CN101131537B - 一种精密数字化微纳米压印的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种精密数字化微纳米压印的方法，其特征在于，包括下列步骤：(1)将待压印的微纳结构图形划分为微区单元阵列；(2)根据微区单元制作压印模仁；(3)确定压印模仁与待压印基板的相对位置，进入第一个压印工作位；(4)进行一个微区单元的微纳结构图形压印；(5)改变压印模仁与待压印基板的相对位置，至下一个压印工作位；(6)重复步骤(4)和(5)，至完成所有微区单元的压印。其装置可以通过工作平台与压印头间的相对运动，实现上述方法。本发明通过小面积压印结构的拼接，实现了大幅面的微纳结构图形制作，解决了现有技术中当模仁面积增大时，发生图形畸变的可能性也随之增大的问题；并且扩大了微纳米压印的应用范围。

Description

一种精密数字化微纳米压印的方法

技术领域

本发明涉及一种精密加工方法，具体涉及一种利用微纳米加工技术进行压印的方法，尤其是关于数字化精密微区微纳米压印方法，采用该方法可实现具有复杂微纳米结构的光电子器件的快速压印复制。

背景技术

自20世纪60年代以来，集成电路一直按照摩尔定律不断换代更新，即单个芯片中集成的晶体管数目每18个月翻一番。随着电路中器件尺寸的不断变小，光学光刻技术将接近其物理极限。线宽小于100nm的复杂微光电子结构的光学光刻方法虽然已经取得进展，但这种制造方法成本非常昂贵，每台设备造价高达数千万至数亿美元。

微纳米压印技术是一种用于大批量重复制备微纳米图形结构的新兴技术，首先由美国普林斯顿大学纳米结构实验室研究人员提出。它的基本思想是：在高温、高压下，将一具有纳米图案的模版(模仁)以机械力在涂有高分子材料的基板上等比例压印复制纳米图案，其加工分辨率只与模版图案的尺寸有关，而不受光学光刻最短曝光波长的物理限制，具有高分辨、高产出、低成本的优势。

目前微纳米压印技术主要包括以下几种：

1)热压印。首先采用坚硬的压模毛坯加工成压模，然后在基片上旋涂高分子聚合物材料，将其放入压印机加热并把压模压在基片上的聚合物层上，紧接着把温度降低至聚合物凝固点附近并且把压模和聚合物层相分离，聚合物层上就留下了与压模互补的微纳米结构，可以用作进一步的图形转移处理。

2)紫外压印。紫外压印的过程基本与热压印相同，只不过采用可在紫外光照射下固化的聚合物作为压印层材料，无需采用加热的方式，但是要求压模材料(或基板材料)对紫外波段透明。

3)微接触压印。微接触压印技术中首先得到压印模版，模具材料的化学前体在模版中固化，聚合成型后从模版中脱离，得到压印模具。然后将模具浸入特定的化学试剂中，最后取出压在基板上。该方法能够实现有机分子的自组装，在生物传感器领域有着广泛的用途。

实现微纳米压印的装置一般由压力装置、运动保证组件、模版、基板平台、加热组件(或紫外照明灯)等部分组成。施压装置一般采用机械或者液/气压力驱动；运动保证组件控制压印头与基板保持平行和在压印过程的机械稳定性；加热组件负责给待压印基板加温。

总的看来，微纳米压印技术相对其它光电子器件微加工技术具有以下一些优势：1)设备及操作成本低；2)可以较容易地制作某些三维微纳结构；3)高分子材料直接压印成形，避免了长时间或者大面积的刻蚀工艺；4)可以简单制作出高深宽比结构。如果仅从技术成本上考虑，微纳米压印技术是未来最有可能成功的纳米制作技术，在量子存储、DNA电泳芯片、GaAs光检测器、场效应二极管、高密度磁结构、GaAs量子元件、微波元件等领域具有重要的应用价值。

然而，由于需要实现纳米结构图形的转移，必须保证模仁压入的平衡、均匀及其与基板表面的垂直性，任何压入的微小不平衡、非均匀、与表面的不垂直，都会导致图形转移中发生畸变。因而，在制备过程中，对机械精度要求极高，当模仁面积增大时，发生图形畸变的可能性也随之增大。

现有技术中，人们在解决压印的平衡、均匀性方面作了很多研究，如中国发明专利CN1624586A公开了一种真空负压纳米压印方法，即试图通过改变压力提供及传递的方式，来保证压印过程中的平衡及均匀性；美国专利US6994541公开了一种均衡压印装置，也是通过改善施压系统性能，来提高压印的质量。然而，通过改善施压系统的性能，虽然能在一定程度上实现平衡、均匀的压印，但其作用有限，目前能处理的晶片(基板)的尺寸通常为3～8英寸。实际的产品，如瑞典Obducat公司的压印设备只能压印10×10mm～203×203mm尺寸的图形，不能在更小或者更大幅面上制作微纳结构。显然，制作大面积的压印模板，制造成本非常高，且对压印设备提出了很高的要求。

因而，寻求一种能以较低的成本实现较大幅面的微纳米压印的方法，是本领域技术人员所面对的难题。

发明内容

本发明目的是提供一种微纳米压印的方法，通过方法的改进，降低对设备的要求，以实现较大幅面的微纳米压印，扩展其应用范围，制作各类基于复杂微纳结构的光电子器件。

为达到上述目的，本发明的总体构思是，通过对小面积压印结构的拼接，实现大幅面的微纳结构图形制作，其中，小面积压印模仁的微纳结构空间取向在工作中可由计算机控制予以改变；微结构的压印深度通过压力进行控制。

本发明采用的技术方案是：一种精密数字化微纳米压印的方法，包括下列步骤：

(1)将待压印的微纳结构图形划分为微区单元阵列；

(2)根据微区单元的大小、形状和图案制作压印模仁；

(3)确定压印模仁与待压印基板的相对位置，进入第一个压印工作位；

(4)采用热压印或紫外压印的方法实现一个微区单元的微纳结构图形压印；

(5)改变压印模仁与待压印基板的相对位置，至下一个压印工作位；

(6)重复步骤(4)和(5)，直至完成所有微区单元的压印，即实现了所需压印的微纳结构图形的制作。

上述技术方案中，所述压印模仁具有复杂的微纳米结构，可对微小面积区域(即一个微区单元)实现压印复制，若干这样的微小压印单元在x-y工作平面内构成具有一定幅面大小的压印图形，即为所需的微纳结构图形；在实际操作中，该压印图形是由具有特定格式的图像文件由计算机生成的。为了实现更丰富的压印图形，压印模仁可在x-y工作平面内绕z轴旋转，以改变压印模仁结构的空间取向，旋转角度θ由压印图形的图像文件确定。同时，在压印过程中，可以暂停程序，在更换压印模仁后从中断处继续运行。热压印或紫外压印方法为现有技术，即压印时对压印头加热，此后温度下降使高分子材料固化，或者通过紫外光使高分子材料固化，实现微纳米结构图形的转移，在此不再展开说明。

上文中，所述的压印模仁结构，既可以是具有微纳米结构的光栅，也可以是具有多种如柱形、圆形、锯齿形等规则或者不规则的形状。待压印基板至少其表面为高分子材料层，也可以整体由高分子材料构成，所述高分子材料可以为聚碳酸酯(PC：Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC：Polyrinyl Chloride)、聚酯(PET：Polyester)、丙烯酸(PMMA：Polymethyl Methacrylate)或聚烯(BOPP：Biaxial Orlented Plypropylene)等，可表现为硬板型或薄膜型。

上述技术方案中，所述步骤(5)中，压印模仁与待压印基板的相对位置由下列运动自由度限定，以待压印基板所在平面为x-y平面，两者间具有x轴和y轴方向的平移运动自由度，所述压印模仁具有绕z轴的旋转运动自由度，通过x轴和y轴的平移运动到达下一压印点，通过z轴旋转运动进入所需压印工作位；所述步骤(4)中，通过压印模仁在z轴方向的平移运动实现压印。

所述压印模仁的绕z轴的旋转运动自由度为，旋转角度-180°～+180°，旋转精度为0.1°。在所述步骤(4)中，每次进行压印时，根据待压制图形相对位置的特征通过控制压力实现压印深度的控制。

采用上述方法实现精密数字化微纳米压印的装置，包括放置待压印基板的工作平台，安装压印模仁的压印头及其驱动装置，固化结构及控制装置，以待压印基板所在平面为x-y平面，所述工作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制。

其中，为了实现工作平台与压印头间在x轴和y轴方向的相对平移运动，通常采用下列两种方法之一：

其一，所述工作平台具有数控的x轴平移运动装置和数控的y轴平移运动装置。即压印头在x-y平面中相对固定，由工作平台的运动实现两者的相对运动；

其二，所述工作平台具有数控的y轴平移运动装置，所述压印头的驱动装置包括数控的x轴平移运动装置。通过工作平台和压印头的运动配合实现工作位的改变。

上述技术方案中，所述固化结构为热压印结构，由设置于压印模仁上方的加热装置构成。所述加热装置可以采用高频电磁加热装置或者电热棒加热装置，均为本领域的常用技术，在此不再展开表述。

或者，所述固化结构为紫外压印结构，在压印头上方或工作平台下方设置有紫外灯。设置紫外灯时，对应的紫外光穿透部分应对紫外光透明。

上述技术方案中，样品(待压印基板)放置于x-y平面内的工作平台上，压印模仁安装于一可上下运动的金属杆底部，金属杆由气/液压缸活塞驱动。工作时，待压印图形由计算机读入后，每一个压印单元由位置坐标(x，y)和模仁结构空间取向角θ确定。有两种样品输送方法：(a)工作平台可沿x和y方向运动，安装模仁的施压装置固定，待工作平台运行到(x，y)位置后，金属杆在电机驱动下旋转至相应的空间取向角θ，气/液压缸上缸充气/液，金属杆向下运动，模仁和样品充分接触，模仁单元内的样品受到平衡、均匀与表面垂直的压力，保压一定时间，同时利用固化结构实现固化，完成微纳米压印模仁和样品的紧密压合工艺过程。(b)工作平台上只能沿y方向运动，安装模仁的施压装置可在x方向运动，其余工作原理与(a)方法类似。通过改变压印位置，实现整个样品的压印。

上文中，所述保压方法是，当模仁与样品紧密接触，压力迅速增大，缸内压力达到预定值时，开始计时保压，保压时间到达预定保压值，模仁与样品脱离，完成压印动作。

由于上述技术方案的运用，本发明作为一种数字化微纳米光电子器件的制造方法，与现有技术相比具有下列优点：

1.本发明通过小面积压印结构的拼接，实现了大幅面的微纳结构图形制作，从而解决了现有技术中当模仁面积增大时，发生图形畸变的可能性也随之增大的问题；

2.灵活的微纳结构压印工艺：压印模仁可以在计算机程序控制下旋转，因而微纳结构空间取向在程序设定下自由调节，每次压印动作都得到独立的取向，压印模仁也可方便地更换；

3.压印工艺便捷可靠：由于采用了在压印头部件的加热方式，压敏材料不直接受热，并且由于加热部位与电机相距较远，保证装置可以长时间连续稳定可靠工作；通过压力控制有效控制压印深度，可以实现微纳米结构的颜色改变，或者通过高低起伏的不同结构为半导体的后期制作进行技术准备；

4.易于制造：所提出的微纳米压印装置与方法易于在大幅面基板上实现微纳结构，紫外照明系统可以实现紫外压印工艺；如果加装多个压印头，可以实现多个图案大幅面的快速压印复制。

附图说明

图1是本发明实施例一的精密数字化微纳米压印装置结构示意图；

图2是实施例一中实现微纳米结构压印的模仁结构示意图；

图3是实施例一中实现微纳米结构压印的另一种模仁结构示意图；

图4是本发明实施例二的装置结构示意图；

图5是实施例二中实现的微纳米压印的示意图；

图6是实施例二中微纳结构偏振特性示意图；

图7是由具有特定取向的偏振单元组成的阵列结构示意图；

图8a是实施例三的工艺步骤示意图；

图8b是实施例三的压印结构示意图；

图8c是实施例三中获得的LED阵列示意图；

图9是实施例四中获得的点阵衍射型光导板示意图。

其中：1、气缸  2、气动压力组件；3、z轴伺服电机；4、y轴伺服电机；5、x轴伺服电机；6、压印头  7、加热装置；9、待压印基板  10、计算机；11、导轨。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见附图1所示，一种精密数字化微纳米压印装置，包括放置待压印基板9的工作平台，安装压印模仁的压印头6及其驱动装置，加热固化结构及控制装置，以待压印基板9所在平面为x-y平面，所述工作平台为x-y精密位移工作平台，分别由x轴伺服电机4和y轴伺服电机5驱动实现x轴和y轴方向的平移运动，所述压印模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和由z轴伺服电机3驱动的竖直方向平移运动装置，所述控制装置提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制。

用该装置进行微纳米压印的方法包括：

(1)压印图形的数字化生成方法

具有微纳米浮雕结构的印章称为微纳米压印模仁，压印模仁可实现对0.05mm×0.05mm至5mm×5mm单元内的一次性压印成型。压印图形由若干个这样的单元组成，各单元之间模仁结构空间取向可以不同。待压印图形具有自定义的文件格式，该文件读入计算机程序后，压印图形的各压印单元的微纳结构空间取向即可确定。

根据实际需要设计压印模仁单元微纳米结构，最后得到的基板上结构为不同空间取向的单元结构的组合。实现微纳结构的方法有紫外光刻、激光直写、电子束等；可直接在高硬度材料上制作微纳结构，这些材料如碳素钢、碳化硅等，也可以在薄金属镍板上制作，安装于装置压印头6上。

(2)改变不同压印单元工作位的方法

每个压印单元的空间取向函数由计算机控制组件[10]输入。由计算机程序优化安装基板[9]的精密位移平台的压印路径，其中压印单元形状可以是圆形、矩形或其它平面几何形状，矩形面积在0.05mm×0.05mm至5mm×5mm之间。计算机根据读入的自定义的图形文件，向转角控制伺服电机发出脉冲，由转角控制伺服电机通过皮带轮或齿轮转动压印模仁，从而改变不同压印单元内微纳结构的空间取向。设计装置中模仁可作-180°～180°旋转，旋转精度为0.1°。

(3)压力施加及控制方法

根据待压印材料特性，在计算机中设定保压时间、加热温度、气体压力阀启动域值。装置启动后，由计算机10控制自动完成所有压印动作。压力驱动装置采用气缸1(或液压缸)，由气动压力组件2控制，活塞运动带动装有压印模仁的金属杆上下运动，完成对样品的压印过程。安装在气(液)路上的压强传感器向计算机反馈电流/电压信号，由计算机控制气(液)体压力大小及保压时间(保持最大压力的时间，0.05秒至1000秒)，从而完成缸体内的活塞上下动作。缸外装备磁性开关控制活塞运动行程。气压动力相对液压动力，活塞运动速度快，可以保证每秒至少一次的压印频率，满足在大幅面基板上的微纳结构制作。对1mm×1mm的压印面积，根据压印深度的不同，压力可选在50N到500N之间。

(4)温度控制方法

热压印中须对模仁加热，加热装置7可采用高频电磁加热或者电阻加热系统，加热温度0～250℃。工作前预热后在工作期间可持续加热，由计算机控制。

(5)样品输送方法

样品置于x-y精密位移工作平台上，工作平台可在x-y平面内运动，施压装置相对x-y方向固定不动。

其中，所述的微纳精细结构可以是含有不同特性的衍射光栅结构(光栅取向)，也可以是特征尺寸为微纳米范围内的其它结构。所述的压印模仁可以是在金属镍板上形成的微纳米结构。所述的压敏材料是指如PET，PC，PMMA等。

图2为本实施例中实现微纳米结构压印模仁结构的实例之一：光栅的快速压印复制，模仁材料可以是镍、二氧化硅、硅、碳素钢、碳化硅。在热敏材料上快速复制光栅图形，每个单元光栅具有各自的空间取向。

图3为本实施例中采用的具有立体形状的模仁结构示意图，模仁材料可以是镍、二氧化硅、硅、碳素钢、碳化硅。图示中的倒金字塔结构可用于制作半导体激光器的中微谐振腔。

实施例二：精密数字化微纳米压印的方法，其装置参见附图4，具体包括下列步骤：

[1]根据实际需要设计压印模仁单元微纳米结构，最后得到的基板上结构为不同空间取向的单元结构的组合。实现预设微纳结构的方法有紫外光刻、激光直写、电子束等。可直接在高硬度材料上制作微纳结构，这些材料如碳素钢、碳化硅等，也可以在薄金属镍板上制作，安装于装置压印头6上。

[2]将预设基板结构不同微纳单元的空间取向函数输入计算机10。由计算机程序控制y方向精密位移平台和x方向压印模仁的移动路径。其中压印单元形状可以是圆形、矩形或其它平面几何形状。压印头尺寸在0.05mm×0.05mm至5mm×5mm之间。

[3]根据待压印材料特性，在计算机中设定保压时间、加热温度、气体压力阀[7]启动域值。装置启动后，由计算机[14]自动完成所有压印动作。

其中的样品输送方法是，样品置于y方向精密位移工作平台上，工作平台在y方向运动，施压装置可沿x方向导轨11运动，该方法适合制作大幅面的含有微纳米结构的图形，如附图7所示。

图5为本实施例中实现微纳米结构压印的实施实例之一：50nm线宽的光栅结构。

图6、7为本实施例实现微纳米结构压印的人工双折射结构。原理图如图6。具有纳米量级尺寸的金属光栅可以实现入射p偏振光和s偏振光的分光，其中与光栅线条平行的s偏振光反射，与光栅线条平行的p偏振光透射。具体的实现方式如下：首先基板上沉积金属(如铝)，再涂覆压敏材料；其次通过压印装置实施方式之一的设备在热敏材料上实现光栅结构；最后可采用反应离子刻蚀等工艺在金属上实现光栅结构。人工双折射结构可以实现在工作波长上对比度大于2000的偏振分光，在液晶显示等领域有广泛的用途。图7所示为设计的具有不同光栅取向的偏振像素阵列。

实施例三：参见图8a-8c，增强发光二极管垂直透射效率的光子晶体结构。图8a为结构制作工艺步骤示意图；其中各层结构从上至下依次为热敏胶[81]/铬掩膜层Cr[82]/p型氮化镓层(pGaN)[83]/量子阱材料(QW activelayer)[84]/n型氮化镓层(nGaN)[85]/基底[86]，压印装置实施方式之一的设备在热敏材料上实现压印并去底胶。腐蚀Cr掩模[82]后刻蚀pGaN[83]层，在发光区上得到周期性光子晶体结构。图8b为压印结构示意图。图8c为具有该光子晶体结构的LED阵列。

实施例四：图9为点阵衍射型光导板示意图，采用实施例二的装置制备。LED位于光导板角部，光导板四周边缘镀有高反射薄膜。导光面有尺寸在数十至数百微米、深度在一百纳米左右的点阵，每个点内具有亚微米量级光栅结构。通过改变光栅取向，调制LED发出光波的透射效率，实现均匀导光的效果。

Claims (6)

1.一种精密数字化微纳米压印的方法，其特征在于，包括下列步骤：

(1)将待压印的微纳结构图形划分为微区单元阵列；

(2)根据微区单元的大小、形状和图案制作压印模仁，所述压印模仁可实现对0.05mm×0.05mm至5mm×5mm单元内的一次性压印成型，压印模仁具有在x-y工作平面内绕z轴的旋转运动；

(3)确定压印模仁与待压印基板的相对位置，进入第一个压印工作位；

(4)采用热压印或紫外压印的方法实现一个微区单元的微纳结构图形压印；

(5)改变压印模仁与待压印基板的相对位置，至下一个压印工作位；

(6)重复步骤(4)和(5)，直至完成所有微区单元的压印，即实现了所需压印的微纳结构图形的制作；

其中，在所述步骤(4)中，每次进行压印时，根据待压制图形相对位置的特征通过控制压力实现压印深度的控制，压力驱动装置采用气缸，由气动压力组件控制，安装在气路上的压强传感器向计算机反馈电流或电压信号，由计算机控制气体压力大小，实现所述压印深度的控制。

2.采用权利要求1的方法实现精密数字化微纳米压印的装置，包括放置待压印基板的工作平台，安装压印模仁的压印头及其驱动装置，固化结构及控制装置，其特征在于：以待压印基板所在平面为x-y平面，所述工作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述工作平台具有数控的x轴平移运动装置和数控的y轴平移运动装置。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述工作平台具有数控的y轴平移运动装置，所述压印头的驱动装置包括数控的x轴平移运动装置。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述固化结构为热压印结构，由设置于压印模仁上方的加热装置构成。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征在于：所述固化结构为紫外压印结构，在压印头上方或工作平台下方设置有紫外灯。

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