CN1282900C - 帕尔帖热循环微纳米压印装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种帕尔帖热循环微纳米压印装置。在工作台上装有真空罩，真空罩上部装有一端伸入真空罩内、另一端在外能作轴向移动的连接块，伸出真空罩外的连接块与真空罩间装有弹簧，连接块上端面与液压活塞端相连，装在真空罩内的上加热板经隔热陶瓷与连接块下端面相连，下加热板经隔热陶瓷与工作台固连；上、下加热板均为由不锈钢内板、不锈钢外板构成的双层结构、外板内开有网状冷却流道并有流道接口与外部连接，两层间内板内表面嵌有四片对称分布的方形半导体热电致冷器及在一径向线两侧的致冷器间装有温度传感器。采用基于帕尔帖热循环原理的致冷器，加热与冷却的时间缩短，有利于提高生产效率；温度的变化曲线更加平缓，便于精确控制温度和提高成品的质量。

Description

帕尔帖热循环微纳米压印装置

技术领域

本发明涉及微纳米压印技术(NIL)，尤其涉及一种帕尔帖热循环微纳米压印装置。

背景技术

普林斯顿大学的Stephen Y Chou在1995年首先提出微纳米压印技术，在1996年正式确定。其确定的纳米压印技术的工艺过程成为了所公认的典型工艺。工艺过程可分为三步：(1)制作印章，即以传统微刻蚀技术制作具有微纳米特征尺寸的压印印章；(2)压印过程，即在压印机上，施以精确控制的压力及温度，用印章在涂于元件基片的PMMA上压出所需图形，然后固化PMMA；(3)转移图形，即通过刻蚀把压印所得的PMMA上的图案转移到元件基片上，以实现批量生产。

自从1995年Chou提出纳米压印技术，引起了许多国家研究人员的广泛关注，尤其是微电子学技术方面和工程制造方面。通过对压印过程的各个环节进行了不同的改进，演变出了几种有代表性的压印技术。其中有，德克萨斯州立大学的Grant Willson就压印过程中的压印材料的固化进行改进，采用了光固化，提出的步进闪光压印技术(Step and flash imprint lithography，SFIL)；Chou就压印的方式进行改进，提出了滚动纳米压印技术(Roller nanoimprintlithography，RNIL)；同时Chou又对压印过程的简化提出了直接对压印材料进行压印，无需图形转移工艺的直接快速纳米压印技术(Ultrafast and directimprint)，以及密歇根州立大学的L J Guo提出的纳米光刻压印复合技术(Combined nanoimprinting and photolithography，CNP)与逆向纳米压印技术(Reverse-nanoimprinting techinique)等等。

这些压印技术工艺上虽有不同但多是体现在对聚合物上图案的成形过程所作的改进，而对聚合物的软化与固化过程的改进就比较少。目前压印过程中聚合物的软化和固化多采用的途径是：温度与光照，或者两者结合使用。通过加热使聚合物软化、冷却使聚合物固化是比较传统的方法，比如Chou最早提出的纳米压印技术就是采用这种方法。通过光照使聚合物软化、固化是新兴的方法，多采用紫外光(UV)或激光。这里就其中比较有代表性的工艺进行介绍。

1.步进闪光压印技术

步进闪光压印技术(SFIL)，是Willson在Chou的基础上发展起来的，主要改进在有机物基片的固化。Chou和其他研究组都采用降低温度来实现固化，而Willson采用了光固化，从而使得工艺过程简单而快速，适用于微纳米电子电路的集成。该技术中所用的聚合物材料在室温下有着很好的流动性能，故在压印过程中不需要加热，直接对其压印。这中间就要求固化所用的光线对压在有机物材料上面的印章材料是透明的，这样才能充分发挥出光固化的作用。

2.直接快速纳米压印技术

直接纳米压印技术大致的过程如此：采用硬度较大的材料作为印章材料，例如金刚石、二氧化硅等，而选用硬度较小的材料作为元件材料，如铝等材料。通常在常温条件下，施加压力在元件材料上面直接压出所需图案。这种方法工艺简单快速，设备简单，对材料有一定的要求，有着不错的前景。

2002年Chou在Nature杂志上提出了一种直接快速纳米压印技术—激光直接压印技术(Laser-assisted direct imprint，LADI)。其具体的工艺过程与Willson有些类似。待压印的元件材料在激光直接照射下，很快就会从固态变成液态，从而进行压印。当然压印印章材料必需对激光是透明的。而元件材料的固化过程也采用了光固化，并且采用了同样的激光束，固化过程也很快，从而实现了快速直接压印。由于LADI直接在元件材料上进行压印，从而就直接得到我们所需要的结构。

如上所述光照软固化具有工艺简单快速、生产效率高的优点，但其缺点也显而易见：(1)步进闪光压印技术和激光直接压印技术都要求印章材料透明，以利于激光的透过，这使得印章材料选择的范围有限；(2)同时由于压印材料采用光固化，需要使用比较昂贵的准分子激光，并由专业人员来操作使用，使得这两种方法很难在普通实验室实现，制作成本也比较昂贵。相对而言，传统的温度软固化采用电阻加热、采用液冷降温恰恰具有操作简单、造价低廉的特点，并且对印章材料选择没有特殊要求。其主要缺点是升降温速度慢，难于进行精确的温度控制，同时机械结构也比较复杂。而对微纳米压印来说，温度的控制直接关系到压印成品的质量，精确的温度控制可以大幅度降低印章和元件材料的粘结，降低热变形的影响。如果能采用合理的设计克服温度软固化的缺点，那么这样的微纳米压印技术不失为一种低成本、高效率、高质量的压印技术。

发明内容

为了实现快速升降温、精确温度控制、结构又相对简单的温度软固化纳米压印，本发明的目的在于提供一种帕尔帖热循环微纳米压印装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

1)在工作台上装有真空罩，真空罩上部装有一端伸入真空罩内、另一端在真空罩外能作轴向移动的连接块，伸出真空罩外的连接块一端的内肩面与真空罩上端面间装有弹簧，连接块上端面与液压活塞活动端相连，液压活塞另一端装在支撑架的横梁上，支撑架与工作台固连，装在真空罩内的上加热板经一隔热陶瓷与连接块下端面相连，上加热板的外板上部装有冷却管，冷却管穿过真空罩与外部连接，装在真空罩内的下加热板经另一隔热陶瓷与工作台固连，下加热板的外板下部装有冷却管，冷却管穿过工作台与外部连接；

2)上加热板以及下加热板都是由不锈钢内板和不锈钢外板构成的双层结构，外板内开有网状冷却流道并有流道接口与外部连接，在内板内表面嵌有四片对称分布的方形半导体热电致冷器及在一径向线两侧的两个方形半导体热电致冷器间装有PT100热电偶温度传感器，上、下加热板结构相同只是装配方向相反。

本发明中的压印装置是一种直接快速纳米压印装置，可在元件材料上面直接压出所需图案而无需图形转移过程。它的创新之处是在前述微纳米压印工艺基础上，对压印过程中的压印材料的软固化进行改进，采用帕尔帖热循环原理对压印材料进行加热软化和冷却固化。帕尔帖热循环采用的热电致冷器由N型和P型半导体单元配对组合而成。借助直流电的流动，致冷器的一面被冷却、另一面则被加热。另外通过改变电源的极性，使热量的移动方向逆转，从而实现加热、冷却的完全互换(即帕尔帖效应)循环。避免了电阻加热和液冷的缺点，也无需激光软固化的较高成本。

本发明具有的有益的效果是：

由于采用了基于帕尔帖热循环原理的半导体热电致冷器，与传统的电阻加热和液冷相比，加热与冷却的时间明显缩短，有利于提高生产效率；温度的变化曲线更加平缓，有利于精确控制温度和提高成品的质量。再者采用了与加热板一体化的真空罩，简化了真空罩传动机构，整个装置的体积更小，机械结构更简单，外观也更美观。

附图说明

是本发明的结构原理示意图；

图2是图1的加热板结构A-A剖视示意图。

图中：1-支撑架，2-液压活塞，3-连接块，4-弹簧，5-真空罩，6-冷却管，7-上加热板，8-半导体热电致冷器，9-下加热板，10-隔热陶瓷，11-工作台，12-冷却管，13-隔热陶瓷，14-PT100热电偶温度传感器，15-内板，16-外板，17-冷却流道，18-流道接口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2所示，本发明结构如下：

1)在工作台11上装有真空罩5，真空罩5上部装有一端伸入真空罩5内、另一端在真空罩5外能作轴向移动的连接块3，伸出真空罩5外的连接块3一端的内肩面与真空罩5上端面间装有弹簧4，连接块3上端面与液压活塞2活动端相连，液压活塞2另一端装在支撑架1的横梁上，支撑架1与工作台11固连，装在真空罩5内的上加热板7经一隔热陶瓷13与连接块3下端面相连，上加热板7的外板16上部装有冷却管6，冷却管6穿过真空罩5与外部连接，装在真空罩5内的下加热板9经另一隔热陶瓷10与工作台11固连，下加热板9的外板16下部装有冷却管12，冷却管12穿过工作台11与外部连接；

2)上加热板7以及下加热板9都是由不锈钢内板15和不锈钢外板16构成的双层结构，外板16内开有网状冷却流道17并有流道接口18与外部连接，两层间在内板内表面嵌有四片对称分布的方形半导体热电致冷器8及在一径向线两侧的两个方形半导体热电致冷器8间装有PT100热电偶温度传感器14，上、下加热板结构相同只是装配方向相反。

本发明的工作过程如下：

1)开启液压泵，提升液压活塞2至行程最高点，将印章与基片叠放在一起放于下加热板9上并定位。降下真空罩5(同时上加热板也在下降)直到弹簧4将其锁紧，开启真空泵抽真空。

2)当真空度达到要求时，液压活塞2通过上加热板7给印章与基片施加预压力进行预压；同时给半导体热电致冷器8通电对印章与基片加热进行软化。

3)当温度达到要求时，液压活塞2通过上加热板给印章和基片施加最终的压印力；保持温度与压力不变一段时间直到基片充分成形。

4)接着给半导体热电致冷器8反相通电对印章与基片进行冷却固化，同时打开液冷回路将半导体热电致冷器8热面的热量散去。

5)当印章与基片彻底冷却后，提升液压活塞2至行程最高点，将印章与基片取出。

压印过程的典型工艺流程：1)将印章与基片与空气隔绝；2)加热，使基片软化；3)加压，使基片充分成形；4)冷却，使基片固化。本发明主要是对2)、3)、4)进行了改进：

1.考虑缩短加热和冷却时间。对于采用温度进行聚合物软固化的微纳米压印，加热和冷却的时间在整个压印时间中占有很大比重，所以缩短这个时间是提高生产效率的关键。半导体热电致冷器由N型和P型半导体单元配对组合而成。借助直流电的流动，致冷器的一面被冷却、另一面则被加热。另外通过改变电源的极性，使热量的移动方向逆转，从而实现加热、冷却的完全互换(即帕尔帖效应)循环。与电阻相比半导体热电致冷器热效率更高。根据帕尔帖效应，电偶在热端放出的热量为Q_H＝Q₀+N₀，其放热系数(单位电功率发散出的热量)为ε′＝Q_H/N₀＝1ε＞1优于电阻加热。而且改变电源极性热电致冷器还可以制冷，进一步缩短冷却时间。

2.考虑优化温度变化曲线。对于以温度变化来实现软固化的压印技术来说，平稳的温度变化有利于降低热变形的影响，但是在压印中由于热传导与辐射等因素影响，温度变化会产生波动。本发明采用有限元对热电致冷器的温度变化过程进行瞬态分析计算，然后应用后处理程序计算其温度场分布和热应力，得到热应力与直流电流的相应关系，并在控制过程中，对电流输入进行合理补偿，基本上消除了由热损失所引起的温度波动，使温度变化曲线趋于平滑。

3.考虑精确控制温度与压力。对于微纳米压印，温度的控制直接关系到压印成品的质量，精确的温度控制可以大幅度降低印章和元件材料的粘结，降低热变形的影响。本发明中采用PID算法来控制温度，由PLC来实现。PLC读入预设的温度值，然后与热电偶的测量值进行比较，于是由T_setpoint-T_measured产生一个误差函数。由误差函数e(t)可以得到响应函数 $r\left(t\right)=\mathrm{Pe}\left(t\right)+I\∫e\left(t\right)\mathrm{dt}+D\frac{\∂e\left(t\right)}{\∂t},$ 然后响应函数r(t)被转换成控制热电致冷器打开时间的信号。PID的参数就是响应函数r(t)中的系数，它们的取值分别为：P＝0.6，I＝29，D＝4。另外，直接快速纳米压印所需的压力较大，因此压力控制直接关系到基片是否能成形完全。但是液压系统的控制精度一般都比较低，为了实现液压压力的精确控制，本发明采用了与温度控制类似的PID控制。

此外，为了在两加热板间提供较大的观察与操作的空间，液压活塞设置了较大的行程；为了避免增加压印时间，液压装置采用了两级速度进给。具体通过PLC输出直流电流控制比例流量阀进行变速。

为了满足工作现场复杂环境及各种应用场合，本发明设计了不同控制方式，既有传统的手动控制方式，又设计了上位机通过串口通讯监测和控制PLC的计算机控制方式。根据不同的工作状况，各种控制方式可以相互切换，因此，本发明使用方便，应用场合广。

Claims (1)

1.一种帕尔帖热循环微纳米压印装置，其特征在于：

1)在工作台(11)上装有真空罩(5)，真空罩(5)上部装有一端伸入真空罩(5)内、另一端在真空罩(5)外能作轴向移动的连接块(3)，伸出真空罩(5)外的连接块(3)一端的内肩面与真空罩(5)上端面间装有弹簧(4)，连接块(3)上端面与液压活塞(2)活动端相连，液压活塞(2)另一端装在支撑架(1)的横梁上，支撑架(1)与工作台(11)固连，装在真空罩(5)内的上加热板(7)经一隔热陶瓷(13)与连接块(3)下端面相连，上加热板(7)的外板(16)上部装有冷却管(6)，冷却管(6)穿过真空罩(5)与外部连接，装在真空罩(5)内的下加热板(9)经另一隔热陶瓷(10)与工作台(11)固连，下加热板(9)的外板(16)下部装有冷却管(12)，冷却管(12)穿过工作台(11)与外部连接；

2)上加热板(7)以及下加热板(9)都是由不锈钢内板(15)和不锈钢外板(16)构成的双层结构，外板(16)内开有网状冷却流道(17)并有流道接口(18)与外部连接，在内板(15)内表面嵌有四片对称分布的方形半导体热电致冷器(8)及在一径向线两侧的两个方形半导体热电致冷器(8)间装有PT100热电偶温度传感器(14)，上、下加热板结构相同只是装配方向相反。

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