CN1797193A - 纳米级别图形的压印制造方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种纳米级别图形的压印制造方法，其特征在于利用吸盘吸附的方式提高了模版和待压印物的硬度，同时利用吸盘的预压使压印时压力分布均匀。在装卡模版和待压印物时，可利用光学传感器对模版和待压印物进行对准。应用本发明方法的装置包括保证上下真空吸盘表面相对平行且单一方向可控运动，使模版和待压印物相对可控运动，确保其压力均匀防止图形错位变形的运动保证可控组件；可将旋转扭矩变成吸附组件相互间的压力，并可恒压的压力控制组件；可控制加热温度以及绝热的温度控制组件；可吸附模版和待压印物，并可根据需要改变适当的形状的吸附组件。本发明可使设备成本降低，可靠实用，并操作方便。

Description

纳米级别图形的压印制造方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种压印制造方法及其装置，特别涉及制备具有超高分辨率且特征尺寸为纳米级别的图形压印制造方法及其装置。

背景技术

自20世纪60年代以来，集成电路一直按摩尔定律不断更新换代，即单个芯片中集成的晶体管数目每18个月翻一番。随着电路中器件尺寸的不断变小，传统光学光刻技术将接近物理极限。现今流行的光刻工艺中所用的紫外光波长为250nm左右，要想制造比这一尺度的一半小得多的图形结构，衍射效应将使图形的各部分特征混合在一起而模糊不清。用来制造线宽小于100nm的光学光刻工具，每台造价高达数千万至数亿美元。线宽为70nm的复杂微电子结构已经制造出来，但这种制造方法费用非常昂贵。

美国专利5772905提出的纳米光刻技术即“纳米压印制造方法”(Nano-imprint Lithography，即NIL)，具有操作简单、分辨率高、重复性好、费时少、成本费用极低、可大批量重复制备纳米图形结构的优点。该方法是通过具有纳米尺度的微细结构的模版对基片上的光刻胶(也称为抗蚀层)施加压力，从而在该光刻胶上设置微细图案。具有微细图案的模版的制备通常是基片上旋涂一层对电子束敏感的聚合物(如PMMA)，再利用电子束直写曝光技术在其表面刻蚀所需图形，其目前最高分辨率可达1～5nm。纳米压印制造方法对模版的基底材料要求有足够的硬度，使其在压模和撤模的过程中不容易变形和受损。

现有的纳米压印制造方法中热压印工作过程如图4a所示，在压印前，将模版1、待压印物光刻胶2和基片3(通常材料为Si、SiO₂、金属等)水平放置，上下垂直。模版1表面有纳米级别特征尺寸的微细结构。热压印中光刻胶2为传统光刻胶PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)，压印前已经均匀旋涂在基片3上。如图4b所示，加热加压时，模版1、待压印物光刻胶2和基片3将会被加热和上下加压，具体过程为先将光刻胶2加热到玻璃转变温度(Tg)以上，在其被软化的状态下再予以加压转印图形，转印结束后冷却固化。如图4c所示，脱模分离时，覆盖于基片3上的光刻胶层2上形成了凹凸的图案，并与模版的图案相互对应；模版和待压印物在上下相对的单一方向分离，且分离时不能发生两者左右及旋转运动导致的图形损坏。光刻胶层2的图案凹的底面与基片3还有40～50nm的厚度的薄膜，通常还会采用氧化反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching)等将该薄膜去除。

上述压印方法的压力一般会在40～100bar，压力分布为中间大，而靠近模版边缘处则压印力小；当模版面积越大，保证压力均匀就越困难。因而容易由于压力不均匀导致模版变形，使压印图案变形，图案分布均匀性差；当模版为脆性材料时(例如硅晶片、玻璃)，当压力的不均匀很容易使其产生破裂。目前主要采用以下办法解决此类问题：

1、模版基底选择高硬度的材料或对表面进行处理以加强表面硬度。但脆性材料在压力不均时破裂情形很容易发生，通常做法可将硅晶片模版电铸翻制成镍模，再利用镍模版压印图形。但电铸过程为电化学反应，需要很多各种重金属电铸酸溶液，各类添加剂(例如应力消除剂、洗涤剂、湿润剂等)，这些化学溶液用后不易处理，不但费用昂贵而且易污染环境。电铸本身缺陷多，如复制效率、针孔、翘曲、表面精度、厚度均匀差等。

2、通过对加压方式的改善来提高压力的均匀性。如图5a所示的滚轴型纳米压印方式，就是将模版101制造成滚轴形状，微细图案分布在滚轴上。通过滚压，在基片3上的光刻胶2上压印出图形。但滚压中模版101与光刻胶2接触为一条线，尽管提高了线的均匀却带来整体面的压印难于控制。如图5b所示的缓冲垫法，上压印盘102与下压印盘103分别装卡模版1与待压印物光刻胶2和基片3。采用在模版1与上压印盘102中间垫上一层缓冲垫104(通常为硅胶板(Silicone Rubber))，使模版1与待压印物在压印中缓和与平衡压力的影响，达到均匀的成型。然而硅胶板容易伸张变形，且受限于固态材料本身的伸张特性，压印力无法达到理想均匀分布的状态。尤其在冷却保压阶段，压力不均则会造成硅胶收缩不均，严重影响成品微结构转写后尺寸。

图5c为中国专利申请号02131969.3提出的气体微热压印成型法，采用在模版1上罩一层具有弹性密封膜105(如塑料)，在上方再压上一个金属罩107与密封膜构成一个压密闭气室，通过高压气源106向里加压，由于气体分子的等压分布特性，密封膜推动模版均匀下压。但这种方法中的模版1在压印中是无法固定的，因而模版1与待压印物基片3之间的定位很容易受到密封膜的影响，还需要其他方法辅助。

纳米压印技术中多层图形的套刻对准(alignment)就是在基片上进行多次压印，这就要求基片与模版在每次压印时上下平行且相对位置都是可以控制的。目前通常采用光学对准，最高能达到水平方向的对准精度100nm级别。受温度变化、压力不均及大小变化、图形面积造成的材料变形影响，也会影响对准精度，例如当前4英寸模版对准精度达到1微米级别。而采用不同的压印方式也会对套刻对准的精度影响较大，如图5所示的三种方式，滚轴型纳米压印方式压印中很容易造成模版移动受力不均影响对准精度、气体微热压印成型法中上层模版覆盖的密封膜影响光学镜头观察，造成设备复杂化且对准精度不高，缓冲垫法中硅胶板材料变形将影响对准精度。

发明内容

本发明的目的是提供一种可使压印压力均匀分布、可用于套刻对准的纳米压印方法及压印装置，可使设备成本降低，可靠实用，并操作方便。

本发明采用以下技术方案：

本发明采用吸盘吸附方式将模版和待压印物分别装卡在上下两个吸盘吸附表面，使模版与上吸盘、待压印物与下吸盘分别形成一体。即通过吸盘的硬度来加强模版和待压印物硬度有利于压印时压力均匀分布。吸盘采用不锈钢等高硬度材料，吸附表面光滑，开有环形凹槽，通过抽取凹槽真空使吸盘可吸附模版和待压印物。在压印前，先预压上下真空吸盘，上下相互压力达到压印压力40～100bar，使其吸附表面完全接触，由于上下真空吸盘为高硬度材料且接触面与受力方向垂直，表明此时吸附表面平行且压力分布均匀。然后，通过下真空吸盘周向均布的四个螺栓孔用螺栓将下真空吸盘与台架拧紧锁死，通过上真空吸盘圆形套筒周向均布的四个螺栓孔用螺栓将上真空吸盘与和其套筒相套的花键导向杆拧紧锁死。通过运动保证可控组件保证花键导向杆上下单一方向运动，而上真空吸盘锁死固定在花键导向杆下部顶端，下真空吸盘固定在台架上不运动。因而花键导向杆带动上真空吸盘上下的单一方向运动，最终使上下真空吸盘可相对上下单一方向运动。最后，使上真空吸盘抬起相对下真空吸盘分离一定距离，通常为1～2cm，装卡模版和待压印物后开始压印。

上下真空吸盘可根据需要改变适当的形状，从而可压印不同形状和大小的材料。由于压印前可进行调整保证了压力均匀分布，因此可直接压印硅晶片，无需再将硅晶片翻制成金属模版，可简化加工方法降低成本。

上下吸盘预压结束后，抬起上吸盘1～2cm后装卡模版和待压印物，此时便可通过光学传感器对模版和待压印物进行对准。具体方法如下：可通过先吸附固定模版，再手动或辅助工具移动待压印物，通过光学传感器观察进行对准，对准结束后便可吸附固定待压印物，最后开始压印。对准方法亦可先吸附固定待压印物，再通过移动模版进行对准，或通过装卡工具自身的对准，实现模版和待压印物的对准。

应用本发明纳米级别图形压印制造方法的装置，由压力控制组件、运动保证可控组件、温度控制组件和吸附组件构成。压力控制组件位于安装在台架支撑板上的压力导向圆筒的中上部，运动保证控制组件通过花键导向圆筒安装在压力导向圆筒下部。吸附组件上真空吸盘与运动保证可控组件的花键导向杆连接，下真空吸盘与台架底座上支撑板连接。温度控制组件位于吸附组件的下真空吸盘部分的下方，其中加热装置上表面与下真空吸盘下表面紧密接触。

压力控制组件包括压力产生机构和压力回复机构。压力产生机构由压力螺纹杆、压力导向圆筒，压力螺纹杆安装在压力导向圆筒上部，采用螺纹连接，从而利用丝杠螺母原理将作用在压力螺纹杆的旋转扭矩变成向下的压力，并可使压力恒定。压力回复机构主要包括压力弹簧，压力弹簧套在花键导向杆与压力导向圆筒之间及在压力螺纹杆下面的弹簧档片和花键导向圆筒之间；利用压力弹簧的回复力，产生较大的拔模力并使上真空吸盘向上运动。本发明通过测量施加在压力螺纹杆上扭矩大小计算出传递在弹簧档片上的压力大小，然后减去弹簧自身在压缩过程中的弹力，便可得到真实压印力，即施加在模版上的压力。通常压印时，控制模版上的压印力压强控制在40～100bar，其换算公式如下：

Fb(真实压印力)＝Fn(扭矩转换压力)-Ft(弹簧力)

Ft(弹簧力)＝k(弹簧系数)×L(弹簧压缩长度)

Pb(模版压印力压强)＝Fb(真实压印力)/S(模版面积)

运动保证可控组件是保证上下单一方向运动可控装置，包括：安装在压力导向圆筒下部的花键导向圆筒，花键连接的花键导向杆与其组成单一方向可控运动机构。由于花键导向杆受到花键导向圆筒和上端弹簧挡片的双重制约，如采取过盈配合等方式，可最终保证吸盘相对垂直上下(或单一方向)可控运动，尤其防止脱模过程中的左右及旋转运动导致的图形损坏；上真空吸盘上部是一个有一定高度的圆形套筒，该套筒与其上方花键导向杆的下部相套，在圆形套筒的周向均布有四个螺栓孔，通过在其上部周向均布的四个螺栓孔，用四个螺栓将其与花键导向杆下部连接，可根据需要调整安装在花键导向杆下部的方位，组成吸盘找平机构，可保证上下真空吸盘表面相对平行且单一方向可控运动。

温度控制组件包括加热装置，温度控制装置和隔热装置。加热装置位于下真空吸盘下部，采用热板加热使温度均匀、加热迅速。温度控制装置采用电子控温使加热物温度控制在所需范围，精度达到要求。隔热装置的作用是在加热过程中为防止台架等无需加热的地方温度过高。本发明在上下真空吸盘与其他器件连接时采用空气隔热、绝热材料隔热，防止周边温度过热。

吸附组件包括上真空吸盘和下真空吸盘。上真空吸盘平视如“”形，上部是一个有一定高度的圆形套筒且圆形套筒的周向均布有四个螺栓孔，下部为有一定厚度的平板；下真空吸盘为一有一定厚度的平板，其周向均布四个螺栓孔。吸盘的制作材料为不锈钢等高硬度材料，吸附表面光滑，开有用以抽真空的凹槽。凹槽通常1毫米深1毫米宽，多个环形凹槽以同心方式分布，根据所需吸附力的大小来决定环形凹槽数量，然后再用纵横方向的凹槽使环形凹槽相通，这样凹槽与模版或待压印物构成密闭空间。在吸盘侧面开一吸气圆孔与密闭空间相通，从该吸气圆孔抽取密闭空间的空气便可紧密吸附住模版或待压印物。模版与待压印物在压印过程中的接触和分离过程，都要保证其与上下吸盘表面紧密连接。

由于客户需要压印不同大小的材料，为保证压印效果良好(如压力均匀等问题)，可改变真空吸盘自身的大小且可根据需要改变适当的形状，从而可压印不同形状和大小的材料。

压印过程中，关键是模版与待压印物表面要相对平行且上下单一方向可控运动，进而表现为上下真空吸盘表面要相对平行且上下单一方向可控运动，但由于机加工装配等工艺条件所限，难以保证其相对平行，本发明采用运动保证可控组件保证压印过程其相对平行。运动保证可控组件采用机械手工调平。未压印前，上真空吸盘与花键导向杆采用活动连接，即连接螺栓松开，然后加压使上下真空吸盘紧密接触；此时用上真空吸盘吸附面与花键导向杆连接的套筒周向均布的四个螺钉将其与花键导向杆锁死刚性连接。然后撤销压力抬起上真空吸盘，在上下真空吸盘上装卡待压印模版与待压印物，此时便可以通过控制温度控制组件进行加热加压开始压印，并且模版与待压印物平行且单一方向可控运动。

附图说明

图1a、b、c、d为本发明纳米级别图形的压印制造方法原理示意图。图中图1a为上下真空吸盘预压调平，图1b为装卡模版和待压印物，图1c为加热加压，图1d为脱模分离。图中：1模版，2光刻胶，3基片，17上真空吸盘，18下真空吸盘；

图2为本发明纳米级别图形的压印装置的横截面图。图中：4下吸盘隔热材料，5台架支撑柱、6台架支撑板，7为台架压力导向圆筒，8为压力螺纹杆，9为扭力杆，10台架底座上支撑板，11弹簧挡片，12压力弹簧，13花键导向圆筒，14花键导向杆，15台架底座支撑板，17上真空吸盘，18下真空吸盘，19加热装置，20台架底座下支撑板；

图3为本发明上真空吸盘上部与花键导向杆连接方式示意图。图中：14花键导向杆，16上吸盘隔热材料，17上真空吸盘，301螺栓孔，302吸气圆孔，303凹槽；

图4a、b、c为现有的纳米压印光刻技术原理示意图。图中图4a为未压印时模版和待压印物的相互位置关系，图4b为压印时模版和待压印物的相互位置关系，图4c为压印结束时模版和待压印物的相互位置关系。图中：1模版，2光刻胶，3基片；

图5a、b、c为不同压印方法图。图中图5a为滚轴型纳米压印方式，图5b为缓冲垫法，图5c为气体微热压印成型法。图中：1模版，2光刻胶，3基片，101模版，102上压印盘，103下压印盘，104缓冲垫，105弹性密封膜，106高压气源，107金属罩。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

图1a、b、c、d本发明纳米级别图形的压印制造方法原理示意图。如图1a所示，在压印前先进行上下真空吸盘预压，使其吸附表面完全接触，由于上下真空吸盘为高硬度材料且接触面与受力方向垂直，表明此时吸附表面平行且压力分布均匀，然后锁死相关连接机构。通过下真空吸盘18周向均布的四个螺栓孔用螺栓将下真空吸盘18与台架底座上支撑板10拧紧锁死，通过上真空吸盘17上部圆形套筒周向均布的四个螺栓孔301用螺栓将上真空吸盘17与和其套筒相套的花键导向杆14拧紧锁死。

如图1b所示，装卡模版1、待压印物——光刻胶2和基片3，利用光学传感器对模版1和待压印物2、3进行对准。采用吸盘吸附的方式，可增加模版1和待压印物硬度，提高压印压力分布均匀性。通过运动保证可控组件保证花键导向杆14上下单一方向运动，而上真空吸盘17锁死固定在花键导向杆14下部顶端，下真空吸盘18固定在台架上不运动。因而花键导向杆14带动上真空吸盘17上下的单一方向运动，最终使上下真空吸盘可相对上下单一方向运动。最后，使上真空吸盘17抬起相对下真空吸盘18分离一定距离，通常为1～2cm，装卡模版和待压印物。

如图1c所示，加热加压时，模版1、待压印物：光刻胶2和基片3将会被加热和上下加压，其中温度和压力要根据需要控制，例如要保证温度加热均匀且可恒定、压力较大且可恒定。

如图1d所示，脱模分离时，模版1和待压印物：光刻胶2和基片3上下相对单一方向分离。且分离时不能发生两者左右及旋转运动导致的图形损坏。

如图2所示为本发明纳米级别图形的压印装置的横截面图。在图2中，台架底座下支撑板20为方形铁板，位于装置底部，通过左右两块竖立于其上的台架底座支撑板15支撑台架底座上支撑板10。台架底座上支撑板10形状为方形，中心为一圆孔。三根台架支撑柱5周向均布在台架底座上支撑板10中心四周，圆形中心有孔的台架支撑板6安装在三根台架支撑柱5上。台架支撑板6、台架支撑柱5、台架底座上支撑板10、台架底座下支撑板20、台架底座支撑板15通过螺栓连接，构成纳米压印光刻机台架，起支撑设备的作用。台架压力导向圆筒7通过螺栓连接安装在台架支撑板6中间的圆孔中，而下真空吸盘18通过螺栓连接安装在台架底座上支撑板10中心圆孔中。

如图2所示，压力控制组件位于装置上部，包括压力螺纹杆8，扭力杆9，压力弹簧12。压力螺纹杆8安装在台架压力导向圆筒7的上部，与压力导向圆筒7采用螺纹连接。扭力杆9穿过台架压力导向圆筒7上部的圆孔，利用丝杠螺母原理转动扭力杆9带动压力螺纹杆8，使旋转扭矩变成向下的压力。压力弹簧12套在花键导向杆14与压力导向圆筒7之间及在压力螺纹杆8上部的弹簧档片11和花键导向圆筒13之间。当压力弹簧12受压回复时推动弹簧档片11向上运动，继而带动花键导向杆14向上运动产生较大的拔模力，从而组成压力回复机构。通过测量扭力杆9上扭矩大小可计算压力大小。

运动保证可控组件是单一上下方向运动保证可控装置，位于压力控制组件下部，包括花键导向圆筒13。花键导向圆筒13通过螺栓连接安装在压力导向圆筒7正下部，与其花键连接的花键导向杆14只能在花键导向圆筒13中上下运动，从而组成单一方向可控运动机构。可最终保证吸盘相对垂直上下(或单一方向)可控运动，尤其可防止脱模过程中的左右及旋转运动导致的图形损坏。上真空吸盘17平视如“”形，上部是一个有一定高度的圆形套筒，该套筒与其上方花键导向杆14的下部相套，在圆形套筒的周向均布有四个螺栓孔，配有四个锁紧螺栓，四个螺栓将其与花键导向杆14下部连接。可根据需要调整安装在花键导向杆14下部的方位，从而组成吸盘找平机构，可保证上下真空吸盘表面的相对平行且单一方向可控运动。

温度控制组件位于台架底座上支撑板10与台架底座下支撑板20之间，包括加热装置19，隔热材料16和隔热材料4。加热装置19位于下真空吸盘18的正下方，与真空吸盘18表面紧密接触，采用热板加热使温度均匀、加热迅速。隔热材料4为金属垫片，放置在下真空吸盘18与台架的螺栓之间，使下真空吸盘18与台架底座上支撑板10隔离，可防止热量从下真空吸盘18扩散到台架下部。在上真空吸盘17与花键导向杆14之间放置有隔热材料16，防至热扩散到花键导向杆17上部台架。

吸附组件位于花键导向杆14与台架底座上支撑板10之间，包括：与花键导向杆14下部通过螺栓连接的上真空吸盘17、与台架底座上支撑板10螺栓连接的下真空吸盘18。模版与待压印物在压印过程中接触分离过程，均须保证其与上下真空吸盘表面紧密连接。本发明采用真空吸附。真空吸盘还可根据需要改变适当的形状，以便压印不同形状和大小的材料。

手动转动扭力杆9使压力螺纹杆8旋转，根据丝杠螺母原理，通过台架压力导向圆筒7将旋转扭矩变成向下的压力。弹簧挡片11受到向下压力，压缩压力弹簧12，带动花键导向杆14通过花键导向圆筒13向下一起运动。花键导向杆14与上真空吸盘17通过隔热材料16、锁死螺栓采用活性连接，同样下真空吸盘18与台架也通过隔热材料4连接。当压印时，上真空吸盘17、下真空吸盘18分别吸附模版与待压印物。加热装置19可根据压印条件需求，实时监控模版与压印材料温度。于是，上真空吸盘17在花键导向杆14的压力作用下，便可与下真空吸盘18相互作用挤压模版与压印材料。当压印结束，通过手动转动扭力杆9，将压力螺纹杆8旋转撤出加在弹簧挡片11的向下压力。同时在压力弹簧12的弹簧回复力作用下，通过弹簧挡片11带动花键导向杆14向上运动，最终使上真空吸盘17、下真空吸盘18相对上下运动，同时使模版与待压印物分离。

本发明采用手动方式，运用丝杠螺母原理将扭矩变换为向下的压力，并可利用该原理使压印时位置自动锁死，从而保持压力恒定。而当撤销压力时，可通过压力弹簧12的回复力使上真空吸盘17回复原先位置，并在脱模瞬间产生较大的拔模力。

本发明根据纳米热压印原理，保证模版与待压印物在压印过程要保持平行且相对运动要严格保证相对垂直上下(或单一方向)可控运动，尤其防止在脱模过程中的左右及旋转运动导致的图形损坏。具体措施通过上真空吸盘17上部的花键导向杆14与花键导向圆筒13的花键连接，从而保证花键导向杆14只有单一方向可控运动，防止左右及旋转运动。

图3为本发明上真空吸盘上部与花键导向杆连接方式示意图。上真空吸盘17平视如“”形，上部是一个有一定高度的圆形套筒且圆形套筒的周向均布有四个螺栓孔301，下部为有一定厚度的平板。吸附表面光滑，开有用以抽真空的凹槽303，吸盘侧面开一吸气圆孔302与凹槽303相通。如图3所示，未压印前，上真空吸盘17与花键导向杆14活动连接，然后加压使上下真空吸盘紧密接触；此时用上真空吸盘17上的锁死螺栓通过其上部四周均匀分布的四个螺栓孔301，将其与花键导向杆14锁死刚性连接。然后撤销压力抬起上真空吸盘17，装卡模版1与待压印物2、3，此时便可以加热加压开始压印，并且上下真空吸盘平行且单一方向可控运动。隔热材料16为有机物等材料，可防止热量从上真空17吸盘扩散到台架上部，同时由于隔热材料16本身具有一定弹性，可在找平时起到弹性连接作用，更便于找平。

本发明的加热装置19采用热板加热。在加热过程为防止台架等无需加热的地方温度过高，本发明在上下真空吸盘17、18与其他器件连接时采用空气隔热、绝热材料隔热，防止周边最近温度升温。

在本发明中，压印方式是自上到下的，而产生压力的压力机构完全可用于自下到上的压印方式，而这只需将装置倒置安装即可。手动加压，也可变为机械电动加压。

在本发明中，为保证模版1与待压印物2、3在压印过程要保持平行且相对运动要严格保证相对垂直上下(或单一方向)可控运动，使用了花键导向杆14与花键导向圆筒13的花键连接，在此基础上，可以通过改变花键的数量来保证导向的精度，或者通过螺栓来调节花键导向杆14与花键导向圆筒13之间的间隙来控制导向精度。

在本发明中，上下真空吸盘17、18，采用真空吸附方式吸附模版和待压印物，同时加热也是间接通过上下真空吸盘17、18。而上下真空吸盘17、18的功能还可在此基础上扩展，例如其可根据需要改变适当的形状，从而可压印不同形状和大小的材料。

应用本发明的纳米级别图形的压印方法和装置进行了试验。本实验通过平面真空吸盘吸附方式提高了模版1和待压印物基片2、光刻胶3的硬度，同时利用吸盘的预压使压印时压力分布均匀。在装卡模版1和待压印物2、3时，用光学传感器对模版1和待压印物待压印物2、3进行对准。最后通过加热使光刻胶2加热到玻璃转变温度(Tg)以上，在其被软化的状态下再予以加压。通过对具有纳米级别的微细凹凸图案的模版1加压把微细图案转印到基片3上的光刻胶2上。具体操作方法如下：

首先将上真空吸盘17与花键导向杆14活动连接、下真空吸盘与台架底座上支撑板10活动连接，即先不拧紧连接螺栓，使上下真空吸盘17、18仍然可上下轻微移动。开始预压时，手动旋转扭力杆9，从而转动压力螺纹杆8，使旋转扭矩变成向下的压力。再通过弹簧挡片11推动花键导向杆14向下运动。最终使上下真空吸盘17、18吸附表面接触，相互压力升至实际压印时的压力范围40～100bar，该压力可通过施加在压力螺纹杆8上的扭矩计算出来。此时由于吸附表面完全接触，上下真空吸盘为高硬度材料且接触面与受力方向垂直，表明此时吸附表面平行且压力分布均匀。然后锁死相关连接机构，拧紧下真空吸盘18周向均布的四个螺栓，将下真空吸盘18与台架锁死，拧紧上真空吸盘17上部圆形套筒周向均布的四个螺栓将上真空吸盘与和其套筒相套的花键导向杆14锁死。最后，转动扭力杆9，压力弹簧12受压回复时推动弹簧档片11向上运动，从而带动上真空吸盘抬起相对下真空吸盘分离一定距离，通常为1～2cm。

将模版1和待压印物光刻胶2、基片3分别装卡在上下两个真空吸盘17、18吸附表面，使上真空吸盘17吸附模版1，下真空吸盘18吸附待压印物光刻胶2、基片3，上真空吸盘17与吸附模版1，下真空吸盘18与印物光刻胶2、基片3分别形成一体。

装卡模版1和待压印物光刻胶2、基片3时，通过光学传感器对模版1和待压印物2、3进行对准。具体方法如下：先用上真空吸盘17吸附固定模版1，再手动或辅助工具移动待压印物1、3，通过光学传感器观察进行对准，其最高水平对准精度在100nm。最后将待压印物吸附固定在下真空吸盘18上。

加热加压时，先将模版1下移至与光刻胶2接触便于传热，但此时两者间压力为零。然后加热装置19用热板加热下真空吸盘18，从而使模版1、光刻胶2、基片3加热迅速，温度控制组件采用电子控温使加热物温度控制在所需范围，精度达到要求1℃。最终将光刻胶PMMA加热至其玻璃转化温度105℃以上在190～200℃，使光刻胶具有良好的流动性。然后开始加压，使模版与待压印物间的压力达到40～100bar之间。通过压力产生机构可使压力恒定，使材料为聚合物PMMA胶的光刻胶2渗透到模版1的纳米尺度的微细结构中。

转印图形结束后，将模版1、光刻胶2、基片3的温度降至80℃。然后逐渐消除压力，使模版1与光刻胶2压力为零。由于压力弹簧12的回复作用，而模版1和基片3分别吸附上下真空吸盘17、18上，在压力弹簧的回复作用下产生较大的拔模力，从而分离模版1、光刻胶2。

将基片3从下真空吸盘18上取出。用扫描电子显微镜(SEM)观察本实施例的光刻胶2的图案，可知大致忠实的再现了模版1上的图案。

在本实验中，模版1为长宽2.5英寸厚度3mm的石英玻璃板，在其表面上镀厚度为140nm金属Cr，在Cr层上用电子束刻蚀所需图案，该图案是高度140nm、最小线宽为200nm的玻璃表面凸起物为Cr的微细图案。基片2的材料选择为厚1mm、直径2英寸的圆形硅片，在其表面上旋涂光刻胶2为PMMA的传统光刻胶，光刻胶2厚度为2μm。

利用本发明的方法，脆性材料在压力不均时破裂情形将大量减少。

采用本发明的纳米级别图形的压印装置能够实现特征尺寸10nm以下的图形转移，可形成微细图案并大量生产，亦可满足研究纳米结构与器件的科研人员的需求。本发明装置制造成本低廉，仅为一台普通电子束光刻机价格的百分之一。本发明可用于制备各种纳米电子器件、光学器件、存储器、纳米流体通道、生物芯片等。

Claims (6)

1、一种纳米级别图形的压印制造方法，其特征在于：采用平面真空吸盘吸附方式将模版[1]和待压印物[2]、[3]分别装卡在上下两个真空吸盘[17]、[18]吸附表面，使压印时上真空吸盘[17]、下真空吸盘[18]分别吸附模版[1]与待压印物[2]、[3]，上真空吸盘[17]与模版[1]，下真空吸盘[18]与待压印物[2]、[3]分别形成一体；压印前，首先加压上下真空吸盘[17]、[18]，使其吸附表面完全接触，此时用上真空吸盘[17]上部与花键导向杆[14]连接的圆形套筒上凹槽周向均布的四个螺栓将其与花键导向杆[14]锁死刚性连接，用下真空吸盘[18]周向均布的四个螺栓将下真空吸盘[18]与台架底座上支撑板[10]锁死刚性连接，使上下吸盘只能作相对上下单一方向运动，然后撤销压力抬起上真空吸盘[17]，在上下真空吸盘吸附表面上装卡待压印模版[1]与待压印物[2]、[3]，此时便可以通过控制温度控制组件进行加热加压开始压印；在装卡模版[1]和待压印物[2]、[3]的时候，可利用光学传感器对模版[1]和待压印物[2]、[3]进行对准，通过先吸附固定模版[1]，再移动待压印物[2]、[3]对准；亦可先吸附固定待压印物[2]、[3]，再移动模版[1]对准。

2、根据权利要求1所述的纳米级别图形的压印制造方法，其特征在于：利用丝杠螺母原理和花键导向原理，通过压力螺纹杆[8]、台架压力导向圆筒[7]、花键导向杆[14]、花键导向圆筒[13]、弹簧档片[11]和压力弹簧[12]的组合控制压印压力和拔模力的大小和方向；上真空吸盘[17]上部的花键导向杆[14]与花键导向圆筒[13]的花键连接，使花键导向杆[14]和上真空吸盘[17]只有单一方向的可控运动；压印时压力螺纹杆[8]旋转扭矩变成向下的压力，推动花键导向杆[14]向下运动，进行压印；脱模时，撤去压力，利用压力弹簧的回复力，产生较大的拔模力使上真空吸盘[17]向上运动。

3、应用权利要求1所述的纳米级别图形的压印制造方法的装置，其特征在于：装置包括压力控制组件、运动保证可控组件、温度控制组件和吸附组件；压力控制组件位于安装在台架支撑板[6]上的台架压力导向圆筒的中上部，运动保证控制组件通过花键导向圆筒[13]安装在台架压力导向圆筒[7]下部，吸附组件位于花键导向杆[14]与台架底座上支撑板[10]之间，上真空吸盘[17]与运动保证可控组件的花键导向杆[14]连接，下真空吸盘[18]与台架底座上支撑板[10]连接，温度控制组件位于台架底座上支撑板[10]与台架底座下支撑板[20]之间，吸附组件的下真空吸盘[18]的下方，其中加热装置[19]上表面与下真空吸盘[18]下表面紧密接触。

4、根据权利要求3所述的纳米级别图形的压印制造方法的装置，其特征在于：压力控制组件包括压力螺纹杆[8]，扭力杆[9]，台架压力导向圆筒[7]，弹簧档片[11]和压力弹簧[12]；压力螺纹杆[8]安装在台架压力导向圆筒[7]的上部，与台架压力导向圆筒[7]采用螺纹连接；扭力杆[9]穿过压力螺纹杆[8]上部的圆孔；压力弹簧[12]套在花键导向杆[14]与台架压力导向圆筒[7]之间、在压力螺纹杆[8]下面的弹簧档片[11]和花键导向圆筒[13]之间；所述的运动保证可控组件包括安装在台架压力导向圆筒[7]下部的花键导向圆筒[13]，与其花键连接的花键导向杆[14]，组成单一方向可控运动机构；吸附组件包括上真空吸盘[17]和下真空吸盘[18]，上真空吸盘[17]上部的圆形套筒与其上方花键导向杆[14]的下部相套，在圆形套筒上周向均布有四个螺栓孔[301]，用四个螺栓将其与花键导向杆[14]下部连接，可根据需要调整安装在花键导向杆[14]下部的方位；温度控制组件包括加热装置[19]，隔热材料[16]和隔热材料[4]，加热装置[19]位于下真空吸盘[18]的正下方，与下真空吸盘[18]表面紧密接触，采用热板加热；隔热材料[4]为金属垫片，放置在下真空吸盘[18]与台架的螺栓之间，使下真空吸盘[18]与台架底座上支撑板[10]隔离；在上真空吸盘[17]与花键导向杆[14]之间放置有隔热材料[16]；吸附组件包括与花键导向杆[14]下部通过螺栓连接的上真空吸盘[17]、与台架底座上支撑板[10]螺栓连接的下真空吸盘[18]。

5、根据权利要求3或4所述的纳米级别图形的压印制造方法的装置，其特征在于；上下真空吸盘[17]、[18]为平面真空吸盘，吸附表面开有用以抽真空的环形凹槽[303]，多个环形凹槽以同心方式分布，纵横方向的凹槽使环形凹槽[303]相连通；上真空吸盘[17]平视如上形，下部为有一定厚度的平板，上部是位于平板中央的圆形套筒；上下真空吸盘[17]、[18]采用不锈钢等高硬度材料，吸附表面有很高的平面度；上下真空吸盘[17]、[18]可根据压印不同形状和大小材料的需要改变适当的形状。

6、根据权利要求3或4所述的纳米级别图形的压印制造方法的装置，其特征在于：压力控制组件通过台架压力导向圆筒[7]将压力螺纹杆[8]旋转扭矩变成向下的压力，推动花键导向杆[14]向下运动；当撤去压力时，装在花键导向杆[14]上的弹簧在弹簧档片[11]的作用下可回复花键导向杆[14]的起始位置。

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