CN106154745B - 一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机，属于光学微纳加工制造领域。所述紫外压印光刻机包括紫外照明系统(11)，压印模块机构(12)，XYZ三轴运动工件台系统(13)和电气控制系统(14)，能够实现从微米图形到纳米图形的跨尺度加工，该设备充分利用气压各项同性的特性，采用“紫外固化+气压作用”实现微纳图形的精准转移，可以保证大面积微纳图形复制的均匀性，再结合该设备的光刻功能，从而可以实现从微米到纳米图形的跨尺度加工。

Description

一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机
技术领域
本发明是一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机，属于光学微纳加工制造领域。
背景技术
随着信息时代的发展，微纳加工技术也逐渐朝着小型化、轻量化以及集成化方向发展，而光刻技术则是进行微纳结构加工的主要技术手段。
对于不同用途的微纳结构以及元器件，其加工精度要求往往各不相同，涵盖微米量级甚至是纳米量级。一般而言，加工精度越高，制作难度以及成本也会相应增加。
对于简单的微米级结构而言，常用的光刻技术主要是接触式光刻或是接近式光刻。其中，接触式光刻要求曝光时掩模版压在衬底基片的光刻胶上，这会在掩模和基片上产生一定程度的损伤，因此一般用于能容忍较高缺陷水平的微纳结构器件的研究；而接近式光刻则是要求曝光时掩模版与衬底基片的胶面之间保留一层微小的空气间隙，这样便能避免掩模版与光刻胶的直接接触，既保护了掩模版，又避免了光刻胶上出现受压损伤。
然而，无论是接触式或是接近式光刻，由于受衍射极限的限制，最高也只能实现微米级特征尺寸的加工。为了能够制作具备纳米级特征尺寸的微纳结构，光学投影光刻技术应运而生，时至今日，高精度投影光刻已能量产22nm特征线宽的电子元器件。可是，高精度投影光刻是一种十分复杂的技术，其对曝光光源、高精度聚焦系统以及极短波长透镜系统都有着严格的限制和要求。此外高精度投影系统不仅制作困难，而且成本高昂，设备维护难度极大，这些都无疑增加了高精度微纳结构的制备难度与成本。
为了探索一种操作简单、成本低廉的纳米级结构的制作方法，各国科学家都进行了广泛深入的研究。来自美国普林斯顿大学的华裔科学家StephenY.CHOU等于1995年首先提出了纳米压印的概念，从而为纳米光刻技术的研究与发展提供了新思路。
纳米压印光刻作为一种新的纳米结构制作方法，其基本原理是利用压印模板使光刻胶产生物理变形从而实现图案结构的转移，加工尺寸突破了传统光刻的工艺极限。相比投影光刻而言，纳米压印技术操作简单、图形转移性能好，更重要的是成本低廉，是一种十分具备应用前景的纳米级加工技术。
目前，纳米压印技术主要分为热压印和紫外固化压印两种。热压印需要在高温、高压的条件下进行加工，而且在脱膜的时候容易让微纳结构因为内应力而产生畸变。相比较而言，紫外固化压印只需在室温和常压下进行加工，结构均匀性好，因而是一种被广泛采用的纳米压印方式。
然而，目前市场上的一些光刻设备如接触、接近式光刻机，或者是纳米压印光刻机，他们都只能单纯的进行微米级或者是纳米级微纳结构的制备，而无法进行一种微纳跨尺度的光刻。
在对微纳结构以及系统进行研究的过程中，通常研究人员不仅要制备一些微米级精度的结构，有时候还要制备一些具备纳米级精度的结构，而目前的光刻设备确很难在低沉本的前提下同时满足这两个条件，因此开发一种微纳跨尺度高分辨力的光刻机是一件很有必要的事情。
发明内容
本发明提供了一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机，可以实现从微米级到纳米级精度的微纳结构的制备，有效解决了目前光刻设备中难以实现跨尺度高分辨力的微纳结构的制备。
本发明为解决其技术问题所采取的技术方案为：一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机，其特征在于，包括紫外照明系统，压印模块机构，XYZ三轴运动工件台系统和电气控制系统；紫外照明系统用于提供汞灯光源和平行光照明，紫外照明系统选取的是波段为365nm的紫外光，采用的照明方式为科勒照明，紫外照明系统整体均匀性保证在2％左右；压印模块机构用于掩模版的切换安装，压印模块机构由掩模架机构和承片台机构两部分组成，其具备兼容性，既能加载接近式光刻的掩模版，又能加载紫外固化纳米压印的掩模；XYZ三轴运动工件台系统用于工件台的高精度运动及定位，XYZ三轴运动工件台系统中，XY向的运动是通过调节手轮进行手动调节，Z向的运动是通过步进电机进行调节；电气控制系统用于控制电源开关、工件台运动以及触控面板操作，电气控制系统还用于实现控制曝光时间、抽真空、加压和电机走位功能。
更进一步的，该设备集成了紫外光刻与纳米压印两大功能，实现从微米图形与器件到纳米图形与器件的跨尺度制作：紫外光刻采用接近式光刻方法，可以保证微米图形与器件的制作；纳米压印采用紫外固化的方法，可以保证纳米图形与器件的制作。
更进一步的，掩模架机构的尺寸为4英寸，可以根据加工需要选择1英寸、2英寸以及Φ65mm的模板单元来与之配合。
更进一步的，承片台上配备有1英寸、2英寸以及3英寸基片配套O形密封圈，可以实现在不同尺寸的基片上进行微米以及纳米结构的制备。
更进一步的，承片台上包含有特殊设计的气流通道和真空吸附孔，其与O型密封圈配合，可以通过抽真空的方式来吸紧基片，此外，该通道能够实现对基片正压与负压作用力的控制，从而实现压印与脱模的控制。
更进一步的，承片台安装在XYZ三轴运动工件台上，其中，XY轴通过调节手轮进行手动调节，用于实现承片台与掩模版之间的对准，Z轴通过步进电机进行调节，用于调节掩模版与基片之间的间隙。
更进一步的，Z向运动机构包括与电气控制系统相连接的位置传感器，该位置传感器能够实现压印模板与基片之间预紧力的高精度控制。
更进一步的，承片台机构采用球碗调平结构，通过与工件台Z向运动的配合实现承片台的调平。
更进一步的，在进行纳米压印时，承片台结构采用的是气压方式来进行压紧操作，其各项同性的特性可以有效保证纳米图形的均匀性。
更进一步的，控制系统与操作人员之间的人机交互界面是一块触摸控制屏，根据加工需求可以分别切换为接近式光刻界面和紫外固化纳米压印界面。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)、本发明同时具备接近式光刻和自外固化纳米压印两大功能，能够实现从微米到纳米的跨尺度高分辨力紫外压印光刻，最高精度可达几十纳米；
(2)、本发明操作简单，可以在室温条件下进行操作，避免了微纳结构的高温变形问题；可以进行大批量制作，成本低廉。
附图说明
图1为本发明实施例的微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机的结构示意图；
图2为本发明实施例的触摸屏控制界面示意图；
图3为本发明实施例的压印模块机构示意图；
图4为本发明实施例的掩模架机构示意图；
图5为本发明实施例的承片台结构示意图；
图6为本发明实施例的球碗调平结构示意图；
图7为本发明实施例的XY调节手轮及掩模基片之间间隙调整控制界面示意图，其中图7(a)为正视图，图7(b)为立体图；
图8为工件台Z向调节以及压强、时间控制面板示意图；
图9为本发明实施例的紫外固化纳米压印流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明具体实施方式进行详细说明。
如图1所示，为本发明实施例的微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机的结构示意图，主要由四部分组成：紫外照明系统11、压印模块机构12、XYZ三轴运动工件台机构13、电气控制系统14。其中，紫外照明系统11中由汞灯产生的光先后经过椭球杯、反射镜以及透镜组等光学器件最终产生平行出射的紫外光；压印模块机构12用于掩模版的切换安装，使用者可以根据用途选择安装接近式光刻掩模版或是纳米压印掩模版，压印模块机构12安装在安装在XYZ三轴运动工件台机构13上；XYZ三轴运动工件台机构13用于工件台的高精度运动及定位，其中X、Y轴的运动是通过调节手轮进行手动调节，Z向运动是步进电机配合位置传感器进行自动控制；电气控制系统14用于控制电源开关、工件台运动以及触控面板操作等。
本发明具备接近式光刻和紫外固化纳米压印光刻两种功能，其控制系统与操作人员之间的人机交互界面是一块触摸控制屏，而不同的功能其操作界面不同，触摸控制屏默认的是接近式光刻界面，如需实现压印功能，则首先需要人工切换操作界面，在光刻界面中点击右下角的“切换至压印界面”，如图2所示。
在选择好操作界面之后，根据加工需要在压印模块上选择加载相应的掩模，压印模块由掩模架31和承片台32两部分组成，其示意图如图3所示，其中，掩模架31通过三个旋转调节手轮33与承片台32进行连接。在安装掩模时，首先需要分离掩模架31和承片台32，如果是进行接近式光刻就安装接近式光刻掩模，如果是进行紫外固化纳米压印则安装压印掩模。
掩模架的基本尺寸为4英寸，可以分别与1英寸、2英寸以及Φ65mm的模板单元进行匹配，如图4所示。其中，两个带卵形槽的掩模固定滑块41通过螺钉与掩模架基板42连接，掩模版43的上表面与掩模架基板42的下表面贴紧，并且掩模版43的上边框抵紧定位销44，通过掩模固定调节螺母45来推动掩模固定滑块调节块46在掩模架基板42对应的槽口中滑动以夹紧掩模版43，掩模固定滑块调节块46上方还封装有一块盖板47，以防止掩模固定滑块调节块46脱落。
进一步的，安装好掩模单元后，接下来需要放置基片。请参考图5，基片将放置在承片台上，承片台上有三个气嘴51、52和53，他们可以通过真空吸孔54以及特殊设计的气流通道55，分别用于吸附1英寸、2英寸以及3英寸的基片。每个气嘴与对应的O形密封圈配套使用，如56、57和58所示，从而以抽真空的方式吸紧基片。
进一步的，放置好基片后，需要对基片进行调平。承片台通过一个球碗结构实现调平，其结构示意图如图6所示，其中，在Z向步进电机65的驱动下，承片台将向上运动，此时承片台上的基片63与掩模版版61之间的间隙将会逐渐缩小，当这个间隙小到一定程度的时候，中间会压缩一层很薄的空气层62，由于气压具备各项同性的作用，在空气层62、球碗结构64以及步进电机65三者的共同作用下，承片台将会沿着球碗界面作微小幅度的旋转，以保证空气层62的厚度均匀，从而实现基片的调平。
进一步的，要对掩模版和基片进行对准，让掩模版上的对准标记与基片上的对准标记重合。如图7所示，承片台机构是通过一个XY调节手轮73来调整基片63的水平位置，在此之前，首先需要分离掩模版43与基片63之间的距离，这一个过程需要通过触摸屏控制面板来实现。如图8所示，点击触控屏上的“间隙降”选项，将会分离掩模版与基片，左侧的“间隙调整”对话框将会显示掩模版与基片之间的距离(单位为10μm)，初始位置默认为0，然后便可以通过承片台机构上的XY调节手轮73来调整掩模板对准标记与样片对准标记之间的相对位置，直至两者重合，完成对准。
进一步的，需要再次消除掩模版与基片之间的间隙。如图8所示，点击触控屏上的“间隙升”选项，设定调整量，当“间隙调整”对话框中的读书为0时表示间隙完全消除(为了安全，“间隙升”只能在0的基础上多出4个单位，即40μm)。完成这一步之后，如果是接近式光刻，就可以进行曝光了，曝光时间可以由操作人员自行设定。
特别的，对于紫外固化纳米压印而言，其操作流程示意图如图9所示。在完成调平对准操作之后，需要对基片进行加压曝光。为了保证压印结构的质量，在真正曝光之前，会对基片进行一个预压操作，即只施加压力，不进行曝光。这里采用了气压的方式，其各项同性的特性能保证压印图形具备良好的均匀性。在控制面板中，操作人员可以根据实际需要自由设定压强大小以及曝光时间，如图8所示，设定好数值后，就可以进行压印操作，此时压力和紫外光源同时打开。
进一步的，对压印好的图形进行脱膜操作。点击触控屏上的“脱膜操作”选项，如图8所示，此时压缩空气关闭，真空打开，基片受到的压力由正压转为负压，Z向点击驱动承片台及基片下降，待完全复位后，会听到弹簧复位时“咯噔”响声。至此，整个压印过程完成。
通过上述结构和操作的结合，微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机既能够进行接近式光刻，实现对微米级结构的制备，又能够进行紫外固化纳米压印，实现对纳米级结构的制备。其操作简单、成本低廉，而且其微纳跨尺度的加工能力使得其具备相当的适用性和实用性。
上述描述仅是对本发明具体实施例的阐述，并非对本发明范围的任何限定。凡依本发明权力要求范围所作的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。

Claims (1)

1.一种微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机的工作方法，其特征在于：微纳跨尺度高分辨力紫外压印光刻机包括紫外照明系统(11)，压印模块机构(12)，XYZ三轴运动工件台系统(13)和电气控制系统(14)；紫外照明系统(11)，用于提供汞灯光源和平行光照明，紫外照明系统选取的是波段为365nm的紫外光，采用的照明方式为科勒照明，紫外照明系统整体均匀性保证在2％左右；压印模块机构(12)，用于掩模版的切换安装，压印模块机构由掩模架机构和承片台机构两部分组成，其具备兼容性，既能加载接近式光刻的掩模版，又能加载紫外固化纳米压印的掩模；XYZ三轴运动工件台系统(13)，用于工件台的高精度运动及定位，XYZ三轴运动工件台系统中，XY向的运动是通过调节手轮进行手动调节，Z向的运动是通过Z向步进电机进行调节；电气控制系统(14)，用于控制电源开关、工件台运动以及触控面板操作，电气控制系统还用于实现控制曝光时间、抽真空、加压和电机走位功能；
掩模架的基本尺寸为4英寸，可以分别与1英寸、2英寸以及Φ65mm的模板单元进行匹配，其中，两个带卵形槽的掩模固定滑块(41)通过螺钉与掩模架基板(42)连接，掩模版(43)的上表面与掩模架基板(42)的下表面贴紧，并且掩模版(43)的上边框抵紧定位销(44)，通过掩模固定调节螺母(45)来推动掩模固定滑块调节块(46)在掩模架基板(42)对应的槽口中滑动以夹紧掩模版(43)，掩模固定滑块调节块(46)上方还封装有一块盖板(47)，以防止掩模固定滑块调节块(46)脱落；该工作方法包括：
安装好掩模单元后，接下来需要放置基片，基片将放置在承片台上，承片台上有三个气嘴(51、52和53)，他们可以通过真空吸孔(54)以及特殊设计的气流通道(55)，分别用于吸附1英寸、2英寸以及3英寸的基片，每个气嘴与对应的O形密封圈配套使用，从而以抽真空的方式吸紧基片；
放置好基片后，需要对基片进行调平，承片台通过一个球碗结构实现调平，其中，在Z向步进电机(65)的驱动下，承片台将向上运动，此时承片台上的基片(63)与掩模版(43)之间的间隙将会逐渐缩小，当这个间隙小到一定程度的时候，中间会压缩一层很薄的空气层(62)，由于气压具备各项同性的作用，在空气层(62)、球碗结构(64)以及Z向步进电机(65)三者的共同作用下，承片台将会沿着球碗界面作微小幅度的旋转，以保证空气层(62)的厚度均匀，从而实现基片的调平；
要对掩模版和基片进行对准，让掩模版上的对准标记与基片上的对准标记重合，承片台机构是通过一个XY调节手轮(73)来调整基片(63)的水平位置，在此之前，首先需要分离掩模版(43)与基片(63)之间的距离，这一个过程需要通过触摸屏控制面板来实现，点击触控屏上的“间隙降”选项，将会分离掩模版与基片，左侧的“间隙调整”对话框将会显示掩模版与基片之间的距离(单位为10μm)，初始位置默认为0，然后便可以通过承片台机构上的XY调节手轮(73)来调整掩模板对准标记与样片对准标记之间的相对位置，直至两者重合，完成对准；
该设备集成了紫外光刻与纳米压印两大功能，实现从微米图形与器件到纳米图形与器件的跨尺度制作：紫外光刻采用接近式光刻方法，可以保证微米图形与器件的制作；纳米压印采用紫外固化的方法，可以保证纳米图形与器件的制作；
掩模架机构的尺寸为4英寸，可以根据加工需要选择1英寸、2英寸以及Φ65mm的模板单元来与之配合；
承片台上配备有1英寸、2英寸以及3英寸基片配套O形密封圈，可以实现在不同尺寸的基片上进行微米以及纳米结构的制备；
承片台上包含有特殊设计的气流通道和真空吸附孔，其与O型密封圈配合，可以通过抽真空的方式来吸紧基片，此外，该通道能够实现对基片正压与负压作用力的控制，从而实现压印与脱模的控制；
承片台安装在XYZ三轴运动工件台上，其中，XY轴通过调节手轮进行手动调节，用于实现承片台与掩模版之间的对准，Z轴通过Z向步进电机进行调节，用于调节掩模版与基片之间的间隙；
Z向运动机构包括与电气控制系统相连接的位置传感器，该位置传感器能够实现压印模板与基片之间预紧力的高精度控制；
承片台机构采用球碗调平结构，通过与工件台Z向运动的配合实现承片台的调平；
在进行纳米压印时，承片台结构采用的是气压方式来进行压紧操作，其各项同性的特性可以有效保证纳米图形的均匀性；
控制系统与操作人员之间的人机交互界面是一块触摸控制屏，根据加工需求可以分别切换为接近式光刻界面和紫外固化纳米压印界面；
该光刻机同时具备接近式光刻和自外固化纳米压印两大功能，能够实现从微米到纳米的跨尺度高分辨力紫外压印光刻，最高精度可达几十纳米；
该光刻机操作简单，可以在室温条件下进行操作，避免了微纳结构的高温变形问题；可以进行大批量制作，成本低廉。
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