬質(zhì)、尺寸、 表面屬性和分辨率)，通過(guò)電子成型或任意其它的成型技術(shù)將圖像轉(zhuǎn)印到模具上。然后通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)卷對(duì)卷技術(shù)或通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)NIL或UV NIL技術(shù)可以產(chǎn)生僅需要單次沖壓工藝的產(chǎn)品。
該結(jié)構(gòu)是使用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序(CAD)來(lái)設(shè)計(jì)的。接下來(lái)該3D CAD繪圖被輸入到用于本發(fā)明的專用軟件，且被自動(dòng)剖切為多層。忽略具有重復(fù)圖案的層且制造用于模具制備的模板。使用該模板，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。
對(duì)于諸如全息標(biāo)簽、用于聚焦的微透鏡、IXD、包帶等單個(gè)壓印步驟就已足夠的應(yīng)用，最終產(chǎn)品被封裝以便銷售。要求更復(fù)雜3D結(jié)構(gòu)的其它應(yīng)用的每一層都將彼此結(jié)合以形成諸如組織框架、器官框架之類的較大器件。使用本發(fā)明技術(shù)，可以以4個(gè)/小時(shí)的速度生產(chǎn)器官框架。
該制造方法包括通過(guò)使用雙光子光刻來(lái)刻寫用于納米壓印的3D模板的工藝。和具有垂直或傾斜側(cè)壁的典型的灰階結(jié)構(gòu)相比，初始模板在形狀上是3D的(半球或具有彎曲側(cè)壁的其它形狀)。
基于NIL工藝流程來(lái)刻寫用于納米壓印的3D模板的工藝包括
利用形狀庫(kù)在模具制造中改善設(shè)計(jì)以確立用于大規(guī)模制造3D器件的設(shè)計(jì)規(guī)則；
使用這些3D模板來(lái)制備模具；以及
使用NIL熱、UV、沖壓和卷對(duì)卷技術(shù)進(jìn)行壓印。
利用雙光子光刻來(lái)制造器官/組織框架以創(chuàng)建任意類型的3D結(jié)構(gòu)和納米壓印從而創(chuàng)建諸如腎臟或肝臟的復(fù)雜器官的完整器官框架的方法包括
a.通過(guò)將框架的3D CAD設(shè)計(jì)剖切為多層而制造出器官/組織框架。每一層都使用納米壓印單獨(dú)制造且重疊結(jié)合以形成最終框架。使用這種技術(shù)，可以創(chuàng)建解剖學(xué)類似于體內(nèi)物理環(huán)境的框架。
b.組織工程框架，包括植物組織。
c.醫(yī)學(xué)植入器件的制造。
用于單次操作來(lái)制造諸如正弦結(jié)構(gòu)和半圓結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)的方法可以在光子學(xué)、IXD產(chǎn)業(yè)、全息標(biāo)簽、用于聚焦的微透鏡、包帶中使用。
用于制造簡(jiǎn)單3D結(jié)構(gòu)的方法，其中在NIL工藝中使用的材料既可以是合成材料也可以是生物學(xué)材料。
該制造技術(shù)可用于器官/組織工程框架的制造。
本發(fā)明的工藝是能夠?qū)崿F(xiàn)器官/組織工程的技術(shù)，關(guān)鍵創(chuàng)新點(diǎn)在下面列出。
使用3D壓印技術(shù)來(lái)制造器官/組織框架
用于框架制造的常規(guī)框架方法包括諸如溶劑澆鑄和粒子浙濾、發(fā)泡、纖維網(wǎng)和纖維結(jié)合、相位分離、融化成型、乳劑凍干、溶液鑄模和凍干之類的技術(shù)。存在與這些工藝技術(shù)相關(guān)的若干限制，諸如缺少對(duì)孔尺寸、孔的幾何形狀、孔的互連性、孔的空間分布以及框架內(nèi)部通道的構(gòu)造的精確控制。另外，這些技術(shù)中很多都采用有機(jī)溶劑(比如氯仿或二氯甲燒)作為溶解合成聚合物的工藝的一部分。由于如果存在殘留溶劑，細(xì)胞將暴露于毒素或致癌物質(zhì)，所以有機(jī)溶劑殘留的存在是常規(guī)制造方法的重大問(wèn)題。
框架制造的備選方法是通過(guò)使用高級(jí)制造技術(shù)/快速成型(RP)技術(shù)，諸如立體光刻、選擇性激光燒結(jié)(SLS)、3D印刷、熔融堆積成形(FDA)和3D bioplotter。迄今為止，僅少數(shù)研究組證實(shí)了在臨床應(yīng)用中采用RP技術(shù)。在骨組織工程中，SLS被證明在制造聚己內(nèi)酯框架方面是無(wú)用的。而且3D印刷用于創(chuàng)建負(fù)模具，聚交酯溶液可以傾倒或熱定相且分離到該負(fù)模具中以創(chuàng)建納米纖維框架。所有生物研究的結(jié)果都表明，微孔性和極精細(xì)表面特征通過(guò)增加蛋白吸收的表面積，增加了微環(huán)境中的離子溶解性且提供了用于成骨細(xì)胞的附著點(diǎn)，從而改善了骨頭到框架的生長(zhǎng)。所有提及的RP方法都尚未得到和諧復(fù)雜組織的構(gòu)建。這是由于缺少當(dāng)前RP技術(shù)的印刷分辨率，在錯(cuò)綜復(fù)雜的設(shè)計(jì)內(nèi)嵌入各種細(xì)胞類型有一定難度。現(xiàn)在能夠完成這點(diǎn)的唯一技術(shù)是器官打印，一些結(jié)構(gòu)通過(guò)這種設(shè)置打印，同時(shí)打印若干細(xì)胞類型和生物材料。然而，這種設(shè)置不適于易碎細(xì)胞類型，諸如肝細(xì)胞。而且，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，用于打印混合物的生物材料阻礙了維持功能和區(qū)別所需的細(xì)胞-細(xì)胞交互。在下面的表中示出了比較不同類型的框架技術(shù)的矩陣。
權(quán)利要求
1.ー種利用整合了雙光子光刻和納米壓印以形成亞微米3D微透鏡層的金屬膜片的エ藝的高產(chǎn)量低成本的亞微米3D微透鏡層的3D金屬模具，該エ藝包括以下步驟 (i )創(chuàng)建3D微透鏡的3D層的設(shè)計(jì)； ( )利用雙光子光刻工具來(lái)設(shè)立刻寫エ藝，以產(chǎn)生所述3D微透鏡的所述層的3D圖像； (iii)將所述層的所述3D圖像的光刻膠顯影在基板上； (iv)將ー層或更多層金屬濺射到所述層的所述3D圖像的所述光刻膠或聚合物的表面上，以形成種子金屬層；以及 (v)通過(guò)電鍍エ藝來(lái)轉(zhuǎn)印涂覆了所述種子金屬層的所述3D圖像，以形成3D金屬模具； 其中，所述3D金屬模具被用于制造所述3D微透鏡的同一層的所述3D圖像的拷貝。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高產(chǎn)量低成本的亞微米3D微透鏡層的3D金屬模具，其中，所述3D圖像的所述層的范圍是從O. Ol微米到150微米。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高產(chǎn)量低成本的亞微米3D微透鏡層的3D金屬模具，其中，所述雙光子光刻使用專用軟件來(lái)制造任意形狀的3D金屬模具以及能夠被組合以形成亞微米3D微透鏡的復(fù)雜金屬模具的不同形狀的金屬模具。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的高產(chǎn)量低成本的亞微米3D微透鏡層的3D金屬模具，其中，由柔性聚合物制成的所述金屬模具被附接到滾筒的表面上以形成柔性金屬模具的輥?zhàn)?，用?lái)進(jìn)行納米壓印以形成所述亞微米3D微透鏡層的金屬膜片。
5.ー種用于生產(chǎn)3D金屬模具以制造高產(chǎn)量低成本的亞微米3D微透鏡的系統(tǒng)，包括整合雙光子光刻的步驟和納米壓印的步驟，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(lái)制備3D微透鏡的各個(gè)層的3D金屬模具；利用納米壓印由所述3D金屬模具形成所述3D微透鏡的各個(gè)層的聚合物膜片；以及堆疊所述3D微透鏡的各個(gè)層，以制造所述亞微米3D微透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述納米壓印是熱納米壓印NIL。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述納米壓印是UV納米壓印。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其中，所述納米壓印是卷對(duì)卷納米壓印。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，在所述NILエ藝中使用的材料是合成材料或生物材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中，3D刻寫技術(shù)被用來(lái)對(duì)用于所述3D金屬模具的模板進(jìn)行構(gòu)圖。
11.一種在制造定制微透鏡以形成功能光學(xué)膜方面的3D金屬模具的制造方法,該制造方法包括以下步驟 (i)使用雙光子光刻來(lái)創(chuàng)建3D模板； ( )通過(guò)電鑄或諸如電子波束光刻或光學(xué)光刻的任意類型的成型技術(shù)，將3D圖像轉(zhuǎn)印到金屬模具上； (iii)利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)程序CAD來(lái)設(shè)計(jì)微透鏡結(jié)構(gòu)； (iv)利用以3DCAD繪圖作為輸入的專用軟件來(lái)自動(dòng)將所述微透鏡剖切為多個(gè)層； (V)去除具有重復(fù)圖案的層； (vi)制造用于金屬模具制備的模板；(vii)為各個(gè)金屬層制造主模具，以產(chǎn)生用于沖壓/卷對(duì)卷納米壓印工具的金屬模具； (viii)將產(chǎn)生的各個(gè)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，所述光學(xué)膜能夠結(jié)合到玻璃薄膜或玻璃薄層的表面上，以減小反射、全內(nèi)反射，收集光和將所收集的光聚焦到有源器件上。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的在制造定制微透鏡方面的3D金屬模具的制造方法，其中，由金屬板制成的、表面上電鍍有金屬特征的所述金屬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)樱脕?lái)進(jìn)行納米壓印。
全文摘要
本發(fā)明涉及3D金屬模具及其制造系統(tǒng)和方法。公開(kāi)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(kāi)了使用該工藝的應(yīng)用。
文檔編號(hào)G03F7/20GK102981358SQ20121037515
公開(kāi)日2013年3月20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(yáng)應(yīng)用系統(tǒng)公司