CN114178067B - 纳米压印胶体溅射装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种纳米压印胶体溅射装置以及方法，装置包括容器体，溅射组件，支撑板组件以及喷射组件。容器体内形成有真空腔室；溅射组件部分设置于真空腔室内，溅射组件包括靶电极和对应电极；支撑板组件设置于真空腔室内，包括沿第一方向相对设置支撑板，靶电极与对应电极分别设置于支撑板在第一方向上的两端，两个支撑板之间部分贴合，与靶电极和对应电极共同围合形成一密闭的溅射腔室；喷射组件包括喷射头，喷射头连通溅射腔室，用以向溅射腔室内喷射惰性气体或胶体。本发明的纳米压印胶体溅射装置，其能够解决现有匀胶造成的压印胶浪费的问题，能够控制胶量和胶厚，实现无气泡喷胶，大大降低了成本。

Description

纳米压印胶体溅射装置及方法
技术领域
本发明是关于纳米压印技术领域，特别是关于一种纳米压印胶体溅射装置及方法。
背景技术
纳米压印技术是一种新型的微纳加工技术，该技术通过机械转移的手段，达到了超高的分辨率，有望在未来取代传统光刻技术，成为微电子、材料领域的重要加工手段。不过，纳米压印技术进入批量生产仍然面临着不少棘手的问题，比如压印底胶问题、匀胶造成的浪费问题、滴胶匀胶过程引入杂质的问题、压印产生气泡的问题以及匀大面积膜具，胶的厚度均一性的问题等等。
我们知道光刻胶在显影的时候会有一些残胶(又叫底胶)，这种残胶有时候会影响器件的电学性能，纳米压印也是一样的，而且纳米压印的残胶会比光刻更严重，在一些特殊不希望出现底胶的地方需要通过工艺手段去除底胶，而在去除底胶的过程中我们往往会发现另一个问题，由于这种追求高折射率的压印胶，会在胶中掺入一些氧化钛或者氧化铪纳米颗粒，这会导致使用等离子去除底胶变得困难。
传统的匀胶技术由于沾染杂质，会导致表面出现胶颗粒；或是胶液匀速过高，设备排气速度过高，胶涂覆前静止时间过长，匀胶机转速或加速度设置过高，喷片子表片留有小颗粒，胶中有颗粒等问题导致匀胶四周呈放射状条纹或漩涡图案，均会影响转印的精度，且会带来90％胶水浪费的问题，且在匀胶完成后压印会带来胶颗粒，严重影响结构转印的完整性。
目前实现定量压印是喷胶技术，仍无法解决残胶及特定厚度等问题。在纳米压印匀胶无法达到均一性会导致图形转印参差不齐，简单经济的纳米压印喷胶仍面临着许多挑战性问题。
公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的在于提供一种纳米压印胶体溅射装置，其能够解决现有匀胶造成的压印胶浪费的问题，能够控制胶量和胶厚，实现无气泡喷胶，大大降低了成本。
为实现上述目的，本发明的实施例提供了一种纳米压印胶体溅射装置，包括容器体，溅射组件，支撑板组件以及喷射组件。
所述容器体内形成有真空腔室，所述容器体能在外部驱动装置作用下绕第一方向自转；所述溅射组件部分设置于所述真空腔室内，所述溅射组件包括靶电极和对应电极，所述溅射组件用以形成射频电场；所述支撑板组件设置于所述真空腔室内，所述支撑板组件包括沿第一方向相对设置支撑板，所述靶电极与所述对应电极分别设置于所述支撑板在第一方向上的两端，两个所述支撑板之间部分贴合，与所述靶电极和所述对应电极共同围合形成一密闭的溅射腔室；所述喷射组件包括喷射头，所述喷射头连通所述溅射腔室，用以向所述溅射腔室内喷射惰性气体或胶体。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述喷射头设置于所述靶电极上。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑板包括用于承载待镀胶基板或模板的承载板以及至少设置于所述承载板在第一方向上两侧的调节板，所述调节板相对于所述承载板凸起设置，且其凸起高度可调节，以当相对设置的所述调节板贴合时，所述承载板之间能形成空间大小可调放入溅射空间。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述承载板上开设有吸附孔。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑板组件还包括支撑柱，所述支撑柱设置于所述支撑板与所述容器体的内壁之间，所述支撑板能以所述支撑柱为轴心转动，且所述支撑板在所述支撑柱的调节下相对所述内壁在第一方向上移动。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述支撑板由可透紫外光材质制成。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述溅射组件还包括射频产生器，所述射频产生器用以施加射频电场，其穿过所述靶电极与所述对应电极，以开始产生等离子于所述溅射腔室内。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述射频产生器包括电容、匹配阻抗、射流电源、可变电容器和接地装置，所述射流电源并联所述可变电容器后，一端串联所述匹配阻抗和所述电容，另一端连接所述接地装置。
本发明还提供了一种纳米压印胶体溅射方法，采用上述的纳米压印胶体溅射装置，包括：基板及模板吸附于支撑板上且密封于溅射腔室内；容器体进行抽真空处理，以使容器体内形成真空腔室，控制容器体以一定转速进行自转；开启溅射组件并控制射频条件以在溅射腔室内形成射频电场；喷射头向溅射腔室内喷射惰性气体以产生等离子体，而后喷射胶体，胶体在等离子体作用下，沉积于基板及模板上；沉积完成后进行紫外固化；脱模。
在本发明的一个或多个实施方式中，所述射频条件包括：所述射频条件包括：所述真空腔室的气压为0.1-1.0Pa，溅射电压为500-1000V，靶电流密度为0.5-1.0mA/cm2，压印胶沉积速率为0.1-0.5μm/min，电场为2*103-2*104V/m。
在本发明的一个或多个实施方式中，两支撑板上承载板的板间间距根据基板或模板所需的胶厚调节范围为0.1-10μm，支撑板上承载板的面积为2-8寸。
与现有技术相比，本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过设置真空腔室以及溅射腔室，能够实现喷胶量的控制，解决现有匀胶造成的压印胶浪费的问题。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过可调节高度差的调节板和承载板的设置，能够调节溅射腔室的大小，以控制基板和模板上压印胶的厚度。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过设置溅射组件以在溅射腔室内形成电场，喷射的胶体在电场内等离子体作用下雾化成小颗粒，并随容器体自转均匀沉积于基板和模板上，减少大颗粒匀涂基板或模板上结构边缘的空隙，控制气泡生成率。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射方法，通过容器体的自转配合溅射组件对喷射的压印胶的雾化，实现了纳米压印胶体的无气泡压印以及厚度均一性。
附图说明
图1是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置的结构示意图；
图2是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置中的支撑板结构示意图；
图3是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置的截面示意图；
图4是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置中靶电极的结构示意图
图5a、图5b和图5c分别是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置的正视图、侧视图以及俯视图；
图6a和图6b分别是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置内溅射腔室在静止状态以及旋转状态下的示意图；
图7是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置达到第一转速时的仿真流速矢量图XY面；
图8是图7的截面图；
图9是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置达到第二转速时的仿真流速矢量图XY面；
图10是图9的截面图；
图11是本发明一实施方式的纳米压印胶体溅射装置中射频产生器内部电路结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。
除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。
如图1至图3所示，本发明一实施方式提供了一种纳米压印胶体溅射装置，包括容器体1，溅射组件，支撑板组件以及喷射组件。溅射组件，支撑板组件以及喷射组件均设置于容器体1内。
容器体1内形成有一腔室101，容器体1上连接设置有抽真空装置8，容器体1可通过抽真空装置8控制其内部腔室101处于真空环境，形成真空腔室。容器体1能在外部驱动装置作用下绕第一方向自转，其中，第一方向如图中箭头所示。在一特定实施例中，容器体1为一圆柱桶形结构，第一方向即为圆柱桶的轴线方向，圆柱桶形结构可在以上下圆柱底的圆心为旋转轴转动。
支撑板组件包括沿第一方向相对设置支撑板3/5以及将支撑板3/5固定于容器体1内的支撑柱2/10。具体的，容器体1的内壁上相对固定有两个支撑柱2/10，支撑柱2/10均可相对于容器体1的内壁在第一方向上移动，以调节两个支撑板3/5之间的相对高度。支撑板3/5设置于支撑柱2/10的另一端，支撑板3/5能以支撑柱2/10为轴心转动，以调整两个支撑板3/5之间的相对位置，使其相互对齐。
支撑板3/5包括用于承载待镀胶基板11或模板12的承载板13以及至少设置于承载板13在第一方向上两侧的调节板14，调节板14相对于承载板13可凸起设置，且其凸起高度可调节，以当承载板13两侧相对设置的调节板14贴合时，承载板13之间能形成一定空间大小的溅射空间，且由于调节板14相对于承载板13的凸起高度可调节，使得承载板13之间形成的溅射空间大小(厚度)可调节，进一步可控制基板11或模板12上压印胶的沉积厚度。承载板13上开设有多个吸附孔15，用于真空负压吸取基板11或模板12。支撑板3/5由可透紫外光材质制成。
在一具体实施例中，调节板14可以由形成于承载板13周围的若干可调节的方块格体组成，每个方块格体均可相对承载板13自由调节凸起高度，如图3所示。为了提高精确度，每个方块格体均可连接自动化控制装置，进行同一自动化控制。
在基板11和模板12放上承载板13并真空吸附后，调节板14根据支撑板3/5相对于基板11和模板12的剩余面积相对夹紧，构成贴合面16/17包裹基板11和模板12(见图3所示)。该两支撑板3/5可通过吸附孔15真空吸附固定基板11和模板12，该真空吸附的真空度远低于腔室101内的环境真空度。
如图1、图4、图5和图11所示，溅射组件包括靶电极4和对应电极6以及射频产生器9。靶电极4与对应电极6分别设置于支撑板3/5在第一方向上的两端。靶电极4、对应电极6与支撑板3/5共同围合形成一密闭的溅射腔室102。靶电极4包括微孔板，微孔板上阵列排设有多个微孔结构25，靶电极4内形成有与多个微孔结构25均连通的进胶口(进气口)。微孔结构25的设置使得靶电极4整面均能喷胶，方便正离子轰击溅射胶体。射频产生器9包括电容20、匹配阻抗21、射流电源24、可变电容器22和接地装置23。射流电源24并联可变电容器22后，一端串联匹配阻抗21和电容20，另一端连接接地装置23。射频产生器9用以施加射频电场，其穿过靶电极4与对应电极6，以开始产生等离子于溅射腔室102内且于溅射腔室102内形成射频电场。
喷射组件包括喷射头7，喷射头7连通溅射腔室102，用以向溅射腔室102内喷射惰性气体或胶体。在一具体实施例中，喷射头7设置于靶电极4上且连通进胶口(进气口)。喷射头7可在一定流速及重力作用下喷射胶体(胶水)，且伴随容器体1的离心旋转，可将胶体(胶水)旋转充满基板11和模板12的结构19上。
如图6a所示，若喷出的压印胶18仅在重力和流速作用下于溅射腔室102内流动，则模板12上的结构19周围的缝隙无法完全填充压印胶18。如图6b所示，在容器体1绕旋转轴离心旋转时，可以根据不同结构19的填充要求设计不同转速，从而填充完全。
如图7～图10所示，要想了解压印胶在基板11，模板12面上的作用方向，即截取仿真流速矢量图的XY平面(即侧视图)，然后翻转得到XY截面的侧面矢量分布。
当容器体1的转速为60rmp时，截取仿真流速矢量图XY面见图7，从其截面(图8)可得到矢量角约30°。当圆柱桶转速为1000rmp时，截取仿真流速矢量图XY面见图9，从其截面(图10)可得到矢量角约85°。可见随着转速的增大，速度矢量角也越来越大，完全可以保证填充不同结构19的模板12图形。但是，在图7和图9中，可见压印胶的填充不均匀性，即底部密度大，顶部密度小，此时就需要结合溅射组件，以达到均匀填胶目的。
为了溅射压印胶材料，首先从喷胶头7中喷射惰性气体，气体在强电磁场下，变成等离子体。然后射流电源24采用交流电源，由于交流电源的正负性发生周期交替，当靶电极处于正半周时，电子流向靶面，中和其表面积累的正电荷，并且积累电子，使其表面呈现负偏压，导致在射频电压的负半周期时吸引正离子轰击靶材，从而实现溅射。由于离子比电子质量大，迁移率小，不像电子那样很快地向靶表面集中，所以靶表面的点位上升缓慢。在溅射腔室102中，等离子体中的电子容易在射频场中吸收能量并在电场内振荡，因此，电子与工作气体分子碰撞并使之电离产生离子的概率变大，故使得击穿电压、放电电压及工作气压显著降低。
两极间接上射频(5～30MHz)电源后，两极间等离子体中不断振荡运动的电子从高频电场中获得足够的能量，并更有效地与气体分子发生碰撞，并使后者电离，产生大量的离子和电子，此时不再需要在高压下(10Pa左右)产生二次电子来维持放电过程，射频溅射可以在低压(1Pa左右)下进行，沉积速率也因此时气体散射少而较二极溅射高；高频电场压印胶可以经由其他阻抗形式耦合进入溅射腔室102，在环境电场中剪切打散，而不必再要求电极一定要是导体；由于射频方法可以在靶材上产生自偏压效应，即在射频电场作用的同时，靶材会自动处于一个较大的负电位下，从而导致气体离子对其喷射压印胶产生自发的轰击和溅射，随着容器体1绕轴旋转，而在基板11和模板12上自偏压效应很小，气体离子对其产生的轰击和溅射可以忽略，主要是沉积过程。该过程的压印胶膜厚是由基板11和模板12之间的间距精准控制(其实通过控制调节板14和承载板13之间的凸起高度来控制)，匀胶完成后，再紫外固化，移开支撑板3/5，可得到一定胶厚的基板11和模板12，然后进行脱模过程。
本发明还提供了一种纳米压印胶体溅射方法，采用上述的纳米压印胶体溅射装置，包括：基板11及模板12分别吸附于支撑板3/5上且密封于溅射腔室102内；容器体1进行抽真空处理，以使容器体1内形成真空腔室101，控制容器体1以一定转速进行自转；开启溅射组件并控制射频条件以在溅射腔室102内形成射频电场；喷射头7向溅射腔室102内喷射惰性气体以产生等离子体，而后喷射胶体，胶体在等离子体作用下，沉积于基板11及模板12上；沉积完成后进行紫外固化；脱模。其中，射频条件包括：所述真空腔室的气压为0.1-1.0Pa，溅射电压为500-1000V，靶电流密度为0.5-1.0mA/cm2，压印胶沉积速率为0.1-0.5μm/min，电场为2*103-2*104V/m，两支撑板上承载板的板间间距根据基板或模板所需的胶厚调节范围为0.1-10μm，支撑板上承载板的面积为2-8寸。本发明的纳米压印胶体溅射方法，通过设置溅射组件产生自偏压效应，达到对靶材的轰击溅射，并在容器体的离心旋转的基础上使压印胶沉积在基板和模板上。
与现有技术相比，本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过设置真空腔室以及溅射腔室，能够实现喷胶量的控制，解决现有匀胶造成的压印胶浪费的问题。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过可调节高度差的调节板和承载板的设置，能够调节溅射腔室的大小，以控制基板和模板上压印胶的厚度。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射装置，通过设置溅射组件以在溅射腔室内形成电场，喷射的胶体在电场内等离子体作用下雾化成小颗粒，并随容器体自转均匀沉积于基板和模板上，减少大颗粒匀涂基板或模板上结构边缘的空隙，控制气泡生成率。
本发明实施方式的纳米压印胶体溅射方法，通过容器体的自转配合溅射组件对喷射的压印胶的雾化，实现了纳米压印胶体的无气泡压印以及厚度均一性。
前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (9)

1.一种纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，包括：
容器体，所述容器体内形成有真空腔室，所述容器体能在外部驱动装置作用下绕第一方向自转；
溅射组件，其部分设置于所述真空腔室内，所述溅射组件包括靶电极和对应电极，所述溅射组件用以形成射频电场；
支撑板组件，其设置于所述真空腔室内，所述支撑板组件包括沿第一方向相对设置支撑板，所述靶电极与所述对应电极分别设置于所述支撑板在第一方向上的两端，两个所述支撑板之间部分贴合，与所述靶电极和所述对应电极共同围合形成一密闭的溅射腔室；以及
喷射组件，其包括喷射头，所述喷射头连通所述溅射腔室，用以向所述溅射腔室内喷射惰性气体或胶体；
所述支撑板包括用于承载待镀胶基板或模板的承载板以及至少设置于所述承载板在第一方向上两侧的调节板，所述调节板相对于所述承载板凸起设置，且其凸起高度可调节，以当相对设置的所述调节板贴合时，所述承载板之间能形成空间大小可调放入溅射空间。
2.如权利要求1所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述喷射头设置于所述靶电极上。
3.如权利要求1所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述承载板上开设有吸附孔。
4.如权利要求1所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述支撑板组件还包括支撑柱，所述支撑柱设置于所述支撑板与所述容器体的内壁之间，所述支撑板能以所述支撑柱为轴心转动，且所述支撑板在所述支撑柱的调节下相对所述内壁在第一方向上移动。
5.如权利要求1所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述支撑板由可透紫外光材质制成。
6.如权利要求1所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述溅射组件还包括射频产生器，所述射频产生器用以施加射频电场，其穿过所述靶电极与所述对应电极，以开始产生等离子于所述溅射腔室内。
7.如权利要求6所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，所述射频产生器包括电容、匹配阻抗、射流电源、可变电容器和接地装置，所述射流电源并联所述可变电容器后，一端串联所述匹配阻抗和所述电容，另一端连接所述接地装置。
8.一种纳米压印胶体溅射方法，采用如权利要求1～7任一所述的纳米压印胶体溅射装置，其特征在于，包括：
基板及模板吸附于支撑板上且密封于溅射腔室内；
容器体进行抽真空处理，以使容器体内形成真空腔室，控制容器体以一定转速进行自转；
开启溅射组件并控制射频条件以在溅射腔室内形成射频电场；
喷射头向溅射腔室内喷射惰性气体以产生等离子体，而后喷射胶体，胶体在等离子体作用下，沉积于基板及模板上；
沉积完成后进行紫外固化。
9.如权利要求8所述的纳米压印胶体溅射方法，其特征在于，所述射频条件包括：所述真空腔室的气压为0.1-1.0Pa，溅射电压为500-1000V，靶电流密度为0.5-1.0mA/cm2，压印胶沉积速率为0.1-0.5μm/min，两支撑板上承载板的板间间距根据基板或模板所需的胶厚调节范围为0.1-10μm，支撑板上承载板的面积为2-8寸，电场为2*103-2*104V/m。
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