专利名称：印模,方法和设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及平版印刷中使用的印模，该印模包括一印模体，该印模体有第一和第二相对面，第一面为印刷结构面，第二面上有液槽，该印模体可渗透该液体。
本发明还涉及一种电子元件的制造方法，该方法包括用一印模在一基片的表面上压出图案，该印模上有用于平版印刷工艺的印刷结构面，该印模与该基片接触，使得印刷面上的化合物转移到该基片表面上。
本发明还涉及在一基片上形成至少一层图案的设备。
这类印模和这类方法可参见Libioulle等人的Langmuir，15(1999)，300-304。可用公知印模无需印刷面每次接触一分开的外部液槽就可在一基片中或基片上形成图案，该液体在下文中也称为印墨。术语“液体”也可理解成与一种溶液和分布很细的扩散体有关。液体可有很大粘性。其中的化合物或液体然后在印刷面转移到基片表面。印墨的制作材料为聚二甲基硅氧烷，其缩写为PDMS。液槽中的印墨为链烷thiole在乙醇中的溶液。印模体和液槽夹紧在一直径为5mm的玻璃圆筒中。圆筒的一端为印刷面，另一端熔融而密封。在该方法中，在一金基片上形成单层thiole图案。
公知印模的一个缺点是，如上述出版物所述，用该印模形成的层中包括变形的图案。
本发明的第一个目的是提供本文第一段所述的印模，用该印模形成图案层时防止变形。
本发明的第二个目的是提供本文第二段所述的方法，在该方法中，印刷面无需与一外部液槽接触，图案层中不包括变形的图案。
本发明的第三个目的是提供本文第三段所述的设备，该设备包括本发明印模。
用印模体与液槽之间的一载体实现第一个目的，液槽中的液体可渗透过该载体，使用中液体从液槽传送到印刷面。
人们发现，如印模不夹紧在刚性材料的不透水圆筒中，所得层中的图案就不会变形。如上述出版物所述，印模体的膨胀是造成图案变形的原因。在本发明印模中，印模体不被夹紧，而是固定在载体上。如由于印墨造成膨胀，膨胀的方向大致与印模体的第一和第二面垂直。在膨胀过程中所有横向尺寸大致保持不变。从而印刷面的图案可正确转移到基片上。由于印模体的第二面受到支撑，因此印模体不会发生弯曲。
本发明印模的一个优点是，在制造印模时载体同时可用作一基片。印模体可用浇注、注射或任何其他简单工艺形成在载体上。印模体最好用弹性材料制成。这类材料的杨氏弹性模量最好为103～106，特别是0.25×105～5×105N/m2。这类材料举例有也称为PDMS的聚二甲基硅氧烷、聚丁二烯、聚丙烯酰胺、聚丁基苯乙烯、聚氨酯和这些材料的共聚物。印模体显然也可使用对于软平版印刷领域中技术人员任何其他公知材料。
可用各种材料制造载体。合适的材料举例说有金属如铝或钢、陶瓷材料和有机材料如合成树脂，合成树脂可用有机或无机纤维加强，也可不用有机或无机纤维加强。载体的刚性常数最好比印模体的制作材料高得多。载体可与印墨储槽制成一体。
在一优选实施例中，载体有第一和第二相对面，印模体位于第一面上，液槽位于第二面上，载体中有通道，至少一部分通道从载体的第一面延伸到第二面。可用各种方式在载体中形成通道。第一个例子是在载体中打孔。第二个例子是在载体上压出图案，从而在载体中形成通道图案。最好是，通道只在某些部位横过整个载体。可用各种方式在载体上形成图案，例如干蚀刻或湿蚀刻、粉末喷砂和激光切割。也可在载体的相对两面上形成图案。在这两面加工中，通道在一面上的直径可比另一面上大得多。一面上单位表面积的通道数量也可比另一面多得多。形成图案的其他方法是本领域技术人员公知的。
本发明印模的另一个优点是，载体与印模体粘得很牢。由于通道内侧的贡献，用于粘按到载体的可得到的表面面积比没有通道的同样载体大。此外，载体和印模体也可用机械方法锚固在一起。
在一特定实施例中，载体与印模体之间有一配液体。这一配液体最好呈橡胶性，使得印模体第二面上的印墨的浓度在与印刷面平行的方向上处处相同。这一配液体在印模体的第一与第二面之间的距离很小时特别有用。
在另一特定实施例中，印模体的第一与第二面之间有一距离，每一通道在载体第一面上的直径小于印模体第一与第二面之间的所述距离。在该实施例中，印墨在载体中的进给速度由通道的容量限定。最好是，在通道横过整个载体的情况下，通道在载体第一面上的平均直径小于在载体第二面上的平均直径。此时通道呈锥形，锥形的顶点位于载体的第一面上。
在另一实施例中，载体包括一多孔材料。该多孔材料例如为陶瓷材料或合成树脂。这类多孔材料对于无机或有机材料技术领域的技术人员是公知的。最好是，该多孔材料相对于液槽容积的孔隙率大于40％，该材料与印墨不起化学反应，在印墨中不膨胀。
在另一实施例中，液槽包括多孔材料。该多孔材料例如为陶瓷材料或合成树脂。该多孔材料可为泡沫或海绵，它还可包括互相连通的空腔。这类多孔材料对于无机和有机材料技术领域的技术人员是公知的。最好是，该多孔材料相对于液槽容积的孔隙率大于70％，该材料与印墨不起化学反应，在印墨中不膨胀。
该实施例的第一个优点是，液槽是一使得印模更坚固的主体。该实施例的第二个优点是，印模转动时液槽中的印墨不发生位移或大致没有位移。该实施例的第三个优点是，一供应管路可与该多孔材料体连接，印模工作过程中当供应管路中的印墨用完时可装满和/或补充。
印模可构造成例如具有平的印刷面，也可具有弯曲的圆弧形印刷面。该圆弧所对的圆心角约为30°。但是，如载体和印模体都呈弧形而形成一圆筒的壳体则更有利。在该实施例中，印模体呈圆柱形，其印刷面为最外部圆筒壳体。该印模因此可用作一滚轮。用滚轮可在表面积更大的基片上形成图案层。由于本发明印模的印刷面无需与一外部印墨储槽接触，因此其优点是该印模可用作一滚轮。第一个优点是，印刷面上的印墨的浓度更均匀。第二个优点是，印刷面不易磨损。在使用圆柱形印模的传统方法中，用一加墨滚轮在印刷面上提供印墨。
本发明的第二个目的在于提供本文第二段所述的一种电子元件制作方法使用如权利要求1～6中任一项所述的印模实现。
所用印墨例如为乙醇中的C10-C20链烷thiole溶液。该液体可为各种无机、有机和聚合材料及其溶液。例如有抗蚀材料的酸性和碱性溶液、三氯硅氧烷和磷酸盐但也可为例如半导体有机材料的功能材料溶液。材料和软平版印刷方法的其他例子见G.M.Whitesides andY.Xia，Anrew.Chem.Int.Ed.37(1998)，500-575。本发明方法形成的图案层可包括从亚微米级到100微米以上的细部。特别是，该图案包括约1到10微米的细部。
用该印模提供的化合物在基片上形成的层的层厚可为几纳米。这类层有特定用处，或可用作一底层，在该底层上用半导体技术中公知的其他方法如电镀沉积其他各层。
另外，该印模在基片上提供的化合物也可参与在基片表面上发生的反应。术语“反应”一词在这里指化学反应、蚀刻或分解反应和由扩散之类物理过程造成的表面调整。此时化合物可在印刷面上，也可在空腔中。
术语“电子元件”在这里包括半导体装置、显示器、灯、无源元件、无源元件网络、印刷电路板，但也可为光、磁、电子可读的板件如智能卡和光盘。
在一优选实施例中，印模呈圆柱形，印模压靠基片时转动，使得印模的整个印刷面在基片上滚动。在该实施例中，可在任何大小表面上连续形成印刷面的图案。该过程是一种成本较低、较灵活的过程，从而可用非光刻法在一基片上或基片中形成微小结构。
第三个目的是通过将本发明的印模结合在本发明装置中实现的。最好是，本发明装置还包括一溶液存储容器、一泵和一闭合的供应管路，该闭合回路包括该存储容器、印模的液槽和该泵。其优点是，可控制液槽中液体的组成。如液体为活性物质的溶液，活性物质在该表面上的浓度最好尽可能保持不变。
下面结合附图详细说明本发明印模、方法和设备的上述和其他方面。在不同附图中，等同部件尽可能用同一标号表示，附图中
图1为印模第一实施例的侧视图；图2为沿图1中I-I线剖取的第一实施例剖面图；图3为印模第二实施例的侧视图；图4为沿图3中X-X线剖取的第二实施例剖面图；图5为印模第三实施例的侧视图；图6为印模第四实施例剖面图。
图1所示印模10包括一印模体1，该印模体有第一和第二相对面11、12，第一面11上有印刷结构面，第二面12上有载体4，载体中有通道5。载体4位于印模体1和印墨储槽3之间。印墨例如为含有溶剂和待转移化合物的液体。工作时，印模10的印刷面2与一基片接触，使得印刷面2上的化合物转移到基片上。印墨从储槽3经载体4中的通道5和印模体1扩散或流到印刷面2。如印墨为溶液，溶剂可比化合物流得快而从印刷面蒸发。载体4有正反第一面41和第二相对面42，印模体1位于第一面41上，液槽3位于第二面42上。在该实施例中，通道5从第一面41延伸到第二面42。
图2为沿图1中I-I线剖取的第一实施例剖面图。从该图显然可看出，载体4中打孔并包括大量通道5。每一通道5在第一面41上的直径小于印模体的第一面11与第二面12之间的距离13。该距离13即印模体1的厚度最好在100微米～1毫米之间。载体4最好用粉末喷砂打孔，使得通道的直径约为20～100微米的等级。
图3为印模10第二实施例的侧视图，其结构与图1所示印模的结构相当。但是，它们的差别在于，通道5，51中只有一部分通道即通道5从第一面41穿过载体到第二面42。载体4用金属制成，其第一面41蚀刻成各向异性，第二面42蚀刻成各向同性。该印模不但包括第一液槽3，而且还包括液槽31。这两个液槽3、31经通道5、51互相连接且包括在一回路中，该回路还包括一存储容器、一泵和连接管路。该泵泵唧在该回路中流动的液体，使得通道51中印墨在印模体第二面12上的浓度保持不变。
图4为沿图3中X-X线剖取的第二实施例剖面图。如图4所示，其余的通道51形成一管道。这些通道51的直径59小于印模体第一面11与第二面12之间的距离。由各通道51形成的该管道将第一液槽3与第二液槽31连接。
图5为印模10第三实施例的侧视图，其结构与图1所示印模的结构相当。但是，它们的差别在于，从载体4的第一面41延伸到第二面42的通道5的宽度不是处处相同。通道5形状呈锥形，其最小直径位于载体4的第一面41上。合适选择该直径就可把供应给印刷面2的印墨调节到所需供应速度。
图6为印模20的剖面图，该印模呈圆柱形，其印刷面2构成最外部圆筒壳体。液槽3在这里由多孔材料制成，从而印模20转动时液槽3中的印墨不发生显著位移。此外，印模20包括紧固装置(未示出)。可用一磁铁和一极性相反的磁铁形成紧固装置把印模20紧固在该设备中。另外，该固定装置也可使用机械结构，使得印模悬置在该设备中围绕其轴线转动。
实施例在一母版中形成印刷结构面2的所需图案，在该母版中，光致抗蚀剂结构以公知平版印刷法固化。该结构的高度为2.7μm。该母版用气相(压力为0.5mbar)十八烷基三氯硅氧烷中调整。其上有印刷结构面2的印模体1通过固化一与母版接触并可购买到的称为Sylgard184(由Dow Corning提供)的两元物系制成。这两个成分的比例为10比1。固化包括65℃下固化4小时的第一步骤和50℃下固化20小时的第二步骤。经在一Perspex模具中铸造，印模体1得到1.7mm的均匀厚度13。印模体1的第二面12置于一硼硅玻璃过滤器保持器上。该过滤器用作载体4，过滤器保持器用作液槽3。从而得到图1所示印模10。
在使用印模10前，液槽3中注入2mM在乙醇中的十八烷基thiole溶液。然后放置66小时，使得溶液在印模1中扩散。然后印刷面2与20nm厚一金层接触10～15秒，该金层沉积在其上有2.5nm厚钛涂层的一Corning 7059硼硅玻璃上。用一滚轮在印模10的后面上稍稍施加压力。金图案在室温下通过蚀刻在新配制的1M KOH、0.1M K2S2O3、0.01M K3Fe(CN)6和0.001M K4Fe(CN)6水溶液中显影8分钟。从而在约10cm2表面积上在金中得到良好的印刷图案。母版中尺寸为3μm的最小结构正确转移到金中。
权利要求
1.一种用于平版印刷工艺中的印模(10、20)，该印模(10、20)包括一印模体(1)，该印模体有第一面(11)和第二相对面(12)，第一面(11)上有印刷结构面(2)，第二面(12)上有一液槽(3)，该液体可渗透过印模体(1)，其特征在于，该印模体(1)与该液槽(3)之间有一载体(4)，液槽(3)中的液体可渗透过该载体(4)，使用时液体从液槽(3)传送到印刷面(2)。
2.如权利要求1所述的印模(10、20)，其特征在于，该载体(4)有第一面(41)和第二相对面(42)，该印模体(1)位于第一面(41)上，液槽(3)位于第二面(42)上；载体(4)中有通道(5、51)；并且其中至少一部分通道(5、51)从载体(4)的第一面(41)延伸到第二面(42)。
3.如权利要求2所述的印模(10、20)，其特征在于，印模体(1)的第一面(11)与第二面(12)之间有一距离(13)，每一通道(5、51)在载体(4)第一面(41)上的直径小于印模体(1)第一面(11)与第二面(12)之间的所述距离。
4.如权利要求1所述的印模(10、20)，其特征在于，载体(4)包括多孔材料。
5.如上述权利要求任一项所述的印模(10、20)，其特征在于，液槽(3)包括多孔材料。
6.如上述权利要求任一项所述的印模(10、20)，其特征在于，印模(20)形状呈圆柱形，其印刷面(2)构成最外部圆筒壳体。
7.一种电子元件制造方法，该方法包括用一印模(10、20)在一基片的表面上形成图案，该印模(10、20)上有在平版印刷工艺中使用的结构印刷面(2)，该印模(10、20)与该基片接触，使得印刷面(2)上的液体转移到基片表面上，其特征在于，使用如上述权利要求任一项所述的印模(10、20)。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于该印模(20)呈圆柱形，以及印模(20)压靠该基片时转动，使得印模(20)的整个印刷面(2)在基片上滚动。
9.一种在一基片上形成至少一图案层的设备，该设备包括如权利要求1～6中任一项所述的印模(10、20)。
全文摘要
在平版印刷工艺中例如形成一层表面图案的本发明印模(10)包括一印模体(1)，该印模体有第一面(11)和第二面(12)，第一面(11)上有印刷面(2)，第二面(12)上相叠有载体(4)和液槽(3)。载体(4)中有通道(5)，使得液体从液槽(3)经印模体(1)传送到印刷面(2)上。该印模可制作成一圆筒，以连续进行平版印刷过程。该过程可得到微米或亚微米级的图案。该印模(10)还可装在一更大设备中。
文档编号B41K1/50GK1618040SQ01806988
公开日2005年5月18日 申请日期2001年11月16日 优先权日2000年11月22日
发明者M·H·布里斯, P·J·斯里克韦尔, S·M·R·格拉德尔兰德 申请人:皇家菲利浦电子有限公司