大面积微纳图形化的装置和方法 |
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| 申请号 | CN201510654336.4 | 申请日 | 2015-10-10 | 公开(公告)号 | CN105159029A | 公开(公告)日 | 2015-12-16 |
| 申请人 | 兰红波; | 发明人 | 兰馨然; 兰红波; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种大面积微纳图形化的方法和装置，该装置 机架 、 工作台 、承片台、衬底、压印材料、软模具、滚轮、紫外光 光源 、压印机构、 真空 管路、压 力 管路。基于该装置实现大面积微纳图形化的方法：(1)预处理；(2)压印和 固化 ；(3)脱模；(4)后处理。该方法充分结合了平板型纳米压印和滚轮型纳米压印工艺的优势，通过滚轮、软模具、工作台和气路系统的密切配合，完成大面积压印和脱模操作。实现在超大尺寸、非平整刚性衬底(硬质基材或 基板 )、或易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构，解决了米级尺度超大尺寸刚性衬底的大面积微纳米图形化难题。具有结构和工艺简单、效率高、成本低、压印图形 精度 高和 缺陷 率低的特点。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种大面积微纳图形化的装置，其特征是，它包括：机架、工作台、承片台、衬底、压印材料、软模具、滚轮、紫外光光源、压印机构、真空管路和压力管路；其中，工作台固定在机架上；所述承片台固定于工作台的移动台面上；所述承片台正上方真空吸附着衬底；所述衬底上均匀涂铺液态紫外光固化型压印材料；软模具通过真空吸附的方式附着在滚轮外表面；滚轮固定于压印机构上，且滚轮位于衬底上方；紫外光光源固定于压印机构上，并置于滚轮完成压印结构的一侧，且紫外光光源位于衬底正上方；所述真空管路和压力管路均与承片台的进气口连通，真空管路和压力管路均与滚轮的进气口连通； |
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| 说明书全文 | 大面积微纳图形化的装置和方法技术领域[0001] 本发明涉及一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的装置及方法，尤其涉及一种基于滚轮(辊筒)辅助和软模具的大面积复合纳米压印装置和方法，实现超大尺寸衬底(米级尺度)、非平整衬底或易碎衬底大面积微纳米图形化，属微纳制造技术领域。 背景技术[0002] 高清平板显示、高效太阳能电池板、抗反射和自清洁玻璃、LED图形化、晶圆级微纳光学器件等领域为了改进和提高产品的性能和品质，对于大面积微纳图形化技术有着非常巨大的产业需求。这些产品其共同特征是需要在大尺寸非平整刚性衬底上(硬质基材或者基板)高效、低成本制造出大面积复杂三维微纳米结构。例如LED行业纳图形化蓝宝石(NPSS)衬底的典型特征：需要在非平整蓝宝石衬底表面制造出大面积复杂三维纳米结构，图形的形状通常为半球形、锥形、金字塔等形状，图形的最小特征尺寸在200nm。抗反射(减反射)和自清洁玻璃能够有效地消减玻璃本身的反射，增加了玻璃的透过率(即减少入射光的全频谱反射，增加透射，提高透明度；降低玻璃表面的镜面效果，具有防眩功能)，并具有抗污染和自清洁的优点。美国麻省理工学院研制出一种玻璃表面纳米结构几乎可以完全消除反射，玻璃的表面纳米结构为高1000纳米、基底宽200纳米的纳米锥阵列。现有的各种微纳米制造技术(诸如电子束光刻、光学光刻、激光干涉光刻、全息光刻、自组装等)无论在技术层面(非平整衬底大面积微纳图形化、复杂三维微纳结构制造)，还是在图形化的生产成本、效率、一致性、良率等方面都还难以满足工业级规模化生产的实际要求。 [0003] 纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography,NIL)作为一种全新的微纳米制造技术，较之现行的投影光刻和下一代光刻技术，具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平的NIL比传统光学投影光刻至少低一个数量级)和高生产率的特点，而且其最显著的优势在于大面积、复杂三维微纳结构制造的能力以及非平整衬底的图形化，尤其是软紫外纳米压印工艺还具有在非平整(弯曲、翘曲或者台阶)、曲面、易碎衬底上底上实现晶圆级纳米压印的潜能，以及滚压印工艺所特有的连续图形化能力。此外，NIL是基于压印材料受力变形而实现其图形化，不涉及各种高能束的使用，对于衬底的损伤较小，这对于许多光电子、量子器件的应用非常重要。目前纳米压印的最小特征尺寸已经达到2.4nm。 [0004] 尽管纳米压印光刻在大面积微纳图形化方面具有非常突出的优势和潜能，但是现有的各种纳米压印工艺在图形化面积、压印成本、效率、一致性等方面还存在着诸多的不足，尤其是对于刚性衬底(硬质基材)整片压印的最大尺寸还局限在8英寸以下，对于大幅面、米级尺度刚性衬底的大面积图形化还难以实现，已经严重影响和制约了大面积纳米压印在新一代大尺寸高清平板显示、高效太阳能电池板、高性能玻璃幕墙、大尺寸LED图形化、大尺寸晶圆级微纳光学产品等的广泛应用。 [0005] 目前大面积纳米压印主要有三种工艺：(1)整片晶圆压印；(2)滚对平面压印(又分为使用滚轮模具和基于平板模具的滚轮施压)；(3)滚对滚型压印(Roll-to-Roll imprinting)。目前整片晶圆压印(亦称晶圆级压印)主要策略是结合气体辅助施压和平板型模具实现晶圆级纳米压印，目前最大压印的面积限定在8英寸以下晶圆，对于更大晶圆尺寸压印面临许多挑战性难以处理的问题(诸如非常大的压印力、大面积共形接触、大面积均匀施压、气泡消除、大面积脱难等诸多难题。例如8英寸整片晶圆纳米压印如果施2 加2Bar的压印力，整片晶圆所要承受的压印力就达到628kgf/cm，气腔室的压力将可能超 2 过1400kgf/cm，而且随着压印面积的进一步增大，压印力成几何倍数增加。导致软模具的变形以及压印工艺的实现等许多问题非常难以处理)，更大尺寸晶圆的整片压印，尤其是对于米级尺度刚性衬底的图形化目前还几乎无法实现。滚对滚型压印虽然可以实现大面积连续图形化，但主要适用于柔性衬底(基材)，对于硬质刚性衬底微纳图形化不适合，尤其对于大尺寸非平整刚性衬底几乎无法实现其图形化。基于滚轮模具的滚对平面压印一方面对刚性衬底平整度要求高(难以处理翘曲、非平整衬底压印)，另一方面滚轮模具制造困难，尤其对于纳尺度无缝滚轮型模具的制造，现有的技术几乎还无法解决。基于平板模具滚轮施压型滚对平面压印仅仅能实现压印工步(主要是仅仅利用滚轮施加均匀压印力)，放置模具和脱模等操作还需要设置专门的机构，而且脱模效果差，生产效率低，设备复杂和成本高。压印面积目前也还限定在较小的面积，无法实现大尺寸硬质基材的大面积微纳图形化。 [0006] 因此，现有的各种微纳制造工艺和方法还难以满足大尺寸(8英寸以上)、非平整刚性衬底和易碎衬底大面积图形化工业级规模化生产的要求，已经严重影响和制约了大面积功能性表面纳米结构和纳米结构涂层在高性能玻璃、高效太阳能电池板、新一代高清平板显示、大尺寸LED图形化等行业的应用和推广，成为制约这些新技术推广和应用的瓶颈。因此，迫切需要开发新的超大面积纳米图形化的装置和方法，实现米级尺度超大尺寸衬底、非平整衬底、易碎衬底的大面积微纳图形化，解决超大尺寸、非平整刚性衬底、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的难题。 发明内容[0007] 本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于在超大尺寸、非平整刚性衬底(硬质基材或基板)、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的装置及其方法，实现米级尺度超大尺寸刚性衬底的大面积微纳米图形化。 [0008] 本发明提出一种滚轮(亦称为滚筒、辊筒或者圆筒)辅助软(模具)紫外纳米压印新工艺，它结合了平板型压印和滚轮型压印的优势，能够实现超大尺寸、非平整、易碎衬底高效、低成本大面积微纳米图形化。它的基本原理：压印过程是利用滚轮侧面径向设置进气口负压和正压依次顺序转换，并结合滚轮旋转和衬底工作台的水平移动，将最初吸附在滚轮上的弹性软模具逐渐平铺到涂覆压印材料的衬底上，同时在旋转滚轮线接触(顺序微接触施压)均匀施压作用下，使用非常小的压印力就能实现模具与非平整衬底大面积完全共形接触，均匀施压，确保大面积压印图形的一致性，避免大面积纳米压印需要很大压印力导致软模具变形，同时顺序微接触方法易于消除气泡缺陷、而且还解决了大面积压印过程中引入颗粒污染物的问题；脱模是利用滚轮侧面径向设置进气口负压依次顺序转换，并结合滚轮反向旋转(与压印相对应)和衬底工作台的反向水平移动(与压印过程相对应)，将软模具逐渐依次顺序吸附在滚轮外表面，实现类似“揭开式”连续脱模，基于该方法采用非常小的脱模力就能实现大面积连续揭开式脱模，而且脱模后的软模具被吸附固定在滚轮表面上，能够确保获得均匀一致的脱模力，脱模面积没有限制，脱模操作简单，生产效率高，而且还有效避免了大面积脱模导致模具损伤、压印图形缺陷多的问题。基于提出新的压印和脱模策略和方法，本发明实现了实现米级尺度超大尺寸衬底、非平整衬底、易碎衬底的大面积微纳图形化，解决了超大尺寸、非平整刚性衬底、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的难题。 [0009] 为实现上述目的，本发明采用下述技术方案： [0010] 一种大面积微纳图形化的装置，它包括：机架、工作台、承片台、衬底、压印材料、软模具、滚轮、紫外光光源、压印机构、真空管路和压力管路；其中，工作台固定在机架上；所述承片台固定于工作台的移动台面上；所述承片台正上方真空吸附着衬底；所述衬底上均匀涂铺液态紫外光固化型压印材料；软模具通过真空吸附的方式附着在滚轮外表面；滚轮固定于压印机构上，且滚轮位于衬底上方；紫外光光源固定于压印机构上，并置于滚轮完成压印结构的一侧，且紫外光光源位于衬底正上方；所述真空管路和压力管路均与承片台的进气口连通，真空管路和压力管路均与滚轮的进气口连通。 [0011] 所述滚轮的外圆柱面上均匀布设若干个吸附槽，所述滚轮的侧面上均匀布设若干个进气孔，所述吸附槽底至滚轮内部设有若干个径向孔，径向孔将进气孔和吸附槽相连通；滚轮利用外圆柱面设置的吸附槽，并通过正压和负压的依次顺序转换，实现软模具在滚轮表面上的逐渐顺序吸附固定和分离。 [0012] 所述进气孔的数量不少于8个。所设置的进气孔和滚轮外表面的吸附槽数量越多，压印和脱模的效果越好。 [0015] 所述工作台为一维或二维电动平移台，通过与滚轮和软模具的密切配合，实现压印和脱模工步，以及衬底的更换。电动平移台可以采用伺服电机、直线电机或者步进电机驱动。 [0017] 所述压印机构包括驱动装置、导向杆和支架，驱动装置驱动支架沿Z轴上下运动；所述支架上连接滚轮固定连接架和紫外光光源连接架；所述导向杆置于支架的四个角上，数量是四个，导向杆与支架的连接采用直线轴承。通过驱动装置驱动支架带动滚轮沿Z轴向下运动，实现滚轮压力的精确调节，以及从初始工位移动到压印工位。驱动装置为伺服电机(或者电动缸或者步进电机)。 [0019] 优选的，所述滚轮为透明材料制成，此时将所述紫外光光源置于滚轮中心的空腔。在滚轮的压印点直接通过紫外光曝光，对压印材料同时压印和固化。 [0020] 所述承片台上设有真空吸盘，用于真空吸附固定衬底。 [0021] 所述承片台上还设有电加热装置(电加热棒或者电加热片)，用于对压印材料均匀辅助加热。 [0023] 所述软模具为透明薄膜复合软模具，它包括图形层和支撑层，图形层位于支撑层之上，图形层包含所要复制的微纳特征结构；其中图形层具有极低的表面能、高弹性模量和透明的特性，支撑层具有透明、高度柔性和薄膜结构的特性。图形层可以采用h-PDMS、低表面能和高弹性模量氟聚合物基材料、ETFE等；支撑层可以采用PDMS、PET、PC等高弹性和高透明材料。 [0024] 所述图形层的厚度范围是10-50微米，支撑层的厚度范围是100-500微米。所述支撑层进行表面改性处理，或者涂覆一层透明的偶联剂材料。 [0025] 所述压力管路的工作范围是：0-1bar；所述真空管路工作范围是<-0.2bar；所述压印机构向滚轮施加的压印力是50N-500N。 [0026] 一种利用大面积微纳图形化的装置制造大面积微纳结构的方法，它包括如下步骤： [0027] 步骤(1)预处理过程； [0028] 在衬底上均匀涂铺一层液态紫外光固化型压印材料(亦称抗蚀剂，是一种低粘度快速光固化型聚合物材料)，将衬底置于承片台上，并通过真空吸附方式将涂铺压印材料的衬底吸附固定在承片台上；将软模具包裹在滚轮外表面上，用真空管路为滚轮侧面进气孔通入负压，将软模具吸附在滚轮外表面； [0029] 工作台水平移动带动承片台从初始工位移动到压印工位，压印机构带动滚轮和软模具从初始工位移动到压印工位。 [0030] 步骤(2)压印和固化过程； [0031] 步骤(2-1)开启紫外光光源，开启驱动滚轮旋转的电机，使滚轮逆时针旋转，同时吸附在滚轮外表面上的软模具最下端处的进气孔从负压转换成正压，使软模具与滚轮分离，平铺展到衬底压印材料上；同时工作台以与滚轮旋转相同方向水平移动，滚轮线接触施压到已经脱离滚轮的软模具上，开始进行压印操作； [0032] 步骤(2-2)随着滚轮的旋转和工作台的水平移动，从滚轮最下端处的进气孔开始，关闭真空管路，打开压力管路，依次顺序将其他滚轮进气孔由负压转换成正压，将吸附在滚轮外表面上的软模具逐渐与滚轮分离，同时在滚轮线接触均匀施压作用下，实现将整个软模具平铺展到衬底压印，同时确保模具与衬底获得完全共形接触，并在滚轮线接触均匀压印力作用下将液态压压印材料挤压到软模具微纳特征结构型腔中，通过依次逐渐顺序线接触施压压印，完成对整片衬底大面积压印；在铺展软模具和滚轮线接触施压压印软模具的同时，开启的紫外光光源透过透明软模具对压印材料进行紫外曝光和充分完全快速固化； [0033] 步骤(2-3)压印完成后，关闭紫外光光源，关闭滚轮进气孔的气路。 [0034] 步骤(3)脱模过程； [0035] 步骤(3-1)压印机构带动滚轮向上升高50-200微米，使滚轮与平铺的软模具有设定的间隙； [0036] 步骤(3-2)开启驱动滚轮旋转的电机，使滚轮顺时针旋转，同时将靠近滚轮最下端的进气孔通入负压，软模具与压印结构逐渐分离，并被吸附固定在滚轮外表面上，同时随着工作台反向移动，开始进行连续脱模操作； [0037] 步骤(3-3)随着滚轮的旋转和工作台的水平移动，从滚轮最下端处的进气孔开始，打开真空管路，依次顺序将其他滚轮进气孔通入负压，软模具被依次顺序逐渐吸附固定到滚轮的外表面上，实现类似连续“揭开式”脱模； [0038] 步骤(3-4)当整个软模具全部与压印材料脱离，软模具完全被包裹吸附固定在滚轮外表面上后，即完成脱模工步； [0039] 步骤(3-5)随后压印机构带动滚轮和模具快速向上运动，返回到初始工位；工作台从压印工位返回到初始工位，卸下压印完成的衬底，放置新的衬底，开始下一轮工作循环。 [0040] 步骤(4)后处理过程； [0042] 步骤(4-2)进一步结合刻蚀工艺，以压印材料上的图形为掩模，将特征图形转移到衬底上，实现衬底图形化；或者结合Lift-off工艺，将特征图形转移到其它功能材料上，实现功能材料图形化。 [0043] 所述压印过程也可以采用如下步骤： [0044] 首先，压印机构带动滚轮和模具从初始工位移动到压印工位，先将吸附在滚轮上的软模具铺展到衬底上； [0045] 随后，压印机构带动滚轮从压印工位移动到压印工位，利用滚轮旋转和工作台水平移动，在线接触压印下完成压印。 [0046] 所述固化过程也可以采用如下步骤：预固化和完全固化； [0047] 首先按照步骤(2)相同的方式操作，完成预固化；随后，压印机构带动滚轮向上升高50-200微米，使工作台往复运动一次，实现二次完全固化。两步固化虽然降低了生产率，但是可以提高压印图形的精度和质量(软模具的变形对于压印结构的影响能够克服)。 [0048] 本发明的显著特征及有益效果是： [0049] (1)充分结合了平板型纳米压印和滚轮型纳米压印工艺的优势，利用滚轮、软模具、工作台和气路系统的密切配合，协同工作，高效自动完成大面积压印和揭开式脱模，实现对超大尺寸刚性衬底的大面积微纳米图形化。具有结构和工艺简单、生产效率高、成本低、压印图形精度高和缺陷低的特点。 [0050] (2)新型大面积压印方法：将吸附固定在滚轮外表面上的软模具，利用滚轮的旋转、工作台水平移动和滚轮进气孔依次顺序负压和正压转换，实现大面积压印。 [0051] (3)结合复合软模具和滚轮顺序微接触线性均匀施压方式，解决大尺寸、非平整衬底压印过程中模具与衬底大面积完全共形接触、均匀一致施压的问题。 [0052] (4)压印力小：压印过程中滚轮与软模具为线接触，并且采用的是顺序微接触压印方式。因而，所需要施加的压印力非常小。与传统整片晶圆压印施加的压印力相比，所需要的压印力仅是传统气体辅助施压的1/15-50/1。所带来的有益效果是一方面软模具的变形小，提高了压印图形的精度和质量，另一方面，极大简化了设备结构，降低了成本。此外，还能够实现易碎衬底的大面积压印(外延片、玻璃等大面积纳米压印)。 [0053] (5)施加压印力均匀：滚轮与软模具为线接触，并且采用的是顺序微接触压印方式。因而，一方面施加在软模具上的压印力均匀一致。另外，与传统大面积压印所采用通过气体或者流体辅助施压方法相比，该压印方法具有工艺和结构简单、成本低。 [0054] (6)采用渐进式顺序微接触的压印方法，大面积压印过程中陷入的气泡能够被及时排出解决大面积纳米压印气泡消除的难题。 [0055] (7)与现有的基于平板模具的滚轮施压工艺相比，滚轮对软模具的施加是顺序逐渐展开的，因而，滚轮施加在模具上的压印力分布更加均匀，避免出现现有技术产生的模具覆盖深浅的问题，确保大面积纳米压印的均匀性，提高压印图形的良率。 [0056] (8)本发明采用边压印边固化的方法，生产效率高。克服了传统平板型纳米压印工艺先完成压印后，然后才能进行固化的不足。 [0057] (9)本发明采用改进的揭开式脱模方法，即滚轮辅助的揭开式脱模，脱模后的软模具被吸附固定在滚轮外表面上，能够确保获得均匀一致的脱模力，实现大面积连续脱模，减少大面积脱模的缺陷，同时脱模面积不受限制，能够实现超大面积快速连续脱模，极大提高生产率。 [0058] (10)与现有的其他揭开式脱模实现方法相比，本发明基于滚轮揭开式脱模产生的应力最小，能够实现大深宽比微纳米结构的制造。 [0059] (11)本发明具有工艺简单、高效、低成本的显著优势。 [0060] (12)本发明不依赖精密机械施加的平衡、均匀，与表面垂直的压印力，简化了设备结构。通过滚轮顺序线接微触施压方式，实现大面积压印过程中的均匀一致施压。 [0061] (13)生产环境的要求低，对于衬底或者晶圆的不平整度、缺陷、颗粒物不敏感，适应度高。这在实际工业应用中是非常重要的。 [0062] 本发明实现了超大尺寸、非平整衬底、易碎衬底大面积微纳米结构的高效、低成本批量化制造，为大面积微纳米结构的商业化应用提供一种工业级的解决方案。 [0064] 图1是本发明大面积微纳图形化装置结构示意图。 [0065] 图2是本发明大面积微纳图形化三维原理示意图。 [0066] 图3是本发明滚轮结构示意图。 [0067] 图4是本发明软模具结构示意图。 [0068] 图5是本发明大面积微纳图形化工作过程流程图。 [0069] 图6a-图6f是本发明大面积微纳图形化工艺步骤示意图。 [0070] 其中，1机架、2工作台、3承片台、4衬底、5压印材料、6软模具、7滚轮、8紫外光光源、9压印机构、10真空管路、11压力管路、601图形层、60101模具特征结构、602透明的偶联剂材料、603支撑层、701滚轮侧面进气孔、702滚筒外圆表面的吸附槽、703连接进气孔与吸附槽的径向孔、704滚轮基体、705滚轮外表面、70101-70108滚轮侧面依次顺序设置的进气孔。 具体实施方式[0071] 下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 [0072] 图1是本发明大面积微纳图形化纳米压印装置结构示意图，它包括：机架1、工作台2、承片台3、衬底(基材、基底、基板或者晶圆)4、压印材料5、软模具6、滚轮(圆筒、辊轮或者辊筒)7、紫外光光源8、压印机构9、真空管路10、压力管路11；其中，机架1用于连接和固定工作台2、压印机构9、压力管路11、真空管路10等；工作台2置于最下方并固定在机架1上，工作台2为一维或者二维精密电动平移台，通过与滚轮和软模具的密切配合，实现压印和脱模工步，以及衬底的更换，电动平移台可以采用伺服电机、直线电机或者步进电机驱动；承片台3置于工作台2之上，并固定在工作台2的移动台面上；衬底4置于承片台3上，并通过真空吸附方式固定在承片台3上；液态紫外光固化型压印材料5均匀涂铺在衬底4之上；软模具6通过真空吸附方式固定在滚轮7的外表面(初始状态)；滚轮7固定在压印机构9上，并置于涂铺有压印材料5衬底4的上方；紫外光光源8置于滚轮7的侧面(置于压印完成的一侧，本实施例置于滚轮左侧)，衬底4的正上方；压印机构9与滚轮7和紫外光光源8相连接，并固定在机架1上；真空管路10和压力管路11与承片台3的进气口相连(也可以仅连接真空管路10)，真空管路10和压力管路11与滚轮侧面设置的每个进气口相连(本发明实施例滚轮侧面设置8个进气口，图1中仅示意给出一个进气口与真空管路 10和压力管路11相连接。其余进气口均需要与真空管路10和压力管路11相连接)。图 2是本发明大面积微纳图形化三维原理示意图。 [0073] 工作台2也可以采用传送带结构，在其上放置多片衬底4，实现衬底连续图形化。对于此种方式，为了提高压印的均匀性，可以在滚轮相对应位置传送带的正下方设置一个辅助支撑滚轮(背滚轮)。 [0074] 工作台2的水平移动速度、滚轮7的旋转速度、滚轮各个进气口依次顺序正压和负压转换的时间必须保持严格的同步关系。工作台的水平移动方向、滚轮的旋转方向、滚轮各个进气口依次正压和负压转换的顺序保持一致。确保压印过程是将吸附在滚轮外表面上的软模具顺序平铺到衬底的压印材料上(软模具逐渐顺序平展摊铺)，脱模过程是将压印后平铺的软模具与压印结构逐渐分离并依序顺序吸附到滚轮外表面上(揭开式脱模)。 [0075] 图3是本发明滚轮7结构示意图，它包括：滚轮侧面进气孔701、滚筒外圆表面的吸附槽702、连接进气孔与吸附槽的径向孔703、滚轮基体704、滚轮外表面705；其中设置的滚轮侧面进气孔701均匀分布，数量不少于8个(本发明实施例滚轮侧面设置8个进气口，依次为70101、70102、70103、70104、70105、70106、70107、70108)，滚轮侧面进气孔701与相对应的滚筒外圆表面的吸附槽702通过连接进气孔701与吸附槽702的径向孔703相连通，用于将真空管路10负压气体和压力管路11压力管路正压气体输送到滚筒外圆表面的吸附槽702，通过正压和负压的依次顺序转换，实现对软模具6在滚轮7的外圆表面705上的逐渐顺序分离以及包裹吸附固定。所设置的进气孔(滚轮外表面的槽)数量越多，压印和脱模的效果越好。滚轮7的外表面还可以包裹(包覆)一层弹性材料，如硅橡胶、弹性体聚氨酯、橡胶等，形成软质弹性体滚轮(包胶滚轮、胶辊、胶轮)。驱动滚轮旋转的电机包括伺服电机、步进电机等。 [0076] 图4是本发明所述软模具6结构示意图，软模具6为透明薄膜复合软模具，它包括图形层601和支撑层603，其中图形层601具有极低的表面能、高弹性模量和透明的特性，包含所要复制的微纳特征结构(图形)60101，支撑层603具有透明、高度柔性和薄膜结构的特性，其中图形层601位于支撑层603之上。图形层601可以采用h-PDMS、低表面能和高弹性模量氟聚合物基材料、ETFE等；支撑层603可以采用PDMS、PET、PC等高弹性和高透明材料。图形层601的厚度范围是10-50微米，支撑层603厚度范围是100-500微米。所述支撑层 603进行表面改性处理，或者涂覆一层透明的偶联剂材料602。本实施例的软模具6采用透明高弹性的PET薄膜为支撑层603，厚度150微米，透明无色KH-550为偶联剂材料602，透明氟聚合物Teflon AF 1600为图形层(特征结构层)601，厚度15微米。 [0077] 本发明以8英吋(直径约200毫米)GaN基光子晶体LED(LED外延片纳米图形化)的整片晶圆纳米压印为实施例，结合大面积微纳图形化工作过程流程图(图5)和大面积微纳图形化工艺步骤示意图(图6a-图6f)，详细说明大面积微纳图形化的原理和具体工艺步骤。 [0078] 实施例中衬底4、软模具6和图形化过程的一些具体参数设置如下：衬底4为8英吋GaN基外延片，需要在P型半导体层压印出光子晶体结构，其中光子晶体的几何参数是：晶格常数600nm，圆孔的直径200nm，孔的深度是100nm。压印材料使用Micro resist technology公司的mr-XNIL26，在GaN基外延片旋涂的厚度是300nm。 [0079] 如图5-图6所示，具体工艺过程包括： [0080] (1)预处理过程； [0081] 在衬底4上均匀涂铺300nm的液态紫外光固化型压印材料mr-XNIL26，将衬底4置于承片台3上，并通过真空吸附方式固定在承片台3上；真空管路10与滚轮侧面进气孔701相连通，通过滚筒外圆表面的吸附槽702将软模具6吸附包裹在滚轮7的外表面705上(滚轮侧面设置若干进气孔均通入负压)(真空管路为滚轮进气口提供正压，压力管路为滚轮进气口提供负压)； [0082] 工作台2水平移动带动承片台3从初始工位I移动到压印工位II。压印机构9带动滚轮7和软模具6从初始工位I移动到压印工位II。开启紫外光光源8。 [0083] (2)压印和固化过程； [0084] ①开启滚轮7旋转的伺服(或者步进)电机，滚轮7逆时针旋转(假定为正向旋转)，同时吸附在滚轮外表面705上的软模具6靠近最下端处的进气孔70101从负压转换成正压，使软模具6与滚轮7逐渐分离，软模具6平铺展到衬底4压印材料5上；同时工作台2与滚轮7旋转相同方向水平移动，滚轮7线接触均匀施压到已经分离的软模具6上，开始进行压印操作；如图6a所示。 [0085] ②随着滚轮7的旋转和工作台2的水平移动，从滚轮靠近最下端处的进气孔70101开始，依次顺序将负压转换成正压(依次顺序是从70102，70103，70104，70105，70106，70107，到70108)，先后将吸附在滚轮7外表面705上的软模具6依次顺序逐渐与滚轮7分离，同时在滚轮7线接触均匀施压作用下，实现将整个软模具6平铺展到衬底4上的压印材料5上，同时确保软模具6与衬底4获得完全共形接触，并在滚轮7压印力作用下将液态压压印材料5挤压到软模具6的微纳特征结构型腔60101中，通过依次顺序微接触压印，实现对整个衬底4的大面积压印。在铺展软模具6和滚轮7线接触施压软模具6的同时，开启的紫外光光源8透过透明软模具6对压印结构进行紫外曝光和充分完全固化；如图6b和6c所示。 [0086] ③压印完成后，关闭紫外光光源8，关闭滚轮7进气孔701的气路。 [0087] (3)脱模过程； [0088] ①压印机构9带动滚轮7向上升高100微米，使滚轮7与平铺软模具6具有100微米的间隙。 [0089] ②开启滚轮7旋转电机，使滚轮7顺时针旋转(与压印旋转相对应，假定为反向旋转)，同时将靠近滚轮7最下端的进气孔70101通入负压，软模具6与压印结构逐渐分离，软模具6并被吸附固定在滚轮7外表面701上，同时随着工作台2反向移动(与压印过程工作台运动方向相对应)，开始进行脱模操作；如图6d所示。 [0090] ③随着滚轮7的旋转和工作台2的水平移动，从滚轮7最下端处的进气孔70101开始，依次顺序通入负压(依次顺序是从70108，70107，70106，70105，70104，70103，到70102)，软模具6被依次顺序吸附固定到滚轮7的外表面701上，实现类似连续“揭开式”脱模；如图6e和6f所示。 [0091] ④当整个软模具6全部与压印结构分离，软模具6完全被包裹吸附固定在滚轮7外表面701上后，即完成脱模工步。 [0092] ⑤随后压印机构9带动滚轮7和软模具6快速向上移动，返回到初始工位I；工作台2从压印工位II返回到初始工位I，卸下压印完的衬底4，放置新的衬底4，开始下一轮工作循环。 [0093] (4)后处理过程； [0094] ①通过常规的各向异性刻蚀工艺等比例往下刻蚀，去除残留层，在压印材料5上复制出模具的微纳米特征结构60101； [0095] ②后续结合刻蚀工艺(湿法刻蚀或者ICP刻蚀)，以压印图形为掩模，将特征图形转移到GaN基LED衬底24上，实现LED外延片的图形化或者光子晶体LED制造。 [0096] 本实施例所述压印机构9向滚轮施加的压印力是100N，UV灯的功率500W。 [0097] 工作台的水平移动速度、滚轮的旋转速度、滚轮各个进气口顺序依次正负压转换的时间必须保持严格的同步。工作台的移动速度20mm/s，滚轮旋转线速度是20mm/s。 [0098] 压印过程也可以采用如下方法(软模具铺展与压印分成两个独立步骤)： [0099] ①压印机构带动滚轮和模具从初始工位移动到压印工位，先将吸附在滚轮上的软模具铺展到衬底上； [0100] ②随后压印机构带动滚轮从压印工位移动到压印工位，利用滚轮旋转和工作台水平移动，在线接触压印下完成压印。 [0101] 固化过程也可以分成两步：预估化和完全固化。首先按照前面相同的操作完成预固化(一边压印，一边固化)；随后，压印机构带动滚轮向上升高50-200微米，工作台往复运动一次，实现二次完全固化。两步固化虽然降低了生产率，但是可以提高压印图形的精度和质量(软模具的变形对于压印结构的影响能够克服)。 |
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