Abstract : A process of fabricating mold applied to step and flash imprint lithography is described. Sili2
工艺来实现微观图型转移 , 从而避免了光学透镜的 最小极限 . 由于在步进闪光压印光刻 ( SFIL ) 中微观图形 的转移由模具来完成 , 因此制作出高精度 , 高均匀 , 高平整和高保真的压印模具是整个工艺的核心问题 之一 ,而在压印模具制作过程中 ,如何选择模具材料 和模具制备过程中的工艺条件控制又是整个压印模 具制作的重点 [ 2Ο7 ] . 为了获得高精度压印模具 , 本文 着重从模具材料的选择 , 固化剂的添加量 , 浇铸真空 压力的大小 ,以及固化温度和固化时间等方面进行 了分析和研究 .
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西 40 卷 安 交 通 大 学 学 报 第
1 模具材料的选择及尺寸的确定
在实验中选择具有自适应能力的弹性材料制作 压印模具 , 由于聚氨酯 , 聚甲 基丙 烯酸 甲酯 ( PM2 MA ) 和硅橡胶材料具有较好的紫外光透过性 , 化学 稳定性和自适应能力 , 因此能够消除由平面误差和 不平行误差导致的模具表面和被压印物体表面之间 的间隙和翘曲 [ 8 ] . 选取它们进行对比分析实验 ,通过 模具浇铸 , 固化脱模及压印实验 ,发现由这 3 种材料 制作的压印模具都具有良好的图形保真复型能力和 较好的紫外光透过性 , 但是聚氨酯和 PMMA 脱模 性较差 ,经常发生与图形母版及抗蚀剂粘连现象 ,因 此在模具浇铸和压印复型时必须蒸镀脱模剂 , 从而 增加了工艺的复杂性 . 在实验中 ,选取硅橡胶作为压印模具材料 ,由于 硅橡胶材料不具备机械硬度 , 要使用一种硬质材料 作为支撑 ,所以压印模具由弹性模具和石英组成 . 如 图 1 所示 ,弹性模具承担图形转移和消除平面误差 , 并具有消除模具和被压印物体表面之间不平行误差 的功能 . 石英作为硬衬能够保证整个压印模具具有 承载强度和紫外透光性 , 光栅为模具制作和套印对 准标记 ,弹性模具和石英通过粘接固连在一起 . 在模 具制作过程中 ,弹性模具的浇铸以及与石英的粘接 是一次完成的 ,因此保证了石英硬衬表面和弹性模 具表面相对平行 . 实验中使用的石英硬衬尺寸是 40 mm × mm × mm , 弹 性 模 具 尺 寸 最 大 为 27 6 25 mm × mm × 1 5 mm. 25 0
图1 压印模具原理图
图2 硅橡胶模具的制作原理
尺寸 ,在常压条件下无法实现模具充型 ,因此引入真 空辅助过程以实现母版图形特征向模具转移 . 依据 真空辅助成型理论 : 液体材料在真空下通过流动 , 渗 透等作用完成充型 ,实现特征图形转移 . 在此做两点 假设 : ① 由于液态硅橡胶在抽真空过程中无挥发 ,无 膨胀 ,所以将硅橡胶近似为牛顿流体 ; ② 因为图形母 版上图形特征尺寸相对整个模具尺寸很小 , 所以将 硅橡胶充型过程近似为牛顿流体在多孔介质中的流 动 . 因此 ,可得出硅橡胶在真空下的充型过程满足牛 顿液体在多孔介质中的流动特性 ,即 Darcy 定律 θ = S A Δ P/ L μ θ 式中 : 为通过恒定面积试件的体积流动速率 ; A 为 试件的横截面积 ;Δ P 为试件中的压力梯度 ; L 为液 流方向长度 ;μ 为液体黏度 ; S 为渗透率 . 由 Darcy 定律可知 ,当图形母版惟一且不更换硅橡胶材料时 , S , 和 L 为常量 , 硅橡胶充型质量与 Δ P 和 μ 有 A 关 ,因此应重点考察硅橡胶单体与固化剂的配比 ,以 及真空辅助成型时的真空压力 . 由于硅橡胶材料属于单体和固化剂混合搅拌后 交联反应固化型高分子材料 , 其混合比可根据用途 不同作相应改变 . 单体和固化剂两者之间的质量比 直接影响混合物的黏度和固化时间 , 选用单体与固 化剂的质量比为 :9 : , : 和 11 : 进行实验 , 1 10 1 1 由于单体黏度远大于固化剂黏度 , 因此采用质量比 为 9 : 所得到的混合物黏度最低 , 流动性最好 , 但 1 其固化收缩率较高且固化后拉伸强度和剪切强度均 有下降 . 采用单体和固化剂的质量比为 10 :1 和 11 : 固化后得到硅橡胶的各种物理性能相近且基 1 本达到了最佳物理性能 , 考虑低黏度有利于模具充 型 ,最终选用单体和固化剂的质量比为 10 :1 进行 配比 . 真空辅助浇铸成型有 2 个作用 : 排除气泡和辅 助成型 . 由 Darcy 定律可知硅橡胶复型质量与 Δ P
2 模具制作

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