基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法

摘要

本发明公开了一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，将具有纳米结构的平面压模与待加工滚筒表面接触，利用平面压模的断开面的边缘在待加工滚筒表面刻划出纳米尺度的线栅。本发明还公开了一种平面压模的制作方法。本发明的方法中产生的线条宽度可以达到纳米级，并且在滚筒上进行的压模，使生产中成本降低，并且可以实现连续生产的显著优势；通过将小面积纳米级模板，放大成大面积的纳米级模板，解决了大面积纳米级模具制备难得问题。

权利要求

1.一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于：将具有纳米结构的平面压模与待加工滚筒表面接触，利用平面压模的断开面的边缘在待加工滚筒表面刻划出纳米尺度的线栅,所述的平面压模的制作方法包括如下步骤：

Ⅰ、通过具有纳米结构的第一平板对第一滚筒进行压印，在第一滚筒表面形成与所述第一平板表面纳米结构互补的结构；

Ⅱ、通过第一滚筒对第二平板进行压印，在第二平板的表面形成与第一滚筒表面纳米结构互补的结构，获得平面压模，其中，第一平板的边长、第二平板的宽度均与所述第一滚筒的宽度相同，而第二平板的长度与待加工的滚筒的待加工表面的长度相同。

2.根据权利要求1所述的基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于：所述平面压模为硅片。

3.根据权利要求1所述的基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于，所述步骤I中，所述第一滚筒的表面均匀涂布有UV固化材料或热塑性材料。

4.根据权利要求1所述的基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于，所述步骤Ⅱ中，所述第二平板的制作步骤具体包括：（一）在第二平板表面上均匀涂布UV固化材料或热塑性材料；

（二）通过第一滚筒对第二平板进行压印，在UV固化材料或热塑性材料上形成与第一滚筒表面纳米结构互补的结构；

（三）通过等离子刻蚀技术将UV固化材料或热塑性材料上的纳米结构传递到第二平板中，形成具有表面微观结构的平板，即平面压模。

5.根据权利要求1所述的基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于，所述第一平板为硅片。

6.根据权利要求1所述的基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，其特征在于，所述步骤Ⅰ中，所述第一平板对第一滚筒进行压印之前，还需在所述第一平板的表面通过气相沉积法制作一层抗粘层，所述抗粘层为全氟辛基三氯硅烷。

说明书

基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法

技术领域

[0001] 本发明属于微光学元件制作方法领域，尤其涉及一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法。

背景技术

[0002] 卷对卷（roll to roll）连续式纳米压印技术可以突破现有平版式压印技术的周期长、面积小的瓶颈，具有低成本及连续生产的显著优势，是纳米压印产业化的重要发展方向。

[0003] 卷对卷连续式纳米压印制造技术的原理是以具有纳米结构滚筒压模在柔性基材上，以连续性滚压复制方式生产大面积具备纳米结构的功能性组件。但由于滚筒压模的制作涉及曲面纳米加工。因此滚筒压模的制作就成了卷对卷纳米压印技术的技术瓶颈和研究热点。

[0004] 就现已公开的滚筒压模的制作技术主要有3种：首先是包覆法，即加工具有微结构的镍质平面薄膜包覆于滚筒表面（C. Y. Chang, et al. A roller embossing process for rapid fabrication of microlens arrays on glass substrates. Microsystem Technologies, 2006, 12: 754-759）。这是目前应用最为广泛的技术。由于镍薄膜的结构可以使用电子束或干涉曝光结合电铸技术加工，因此可以实现纳米尺度的复制。但是该技术使得滚筒压模表面具有明显的接缝，此外金属薄膜翘曲及其与金属滚筒之间滑移也会影响复制质量。

[0005] 其次是直接加工法，使用机械车削或曲面步进光刻，直接在滚筒的金属表面加工微结构（Tzu-Chien Huang, et al. Direct fabrication of microstructures on metal roller using stepped rotating lithography and electroless nickel plating. Microelectronic Engineering. 2009, 86: 615-618）。即使滚筒的转动误差会导致其表面结构在转角0°和360°的连接处无法完全对接，即有图形错位现象，但是没有明显接缝，极大提高了连续复制结构的连续性，这是该方法的显著优点。但是这种方法受限于曲面加工的精度，目前的可加工的最小线宽约为2μm，无法实现纳米结构的加工。

[0006] 最后是台湾国立成功大学的李永春等人发明的反向roll to plate滚压法（李永春等，滚筒模仁之制造方法，申请号I305753）。该技术包括以下步骤：（1）在待压滚筒表面形成一层压印材料；（2）将待压滚筒水平架设于压印载台上；（3）设置一平面压模于待压滚筒之上，其中平面压模的表面结构面向待压滚筒；（4）设置一支撑滚筒，将平面压模夹设在待测滚筒与支撑滚筒之间；（5）对压印材料层进行加热，以使平面压模的表面结构转印到待压滚筒表面的压印材料中。该方法兼具前两种方法的优点，即具有纳米尺度的分辨率，且没有明显接缝。但是该方法实施的前提，是需要成本极高的大面积纳米结构平面压模。

发明内容

[0007] 为克服现有技术的不足，本发明提供一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，以实现具有纳米尺度线栅的大面积滚筒压模制作。

[0008] 为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0009] 一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，将具有纳米结构的平面压模与待加工滚筒表面接触，利用平面压模的断开面的边缘在待加工滚筒表面刻划出纳米尺度的线栅。

[0010] 优选的，在上述基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法中，所述平面压模为硅片。

[0011] 本发明还公开了一种平面压模的制作方法，包括如下步骤：

[0012] 、通过具有纳米结构的第一平板对第一滚筒进行压印，在第一滚筒表面形成与所述第一平板表面纳米结构互补的结构；

[0013] 、通过第一滚筒对第二平板进行压印，在第二平板的表面形成与第一滚筒表面纳米结构互补的结构，获得平面压模。

[0014] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述步骤 中，所述第一滚筒的表面均匀涂布有UV固化材料或热塑性材料。

[0015] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述步骤 中，所述第二平板的制作步骤具体包括：

[0016] （一）在第二平板表面上均匀涂布UV固化材料或热塑性材料；

[0017] （二）通过第一滚筒对第二平板进行压印，在UV固化材料或热塑性材料上形成与第一滚筒表面纳米结构互补的结构；

[0018] （三）通过等离子刻蚀技术将UV固化材料或热塑性材料上的纳米结构传递到第二平板中，形成具有表面微观结构的平板，即平面压模。

[0019] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述第一平板为硅片。

[0020] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述第一平板的长度大于等于所述第一滚筒的周长。

[0021] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述第二平板的长度等于所述待加工滚筒的待加工表面的长度。

[0022] 优选的，在上述平面压模的制作方法中，所述步骤 中，所述第一平板对第一滚筒进行压印之前，还需在所述第一平板的表面通过气相沉积法制作一层抗粘层，所述抗粘层为全氟辛基三氯硅烷。

[0023] 与现有技术相比，本发明的优点在于：

[0024] （1）采用具有纳米结构的平面压模，在滚筒待压表面上直接刻划出纳米尺度的线栅栏，该方法可以由小面积的纳米图案，制备大面积的纳米图案，平面压模仅需很小的面积，大大降低了成本；

[0025] （2）通过刻划在滚筒表面获得纳米级别的结构，可以实现卷对卷的连续式的压印，进而可以大批量生产；

[0026] （3）将小面积纳米级模板，放大成大面积的纳米级模板，成本低，解决了大面积纳米级模具制备难得问题。

附图说明

[0027] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0028] 图1所示为本发明具体实施例中滚筒压模制作的工艺流程示意图；

[0029] 图2a所示为本发明具体实施例中第一滚筒的结构示意图；

[0030] 图2b所示为本发明具体实施例中第一平板对第一滚筒进行压印的示意图；

[0031] 图3a所示为本发明具体实施例中第一滚筒对第二平板进行压印的示意图；

[0032] 图3b所示为本发明具体实施例中对第二平板进行等离子刻蚀的示意图。

具体实施方式

[0033] 本发明实施例公开了一种基于动态纳米刻划技术制作滚筒压模的方法，将具有纳米结构的平面压模与待加工滚筒表面接触，利用平面压模的断开面的边缘在待加工滚筒表面刻划出纳米尺度的线栅。

[0034] 本发明实施例还公开了一种平面压模的制作方法，包括如下步骤：

[0035] 、通过具有纳米结构的第一平板对第一滚筒进行压印，在第一滚筒表面形成与所述第一平板表面纳米结构互补的结构；

[0036] 、通过第一滚筒对第二平板进行压印，在第二平板的表面形成与第一滚筒表面纳米结构互补的结构，获得平面压模。

[0037] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

[0038] 如图1所示，首先准备一片边长为a 的第一平板11，第一平板11为正方形的石英片。该石英片表面具有周期200nm、线宽80nm、高度80nm的矩形线栅结构（纳米结构）。使用全氟辛基三氯硅烷，通过气相沉积的办法在第一平板11表面制作一层抗粘层,以保证后续压印的顺利脱模。

[0039] 然后如图2a所示，在第一滚筒12的表面涂布一层乙烯-四氟乙烯共聚物（Ethylene tetrafluoroethylene，ETFE）121，膜厚1μm。由第一平板11底部加热至200°C，同时对第一滚筒12内部通加热油，使其加热至150°C。将第一滚筒12压印到第一平板11表面，第一滚筒12与第一平板11作如图2b所示的相对运动。由此通过第一滚筒
12与第一平板11之间的非等温压印，将第一平板11表面的纳米结构转移到第一滚筒12表面。此时的第一滚筒12表面具有周期200nm、线宽120nm、高度80nm的矩形线栅结构。在其他实施例中，第一滚筒12的表面也可以均匀涂布有其他UV固化材料或热塑性材料。

[0040] 如图3a所示，在第二平板13表面涂布聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）131，厚度150nm。第二平板13优选为硅片。然后类似的，由第二平板13底部加热至160°C，同时对第一滚筒12内部通加热油，使其加热至100°C。将第一滚筒12压印到第二平板13表面，第一滚筒12与第二平板13作如图3a所示的相对运动。由此通过第一滚筒12与第二平板13之间的非等温压印，将第一滚筒12表面的纳米结构转移到第二平板13表面。此时的第二平板13表面的PMMA31具有周期200nm、线宽80nm、高度80nm的矩形线栅结构，残留层厚度约
50nm。第二平板13的宽度与第一滚筒12的宽度相同，也是a ；第二平板13的长度为l，大于等于第一滚筒12的周长πR，且第二平板13的长度l等于待加工滚筒15的待加工表面的长度。因此可以发现，这一步操作使得线栅的宽度显著延拓。在其他实施例中，第二平板
13的表面也可以均匀涂布有其他UV固化材料或热塑性材料。

[0041] 如图3b所示，使用反应离子刻蚀（RIE）技术，将厚度约50nm的残留层清除。刻蚀参数如下：O2流量40SCCM，压强4Pa，功率100 W。然后继续使用反应离子刻蚀技术，将PMMA31的纳米结构传递到第二平板13中，刻蚀参数如下：O2流量1.4 SCCM, CHF3 50 SCCM，压强4Pa，功率60 W。刻蚀完毕后，第二平板13被制作为表面具有周期200nm、线宽100nm、高度
100nm矩形线栅结构的平板（平面压模）。

[0042] 目前的纳米量级平面压模都是用电子束写入技术做的，这种技术的写入速度非常慢，而且极其昂贵。而面向于大规模生产，当然希望其使用的压膜面积尽可能的大，这样生产效率才会比较高。本实施例通过上述技术方案，可以将小面积纳米级模板（第一平板11），放大成大面积的纳米级模板（第二平板13），成本低，可以应用于大规模生产。

[0043] 最后将第二平板13沿长度l方向裁开，取其中一半作为平板14。在待加工滚筒15表面涂布一层乙烯-四氟乙烯共聚物（Ethylene tetrafluoroethylene，ETFE），膜厚1μm。对待加工滚筒15内部通加热油，使其加热至150°C，同时将平板14加热至200°C。基于平板14的新鲜断裂面沿待加工滚筒15的表面刻划，形成纳米尺度的线栅。

[0044] 综上所述，本发明的优点在于：

[0045] （1）采用具有纳米结构的平面压模，在滚筒待压表面上直接刻划出纳米尺度的线栅栏，该方法可以由小面积的纳米图案，制备大面积的纳米图案，平面压模仅需很小的面积，大大降低了成本；

[0046] （2）通过刻划在滚筒表面获得纳米级别的结构，可以实现卷对卷的连续式的压印，进而可以大批量生产；

[0047] （3）将小面积纳米级模板，放大成大面积的纳米级模板，成本低，解决了大面积纳米级模具制备难得问题。

[0048] 需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

[0049] 以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。