楊申語臺灣大學：機械工程學研究所方煌盛Fang, Huang-ShengHuang-ShengFang2007-11-282018-06-282007-11-282018-06-282005http://ntur.lib.ntu.edu.tw//handle/246246/61136本論文致力於滾輪式微結構轉印製程開發研究。利用軟微影技術可以低成本快速在非平面模具製作微結構優點，結合滾輪生產快速、連續及大面積的特點，量產微結構的元件。並使用感光性高分子阻劑材料為轉印墨水，避免轉印表面擴散，黏度易調變特性，可更廣泛應用於製作微奈米等級結構。 研究首先以PDMS軟模仁包覆在滾輪，以感光性高分子材料為轉印墨水，以曲面轉印方式將微米等級結構轉移至基板上。實驗在不同速度－壓力下進行初步觀察。發現有殘留層、擴散、剥離、傾斜偏移、變形、氣孔、轉印不完全及轉寫深度不足等問題，解決方法包括利用PDMS表面能低的特性，以預沾印去除PDMS模具上殘留層；利用真空填料方式將避免氣孔產生；並結合紫外光固化機制建立有效改善轉寫深度。最後將線寬20μm深度30μm結構，有效轉寫達95%以上。從轉印模式探討中發現，速度影響結構傾斜及偏移最甚。接著就不同壓力與速度進行系統實驗，定義出轉印成型範圍及成型區域外缺陷。最後以成型窗內參數，在四種不同製程條件下，做一轉寫再現性的統計分佈實驗，發現抽真空與固化並施的條件下可得最佳的轉寫再現性分佈。 本研究並建立一套滾輪式微轉印製程流程，實際應用其針對不同特徵微結構及市面上製作彩色濾光片遮光層及彩色光阻層材料進行轉印實驗。實驗結果，遮光層材料及彩色光阻材可有效將圖形轉移至基板，惟小深寬比結構在壓力太大下，使轉印的微結構易產生凹陷，壓力需小心調整。This thesis is devoted to the development of rolling micro-stamping process. This process combines the advantages of soft mold, UV-curable resist and rolling fabrication. In this process, the soft mold made of PDMS is covered on roller surface, UV-curable ink is then coated on the PDMS mold, and through contact during rolling operation, the patterns are transferred to the resist on the substrate. Three micro-structures, i.e. grating of width 20μm and depth 30μm, grating of width 100μm and depth 30μm, and micro-lens of diameter 150μm and height 30μm, have been stamped onto the resist cured on glass substrate successfully. Several insights are also obtained from this study: (1) Coating UV-curable resin into PDMS micro-cavity and transferring to substrate by stamping achieve stable replication; (2) Applying vacuum and UV curing are key to the success of the micro-stamping process; (3) Velocity is the most important processing parameter since moving too fast will reduce the curing time; (4) Pressure is also important since too high pressure will cause distortion in mold patterns. In this study, a micro-stamping machine and system are setup, and a rolling micro-stamping process is established. The system is used successfully to print grating, micro-structures and to print black matrix onto glass substrates. The potential of the rolling micro-stamping is demonstrated.中文摘要 .................................................I 英文摘要 ................................................II 目錄 ...............................................III 表 目 錄 ...............................................VII 圖 目 錄 ..............................................VIII 第一章 導論 1.1 微結構元件複製量產製程開發迫切性.................1 1.2 研究背景與本研究重要性...........................1 1.3 滾輪式製程量產與大面積製作優勢...................2 1.4 結合滾輪與軟微影微結構技術的優越與應用...........3 1.5 研究主要目標.....................................3 1.6 論文架論.........................................4 第二章 文獻回顧 2.1 母模製作技術.....................................6 2.2 軟微影技術.......................................7 2.1.1 軟微影製程技術...................................8 2.1.2 印章(stamp)材料.................................12 2.1.3 印章的變形研究..................................13 2.3 曲面成型技術相關研究............................14 2.4 軟微影技術應用與元件............................16 2.5 整體性回顧整理與本研究創新性....................18 第三章 實驗設置一: 滾輪微轉印機台設計開發 3.1 前言............................................27 3.2 滾輪微轉印機台設計及演進........................27 3.2.1 單支架式滾輪微轉印機台(第一代)..................27 3.2.2 雙支架式滾輪微轉印機台(第二代)..................28 3.2.3 具UV曝光功能之滾輪微轉印機台(第三代)............29 3.3 機台結構與作動流程..............................30 3.3.1 驅動動力源......................................30 3.3.2 滾輪升降機構及作動原理..........................30 3.3.3 底座平移傳輸機構................................30 3.3.4 真空吸附裝置....................................31 3.3.5 滾輪微轉印機台作動流程..........................31 3.4 塗佈機構的設計開發 ..............................32 3.4.1 刮刀式塗佈機構..................................32 3.4.2 旋轉式塗佈機構..................................32 3.5 滾輪包覆軟模壓力均勻度探討......................34 3.5.1. 滾輪壓力均勻度實驗探討..........................34 3.5.1.1 實驗設置........................................34 3.5.1.2 結果與討論......................................35 3.5.2. 軟模厚度均勻與否對圖形轉移之影響................36 3.5.2.1 實驗設置........................................36 3.5.2.2 結果與討論......................................37 3.5.3. 均勻度實驗結論..................................37 3.6 本章結論........................................38 第四章 實驗設置二: 模具、材料與實驗設計 4.1 前言............................................54 4.2 模具製作........................................54 4.2.1 母模............................................54 4.2.2 PDMS軟模翻製....................................55 4.3 實驗材料........................................58 4.4 實驗設計........................................58 4.5 本章結論........................................61 第五章 初步實驗觀察探討 5.1 前言............................................70 5.2 實驗設置........................................70 5.3 圖形觀察與檢測..................................70 5.4 結果討論與現象推斷..............................72 5.5 本章結論........................................73 第六章 缺陷原因探討與製程改善結果 6.1 概述............................................80 6.2 殘留層探討與改善................................80 6.2.1. 殘留層的改善....................................81 6.2.2. 結果與討論......................................81 6.3 轉寫性探討與改善................................82 6.3.1. 轉印深度不足因素探討............................82 6.3.2. 真空塗佈機制的建立與實驗結果....................83 6.3.3. 曝光固化實驗結果................................84 6.3.4. 真空塗佈結合曝光固化之實驗結果..................84 6.3.5. 轉寫性改善結論..................................85 6.4 轉印模式探討....................................85 6.4.1 轉印階段探討....................................86 6.4.2 離模階段探討....................................86 6.4.3 速度與模壁方向設置對結構傾斜的影響..............86 6.4.4 結果討論與改善方案 ..............................87 6.5 操作窗與再現性實驗探討..........................88 6.6 本章結論........................................91 第七章 滾輪式微轉印製程應用 7.1 前言...........................................106 7.2 流程建立.......................................106 7.2.1 製程設備設置與流程步驟.........................106 7.3 製程應用.......................................107 7.3.1 不同特徵微結構轉印實驗.........................107 7.3.2 不同材料轉印實驗...............................108 7.4 本章結論.......................................109 第八章 結論與未來研究方向 8.1 結論...........................................115 8.2 未來研究方向...................................118 參考文獻 ...............................................119 附錄 ...............................................121 附錄A 感壓軟片.........................................123 附錄B 滾輪微轉印機台及週邊規格表.......................1255373220 bytesapplication/pdfen-US滾輪軟微影PDMS印章UV固化阻劑RollerPDMS stampeSoft LithographyUV-curable resistthesishttp://ntur.lib.ntu.edu.tw/bitstream/246246/61136/1/ntu-94-R92522710-1.pdf