大面積微納圖形化的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種高效、低成本批量化制造大面積微納米結(jié)構(gòu)的裝置及方法，尤其涉及一種基于滾輪(輥筒)輔助和軟模具的大面積復(fù)合納米壓印裝置和方法，實現(xiàn)超大尺寸襯底(米級尺度)、非平整襯底或易碎襯底大面積微納米圖形化，屬微納制造技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]高清平板顯示、高效太陽能電池板、抗反射和自清潔玻璃、LED圖形化、晶圓級微納光學(xué)器件等領(lǐng)域為了改進(jìn)和提高產(chǎn)品的性能和品質(zhì)，對于大面積微納圖形化技術(shù)有著非常巨大的產(chǎn)業(yè)需求。這些產(chǎn)品其共同特征是需要在大尺寸非平整剛性襯底上(硬質(zhì)基材或者基板)高效、低成本制造出大面積復(fù)雜三維微納米結(jié)構(gòu)。例如LED行業(yè)納圖形化藍(lán)寶石(NPSS)襯底的典型特征:需要在非平整藍(lán)寶石襯底表面制造出大面積復(fù)雜三維納米結(jié)構(gòu)，圖形的形狀通常為半球形、錐形、金字塔等形狀，圖形的最小特征尺寸在200nm?？狗瓷?減反射)和自清潔玻璃能夠有效地消減玻璃本身的反射，增加了玻璃的透過率(即減少入射光的全頻譜反射，增加透射，提高透明度；降低玻璃表面的鏡面效果，具有防眩功能)，并具有抗污染和自清潔的優(yōu)點(diǎn)。美國麻省理工學(xué)院研制出一種玻璃表面納米結(jié)構(gòu)幾乎可以完全消除反射，玻璃的表面納米結(jié)構(gòu)為高1000納米、基底寬200納米的納米錐陣列?，F(xiàn)有的各種微納米制造技術(shù)(諸如電子束光刻、光學(xué)光刻、激光干涉光刻、全息光刻、自組裝等)無論在技術(shù)層面(非平整襯底大面積微納圖形化、復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造)，還是在圖形化的生產(chǎn)成本、效率、一致性、良率等方面都還難以滿足工業(yè)級規(guī)模化生產(chǎn)的實際要求。
[0003]納米壓印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)作為一種全新的微納米制造技術(shù)，較之現(xiàn)行的投影光刻和下一代光刻技術(shù)，具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機(jī)構(gòu)評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低一個數(shù)量級)和高生產(chǎn)率的特點(diǎn)，而且其最顯著的優(yōu)勢在于大面積、復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造的能力以及非平整襯底的圖形化，尤其是軟紫外納米壓印工藝還具有在非平整(彎曲、翹曲或者臺階)、曲面、易碎襯底上底上實現(xiàn)晶圓級納米壓印的潛能，以及滾壓印工藝所特有的連續(xù)圖形化能力。此外，NIL是基于壓印材料受力變形而實現(xiàn)其圖形化，不涉及各種高能束的使用，對于襯底的損傷較小，這對于許多光電子、量子器件的應(yīng)用非常重要。目前納米壓印的最小特征尺寸已經(jīng)達(dá)到2.4nm。
[0004]盡管納米壓印光刻在大面積微納圖形化方面具有非常突出的優(yōu)勢和潛能，但是現(xiàn)有的各種納米壓印工藝在圖形化面積、壓印成本、效率、一致性等方面還存在著諸多的不足，尤其是對于剛性襯底(硬質(zhì)基材)整片壓印的最大尺寸還局限在8英寸以下，對于大幅面、米級尺度剛性襯底的大面積圖形化還難以實現(xiàn)，已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了大面積納米壓印在新一代大尺寸高清平板顯示、高效太陽能電池板、高性能玻璃幕墻、大尺寸LED圖形化、大尺寸晶圓級微納光學(xué)產(chǎn)品等的廣泛應(yīng)用。
[0005]目前大面積納米壓印主要有三種工藝:(I)整片晶圓壓??；(2)滾對平面壓印(又分為使用滾輪模具和基于平板模具的滾輪施壓)；(3)滾對滾型壓印(Roll-to-Rollimprinting)。目前整片晶圓壓印(亦稱晶圓級壓印)主要策略是結(jié)合氣體輔助施壓和平板型模具實現(xiàn)晶圓級納米壓印，目前最大壓印的面積限定在8英寸以下晶圓，對于更大晶圓尺寸壓印面臨許多挑戰(zhàn)性難以處理的問題(諸如非常大的壓印力、大面積共形接觸、大面積均勻施壓、氣泡消除、大面積脫難等諸多難題。例如8英寸整片晶圓納米壓印如果施加2Bar的壓印力，整片晶圓所要承受的壓印力就達(dá)到628kgf/cm2，氣腔室的壓力將可能超過1400kgf/cm2，而且隨著壓印面積的進(jìn)一步增大，壓印力成幾何倍數(shù)增加。導(dǎo)致軟模具的變形以及壓印工藝的實現(xiàn)等許多問題非常難以處理)，更大尺寸晶圓的整片壓印，尤其是對于米級尺度剛性襯底的圖形化目前還幾乎無法實現(xiàn)。滾對滾型壓印雖然可以實現(xiàn)大面積連續(xù)圖形化，但主要適用于柔性襯底(基材)，對于硬質(zhì)剛性襯底微納圖形化不適合，尤其對于大尺寸非平整剛性襯底幾乎無法實現(xiàn)其圖形化?；跐L輪模具的滾對平面壓印一方面對剛性襯底平整度要求高(難以處理翹曲、非平整襯底壓印)，另一方面滾輪模具制造困難，尤其對于納尺度無縫滾輪型模具的制造，現(xiàn)有的技術(shù)幾乎還無法解決?；谄桨迥＞邼L輪施壓型滾對平面壓印僅僅能實現(xiàn)壓印工步(主要是僅僅利用滾輪施加均勻壓印力)，放置模具和脫模等操作還需要設(shè)置專門的機(jī)構(gòu)，而且脫模效果差，生產(chǎn)效率低，設(shè)備復(fù)雜和成本高。壓印面積目前也還限定在較小的面積，無法實現(xiàn)大尺寸硬質(zhì)基材的大面積微納圖形化。
[0006]因此，現(xiàn)有的各種微納制造工藝和方法還難以滿足大尺寸(8英寸以上)、非平整剛性襯底和易碎襯底大面積圖形化工業(yè)級規(guī)?；a(chǎn)的要求，已經(jīng)嚴(yán)重影響和制約了大面積功能性表面納米結(jié)構(gòu)和納米結(jié)構(gòu)涂層在高性能玻璃、高效太陽能電池板、新一代高清平板顯示、大尺寸LED圖形化等行業(yè)的應(yīng)用和推廣，成為制約這些新技術(shù)推廣和應(yīng)用的瓶頸。因此，迫切需要開發(fā)新的超大面積納米圖形化的裝置和方法，實現(xiàn)米級尺度超大尺寸襯底、非平整襯底、易碎襯底的大面積微納圖形化，解決超大尺寸、非平整剛性襯底、易碎襯底上高效、低成本規(guī)?；圃齑竺娣e微納米結(jié)構(gòu)的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種適用于在超大尺寸、非平整剛性襯底(硬質(zhì)基材或基板)、易碎襯底上高效、低成本規(guī)?；圃齑竺娣e微納米結(jié)構(gòu)的裝置及其方法，實現(xiàn)米級尺度超大尺寸剛性襯底的大面積微納米圖形化。
[0008]本發(fā)明提出一種滾輪(亦稱為滾筒、輥筒或者圓筒)輔助軟(模具)紫外納米壓印新工藝，它結(jié)合了平板型壓印和滾輪型壓印的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)超大尺寸、非平整、易碎襯底高效、低成本大面積微納米圖形化。它的基本原理:壓印過程是利用滾輪側(cè)面徑向設(shè)置進(jìn)氣口負(fù)壓和正壓依次順序轉(zhuǎn)換，并結(jié)合滾輪旋轉(zhuǎn)和襯底工作臺的水平移動，將最初吸附在滾輪上的彈性軟模具逐漸平鋪到涂覆壓印材料的襯底上，同時在旋轉(zhuǎn)滾輪線接觸(順序微接觸施壓)均勻施壓作用下，使用非常小的壓印力就能實現(xiàn)模具與非平整襯底大面積完全共形接觸，均勻施壓，確保大面積壓印圖形的一致性，避免大面積納米壓印需要很大壓印力導(dǎo)致軟模具變形，同時順序微接觸方法易于消除氣泡缺陷、而且還解決了大面積壓印過程中引入顆粒污染物的問題；脫模是利用滾輪側(cè)面徑向設(shè)置進(jìn)氣口負(fù)壓依次順序轉(zhuǎn)換，并結(jié)合滾輪反向旋轉(zhuǎn)(與壓印相對應(yīng))和襯底工作臺的反向水平移動(與壓印過程相對應(yīng))，將軟模具逐漸依次順序吸附在滾輪外表面，實現(xiàn)類似“揭開式”連續(xù)脫模，基于該方法采用非常小的脫模力就能實現(xiàn)大面積連續(xù)揭開式脫模，而且脫模后的軟模具被吸附固定在滾輪表面上，能夠確保獲得均勻一致的脫模力，脫模面積沒有限制，脫模操作簡單，生產(chǎn)效率高，而且還有效避免了大面積脫模導(dǎo)致模具損傷、壓印圖形缺陷多的問題?；谔岢鲂碌膲河『兔撃２呗院头椒ǎ景l(fā)明實現(xiàn)了實現(xiàn)米級尺度超大尺寸襯底、非平整襯底、易碎襯底的大面積微納圖形化，解決了超大尺寸、非平整剛性襯底、易碎襯底上高效、低成本規(guī)?；圃齑竺娣e微納米結(jié)構(gòu)的難題。
[0009]為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
[0010]—種大面積微納圖形化的裝置，它包括:機(jī)架、工作臺、承片臺、襯底、壓印材料、軟模具、滾輪、紫外光光源、壓印機(jī)構(gòu)、真空管路和壓力管路；其中，工作臺固定在機(jī)架上；所述承片臺固定于工作臺的移動臺面上；所述承片臺正上方真空吸附著襯底；所述襯底上均勻涂鋪液態(tài)紫外光固化型壓印材料；軟模具通過真空吸附的方式附著在滾輪外表面；滾輪固定于壓印機(jī)構(gòu)上，且滾輪位于襯底上方；紫外光光源固定于壓印機(jī)構(gòu)上，并置于滾輪完成壓印結(jié)構(gòu)的一側(cè)，且紫外光光源位于襯底正上方；所述真空管路和壓力管路均與承片臺的進(jìn)氣口連通，真空管路和壓力管路均與滾輪的進(jìn)氣口連通。
[0011]所述滾輪的外圓柱面上均勻布設(shè)若干個吸附槽，所述滾輪的側(cè)面上均勻布設(shè)若干個進(jìn)氣孔，所述吸附槽底至滾輪內(nèi)部設(shè)有若干個徑向孔，徑向孔將進(jìn)氣孔和吸附槽相連通；滾輪利用外圓柱面設(shè)置的吸附槽，并通過正壓和負(fù)壓的依次順序轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)軟模具在滾輪表面上的逐漸順序吸附固定和分離。
[0012]所述進(jìn)氣孔的數(shù)量不少于8個。所設(shè)置的進(jìn)氣孔和滾輪外表面的吸附槽數(shù)量越多，壓印和脫模的效果越好。
[0013]優(yōu)選的，所述滾輪的外表面包裹一層彈性材料，如硅橡膠、彈性體聚氨酯、橡膠等，形成軟質(zhì)彈性體滾輪。
[0014]所述驅(qū)動滾輪旋轉(zhuǎn)的電機(jī)包括伺服電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)。
[0015]所述工作臺為一維或二維電動平移臺，通過與滾輪和軟模具的密切配合，實現(xiàn)壓印和脫模工步，以及襯底的更換。電動平移臺可以采用伺服電機(jī)、直線電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動。
[0016]優(yōu)選的，所述工作臺為傳送帶結(jié)構(gòu)，傳送帶結(jié)構(gòu)上放置多片襯底，實現(xiàn)襯底連續(xù)圖形化。所述傳送帶結(jié)構(gòu)的正下方相對應(yīng)滾輪位置處設(shè)有輔助支撐輥輪，可以提高壓印的均勻性。
[0017]所述壓印機(jī)構(gòu)包括驅(qū)動裝置、導(dǎo)向桿和支架，驅(qū)動裝置驅(qū)動支架沿Z軸上下運(yùn)動；所述支架上連接滾輪固定連接架和紫外光光源連接架；所述導(dǎo)向桿置于支架的四個角上，數(shù)量是四個，導(dǎo)向桿與支架的連接采