CN105034344B - 一种大面积纳米压印软模具复制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大面积纳米压印软模具复制装置及方法，包括：工作台固定在底座之上；母模通过真空吸附固定在工作台之上；垫圈通过真空吸附固定在工作台之上，并嵌在母模的外围；液态模具图形层材料滴在母模之上；模具支撑层通过真空吸附固定在动板的下表面；限位模块置于动板之上；Z向位移台与动板相连接；导向柱固定在底座上，并穿过动板。本发明有益效果：实现了大尺寸晶圆级软模具低成本、高效、高精度和规模化的制造，为大面积纳米压印和整片晶圆纳米压印提供一种重要的支撑工具和技术。

Description

一种大面积纳米压印软模具复制装置及方法

技术领域

本发明涉及属微纳制造技术领域，尤其涉及一种大面积纳米压印软模具复制装置及方法。

背景技术

纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography,NIL)是一种全新的微纳米结构制造方法，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。与现有的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。尤其是近年出现的大面积纳米压印、晶圆级(整片晶圆)纳米压印，已经被认为是实现大面积微纳结构高效、低成本批量化制造最具有工业化应用前景的技术之一。

但是，大面积纳米压印使用的软模具目前依靠手工制造完成，所生产的模具在质量、成本、效率等方面还远远无法满足工业级规模化生产的要求，并且现有的制造方法仅能够实现小尺寸软模具的制造，但是，难以实现大尺寸(尤其是4寸以上整片晶圆纳米压印需要的软模具)制造。上述问题目前已经成为制约大面积纳米压印技术广泛工业化应用的最大技术瓶颈。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述问题，提出了一种大面积纳米压印软模具复制装置及方法，能够实现大尺寸(晶圆级)软模具高效、低成本批量化的制造。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大面积纳米压印软模具复制装置，它包括：底座、工作台、母模、垫圈、模具图形层、模具支撑层、动板、限位模块、Z向位移台、导向柱。其中工作台固定在底座之上；母模通过真空吸附固定在工作台之上；垫圈通过真空吸附固定在工作台之上，并包围嵌在母模的外侧；液态模具图形层材料滴在母模之上；模具支撑层通过真空吸附固定在动板的下表面；限位模块置于动板之上；Z向位移台与动板相连接；导向柱固定在底座上，并穿过动板。

所述底座的结构包括：铝板和调节螺钉，其中调节螺钉置于铝板的下面，用于实现底座高度的调整和水平面的调平。

所述工作台的结构包括：基座、加热元件，其中加热元件包括加热管或者加热片，其置于基座的内部，实现对基座的加热；基座上表面设有环形槽、“十字”槽和气路。基座通过真空吸附固定母模和垫圈。

所述母模包括：硅模具、石英模具、镍模具等。

所述垫圈的材料为特氟龙、PU等低表面能材料，它置于基座上表面，包围嵌在母模的外侧，垫圈的内径尺寸与母模的外径相等，垫圈的高度高于母模的高度，垫圈与母模的高度差就是模具特征图形层的高度，垫圈的宽度3-10毫米。垫圈上设有通孔，将多余的液态图形材料挤压到工作台基座的环形槽内。

所述复制的软模具，它至少包括模具图形层(特征结构层)和模具支撑层(背衬)，其中模具图形层的厚度0.05-1毫米，模具支撑层的厚度是0.2-3毫米；模具图形层和模具支撑层可以是同种材料，也可以是不同种类的材料。

所述动板的结构包括：支撑板、玻璃盖板、压环、直线轴承，其中玻璃盖板固定在支撑板的上表面；压环置于支撑板下表面的环形凹槽中，并通过真空吸附固定于支撑板的环形凹槽中；支撑板的下表面还设有环形槽、气路，通过真空吸附固定复合软模具的支撑层；支撑板的中心轴线上还设有个通孔，用于限位压头的穿过；直线轴承固定在支撑板的4个角部，与导向柱相配合实现对动板导向，确保动板上下移动过程中保持与工作台的平行。

所述限位模块的结构包括：支架、限位压头，其中支架固定在底座上，限位压头置于支架的横梁上。其中心与动板的支撑板的中心轴线上的2个通孔相重合。

所述Z向位移台的结构包括：支架、位移台、连接板，其中支架的底板与底座相连接并固定在底座上；位移台固定在支架的立板上；L形连接板一端固定在位移台上，另一端固定在动板的支撑板上。通过Z向位移台带动动板实现动板的上下移动。

所述导向柱与动板的直线轴承相配合，起到导向作用，确保动板上下移动过程中保持与工作台平行。

所述导向柱的数量为2个、3个或者4个。

所述复制软模具图形层的高度通过垫圈的高度来调节。

一种大面积纳米压印软模具复制装置的工作方法，包括以下步骤：

(1)模具复制准备

①母模和垫圈固定在工作台的基座上；

②动板升高到设定的最高位置，压环固定于动板支撑板下表面的环形凹槽中，模具支撑层固定于动板的支撑板下表面；

③限位模块的限位压头置于设定的最高位；

(2)模具复制

①模具图形层材料置于母模中央；

②Z向位移台带动动板下降；

③使模具支撑层与垫圈和模具图形层材料紧密接触，模具图形层材料对母模特征腔体完全填充，多余的模具图形层材料通过垫圈的通孔流到工作台基座的环形槽内；

(3)动板移除

(4)固化

(5)脱模。

本发明的有益效果是：

(1)结构简单、操作方便、成本低。

(2)系统的适应性广，柔性高，可以用于不同尺寸(比如可以用于制造4英寸、6英寸以及8英寸以上等晶圆级软模具制造)、不同形状软模具的制造。

(3)能够实现高效、低成本批量化制造软模具，满足工业级应用的要求。

(4)所制造的软模具质量好、精度高、缺陷低。

(5)本发明实现了大尺寸晶圆级软模具低成本、高效、高精度和规模化的制造，为大面积纳米压印和整片晶圆纳米压印提供一种重要的支撑工具和技术。

附图说明

图1是本发明大面积纳米压印软模具复制装置结构示意图一；

图2是本发明大面积纳米压印软模具复制装置结构示意图二；

图3是本发明工作台的基座结构示意图；

图4是本发明实施例软模具结构示意图；

图5是本发明动板的支撑板结构示意图；

图6是本发明限位模块结构示意图；

图7是本发明Z向位移台结构示意图；

图8是本发明实施例软模具复制工作过程流程图。

其中，1底座，2工作台，3母模，4垫圈，5模具图形层，6模具支撑层，7动板，8限位模块，9Z向位移台，10导向柱；

201基座，202加热管，203环形槽，204“十字”槽，205气路一，206气路二；30软模具；701支撑板，702玻璃盖板，703气路，704直线轴承，705通孔；801支架，802限位压头，803横梁；901支架，902位移台，903连接板，904底板，905立板。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：

应当理解，本发明中，如支撑板，其作用为作为支撑平台，并不必然表示其为板型件，因此，本文中所使用术语主要用于特定目的和所解决的技术问题的表达，不为其名称所限定。

如图1和图2所示，一种大面积纳米压印软模具复制装置，包括：底座1、工作台2、母模3、垫圈4、模具图形层5、模具支撑层6、动板7、限位模块8、Z向位移台9、导向柱10。

如图1所示，工作台2固定在底座1之上；母模3通过真空吸附固定在工作台2之上；垫圈4通过真空吸附固定在工作台2之上，并包围嵌在母模3的外侧；液态模具图形层材料5涂铺在母模3之上；模具支撑层6通过真空吸附固定在动板7的下表面；限位模块8置于动板7之上；Z向位移台9与动板6相连接；导向柱10固定在底座上，并穿过动板7。

底座1的结构为：包括铝板和调节螺钉，其中4个调节螺钉置于铝板的下面，用于实现底座1的高度调整和水平面的调平。

工作台2的结构为：包括基座201、加热元件，其中加热元件为加热管202，其置于基座201的内部，实现对基座201的加热；基座201上表面设有环形槽203、“十字”槽204和气路一205和气路二206；真空气体通过“十字”槽204传送到环形槽203，实现对母模的真空吸附固定，气路接头拧在气路一205，气路一205的水平孔与气路二206的垂直孔相连通，进一步通过气路二206将真空气体通过相连的“十字”槽204传送到环形槽203，实现对母模的真空吸附固定。基座201通过真空吸附固定母模3。其中基座201的结构如图3所示。

母模3为4英寸的硅模具，其直径为100毫米，高度1.5毫米。

在另外一些实施例中，母模还可以为石英模具或者镍模具等。

垫圈4的材料为特氟龙，它置于基座201上表面，包围嵌在母模3的外侧，垫圈4的内径与母模的外径相等(直径100毫米)，垫圈4的高度0.7毫米，垫圈4的宽度5毫米。

复制的软模具30，如图4所示，它包括模具图形层5和模具支撑层6，其中模具图形层5为液态PDMS，模具支撑层6采用PET，其厚度是0.5毫米。复制软模具图形层的高度通过垫圈4的高度来调节。

动板7的结构为：包括支撑板701、玻璃盖板702、压环、直线轴承704；其中支撑板701的结构如图5所示，玻璃盖板702固定在支撑板701的上表面；压环置于支撑板下表面的环形凹槽中，并通过真空吸附固定于支撑板701的环形凹槽中；支撑板的下表面还设有环形槽、气路703，通过真空吸附固定复合软模具的支撑层6；支撑板701的中心轴线上还设有2个通孔705，用于限位压头的通过；4个直线轴承704固定在支撑板的4个角的凹槽中，与导向柱10相配合实现对动板7导向，确保动板7上下移动过程中保持与工作台2的平行。

如图6所示，限位模块8的结构为：包括支架801、限位压头802，其中支架801固定在底座1上，限位压头802置于支架801的横梁803上。其中心与动板7的支撑板701的中心轴线上的2个通孔705相重合。

如图7所示，Z向位移台9的结构为：包括支架901、位移台902、连接板903，其中支架901的底板904与底座1相连接并固定在底座1上；位移台902固定在支架901的立板905上；L形连接板903一端固定在位移台902上，另一端固定在动板7的支撑板701上。通过Z向位移台9带动动板7的实现动板7的上下移动，所述位移台902采用手动平移台。

在另外一些实施例中，所述Z向位移台也可以采用电动位移台。另外，Z向位移台也可以置于中心位置。

导向柱10与动板7的直线轴承704相配合，起到导向作用，确保动板7保持水平的上下移动。导向柱的数量根据实际情况可以设置为2个、3个或者4个。

图8是本发明实施例软模具复制工作流程图，基于本发明的装置，模具复制的基本原理和具体工作过程如下：

(1)模具复制准备

①将母模3和垫圈4放置在工作台2的基座201上，开启真空管路系统，通过真空吸附将母模3和垫圈4固定在工作台2的基座201上；

②首先转动位移台902，它带动动板7升高到设定的最高位置，随后将压环703置于动板7的支撑板701下表面的环形凹槽中，然后再将模具支撑层PET 6置于动板7的支撑板701下表面，开启真空管路系统，将压环703和模具支撑层PET 6通过真空吸附固定在动板7的支撑板701环形凹槽中和下表面；

③限位模块8的限位压头802置于设定的最高位。

(2)模具复制

①在母模3中央滴20毫升的模具图形层5液态PDMS材料；

②手动转动位移台902，Z向位移台9带动动板7向下(母模3)缓慢下降，透过玻璃盖板702和模具支撑层6 PET(也是透明的)可以看到模具图形层5液态PDMS在母模3上缓慢均匀的铺展开；

③使模具支撑层6 PET与特氟龙垫圈4和液态PDMS紧密接触，模具图形层5液态PDMS对母模3特征腔体完全填充，多余的液态PDMS通过垫圈4的开口流到工作台2的基座201中的凹槽的沟槽里面。

(3)动板移除

①解除动板7支撑板701的真空，模具支撑层6 PET和压环703的真空吸附去除；

②限位模块8的限位压头802下降，直到限位压头802压住压环703；

③Z向位移台9上升，带动动板7向上升起，动板7升高到设定的最高位置；

④限位模块8的限位压头802上升，限位模块8的限位压头802上升到设定的最高位置；

⑤移除压环703。

(4)固化

①开启工作台2的加热元件热管202，直到基座201被加热到70-80度；

②保温固化1小时。

(5)脱模

①完全固化后，解除工作台2的真空，将母模2、模具图形层5、模具支撑层6 PET一同从工作台2上取下；

②采用揭开式脱模方法，将软模具30与母模3分离。

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 (10)

1.一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，包括：底座、工作台、母模、垫圈、模具图形层、模具支撑层、动板、限位模块、Z向位移台、导向柱；其中工作台固定在底座之上；母模通过真空吸附固定在工作台之上；垫圈通过真空吸附固定在工作台之上，并嵌在母模的外围；液态模具图形层材料滴在母模之上；模具支撑层通过真空吸附固定在动板的下表面；限位模块置于动板之上；Z向位移台与动板相连接；导向柱固定在底座上，并穿过动板。

2.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述底座下面设有用于调平底座的调节螺钉。

3.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述工作台包括：基座和加热元件，加热元件置于基座的内部，实现对基座的加热。

4.如权利要求3所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述基座上表面分别设有环形槽、“十字”槽和气路；所述气路将真空气体通过相连的“十字”槽传送到环形槽，实现对母模的真空吸附固定。

5.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述垫圈置于基座上表面，包围嵌在母模的外侧，垫圈的内径尺寸与母模的外径相等，垫圈的高度高于母模的高度，垫圈与母模的高度差就是模具特征图形层的高度，垫圈的宽度范围为3-10毫米。

6.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述垫圈上设有通孔，用于将多余的液态图形材料挤压到工作台基座的环形槽内。

7.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述动板包括：支撑板、玻璃盖板、压环和直线轴承，其中玻璃盖板固定在支撑板的上表面；压环通过真空吸附固定于支撑板下表面的环形凹槽中；直线轴承固定在支撑板的4个角部，与导向柱相配合实现对动板导向，确保动板上下移动过程中保持与工作台的平行。

8.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述限位模块包括：支架和限位压头，其中支架固定在底座上，限位压头置于支架的横梁上；限位压头的底端穿过动板上的通孔。

9.如权利要求1所述的一种大面积纳米压印软模具复制装置，其特征是，所述Z向位移台包括：支架、位移台和连接板，其中，支架的底板与底座相连接并固定在底座上；位移台固定在支架的立板上；L形连接板一端固定在位移台上，另一端固定在动板上。

10.一种如权利要求1所述的大面积纳米压印软模具复制装置的工作方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)模具复制准备

①母模和垫圈固定在工作台的基座上；

②动板升高到设定的最高位置，压环固定于动板支撑板下表面的环形凹槽中，模具支撑层固定于动板的支撑板下表面；

③限位模块的限位压头置于设定的最高位；

(2)模具复制

①模具图形层材料置于母模中央；

②Z向位移台带动动板下降；

③使模具支撑层与垫圈和模具图形层材料紧密接触，模具图形层材料对母模特征腔体完全填充，多余的模具图形层材料通过垫圈的通孔流到工作台基座的环形槽内；

(3)动板移除

(4)固化

(5)脱模。