一種微納米結構圖案的轉印裝置及方法
2023-05-02 06:43:31
專利名稱：一種微納米結構圖案的轉印裝置及方法
技術領域：
本發明提供一種微納米結構圖案的轉印裝置及方法，更具體來說，提供一種其加熱元件經過改進的微納米結構圖案轉印裝置及方法，可迅速改變納米轉印工藝中待轉印的可成形材料層的熱能狀態並增加其流動性。
背景技術：
在傳統半導體工藝中，石印工藝多採用光學蝕刻技術，由於受到光源繞射極限的限制，加工線寬在100納米以下者很難運用光學式蝕刻來達到。納米轉印石印術(Nanoimprint Lithography，NIL)由於具有解析度高、製造速度快、生產成本低等特色，故得到快速的發展，已經成為現今熱門的石印加工技術。
在納米轉印工藝中，主要可分成加溫、加壓、冷卻及脫模等數項重要流程，其中升降溫過程約佔所有工藝周期時間的70％左右，這顯示若能使轉印工藝中升降溫效率提高，將可縮短工藝周期時間，並有效提高製造速度及產率。
一般來說，提高升降溫效率的方法，除了迅速提供高功率熱能之外，所附帶產生的熱體質量亦是一重要因素。已知應用於納米轉印工藝中的加熱系統，多採用電熱式(焦耳熱量)的加熱方式，電熱式系統主要優點在於較為穩定，但加熱體需承載電熱裝置，例如電熱管100(圖1)或電熱盤200(圖2)等，因此產生的熱體質量通常較大，且有熱變形之虞；再者，如果迅速提供加熱體高功率熱源，雖可明顯提高加熱速率，卻有可能造成被加熱體整體溫度均勻性變異大，甚至產生明顯的熱圖案效應。
如國際專利申請WO0163361號提出一種物體均勻加熱的裝置，此裝置分別由隔熱板、加熱層、絕緣層及表面層上下堆棧而成，並由一電源供應器提供功率輸出，其中加熱層為一高熱傳導率的石墨薄膜層，當電源輸出功率時，石墨材質因電阻效應迅速產生焦耳熱能，由於加熱層下方為一隔熱板，因此加熱層產生的大部分熱量將直接傳遞至絕緣層及表面層，最後將基板與可成形材料層均勻加熱。該專利亦提出另一種加熱方式，其在相同的配置架構下，分別以不同的輻射加熱及超音波加熱方式，將加熱層迅速升至適當的工藝溫度，最終仍是將熱量傳遞至可成形材料層，此裝置利用薄膜方式的加熱效率及產生的熱體質量，皆優於一般的電熱管或電熱盤，但以堆棧架構的熱傳機制來對可成形材料層加熱，在加熱效率上仍需改善。
綜觀以上所述，現有技術的微結構轉印加熱裝置及方法，至少存在以下缺點一、已知的方式都必須先加熱中間傳導物之後，再藉由熱傳導的方式，將熱量由中間傳導物傳遞至可成形材料層，如此間接加熱的方式，不但熱量容易流失，而且熱體質量也過於龐大，影響加熱效率。
二、利用電熱的方式來加熱，須有適當的中間傳導物做均勻傳熱媒介，否則容易產生熱圖案效應，影響結構轉印時的精準度，進而限制納米轉印工藝適用的圖案線寬範圍。
三、利用熱傳導的方式來加熱，其加熱產生的熱體質量大，容易損失的能量亦較多，且升降溫過程所需的周期時間也過長，影響市場的競爭力。
發明內容
有鑑於已知技術的缺點，本發明的目的在於提供一種微納米結構圖案的轉印裝置及轉印方法，尤其是提供一種對其加熱元件進行改進的微納米結構圖案的轉印裝置及方法，即以電磁波傳遞的方式，迅速改變待轉印的可成形材料層的熱能狀態並增加其流動性，如此不需多層堆棧的熱傳導方式，即可迅速加熱待轉印的可成形材料層，可有效避免熱量流失，提高加熱可成形材料層的效率。
本發明的另一目的在於提供一種微納米結構圖形的的轉印裝置及方法，可產生相當小的熱體質量，以增加升降溫效率，促進產品的市場競爭力。
具體來說，本發明提供的裝置，其包括基板，待轉印的可成形材料層，微納米結構圖形模具，其與基板和待轉印的可成形材料層相對設置，用以加壓該待轉印的可成形材料層，進行微納米結構圖形轉印，電磁波源，所述電磁波源可以是本領域已知任何電磁波源，用於增加該待轉印的可成形材料層流動性提供所需的熱能。
而其中基板、待轉印的可成形材料層及微納米結構圖形模具至少其一為可吸收電磁波源能量的材料。
而另一實施方案是，可於上述待轉印的可成形材料層和基板之間加設微波介質層，以吸收電磁波源能量。
此外，除使用上述一般電磁波源外，還可利用一對電極組件作為電磁場的產生源，該對電極組件一上一下分別設置於基板、可成形材料層及微納米結構圖形模具的外側。
其中該微納米結構圖形模具加壓該待轉印的可成形材料層時，可為相對直線運動加壓，也可為相對旋轉運動加壓。
其中該微結構圖形模具的特徵微結構尺寸在100微米以下。
所述可吸收電磁波源能量材料的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料，與含有吸收電磁波物質的混合材料。
其中該電磁波源所供給的頻率在300KHz至300GHz的範圍之間。
本發明還提供一種微納米結構圖案的轉印方法，其步驟包括提供一電磁波、一微納米結構圖形模具及一基板，該基板上置有待轉印的可成形材料層；該微納米結構圖形模具、該可成形材料層及該基板其中至少之一可吸收至少一部份的電磁波，並轉換為增加可成形材料層流動性所需的熱能；微納米結構圖形模具加壓該待轉印的可成形材料層，進行結構圖案的轉印。
本發明一種微納米結構圖案的轉印方法的另一實施方案，其步驟包括提供一電磁波、一微納米結構圖形模具、一電磁波介質層及一基板，該基板上置有待轉印的可成形材料層；該電磁波介質層可吸收至少一部份的該電磁波並轉換成熱能，以增加該可成形材料層流動性；微納米結構圖形模具加壓該待轉印的可成形材料層，進行結構圖案的轉印。
圖1為現有技術微結構圖形的轉印加熱裝置的電熱管示意圖；圖2為現有技術微結構圖形的轉印加熱裝置的電熱盤示意圖；圖3為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置的第一較佳實施例示意圖；
圖4為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置的第二較佳實施例示意圖之一；圖5為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置的第二較佳實施例示意圖之二；圖6為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置的第三較佳實施例示意圖；圖7為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置的第四較佳實施例示意圖；圖8為本發明的一種微納米結構圖形的轉印方法的較佳實施流程示意圖。
附圖標號說明100電熱管；200電熱盤；300、400、500載臺；301、401、501、701基板；700輸送載臺；703滾筒模具；303、403、503、603微納米結構圖形模具；302、402、502、602、702可成形材料層；304、404、504微波源；305、405、505波導組件；605電源供應器；606導線；604電極組件；4011、5031電磁波介質層；705微波源；800提供一電磁波源、一微納米結構圖形模具及一基板；801吸收電磁波轉換成熱能；802微納米結構圖形模具加壓可成形材料層進行結構轉印。
具體實施例方式
為能對本發明的特徵、目的及功能有更進一步的認知與了解，茲配合附圖詳細說明如後。
請參閱圖3所示，其為本發明的一種微納米結構圖形的轉印裝置及方法的第一較佳實施例示意圖，該一種微納米結構轉印裝置及方法主要包括有一載臺300、一基板301、一可成形材料層302、一微納米結構圖形模具303、一電磁波源304及一波導組件305等，其中，在本例中該電磁波源釋放微波，基板301設於該載臺300上，且該基板301上具有一可成形材料層302，該微納米結構圖形模具303的特徵微結構在100微米以下，且微納米結構圖形模具與該載臺300和該基板301相對設置，以進行可成形材料層302的結構轉印，而微波源304所提供的微波，藉波導組件305作為微波能量傳遞的媒介。由於，該基板301、該可成形材料層302及該微納米結構圖形模具303可分別或同時吸收至少一部分微波的能量，因此該基板301、該可成形材料層302及該微納米結構圖形模具303可消耗微波能量並迅速轉換成熱能，使得可成形材料層302增加其流動性，故其加熱過程中並不需透過多層堆棧層熱傳效應，亦無大型熱體質量升降溫，因此可成形材料層302得以迅速被加熱至高溫，達到快速加熱的目的。
微波加熱為一種能量轉換成熱能的體加熱(Volume Heating)方式，因此比起傳統需要熱傳機制的加熱方式更有效率。此外微波加熱物體所消耗的功率和加熱物體質量及所需加熱時間成正比。在應用本發明納米轉印方法時，通常基板301、該可成形材料層302及該微納米結構圖形模具303皆相當薄，故其質量亦相當小，因此所需微波源的功率亦可相當小，即可達成迅速升溫的效果。
本發明的第一較佳實施例中基板301、可成形材料層302及微納米結構圖形模具303至少其中之一可為吸收電磁波能量的材料，但實際應用時，若受限於工藝或產品需求而無法選用可吸收微波能量的材料時，則明顯影響可成形材料層302迅速加熱的效果，故本發明的第二較佳實施例中將揭露另一種實施裝置。
請參閱圖4所示，其為本發明微納米結構圖形的轉印裝置及方法的第二較佳實施例示意圖，該微納米結構轉印裝置及方法主要包括有一載臺400、一基板401、一微波介質層4011、一可成形材料層402、一微納米結構圖形模具403、一微波源404及一波導組件405等，其中載臺400、基板401、可成形材料層402、微納米結構圖形模具403及微波源404，已於前述的第一實施例詳細描述過，在此便不再贅述其詳細構成、裝設位置與功能，唯微波介質層4011為主要吸收微波能量並轉換成熱能的主要組件，其裝置於基板401與可成形材料層402之間與基板401相鄰，此外，如圖5所示，微波介質層5011亦可裝置於微納米結構圖形模具503與可成形材料層502之間並與微納米結構圖形模具503相鄰。
於本第二較佳實施例中，由於微波介質層(4011、5011)可至少吸收一部份微波能量，因此微波介質層(4011、5011)可消耗微波能量迅速轉換成熱能，並將熱量直接傳遞至可成形材料層402或502增加其流動性。
本發明的第一及第二較佳實施例中所使用的微波源，為電磁波源其中一種，於本發明的第三較佳實施例中，將揭露另一種電磁波源的實施裝置。
請參閱圖6所示，其為本發明微納米結構圖形的轉印裝置及方法的第三較佳實施例示意圖，該微納米結構轉印裝置及方法主要包括有一基板601、一可成形材料層602、一微納米結構圖形模具603、一對電極組件604及一高周波源605等，其中基板601、可成形材料層602及微納米結構圖形模具603已於前述的第一實施例詳細描述過，在此便不再贅述其詳細構成、裝設位置與功能，唯該成對的電極組件604為電磁場的產生源，其一上一下分別裝置於基板601、可成形材料層602及微納米結構圖形模具603的外側。
於本第三較佳實施例中，電磁波源使用高周波源，其中，電極組件604分別裝置於基板601、可成形材料層602及微納米結構圖形模具603的外側，作為電磁場的產生源，電源供應器605則透過導線606提供電極組件604產生電磁場能量所需的功率。其主要利用電源供應器605輸出適當功率至電極組件604，使空間中產生電磁場的變化，此時基板601、可成形材料層602及微納米結構圖形模具603可分別或同時或至少其中一者吸收至少一部分電磁場能量並轉換成熱能，達到將可成形材料層602加熱並增加其流動性的目的。
請參閱圖7所示，其為本發明微納米結構圖形的轉印裝置及方法的第四較佳實施例示意圖，其主要包括有一輸送載臺700、一基板701、滾筒模具703及一微波源705等，其中基板701設於輸送載臺700上，且該基板701上亦具有一可成形材料層702。該滾筒模具703為一連續微納米結構圖形模具，其與輸送載臺700相對設置，且基板701及其上的可成形材料層702置於滾筒模具703與輸送載臺700之間，利用滾筒模具703與輸送載臺700的旋轉相對運動，進行可成形材料層702的連續結構轉印，供大量生產所需。由於該滾筒模具703、該可成形材料層702及該基板701可分別或同時或至少其中一者吸收至少一部分微波能量並直接迅速轉換成熱能，故加熱過程中並不透過熱傳效應，亦無大型熱體質量升降溫，因此可成形材料層702得以迅速被加熱至高溫。
本發明的第一、第二、與第三較佳實施例揭露一種相對直線運動加壓的方式，來進行對可成形材料層的圖案轉移的動作，當然亦可以使用如本發明的第四較佳實施例所揭露的相對旋轉運動加壓的方式，來進行對可成形材料層的圖案轉移的動作。
請參閱圖8所示，其為本發明微納米結構轉印方法的較佳實施流程示意圖，其步驟包括有提供一電磁波、一微納米模具及一基板800，其中該基板上具有可成形材料層，且該微納米模具、可成形材料層及基板中，至少有一者為可吸收微波的材料。
吸收電磁波轉換成熱能801，無論是使用微波或高周波作為電磁波源，該微納米模具、可成形材料層及基板中，至少有一者可吸收電磁波能量並直接換成熱能，其加熱過程中並不需透過多層堆棧熱傳效應，亦無大型熱體質量升降溫，因此可成形材料層得以迅速被加熱至高溫，達到快速加熱並增加可成形材料層流動性的目的。
進行該可成形材料層的結構圖形的轉印802，使用微納米結構圖形模具將已經設計好的微納米圖案，以加壓轉印的方式將結構圖形轉移到可成形材料層上，由於利用電磁波能量轉換成熱能，在極短的時間內就到達可成型的溫度，且散熱所需的時間很短，故可有效縮短結構轉印的周期時間。
綜上所述，本發明的微結構圖形的轉印加熱裝置及方法，以能量波傳遞的方式，可迅速改變可成形材料層的熱能狀態，達到可成形材料層流動性增加的目的；以上所述，僅為本發明的較佳實施例，不能以之限制本發明的範圍，容易聯想到的，諸如使用不同材料的可成形材料層；使用不同的電磁波源；或微結構圖形模具的結構改變等等，熟悉此領域技術者於領悟本發明的精神後，皆可想到變化實施之，即大凡依本發明權利要求所做的均等變化及修飾，仍將不失本發明的要義所在，亦不脫離本發明的精神和範圍，故應視為本發明的進一步實施狀況。
權利要求
1.一種微納米結構圖案的轉印裝置，其包括基板，待轉印的可成形材料層，微納米結構圖形模具，其與基板和待轉印的可成形材料層相對設置，以加壓該待轉印的可成形材料層，進行微納米結構圖形轉印，電磁波源，為增加該可成形材料層流動性提供所需的熱能；而其中基板、待轉印的可成形材料層及微納米結構圖形模具至少其一為可吸收電磁波源能量的材料。
2.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微納米結構圖形模具加壓該可成形材料層時，可為相對直線運動加壓。
3.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微納米結構圖形模具加壓該可成形材料層時，可為相對旋轉運動加壓。
4.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微結構圖形模具的特徵微結構尺寸在100微米以下。
5.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中所述可吸收電磁波源能量材料的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料，與含有吸收電磁波物質的混合材料。
6.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該電磁波源所供給的頻率在300KHz至300GHz的範圍之間。
7.一種微納米結構圖案的轉印裝置，其包括基板，待轉印的可成形材料層，微納米結構圖形模具，其與基板和待轉印的可成形材料層相對設置，以加壓該待轉印的可成形材料層，進行微納米結構圖形轉印，電磁波介質層，其設置於基板與微納米結構圖形模具之間，並至少可吸收一部份的電磁波能量並轉換成熱能，以及電磁波源，為增加該可成形材料層流動性提供所需的熱能。
8.如權利要求7所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微納米結構圖形模具加壓該可成形材料層時，可為相對直線運動加壓。
9.如權利要求7所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微納米結構圖形模具加壓該可成形材料層時，可為相對旋轉運動加壓。
10.如權利要求7所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該微納米結構圖形模具的特徵微結構尺寸在100微米以下。
11.如權利要求7所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該待轉印的可成形材料層的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料，與含有吸收電磁波物質的混合材料。
12.如權利要求7所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該電磁波介質層可為至少一層。
13.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該電磁波介質層的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料與含有吸收電磁波物質的混合材料。
14.如權利要求1所述的微納米結構圖案的轉印裝置，其中該電磁波源所供給的頻率在300KHz至300GHz的範圍之間。
15.一種微納米結構圖案的轉印方法，其步驟包括有提供一電磁波、一微納米結構圖形模具及一基板，該基板上置有待轉印的可成形材料層；該微納米結構圖形模具、該可成形材料層及該基板其中至少之一可吸收至少一部份的電磁波，並轉換為增加可成形材料層流動性所需的熱能；微納米結構圖形模具加壓該待轉印的可成形材料層，進行結構圖案的轉印。
16.如權利要求15所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中所述的加壓該可成形材料層進行圖案轉移時，可為相對直線運動加壓。
17.如權利要求15所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中所述的加壓該可成形材料層進行圖案轉移時，可為相對旋轉運動加壓。
18.如權利要求15所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該微結構圖形模具的特徵微結構尺寸在100微米以下。
19.如權利要求15所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該待轉印的成形材料層的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料與含有吸收電磁波物質的混合材料。
20.如權利要求15所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該電磁波源所供給的頻率在300KHz至300GHz的範圍之間。
21.一種微納米結構圖案的轉印方法，其步驟包括提供一電磁波、一微納米結構圖形模具、一電磁波介質層及一基板，該基板上置有待轉印的可成形材料層；該電磁波介質層可吸收至少一部份的該電磁波並轉換成熱能，以增加該可成形材料層流動性；微納米結構圖形模具加壓該待轉印的可成形材料層，進行結構圖案的轉印。
22.如權利要求21所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中所述的加壓該可成形材料層進行圖案轉移時，可為相對直線運動加壓。
23.如權利要求21所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中所述的加壓該可成形材料層進行圖案轉移時，可為相對旋轉運動加壓。
24.如權利要求21所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該微結構圖形模具的特徵微結構尺寸在100微米以下。
25.如權利要求21所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該待轉印的成形材料層的成分可選自高分子材料、金屬材料、半導體材料、陶瓷材料與含有吸收電磁波物質的混合材料。
26.如權利要求21所述的微納米結構圖案的轉印方法，其中該電磁波源所供給的頻率在300KHz至300GHz的範圍之間。
全文摘要
一種微納米結構圖案的轉印裝置及方法，該裝置包括一載臺、一基板、一待轉印的可成形材料層、一微納米結構圖形模具及一電磁波源，其中基板設於該載臺上，且基板上具有待轉印的可成形材料層，微納米結構圖形模具與該載臺和該基板相對設置，且該微納米結構圖形模具可對該可成形材料層進行結構轉印；該電磁波源可分別或同時提供該基板、該可成形材料層及該微納米結構圖形模具能量，達到加熱該可成形材料層並增加其流動性的目的。該裝置以電磁波傳遞的方式，可迅速改變可成形材料層的熱能狀態，故不需藉由多層堆棧熱傳導的方式，即可迅速加熱可成形材料層並增加其流動性。
文檔編號B41M1/06GK1716091SQ2004100500
公開日2006年1月4日 申請日期2004年7月2日 優先權日2004年7月2日
發明者王維漢, 林家弘, 何侑倫, 巫震華 申請人:財團法人工業技術研究院