CN1300635C

CN1300635C - 真空负压纳米压印方法

Info

Publication number: CN1300635C
Application number: CNB2004100892768A
Authority: CN
Inventors: 王庆康; 段智勇
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-12-09
Filing date: 2004-12-09
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2024-12-09
Also published as: CN1624586A

Abstract

一种用于纳米加工技术技术领域的真空负压纳米压印方法。具体步骤如下：(1)真空负压发生方法，通过真空负压工作室产生真空负压；(2)真空负压传递方法，真空负压工作室的真空达到负压；(3)真空负压柔性传递方法，通过柔性绞链密封连接；(4)压强倍增方法，圆形石英片同心紧密结合；(5)压力施加方法，通过压印基板与工作台之间的均匀的聚四氟乙烯弹性垫，使得模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，完成纳米压印模仁和基板紧密压合工艺过程。本发明够根据紫外敏感胶和其它纳米压印光刻胶的黏度实现不同压强倍增，较高精密压力平衡控制机械方法极大降低了设备的成本。在纳米结构的制造领域具有广泛的应用。

Description

真空负压纳米压印方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于纳米加工技术技术领域的纳米压印方法，特别是一种真空负压纳米压印方法。

背景技术

纳米压印技术是一种新颖的纳米结构图形转移技术，是当今最具前景的纳米制造技术之一。纳米压印曝光技术，图形是通过按压具有纳米凹凸结构的印章(纳米压印模仁)到有很薄的聚合物薄层的衬底(纳米压印基板)上实现图形转移。对纳米压印模仁和纳米压印基板构成的压印组件进行加热或紫外照射，当印章去除后，衬底上留下原始凹凸纳米结构图形的压印。这些工艺在小型的易于操作和完全计算机控制的装置中进行，每一基片压印流程只需几分钟。

对于热压纳米压印工艺，其压印设备及模仁较基于紫外固化的纳米压印工艺容易实现。对于基于紫外固化的纳米压印工艺，由于是通过紫外线实现聚合物薄层纳米结构的固化，因此，模仁必须能够透过紫外线。同时，由于是纳米结构，模仁必须具有一定硬度。一般是采用金刚石或石英模仁，基板可以是硅片或其它材料。模仁和基板构成纳米压印组件。由于是纳米结构图形转移，因此，模仁压入的平衡、均匀、与表面垂直是纳米压印工艺的关键方法之一。任何压入的微小不平衡、非均匀、与表面非垂直都将使图形转移发生畸变。对于热压纳米压印工艺，可以采用高精密压力头，对模仁施加压力。但对于基于紫外固化的纳米压印工艺，由于模仁必须透过紫外线，就不能直接在模仁上施加压力头。而且，由于模仁上方要安装紫外曝光装置，就很难安置其它压力驱动机械结构。这就使得纳米压印曝光技术中模仁压入的平衡、均匀、与表面垂直的压力施加方法，成为基于紫外固化的纳米压印工艺的关键技术方法。目前，国际上这一领域的设备制造商都采用倒装结构机械施加压力方法，即模仁固定，对基板通过精密机械结构方法施加顶压。由于要保证3-8英寸区域上，模仁与基板之间施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，这种通过精密机械结构施加压力的方法，对结构的机械精度极高。而且面积越大，越困难。因为，任何材料在施加不均匀压力时，都会发生微小形变。而这些微小形变，在纳米压印曝光过程中，都会导致不可忽略的误差。这种基板施加顶压方法，对机械精度要求极高，当紫外敏感胶黏度较大，而模仁厚度较薄情况下，中心的压力就会比边缘小。这对厚度小与100纳米的紫外敏感胶薄膜，引起的误差是严重的。模仁与基板之间施加平衡、均匀、与表面垂直的压力一直是国际上纳米压印技术的核心技术问题。

经对现有技术文献的检索发现，欧洲专利局2004年10月7日最新公布的国际专利申请WO 2004/086471 A1，Title：UV NANOIMPRINT LITHOGRAPHY PROCESSUSING ELEMENTWISE EMBOSSED STAMP AND SELECTIVELE ADDITIVE PRESSURIZATION提出了一种采用压电晶体进行补偿的方法对上述的中心的压力比边缘小的问题进行补偿。但这一专利方案对基板施加顶压补偿的多个压电晶体一致性要求极高，而且要求对压电晶体施加顶压补偿采用压力传感器进行监控，否则因实现均匀的补偿是很困难。因此，实施的系统复杂，制造成本非常高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有方法中的不足，提供一种真空负压纳米压印方法，利用在几十英寸圆形区域内、大气压强一致的物理特性，充分利用大气压对平面表面的平衡、均匀、与表面垂直的压强，利用真空负压来实现在模仁和基板(压印组件)两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，以及通过压力与压强的面积反比关系实现的压强倍增。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明步骤具体如下：

(1)真空负压发生方法

通过真空负压工作室产生真空负压，真空负压工作室是一钢制圆柱形腔体，真空负压工作室通过软管和真空泵密封连接，真空泵与真空负压工作室之间连接真空闸门。当真空泵工作，真空闸门打开，真空负压工作室的真空达到负压，由于外部大气压的作用，真空负压工作室上向表面被施加平衡、均匀、与表面垂直的向下压力。

(2)真空负压传递方法

通过紫外透明的圆形石英片窗口传递真空负压，真空负压工作室的顶部有一厚度d1毫米、直径r1英寸的圆形石英片窗口，当真空泵工作，真空闸门打开，真空负压工作室的真空达到一定负压。由于外部大气压的作用，真空负压工作室上圆形石英片窗口的表面被施加平衡、均匀、与表面垂直的向下压力。

(3)真空负压柔性传递方法

为了不使真空负压在传递过程中对压力的平衡性、均匀性、与表面垂直性发生影响，圆形石英片窗口与真空负压工作室通过柔性绞链密封连接。

(4)压强倍增方法

圆形石英片窗口下表面和一厚度d2毫米、直径r2英寸的圆形石英片(压强倍增圆形石英片)同心紧密结合。圆形石英片窗口表面平衡、均匀、与表面垂直的压力，在r2小于r1情况下，根据压力与压强的面积反比关系，使压强倍增圆形石英片获得平衡、均匀、与表面垂直的压强倍增。

(5)压力施加方法

真空负压工作室内部中心位置有一可以调节高度的工作台，工作台由可以通过电控实现x-y-z方向调整的平移工作台和置于平移工作台上的表面平整的聚四氟乙烯垫片构成。聚四氟乙烯垫片上是放置于工作台表面的纳米压印组件，纳米压印组件由处于上面的压印模仁和置于下方的压印基板构成。调节工作台高度，使真空负压工作室未工作时(连接真空泵与真空负压工作室的真空闸门未打开)，纳米压印组件和压强倍增圆形石英片处于临界接触(纳米压印组件和压强倍增圆形石英片之间的间隙小于0.5毫米。当真空闸门打开，由于是柔性绞链，压强倍增圆形石英片发生向下位移，使压强倍增圆形石英片与纳米压印组件紧密接触，压强倍增圆形石英片获得的平衡、均匀、与表面垂直的压力，能够作为理想的压力施加到放置于工作台表面的纳米压印组件上。当纳米压印组件上表面受到真空负压传递下来的平衡、均匀、与表面垂直的压力，通过压印基板与工作台之间的均匀的聚四氟乙烯弹性垫，使得模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力。这一压力使模仁和基板紧密压合，完成纳米压印工艺过程的关键步骤。只有模仁和基板紧密、匀衡、与表面垂直的压合，才能实现均匀、无畸变的纳米结构图形转移。

本发明不依赖精密机械施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，而通过无形的大气负压来施加平衡、均匀、与表面垂直的压力。因此，纳米压印模仁上方没有任何妨碍紫外曝光的机械结构。这对于基于紫外固化的纳米压印技术是至关重要的。同时，也为采用红外线激光实现热压纳米压印工艺提供了理想方法。

本发明在纳米压印组件上实现了其它机械方法难以达到的压力的平衡性、均匀性和与表面垂直性，使得纳米压印模仁上方无任何妨碍紫外曝光的机械结构，使得曝光和对准的控制容易实现。同时，为采用其它工艺技术(如采用红外线激光实现热压纳米压印工艺)的纳米压印曝光工艺技术提供了条件。本发明够根据紫外敏感胶和其它纳米压印光刻胶的黏度实现不同压强倍增，较高精密压力平衡控制机械方法极大降低了设备的成本。国际上高精密压力平衡控制机械结构价格在五万美元以上，采用高精密压力平衡控制机械结构的压印曝光装置价格在二十万美元以上。在亚微米结构生物芯片、亚微米结构传感器、亚微米结构光电探测器、亚微米结构太阳能电池、亚微米结构微流体结构等亚微米和纳米结构的制造领域具有广泛的应用。

附图说明

图1本发明实施例的真空负压纳米压印装置示意图

图中：1、真空负压工作室，2、圆形石英片窗口，3、环形橡胶柔性绞链圆片，4、二个小法兰，5、一个大法兰，6、环形橡胶柔性衬垫圆片，7、工作室上盖，8、工作室底座，9、聚四氟乙烯柔性垫片，10、工作台，11、抽气均衡环，12、真空计，13、抽气管，14、纳米压印组件，15、圆形压强倍增石英片，16、密封圈，17、真空闸门，18、减压闸门，19、减压管。

图2硅片二氧化硅上500纳米宽的凹形结构1000倍显微镜下照片

图3转移到石英基片上500纳米宽的凸形结构1000倍显微镜下照片

具体实施方式

如图1所示，本发明实施操作步骤如下：

第一步：打开真空负压工作室1的上盖7，

第二步：将纳米压印基板放到基板工作台10聚四氟乙烯柔性垫片9上，

第三步：用微量滴管将紫外敏感胶滴到压印基板上，

第四步：将纳米压印模仁吸附到压强倍增石英片15表面(利用模仁背面与石英片表面的平面真空吸附)，

第五步：盖上真空负压工作室上盖7，

第六步：调整基板工作台10，

第七步：通过显微镜透过圆形石英片窗口2和压强倍增石英片15，观察对准，调整基板工作台10的高度使纳米压印模仁与压印基板接触，

第八步：慢慢打开真空闸门17，实现对纳米压印组件14的紧密、匀衡、与表面垂直的压合，

第九步：根据不同黏度紫外敏感胶和纳米压印工艺条件，控制真空负压工作室1的负压大小，

第十步：把真空负压压印装置移动到针对紫外敏感胶特定波长的紫外曝光系统下方，打开针对紫外敏感胶特定波长的紫外灯曝光系统的开门，使对紫外敏感胶特定波长的紫外线透过圆形石英片窗口2和压强倍增石英片15，照射纳米压印组件14，根据压印工艺条件确定曝光时间，

第十一步：缓缓打开减压闸门18，真空负压工作室1气压达到大气压。

第十二步：打开真空负压工作室1上盖，取出纳米压印组件14。

第十三步：完成一个压印流程。

如图2、3所示，本发明成功用于基于紫外固化技术的亚微米图形转移技术的实施实例照片，采用上述描述的本发明的真空负压纳米压印方法实施的真空负压纳米压印装置和实施步骤，成功地实现了500纳米图形结构的转移。图2是在硅片二氧化硅上，采用耦合等离子刻蚀出的500纳米宽，深度500纳米的凹形结构。图3是采用基于本发明的真空负压纳米压印方法实施研制成功的基于紫外固化的纳米压印设备，采用紫外固化技术转移到石英基片上500纳米宽的凸形结构。

Claims

1、一种真空负压纳米压印方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)真空负压发生方法，通过真空负压工作室产生真空负压，真空负压工作室是一钢制圆柱形腔体，真空负压工作室通过软管和真空泵密封连接，真空泵与真空负压工作室之间连接真空闸门；

(2)真空负压传递方法，通过紫外透明的圆形石英片窗口传递真空负压，真空负压工作室的顶部有一厚度d1毫米、直径r1英寸的圆形石英片窗口，当真空泵工作，真空闸门打开，真空负压工作室的真空达到负压；

(3)真空负压柔性传递方法，为了不使真空负压在传递过程中对压力的平衡性、均匀性、与表面垂直性发生影响，圆形石英片窗口与真空负压工作室通过柔性绞链密封连接；

(4)压强倍增方法，圆形石英片窗口下表面和一厚度d2毫米、直径r2英寸的压强倍增圆形石英片同心紧密结合；

(5)压力施加方法，真空负压工作室内部中心位置有一工作台，调节工作台高度，使真空负压工作室未工作时，纳米压印组件和压强倍增圆形石英片处于临界接触，当真空闸门打开，由于是柔性绞链，压强倍增圆形石英片发生向下位移，使压强倍增圆形石英片与纳米压印组件紧密接触，压强倍增圆形石英片获得的平衡、均匀、与表面垂直的压力，施加到放置于工作台表面的纳米压印组件上，当纳米压印组件上表面受到真空负压传递下来的平衡、均匀、与表面垂直的压力，通过压印基板与工作台之间的均匀的聚四氟乙烯弹性垫，使得模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，完成纳米压印模仁和基板紧密压合工艺过程。

2、根据权利要求1所述的真空负压纳米压印方法，其特征是，所述的步骤(1)真空负压发生方法中，当真空泵工作，真空闸门打开，真空负压工作室的真空达到一定负压，由于外部大气压的作用，真空负压工作室圆形石英片窗口上向表面被大气压施加平衡、均匀、与表面垂直的向下压力。

3、根据权利要求1所述的真空负压纳米压印方法，其特征是，所述的步骤(2)真空负压传递方法中，当真空负压工作室的真空达到一定负压，由于外部大气压的作用，真空负压工作室上圆形石英片窗口的表面被施加平衡、均匀、与表面垂直的向下压力。

4、根据权利要求1所述的真空负压纳米压印方法，其特征是，所述的步骤(4)压强倍增方法中，当圆形石英片窗口与压强倍增圆形石英片两者同心紧密结合，圆形石英片窗口表面平衡、均匀、与表面垂直的压力，在r2小于r1情况下，根据压力与压强的面积反比关系，使压强倍增圆形石英片获得平衡、均匀、与表面垂直的压强倍增。

5、根据权利要求1所述的真空负压纳米压印方法，其特征是，所述的步骤(5)压力施加方法中，工作台通过电控实现x-y-z方向调整。

6、根据权利要求1所述的真空负压纳米压印方法，其特征是，在步骤(5)压力施加方法中，所述的纳米压印组件和压强倍增圆形石英片之间的间隙小于0.5毫米。