Roll-to-Roll連續式微奈米壓印技術：材料世界網

奈米壓印微影技術是一種通用、具成本效益的高生產力方法，其已被驗證可用於建立10 nm以下結構的優異特性，成為目前製作微奈米結構之關鍵技術；其應用目標廣泛，包括資料儲存元件、光學元件、生物感測器及半導體製程開發等都很有發展潛力。近來全世界許多一流研究中心與公司都在積極開發Roll-to-Roll (R2R)連續式微奈米壓印設備與技術，如Center for Functional Material (Finland)、Michigan University(USA)、Toshiba Machine、Hitachi (Japan)等，其著眼於R2R連續式微奈米轉印技術可以突破現有平版式壓印技術之製程時間長、面積小的瓶頸，具有低成本及連續性生產的競爭優勢，是奈米壓印技術能否導入商品化量產的重要關鍵。

R2R連續式微奈米壓印製造技術原理是以具有微奈米結構滾筒在可撓性基材上，以連續性滾壓複製方式生產大面積具備微奈米結構的功能性元件，與平版式壓印技術比較，除了可大幅提升產量外，也能因此有效避免許多不均的現象。

連續式微奈米壓印轉印製程步驟
圖一為利用轉印方式製作微奈米結構的技術流程示意圖，主要有接觸式轉印、熱壓式轉印、UV硬化式轉印等三種方式。接觸式轉印主要是利用模具沾黏待轉印材料於模具上，再將待轉印材料以沾黏方式將圖形轉移複製於基板上；熱壓式轉印是利用熱塑性材料於玻璃轉換溫度以上時之可塑性，施加壓力使熱塑性材料填滿壓印模具之溝槽而進行圖形轉換，爾後再將溫度降低，使轉印圖形固化定型；UV硬化式轉印使用之材料原本即是流動性高且可UV固化型之材料，壓印模具加壓使UV固化型高分子材料填滿轉印圖形後進行UV固化脫膜，即完成圖形轉印。
有鑑於平版式的微奈米壓印製程速度較慢和大面積轉印均勻性控制不易的限制，且為了因應該技術之量產需求，許多單位均致力於開發R2R連續式微奈米壓印設備與技術。

一般R2R連續式轉印製程大致包含以下三個基本步驟，第一段是塗佈工程(Deposition)，將膜材或光阻等待轉印材料塗佈於基板上；第二段是轉印成型工程(Patterning)，為轉印成型的關鍵，將滾輪模具上的結構複製轉印於前段所塗佈之待轉印材料上，並固化成型，固化機制分成熱壓轉印、UV固化轉印及兩種混合等型式；第三段是收捲貼合工程(Packaging)，將完成圖形轉印之基材與保護膜，或其他功能性基材進行貼合收捲，圖二為一般R2R連續式轉印製程之流程。

圖一、製作微奈米結構的主要技術流程示意圖

R2R連續式微奈米壓印轉印製程技術發展現況
芬蘭的功能性材料研發中心(Center for Functional Material)自行開發一套R2R連續式微奈米壓印系統，其示意圖如圖五所示。此架構中先使用電子束微影技術製作出平版式表面結構模具，再利用電鑄方式翻鑄出薄板狀鎳模具，此鎳模具可貼附於滾筒上形成滾筒模具，貼附的方式可利用背膠或機械溝槽嵌入完成。

日本的Hitachi研發團隊發表了自行開發的R2R連續式微奈米轉印系統，其系統操作流程及實體機台如圖七所示。由圖中可看出其主要是利用履帶式的軟性壓印模具進行圖形轉印，比較特別的是此機制能延長軟性模具與被壓印材料接觸的時間，有助於熱塑性材料的熱壓製程圖形轉印。圖七的壓印製程在壓印接觸的區塊可分成三個階段，一開始是加熱與加壓區，先加熱使轉印材料之膜表面溫度高於其玻璃轉換溫度，再利用背壓輪加壓及張力控制的方式，使轉印材料複製出軟性模具之圖形；第二階段的目的是降溫冷卻，在玻璃轉換溫度以上的熱塑性材料經過加壓完成圖形複製後，需要進行降溫，使轉印材料固化，之後進入第三個階段脫膜，即完成圖形轉印。

美國密西根大學L. Jay Guo教授等人也開發一套可用於熱固化與UV固化製程的R2R連續式微奈米轉印系統。其滾輪模具的製作是先以雷射干涉微影的方式，於矽基板上製作出規則的次微米圖形模具，完成矽基板模具後，利用熱壓的方式將矽基板上的圖形轉印至ETFE (Ethylenetetrafluoroethylene)軟膜上完成軟性模具，ETFE模具完成後再將其利用光學膠貼附於滾輪上，即完成滾輪模具。其在製程方面使用了兩種材料，分別適用於熱固化與UV固化製程，在熱固化製程中，使用能夠快速固化的高分子材料，此材料以PDMS(Poly(Dimethylsiloxane))為主，再加上其他添加劑，使其具有低黏度且快速熱固化的特性快速填滿滾輪模具中，並能在120°C的操作溫度下，數秒內就完成固化，使轉印圖形可以順利脫模；另一個UV固化製程是使用低黏度的Epoxysilicon做為UV固化光阻，不同於一般平版式的UV壓印製程多使用Acrylate-based Resists、Epoxysilicon光阻，不會有厭氧性且其UV硬化收縮率較低，對於R2R製程不需另外抽真空或通入其他氣體的步驟。加上其選用黏度較低的Epoxysilicon光阻，使光阻能在較小的操作壓力及較短的時間內就填滿滾輪模具，隨後再照射UV光使其固化，即完成圖形轉印。

圖十為R2R連續式微奈米轉印製程架構，主要分成塗料區段、圖形轉印區段及圖形轉印後續製程區段等三個區段。在圖形轉印區段一開始是利用背壓輪加壓的方式，使高分子塗料能快速填滿滾輪模具中，在滾輪模具的後半段則以加熱源或UV燈的方式進行轉印圖形固化程序……以上內容為重點摘錄，如欲詳細全文請見原文

圖七、Hitachi 開發之履帶式R2R連續式微奈米轉印系統