CN101086614B - 一种微米级特征的三维辊压模具及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种辊压模具为金属滚筒结构，滚筒的内径与外径之间镶嵌有电阻式加热器，滚筒的外径表面上形成有微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L<50μm、深度：0<H<500μm、倾斜角度：90°<α<120°，辊压图形被一层类金刚石过渡薄膜所覆盖。辊压模具制造方法为：通过实施调节激光束输出能量及机械式快门的开关动作，直接在金属模具上烧结出微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形；用镀膜机将炭原子沉积到微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形表面，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜。

Description

一种微米级特征的三维辊压模具及其制造方法

技术领域

本发明属于微细制造技术领域，特别涉及一种大面积微米级特征的三维辊压模具构造及其制作方法，该微米级三维辊压模具主要用于大面积等离子平板显示器的三维障壁结构、各种平板显示器件上下基板的电极、大面积微流控器件(如燃料电池阴、阳极板)三维流道结构、阵列式微电子机械传感器中三维构件、阵列式微致动器件中三维构件等的热压印制作。

背景技术

传统的微制造技术中，对于微米级(即小于100μm)特征尺寸器件的制作，目前主要采用常规的集成电路光刻中制作工艺(即布胶+曝光+显影+清洗+化学/物理刻蚀等)。其制作特点局限为制作面积受限(最大十几英寸)、深宽比较小、且需要连续多道工艺配合完成。对于小面积(英寸级)、高深宽比尺寸结构器件的制作，LIGA工艺是目前最被看好和应用最广的技术，其特点是通过在SU8型光刻胶上深度曝光(采用X射线曝光)形成大深度的直壁曝光区域，再通过显影、电铸等制作工艺，制作出微米级大深宽比(可达20∶1以上)的元器件。如果结合剥离工艺lift-off工艺，也能够实现底部悬空的器件(如悬臂梁结构)的制作。上述两类工艺其共同的特点是需要昂贵的曝光束源、特殊的光刻胶材料、精确的刻蚀(湿法、干法)控制、制作周期长、成本较高，也不具备制作大面积(长度达米级以上)微细结构的能力。

随着大面积等离子平板显示器、各种平板显示器件、大面积微流控器件、阵列式微电子机械传感器、阵列式微致动器件等的发展，其内部结构特征不仅在尺度上要求越来越小(小至微米级)，且其特征结构在大面积范围内制作的一致性要求也越来越高。上述常规工艺对这些要求的适应性不强，尤其对大面积微米级三维结构特征，除成本问题外，技术实现上也存在极大的困难。

近几年来出现的压印工艺，其压印复型的特征尺度最小可达6nm。但已公开的压印工艺中均采用平板式模具，实行分区压印，面积受限，效率较低，且无大面积(米级以上)三维微结构压印尝试的先例或专利记载。

总之，微制造通常采用的是集成电路制作工艺(深亚微米级特征，深宽比约1:1)、微电子机械制作中的LIGA或准LIGA(微米级以上特征，深宽比20:1以上)工艺，主要是根据制作器件的特征尺度来决定。其共同特点是所制作的微器件结构简单(即特征结构的底面、顶面、侧壁等均为平直的平面状)、面积小、对被制作的材料种类有明确的限制(如曝光材料、基底材料)、且制作过程要通过多道工艺配合。对于目前大面积且包含复杂三维微结构的器件要求来说(例如，大面积等离子平板显示器、各种平板显示器件、大面积微流控器件、阵列式微电子机械传感器、阵列式微致动器件等)，现有工艺仍存在制作成本高、工艺复杂等困难。

发明内容

由于已有的刻蚀方法、材料切削方法、以及上述集成电路的光刻工艺等无法在圆柱形表面直接生成微米级的图形结构，更不能形成三维的微结构的图形轮廓。本发明的目的在于，提供一种微米级微结构的三维辊压模具及其制作方法，该方法能够解决目前大面积且包含复杂三维微结构器件(如大面积等离子平板显示器、各种平板显示器件、大面积微流控器件、阵列式微电子机械传感器、阵列式微致动器件等)的制作难点，采用本发明的微米级特征结构的三维辊压模具，以连续旋转辊压的方式实现大面积三维微结构器件的辊压复型，从而大幅度提高生产制作效率。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种微米级特征的三维辊压模具，辊压模具为滚筒结构，滚筒的内径与外径之间镶嵌有电阻式加热器，其特征在于，上述的滚筒的外径表面上形成有经激光加工，直至在该滚筒模具外径表面上烧结生成三维曲面边界的激光烧结空间区域，激光烧结空间区域最终形成微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，辊压图形上有类金刚石过渡薄膜层，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L＜50μm、深度：0＜H＜500μm、倾斜角度：90°＜α＜120°，辊压图形被一层类金刚石过渡薄膜所覆盖。

上述微米级三维特征辊压模具的制作方法，其特征在于，包括下列步骤：

首先搭建模具制作平台，模具制作平台包括：

一个方向运动平台，该运动平台可实现直线方向平动及绕直线方向的转动，该运动平台由计算机进行控制；

所述的运动平台上设置有导轨和丝杠以及带动导轨进行直线运动的滑块，滑块上置有连接板，连接板两端分别有电机支撑和轴承支撑，电机支撑上有旋转电机，旋转电机和轴承支撑一起用于安装待加工的滚筒模具；

在运动平台的旁边配置有激光器固定支架，激光器固定支架上设有激光器，该激光器也由计算机进行控制，激光器的光路上置有激光器调焦***，从激光器调焦***出来的激光束两边分别有机械式快门、真空排渣导管和气体保护管路；

将滚筒模具安装至旋转电机和轴承支撑上，调节激光器的聚焦装置，使得聚焦在待加工的滚筒模具表面的光斑为微米级尺寸，当激光器输出功率稳定以后，开始进行加工；

激光器发出的激光束进入激光器调焦***；从激光器调焦***出来的激光束通过机械式快门在气体保护管路内通入的保护气体下，直接在滚筒模具的表面上烧结形成微结构图形；该微结构图形为微米级特征尺寸的三维结构，激光束烧结过程形成的残渣，由真空排渣导管带走，通过计算机实时控制激光器的输出功率及模具制作平台的运动速度，控制激光对滚筒模具的加工深度，以实现模具表面任意特征曲线形状的加工；

对不需加工的模具表面，关闭机械式快门，此时激光束出于离焦状态，不会对待加工的滚筒模具材料造成损伤，待预定的加工面运动到加工位置后，机械式快门打开，继续进行激光加工，直至在滚筒模具外径表面上烧结生成三维曲面边界的激光烧结空间区域，激光烧结空间区域最终形成微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L<50μm、深度：0<H<500μm、倾斜角度：90°<α<120°：

最后用镀膜机将炭原子沉积到微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形表面，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜，并在滚筒模具的内外径之间嵌入电阻式加热器。

本发明的微米级特征的三维辊压模具依托于热印工艺，其对微器件结构的制作尺度包括微米级及亚毫米级，采用功率可控的超快激光器，直接金属辊筒上形成取值为χ、θ_x位置函数的z向曝光深度、蒸镀类金刚石过渡层，最终成形具有微米级特征三维结构的金属辊压模具。模具表面微结构的截面轮廓复杂度可以任意设定，非其它常规工艺可经济地达到。

本发明中，在金属模具本体上形成三维特征结构后，模具表面蒸镀的类金刚石过渡层，对金属模具微结构表面的物理和化学特性改变非常重要。该过渡层将附着于金属模具的表面，赋予模具以自润滑性、耐腐蚀性、耐磨性及适度的表面硬度。自润滑性对生产过程中辊压模具与热塑性或热固性被加工材料的脱离具有脱模剂的作用。类金刚石过渡层作为生产中的实际表面，其耐腐蚀性在金属模具的清洗(酸碱液)中起保护层的作用；耐磨性和表面高硬度可以降低辊压过程中微米级三维结构的磨损、变形，从而提高辊压模具的使用寿命。

附图说明

图1为微米级特征三维辊压模具制作平台的构建示意图；

图2为加工模具过程中气体保护及排渣***的工作状态；

图3(a)为加工模具时，为实现预定加工线宽而采用的加工线条拼接过程示意图；图3(b)为实现预定加工深度而采用的加工线条拼接过程示意图；

图4为激光加工在辊压模具表面的加工路线及相应加工特征示意图；

图5为辊压模具表面蒸镀类金刚石过渡层完成后的模具结构示意图；

图6为模具脱胶工艺及辊压模具进行辊压制作大面积微结构特征的工艺过程示意图。

图中的标号分别表示：1、激光器固定支架；2、激光器；3、激光功率控制卡；4、计算机；5、总控制卡；6、模具运动平台控制卡；7、x方向运动平台；8、导轨和丝杠；9、电机；10、滚筒模具；11、模具上微结构图形；12、电机支撑；13、连接板；14、滑块；15、激光器调焦***；16、激光束；17、轴承支撑；18、控制卡连线；19、气体保护管路；20、真空排渣导管；21、机械式快门；22、保护气体；23、废渣；24、激光加工出的微结构；25、加工方向；26、微结构深度方向的加工图型；27、电阻式加热器；28、模具内腔；29、类金刚石薄膜；30、热固性阻蚀胶；31、基材。

以下结合附图对本发明的制作方法作更进一步的详细描述。

具体实施方式

参见附图。图1～图5分别表示了微米级至亚毫米级三维结构辊压模具的制作工艺流程示意图。

一种微米级特征的三维辊压模具，辊压模具为滚筒结构，滚筒的内径与外径之间镶嵌有电阻式加热器27，滚筒的外径表面上形成有微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L<50μm、深度：0<H<500μm、倾斜角度：90°<α<120°，辊压图形被一层类金刚石过渡薄膜所覆盖。

上述微米级特征的三维辊压模具按照以下步骤制作：

(1)首先搭建模具制作平台。该模具制作平台包括：

一个运动平台7，该运动平台7可实现x方向平动及绕x方向的转动θ_x，运动平台7通过控制卡连线18连接模具运动平台控制卡6，模具运动平台控制卡6通过控制卡连线18和总控制卡5相连，总控制卡5通过控制卡连线18连接有计算机4；

所述的运动平台7上有导轨和丝杠8，导轨和丝杠8上装有滑块14，用于支撑平动与旋转的连接板13，平动与旋转的连接板13两端分别有电机支撑12和轴承支撑17，电机支撑12上有旋转电机9，旋转电机9和轴承支撑17用于安装待加工滚筒模具10；

在运动平台7的旁边配置有激光器固定支架1，激光器固定支架1上设有激光器2，激光器2的一端通过激光功率控制卡3及其控制卡连线18和总控制卡5相连，总控制卡5通过控制卡连线18连接有计算机控制***4；激光器2的另一端有激光器调焦***15，从激光器调焦***15出来的激光束16两边分别有机械式快门21、真空排渣导管20和气体保护管路19。

激光器2发出的进入激光器调焦***15；从激光器调焦***15出来的激光束16通过机械式快门21在气体保护管路19内通入的保护气体22下，直接在待加工的滚筒模具10的表面上烧结形成微结构图形；该微结构图形为微米级特征尺寸的三维结构，激光束16烧结过程形成的残渣，由真空排渣导管20带走。

激光器2采用大功率超快激光器，激光器调焦***和模具运动控制平台由计算机控制，使得激光器调焦***的输出功率可控，模具运动控制平台可实现模具x方向平动及绕x方向的转动θ_x；

(2)激光器2的调试。调节激光器2的聚焦装置，使得聚焦在滚筒模具10上的光斑尽可能小(微米级)，以实现小尺寸、截面平整的微加工。

(3)开始加工。在激光器2输出功率稳定以后，开始进行加工。通过计算机4实时控制激光器2的输出功率及模具运动平台的运动速度，可以控制激光加工的深度；通过计算机4实时控制模具运动平台的平动及电机9的转动速度，可以实现滚筒模具表面上的任意曲线形状的特征图形加工；对不需加工的滚筒模具表面，可以关闭机械式快门21(此时激光束出于离焦状态，不会对滚筒模具材料造成损伤)，待预定的加工面运动到加工位置后，快门打开，继续进行激光加工；

(4)加工过程中，由于激光束的光斑可以聚焦为1微米，在加工线宽为几十微米以上的特征时，需要进行加工线条的拼接，这需要计算拼接的宽度及每个特征所需的扫描线数。在模具表面加工线宽不同的特征时，需要对拼接宽度及扫描线数的实时控制；

(5)由于激光加工过程中在模具表面必然产生加大的热量，所以必须对模具进行气体保护，以免被空气中的氧腐蚀；对于普通的大功率激光器而言，在加工过程中必须由真空排渣导管20进行排渣处理以免废渣堆积在已加工的微特征图形中，影响进一步的激光加工；

(6)加工完成后，进行滚筒模具10的表面处理。首先清洗滚筒模具10，清除粘附在微结构特征图形侧壁及边缘的废渣23；再对滚筒模具表面进行镀膜处理：用镀膜机将炭原子沉积到具有微米级特征的三维微结构图形11的表面，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜29。滚筒模具的材料应该具有良好的热导性，并内部装有电阻式加热器27，可实现辊压过程(即生产过程)时的加热。

上述方法成形的辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：辊压图形结构截面的倾斜角度范围90°<α<120°，横向尺寸范围L<50μm，纵向深度范围0<H<500μm。

本发明的微米级特征的三维辊压模具基本工作原理为：通过连续旋转辊压方式和施加一定压力，并通过辊压模具内的电阻式加热器加热，通过辊压模具辊压旋转将模具表面的三维微结构图形热印到任何热塑性或热固性的被加工材料的支撑基材31(如许多类型的高分子材料)表面的热固性阻蚀胶30上。其特点为：图形的微结构形状可以为三维特征结构，热印效率和精度高、特征结构尺度范围宽、成本低廉。

参见附图2～4，采用输出功率可控的超快激光器在金属滚子工件上上按χ、θ_x位置的任意函数(如y＝kx，k为常数，只要数学解析式能够表达即可)形成变化的加工深度为微米级三维结构的关键。

图3a、b给出了激光加工出的微结构24的示意图；激光束按加工方向25运动，在计算机4的控制下可以得到微结构深度方向的加工图型26；

加工可实现的三维微结构的尺寸组合为：结构的截面最小宽度L<50μm、深度范围0<H<500μm、倾斜角度范围90°<α<120°。与常规的微纳制造工艺相比，本发明可以实现小至微米的大尺度范围的结构成形，且结构的截面轮廓为非平直的任意形状。

本发明纳米级厚度的类金刚石过渡层29，对滚筒(金属)模具10微结构表面的物理和化学特性改变非常重要。类金刚石过渡层29将附着于金属模具表面的，赋予模具以自润滑性、耐腐蚀性、耐磨性及适度的表面硬度。自润滑性对生产过程中辊压模具与热塑性或热固性被加工材料的脱离具有脱模剂的作用。类金刚石过渡层29作为生产中的实际表面，其耐腐蚀性在金属模具的清洗(酸碱液)中起保护层的作用；耐磨性和表面高硬度可以降低辊压过程中深亚微米三维结构的磨损、变形，从而提高辊压模具的使用寿命。

类金刚石过渡层的溅射工艺(附图5)、模具脱胶工艺及辊压模具制作工艺(附图6)。

本发明的方法与其它微纳制造工艺相比，本发明制备的微米级特征三维辊压模具更适合制作微米级至亚毫米级尺度的三维结构产品的能力，且采用旋转辊压方式，在制作效率和成本等方面都有较大优势。

以某金属(如不锈钢OCr19Ni9)辊压模具的制作为例，具体实施过程如下：

(1)激光加工运动平台的搭建。用市售的步进电动机及驱动器(细分驱动分辨率可达微米量级)、导轨丝杠、2轴运动控制卡、超快激光器及偏转聚焦***(如日本产的Cyber-Laser)等，如图1搭建微米级激光加工运动平台；

(2)微米级三维激光烧结空间区域成形。采用输出功率可控的超快激光器，激光束斑点扫描到不同表面位置时设定不同的输出功率，获得不同的烧结深度。烧结深度H可取为所希望的x、θ_x位置的函数H＝f(x，θ_x)，从而生成三维的曝光空间区域。激光束光斑最小可聚焦到1μm，由此，模具上可加工的最小线宽可达1μm，烧结深度由激光束功率决定，可达到500μm；在激光烧结的过程中，为避免高温烧结时空气中的氧对烧结区域的腐蚀，采用氮气保护，为避免激光快速烧结过程中残渣堆积在烧结区域，采用真空排渣导管20(如图2所示)；为提高激光烧结的深度，将激光束光斑聚焦到最小，可采用扫描区域搭接的方式(如图3a，b所示)实现预定的加工宽度和深度；为实现连续的激光加工，采用如图4的扫描方式；

(3)沉积类金刚石过渡层。用市售的镀膜机将炭原子沉积到辊压模具表面(已含微米级尺度的三维结构腔体)，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜29，如图5所示；

(4)采用本发明制作的微米级尺度三维结构辊压模具，利用滚筒内部的电阻式加热器将不锈钢模具稳定持续加热，以连续辊压方式，将模具表面的微米级三维结构热印到平面状的热塑性或热固性材料(如有机玻璃)上，实现这类材料上的微米级特征三维结构的生产性加工，如图6所示。

Claims (3)

1.一种微米级特征的三维辊压模具，辊压模具为金属滚筒结构，滚筒的内径与外径之间镶嵌有电阻式加热器，其特征在于，上述的滚筒的外径表面上形成有经激光加工，直至在该滚筒模具外径表面上烧结生成三维曲面边界的激光烧结空间区域，激光烧结空间区域最终形成微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L＜50μm、深度：0＜H＜500μm、倾斜角度：90°＜α＜120°，辊压图形被一层类金刚石过渡薄膜所覆盖。

2.权利要求1所述的微米级特征的三维辊压模具的制作方法，其特征在于包括下列步骤：

首先搭建模具制作平台，模具制作平台包括：

一个方向运动平台，该运动平台可实现直线方向平动及绕直线方向的转动，该运动平台由计算机进行控制；

所述的运动平台上设置有导轨和丝杠以及带动导轨进行直线运动的滑块，滑块上置有连接板，连接板两端分别有电机支撑和轴承支撑，电机支撑上有旋转电机，旋转电机和轴承支撑一起用于安装待加工的滚筒模具；

在运动平台的旁边配置有激光器固定支架，激光器固定支架上设有激光器，该激光器也由计算机进行控制，激光器的光路上置有激光器调焦***，从激光器调焦***出来的激光束两边分别有机械式快门、真空排渣导管和气体保护管路；

将装有电阻式加热器的滚筒模具安装至旋转电机和轴承支撑上，调节激光器的聚焦装置，使得聚焦在待加工的滚筒模具表面的光斑为微米级尺寸，当激光器输出功率稳定以后，开始进行加工；

激光器发出的激光束进入激光器调焦***；从激光器调焦***出来的激光束通过机械式快门在气体保护管路内通入的保护气体下，直接在滚筒模具的表面上烧结形成微结构图形；该微结构图形为微米级特征尺寸的三维结构，激光束烧结过程形成的残渣，由真空排渣导管带走，通过计算机实时控制激光器的输出功率及模具制作平台的运动速度，控制激光对滚筒模具的加工深度，以实现模具表面任意特征曲线形状的加工；

对不需加工的模具表面，关闭机械式快门，此时激光束出于离焦状态，不会对待加工的滚筒模具材料造成损伤，待预定的加工面运动到加工位置后，机械式快门打开，继续进行激光加工，直至在滚筒模具外径表面上烧结生成三维曲面边界的激光烧结空间区域，激光烧结空间区域最终形成微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形，该辊压图形三维特征的结构截面的尺寸组合为：截面最小宽度：L＜50μm、深度：0＜H＜500μm、倾斜角度：90°＜α＜120°；

最后用镀膜机将炭原子沉积到微米级至亚毫米级三维结构的辊压图形表面，形成厚度为纳米级的类金刚石过渡层薄膜。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述的激光器为功率可控的超快激光器。

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