專(zhuān)利名稱：連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微光學(xué)元件加工技術(shù)，主要涉及一種用于熱壓印的連續(xù)浮雕陽(yáng)模的柵形止擋結(jié)構(gòu)，即止擋柵結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
微光學(xué)元件是制造小型光電子系統(tǒng)的關(guān)鍵元件。熱壓印結(jié)合反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)可 實(shí)現(xiàn)石英材料連續(xù)浮雕微光學(xué)元件高精度、高重復(fù)性和低成本的批量加工。熱壓印(Hot Embossing Lithography, HEL)是納米壓印技術(shù)的一個(gè)分支，由 Stephen Y. Chou于1995年首次提出并提出專(zhuān)利申請(qǐng)，參見(jiàn)專(zhuān)利US5772905 "Nanoimprint lithography”。相對(duì)于紫外壓印，熱壓印聚合物可選擇范圍更為廣泛，加工設(shè)備更簡(jiǎn)單，成 本更低。然而熱壓印加工連續(xù)浮雕微光學(xué)元件，會(huì)產(chǎn)生壓模使用壽命和壓印填充效果不可 兼顧的問(wèn)題。高昂的價(jià)格決定了連續(xù)浮雕壓模需要有足夠長(zhǎng)的使用壽命；理想的填充效果 是獲得高精度連續(xù)浮雕光學(xué)元件的基本前提。一方面，對(duì)于相同的壓模圖形結(jié)構(gòu)，陽(yáng)模壓印 盡管具有理想的填充效果，但是其尖銳頂部結(jié)構(gòu)在壓印中極易受損傷，導(dǎo)致其使用壽命有 限；另一方面，陰模壓印中，圖形區(qū)域以外的突起結(jié)構(gòu)雖然可以有效保護(hù)浮雕安全，但是往 往難以實(shí)現(xiàn)壓模的完全填充。因此如何兼顧陽(yáng)模的使用壽命和陰模的理想填充效果，是利 用熱壓印實(shí)現(xiàn)高精度連續(xù)浮雕光學(xué)元件批量加工所必須解決的問(wèn)題。為此本課題組提出了一種光刻膠整形的方法，通過(guò)改進(jìn)壓印方法解決上述問(wèn)題， 參見(jiàn)專(zhuān)利200910073198. 5 “凹模熱壓印中應(yīng)用光刻膠整形改善填充和減少殘膠的方法”， 及文獻(xiàn)(Pengjin, et al. Resist Shaping for Replication of Micro-optical Elements with Continuous Relief inFused Silica. Optics Letters. 2010，35(8) :1169 1171)。 此方法是在傳統(tǒng)工藝的基礎(chǔ)上增加了①對(duì)基片上的光刻膠薄層整形，獲得與壓模圖案區(qū)域 一致的光刻膠區(qū)域；②將壓模與整形后的光刻膠對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)步驟。此方法雖然改善了陰模的 填充效果，但是引入附加工藝步驟，降低了工作效率。為此，本專(zhuān)利通過(guò)改進(jìn)壓模結(jié)構(gòu)，在不引入附加工藝步驟的前提下，解決壓模使用 壽命和壓印填充效果不可兼顧的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種用于熱壓印的陽(yáng)模結(jié)構(gòu)。在不犧牲 壓印效率的前提下，克服了現(xiàn)有熱壓印技術(shù)制作連續(xù)浮雕微光學(xué)元件普遍存在的連續(xù)浮雕 壓模使用壽命和壓印填充效果難以兼顧的問(wèn)題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案是提出了一種用于熱壓印的連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié) 構(gòu)，在陽(yáng)模的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)周邊外圍設(shè)有止擋柵結(jié)構(gòu)，止擋柵結(jié)構(gòu)下端面低于連續(xù)浮雕結(jié) 構(gòu)下端面。本發(fā)明具有以下特點(diǎn)及良好效果
本發(fā)明所提出了用于保護(hù)連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié)構(gòu)。該止擋柵結(jié)構(gòu)下端面低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面，可用于承載作用于壓模的總壓力，并以柵形設(shè)計(jì)減小結(jié)構(gòu)下方抗蝕 劑所需橫向流動(dòng)的距離，克服了連續(xù)浮雕陽(yáng)模的尖銳頂部結(jié)構(gòu)在壓印中易受損傷的問(wèn)題， 并保持了陽(yáng)模的良好填充效果。實(shí)驗(yàn)表明具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)?？稍诟〉癫皇軗p傷的前 提下，在10分鐘內(nèi)實(shí)現(xiàn)直徑7mm、深度1390nm的連續(xù)浮雕微透鏡圖形區(qū)域的理想填充。


圖1為具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模剖面示意2為具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模實(shí)際設(shè)計(jì)結(jié)果a)具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖b)具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模輪廓3為具有止擋柵結(jié)構(gòu)的陽(yáng)模壓印示意4為不同止擋柵線寬所得到的壓印曲線圖5為采用相同壓印參數(shù)及不同壓模得到的填充效果對(duì)比a)陰模壓印的中央環(huán)帶填充效果b)陰模壓印的邊緣環(huán)帶填充效果c)止擋柵陽(yáng)模壓印的中央環(huán)帶填充效果d)止擋柵陽(yáng)模壓印的邊緣環(huán)帶填充效果
具體實(shí)施例方式本發(fā)明屬于一種用于熱壓印的連續(xù)浮雕陽(yáng)模止擋柵結(jié)構(gòu)，如圖1、圖2所示；該止 擋柵結(jié)構(gòu)12位于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11的外圍，止擋柵結(jié)構(gòu)下端面13低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面 14。連續(xù)浮雕陽(yáng)模止擋柵結(jié)構(gòu)12參數(shù)的設(shè)計(jì)原則包括以下五個(gè)方面①止擋柵結(jié)構(gòu)12高度在壓模實(shí)際加工的精度及一致性可保證止擋柵結(jié)構(gòu)下端 面13低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面14的前提下，選取最小值；②止擋柵結(jié)構(gòu)下端面13的總面積在壓力完全作用于止擋柵結(jié)構(gòu)12時(shí)，其最大壓 力應(yīng)小于壓模材料抗壓強(qiáng)度的三分之一；③止擋柵結(jié)構(gòu)12線寬在其止擋柵結(jié)構(gòu)12的總面積不變及結(jié)構(gòu)平坦的前提下， 兼顧壓模加工實(shí)際能力，并根據(jù)壓模結(jié)構(gòu)、壓印參數(shù)及抗蝕劑流動(dòng)特性，適當(dāng)選取較小的線
覓ο④止擋柵結(jié)構(gòu)12的占空比止擋柵結(jié)構(gòu)12的占空比要小于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11的占空比。⑤止擋柵結(jié)構(gòu)12與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11邊緣的距離引入的止擋柵結(jié)構(gòu)12對(duì)連續(xù)浮 雕光學(xué)性能的影響可以忽略。連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié)構(gòu)12設(shè)計(jì)具體方法如下，壓印示意圖如圖3所示1.止擋柵結(jié)構(gòu)12高度為1485nm。壓模圖形區(qū)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11的高度為1385nm， 止擋柵下端面13低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面lOOnm，從而止擋柵下端面13可以先于連續(xù)浮雕 結(jié)構(gòu)下端面14接觸到硬質(zhì)基底31，減少了連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11頂部受損的可能。IOOnm僅為 連續(xù)浮雕高度的1/14，對(duì)后續(xù)圖形傳遞影響較小。
2.止擋柵下端面13的總面積為1. 76mm2。根據(jù)壓模結(jié)構(gòu)其選取的最大壓力為 600N，全部壓力均作用于止擋柵結(jié)構(gòu)12時(shí)的應(yīng)力約為340MPa，僅為熔融石英的抗壓強(qiáng)度 llOOMPa的30%。因此足夠大的總面積保證了止擋柵結(jié)構(gòu)12免于壓碎。3.止擋柵結(jié)構(gòu)12線寬S = 30i!m。根據(jù)Schift擠壓流理論，在壓模的圖形區(qū)域 半徑r(1 = 5mm、抗蝕劑為Micro Resist公司分子量75Kg/mol的PMMA，其在溫度180°C時(shí)的 零剪切粘度％ = 0. 6MPa s、壓力F = 600N、初始抗蝕劑厚度K = 850nm，根據(jù)下面公式 在不同線寬下得到的抗蝕劑厚度h(t)隨時(shí)間的關(guān)系如圖4所示?？梢钥闯?，止擋 柵結(jié)構(gòu)12線寬為30 ym時(shí)抗蝕劑厚度可以在1分鐘內(nèi)迅速衰減至lOOnm以下。因此上述 止擋柵結(jié)構(gòu)12對(duì)壓印造成的阻礙作用幾乎可以忽略不計(jì)。而如果不使用柵形設(shè)計(jì)，則止擋 結(jié)構(gòu)寬度為120 ym，此時(shí)抗蝕劑厚度在10分鐘內(nèi)才能降至200nm，對(duì)壓印阻礙作用已經(jīng)比
較顯著。4.止擋柵結(jié)構(gòu)12的占空比為|=30%，小于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)n的占空比50%。5.止擋柵結(jié)構(gòu)12與連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11邊緣的距離為0. 5mm。本文壓模加工所用的 激光直寫(xiě)系統(tǒng)曝光區(qū)域半徑5mm，因此距離過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致部分止擋柵結(jié)構(gòu)12無(wú)法加工。同時(shí) 徑向4. 5mm處，入射高斯光束的光強(qiáng)已經(jīng)衰減至峰值的8. 83X10_4，因此止擋柵結(jié)構(gòu)12的 對(duì)光束造成的相位變化對(duì)整體光束的影響可以忽略不計(jì)。采用完全相同的壓印參數(shù)初始抗蝕劑厚度850nm、溫度180°C、壓力600N、時(shí)間 lOmin，陰模壓印與止擋柵結(jié)構(gòu)陽(yáng)模壓印的填充效果對(duì)比如圖5所示。其中圖5(a)和圖 5(b)所示分別為陰模壓印在中央和邊緣環(huán)帶的填充效果，可以看出壓印結(jié)果遠(yuǎn)未達(dá)到完全 填充；圖5(c)和圖5(d)所示分別為具有止擋柵結(jié)構(gòu)12的陽(yáng)模壓印在中央和邊緣環(huán)帶的填 充效果，可以看出壓印結(jié)果已經(jīng)達(dá)到了理想的完全填充。由此可見(jiàn)具有止擋柵結(jié)構(gòu)12的陽(yáng) 模依然具有顯著優(yōu)于陰模的填充效果；此外多次的重復(fù)實(shí)驗(yàn)表明止擋柵結(jié)構(gòu)12對(duì)連續(xù)浮 雕結(jié)構(gòu)11的頂部起到了有效的保護(hù)作用。綜上所述，本發(fā)明提出的在陽(yáng)模連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11外圍增設(shè)的止擋柵結(jié)構(gòu)12，實(shí)現(xiàn) 了對(duì)連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)11的保護(hù)，且在不降低壓印效率的前提下實(shí)現(xiàn)了壓模使用壽命和壓印 填充效果的兼顧。
權(quán)利要求
一種連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié)構(gòu)，其特征在于在陽(yáng)模的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)(11)周邊外圍設(shè)有止擋柵結(jié)構(gòu)(12)，止擋柵結(jié)構(gòu)下端面(13)低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面(14)。
全文摘要
連續(xù)浮雕陽(yáng)模的止擋柵結(jié)構(gòu)屬于微光學(xué)元件加工技術(shù)；在陽(yáng)模的連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)的周邊外圍設(shè)有止擋柵結(jié)構(gòu)，止擋柵結(jié)構(gòu)下端面低于連續(xù)浮雕結(jié)構(gòu)下端面，可用于承載作用于壓模的總壓力，并以柵形設(shè)計(jì)減小結(jié)構(gòu)下方抗蝕劑所需橫向流動(dòng)的距離，克服了連續(xù)浮雕陽(yáng)模的尖銳頂部結(jié)構(gòu)在壓印中易受損傷的問(wèn)題，并保持了陽(yáng)模的良好填充效果。
文檔編號(hào)B29C33/00GK101870165SQ20101020685
公開(kāi)日2010年10月27日 申請(qǐng)日期2010年6月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月23日
發(fā)明者梅林 , 譚久彬, 金鵬, 高育龍 申請(qǐng)人:哈爾濱工業(yè)大學(xué)