RU183906U1

RU183906U1 - Device for forming a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition by contact copying

Info

Publication number: RU183906U1
Application number: RU2018110328U
Authority: RU
Inventors: Евгений Петрович Гребенников; Николай Олегович Порошин; Григорий Евгеньевич Адамов; Вагиз Равилевич Курбангалеев; Павел Борисович Малышев
Original assignee: Акционерное общество "Центральный научно-исследовательский технологический институт "Техномаш"
Priority date: 2018-03-23
Filing date: 2018-03-23
Publication date: 2018-10-08

Abstract

Полезная модель относится к области получения полимерных микроэлементов методом контактного копирования и может быть использована для повышения качества изготовления планарных микроструктур, в том числе, и многослойных планарных систем, с рельефной поверхностью из фотоотверждаемых полимеров. Установка для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции 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 УФ-источник света, расположенный над верхней плитой пресс-прижима, причем плита пресс-прижима и матрица-штамп выполнены из оптически прозрачного материала. При этом 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. Технический результат заключается в создании конструктивно простого устройства для точного механического формирования микроструктуры. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

The utility model relates to the field of production of polymeric microelements by contact copying and can be used to improve the manufacturing quality of planar microstructures, including multilayer planar systems, with a relief surface from photocurable polymers. The apparatus for forming a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition includes a base on which a substrate is coated with a photopolymerizable composition of the photocurable polymer composition, an upper press clamp plate installed in a guide sleeve fixed to the base and provided with a vertical displacement drive parallel to the base on which the matrix-stamp is fixed with the forming surface in the form of a “mirror” copy of the formed relief rostruktury, and a UV light source positioned above the upper platen press nip, the press nip plate and a matrix-stamp made of an optically transparent material. In this case, the drive of vertical movement of the press clamp plate is made in the form of three uniformly arranged on the basis of compact motorized drives with a stepper motor, on the sliding rods of which the press clamp plate is installed. The technical result consists in creating a structurally simple device for the exact mechanical formation of the microstructure. 5 cp f-ly, 1 ill.

Description

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.The utility model relates to the field of producing polymer microelements by contact copying (nanoimprinting) and can be used to improve the manufacturing quality of planar microstructures, including multilayer planar systems, with a relief surface made of photocurable polymers.

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.It is known from the prior art that planar microstructures are formed by contact copying (nanoimprint) from a photocurable polymer composition, which is deposited on a substrate and pressed with a stamp followed by photopolymerization of the polymer under the influence of light - UV irradiation (Otto M., Bender M. Reproducibility and homogeneity in step and repeat UV-nanoimprint lithography // Microelectronic Engineering. 2004. N 73-74. P. 152-156; Fokina M.I., Denisyuk I.Yu., Burunkova Yu.E. Polymers in integrated optics - physics, technology and application. Textbook. St. Petersburg, St. Petersburg GITMO ( TU), 2007, pp. 80-89; Arefyeva N.N., Denisyuk I.Yu. Application of nanoimprint lithography to obtain nano- and microelements of photonics // News of Higher Educational Institutions. Instrument Making. No. 3 (53), 2010). The main disadvantage of the known solution lies in the fact that the technological operations necessary for the formation of a cured microstructure with the required configuration are carried out manually, which does not provide high accuracy in the manufacture of planar trace elements.

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.The technical result to which the utility model is directed is to create a structurally simple device for the exact mechanical formation of a planar microstructure with a given relief surface from a photocurable polymer composition.

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.The solution to this problem is provided by the fact that the device for forming a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition by contact copying the matrix relief during photopolymerization, according to a utility model, includes a base on which a substrate with a photopolymerizable composition of the photocurable polymer composition is deposited, an upper press plate -clip mounted in a guide sleeve fixed to the base and equipped with a drive vertically moving parallel to the base, on which the die-matrix is fixed with a forming surface in the form of a “mirror” copy of the formed microstructure relief, and the light source located above the upper press-press plate, while the upper press-press plate and die-die are made of optically transparent material.

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.Preferably, the drive of vertical movement of the press clamp plate is made in the form of three uniformly arranged on the basis of compact motorized drives with a stepper motor, on the sliding rods of which the press clamp plate is mounted.

Кроме того, устройство может быть снабжено дополнительным механическим прессом, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.In addition, the device can be equipped with an additional mechanical press, the pressure rod of which acts - transfers axial force to the press clamp plate.

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.The press clamp plate is preferably made with a cylindrical side surface and has an oval shape in plan, and the guide sleeve is made in the form of a cylindrical cup fixed to the base, the inner side surface of which is mated with the side surface of the press clamp plate.

Кроме того, основание снабжено вакуумным прижимом для закрепления-фиксирования подложки.In addition, the base is equipped with a vacuum clip for fixing-fixing the substrate.

Предпочтительно, рабочая поверхность матрицы-штампа выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу фотоотверждаемой полимерной композиции.Preferably, the working surface of the die matrix is made with a release coating with respect to the material of the photocurable polymer composition.

Предпочтительно, что источник света выполнен в виде источника ультрафиолетового излучения.Preferably, the light source is in the form of a source of ultraviolet radiation.

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.The claimed device design, including a press-clamp plate, mounted in a guide sleeve parallel to the base and equipped with a vertical displacement drive, on which a die-die is mounted with a forming surface in the form of a “mirror” copy of the formed microstructure relief, makes it possible to accurately multiple, including, and multilayer, formation (copying) of a planar nano-microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition due to the automated precision positioning of the press clamp plate with the die in the vertical direction relative to the base and, accordingly, parallel to the substrate by means of a drive, which is preferably made in the form of three uniformly arranged compact motorized micro drives with a stepper motor connected to an automated control system. , for example, a screw, the pressure rod of which acts - transfers axial force to the upper plate of the press clamp, provides additional the pressing force of the photopolymerizable polymer composition, which is relative to the weight of the press clamp plate, and reliable filling of the volume determined by the surface relief of the die matrix, which increases the accuracy of reproduction — the formation of a given planar microstructure.

При этом заявленное устройство расширяет арсенал технических средств, предназначенных для автоматизированного формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью из фотоотверждаемой полимерной композиции.At the same time, the claimed device expands the arsenal of technical means intended for the automated formation of a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition.

На чертеже схематично представлен общий вид заявленного устройства для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью.The drawing schematically shows a General view of the claimed device for forming a planar microstructure with a relief surface.

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.A device for forming a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition by contact copying the matrix relief during photopolymerization includes a horizontal base 1 on which substrate 3 is fixed and fixed by vacuum clamp 2 (for example, from fused silica or K8 glass), the upper optically transparent a press clamp plate 4 (for example, from K8 glass), which is mounted with the possibility of vertical movement in a guide rail fixed to the base 1 5 and freely supported (or pivotally mounted) on retractable rods 6 (the ends of the rods 6 are inserted into the holes made in the press plate 4) of three compact motorized drives 7 with a stepper motor (for example, Standa motorized drives 8СМА28-10 ), forming a single drive of vertical movement, which are uniformly fixed on the base 1. On the upper plate 4 of the press clamp, a flexible optically transparent siloxane die-matrix 8 is fixed with a forming surface in the form of a “mirror” copy of the original with m relief microstructure formed, e.g., of "silastic T-4", which is a transparent, viscous fluid composition based on silicone rubber, capable to move into rubbery state after mixing with the hardener at room temperature. Above the upper presser plate 4 is a light source 9, preferably in the form of a source of ultraviolet UV radiation.

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.Moreover, the upper plate 4 of the press clamp is preferably made with a cylindrical side surface and has an oval shape in plan, and the guide sleeve 5 is made in the form of a cylindrical cup fixed on the base 1, the inner side surface of which is mated with an oval-shaped side surface of the plate 4 of the press -clip.

Предпочтительно, рабочая поверхность гибкой матрицы-штампа 8 может быть выполнена с антиадгезионным покрытием по отношению к материалу фотоотверждаемой полимерной композиции (на чертеже не показано).Preferably, the working surface of the flexible die 8 can be made with a release coating with respect to the material of the photocurable polymer composition (not shown).

Кроме того, на основании 1 может быть установлен дополнительный, например, механический пресс 10, давящий шток которого воздействует - передает осевое усилие на плиту пресс-прижима.In addition, on the basis of 1 can be installed additional, for example, a mechanical press 10, the pressure rod of which acts - transfers the axial force to the plate of the press clamp.

Автоматизированное плоскопараллельное позиционированиеAutomated plane-parallel positioning

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.the forming surface of the die 8 when moving in a vertical direction relative to the horizontal base 1 and the substrate 3 provides a software control unit, for example, based on a computer (not shown), to which the controllers of stepper motors of motorized drives 7 are connected.

Заявленное устройство для формирования планарной микроструктуры с рельефной поверхностью работает следующим образом.The claimed device for forming a planar microstructure with a relief surface works as follows.

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.).The working surface of the substrate 3 is coated with an adhesive layer based on a 0.1% (wt.) Water-isopropanol (50/50) solution of methacryloyloxypropyltriethoxysilane with a thickness of not more than 250 nm, place the substrate 3 on a vacuum clip 2 of a horizontal base 1, turn on the vacuum pump 11 and reliably fix the substrate 3 on a horizontal base 1. The forming surface of the optically transparent siloxane die 8 is treated with a release agent based on a vapor mixture of dimethyldichlorosilane and trimethylchlorosilane followed by hydrolysis atsiey in water vapor. 25 ÷ 33 μl of a pre-prepared photocurable polymer composition based on the polymerizable component of oligocarbonate methacrylate D-1 (97% by weight) and photo-initiator of 2,2-dimethoxy-2-acetophenone (3% by weight) is placed on a substrate 3.

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.Using the software control unit, to which the controllers of the stepper motors of the motorized drives 7 are connected, an automated plane-parallel movement is made — the plate 4 of the press clamp with die 8 is mounted on the retractable rods 6 of three compact motorized drives 7 in the vertical direction relative to the horizontal base 1 to a predetermined distance between the substrate 3 and the forming surface of the die 8, for example, equal to 50 μm. In this case, the liquid photopolymer composition is pressed by the die 8, the polymer spreads, filling the volume determined by the relief of the shaping surface of the die 8. For better flow of the polymer into small elements of the structure of the forming surface, the press plate 4 with the die 8 can be further pressed with using a mechanical press 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.The light source 9 is turned on and the photocurable polymer composition is exposed to ultraviolet UV radiation through the optically transparent upper press plate 4 and die 8, preferably for 30 minutes, initiating the photopolymerization process until the photoinitiator completely decays. In this case, the relief of the forming surface of the die 8 is transferred to the substrate 3. After turning off the light source 9 using the software control unit, acting on the stepper motors of the motorized drives 7, the press plate 4 is lifted with the die 8, and the forming surface matrix-stamp 8 with a release coating is easily separated from the substrate 3 with the applied relief polymer layer. Turn off the vacuum pump 11 of the vacuum clamp 2 and remove the substrate 3 with the prepared planar microstructure from the base 1.

Claims

1. Installation for forming a planar microstructure with a relief surface from a photocurable polymer composition by contact copying of the matrix relief, including a base on which a substrate with a photopolymerizable composition of the photocurable polymer composition is deposited, an upper press clamp plate mounted in a guide sleeve fixed to the base and provided vertical displacement drive parallel to the base on which the die-matrix with the forming surface is fixed in the form of a “mirror” copy of the formed relief of the microstructure, and a light source located above the upper press clamp plate, the press clamp plate and die die made of optically transparent material, characterized in that the vertical movement drive of the press clamp plate is made in the form of three uniformly located on the basis of compact motorized drives with a stepper motor, on the sliding rods of which a press clamp plate is installed.

2. Installation according to claim 1, characterized in that an additional mechanical press clamp is fixed on the base, the pressure rod of which acts — transfers axial force to the press clamp plate.

3. Installation according to claim 1, characterized in that the press clamp plate is made with a cylindrical side surface and has an oval shape in plan, and the guide sleeve is made in the form of a cylindrical cup fixed to the base, the inner side surface of which is mated with the side surface of the plate press clamp.

4. Installation according to p. 1, characterized in that the base is equipped with a vacuum clip for fixing-fixing the substrate.

5. Installation according to claim 1, characterized in that the working surface of the die matrix is made with a release coating in relation to the material of the photocurable polymer composition.

6. Installation according to claim 1, characterized in that the light source is made in the form of a source of ultraviolet radiation.