微观尺度模具的制造技术

专利名称：微观尺度模具的制造技术
微观尺度模具的制造技术领域
本专利申请涉及用于制造微结构化的模具或制品的光学直写方法。
技术背景
具有微结构化表面特征的制品包括在其表面上具有多个结构(凸起、凹陷、凹槽 等)的那些制品，其中所述结构在至少两个维度具有微观尺度。微结构化表面特征可通过 任何接触技术(例如浇铸、涂布或压制)在制品之内或之上形成。通常，微结构化表面特征 可通过下列方法中的至少一种制备(1)浇铸在具有微结构化图案的模具上，(2)涂布在具 有微结构化图案的结构化薄膜(例如隔离衬垫)上，或者(3)将制品通过压料辊，以将制品 压紧至具有微结构化图案的基材上。
可以使用例如化学蚀刻、机械蚀刻、激光烧蚀、光刻、立体光刻、微加工、滚花、切割 或划线等任何已知的技术来制备用于在制品或薄膜中形成微结构化图案的模具的表面特 征。机床行业能够产生制备微结构化制品所需的多种图案，并且可形成出具有凸起的大小、 形状和深度/高度的不同图案的欧氏几何图案。模具可以包括平面压机、圆柱形滚筒和其 他曲线形状。
然而，通过加工金属模具来制备符合客户规格要求的微结构化制品可能是一个耗 时的过程。此外，一旦加工了金属模具，要根据客户要求的变化而改变微结构化图案，既困 难又费用高昂。所需加工时间会延误生产并增加总成本，因此需要能缩短制备适合生产微 结构化制品的模具所需的时间的方法。
在需要快速原型制作和较短产品寿命(例如电子行业常常遇到的情形)的领域， 需要通过耗时短、成本低的模具制备方法来形成微结构化制品。拥有一种能够制备比常规 方法目前可提供的规格更大的模具的方法也是有利的。发明内容
本发明涉及用于制备复制模具的方法，该模具可随后用来制备微结构化制品。本 文详述的方法描述了在基材上形成微结构化模具结构以产生母模，这些微结构化模具结构 以图案形成微结构化阵列。然后可以用形成的母模制备复制模具，继而用复制模具制备所 需制品，如光导装置。
制备复制模具的过程从形成母模开始。母模在部分透明的基材上形成。在基材的 第一表面上涂覆可光聚合液体。可光聚合液体可被在第一位置通过基材进入可光聚合液体 的光束曝光。光束可具有足以将可光聚合液体固化以形成第一模具结构的光束特性。光束 特性包括光束形状、光束强度分布、总光束强度和曝光时间。接触基材表面的可光聚合液体 的一部分可被固化，以形成第一模具结构。将基材相对于光束平移。曝光、固化步骤和平移 步骤可重复多次，以形成模具结构阵列。形成模具结构阵列之后，移除未固化的可光聚合液 体。
通过将可成形材料紧贴母模表面放置，可以形成复制模具。母模上的模具结构阵列的负轮廓被转移到可成形材料中。然后从母模上移除可成形材料，以产生复制模具。
以上发明内容并不旨在描述本发明的每个图示实施例或每个具体实施方式
。其后 的附图和具体实施方式
会更具体地说明这些实施例。


将结合附图进一步描述本发明，其中
图IA为示出根据本发明的单个模具结构的形成过程的图示；
图IB为根据本发明的示例性模具结构的示意图2A示出根据本发明的用于刻写模具结构的示例性装置的示意图2B示出根据本发明的用于在母模上形成模具结构的示例性方法的示意图2C示出根据本发明的用于形成复制模具的示例性方法的示意图3示出根据本发明形成的一个示例性单模具结构的显微照片；
图4示出根据本发明形成的几个示例性单模具结构的显微照片；
图5示出根据本发明形成的示例性模具结构阵列的显微照片；
图6示出根据本发明形成的另一个示例性模具结构阵列的显微照片；和
图7示出根据本发明形成的另外的示例性模具结构的显微照片；
图8示出根据本发明形成的母模的一部分的显微照片；
图9示出采用图8的母模形成的根据本发明的复制模具的显微照片；
图10示出采用图9的复制模具形成的根据本发明的二次复制品的显微照片。
虽然本发明可修改为各种修改形式和替代形式，其具体形式已在附图中以举例的 方式示出并将做详细描述。应当理解，并不意在将本发明局限于所述的具体实施例。相反， 其目的在于涵盖落入所附权利要求书所限定的本发明范围内的所有修改形式、等同形式和 替代形式。
具体实施方式
在以下对优选实施例的详细描述中参考了附图，附图示出了可实施本发明的具体 实施例。所示出的实施例并不意味着囊括了根据本发明的所有实施例。应当理解的是，可 以采用其他的实施例，且在不偏离本发明范围的情况下可以进行结构或逻辑的改变。因此 不能认为以下的详细描述具有限制意义，本发明的范围由所附的权利要求书限定。
本发明涉及用于制备母模的方法，该母模可随后用来制备微结构化制品。如上所 述，微结构化制品具有在其表面上带有结构(凸起、凹陷、凹槽等)的表面特征，这些结构在 至少两个维度具有微观尺度。在此所用的术语“微观尺度”是指不借助显微镜时人眼难以 分辨的维度。在一些情况下，微结构的维度小于500 μ m，或小于200 μ m，或小于100 μ m。
本文详述的方法描述了在基材上形成微结构化图案(例如微结构化阵列)以产生 母模。微结构化图案可包括(例如)凸起结构、连续和不连续的凹槽、脊、以及它们的组合。
用于制备母模的基材可以多种多样。在一些情况下，基材材料可以足够刚性、平坦 和稳定，以允许准确形成微结构化阵列。基材应可透过用来产生该阵列的结构的光的波长。 合适的基材材料包括(但不限于)玻璃、石英或刚性或柔性聚合物材料。
微结构的形状可多种多样。例如，底部可以为圆形、椭圆或多边形，所得侧壁可通过大致为球形、椭圆、抛物线、双曲线、或它们的组合的垂直剖面(垂直于底部截取)来表 征。优选地，可采用不垂直于结构的底部(例如呈约10度至约80度的角度)的侧壁。结 构可以具有连接其顶部中心与其底部中心的主轴线。
通过将多个这类微结构组合，可以形成更复杂的结构和阵列图案。阵列可具有多 种集合排列方式，其中包括规则排列方式(如正方形或六边形)或无规阵列之类的不规则 排列方式。阵列中的结构的尺寸和形状也可以在整个阵列中变化，或者可以形成具有类似 结构的局部区域。例如，高度可以根据具体结构距具体点或线的距离而变化。
例如，参见图1B，本文所述方法可用来制造结构的阵列，该结构具有在约5μπι至 约500 μ m(优选地为约10 μ m至约300 μ m)范围内的高度dmax和/或在约5 μ m至约 500 μ m(优选地为约10 μ m至约300 μ m ；更优选地为约50 μ m至约250 μ m)范围内的最大 长度L和/或最大宽度。
母模可包括几千个模具结构，这些模具结构可以在复制模具中产生对应数量的结 构。通过施加可成形材料使其紧贴母模上的模具结构可形成复制模具。可成形材料可通过 以下方法施加将可固化材料浇铸到表面上具有模具结构的母模上，或者使可热成形材料 的薄膜经过压料辊，以将可热成形材料压紧至表面上具有模具结构的母模上。
通过类似方法施加第二可成形材料使其紧贴纹理化复制模具的表面，可以形成二 次复制品。
在示例性方法中，可以利用形成具有微观尺度三维结构的母模的方法来产生用于 光提取材料(light extraction material)的模具结构。该方法可结合图IA和图2B进行 描述。
如图IA所示，通过用光源(未示出)发出的光化学光束130短暂曝光设置在第一 表面IOOa上的可光聚合材料或液体120，可以在基材100上形成模具结构110。随着光束 130穿过基材100，它入射到第二表面IOOb上。光源可以为宽谱光源(例如汞蒸气灯)或 具有离散波长分布的光源(例如激光器或激光二极管)。光束130穿过光束修整装置140， 以在用来曝光可光聚合液体120之前先修整和聚焦光束。光束修整装置140可包括透镜、 滤光器、反射镜、光掩模或它们的组合。基材100应部分可透过用来引发可光聚合液体120 的聚合反应的光束130的波长。例如，在用来固化可光聚合液体的光的波长下，基材应具有 大于10% (优选大于50%，更优选大于90%)的透过率。光束穿过基材，使得光束大致垂 直于基材，但光束也可以不垂直于基材的角度穿过基材。
曝光之后，可光聚合液体的一部分会发生聚合，聚合的深度取决于光束特性，例如 光化学光束的强度分布、光束总强度、曝光时间和可光聚合液体的响应特性。当光束的强度 分布135为高斯分布，并且可光聚合材料的响应使得聚合深度为曝光量的对数函数时，利 用单次曝光可以产生具有适形于抛物面截面的结构的母模。
在实施本发明的方法的过程中，可以用具有足够总强度的光束曝光可光聚合液 体，以引发可光聚合液体的聚合或交联。光束的其他特性(即光束形状、光束强度分布和用 光束曝光可光聚合液体的时间)会支配着用本文所述方法刻写的模具结构的最终形状。使 用者可以事先选择这些光束特性。
图2A示出了可用来实施本发明方法的一种示例性制造系统。制造系统200包括 光源232、光束修整装置MO (可包括用来限定光束的强度分布和形状的多个反射镜、小孔、掩模和透镜)和可移动载台系统250。载台系统250可以三维移动，并可包括协同工作并 用控制器(未示出)精准控制的一个、两个或三个单独的载台。顶面涂覆有可光聚合液体 120的基材100可通过安装座270支撑在载台系统250上。
由光源232发出的光束230穿过光束修整装置M0，并可通过基材100进入可光聚 合液体120。在可光聚合液体120的曝光量足以导致聚合的区域中，可光聚合液体120会聚 合并形成模具结构。在可光聚合液体120的曝光量不足以导致聚合的区域中，可光聚合液 体不会反应，仍将保持低粘度液体。在本发明的一个方面，用来曝光和固化可光聚合液体的 光束穿过不采用光掩模来对光束进行修整的光学系统。
在基材100已被载台系统250移动之后，可以在可光聚合液体中的第二位置形成 后续模具结构。作为另外一种选择，通过(例如)使用振动反射镜、压电反射镜或声光偏转 器和望远镜移动激光束，或者通过移动光束修整光学系统MO的一个或多个元件，可以将 光束导向基材上的第二位置。这样，可以在反复曝光的同时在整个基材上扫描或平移光束 的焦点，以产生模具结构阵列。在任一方面，光束和可光聚合液体的曝光部分可相对彼此移 动。
在用于刻写模具结构的装置的另一个方面，如果光源能级不够，可以增加至少一 个分束器或其他倍增光学元件(未示出)。通过增加至少一个分束器，可以在不显著增加设 备成本的情况下，一次刻写不止一个模具结构或不止一个模具结构阵列。
图2B示出了用于制备母模的示例性方法。提供基材100，并在基材的第一表面 IOOa上涂覆任选的增粘剂105。通过本领域技术人员已知的多种涂布方法(包括例如浸涂、 刮涂和旋涂)中的任何一种可以将增粘剂涂覆到基材表面。增粘层可增加模具结构110与 基材100的粘附力，从而有助于确保较长的模具寿命。
合适的增粘剂包括(但不限于)3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷、乙烯基三 甲氧基硅烷、氯丙基三甲氧基硅烷、3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷、以及它们的组合。
然后，通过本领域技术人员已知的多种涂布方法(包括例如刮涂和灌涂(flood coating))中的任何一种将可光聚合液体120涂覆到增粘层上。基材可具有围绕其外周边 形成的坝102(图2A)，用来在刻写结构过程中保留基材上的可光聚合液体。基材上涂覆的 液体厚度应大于或等于待制备的模具结构的高度。另外，可以在坝102顶部设置任选的顶 盖103(图2A)，以防止刻写过程中可光聚合液体过度蒸发。
可光聚合液体为低粘度液体，在室温下具有小于约200cP (优选小于约40cP)的粘 度。可光聚合材料或液体可包括在使用合适的光引发剂或光敏化剂时能够进行光活化聚合 反应的单体和/或低聚物。可光聚合液体也可包括用来减弱可光聚合液体的吸收特性和改 变可光聚合液体的响应的吸光材料。
由本文所述示例性方法制备的母模优选具有合适的耐久度，以经受制备多个复制 模具的多次复制过程。合适的可光聚合单体材料包括(但不限于)丙烯酸单体(例如单 丙烯酸酯、二丙烯酸酯、聚丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯，例如，丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯、 丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸异丙酯、丙烯酸正己酯、丙烯酸十八酯；丙烯酸烯丙酯；甘油二丙 烯酸酯；甘油三丙烯酸酯；乙二醇二丙烯酸酯；二乙二醇二丙烯酸酯；三乙二醇二甲基丙烯 酸酯；1，3-丙二醇二丙烯酸酯；1，3-丙二醇二甲基丙烯酸酯；1，6-己二醇二丙烯酸酯；1， 6-己二醇二甲基丙烯酸酯；三羟甲基丙烷三丙烯酸酯；1，2，4_ 丁三醇三甲基丙烯酸酯；1，4-环己二醇二丙烯酸酯；季戊四醇三丙烯酸酯；季戊四醇酯四丙烯酸；季戊四醇四甲基丙 烯酸酯；以及它们的组合)、有机硅基液体光聚合物、以及环氧基液体光聚合物。
作为另外一种选择，可光聚合材料可为丙烯酸酯低聚物体系或聚二甲基硅氧烷低 聚物体系的薄膜的形式，这些体系在使用合适的光引发剂时能够进行光活化聚合或交联反应。
这些低聚物材料有助于控制可光聚合液体的流变性，并且优选地可溶于所选的单 体材料中，同时改善母模的机械性能。合适的低聚物材料包括(但不限于)环氧树脂基液 体光聚合物、氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物、有机硅丙烯酸酯低聚物和聚酯丙烯酸酯低聚物。 作为另外一种选择，本发明的范围内包括非反应性聚合物粘合剂以代替组合物中的低聚物 材料，或者除了组合物中的低聚物材料还包括非反应性聚合物粘合剂，以便(例如)控制可 光聚合液体的粘度。这种聚合物粘合剂通常可选择成以与单体材料相容。粘合剂可具有适 于获得可光聚合液体的所需溶液流变性的分子量。
可光聚合液体也包括光引发剂或敏化剂。可使用与单体、低聚物(如使用)相容 并且其活化或吸收峰波长与用来刻写结构的光源(例如，用来引发可光聚合液体的聚合反 应的光源)匹配的任何光引发剂。示例性光引发剂材料包括(但不限于)苄基二甲基缩酮 (例如IRGACURE 651)、单酰基膦(例如DAR0CUR ΤΡ0)、双酰基膦(例如IRGA⑶RE 819)、和 碘鐺盐(例如IRGACUR 784)，每种都可得自Ciba Specialty Chemicals Inc.(瑞士巴塞 尔)。
合适的吸光材料包括(但不限于)官能化二苯甲酮；苯并三唑，例如可得自Ciki Specialty Chemicals Inc.(瑞士巴塞尔)的 Tinuvin 234 和 Tinuvin 3 ；和羟基苯基三嗪。
根据模具结构的所需最终用途，可光聚合液体中可以任选地包括多种辅剂。合适 的辅剂包括溶剂、稀释剂、树脂、粘合剂、增塑剂、颜料、染料、无机或有机加固或增容填充 剂、触变剂、指示剂、抑制剂、稳定剂等。上述辅剂的量和类型以及它们添加到所述组合物的 方式为本领域的技术人员所熟悉。
可利用光化辐射来引发可光聚合液体的聚合反应，优选采用准直光化辐射。准直 光化学光束130可由诸如在351nm下工作的氩离子激光器(Sabre FreD，可得自hnova Technology (Ellicott City, MD))或在 405nm 下工作的固态激光器(iFlex 2000，可得自 Point Source Ltd(Hamble, U. K.))之类的激光器提供。光束130可用焦距IOOmrn的双凸 透镜聚焦，然后穿过基材100进入可光聚合液体120。在一个示例性实施例中，激光束的横 截面分布大致为高斯分布。通过将基材/可光聚合液体界面设置得靠近或远离透镜焦点， 可以控制基材/可光聚合液体界面处的光束大小。如前所述，光束的形状和强度分布通过 光束修整装置控制。曝光量通过调节激光器强度和曝光时间来控制。
可以将基材置于计算机控制的X、Y和Z载台，以控制相对XY位置和相对于光化学 光束焦平面的Z位置。在一个可选的方面，基材的表面可以保持静止，同时使用安装在精密 载台上的镜子在三个轴线移动光束。一旦形成或刻写了第一模具结构，就可以将基材在X 方向和/或y方向平移至新的位置。在该新位置处可以进行第二次曝光。在该第二位置的 曝光条件、光束强度分布、光束形状和光束总强度可以与之前的曝光条件相同或不同。如果 这些光束条件中至少一个有改变，则可以产生出尺寸或形状与此前刻写的模具结构不同的第二模具结构。该过程可以逐步方式重复，直到形成了所需的模具结构阵列。
在形成了多个模具结构110之后，利用水、溶剂或气刀移除非聚合的可光聚合液 体。在某些情况下，可任选地用少量单体材料冲洗模具结构，以促进未反应的可光聚合液体 的移除。
然后，可以通过在氮气吹扫室内用紫外光全面曝光对模具结构进行后固化。
上述方法产生的模具结构衍生自非球面表面的锥形部分。在这些模具结构的一个 示例性用途中，这些结构可用作光提取器(light extractor)。这些模具结构的形状可通过 下方程式描述,,cr2
a = Afmax--,=l + ^l-c2r2(k + l)
其中d为模具结构在半径r处的高度，dmax为模具结构110的最大高度(图1B)； c为曲率半径的倒数，k为锥形常数。当k = 0时，该方程式描述球体的一部分。当k = -l 时，该方程式描述抛物面的一部分，它是尤其可用作光提取器的形状。该抛物面形状可表示 为
d = dmax-cr2/2
在立体蚀刻应用中，常常假设可光聚合液体的响应可用以下方程式描述
d = sln(Q/Qc)
其中d为聚合深度，Q是作为光强度和曝光时间的函数的曝光量，ζ!。为引发聚合反 应所需的临界曝光量，S为响应曲线的斜率。A和S为可光聚合材料的特性，并且可通过调 整可光聚合液体的配方修改。
由具有高斯强度分布的激光束提供的横截面曝光量由以下方程式给出
ρ = Qnax广 2
其中Qmax为光束中央的曝光量，Q为距离光束中心的半径r处的曝光量，w为光束 强度等于最大强度除以e时的光束半径。
针对可光聚合材料特性和所要求的形状方面的所需激光器性质，合并化简这些式 中的结果，可使用以下方程式得出所需的模具结构，
W = y/2S/c
和
Qmax =Qced-,s
模具结构的形状取决于光束宽度和材料的响应的斜率。通过移动靠近或远离透镜 焦点，可以改变光束宽度。材料响应的斜率通过增加或移除少量吸光剂、光引发剂和/或任 选的辅剂来控制。临界曝光量取决于可光聚合液体的组成，包括光引发剂的含量、单体特 性，以及是否存在吸光剂和可以吸收或散射辐射的任何添加剂。对于给定的可光聚合液体 组成和光束特性，模具结构的最大高度dmax由激光曝光量控制。通过调节激光器的输出功 率，通过添加滤光器以减小总强度或通过使用声光调制器，可以控制光束总强度。曝光时间 也可以利用声光调制器或通过直接调制光源(如激光器)来控制。
在本发明的另一方面，通过在光束修整装置中加入至少一个不对称光学元件，可 以使光强度分布和/或光束形状偏斜。利用偏斜的光强度分布可以制备具有偏斜外形的模具结构。另外，当光束通过基材进入可光聚合液体时，通过控制光束的主光轴，可以形成相 对于基材平面倾斜的提取器模具结构。
在本发明的另一方面，通过在曝光过程中前后摆动激光器发出的光，可以形成细 长的模具结构。作为另外一种选择，通过重叠一个个单个的模具结构，可以形成更大的结 构。通过控制摆动的方向和位置，可以形成更复杂的形状，例如脊、十字形、T形、L形等。作 为另外一种选择，通过将光束相对于基材缓慢而连续地移动，可以制备细长或复杂的模具 结构。
在本发明的另一个可选方面，通过控制可光聚合溶液涂覆到基材上的深度，可以 形成截短的或平顶的模具结构。如果光束的有效部分的渗透深度大于可光聚合溶液涂覆到 基材上的深度，则可以形成截短的结构。
通过这些方法形成的母模可用来复制微透镜阵列、LCD显示器的增益扩散片、用于 反射或照明指示牌的结构、汽车仪表盘的背光源，并用来形成浮动图像。
图2C示出了使用如上所述制备的母模制备复制模具的过程。也就是说，可以将可 成形材料121设置为紧贴母模表面，以在该表面上形成模具结构阵列。利用已知的复制方 法(例如模制、压印或固化可成形材料)，将母模上的模具结构阵列的负轮廓122转移到可 成形材料。可成形材料可以为热塑性聚合物或可固化树脂，例如硅氧烷弹性体、环氧树脂或 其他聚合物树脂体系。可成形材料可紧贴母模放置，以制备具有母模的阵列结构的负轮廓 或图像的复制模具。然后可以移除母模，留下复制模具，该模具随后可用来制备具有与母模 相同的结构的另外阵列。作为另外一种选择，通过将金属(例如镍)或其他可电解沉积的 可成形材料电镀或电铸到母模的导电涂覆(如无电镀银)表面上，可以形成导电复制模具。
通过施加合适的第二可成形材料使其紧贴此前的复制步骤中形成的模具的表面， 可以通过类似于复制模具的方式形成二次和更多次的复制品。通过这种方式，可使用单个 母模产生出很多个最终微结构化制品。
由这些母模制成的微结构化制品可以是电子器件中使用的光导或光提取器。许多 电子器件需要使用背光源来突出或照亮器件的形貌。常见的例子是手机键盘的背光源。这 些背光源由具有光提取结构的侧光式聚合物波导管组成，该光提取结构被设计成在由应用 决定的具体位置将波导管的光导出。例如，在手机应用中，光提取结构可位于键盘下面，以 提供照亮按键所需的光。光提取结构的尺寸、形状和位置取决于所需照明效果、波导管的尺 寸和厚度、以及侧光的类型和位置。通过紧贴本文所述示例性模具(即母模、复制模具、二 次复制品等)中的一者形成透明聚合物，可以制备背光源。通过将透明聚合物与这些模具 中的一者的微结构化表面接触，可以在提取器片(extractor sheet)中产生光提取结构。
母模可以包括数千个模具结构，这些模具结构可以在复制模具内产生对应数量的 负轮廓结构，继而利用这些负轮廓结构在二次复制品中形成正轮廓结构，依此类推。通过将 透明聚合材料浇铸到其表面上具有微结构的本文所述示例性模具中的一者上，可以形成最 终制品，例如提取器片。作为另外一种选择，通过将提取器片材料的透明膜穿过压料辊，以 将提取器片材料压紧至其表面上具有模具结构的示例性模具上，可以形成提取器片。
使用本发明的光提取结构阵列的光导可由多种光学上合适的材料制备，包括聚 碳酸酯、聚丙烯酸酯(例如聚甲基丙烯酸甲酯)、聚苯乙烯、和玻璃，优选高折射率材料，例 如聚丙烯酸酯和聚碳酸酯。光导优选通过模制、压花、固化或以另外的方式将可注模的树脂紧贴上述复制模具成形而制成。最优选地，利用浇注和固化技术。模制、压花或固化光导 的方法为本领域技术人员所孰知。如果需要，可通过已知方法将涂层(例如薄金属的反射 涂层)施加到光导的一个或多个表面的至少一部分(例如施加到光提取结构的内表面或凹 面)°
本发明的光导尤其可用于背光型显示器和键盘。背光型显示器可包括光源、光选 通装置(如液晶显示器(LCD))、和光导。键盘可包括光源和压敏开关的阵列(其至少一部 分可透射光)。该光导可适用作点到面或线到面的背光光导，该背光光导用于利用由小电池 供电的发光二极管(LED)照明的小型或微型显示器或键盘装置。适用的显示装置包括用于 手机、寻呼机、个人数字助理、时钟、手表、计算器、膝上型计算机、车辆显示器等的彩色或单 色IXD装置。其它显示装置包括平板显示器，例如膝上型计算机显示器或桌面平板显示器。 适用的背光键盘装置包括用于手机、寻呼机、个人数字助理、计算器、车辆显示器等的键盘。
除LED之外，适用于显示器和键盘的其它光源包含荧光灯(例如冷阴极荧光灯)、 白炽灯、电致发光灯等。可以以任何适用的方法将光源机械固定在机械加工的、模制的狭 槽、空腔或开口内，或以其它方式将其形成于光导的光转换区域。然而，优选的是，将光源嵌 入、封装或粘结在光转换区域，以消除光源和周围光转换区域之间的任何空气间隙或空气 界面，从而减少光损耗并增加光导发出的光输出。例如，可通过利用足量的合适的嵌入、封 装或粘结材料将光源粘结在光转换区域中的狭槽、空腔或开口内，来完成这样的光源安装。 狭槽、空腔或开口可位于光转换区域的顶部、底部、侧面或背面。也可通过多种不会掺入额 外材料的方法(例如热粘结、热熔、超声焊接、塑性焊接等)来完成粘结。其它粘结方法包 括在光源四周进行嵌件模制和浇注。
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下面的实例进一步说明了本发明的目的和优点，但这些实例中列举的具体材料及 其量以及其他条件和细节不应被理解为是对本发明的不当限制。
实例1
在透明玻璃基材上涂一层可光聚合环氧树脂，以制备多个示例性模具结构，其中 环氧树脂为可得自DSM Somos (New Castle, DE)的Somos 11120。可光聚合环氧树脂具有 约130cP的粘度。将351nm下工作的氩离子激光器发出的准直光束用透镜聚焦穿过玻璃在 第一位置进入可光聚合液体。光束的横截面分布为约高斯分布。光束宽度在最大值的1/e 处为约150 μ m。激光强度为约2 μ W，并且每个模具结构都通过0.4秒的曝光形成。在第一 位置的曝光结束之后，将基材平移到第二位置，并进行另一次曝光。
通过曝光形成若干模具结构之后，用甲醇冲洗掉未聚合的可光聚合液体，并进行 干燥。最后，在氮气吹扫的ELC-500室(Electro Lite Corporation)内用紫外线(365nm 下最大强度)全面曝光10分钟，对模具结构进行后固化。
图3示出了按本文所述方式制备的单个模具结构的显微照片。模具结构的最大高 度为230 μ m,底部宽度为140 μ m。
实例2
为制备多个示例性模具结构，在透明玻璃基材上涂薄薄一层增粘剂3-甲基丙烯 酰氧基丙基三甲氧基硅烷(可得自Alfa Aeser)。接着，在玻璃基材表面上涂覆一层可光聚 合液体。可光聚合液体由可得自Sartomer Company (Exton,PA)的1，6-己二醇二丙烯酸酯SR-238和可得自Ciba Specialty Chemicals Inc.(瑞士巴塞尔)的2重量％的光引发剂 IRGA⑶RE 651组成。该基于1，6_己二醇二丙烯酸酯的可光聚合液体具有约6cP的粘度。
将351nm下工作的氩离子激光器发出的准直光束用透镜聚焦穿过基材在第一位 置进入可光聚合液体。光束的横截面分布为约高斯分布。光束宽度在最大光束强度的1/e 处为约120 μ m。激光强度为约10 μ W，并且每个模具结构都通过0. 4秒的曝光形成。在第 一位置的曝光结束之后，将样品平移到第二位置，并进行另一次曝光。
形成若干个此类模具结构之后，用气刀将未反应的可光聚合液体移除。最后，在氮 气吹扫的ELC-500室(Electro Lite Corporation)内用紫外线(365nm下最大强度)全面 曝光10分钟，对模具结构进行后固化。
图4示出了按本文所述方式制备的三个模具结构的显微照片。模具结构的最大高 度为150 μ m，底部宽度为95 μ m。
实例3
为制备示例性的图案化母模，在透明玻璃基材上涂薄薄一层增粘剂(例如，可得 自Alfa Aeser的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)。接着，在玻璃基材表面上涂覆一 层可光聚合液体。可光聚合液体由20重量％的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物CN9008 (可得自 Sartomer Company, Inc, (Exton, PA))和 80 重量％的 1,6-己二醇二丙烯酸酯 SR-238 (同 样可得自Sartomer Company)的碱性光聚合物混合物组成。向该碱性光聚合物混合物中加 入2重量％的光引发剂IRGA⑶RE 651和0. 1重量％的吸光剂Tinuvin 234( 二者均可得自 Ciba Specialty Chemicals Inc.(瑞士巴塞尔))，以制备所使用的可光聚合液体。
将351nm下工作的氩离子激光器发出的准直光束用透镜聚焦穿过基材在第一位 置进入可光聚合液体。光束的横截面分布为约高斯分布。光束宽度在最大值的Ι/e处为约 120 μ m。激光强度为约10 μ W，并且每个模具结构都通过0. 8秒的曝光形成。
在第一位置的曝光结束之后，将基材平移到第二位置。重复该过程，直到基材表面 图案化作出4mmX7mm的矩形区域。这样可以形成大致抛物线的山丘状结构的阵列，各结构 间中心至中心距离为170 μ m。
然后将激光强度降至2 μ W，并通过0. 35秒的反复曝光产生出间距较密的较小模 具结构组成的第二个4mmX8mm矩形区域。
形成所有模具结构之后，用气刀将未反应的可光聚合液体移除。最后，在氮气吹扫 的ELC-500室(Electro Lite Corporation)内用紫外线(365nm下最大强度)全面曝光10 分钟，对模具结构进行后固化。
图5示出了所产生的模具结构阵列的显微照片。模具结构的最大高度为225μπι， 底部宽度为150μπι。图6示出了第二区域内较小模具结构的阵列的显微照片。这些模具结 构的最大高度为阳μ m,底部宽度为75 μ m。模具结构间距为75 μ m。
实例 4
为制备示例性的图案化母模，在透明玻璃基材上涂薄薄一层增粘剂(例如，可得 自Alfa Aeser的3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷)。接着，在玻璃基材表面涂覆一层 可光聚合液体。可光聚合液体由20重量％的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物CN9008(可得自 Sartomer Company, Inc, (Exton, PA))和 80 重量％的 1,6-己二醇二丙烯酸酯 SR-238 (同 样可得自Sartomer Company)的碱性光聚合物混合物组成。向该碱性光聚合物混合物中加入可得自Ciba Specialty Chemicals Inc.(瑞士巴塞尔)的5重量％的光引发剂Darocur ΤΡ0,以制备所使用的可光聚合液体。
将纤维耦合固态离子激光器(iFlex 2000)在405nm下发出的准直光束用透镜聚 焦穿过玻璃在第一位置进入可光聚合液体。光束的横截面分布为约高斯分布。光束宽度在 最大值的Ι/e处为约100 μ m。激光强度为约7. 5 μ W，并且每个模具结构都通过0. 175秒的 曝光形成。
图7示出了所产生的两个模具结构的显微照片。模具结构的最大高度为120μπι， 结构底部宽度为160 μ m。
实例 5
使用对实例3所述的方法形成的母模制备示例性复制模具。图8示出了用于 制备该复制品的母模的一部分的显微照片。模具结构的最大高度为225μπι，底部宽度为 150 μ m。中心至中心间距为450 μ m。
用成形材料制备示例性复制模具，所用成形材料为可得自Dow Corning (Midland, MI)的液体有机硅浇铸树脂套件Sylgard 184Silicone Elastomer Kit。套件内包括基础 材料和固化剂。将这两部分以10 1(基础材料固化剂)的重量比混合。将混合物在室 温下剧烈搅拌10分钟。然后在真空室内放置10分钟以除气。将有机硅混合物倒在母模上， 在母模表面形成5mm厚的有机硅层。为了确保完全充满母模，将涂有有机硅的母模在真空 中放置10分钟。然后将涂有有机硅的母模在90°C的热板上加热一小时，在此期间有机硅混 合物固化成柔性固体。然后将固化的有机硅复制模具与母模分离。有机硅复制模具如图9 所示。
为了演示由有机硅复制模具制作二次复制品，将用来制备母模的相同丙烯酸酯混 合物倒在该有机硅复制品上。将含有20重量％的氨基甲酸酯丙烯酸酯低聚物CN9008和 80重量％ 1,6-己二醇二丙烯酸酯SR-238的碱性光聚合物混合物以及2重量％光引发剂 IRGA⑶RE 651和0. 1重量％吸光剂Tinuvin 234的丙烯酸酯混合物均勻涂覆到该有机硅复 制模具的表面上。在真空下除气10分钟之后，将涂覆有增粘剂3-甲基丙烯酰氧基丙基三甲 氧基硅烷的玻璃基材置于丙烯酸酯混合物表面上，将丙烯酸酯混合物夹在玻璃和有机硅复 制模具之间。然后在氮气环境中用满功率的ELC-500光曝光系统(ELC-500 Light Exposure System (Electro-Lite Corp.))发出的宽谱紫外光将上述组件曝光10分钟。固化之后，将 有机硅复制品与玻璃基材分离，玻璃基材表面粘有二次丙烯酸酯复制品。图10示出了二次 复制品的显微照片。
本文所述的直写方法相比常规平版技术具有若干优点。首先，由于可光聚合液体 在整个过程中保持液态，不需要额外的化学或等离子显影步骤来移除任何不需要的材料。 传统的平版技术通常使用溶解的酸性或碱性显影剂移除不需要的光致抗蚀剂材料，而不论 光致抗蚀剂是干膜抗蚀剂还是在将光致抗蚀剂曝光前干燥的液体抗蚀剂。使用常规显影剂 的另一个缺点是，显影剂会损坏、溶胀或降解图案化步骤中形成的微结构。在一些用于形成 微结构化表面的常规平版方法中，光致抗蚀剂仅用作形成微结构的模板。在采用加法工艺 来形成微结构时，可能需要额外的沉积或电镀步骤，或者在减法工艺中可能需要对基材进 行额外的蚀刻。
液体光致抗蚀剂(例如可得自Microchem (Newton，ΜΑ)的SU-8)在涂覆后需要额外的软烤步骤来移除残余溶剂和形成固体膜。使用液体光致抗蚀剂时的标准方法包括以下 步骤将抗蚀剂材料旋涂到基材上，进行软烤以移除溶剂并将薄膜成形到抗蚀剂中，进行曝 光形成图案，进行曝光后烘烤以将抗蚀剂硬固化并显影以移除抗蚀剂的未固化部分。另选 的显影技术需要让样品经受减少的UV曝光以限制交联，使得可通过加热至高温(即高于未 固化抗蚀剂材料的玻璃化转变温度)来移除抗蚀剂的未曝光部分，从而移除未固化的抗蚀 剂。该方法可能需要补充的曝光步骤以完成所得结构的交联。由于本文所述直写方法中使 用粘度相对较低的可光聚合液体，因而可以在室温下移除未固化的可光聚合液体。
本文所述直写方法的第二个优点是不需要使用复杂的光掩模来限定各个微结构 元件以产生所需图案。相反，直写方法利用光束尺寸和特性来产生所需微结构。
直写技术的第三个优点是只需要为后续曝光改变光束特性和/或接近度，即一个 挨一个刻写不同尺寸和形状的微结构。另外，由于光束是通过基材进入，微结构是在基材的 表面上形成，这一点与光源位于光致抗蚀剂材料上方的许多由上至下的曝光系统不同。
虽然已经结合用于制备光提取材料的母模描述了这种直写方法，但用本文所述方 法制备的母模也可以用于需要微结构化表面的另选的应用中。例如，该方法形成的母模可 用来复制微透镜阵列、LCD显示器的增益扩散片、用于反射或照明指示牌的结构、汽车仪表 盘的背光源，并用来形成浮动图像。
在阅览本发明的说明书之后，该方法、可由该方法形成的模具以及许多结构本身 的适于本发明的各种明显变型形式对于本领域的技术人员将显而易见，因而也被认为在本 发明范围之内。
权利要求
1.一种用于制备复制模具的方法，所述方法包括 形成母模，其中该形成步骤包括提供部分透明的基材，所述基材在第一表面上涂覆有可光聚合液体； 用光束在第一位置透过所述基材曝光所述可光聚合液体，所述光束具有足以固化所述 可光聚合液体以形成第一模具结构的光束特性，其中所述光束特性包括光束形状、光束强 度分布、光束总强度和曝光时间；固化所述可光聚合液体的一部分，以形成所述第一模具结构； 将所述基材相对于所述光束平移；将所述曝光、固化步骤和平移步骤重复多次，以形成模具结构阵列；和 移除任何未固化的可光聚合液体，以将所述模具结构阵列布置在所述基材的所述表面上；将可成形材料紧贴所述母模的表面设置；将所述母模上的所述模具结构阵列的负轮廓转移到所述可成形材料中；和 将所述可成形材料与所述母模分离。
2.根据权利要求2所述的方法，还包括对所述基材上的所述模具结构进行后固化。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括调节所述光束特性中的至少一者，以改变所述阵列中至少一个模具结构的形状。
4.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述基材的所述表面上设置粘合层，其中所 述粘合层设置在所述基材和所述可光聚合液体之间。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一模具结构为非球面状突起的大致锥形的 部分。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述光束分布为对称的。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述光束分布为不对称的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中所述阵列中至少一个模具结构大致垂直于所述基材。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述阵列中至少一个模具结构从所述基材以非垂直角度伸出。
10.根据权利要求1所述的方法，其中所述复制模具用来形成光导。
11.根据前述任一项权利要求所述的方法，其中所述模具结构为光提取模具结构。
12.根据权利要求1-10中任一项所述的方法，其中所述可光聚合液体为低粘度液体， 并且包含单体、光引发剂和低聚物。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述可光聚合液体的粘度小于约200cP。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述可光聚合液体的粘度小于约40cP。
15.根据权利要求12所述的方法，其中所述可光聚合液体还包含吸光材料。
16.根据权利要求1所述的方法，还包括在所述母模的所述表面涂覆导电材料。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述可成形材料被电镀到涂有导电材料的母模 的所述表面上。
18.根据权利要求1所述的方法，其中所述可成形材料是热塑性聚合物或可固化树脂 中的一种。
19.根据权利要求1所述的方法，其中用来曝光和固化所述可光聚合液体的所述光束 穿过无掩模的光学系统。
全文摘要
本发明涉及用于制备模具的方法，所述模具可随后用来制备微结构化制品。本文详述的所述方法描述了在基材上形成微结构化模具结构以产生母模，这些微结构化模具结构以图案形成微结构化阵列。所述方法包括提供部分透明的基材，所述基材在第一表面上涂覆有可光聚合液体。然后可以用所产生的所述母模制备复制模具，继而可用所述复制模具制备光导。
文档编号B81B7/00GK102036908SQ200980118733
公开日2011年4月27日 申请日期2009年5月7日 优先权日2008年5月23日
发明者利文特·伯耶克勒, 卢祎, 罗伯特·W·威尔逊 申请人:3M创新有限公司