本發(fā)明涉及微納加工，特別涉及一種用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的模具、制造系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

1、微納加工制造是半導(dǎo)體、顯示屏、微機(jī)電系統(tǒng)、光學(xué)光電器件、生物醫(yī)學(xué)、納米材料和超材料等多個行業(yè)有廣泛需求的共性技術(shù)。圖形化技術(shù)是微納加工制造的關(guān)鍵技術(shù)。比較成熟的圖形化技術(shù)大致有粒子束、光學(xué)光刻和模板法等類別。

2、粒子束技術(shù)包括電子束ebl技術(shù)和聚焦離子束(focused?ion?beam，fib)技術(shù)，這兩種技術(shù)均是借助在相應(yīng)的膜層上直接生成所需的圖形，精度高，但效率低，一般用于掩膜生成和修復(fù)。

3、光學(xué)光刻技術(shù)分辨率受衍射限制，隨著特征尺寸的減小，目前需要采用波長更短的深紫外(deep?ultraviolet，duv)和極紫外光(extreme?ultraviolet，euv)對光刻膠層進(jìn)行光刻，設(shè)備成本和能耗很高。

4、模板法有納米壓印(nil)、光刻(lithographie)-電鑄(galvanoformung)-注塑(abformung)liga工藝、軟光刻(soft?lithography)、高精度金屬掩模板(fine?metalmask，fmm)蒸鍍和模板電沉積等方法。

5、其中，最初的納米壓印技術(shù)是熱壓印(he-nil)技術(shù)，先通過機(jī)械手段施加高壓并加熱來使模板的結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到被加熱軟化的聚合物上，待聚合物冷卻到聚合物玻璃化溫度以下后固化；后來的納米壓印技術(shù)是紫外壓印(uv-nil)技術(shù)，其通過機(jī)械手段施加壓力使模板的結(jié)構(gòu)圖案轉(zhuǎn)移到未固化的光敏樹脂上之后，再通過紫外光聚合來使光敏樹脂固化，避免了加熱對加工器件的損壞，也有效防止了氣泡對加工精度的影響；再后來出現(xiàn)了噴射和閃光壓印光刻(jet?and?flash?imprint?lithography，j-fil)技術(shù)，其通過噴射分布壓印膠改善填充均勻、彎曲模板幫助填充和脫模、減少顆粒物等方法，商業(yè)應(yīng)用于存儲芯片制造。另有多種輔助方法改善納米壓印技術(shù)中的轉(zhuǎn)移介質(zhì)填充和脫模過程。但是目前的這些納米壓印技術(shù)，依舊還是難以完全克服在填充過程中的氣泡、填充不良、跨尺度加工中填充不均勻、顆粒物對模板損壞、脫模過程中的斷裂和結(jié)構(gòu)受損以及進(jìn)而導(dǎo)致的清洗等等問題，因此依舊受制于良率低、模板壽命短、生產(chǎn)效率低等缺點，難以應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)。

6、liga技術(shù)是由光刻、電鑄和塑鑄三個環(huán)節(jié)組成，首先通過光刻將掩膜上的圖形轉(zhuǎn)移到有幾百微米厚的光刻膠上，得到一個與掩膜結(jié)構(gòu)相同，厚度幾百微米、寬度為幾微米的三維立體結(jié)構(gòu)，然后通過電鍍將光刻膠圖形上的間隙用金屬填充，形成一個與光刻膠圖形凹凸互補(bǔ)的金屬凹凸版圖，將光刻膠及附著的基底材料除掉，就得到鑄塑用的金屬模具，之后通過金屬注塑版上的小孔將塑料注入金屬模具腔體內(nèi)，加壓硬化后就得到與掩膜結(jié)構(gòu)相同塑料芯片。該liga技術(shù)工藝復(fù)雜且仍需要同步輻射光源進(jìn)行光刻，設(shè)備成本很高。

7、軟光刻技術(shù)有微接觸印刷法、毛細(xì)微模塑法(micro?molding?in?capillaries,mimic)、轉(zhuǎn)移微模塑法、微復(fù)制模塑法等，其中，微接觸印刷法就是通過用光刻等技術(shù)先制備有關(guān)圖形的模具，將聚二甲基硅氧烷(pdms)澆注在模具上可制得圖案模板(又稱為彈性印章)，然后在圖案模板的表面涂上烷基硫醇墨水，進(jìn)而可在金銀等金屬表面印出微圖形；在毛細(xì)管微模塑法中，圖案模板(又稱為彈性印章)上的微通道與基板之間構(gòu)成了貫通的毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，且網(wǎng)絡(luò)絡(luò)入口在圖案模板的側(cè)部，將高分子預(yù)聚物滴在網(wǎng)絡(luò)絡(luò)的入口，毛細(xì)作用會把高分子預(yù)聚物吸入通道網(wǎng)絡(luò)絡(luò)，固化后可得到與圖案模板上微通道凹凸互補(bǔ)的微結(jié)構(gòu)，mimic只能加工毛細(xì)管網(wǎng)絡(luò)絡(luò)與入口連通的微結(jié)構(gòu)；微轉(zhuǎn)移模塑法是在圖案模板(又稱為彈性印章)上的凹槽內(nèi)填滿高分子預(yù)聚物，將其扣在基板上，固化后，移去圖案模板，在基板上就印上了高分子材料構(gòu)成的圖形；微復(fù)制模塑法是通過在圖案模板(又稱為彈性印章)上直接澆注聚氨酯等高分子材料得到微結(jié)構(gòu)。以模塑為基礎(chǔ)的軟光刻具有簡單、經(jīng)濟(jì)、保真度高等優(yōu)點，它可用于在聚合物、無機(jī)和有機(jī)鹽、溶膠和凝膠、陶瓷和碳等材料上加工微結(jié)構(gòu)，已用于制備微光柵，聚合物波導(dǎo)管、微電容和微共鳴器等，但是這些軟光刻技術(shù)精度不高，需要基板接觸，無法改善顆粒物相關(guān)問題。

8、fmm蒸鍍法目前多用作oled核心蒸鍍制程中，可解決蒸鍍有機(jī)材料rgb三基色的微米級像素陣列涂布問題，并直接決定了amoled顯示屏的分辨率、顯示效果、生產(chǎn)良率，但是該方法成本高。

9、模板電沉積法通過使用上下貫通的模板如鋁陽極氧化膜(又稱為aao膜)，利用上方開口傳輸離子電沉積完成填充后，溶解模板。由于模板一次性使用，難以用于復(fù)雜圖形批量生產(chǎn)。

10、因此，亟待一種新的用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的模具、制造系統(tǒng)及方法，能夠解決現(xiàn)有的圖形化技術(shù)中存在的至少一個問題，以期實現(xiàn)更簡單、更經(jīng)濟(jì)、更高效的圖形化結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，改善圖案結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，提高產(chǎn)品良率，實現(xiàn)跨尺度加工無障礙等等。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的在于提供一種用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的模具、制造系統(tǒng)及方法，能夠替代現(xiàn)有的圖形化技術(shù)，實現(xiàn)更簡單、更經(jīng)濟(jì)、更高效的圖形化結(jié)構(gòu)生產(chǎn)，改善圖案結(jié)構(gòu)成型質(zhì)量，提高產(chǎn)品良率，便于連續(xù)生產(chǎn)且實現(xiàn)跨尺度加工無障礙。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的模具，所述模具的主體結(jié)構(gòu)包括模板圖形部和微納通道部，所述模板圖形部中設(shè)有用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的至少一個模腔，所述微納通道部中設(shè)有微納通道網(wǎng)絡(luò)，每個所述模腔連通所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的微納通道，以連通至少一個相應(yīng)的進(jìn)料口，從所述進(jìn)料口進(jìn)入的功能材料通過所述微納通道網(wǎng)絡(luò)輸送至相應(yīng)的所述模腔中，且填充在所述模腔中的功能材料在被推出所述模腔之前或之后被固化成型并用于構(gòu)成所述圖形化結(jié)構(gòu)的至少部分結(jié)構(gòu)。

3、可選地，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)為工藝加工而成的人工通道或者為通過多孔材料形成的天然孔道。

4、可選地，所述模腔的腔徑均勻，或者，所述模腔的腔徑上小下大，或者，所述模腔的側(cè)壁具有不影響脫模的曲率或臺階。

5、可選地，所述模腔的底部開口為圓臺形開口、棱臺形開口、球冠形開口或拱形開口。

6、可選地，所述模板圖形部中的所有模腔的底部開口相互獨立；或者，部分所述模腔的底部開口相互連通。

7、可選地，所述模板圖形部的底面整體上是齊平的，或者，所述模板圖形部的底面整體上與相應(yīng)的基板的非平面表面共形。

8、可選地，所述模具還包括緩沖墊，所述緩沖墊設(shè)置在所述模具的整個底面上，或者設(shè)置于所述模具的底面的無圖案區(qū)上。

9、可選地，所述模腔內(nèi)的功能材料包括沉積材料、光固化材料、熱塑/熱固化材材料和非牛頓流體中的至少一種。

10、可選地，當(dāng)所述功能材料為光固化材料時，所述模具本身透明，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中輸送所述功能材料的微納通道的內(nèi)壁上覆蓋有遮光層，用于固化的光線從所述模具的上方或斜上方照射，使得所述模腔內(nèi)的功能材料固化；或者，所述模具除所述模板圖形部外均是不透光的，用于固化的光線從所述模具的下方或側(cè)方照射，使得所述模腔內(nèi)的功能材料固化。

11、可選地，當(dāng)所述功能材料為沉積材料時，所述模具還具有至少一個相應(yīng)的出料口，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中輸送所述沉積材料的微納通道還連通相應(yīng)的所述出料口。

12、可選地，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中的所有所述微納通道在同一時間內(nèi)輸送的內(nèi)容均相同，所述內(nèi)容包括功能材料、用于固化的物理量和用于脫模的物理量中的至少一種。

13、可選地，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中至少有兩條所述微納通道在同一時間內(nèi)輸送的內(nèi)容不同，所述內(nèi)容包括功能材料、用于固化的物理量和用于脫模的物理量中的至少一種。

14、可選地，所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中至少有兩條所述微納通道在同一時間內(nèi)輸送的功能材料不同，所述圖形化結(jié)構(gòu)包括異質(zhì)材料鑲嵌圖案結(jié)構(gòu)。

15、可選地，同一條所述微納通道在不同時間內(nèi)輸送的內(nèi)容不同，所述內(nèi)容包括功能材料、用于固化的物理量和用于脫模的物理量中的至少一種。

16、可選地，同一條所述微納通道在不同時間內(nèi)輸送的功能材料不同，所述圖形化結(jié)構(gòu)包括不同功能材料層疊而成的三維結(jié)構(gòu)。

17、可選地，所述圖形化結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體器件中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、顯示屏中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、微機(jī)電器件中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)、光學(xué)光電器件中的相應(yīng)結(jié)構(gòu)或生物醫(yī)學(xué)器件的相應(yīng)結(jié)構(gòu)，或者，所述圖形化結(jié)構(gòu)為納米材料結(jié)構(gòu)或超材料結(jié)構(gòu)。

18、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的制造系統(tǒng)，其包括：

19、如本發(fā)明所述的模具；以及，

20、至少一種功能材料供給裝置，連通所述模具中相應(yīng)的進(jìn)料口，以提供相應(yīng)的功能材料至所述模具的模腔中，所述功能材料在被推出其所填充的所述模腔之前或之后被固化成型，并用于構(gòu)成所需制造的圖形化結(jié)構(gòu)的至少部分結(jié)構(gòu)。

21、可選地，當(dāng)所述功能材料包括光固化材料或熱塑/熱固化材料時，所述制造系統(tǒng)還包括至少一種固化裝置，用于將所述模具的模腔中的相應(yīng)功能材料固化。

22、可選地，所述的制造系統(tǒng)還包括至少一種脫模裝置，用于將所述圖形化結(jié)構(gòu)從所述模具中推出，輔助實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)的脫模。

23、可選地，所述的制造系統(tǒng)還包括至少一種轉(zhuǎn)動裝置和輸送裝置，所述轉(zhuǎn)動裝置用于轉(zhuǎn)動所述模具或所述基板，所述輸送裝置用于輸送所述基板，所述模具通過卷對卷或卷對板的方式在所述基板上連續(xù)制造所述圖形化結(jié)構(gòu)。

24、基于同一發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種用于制造圖形化結(jié)構(gòu)的方法，其包括：

25、提供如本發(fā)明所述的模具；

26、通過所述模具的微納通道網(wǎng)絡(luò)和/或模腔向所述模具的相應(yīng)模腔中填充相應(yīng)的功能材料；

27、使所述模腔中填充的功能材料在被推出之前或之后固化成型，以形成所需的圖形化結(jié)構(gòu)的至少部分結(jié)構(gòu)。

28、可選地，通過所述模具的微納通道網(wǎng)絡(luò)向所述模具的相應(yīng)模腔中填充相應(yīng)的功能材料時，同一個所述模腔僅制造同種材料的結(jié)構(gòu)，或者，在不同的時間段內(nèi)向同一個所述模腔中輸送的功能材料不同，以制造多層不同功能材料層疊的結(jié)構(gòu)。

29、可選地，當(dāng)在不同的時間段內(nèi)向同一所述模腔中輸送的功能材料不同時，在填充好前一種功能材料后，先使填充的所述前一種功能材料固化成型并存儲在所述模腔中，再填充后一種功能材料；或者，先使填充的所述前一種功能材料固化成型并推出所述模腔后，再繼續(xù)向所述模腔中填充后一種功能材料；或者，填充后一種功能材料的同時利用填充后一種功能材料的推力推出已填充的前一種功能材料。

30、可選地，通過所述模具的微納通道網(wǎng)絡(luò)向所述模具的相應(yīng)模腔中填充相應(yīng)的功能材料時，向所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中所有的所述微納通道及其連通的模腔中輸送相同的功能材料；或者，向所述微納通道網(wǎng)絡(luò)中至少兩條不同的所述微納通道中輸送不同的功能材料。

31、可選地，使各個所述模腔中填充的功能材料固化成型后，所有所述模腔內(nèi)固化成型后的材料高度相同，或者至少有兩個所述模腔內(nèi)固化成型后的材料高度不同，或者同一所述模腔內(nèi)不同區(qū)域中固化成型后的材料高度不同。

32、可選地，向所述模腔中填充功能材料的方式包括沉積或流變。

33、可選地，使各個所述模腔內(nèi)的功能材料固化成型的方式包括材料沉積、材料固化或非牛頓流體剪切中的至少一種。

34、可選地，所述的方法還包括：向所述模腔中填充相應(yīng)的功能材料的同時進(jìn)行脫模，以形成所需深寬比的圖形化結(jié)構(gòu)，所述所需深寬比的圖形化結(jié)構(gòu)包括同種功能材料形成的結(jié)構(gòu)和/或不同功能材料層疊而成的結(jié)構(gòu)。

35、可選地，所述的方法還包括：將所述圖形化結(jié)構(gòu)從所述模具中大部分推出以幫助脫模，并進(jìn)一步依靠粘附力和/或重力實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)和所述模具之間的最終脫模。

36、可選地，在向所述模腔中填充所述功能材料之前，先將所述模具置于相應(yīng)的基板上方；在向所述模具相應(yīng)的微納通道及其連通的模腔中輸送相應(yīng)的功能材料時，從所述模腔中流出或推出的所述功能材料將所述模腔中的功能材料和所述基板連接，在實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)和所述模具之間的最終脫模后，所述圖形化結(jié)構(gòu)直接形成在所述基板上且與所述基板之間形成可靠連接。

37、可選地，所述基板的頂面上和/或所述模具的底面上設(shè)有相應(yīng)的緩沖墊，將所述模具置于所述基板上方后，所述緩沖墊使得所述基板和所述模具之間保持有預(yù)設(shè)的間隙，從所述模腔中流出或推出的所述功能材料填滿所述間隙，以將所述模腔中的功能材料和所述基板連接。

38、可選地，在實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)和所述模具之間的最終脫模之前，通過粘接或鍵合工藝，將所述圖形化結(jié)構(gòu)連接到相應(yīng)的基板上，以在實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)和所述模具之間的最終脫模后，使得所述圖形化結(jié)構(gòu)直接形成在所述基板上且與所述基板之間形成可靠連接。

39、可選地，在實現(xiàn)所述圖形化結(jié)構(gòu)和所述模具之間的最終脫模之前，先將所述模具中的功能材料或圖形化結(jié)構(gòu)推出一部分，使所述圖形化結(jié)構(gòu)與所述基板的表面共形。

40、可選地，所述模具通過卷對卷或卷對板的方式在所述基板上連續(xù)制造所述圖形化結(jié)構(gòu)。

41、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案至少具有以下有益效果之一：

42、1、通過內(nèi)部設(shè)有微納通道網(wǎng)絡(luò)和模腔的模具，將相應(yīng)的功能材料傳遞至模腔中并固化成型，進(jìn)而使得所有模腔內(nèi)的材料共同組合成所需的圖形化結(jié)構(gòu)的至少部分結(jié)構(gòu)。區(qū)別于納米壓印，本發(fā)明的技術(shù)方案可以控制模具的模板圖形部和基板之間的接觸程度，甚至使模具的模板圖形部和基板是無接觸的，同時避免了材料固化前暴露于外部環(huán)境，從而減少顆粒物影響。

43、2、材料的填充和脫模均是利用來自微納通道網(wǎng)絡(luò)傳遞的壓力，從而可以減少氣泡形成、填充和脫模阻力，改善圖形化結(jié)構(gòu)的成型質(zhì)量。

44、3、即使模腔的腔徑尺度不同，在模腔高度相同的情況下，將各個模腔都填滿，能達(dá)到跨尺度加工時不同模腔內(nèi)的材料填充高度一致，進(jìn)而實現(xiàn)了跨尺度加工無障礙。

45、4、在實現(xiàn)最終脫模前將模腔內(nèi)的功能材料或者固化成型后的圖形化結(jié)構(gòu)先推出一段距離，這種方法可以使最終成型的圖形化結(jié)構(gòu)和基板表面共形，也可減小顆粒物影響。

46、5、通過對模具邊填充邊推出(也可以說邊填充邊脫模)的方式，可形成大高寬比(例如大于200)的結(jié)構(gòu)和/或多層功能材料堆疊的結(jié)構(gòu)，可以滿足更多性能的產(chǎn)品制造需求，拓寬應(yīng)用領(lǐng)域。

47、6、本方案可以應(yīng)用于同質(zhì)材料圖案、異質(zhì)材料鑲嵌圖案、三維結(jié)構(gòu)、與非平面圖案共形的圖案等等。