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微奈米結構轉印技術的產業應用

刊登日期：2024/09/02

摘要

隨著微奈米尺寸結構在高科技領域的應用日漸廣泛，微奈米結構轉印技術近年來也吸引許多研究投入，這是一個低成本、適合量產的生產技術，應用得宜，將可以為微奈米結構產品應用產生積極效益。本文中介紹微奈米結構轉印技術目前的產業應用，包括:應用於發光二極體的圖案化藍寶石基板、光學凸透鏡表面微結構、微流體生物晶片、半導體線路製造、多層線路製造、捲對捲微奈米轉印技術和軟性光學膜。

Abstract

As micro- and nanoscale structures find increasing applications in high-tech fields, micro- and nanoimprint lithography has garnered significant research interest in recent years. This is a low-cost production technology suitable for mass production, which, when applied appropriately, can yield substantial benefits for the application of micro- and nanoscale products. This article introduces the current industrial applications of micro- and nanoimprint lithography, including patterned sapphire substrates for LEDs, microstructures on optical convex lenses, microfluidic biochips, semiconductor circuit manufacturing, multilayer circuit manufacturing, roll-to-roll nanoimprinting technology, and flexible optical films.

前言
結構轉印技術起源很早，傳統上主要應用於印刷產品，業務人員可能需要一張令人印象深刻的名片，名片製造商會使用轉印方式，將一般平面的名片製作成具有立體圖案的名片。立體名片轉印製作的方式，會需要一對模具，一個凸模及一個凹模，將名片置於其中，以外力將凹凸模具壓合，形成立體圖案[1]，某些特殊的材料可能還需要加溫輔助成形。
奈米結構轉印技術使用於近代科技產業，都會提到1995年Stephen Chou教授提出的研究[2]，該文獻中使用二氧化矽模具，將奈米結構轉印於熱塑性材料PPMA薄膜上，可以在PMMA上轉印出25奈米的結構，主要步驟包括：將具有奈米結構圖案的模具，轉印於基板上塗布的高分子材料上，高分子材料經高溫固化及冷卻脫模，以反應離子蝕刻(Reactive-Ion Etching)去除不必要的高分子材料，留下奈米結構圖案。該構想為微奈米製造提供了低價且可量產的技術，為後續微奈米轉印技術應用於各種領域，包括光學、生醫、半導體微細線路製造，開啟先河。
隨著不同轉印材料的開發，紫外光固化轉印的技術也逐漸引起重視[3]，紫外光固化材料可以紫外光快速固化，迅速省時，沒有加熱固化因熱引起的熱變形問題，且因被轉印物為液態光阻，所需的轉印力也較小，對於精度要求較高的應用場合，顯然較熱轉印略具優勢。其轉印製程步驟包括：液態的光阻先塗布於基材之上，以透明模具轉印光阻，紫外光透過透明模具，將液態的光阻固化之後，再拔除透明模具，最後以反應離子蝕刻去除殘餘光阻，並將微結構圖案轉印在材料上。在後續的發展上，紫外光固化轉印製程比熱轉印製程，因製程時間短，精度誤差小，具更多的應用機會。
轉印技術和圖案化藍寶石基板
圖案化藍寶石基板主要應用於發光二極體(LED)，發光二極體因其省電、體積小、壽命長，應用十分廣泛，包括:燈具、交通號誌、顯示器等。發光二極體在製造上通常使用藍寶石為基板，但是因藍寶石和發光二極體材料氮化鎵之間，存在晶格差異及熱膨脹係數不同，影響出光效率，為追求更高亮度，會在藍寶石基板上做出一些奈米級的圖形，稱為圖案化藍寶石基板( patterned sapphire substrate)，來達成提高亮度的目的[4]。圖案化藍寶石基板製作流程如圖1，在藍寶石基板上以電漿增強化學氣相沉積法 (PECVD)沉積SiO₂，在SiO₂上塗布一層膠作為阻障層用；為得到均勻性高的轉印結果，一般使用軟模具作轉印，因此接著以矽模具為基礎，翻製轉印用軟模具，以紫外光固化轉印方式，將軟模具圖案轉印至阻障層上；以O₂電漿蝕刻去除轉印之後阻障層之殘留層，再以 ICP電漿蝕刻將模具圖形轉移到SiO₂上，以SiO₂為阻障層，用濕式蝕刻方式將圖案轉移至藍寶石基板上，最後以氫氟酸去除殘餘的SiO₂，得到具奈米結構的藍寶石基板[5]。

圖1 轉印技術在圖案化藍寶石基板製程中的角色

為了確保大面積基板轉印均勻性，一般轉印製程會使用軟性模具，瑞典Obducat公司提出相對應的解決方案[6]。Obducat公司使用一種稱為中介高分子模具 (Intermediate Polymer Stamp, IPS），IPS軟性模具將母模的圖案，經由設備翻印至軟性模具，該設備具有自動脫模功能，可確保翻印軟模的準確性，再由軟性模具將圖案轉印至最終的基板上。