Pulsed-NIL

Competitività e nuove possibilità
Pulsed NIL e NIL termico convenzionale

Schermata 2016-05-07 alle 15.16.23Il Pulsed-NIL è un processo brevettato che nasce come evoluzione della Nanoimprint Lithography termica. Mentre quest’ultima prevede che il calore del ciclo termico sia fornito dai piatti riscaldati di una pressa, nella tecnologia Pulsed-NIL lo stampo stesso è la sorgente del calore grazie al riscaldatore 2D integrato disposto al di sotto della superficie patternata. Grazie ad un impulso di corrente di breve durata e di grande intensità si possono raggiungere temperature elevate. Di conseguenza il polimero a contatto con lo stampo raggiunge una bassa viscosità durante brevissimo ciclo termico.

Il Pulsed-NIL sfrutta stampi riscaldanti ma al contempo si affida a concetti ben assodati e know-how relativi al NIL termico.  Rispetto agli stampi in silicio patternato utilizzati nel NIL convenzionale, un layer superficiale viene modificato per essere elettricamente conduttivo perciò può essere scaldato mediante un impulso ad alto voltaggio. La differenza principale è la presenza di connessioni elettriche tra lo strumento e gli stampo mentre gli altri aspetti rimangono esenzialmente invariati. Una serie di vantaggi derivano proprio dalla semplicità della tecnica.

L’assenza di un sistema di riscaldamento e raffreddamento esterno e quindi la presenza di un ridotto apparato termico permettono di avere una macchina più semplice e dotata di allineamento.  Il calore è ristretto alla superficie dello stampo mentre il bulk rimane a temperatura ambiente; l’esposizione a impulsi di corrente porta al riscaldamento della superficie in microsecondi e, dopo il riempimento completo delle strutture, ad un rapido raffreddamento dopo pochi millisecondi per dissipazione nel bulk dello stampo e del polimero stampato. Questi brevi impulsi permettono di lavorare a temperature ben maggiori rispetto a quelle del NIL termico tradizionale, cioè oltre i 200°C per i tipici polimeri termoplastici.

Viste le alte temperature in gioco, la stampa avviene velocemente e il deterioramento del polimero non è critico. Per questi motivi la tecnologià mantiene la maggior parte dei vantaggi del NIL termico (una struttura semplice della macchina, il controllo della pressione per una stampa uniforme ad alta pressione rispetto al riempimento capillare, hard stamp structures, opaque stamps, l’uso di silicio per gli stampi) ma al contempo ne riduce le difficoltà tipicalmente associate ad esso (espanione termica, tempi estesi per l’imprinting a minimo layer residuo).

Vantaggi competitivi del Pulsed-NIL
  • Grande velocità e grande produzione: whatever rate at which robots will be able to feed the substrates to the Pulsed-NIL module, will never exceed that of the latter to imprint them.
  • Una copertura quasi senza cuciture di grandi superfici in modalità di step & repeat partendo da stampi piccoli. Si è mostrato come il Pulsed-NIL abbia la capacità di mantenere the width of seams between adjacent fields to less than 100 nm.
  • Idealmente applicabile a tutti i materiali termoplastici, anche quelli che si ammorbidiscono ad alte temperature, come Polyimide (Kapton®),  PTFE (Teflon®)) or PEDOT:PSS, possono essere strutturati. La rapidità del processo previene la degradazione del materiale nonostante vengano raggiunte temperature molto alte.
  • Stampa della superficie di oggetti senza deformarne la struttura complessiva.
  • Basso impatto sulla stabilità dimensionale dello stampo riducendo gli effetti di espanzione termica, in quanto il riscaldamento avviene solo sulla superficie dello stampo.
  • Possibilità di realizzare strutture tridimensionali multiscala e multilivello mediante l’aggiunta sequenziale di strutture sempre più piccole
  • Risparmio energetico: riduzione di cinquanta volte del calore richiesto per il Pulsed-NIL rispetto alla stampa termica tradizionare a parità di superficie.
  • Nanostrutturazione con capacità pari alle attuali tecniche fotolitografiche, cioè alla risoluzione inferiore a 10nm per il pattern trasferito.
  • Stampa diretta sul materiale senza esposizioni e sviluppi chimici per ottenere materiali funzionali, geometrie 3D, strutture ibride inclusa la copia di stampi.
  • Nanostrutture gerarchiche: miglioramento verso grandi produzioni, aree maggiori, automatizzaazione e la possibilità di integrare il sistema su linee manifatturiere.

Il Pulsed-NIL è un approccio molto innovativo che risolve molteplici svantaggi associati al NIL termico. In particolare è mirato a superare le seguenti difficoltà delle macchine tradizionali:

  • sovrapposizione tra aree ravvicinate: è già stato possibile ottenere prove di sovrapposizioni di strutture senza cucitura utilizzando il sistema ULISS senza l’integrazione del sistema di allineamento. Per questo motivo stiamo sviluppando un nuovo sistema dedicato di step&repeat (S&R) che permetterà di strutturare grandi aree ripetendo un piccolo pattern, che sarà usato come controparte al processo roll-to-roll (R2R) dove non è invece possibile evitare le cuciture.
  • stampa sulla topografia preservando le forme iniziali: stampare delle nanostrutture su una superficie già strutturata senza causare il collassamento o distorsione delle strutture presenti è ora possibile e costituirà un importante svolta ade esempio nella realizzazione di strutturazione gerarchica e in strategie di biomimica.
  • materiali funzionali che necessitano di mantenere le proprie proprietà chimico-fisiche possono ora essere patternate senza perdere le proprie funzioni grazie al ridotto ciclo termico utilizzato.
Il Nanoimprint Lithography (NIL) termico e la necessità di migliorarlo

L’invenzione della Nanoimprint Lithography (LIL) nel 1994 può essere considerata una delle svolte nel campo delle nanotecnologie. Se la capacità di riprodurre nanostrutture fino a pochi nanometri rappresenta la caratteristica di punta della NIL, il ridotto costo della strumentazione e la relativa semplicità dei processi ne hanno senza dubbio contribuito all’ ampia diffusione nel campo della ricerca. 

La possibilità di processare superfici di ampia area ha reso la tecnica interessante anche per l’industria. La combinazione unica delle sue caratteristiche, tipo l’alta risoluzione, il ridotto costo e la possibilità di processare ampie aree di film sottili termoplastici in parallelo ha permesso alla NIL di competere con le comuni teniche litografiche già in uso in diversi settori, incluse fotonica, MEMS, microfluidica, dispositivi medici, sistemi di conversione di energia rinnovabile, data storage ed elettronica di consumo.

Tuttavia, nell’ottica della produzione di massa non risulta ottimale e cioè rappresenta un limite del NIL. Difatti per il NIL termico (T-NIL) è necessario un intervallo di tempo considerevole nei processi di riscaldamento e raffreddamento per l’indentazione e il riempimento delle cavità. Per questo la litrografia per nanoimprint ultravioletto (UV-NIL) ad oggi meglio soffisfa le esigenze della produzione di massa in quanto in quanto vengono utilizzati monomeri e oligomeri fotoinduribili a bassa viscosità. L’obiettivo di ThunderNIL è stato quello di focalizzarsi sul T-NIL e migliorarne le caratteristiche, rendendolo competitivo anche rispetto al UV-NIL.

Nei sistemi standard di T-NIL, per motivi ingegneristici gli step di riscaldamento e raffreddamento richiedono tipicamente più di un minuto. Il tempo necessario per l’indentazione, invece, varia tra 1 e 10 minuti ed è dipendente dalla reologia del polimero. Il nostro lavoro parte dalla considerazione che la durata del ciclo di NIL termico è determinata da aspetti pratici più che da limiti fisici. Ogniuna delle tre fasi del processo, cioè riscaldamento, indentazione e raffreddamento, può essere eseguita più velocemente di diversi ordini rispetto alla T-NIL standard come è già stato dimostrato dalla NIL con l’uso di laser (laser-assisted NIL) dove le alte temperature raggiunte, approssimativamente 400°C, assicurano un veloce scioglimento del polimero e la conseguente indentazione delle strutture. Tuttavia questo approccio di strutturazione termomeccanica ultrafast non è facilmente estendibile a superfici più grandi di alcuni mm2.

La caratteristica principale che può essere esportato e che permette di realizzare processi in tempi ridotti rispetto al NIL termico è quella per cui non ci sono “grandi” capacità termiche che vengono riscaldate ma solo una piccola massa partecipa al ciclo termico assieme a quella del film sottile polimerico.

Perciò occorre un sistema alternativo alle piastre riscaldanti di diversi chili di acciaio che rallentano gli step di riscaldamento e raffreddamento e che precludono la possibilità di raggiungere temperature più alte che garantirebbero una indentazione più rapida vista la riduzione di viscosità del polimero. Occorre anche ricorda che ogni ciclo termico una grande quantità di energia immagazzinata nelle piastre viene dissipata, incrementando anche il costo energetico del processo. Un modo alternativo per riscaldare il sistema è perciò quello ideato da ThunderNIL, un sistema in cui lo stampo stesso funge da riscaldatore e scioglie il film polimerico.