CN104199253A - 阵列式微结构纳米压印方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种阵列式微结构纳米压印方法及装置，其中，阵列式微结构纳米压印方法包括如下步骤：1)基材运行至加工工位；2)模具的压印面与基材接触；3)激光对模具压印面照射并加热；4)压印；5)脱模；6)基材运行至下一加工工位；7)重复步骤2～5。本发明的阵列式微结构纳米压印方法及装置通过激光辐射传递功率实现局部微小区域的快速加热升温与冷却；通过调节光学准直聚焦系统参数实现不同大小区域的加热效果；通过调节激光功率实现基底材料加工温度的精确控制；通过激光照射时间的调节实现基底材料的完善填充，具有加热速度快、微小加热区域精确控制、温度场梯度构建准确等优点。

Description

阵列式微结构纳米压印方法及装置

技术领域

本发明涉及阵列式光学微结构纳米压印制造领域，特别是涉及一种阵列式微结构纳米压印方法及装置。

背景技术

具有随机分布的阵列式全息图案的模板制造是激光防伪技术、特殊图案印刷技术中的关键，是全息激光防伪技术的关键技术环节之一，也是限制该技术批量化制造与产业化应用的瓶颈技术。行业内迫切需要一种具有低成本、快速加工性能的阵列式微结构加工方法，用以实现模板制造的产业化应用。

现有的加工方法主要包括：逐点式激光直写技术、干涉光刻技术以及电子束直写技术。现有的加工方法的基本思想是，采用基于激光或者高能粒子束的光学曝光技术，结合逐点式运动扫描装置，实现单点或者特定微小区域的扫描式曝光，从而获得光刻胶精细结构图案，再通过显影、图形转移等步骤实现整幅模板结构的加工。现有方法的主要缺点是加工效率低，而且需要对光刻胶进行精确的曝光操作，对工艺与设备的运行精度均具有很高的要求，在实际应用中受到诸多限制。

因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于激光加热的阵列式微结构纳米压印方法及装置，以克现有的阵列式全息图案的模板加工方法中存在的不足。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种阵列式微结构纳米压印方法，其包括如下步骤：

1)固定待纳米压印的基材，控制该基材运行至加工工位，准备对基材的待加工区域进行加工；

2)控制微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；

3)激光对微结构模具的压印面上与所述待加工区域相对应的区域进行照射并加热，所述激光的照射区域的范围为50-1000um；

4)在激光加热条件下，当微结构模具的压印面上相应区域的表面温度达到所述基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面对所述基材的待加工区域施加压力；

5)完成基材的待加工区域的压印后，停止激光照射，待基材的温度下降至脱模温度后，脱模；

6)控制基材运行至下一加工工位，准备对基材的下一待加工区域进行加工；

7)重复步骤2-5至完成基材的纳米压印。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述基材为PMMA、PC以及PMMA共聚物。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述步骤3中，所述激光的最大辐射功率至少为5W。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述步骤3中，所述激光照射加热的时间为5ms-1000ms。

为了实现上述发明目的，本发明提供还一种阵列式微结构纳米压印装置，其包括：基台、X-Y轴运动控制组件、Z轴运动控制组件、激光辅助加热组件；

所述X-Y轴运动控制组件包括：运动控制平台、X轴导轨、Y轴导轨、第一电机，所述Y轴导轨相对平行设置于所述基台上，所述X轴导轨的两端滑动设置于所述Y轴导轨上，所述第一电机驱动所述运动控制平台沿所述X轴导轨和Y轴导轨进行运动；

所述Z轴运动控制组件包括：支撑梁、Z轴导轨、压印头、第二电机，所述支撑梁安装于所述基台上，所述Z轴导轨设置于所述支撑梁上，所述压印头滑动设置于所述Z轴导轨上，所述第二电机驱动所述压印头沿所述Z轴导轨作升降运动，所述压印头位于所述运动控制平台上方；

所述激光辅助加热组件包括：激光器、光束准直聚焦组件、固定架，所述激光辅助加热组件位于所述运动控制平台下方，所述激光器朝向所述运动控制平台设置。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述压印头具有压印面，所述压印面上形成有若干微针结构。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述基台下方还设置有隔振器。

作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述激光器为连续输出型激光器。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的阵列式微结构纳米压印方法及装置通过激光辐射传递功率实现局部微小区域的快速加热升温与冷却；通过调节光束准直聚焦组件的参数实现不同大小区域的加热效果；通过调节激光功率实现基底材料加工温度的精确控制；通过激光照射时间的调节实现基底材料的完善填充，具有加热速度快、微小加热区域精确控制、温度场梯度构建准确等优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的一具体实施方式的方法流程示意图；

图2为实施例1中加工形成的阵列式光栅结构照片；

图3为图2中圆圈部分的放大视图；

图4为实施例2中加工形成的凹坑结构照片；

图5为图4中凹坑处的轮廓测试曲线；

图6为实施例3中加工形成的全息图案的照片；

图7为图6中文字部分的放大视图；

图8为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的一具体实施方式的立体示意图；

图9为图8中圆圈部分的侧视图。

具体实施方式

下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的阵列式微结构纳米压印方法及装置，通过激光辐射传递功率实现局部微小区域的快速加热升温与冷却；通过调节光束准直聚焦组件的参数实现不同大小区域的加热效果；通过调节激光功率实现基底材料加工温度的精确控制；通过激光照射时间的调节实现基底材料的完善填充，具有加热速度快、微小加热区域精确控制、温度场梯度构建准确等优点。

具体地，如图1所示，本发明的阵列式微结构纳米压印方法包括如下步骤：

1)固定待纳米压印的基材，控制该基材运行至加工工位，准备对基材的待加工区域进行加工；

2)控制微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；

3)激光对微结构模具的压印面上与所述待加工区域相对应的区域进行照射并加热，所述激光的照射区域的范围为50-1000um；

4)在激光加热条件下，当微结构模具的压印面上相应区域的表面温度达到所述基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面对所述基材的待加工区域施加压力；

5)完成基材的待加工区域的压印后，停止激光照射，待基材的温度下降至脱模温度后，脱模；

6)控制基材运行至下一加工工位，准备对基材的下一待加工区域进行加工；

7)重复步骤2-5至完成基材的纳米压印。

其中，步骤1中，所述基材为PMMA、PC以及PMMA共聚物等便于加工的热塑性高分子材料。PMMA是指聚甲基丙烯酸甲酯，PC是指聚碳酸酯。

步骤2中，微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触时，并不对待加工区域施加过大的压印作用力，而是进行触碰，起到对准的作用。

步骤3中，激光自下而上地照射在压印面的与所述待加工区域相对应的区域上，激光照射的区域范围为50-1000um，从而实现局部微小区域的快速加热升温与冷却。此外，通过调节激光的频率可控制压印面的表面温度。所述激光的最大辐射功率至少为5W。此外，激光光束照射时间由快门或激光器开关控制，照射时间范围优选为5ms～1000ms。

步骤4中，压印面对所述基材的待加工区域施加压力时，需保持足够的作用时间，以促使基材充分填充压印面上的微结构。所述加工温度应满足高于材料玻璃化转化温度，并接近于基材的熔融温度。

下面结合具体的实施例对本发明的阵列式微结构纳米压印方法进行举例说明。

实施例1

以PMMA为加工基材，500nm线宽的金属镍材料光栅为针尖压头，采用针式纳米压印方法加工微结构光栅阵列模板。

具体地，将加工基材固定于工作台上，控制具有上述针尖压头的微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；开启加热用激光，使激光束聚焦并照射于压印面表面，焦斑大小为200um，通过能量辐射使表面温度上升，表面加工温度约200℃。

当压印面表面温度达到基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面施加压印压力，保持压力以促使基材对微结构的充分填充，保持时间50ms。完成微结构填充后关闭激光辐射，抬起微结构模具实现脱模。

控制基材上下一个待压印区域运行至微结构模具的压印面下方，重复上述步骤，至完成整个阵列式光栅结构的加工。

如图2、3所示，为加工形成的阵列式光栅结构照片及其局部放大视图。由图可知，所加工的阵列结构排布与设计结构相符，加工结果的线宽与微结构保持一致。

实施例2

以PC为加工基材，带有方形凸台结构的硅材料器件为针尖压头，采用针式纳米压印方法加工法布里-珀罗光学谐振腔的纳米凹坑的模板。

具体地，将加工基材固定于工作台上，控制具有上述针尖压头的微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；开启加热用激光，使激光束聚焦并照射于压印面表面，焦斑大小为500um，通过能量辐射使表面温度上升，表面加工温度约250℃。

当压印面表面温度达到基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面施加压印压力，保持压力以促使基材对微结构的充分填充，保持时间100ms。完成微结构填充后关闭激光辐射，抬起微结构模具实现脱模。

控制基材上下一个待压印区域运行至微结构模具的压印面下方，重复上述步骤，至完成整个法布里-珀罗光学谐振腔的纳米凹坑的加工。

如图4、5所示，为加工形成的凹坑结构照片及该凹坑处的轮廓测试曲线。由图可知，所加工的凹坑结构的深度为220nm，其与针尖压头上的微结构保持一致，同时加工结果的保真度良好。

实施例3

以PMMA-MA共聚物为加工基材，600nm线宽的金属镍材料光栅为针尖压头，采用针式纳米压印方法加工带有特定图案的全息图案模板。

具体地，将加工基材固定于工作台上，控制具有上述针尖压头的微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；开启加热用激光，使激光束聚焦并照射于压印面表面，焦斑大小为100um，通过能量辐射使表面温度上升，表面加工温度约180℃。

当压印面表面温度达到基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面施加压印压力，保持压力以促使基材对微结构的充分填充，保持时间30ms。完成微结构填充后关闭激光辐射，抬起微结构模具实现脱模。

控制基材上下一个待压印区域运行至微结构模具的压印面下方，重复上述步骤，至完成整个凸台阵列结构的加工。

如图6、7所示，为加工形成的全息图案的照片及其局部放大视图。由图可知，所加工的汉字图案结构整齐，光学效果良好，符合模板加工的技术要求。

如图8所示，基本相同的技术构思，本发明还提供一种阵列式微结构纳米压印装置，该阵列式微结构纳米压印装置100包括：基台10、X-Y轴运动控制组件20、Z轴运动控制组件30、激光辅助加热组件(未图示)。

其中，所述X-Y轴运动控制组件20用以控制基材在二维平面内的位置调节。X-Y轴运动控制组件20包括：运动控制平台21、X轴导轨22、Y轴导轨23、第一电机。所述Y轴导轨23相对平行设置于所述基台10上，从而形成两条相互平行设置的导轨。所述X轴导轨22的两端滑动设置于所述Y轴导轨23上，并与Y轴导轨23保持垂直。所述第一电机驱动所述运动控制平台21沿所述X轴导轨22和Y轴导轨23进行运动。从而，当运动控制平台沿X轴导轨滑动时，运动控制平台在X轴导轨和Y轴导轨所在平面内沿X方向运动，当运动控制平台沿Y轴导轨滑动时，运动控制平台在X轴导轨和Y轴导轨所在平面内沿Y方向运动。

Z轴运动控制组件30用以控制压印头在垂直于X轴导轨和Y轴导轨所在平面的方向上作升降运动。该Z轴运动控制组件30包括：支撑梁31、Z轴导轨32、压印头33、第二电机。所述支撑梁31安装于所述基台10上，所述Z轴导轨32设置于所述支撑31梁上。具体地，Z轴导轨32可以为安装于所述支撑梁31上的条形凸起，也可以为形成于所述支撑梁31上的滑槽。压印头33滑动设置于所述Z轴导轨32上，并位于所述运动控制平台21的上方。压印头33具有压印面，该压印面上形成有用于按压成形的微结构，具体地，该微结构可以由若干微针结构形成。所述第二电机提供所述压印头33作升降运动的动力。

激光辅助加热组件用以提供照射并加热压印头的激光。该激光辅助加热组件包括：激光器、光束准直聚焦组件、固定架。激光器和光束准直聚焦组件固定在固定架上，激光器用于发射激光束，光束准直聚焦组件用于对激光照射区域的范围进行调节，其中，激光照射的区域范围为50-1000um。优选地，该激光器为连续输出型激光器，如此，通过该激光器可调节激光功率，实现基底材料加工温度的精确控制。

如图9所示，此外，激光辅助加热组件位于运动控制平台21的下方，且激光器的激光束发射口朝向所述运动控制平台设置。如此，激光可自下而上地照射在压印面上。

进一步地，所述基台10下方还设置有隔振器，该隔振器起到稳定基台的作用，保证基材纳米压印的顺利进行。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种阵列式微结构纳米压印方法，其特征在于，所述纳米压印方法包括如下步骤：

1)固定待纳米压印的基材，控制该基材运行至加工工位，准备对基材的待加工区域进行加工；

2)控制微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；

3)激光对微结构模具的压印面上与所述待加工区域相对应的区域进行照射并加热，所述激光的照射区域的范围为50-1000um；

4)在激光加热条件下，当微结构模具的压印面上相应区域的表面温度达到所述基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面对所述基材的待加工区域施加压力；

5)完成基材的待加工区域的压印后，停止激光照射，待基材的温度下降至脱模温度后，脱模；

6)控制基材运行至下一加工工位，准备对基材的下一待加工区域进行加工；

7)重复步骤2-5至完成基材的纳米压印。

2.根据权利要求1所述的阵列式微结构纳米压印方法，其特征在于，所述基材为PMMA、PC以及PMMA共聚物。

3.根据权利要求1所述的阵列式微结构纳米压印方法，其特征在于，所述步骤3中，所述激光的最大辐射功率至少为5W。

4.根据权利要求1所述的阵列式微结构纳米压印方法，其特征在于，所述步骤3中，所述激光照射加热的时间为5ms～1000ms。

5.一种阵列式微结构纳米压印装置，其特征在于，所述阵列式微结构纳米压印装置包括：基台、X-Y轴运动控制组件、Z轴运动控制组件、激光辅助加热组件；

所述X-Y轴运动控制组件包括：运动控制平台、X轴导轨、Y轴导轨、第一电机，所述Y轴导轨相对平行设置于所述基台上，所述X轴导轨的两端滑动设置于所述Y轴导轨上，所述第一电机驱动所述运动控制平台沿所述X轴导轨和Y轴导轨进行运动；

所述Z轴运动控制组件包括：支撑梁、Z轴导轨、压印头、第二电机，所述支撑梁安装于所述基台上，所述Z轴导轨设置于所述支撑梁上，所述压印头滑动设置于所述Z轴导轨上，所述第二电机驱动所述压印头沿所述Z轴导轨作升降运动，所述压印头位于所述运动控制平台上方；

所述激光辅助加热组件包括：激光器、光束准直聚焦组件、固定架，所述激光辅助加热组件位于所述运动控制平台下方，所述激光器朝向所述运动控制平台设置。

6.根据权利要求5所述的阵列式微结构纳米压印装置，其特征在于，所述压印头具有压印面，所述压印面上形成有若干微针结构。

7.根据权利要求5所述的阵列式微结构纳米压印装置，其特征在于，所述基台下方还设置有隔振器。

8.根据权利要求5所述的阵列式微结构纳米压印装置，其特征在于，所述激光器为连续输出型激光器。