专利名称：使用2d光子光刻和纳米压印来制造亚微米3d结构的3d模具及其工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用整合了双光子光刻和纳米压印技术的工艺来制造亚微米3D 结构从而制造出高产量和低成本的亚微米3D结构的3D模具。
背景技术：
双光子光刻是一种从液体光敏材料得到复杂三维结构的非常强大但又十分简单 的技术。双光子聚合(TPP)基于两个光子的同时吸收，这在透明矩阵(matrix)内的起动分 子与单体之间引发了化学反应。两个光子的吸收需要极高的峰值强度，因而，需要超短脉冲 激光器来提供这种高强度。先前，双光子吸收(TPA)最常见的应用是双光子共聚焦显微镜， 其中在以TPI方式被激励之后观察到染色分子的荧光。在标准光子和立体光刻技术中使用 的单光子吸收本质上是二维的，因为紫外光在最初的几微米内被树脂吸收。因为光敏树脂 在近红外(NIR)区域中是透明的，所以NIR激光脉冲可以聚焦到树脂的体积内。当激光焦 点在树脂的体积内三维移动时，沿着允许制造任意3D微结构的路径开始聚合处理。TPA的速率是非线性的或者与入射强度成平方关系，因此，能够在聚合结构中实现 比IOOnm更好的横向分辨率。对于需要3D结构的很多应用，诸如组织工程框架、生物医学 植入、微透镜、微光器件和在几微米内需要3D分辨率的其它微型器件(MEMS)，TPP工艺提供 了快速且简单的方法来实现所需的分辨率。纳米压印纳米压印的原理是很简单的。图3中示出了原型NIL工艺中发展出的工艺方案。 包含微米_纳米尺度表面起伏的硬质模具在受控的温度和压力下被压入锻造在基板上的 聚合物材料中，由此产生聚合物材料中的厚度反差。聚合物材料的薄残留层保留在模具突 起下方且用作软垫层，该软垫层防止硬质模具对基板的直接影响且有效地保护模具表面上 的精细纳米尺度特征。对于大多数应用，这种残留层需要通过各向异性的O2等离子体蚀刻 工艺去除以完成图案定义。纳米压印光刻工艺中的步骤目前已经发展出了被称为步进闪光压印光刻(SFIL)或UV纳米压印光刻的纳米压 印的变型。在这种技术中，如下面所述，使用透明模具和可UV固化的前体液体来定义图案， 从而能够在室温下实施该工艺。
权利要求
一种生产3D模具以制造高产量低成本的亚微米3D结构产品的工艺，所述工艺整合了双光子光刻和纳米压印，其特征在于包括以下步骤使用双光子激光光刻和3D刻写技术来制备该3D结构产品的每一层的3D模具；并利用纳米压印由3D结构的每一层的所述3D模具形成该层的一片聚合物膜；以及制造每一层以获得所述亚微米3D结构产品。
2.一种高产量低成本的亚微米3D结构产品的层的3D模具，其中，该层的3D模具是这 样创建的利用双光子激光光刻和3D刻写技术获得该3D结构产品的每一层的3D模具，并 使用纳米压印来形成3D结构的每一层的一片聚合物膜，从而获得所述亚微米3D结构产品 的该层的3D模具。
3.根据前述权利要求中任一项所述的利用整合了双光子光刻和纳米压印的工艺的高 产量低成本的亚微米3D结构产品的层的3D模具，其中，该层的3D模具是如下制造的 创建3D结构的3D层的设计；利用双光子光刻工具来设立刻写工艺，以产生该3D结构产品的该层的3D图像；将该层的3D图像的光刻胶/聚合物显影在基板上；将一层或多层金属溅射到该层的3D图像的光刻胶/聚合物的表面上，以形成种子金属层；通过电镀工艺来转印涂覆了该种子金属层的3D聚合物图像，以形成3D金属模具；其中，该3D金属模具将被用于制造3D结构产品的同一层的3D图像的拷贝。
4.根据权利要求3所述的创建亚微米3D结构产品的3D层的模具的设计的步骤，其中， 该步骤包括以下处理将3D CAD的底座锚定在该基板的表面上、补偿聚合物收缩，并使其 在机械方面足够强以防止该亚微米3D结构在冲洗和干燥工艺中塌陷。
5.根据权利要求3所述的设立刻写工艺以产生3D层的模具的步骤，其中，每一层的3D 图像都是厚度从0. 01微米到150微米的图像。
6.根据权利要求3所述的设立刻写工艺以产生3D层的模具的步骤，其中，每一层的3D 图像优选地都是厚度为100微米的图像。
7.根据权利要求3所述的设立刻写工艺以产生3D层的模具的步骤，其中，厚度从0.01 微米到100微米的每一层的参数被用作制造该层的模具的输入。
8.根据权利要求3所述的设立刻写工艺以产生3D层的模具的步骤，其中，优选为100 微米的每一层的参数被用作制造该层的模具的输入。
9.根据前述权利要求中任一项所述的3D层的3D图像，其中，该3D图像的每一层都是 从0.01微米至150微米。
10.根据权利要求3所述的将该层的3D图像的光刻胶/聚合物显影在基板上的步骤， 其中，该步骤包括以下处理清洁该基板，在该基板上涂覆旋涂抗蚀剂，使用溶剂去除该基 板背面上的所有光刻胶，如有必要对该基板进行预烘烤，将该基板放置到真空吸盘上，开启 真空，对准晶片，输入正确的工艺参数，标记和检查该基板以确保每个器件都正确地定位， 以及去除该基板的该层的图像的切片的该光刻胶/聚合物。
11.根据权利要求3所述的通过将一层或多层金属溅射到图像的光刻胶/聚合物的表 面上来形成种子金属层的步骤，其中，该步骤包括以下处理核实该基板上没有光刻胶残留 物或遗留其它材料，将晶片放置到溅射工具中，将腔体泵降到基础压力，执行简短的等离子 体清洗工艺以确保该表面是清洁的，逐层地沉积一个或多个金属层以形成种子金属层，以及从腔体中取出晶片。
12.根据权利要求3所述的通过电镀工艺来转印由种子金属层形成的聚合物图像以 形成金属模具的步骤，其中，该步骤包括以下处理将具有种子金属层的基板放置到电镀池 中，设置电镀参数，进行电镀直到达到期望厚度为止，从支座上取下晶片，从3D模具上去除 抗蚀剂，用去离子水彻底冲洗模具，研磨3D模具的背面和边缘以进行尺寸调整，在去离子 水中冲洗3D模具，对3D模具的表面执行O2等离子体清洗。
13.根据权利要求3所述的通过电镀工艺来转印由种子金属层形成的聚合物图像以 形成金属模具的步骤，其中，该步骤包括以下处理将具有种子金属层的基板放置到电镀池 中，设置电镀参数，进行电镀直到达到期望厚度为止，从支座上取下晶片，从3D模具上去除 抗蚀剂，用去离子水彻底冲洗模具，剖切3D模具的背面和边缘以进行尺寸调整，在去离子 水中冲洗3D模具，对3D模具的表面执行O2等离子体清洗。
14.根据权利要求3所述的通过电镀工艺来转印由种子金属层形成的聚合物图像以 形成金属模具的步骤，其中，该步骤包括以下处理将具有种子金属层的基板放置到电镀池 中，设置电镀参数，进行电镀直到达到期望厚度为止，从支座上取下晶片，从3D模具上去除 抗蚀剂，用去离子水彻底冲洗模具，冲压3D模具的背面和边缘以进行尺寸调整，在去离子 水中冲洗3D模具，对3D模具的表面执行O2等离子体清洗。
15.根据权利要求3所述的制造模具的步骤，其中，该步骤包括以下处理用光刻胶来 涂覆基板，设置冲压工具的工艺参数，通过一系列冲压和步进序列将3D图像从金属模具转 印到大基板上，在处理之后对抗蚀剂进行显影，将抗蚀剂/聚合物从基板上剥离，将基板包 裹在夹具上以形成圆筒，对圆筒进行电镀直到达到期望厚度为止，对圆筒进行研磨和抛光 以校正光洁度和厚度。
16.根据权利要求3所述的制造模具的步骤，其中，该模具包括主模具和辅模具。
17.根据权利要求3所述的在制备2个辊子模具时制造模具的步骤，其中，针对3D结构 的层的上表面制备一模具，且针对3D结构的同一层的下表面制备另一模具，其中，随后将 各层对准且压在一起以粘合在一起而形成多层结构。
18.根据权利要求3所述的在纳米压印工艺中使用模具的步骤，其中，该纳米压印工艺 包括热NIL或UV NIL或卷对卷NIL。
19.根据前述权利要求中任一项所述的3D模具，其中，双光子光刻使用专用软件来制 造任意形状的3D模具以及可以组合以形成复杂模具的不同形状的模具。
20.根据前述权利要求中任一项所述的3D模具，其中，与具有垂直或倾斜侧壁的典型 灰阶结构相比，初始模板在形状方面是3D的(半球或具有弯曲侧壁的其它形状)。
21.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具，其中，由柔性聚合物制成的模具被附 接到滚筒的表面上以形成柔性聚合物模具的辊子，用来进行纳米压印。
22.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具，其中，由金属板制成的模具被附接到 滚筒的表面上以形成具有聚合物特征的金属板模具的辊子，用来进行纳米压印。
23.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具，其中，由铝板制成的模具被附接到滚 筒的表面上以利用镍主模具形成压印了金属特征的铝板的辊子，用来进行纳米压印。
24.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具，其中，由表面上电镀了金属特征的金 属板制成的模具被附接到滚筒的表面上以形成具有金属特征的金属板模具的辊子，用来进行纳米压印。
25.根据前述权利要求中任一项所述的制造3D模具的工艺，其中，该工艺遵循OTL工艺 流程，并包括使用形状库改进模具制造的设计，以建立用于3D器件的批量制造的设计规则，使用这 些3D模板来制备模具；使用NIL热冲压、UV、冲压和卷对卷技术。
26.一种用于生产3D模具以制造高产量低成本的亚微米3D结构产品的系统，整合了 双光子光刻和纳米压印的所述系统的特征在于，使用双光子激光光刻和3D刻写技术来制 备3D结构的每一层的3D模具；并利用纳米压印由3D模具形成3D结构的每一层的一片聚 合物膜；并堆叠3D结构的每一层，以制造该亚微米3D结构产品。
27.根据权利要求22所述的生产3D模具以制造高产量低成本的亚微米3D结构产品的 系统，其中，该系统利用3D刻写技术来对用于3D模具的模板进行构图。
28.根据权利要求22所述的制造高产量低成本的亚微米3D结构产品的系统，其中，纳 米压印是热NIL或UV NIL或卷对卷纳米压印。
29.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造器官/组织框架的多个3D模具，其中， 创建诸如肾脏或肝脏这样的复杂器官的完整器官框架的3D结构的图像的多个层，包括以 下方面a.通过将框架的3DCAD设计剖切为多个层而制造的器官/组织框架，每一层都是使用 纳米压印单独制造的，重叠和结合所有层以形成最终的框架，创建这种框架，这些框架在解 剖学上类似于活体物理环境中创建的框架，b.组织工程框架，c.医学可植入器件的制造。
30.根据前述权利要求中任一项所述的用于经单次操作来制造诸如正弦结构和半球之 类的简单3D结构的3D模具，其中，在制造光子学器件、LCD产业、全息标签、用于聚焦的微 透镜、包带中使用单次冲压纳米压印工艺。
31.根据前述权利要求中任一项所述的用于制造简单3D结构的3D模具，其中，NIL工 艺中使用的材料既可以是合成材料也可以是生物材料。
32.根据前述权利要求中任一项所述的多个3D模具在制造用于组织工程的框架方面 的应用，该应用包括以下步骤a.使用双光子光刻来创建3D模板，b.根据工艺所需的模具类型(柔性、硬质、尺寸、表面属性以及分辨率)，通过电铸或任 意类型的成型技术，例如电子束光刻或光学光刻，将3D图像转印到3D模具上，c.利用计算机辅助设计程序CAD来设计结构，d.使用以3DCAD绘图作为输入的专用软件来自动将所述结构剖切为多个层，e.去除具有重复图案的层，f.制造用于模具制备的模板，g.为每一层制造主模具，以产生用于冲压/卷对卷纳米压印工具的硬质/柔性模具，h.将产生的每一层彼此层叠以形成物理尺寸与实际天然框架接近的完整器官框架。
33.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具在制造医学器件方面的应用，所述医学器件例如是用于需要物理治疗的神经和骨骼以引导神经和骨头生长的桥接体，该应用包括以下步骤a.使用双光子光刻来创建3D模板，b.根据工艺所需的模具类型(柔性、硬质、尺寸、表面属性以及分辨率)，通过电铸或任意类型的成型技术，例如电子束光刻或光学光刻，将3D图像转印到模具上，c.利用计算机辅助设计程序CAD来设计结构，d.利用以3DCAD绘图作为输入的专用软件来自动将所述结构剖切为多个层，e.去除具有重复图案的层，f.制造用于模具制备的模板，g.为每一层制造主模具，以产生用于冲压/卷对卷纳米压印工具的硬质/柔性模具，h.将产生的每一层彼此层叠以形成物理尺寸与实际天然框架接近的完整器官框架。
34.根据权利要求1至3中任一项所述的3D模具在制造定制微透镜以形成更多功能的光学膜方面的应用，该应用包括以下步骤a.使用双光子光刻来创建3D模板，b.根据工艺所需的模具类型(柔性、硬质、尺寸、表面属性以及分辨率)，通过电铸或任 意类型的成型技术，例如电子波束光刻或光学光刻，将3D图像转印到模具上，c.利用计算机辅助设计程序CAD来设计结构，d.利用以3DCAD绘图作为输入的专用软件来自动将所述结构剖切为多个层，e.去除具有重复图案的层，f.制造用于模具制备的模板，g.为每一层制造主模具，以产生用于冲压/卷对卷纳米压印工具的硬质/柔性模具，h.将产生的每一层彼此层叠以形成完全由具有定制设计曲率的复合微透镜制成的完 整光学膜，其中，该光学膜可以结合到薄膜的表面上或玻璃的薄层上，以减小反射、全内反射、收 集光和将收集的光聚焦到有源器件上。
全文摘要
公开了一种制造3D模具以制造高产量低成本的亚微米3D结构产品的工艺。该工艺整合使用了双光子激光光刻和3D刻写技术以制备3D结构产品的每一层的3D模型，且利用纳米压印由该层的所述3D模具形成3D结构的每一层的一片聚合物膜。该片聚合物膜的每一层然后制造成亚微米3D结构产品。高产量低成本的亚微米3D结构产品的每一层的3D模具进一步被用于制备主模具，该主模具然后用于形成3D结构的每一层的一片聚合物膜以制造亚微米3D结构产品。还公开了使用该工艺的应用。
文档编号G03F1/00GK101971092SQ200980108977
公开日2011年2月9日 申请日期2009年11月23日 优先权日2008年12月22日
发明者简锡恒 申请人:艳阳应用系统公司