CN114326340A - 纳米压印对准方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度的纳米压印对准方法及系统。纳米压印对准系统包括压印模板、压印胶层、光源和光强测量装置；压印模板包括第一基准光栅；压印胶层设有第一对准光栅；光源用于提供光束，该光束经过第一基准光栅和第一对准光栅后能够形成干涉图案；光强测量装置用于根据干涉图案获得干涉图案的光强分布图。本发明提供的纳米压印对准系统，包括设于压印模板上的第一基准光栅及由该第一基准光栅压印形成于压印胶层上的第一对准光栅，第一基准光栅和第一对准光栅具有相同的光栅结构，在执行对准操作时，第一基准光栅和第一对准光栅相互错位，基于相位差的计算可直接通过对应组干涉光光强来实现高精度对准。

Description

纳米压印对准方法及系统

技术领域

本发明是关于纳米压印技术领域，特别是关于一种高精度的纳米压印对准方法及系统。

背景技术

纳米压印技术(NIL)是一种直接利用机械接触挤压，使被压印材料在模板和基底之间发生再分布，实现图形复制转移的方法，在AR、显示、半导体等领域具有广泛的应用。由于在多层压印的过程中需要保证层与层之间的对准，所以高精度的对准技术对于多层压印来说至关重要。

因此，有必要提供一种高精度的纳米压印对准方法及系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纳米压印对准方法及系统，其能够实现多层压印过程中的高精度对准。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案如下：

一种纳米压印对准系统，其包括压印模板、压印胶层、光源和光强测量装置；压印模板包括基底及设于所述基底上的纳米压印结构和第一基准光栅，所述第一基准光栅具有多个相互平行且等间距设置的凸条部，任意相邻两个所述凸条部之间形成有凹槽部，所述凹槽部与所述凸条部的形状大小一致；所述压印胶层上形成有与所述第一基准光栅相对设置的第一对准光栅，所述第一对准光栅由所述第一基准光栅在所述压印胶层上压印形成；光源用于提供垂直射向所述第一基准光栅和所述第一对准光栅的光束，所述光束经过所述第一基准光栅和所述第一对准光栅后能够形成干涉图案；光强测量装置用于根据所述干涉图案获得所述干涉图案的光强分布图。

在一个或多个实施方式中，所述压印模板上还设有第二基准光栅，所述第二基准光栅垂直于所述第一基准光栅。

在一个或多个实施方式中，所述第一基准光栅和所述第二基准光栅的光栅周期为0.5～1μm，深宽比为1:1～1:2，光栅长度为10～100μm。

在一个或多个实施方式中，所述压印胶层上形成有与所述第二基准光栅相对设置的第二对准光栅，所述第二对准光栅由所述第二基准光栅在所述压印胶层上压印形成。

在一个或多个实施方式中，所述光源为500～800nm的单波长激光器，所述激光器形成的光斑直径为1～3mm。

在一个或多个实施方式中，所述光强测量装置包括线性图像传感器和光电二极管，所述线性图像传感器和所述光电二极管用于将所述干涉图案的光信号转变为电信号，以形成所述干涉图案的光强分布图。

在一个或多个实施方式中，所述基底由弹性模量为1～10GPa的PDMS材料制成，所述纳米压印结构和所述第一基准光栅由弹性模量为0.1～100MPa的PDMS材料制成。

本发明还提供了一种用于前述的纳米压印对准系统的对准方法，其包括以下步骤：

基于机器视觉对准将压印模板和压印胶层进行粗对准，使第一对准光栅和所述第一基准光栅相对设置，且所述压印模板和压印胶层的偏差不超过所述第一基准光栅的光栅周期；

由光源发出垂直射向第一基准光栅和第一对准光栅的光束，该光束经过所述第一基准光栅和第一对准光栅后形成干涉图案；

通过光强测量装置对所述干涉图案进行光强测量，获得所述干涉图案的光强分布图；

基于所述光强分布图对所述压印模板和压印胶层进行精对准。

与现有技术相比，本发明提供的纳米压印对准系统，包括设于压印模板上的第一基准光栅及由该第一基准光栅压印形成于压印胶层上的第一对准光栅，第一基准光栅和第一对准光栅具有相同的光栅结构，在执行对准操作时，第一基准光栅和第一对准光栅相互错位，基于相位差的计算可直接通过对应组干涉光光强来实现高精度对准。

附图说明

图1是本发明一实施方式中纳米压印对准系统的结构示意图；

图2是本发明一实施方式中压印模板的结构示意图；

图3是本发明一实施方式中第一基准光栅和第二对准光栅完全对准时的结构示意图；

图4是本发明一实施方式中第一基准光栅和第二对准光栅完全对准时的光强分布图；

图5是本发明一实施方式中干涉光光路示意图。

主要附图标记说明：

1-压印模板，11-基底，12-纳米压印结构，13-第一基准光栅，14-第二基准光栅，2-压印胶层，21-第一对准光栅，3-光源，4-光强测量装置。

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。

请参照图1和图2所示，本发明一实施方式中的纳米压印对准系统，其包括压印模板1、压印胶层2、光源3和光强测量装置4。

压印模板1包括基底11及设于基底11上的纳米压印结构12和第一基准光栅13。其中，第一基准光栅13具有多个相互平行且等间距设置的凸条部，且任意相邻两个凸条部之间形成有凹槽部。该凹槽部与凸条部的形状大小一致，即凸条部恰好能够完全填充凹槽部。

具体地，基底11由弹性模量为1～10GPa的PDMS材料制成，纳米压印结构12和第一基准光栅13由弹性模量为0.1～100MPa的PDMS材料制成。第一基准光栅13的光栅周期为0.5～1μm，深宽比为1:1～1:2，光栅长度为10～100μm。

压印胶层2上形成有与第一基准光栅13相对设置的第一对准光栅21，该第一对准光栅21用于与第一基准光栅13相配合以实现光学对准。第一对准光栅21由第一基准光栅13在压印胶层2上压印形成，即第一对准光栅21具有与第一基准光栅13互补的结构。由于第一基准光栅13的凹槽部和凸条部的形状大小一致，使得由第一基准光栅13压印形成的第一对准光栅21具有与第一基准光栅13相似的光栅结构，第一对准光栅21的光栅周期和深宽比等参数均与第一基准光栅13一致。

光源3用于提供垂直射向第一基准光栅13和第一对准光栅21的光束，该光束经过第一基准光栅13和第一对准光栅21后能够形成干涉图案。光源3发射的光束经过第一基准光栅13和第一对准光栅21后，会发生多次衍射，来自于两个光栅的两束同级衍射光发生干涉叠加，从而形成多组平行且对称的干涉光。

具体地，光源3为500～800nm的单波长激光器。光源3发出的光的波长与第一基准光栅13的光栅周期相近，例如，可以光源3是波长为532nm的绿光激光器或波长为633nm的红光激光器。激光器形成的光斑直径优选为1～3mm，以使得激光器发射的光束能够完全覆盖第一基准光栅13。

光强测量装置4用于根据光源3发出的光束通过第一基准光栅13和第一对准光栅21后，形成的干涉图案获得与该干涉图案对应的光强分布图。光强测量装置4包括线性图像传感器和光电二极管，线性图像传感器和光电二极管用于将干涉图案的光信号转变为电信号，以形成干涉图案的光强分布图。

具体地，光强测量装置4还具有一测量平面，前述干涉图案可形成于该测量平面上。

一示例性的实施例中，压印模板1上还设有第二基准光栅14，该第二基准光栅14垂直于第一基准光栅13。第二基准光栅14的光栅结构于第一基准光栅13相似，第二基准光栅14的光栅周期和深宽比等参数可以设置成与第一基准光栅13相同，也可以与第一基准光栅13不同。

具体地，压印胶层2上形成有与第二基准光栅14相对设置的第二对准光栅，该第二对准光栅由第二基准光栅14在压印胶层2上压印形成。通过第一基准光栅13配合第一对准光栅21，第二基准光栅14配合第二对准光栅，可以实现压印模板1和压印胶层2在两个方向上的对准。

本发明还提供了一种用于前述纳米压印对准系统的对准方法，该方法包括以下步骤：

S1：基于机器视觉对准将压印模板1和压印胶层2进行粗对准，使第一对准光栅21和所述第一基准光栅13相对设置，且所述压印模板1和压印胶层2的偏差不超过所述第一基准光栅13的光栅周期；

S2：由光源3发出垂直射向第一基准光栅13和第一对准光栅21的光束，该光束经过所述第一基准光栅13和第一对准光栅21后形成干涉图案；

S3：通过光强测量装置4对所述干涉图案进行光强测量，获得所述干涉图案的光强分布图；

S4：基于所述光强分布图对所述压印模板1和压印胶层2进行精对准。

该对准方法的对准原理如下：

光源3发出的光线经过第一基准光栅13和第一对准光栅21的两次干涉后，能够形成干涉图案，光强测量装置4根据该干涉图案获得对应的光强分布图。当压印模板1和压印胶层2完全对准(如图3所示)，即第一基准光栅13的凸条部与第一对准光栅21的凹槽完全对准时，则光强测量装置4能够获得如图4所示光强分布图。

其原因在于，如图5所示，根据干涉次数的不同，干涉光线可以分为(0,0)；(1,0)；(0,1)；(-1,2)……(p,q)等；其中，干涉光线(p,q)指的是经过第一对准光栅21第p阶干涉，再经过第一基准光栅13第q阶干涉的光线。把所有的干涉光线按照n＝p+q进行分组，即所有干涉光线中n的值相同的干涉光线为一组。

由于光源3发射的入射光线垂直于第一基准光栅13和第一对准光栅21，所以干涉光线满足：nλ＝dsinθ_n，其中，λ为入射光波长，d为光栅周期θ_n为第n组光线与入射光线的夹角。

由上可知，第n组干涉光与第0组(透射光线)干涉光之间的相位差为：

其中：ΔX为两次干涉之间的横向位移。

当压印模板1和压印胶层2完全对准时，ΔX＝d，即Δφ＝2πn，也就意味着不同分组的干涉光之间没有相位差，即第n组和第-n组的干涉光光强相等。

基于上述原理，当压印模板1和压印胶层2出现偏差，未完全对准时，可以移动压印模板1或压印胶层2，直至对应组(如第1组和第-1组)的干涉光光强相等，即可压印模板1和压印胶层2的高精度对准。

综上所述，本发明提供的纳米压印对准系统，包括设于压印模板上的第一基准光栅及由该第一基准光栅压印形成于压印胶层上的第一对准光栅，第一基准光栅和第一对准光栅具有相同的光栅结构，在执行对准操作时，第一基准光栅和第一对准光栅相互错位，基于相位差的计算可直接通过对应组干涉光光强来实现高精度对准。

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 (8)

1.一种纳米压印对准系统，其特征在于，包括：

压印模板，包括基底及设于所述基底上的纳米压印结构和第一基准光栅，所述第一基准光栅具有多个相互平行且等间距设置的凸条部，任意相邻两个所述凸条部之间形成有凹槽部，所述凹槽部与所述凸条部的形状大小一致；

压印胶层，所述压印胶层上形成有与所述第一基准光栅相对设置的第一对准光栅，所述第一对准光栅由所述第一基准光栅在所述压印胶层上压印形成；

光源，用于提供垂直射向所述第一基准光栅和所述第一对准光栅的光束，所述光束经过所述第一基准光栅和所述第一对准光栅后能够形成干涉图案；

光强测量装置，用于根据所述干涉图案获得所述干涉图案的光强分布图。

2.如权利要求1所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述压印模板上还设有第二基准光栅，所述第二基准光栅垂直于所述第一基准光栅。

3.如权利要求2所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述第一基准光栅和所述第二基准光栅的光栅周期为0.5～1μm，深宽比为1:1～1:2，光栅长度为10～100μm。

4.如权利要求2所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述压印胶层上形成有与所述第二基准光栅相对设置的第二对准光栅，所述第二对准光栅由所述第二基准光栅在所述压印胶层上压印形成。

5.如权利要求1所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述光源为500～800nm的单波长激光器，所述激光器形成的光斑直径为1～3mm。

6.如权利要求1所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述光强测量装置包括线性图像传感器和光电二极管，所述线性图像传感器和所述光电二极管用于将所述干涉图案的光信号转变为电信号，以形成所述干涉图案的光强分布图。

7.如权利要求1所述的纳米压印对准系统，其特征在于，所述基底由弹性模量为1～10GPa的PDMS材料制成，所述纳米压印结构和所述第一基准光栅由弹性模量为0.1～100MPa的PDMS材料制成。

8.一种用于权利要求1～7中任一项所述的纳米压印对准系统的对准方法，其特征在于，包括以下步骤：

基于机器视觉对准将压印模板和压印胶层进行粗对准，使第一对准光栅和所述第一基准光栅相对设置，且所述压印模板和压印胶层的偏差不超过所述第一基准光栅的光栅周期；

由光源发出垂直射向第一基准光栅和第一对准光栅的光束，该光束经过所述第一基准光栅和第一对准光栅后形成干涉图案；

通过光强测量装置对所述干涉图案进行光强测量，获得所述干涉图案的光强分布图；

基于所述光强分布图对所述压印模板和压印胶层进行精对准。

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