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研究生:廖健廷
研究生(外文):chien-ting Liao
論文名稱:滾輪式軟模轉印製程應用於微結構製造之研究
論文名稱(外文):Replication of Micro-structures by Soft-Mold Embossing
指導教授:劉士榮劉士榮引用關係
指導教授(外文):Shih-Jung Liu
學位類別:碩士
校院名稱:長庚大學
系所名稱:機械工程研究所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2008
畢業學年度:96
論文頁數:94
中文關鍵詞:軟微影滾輪軟模刮刀紫外光固化凸模轉印
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中文摘要
隨著微機電系統技術的進步,加工技術不斷地創新及微小化,但昂貴的設備費用及複雜的製程,一直是一道很高的門檻。軟微影是一種由微機電系統延伸而來的奈米複製技術,原理為利用軟模翻製的方式,複製出一個軟式圖形印章,由該印章再印出所需的圖案,整個過程簡單快速,又不需要昂貴的設備,具有相當的便利性。
本研究為結合滾輪與軟模的方式,開發出一個具有多次轉印功能及刮刀系統的滾輪式軟模轉印機台,並利用UV光固化的原理,以光固化樹脂轉印出微結構,將得到的結構加以量測、紀錄,並研究各種參數對微結構的影響,改良轉印製程。
在研究過程中我們發現,黏度高的光固化樹脂有較好的成型性,但也容易產生氣泡等缺陷,黏度低的則剛好相反;另外利用凸模轉印的方式,將材料填入已經形成的模穴結構中,能夠提供一種全新的填料製程,將其應用於光學元件的製造。
Abstract
Following the technical evolution of the Micro-Electro-Mechanical System (MEMS), manufacturing technics has continuously been innovating and microlizating, but the expensive equipment and complicated manufacturing process have always been very high threshold. The Soft-Lithography is a kind of developed nano replicated technics from MEMS. Using the Soft-mold methodology to replicate a soft graphic mold, and using the mold to print the graph. The whole process use a simple, quick and non-expensive equipment, and with very convenience.
In this paper, it is combining the Roller and Soft-mold as a tool to develop a roller soft-mold printing machine with multiple printing function and drawknife system. Using the UV resin the to print the micro structure based on UV-curing principle, trying to measure and record the printing structure, and study several parameters which may impact the printing micro structure to improve the printing process.
In the research process, we can find the UV resin with high viscosity has better replication, but it may has the defect of bubbles, and the lower viscous UV resin has the contrarily effect. Using the soft-mold printing to fill the material into the formed mold cave structure could provide a kind of brand new filling manufacturing process to apply in manufacturing the optical elements.
目錄
指導教授推薦書…………………………………………………………
口試委員會審定書………………………………………………………
授權書…………………………………………………………………iii
誌謝……………………………………………………………………iv
中文摘要………………………………………………………………… v
英文摘要………………………………………………………………vi
目錄……………………………………………………………………vii
圖目錄……………………………………………………………………x
表目錄…………………………………………………………………xiv

第一章 導論………………………………………………………… 1
1.1 研究背景…………………………………………………… 1
1.1.1 軟微影技術(Soft Lithography)…………………… 1
1.1.2 光固化轉印材料……………………………………… 4
1.2 滾印製程優勢……………………………………………… 4
1.3 彩色濾光片製程發展……………………………………… 5
1.4 研究目標…………………………………………………… 5
1.5 論文架構…………………………………………………… 6
第二章 文獻回顧…………………………………………………… 7
2.1 軟式微影相關文獻………………………………………… 7
2.2 PDMS材料及相關應用…………………………………… 9
2.3 滾輪壓印成型技術………………………………………… 10
2.4 其他文獻…………………………………………………… 12
2.5 文獻總結…………………………………………………… 13
第三章 實驗設備與材料…………………………………………… 14
3.1 滾輪轉印設備……………………………………………… 14
3.1.1 轉印機台之改良…………………………………… 14
3.1.2 刮刀系統…………………………………… 17
3.1.3 曝光光源……………………………………… 19
3.1.4 黃光設備……………………………………… 20
3.2 量測儀器…………………………………………………… 20
3.3 實驗材料…………………………………………………… 23
3.3.1 軟模材料…………………………………………… 23
3.3.2 轉印材料…………………………………………… 23
第四章 研究方法…………………………………………………… 25
4.1 實驗步驟…………………………………………………… 25
4.1.1 翻模前處理………………………………………… 25
4.1.2 軟模翻製…………………………………………… 26
4.2 實驗方法…………………………………………………… 27
4.2.1 刮刀測試實驗……………………………………… 27
4.2.2模穴矩陣轉印………………………………………… 28
4.2.3填料轉印……………………………………………… 29
第五章 實驗結果與討論…………………………………………… 34
5.1 轉印機台能力測試………………………………………… 34
5.1.1 刮刀與製作薄膜能力之關係…………………… 34
5.1.2 對位性能測試……………………………………… 41
5.1.3 機台壓力均勻度測試……………………………… 45
5.2 模穴矩陣膜轉印…………………………………………… 46
5.2.1 轉印成品外觀……………………………………… 46
5.2.2 材料黏度對模穴矩陣的影響……………………… 48
5.3 填料轉印…………………………………………………… 53
5.3.1 初步填料轉印……………………………………… 53
5.3.2 填料參數對填料結果影響………………………… 54
5.3.3 預固化填料………………………………………… 59
5.3.4 PDMS軟模的破壞…………………………………… 61
5.3.5 結構表面粗糙度量測……………………………… 63
第六章 結論與未來發展…………………………………………… 60
6.1 結論………………………………………………………… 60
6.2 未來發展…………………………………………………… 61
參考文獻…………………………………………………… 63

圖目錄
圖1-1 軟微影流程示意圖…………………………………………… 4
圖2-1 軟微影流程圖………………………………………………… 8
圖2-2 熱壓轉印製程示意圖………………………………………… 10
圖2-3 滾輪式奈米壓印示意圖……………………………………… 11
圖2-4 滾輪式軟模壓印示意圖……………………………………… 12
圖3-1 原始轉印設備外觀立體圖…………………………………… 14
圖3-2 原始轉印設備外觀側視圖…………………………………… 15
圖3-3 平移台與滑軌Pro/E設計圖………………………………… 15
圖3-4 轉印基座Pro/E設計圖………………………………………16
圖3-5 轉印設備組立圖 前視圖……………………………………16
圖3-6 轉印設備實體圖………………………………………………17
圖3-7 銳角刮刀實體及工程圖………………………………………18
圖3-8 圓角刮刀實體及工程圖………………………………………18
圖3-9 刮刀固定座Pro/E設計圖……………………………………19
圖3-10 刮刀固定座與升降台實體圖…………………………………19
圖3-11 UV曝光設備…………………………………………………20
圖3-12 黃光設備………………………………………………………20
圖3-13 立體顯微鏡及光學顯微鏡……………………………………21
圖3-14 數位千分儀……………………………………………………22
圖3-15 電子顯微鏡……………………………………………………22
圖3-16 原子力顯微鏡…………………………………………………23
圖4-1 模具剖面示意圖………………………………………………26
圖4-2 模穴矩陣轉印實驗示意圖……………………………………28
圖4-3 填料轉印實驗示意圖…………………………………………30
圖4-4 液體與玻璃的角接觸量測……………………………………30
圖4-5 液體與鐵材的角接觸量測……………………………………31
圖4-6 液體與玻璃的角接觸量測……………………………………31
圖4-7 塗佈印章實體圖………………………………………………32
圖4-8 塗佈印章操作示意圖…………………………………………32
圖5-1 銳角刮刀除料轉印示意圖……………………………………34
圖5-2 圓角刮刀除料轉印示意圖……………………………………35
圖5-3 薄膜取樣示意圖………………………………………………35
圖5-4 膜厚與位置關係圖(D = 500,圓角刀片)…………………36
圖5-5 膜厚與位置關係圖(D = 500,銳角刀片)…………………36
圖5-6 膜厚與位置關係圖(D = 300,圓角刀片)…………………37
圖5-7 膜厚與位置關係圖(D = 300,銳角刀片)…………………37
圖5-8 膜厚與位置關係圖(D = 100,銳角刀片)…………………38
圖5-9 膜厚與位置關係圖 (銳角, D = 100, A = 45, V = 1.5) ………39
圖5-10 膜厚與位置關係圖 (銳角, D = 100, A = 45, V = 3) ………39
圖5-11 膜厚與位置關係圖 (銳角, D = 100, A = 30, V = 1.5) ………40
圖5-12 凹模對位示意圖………………………………………………41
圖5-13 對位結構放大圖(40X)………………………………………42
圖5-14對位結構SEM圖(100X)……………………………………43
圖5-15 光學量測 (80X)………………………………………………43
圖5-16 量測取樣圖……………………………………………………44
圖5-17 對位位置與誤差圖……………………………………………44
圖5-18 基板與滾輪接觸後感壓軟片圖 機台改良後………………45
圖5-19 基板與滾輪接觸後感壓軟片圖 機台改良前………………45
圖5-20 微結構放大圖 (80X)…………………………………………46
圖5-21 表面輪廓圖……………………………………………………47
圖5-22 模穴矩陣結構 SEM圖 (150X)………………………………47
圖5-23 CPS=19000 SEM圖 (500X)…………………………………48
圖5-24 CPS=9500 SEM圖 (500X)……………………………………49
圖5-25 CPS=1000 SEM圖 (500X)……………………………………49
圖5-26 不同材料黏度與結構尺寸關係圖……………………………50
圖5-27 CPS=21000 微結構SEM圖 (100X)…………………………51
圖5-28 CPS=19000 微結構OM圖 (40X)……………………………51
圖5-29 CPS=9500 微結構OM圖 (40X)……………………………52
圖5-30 CPS=1000 微結構OM圖 (40X)……………………………52
圖5-31 材料黏度與氣泡數量關係圖…………………………………53
圖5-32 初步填料結果 SEM圖 (150X)………………………………54
圖5-33 延遲時間=300秒 SEM圖 (150X)…………………………55
圖5-34 延遲時間=180秒 SEM圖 (150X)…………………………55
圖5-35 延遲時間與模穴周圍材料高度關係圖………………………56
圖5-36 基板平移距離=100μm 填料結果 SEM圖 (150X)…………57
圖5-37 基板平移距離與填料高度關係圖……………………………57
圖5-38 滾輪與轉印材料間隙=0μm 填料結果 SEM圖(150X)……58
圖5-39 滾輪與轉印材料間隙=-50μm 填料結果 SEM圖(150X)…59
圖5-40 預固化示意圖…………………………………………………60
圖5-41 預固化填料結果 T=180s SEM圖(150X)……………………60
圖5-42 預固化填料結果 T=300s SEM圖(150X)……………………61
圖5-43 軟模結構破壞 SEM圖 (70X)………………………………62
圖5-44 軟模變形造成脫模困難示意圖………………………………62
圖5-45 模穴矩陣膜表面粗糙度結果…………………………………63
圖5-46 填料轉印表面粗糙度結果……………………………………64

表目錄
表3-1 光硬化樹脂性質表……………………………………………24
表4-1 模穴矩陣轉印參數表…………………………………………28
表4-2 填料轉印參數表………………………………………………33
參考文獻
1. 張致遠,「創新型微奈米軟模轉印技術之研發與應用」,國立台灣大學,博士論文,民國95年。
2. 方煌盛,「滾輪式微結構轉印製程開發研究」,國立台灣大學,碩士論文,民國94年。
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Jackie Chen,WeisongWang, Ji Fang and Kody Varahramyan, " Variable-focusing microlens with microfluidic chip", J. Micromech. Microeng., 14, pp.675–680, (2004).
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