CN110018612B - 一种可制备复杂微结构的纳米压印装置 - Google Patents
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Abstract
一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，首先放卷辊放出衬底，涂胶辊将光刻胶涂在衬底上，将衬底传送到压印装置下方，加热辊将光刻胶加热到玻璃化温度，压印辊一进行压印，然后固化，之后通过刻蚀装置清除残余层，衬底再次回到压印装置下方，再进行加热，旋转盘将压印辊二转至第一次压印后的光刻胶上方，压印辊二进行压印，压印辊二压印完成后,重复以上步骤至压印辊三压印完成后，再将得到的复杂微结构的衬底通过收卷辊收集起来。本发明通过多辊压印制备复杂微结构，能够在较低成本下快速有效的制备复杂微纳结构，方法简单，装置及加工实现成本相对较低，且制备图案精度较高，减少了误差，避免了对衬底上图案和模板损伤及更换模板成本问题。
Description
技术领域
本发明涉及纳米压印光刻领域，尤其是一种可制备复杂微结构的纳米压印装置。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，人们对电子产品的规格要求也越来越高，在摩尔定律的指引下，大规模IC技术已经进入了纳米时代。其中广泛应用到的技术是光刻，有极紫外光刻、电子束直写、浸入式光刻等，由于光刻技术固有的缺陷，而且成本较高，不适用于大规模电子芯片的批量生产。在下一代的图形转移技术中，x射线曝光、电子束直写和纳米压印占有重要的地位。其中纳米压印技术是在20世纪末期，由普林斯顿大学Stephen Y.Chou教授提出，其具有产量高，成本低，工艺简单的特点已经被各大高校和研究机构广泛研究。其原理是将印有纳米微结构的模板对衬底上的光刻胶通过机械压印的方式在光刻胶上复刻出与其互补的纳米微结构，然后再对衬底上的纳米图案进行后处理，最终制成具有纳米结构的半导体结构。
在纳米技术的推动下，复杂微结构的制备已经成为各大高校的研究热潮，目前复杂纳米微结构广泛应用于生物医学、表面等离子体共振等方面。制备复杂纳米微结构，多采用化学合成技术和纳米球光刻等技术，表面附着物的存在严重阻碍了化学合成技术对于复杂微结构的制备，纳米球光刻则耗时较长。Brandon D. Lucas等人在《NanoimprintLithography Based Approach for the Fabrication ofLarge-Area，UniformlyOriented Plasmonic Arrays》提出了一种方法，通过平面压平面的方法首先在光刻胶上压出一个栅型结构，其次通过刻蚀去除残留的胶层，然后使掩膜板在水平面上旋转一个角度，该角度大于0度小于90度，加热栅型结构，再在栅型结构上进行一次压印，最后得到了菱形的复杂微结构。Brandon D. Lucas等人通过纳米压印技术制备了复杂微纳图案，但平面压印的效率远低于辊式压印，且Brandon D. Lucas等人所提出的方法需要模板的多次对齐，易产生误差，多次的对齐也会严重的制约微纳结构的制备效率。若制备具有复杂微结构的压印辊进行纳米压印，一则费时费力，二则具有复杂微结构的图案在脱模过程时较为困难，脱模失败将会导致衬底污染，使得压印不准确，严重的将会对压印辊进行损伤。在压印过程中，压印辊的损伤在所难免，但具有复杂微结构的模板损伤后重新制造将会耗费大量的经费与人力。
发明内容
为解决复杂微结构的制备问题，本发明提出了一种可制备复杂微结构的纳米压印装置。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，一种可制备复杂微结构的纳米压印装置包括机架、载物块一、底板、调节装置、涂胶装置、压印装置、衬底、放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊、伺服电机一、伺服电机二、刻蚀装置，所述机架通过螺钉连接在底板上，放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊均通过轴承配合在机架上，所述伺服电机一通过螺钉固定在机架上，并且伺服电机一的轴与放卷辊连接，伺服电机二通过螺钉固定在机架上，且伺服电机二的轴与收卷辊连接，涂胶装置通过螺钉固定在机架上，压印装置通过螺钉连接在底板上的载物块一上，调节装置通过螺钉固定在载物块二上，衬底由放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊支撑，所述刻蚀装置均通过螺钉固定于机架上，载物块一通过螺钉固定在底板上。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的压印装置包括连接块、机箱、旋转盘、压印辊一、压印辊二、压印辊三，伺服电机三、伺服电机四、伺服电机五、伺服电机六、工作台后盖，其中，压印装置通过螺钉固定在载物块一上，伺服电机三通过螺钉固定于机箱上，压印辊一、压印辊二、压印辊三均通过轴承配合到连接块上，连接块通过轴承连接在机架上，伺服电机四、伺服电机五、伺服电机六均通过螺钉固定在旋转盘上，其中伺服电机四的轴与压印辊一连接，伺服电机五的轴与压印辊二连接，伺服电机六的轴与压印辊三连接，工作台后盖通过螺钉固定在机箱上。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的压印辊一、压印辊二、压印辊三上分别有微纳结构不同的模板图案，其中压印辊一上的模板一为横向光栅结构，压印辊二上的模板二为纵向光栅结构，压印辊三上的模板三为圆柱结构,所述模板的特征层是模板中的空腔部分。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的调节装置由滑台外壳，调节辊，滚珠丝杠，滑块，导轨，伺服电机七，载物块二，微调装置，联轴器，所述的载物块二与底板通过螺钉连接，导轨通过螺钉固定于滑台外壳上，滑块套在导轨上，微调装置通过螺钉固定于滑块上，伺服电机七通过螺钉连接在滑台外壳上，调节辊通过轴承配合在微调装置上，滚珠丝杠一端与联轴器连接，另一端与滑台外壳的连接。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的涂胶装置包括涂胶箱和涂胶辊，其中，涂胶辊与涂胶箱通过轴承配合于涂胶箱上，涂胶箱与机架通过螺钉连接，其中涂胶装置中有光刻胶。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置其特征在于，所述的加热辊，可以调节温度。
根据本发明的目的提供一种可制备复杂微结构的纳米压印装置其特征在于，所述的微调装置由固定框、固定块，音圈电机定子、音圈电机动子、连接盘、螺钉一、固定支座、螺钉二、螺钉三、柔性铰链组成，其中音圈电机动子与连接盘固连，连接盘与固定框固连，固定块通过螺钉二固定于固定支座上，固定支座通过螺钉一固定在滑块上，音圈电机定子通过螺钉三与固定支座相连，固定框通过柔性铰链与固定块连接。
本发明具有以下明显优点：
1．通过多辊压印制备复杂微结构，相较于平面多次压印，减少了对齐所需的时间，减少了对齐和装卸误差，大大的提高了生产效率;
2.通过多辊压印制备复杂微结构，可以进行分段压印，避免了复杂微结构脱模时的困难，易对衬底上图案和模板造成损伤的问题;
3.通过多辊压印制备复杂微结构，在一块模板损坏时只需更换其中一块模板，相较于更换具有复杂微结构的模板，所需成本大大降低。
附图说明
图1是一种可制备复杂微结构的纳米压印装置的结构示意图；
图2是一种可制备复杂微结构的纳米压印装置的侧视图；
图3是一种可制备复杂微结构的纳米压印装置的前视图；
图4是压印装置的结构示意图；
图5是调节装置的结构示意图；
图6是微调装置的结构示意图；
图7是微调装置的右视图；
图8是整个装置的去掉左侧机架、左侧调节装置、左侧压印装置结构示意图；
图9是模板一的结构示意图；
图9a是模板二的结构示意图；
图9b是模板三的结构示意图；
图10是第一次压印的微结构的结构示意图；
图10a是刻蚀后的微结构的结构示意图；
图10b是第二次压印的微结构的结构示意图；
图10c是第三次压印的微结构的结构示意图。
附图标记说明: 1-压印装置，2-衬底，3-机架，4-底板，5-调节装置，6-伺服电机一，7-收卷辊，8-刻蚀装置，9-加热辊，10-载物块一，11-支撑辊，12-涂胶装置，13-放卷辊，14-伺服电机二，101-伺服电机三，102-压印辊一，10201-模板一，103-连接块，104-压印辊二，10401-模板二，105-伺服电机四，106-工作台后盖，107-旋转盘，108-机箱，109-压印辊三，10901-模板三，110-伺服电机五，111-伺服电机六，501-伺服电机七，502-调节辊，503-微调装置，50301-固定框，50302-音圈电机定子，50303-螺钉一，50304-螺钉二，50305-固定支座，50306-螺钉三，50307-柔性铰链，50308-连接盘，50309-音圈电机动子，50310-固定块，504-滑块，505-导轨，506-载物块二，507-联轴器，508-滚珠丝杠，509-滑台外壳，1201-涂胶箱，1202-涂胶辊，1203-光刻胶，120301-微结构一，120302-微结构二，120303-微结构三。
具体实施方式
如图1、图2、图3、图8所示，所述的一种可制备复杂微结构的纳米压印装置包括压印装置1、衬底2、机架3、底板4、调节装置5、伺服电机一6、收卷辊7、刻蚀装置8、加热辊9、载物块一10、支撑辊11、涂胶装置12、放卷辊13、伺服电机二14。所述的机架3通过螺钉与底板4相连，所述的收卷辊7、加热辊9、支撑辊11、放卷辊13都通过轴承配合在机架3上，涂胶箱1201通过螺钉固定在机架3上，伺服电机一6与放卷辊13相连，伺服电机二14与收卷辊7相连，收卷辊7与放卷辊13同步转动，使衬底2平稳前进，并且伺服电机一6与伺服电机二14均通过螺钉固定在机架3上，载物块一10通过螺钉与底板4连接，压印装置1通过螺钉固定在载物块一10上，衬底2由放卷辊13放出，并由收卷辊7卷收，调节装置5通过螺钉固定在载物块二506上，刻蚀装置8通过螺钉固定于机架3上。
如图4所示，所述的压印装置1包括伺服电机三101、压印辊一102、连接块103、压印辊二104、伺服电机四105、工作台后盖106、旋转盘107、机箱108、压印辊三109、伺服电机五110、伺服电机六111。所述的伺服电机四105、伺服电机五110、伺服电机六111均与旋转盘107通过螺钉相连，压印辊一102、压印辊二104、压印辊三109均与连接块103通过轴承配合，形成一个整体，使结构更加稳定。伺服电机三101控制旋转盘107的旋转，从而带动压印辊一102、压印辊二104、压印辊三109同步转动，伺服电机三101通过螺钉固定在机箱108上，伺服电机四105带动压印辊一102旋转，伺服电机五110带动压印辊二104旋转，伺服电机六111带动压印辊三109旋转，当衬底2与压印辊接触后，进行压印。
如图5、图6、图7所示，所述的调节装置5包括伺服电机七501、调节辊502、微调装置503、固定框50301、音圈电机定子50302、螺钉一50303、螺钉二50304、固定支座50305、螺钉三50306、柔性铰链50307、连接盘50308、音圈电机动子50309、固定块50310、滑块504、导轨505、载物块二506、联轴器507、滚珠丝杠508、滑台外壳509，整个调节装置5通过螺钉固定在载物块二506上，固定支座50305通过螺钉一50303固定于滑块504上，音圈电机定子50302通过螺钉三50306固定于固定支座50305上，固定块50310通过螺钉二50304固定于固定支座50305上，固定框50301通过柔性铰链50307与固定块50310连接，音圈电机动子50309与连接盘50308固连，连接盘50308与固定框50301固连。调节辊502与固定框50301中的孔通过轴承配合，伺服电机七501通过螺钉固定于滑台外壳509上并且伺服电机七501的轴通过联轴器507与滚珠丝杠508连接，导轨505通过螺钉固定于滑台外壳509上，滑块504装卡在导轨505上，通过伺服电机七501带动滑块504在导轨505上实现宏观位移的调整，然后再利用音圈电机动子50309的直线运动，使得连接盘50308推动固定框50301，在柔性铰链50307的放大作用下使固定框50301在竖直方向上实现微位移，通过对调节辊502的宏观调整及微调结合实现改变压印角度的功能。
如图9、图9a、图9b所示，压印辊102上的模板一10201为横向光栅结构，压印辊104上的模板二10401为纵向光栅结构，压印辊109上的模板三10901为圆柱结构。
如图10、图10a、图10b、图10c所示，压印辊一102第一次在光刻胶1203上压印得到了微结构一120301，将残余的光刻胶1203通过刻蚀装置8刻蚀后，用压印辊二104在微结构一120301上进行第二次压印，然后再通过刻蚀装置8刻蚀，得到了微结构二120302，最后通过压印辊三109在微结构二120302上进行第三次压印得到了微结构三120303。
下面结合图1-图10c发明的实施流程，做进一步说明。
首先，同步启动伺服电机一6和伺服电机二14，使得放卷辊13控制衬底2的放卷速率和收卷辊7收卷速率保持一致，使衬底2保持平稳运动，待衬底2到达涂胶装置12下方时，在涂胶箱1201里注入光刻胶1203，再由涂胶辊1202将光刻胶1203均匀地涂在衬底2上。将涂完胶的衬底2输送到压印装置1下方，随后通过加热辊9使得光刻胶1203达到玻璃化温度，再通过伺服电机三101控制旋转盘107旋转，压印辊一102、压印辊二104、压印辊三109均与旋转盘107同步旋转，当压印辊一102与衬底2接触时，旋转盘107停止旋转，进而控制压印辊一102的伺服电机四105启动，其转速和方向与伺服电机一6同步和伺服电机二14同步，根据不同形状的特征微结构与衬底2受力的要求，调节装置5进行调节，即伺服电机七501控制调节辊502的宏观位移，当位移值接近所需要的值时，停止宏动的调节，再通过微调装置503进行微调，具体的由音圈电机动子50309的直线运动，使得连接盘50308推动固定框50301，在柔性铰链50307的放大作用下使固定框50301在竖直方向上实现微位移达到所需要的值，通过调节辊502的位移调节压印角度与衬底2的张力，最终调整为适当的压印角度后，通过加热辊9和压印辊一102的共同作用下将光刻胶1203填充至压印辊一102上的模板一10201的特征层中，得到了微结构一120301，而且由于用调节装置5调节到合适的压印角度从而减小了压印辊一102与衬底2之间的压印力，避免了压印力过大对模板造成损伤。当第一次压印完成之后，待衬底2上的微结构一120301到达刻蚀装置8时，然后通过刻蚀装置8将残留的光刻胶1203进行刻蚀，刻蚀完成后，使伺服电机一6和伺服电机二14同步反转启动，衬底2反向移动，将衬底2上压印的微结构一120301拉回到放卷辊13，使衬底2回到初始位置，然后再次同步反转伺服电机一6和伺服电机二14，让衬底2反向移动，然后再通过调节装置5调节压印角度，调到适合的角度后伺服电机三101控制旋转盘107旋转，使得压印辊二104到达微结构一120301的正上方，随后通过加热辊9使得微结构一120301达到玻璃化温度，然后启动伺服电机五110，保证其转速和方向与伺服电机一6和伺服电机二14同步，然后压印辊二104在微结构一120301上压印，得到了微结构二120302，其后再次将微结构二120302运输到刻蚀装置8进行刻蚀，刻蚀完成后再次反转伺服电机一6和伺服电机二14，将衬底2上的微结构二120302运输放卷辊13，然后反转伺服电机一6和伺服电机14，再次通过调节装置5调节压印角度，调到适合的角度后，启动伺服电机三101，将压印辊三109旋转至微结构二120302的正上方，加热辊9使得微结构二120302达到玻璃化温度，启动伺服电机六111，使其转速和方向与伺服电机一6和伺服电机二14同步，随后压印辊三109在微结构二120302上压印，最后得到了微结构120303。待有微结构三120303的衬底2到达刻蚀装置8时进行最终的刻蚀，通过收卷辊7将衬底2收集起来，最后得到由压印辊一102、压印辊二104和压印辊三109三次分别压印的微结构三120303。
Claims (2)
1.一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的一种可制备复杂微结构的纳米压印装置包括机架、载物块一、底板、调节装置、涂胶装置、压印装置、衬底、放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊、伺服电机一、伺服电机二、刻蚀装置，所述机架通过螺钉连接在底板上，放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊均通过轴承配合在机架上，所述伺服电机一通过螺钉固定在机架上，并且伺服电机一的轴与放卷辊连接，伺服电机二通过螺钉固定在机架上，且伺服电机二的轴与收卷辊连接，涂胶装置通过螺钉固定在机架上，压印装置通过螺钉连接在底板上的载物块一上，调节装置通过螺钉固定在载物块二上，衬底由放卷辊、加热辊、支撑辊、收卷辊支撑，所述刻蚀装置均通过螺钉固定于机架上，载物块一通过螺钉固定在底板上；
所述的涂胶装置包括涂胶箱和涂胶辊，其中，涂胶辊通过轴承配合于涂胶箱上，涂胶箱与机架通过螺钉连接，涂胶箱中有光刻胶；
所述的调节装置包括滑台外壳、调节辊、滚珠丝杠、滑块、导轨、伺服电机七、载物块二、微调装置、联轴器，所述的载物块二与底板通过螺钉连接，导轨通过螺钉固定于滑台外壳上，滑块装卡在导轨上，微调装置通过螺钉固定于滑块上，伺服电机七通过螺钉连接在滑台外壳上，调节辊通过轴承配合在微调装置上，伺服电机七的轴与联轴器连接，联轴器与滚珠丝杠连接；
所述的微调装置包括固定框、固定块、音圈电机定子、音圈电机动子、连接盘、螺钉一、固定支座、螺钉二、螺钉三、柔性铰链，其中音圈电机动子与连接盘固连，连接盘与固定框固连，固定块通过螺钉二固定于固定支座上，固定支座通过螺钉一固定在滑块上，音圈电机定子通过螺钉三连接在固定支座上，固定框通过柔性铰链与固定块连接；
所述的压印装置包括连接块、机箱、旋转盘、压印辊一、压印辊二、压印辊三，伺服电机三、伺服电机四、伺服电机五、伺服电机六、工作台后盖，其中，压印装置通过螺钉固定在载物块一上，伺服电机三通过螺钉固定于机箱上，压印辊一、压印辊二、压印辊三均通过轴承配合到连接块上，连接块通过轴承连接在机架上，伺服电机四、伺服电机五、伺服电机六均通过螺钉固定在旋转盘上，其中伺服电机四的轴与压印辊一连接，伺服电机五的轴与压印辊二连接，伺服电机六的轴与压印辊三连接，工作台后盖通过螺钉固定在机箱上；
压印辊一、压印辊二、压印辊三上分别有微纳结构不同的模板图案，其中压印辊一上的模板一为横向光栅结构，压印辊一用于将光刻胶压印为微结构一（120301），当第一次压印完成之后，待衬底上的微结构一（120301）到达刻蚀装置时，通过刻蚀装置将残留的光刻胶（1203）进行刻蚀，压印辊二上的模板二为纵向光栅结构，压印辊二用于将微结构一（120301）压印为微结构二（120302），得到了微结构二（120302），其后再次将微结构二（120302）运输到刻蚀装置进行刻蚀，压印辊三上的模板三为圆柱结构，压印辊三用于在微结构二（120302）的背离衬底的表面上压印得到微结构（120303），所述模板的特征层是模板中的空腔部分。
2.根据权利要求1中所述的一种可制备复杂微结构的纳米压印装置，其特征在于，所述的加热辊，可调节温度。
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