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CN100395121C - 热压印方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种热压印方法，尤其是在高分子材料上形成微纳米图案结构的热压印方法。该热压印方法包括提供一基底和一具有预定图案的压模，所述基底为在其玻璃化温度之上有较好流动性的高分子材料；将压模与基底置于一腔室内，将所述腔室内抽真空，并将压模与基底对准；向所述腔室内通入小分子物质蒸汽；加热压模与基底至基底的玻璃化温度之上，并向所述压模与基底施压；之后，将压模与基底冷却，最后将压模与基底分离，从而完成压印工艺。本发明通过通入小分子物质蒸汽以降低压模与基底界面间的吸附能，实现微纳米图形结构的精确转移，操作简单、成本低廉；从而克服了现有技术中操作较复杂、成本较高的不足。

Description

热压印方法
【技术领域】
本发明涉及一种热压印方法，尤其是在高分子材料上形成微纳米图案结构的热压印方法。
【背景技术】
热压印技术是一种可大批量重复性地制备纳米图形结构的技术。目前，其广泛应用于微机电芯片、CD(Compact Disk)存储与磁存储、光电及光学器件、生物芯片和微流体器件等的制备。
热压印技术(Hot Embossing Lithography，简称HEL)由Stephen Y.Chou于1995年首先提出并相应提出专利申请，参见美国公告专利第5,772,905号。该热压印技术的工艺参见图1(a)～1(d)。如图1(a)所示，提供一压模200，其由压模本体201、微浮雕结构的凸结构202及相邻凸结构之间的凹结构(图中未标示)构成，且凹凸结构尺寸达纳米级；提供一高分子材料基底300，其一般为热塑性或热可固化高分子材料，在其玻璃化温度之上具有很好的流动性，例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其玻璃化温度约为105℃；在抽真空下的腔室(Chamber)，将压模200与高分子材料基底300对准。通过加热器400对压模200及高分子材料基底300加热，并加压(图1(b)箭头所示方向为热压方向)，使压模200与高分子材料基底300充分接触，从而将压模200上的微浮雕结构转印到高分子材料基底300(如图1(c)所示)。之后，如图1(d)所示，冷却压模200与高分子材料基底300，破真空后，将压模200与高分子材料基底300分离(图1(c)中箭头所示方向为去模方向)，从而完成整个热压成形过程。但是，(1)由于微浮雕结构的凸结构202细微，达纳米级；压模200与高分子材料基底300之间的界面吸附力很强，从而导致高分子材料基底300沾附在压模200上；(2)热压工艺完成后，即进行脱模工序，由于材料本身属性(一般压模材料采用金属、半导体材料、介电材料、陶瓷及其结合)，压模的降温速率比高分子材料基底要快，导致压模200与形成在高分子材料基底300的微浮雕结构的凸结构相互卡住。当通过外力将压模200与高分子材料基底300分离时，以上两种现象都将导致压印图案受损，从而难以实现图案的精确转移。
因此，有必要达成纳米图形结构的精确转移以实现制备各种应用器件的高产率。
为达成纳米图形结构的精确转移，现有技术中采用下列解决方案：(1)参见美国专利申请公开第20020127499号，其通过在压模表面形成一薄膜层，由于薄膜层的材质具有低表面能，从而能在一定程度上抑制高分子材料基底的微浮雕结构粘附在压模之上。但是，由于微浮雕结构的尺寸已达纳米级，再在其表面形成一薄膜层相当困难，且该薄膜层必须相当的薄以保持微浮雕结构的特征尺寸；另外，所形成的薄膜层与压模附着不够牢固，易于脱落；因此其操作比较困难，成本较高。(2)参见美国专利申请公开第20010027570号，其通过采用具有三角轮廓的微浮雕结构的压模，从而有利于压模与高分子材料基底的分离，而不会出现压模与形成在高分子材料基底的微浮雕结构相互卡住的现象；但由于采用该具有三角轮廓的微浮雕结构的压模，其在高分子材料基底上形成的微浮雕结构亦具有三角轮廓，为实现后续的图形转移(蚀刻或剥离工序)，必须增加一掩模；因此，其工序较复杂，成本较高。
有鉴于此，为提高各种应用器件制备的产率，达成纳米图形结构的高精度转移，有必要提供一操作简单、成本低、且具有高的图形转移精度的热压印方法。
【发明内容】
为解决现有技术中热压印方法的操作较复杂、成本较高的缺点，本发明提供一操作简单、成本低，且具有高的图形转移精度的热压印方法
为实现本发明的目的，本发明提供一热压印方法，其包括以下步骤：
提供一基底，所述基底为在其玻璃化温度之上有较好流动性的高分子材料；
提供一压模，所述压模具有一预定图案；
将压模与基底置于一腔室内，将所述腔室内抽真空，并将压模与基底对准；
向所述腔室内通入小分子物质蒸汽；
加热压模及基底，并向所述压模及基底施压；
冷却压模与基底；
将压模与基底分离。
所述基底包括热塑性聚合物(Thermoplastic Polymers)。
所述小分子物质蒸汽选自水蒸汽或酒精蒸汽。
优选的，所述压模的预定图案的凸结构具有3～5度的脱模角。
优选的，所述冷却压模与基底，包括将压模缓慢降温，同时将基底快速冷却。
相对于现有技术，本发明通过通入小分子物质蒸汽以降低压模与基底之间的强界面吸附能，操作简单、成本低，且能有效地抑制形成在基底的预定图案的凸结构粘附在压模之上，从而利于图形的高精度转移。优选的，在压模的预定图案的凸结构上形成有3～5度的脱模角；在基本上不改变凸结构的轮廓的条件下，使压模与基底易分离。优选的，在冷却压模与基底过程中，将压模缓慢降温，同时将基底快速冷却，使压模在基底上形成的预定图案的凸结构相对于压模上的预定图案的凸结构是收缩的；从而更有利于压模与基底的分离。
【附图说明】
图1(a)～1(d)是现有技术的热压印工艺流程示意图。
图2(a)～2(d)是本发明实施例的热压印工艺流程示意图。
图3是相关本发明的压模预定图案的凸结构具有3～5度脱模角的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图将对本发明作进一步的详细说明。
参见图2(a)～2(d)，本发明所提供的热压印方法，其包括以下步骤：
如图2(a)所示，提供一基底30，该基底为高分子材料，在其玻璃化温度(下面以Tg表示)之上有较好的流动性；例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，其玻璃化温度Tg约为105℃；
提供一压模20，其由压模本体21、形成在压模本体21上的预定图案的凸结构22及相邻凸结构之间的凹结构(图中未标示)构成。该压模材料相对于基底材料较硬，其具有高Knoop硬度(努普显微压痕硬度)、大压缩强度、大抗拉强度、高热导率、低热膨胀系数、高抗腐蚀性等特点，例如镍压模；且压模20下表面(即其与基底的接触面)的预定图案，其特征尺寸可达微米或纳米；
将压模20与基底30置于一腔室(Chamber)(未示出)内，抽真空并将压模20与基底30对准；
向腔室内通入小分子物质蒸汽50，通过小分子物质的扩散以润湿压模的预定图案结构，降低压模的预定图案结构的表面吸附能；
如图2(b)所示，通过上压板加热器40及下压板加热器40′分别对压模20与基底30加热至基底玻璃化温度Tg之上(通常将压模及基底加热至基底的玻璃化温度Tg之上50℃～100℃)；通过上压板10及下压板10对压模与基底施加均衡稳定的压强(约40～100Bar，1Bar＝105Pa)，将压模的预定图案的凸结构22压入基底(图2(b)中的箭头方向为施压方向)；
将压模20与基底30冷却；
当压模20与基底30的温度降至基底的玻璃化温度附近(约为Tg±(10～30℃))时，将压模20与基底30分离(图2(c)中的箭头方向为去模方向)；最终如图2(d)所示，在基底30上形成与压模预定图案互补的图案，即完成热压成形工艺，以便进行后续的图形转移。
优选的，所述压模的预定图案的凸结构具有3～5度的脱模角(如图3所示，脱模角θ＝3～5)；通过在预定图案的凸结构上形成3～5度的脱模角，即在基本上不改变凸结构的轮廓的条件下，使基底材料不易沾附在压模上，从而更有利于压模20与基底30的分离。
优选的，所述将压模20与基底30冷却，采取将压模20缓慢降温，同时将基底30快速冷却的方法；现有技术中，在热压成形工艺压模与基底的冷却过程，由于压模与基底本身的材料属性，压模的降温速率比基底要快，造成压模上的预定图案的凸结构热胀冷缩，导致其上的预定图案的凸结构的收缩速率比基底快，从而压模的预定图案的凸结构与形成在基底上的互补图案的凸结构相互卡住而难以卸下来；因此，在压模20与基底30的冷却过程中，通过上压板加热器40将压模20缓慢降温，同时通过下压板加热器40′将基底30快速冷却，使在基底上转印出的预定图案的凸结构相对于压模上的预定图案的凸结构22是收缩的，从而使压模20与基底30易于分离。
上述实施例中，所述高分子材料基底，还包括热塑性聚合物(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。
上述实施例中，所述压模还包括硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅、氟化硅氧烷聚合物等金属、半导体材料、介电材料、陶瓷、有机材料及其结合。
上述实施例中，所述压模的预定图案，包括凹凸结构(Pits)、凹槽结构(Grooves)、凸块结构(Bumps)、微波纹形结构(Microwaviness)及其结合。
上述实施例中，所述小分子物质蒸汽包括水蒸汽、酒精蒸汽等。
综上所述，本发明提供的热压印方法，操作简单及成本低，且能有效地抑制基底材料粘附在压模上，压模与基底易分离；从而达成操作简单、低成本、高精度的图形转移。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其它变化，如通入其它小分子物质蒸汽等设计。当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (8)

1.一种热压印方法，其包括：提供一基底，所述基底为在其玻璃化温度之上有较好流动性的高分子材料；提供一压模，所述压模具有一预定图案；将压模与基底置于一腔室内，将所述腔室内抽真空，并将压模与基底对准；向所述腔室内通入小分子物质蒸汽，以降低压模的预定图案结构的表面能；加热压模及基底，并向所述压模及基底施压；冷却压模及基底；将压模与基底分离。
2.如权利要求1所述的热压印方法，其特征在于，所述基底包括热塑性聚合物。
3.如权利要求2所述的热压印方法，其特征在于，所述热塑性聚合物包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚苯乙烯。
4.如权利要求1所述的热压印方法，其特征在于，所述小分子物质蒸汽包括水蒸汽。
5.如权利要求1所述的热压印方法，其特征在于，所述小分子物质蒸汽包括酒精蒸汽。
6.如权利要求1所述的热压印方法，其特征在于，所述压模的预定图案的凸结构具有3～5度的脱模角。
7.如权利要求1所述的热压印方法，其特征在于，所述冷却压模与基底，包括将压模缓慢降温，同时将基底快速冷却。
8.如权利要求6所述的热压印方法，其特征在于，所述冷却压模与基底，包括将压模缓慢降温，同时将基底快速冷却。
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