CN102866582B - 一种用于高亮度led图形化的纳米压印装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法。它包括：承片台、真空吸盘、衬底、紫外光固化型纳米压印抗蚀剂等，模具为薄膜状弹性复合软模具，它包括图形层和支撑层，图形层具有水溶性、薄膜结构、弹性和高透明的特性，模具的制造采用滚压印工艺。基于该装置实现LED图形化的方法：（1）预处理过程；（2）压印过程；（3）固化过程；（4）脱模过程；（5）后处理过程；（6）压印图形的转移。本发明实现了在非平整表面或曲面衬底或者易碎衬底上高效、低成本制造大面积、高深宽比微纳米结构，适合光学器件、三维微型电池、MEMS器件、光伏器件、抗反射层、自清洁表面等的规模化制造，尤其适合LED图形化和晶圆级无拼接微光学器件工业级规模化生产。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造和光电子器件制造技术领域，尤其涉及一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法。
背景技术
LED图形化（蓝宝石衬底图形化和LED外延片图形化）已经被学术界和工业界认为是提高光生成效率和光萃取效率以及改进光源质量（控制光发射方向和远场图形均匀性）最有效途径，即所谓纳米级图形化蓝宝石衬底（Nano-Patterned Sapphire Substrate,NPSS）和LED外延片图形化技术（Photonic Crystal LED,光子晶体LED；Nanorod LED,纳米棒LED；NanowireLED,纳米线LED），目前被业界认为是提高取光效率，实现超高亮度LED最有效的技术手段之一。不同于传统IC领域所指使用的平整洁净硅片，蓝宝石衬底和LED外延片具有以下特点，表面不平整，存在翘曲和弯曲变形，厚度尺寸变化大，并且会有数微米尺寸的表面尖锐的突起，以及存在较为明显的表面缺陷和颗粒状污染物，而且呈现出易碎的特性。因此，采用现有的各种微纳制造方法，在非平整LED外延片或蓝宝石衬底表面高效、低成本、规模化制造出大面积、高深宽比微纳结构是极为困难的，无法满足LED图形化工业级应用的需求。例如，由于LED外延片存在翘曲、弯曲以及表面波浪外形和尖锐的凸起，传统光学光刻焦深比无法适应曝光的要求；采用电子束光刻制造大面积纳米结构成本高，生产率低，难以实现大面积、规模化的制造。对于NPSS，采用现有的接触式或者接近式光刻设备无法满足纳米图形制造精度的要求，采用步进式投影光刻（Stepper）虽然可以实现NPSS制造，但是半导体行业使用的Stepper在LED行业显得过于昂贵，大大增加了LED的制造成本。而LED对于成本非常敏感。另外，目前一些企业采用二手翻新的Stepper，但是在产品良率、设备可靠性等方面都存在问题。干涉光刻在大面积周期性的微纳结构制造方面具有较大的优势，但是该方法的显著不足：焦深小、纳米结构图形的可选择性差、对于生产环境的要求苛刻（与LED生产工艺兼容性差），尤其是目前几乎还没有一家商业化公司提供成熟的干涉光刻机（大尺寸晶圆纳米图形的制造）。虽然其它诸如纳米球珠光刻、阳极氧化铝模板（AAO）、自然光刻、嵌段共聚物自组装等纳米制造方法也已经尝试被应用于LED图形化，但是都在存在某方面的不足，如成本、生产率、一致性、良率和规模化制造等。无法满足LED图形化的高效、低成本、一致性好工业级生产要求。
纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography，NIL)是一种全新微纳米图形化的方法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方法相比，NIL具有高分辩率、超低成本（国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级）和高生产率的特点，而且其最显著的优势在于大面积、复杂三维微纳结构制造的能力，尤其是对于软紫外纳米压印具有在非平整（弯曲、翘曲或者台阶）、易碎衬底上底上实现晶圆级纳米压印的潜能，以及滚压印工艺所特有的连续大面积压印能力。纳米压印光刻已经被学术界和工业界确定为实现LED图形化的最理想的技术方案。但现有纳米压印工艺应用于LED图形化，在模具寿命、生产率、良率和可靠性等方面还存在许多不足，尤其还面临一些挑战性技术难题，如大面积脱模困难、软模具变形、颗粒状污物和尖锐的突起缺陷对于模具的损伤、压印图形的一致性和可重复性等。另外，在图形转移过程中的工艺环节，蓝宝石和GaN等材料难以刻蚀，通常需要先沉积一层硬掩模层，为了降低生产成本，缩短工艺路线，直接在抗蚀剂上压印出大深宽比的特征结构，可以省去硬掩模层工序，简化了生产工艺和降低了生产成本。因此，LED图形化对于在非平整表面或曲面或易碎衬底上高效和低成本制造大面积、高深宽比微纳结构的新型压印技术有着非常迫切的需求。
所以，为了满足LED图形化的工业级应用需求，迫切需要开发新的纳米压印工艺和装备，它具有在非平整表面上低成本、高效量产大面积、高深宽比、微纳米结构能力。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置和方法，它采用一种低成本水溶性、薄膜状弹性复合软模具，并结合大面积纳米压印工艺和气体辅助渐进顺序施压以及揭开式脱模方法，实现在非平整表面（弯曲、翘曲、台阶或者突起）或者曲面或者易碎性衬底高效、低成本制造大面积、高深宽比微纳结构。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置，它包括：承片台、真空吸盘、衬底（晶圆或外延片）、紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、模具、气阀板，压印机构、紫外光光源、模具进给机构、真空管路、压力管路；其中，承片台的正上方固定真空吸盘，真空吸盘的正上方吸附着衬底，衬底上涂铺液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂；模具附在模具进给机构的放置薄膜状模具的辊轮、两个辅助支撑辊轮和压印后模具回收的辊轮的外面，模具通过辅助支撑辊轮放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底的上方和气阀板的下方，气阀板固定在压印机构的下方，紫外光光源固定在压印机构的上方；真空管路和压力管路与气阀板的进气口相连，真空管路和压力管路与真空吸盘的进气口相连。
所述模具为水溶性、薄膜状、弹性复合透明软模具，它包括图形层和支撑层，其中图形层具有以下特性：水溶性、高弹性模量、高透明性、热稳定性和良好的力学特性，选择聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)或聚丙烯酸（poly(acrylic acid)，PAA）等水溶性高分子化合物。所述支撑层为透明高弹性薄膜状PET材料。其中图形层包含所要复制的微纳特征结构(图形)，支撑层位于图形层之上。图形层的厚度是10-50微米，支撑层PET厚度是100-200微米。所述模具采用滚压印工艺、印刷电子技术或者纳米压印技术制造。
所述模具进给机构包括：放置薄膜状模具的辊轮、压印后模具回收的辊轮、辅助支撑辊轮、导向和防扭偏机构，所述模具进给机构分为左右轴对称的两侧，一侧为放置薄膜状模具的辊轮和辅助支撑辊轮，放置薄膜状模具的辊轮比辅助支撑辊轮更靠近模具进给机构的中轴线，另一侧是压印后模具回收的辊轮和另外一个辅助支撑辊轮，压印后模具回收的辊轮与放置薄膜状模具的辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称，辅助支撑辊轮和另外一个辅助支撑辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称。
所述承片台为x-y精密工作台，实现衬底更换工位、压印过程中衬底与模具的定位和位置的调整。
所述压印机构包括沿z轴方向上下移动的一维位移平台和紫外光光源的连接支架，连接支架的下方安装有若干个缓冲密封垫。
所述紫外光光源为紫外LED灯阵列。
所述压力管路的工作范围是：0-2bar；压印过程中的工作压力是10-100mbar。
所述真空管路工作范围是：-0.1bar~-0.4bar，压印过程中的工作压力是-300Pa~-5kPa；
压印工作过程中模具下方和真空吸盘所围成的密闭区域I为低压真空环境，模具上方和压印机构所围成的密闭区域II为压力环境。
上述用于高亮度LED图形化的纳米压印装置所采用的工作方法，包括如下步骤：
步骤（1）：预处理过程；
步骤（2）：压印过程；
步骤（3）：固化过程；
步骤（4）：脱模过程；
步骤（5）：后处理过程；
步骤（6）压印图形的转移。
所述步骤（1）的工作过程为在衬底上旋涂一层液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂，将衬底置于承片台之上的真空吸盘上，并通过真空吸力将涂铺紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底吸附固定于真空吸盘上；承片台从初始工位移动到压印工位，所述压印工位是模具的正下方中心位置。
所述步骤（2）的工作过程为：
（2-1）压印机构带动气阀板、紫外光光源从初始工位向衬底移动，直到压印机构的缓冲密封垫与模具上表面支撑层，模具下表面图形层与真空吸盘上的缓冲密封垫完全紧密接触；模具的下方和真空吸盘形成的密闭区域I，模具的上方和压印机构围成密闭的区域II，压印和脱模工作过程中应确保密闭区域I和II密封和不漏气；
（2-2）从气阀板的中心位置开始，向两外侧方向逐个开启气阀板内的压力管路，在压缩空气的施加的压力作用下，使模具与衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂渐进式顺序共形微接触；
（2-3）模具与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形均匀接触后，一方面真空吸盘开启真空管路，在密闭区域I形成低压真空环境，去除压印过程中陷入的气泡缺陷，使薄膜状模具与衬底上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形接触；同时，气阀板的所有压力管路的压力保持均匀一致性增大，模具的上方和压印机构所围成的密闭区域II形成低压压力环境，在薄膜状模具上施加均匀一致的压印力，实现紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在模具微纳结构腔体内完全填充，并且减薄至预定的残留层厚度；或者直接初始留膜厚度与压印特征结构的高度相同，实现无留膜压印，由于是一次性模具，无需担心模具与衬底直接接触导致模具的损伤。
所述步骤（3）的工作过程为：
（3-1）首先，逐渐释放施加在模具上的压力，使模具的变形得到完全的释放；
（3-2）随后，开启紫外光光源，紫外光透过模具对紫外光固化型纳米压印抗蚀剂曝光，充分固化紫外光固化型纳米压印抗蚀剂；固化的时间10-30s。
所述步骤（4）的工作过程为：
（4-1）首先，关闭气阀板的压力管路和真空吸盘真空管路；
（4-2）从气阀板最外两侧同时开始向模具的中心逐个开启气阀板内的真空管路，使密闭区域II形成低压真空环境；同时，真空吸盘上开启压力管路，密闭区域I形成低压压力环境。实现模具从衬底两外侧向中心连续“揭开”式的脱模；最后，模具中心位置与衬底上固化的聚合物相互分离，实现模具与压印结构的完全分离，完成脱模。
（4-3）最后，关闭气阀板内的真空管路、真空吸盘的压力管路以及真空吸盘上的缓冲密封垫的压力通路的进气管路，缓冲密封垫复位。
所述步骤（5）的工作过程为：
（5-1）压印机构向上移动，返回初始工位；同时承片台移动到衬底更换工位，关闭真空吸盘上的真空管路，取下压印后的衬底，更换新的衬底，同时开启真空吸盘上的真空管路，将新的衬底固定在真空吸盘上；
（5-2）同时压印后模具回收的辊轮转动，薄膜状模具向前进给运动，进给移动的尺寸大于衬底的最大外圆尺寸；开始新一轮压印工作过程的循环。
所述步骤（6）的工作过程为：
（6-1）去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀剂结构中的残留的模具材料；将衬底和其上压印的微纳特征结构置于70-100℃的水溶液中5-10分钟，去除残留在压印结构中的模具残留材料。
（6-2）随后通过刻蚀工艺，以固化后压印的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂为掩模，将特征结构转移到衬底上；或者通过“Lift-off”工艺，将特征结构转移到其它功能结构材料上，所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀。
本发明的工作原理是：
（1）引入一种低成本水溶性、薄膜状弹性复合软模具。压印过程采用“压缩气体和低压真空共同辅助施压”和采用从模具中心位置向两外侧方向逐渐均匀性渐进顺序微接触压印方式，基于薄膜状弹性模具结构，在模具上面的气体辅助压印力和模具下部的真空吸力、以及毛细力共同作用下，实现在非平整衬底（突起、波浪形、曲面等）压印力均匀分布，并在很小压印力的条件下实现模具与非平衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形密切接触，克服压印过程中陷入上的气泡缺陷。脱模过程采用模具从衬底两侧向中心连续“揭开”式脱模方式，在模具上方的真空吸力和模具下方的压缩空气施加脱模力的共同作用下，采用微小的脱模力即可实现大面积脱模。
（2）通过薄膜状弹性复合软模具、压缩气体和低压真空力共同辅助渐进式顺序施压、均匀顺序微接触压印方法，实现非平整衬底均匀共形接触，确保压印非平整衬底大面积压印图形的一致性，并且解决了压印过程中引入颗粒污染物的问题。
（3）压印过程中，模具和紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在低压真空环境中，解决了大面积压印过程中陷入气泡的去除问题以及确保模具和衬底完全接触提高压印图形的一致性。
（4）使用一次性水溶性模具，一方面解决了压印过程中模具的寿命和成本的问题，另外降低了压印缺陷的产生，提高了复形质量，高深宽比微纳特征结构在脱模过程由于模具和固化后聚合物的粘附，以及脱模力不均匀等因素导致一些微纳特征结构极易断在或者粘附在压印的结构层中，残留在压印结构层中的模具材料可在水溶液中去除而不损伤图形层。
本发明的创新点及有益效果是：
（1）本发明所使用的模具为一次性低成本模具。即采用水溶性材料，易于去除；其薄膜状和高弹性特性，确保与非平整衬底具有良好共形接触能力；此外还可以有效降低纳米压印过程中由于生产环境中的颗粒物引起的缺陷问题。
（2）渐进式顺序微接触的压印和脱模方法，压印和脱模过程都是基于顺序和微接触模式，减小了模具变形和脱模力，压印过程中陷入的气泡能够被及时排出。
（3）具有在小压印力下，在非平整衬底（突起、翘曲、弯曲、台阶）实现与薄膜状弹性模具完全共形密切接触的能力，实现了在非平整衬底大面积均匀一致的压印（大面积压印图形一致性）。
（4）模具图形层材料为水溶性材料，对于高深宽比微纳特征结构即使脱模过程中模具的微纳特征结构残留在复压印结构层中，极易去除。提高压印图形的质量，实现了大面积、高深宽比微纳结构的制造。
（5）压印过程在低压真空条件下，并结合采用从模具中心位置向两外侧方向渐进式顺序微接触压印方式，解决了大面积压印过程中陷入气泡的技术难题并确保小压印力条件下良好的共形接触。
（6）因为本发明使用的是一次性模具，无需担心模具与衬底直接接触，导致模具的损伤，可以实现无残留层的压印。
（7）固化前，采用压印力释放工艺，将模具的变形得到充分的释放，有效提高软模具压印图形的质量和精度。
（8）薄膜状模具采用连续滚压印工艺等制造方法，压印材料成本低廉，模具制造具有高效、低成本制造的优势。满足批量化工业级应用的要求。
（9)本发明压印过程和脱模过程以模具中心为对称轴，模具均匀、对称受力，压印和脱模过程两侧同时进行，生产效率高。
（10）模具为一次性。水溶性模具，解决了尖锐凸起、缺陷、颗粒物等对于模具的损伤，以及高深宽比结构脱模模具易损伤的技术难题，模具寿命低的问题。
（11）本发明不依赖精密机械施加的平衡、均匀，与表面垂直的压印力，简化了设备结构。通过气体辅助压力（正压和负压的结合）实现大面积压印过程中的均匀施压。
（12）生产环境的要求低，对于衬底或者晶圆的不平整度、缺陷、颗粒物不敏感，适应度高。这在实际工业应用中是非常重要的。
（13）本发明结合了平板压印和滚压印二者优势，实现了大面积微纳米结构的高效、低成本制造。为大面积微纳米结构的商业化应用提供一种工业级的解决方案。
本发明的最显著优势在于：实现了在各种软、硬衬底，包括非平整（弯曲、翘曲、台阶或者突起）或曲面衬底或者易碎衬底表面高效、低成本制造出大面积、高深宽比微纳米结构，为大面积微纳结构制造，或者非平整衬底大面积纳米图形化，或者曲面的大面积纳米图形化，或者高深宽比大面积微纳结构制造提供了一种工业级的应用解决方案。
本发明适合于高密度磁盘（HDD）、微光学器件（如光学透镜、衍射光学元件等）、各种涂层（抗反射、自清洁、抗霜等）、三维微型电池、蝶式太阳能聚光器、复眼影像感测器、微流控器件、生物传感器、MEMS器件、光伏器件等的制造，尤其适合LED纳米图形化（光子晶体LED的制造纳图形化蓝宝石衬底等）和晶圆级微光学器件的工业级生产。
附图说明
图1是本发明用于高亮度LED图形化的纳米压印装置结构示意图；
图2是本发明使用的水溶性、薄膜状弹性复合软模具结构示意图；
图3是本发明气阀板其内部管路布置的结构示意图；
图4a是本发明真空吸盘的结构俯视图；
图4b是本发明真空吸盘内部管路布置的结构侧面剖视图；
图5是本发明压印机构的结构示意图；
图6是本发明模具进给机构的结构示意图；
图7是本发明用于高亮度LED图形化的压印方法的工作过程流程图；
其中，1承片台、2真空吸盘、3衬底、4紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、5模具、6气阀板，7压印机构、8紫外光光源、9模具进给机构、10真空管路、11压力管路、201、第一缓冲密封垫，202水平压力管路、203垂直孔、204水平真空管路、205吸附衬底的垂直管路、206连通区域I水平管路、207连通区域I垂直管路、501图形层、502支撑层、50101微纳特征结构、50102微纳结构腔体、601进气口、602凹槽面、701连接支架、702、第二缓冲密封垫、705顶面、706底面、709运动执行机构、901放置薄膜状模具的辊轮、902辅助支撑辊轮、903压印后模具回收的辊轮。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明以纳米图形化4英寸蓝宝石衬底为实施例，衬底3为4英寸蓝宝石，薄膜状复合弹性软模具的图形层501选择水溶性聚合物聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)，支撑层502使用高透明和弹性薄膜状PET材料。
图1是本发明用于高亮度LED图形化的纳米压印装置结构示意图，它包括：承片台1、真空吸盘2、衬底3、紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4、模具5、气阀板6，压印机构7、紫外光光源8、模具进给机构9、真空管路10、压力管路11；其中，涂铺有紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4的衬底3吸附在真空吸盘2之上，真空吸盘2固定在承片台1之上；气阀板6固定在压印机构7的底面706，紫外光光源8固定在压印机构7的顶面705；模具5附在模具进给机构9的放置薄膜状模具的辊轮901、两个辅助支撑辊轮902和压印后模具回收的辊轮903的外面，模具5通过辅助支撑辊轮902放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4的衬底3的上方和气阀板6的下方，真空管路10和压力管路11与气阀板6的进气口601相连，压力管路11与真空吸盘2的水平压力管路202连接、真空管路10与真空吸盘2的水平真空管路204连接、真空管路10和压力管路11与真空吸盘2的连通区域I水平管路206相连。图2是本发明使用的水溶性、薄膜状高弹性复合软模具结构示意图，所述模板5为两层薄膜状弹性透明的软模具，它包括图形层501和支撑层502。所述图形层501包含要复制的微纳特征结构50101，图形层501的厚度是40微米，支撑层502PET的厚度是150微米。支撑层502位于图形层501之上。图形层501采用水溶性聚合物聚乙烯醇(polyvinyl alcohol，PVA)；支撑层502使用高透明和弹性薄膜状PET材料。
图3是本发明气阀板6及其内部管路布置的结构示意图。其中一个侧面开有进气口601，底面加工出凹槽面602，凹槽面602的一侧与进气口601相通。进气口601与真空管路10和压力管路11相连。
图4a是本发明真空吸盘2的结构俯视图，图4b是本发明真空吸盘2内部管路布置的结构侧面剖视图，它包括：第一缓冲密封垫201（上下自由活动）、放置第一缓冲密封垫201的垂直孔203、与垂直孔203相通的水平压力管路202（与压力管路11相连，通过压力管路11所提供的压缩气体使第一缓冲密封垫201在压印过程中向上运动，与模具5和压印机构7的第二缓冲密封垫702（固定不动）共同作用，形成密闭区域I）、固定吸附衬底3的水平真空管路204（与真空管路10相连，提供吸附衬底3的负压）、吸附衬底的垂直管路205（与水平真空管路204相连通）、连通区域I水平管路206（与真空管路10和压力管路11相连，压印时与真空管路10相连通，脱模时与压力管路11相连通）、与连通区域I水平管路206相连通的连通区域I垂直管路207（压印时，在密闭区域I中形成低压真空环境；脱模时在密闭区域1中形成正压环境）。第一缓冲密封垫201在垂直孔203中应确保能够自由运动。
图5是本发明压印机构7的结构示意图，它包括连接支架701、第二缓冲密封垫702（固定在连接支架701上）、运动执行机构709。其中连接支架701用以连接和固定紫外光光源8、气阀板6、第二缓冲密封垫702以及实现压印机构7沿z轴方向上下移动的运动执行机构709（如一维位移平台等）。当压印机构7从初始工位移动到压印工位时，通过第二缓冲密封垫702、模具5和真空吸盘2上的第一缓冲密封垫201共同作用，形成密封区域II。压印机构7的连接支架701的顶面705与紫外光光源8相连，压印机构7的连接支架701的底面706与气阀板6相连，压印机构7的连接支架701的顶面705与运动执行机构709相连。
图6是本发明模具进给机构9的结构示意图，它包括放置薄膜状模具的辊轮901、辅助支撑辊轮902、压印后模具回收的辊轮903。其中放置薄膜状模具的辊轮901用以放置（承载）薄膜状模具5（通过滚压印工艺制造的薄膜状弹性模具5），压印后模具回收的辊轮903用以回收脱模后的模具5，辅助支撑辊轮902起到辅助支撑、导向和防扭偏的功能，可以在不同的位置放置多个（本实施例使用两个）。压印后模具回收的辊轮903是主动转动轮，放置薄膜状模具的辊轮901是被动转动轮，完成一次压印脱模后，压印后模具回收的辊轮903主动旋转，新的模具5进给移动到压印工位，开始下一次压印的工作过程循环。
图7是本发明用于高亮度LED图形化的压印方法的工作过程流程图，它包括如下工艺步骤：
（1）预处理过程
在4英寸蓝宝石衬底3上旋涂200nm的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4，将其置于承片台1之上的真空吸盘2上，并通过真空吸力将涂铺有紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4的蓝宝石衬底3吸附固定在真空吸盘2上。承片台1从初始工位移动到压印工位（模具5的正下方中心位置）。
（2）压印过程
①压印机构7带动气阀板6、紫外光光源8从初始工位向蓝宝石衬底3方向移动，直到压印机构7的第二缓冲密封垫702与模具5，模具5与真空吸盘2上的第一缓冲密封垫201完全接触。模具5的下方和真空吸盘2形成的密闭区域I，模具5的上方和压印机构7围成密闭的区域II，应确保密闭区域I和II压印和脱模工作过程中密闭和不漏气；②从气阀板6的中心位置开始，向两外侧方向逐个开启压力管路11，在压缩空气所施加的均匀压力作用下，使薄膜状模具5与蓝宝石衬底3上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4逐渐共形接触；③薄膜状的模具5与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4完全共形均匀接触后，真空吸盘2开启真空管路10，在密闭区域I形成低压真空环境（一方面去除压印过程中陷入的气泡缺陷，另一方面使薄膜状的模具5与非平整衬底3上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4完全共形接触）；同时，气阀板6的所有压力管路的压力保持均匀一致性增大，模具5的上方和压印机构7所围成的密闭区域II形成低压压力环境（在薄膜状的模具5上施加均匀一致的压印力），实现液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4在模具5微纳结构腔体50102内完全填充，并且减薄至60nm预定的残留层厚度。压印过程的工作压力是30mbar。
（3）固化过程
①为了降低模具5的变形对于压印质量的影响，液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4固化前，逐渐释放施加在模具5上的压力，最后保持5mbar的压印力，使模具5的变形得到完全的恢复；②随后，开启紫外光光源8，紫外光透过模具5对液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4曝光，充分固化液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4。固化的时间20s。
（4）脱模过程
①首先，关闭气阀板6的压力管路11和真空吸盘2真空管路10；②从气阀板6最外两侧同时开始向模具5的中心逐个开启真空管路10，密闭区域II形成低压真空环境；同时，真空吸盘2上开启压力管路11，密闭区域I形成低压压力环境。实现模具5从蓝宝石衬底3的两外侧向中心连续“揭开”式的脱模；最后，模具5中心位置与蓝宝石衬底3上固化的聚合物相互分离，实现模具5与压印微纳特征结构50101的完全分离，完成脱模。③最后，关闭气阀板6内的真空管路10、真空吸盘2的压力管路11以及真空吸盘2上的第一缓冲密封垫201的压力管路11的水平压力管路202（第一缓冲密封垫201复位）。
（5）后处理过程
①压印机构7向上移动，返回初始工位。同时承片台1移动到衬底3更换工位，关闭真空吸盘2上的水平真空管路204，取下压印后的蓝宝石衬底3，更换新的蓝宝石衬底3，同时开启真空吸盘2上的水平真空管路204，将新的蓝宝石衬底3固定在真空吸盘2上。②同时压印后模具回收的辊轮903转动，薄膜状的模具5向前进给运动，进给移动的尺寸是300mm。开始新一轮压印工作过程的循环。
（6）压印图形的转移
①去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀剂4结构中的残存的模具5材料。模具5的微纳特征结构50101在脱模过程由于固化后聚合物与脱模的粘附或者脱模力不均匀或者模具5的机械强度低等原因，可能有些模具5的微纳特征结构50101残留到压印的特征结构中（对于传统纳米压印工艺将导致严重的后果，一方面将导致模具5的失效，另一方面残留在压印特种结构中的模具5材料形成压印缺陷），导致模具5失效和压印缺陷的生成。本发明使用水溶性的一次性模具5提供了一种理想的解决方案。因为模具5是一次性，无需要担心模具5的损伤；另外，残留在压印特征结构中的模具5材料为水溶性材料。因此，将衬底3和其上压印的特征结构置于80℃的水溶液中10分钟，去除残留在特征结构中的模具5残留。②随后，先采用反应离子刻蚀工艺RIE去除残留层，以固化后压印的有机聚合物为掩模，通过ICP干法刻蚀工艺，将特征结构转移到蓝宝石衬底3上。
本实施例所述压力管路11的工作范围是：0-2bar；压印过程中的工作压力是30mbar。压力释放到5mbar，并在固化过程中保持5mbar的压印力。
所述模具5的制造采用滚对滚纳米压印工艺，其制造过程：（1）采用激光干涉光刻制造硅模具（母模）；（2）以硅模具为母模，采用电铸工艺，制造薄片结构的镍模具，并将其包覆在圆柱形辊轮上，形成滚压印的工作模具；（3）以辊轮型的镍模具为工作模具，以PET为背衬（支撑层502），水溶性PVA为压印材料，使用滚对滚或者滚对平面纳米压印工艺（热固化），制造本实施例所需的模具5。
所述真空管路10工作范围是：<-0.2bar，压印过程中的工作压力是-600Pa；
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
Claims (9)
1.一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置，其特征是，它包括：承片台、真空吸盘、衬底、紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、模具、气阀板，压印机构、紫外光光源、模具进给机构、真空管路、压力管路；其中，承片台的正上方固定真空吸盘，真空吸盘的正上方吸附着衬底，衬底上涂铺液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂；模具附在模具进给机构的放置薄膜状模具的辊轮、两个辅助支撑辊轮和压印后模具回收的辊轮的外面，模具通过辅助支撑辊轮放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底的上方和气阀板的下方，气阀板固定在压印机构的下方，紫外光光源固定在压印机构的上方；真空管路和压力管路与气阀板的进气口相连，真空管路和压力管路与真空吸盘的进气口相连；
所述模具为水溶性、薄膜状、弹性复合透明软模具，它包括图形层和支撑层，其中图形层具有以下特性：水溶性、高弹性模量、透明性、热稳定性和良好的力学特性，选择聚乙烯醇或聚丙烯酸水溶性高分子化合物；所述支撑层为透明高弹性薄膜状PET材料；其中图形层包含所要复制的微纳特征结构，支撑层位于图形层之上；图形层的厚度是10-50微米，支撑层PET厚度是100-200微米；所述模具采用滚压印工艺、印刷电子技术或者纳米压印技术制造；
所述真空吸盘包括：
在垂直孔中能够自由运动的第一缓冲密封垫；
放置第一缓冲密封垫的垂直孔；
与垂直孔相通的水平压力管路，水平压力管路与压力管路相连，通过压力管路所提供的压缩气体使第一缓冲密封垫在压印过程中向上运动，与模具和压印机构的第二缓冲密封垫共同作用，形成密闭区域I；
固定吸附衬底的水平真空管路，水平真空管路与真空管路相连，提供吸附衬底的负压；
吸附衬底的垂直管路，垂直管路与水平真空管路相连通；
连通区域I水平管路，与真空管路和压力管路相连，压印时与真空管路相连通，脱模时与压力管路相连通；
与连通区域I水平管路相连通的连通区域I垂直管路，压印时，在密闭区域I中形成低压真空环境；脱模时在密闭区域1中形成正压环境；
所述压印机构包括沿z轴方向上下移动的一维位移平台和紫外光光源的连接支架，连接支架的下方安装有若干个缓冲密封垫。
2.如权利要求1所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置，其特征是，所述模具进给机构包括：放置薄膜状模具的辊轮、压印后模具回收的辊轮、辅助支撑辊轮、导向和防扭偏机构，所述模具进给机构分为左右轴对称的两侧，一侧为放置薄膜状模具的辊轮和辅助支撑辊轮，放置薄膜状模具的辊轮比辅助支撑辊轮更靠近模具进给机构的中轴线，另一侧是压印后模具回收的辊轮和另外一个辅助支撑辊轮，压印后模具回收的辊轮与放置薄膜状模具的辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称，辅助支撑辊轮和另外一个辅助支撑辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称；
所述承片台为x-y精密工作台，实现衬底更换工位、压印过程中衬底与模具的定位和位置的调整；
所述紫外光光源为紫外LED灯阵列；
所述压力管路的工作范围是：0-2bar；压印过程中的工作压力是10-100mbar；
所述真空管路工作范围是：-0.1bar～-0.4bar，压印过程中的工作压力是-300Pa～-5kPa；
压印工作过程中模具下方和真空吸盘所围成的密闭区域I为低压真空环境，模具上方和压印机构所围成的密闭区域II为压力环境。
3.如权利要求1所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印装置所采用的工作方法，其特征是，包括如下步骤：
步骤（1）：预处理过程；
步骤（2）：压印过程；
步骤（3）：固化过程；
步骤（4）：脱模过程；
步骤（5）：后处理过程；
步骤（6）压印图形的转移。
4.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（1）的工作过程为在衬底上旋涂一层液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂，将衬底置于承片台之上的真空吸盘上，并通过真空吸力将涂铺液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底吸附固定于真空吸盘上；承片台从初始工位移动到压印工位，所述压印工位是模具的正下方中心位置。
5.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（2）的工作过程为：
（2-1）压印机构带动气阀板、紫外光光源从初始工位向衬底移动，直到压印机构的缓冲密封垫与模具上表面支撑层，模具下表面图形层与真空吸盘上的缓冲密封垫完全接触；模具的下方和真空吸盘形成的密闭区域I，模具的上方和压印机构围成密闭的区域II，压印和脱模工作过程中应确保密闭区域I和II密封和不漏气；
（2-2）从气阀板的中心位置开始，向两外侧方向逐个开启气阀板内的压力管路，在压缩空气的施加的压力作用下，使模具与衬底上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂渐进式顺序共形微接触；
（2-3）模具与液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形均匀接触后，一方面真空吸盘开启真空管路，在密闭区域I形成低压真空环境，去除压印过程中陷入的气泡缺陷，使薄膜状模具与衬底上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形接触；同时，气阀板的所有压力管路的压力保持均匀一致性增大，模具的上方和压印机构所围成的密闭区域II形成低压压力环境，在薄膜状模具上施加均匀一致的压印力，实现液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在模具微纳结构腔体内完全填充，并且减薄至预定的残留层厚度；或者直接初始留膜厚度与压印特征结构高度相同，实现无留膜压印。
6.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（3）的工作过程为：
（3-1）首先，逐渐释放施加在模具上的压力，使模具的变形得到完全的释放；
（3-2）随后，开启紫外光光源，紫外光透过模具对液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂曝光，充分固化液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂；固化的时间10-30s。
7.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（4）的工作过程为：
（4-1）首先，关闭气阀板的压力管路和真空吸盘真空管路；
（4-2）从气阀板最外两侧同时开始向模具的中心逐个开启气阀板内的真空管路，使密闭区域II形成低压真空环境；同时，真空吸盘上开启压力通路，密闭区域I形成低压压力环境；实现模具从衬底两外侧向中心连续“揭开”式的脱模；最后，模具中心位置与衬底上固化的聚合物相互分离，实现模具与压印结构的完全分离，完成脱模；
（4-3）最后，关闭气阀板内的真空管路、真空吸盘的压力管路以及真空吸盘上的缓冲密封垫的压力通路的进气管路，缓冲密封垫复位。
8.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（5）的工作过程为：
（5-1）压印机构向上移动，返回初始工位；同时承片台移动到衬底更换工位，关闭真空吸盘上的真空管路，取下压印后的衬底，更换新的衬底，同时开启真空吸盘上的真空管路，将新的衬底固定在真空吸盘上；
（5-2）同时压印后模具回收的辊轮转动，薄膜状模具向前进给运动，进给移动的尺寸大于衬底的最大外圆尺寸；开始新一轮压印工作过程的循环。
9.如权利要求3所述的一种用于高亮度LED图形化的纳米压印方法，其特征是，所述步骤（6）的工作过程为：
（6-1）去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀剂结构中的残留的模具材料；将衬底和其上压印的微纳特征结构置于70-100℃的水溶液中5-10分钟，去除残留在压印结构中的模具残留材料；
（6-2）随后通过刻蚀工艺，以固化后压印的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂为掩模，将特征结构转移到衬底上；或者通过“Lift-off”工艺，将特征结构转移到其它功能结构材料上，所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀。
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