Устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции методом контактного копирования

Полезная модель относится к области получения полимерных микроэлементов методом контактного копирования (наноимпринтинга) и может быть использована для повышения качества изготовления планарных микроструктур, в том числе, и многослойных планарных систем, с рельефной поверхностью из фотоотверждаемых полимеров.
Из уровня техники известно формирования планарных микроструктур методом контактного копирования (наноимпринта) из фотоотверждаемой полимерной композиции, которую наносят на подложку и прижимают штампом с последующей фотополимеризацией полимера под действием света - облучения ультрафиолетовым УФ - излучением (Otto М., Bender М. Reproducibility and homogeneity in step and repeat UV-nanoimprint lithography // Microelectronic Engineering. 2004. N 73-74. P. 152-156; Фокина М.И., Денисюк И.Ю., Бурункова Ю.Э. Полимеры в интегральной оптике - физика, технология и применение. Учебное пособие. С-Петербург, СПб ГИТМО (ТУ), 2007, с 80-89; Арефьева Н.Н., Денисюк И.Ю. Применение наноимпринт-литографии для получения нано- и микроэлементов фотоники // Известия высших учебных заведений. Приборостроение. №3(53), 2010). Основной недостаток известного решения заключается в том, что технологические операции, необходимые для формирования отвержденной микроструктуры с требуемой конфигурацией производят вручную, что не обеспечивает высокой точности изготовления планарных микроэлементов.
Технический результат, на получение которого направлена полезная модель, заключается в создании конструктивно простого устройства для точного механического формирования планарной микроструктуры с заданной рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы в процессе фотополимеризации, согласно полезной модели, включает основание, на котором расположена подложка с нанесенным фотополимеризуемым составом фотоотверждаемой полимерной композиции, верхнюю плиту пресс-прижима, установленную в закрепленной на основании направляющей втулке и снабженную приводом вертикального перемещения параллельно основанию, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной" копии формируемого рельефа микроструктуры, и источник света, расположенный над верхней плитой пресс-прижима, при этом верхняя плита пресс-прижима и матрица-штамп выполнены из оптически прозрачного материала.
Предпочтительно, привод вертикального перемещения плиты пресс-прижима выполнен в виде трех равномерно расположенных на основании компактных моторизованных приводов с шаговым двигателем, на выдвижных штоках которых установлена плита пресс-прижима.
Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительным механическим прессом, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.
Плита пресс-прижима, предпочтительно, выполнена с цилиндрической боковой поверхностью и в плане имеет овалообразную форму, а направляющая втулка выполнена в виде закрепленного на основании цилиндрического стакана, внутренняя боковая поверхность которого выполнена сопряженной с боковой поверхностью плиты пресс-прижима.
Кроме того, основание снабжено вакуумным прижимом для закрепления-фиксирования подложки.
Предпочтительно, рабочая поверхность матрицы-штампа выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу фотоотверждаемой полимерной композиции.
Предпочтительно, что источник света выполнен в виде источника ультрафиолетового излучения.
Заявленная конструкция устройства, включающая плиту пресс-прижима, установленную в направляющей втулке параллельно основанию и снабженную приводом вертикального перемещения, на которой закреплена матрица-штамп с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной" копии формируемого рельефа микроструктуры, обеспечивает возможность точного многократного, в том числе, и многослойного, формирования (копирования) планарной нано-микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции за счет автоматизированного прецизионного позиционирование плиты пресс-прижима с матрицей-штампом в вертикальном направлении относительно основания и, соответственно, параллельно подложки посредством привода, который, предпочтительно, выполнен в виде трех равномерно расположенных компактных моторизованных микроприводов с шаговым двигателем, подключенных к автоматизированной системе управления. Наличие дополнительного пресса, например винтового, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на верхнюю плиту пресс-прижима, обеспечивает дополнительное к весу плиты пресс-прижима усилие продавливания фотополимеризуемой полимерной композиции и надежное заполнение объема, определяемого рельефом поверхности матрицы-штампа, что повышает точность воспроизведения - формирования заданной планарной микроструктуры.
При этом заявленное устройство расширяет арсенал технических средств, предназначенных для автоматизированного формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции.
На чертеже схематично представлен общий вид заявленного устройства для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью.
Устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции путем контактного копирования рельефа матрицы в процессе фотополимеризации включает горизонтальное основание 1, на котором посредством вакуумного прижима 2 закрепляют-фиксируют подложку 3 (например, из плавленого кварца или стекла К8), верхнюю оптически прозрачную плиту 4 пресс-прижима (например, из стекла К8), которая установлена с возможностью вертикального перемещения в закрепленной на основании 1 направляющей втулке 5 и свободно оперта (или шарнирно закреплена) на выдвижные штоки 6 (при этом концы штоков 6 вставлены в лунки, выполненные в плите 4 пресс-прижима) трех компактных моторизованных приводов 7 с шаговым двигателем (например, моторизованных приводов 8СМА28-10 фирмы Standa), образующих единый привод вертикального перемещения, которые равномерно закреплены на основании 1. На верхней плите 4 пресс-прижима закрепляют гибкую оптически прозрачную силоксановую матрицу-штамп 8 с формообразующей поверхностью в виде „зеркальной" копии оригинала с формируемым рельефом микроструктуры, выполненную, например, из «Силастика Т-4», представляющего собой вязкую текучую прозрачную композицию на основе силиконового каучука, способную переходить в резиноподобное состояние после смешивания с отвердителем при комнатной температуре. Над верхней плитой 4 пресс-прижима, расположен источник света 9, предпочтительно, в виде источника ультрафиолетового УФ -излучения.
При этом верхняя плита 4 пресс-прижима, предпочтительно, выполнена с цилиндрической боковой поверхностью и в плане имеет овалообразную форму, а направляющая втулка 5 выполнена в виде закрепленного на основании 1 цилиндрического стакана, внутренняя боковая поверхность которого выполнена сопряженной с овалообразной боковой поверхностью плиты 4 пресс-прижима.
Предпочтительно, рабочая поверхность гибкой матрицы-штампа 8 может быть выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу фотоотверждаемой полимерной композиции (на чертеже не показано).
Кроме того, на основании 1 может быть установлен дополнительный, например, механический пресс 10, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.
Автоматизированное плоскопараллельное позиционирование
формообразующей поверхности матрицы-штампа 8 при перемещении в вертикальном направлении относительно горизонтального основания 1 и подложки 3 обеспечивает программный блок управления, например, на основе компьютера, (на чертеже не показано), к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов 7.
Заявленное устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью работает следующим образом.
Рабочую поверхность подложки 3 покрывают адгезионным слоем на основе 0,1% (вес.) водно-изопропанольного (50/50) раствора метакрилоилоксипропилтриэтоксисилана толщиной не более 250 нм, помещают подложку 3 на вакуумный прижим 2 горизонтального основания 1, включают вакуумный насос 11 и надежно фиксируют подложку 3 на горизонтальном основании 1. Формообразующую поверхность оптически прозрачной силоксановой матрицы-штампа 8 обрабатывают антиадгезионным составом на основе паров смеси диметилдихлорсилана и триметилхлорсилана с последующей гидролизацией в парах воды. На подложку 3 помещают 25÷33 мкл предварительно приготовленной фотоотверждаемой полимерной композиции на основе полимеризующегося компонента олигокарбонатметакрилата Д-1 (97% вес.) и фотоинициатора 2,2-диметокси-2-ацетофенона (3% вес.).
С помощью программного блока управления, к которому подключены контроллеры шаговых двигателей моторизованных приводов 7, производят автоматизированное плоскопараллельное перемещении - опускание плиты 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8, установленной на выдвижных штоках 6 трех компактных моторизованных приводов 7, в вертикальном направлении относительно горизонтального основания 1 до заданного расстояния между подложкой 3 и формообразующей поверхностью матрицы-штампа 8, равного, например, 50 мкм. При этом жидкая фотополимерная композиция прижимается матрицей-штампом 8, полимер растекается, заполняя объем, определяемый рельефом формообразующей поверхности матрицы-штампа 8. Для лучшего затекания полимера в мелкие элементы структуры формообразующей поверхности плиту 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8 можно дополнительно прижать с помощью механического пресса 10.
Включают источник света 9 и воздействуют ультрафиолетовым УФ-излучением на фотоотверждаемую полимерную композицию через оптически прозрачные верхнюю плиту 4 пресс-прижима и матрицу-штамп 8, предпочтительно, в течение 30 минут, инициируя процесс фотополимеризации до полного распада фотоинициатора. При этом рельеф формообразующей поверхности матрицы-штампа 8 переносится на подложку 3. После выключения источника света 9 с помощью программного блока управления, воздействуя на шаговые двигатели моторизованных приводов 7, производят подъем плиты 4 пресс-прижима с матрицей-штампом 8, при этом формообразующая поверхность матрицы-штампа 8 с антиадгезионным покрытием легко отделяется от подложки 3 с нанесенным рельефным полимерным слоем. Выключают вакуумный насос 11 вакуумного прижима 2 и снимают подложку 3 с приготовленной планарной микроструктурой с основания 1.