CN110361928A - 一种二维辅助振动的压印装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种二维辅助振动的压印装置及方法，其包括工作台、XY轴位移台、Z轴位移台、二维微动平台、压印装置、加热板。涂胶后的衬底置于二维微动平台上，XY轴位移台将二维微动平台移动到模板下方，加热板对光刻胶进行预热，光刻胶未达到玻璃化温度，预热完成后，启动二维微动平台并带动衬底实现二维振动，Z轴位移台控制压印装置对衬底进行压印，压印完成后在空气中冷却固化，最后进行振动辅助脱模，本发明采用二维微动平台带动衬底实现压印时X轴、Y轴振动，使压印过程产生剪切变形进而使光刻胶非弹性变形或流动，提高模板空腔的填充率，增强压印图案的保真度，提高压印效率，降低脱模时的粘附力，对大尺寸特征以及高纵宽比的微结构压印成型十分有利。

Description

一种二维辅助振动的压印装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米压印领域，尤指一种二维辅助振动的压印装置及方法。

背景技术

由于传统的光学投影光刻技术的分辨率已经达到物理极限，若要突破，在技术方面面临着巨大的困难与挑战。因此在1995年，美国普林斯顿大学华裔科学家周郁教授提出了纳米压印技术，纳米压印技术是通过在光刻胶上对带有微纳结构的模板施加机械力将微纳结构进行转移到衬底上的技术，是转移微纳结构的一种高效率，高分辨率，低成本的方法。所制备的微纳结构具有良好的均匀性和重复性且突破传统光刻技术的限制可制备更高分辨率的产品。自纳米压印技术提出到迅速发展至如今受到了世界普遍政府与科学家的关注，成为半导体行业第二代光刻技术的候选者，是未来光刻技术方向的一支潜力股。

目前的纳米压印技术主要包括热压印（HEL），极紫外压印（UV-NIL）微接触印刷。其中热压印（HEL）的技术内容：首先，将热压印光刻胶均匀涂抹在衬底上，将热压印光刻胶加热至玻璃化温度，然后对置于衬底上方带有微纳结构的模板施加机械力，对热压印光刻胶进行压印，压印完成后，冷却固化，最后进行脱模，得到带有微纳结构的衬底。热压印（HEL）技术具有成本低、方法灵活且刻套精度较高，压印成品具有较高分辨率的特点。

但随着纳米压印技术的快速发展，一些问题开始浮现上来，一方面在压印过程中，模板空腔的填充率是决定压印是否成功的关键性因素之一，如果压印时模板空腔的填充率过低，则无法将微纳结构成功转移到衬底上，直接导致压印失败，另一方面，在脱模的过程中，由于光刻胶的物理特性，光刻胶与模板存在一定的粘附力，脱模时粘附力过大，将会破坏微纳结构，造成微纳结构边界处的损伤等，降低微纳结构的分辨率，甚至可能破坏模板，在平面大面积压印完成后，对衬底进行脱模，由于面积越大，则压印图案的深宽比越大，会导致脱模时脱模阻力越大，不利于压印完成后的脱模，在热压印过程中光刻胶加热至玻璃化温度，然后压印脱模冷却固化的过程较耗时。

在公布号为CN 106113479 A的发明中，包括：放卷预热、充型、脱模和收卷四个过程。放卷预热是将聚合物材料从放卷装置传送至预热辊，对聚合物材料进行预热预热，并通过对预热辊施压与基带贴合；预热至压印温度后将聚合物材料传送至模具辊和压力辊之间，对其进行压印，同时打开位于超声振动组件，充型过程在超声振动辅助下进行，充型完成后模具辊滚动，进行脱模，脱模完成后，冷却并从模具辊中分离开来，脱模过程在超声振动辅助下进行，最后进行收卷。超声振动技术广泛应用在热压印中，该发明用超声振动组件在辊压力的施加方向上作机械振动从而产生粘弹性产热,有利于聚合物的快速熔融，并且加入机械振动有效的降低了聚合物与材料间的粘附力，利于充型与脱模，提高了压印效率及复制精度，但该方式仍具有一定的缺陷，首先在该发明中仍然无法避开热压印过程中将聚合物加热至熔融状态，然后压印脱模冷却的过程，压印效率无法显著提升，其次加工高纵宽比微结构时易对模板及图案造成损伤，难以制备高精度的高纵宽比图案，最后在辊压力的施加方向上施加超声振动本质上还是通过压力将粘弹态聚合物压入模腔，难以使得粘弹态聚合物填充完全。

发明内容

本发明提供一种二维辅助振动的压印装置及方法，以解决目前压印时模板空腔的填充率过低，压印效率慢，脱模时粘附力过大破坏微纳结构，造成微纳结构边界处的损伤及在大面积压印时，由于压印图案深宽比大而导致脱模困难的问题。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，包括工作台、XY轴位移台、Z轴位移台、二维微动平台、连接块、压印装置、加热板，其中，XY轴位移台通过螺钉固定在工作台的底板上，连接块通过螺钉固定在XY轴位移台上，二维微动平台通过螺钉固定在连接块上，Z轴位移台通过螺钉固定在工作台的支撑板上，压印装置中的模板卡盘通过螺钉固定在Z轴位移台上，加热板装卡在压印装置中的模板卡盘上。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的工作台包括底板、支撑板、支撑柱、横柱、透明塑料板，其中，支撑板固连在底板上，支撑柱固连在底板上，横柱一端固连在支撑板上，另一端固连在支撑柱上，透明塑料板通过胶接方式固定在支撑板、底板、支撑柱及横柱相互连接形成的图形空隙上，支撑板正对面无透明塑料板，构成一个半封闭工作环境。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的Z轴位移台包括：一维位移台一和一维位移台二，其中，一维位移台一通过螺钉固定在支撑板上，一维位移台二通过螺钉固定在支撑板上，一维位移台一与一维位移台二中间存在一定距离。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的二维微动平台包括：二维微动平台的铰链结构固定框、次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四、直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链四、直梁型柔性铰链五、直梁型柔性铰链六、直梁型柔性铰链七、直梁型柔性铰链八、盛物台固定框、盛物台、衬底卡盘、衬底、压电陶瓷一、压电陶瓷二、预紧螺钉一、预紧螺钉二，其中，次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四在二维微动平台的铰链结构固定框内，次级平台一的两侧通过直梁型柔性铰链二与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台二的两侧通过直梁型柔性铰链四与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台三的两侧通过直梁型柔性铰链六与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台四的两侧通过直梁型柔性铰链八与二维微动平台的铰链结构固定框连接，盛物台固定框分别通过直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链五、直梁型柔性铰链七与次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四连接，压电陶瓷一一端与次级平台一接触，另一端通过预紧螺钉一预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框内，压电陶瓷二一端与次级平台二接触，另一端通过预紧螺钉二预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框内，盛物台通过螺钉固定在盛物台固定框上，衬底卡盘通过螺钉固定在盛物台上，衬底放置在衬底卡盘中。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的压印装置包括模板和模板卡盘，其中，模板卡盘通过螺钉固定在Z轴位移台上，模板卡盘中置有真空空腔并有一条通道外接真空泵且在模板装卡处有若干个圆柱形小孔，使模板通过真空吸附在模板卡盘上，模板具有导热性。

根据本发明的目的提出一种二维辅助振动的压印装置的压印方法，其特征在于，包括以下步骤：将带光刻胶的衬底放置在衬底卡盘上之后，由XY轴位移台将衬底移动到模板下，启动Z轴位移台带动模板向下移动，使模板与光刻胶刚接触时，关闭Z轴位移台，启动加热板对模板进行预热，模板将热量传递至光刻胶，光刻胶未达到玻璃化温度；启动二维微动平台，给压电陶瓷一输入电信号使其进行振动进而推动次级平台一进行微小振动，次级平台一与次级平台三共同配合通过直梁型柔性铰链一与直梁型柔性铰链五将位移传递到盛物台固定框上，实现X轴方向的振动，直梁型柔性铰链二、直梁型柔性铰链六、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链七共同配合，能够最大程度上减小附生运动，充分保证X轴运动的单向性，给压电陶瓷二输入电信号使其进行振动并推动次级平台二，次级平台二与次级平台四共同配合通过直梁型柔性铰链三与直梁型柔性铰链七将位移传递到盛物台固定框上，实现Y轴方向的振动，直梁型柔性铰链四、直梁型柔性铰链八、直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链五共同配合能够最大程度上减小附生运动，充分保证Y轴运动的单向性；关闭加热板，停止预热，启动Z轴位移台，使模板向下移动对衬底进行压印，将模板上的微纳结构复制到光刻胶上，压印完成后，自然冷却固化，在二维微动平台的X、Y轴的辅助振动下，Z轴工作台向上移动进行脱模，脱模完成后，得到微纳图案。

本发明具有以下优点：通过在压印过程中施加X轴、Y轴振动能使压印过程产生剪切变形进而使得光刻胶非弹性变形或流动，在光刻胶未达玻璃化温度的情况下使光刻胶在x轴、Y轴振动和来至模板上的压力的作用下填充至模板空腔，避免了频繁的加热和冷却，增强压印完成后压印图案的保真度，大大的提高了二维辅助振动纳米压印的效率；通过在压印过程中施加X轴、Y轴振动能使光刻胶在填充入模板空腔的过程中，在图案根部光刻胶形成残余应力，可以强化根部，对大尺寸特征以及高纵宽比的微结构压印成型十分有利；在压印过程中施加X轴、Y轴的横向振动不同于在纵向上施加的振动，可在光刻胶处于固态的情况下，通过剪切变形将光刻胶压入模板空腔，有效的提高模板空腔的填充率；通过在脱模过程中施加X轴、Y轴振动的方式，可降低粘附力，对模板与光刻胶脱离时造成的撕裂与损伤而直接导致微结构破损的概率。

附图说明

图1是一种二维辅助振动的压印装置的结构示意图；

图2是一种二维辅助振动的压印装置去掉工作台的结构示意图；

图3是二维微动平台去掉盛物台、衬底卡盘、衬底的结构示意图；

图4是盛物台、衬底卡盘、衬底的结构示意图；

图5是盛物台、衬底卡盘、衬底的左视图；

图6是模板卡盘、模板和加热板的结构示意图；

图7是模板卡盘、模板和加热板的左视图。

附图标记说明：1-工作台、2-XY轴位移台、3-Z轴位移台、4-二维微动平台、5-连接块、6-压印装置、7-加热板、101-底板、102-支撑板、103-支撑柱、104-横柱、105-透明塑料板、301-一维位移平台一、302-一维位移台二、401-二维微动平台的铰链结构固定框、402-次级平台一、403-次级平台二、404-次级平台三、405-次级平台四、406-直梁型柔性铰链一、407-直梁型柔性铰链二、408-直梁型柔性铰链三、409-直梁型柔性铰链四、410-直梁型柔性铰链五、411-直梁型柔性铰链六、412-直梁型柔性铰链七、413-直梁型柔性铰链八、414-盛物台固定框、415-盛物台、416-衬底卡盘、417-衬底、418-压电陶瓷一、419-压电陶瓷二、420-预紧螺钉一、421-预紧螺钉二、601-模板卡盘、602-模板。

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、图2所示，所述的一种二维辅助振动的压印装置包括工作台1、XY轴位移台2、Z轴位移台3、二维微动平台4、连接块5、压印装置6、加热板7，其中XY轴位移台2通过螺钉固定在工作台1的底板101上，连接块5通过螺钉固定在XY轴位移台2上，可在XY轴位移台2的带动下移动，二维微动平台4通过螺钉固定在连接块5上，Z轴位移台3通过螺钉固定在工作台1的支撑板102上，压印装置6中的模板卡盘601通过螺钉固定在Z轴位移台3上，加热板7装卡在压印装置6中的模板卡盘601上。所述的工作台1包括底板101、支撑板102、支撑柱103、横柱104、透明塑料板105，其中，支撑板102固连在底板101上，支撑柱103固连在底板101上，横柱104一端固连在支撑板102上，另一端固连在支撑柱103上，透明塑料板105通过胶接方式固定在支撑板102、底板101、支撑柱103和横柱104相互连接形成的图形空隙上，支撑板102正对面无透明塑料板105，构成一个半封闭工作环境。所述的Z轴位移台3包括一维位移平台一301、一维位移台二302，其中一维位移台一301通过螺钉固定在支撑板102上，一维位移台二302通过螺钉固定在支撑板102上，一维位移台一301与一维位移台二302中间存在一定距离。

如图3、图4、图5所示，所述的二维微动平台4包括二维微动平台的铰链结构固定框401、次级平台一402、次级平台二403、次级平台三404、次级平台四405、直梁型柔性铰链一406、直梁型柔性铰链二407、直梁型柔性铰链三408、直梁型柔性铰链四409、直梁型柔性铰链五410、直梁型柔性铰链六411、直梁型柔性铰链七412、直梁型柔性铰链八413、盛物台固定框414、盛物台415、衬底卡盘416、衬底417、压电陶瓷一418、压电陶瓷二419、预紧螺钉一420、预紧螺钉二421，其中，次级平台一402、次级平台二403、次级平台三404、次级平台四405在二维微动平台的铰链结构固定框401内，次级平台一402的两侧通过直梁型柔性铰链二407与二维微动平台的铰链结构固定框401连接，次级平台二403的两侧通过直梁型柔性铰链四409与二维微动平台的铰链结构固定框401连接，次级平台三404的两侧通过直梁型柔性铰链六411与二维微动平台的铰链结构固定框401连接，次级平台四405的两侧通过直梁型柔性铰链八413与二维微动平台的铰链结构固定框401连接，盛物台固定框414分别通过直梁型柔性铰链一406、直梁型柔性铰链三408、直梁型柔性铰链五410、直梁型柔性铰链七412与次级平台一402、次级平台二403、次级平台三404、次级平台四405连接，压电陶瓷一418一端与次级平台一402接触，另一端通过预紧螺钉一420预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框401内，压电陶瓷二419一端与次级平台二403接触，另一端通过预紧螺钉二421预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框401内，盛物台415通过螺钉固定在盛物台固定框414上，衬底卡盘416通过螺钉固定在盛物台415上，衬底417放置在衬底卡盘416中。

如图6、图7所示，所述的压印装置6包括模板卡盘601、模板602，其中模板卡盘601中置有真空空腔并有一条通道外接真空泵且在模板602装卡处有若干个圆柱形小孔，使模板602通过真空吸附在模板卡盘601上。

根据图1-图7，本发明的具体实施方式如下。

（1）将带光刻胶的衬底417放置在衬底卡盘416上之后，由XY轴位移台2将衬底417移动到模板602下，启动Z轴位移台3带动模板602向下移动，使模板602与光刻胶刚接触时，关闭Z轴位移台3，启动加热板7对模板602进行预热，模板602将热量传递至光刻胶，光刻胶未达到玻璃化温度。

（2）启动二维微动平台4，给压电陶瓷一418输入电信号使其进行振动进而推动次级平台一402振动，次级平台一402与次级平台三404共同配合通过直梁型柔性铰链一406与直梁型柔性铰链五410将位移传递到盛物台固定框414上，实现X轴方向的振动，直梁型柔性铰链二407、直梁型柔性铰链六411、直梁型柔性铰链三408、直梁型柔性铰链七412共同配合，能够最大程度上减小附生运动，充分保证X轴运动的单向性，给压电陶瓷二419输入电信号使其进行振动进而推动次级平台二403振动，次级平台二403与次级平台四405共同配合通过直梁型柔性铰链三408与直梁型柔性铰链七412将位移传递到盛物台固定框上414，实现Y轴方向的振动，直梁型柔性铰链四409、直梁型柔性铰链八413、直梁型柔性铰链一406、直梁型柔性铰链五410共同配合，能够最大程度上减小附生运动，充分保证Y轴运动的单向性。

（3）关闭加热板，停止预热，启动Z轴位移台3，使模板602向下移动对衬底417进行压印，将模板602上的微纳结构复制到光刻胶上，压印完成后，自然冷却固化，在二维微动平台4的X、Y轴辅助振动下，Z轴工作台3向上移动进行脱模，脱模完成后，得到微纳图案。

Claims (6)

1.一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，包括工作台、XY轴位移台、Z轴位移台、二维微动平台、连接块、压印装置、加热板，其中，XY轴位移台通过螺钉固定在工作台的底板上，连接块通过螺钉固定在XY轴位移台上，二维微动平台通过螺钉固定在连接块上，Z轴位移台通过螺钉固定在工作台的支撑板上，压印装置中的模板卡盘通过螺钉固定在Z轴位移台上，加热板装卡在压印装置中的模板卡盘上。

2.根据权利要求1中所述的一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的工作台包括底板、支撑板、支撑柱、横柱、透明塑料板，其中，支撑板固连在底板上，支撑柱固连在底板上，横柱一端固连在支撑板上，另一端固连在支撑柱上，透明塑料板通过胶接方式固定在支撑板、底板、支撑柱及横柱相互连接形成的图形空隙上，支撑板正对面无透明塑料板，构成一个半封闭工作环境。

3.根据权利要求1中所述的一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的Z轴位移台包括一维位移台一和一维位移台二，其中，一维位移台一通过螺钉固定在支撑板上，一维位移台二通过螺钉固定在支撑板上，一维位移台一与一维位移台二中间存在一定距离。

4.根据权利要求1中所述的一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的二维微动平台包括二维微动平台的铰链结构固定框、次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四、直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链二、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链四、直梁型柔性铰链五、直梁型柔性铰链六、直梁型柔性铰链七、直梁型柔性铰链八、盛物台固定框、盛物台、衬底卡盘、衬底、压电陶瓷一、压电陶瓷二、预紧螺钉一、预紧螺钉二，其中，次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四在二维微动平台的铰链结构固定框内，次级平台一的两侧通过直梁型柔性铰链二与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台二的两侧通过直梁型柔性铰链四与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台三的两侧通过直梁型柔性铰链六与二维微动平台的铰链结构固定框连接，次级平台四的两侧通过直梁型柔性铰链八与二维微动平台的铰链结构固定框连接，盛物台固定框分别通过直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链五、直梁型柔性铰链七与次级平台一、次级平台二、次级平台三、次级平台四连接，压电陶瓷一一端与次级平台一接触，另一端通过预紧螺钉一预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框内，压电陶瓷二一端与次级平台二接触，另一端通过预紧螺钉二预紧并固定在二维微动平台的铰链结构固定框内，盛物台通过螺钉固定在盛物台固定框上，衬底卡盘通过螺钉固定在盛物台上，衬底放置在衬底卡盘中。

5.根据权利要求1中所述的一种二维辅助振动的压印装置，其特征在于，所述的压印装置包括模板和模板卡盘，其中，模板卡盘通过螺钉固定在Z轴位移台上，模板卡盘中置有真空空腔并有一条通道外接真空泵且在模板装卡处有若干个圆柱形小孔，使模板通过真空吸附在模板卡盘上，模板具有导热性。

6.根据权利要求1-5所述的一种二维辅助振动的压印装置的压印方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将带光刻胶的衬底放置在衬底卡盘上之后，由XY轴位移台将衬底移动到模板下，启动Z轴位移台带动模板向下移动，使模板与光刻胶刚接触时，关闭Z轴位移台，启动加热板对模板进行预热，模板将热量传递至光刻胶，光刻胶未达到玻璃化温度；

（2）启动二维微动平台，给压电陶瓷一输入电信号使其进行振动进而推动次级平台一进行微小振动，次级平台一与次级平台三共同配合通过直梁型柔性铰链一与直梁型柔性铰链五将位移传递到盛物台固定框上，实现X轴方向的振动，直梁型柔性铰链二、直梁型柔性铰链六、直梁型柔性铰链三、直梁型柔性铰链七共同配合，能够最大程度上减小附生运动，充分保证X轴运动的单向性,给压电陶瓷二输入电信号使其进行振动并推动次级平台二，次级平台二与次级平台四共同配合通过直梁型柔性铰链三与直梁型柔性铰链七将位移传递到盛物台固定框上，实现Y轴方向的振动，直梁型柔性铰链四、直梁型柔性铰链八、直梁型柔性铰链一、直梁型柔性铰链五共同配合，能够最大程度上减小附生运动，充分保证Y轴运动的单向性；

（3）关闭加热板，停止预热，启动Z轴位移台，使模板向下移动对衬底进行压印，将模板上的微纳结构复制到光刻胶上，压印完成后，自然冷却固化，在二维微动平台的X、Y轴的辅助振动下，Z轴工作台向上移动进行脱模，脱模完成后，得到微纳图案。