CN203773224U - 滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，包括紫外灯光源和能够控制光源光照强度变化的控制电路，紫外灯光源包括抛物面型灯罩、紫外灯管和凸透镜柱，紫外灯管安装在所述灯罩的抛物线焦点上，凸透镜柱安装在抛物面的开口处，凸透镜柱的一个焦点在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱的焦点位于滚筒模具表面和衬底的切线上；紫外灯光源与滚筒模具的芯轴之间，保持位置不变；控制电路包括固定安装于滚筒模具一侧端面芯轴上的感应线圈探头，且滚筒模具端面上均匀且磁极极性交替变化地安装有多个能与感应线圈探头对应的永磁体，感应线圈探头经放大电路和整流电路与紫外灯管相连形成一闭合回路。
Description
技术领域
本实用新型属于微纳米制造技术，尤其是一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构。
背景技术
目前，在光刻压印技术中，不断需要减小光刻图案中的特征尺寸，以便提高在给定衬底区域内特征的密度，由于对更高几何特征密度要求的不断增长已经促进了浸没光刻和极紫外光刻技术的发展。但是它们的价格都相当昂贵。
光刻压印是能够廉价获得更小几何特征的一种重要途径，它通常涉及将压印模板上的几何图案转印到衬底上。该技术的优点是特征的分辨率不受辐射源的发射波长或投影系统的孔径大小限制，其分辨率主要受限于压印模板上的特征图案的密度。
平面对平面式和滚对平面式光刻压印是实现微纳米几何图案转移的两种技术，而滚对平面技术能大大提高光刻压印的效率，它通常将紫外光线可固化的压印液体介质（例如紫外线可固化的光致抗蚀剂）平铺在滚压印衬底上，然后将带有特征图案表面的辊压印模具滚过带有可压印液体介质的衬底，使得模具的图案化表面与液体介质依次接触，再把辊压印模具表面上的结构特征留在衬底上，之后再经过紫外光的照射，被压印介质就会发生固化，最后可得到自支撑的图案层。对于紫外光源的要求是：当辊压印模具滚过衬底时，紫外光源要能固化辊压印模具正在滚过的带有特征图案的压印液体介质，并且不能影响还未图形化的工作介质。目前的紫外光源由于设计结构不同，难以实现上述要求。
实用新型内容
本实用新型的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，该光源能将紫外光聚焦在光刻压印的透明模具表面上，提高光源的利用效率；还能根据光刻压印机的工作速度，自动调整光源的光强，具有成型精度高，成型特征稳定。
为实现上述目的，本实用新型采用下述技术方案：
一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，包括紫外灯光源和能够控制所述光源光照强度变化的控制电路，所述紫外灯光源包括抛物面型灯罩、紫外灯管和凸透镜柱，所述紫外灯管安装在所述灯罩的抛物线焦点上，经过抛物面型灯罩的反射作用，就会形成一束平行光柱，凸透镜柱安装在抛物面的开口处，平行光柱经过凸透镜柱的折射作用后在其焦点处汇聚成一条直线，凸透镜柱的一个焦点在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱的焦点位于滚筒模具表面和衬底的切线上；所述紫外灯光源与滚筒模具的芯轴之间在辊压印模具绕芯轴旋转时，保持位置不变；
所述控制电路包括固定安装于滚筒模具一端芯轴上的感应线圈探头，且前述滚筒模具端面上均匀且磁极极性交替变化地安装有多个能与感应线圈探头相对的永磁体，感应线圈探头经放大电路和整流电路与紫外灯管相连形成一闭合回路；感应电动势是由随滚筒模具同步转动的永磁体和固定不动的感应线圈探头切割磁力线产生的，当滚对平面光刻压印的滚筒转动时，线圈的闭合回路中就会产生感应电流，此电流的有效值与滚筒模具转速有关，转速越大有效值就越大，反之就越低；这样就能使得紫外灯光源的光照强度随滚筒模具的转速改变而改变，滚筒模具的转速越大光照强度就会越强。
一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，包括紫外灯光源和能够控制所述光源光照强度变化的控制电路，所述紫外灯光源包括抛物面型灯罩、紫外灯管和凸透镜柱，所述凸透镜柱的一个焦点与抛物线型灯罩共焦点，紫外光灯管安装于该共焦点上，经过抛物面型灯罩的反射作用，就会形成一束平行光柱，凸透镜柱安装在抛物面的开口处，平行光柱经过凸透镜柱的折射作用后在凸透镜柱的另一个焦点处汇聚成一条直线，该直线与滚筒模具圆柱表面和衬底平面的切线重合（即凸透镜柱另一个焦点在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱的焦点位于滚筒模具表面和衬底的切线上）；所述紫外灯光源与滚筒模具的芯轴之间在辊压印模具绕芯轴旋转时，保持位置不变；
所述控制电路包括固定安装于滚筒模具一端面的芯轴上的感应线圈探头，且前述滚筒模具端面上均匀安装有多个磁极极性交替变化且能与感应线圈探头对应的永磁体，感应线圈探头经放大电路和整流电路与紫外灯管相连形成一闭合回路；感应电动势是由随滚筒模具同步转动的永磁体和固定不动的感应线圈探头切割磁力线产生的，当滚对平面光刻压印的滚筒转动时，线圈的闭合回路中就会产生感应电流，此电流的有效值与滚筒模具转速有关，转速越大有效值就越大，反之就越低；这样就能使得紫外灯光源的光照强度随滚筒模具的速度改变而改变，滚筒模具的转速越大光照强度就会越强。
所述抛物面型灯罩开口的大小小于2倍滚筒模具内部半径。
所述感应线圈探头中心正对永磁体。
所述线圈探头的端面与永磁体相距1-2mm。
所述放大电路是晶体管放大器，其输入端与感应线圈探头的输出端相连，晶体管放大器与整流电路相接，经整流后的电信号直接输入到紫外灯管中，实现紫外灯光源的光强随滚对平面光刻压印的滚筒模具转速的变化而变化，完成光源的光强随滚压印的速度自动调节功能。
本实用新型中，将紫外灯管放置在抛物线型灯罩焦点的位置上，经过抛物面型灯罩的反射作用，就会形成一束平行光柱。在抛物面型灯罩的出口处加装凸透镜柱，这样平行光柱经过凸透镜柱的折射作用后就会在其焦点处汇聚成一条直线。汇聚成直线的光能依次扫过带有辊压印模具图案特征的工作液体，使其固化，同时非加工区的工作液体不会受到任何影响。此种灯的设计不仅能满足滚对平面光刻压印中光源的要求，由于紫外光经过反射和凸透镜柱折射交汇使得紫外光源的光能利用率大大提高。
将紫外光灯管同时放在抛物面型灯罩和凸透镜柱的一个焦点上，而凸透镜柱的另一个焦点应在滚对平面式光刻压印的工作界面（即辊压印模具与工作介质的压印成型区），其紫外灯光源能量利用率就会更高。精确地讲，实际应用时，还应考虑石英滚筒、粘结层和滚印模具对光的折射作用，对整个光源位置加以微调（这种微调对本领域技术人员来说是公知常识，在此不再赘述），确保光源输出的光线在滚对平面式光刻压印的加工区域上，而且凸透镜柱的一个焦点与抛物线型灯罩要共焦点，这样光源的光能利用效率会更高。
抛物面型灯罩开口的大小D要根据滚筒内径、凸透镜柱和紫外灯管的大小而定（这里确定抛物面型灯罩开口的大小D对本领域技术人员来说是常识，不需要创造性劳动，在此不再赘述），一般D<2R(R是石英滚筒内部半径)，抛物线焦点f的选择要能够使得紫外灯管放在抛物面型灯罩的焦点线上。由开口D、抛物线焦点f和凸透镜柱尺寸以及其焦距长短来确定抛物面型灯罩的具体形状和尺寸（物面型灯罩的具体形状和尺寸的确定对于本领域技术人员来说是常规设计，不需要额外付出创造性劳动，在此不再赘述）。
紫外光线要正好照射在石英滚筒正在滚压印的紫外可固化的液体上，不能照射在还未滚压印的工作介质上，正常情况下经凸透镜柱折射汇聚成的紫外光在衬底上留下的面积越小越好，所以凸透镜柱焦距的长短基本等于凸透镜柱到衬底的距离（同时要考虑到石英滚筒、粘结层和滚印模具对光的折射作用，这些因素的考虑是对本领域技术人员来说是常规技术，在此不再赘述），这样使得紫外光经过凸透镜柱折射在焦点处形成的直线正好落在衬底平面上。这样能够保证在滚压印的第一时间紫外光能第一时间照射在要固化的液体介质上，当滚筒完成滚压印后就能尽快地形成可自支撑的图案层。
紫外光源放在辊压印模具内，即置于石英滚筒的内部。紫外光线能够透过石英滚筒照射到衬底上，滚印模具材质和粘结层也应该是透光材料，在辊压印模具绕芯轴旋转时，紫外光源位置相对于芯轴轴心线不发生相对运动，这样就能使得石英滚筒在滚压印过程中紫外光源始终能照射到模具正在滚压印的工作介质上，而不影响未滚压印的部分。
在滚压印过程中，紫外光源（包括紫外灯管、抛物面型灯罩、凸透镜柱）相对滚筒中心轴线不发生相对运动，即紫外灯管发出的紫外光经过抛物面型灯罩的反射和凸透镜柱的折射汇聚形成一条直线，该直线恰好并且一直落在石英滚筒模具表面与衬底的切线上。在石英滚筒的两端各加一个轴承，滚筒绕轴承转动，紫外光源与滚筒的轴心相对静止，这样就能保证滚筒在滚动的过程中紫外光源相对石英滚筒中心的位置不发生变化。
为了保证石英滚筒内的紫外灯正常工作，一般情况下，紫外光源的光照强度是一个定值（即电源的电压和电流是恒值），它不能适应加工速度发生变化的滚对平面式光刻压印工艺。本实用新型要求能根据滚筒的转速，调整紫外光源的光照强度，即滚筒的转速越大，光照的时间越短，所需要的光照强度就要越强；滚筒的转速越小，光照的时间就长，所需紫外光源的光照强度越弱。为达到上述目的在辊压印模具外侧的轴承盖上均布一圈磁极极性交替变化的永磁体，再用感应线圈探头正对永磁体并与永磁体的端面相距保持1-2mm。当滚筒模具转动时，永磁体也随之转动，而感应线圈探头是固定在滚筒的芯轴上，这样由于感应线圈探头切割磁力线而在线圈中产生一个感应电动势，此感应电动势会随滚筒的转速变化而变化，如果电路是闭合回路，电路中就会产生随滚筒的转速变化的电流，滚筒的转速越大感应出的有效电流就越大。此感应电流经过放大电路后整流作为紫外灯的电源，这样就能使得紫外光源的光照强度随滚筒的转速改变而改变，滚筒的转速越大光照强度就越强。
当辊压印模具滚过衬底时，它能使得辊压印模具滚过的带有特征图案的液体固化，并且不会影响还未滚过的可固化工作液体，同时该装置还能根据光刻压印机的工作速度，自动调整光源的光强，使滚对平面式光刻压印设备能自动适用不同压印速度的变化。
附图说明
图1滚对平面光刻压印光源光路原理横截面图（带箭头的线表示紫外光线）；
图2滚对平面光刻压印光源光路原理（A-A剖视图）；
图3滚对平面光刻压印光源光强控制原理图(K向视图)；
图4紫外灯光强控制电路原理图；
其中，1、滚压印模具；101、凸形图案特征；102、凹形图案特征；2、粘结层；3、石英滚筒；4、紫外灯光源；401、抛物面型灯罩；402、紫外光灯管；403、凸透镜柱；5、感应线圈探头；6、芯轴；7、轴承；8、永磁体；9、放大电路；10、整流电路。
具体实施方式
下面结合图1到图4和实施例对本实用新型从五个方面作进一步说明。
滚对平面式光刻压印的实施过程：在滚对平面光刻压印中，通常将紫外光线可固化的光刻压印工作介质放在压印衬底上，然后将具有图案特征的滚压印模具1放在该衬底上，模具是通过粘结层2固定在石英滚筒3上，当辊压印模具滚过可压印液体工作介质的时候，可压印的液体工作介质就会充满辊压印模具的凸、凹形图案特征101、102中，如图1中所示，紫外灯光源4（由抛物面型灯罩401、紫外灯管402、凸透镜柱403组成）发出的紫外光经石英滚筒3、粘结层2和滚压印模具1后照射在具有图案特征的衬底上，使紫外线可固化的液体工作介质发生固化，形成具有可自支撑的特征图案层。辊压印模具1、紫外灯光源4的结构及光源在辊压印模具1内的安装位置如图1、图2所示。
紫外光源的实施过程：图1中一种能够将紫外灯管发出的光汇聚成一条直线的紫外光源4，它是由抛物面型灯罩401、紫外灯管402、凸透镜柱403组成。将紫外灯管402放置在抛物线型灯罩401的焦点f位置上，经过抛物面型灯罩的反射作用，就会形成一束平行光柱。在抛物面型灯罩的出口处加装凸透镜柱403，这样平行光柱经过凸透镜柱的折射作用后就会在其焦点处汇聚成一条直线。汇聚成直线的光能依次扫过带有辊压印模具图案特征的工作液体，使其固化，而未在加工区的液体介质不会受到影响，由于紫外光经过反射和凸透镜柱折射交汇使得紫外光源的能量利用率大大提高。
将紫外光灯管402同时放在抛物面型灯罩401和凸透镜柱403的一个焦点上（即抛物线型灯罩和凸透镜共焦点），而凸透镜柱403的另一个焦点（线）基本应在滚对平面式光刻压印的加工区域上（即辊压印模具与工作介质的压印成型区），其紫外灯光源能量的利用率就会更高。
精确实施时，凸透镜柱403要安装在抛物面的开口处，凸透镜柱403的一个焦点与抛物线型灯罩401要共焦点，另一个焦点要在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱403的焦点线要位于滚筒和衬底的切线上，安装时还应考虑石英滚筒、粘结层和滚印模具对光的折射作用，对整个光源位置加以微调，确保光源输出的光线在滚对平面式光刻压印的加工区域上，而且凸透镜柱的另一个焦点与抛物线型灯罩要共焦点，这样光源的光能量利用率会更高。
在图1的紫外光源结构设计中，抛物面型灯罩开口的大小D要根据滚筒内径、紫外灯管和凸透镜柱及其焦距的大小确定，D<2R(R是石英滚筒内部半径)，抛物线焦点f的选择要能够使得紫外灯管放在抛物面型灯罩的焦线上。由开口D、抛物线焦点f和凸透镜柱尺寸以及其焦距长短来确定抛物面型灯罩的具体形状和尺寸，紫外光线要照射在石英滚筒正在滚压印的工作区域上。一般说来经凸透镜柱折射汇聚成的紫外光投在衬底上的面积越小越好，理想情况下是一条直线。凸透镜柱焦距的长短等于凸透镜柱到衬底的距离（实施中通过考虑石英滚筒、粘结层和滚印模具对光的折射作用，要适当加以微调），这样使得紫外光线经过凸透镜柱折射在焦点处形成的直线正好落在衬底平面上。即能够保证在滚压的第一时间紫外光能第一时间照射在液体工作介质上，当滚筒完成滚压印后能尽快地形成可自支撑的图案层。具有成型精度高、成型特征稳定、可靠等优点。
紫外光源的安装位置：紫外光源放在辊压印模具内，置于石英滚筒的内部。紫外光线能够透过石英滚筒3、粘结层2和滚压印模具1照射到衬底上。当辊压印模具绕芯轴旋转时，紫外光源相对于芯轴线不发生相对运动，这样就能使得石英滚筒在滚压印过程中，紫外光源始终能照射到辊压印模具正在滚压印的工作液体介质处。在滚压印过程中，紫外灯光源位置（包括紫外灯管、抛物面型灯罩、凸透镜柱）相对滚筒芯轴中心不发生变动，即紫外灯管发出的紫外光经过抛物面型灯罩的反射和凸透镜柱的折射后交汇成一条直线，该直线恰好并且一直落在石英滚筒模具表面与衬底的切线上。紫外灯光源4与滚筒的芯轴保持静止，这样能保证滚筒在滚动的过程中紫外光源相对石英滚筒的中心线不发生运动。
可控紫外灯的实施过程：由图2、图3和图4可知，感应线圈探头5是安装在石英滚筒的侧面，固定在芯轴6上，并与芯轴6保持相对静止。当石英滚筒相对于芯轴6通过轴承7发生转动时，安装在石英滚筒一侧的轴承盖上的永磁体8就会和石英滚筒同步转动，由于多个永磁体是均匀并且磁极极性交替变化地安装在石英滚筒侧面的轴承盖上，这样静止的感应线圈探头5就会交替切割永磁体8发出的不同磁极的磁力线，从而产生有效值随石英滚筒转速变化的感应电动势，经过放大电路9和整流电路10后，为紫外灯供电，这样紫外灯发出的灯光强弱就会随滚压印速度的变化而变化。
控制电路的实施过程：紫外光源的光照强度要能根据滚筒的转速发生变化，即滚筒的转速越大，光照的时间越短，所需要的光照强度就越强；滚筒的转速越小，光照的时间长，所需紫外光源的光照强度就越弱。为达到上述目的我们在辊压印模具的外侧均布一圈磁极极性交替变化的永磁体8，再用感应线圈探头5中心正对永磁体，使线圈探头的端面与永磁体相距1-2mm。当滚筒模具转动时，与其相连的永磁体也随之同步转动，这样就会在感应线圈探头5中产生一个交变电压信号ui，此电压会随滚筒的转速变化而变化，滚筒的转速越大电压的有效值就越大。将此信号输入到放大电路9的输入端，经过放大的信号加载到整流电路10的输入端后，其输出端得到输出电压u1，该电压就为紫外灯的电源，这样就能使得紫外光源的光照强度随滚筒的转度改变而改变，滚筒的转度越大光照强度就会越强。图4中Rb为基极偏置电阻，它为放大电路提供静态工作点，Rc为集电极负载电阻，它将三极管放大电路中电流的变化转变为电压的变化从而实现电压的放大输出，C1、C2为耦合电容起到隔直流通交流的作用。当然具体实施时也可以使用其它放大电路。
上述虽然结合附图对本实用新型的具体实施方式进行了描述，但并非对本实用新型保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本实用新型的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本实用新型的保护范围以内。
Claims (6)
1.一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，其特征是，包括紫外灯光源和能够控制所述光源光照强度变化的控制电路，所述紫外灯光源包括抛物面型灯罩、紫外灯管和凸透镜柱，所述紫外灯管安装在所述灯罩的抛物线焦点上，凸透镜柱安装在抛物面的开口处，凸透镜柱的一个焦点在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱的焦点位于滚筒模具表面和衬底的切线上；所述紫外灯光源与滚筒模具的芯轴之间在辊压印模具绕芯轴旋转时，保持位置不变；
所述控制电路包括固定安装于滚筒模具一侧端面芯轴上的感应线圈探头，且前述滚筒模具端面上均匀且磁极极性交替变化地安装有多个能与感应线圈探头对应的永磁体，感应线圈探头经放大电路和整流电路与紫外灯管相连形成一闭合回路。
2.一种滚对平面光刻压印中紫外灯光源结构，其特征是，包括紫外灯光源和能够控制所述光源光照强度变化的控制电路，所述紫外灯光源包括抛物面型灯罩、紫外灯管和凸透镜柱，所述凸透镜柱的一个焦点与抛物线型灯罩共焦点，紫外光灯管安装于该共焦点上，凸透镜柱安装在抛物面的开口处，凸透镜柱另一个焦点在滚对平面式光刻压印的加工区域上，也就是凸透镜柱的焦点位于滚筒模具表面和衬底的切线上；所述紫外灯光源与滚筒模具的芯轴之间在辊压印模具绕芯轴旋转时，保持位置不变；
所述控制电路包括固定安装于滚筒模具一侧端面的芯轴上的感应线圈探头，且前述滚筒模具端面上均匀安装有多个磁极极性交替变化且能与感应线圈探头对应的永磁体，感应线圈探头经放大电路和整流电路与紫外灯管相连形成一闭合回路。
3.如权利要求1或2所述的紫外灯光源结构，其特征是，所述抛物面型灯罩开口的大小小于2倍滚筒模具内部半径。
4.如权利要求1或2所述的紫外灯光源结构，其特征是，所述感应线圈探头中心正对永磁体。
5.如权利要求1或2所述的紫外灯光源结构，其特征是，所述线圈探头的端面与永磁体相距1-2mm。
6.如权利要求1或2所述的紫外灯光源结构，其特征是，所述放大电路是晶体管放大器，其输入端与感应线圈探头的输出端相连，晶体管放大器与整流电路相接，经整流后的电信号直接输入到紫外灯管中。
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