具有印模结构的印模及其制造方法与流程

文档序号:14723466发布日期:2018-06-18 12:57阅读:370来源:国知局

在半导体工业中,必须对材料进行结构化工艺以能制造相应的功能元件。至今为止,最近十年的最重要的结构化工艺之一仍是光刻法。

但是,近年来,除光刻法外,压印技术已作为新型的替代性结构化技术获得认可,其不仅仅,但当前主要用于高度对称的、主要重复性的结构元件的结构化。借助压印技术,可以通过印模工艺(Stempelprozess)直接制成压花材料中的表面结构。由此产生的优点是显而易见的。可以摒弃对光刻法而言仍然必需的用于显影和蚀刻的化学品。此外,今天已经可以压印在纳米范围内的结构大小;用传统光刻法只有通过极复杂和特别昂贵的装置才能制造它们。

在压印技术中,区分两种类型的印模,硬印模和软印模。每种印模工艺理论上可用硬印模或软印模进行。但是,由于许多技术和经济原因,硬印模本身仅用作所谓的母印模并总在必要时由这种母印模制成软印模的模子,随后将该软印模用作真正的结构印模。硬印模因此是软印模的底板(negative)。仅在制造多个软印模时才需要硬印模。可通过不同的化学、物理和技术参数区分软印模与硬印模。可想到的是基于弹性性能区分。软印模具有主要基于熵弹性的变形性能,硬印模具有主要基于能量弹性的变形性能。此外,这两种印模类型例如可通过它们的硬度区分。硬度是材料对贯入物的抵抗力。由于硬印模主要由金属或陶瓷构成,它们具有相应高的硬度值。有多种可能性来指示固体的硬度。一种非常常用的方法是根据Vickers指示硬度。不涉及细节,可以大致规定,硬印模具有超过500HV的Vickers硬度值。

尽管硬印模具有可由具有高硬度和高刚度的材料制成的部件通过合适的方法,如电子束蚀刻或激光束蚀刻直接制造的优点。此类硬印模具有极高硬度并因此或多或少耐磨。但是,与高强度和耐磨性相对立的主要是制造此类硬印模带来的高成本。即使硬印模可用于几百个压花步骤,其也会随时间具有不再可忽略的磨损。此外,硬印模从压花材料中脱模在技术上是困难的。硬印模具有相对高的抗弯性。它们尤其不可良好变形,即它们必须以垂直于压花表面的方向提起。在压花工艺后的硬印模脱模中,在这种情况下经常造成压印纳米结构和/或微结构的破坏,因为该硬印模有极高刚度并因此可破坏刚刚制成模的压花材料的微结构和/或纳米结构。此外,基底可能具有随后可导致硬印模损伤或破坏的缺陷。但是,如果硬印模仅用作母印模,由该母印模制成软印模的工艺可以非常好的控制并兼具极少的母印模的磨损。

可以由母印模(硬印模)通过复制法非常简单地制造软印模。在这种情况下,母印模是相应于软印模的底板。由此在母印模上压印软印模,随后脱模,然后用作用于在压花材料(其大都施加在基底上)中压印印模结构的结构印模。软印模可以比硬印模简单得多、温和和更少问题地从压花材料中机械移除。此外,可以用母印模制成任意多的软印模。在软印模具有一定磨损后,丢弃软印模并由母印模形成新的软印模。

现有技术状况的问题首先在于,软印模由于它们的化学结构而对其它分子化合物具有特别高的吸收能力。不同于主要由金属、陶瓷或玻璃构成的硬印模,它们因此通常对于其它分子化合物而言是可透过的。在金属和陶瓷微结构的情况下,在大多数情况下吸收分子物质是绝无可能的,但是,在特殊硬印模的情况下,也可能出现分子物质的吸收。

在用压花材料进行压花工艺的过程中,软印模常吸收部分压花材料。该吸收造成一些不合意的效应。

首先,由于压花材料的分子的吸收,造成软印模溶胀。该溶胀主要在软印模表面上的微结构和/或纳米结构区域中造成问题,因为微小量的压花材料分子已经足以使该微结构和/或纳米结构变形。由于软印模多次使用,其在使用过程中吸收越来越多的压花材料分子。压花材料分子的吸收决定性地降低了软印模的使用寿命。该溶胀可以借助不同的探针,例如原子力显微术(AFM)、扫描电子显微术(REM)等直接测量或通过体积和/或重量的增加间接测量。但是,体积和/或重量的增加的测量需要具有极高分辨率的测量装置。可想到的是,例如,通过微重量分析法和/或纳米重量分析法测量重量增加。

此外,将压花材料热硬化或借助电磁辐射硬化。尤其在借助电磁辐射硬化时,已部分渗入印模中的压花材料分子对整个压花材料的曝光时间具有负面影响。其原因在于渗入软印模中的压花材料分子的硬化。软印模中的压花材料分子硬化,因此变得较不透明并因此降低了穿透真正的压花材料的电磁辐射的强度。这一问题对软印模和硬印模同样重要。

软印模的粘附是第三个问题。软印模主要由具有与压花材料类似的物理和/或化学性质的聚合物构成。因此,该软印模表面与压花材料粘附,这对软印模的脱模性质具有负面影响。

本发明的目的因此是改进用于压印技术的结构印模的制造以公开最佳印模材料。

用权利要求1和6的特征实现这一目的。在从属权利要求中给出本发明的有利的扩展方案。由说明书、权利要求书和/或附图中给出的至少两个特征构成的所有组合也落在本发明的范围内。在所示数值范围中,落在上述界限内的数值也被视为作为边界值公开并可以以任意组合要求保护。

本发明涉及印模,优选软印模,其由能使印模尽可能容易地从压花材料中脱模的印模材料构成,具有尽可能低的溶胀并且不会被真正的压花材料污染。因此,根据本发明,该印模材料尤其为压花材料不可透过的。一般而言,当压花材料和本发明的结构印模的印模材料之间的亲水性和疏水性交错时,根据本发明尤其有利。如果压花材料疏水,则本发明的结构印模的印模材料应该亲水,反之亦然。但是,在非常特殊的情况下,当结构印模和压花材料两者都疏水或两者都亲水时,可能尤其有利。由于选择本发明的结构印模的印模材料的可能性,始终可以选择对压花材料具有低粘附性质的材料。此外,当本发明的印模材料对于压花材料的分子而言是不可透过的时,因此是根据本发明的优点。本发明的另一优点是本发明的印模材料的尤其可有针对性地调节的表面。主要在其表面具有极高粗糙度的软印模的情况下,这对要压花的结构具有负面影响。现通过使用本发明的印模材料,首先,通过更光滑的表面使与压花材料的接触表面最小化,其次,减少了形状锁合(fornschlüssig)结合。由此也导致更好的脱模。更好和更有效的脱模主要归因于脱模所需的力变小。本发明的印模材料的粗糙度因此小于1微米,优选小于100纳米,更优选小于10纳米,最优选小于1纳米。所公开的粗糙度值适用于平均粗糙度和/或二次粗糙度(quadratischeRauheit)和/或平均粗糙深度。在这种情况下,跨大约2μmx2μm的表面区域进行测量。

在一个非常特别的实施方案中,本发明的印模材料是导电的。因此,优选防止或至少降低静电荷。还更优选,可将本发明的导电印模材料接地以引走在其表面上产生的电荷。由于该电中性的表面,可妨碍或完全消除对颗粒的引力,特别是静电引力并因此提高该印模的长期清洁度。大地接触本发明的印模材料,和因此与印模接触,优选在边缘。可以通过有针对性地使用由于其分子性质已允许电子导电的化学结构或通过添加至少一种使不导电的印模材料导电的另外的组分产生该印模材料的导电性。在这种情况中尤其优选使用微粒和/或纳米颗粒、纳米线,特别是碳纳米管、石墨烯、石墨等。添加的微粒和/或纳米颗粒也尤其优选可用于加热该印模,只要该压花材料的硬化借助热而非如实际优选的那样借助紫外线进行。在专利文献EP2286981B1中公开了通过微粒和/或纳米颗粒的这种加热。但是,所引用的专利文献提到该微粒和/或纳米颗粒位于压花材料中。在本申请中,该微粒和/或纳米颗粒位于本发明的印模材料中,以实现印模而非压花材料的直接加热。然后经由该印模间接进行压花材料的加热。如专利文献EP2286981B1中那样,可以借助交变磁场加热该微粒和/或纳米颗粒,只要该微粒和/或纳米颗粒对磁场敏感,因此是磁性的。

亲水性是指物质表面与水高的相互作用能力。亲水表面主要是极性的并相应地很好地与流体分子优选与水的永久偶极子相互作用。借助接触角测量装置量化表面的亲水性。在这种情况下,亲水表面具有极小的接触角。如果本发明的涂层必须具有亲水表面才能尽可能容易地从压花材料中脱模,则根据本发明应适用下列数值范围:亲水表面具有小于90o,优选小于60o,更优选小于40o,再更优选小于20o,最优选小于10o的接触角。

疏水性相应地是指物质表面与水低的相互作用能力。疏水表面主要是非极性的并几乎不与流体分子的永久偶极子相互作用。如果本发明的涂层在本发明的一个实施方案中具有疏水表面以能尽可能容易地从压花材料中脱除,则根据本发明应适用下列数值范围:疏水表面具有大于90o,优选大于100o,更优选大于120o,再更优选大于140o,最优选大于160o的接触角。尽管借助亲水性或疏水性表征表面相对于水的性能,但任何本领域技术人员清楚,必须直接测量不同材料之间的粘附性质才能获得关于它们的相互性质的准确信息。但是,表面相对于水的粘附性质的表征已提供对粘附性质的非常粗略的认识。在印模材料和压花材料之间的粘附性质的表征中,根据本发明,接触角测量方法不用水进行,而是直接用直接沉积在印模上的一滴压花材料进行。

本发明的印模特别是用于压印技术中的压印印模。该印模形成为用于制造软印模的硬印模或优选形成为用于压印基底的软印模。由于本发明的印模材料,通过该印模优选具有对压花材料的轻微粘附,可以从压花材料中脱模该印模而不损害和/或(部分)破坏结构。两个表面之间的粘附能力最好能通过每单位面积的能量,即能量面积密度描述。这是指为使沿单位面积彼此接合的两个表面再彼此分开所需的能量。压花材料和结构印模之间的粘附在这种情况下小于2.5J/m2,优选小于1J/m2,更优选小于0.1J/m2,再更优选小于0.01J/m2,最优选小于0.001J/m2,极优选小于0.0001J/m2,最优选小于0.00001J/m2。由此,与不使用本发明的印模材料的印模相比,脱模更容易、更快和更有效并更经济有利。更经济有利主要是由于提高的脱模速度,可以提高每单位时间的压花步骤数。此外,极大提高印模的使用寿命,因此也由此降低制造成本。

优选使用密封性如此大的印模材料以通过本发明的结构材料防止结构印模,特别是软印模的溶胀,因为压花材料不会渗入到该软印模中。相应地,在最大程度上避免了印模结构变形。

该印模材料优选具有1至2500mPas,优选10至2500mPas,更优选100至2500mPas,最优选150至2500mPas的粘度。

此外,通过该印模的印模材料降低了压花材料的曝光时间,只要通过本发明的印模材料阻碍或至少减少了压花材料的吸收。这主要在压花材料通过结构印模曝光时是必须的。本发明的压花材料因此优选对所用电磁辐射主要是透明的。由于大多数压花材料用紫外线硬化,本发明的印模材料优选对紫外线透明。本发明的印模材料特别在5000纳米至10纳米,优选1000纳米至100纳米,更优选700纳米至200纳米,最优选500纳米至300纳米的波长范围内是透明的。

本发明的印模材料、印模结构和/或结构印模本身特别至少主要,优选完全由至少一种下列材料构成:

○有机硅,

■乙烯基官能的聚合物

·乙烯基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:68083-12-2

·乙烯基封端的二苯基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:68951-96-2

·乙烯基封端的多苯基甲基硅氧烷,特别是CAS:225927-21-9

·乙烯基苯基甲基封端的乙烯基苯基硅氧烷-苯基甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:8027-82-1

·乙烯基封端的三氟丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:68951-98-4

·乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,三甲基甲硅烷氧基封端,特别是CAS:67762-94-1

·乙烯基甲基硅氧烷–二甲基硅氧烷共聚物,硅烷醇封端,特别是CAS67923-19-7

·乙烯基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,乙烯基封端,特别是CAS:68083-18-1

·乙烯基橡胶

·乙烯基Q树脂分散体,特别是CAS:68584-83-8

·乙烯基甲基硅氧烷均聚物,特别是CAS:68037-87-6

·乙烯基T-结构聚合物,特别是CAS:126681-51-9

·对称或不对称的单乙烯基官能化的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:689252-00-1

·乙烯基甲基硅氧烷三元共聚物,特别是CAS:597543-32-3

·乙烯基甲氧基硅氧烷均聚物,特别是CAS:131298-48-1

·乙烯基乙氧基硅氧烷均聚物,特别是CAS:29434-25-1

·乙烯基乙氧基硅氧烷-丙基乙氧基硅氧烷共聚物

■氢化物-官能聚合物

·氢化物封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:70900-21-9

·聚苯基甲基硅氧烷,氢化物封端

·甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,三甲基甲硅烷氧基封端,特别是CAS:68037-59-2

·甲基氢硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,氢化物封端,特别是CAS:69013-23-6

·聚甲基氢硅氧烷,三甲基甲硅烷氧基封端,特别是CAS:63148-57-2

·聚乙基氢硅氧烷,三乙基甲硅烷氧基封端,特别是CAS:24979-95-1

·聚苯基-二甲基氢甲硅烷氧基硅氧烷,氢化物封端

·甲基氢硅氧烷-苯基甲基硅氧烷共聚物,氢化物封端,特别是CAS:115487-49-5

·甲基氢硅氧烷-辛基甲基硅氧烷共聚物和三元共聚物,特别是CAS:68554-69-8

·氢化物Q树脂,特别是CAS:68988-57-8

■硅烷醇官能聚合物

·硅烷醇封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:70131-67-8

·硅烷醇封端的二苯基硅氧烷–二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS68951-93-9和/或CAS:68083-14-7

·硅烷醇封端的聚二苯基硅氧烷,特别是CAS:63148-59-4

·硅烷醇封端的聚三氟丙基甲基硅氧烷,特别是CAS:68607-77-2

·硅烷醇-三甲基甲硅烷基改性的Q树脂,特别是CAS:56275-01-5

■氨基官能化的有机硅

·氨基丙基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:106214-84-0

·N-乙基氨基异丁基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:254891-17-3

·氨基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:99363-37-8

·氨基乙基氨基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS71750-79-3

·氨基乙基氨基异丁基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:106842-44-8

·氨基乙基氨基丙基甲氧基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:67923-07-3

■受阻胺官能化的硅氧烷(英文:hinderedamine-functionalsiloxanes)

·四甲基哌啶基氧基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:182635-99-0

■环氧官能化的有机硅

·环氧丙氧基丙基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:102782-97-8

·环氧丙氧基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:68440-71-7

·环氧丙氧基丙基封端的聚苯基甲基硅氧烷,特别是CAS:102782-98-9

·环氧丙氧基丙基二甲氧基甲硅烷基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:188958-73-8

·三(环氧丙氧基丙基二甲基甲硅烷氧基)苯基硅烷,特别是CAS:90393-83-2

·单-(2,3-环氧基)-丙基醚封端的聚二甲基硅氧烷(优选实施方案),特别是CAS:127947-26-6

·环氧环己基乙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:67762-95-2

·(2-3%环氧环己基乙基甲基硅氧烷)(10-15%甲氧基聚亚烷基氧基(polyalkyleneoxy)甲基硅氧烷)-二甲基硅氧烷三元共聚物,特别是CAS:69669-36-9

■脂环族环氧硅烷和有机硅

·环氧环己基乙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:67762-95-2

·(2-3%环氧环己基乙基甲基硅氧烷)(10-15%甲氧基聚亚烷基氧基甲基硅氧烷)-二甲基硅氧烷三元共聚物,特别是CAS:69669-36-9

·环氧环己基乙基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:102782-98-9

■甲醇官能化的有机硅

·甲醇羟基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:156327-07-0、CAS:104780-66-7、CAS:68937-54-2、CAS:161755-53-9、CAS:120359-07-1

·双(羟乙基)胺)封端的聚二甲基硅氧烷

·甲醇官能化的甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:68937-54-2、CAS:68957-00-6、CAS:200443-93-2

·单甲醇封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:207308-30-3

·单二甲醇封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:218131-11-4

■甲基丙烯酸酯和丙烯酸酯官能化的硅氧烷

·甲基丙烯酰氧基丙基封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:58130-03-3

·(3-丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基丙基)封端的聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:128754-61-0

·丙烯酰氧基封端的环氧乙烷-二甲基硅氧烷-环氧乙烷ABA嵌段共聚物,特别是CAS:117440-21-9

·甲基丙烯酰氧基丙基封端的支化聚二甲基硅氧烷,特别是CAS:80722-63-0

·甲基丙烯酰氧基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是:CAS:104780-61-2

·丙烯酰氧基丙基甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物,特别是CAS:158061-40-6

·(3-丙烯酰氧基-2-羟基丙氧基丙基)甲基硅氧烷-二甲基硅氧烷共聚物

·甲基丙烯酰氧基丙基T结构化的硅氧烷,特别是CAS:67923-18-6

·丙烯酰氧基丙基T结构化的硅氧烷

■多面体低聚倍半硅氧烷(POSS)

■原硅酸四乙酯(TEOS)

■聚(有机)硅氧烷。

该印模材料优选由环氧-有机硅和/或丙烯酸酯-有机硅构成。本发明的印模材料的化学基本结构因此是聚二甲基硅氧烷,其中甲基以规则或不规则间隔被环氧基和/或丙烯酸酯基团替代。这些化学基团优选能使本发明的印模材料借助紫外线硬化。为开始UV硬化过程,可以将相应的自由基和/或阳离子引发剂添加到本发明的印模材料中。

此外,可以由上述材料的材料组合制造印模,特别是印模结构。也可以串联(inSerie)使用印模和背板(英语:backplane),其中印模和背板通常由不同材料构成。多种不同材料的使用使得由其制成的单独的或组合的印模被称作混合印模(Hybridstempel)。在这种情况下,背板可充当印模的加强件。但是,也可以想到极其挠性并仅充当印模的支承件的背板。再则,该背板特别具有小于2000微米,优选小于1000微米,更优选小于500微米,最优选小于100微米的厚度。

在一个尤其优选的实施方案中,用防粘附层涂布印模,以实现根据本发明的印模材料和压花材料之间的粘附的降低。该防粘附层优选是对压花材料具有相应低的粘附性质的有机分子。如果该印模已如例如金属、陶瓷或玻璃印模大多数的情况那样为压花材料的分子不可透过的,则可以摒弃作为扩散屏障的本发明的涂层,并且可以用防粘附层(在这种情况下作为本发明的涂层)直接涂布印模。因此,基于粘附性产生在脱模性质方面的至少一个积极效应。在专利文献PCT/EP2013/062922(在这方面参考其)中已提到这样的涂层。

在压花材料的UV硬化中,本发明的印模材料优选对使压花材料交联的电磁辐射的波长范围至少部分透明。在这种情况下,光学透明度大于0%,优选大于20%,更优选大于50%,最优选大于80%,极优选大于95%。该光学透明度的波长范围特别在100纳米至1000纳米,优选150纳米至500纳米,更优选200纳米至400纳米,最优选250纳米至350纳米之间。

如果压花材料热硬化,该印模-特别是本发明的涂层-具有尽可能高的导热性。在这种情况下,导热性大于0.1W/(m*K),优选大于1W/(m*K),优选大于10W/(m*K),最优选大于100W/(m*K),极优选大于1000W/(m*K)。

该具有涂层的结构印模有其形成为温度稳定的。该结构印模特别可以在高于25℃,优选高于100℃,更优选高于250℃,最优选高于500℃,极优选高于750℃的温度下使用。

E模量表征材料的弹性。原则上,该结构印模可具有任意E模量。但是,优选的是尽可能小的E模量,以使该结构印模保持可变形并因此能更容易地将其与压花材料分离。该弹性主要是熵弹性。E模量因此特别小于10000MPa,优选小于1000MPa,更优选小于100MPa,最优选1至50MPa,极优选1至20MPa。

图1a显示优选的丙烯酸酯有机硅的化学结构式,且

图1b显示优选的环氧有机硅的化学结构式。

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