專利名稱：一種精密數(shù)字化微納米壓印的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密加工方法，具體涉及一種利用微納米加工技術(shù)進(jìn)行壓 印的方法，尤其是關(guān)于數(shù)字化精密微區(qū)微納米壓印方法，采用該方法可實(shí)現(xiàn)具 有復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)的光電子器件的快速壓印復(fù)制。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)60年代以來(lái)，集成電路一直按照摩爾定律不斷換代更新，即單 個(gè)芯片中集成的晶體管數(shù)目每18個(gè)月翻一番。隨著電路中器件尺寸的不斷變 小，光學(xué)光刻技術(shù)將接近其物理極限。線寬小于lOOnm的復(fù)雜微光電子結(jié)構(gòu) 的光學(xué)光刻方法雖然已經(jīng)取得進(jìn)展，但這種制造方法成本非常昂貴，每臺(tái)設(shè)備 造價(jià)高達(dá)數(shù)千萬(wàn)至數(shù)億美元。微納米壓印技術(shù)是一種用于大批量重復(fù)制備微納米圖形結(jié)構(gòu)的新興技術(shù)， 首先由美國(guó)普林斯頓大學(xué)納米結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室研究人員提出。它的基本思想是在 高溫、高壓下，將一具有納米圖案的模版(模仁)以機(jī)械力在涂有高分子材料 的基板上等比例壓印復(fù)制納米圖案，其加工分辨率只與模版圖案的尺寸有關(guān)， 而不受光學(xué)光刻最短曝光波長(zhǎng)的物理限制，具有高分辨、高產(chǎn)出、低成本的優(yōu) 勢(shì)。目前微納米壓印技術(shù)主要包括以下幾種1) 熱壓印。首先采用堅(jiān)硬的壓模毛坯加工成壓模，然后在基片上旋涂高 分子聚合物材料，將其放入壓印機(jī)加熱并把壓模壓在基片上的聚合物層上，緊 接著把溫度降低至聚合物凝固點(diǎn)附近并且把壓模和聚合物層相分離，聚合物層 上就留下了與壓?；パa(bǔ)的微納米結(jié)構(gòu)，可以用作進(jìn)一步的圖形轉(zhuǎn)移處理。2) 紫外壓印。紫外壓印的過(guò)程基本與熱壓印相同，只不過(guò)采用可在紫外光照射下固化的聚合物作為壓印層材料，無(wú)需采用加熱的方式，但是要求壓模 材料(或基板材料)對(duì)紫外波段透明。3) 微接觸壓印。微接觸壓印技術(shù)中首先得到壓印模版，模具材料的化學(xué)
前體在模版中固化，聚合成型后從模版中脫離，得到壓印模具。然后將模具浸 入特定的化學(xué)試劑中，最后取出壓在基板上。該方法能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)分子的自組 裝，在生物傳感器領(lǐng)域有著廣泛的用途。
實(shí)現(xiàn)微納米壓印的裝置一般由壓力裝置、運(yùn)動(dòng)保證組件、模版、基板平臺(tái)、 加熱組件(或紫外照明燈)等部分組成。施壓裝置一般采用機(jī)械或者液/氣壓力驅(qū) 動(dòng)；運(yùn)動(dòng)保證組件控制壓印頭與基板保持平行和在壓印過(guò)程的機(jī)械穩(wěn)定性；加 熱組件負(fù)責(zé)給待壓印基板加溫。
總的看來(lái)，微納米壓印技術(shù)相對(duì)其它光電子器件微加工技術(shù)具有以下一些 優(yōu)勢(shì)l)設(shè)備及操作成本低；2)可以較容易地制作某些三維微納結(jié)構(gòu)；3)高分 子材料直接壓印成形，避免了長(zhǎng)時(shí)間或者大面積的刻蝕工藝；4)可以簡(jiǎn)單制作 出高深寬比結(jié)構(gòu)。如果僅從技術(shù)成本上考慮，微納米壓印技術(shù)是未來(lái)最有可能 成功的納米制作技術(shù)，在量子存儲(chǔ)、DNA電泳芯片、GaAs光檢測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng) 二極管、高密度磁結(jié)構(gòu)、GaAs量子元件、微波元件等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià) 值。
然而，由于需要實(shí)現(xiàn)納米結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)移，必須保證模仁壓入的平衡、均 勻及其與基板表面的垂直性，任何壓入的微小不平衡、非均勻、與表面的不垂 直，都會(huì)導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)移中發(fā)生畸變。因而，在制備過(guò)程中，對(duì)機(jī)械精度要求極 高，當(dāng)模仁面積增大時(shí)，發(fā)生圖形畸變的可能性也隨之增大。
現(xiàn)有技術(shù)中，人們?cè)诮鉀Q壓印的平衡、均勻性方面作了很多研究，如中國(guó) 發(fā)明專利CN1624586A公開了 一種真空負(fù)壓納米壓印方法，即試圖通過(guò)改變壓 力提供及傳遞的方式，來(lái)保證壓印過(guò)程中的平衡及均勻性；美國(guó)專利 US6994541公開了一種均衡壓印裝置，也是通過(guò)改善施壓系統(tǒng)性能，來(lái)提高壓 印的質(zhì)量。然而，通過(guò)改善施壓系統(tǒng)的性能，雖然能在一定程度上實(shí)現(xiàn)平衡、 均勻的壓印，但其作用有限，目前能處理的晶片(基板)的尺寸通常為3 8 英寸。實(shí)際的產(chǎn)品，如瑞典Obducat公司的壓印設(shè)備只能壓印10X10mm 203 X203mm尺寸的圖形，不能在更小或者更大幅面上制作微納結(jié)構(gòu)。顯然，制 作大面積的壓印模板，制造成本非常高，且對(duì)壓印設(shè)備提出了很高的要求。
因而，尋求一種能以較低的成本實(shí)現(xiàn)較大幅面的微納米壓印的方法，是本 領(lǐng)域技術(shù)人員所面對(duì)的難題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種微納米壓印的方法，通過(guò)方法的改進(jìn)，降低對(duì)設(shè)備 的要求，以實(shí)現(xiàn)較大幅面的微納米壓印，擴(kuò)展其應(yīng)用范圍，制作各類基于復(fù)雜 微納結(jié)構(gòu)的光電子器件。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的總體構(gòu)思是，通過(guò)對(duì)小面積壓印結(jié)構(gòu)的拼接， 實(shí)現(xiàn)大幅面的微納結(jié)構(gòu)圖形制作，其中，小面積壓印模仁的微納結(jié)構(gòu)空間取向 在工作中可由計(jì)算機(jī)控制予以改變；微結(jié)構(gòu)的壓印深度通過(guò)壓力進(jìn)行控制。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是 一種精密數(shù)字化微納米壓印的方法，包括下列 步驟(1) 將待壓印的微納結(jié)構(gòu)圖形劃分為微區(qū)單元陣列；(2) 根據(jù)微區(qū)單元的大小、形狀和圖案制作壓印模仁；(3) 確定壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，進(jìn)入第一個(gè)壓印工作位；(4) 采用熱壓印或紫外壓印的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)微區(qū)單元的微納結(jié)構(gòu)圖形壓??；(5) 改變壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，至下一個(gè)壓印工作位；(6) 重復(fù)步驟(4)和(5)，直至完成所有微區(qū)單元的壓印，即實(shí)現(xiàn)了所需壓印的 微納結(jié)構(gòu)圖形的制作。上述技術(shù)方案中，所述壓印模仁具有復(fù)雜的微納米結(jié)構(gòu)，可對(duì)微小面積區(qū) 域(即一個(gè)微區(qū)單元)實(shí)現(xiàn)壓印復(fù)制，若干這樣的微小壓印單元在x-y工作平 面內(nèi)構(gòu)成具有一定幅面大小的壓印圖形，即為所需的微納結(jié)構(gòu)圖形；在實(shí)際操作中，該壓印圖形是由具有特定格式的圖像文件由計(jì)算機(jī)生成的。為了實(shí)現(xiàn)更豐富的壓印圖形，壓印模仁可在x-y工作平面內(nèi)繞z軸旋轉(zhuǎn)，以改變壓印模仁 結(jié)構(gòu)的空間取向，旋轉(zhuǎn)角度e由壓印圖形的圖像文件確定。同時(shí)，在壓印過(guò)程 中，可以暫停程序，在更換壓印模仁后從中斷處繼續(xù)運(yùn)行。熱壓印或紫外壓印 方法為現(xiàn)有技術(shù)，即壓印時(shí)對(duì)壓印頭加熱，此后溫度下降使高分子材料固化， 或者通過(guò)紫外光使高分子材料固化，實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)圖形的轉(zhuǎn)移，在此不再展 開說(shuō)明。上文中，所述的壓印模仁結(jié)構(gòu)，既可以是具有微納米結(jié)構(gòu)的光柵，也可以 是具有多種如柱形、圓形、鋸齒形等規(guī)則或者不規(guī)則的形狀。待壓印基板至少
其表面為高分子材料層，也可以整體由高分子材料構(gòu)成，所述高分子材料可以 為聚碳酸酯(PC: Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC: Polyrinyl Chloride)、 聚酯(PET: Polyester)、丙烯酸(PMMA: Polymethyl Methacrylate)或聚 烯(BOPP: Biaxial Oriented Plypropylene)等，可表現(xiàn)為硬板型或薄膜型。
上述技術(shù)方案中，所述步驟(5)中，壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置由下 列運(yùn)動(dòng)自由度限定，以待壓印基板所在平面為x-y平面，兩者間具有x軸和y 軸方向的平移運(yùn)動(dòng)自由度，所述壓印模仁具有繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，通過(guò) x軸和y軸的平移運(yùn)動(dòng)到達(dá)下一壓印點(diǎn)，通過(guò)z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入所需壓印工作 位；所述步驟(4)中，通過(guò)壓印模仁在z軸方向的平移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓印。
所述壓印模仁的繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度為，旋轉(zhuǎn)角度一180° + 180° , 旋轉(zhuǎn)精度為0.1° 。在所述步驟(4)中，每次進(jìn)行壓印時(shí)，根據(jù)待壓制圖形相對(duì) 位置的特征通過(guò)控制壓力實(shí)現(xiàn)壓印深度的控制。
采用上述方法實(shí)現(xiàn)精密數(shù)字化微納米壓印的裝置，包括放置待壓印基板的 工作平臺(tái)，安裝壓印模仁的壓印頭及其驅(qū)動(dòng)裝置，固化結(jié)構(gòu)及控制裝置，以待 壓印基板所在平面為x-y平面，所述工作平臺(tái)與所述壓印頭具有x軸和y軸方 向的相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)自由度，所述壓印模仁的驅(qū)動(dòng)裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞 z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運(yùn)動(dòng)裝置，所述控制裝置提 供各運(yùn)動(dòng)裝置的控制信號(hào)、固化信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)壓力控制。
其中，為了實(shí)現(xiàn)工作平臺(tái)與壓印頭間在x軸和y軸方向的相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)， 通常采用下列兩種方法之一
其一，所述工作平臺(tái)具有數(shù)控的x軸平移運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控的y軸平移運(yùn)動(dòng) 裝置。即壓印頭在x-y平面中相對(duì)固定，由工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)兩者的相對(duì)運(yùn) 動(dòng)；
其二，所述工作平臺(tái)具有數(shù)控的y軸平移運(yùn)動(dòng)裝置，所述壓印頭的驅(qū)動(dòng)裝 置包括數(shù)控的x軸平移運(yùn)動(dòng)裝置。通過(guò)工作平臺(tái)和壓印頭的運(yùn)動(dòng)配合實(shí)現(xiàn)工作 位的改變。
上述技術(shù)方案中，所述固化結(jié)構(gòu)為熱壓印結(jié)構(gòu)，由設(shè)置于壓印模仁上方的 加熱裝置構(gòu)成。所述加熱裝置可以采用高頻電磁加熱裝置或者電熱棒加熱裝 置，均為本領(lǐng)域的常用技術(shù)，在此不再展開表述。
或者，所述固化結(jié)構(gòu)為紫外壓印結(jié)構(gòu)，在壓印頭上方或工作平臺(tái)下方設(shè)置 有紫外燈。設(shè)置紫外燈時(shí)，對(duì)應(yīng)的紫外光穿透部分應(yīng)對(duì)紫外光透明。
上述技術(shù)方案中，樣品(待壓印基板)放置于x-y平面內(nèi)的工作平臺(tái)上， 壓印模仁安裝于一可上下運(yùn)動(dòng)的金屬桿底部，金屬桿由氣/液壓缸活塞驅(qū)動(dòng)。 工作時(shí)，待壓印圖形由計(jì)算機(jī)讀入后，每一個(gè)壓印單元由位置坐標(biāo)(x， y)和模
仁結(jié)構(gòu)空間取向角^確定。有兩種樣品輸送方法(a)工作平臺(tái)可沿x和y方向
運(yùn)動(dòng)，安裝模仁的施壓裝置固定，待工作平臺(tái)運(yùn)行到(x， y)位置后，金屬桿在
電機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)至相應(yīng)的空間取向角^，氣/液壓缸上缸充氣/液，金屬桿向下
運(yùn)動(dòng)，模仁和樣品充分接觸，模仁單元內(nèi)的樣品受到平衡、均勻與表面垂直的 壓力，保壓一定時(shí)間，同時(shí)利用固化結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)固化，完成微納米壓印模仁和樣 品的緊密壓合工藝過(guò)程。(b)工作平臺(tái)上只能沿y方向運(yùn)動(dòng)，安裝模仁的施壓 裝置可在x方向運(yùn)動(dòng)，其余工作原理與(a)方法類似。通過(guò)改變壓印位置，實(shí) 現(xiàn)整個(gè)樣品的壓印。
上文中，所述保壓方法是，當(dāng)模仁與樣品緊密接觸，壓力迅速增大，缸內(nèi) 壓力達(dá)到預(yù)定值時(shí)，開始計(jì)時(shí)保壓，保壓時(shí)間到達(dá)預(yù)定保壓值，模仁與樣品脫 離，完成壓印動(dòng)作。
由于上述技術(shù)方案的運(yùn)用，本發(fā)明作為一種數(shù)字化微納米光電子器件的制 造方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點(diǎn)
1. 本發(fā)明通過(guò)小面積壓印結(jié)構(gòu)的拼接，實(shí)現(xiàn)了大幅面的微納結(jié)構(gòu)圖形制 作，從而解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)模仁面積增大時(shí)，發(fā)生圖形畸變的可能性也隨之 增大的問(wèn)題；
2. 靈活的微納結(jié)構(gòu)壓印工藝壓印模仁可以在計(jì)算機(jī)程序控制下旋轉(zhuǎn)， 因而微納結(jié)構(gòu)空間取向在程序設(shè)定下自由調(diào)節(jié)，每次壓印動(dòng)作都得到獨(dú)立的取 向，壓印模仁也可方便地更換；
3. 壓印工藝便捷可靠由于采用了在壓印頭部件的加熱方式，壓敏材料 不直接受熱，并且由于加熱部位與電機(jī)相距較遠(yuǎn)，保證裝置可以長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)穩(wěn) 定可靠工作；通過(guò)壓力控制有效控制壓印深度，可以實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的顏色改 變，或者通過(guò)高低起伏的不同結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體的后期制作進(jìn)行技術(shù)準(zhǔn)備；
4.易于制造所提出的微納米壓印裝置與方法易于在大幅面基板上實(shí)現(xiàn) 微納結(jié)構(gòu)，紫外照明系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)紫外壓印工藝；如果加裝多個(gè)壓印頭，可以 實(shí)現(xiàn)多個(gè)圖案大幅面的快速壓印復(fù)制。


圖1是本發(fā)明實(shí)施例一的精密數(shù)字化微納米壓印裝置結(jié)構(gòu)示意圖2是實(shí)施例一中實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)壓印的模仁結(jié)構(gòu)示意圖3是實(shí)施例一中實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)壓印的另一種模仁結(jié)構(gòu)示意圖4是本發(fā)明實(shí)施例二的裝置結(jié)構(gòu)示意圖5是實(shí)施例二中實(shí)現(xiàn)的微納米壓印的示意圖6是實(shí)施例二中微納結(jié)構(gòu)偏振特性示意圖7是由具有特定取向的偏振單元組成的陣列結(jié)構(gòu)示意圖8a是實(shí)施例三的工藝步驟示意圖8b是實(shí)施例三的壓印結(jié)構(gòu)示意圖8c是實(shí)施例三中獲得的LED陣列示意圖9是實(shí)施例四中獲得的點(diǎn)陣衍射型光導(dǎo)板示意圖。
其中1、氣缸；2、氣動(dòng)壓力組件；3、 z軸伺服電機(jī)；4、 y軸伺服電機(jī)； 5、 x軸伺服電機(jī)；6、壓印頭；7、加熱裝置；9、待壓印基板；10、計(jì)算機(jī)； 11、導(dǎo)軌。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
實(shí)施例一參見附圖l所示， 一種精密數(shù)字化微納米壓印裝置，包括放置 待壓印基板9的工作平臺(tái)，安裝壓印模仁的壓印頭6及其驅(qū)動(dòng)裝置，加熱固化 結(jié)構(gòu)及控制裝置，以待壓印基板9所在平面為x-y平面，所述工作平臺(tái)為x-y 精密位移工作平臺(tái)，分別由x軸伺服電機(jī)4和y軸伺服電機(jī)5驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)x軸和 y軸方向的平移運(yùn)動(dòng)，所述壓印模仁的驅(qū)動(dòng)裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置和由z軸伺服電機(jī)3驅(qū)動(dòng)的豎直方向平移運(yùn)動(dòng)裝置，所述 控制裝置提供各運(yùn)動(dòng)裝置的控制信號(hào)、固化信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)壓力控制。
用該裝置進(jìn)行微納米壓印的方法包括
(1) 壓印圖形的數(shù)字化生成方法
具有微納米浮雕結(jié)構(gòu)的印章稱為微納米壓印模仁，壓印模仁可實(shí)現(xiàn)對(duì)
0.05mm X 0.05mm至5mm X 5mm單元內(nèi)的一次性壓印成型。壓印圖形由若 干個(gè)這樣的單元組成，各單元之間模仁結(jié)構(gòu)空間取向可以不同。待壓印圖形具 有自定義的文件格式，該文件讀入計(jì)算機(jī)程序后，壓印圖形的各壓印單元的微 納結(jié)構(gòu)空間取向即可確定。
根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)壓印模仁單元微納米結(jié)構(gòu)，最后得到的基板上結(jié)構(gòu)為不 同空間取向的單元結(jié)構(gòu)的組合。實(shí)現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)的方法有紫外光刻、激光直寫、 電子束等；可直接在高硬度材料上制作微納結(jié)構(gòu)，這些材料如碳素鋼、碳化硅 等，也可以在薄金屬鎳板上制作，安裝于裝置壓印頭6上。
(2) 改變不同壓印單元工作位的方法
每個(gè)壓印單元的空間取向函數(shù)由計(jì)算機(jī)控制組件[10]輸入。由計(jì)算機(jī)程序 優(yōu)化安裝基板[9]的精密位移平臺(tái)的壓印路徑，其中壓印單元形狀可以是圓形、 矩形或其它平面幾何形狀，矩形面積在0.05mm X 0.05mm至5mmX5mm之間。 計(jì)算機(jī)根據(jù)讀入的自定義的圖形文件，向轉(zhuǎn)角控制伺服電機(jī)發(fā)出脈沖，由轉(zhuǎn)角 控制伺服電機(jī)通過(guò)皮帶輪或齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)壓印模仁，從而改變不同壓印單元內(nèi)微納
結(jié)構(gòu)的空間取向。設(shè)計(jì)裝置中模仁可作-isoo iso。旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)精度為0.1。。
(3) 壓力施加及控制方法
根據(jù)待壓印材料特性，在計(jì)算機(jī)中設(shè)定保壓時(shí)間、加熱溫度、氣體壓力閥 啟動(dòng)域值。裝置啟動(dòng)后，由計(jì)算機(jī)IO控制自動(dòng)完成所有壓印動(dòng)作。壓力驅(qū)動(dòng) 裝置采用氣缸1 (或液壓缸)，由氣動(dòng)壓力組件2控制，活塞運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)裝有壓 印模仁的金屬桿上下運(yùn)動(dòng)，完成對(duì)樣品的壓印過(guò)程。安裝在氣(液)路上的壓 強(qiáng)傳感器向計(jì)算機(jī)反饋電流/電壓信號(hào)，由計(jì)算機(jī)控制氣(液)體壓力大小及 保壓時(shí)間(保持最大壓力的時(shí)間，0.05秒至1000秒)，從而完成缸體內(nèi)的活塞 上下動(dòng)作。缸外裝備磁性開關(guān)控制活塞運(yùn)動(dòng)行程。氣壓動(dòng)力相對(duì)液壓動(dòng)力，活 塞運(yùn)動(dòng)速度快，可以保證每秒至少一次的壓印頻率，滿足在大幅面基板上的微 納結(jié)構(gòu)制作。對(duì)lmmxlmm的壓印面積，根據(jù)壓印深度的不同，壓力可選在50N 到500N之間。(4) 溫度控制方法熱壓印中須對(duì)模仁加熱，加熱裝置7可采用高頻電磁加熱或者電阻加熱系 統(tǒng)，加熱溫度0 250°C。工作前預(yù)熱后在工作期間可持續(xù)加熱，由計(jì)算機(jī)控 制。(5) 樣品輸送方法樣品置于x-y精密位移工作平臺(tái)上，工作平臺(tái)可在x-y平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，施壓 裝置相對(duì)x-y方向固定不動(dòng)。其中，所述的微納精細(xì)結(jié)構(gòu)可以是含有不同特性的衍射光柵結(jié)構(gòu)(光柵取 向)，也可以是特征尺寸為微納米范圍內(nèi)的其它結(jié)構(gòu)。所述的壓印模仁可以是 在金屬鎳板上形成的微納米結(jié)構(gòu)。所述的壓敏材料是指如PET，PC，PMMA等。圖2為本實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)壓印模仁結(jié)構(gòu)的實(shí)例之一光柵的快速 壓印復(fù)制，模仁材料可以是鎳、二氧化硅、硅、碳素鋼、碳化硅。在熱敏材料 上快速?gòu)?fù)制光柵圖形，每個(gè)單元光柵具有各自的空間取向。圖3為本實(shí)施例中采用的具有立體形狀的模仁結(jié)構(gòu)示意圖，模仁材料可以 是鎳、二氧化硅、硅、碳素鋼、碳化硅。圖示中的倒金字塔結(jié)構(gòu)可用于制作半 導(dǎo)體激光器的中微諧振腔。實(shí)施例二精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其裝置參見附圖4，具體包括下列步驟[ll根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)壓印模仁單元微納米結(jié)構(gòu)，最后得到的基板上結(jié)構(gòu) 為不同空間取向的單元結(jié)構(gòu)的組合。實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)微納結(jié)構(gòu)的方法有紫外光刻、激 光直寫、電子束等。可直接在高硬度材料上制作微納結(jié)構(gòu)，這些材料如碳素鋼、碳化硅等，也可以在薄金屬鎳板上制作，安裝于裝置壓印頭6上。[2]將預(yù)設(shè)基板結(jié)構(gòu)不同微納單元的空間取向函數(shù)輸入計(jì)算機(jī)10。由計(jì)算機(jī)程序控制y方向精密位移平臺(tái)和x方向壓印模仁的移動(dòng)路徑。其中壓印單元形狀可以是圓形、矩形或其它平面幾何形狀。壓印頭尺寸在0.05mmX0.05mm至5mm X 5mm之間。[3根據(jù)待壓印材料特性，在計(jì)算機(jī)中設(shè)定保壓時(shí)間、加熱溫度、氣體壓力閥[7啟動(dòng)域值。裝置啟動(dòng)后，由計(jì)算機(jī)[14自動(dòng)完成所有壓印動(dòng)作。
其中的樣品輸送方法是，樣品置于y方向精密位移工作平臺(tái)上，工作平臺(tái) 在y方向運(yùn)動(dòng)，施壓裝置可沿x方向?qū)к?1運(yùn)動(dòng)，該方法適合制作大幅面的 含有微納米結(jié)構(gòu)的圖形，如附圖7所示。圖5為本實(shí)施例中實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)壓印的實(shí)施實(shí)例之一50nm線寬的光 柵結(jié)構(gòu)。圖6、 7為本實(shí)施例實(shí)現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)壓印的人工雙折射結(jié)構(gòu)。原理圖如圖 6。具有納米量級(jí)尺寸的金屬光柵可以實(shí)現(xiàn)入射p偏振光和s偏振光的分光， 其中與光柵線條平行的s偏振光反射，與光柵線條平行的p偏振光透射。具體 的實(shí)現(xiàn)方式如下首先基板上沉積金屬(如鋁)，再涂覆壓敏材料；其次通過(guò)壓印 裝置實(shí)施方式之一的設(shè)備在熱敏材料上實(shí)現(xiàn)光柵結(jié)構(gòu)；最后可采用反應(yīng)離子刻 蝕等工藝在金屬上實(shí)現(xiàn)光柵結(jié)構(gòu)。人工雙折射結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)在工作波長(zhǎng)上對(duì)比 度大于2000的偏振分光，在液晶顯示等領(lǐng)域有廣泛的用途。圖7所示為設(shè)計(jì) 的具有不同光柵取向的偏振像素陣列。實(shí)施例三參見圖8a—8c，增強(qiáng)發(fā)光二極管垂直透射效率的光子晶體結(jié) 構(gòu)。圖8a為結(jié)構(gòu)制作工藝步驟示意圖；其中各層結(jié)構(gòu)從上至下依次為熱敏膠 [81]/鉻掩膜層Cr82]/p型氮化鎵層(pGaN)[83/量子阱材料(QW active layer)[84]/n型氮化鎵層(nGaN)85/基底[86]，壓印裝置實(shí)施方式之一 的設(shè)備 在熱敏材料上實(shí)現(xiàn)壓印并去底膠。腐蝕Cr掩模[82]后刻蝕pGaN831層，在發(fā) 光區(qū)上得到周期性光子晶體結(jié)構(gòu)。圖8b為壓印結(jié)構(gòu)示意圖。圖8c為具有該光 子晶體結(jié)構(gòu)的LED陣列。實(shí)施例四圖9為點(diǎn)陣衍射型光導(dǎo)板示意圖，采用實(shí)施例二的裝置制備。 LED位于光導(dǎo)板角部，光導(dǎo)板四周邊緣鍍有高反射薄膜。導(dǎo)光面有尺寸在數(shù) 十至數(shù)百微米、深度在一百納米左右的點(diǎn)陣，每個(gè)點(diǎn)內(nèi)具有亞微米量級(jí)光柵結(jié) 構(gòu)。通過(guò)改變光柵取向，調(diào)制LED發(fā)出光波的透射效率，實(shí)現(xiàn)均勻?qū)Ч獾男?果。
權(quán)利要求
1.一種精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于，包括下列步驟(1)將待壓印的微納結(jié)構(gòu)圖形劃分為微區(qū)單元陣列；(2)根據(jù)微區(qū)單元的大小、形狀和圖案制作壓印模仁；(3)確定壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，進(jìn)入第一個(gè)壓印工作位；(4)采用熱壓印或紫外壓印的方法實(shí)現(xiàn)一個(gè)微區(qū)單元的微納結(jié)構(gòu)圖形壓??；(5)改變壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，至下一個(gè)壓印工作位；(6)重復(fù)步驟(4)和(5)，直至完成所有微區(qū)單元的壓印，即實(shí)現(xiàn)了所需壓印的微納結(jié)構(gòu)圖形的制作。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于 所述步驟(5)中，壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置由下列運(yùn)動(dòng)自由度限定，以 待壓印基板所在平面為x-y平面，兩者間具有x軸和y軸方向的平移運(yùn)動(dòng)自由 度，所述壓印模仁具有繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度，通過(guò)x軸和y軸的平移運(yùn)動(dòng) 到達(dá)下一壓印點(diǎn)，通過(guò)z軸旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)進(jìn)入所需壓印工作位；所述步驟(4)中，通 過(guò)壓印模仁在z軸方向的平移運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)壓印。
3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于 所述壓印模仁的繞z軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)自由度為，旋轉(zhuǎn)角度一180° + 180° ，旋 轉(zhuǎn)精度為0.1° 。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于-在所述步驟(4)和步驟(5)之間，更換壓印模仁或改變壓印模仁的空間取向。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于 在所述步驟(4)中，每次進(jìn)行壓印時(shí)，根據(jù)待壓制圖形相對(duì)位置的特征通過(guò)控制 壓力實(shí)現(xiàn)壓印深度的控制。
6. 采用權(quán)利要求1的方法實(shí)現(xiàn)精密數(shù)字化微納米壓印的裝置，包括放置 待壓印基板的工作平臺(tái)，安裝壓印模仁的壓印頭及其驅(qū)動(dòng)裝置，固化結(jié)構(gòu)及控 制裝置，其特征在于以待壓印基板所在平面為x-y平面，所述工作平臺(tái)與所 述壓印頭具有x軸和y軸方向的相對(duì)平移運(yùn)動(dòng)自由度，所述壓印模仁的驅(qū)動(dòng)裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控的z軸方向的平移 運(yùn)動(dòng)裝置，所述控制裝置提供各運(yùn)動(dòng)裝置的控制信號(hào)、固化信號(hào)，并實(shí)現(xiàn)壓力 控制。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述工作平臺(tái)具有數(shù)控的 x軸平移運(yùn)動(dòng)裝置和數(shù)控的y軸平移運(yùn)動(dòng)裝置。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述工作平臺(tái)具有數(shù)控的 y軸平移運(yùn)動(dòng)裝置，所述壓印頭的驅(qū)動(dòng)裝置包括數(shù)控的x軸平移運(yùn)動(dòng)裝置。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述固化結(jié)構(gòu)為熱壓印結(jié) 構(gòu)，由設(shè)置于壓印模仁上方.的加熱裝置構(gòu)成。
10. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于所述固化結(jié)構(gòu)為紫外壓印結(jié)構(gòu)，在壓印頭上方或工作平臺(tái)下方設(shè)置有紫外燈。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種精密數(shù)字化微納米壓印的方法，其特征在于，包括下列步驟(1)將待壓印的微納結(jié)構(gòu)圖形劃分為微區(qū)單元陣列；(2)根據(jù)微區(qū)單元制作壓印模仁；(3)確定壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，進(jìn)入第一個(gè)壓印工作位；(4)進(jìn)行一個(gè)微區(qū)單元的微納結(jié)構(gòu)圖形壓??；(5)改變壓印模仁與待壓印基板的相對(duì)位置，至下一個(gè)壓印工作位；(6)重復(fù)步驟(4)和(5)，至完成所有微區(qū)單元的壓印。其裝置可以通過(guò)工作平臺(tái)與壓印頭間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)上述方法。本發(fā)明通過(guò)小面積壓印結(jié)構(gòu)的拼接，實(shí)現(xiàn)了大幅面的微納結(jié)構(gòu)圖形制作，解決了現(xiàn)有技術(shù)中當(dāng)模仁面積增大時(shí)，發(fā)生圖形畸變的可能性也隨之增大的問(wèn)題；并且擴(kuò)大了微納米壓印的應(yīng)用范圍。
文檔編號(hào)G03F7/00GK101131537SQ20071013238
公開日2008年2月27日 申請(qǐng)日期2007年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月13日
發(fā)明者吳智華, 雷 周, 周小紅, 溯 申, 解正東, 陳林森, 魏國(guó)軍 申請(qǐng)人:蘇州蘇大維格數(shù)碼光學(xué)有限公司;蘇州大學(xué)