CN104046986A - 三维可控硅基模具制造方法 - Google Patents

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silica
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刘卫国
蔡长龙
巩燕龙
周顺
秦文罡
刘欢
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Abstract

本发明涉及模压制造技术中硅基模具的制造,用于在硅基上加工出有连续变化浮雕结构的三维形貌,其主要加工步骤为:1、通过单点金刚石车削技术在金属材料上制作具有连续曲面形貌的浮雕结构的母模具；2、在硅基底上旋涂一层聚合物膜；3、通过热压印技术，将模具上的浮雕结构转移到聚合物上；4、通过等离子体刻蚀将胶上的浮雕结构同比例的转移到硅材料上，获得硅基模具。该方法具有形貌可控，工艺简单，速度快，重复性好的优点。

Description

三维可控硅基模具制造方法
技术领域
本发明属于模压技术中模具的制造方法，可用于加工微光学元件，涉及曲面浮雕结构图层的转移技术。
背景技术
随着微光学元件制造技术的发展，用于加工传统微光学元件的光刻技术所采用的曝光波长缩小至极限，伴随着短波长曝光技术费用的增长及复杂性的提高，模压技术以其工艺灵活、成本低廉、加工快速等优点迅速发展起来，成为下一代光刻技术的主要候选技术。
模具制造技术是模压制造技术的关键，模具的分辨率决定着转移到聚合物上的图形的分辨率，高精度的模具才有可能复制出高精度的图形，因此，模具的制造技术一直是模压制造技术的研究热点之一。被选作模具的材料一般具有高的硬度和拉伸强度，热膨胀系数小且耐刻蚀性好，这样才能在使用时有高的精度，如硅片、石英片、金属、蓝宝石和金刚石等，这些高硬度模具在保证高精度复制图形的同时也增加了制作模具的费用，因此本发明避免直接在这些模具材料上加工结构，而是先在旋涂于其上的聚合物上加工浮雕结构，再通过等离子体反应刻蚀技术，将图层等比例的转移到到模具材料上。
等离子体由于具有特殊的能量状态，其加工制造技术已成为现代微制造领域的常用技术，其中，由于采用反应气体的不同，而对被加工材料进行去除的等离子体刻蚀技术近年来成为研究的热点，但是因为传统刻蚀所要去除的材料是单一的，结构是一维的,只需选择合适的掩膜和反应气体即可,对于通过刻蚀加工具有曲面结构的材料目前还没有成型的可供操作的实际方法出现。
发明内容
本发明的目的是提供一种工艺简单，操作可控，重复性好的三维硅基模具制造方法，以解决现有技术存在的高成本和高复杂性问题。
为了克服现有技术存在的问题，本发明提供一种三维可控硅基模具制造方法，包括以下步骤：
1、设计制作所需模具的金属负板:
根据实际需要设计硅基模具的负板，应用单点金刚石切削技术在金属材料表面上加工出具有三维曲面浮雕结构的负板；
2、将PMMA溶质与苯甲醚溶剂按照溶质:溶液=2～5:10比例配制PMMA溶液，将配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模压；
3、通过热压印技术，将金属模具上的结构转移到步骤2中所得的硅基材料上；
4、反应气体O2与SF6的体积比为2.5～3.5:10，通过等离子体刻蚀技术对步骤3中所得材料进行刻蚀，将聚合物上的浮雕结构转移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
上述步骤1中加工的三维浮雕结构深度大于5mm小于10mm。
上述步骤４中，在确定气体比例以后，通过等比例的增加或减小两种气体的通入量，改变通入反应腔的反应气体的浓度从而对刻蚀速率进行控制，三维浮雕结构深度越浅，刻蚀速率越慢。
本发明的优越性在于:
传统的模压制造所选的硬质模具材料一般为硅或者金属，金属模具的优点在于热变形小，模压复制性好，但金属模具具有加工周期长，光刻胶难以去除，费用昂贵等影响其推广的缺点；软质模具诸如PDMS等材料虽然成本较低，但其加工精度也相对较低，且使用寿命较短；随着等离子体技术的发展，对硅的刻蚀去除技术日渐成熟，硅基模具的加工也变的越来越容易，虽然硅材料比较脆，在使用中容易破碎，但如果能低成本的复制出大量硅基模具，以及在使用时采取一定的防碎措施，就可以得到精度较高的模压效果，具有较高的推广价值，本发明所提供的方法正好解决了这一问题，从而大大降低了生产成本。除此之外本发明还有以下优势：
1、该方法用途广泛，可用于加工不同表面浮雕结构的硅基模具。
2、只需一次高成本制作负板，然后可用其复制出高精度的硅模具，进行元件的大量复制，减低微光学元件的制作成本，缩短制作周期，提高生产效率。
3、在用等离子体刻蚀的方法转移图层时，可以固定气体比例，减低或升高气体浓度，对刻蚀速率进行调节，适合不同深度特征的浮雕结构转移。
4、本方法由于等离子体反应机理相同，因此，只需保证刻蚀参数相同，就可获得稳定的刻蚀速率，且重复性好。
附图说明
图1为本发明制作母模具侧视图；
图2为本发明中母模具的横截面图；
图3为本发明的制作流程图；
图4为不同气体比例对两种材料的刻蚀速率示意图；
图5为本发明的图层转移示意图；
图6、7为实施例二制作硅基模具制作示意图；
图8为实施例三的硅基模具制作示意图。
具体实施方式
一种三维可控硅基模具制造方法，包括以下步骤：
1、设计制作所需模具的金属负板:
根据实际需要设计硅基模具的负板，应用单点金刚石切削技术在金属材料表面上加工出具有三维曲面浮雕结构的负板；
2、将PMMA溶质与苯甲醚溶剂按照溶质:溶液=2～5:10比例配制PMMA溶液，将配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模压；
3、通过热压印技术，将金属模具上的结构转移到步骤2中所得的硅基材料上；
4、确定等离子体刻蚀的具体参数，对于硅和PMMA这两种材料的同速率刻蚀去除，发挥主要作用的是反应气体的比例，本发明通过一系列实验，研究出对应不同溶质和溶液比时反应气体比例对两种材料的去除速率，并最终得到在不同溶质和溶液比时O2与SF6的比例范围为2.5~3.5:10；
5、用步骤4中所得的参数通过等离子体刻蚀技术对步骤3中所得材料进行刻蚀，将聚合物上的浮雕结构转移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
当所加工模具深度结构较浅时，则同时按比例的减少两种气体的通入量，通过减少反应气体的通入量，减缓材料的去除速率，利于模具制造的实现，比如，SF6和O2气体流量分别为15sccm和50sccm时，刻蚀5min可以去除大约2.5mm厚度的两种材料，同样比例，若两种气体的流量分别为3sccm和10sccm时，去除速率就会大幅下降，这对于较浅结构的加工非常有利。
下面结合附图对本发明的具体实施方式加以说明。
实施例１：
1、根据实际需要设计硅基模具的负板，应用单点金刚石切削的方法在金属铜材料上加工出设计好的图案，见图1和图2，该实施例中三维浮雕结构深度6.69μm；
2、按照溶质于溶液质量比为3:10的比例在苯甲醚中配备PMMA溶液；待溶质充分溶解后用KW-4A/5型匀胶机旋涂于经过清洗的硅片上, 90℃烘干5min，烘干后形成厚度均匀的PMMA膜层；
3、用热压印的方法将母模具上的浮雕结构转移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、在牛津仪器有限公司生产的ICP180设备上进行等离子体刻蚀，如图4，交点位置为刻蚀时的最佳气体比例，实验得交点气体比例为SF6:O2=3:10时，按此比例设定通入反应腔的两种气体分别为15sccm和50sccm，经15分钟等离子体刻蚀，完成图层转移，得到所需模具，如图5。
实施例２：
1、设计金属负板结构如图6所示，其中结构深度为6μm，用单点金刚石切削的方法在金属铜上加工出所需结构，作为制作硅模具的负板；
2、按照溶质于溶液质量比为5:10的比例在苯甲醚中配备PMMA溶液；待溶质充分溶解后用KW-4A/5型匀胶机旋涂于经过清洗的硅片上, 90℃烘干5min，烘干后形成厚度均匀的PMMA膜层；
3、用热压印的方法将负板上的浮雕结构转移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、等离子体刻蚀实现图层转移，按气体比例SF6:O2=3.5:10，设定通入反应腔的两种气体分别为9sccm和30sccm，经30分钟等离子体刻蚀，完成图层转移，得到所需模具，如图7。
实施例３：
1、设计金属负板结构如图8所示，其中结构深度为9μm，用单点金刚石切削的方法在金属铜上加工出所需结构，作为制作硅模具的负板；
2、按照溶质于溶液质量比为2:10的比例在苯甲醚中配备PMMA溶液；待溶质充分溶解后用KW-4A/5型匀胶机旋涂于经过清洗的硅片上, 90℃烘干5min，烘干后形成厚度均匀的PMMA膜层；
3、用热压印的方法将负板上的浮雕结构转移到涂有PMMA的硅基材料上；
4、等离子体刻蚀实现图层转移，按气体比例SF6:O2=2.5:10，设定通入反应腔的两种气体分别为15sccm和50sccm，经20分钟等离子体刻蚀，完成图层转移，得到所需模具。
上述对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其它实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，对于本发明做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种三维可控硅基模具制造方法，包括以下步骤：
1）设计制作所需模具的金属负板:
根据实际需要设计硅基模具的负板，应用单点金刚石切削技术在金属材料表面上加工出具有三维曲面浮雕结构的负板；
2）将PMMA溶质与苯甲醚溶剂按照溶质:溶液=2～5:10比例配制PMMA溶液，将配好的PMMA溶液旋涂到硅基底上，烘干，等待模压；
3）通过热压印技术，将金属模具上的结构转移到步骤2中所得的硅基材料上；
4）反应气体O2与SF6的体积比为2.5～3.5:10，通过等离子体刻蚀技术对步骤3中所得材料进行刻蚀，将聚合物上的浮雕结构转移到硅上得到硅基模具，完成硅基模具的的制造。
2.如权利要求1所述的三维可控硅基模具制造方法，其特征在于：所述步骤1）中加工的三维浮雕结构深度大于5mm小于10mm。
3.如权利要求1所述的三维可控硅基模具制造方法，其特征在于：所述步骤４）中，在确定气体比例以后，通过等比例的增加或减小两种气体的通入量，改变通入反应腔的反应气体的浓度从而对刻蚀速率进行控制，三维浮雕结构深度越浅，刻蚀速率越慢。
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