CN109696799B - 一种辊型紫外纳米压印装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种辊型紫外纳米压印装置，包括机架，机架上固定有承重板和支撑板，所述的支撑板上固定有放卷辊、收卷辊、涂胶装置、刮胶装置、支撑装置、调节装置、支撑辊一、支撑辊二、支撑辊三、支撑辊四、预固化装置、支撑辊五、导向辊、紫外灯、支撑辊六、伺服电机一、伺服电机二和钢板。衬底经由涂胶装置进行涂胶和刮胶后，传输至支撑装置和调节装置处进行压印，并通过紫外灯固化，最后由收卷辊进行收卷。本发明通过调节压印辊与背辊精确的对齐与挤压，从而使模板、衬底和背辊之间形成良好的共形接触；加入了超声波清洗装置，能够去除残胶并能够对压印辊提供冷却作用，降低了压印辊模板中的热应力，保护了模板，提高了压印的精度。
Description
技术领域
本发明涉及一种纳米压印装置，尤指一种辊型紫外纳米压印装置，属于微纳制造技术领域。
背景技术
纳米压印技术由华裔科学家周郁于1995年提出，因其相较于传统光刻技术，能够实现廉价、快速的制造微纳图案，因此在半导体、生物工程等方面具有很大的市场前景。
发明内容
对于纳米压印技术，无论是平面对平面纳米压印、辊对平面纳米压印，还是辊对辊纳米压印，控制模板与衬底之间的对齐和共形接触都是显得尤为重要，模板与衬底间的共形接触关乎着纳米压印的图案精度，模板和衬底之间能否精准对齐则决定了模板压印的图案是否会产生偏移，也增加了调节模板与衬底共形接触的难度。如果模板与衬底间未能实现良好的共形接触，将会导致施加的压印力不均匀，从而导致压印精度降低，或者导致模板与衬底之间发生滑移现象，不仅仅会导致特征图案的复刻失败，还极有可能破坏模板和衬底。针对此问题，公告号为CN 103246161 B的专利公布了一种用于大面积纳米压印的自适应压印头，但其主要适用于辊对平面纳米压印，在辊对辊纳米压印的过程中，缺乏对其他自由度的控制，压印力施加与控制较为困难。公布号为CN 106324984 A的专利公开了一种辊对辊紫外纳米压印装置及方法，通过移动导轨和微动平台对压印图案和宽深比进行精确控制，却忽视了压印辊与背辊间的平行度和共形接触问题。
HyungJun Lim等人在题为Nanoimprint lithography with a soft roller andfocused UV light for flexible substrates的文章中提及压印力的大小对软模板的变形有一定的作用，且软模板所变形压平的区域与紫外灯曝光固化区域有着紧密的联系，控制压平区域能够计算出所需灯带的多少，避免了添加过多灯带的浪费，降低了所需的成本。因此，压印辊与背辊之间的共形接触和施加适当的压印力变得尤为重要。
此外，紫外纳米压印技术虽相较于传统热压印对环境要求不再苛刻，对模板衬底影响较小，但相关因素仍然会导致压印图案的精度出现问题。Ankur Jain在ThermalModeling of Ultraviolet Nanoimprint Lithography一文中提及紫外灯固化过程中将会使得光刻胶吸收能量而产热，并将热量传递给模板，且模板中心区域的热应力堆积难以消散，将会对压印过程造成一定的影响。且一般辊型紫外纳米压印均采用软模板来进行压印，一般为PDMS等材料，PDMS等材料的弹性模量和泊松比会随着温度变化而变化。一者，如果不对温度进行控制，将会需要以牺牲加工效率为代价来缓解热应力所造成的压印图案不精确的问题，如果不作处理，随着热应力的堆积，甚至可能对模板产生损伤。二者，不对温度进行控制，模板的材料性质会相应改变，难以对脱模力和辊的转速进行精准控制，从而导致图案转印不精确。除此之外，在脱模过程中，或多或少都会对胶层进行撕裂，致使模板的特征图案中掺杂有撕裂的胶层，如果不对其进行处理，将会对后续的压印过程造成影响。
综上，目前辊对辊紫外纳米压印装置具有以下缺点：需要准确调节压印辊与背辊间的平行度和共形接触；需要高效、低损伤的消除压印辊中残余胶层，以减少其对压印精度的影响；需要一定的冷却方式以解决热应力对模板和加工效率的影响。
发明内容
本发明目的是为了解决辊对辊紫外纳米压印过程中模板与衬底间难以实现对齐和共形接触、紫外固化过程中热应力影响压印和残余胶层影响压印精度及加工效率等问题，提供了一种辊型紫外纳米压印装置。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，包括机架、支撑板、放卷辊、收卷辊、承重板、涂胶装置、刮胶装置、支撑装置、调节装置、衬底、支撑辊一、支撑辊二、支撑辊三、支撑辊四、预固化装置、支撑辊五、导向辊、紫外灯、支撑辊六、伺服电机一、伺服电机二和钢板，其中支撑板与承重板通过螺钉固定于机架上，放卷辊通过轴承连接在支撑板上，并与通过螺钉固定于支撑板背侧的伺服电机一相连，收卷辊通过轴承连接在支撑板上，并与通过螺钉固定于支撑板背侧的伺服电机二相连，支撑辊一、支撑辊二、支撑辊三、支撑辊四、支撑辊五、支撑辊六通过轴承连接在支撑板上，涂胶装置、刮胶装置和预固化装置通过螺钉固定于支撑板上，导向辊通过轴承连接在支撑板上，支撑装置通过螺钉固定于支撑板上，紫外灯通过螺钉固定于支撑装置背面，调节装置右侧通过螺钉与支撑板相连，左端通过螺钉与钢板相连，钢板通过螺钉与承重板相连以保证调节装置的稳固。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的导向辊表面附着一层保护层以减少对涂胶衬底表面的损伤。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的机架包括4040铝型材、肋板和支撑杆，4040铝型材通过肋板与螺钉连接固定，支撑杆通过螺钉固定于机架两侧。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的刮胶装置，包括微分头一与刮胶刀，刮胶装置通过螺钉固定于支撑板上，微分头一与刮胶刀相连，用于将胶层厚度控制至指定厚度。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的支撑装置，包括支架板、密封板、背辊、移动块、筋板、弹性层、支撑架和通孔，其中，支架板通过螺钉固定于支撑板上，支架板上有筋板加以固定，支撑架通过螺钉与支架板固定，背辊由透明玻璃制成，并通过空气轴承配合放置于移动块中，支撑架通过凹槽放置弹性层与移动块，通过密封板加以固定，以限制弹性层横向的位移，在支架板后侧有通孔，用于使紫外光通过。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的调节装置，包括压印辊、固定块、高精度手动位移平台一、高精度手动位移平台二、干燥装置、高精度电控平移台、液压杆和超声波清洗装置，其中，高精度手动位移平台一包括微分头二，高精度手动位移平台二包括微分头三，高精度手动位移平台二通过螺钉固定于滑块上，高精度手动位移平台一通过螺钉固定于高精度手动位移平台二上，固定块通过螺钉固定于高精度手动位移平台一上，压印辊通过空气轴承配合在固定块中，所述的压印辊表面包有一层PDMS软模板，液压杆底端通过螺钉固定在高精度手动位移平台二上，上端与超声波清洗装置相连，干燥装置通过螺钉与固定块的侧壁相连接。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的高精度电控平移台，包括滑块、滚珠丝杠、丝杠支撑座、联轴器和伺服电机三，滚珠丝杠通过联轴器与伺服电机三相连，滚珠丝杠通过丝杠支撑座固定，滑块和滚珠丝杠通过轴承配合。
根据本发明的目的提出的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的超声波清洗装置内部包含有清洗液，且能够持续补充恒温清洗液，用于清洗压印辊上的残胶。
本发明具有以下明显优势：使得压印辊与背辊更好的对齐与挤压，从而使模板、衬底和背辊之间形成良好的共形接触，能够压印出更加精确的微纳图案；加入了超声波清洗装置，通过超声波降低了粘附力的影响，能够高效的去除模板中的残胶，提高了图案的精度；因为压印辊浸入到超声波清洗装置中的恒温清洗液中，恒温清洗液能够为压印辊提供冷却作用，降低热应力对压印图案的破坏以及对模板性质的改变，保护了模板并提高了压印精度。
附图说明
图1为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的结构示意图；
图2为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的前视图；
图3为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的侧视图；
图4为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的机架的结构示意图；
图5为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的刮胶装置的结构示意图；
图6为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的支撑装置的结构示意图；
图7为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的去除密封板的支撑装置的左视图；
图8为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的支撑装置的后视图；
图9为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的调节装置的结构示意图；
图10为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的调节装置的前视图；
图11为本发明的一种辊型紫外纳米压印装置的超声波清洗装置的结构示意图。
附图标记说明：1-机架，2-支撑板，3-放卷辊，4-收卷辊，5-承重板，6-涂胶装置，7-刮胶装置，8-支撑装置，9-调节装置，10-衬底，11-支撑辊一，12-支撑辊二，13-支撑辊三，14-支撑辊四，15-预固化装置，16-支撑辊五，17-导向辊，18-紫外灯，19-支撑辊六，20-伺服电机一，21-伺服电机二，22-钢板，101-4040铝型材，102-肋板，103-支撑杆，701-微分头一，702-刮胶刀，801-支架板，802-密封板，803-背辊，804-移动块，805-筋板，806-弹性层，807-支撑架，808-通孔，901-压印辊，902-固定块，903-高精度手动位移平台一，904-高精度手动位移平台二，905-干燥装置，906-高精度电控平移台，907-超声波清洗装置，908-液压杆，90301-微分头二，90401-微分头三，90601-滑块，90602-滚珠丝杠，90603-丝杠支撑座，90604-联轴器，90605-伺服电机三。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
如图1、2、3所示，所述的一种辊型紫外纳米压印装置，包括机架1、支撑板2、放卷辊3、收卷辊4、承重板5、涂胶装置6、刮胶装置7、支撑装置8、调节装置9、衬底10、支撑辊一11、支撑辊二12、支撑辊三13、支撑辊四14、预固化装置15、支撑辊五16、导向辊17、紫外灯18、支撑辊六19、伺服电机一20、伺服电机二21和钢板22，其中支撑板2与承重板5通过螺钉固定于机架1上，放卷辊3通过轴承连接在支撑板2上，并与通过螺钉固定于支撑板2背侧的伺服电机一20相连，收卷辊4通过轴承连接在支撑板2上，并与通过螺钉固定于支撑板2背侧的伺服电机二21相连，支撑辊一11、支撑辊二12、支撑辊三13、支撑辊四14通过轴承连接在支撑板2上，涂胶装置6、刮胶装置7和预固化装置15通过螺钉固定于支撑板2上，导向辊17通过轴承连接在支撑板2上，并在表面附着一层保护层以减少对涂胶衬底10表面的损伤，支撑装置8通过螺钉固定于支撑板2上，并通过筋板805加以固定，紫外灯18通过螺钉固定于支撑装置8背面，调节装置9右侧通过螺钉与支撑板2相连，左侧通过螺钉与钢板22相连，钢板22通过螺钉与承重板5相连以保证调节装置9的稳固。
如图4所示，所述的机架1包括4040铝型材101、肋板102和支撑杆103，4040铝型材101和肋板102通过螺钉固定，支撑杆103通过螺钉固定于机架1两侧。
如图5所示，所述的刮胶装置7包括微分头一701与刮胶刀702，刮胶装置7通过螺钉固定于支撑板2上，微分头一701与刮胶刀702相连，用于将胶层厚度控制至指定厚度。
如图6、7、8所示，所述的支撑装置8包括支架板801、密封板802、背辊803、移动块804、筋板805、弹性层806、支撑架807和通孔808，其中，支架板801通过螺钉固定于支撑板2上，支架板801上有筋板805加以固定，支撑架807通过螺钉与支架板801固定，背辊803由透明玻璃制成，并通过空气轴承配合放置于移动块804中，支撑架807通过凹槽放置弹性层806与移动块804，通过密封板802加以固定，以限制弹性层806横向的位移，在支架板801后侧有通孔808，用于使紫外光透过通孔808并经由透明玻璃制成的背辊803对压印完毕的图案进行固化。
如图9、10、11所示，所述的调节装置9包括压印辊901、固定块902、高精度手动位移平台一903、高精度手动位移平台二904、干燥装置905、高精度电控平移台906、超声波清洗装置907和液压杆908，其中，高精度手动位移平台一903包括微分头二90301，用于调节压印辊901的高度，使得压印辊901的轴线与背辊803的轴线所成平面水平，高精度手动位移平台二904包括微分头三90401，用于调节压印辊901，使压印辊901轴线中点与背辊803轴线中点相连所成直线垂直于压印辊901轴线，高精度电控平移台906包括滑块90601、滚珠丝杠90602、丝杠支撑座90603、联轴器90604和伺服电机三90605，滚珠丝杠90602通过联轴器90604与伺服电机三90605相连，滑块90601和滚珠丝杠90602通过轴承配合，滚珠丝杠90602通过丝杠支撑座90603固定，用于调节压印辊901与背辊803之间的间隙，并施加压印力，高精度手动位移平台二904通过螺钉固定于滑块90601上，两个高精度手动位移平台一903通过螺钉对称的固定于高精度手动位移平台二904上，固定块902通过螺钉固定于高精度手动位移平台一903上，压印辊901通过空气轴承配合于固定块902中，所述的压印辊901表面包有一层PDMS软模板，液压杆908底端通过螺钉固定在高精度手动位移平台二904上，上端与超声波清洗装置907相连，用于调节超声波清洗装置907与压印辊901之间的距离，超声波清洗装置907中包含有恒温清洗液，并由内部的管道补充不断流失的清洗液，用于清洗压印辊901上的残胶，并对压印辊901进行冷却，干燥装置905通过螺钉与固定块902的侧壁相连接，用于干燥经过超声波清洗装置907清洗的压印辊901。
根据图1-图11，本发明的具体实施方式如下。
（1）伺服电机一20控制放卷辊3进行放卷，伺服电机二21控制收卷辊4进行收卷，伺服电机一20和伺服电机二21保持同步工作，使得衬底10平稳运动，衬底10经由涂胶装置6进行涂胶，通过调节刮胶装置7上的微分头一701，将刮胶刀702调至指定距离，将衬底10上的胶层厚度刮至指定厚度后，衬底10继续移动，经过预固化装置15进行预固化，通过涂有保护层的导向辊17，当一部分的衬底10离开支撑装置8，到达支撑辊六19处后，停止伺服电机一20和伺服电机二21的工作，进行对压印辊901与背辊803的调节。
（2）通过调节高精度手动位移平台一903的微分头二90301，调节压印辊901的高度，使得压印辊901的轴线与背辊803的轴线所成平面水平，调节高精度手动位移平台二904的微分头三90401，调节压印辊901，使压印辊901轴线中点与背辊803轴线中点相连所成直线垂直于压印辊901轴线，控制伺服电机三90605调节压印辊901与背辊803之间的距离，施加压印力，弹性层806随着压印力的施加而收缩，使得压印辊901与背辊803更好的对齐与挤压，从而使压印辊901、衬底10和背辊803之间形成良好的共形接触，施加适当的压印力，使得PDMS软模板受挤压的部分的宽度略大于紫外灯18的光源线宽，调节液压杆908的高度，使压印辊901的下端浸没入超声波清洗装置907的清洗液中。
（3）启动伺服电机一20和伺服电机二21，衬底10继续运动，压印辊901对预固化后的涂有光刻胶的衬底10进行压印，紫外灯18透过支撑装置8的通孔808对压印完毕的衬底10进行固化，与此同时，打开超声波清洗装置907和干燥装置905，压印辊901在旋转的过程中经过超声波清洗装置907，通过超声波振动清洗去除压印辊901上包裹的PDMS软模板中的残胶，并由恒温冷却液对压印辊901进行冷却，再由干燥装置905进行干燥，继续进行压印，收卷辊4对压印完毕的衬底10进行收集。
Claims (4)
1.一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，包括机架、支撑板、放卷辊、收卷辊、承重板、涂胶装置、刮胶装置、支撑装置、调节装置、衬底、支撑辊一、支撑辊二、支撑辊三、支撑辊四、预固化装置、支撑辊五、导向辊、紫外灯、支撑辊六、伺服电机一、伺服电机二和钢板，其中支撑板与承重板通过螺钉固定于机架上，放卷辊通过轴承连接在支撑板上，并与通过螺钉固定于支撑板背侧的伺服电机一相连，收卷辊通过轴承连接在支撑板上，并与通过螺钉固定于支撑板背侧的伺服电机二相连，支撑辊一、支撑辊二、支撑辊三、支撑辊四、支撑辊五、支撑辊六通过轴承连接在支撑板上，涂胶装置、刮胶装置和预固化装置通过螺钉固定于支撑板上，导向辊通过轴承连接在支撑板上，支撑装置通过螺钉固定于支撑板上，紫外灯通过螺钉固定于支撑装置背面，调节装置右侧通过螺钉与支撑板相连，左端通过螺钉与钢板相连，钢板通过螺钉与承重板相连以保证调节装置的稳固；
所述的支撑装置，包括支架板、密封板、背辊、移动块、筋板、弹性层、支撑架和通孔，其中，支架板通过螺钉固定于支撑板上，支架板上有筋板加以固定，支撑架通过螺钉与支架板固定，背辊由透明玻璃制成，并通过空气轴承配合放置于移动块中，支撑架通过凹槽放置弹性层与移动块，通过密封板加以固定，以限制弹性层横向的位移，在支架板后侧有通孔，用于使紫外光通过；
所述的调节装置，包括压印辊、固定块、高精度手动位移平台一、高精度手动位移平台二、干燥装置、高精度电控平移台、液压杆和超声波清洗装置，其中，高精度手动位移平台一包括微分头二，高精度手动位移平台二包括微分头三，高精度手动位移平台二通过螺钉固定于滑块上，高精度手动位移平台一通过螺钉固定于高精度手动位移平台二上，固定块通过螺钉固定于高精度手动位移平台一上，压印辊通过空气轴承配合在固定块中，所述的压印辊表面包有一层PDMS软模板，液压杆底端通过螺钉固定在高精度手动位移平台二上，上端与超声波清洗装置相连，干燥装置通过螺钉与固定块的侧壁相连接；
所述的高精度电控平移台，包括滑块、滚珠丝杠、丝杠支撑座、联轴器和伺服电机三，滚珠丝杠通过联轴器与伺服电机三相连，滚珠丝杠通过丝杠支撑座固定，滑块和滚珠丝杠通过轴承配合；
所述的超声波清洗装置内部包含有清洗液，且能够持续补充恒温清洗液，用于清洗压印辊上的残胶。
2.根据权利要求1所述的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的导向辊表面附着一层保护层以减少对涂胶衬底表面的损伤。
3.根据权利要求1所述的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的机架包括4040铝型材、肋板和支撑杆，4040铝型材通过肋板与螺钉连接固定，支撑杆通过螺钉固定于机架两侧。
4.根据权利要求1所述的一种辊型紫外纳米压印装置，其特征在于，所述的刮胶装置，包括微分头一与刮胶刀，刮胶装置通过螺钉固定于支撑板上，微分头一与刮胶刀相连，用于将胶层厚度控制至指定厚度。
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