專利名稱：一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種機械裝置，具體涉及一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，用 于制作大幅面微納米結(jié)構(gòu)和器件。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)60年代以來，集成電路的發(fā)展日新月異，單個芯片中集成的 晶體管數(shù)目每18個月翻一番。隨著電路中器件尺寸的不斷變小，傳統(tǒng)的光 學(xué)光刻技術(shù)將接近其物理極限。非光學(xué)光刻技術(shù)，以電子束/離子束光刻和X 射線光刻為代表，其優(yōu)點是分辨率極高、無需掩模，理論上極限分辨率可以 小于一個納米，然而其設(shè)備成本及其昂貴，且不適合在大幅面基底上的加工 微納米結(jié)構(gòu)，因此電子/離子束光刻技術(shù)目前主要應(yīng)用于制作光學(xué)光刻掩模 板以及加工小批量的微納結(jié)構(gòu)器件。
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)，該技術(shù)由Princeton大學(xué)S.Y.Chou教授首先提出。其基本思想是在 髙溫髙壓下，將一具有納米圖案的模版(模仁)以機械力在涂有髙分子材料 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有關(guān)，而不 受光學(xué)光刻最短曝光波長的物理限制，具有髙分辨、髙產(chǎn)出、低成本的優(yōu)勢。 現(xiàn)有的微納米壓印技術(shù)主要有四種熱壓印、紫外壓印、微接觸(步進一閃 光)壓印和激光輔助壓印。其一般工藝流程是在基片上涂覆聚合物層，采 用某種方式(如加熱、紫外輻照等)使聚合物層軟化，將帶有納米圖案的剛性 壓模壓印在基片上，再將溫度降低到聚合物凝固點附近時把壓模和基片分 離，壓模上的圖形就轉(zhuǎn)移到了聚合物層上，最后就可以對基片進行常規(guī)的鍍 膜、刻蝕、剝離等工藝，最終制成納米結(jié)構(gòu)的器件。
現(xiàn)有的步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)包括放置待壓印基板的工作平臺，安裝壓印 模仁的壓印頭及其驅(qū)動裝置，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，所述工作平臺與所述壓印頭具有x軸和y軸方向的相對平移運 動自由度，所述壓印模仁的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置，所述控制裝置提供各運動裝 置的控制信號、固化信號，并實現(xiàn)壓力控制；所述數(shù)控的使壓印模仁繞z軸 旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置通常只是由伺服電 機驅(qū)動運作。
然而，為了制備大幅面微納米結(jié)構(gòu)和器件，需要實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)圖形的 轉(zhuǎn)移，因而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，都會導(dǎo)致圖形轉(zhuǎn)移中發(fā)生畸 變而且，當(dāng)模仁面積增大時，發(fā)生圖形畸變的可能性也隨之變大。因此， 進一步改進步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，以提髙裝置的機械精度要求，具有 現(xiàn)實的積極意義。
發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的是提供一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，以提髙模仁壓入的 平衡、均勻及其與基板表面的垂直性，進而滿足不同壓印深度、多空間取向 的復(fù)雜微納米結(jié)構(gòu)的低成本、大批量制作。
為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是一種步進式微區(qū) 壓印系統(tǒng)，包括放置待壓印基板的工作平臺，安裝壓印模仁的壓印頭及其驅(qū) 動裝置，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 作平臺與所述壓印頭具有x軸和y軸方向的相對平移運動自由度，所述壓印 模仁的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控 的z軸方向的平移運動裝置，所述控制裝置提供各運動裝置的控制信號、固 化信號，并實現(xiàn)壓力控制；所述數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝 置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置的結(jié)構(gòu)為壓印頭連接板上設(shè)有伺服電 機，伺服電機驅(qū)動連接板沿z軸方向上下運動，構(gòu)成所述平移運動裝置；伺 服電機控制主同步帶輪，并通過主同步帶輪同步帶動從同步帶輪轉(zhuǎn)動，壓印 頭通過隔熱板與從同步帶輪連接，構(gòu)成所述旋轉(zhuǎn)運動裝置；壓印頭的底部設(shè) 有壓印模仁，所述壓印頭上還設(shè)有自調(diào)平機構(gòu)，所述自調(diào)平機構(gòu)通過第一減 壓閥和第二減壓閥分別控制平移運動裝置導(dǎo)向驅(qū)動器的上、下氣缸的氣體壓 力；所述壓印頭上還設(shè)有加熱器和溫度傳感器。一減壓閥和第二減壓閥分別控制平移運動 裝置導(dǎo)向驅(qū)動器的上、下氣缸的氣體壓力，即下氣缸用于平衡導(dǎo)向驅(qū)動器和 壓印頭的重量，上氣缸的壓力為實際壓印力，從而實現(xiàn)穩(wěn)定的壓印力輸出。
所述所述工作平臺與所述壓印頭具有x軸和y軸方向的相對平移運動自由度， 這可以有下列兩種方法(l)所述工作平臺具有數(shù)控的x軸平移運動裝置和數(shù) 控的y軸平移運動裝置，即壓印頭在x-y平面中相對固定，由工作平臺的運動 實現(xiàn)兩者的相對運動；(2)所述壓印頭具有數(shù)控的x軸平移運動裝置，所述工 作平臺的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的y軸巻對巻輸送方式，通過壓印輪轉(zhuǎn)動將待壓材 料做平移運動，通過工作平臺和壓印頭的運動配合實現(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。
與之相應(yīng)的另一種技術(shù)方案是，所述固化結(jié)構(gòu)為紫外壓印結(jié)構(gòu)，在壓印 頭上方或工作平臺下方設(shè)置有紫外燈。
本實用新型裝置的壓力施加及控制方法為通過第一減壓閥向?qū)蝌?qū)動 器的上氣缸輸出壓力，為實際壓印力，通過第二減壓閥控制導(dǎo)向驅(qū)動器的下 氣缸壓力，用于平衡導(dǎo)向驅(qū)動器和壓印頭的重量每次實行壓印動作時，首 先z方向伺服電機收到控制裝置的信號驅(qū)動壓印頭連接板向下運動，壓印模 仁接觸到壓印材料后，導(dǎo)向驅(qū)動器上氣缸的壓力開始作用于壓印材料，壓力 可選0.1-500N之間，保壓時間(保持最大壓力的時間，0.05-1000秒)由計算 機程序確定，保壓時間結(jié)束后，z方向伺服電機帶動壓印頭連接板向上運動， 壓印模仁脫離壓印材料表面，壓印動作結(jié)束。
本實用新型的工作過程如下壓印模仁安裝于壓印模頭上，確定壓印模 仁與待壓印基板的相對位置，進入第一個壓印工作位；采用熱壓印或紫外壓 印的方法實現(xiàn)一個微區(qū)單元的微納結(jié)構(gòu)圖形壓?。桓淖儔河∧Ｈ逝c待壓印基 板的相對位置，壓印模仁可在x-y工作平面內(nèi)繞z軸旋轉(zhuǎn)，至下一個壓印工 作位；重復(fù)上述步驟，直至完成所有微區(qū)單元的壓印，即實現(xiàn)了所需壓印的 微納結(jié)構(gòu)圖形的制作；在實際操作中，該壓印圖形是由具有特定格式的圖像 文件由計算機生成的。
由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點是1、 本實用新型采用了結(jié)構(gòu)合理的壓印模仁的驅(qū)動裝置，并配合自調(diào)平機構(gòu)，提髙了模仁壓入的平衡、均勻及其與基板表面的垂直性，使整個裝置具有穩(wěn)定的壓力輸出，避免了壓印模仁的損耗，同時具有的自調(diào)平裝置，避免了多次壓印過程中可能導(dǎo)致的壓印不均勻情況的出現(xiàn)。
2、 本實用新型采用了在壓印頭部件的加熱方式，壓敏材料不直接受熱，并且由于加熱器與電機相距較遠，保證裝置可以長時間連續(xù)穩(wěn)定可靠工作；通過壓力控制有效控制壓印深度，可以實現(xiàn)微納米結(jié)構(gòu)的顏色改變，或者通過高低起伏的不同結(jié)構(gòu)為半導(dǎo)體的后期制作進行技術(shù)準(zhǔn)備。
3、 本實用新型的步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)易于在大幅面基板上實現(xiàn)微納結(jié)構(gòu)，紫外照明系統(tǒng)可以實現(xiàn)紫外壓印工藝；如果加裝多個壓印頭，可以實現(xiàn)多個圖案大幅面的快速壓印復(fù)制。


圖1是本實用新型實施例一的結(jié)構(gòu)示意圖2是圖1中壓印頭的結(jié)構(gòu)示意圖3是圖1中壓印頭自調(diào)平機構(gòu)的示意圖4是圖1中Y方向送料方式為滾輪式的結(jié)構(gòu)示意圖5-7是本實用新型實施例一的工作過程示意圖。
其中1、 x軸伺服電機；2、聯(lián)軸器；3、 x軸滾珠絲杠；4、絲杠安裝座；5、第一減壓閥；6、氣壓傳感器；7、壓印頭連接板；8、伺服電機；9、x軸直線導(dǎo)軌；10、龍門支架結(jié)構(gòu)；11、 x軸緩沖塊；12、 x軸直線導(dǎo)軌；13、工作平臺；14、 y軸緩沖塊；15、基座；16、 y軸伺服電機；17、絲杠螺母連接塊；18、控制裝置；19、坦克鏈；20、第二減壓閥；21、聯(lián)軸器；22、z軸直線導(dǎo)軌；23、連接板；24、零位；25、導(dǎo)向驅(qū)動器；26、驅(qū)動器連接板；27、從同步帶輪；28、隔熱板；29、加熱器；30、壓印模仁；31、壓印頭；32、溫度傳感器；33、自調(diào)平機構(gòu)；34、主同步帶輪；35、伺服電機；36、鎖緊彈性套；37、關(guān)節(jié)軸承；38、待壓印基板；39、主動輥；40、從動具體實施方式
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進一步描述實施例一
參見圖1 7所示， 一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，包括放置待壓印基板38的工作平臺13,安裝壓印模仁30的壓印頭31及其驅(qū)動裝置，固化結(jié)構(gòu)及控制裝置；以待壓印基板38所在平面為x-y平面，所述工作平臺13與所述壓印頭31具有x軸和y軸方向的相對平移運動自由度，所述壓印模仁30的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置，所述控制裝置18提供各運動裝置的控制信號、固化信號，并實現(xiàn)壓力控制；基座15可用蠊栓緊固于減震臺上，減震臺固定在地板上，減震臺為該微納米壓印機提供支撐并隔離外界震動；在基座15上安裝有工作平臺13，在伺服電機16驅(qū)動滾珠絲杠(未畫出)經(jīng)由絲杠螺母連接塊17在Y方向(垂直紙面方向)運動，聚氨酯塊14起到緩沖限位作用；龍門支架結(jié)構(gòu)IO上安裝有X方向直線導(dǎo)軌9和12,同時安裝有X方向絲杠安裝座4,滾珠絲杠3安裝于絲桿安裝座4上，其上有絲杠螺母連接塊(未畫出)與壓印頭連接板7連接，由伺服電機1驅(qū)動連接塊和壓印頭連接板7在X方向位移所述數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置的結(jié)構(gòu)為壓印頭連接板7上安裝有伺服電機8，伺服電機8驅(qū)動連接板23沿z軸方向上下運動；伺服電機35可帶動主同步帶輪34轉(zhuǎn)動，并進而通過同步帶(未畫出)帶動從同步帶輪27轉(zhuǎn)動，壓印頭31通過隔熱板28與從同步帶輪27連接，壓印模仁30安裝于壓印頭底部，壓印頭31上安裝有加熱器29和溫度傳感器32，壓印頭上具有自調(diào)平機構(gòu)33，所述自調(diào)平機構(gòu)33通過第一減壓閥5和第二減壓閥20分別控制平移運動裝置導(dǎo)向驅(qū)動器25的上、下氣缸的氣體壓力；所述壓印頭31上還設(shè)有加熱器29和溫度傳感器32。
具有微納米浮雕結(jié)構(gòu)的印章稱為微納米壓印模仁30，可直接在髙硬度材料上制作微納結(jié)構(gòu)，這些材料如鎳、二氧化硅、硅、碳素鋼、碳化硅等，安裝于裝置壓印頭31上；壓印模仁30可實現(xiàn)對0.02mmX0.02mm至5mmX5mm單元內(nèi)的一次性壓印成型；壓印圖形由若干個這樣的單元組成，各
7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，該文件讀入計算機程序后，由計算機程序優(yōu)化壓印路徑，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，通過控制裝置18向各伺服電機和加熱系統(tǒng)輸出信號，其中轉(zhuǎn)角控制伺服電機35通過同步帶輪27和34轉(zhuǎn)動壓印模仁30，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)計裝置中壓印頭31可作-180°~180°旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)精度為0.1°。
本實用新型裝置的壓力施加及控制方法為通過第一減壓閥向?qū)蝌?qū)動器的上氣缸輸出壓力，為實際壓印力，通過第二減壓閥控制導(dǎo)向驅(qū)動器的下氣缸壓力，用于平衡導(dǎo)向驅(qū)動器和壓印頭的重量；每次實行壓印動作時，首先z方向伺服電機收到控制裝置的信號驅(qū)動壓印頭連接板向下運動，壓印模仁接觸到壓印材料后，導(dǎo)向驅(qū)動器上氣缸的壓力開始作用于壓印材料，壓力可選0.1 500N之間，保壓時間(保持最大壓力的時間，0.05-1000秒)由計算機程序確定，保壓時間結(jié)束后，z方向伺服電機帶動壓印頭連接板向上運動，壓印模仁脫離壓印材料表面，壓印動作結(jié)束。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髙分子材料層，也可以整體由髙分子材料構(gòu)成，所述髙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。
圖3是圖1中壓印頭的自調(diào)平機構(gòu)33的實例示意圖，其中，壓印頭31安裝于關(guān)節(jié)軸承37內(nèi)，鎖緊彈性套38將關(guān)節(jié)軸承37外圏固定；當(dāng)執(zhí)行壓印動作時，由于壓印頭31受力，因而可在關(guān)節(jié)軸承37內(nèi)擺動自適應(yīng)調(diào)整與基板的平行度。圖4是圖1中的步進式壓印系統(tǒng)Y軸巻送壓印基材的實例，壓印材料38置于主動輥39和從動輥40之間并壓緊，Y向伺服電機16驅(qū)動主動輥39旋轉(zhuǎn)，由于受到主動輥39和從動輥40之間的摩擦力，壓印材料38在y方向發(fā)生位移從而實現(xiàn)了巻送壓印材料。
圖5~7是本實施例的工作過程示意圖，壓印模仁安裝于壓印頭31上，確定壓印模仁30與待壓印基板38的相對位置，進入第一個壓印工作位，如納結(jié)構(gòu)圖形壓印改變壓印模仁與待壓印基板的相對位置，壓印模仁可在x-y工作平面內(nèi)繞z軸旋轉(zhuǎn)，至下一個壓印工作位，如圖6所示；重復(fù)上述步驟，直至完成所有微區(qū)單元的壓印，即實現(xiàn)了所需壓印的微納結(jié)構(gòu)圖形的制作，如圖7所示；在實際操作中，該壓印圖形是由具有特定格式的圖像文件由計算機生成的。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?；蛘?，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下方設(shè)置有紫外燈。設(shè)置紫外燈時，對應(yīng)的紫外光穿透部分應(yīng)對紫外光透明。
權(quán)利要求1.一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，包括放置待壓印基板(38)的工作平臺(13)，安裝壓印模仁(30)的壓印頭(31)及其驅(qū)動裝置，固化結(jié)構(gòu)及控制裝置；以待壓印基板(38)所在平面為x-y平面，所述工作平臺(13)與所述壓印頭(31)具有x軸和y軸方向的相對平移運動自由度，所述壓印模仁(30)的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置，所述控制裝置(18)提供各運動裝置的控制信號、固化信號，并實現(xiàn)壓力控制；其特征在于，所述數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置的結(jié)構(gòu)為壓印頭連接板(7)上設(shè)有伺服電機(8)，伺服電機(8)驅(qū)動連接板(23)沿z軸方向上下運動，構(gòu)成所述平移運動裝置；伺服電機(35)控制主同步帶輪(34)，并通過主同步帶輪(34)同步帶動從同步帶輪(27)轉(zhuǎn)動，壓印頭(31)通過隔熱板(28)與從同步帶輪(27)連接，構(gòu)成所述旋轉(zhuǎn)運動裝置；壓印頭(31)的底部設(shè)有壓印模仁(30)，所述壓印頭上還設(shè)有自調(diào)平機構(gòu)(33)，所述自調(diào)平機構(gòu)(33)通過第一減壓閥(5)和第二減壓閥(20)分別控制平移運動裝置導(dǎo)向驅(qū)動器(25)的上、下氣缸的氣體壓力；所述壓印頭(31)上還設(shè)有加熱器(29)和溫度傳感器(32)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，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(30)上方的加熱裝置構(gòu)成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，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下方設(shè)置有紫外燈。
專利摘要本實用新型公開了一種步進式微區(qū)壓印系統(tǒng)，包括放置待壓印基板的工作平臺，安裝壓印模仁的壓印頭及其驅(qū)動裝置，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，所述工作平臺與所述壓印頭具有x軸和y軸方向的相對平移運動自由度，所述壓印模仁的驅(qū)動裝置包括數(shù)控的使壓印模仁繞z軸旋轉(zhuǎn)的旋轉(zhuǎn)運動裝置和數(shù)控的z軸方向的平移運動裝置，所述控制裝置提供各運動裝置的控制信號、固化信號，并實現(xiàn)壓力控制。本實用新型采用了結(jié)構(gòu)合理的壓印模仁的驅(qū)動裝置，并配合自調(diào)平機構(gòu)，提高了模仁壓入的平衡、均勻及其與基板表面的垂直性，使整個裝置具有穩(wěn)定的壓力輸出，避免了壓印模仁的損耗。
文檔編號B81C1/00GK201395509SQ200920039610
公開日2010年2月3日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者芳 周, 莊孝磊, 樓益民, 溯 申, 皮利華, 陳林森 申請人:蘇州蘇大維格光電科技股份有限公司;蘇州大學(xué)