專利名稱：用于軟光刻法的復合構圖設備的制作方法
用于軟光刻法的復合構圖設備 對相關申請的交叉引用
本申請要求于2004年4月27日提交的美國臨時專利申請 60/565,604的優(yōu)先權，在此通過引用，將其全部內容以不與本申請所公 開內容矛盾的程度納入本說明書。
背景技術：
微米級結構和器件的設計與制造已對多項重要技術——包括微電子 學、光電子學、微流體技術和微傳感技術一構成巨大影響。例如，制造 微米級(microsized)電子器件的能力已經使電子學領域發(fā)生巨大變化， 獲得了性能更快更高、能量需求顯著降低的電子元件。隨著這些技術的 不斷快速發(fā)展而日益明顯的是，通過開發(fā)在納米級上操縱和組織物質的 能力，將得到更多的益處。納米科技的進步將可望對從材料科學到應用 工程到生物技術的許多技術領域產生顯著影響。
具有納米級尺寸的器件的制造不僅僅是微型化概念的自然延伸，它 還是一個在物理和化學行為上區(qū)別于較大型體系的根本不同的領域。例 如，很多材料的納米級組裝行為顯著受其大的界面體積分數以及電子束 綽引起的量子機械效應的影響。制造具有邊界清晰的、納米級零部件 (features)的結構的能力，已經使制造基于其性能和過程僅發(fā)生于納 米尺寸上的器件成為可能，所述性能和過程包括例如單電子隧道效應、 庫倫堵塞和量子尺寸效應。然而，由各種材料制造亞微米級結構的商業(yè) 化實用方法的開發(fā)，對納米科技的不斷發(fā)展而言是關鍵所在。
光刻法(photolithography)是目前最普遍4吏用的孩i:制造方法，幾 乎所有的集成電路都是用這種技術制造的。在常規(guī)的投影模式 (projection mode)光刻法中，用光掩模生成一個與選定的二維圖案對 應的光學圖像。將該圖像進行光學還原(optically reduce)并投射到 旋涂于基片上的光致抗蝕劑薄膜上?；蛘?，在直接寫至晶片(Direct Write to Wafer)光刻技術中，將光致抗蝕劑直接暴露于激光、電子束 或離子束，而不使用光掩模。光、電子和/或離子與光致抗蝕劑所含分子之間的相互作用使選定的光致抗蝕劑區(qū)域發(fā)生化學變化，變化的方式使 得能夠制造具有清晰的物理尺寸的結構。光刻法非常適于在平面上生成 二維分布零部件。此外，采用涉及形成多疊層的疊加制造方法，光刻法 能夠在平面上生成更復雜的三維分布零部件。
光刻法的新發(fā)展已經使其應用擴展到具有亞微米級尺寸的結構的制
造中。例如，納米光刻技術，如uv深投影模式光刻法、軟x射線光刻法、
部件的結構。雖然納米光刻法提供了制造具有納米尺寸的結構和器件的 可行方法，但是這些方法具有某些限制，這阻止了其與低成本、高產量 的納米材料商業(yè)化加工方法的有效結合。首先，納米光刻法需要精細且
昂貴的分檔器或寫工具(write tool)，以將光、電子和/或離子導向光 致抗蝕劑表面上。第二，這些方法限于對很窄范圍內的專用材料進行構 圖，并且不太適于在納米結構中引入特定的化學官能團。第三，常規(guī)的 納米光刻法限于在無機基片的小面積超平剛性表面上制造納米級零部 件，因而不太適于在玻璃、碳和塑料表面上構圖。最后，由于納米光刻 法提供的焦距深度受限，并且通常需要繁重的多層重復加工，因此難以 制造包含其零部件具有三維可選長度的納米結構。
光刻法用于納米制造的實用性限制，激發(fā)了對開發(fā)制造納米級結構 的替代的、非光刻的方法的強烈興趣。近些年，已經開發(fā)了基于模塑
(molding)、接觸印刷和壓印(embossing)的、統(tǒng)稱為軟光刻法(soft lithography)的新4支術。這些4支術4吏用可適應的(conformable)構圖 設備，例如印模、塑模或掩模，這些設備具有包含清晰的凸起圖案(rel ief pattern)的轉印面(transfer surface)。通過材料處理過程一該過 程包括基片和構圖設備轉印面之間的分子級的共形接觸(conformal contact)——形成樣i:米級和納米級(nonosized)的結構。用于軟光刻 法中的構圖設備通常包括彈性體材料，例如聚(二曱基硅氧烷)(PDMS)， 并且通常通過將預聚物澆鑄于用常規(guī)光刻法形成的母板上而制備。構圖 設備的機械特性對于制造具有良好的保真度和定位精度的、高機械強度 的被轉印材料圖案而言非常重要。
能夠生成微米級和/或納米級結構的軟光刻方法包括納米轉印
(nanotransf er print ing )、 微轉印模塑(microtransf er molding )、再模塑(replica molding)、 毛細管微模塑(micromolding in capillaries)、近場移相光刻(near field phase shif t 1 i thography ) 以及溶劑輔助微模塑(solvent assisted micromolding)。例如，常 規(guī)的軟光刻接觸印刷方法已用于生成金的自組裝單層圖案，該圖案具有 側向尺寸小至約250 nm的零部件。軟光刻法生成的結構已被結合到各種 器件中，包括二極管、熒光多孔硅烷像素、有機發(fā)光二極管和薄膜晶體 管中。該技術的其它應用通常包括制造柔性電子元件、微機電系統(tǒng)、微 分析系統(tǒng)以及納米光子系統(tǒng)(nanophotonic system)。
制造納米結構的軟光刻方法提供了對于制造納米級結構和器件而言 重要的許多優(yōu)點。首先，這些方法適用于范圍廣泛的基片，例如柔性塑 料、含碳材料、陶瓷、硅和玻璃，并且適用于范圍廣泛的轉印材料，包 括金屬、有機復合物、膠體材料、懸浮體、生物分子、細胞和鹽溶液。 第二，軟光刻法既能夠在平面上、也能夠在曲面上生成被轉印材料的零 部件，并且能夠快速有效地在基片的大面積上構圖。第三，軟光刻技術 很適合具有下述特征的三維結構的納米制造所述三維結構的零部件在 三維上具有可選擇性調整的長度。最后，軟光刻法提供了低成本的方法， 該方法可望適合于現有的商業(yè)化印刷和模塑技術。
雖然常規(guī)的PDMS構圖設備能夠與多種基片材料和表面形態(tài) (surface contours)形成可復制的共形接觸，但是用這些設備制造小 于lOOnm范圍內的零部件時會遇到與壓力引起的變形相關的問題，因為 常規(guī)的單層PDMS印模和塑模具有低模量(3MPa )和高壓縮率(2. 0 N/mm2 )。 首先，在長寬比小于約0.3時，具有寬且淺的凸起零部件的常規(guī)PDMS 構圖設備在與基片表面接觸時易于塌陷(collapse)。第二，具有間距 小的(< 約200 nm)、窄的(< 約200 nm)結構的常規(guī)單層PDMS構圖 設備的相鄰零部件在與基片表面接觸時易于一起塌陷。最后，當常規(guī)的 PDMS印模從基片上剝離時，由于表面張力，印模易于使被轉印圖案中的 尖銳轉角變圓。這些問題的綜合效果是給被轉印到基片上的材料圖案帶 來不期望的變形。為使常規(guī)的單層PDMS構圖設備引起的圖案變形最小 化，已經將包含多層印模和塑模的復合構圖設備作為生成尺寸小于100 nm的結構的裝置進行了檢驗。
Michel及其合作者報道了使用復合印模的微接觸印刷方法，所述復合印模由結合于彈性體層上的可彎曲的金屬、玻璃或聚合物薄層組成，
所述彈性體層上具有帶有凸起圖案的轉印面。[Michel等，Printing Meets Lithography: Sof t Approaches to High Resolution Patterning, IBM J. Res. & Dev.,第45巻，第5期，第697-719頁(2001年9月)。 這些作者還描述了一種復合印模設計，該印模由剛性的支撐層和聚合物 背襯層組成，所述聚合物背襯層包括軟的第一聚合物層及與其相連的較 硬的第二層，該第二層具有帶有凸起圖案的轉印面。據這些作者報道， 所公開的復合印模設計可用于"大面積、高分辨率印刷應用，其零部件 尺寸小至80 nm，，。
Odom及其合作者公開了一種復合的兩層印模設計，該印模由厚的(《 3 mm) 184 PDMS背襯層及與其相連的薄的(30-40微米)力^DMS層所組 成，該力4DMS層具有帶有凸起圖案的轉印面。[Odem等，Langmuir，第 18巻，第5314-5320頁(2002 )。在該研究中，該復合印模用于在軟光 刻移相光刻方法^^塑形成具有100nm量級的尺寸的零部件。據這些作者 報道，所公開的復合印模具有提高的機械穩(wěn)定性，這使得與常規(guī)的低模 量單層PDMS印模相比，側壁的膨脹和下垂的情況減少。
雖然使用常規(guī)的復合印模和塑模，已經在某種程度上提高了軟光刻 方法生成尺寸在小于100nm范圍內的零部件的能力，但是這些技術仍然 易于發(fā)生很多問題，這阻礙了其在高產量微米級和納米級器件制造中的 有效商業(yè)化應用。首先， 一些常規(guī)的復合印模和塑模設計具有有限的柔 性，因而不能與曲面或粗糙面形成良好的共形接觸。第二，常規(guī)的多材 料PDMS印模的凸起圖案易于在熱固化或紫外固化過程中發(fā)生不想要的 收縮，這使凸起圖案在其轉印面上發(fā)生變形。第三，使用含有多層、且 各層具有不同的熱膨脹系數的常規(guī)復合印模，可以導致因溫度變化引起 的凸起圖案變形及其轉印面的彎曲。第四，使用硬的和/或脆的背襯層， 例如玻璃和某些金屬層，使得難以將常規(guī)的復合印模結合到現有的商品 化印刷機配置一一例如輥筒印刷和柔版印刷配置一_中。最后，使用具 有轉印面、且該轉印面包括高模量彈性體材料的復合印模，妨礙了形成 高保真圖案所需的、轉印面和基片表面之間的共形接觸。
從以上所述可以理解，目前在該領域中存在著對制造下述結構的高 分辨率圖案的方法和設備的需要，所述結構具有在10至100納米量級的零部件。具體地說，需要這樣的軟光刻方法和構圖設備，所述方法和設 備能夠制造具有高保真度、良好的機械強度和良好的定位精度的納米級 結構的圖案。此外，需要這樣的構圖設備，所述設備與常規(guī)構圖設備相 比，通過例如降低熱固化或紫外固化過程中凸起圖案的收縮，和/或將溫 度引起的變形降至最低，從而使圖案的變形最小化。最后，需要與現有 的高速的商品化印刷和模塑系統(tǒng)兼容、并能夠容易地結合到所述系統(tǒng)中
的軟光刻方法和"i殳備。

發(fā)明內容
本發(fā)明提供用于在基片表面上制作圖案，特別是包含下述結構的圖 案的方法、設備和設備部件所述結構在一維、二維或三維上具有所選 定的長度為孩i米級(microsized)和/或納米級(nonosized)的零部件 (features)。具體地說，本發(fā)明提供印模、塑模和光掩模，所述印模、 塑模和光掩模用在軟光刻制造方法中以便在平面或曲面上生成結構的高 分辨率圖案，所述曲面包括多種基片上的一包括柔性塑料基片上的一 具有大曲率半徑的表面。本發(fā)明的一個目的是提供用于制造三維結構的 方法和設備，所述結構具有清晰的物理尺寸，該結構特別是包含清晰的 零部件的結構，所述零部件具有10納米至1000納米量級的物理尺寸。 本發(fā)明的另一個目的是提供用于制作結構圖案的方法、設備和設備部件， 所述結構的特征在于在大的基片表面積上的高保真度和良好的定位精 度。本發(fā)明的再一個目的是提供復合構圖設備，該設備與常規(guī)的單層或 多層印模、塑模和光掩模相比具有更好的熱穩(wěn)定性以及對固化引起的圖 案變形的抗性。本發(fā)明的又一個目的是提供能夠與現有的商品化的高速 印刷、模塑和壓印技術、設備和系統(tǒng)相容的軟光刻方法、設備和設備部 件。
一方面，本發(fā)明提供含有多個聚合物層的構圖設備，用以在多種基 片表面和表面形態(tài)上形成高分辨率圖案，所述聚合物層各自具有選定的 機械性能 一 例如楊氏模量和抗彎剛度，選定的物理尺寸 一 例如厚度、 表面積和凸起圖案尺寸，以及選定的熱性能一例如熱膨脹系數。本發(fā)明 的這一方面的構圖設備包括多層聚合物印模、塑模和光掩模，所述印模、 塑模和光掩?？捎糜诙喾N軟光刻構圖應用，包括接觸印刷、模塑和光學構圖。在一個實施方案中，將具有不同的機械性能、物理尺寸和熱性能
的分立的聚合物層結合和/或配合，以得到具有累積的(cumulative )機 械和熱性能的構圖設備，由此得到與常規(guī)軟光刻設備相比提高的圖案分 辨率和保真度，以及改進的熱穩(wěn)定性。此外，包含多個分立聚合物層結 合的本發(fā)明的復合構圖設備能容許多種設備配置、位置和取向而不會斷 裂，這使所述設備與常規(guī)的單層或多層印模、塑模和光掩模相比更易于 結合到現有的商品化印刷、模塑和光學構圖系統(tǒng)中。
在一個實施方案中，本發(fā)明提供了包含第一聚合物層和第二聚合物 層的復合構圖設備，所述第一聚合物層具有低楊氏模量，第二聚合物層 具有高楊氏模量。第一聚合物層包含一個選定的三維凸起圖案，該圖案 上具有至少一個接觸表面，并且該第一聚合物層具有一個與接觸表面相 對的內表面。第二聚合物層具有一個外表面和一個內表面。第一和第二 聚合物層的排列方式使得施加于第二聚合物層的外表面上的力傳遞給第 一聚合物層。例如，可以將第一和第二聚合物層排列為使得施加于第二 層的外表面上的力傳遞給第一聚合物層的一個或多個接觸表面的至少一 部分。在一個實施方案中，第一聚合物層的內表面以有效的方式與第二 聚合物層的內表面結合。例如，第一聚合物層的內表面可以與第二聚合 物層的內表面直接接觸?；蛘?，第一聚合物層和第二聚合物層可以由位 于第一聚合物層的內表面和第二聚合物層的內表面之間的一個或多個連 接層連接，連接層例如薄金屬層、聚合物層或陶資層。
本發(fā)明的這一方面的復合構圖設備能夠在第一聚合物層的一個或多 個接觸表面的至少一部分與進行構圖的基片表面之間建立共形接觸。任 選地，可以將第二聚合物層有效地與一個致動器結合，所述致動器例如 模壓、印刷或模塑設備，它能夠向第二聚合物層的外側提供外力，以使 構圖設備與進行構圖的基片表面共形接觸。任選地，可以將基片有效地 與一個致動器結合，所述致動器能夠使基片與構圖設備共形接觸。
對本發(fā)明的復合構圖設備中聚合物層的物理尺寸和楊氏模量的選 擇，確定了該復合構圖設備的總的機械性能，例如構圖設備的凈抗彎剛 度和適應性(conformability )。在本發(fā)明的一個可用于軟光刻接觸印 刷和模塑應用的實施方案中，第一聚合物層的特征在于楊氏模量選自約 1 MPa至約10 MPa范圍內，厚度選自1孩i:米至100孩￡米范圍內，第二合物層的特征在于楊氏模量選自約1 GPa至約10 GPa范圍內，厚度選自 IO微米至IOO微米范圍內。本發(fā)明的可用于軟光刻接觸印刷應用的復合 構圖設備也包括這樣的實施方案，所述實施方案中第一聚合物層與第二 聚合物層的厚度之比選自約1至約10的范圍內，對于某些應用優(yōu)選等于 約5。在一個實施方案中，第一聚合物層是彈性體層，例如PDMS或h-PDMS 層，第二聚合物層是熱塑性或熱固性層，例如聚酰亞胺層，并且復合構 圖設備具有選自約1 x 10 7 Nm至約lxl0—5 Nm的凈抗彎剛度。
使用低模量第一聚合物層、例如彈性體層，在本發(fā)明中是有益的， 因為這樣得到了能夠與大面積(最高達若干m2)的下述表面形成共形接 觸的構圖i殳備，所述表面包括光滑表面(smooth surface)、平面、粗 糙表面，特別是粗糙幅度最高至約1微米的表面，以及曲面，優(yōu)選曲率 半徑最高達約25微米的表面。此外，使用低模量第一聚合物層，使得可 以用施加于第二聚合物層外表面上的相對較低的壓力(約0. 1 kN m—2至 約10 kN nf2),在接觸表面和大面積的基片表面之間形成共形接觸。例 如，在施加小于或等于約100 N nf"的外部壓力之后，包含厚度大于或等 于約5微米的PDMS層的低模量第一聚合物層在面積達250 cm2的基片表 面上形成可復制的共形接觸。此外，將低模量第一聚合物層納入本發(fā)明 的構圖設備中，使得共形接觸能夠以逐步的、受控的方式形成，從而避 免在第一層的接觸面與基片表面之間形成截留的氣嚢。此外，低模量第 一聚合物層的納入，使接觸表面具有良好的從基片表面剝離的特性，以 及良好的從用于制造本發(fā)明的復合構圖設備的凸起圖案母板表面剝離的 特性。
在本發(fā)明的構圖設備中使用高模量第二聚合物層是有益的，因為這 樣得到了具有足夠大的凈抗彎剛度的構圖設備，所述抗彎剛度足以使在 接觸表面和基片表面之間形成共形接觸后可能發(fā)生的凸起圖案變形最小 化。首先，將高模量第二聚合物層納入本發(fā)明的構圖設備中，使凸起圖 案在與接觸表面所在平面平行的平面內的變形最小化，所述變形包括例 如具有如下特征的變形具有高長寬比的圖案的窄凸起零部件的塌陷。 第二，高模量第二聚合物層的納入，使凸起圖案在與接觸表面所在平面 相交的平面內的變形最小化，所述變形包括例如具有如下特征的變形 凸起圖案的凹入區(qū)域的下垂。由高模量第二聚合物層的納入所帶來的這種凸起圖案變形的降低，使得能夠用本發(fā)明的構圖設備和方法制作小結
構的圖案，所述結構包含清晰的、物理尺寸小至50納米的零部件。
在本發(fā)明的構圖設備中使用高模量第二聚合物層是有益的，還因為 這樣可以容易地操縱本發(fā)明構圖設備并將其納入印刷機、壓印機和模塑 機中。本發(fā)明的該特征便于本發(fā)明的構圖設備的安裝、重新安裝、定向、 維護和清潔。高模量第二聚合物層的納入還使得本發(fā)明的構圖設備可以 25倍于常規(guī)的單層PDMS印模、塑模和光掩模的精度與基片表面所選定 的區(qū)域相接觸。例如，納入25微米厚、楊氏模量等于或大于5GPa的第 二聚合物層，例如聚酰亞胺層，使得本發(fā)明的構圖設備能夠以下述定位 精度與基片表面接觸，所述定位精度在約232 cm2的基片面積內等于約1 微米。而且，柔性的、彈性的高模量第二聚合物層的使用，使得本發(fā)明 的構圖設備能夠在多種設備配置中工作，并可以容易地結合到常規(guī)的印 刷和模塑系統(tǒng)中。例如，具有約7xl0—6 Nm的抗彎剛度的第二聚合物層 的使用，使得可以將本發(fā)明的構圖設備結合到常規(guī)的輥筒印刷和柔版印 刷系統(tǒng)中。
在另一個實施方案中，本發(fā)明的構圖設備包含一個整體聚合物層。 該整體聚合物層包含一個三維凸起圖案和一個基體，所述凸起圖案上具 有至少一個接觸表面，所述基體具有與接觸表面相對的外表面。接觸表 面的方向垂直于穿過聚合物層延伸的層排列軸線，并且聚合物層的楊氏 模量沿著層排列軸線從接觸表面到基體的外表面連續(xù)變化。在一個實施 方案中，聚合物層的楊氏模量沿著層排列軸線從接觸表面處的低模量值 連續(xù)變化到層排列軸線在接觸表面和外表面之間的中點處的高模量值。 在另一個實施方案中，聚合物層的楊氏模量從接觸表面和外表面之間的 中點處的高模量值沿著層排列軸線連續(xù)變化到基體外表面處的低模量 值。任選地，聚合物層也可以具有沿著層排列軸線、關于構圖設備中心 基本對稱分布的熱膨脹系數。聚合物層中的楊氏模量的變化可以通過本
領域已知的任何方法獲得，包括使整體聚合物層中的交聯度選擇性地變 化，以實現控制楊氏模量隨著層排列軸線上的位置改變而變化。
可用于本發(fā)明的三維凸起圖案可以包含單個連續(xù)的凸起零部件，或 者多個連續(xù)和/或離散的凸起零部件。在本發(fā)明中，根據基片表面上將要 生成的結構的物理尺寸和相對排列，選擇凸起零部件的物理尺寸或其在凸起圖案中的排列?？捎糜诒景l(fā)明的復合構圖設備中的凸起圖案可以包
含物理尺寸選自約10納米至約10， 000納米范圍內的凸起零部件，對于 某些應用，優(yōu)選包含物理尺寸選自約50納米至約IOOO納米范圍內的凸 起零部件?？捎糜诒景l(fā)明的凸起圖案可以包含凸起零部件的對稱圖案或 者凸起零部件的不對稱圖案。三維凸起圖案可以占據寬范圍的面積，對 于某些孩史制造和納米制造(nanofabrication)應用，凸起面積優(yōu)選選自 約10 cm2至約260 cm2的范圍。
在另一個實施方案中，本發(fā)明的復合構圖設備還包含一個具有內表 面和外表面的第三聚合物層。在這個三層實施方案中，第一、第二和第 三聚合物層的排列方式使得施加于第三聚合物層外表面上的力傳遞給第 一聚合物層。例如，可以將第一、第二和第三聚合物層排列為使得施加 于第三層外表面上的力傳遞給第一聚合物層的一個或多個接觸表面的至 少一部分。在一個實施方案中，將第二聚合物層的外表面有效地與第三 聚合物層的內表面結合。例如，第二聚合物層的外表面可以與第三聚合 物層的內表面處于直接接觸?；蛘撸诙酆衔飳雍偷谌酆衔飳涌梢?由位于第二聚合物層外表面和第三聚合物層內表面之間的一個或多個連
接層連接，連接層例如薄金屬層、聚合物層或陶乾層。任選地，可以將 第三聚合物層有效地與一個致動器結合，所述致動器能夠向第三聚合物 層的外側提供外力，以使構圖設備的接觸表面與進行構圖的基片表面共 形接觸。第三聚合物層的納入也可以提供一種操縱、定位、定向、安裝、 清潔和維護本發(fā)明的復合構圖設備的裝置。
對某些軟光刻應用而言，將具有低楊氏模量的第三聚合物層納入本 發(fā)明的復合構圖設備是有益的。首先，低楊氏模量的第三聚合物層的使 用使得施加至構圖設備的力以逐步的、受控的方式施加，這便于生成沒 有截留氣泡的共形接觸。第二，低楊氏模量的第三聚合物層的納入提供 了使施加于構圖設備的力向第一聚合物層的接觸表面均勻分布的有效方 法。施加于構圖設備的力向接觸表面的均勻分布，促進大面積基片表面 內的共形接觸的形成，并且提高基片表面上生成的圖案的保真度。此夕卜， 施加于構圖設備的力向接觸表面的均勻分布，改善構圖過程的總效率和 能量消耗。一個示例性的第三聚合物層具有比基片表面的粗糙度和/或曲 率半徑大若干倍的厚度。另一方面，本發(fā)明提供熱穩(wěn)定的復合構圖設備，所述設備與常規(guī)的 單層或多層印模、塑?；蚬庋谀Ｏ啾劝l(fā)生較小的因熱引起的圖案變形。
一些低楊氏模量的材料也具有大的熱膨脹系數的特征。例如，PDMS具有 3 MPa的楊氏模量和約260 ppm的熱膨脹系數。因此，溫度的升高或降 低能導致包含這些材料的凸起圖案發(fā)生顯著變形，該問題特別出現在包 含大面積凸起圖案的構圖設備中。對于涉及在基片的大面積內制造下述 結構的圖案的應用而言，溫度變化導致的凸起圖案變形可能尤其成問題， 所述結構具有極小尺寸的零部件，例如亞微米級的結構。
在本發(fā)明一方面，將具有不同的機械性能和/或熱膨脹系數的多個層 結合并匹配，提供高熱穩(wěn)定性的構圖設備。本發(fā)明的另一方面將多個層 結合，使得構圖設備的凈熱膨脹性能與基片的熱膨脹性能匹配，對于某 些應用，優(yōu)選匹配至10%。在本發(fā)明中，"高熱穩(wěn)定性，，指的是構圖設 備在溫度變化后表現出最小的圖案變形。本發(fā)明的具有高熱穩(wěn)定性的復 合構圖設備與常規(guī)的單層或多層印模、塑?；蚬庋谀Ｏ啾?，凸起圖案和 接觸表面的變形降低，所述變形是由溫度變化引起的拉伸、翹曲、彎曲、 膨脹以及壓縮所導致的。在一個實施方案中，將具有低熱膨脹系數的高 模量第二聚合物層，例如聚酰亞胺層，有效地結合至具有高熱膨脹系數 的低模量第一聚合物層一例如PDMS層或h-PDMS層一 的內表面上。在 這種布置中，具有高模量和低熱膨脹系數的第二聚合物層的納入，抑制 了第一聚合物層的膨脹或收縮，因此使溫度升降引起的接觸表面和三維 凸起圖案的拉伸或壓縮程度顯著降低。在本發(fā)明的這一方面的一個實施 方案中，第二聚合物層具有小于或等于約14. 5ppm的熱膨脹系數，并任 選地具有比第一層的厚度大約5倍的厚度。
在本發(fā)明中，可以通過納入一個不連續(xù)的低模量第一層一該第一層
有效地結合至高模量第二層、優(yōu)選具有低熱膨脹系數的高模量層一而獲
得良好的熱穩(wěn)定性。在一個實施方案中，所述不連續(xù)的低模量層是包含
多個分立的凸起零部件的三維凸起圖案。包含分立凸起零部件的低模量
層彼此不接觸，但是各自有效地結合至高模量層上。例如，具有分立的 凸起零部件的圖案可以包括位于高模量層的內表面上的低模量材料孤島
(island)的圖案。將包含多個分立的凸起零部件的第一低模量層納入
本發(fā)明的復合構圖設備中是有益的，因為這樣降低了低模量層和高模量層的熱膨脹性能之間的不匹配程度。此外，使用不連續(xù)的低模量層降低 了熱膨脹系數高的材料的凈含量，這降低了溫度變化引起的總的膨脹或 收縮程度。在一個示例性實施方案中，不連續(xù)的低模量層包括一種彈性
體，例如PDMS或h-PDMS，高模量層包括聚酰亞胺。
在本發(fā)明的另 一個提供具有良好的熱穩(wěn)定性的構圖設備的實施方案 中，多個層的排列方式得到熱膨脹系數、厚度或兩者的基本對稱的分布， 所述對稱分布為在沿著通過構圖設備延伸的層排列軸線，例如沿著與接 觸表面垂直的層排列軸線上關于構圖設備的中心呈對稱的分布。在另一 個也具有良好熱穩(wěn)定性的實施方案中，本發(fā)明的溫度補償構圖設備包含 整體聚合物層，該聚合物層具有熱膨脹系數的基本對稱的分布，所述對 稱分布為在沿著通過構圖設備延伸的層排列軸線，例如沿著與接觸表面 垂直的層排列軸線上關于構圖設備的中心呈對稱的分布。
這些布置方式中的熱膨脹系數、厚度或兩者的基本對稱分布，提供 了對一層或多層的熱膨脹或壓縮進行補償的方法。該補償方案的結果是 將溫度變化引起的凸起圖案的彎曲、翹曲、伸長和壓縮降至最小。特別 是，熱膨脹系數和層厚度的對稱分布在溫度變化后產生了大小近似相同 但方向相反的反向作用力。因此，將該溫度補償方案用于使溫度變化后 產生的、作用于第一層的接觸表面、凸起零部件和三維凸起圖案上的力 的大小降至最小。
本發(fā)明的一個示例性的溫度補償構圖設備包含三層，對所述三層所 具有的機械和物理性質的選擇使得熱膨脹系數關于設備的中心基本對稱 分布。第一層包含一個具有至少一個接觸表面的三維凸起圖案，以及與 接觸表面相對的內表面。第一層還具有例如從約1 MPa至約10 MPa范圍 內的低楊氏模量。第二層具有內表面和外表面，以及例如從約1 GPa至 約10GPa范圍內的高楊氏模量。第三層具有內表面和外表面。在這個三 層實施方案中，第一、第二和第三層的排列方式使得施加于第三層外表 面上的力傳遞給第一層的接觸表面。可以對第一和第三層的厚度和熱膨 脹系數進行選擇，以達到熱膨脹系數的基本對稱分布，所述對稱分布為 在沿著通過所述構圖設備延伸的層排列軸線，例如沿著與包含至少一個 接觸表面的平面垂直的層排列軸線上關于構圖設備的中心呈對稱分布。
一個示例性的、表現出高的熱穩(wěn)定性的三層復合構圖設備包括第一PDMS層、第二聚酰亞胺層和第三PDMS層。在該實施方案中，第一和第 三PDMS層的厚度可基本相同，例如彼此相差10 %以內，以使熱膨脹系 數在沿著相對于接觸表面垂直延伸的層排列軸線上關于設備的中心呈基 本對稱的分布。在該實施方案中，在其第一和第三PDMS層包含相同材料、 且厚度均約等于5微米并且由一個約25微米厚的聚酰亞胺層將這兩層隔 開的本發(fā)明的三層構圖設備中觀察到，溫度改變1K，在lcn^的凸起圖案 上的圖案變形小于150納米。在第一和第三層相互匹配，其熱膨脹系數 基本呈對稱分布的一個本發(fā)明實施方案中，保持凸起高度與第一層厚度 之間的比值較小(例如，小于或等于O. 10)以避免在凸起圖案的凹入區(qū) 域產生的由溫度引起的、相應于不匹配的熱系數的、不期望的熱膨脹或 收縮。
另一方面，本發(fā)明提供這樣的復合構圖設備，所述設備與常規(guī)的單 層和多層印模、光掩模和塑模相比，因制造過程中的聚合和固化導致的 圖案變形較小。很多聚合物，例如PDMS，在聚合后其物理尺寸發(fā)生顯著 減小。由于用于構圖設備中的凸起圖案通常是引發(fā)與凸起表面母版 (master relief surface)——例如通過常規(guī)的光刻方法生成的凸起表 面母版一接觸的預聚物的聚合反應而制得的，因此所述收縮可以使包含 聚合物材料、特別是包含彈性體的構圖設備的凸起圖案物理尺寸和接觸 表面發(fā)生明顯變形。
本發(fā)明提供了不易因制造過程中的聚合和固化而引起變形的多層印 模設計。固化引起凸起圖案和接觸表面變形的傾向性降低的本發(fā)明復合 構圖設備與常規(guī)的單層和多層印模、塑模和光掩模相比，在制造過程中 因聚合反應引起的拉伸、翹曲、彎曲、膨脹和壓縮的情況降低。在一個 實施方案中，將具有特定的機械和熱膨脹特性的多個聚合物層以一種使 制造過程中聚合和固化后產生的總的圖案變形程度降低的方式結合和/ 或匹配。
固化引起凸起圖案和接觸表面變形的敏感性降低的本發(fā)明復合構圖 設備進一步包含第三和第四聚合物層，各層分別具有內表面和外表面。 在這個四層實施方案中，第一、第二、第三和第四聚合物層的排列方式 使得施加于第四聚合物層外表面上的力傳遞給第一聚合物層的接觸表 面。例如，可以將第一、第二、第三和第四聚合物層排列為使得施加于第四層外表面上的力傳遞給第一聚合物層的接觸表面的至少一部分。在 一個實施方案中，將第二聚合物層的外表面有效地與第三聚合物層的內 表面結合，將第三聚合物層的外表面有效地與第四聚合物層的內表面結 合?？梢酝ㄟ^第一和第三層的厚度、熱膨脹系數和楊氏模量的匹配，以 及通過第二和第四層的厚度、熱膨脹系數和楊氏模量的匹配，獲得對固 化和/或聚合引起的變形的抵抗性的提高。這種匹配的多層設計的最終結 果是，與常規(guī)的單層或雙層印模、塑模和光掩模相比，將固化引起的變
形程度降低了 10倍。
本發(fā)明的復合構圖設備可以是完全透光的或部分透光的，特別是對 于波長在電磁波鐠的紫外和/或可見區(qū)的電磁輻射。對于某些應用，優(yōu)選 透射可見光的構圖設備，因為可以將它們可視化地與基片表面對準。本 發(fā)明的構圖設備可以將電磁輻射的一種或多種圖案透射到基片表面上， 所述圖案的特征在于具有強度、波長、偏振態(tài)或其任何組合的選定的二 維分布?？梢酝ㄟ^向聚合物層中引入具有選定的吸收特性、散射特性和/ 或反射特性的材料，控制本發(fā)明的構圖設備所透射的電磁輻射的強度和 波長。在一個示例性的實施方案中，構圖設備是部分透明的光學元件， 其特征在于具有吸收系數、消光系數、反射率或這些參數的任何組合的 選定的二維分布。該設計的一個優(yōu)勢在于，在被光源一例如寬帶燈、原 子燈、黑體源或激光一照射后，該設計使透射至基片的電磁輻射的強度 和波長形成選定的二維分布。
在一個實施方案中，本發(fā)明包括一個能夠透射電磁輻射的透光塑模， 所述電磁輻射用于在位于構圖設備的第一層的凸起圖案與基片表面之間 的轉印材料中引發(fā)聚合反應。在另一個實施方案中，本發(fā)明包括一個透 光光掩模，所述光掩模能夠將電磁輻射的圖案透射至基片表面上，所述 基片表面與構圖設備的第一層的接觸表面處于共形接觸。在另一個實施 方案中，本發(fā)明包括一個透光印模，所述印模能夠照射轉印至基片表面 的材料。
本發(fā)明提供可用于多種軟光刻方法、微制造方法和納米制造方法的 多用途構圖設備?？膳c本發(fā)明的構圖設備相容的示例性的制造方法包括， 但不限于，納米轉印和/或微轉印、納米轉印模塑和/或微轉印模塑、再 模塑、毛細管納米模塑和微模塑、近場移相光刻以及溶劑輔助納米模塑和微模塑。此外，本發(fā)明的構圖設備與多種接觸表面取向相容，所述接 觸表面取向包括但不限于平面、曲面、凸面和凹面接觸表面外形，這使 所述設備能夠結合到多種不同的印刷、模塑和掩模系統(tǒng)中。在一些應用 中，選擇本發(fā)明的構圖設備所包含的聚合物層的熱膨脹系數和厚度，使 得構圖設備的凈熱膨脹性能與進行構圖的基片的熱膨脹性能相匹配。構 圖設備和基片的熱性能的匹配是有益的，因為這樣使得在基片表面上制 造的圖案的定位精度和保真度提高。
另 一方面，本發(fā)明提供了通過對轉印材料的接觸印刷 一 包括微接觸 轉印法和納米接觸轉印法一在基片表面上生成一個或多個圖案的方法。 在一個實施方案中，將轉印材料沉積于本發(fā)明的復合構圖設備的接觸表 面上，從而在接觸表面上生成轉印材料層。轉印材料在接觸表面上的沉 積可以通過本領域已知的任何方法實現，包括但不限于氣相沉積、'減射 沉積、電子束沉積、物理沉積、化學沉積浸漬以及其它使接觸表面與轉 印材料儲存池接觸的方法。構圖設備以 一種使接觸表面的至少 一部分和 基片表面之間形成共形接觸的方式與基片表面接觸。共形接觸的形成使 轉印材料層的至少一部分暴露于基片表面。為了在基片表面上生成圖案， 將構圖設備從基片表面上分離，從而將轉印材料的至少一部分轉印到基 片表面上。本發(fā)明還包括這樣的制造方法，在該方法中將這些步驟依次 重復，以構造包含圖案化多層疊層的復雜結構。
另 一 方面，本發(fā)明提供通過將轉印材料模塑 一 例如微模塑和納模塑 方法——在基片表面上生成一個或多個圖案的方法。在一個實施方案中， 使本發(fā)明的復合構圖設備以 一種使接觸表面的至少 一部分和基片表面之 間形成共形接觸的方式與基片表面接觸。共形接觸形成了一個塑模，該 塑模包含使三維凸起圖案和基片表面分離的空間。將轉印材料、例如預 聚物引入塑模中。為在基片表面上生成圖案，將構圖設備從基片表面上 分離，從而將至少一部分轉印材料轉印至基片表面上。任選地，本發(fā)明
的方法可進一步包括下述步驟將塑模中的轉印材料加熱、使塑模中的 轉印材料暴露于電磁輻射、或者向塑模中的轉印材料中加入聚合活化劑， 以引發(fā)化學變化，例如聚合和/或交聯化學反應。
另一方面，本發(fā)明提供通過接觸光刻法在基片表面上生成一個或多 個圖案的方法。在一個實施方案中，使本發(fā)明的復合構圖設備以一種使接觸表面的至少一部分和基片表面之間形成共形接觸的方式與包含一種 或多種輻射敏感材料的基片表面接觸。使電磁輻射通過構圖設備并到達 基片表面，從而在基片表面上生成電磁輻射圖案，所述電磁輻射圖案具 有強度、波長和/或偏振態(tài)的選定的二維分布。電磁輻射和基片的輻射敏 感材料之間的相互作用產生基片表面上的化學和/或物理改性區(qū)域，從而 在基片表面上生成一個或多個圖案。任選地，本發(fā)明的方法可進一步包
括下述步驟將基片表面的化學改性區(qū)域的至少一部分除去，或者將基 片表面的未化學改性區(qū)域的至少一部分除去。本發(fā)明的這一方面的材料 去除可以通過光刻領域中的任何已知方法實現，包括但不限于化學刻蝕， 以及暴露于化學試劑例如溶劑。
本發(fā)明的方法、設備和設備部件能夠在多種基片表面上生成圖案， 所述基片包括但不限于塑料、玻璃、含碳表面、金屬、織物、陶覺或這 些材料的組合物。本發(fā)明的方法、設備和設備部件也能夠在具有多種表 面形態(tài)的基片表面上生成圖案，例如粗糙面、光滑面、曲面以及平面。 制造具有良好的定位精度和高保真度的高分辨率圖案的要點在于使用可 適應的接觸表面，所述可適應的接觸表面支持基片表面所含分子與接觸 表面分子之間的強的結合。例如，PDMS接觸表面與很多基片表面發(fā)生強 的范德華相互作用，所述基片表面包括含塑料、聚酰亞胺層、玻璃、金 屬、準金屬、硅和二氧化硅、含碳材料、陶瓷、織物以及這些材料的組 合物的表面。
本發(fā)明的方法能夠制造具有多種物理尺寸和相對排列的^:米級和納 米級結構?？梢酝ㄟ^本發(fā)明的方法制造對稱的和不對稱的三維結構。本 發(fā)明方法、設備和設備部件可用于生成包含一個或多個結構的圖案，所 述結構具有尺寸在約10納米至約100微米范圍內的零部件，對于某些應 用，更優(yōu)選具有尺寸在約IO納米至約IO微米范圍內的零部件。通過本 發(fā)明方法、設備和設備部件生成的結構可具有在兩維或三維上可選擇的 長度，并可包含圖案化多層疊層。本發(fā)明方法也可用于生成包含自組裝 單層及自組裝結構的結構。本發(fā)明的方法、設備和設備部件能夠生成包 含多種材料的圖案，所述材料包括但不限于金屬、有機化合物、無機化 合物、膠體材料、懸浮體、生物分子、細胞、聚合物、微結構、納米結 構和鹽溶液。另一方面，本發(fā)明包括制造復合構圖設備的方法。制造復合構圖設
備的一個示例性方法包括以下步驟(1)提供具有選定的三維凸起圖案 的凸起圖案母版；(2)使凸起圖案母版與低模量聚合物的預聚物接觸； (3 )使預聚物材料與高模量聚合物層接觸；(4 )使預聚物聚合，從而 生成與高模量聚合物層接觸、并與凸起圖案母版接觸的低模量聚合物層， 所述低模量層具有三維凸起圖案；以及(5 )使低模量層與凸起圖案母版 分離，從而制得復合構圖設備。可用于本發(fā)明方法的凸起圖案母版包括 用光刻方法制備的凸起圖案。在本發(fā)明中，可以用本領域已知的任何方 法引發(fā)聚合，所述方法包括但不限于熱引發(fā)聚合方法以及電磁輻射引發(fā) 聚合方法。


圖1A是展示本發(fā)明的包含兩個聚合物層的復合構圖設備的剖面圖 的示意圖。圖1B是展示本發(fā)明的具有高熱穩(wěn)定性的、包含兩個聚合物層 的另一個復合構圖設備的剖面圖的示意圖。圖1C是展示本發(fā)明的具有高 熱穩(wěn)定性的、包含三個聚合物層的復合構圖設備的剖面圖的示意圖。圖 1D是展示本發(fā)明的包含四個聚合物層的復合構圖設備的剖面圖的示意 圖，所述復合構圖設備具有對制造過程中聚合和/或固化導致的圖案變形 的良好抗性。
圖2A是展示示例性的凸起圖案母版以及由該凸起圖案母版制得的 示例性構圖設備的示意圖。圖2B展示了包含用本發(fā)明方法制備的復合印 模的示例性構圖設備的凸起結構的掃描電子顯微圖。
圖3A是說明制造本發(fā)明的復合構圖設備的方法的示意圖。圖3B是
說明本發(fā)明的復合構圖設備的一個可選的制備方法的示意圖。
圖4A展示了說明本發(fā)明的包含復合印模的示例性構圖設備的示意
圖，圖4B展示了本發(fā)明的示例性復合印模的剖面掃描電子顯微圖。
圖5A和5B展示了將示例性復合印模上的零部件的位置與其在母版
上的位置進行對比測量的結果所對應的變形。
圖6A和6B展示了說明本發(fā)明的復合印模中的凹入區(qū)域的下垂趨勢
降低的頂視光學顯微圖。圖6A對應于常規(guī)的單層PDMS印模，圖6B對應
于本發(fā)明的復合印模。圖7展示了在本發(fā)明的一個四層復合印模固化后觀察到的收縮程 度，該復合印模包含第一PDMS層、第二聚酰亞胺層、第三PDMS層以及 第四聚酰亞胺層。
圖8是對采用本發(fā)明復合印模的示例性的納米轉印工藝的圖解。
圖9A-D展示了用本發(fā)明的復合印模生成的Ti/Au (2認/20 nm)圖 案的掃描電子顯^:圖。
圖10展示了針對本發(fā)明的四層復合構圖設備計算的熱引發(fā)的聚合 過程中的變形程度。
圖IIA展示了針對兩層復合構圖設備計算的熱引發(fā)的聚合過程中的 變形程度。圖IIB是兩層構圖設備的聚合后曲率半徑隨著PDMS層厚度變 化的曲線圖。圖IIC是兩層構圖設備的聚合后曲率半徑隨著固化溫度變 化的曲線圖。
圖12A是包含兩個h-PDMS層和兩個聚酰亞胺(Kapton )層的四 層復合構圖設備的示意圖。圖12B展示了預測的四層復合構圖設備的豎 直位移(單位為微米)隨著沿著約90微米長的凹入區(qū)域中位置的變化的 曲線圖。
圖13A-C展示了本發(fā)明的兩層復合印模因聚合過程中的熱/化學收 縮引起的水平變形的計算研究結果。圖13A是說明雙層復合印模的示意 圖，所述印模包含一個有效地結合到一個25微米Kapton層上的厚度可 變的PDMS層。圖13B是預測的水平變形隨著PDMS第一層的厚度變化的 曲線圖。圖13C是預測的水平變形隨著沿著PDMS第一層外表面的距離變 化的曲線圖。
圖14A和14B提供了說明本發(fā)明的纖維增強復合印模的示意圖。圖 14A提供了剖面圖，圖14B提供了透視圖。圖14C提供了分別對應于纖 維增強復合印模的第二、第三、第四和第五層的第一、第二、第三和第 四選定方向的示意圖。
圖15提供了結合于PDMS層上的復合聚合物層的光學圖像。
圖16提供了本發(fā)明的軟復合光掩模的示意圖。
圖17A展示了本發(fā)明的軟共形復合光掩模的光學圖像，圖17B展示 了在硅基片上曝光后和顯影后的光致抗蝕劑圖案的光學圖像。
圖18提供了說明本發(fā)明的軟共形復合光掩模的制備方法的工藝流
27程圖。
圖19A和19B提供了展示對準系統(tǒng)的示意圖，所述對準系統(tǒng)用構圖 劑(patterning agent) ^f吏光掩才莫和基片對準。
圖20提供了說明本發(fā)明的使用構圖劑的示例性構圖方法的示意圖， 所述構圖劑包含可適應光掩模的光學介質(或墨水)。
具體實施例方式
參見附圖，相似的數字指示相似的元件，多個圖中出現的相同數字 指示相同的元件。此外，下文中適用以下定義
"熱膨脹系數"是表征一種材料在經歷溫度變化后發(fā)生的尺寸變化 的參數。線性熱膨脹系數是表征一種材料在經歷溫度變化后發(fā)生的長度 變化的參數，可以由以下等式表達
△ Z = "AT (I) 其中AZ是長度的變化，ot是線性熱膨脹系數，Z。是初始長度，Ar是溫 度的變化。本發(fā)明提供這樣的多層復合構圖設備，其中對所述設備中的 各層的熱性能和物理尺寸進行選擇，以使得熱膨脹系數在沿著通過該設 備延伸的層排列軸線上關于該設備的中心呈基本對稱的分布。
"定位精度"指的是圖案轉印方法或設備在選定的基片區(qū)域中生成 圖案的能力。"良好的定位精度"指的是方法和設備能夠使選定的基片區(qū) 域中生成的圖案與絕對準確定位的空間偏差小于或等于5微米，特別是 對于在塑料基片上生成圖案的情形。
"保真度，，指的是對轉印到基片表面上的圖案與構圖設備上的凸起 圖案的相似性的度量。良好的保真度是指，轉印到基片表面上的圖案與 構圖設備上的凸起圖案的相似性具有偏差小于IOO納米的特征。
"楊氏模量"是材料、設備或層的一種機械特性，它指的是一種給 定物質的應力與應變之比。楊氏模量可表示為
<formula>formula see original document page 28</formula>
其中E是楊氏模量，L。是平衡長度，AL是施加應力后的長度變化，F是 施加的力，A是力的施加面積。楊氏模量也可通過下式用拉梅(Lame)常數表示:
E=解+ 2氣 (|||)
A + 〃 ,
其中入和H是拉梅常數。楊氏模量可用單位面積上的單位力表示， 例如帕斯卡(Pa = N m—2)。
高楊氏模量(或"高模量")和低楊氏模量(或"低模量")是給定 的材料、層或設備的楊氏模量大小的比較方式的描述語。在本發(fā)明中， 高楊氏模量大于低楊氏模量，在某些應用中優(yōu)選大大約10倍，在其它應 用中更優(yōu)選大于約100倍，在另外的應用中進一步優(yōu)選大大約1000倍。 在一個實施方案中，高楊氏模量的材料具有選自約1 GPa至約10 GPa 范圍內的楊氏模量，低楊氏模量的材料具有選自約1 MPa至約10 MPa 范圍內的楊氏模量。
"共形接觸"指的是在表面和/或涂布的表面之間建立的接觸，所述 接觸可用于在基片表面上制造結構。 一方面，共形接觸涉及復合構圖設 備的一個或多個接觸表面對基片表面的總體形狀的宏觀適應。另一方面， 共形接觸涉及復合構圖設備的一個或多個接觸表面對基片表面的微觀適 應，所述微觀適應導致沒有空隙的密切接觸。意圖使術語共形接觸與其 在軟光刻領域中的使用一致。共形接觸可以在復合構圖設備的一個或多 個棵露接觸表面與基片表面之間建立。或者，共形接觸可以在復合構圖 設備的一個或多個涂布的接觸表面與基片表面之間建立，例如接觸表面 上沉積有轉印材料和/或構圖劑。或者，共形接觸可以在復合構圖設備的 一個或多個棵露的或涂布的接觸表面與涂布有材料的基片表面之間建 立，所述材料包括例如轉印材料、構圖劑、固體光致抗蝕劑、預聚物層、 液體、薄膜或流體。在本發(fā)明的一些實施方案中，本發(fā)明的構圖設備能 夠與平面建立共形接觸。在本發(fā)明的一些實施方案中，本發(fā)明的構圖設 備能夠與曲面建立共形接觸。在本發(fā)明的一些實施方案中，本發(fā)明的構 圖設備能夠與粗糙面建立共形接觸。在本發(fā)明的一些實施方案中，本發(fā) 明的構圖設備能夠與光滑面建立共形接觸。
"抗彎剛度"是材料、設備或層的一種機械性能，它指的是材料、 設備或層變形的能力?？箯潉偠瓤梢员硎緸?lt;formula>formula see original document page 30</formula>
其中D為抗彎剛度，E為楊氏模量，h為厚度，v為泊松比?？箯潉偠瓤?以表示為單位力與單位長度相乘，例如Nm。
"聚合物"是指包含多個重復化學基團的分子，所述重復化學基團 通常稱為單體。聚合物通常具有高分子量的特征?？捎糜诒景l(fā)明的聚合 物可以是有機聚合物或無機聚合物，并且可以處于無定形、半無定形 (semi-amorphous )、結晶或部分結晶狀態(tài)。聚合物可以包含具有相同化 學組成的單體，或者可以包含具有不同化學組成的多種單體，例如共聚 物。具有相連的單體鏈的交聯聚合物對于本發(fā)明的一些應用而言特別有 用?？捎糜诒景l(fā)明的方法、設備和設備部件中的聚合物包括，但不限于， 塑料、彈性體、熱塑性彈性體、彈性塑料、熱固性塑料、熱塑性塑料以 及丙烯酸酯。示例性的聚合物包括，但不限于，縮醛聚合物、可生物降 解聚合物、纖維素聚合物(cellulosic polymer )、含氟聚合物、尼龍、 聚丙烯腈聚合物、聚酰胺-酰亞胺聚合物、聚酰亞胺、多芳基化合物、聚 苯并咪唑、聚丁烯、聚碳酸酯、聚酯、聚醚酰亞胺、聚乙烯、乙烯共聚 物以及改性聚乙烯、聚酮、聚曱基丙烯酸曱酯、聚曱基戊烯、聚苯醚以 及聚苯硫醚、聚鄰苯二曱酰胺、聚丙烯、聚氨酯、苯乙烯樹脂、砜基樹 脂、乙烯基樹脂或上述聚合物的任意組合。
"彈性體"指的是能夠被拉伸或變形，并能夠沒有實質性永久變形 地回復原形的聚合物材料。彈性體通常發(fā)生基本上彈性的變形?？捎糜?本發(fā)明的示例性的彈性體可包括聚合物、共聚物、復合材料，或聚合物 與共聚物的混合物。彈性體層指的是包括至少一種彈性體的層。彈性體 層也可包括摻雜劑或其它非彈性體材料。可用于本發(fā)明的彈性體可包括， 但不限于，含硅聚合物例如聚硅氧烷，包括聚二曱基硅氧烷(即PDMS 和h-P畫S)、聚曱基硅氧烷、部分烷基化的聚曱基硅氧烷、聚烷基甲基 硅氧烷和聚苯基曱基硅氧烷，以及硅改性的彈性體；熱塑性彈性體、苯 乙烯材料、烯屬材料、聚烯烴、聚氨酯熱塑性彈性體、聚酰胺、合成橡 膠、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅氧烷。
"聚合物層"指的是包含一種或多種聚合物的層?？捎糜诒景l(fā)明的 聚合物層可包含基本純的聚合物層，或者包含多種不同聚合物的混合物 的層?？捎糜诒景l(fā)明的聚合物層也包括多相聚合物層和/或復合聚合物 層，所述多相聚合物層和復合聚合物層包含一種或多種聚合物的組合以 及一種或多種附加材料，例如摻雜劑或結構添加劑。這樣的附加材料向 本發(fā)明的聚合物層中的納入，可用于對聚合物層的機械性能一例如楊氏 模量和抗彎剛度一進行選擇和調整。附加材料在復合聚合物層中的分布 可以是各向同性的、部分各向同性的或各向異性的?？捎糜诒景l(fā)明的復
合聚合物層包含與U)纖維，例如玻璃纖維或聚合物纖維，(ii)顆粒， 例如硅顆粒和/或納米顆粒，和/或(iii)其它結構增強劑復合的一種或 多種聚合物。在本發(fā)明的一個實施方案中，具有高楊氏模量的聚合物層 包含具有選自約1 GPa至約10 GPa范圍內的楊氏模量的聚合物。示例性 的高楊氏模量聚合物層可包含聚酰亞胺、聚酯、聚醚醚酮、聚醚砜、聚 醚酰亞胺、聚對苯二曱酸乙二醇酯、聚酮、聚苯硫醚、這些材料的任意 組合或者其它具有類似機械性能的聚合物材料。在本發(fā)明的一個實施方 案中，具有低楊氏模量的聚合物層包含具有選自約1 MPa至約1Q MPa 范圍內的楊氏模量的聚合物。示例性的低楊氏模量聚合物層可包含彈性 體，例如PDMS、 h-PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-苯 乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯和硅氧烷。
"復合"指的是材料、層或設備含有一種以上的組分，例如一種以 上的材料和/或相。本發(fā)明提供包含多個聚合物層的復合構圖設備，各層 具有不同的化學組成和機械性能。本發(fā)明的復合聚合物層包括這樣的層， 所述層包含一種或多種聚合物與纖維(例如玻璃或彈性體纖維)、顆粒(例 如納米顆粒或微米顆粒)或其任意組合的組合。
"彈性體"指的是能夠被拉伸或變形，并能夠沒有實質性永久變形 地回復原形的聚合物材料。彈性體通常發(fā)生基本上彈性的變形?？捎糜?本發(fā)明的示例性的彈性體可包括聚合物、共聚物、復合材料，或聚合物 與共聚物的混合物。彈性體層指的是包含至少一種彈性體的層。彈性體 層也可包含摻雜劑或其它非彈性體材料。可用于本發(fā)明的彈性體可包括， 但不限于，PDMS、 h-PDMS、聚丁二烯、聚異丁烯、聚(苯乙烯-丁二烯-
31苯乙烯)、聚氨酯、聚氯丁二烯以及硅氧烷。
術語"電磁輻射，，指的是電場和磁場波?？捎糜诒景l(fā)明方法的電磁
輻射包括，但不限于，伽馬射線、X射線、紫外光、可見光、紅外光、
微波、無線電波或這些電磁輻射的任意組合。
術語"強度"指的是一個或多個電磁波的振幅的平方。此處的振幅 指的是電磁波的振動幅度?；蛘撸g語"強度，，可以指一個或多個電磁 輻射束的時均能量通量，例如一個或多個電磁輻射束的每平方厘米、每 單位時間的光子數。
"致動器"指的是能夠提供力和/或移動某物和/或控制某物的設備、 設備部件或元件。本發(fā)明的示例性的致動設備能夠產生力，例如用于使 構圖設備與基片表面形成接觸、例如共形接觸的力。
"層"指的是本發(fā)明的復合構圖設備的一種元件。示例性的層具有 這樣的物理尺寸和機械性能，該尺寸和性能使復合構圖設備能夠在基片 表面上生成具有出色的保真度和良好的定位精度的圖案。本發(fā)明的層可 以是連續(xù)或單一的形體，或不連續(xù)形體的集合，例如凸起零部件的集合。 本發(fā)明的層可以具有均勻的組成或不均勻的組成。本發(fā)明的一個實施方 案提供包含多個層一例如多個聚合物層一 的復合構圖設備。本發(fā)明的 層可以用沿著通過構圖設備延伸的層排列軸線方向的厚度進行表征，所 述軸線包括例如與含有一個或多個接觸表面的平面垂直的層排列軸線。
"熱穩(wěn)定"指的是設備或設備部件在不損失特有性能_例如凸起圖 案的凸起零部件的物理尺寸和空間分布一的情況下承受溫度變化的特 性。
"熱膨脹系數關于構圖設備中心呈基本對稱的分布"指的是一種設 備布置方式，在該布置方式中，對組成構圖設備的一個或多個層的機械 性能和熱性能的選擇使得在沿著層排列軸線上，例如與包含一個或多個 接觸表面的平面垂直的層排列軸線上關于構圖設備中心呈基本對稱的分 布。在一個實施方案中，熱膨脹系數具有關于構圖設備中心對稱的特征，
其中與絕對對稱分布的偏差小于大約10%。在另一個實施方案中，熱膨
脹系數具有關于構圖設備中心對稱的特征，其中與絕對對稱分布的偏差
小于大約5%。
"有效地結合，，指的是本發(fā)明的復合構圖設備的層和/或設備部件的一種布置。有效地結合的層或設備部件，例如第一、第二、第三和/或第 四聚合物層，指的是一種布置方式，在該布置方式中，施加于一個層或 設備部件上的力傳遞給另一個層或設備部件。有效地結合的層或設備部 件可以處于接觸中，例如層的內表面和/或外表面處于直接接觸?；蛘?， 有效地結合的層或設備部件可以由一個或多個位于兩層或兩個設備部件 的內表面和/或外表面之間的連接層連接，例如由薄金屬層連接。
在以下敘述中，為了提供對本發(fā)明的確切實質的詳盡解釋，提出了 本發(fā)明的設備、設備部件和方法的大量具體細節(jié)。然而對于本領域技術 人員而言明顯的是，本發(fā)明可以在沒有這些具體細節(jié)的情況下實施。
本發(fā)明提供用于在基片表面上制作圖案一例如包含微米結構和/或 納米級結構的圖案一的方法、設備和設備部件。本發(fā)明提供復合構圖設 備，例如印模、塑模和光掩模，這些設備具有增強的熱穩(wěn)定性以及對固 化引起的圖案變形的抗性。本發(fā)明的方法、設備和設備部件能夠生成具 有良好的保真度和出色的定位精度的高分辨率圖案。
圖1A是展示本發(fā)明的包含兩個聚合物層的復合構圖設備的剖面圖 的示意圖。圖示的復合構圖設備100包含低楊氏模量的第一聚合物層110 和高楊氏模量的第二聚合物層120。第一聚合物層110包含三維凸起圖 案125，該圖案125具有由多個凹入區(qū)域134分隔的多個凸起零部件133。 第一聚合物層IIO還具有位置與內表面135相對的多個接觸表面130。 本發(fā)明包括接觸表面130處于同一平面內的實施方案，以及接觸表面130 處于多個平面內的實施方案。第二聚合物層120具有內表面140和外表 面150。在圖1A所示的實施方案中，第一聚合物層110的內表面135與 第二聚合物層120的內表面140接觸。任選地，第二聚合物層120有效 地連接至致動器155,所述致動器155能夠將力(如箭頭156所示意性 表示)引向外表面150上。
可以將任何能夠使施加于外表面150上的力有效傳遞給接觸表面 130的方式將第一聚合物層110和第二聚合物層120結合。在示例性的 實施方案中，通過組成各層的聚合物之間的共價連接使第一聚合物層 IIO和第二聚合物層120結合?；蛘?，可以通過各層之間的分子間引力， 例如范德華力、偶極-偶極力、氫鍵和倫敦力，使第一聚合物層110和第 二聚合物層120結合?；蛘?，可以通過外部的層對準系統(tǒng)，例如夾持、緊固和/或螺栓連接系統(tǒng),使第 一聚合物層110和第二聚合物層12 0結合。 或者，可以使用一個或多個位于內表面135和內表面140之間的連接層 (未示于圖1A中)，例如薄金屬層，使第一聚合物層110和第二聚合物 層120結合。對于一些應用，優(yōu)選通過強的共價結合和/或分子間引力使 第一聚合物層110和第二聚合物層120結合，因為這樣使凸起零部件133 和凹入區(qū)域134具有良好的機械剛性，還提供了一種使施加于外表面150 上的力均勻地向接觸表面130分布的有效方法。
在圖1A所示的示例性實施方案中，對第一聚合物層110的組成、楊 氏模量和/或沿著與接觸表面130所處平面垂直的層排列軸線160方向上 的厚度進行選擇，以使構圖設備100具有這樣的機械性能，該機械性能 使其能夠制造高分辨率的、圖案變形降低的微米級和/或納米級結構的圖 案。此外，也可以對第一聚合物層110和第二聚合物層120的楊氏模量 和/或厚度進行選擇，使得可以將構圖設備100容易地結合到商品化的印 刷和模塑系統(tǒng)中。在一個示例性的實施方案中，第一聚合物層110包括 一個PDMS層，該PDMS層沿著層排列軸線160的厚度選自約5微米至約 IO微米范圍內。第一聚合物層110的厚度也可定義為第二聚合物層120 的內表面140與接觸表面130之間的最短距離。在一個示例性的實施方 案中，第二聚合物層120包括一個聚酰亞胺層，該聚酰亞胺層沿著層排 列軸線的厚度等于約25微米。第二聚合物層120的厚度也可定義為第二 聚合物層120的外表面150與內表面140之間的最短距離。
為制造包含一個或多個結構的圖案，使復合構圖設備100與基片180 的表面185彼此接觸，該接觸優(yōu)選使接觸表面130的至少一部分與基片 表面185之間建立共形接觸。可以通過使構圖設備100移動至與基片180 接觸的方式在外表面150上施加外力(由箭頭156示意性表示)，實現這 些表面之間的共形接觸。或者，可以通過使基片180移動至與構圖設備 100接觸的方式在基片180上施加外力(由箭頭190示意性表示)。本發(fā) 明還包括這樣的實施方案，其中通過這些力(156和190)和基片180 和構圖設備100的移動的結合建立共形接觸。
圖1B是展示本發(fā)明的具有高熱穩(wěn)定性的、包含兩個聚合物層的另一 個復合構圖設備的剖面圖的示意圖。如圖1B所示，復合構圖設備200 包含具有低楊氏模量的不連續(xù)的第一聚合物層210，第一聚合物層210有效地連結于具有高楊氏模量的第二聚合物層120上。在該實施方案中， 不連續(xù)的第一聚合物層210包含三維凸起圖案225，所述凸起圖案包含 由多個凹入區(qū)域234分隔的多個分立的凸起零部件233。如圖1B所示， 分立的凸起零部件233彼此不接觸，但各自有效地結合到第二聚合物層 120上。包含多個分立的凸起零部件的第一聚合物層在本發(fā)明的復合構 圖設備中的納入是有利的，因為這樣降低了第一和第二聚合物層210和 120的熱膨脹性能之間的不匹配程度，還降低了第一聚合物層210中的 材料的凈用量，所述第一聚合物層210可包含一種高熱膨脹系數的材料， 例如PDMS。
圖1C是展示本發(fā)明的具有高熱穩(wěn)定性的、包含三個聚合物層的另一 個復合構圖設備的剖面圖的示意圖。圖示的復合構圖設備300進一步包 括具有內表面315和外表面320的第三聚合物層310。在圖1C中所示的 實施方案中，第三聚合物層310的內表面315與第二聚合物層120的外 表面150接觸。任選地，第三聚合物層310有效地結合于致動器155上， 所述致動器能夠將力(如箭頭156所示意性表示)引向外表面320上。
在圖1C所示的實施方案中，第三聚合物層310沿層排列軸線160的 厚度330近似等于第一聚合物層110沿層排列軸線160的厚度340，對 于一些應用，優(yōu)選兩厚度之差在10%之內。在該實施方案中，對具有相 同或相似(例如差別在10%之內)的熱膨脹系數的第三聚合物層310和 第一聚合物層110的選擇一例如兩層均包含PDMS層，得到高熱穩(wěn)定性 和對溫度變化引起的圖案變形的抗性。特別是，這樣的布置使得熱膨脹 系數在沿著層排列軸線160上關于構圖設備300的中心(由中心線軸350 標明)呈基本對稱的分布。熱膨脹系數的對稱分布使得溫度改變后生成 反向作用的力，這使得凸起圖案125、凸起零部件133和接觸表面130 的拉伸、翹曲、彎曲、膨脹和壓縮的程度最小化。
圖1D是展示本發(fā)明的一個四層復合構圖設備的剖面圖的示意圖，所
述復合構圖設備具有對制造過程中聚合和/或固化導致的圖案變形的良 好抗性。圖示的復合構圖設備400進一步包括具有內表面415和外表面 420的第四聚合物層410。在圖1D所示的實施方案中，第四聚合物層410 的內表面415與第三聚合物層310的外表面320接觸。任選地，第四聚 合物層410有效地結合于致動器155上，所述致動器能夠將力(如箭頭156所示意性表示)引向外表面420上。
在圖ID所示的實施方案中，第三聚合物層310沿層排列軸線160的 厚度330近似等于第一聚合物層110沿層排列軸線160的厚度340，對 于一些應用，優(yōu)選兩厚度之差在10%之內；并且第四聚合物層410沿層 排列軸線160的厚度430近似等于第二聚合物層120沿層排列軸線160 的厚度440，對于一些應用，優(yōu)選兩厚度之差在10°/。之內。在該實施方案 中，對具有相同的熱膨脹系數和楊氏模量的第三聚合物層310和第一聚 合物層110的選擇一例如兩層均包含PDMS層，以及對具有相同的熱膨 脹系數和楊氏模量的第四聚合物層410和第二聚合物層120的選擇一例 如兩層均包含聚酰亞胺層，得到對制造過程中聚合和/或固化導致的圖案 變形的良好抗性。特別是，這樣的布置使得凸起圖案125和接觸表面130 在聚合和/或固化過程中的拉伸、翹曲、彎曲、膨脹和壓縮的程度最小化。
本發(fā)明的包括第一、第二、第三和第四層在內的聚合物層的表面可 以具有特定的凸起圖案，例如對準通道和/或槽，用于在層之間提供適當
的對準作用?；蛘?，本發(fā)明的聚合物層的表面可以具有特定的凸起圖案， 例如對準通道和/或槽，用于在復合構圖設備和具有互補的(即嚙合的) 通道和/或槽的致動器之間提供適當的對準作用，所述致動器包括例如印 刷設備、模塑設備或接觸光刻裝置。或者，本發(fā)明的聚合物層的表面可 以具有特定的凸起圖案，例如對準通道和/或槽，用于在復合構圖設備和 具有互補的(即嚙合的)通道和/或槽的基片表面之間提供適當的對準作 用。本領域技術人員會理解，使用這種"鎖和鑰匙，，的對準機制、通道、 槽以及系統(tǒng)是微制造領域中公知的，可以容易地納入本發(fā)明的構圖設備 中。
對本發(fā)明的復合構圖設備中的聚合物層的組成、物理尺寸和機械性 能的選擇在很大程度上取決于所使用的材料轉印方法(例如印刷、模塑 等)以及待制造的結構/圖案的物理尺寸。從這個意義上說，可以認為， 本發(fā)明的復合構圖設備的規(guī)格可以針對待實現的具體功能任務或圖案/ 結構尺寸進行選擇性調整。例如，可用于通過軟光刻方法印刷納米級結 構的本發(fā)明的兩層構圖設備，可以包含厚度選自約l微米至約5微米范 圍內的第一聚合物彈性體層，以及包含聚酰亞胺層的、厚度小于或等于 約25微米的第二聚合物層。與之相比，可用于微模塑制造尺寸在約10微米至約5 0微米范圍內的結構的本發(fā)明兩層構圖設備，可以包含厚度選 自約20微米至約60微米范圍內的第一聚合物彈性體層，以及包含聚酰 亞胺層的、厚度選自約25微米至約IOO微米范圍內的第二聚合物層。
本發(fā)明的復合構圖設備，例如印模、塑模和光掩模，可以通過材料 科學、軟光刻和光刻領域中的任何已知方法制得。本發(fā)明的一個示例性 的構圖設備由下述方法制得通過將聚二曱基硅氧烷(PDMS )預聚物(Dow Corning Sylgard 184 )澆注于凸起圖案母版上并使其固化而制得包含彈 性體的第一聚合物層，所述凸起圖案母版是通過常規(guī)光刻方法制備的、 由光致抗蝕劑(Shipley 1805 )的圖案化零部件所組成的凸起圖案母版。 對于可用于本發(fā)明的凸起圖案母版，在零部件大于約2微米的情況下， 可以采用常規(guī)的接觸模式光刻法制備，在零部件小于約2微米的情況下， 可以采用電子束光刻法制備。在一個示例性方法中，將PDMS (來自Dow Corning的Sylgard 184)或h-PDMS (VDT-731, Gelest公司)混合并 脫氣，澆注于母版上并在約80攝氏度下、在烘箱中固化。或者，可以額 外使用固化劑在室溫下進行184 PDMS的固化。優(yōu)選在高模量第二層一 例如聚酰亞胺層一的存在下使包含PDMS或h-PDMS的第一聚合物層固 化，以降低固化和/或聚合引起的收縮。在一個實施方案中，先使聚酰亞 胺層的內表面變粗糙，然后再與PDMS預聚物接觸，以增強PDMS預聚物 固化后第一 PDMS層與第二聚酰亞胺層的結合力。聚酰亞胺層的表面粗糙 化可以通過本領域任何已知方法實現，包括使聚酰亞胺內表面暴露于等 離子體。
優(yōu)選使復合構圖設備中的附加層 例如高模量的第二聚合物層一 的制備和固化與第一彈性體層的制備同時完成，以使第一彈性體層的凸 起圖案和接觸表面因固化和/或聚合引起的收縮的程度最小化?；蛘?，可 以用粘合劑或連接層，例如薄金屬層，將高模量第二聚合物層一例如聚 酰亞胺層_結合到第 一聚合物層上。
示例性的凸起圖案母版是用正性光致抗蝕劑(positive photoresist, S1818, Shipley)和剝離抗蝕劑(lift off resist) (L0R1A; micron Chem.)制備的。在該示例性方法中，將約450微米厚 的測試級珪晶片(Montco Silicon Technologies )用丙酮、異丙醇和去 離子水清洗，然后在150攝氏度的熱板上干燥10分鐘。以3000 rpm的轉速旋涂L0R1A樹脂30秒，然后在130攝氏度的熱板上預烘干5分鐘。 接下來，以3000 rpm的轉速旋涂S1818樹脂30秒，然后在110攝氏度 的熱板上烘干5分鐘。將得到的雙層膜(約1. 7微米厚)用鉻離子玻璃 掩模、用光學接觸光刻機(Suss Microtech MJB3)曝光(□ = 365 nm， 16.5 mW/cm2) 7秒，然后顯影(MF-319; Shipley) 75秒。顯影將所有 曝光的S1818抗蝕劑去除。它也大致以各向同性的方式將膝光和未曝光 區(qū)域中的L0R 1A去除。該工藝的結果是得到S1818在LOR 1A上的圖案， 其中在曝光區(qū)域是棵露的基片區(qū)域，并且在圖案的邊緣有輕微的底切。 采用將PDMS澆注到凸起圖案母版上并固化的標準軟光刻工藝，由該凸起 圖案母版制備了包含印模的復合構圖設備。圖2A是展示示例性的凸起圖 案母版461以及由該凸起圖案母版制得的示例性構圖設備463的示意圖。 圖2B展示了用本發(fā)明方法制備的包含復合印模的示例性構圖設備的凸 起結構的掃描電子顯微圖。
圖3A是說明制造本發(fā)明的復合構圖設備的方法的示意圖。如圖3A 的工藝步驟A中所示，可以通過將PDMS的預聚物旋涂于硅上的包含樹脂 凸起零部件的凸起圖案母版上而制得構圖設備。任選地，可以用材料的 自組裝單層膜處理凸起圖案母版，以將第一 PDMS層對母版的附著力最小 化。如圖3A的工藝步驟B中所示，可以通過用熱板固化若干小時制得第 一PDMS層，其中固化溫度在約60至約80攝氏度之間。固化后，通過電 子束蒸發(fā)方法將鈦薄膜、金薄膜或兩者的組合沉積在第一 PDMS層的內表 面上，如圖3A的工藝步驟C中所示。也可以將鈦、金或兩者的混合物的 薄膜沉積在高模量第二聚合物層的內表面上(見圖3A的步驟C)。通過 將第一和第二層的覆有涂層的內表面冷坪而將第一和第二層有效地結
合，并可以將復合構圖設備從凸起圖案母版上分離，如圖3A的工藝步驟 D和E中所分別表示。
圖3B展示了本發(fā)明的復合多層構圖設備的 一個可選的制備方法。如 圖3B的工藝步驟A中所示，將高模量第二層的內表面用鈦、二氧化硅或 兩者的組合涂布。使高模量第二層的覆有涂層的內側與用PDMS預聚物旋 涂的凸起圖案母版接觸，并向高模量第二層的外表面施加壓力，如圖3B 的工藝步驟B中所示。該布置使得可以通過旋轉凸起圖案母版，和/或通 過用平的或基于齒形篦板(rocker based)的壓具向高模量第二層施加
38壓力來選擇性調整PDMS預聚物層的厚度。在獲得所需的厚度后，將P固S 預聚物用約60至80攝氏度范圍內的固化溫度在烘箱中固化幾小時，以 形成PDMS第一層，如圖3B的工藝步驟C中所示。最后，將復合構圖設 備與凸起圖案母版分離。任選地，該方法包括用材料的自組裝單層膜處 理凸起圖案母版的步驟，以使PDMS第一層與母版的附著力最小化。
本說明書中使用的術語和表達方式用于說明而非限制，在這些術語 和表達方式的使用中，并沒有意圖要排除所示的和所述的特征或其部分 的任何等同物，而是應當認識到，在本發(fā)明要求保護的范圍內，可能存 在各種變形。因此應當理解的是，雖然通過優(yōu)選實施方案、示例性實施 方案和任選特征對本發(fā)明進行了具體的公開，但是本領域技術人員可能 采取本說明書公開的概念的變型或變體，因此這樣的變型和變體被視為 在所附的權利要求限定的本發(fā)明范圍之內。本說明書給出的具體實施方 案是本發(fā)明的有用的實施方案的實例，對于本領域技術人員而言顯而易 見的是，可以采用本說明書公開的設備、設備部件、方法步驟的許多變 體實施本發(fā)明?？捎糜诒景l(fā)明的方法和設備可以包括大量任選的設備元 件和部件，包括附加聚合物層、玻璃層、陶瓷層、金屬層、微流體通道 和元件、致動器例如輥壓印刷機和柔版印刷機，操作元件(handle element )、光纖元件、雙折射元件例如四分之一波片和半波片，濾光器 例如FP標準器、高通截止濾光器和低通截止濾光器，光學放大器、準直 元件、準直透鏡、反射器、衍射光柵、聚焦元件例如聚焦透鏡和反射器， 反射器、偏振器、光纖耦合器和發(fā)射機、溫度控制器、溫度傳感器、寬 帶光源和窄帶光源。
本申請所公開的內容矛盾的程度納入本說明書。對于本領域技術人員而 言顯而易見的是，本說明書具體記載以外的方法、設備、設備元件、材 料、工藝和技術可以應用于本說明書所充分公開的發(fā)明的實施，而不需 借助過度的實驗。本發(fā)明擬涵蓋本說明書具體記載的方法、設備、設備 元件、材料、工藝和技術的所有本領域已知的功能等價物。
實施例l:用于納米轉印的復合印模
本發(fā)明的構圖設備提供用于納米轉印的復合印模的能力由實驗研究予以證實。具體地說，本發(fā)明的一個目的是提供能夠在大面積的基片表
面上形成具有如下結構的圖案的復合印模，所述結構具有微米和10納米
量級的選定的長度。此外，本發(fā)明的一個目的是提供用于接觸印刷具有 良好的保真度和定位精度的高分辨率圖案的復合印模。
為達到上述目的，用本發(fā)明方法制備復合印模，并用該印模通過納
米轉印(nTP)在基片上生成包含金的單層膜的圖案。具體地說，生成包 含與25微米厚的聚酰亞胺(Kapton ,杜邦)背襯層接觸的薄(5-10 微米)PDMS層的大面積復合印模并進行測試。此外，生成包含附加的PDMS 和/或聚酰亞胺層的大面積復合印模并進行測試。在一個實施方案中，使 約10毫米厚的第二PDMS層附著于聚酰亞胺層上。在另一個實施方案中， 提供了通過薄(約4微米)PDMS層與第一聚酰亞胺層分隔的第二聚酰亞 胺層。附加的PDMS和/或聚酰亞胺層的使用便于復合印模的操作，并且 避免了從凸起圖案母版分離后由于PDMS層的收縮和/或PDMS與聚酰亞胺 層的熱膨脹系數的不匹配而引起的巻曲。
圖4A展示了說明本研究中所使用的示例性復合印模的示意圖，圖 4B展示了相應的剖面掃描電子顯微圖。如圖4B中所示，復合印模的凸 起圖案涂布有金的薄層。該復合印模的凸起圖案對應于用于電子紙顯示 器的有源矩陣電路的源/漏電平(source/drain level )，該顯示器由16 cmx 16 cm區(qū)域上的排列成正方陣列的256個互連的晶體管組成。
通過用顯微鏡測量兩個連續(xù)的印刷品之間、 一個印刷品和用于印刷 的印模之間以及印模與其凸起圖案母版之間在各個晶體管位置處的錯位
(misalignment),來量化本發(fā)明的復合印模中的變形。圖5A和5B展示 了將復合印模上的零部件的位置與其在凸起圖案母版上的位置進行對比 測量的結果所對應的變形。這些結果包括對整體平移、旋轉錯位和各向 同性收縮(對于在80攝氏度下固化的印模，約為228 ppm;對于在室溫 下固化的印模，約為60 ppm)的修正。其余的變形接近測量方法的估計 精度(約l微米)。這些變形包括以下兩者的累積效果(i)制造印模并 將印模從其凸起圖案母版上分離，以及(ii)在不平的基片上印刷(使 印模濕潤)(母版具有一些約9微米厚的凸起零部件)。
本實施例的復合印模設計的另一個好處是它降低了凸起圖案的凹入 區(qū)域中發(fā)生機械性下垂的趨勢，所述下垂能導致不希望的印模-基片接觸，該接觸使轉印到基片表面上的圖案失真。例如，在60微米寬的線間 隔60微米的情況下(凸起高度為500納米)，常規(guī)的單元件PDMS印模的 凹入區(qū)域完全下垂。相反，在包含下述四個聚合物層的復合印模上，對 于相同的凸起幾何形狀、卻未觀察到下垂，所述四層為(1)25微米第 一PDMS層，(2)25微米第二聚酰亞胺層，(3)60微米第三PDMS層，以 及(4) 25微米第四聚酰亞胺層。圖6A和6B展示了說明本發(fā)明的復合 印模中的凹入區(qū)域的下垂趨勢降低的頂視光學顯微圖。圖6A對應于常規(guī) 的單層PDMS印模，圖6B對應于本發(fā)明的復合印模。復合印模的凹入區(qū) 域中色彩均勻(圖6B)表明下垂程度幾乎為零。對復合印模的多層結構 的有限元模擬表明，在其余的PDMS層較薄時，聚酰亞胺層有效地降低印 模下垂的趨勢。
圖7展示了在本發(fā)明的一個兩層印模固化后觀察到的收縮程度，該 印模包含一個與聚酰亞胺層接觸的薄的PDMS層。如圖7所示，本發(fā)明的 復合印模發(fā)生等于或小于0. 2"/。的水平收縮以及等于或小于0. 3%的豎直 收縮。本發(fā)明的復合印模設計所獲得的對固化引起的收縮的抗性使三維 凸起圖案和接觸表面的變形降至最小，并且得到與凸起圖案母版相比具 有良好的保真度的高分辨率圖案。
圖8是對采用本發(fā)明復合印模的納米轉印工藝的圖解。如圖8所示， 該工藝首先在復合印模表面上沉積金涂層，以在第一彈性體層的凸起和 凹入區(qū)域上形成不連續(xù)的金涂層。使印模與一個基片接觸一該基片上承 載一個設計為與金結合的自組裝單層膜(SAM)(例如具有硫醇端基的 SAM)，導致金與基片之間的強的結合力。除去與金的結合較弱的印模，
將印模的凸起區(qū)域上的金轉印到基片上。
用Temescal電子束系統(tǒng)(BJD 1800 )進行金屬蒸發(fā)，使用1 nm/s 的沉積速度。蒸發(fā)過程中的壓力通常為1 x 10—6 Torr或更低。將一個沉 積速度監(jiān)視器安裝于合適的位置，使得能夠在印?；蚧┞队诮饘倭?之前，達到一定的速率并使其穩(wěn)定。沉積之后立即在敞開空間中進行印 刷。印模通常在不施加除重力之外的壓力的情況下與基片發(fā)生密切接觸。 在一些情況下，采用手施加的小壓力使其沿著一個邊緣開始接觸，然后 穿過印模-基片界面自動進行接觸。幾秒鐘后，將印模從基片的接觸中移 除，完成印刷。
41圖9A-D展示了用本發(fā)明的復合印模生成的Ti/Au (2 nm/20 nm)圖 案的掃描電子顯微圖。如這些圖中所示，本發(fā)明的方法和設備能夠生成 多種圖案，所述圖案包含物理尺寸在一個范圍內的結構。如圖9A-D中所 示，轉印的Ti/Au圖案基本上沒有裂紋和其它表面缺陷。對于一些應用， 優(yōu)選使用本發(fā)明的厚度小于100pm的復合印模，因為當彎曲時(在操作 過程中或開始接觸時)在復合印模表面上產生的應力相對于通常厚得多 的(例如約1 cm厚)常規(guī)PDMS印模而言較小。
實施例2:復合構圖設備的熱特性和機械性能的計算機模擬
通過計算機模擬評價了本發(fā)明的多層構圖設備因制備過程中的聚合 以及機械應力而發(fā)生變形的傾向性。具體地說，針對四層復合構圖設備 計算了制備過程中的聚合引起的變形程度，以及凹入區(qū)域的重力導致的 變形的程度。這些研究證實，就聚合引起的收縮和重力導致的下垂而言， 本發(fā)明的復合構圖設備具有增強的穩(wěn)定性。
對于兩種不同的復合圖案設計，計算并比較聚合引起的變形的程度。 首先，對圖10中示意性表示的四層復合構圖設備600進行計算，所述四 層構圖設備600包含5微米厚的第一 PDMS聚合物層610、 25微米厚的第 二聚酰亞胺(Kapton )聚合物層620、 5微米厚的第三PDMS聚合物層 630以及25孩支米厚的第四聚酰亞胺(Kapton )聚合物層640。第二， 對圖11A中示意性表示的兩層復合構圖設備700進行計算，所述兩層構 圖設備700包含5微米厚的第一 P鹿S聚合物層710、 25微米厚的第二聚 酰亞胺(Kapton )聚合物層720。在兩次計算中，均使用從20攝氏度 到80攝氏度的溫度變化。假定PDMS的楊氏模量和熱膨脹系數不依賴于 溫度，并且分別等于3 MPa和260 ppm。假定聚酰亞胺的楊氏模量和熱 膨脹系數不依賴于溫度，并且分別等于5. 34 GPa和14. 5 ppm。
圖10展示了針對四層復合構圖設備600預測的熱引發(fā)聚合過程中的 變形程度。如圖IO中所示，沒有觀察到聚合后四層圖案設備的巻曲。圖 11A展示了針對兩層復合構圖設備700計算的熱引發(fā)聚合過程中的變形 程度。與四層構圖設備的結果相比，在兩層構圖設備中觀察到了聚合引 起的巻曲。圖IIB和IIC分別提供了兩層構圖設備中，聚合后的曲率半 徑隨著PDMS層厚度和固化溫度變化的曲線圖。還通過計算機模擬研究了本發(fā)明的四層構圖設備的凹入區(qū)域的豎直
位移程度。如圖12A中所示，所計算的復合構圖設備包含兩個h-PDMS 層和兩個聚酰亞胺層(Kapton⑧)。第一h-P固S層的厚度在約6微米至 約200微米范圍內變化。第二聚酰亞胺層的厚度保持25微米不變，第三 h-PDMS層的厚度保持5微米不變，第四聚酰亞胺層的厚度保持25微米 不變。圖12B展示了預測的豎直位移(單位為微米)隨著在沿著約90 微米長的凹入區(qū)域中位置變化曲線圖。如圖12B中所示，對于厚度等于 或小于50微米的第一PDMS層，觀察到小于約0. 2微米的下垂引起的變 形。此外，在研究的所有實施方案中觀察到的下垂程度總是小于所計算 的各個厚度的約O. 1%。這些模擬的結果表明，本發(fā)明的四層復合構圖設 備不會發(fā)生因凸起圖案的凹入區(qū)域下垂而引起的第一層的凹入區(qū)域與基 片表面的不希望的接觸。
圖13A-C展示了本發(fā)明的兩層復合印模因聚合過程中的熱/化學收 縮引起的水平變形的計算研究結果。圖13A是說明雙層復合印模的示意 圖，所述印模包含有效地結合到一個25微米Kapton層上的厚度可變的 PDMS層。圖13B是預測的水平變形隨著第一PDMS層厚度(單位為微米) 變化的曲線圖。圖13C是預測的水平變形隨著沿第一PDMS層外表面的距 離(單位為毫米)變化的曲線圖。模擬結果表明，在平行于第一 PDMS 層的外表面上的接觸表面的平面內，因聚合引起的變形的大小正比于第 一PDMS層的厚度。此外模擬結果表明，當第一PDMS層的厚度減小時， 在平行于第一 PDMS層的外表面上的接觸表面的平面內因聚合引起的變 形基本上限于印模的邊緣。
實施例3:纖維增強的復合構圖設備
本發(fā)明包括含有一個或多個復合聚合物層的復合構圖設備，所述復 合聚合物層包括具有纖維材料的聚合物層，所述纖維材料提供有益的機 械、結構和/或熱性能。本發(fā)明的這一方面的復合構圖設備包括將纖維納 入聚合物層中和/或層之間的設計，并且選擇纖維與聚合物層之間的幾何 關系，以提供使凸起圖案的凸起零部件的變形最小的凈抗彎剛度，并提 供能在基片表面上生成具有良好的保真度和定位精度的圖案的構圖設 備。此外，本發(fā)明的這一方面的復合構圖設備包括將纖維納入聚合物層中和/或層之間的設計，其幾何關系，通過例如增加這些設備的厚度，選 擇成使聚合物層因溫度變化引起的膨脹或收縮最小，和/或便于本發(fā)明的 構圖設備的物理操縱。
為了評價并證實納入的纖維材料在本發(fā)明的復合構圖設備中的效
用，設計了包含多個玻璃纖維增強聚合物層的構圖設備。圖14A和14B 提供了說明本發(fā)明的纖維增強復合印模的示意圖。圖14A提供了剖面圖， 圖14B提供了透視圖。如圖14A和14B所示，纖維增強復合印模900包 含第一層905、第二層910、第三層915、第四層920以及第5層925， 第一層905包含PDMS并具有凸起圖案，所述凸起圖案具有物理尺寸選定 的凸起零部件；第二層910包含一種復合聚合物，該復合聚合物具有在 第一選定方向上的細玻璃纖維陣列；第三層915包含一種復合聚合物， 該復合聚合物具有在第二選定方向上的較大玻璃纖維的網狀物；第四層 920包含一種復合聚合物，該復合聚合物具有在第三選定方向上的大玻 璃纖維的網狀物；第五層925包含一種復合聚合物，該復合聚合物具有 在第四選定方向上的細玻璃纖維的陣列。第一層905具有低楊氏模量， 并能夠在其接觸表面和多種表面——包括輪廓面(contoured surf ace )、 曲面和粗糙面一之間建立共形接觸。第二層910是復合聚合物層，其中 在選定的方向上加入細玻璃纖維陣列為第一層905的凸起零部件的頂部 提供機械支撐，從而將第一層905上的凸起圖案在與基片表面形成共形 接觸后的變形降至最小。第三層915和第四層920提供了纖維增強復合 印模900的總體厚度，使復合印?？梢匀菀椎夭倏v、清洗和/或納入印刷 設備中。玻璃纖維在第二層910、第三層915、第四層920和/或第五層 925中的納入，還提供了選擇纖維增強復合印模的凈抗彎剛度的方法， 并提供了選擇本發(fā)明的構圖設備中各層的楊氏模量的方法。例如，通過 對第二層910、第三層915、第四層920和/或第五層925中的纖維的組 成、方向、尺寸和密度的選擇，可以提供可在基片表面上生成具有良好 的保真度和定位精度的圖案的凈抗彎剛度。第二層910、第三層915、第 四層920和第五層925可以包含具有低楊氏模量或高楊氏模量的聚合物 的纖維增強復合層。任選地，纖維增強復合印模900可以進一步包含一 個或多個附加的高或低楊氏模量聚合物層，包括具有纖維材料的附加復 合聚合物層。圖14C提供了分別對應于纖維增強復合印模900的第二層910、第 三層915、第四層和第五層925的第一選定方向930、笫二選定方向 935、第三選定方向940和第四選定方向945的示意圖。如圖14C中所示， 第一選定方向930提供了在第二層910中縱向排列的細玻璃纖維的陣列， 所述玻璃纖維沿著與第五層925中的沿第四選定方向945縱向排列的細 玻璃纖維垂直的軸線排列。第二和第三選定方向提供了纖維網狀物，其 中兩組纖維沿著互相垂直的軸線排列并互相交織。此外，對應于第二選 定方向935和第三選定方向940的纖維網狀物提供了彼此垂直的纖維方 向，如圖14C中所示。使用如圖14C中所示的纖維網狀物方向，使本發(fā) 明的聚合物層和構圖設備中的面內機械性能的各向異性程度降至最小。
圖15提供了結合于PDMS層上的復合聚合物層的光學圖像。如圖15 中所示，復合聚合物層971包含玻璃纖維網狀物和沒有結合任何纖維材 料的PDMS層972。
再次參見圖14A,所示的印模設計提供了關于設計軸線960對稱的 纖維增強層的排列。具有基本相同的熱膨脹系數的第二層910和第五層 925的使用，以及具有基本相同的熱膨脹系數的第三層915和第四層920 的使用，提供了具有關于層排列軸線980基本對稱分布的熱膨脹系數的 纖維增強復合印模900。如果第一層與第二、第三、第四和第五層之和 相比相對較薄，例如對于一些應用優(yōu)選小于10%，對于一些應用更優(yōu)選 小于5°/ ，則尤其如此。如上所述，設備的布置在本發(fā)明中的使用一所 述布置提供關于層排列軸線980基本對稱分布的熱膨脹系數，所述層排 列軸線980垂直于接觸表面所在的平面一可用于提供具有最小的因溫 度變化引起的圖案變形的熱穩(wěn)定構圖設備。此外，這種對稱排列使固化 過程中引起的凸起圖案變形最小化，例如使固化過程中聚合物層的巻曲 導致的圖案變形最小化。
纖維材料的使用使得可以將具有有用的機械和熱性能的多種材料，
包括脆性材料，以一種保持其表現柔性的能力的方式一該柔性使得可以 與粗糙的輪廓基片表面、例如具有大的曲率半徑的表面建立共形接觸一 結合到本發(fā)明的構圖設備和聚合物層中。例如，Si02是一種在體相(bulk phase)中很脆的材料。然而，相對較細的(例如直徑小于約20微米) 的Si02纖維、纖維陣列和纖維網狀物的使用可以使聚合物層結構增強，提高凈抗彎剛度，同時保持彎曲、拉伸和變形的能力。此外，Si02具有 對一些聚合物、包括PDMS的良好的附著力。碳纖維是另一類納入聚合物 層中能導致抗彎剛度和楊氏模量顯著提高的材料，同時它保留設備的用 于與多種表面形態(tài)建立良好共形接觸的柔性。
任何纖維材料組成和纖維材料物理尺寸可用于本發(fā)明的纖維增強聚
合物層中，所述纖維增強聚合物層提供具有有益的機械、結構和熱性能 的構圖設備和聚合物層?？捎糜诒景l(fā)明的復合構圖設備中的纖維材料包 括但不限于含玻璃的纖維，所述玻璃中包含氧化物，例如Si02、 A1202、 B203、 Ca0、 Mg0、 Zn0、 Ba0、 Li20、 Ti02、 Zr02、 Fe203、 F2和Na30/K20; 還包括含碳的纖維、含聚合物的纖維例如芳族聚酰胺纖維和dyneema、 含金屬、陶瓷或這些材料的混合物的纖維，這些纖維材料可以納入本發(fā) 明的構圖設備中。對于一些應用，優(yōu)選的是這樣的纖維材料，所述纖維 材料對其所納入的層中含的聚合物具有良好的附著力。具有約l至約100 微米范圍內的長度的纖維可用于本發(fā)明的纖維增強復合構圖設備，對于 某些應用，優(yōu)選約5至約50微米。具有約0. 5微米至約50微米范圍內 的直徑的纖維可用于本發(fā)明的纖維增強復合構圖設備，對于某些應用， 優(yōu)選約5至約IO微米。
本發(fā)明的纖維增強構圖設備中的復合層可以具有任何選定的纖維布 置方式，所述布置方式提供具有有用的機械和熱性能的構圖設備。具有 高的纖維體積分數特征一例如大于約0.7的纖維體積分數一的纖維布 置方式的使用，可以在復合層(如圖14A中的910層)中用于提供對凸 起零部件和凹入區(qū)域的支撐，包括在具有一個或多個接觸表面的低模量 層的凸起圖案中提供頂部支撐。具有低的纖維體積分數特征一例如小于 約0. 5的纖維體積分數一的纖維布置方式的使用，可以在復合層中(例 如圖14A中的915和920層)提供為保持纖維增強復合構圖設備的柔性 所需的印模的凈厚度。如圖14A-14C中所示示意圖中例舉的，具有不同 的選定的纖維方向的多個復合層的使用，可以提供具有各向同性機械性 能的纖維增強復合構圖設備，所述各向同性機械性能是就沿著與接觸表 面所在平面垂直的軸線上的變形而言。
除了其結構和機械性能以外，也可以基于光學性能和/或熱性能對本 發(fā)明的纖維增強復合構圖設備使用的纖維材料進行選擇。具有與含有其的聚合物相等或相似的折射率(即匹配在10°/。以內)的纖維的使用，可 用于提供光學透明的復合聚合物層。例如，可以調整Si02纖維的折射率， 使其與PDMS的折射率(通常在14.至1.6之間)匹配，以制造高度透明 的復合聚合物層。在給定的復合聚合物層中，使纖維和聚合物材料的折 射率匹配對于本發(fā)明的纖維增強復合光掩模而言是特別有用的。此外， 選擇具有與含有其的聚合物材料相等或相似的熱膨脹系數的纖維材料
(即匹配在10%以內)，可用于提供熱穩(wěn)定的纖維增強復合構圖設備。 實施例4:軟共形復合光掩模
本發(fā)明包括含有光掩模的復合構圖設備，該設備能夠與被電磁輻射 加工的基片表面建立并保持共形接觸。本發(fā)明的復合共形光掩模的一個 優(yōu)勢是，它們能在不顯著改變光掩模的光學性能一例如二維透射和吸收 性能一 的情況下適應多種基片表面形態(tài)。本發(fā)明的該特性提供了能將電 磁輻射傳輸至基片表面的選定區(qū)域上的光掩模，所述電磁輻射具有強度、 偏振態(tài)和/或波長的邊界明確的二維空間分布，從而可以在基片上制備具 有良好的保真度和定位精度的圖案。
圖16提供了本發(fā)明的軟共形復合光掩模的示意圖。如圖16所示， 軟共形復合光掩模1000包含具有低楊氏模量并具有接觸表面1010的第 一聚合物層1005、包含多個透光區(qū)1017和不透光區(qū)1016的圖案化光掩 模層1015以及具有高楊氏模量和外表面1025的第二聚合物層1020。在 一個有用的實施方案中，第一聚合物層包含PDMS,第二聚合物層包含聚 酰亞胺。透光區(qū)1017至少部分地傳輸照射于外表面1025上的電磁輻射， 不透光區(qū)1016至少部分地減弱照射于外表面1025上的電磁輻射的強度， 例如通過對電磁輻射的反射、吸收或散射。在圖16中所示的實施方案中， 不透光區(qū)域1016是與基本透明的Ti/Si02層接觸的反射性鋁薄膜。在這 種布置中，反射性鋁薄膜之間的基本透明區(qū)域是透光區(qū)。
為了在基片表面上進行構圖，使軟共形復合光掩模1000與基片表面 接觸，使得第一聚合物層1005的接觸表面1010與基片表面建立共形接 觸。使具有強度、偏振態(tài)和/或波長的第一二維分布的電磁輻射照射到軟 共形復合光掩模1000的第二聚合物層1020的外表面1025上。經過不透 光區(qū)1016的反射、吸收和/或散射，產生了具有不同的強度、偏振態(tài)和/ 或波長二維分布的透射電磁輻射。該透射電磁輻射與基片表面相互作用并生成基片表面的物理和/或化學改性的區(qū)域。通過將基片的化學和/或 物理改性的區(qū)域的至少一部分去除，或者通過將未#_化學和/或物理改性 的基片區(qū)域的至少一部分去除，制得圖案。
圖17A展示了本發(fā)明的軟共形復合光掩模的光學圖像，圖17B展示 了在硅基片上曝光后和顯影后的光致抗蝕劑圖案的光學圖像。如圖17A 中所示，軟共形復合光掩模1100具有5毫米厚的操縱部位1105,該操 縱部位提供了便于操作、清潔光掩模以及將光掩模與其它加工裝置結合 的邊緣。圖17A和17B的對比表明，用軟共形復合光掩模生成了具有高 保真度的圖案。
圖18提供了說明本發(fā)明的軟共形復合光掩模的制備方法的工藝流 程圖。如圖18的工藝步驟A所示，通過電子束蒸發(fā)在高楊氏模量聚合物 層的內表面上沉積鋁薄層。如圖18的工藝步驟B中所示，通過例如旋涂 在鋁層上沉積一層光致抗蝕劑，并使用例如常規(guī)光刻法形成圖案。該構 圖步驟生成包含鋁薄膜的圖案化光掩模層，所述鋁薄膜具有選定的物理 尺度和位置。如圖18的工藝步驟C中所示，在含鋁的圖案化光掩模層上 和高楊氏模量聚合物層的內表面的暴露區(qū)域上沉積Ti/Si02薄膜。 Ti/Si02層的使用可用于提高隨后的工藝步驟中對PDMS層的附著力。如 圖18的工藝步驟D中所示，將相當平的硅基片用非粘性自組裝單層膜處 理，并在自組裝單層膜上旋涂一PDMS薄層。自組裝單層膜在本發(fā)明的這 一方面的使用，對于防止PDMS層對硅表面的不可逆的結合以及避免PDMS 層從硅基片上分離后的破壞是重要的。如圖18的工藝步驟E中所示，使 包含高楊氏模量層和圖案化光掩模層的復合結構的Ti/Si02層與涂布了 PDMS的硅基片接觸。對高楊氏模量層的外表面施加力，并使P固S層在 60-80攝氏度之間的溫度下固化幾小時。最后，將PDMS層從硅基片上分 離，從而形成軟共形復合光掩模。
實施例4:使用構圖劑的鎖與鑰(Lock and Key)合模系統(tǒng) 本發(fā)明提供具有特定的凸起圖案一例如對準通道、溝和/或槽一的 方法、構圖設備和/或基片表面，所述對準通道、溝和/或槽可用于為構 圖設備和基片表面提供合適的合模和對準。特別是，包含互補(即配合) 凸起零部件和凹入區(qū)域的"鎖與鑰，，對準系統(tǒng)在本發(fā)明中是有用的，因
為互補零部件的嚙合限制了構圖設備的接觸表面與基片表面之間可能的
48相對取向。限制這些元件的相對取向的能力，對于在大面積基片上制備 具有良好定位精度的設備和設備陣列而言特別有用。
一方面，本發(fā)明包括使用構圖劑的對準系統(tǒng)，所述構圖劑用于在構 圖設備的接觸表面與基片表面的選定區(qū)域之間建立并保持選定的空間定 向，所述接觸表面包括例如復合構圖設備的接觸表面或單層構圖設備的 接觸表面。在該說明書的上下文中，術語"構圖劑"指的是在構圖設備 的接觸表面的至少一部分與被加工的基片表面之間提供的一種或多種材 料。在本發(fā)明的這一方面，構圖劑起作用以便于互補的凸起零部件和凹 入區(qū)域的正確對準和嚙合，其作用的方式使得這些元件形成良好的合模。 本發(fā)明的構圖劑還可以提供除了便于構圖設備和基片表面的正確對準之 外的其它功能。在一個實施方案中，本發(fā)明的構圖劑包括用于本發(fā)明的 光掩模的濾光介質。在另一個實施方案中，構圖劑包括成型于基片表面 上的轉印材料，例如在曝光于電磁輻射或升溫后模制成壓印于基片上的 圖案的預聚物材料。本發(fā)明的構圖劑也可以提供多功能特征，例如便于 構圖設備的接觸表面與被加工的基片表面對準的功能與提供濾光和/或 提供在基片表面構圖的轉印材料的功能的結合。
在一個實施方案中，本發(fā)明的構圖劑充當潤滑劑，它減小對準系 統(tǒng)一例如鎖與鑰合模系統(tǒng)一的成對配合的接觸表面和基片表面之間產 生的摩擦。通過減小摩擦，構圖劑使構圖設備和基片可以建立共形接觸 并彼此相對移動，從而在可能的相對取向范圍內進行選取。在本發(fā)明的 這個方面，由構圖劑提供的額外的可動性使構圖設備和基片表面可以實 現穩(wěn)定的、選定的相對取向，所述相對取向的特征在于互補的凸起零部 件和凹入區(qū)域在配合表面上的有效接合。有效的構圖劑便于建立正確的 合模，同時不妨礙共形接觸的建立。有用的構圖劑包括流體，例如液體
和膠體，以及薄膜和顆粒材料。示例性的構圖劑包括來自Mayzo的熒光 增白劑(Optical Brightener ) Benetex 0B-EP、 Parker墨水、來自 Constantines Wood Center的水溶性黑色木制染料粉(Water soluble black wooden dye Powder )。
本發(fā)明的這一方面的構圖設備具有一個存在多個凹入區(qū)域或凸起零 部件的接觸表面，所述凹入區(qū)域或凸起零部件具有與被加工的基片表面 上的凹入區(qū)域或凸起零部件互補的形狀和物理尺寸。本發(fā)明的這一方面 的構圖設備還具有用于將構圖劑引入接觸表面和基片表面之間的至少一部分中的裝置。用于引入構圖劑的裝置可以是流體通道、槽，或者可以 涉及在建立共形接觸之前使用例如浸漬系統(tǒng)將接觸表面或基片表面潤 濕。為實現合模，通過施加合適的力使構圖設備和基片表面逐漸接觸， 例如施加與接觸表面的至少一部分所在的平面垂直的力。任選地，對準 過程可以涉及構圖設備和基片表面的配合表面在其它方向上的移動，例 如表面的4黃向移動。
另一方面，構圖劑充當可適應的光掩模的濾光介質。在本發(fā)明的這 一方面，選擇構圖劑的組成，使其吸收、散射、反射或以其它方式調制 照射于光掩模上的電磁輻射的一些性能，從而選擇性地調整透射于構圖 的基片表面上的光的強度、波長和偏振態(tài)。例如，在一個實施方案中， 在具有凸起圖案的可適應光掩模和基片外表面之間提供構圖劑。光掩模 和基片外表面之間的共形接觸產生 一 系列被構圖劑占據的空間，所述空 間由凸起圖案的凸起零部件和凹入區(qū)域限定。這些空間可以包括位于光
掩模和基片外表面之間的一系列管道、腔室、孑L、槽、縫和/或通道。光 掩模的凸起零部件和凹入區(qū)域的形狀和物理尺寸決定存在于光掩模和基 片表面之間的空間中的構圖劑的光學厚度。因此，對凸起圖案的幾何形 狀和構圖劑的組成的選擇，提供了對透射的電磁輻射進行調制、以獲得 透射于基片表面上的光的強度、波長和/或偏振態(tài)的選定的二維空間分布 的方法。本發(fā)明的這一方面對于在外表面上沉積有一層光敏材料的基片 表面上形成圖案而言特別有用。
本發(fā)明的這種構圖方法的優(yōu)勢包括(i)它與本申請中所述的多種類 型的復合構圖設備兼容；(ii)構圖劑可以具有低粘度，這使它在構圖設 備與構圖劑接觸時可以快速有效地流動(這有助于將大部分構圖劑從對 應于構圖設備上的凸起區(qū)域的區(qū)域中擠出)；(iii)它使接觸表面(或被 涂布的接觸表面)和基片表面(或被涂布的基片表面)之間的界面潤滑； (iv)它不改變構圖設備的一個重要特性一拉伸性，如果必須拉伸構圖 設備以使鎖和鑰零部件配合(例如由于基片的輕微變形)，該特性尤其重 要；以及(v)它可以使常規(guī)光致抗蝕劑構圖，所述常規(guī)光致抗蝕劑的工 藝條件和用途對于很多重要的電子和光子應用是成熟的。
圖19A和19B提供了展示對準系統(tǒng)的示意圖，所述對準系統(tǒng)用構圖 劑使光掩模和基片對準。參見圖19A和19B，本發(fā)明的對準系統(tǒng)1300包含具有接觸表面1306的可適應光掩模1305、具有被加工的外表面1313 的基片1310以及位于接觸表面1306和外表面1313之間的構圖劑1315。 在圖19A和19B中所示的實施方案中，被加工的外表面1313被光敏層 13"涂布，例如被光致抗蝕劑層涂布。在圖19A所示的設計中，可適應 的光掩模1300包含具有多個凹入區(qū)域1320的第一聚合物層，例如一個 PDMS層，所述凹入區(qū)域的形狀和物理尺寸與被加工的外表面1313上存 在的凸起零部件1325互補。在圖19B所示的設計中，可適應的光掩模 1300包含具有多個凸起零部件1340的第一聚合物層，例如一個PDMS層， 所述凸起零部件1340的形狀和物理尺寸與被加工的外表面1313上存在 的凹入區(qū)域1345互補。本發(fā)明的這一方面的凸起零部件和凹入區(qū)域可以 具有任何互補的成對形狀，包括但不限于選自角錐形、圓柱形、多邊形、 矩形、正方形、圓錐形、梯形、三角形、球形或這些形狀的任意組合。
任選地，可適應的光掩模1305可以進一步包括另外的具有選定形狀 和物理尺寸的凸起零部件1308和凹入零部件1307。如圖19A和19B所 示，光掩模1305和外表面1313的共形接觸，形成多個被構圖劑1315 占據的空間，因為沒有為基片1310提供與另外的凸起零部件1308和凹 入區(qū)域1307互補的凸起零部件和凹入區(qū)域。在一個實施方案中，構圖劑 1315是對照射于光掩模1305上的電磁輻射進行吸收、反射或散射的材 料，因此，凸起零部件1308和凹入區(qū)域1307的形狀和物理尺寸確定了 透射于外表面1313上的光敏層1314上的電磁輻射的強度、波長和/或偏 振態(tài)的二維空間分布。按這種方式，光敏層1314的一些選定區(qū)域可被具 有選定的波長和偏振態(tài)的電磁輻射的選定的強度照射，光敏層1314的一 些選定區(qū)域可不受具有選定的波長和偏振態(tài)的電磁輻射的照射。本發(fā)明 的這一方面可用于通過電磁輻射的照射而使光敏層1314形成圖案，所述 電磁輻射具有選定的強度二維空間分布，該分布能夠生成光敏層1314 的對應于所需圖案的化學和/或物理改性區(qū)域。在一個實施方案中，光掩 模1305是基本透明的純相位光掩模。在該實施方案中，當構圖劑存在于 接觸表面1306和外表面1313之間時，它僅形成振幅光掩模(amplitude photomask )。
在另一個實施方案中，構圖劑1315是用于將圖案塑造在基片表面上 的轉印材料。因此在該實施方案中，凸起零部件1308和凹入區(qū)域1307 的形狀和物理尺寸確定了在外表面1313上的光敏層1314上壓印的圖案的零部件。本發(fā)明的這一方面的實施方案也可用于通過在外表面1313 上直接塑造圖案而使基片表面形成圖案(即不存在光敏層1314)。
任選地，可適應的光掩模1305是進一步包含附加聚合物層的復合光 掩模，例如包含高楊氏模量層、復合聚合物層和低楊氏模量層(未示于 圖19A和19B中)。如本申請中所討論，本發(fā)明的具有一個或多個附加聚 合物層的構圖設備提供有益的機械和/或熱性能。但是，本發(fā)明的該實施 例的構圖設備不 一定是復合構圖設備。
為了在基片1310的表面上生成圖案，將構圖劑1315提供于可適應 光掩模1305的接觸表面1306和外表面1313之間，并使接觸表面1306 和外表面1313形成共形接觸。構圖劑1315使可適應光掩模1305的第一 聚合物層和外表面1313上的光敏層1314之間的界面潤滑。因構圖劑 1315的存在而導致的摩擦力降低使接觸表面1306與外表面1313對準， 使得凸起零部件(1325或1340 )與凹入區(qū)域U320或1345 )實現最優(yōu) 嚙合。通過提供使配合表面趨近的漸變的力(gradual force) —例如 沿著與接觸表面垂直的軸線的力(由箭頭1380示意性表示) 一實現最 優(yōu)對準。任選地，接觸表面1306和外表面1313可以橫向移動(沿著與 軸線1390平行的軸線)，以增強凹入區(qū)域(1320或1345 )和凸起零部件 (1325或1340 )的最優(yōu)接合的建立。
可適應光掩模1305被電磁輻射照射，并將具有強度、波長和/或偏 振態(tài)的選定的二維空間分布的電磁輻射透射到光敏層1314上。例如，存 在于凸起零部件1308、凹入區(qū)域1307和外表面1313之間的區(qū)域中的構 圖劑1315可以吸收、散射或反射入射的電磁輻射，從而提供空間分辨 (spatially resolved)濾光功能。例如在一個實施方案中，構圖劑1315 吸收UV電磁輻射，因而形成了用紫外光在光敏層1314上構圖的反差。 透射的電磁輻射與部分光敏層1314相互作用，因而生成化學和/或物理 改性區(qū)域的圖案。對于給定的應用，在曝光于足夠的電磁輻射后，將可 適應光掩模1305和基片1310分離，并通過將光敏層1314的化學和/或 物理改性區(qū)域的至少一部分去除或通過將光敏層1314的未被化學和/或 物理改性的至少一部分去除而使光敏層1314顯影。 圖20提供了說明本發(fā)明的使用構圖劑的示例性構圖方法的示意圖， 所述構圖劑包含可適應光掩模的光學介質(或墨水)。如圖20所示， 提供其外表面上具有光致抗蝕劑層的基片。使光致抗蝕劑層與含墨水的構圖劑接觸，并使可適應光掩模與基片共形接觸。如圖20中所示， 枸圖劑存在于由可適應光掩模的凸起圖案限定的空間中。用電磁輻射 照射可適應光掩模，構圖劑調節(jié)透射到光致抗蝕劑層上的電磁輻射的 強度。如圖20所示，然后將可適應光掩模去除，并使光致抗蝕劑層 顯影，從而在基片表面上生成由存在于光掩模和基片之間的構圖劑的 光學厚度限定的圖案。
權利要求
1. 用于在基片表面上生成圖案的復合構圖設備，所述設備包括包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少一個接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接觸表面相對的內表面；以及具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層具有高楊氏模量；其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層的排列方式使得施加于所述第二聚合物層外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層；其中所述復合構圖設備能夠在所述第一聚合物層的所述接觸表面的至少一部分與所述基片表面之間建立共形接觸。
2. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層的所述內表面與所述 第二聚合物層的所述內表面接觸。
3. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層 由位于所述第一聚合物層的所述內表面與所述第二聚合物層的所述內表 面之間的連接層連接。
4. 權利要求1的設備，其中所述連接層包括薄金屬層。
5. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層 的排列方式使得施加于所述第二聚合物層外表面上的力傳遞給所述第一 聚合物層的接觸表面的至少一部分。
6. 權利要求1的設備，其中所述三維凸起圖案具有多個接觸表面。
7. 權利要求6的設備，其中所述接觸表面基本處于同一平面內。
8. 權利要求6的設備，其中所述接觸表面的至少一部分處于不同的 平面內。
9. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層的厚度選自約1微米 至約IOO微米的范圍內。
10. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層的厚度約為5微米。
11. 權利要求1的設備，其中所述第二聚合物層的厚度選自約10微 米至約IOO微米的范圍內。
12. 權利要求1的設備，其中所述第二聚合物層的厚度約為25微米。
13. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層的厚度與第二聚合物 層的厚度之比選自約l至約io的范圍內。
14. 權利要求1的設備，其中所述第二聚合物層具有選自約lGPa至 約10 GPa范圍內的楊氏模量。
15. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層具有選自約1 MPa至 約10 MPa范圍內的楊氏模量。
16. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層具有約3MPa的楊氏 模量。
17. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層、第二聚合物層或兩 者進一步包含纖維材料。
18. 權利要求17的設備，其中所述纖維材料選自玻璃纖維、碳纖維、 金屬纖維、陶瓷纖維和聚合物纖維。
19. 權利要求1的設備，其中所述第二聚合物層選自熱固性層、聚酰 亞胺、熱塑性層和復合聚合物層。
20. 權利要求1的設備，其中所述第二聚合物層包含熱膨脹系數小于 或等于約14. 5 ppm的聚合物。
21. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層是彈性體層。
22. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層包含聚二曱基硅氧烷 或h-聚二曱基硅氧烷。
23. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層是復合聚合物層。
24. 權利要求1的設備，進一步包含位于所述第一和第二聚合物層之 間的第三聚合物層，其中所述第三聚合物層是包含纖維材料的復合聚合 物層。
25. 權利要求1的設備，其中所述復合構圖設備具有選自約1x10—7 Nm至約lxl(T5 Nm范圍內的抗彎剛度。
26. 權利要求1的設備，其中所述凸起圖案占據選自約10 cn^至約 260 cm、范圍內的面積。
27. 權利要求1的設備，其中所述凸起圖案包含多個凸起零部件，所 述凸起零部件表現出選自約10， 000納米至約50納米范圍內的尺寸。
28. 權利要求1的設備，其中所述凸起圖案包含多個凸起零部件，所 述凸起零部件表現出選自約1000納米至約50納米范圍內的尺寸。
29. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層是連續(xù)的整體層。
30. 權利要求1的設備，其中所述第一聚合物層是不連續(xù)層。
31. 權利要求30的設備，其中所述三維凸起圖案包含多個獨立的凸 起零部件，其中所述獨立的凸起零部件與所述第二聚合物層接觸。
32. 權利要求1的設備，進一步包含具有內表面和外表面的第三聚合 物層，其中所述第一、第二和第三聚合物層的排列方式使得施加于所述 第三聚合物層的所述外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層。
33. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層的所述內表面與所 述第二聚合物層的所述外表面接觸。
34. 權利要求32的設備，其中所述第二聚合物層和所述第三聚合物 層由位于所述第二聚合物層的所述外表面與所述第三聚合物層的所述內 表面之間的連接層連接。
35. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層具有低楊氏模量。
36. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層具有選自約1 MPa 至約10 MPa范圍內的楊氏模量。
37. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層的厚度選自約1微 米至約IOO微米范圍內。
38. 權利要求32的設備，其中第三聚合物層的厚度在第一聚合物層 厚度的約10°/。以內。
39. 權利要求32的設備，其中所述第一聚合物層的熱膨脹系數在所 述第三聚合物層的熱膨脹系數的約10%以內。
40. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層是彈性體層。
41. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層包含聚二曱基硅氧 烷或h-聚二曱基硅氧烷。
42. 權利要求32的設備，其中所述第三聚合物層包含一種使施加的 壓力均勻分布于所述接觸表面上的裝置。
43. 權利要求32的設備，進一步包含具有內表面和外表面的第四聚 合物層，其中所述第一、第二、第三和第四聚合物層的排列方式使得施 加于所述第四聚合物層的所述外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層。
44. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層的所述內表面與所 述第三聚合物層的所述外表面接觸。
45. 權利要求43的設備，其中所述第三聚合物層和所述第四聚合物 層由位于所述第三聚合物層的所述外表面與所述第四聚合物層的所述內表面之間的連接層連接。
46. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層具有高楊氏模量。
47. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層具有選自約1 GPa 至約10 GPa范圍內的楊氏模量。
48. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層的厚度選自約10微 米至約IOO微米范圍內。
49. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層的厚度在第二聚合 物層厚度的約10%以內。
50. 權利要求43的設備，其中所述第四聚合物層的熱膨脹系數在所 述第二聚合物層的熱膨脹系數的約10%以內。
51. 權利要求43的設備，其中所述第四層包含選自聚合物、玻璃、 陶瓷和金屬的材料。
52. 權利要求1的設備，進一步包含一個連接于所述第二聚合物層的 所述外表面上的致動器，其中所述致動器能夠向所述第二聚合物層的所 述夕卜表面施加力。
53. 權利要求32的設備，進一步包含一個連接于所述第三聚合物層 的所述外表面上的致動器，其中所述致動器能夠向所述第三聚合物層的 所述外表面施加力。
54. 權利要求43的設備，進一步包含一個連接于所述第四聚合物層 的所述外表面上的致動器，其中所述致動器能夠向所述第四聚合物層的 所述外表面施加力。
55. 權利要求1的設備，包括一個印模、 一個塑?；蛞粋€光掩模。
56. 權利要求1的設備，其中所述復合構圖設備透射電磁波譜的紫外 區(qū)、可見光區(qū)或者紫外區(qū)與可見光區(qū)兩者中的電磁輻射。
57. 權利要求1的設備，其中所述復合構圖設備透射強度具有選定的 二維空間分布的電磁輻射圖案。
58. 權利要求1的設備，其中復合構圖設備具有在所述基片的熱膨脹 系數的10%以內的凈熱膨脹系數。
59. 用于在基片表面上生成圖案的復合構圖設備，所述設備包括 包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少一個接觸表面，所述第 一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接觸表面相對的內表面；具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層具有高楊 氏模量；以及具有內表面和外表面的第三聚合物層，其中所述第一、第二和第三 聚合物層的排列方式使得施加于所述第三聚合物層外表面上的力傳遞給 所述第一聚合物層；并且其中對所述第一和第三層的厚度和熱膨脹系數選擇成使熱膨脹系數 在沿著穿過所述構圖設備延伸的層排列軸線上關于所述構圖設備的中心 呈基本對稱的分布；并且，其中所述復合構圖設備能夠在所述第一層的 所述接觸表面的至少一部分與所述基片表面之間建立共形接觸。
60. 權利要求59的設備，其中所述第一層的所述內表面與所述第二 層的所述內表面接觸，并且所述第二層的所述外表面與所述第三層的所 述內表面接觸。
61. 權利要求59的設備，其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物 層由位于所述第一聚合物層的所述內表面與所述第二聚合物層的所述內 表面之間的連接層連接，并且所述第三聚合物層和所述第四聚合物層由 位于所述第三聚合物層的所述外表面與所述第四聚合物層的所述內表面 之間的連接層連接。
62. 權利要求59的設備，其中所述層排列軸線的方向垂直于一個包 含至少一個接觸表面的平面。
63. 用于在基片表面上生成圖案的構圖設備，所述設備包括 包含一個三維凸起圖案的聚合物層和一個基體，其中所述三維凸起圖案上具有至少一個接觸表面，其中所述基體具有與所述接觸表面相對 的外表面，其中所述接觸表面垂直于穿過所述層延伸的層排列軸線，并 且其中所述聚合物層的楊氏模量沿著所述層排列軸線從所述接觸表面到 所述外表面連續(xù)地變化，其中所述構圖設備能夠在所述接觸表面的至少 一部分與所述基片表 面之間建立共形接觸。
64. 權利要求63的設備，其中所述聚合物層的楊氏模量從所述接觸 表面處的低模量值沿著所述層排列軸線連續(xù)變化到所述層排列軸線在所 述接觸表面和所述外表面之間的中點處的高模量值。
65. 權利要求63的設備，其中所述聚合物層的楊氏模量從中點處的所述高模量值沿著所述層排列軸線連續(xù)變化到所述外表面處的低模量 值。
66. 權利要求63的設備，其中所述聚合物層在沿著所述層排列軸線 的方向上具有關于所述構圖設備的中心基本對稱的熱膨脹系數分布。
67. —種在基片表面上生成圖案的方法，所述方法包括下列步驟 提供復合構圖設備，該設備包括包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少 一個接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接 觸表面相對的內表面；以及具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層具有高楊 氏模量；其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層的排列方式使 得施加于所述第二聚合物層外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層；將轉印材料沉積于所述第一聚合物層的所述接觸表面上，從而在接 觸表面上生成轉印材料層；以一種在所述接觸表面的至少一部分與所述基片表面之間建立共形 接觸的方式，使所述復合構圖設備與所述基片表面接觸，其中使所述轉 印材料層暴露于所述基片表面；以及將所述復合構圖設備與所述基片表面分離，從而將所述轉印材料的 至少一部分轉印到所述基片表面上，并在所述基片表面上生成所述圖案。
68. 權利要求67的方法，其中所述沉積步驟包括通過氣相沉積將所 述轉印材料沉積于所述接觸表面上。
69. 權利要求67的方法，其中所述沉積步驟包括通過濺射沉積將所述轉印材料沉積于所述接觸表面上。
70. 權利要求67的方法，其中所述沉積步驟包括通過使所述接觸表 上「，， ，..、、 ，，， .， 八 ，，、
71. —種在基片表面上生成圖案的方法，所述方法包括下列步驟 提供復合構圖設備，該設備包括包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少 一個接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接 觸表面沖目對的內表面；以及具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層具有高楊氏模量；其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層的排列方式使 得施加于所述第二聚合物層外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層；以 一種在所述接觸表面的至少 一部分與所述基片表面之間建立共形 接觸的方式，使所述復合構圖設備與所述基片表面接觸，從而形成一個 塑模，所述塑模包括將所述三維凸起圖案與所述基片表面分隔的空間；向所述塑模中引入轉印材料；以及將所述復合構圖設備與所述基片表面分離，從而在所述基片表面上 生成所述圖案。
72. —種在包含光敏材料的基片表面上生成圖案的方法，所述方法包 括下列步驟提供復合構圖設備，該設備包括包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少 一個接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接 觸表面相對的內表面；以及具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層具有高楊 氏模量；其中所述第一聚合物層和所述第二聚合物層的排列方式使 得施加于所述第二聚合物層外表面上的力傳遞給所述第一聚合物層；以一種在所述接觸表面的至少一部分與所述基片的所述表面之間建 立共形接觸的方式，使所述復合構圖設備與所述基片的所述表面接觸； 以及使電磁輻射通過所述復合構圖設備照射于所述基片的所述表面上， 從而在所述基片表面上生成強度具有選定的二維分布的電磁輻射圖案；料的化學改性J域，從而^所述Z片表面上生成所述圖案。'5 '。
73. 權利要求72的方法，進一步包括將所述基片的所述化學改性區(qū) 域的至少一部分去除的步驟。
74. 權利要求72的方法，進一步包括將未被化學改性的所述基片的 至少一部分去除的步驟。
75. —種制備復合構圖設備的方法，所述方法包括下列步驟提供具有選定的三維凸起圖案的凸起圖案母版； 使所述凸起圖案母版與低模量聚合物的預聚物接觸； 使所述預聚物材料與高模量聚合物層接觸；使所述預聚物聚合，從而生成與所述高模量聚合物層接觸并與所述 凸起圖案母版接觸的低模量聚合物層；所述低模量聚合物層具有三維凸 起圖案；以及將所述低模量聚合物層從所述凸起圖案母版上分離，從而制得所述 復合構圖設備。
76. —種用于在基片表面上生成圖案的纖維增強復合構圖設備，所述 設備包括包含一個三維凸起圖案的第一聚合物層，所述凸起圖案上具有至少 一個接觸表面，所述第 一聚合物層具有低楊氏模量并具有與所述接觸表 面相對的內表面；以及具有內表面和外表面的第二聚合物層，所述第二聚合物層包含存在 于一種聚合物中的纖維陣列，其中所述第二聚合物層的所述內表面與所 述第 一聚合物層的所述外表面接觸；具有內表面和外表面的第三聚合物層，所述第三聚合物層包含存在 于一種聚合物中的纖維網狀物，其中所述第三聚合物層的所述內表面與 所述第二聚合物層的所述外表面接觸；具有內表面和外表面的第四聚合物層，所述第四聚合物層包含存在 于一種聚合物中的纖維網狀物，其中所述第四聚合物層的所述內表面與 所述第三聚合物層的所述外表面接觸；具有內表面和外表面的第五聚合物層，所述第五聚合物層包含存在 于一種聚合物中的纖維陣列，其中所述第五聚合物層的所述內表面與所 述第四聚合物層的所述外表面接觸；其中所述復合構圖設備能夠在所述第 一聚合物層的所述接觸表面的 至少一部分與所述基片表面之間建立共形接觸。
77. —種用于將可適應構圖設備與基片對準的對準系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括包含第一聚合物層的所述可適應構圖設備，所述第一聚合物層具有 帶有第一對準元件的接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量，所述第一對準元件包含凹入區(qū)域或凸起零部件；具有外表面的所述基片，其中所述外表面包含第二對準元件，所述第二對準元件包含與所述第 一對準元件互補的凹入區(qū)域或凸起零部件；存在于所述可適應構圖設備的所述接觸表面和所述基片的所述外表 面之間的構圖劑；其中所述接觸表面能夠與所述外表面建立共形接觸，使得所述第一 和第二對準零部件嚙合。
78. 權利要求77的系統(tǒng)，其中所述可適應構圖設備進一步包含附加 的凸起零部件、凹入區(qū)域或者凸起零部件和凹入區(qū)域兩者，其中所述接 觸表面和所述外表面的共形接觸產生被所述構圖劑占據的空間。
79. 權利要求78的系統(tǒng)，其中所述構圖劑將照射于所述可適應構圖 設備上的電磁輻射吸收、散射或反射，從而生成透射至所述外表面的、 強度具有選定的二維空間分布的電磁輻射。
80. 權利要求77的系統(tǒng)，其中所述構圖劑是能夠將所述接觸表面和 所述基片的所述外表面之間的摩擦降低的潤滑劑。
81. 權利要求77的系統(tǒng)，其中所述第一和第二對準元件是具有選自 下列形狀的凸起零部件或凹入區(qū)域角錐形、圓柱形、多邊形、三角形、 矩形、正方形、圓錐形、梯形和球形。
82. 權利要求77的系統(tǒng)，其中可適應構圖設備是進一步包含一個或 多個與所述第一聚合物層連接的附加聚合物層的復合構圖設備。
83. —種使可適應構圖設備與基片對準的方法，所述方法包括提供包含第一聚合物層的所述可適應構圖設備，所述第一聚合物層 具有帶有第一對準元件的接觸表面，所述第一聚合物層具有低楊氏模量， 所述第一對準元件包含凹入區(qū)域或凸起零部件；提供具有外表面的所述基片，其中所述外表面包含第二對準元件， 所述第二對準元件包含與所述第一對準元件互補的凹入區(qū)域或凸起零部 件；在所述可適應構圖設備的所述接觸表面和所述基片的所述外表面之 間提供構圖劑；以及在所述接觸表面與所述外表面之間建立共形接觸，使得所述第一和 第二對準零部件嚙合。
84. 權利要求83的方法，其中所述構圖劑是能夠將所述接觸表面和 所述基片的所述外表面之間的摩擦降低的潤滑劑。
全文摘要
本發(fā)明提供用于在基片表面上制作圖案，特別是包含下述結構的圖案的方法、設備和設備部件，所述結構在一維、二維或三維上具有所選定的長度為微米級和/或納米級的零部件。本發(fā)明提供包含多個聚合物層的復合構圖設備，用以在多種基片表面和表面形態(tài)上形成高分辨率圖案，所述聚合物層各自具有選定的機械性能—例如楊氏模量和抗彎剛度，選定的物理尺寸—例如厚度、表面積和凸起圖案的尺寸，以及選定的熱性能—例如熱膨脹系數。
文檔編號C04B28/14GK101427182SQ200580013574
公開日2009年5月6日 申請日期2005年4月27日 優(yōu)先權日2004年4月27日
發(fā)明者E·梅納德, J·A·羅杰斯 申請人:伊利諾伊大學評議會