一种匀强电场辅助纳米压印成型装置及方法

技术领域

本发明涉及纳米压印领域，尤其涉及一种匀强电场辅助纳米压印成型装置及方法。

背景技术

1995年，普林斯顿大学的Stephen Y.Chou（周郁）教授提出了纳米压印光刻技术，其相较于传统的光刻技术、刻蚀技术，纳米压印技术不受光学光刻波长的限制，且其能够实现廉价、快速的制造微纳图案。由于纳米压印技术的应用具有很大的发展前景，故自从其被提出以来就受到了学术界和实业界的格外重视，十几年来纳米压印技术迅速发展，今已成为当下热门研究领域之一。

目前，纳米压印技术已经形成了热压印、紫外压印等两种主要的类型。热压印相对于传统的纳米加工方法，具有方法灵活、成本低廉和生物相容的特点，并且可以得到高分辨率、高深宽比结构。紫外纳米压印相较于传统的加工方法具有能在室温、低压环境下工作等优点。

但以上两种技术都仍存在着一些问题，例如，在压印过程中施加压印力时，很难保证压印模具受到均匀的压印力，以至于模具上的微结构无法更好的转印至基板上。脱模时，当脱模力过大时，会使得压印成形的图案受损，脱模力过小时，存在压印材料的残留，导致纳米微结构图案精度不够，即无法较准确的施加脱模力，在公布号10100986 A的发明专利公布了一种从衬底分离纳米压印模板的方法：使模具和衬底相对于彼此移动，以产生施加到模具和衬底的张力，通过测量施加到模具和衬底的张力，判定施加到模具和衬底的压力大小，以便确定应施加的张力的大小；通过将判定了大小的压力施加到模具和衬底来减小施加到模具或者衬底的张力；然后重复上述步骤，直到模具完全从固化图案层分离，该方法降低了分离缺陷。但该方式仍具有一定的缺陷，一者在进行脱模时，无法保证模具和衬底之间受到均匀的张力、压力，故无法保证图案的完整性，二者其在脱模时始终以固定的脱模角度进行脱模，故无法有效的减少脱模力和脱模角度对脱模效果的影响，将会导致微纳图案的破坏或衬底材料边界的损伤，从而使得图案成形率降低。

综上所述，目前纳米压印主要存在以下问题：

压印时，压印力不均导致模具上的微结构无法更好的转印至基板上;

脱模时，脱模力的大小无法控制从而影响图案的完整性;

脱模时，脱模角度会影响脱模后得到的纳米微结构图案精度与分辨率。

发明内容

本发明是为了解决纳米压印在压印过程中因压印力不均以及在脱模过程中，因脱模力大小无法准确控制，脱模角度的不适，影响压印图案精度及分辨率的问题。我们提供了一种匀强电场辅助纳米压印成型装置及方法。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于：该装置包括机架、X向工作平台、Z向工作平台、固化装置、水平调节装置、压印装置、冷却板、隔热陶瓷垫片、衬底卡盘、模具卡盘、底座架，其中，机架水平放置在水平面上，X向工作平台通过螺钉固定在机架中的上支撑板上，Z向工作平台通过螺钉固定在X向工作平台中的X向位移滑台上，固化装置通过螺钉固定连接在水平装置中的可视玻璃与Z向工作平台中的Z向位移滑块之间，压印装置通过焊接的方式与水平调节装置中的角度调整球相连接，冷却板固连在隔热陶瓷垫片上，隔热陶瓷垫片固连在底座架中的底座架外框上，模具卡盘固连在压印装置中的透明玻璃板上，衬底卡盘固连在压印装置中的加热板上，底座架通过螺钉固定连接在机架中的下支撑板上。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的机架包括，上支撑板、下支撑板、支撑柱一、支撑柱二、支撑柱三、支撑柱四，其中，下支撑板水平放置在水平面上，支撑柱一的一端与下支撑板通过螺钉连接，支撑柱一的另一端与上支撑板通过螺钉连接，支撑柱二的一端与下支撑板通过螺钉连接，支撑柱二的另一端与上支撑板通过螺钉连接，支撑柱三的一端与下支撑板通过螺钉连接，支撑柱三的另一端与上支撑板通过螺钉连接，支撑柱四的一端与下支撑板通过螺钉连接，支撑柱四的另一端与上支撑板通过螺钉连接。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的X向工作平台包括，伺服电机一、滚珠丝杠一、电机编码器一、X向位移滑台、连轴器一，其中，伺服电机一通过螺钉固定在上支撑板上，电机编码器一固连在伺服电机一上，滚珠丝杠一与伺服电机一通过连轴器一进行连接，X向位移滑台卡装在滚珠丝杠一上。该X向工作平台主要用于调节Z向工作平台在X方向上的位移。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的Z向工作平台包括：伺服电机二、电机编码器二、滚珠丝杠二、Z向位移滑块、连轴器二，其中，伺服电机二通过螺钉固定在X向位移滑台的一端，电机编码器二固连在伺服电机二上，滚珠丝杠二与伺服电机二之间通过连轴器二连接，Z向位移滑块安装在滚珠丝杠二上。该Z向工作平台主要用于调节压印装置、固化装置在Z方向上的位移，及使压印装置固化装置运动到工作位置处。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述固化装置包括：紫外灯、紫外灯支撑架，其中，紫外灯通过螺钉固定在紫外灯支撑架上，紫外灯支撑架一端通过螺钉与Z向工作平台中的Z向位移滑块连接，紫外灯支撑架另一端通过螺钉固定在可视玻璃上。该固化装置主要用于紫外纳米压印过程中对衬底上的压印材料进行固化曝光。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的水平调节装置包括：可视玻璃、角度调整球，其中，可视玻璃的一端中心与度调整球以球面副结构的形式进行连接，可视玻璃另一端与Z向工作平台中的Z向位移滑块相互连接。该水平调节装置主要用于保证压印装置的水平度。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的压印装置包括：上电极板、下电极板、透明玻璃板、加热板、升降板，其中，上电极板通过焊接固定在角度调整球上，透明玻璃板通过装卡的方式卡合在上电极板一端，下电极板固连在升降板上，加热板固连在下电极板上，升降板安装在底座架内分别由滚珠丝杠三驱动的滑块一和在导向丝杠杆上滑动的滑块二上。该压印装置用于实现压印模具与聚合物材料之间的压印，以及当进行的压印为热压印时，加热板对压印聚合物材料进行预热，待压印聚合物材料的温度达到压印温度时进行压印，压印结束后，通过在上、下电极板上施加正反两方向的等大方向电压，使之形成正反向的匀强电场力用于脱模。

根据本发明的目的提供一种匀强电场辅助纳米压印成型装置，其特征在于，所述的底座架包括：底座架外框、伺服电机三、电机编码器三、伺服电机固定架、导向丝杠杆固定架、滚珠丝杠三、导向丝杠杆、连轴器三、滑块一、滑块二，其中，底座架外框通过螺钉连接在机架的下支撑板上，伺服电机三固定架通过螺钉连接在机架的下支撑板上，导向丝杠杆固定架通过螺钉连接在机架的下支撑板上，伺服电机三通过电机固定架固定连接在下支撑板上，导向丝杠杆通过导向丝杠杆固定架连接在下支撑板上，电机编码器三与伺服电机三固定连接，滚珠丝杠三与伺服电机之间通过连轴器三进行连接，滑块一与滑块二分别装卡在滚珠丝杠三和导向丝杠杆上。该底座架主要用于支撑冷却装置和压印装置，以及脱模时通过滚珠丝杠三与导向丝杠杆带动升降板位移，从而使得脱模更加顺利。

根据本发明目的提出一种匀强电场辅助纳米压印的方法，其特征在于：该方法包括下列步骤：

（1）将整个装置水平的放置在水平面上，调节X向工作平台与Z向工作平台，使模具卡盘调整至衬底卡盘的正上方，然后在模具卡盘上卡放所需的压印模具，在衬底卡盘上卡放涂有压印光刻胶或者压印聚合物材料的衬底;

（2）通过调节水平调节装置使压印装置达到水平状态，以保证施加压印力之后能实现压印模具与衬底之间能够形成完全接触。具体的使压印装置调节为水平态的方式为：在模具卡盘上卡放压印模具之后，通过调节水平装置中的角度调整球，因其与可视玻璃之间是以球面副的形式相互连接，从而可以使得焊接在角度调整球下方的压印装置在自重下达到水平状态，即实现自重下的水平;

（3）对压印聚合物材料进行预热或者固化曝光处理。具体的处理方式分为热压印下的处理和紫外压印下的处理。具体为：当所需的压印模具的材料和进行压印的聚合物材料用于热压印时，启动加热装置对衬底上的聚合物材料进行预热，后调节Z向位移平台使压印装置向下移动，至靠近衬底正上方所需的工作位置上。当所需的压印模具的材料和进行压印的聚合物材料用于紫外压印时，先调节Z向位移平台使固化装置与压印装置向下移动至所需工作位置上，再打开固化装置中的紫外灯，待压印进行时对聚合物材料进行曝光固化;

（4）启动压印装置，使透明玻璃板带动压印模具向下移动，对衬底上的聚合物进行压印，待模具与衬底上的聚合物完全接触，且在聚合物上压印出微结构时，压印完成。压印装置的具体工作方式为：通过向压印装置中的上、下两块电极板施加电源电压，使上、下两块电极板之间形成匀强电场，从而上、下两电极板之间形成匀强电场力做为压印力对衬底上的材料进行压印。当上、下电极板的面积、距离一定时，通过调节所施加的电源电压的大小，从而得到具体压印时所需要的压印力。在匀强电场力的作用下，装卡在上电极板上的透明玻璃板向下运动，从而使得压印模具与衬底上的压印光刻胶或者压印聚合物材料在匀力的作用下实现完全接触，在聚合物上压印出所需的微结构时，实现均匀力的压印;

（5）待压印结束后，通过向压印装置中的上、下两块电极板不断施加正反两方向上的等大可调电压，使极板之间反复形成正反两方向上的匀强电场力做为脱模力，脱模力的大小可以通过调节电压大小来改变，从而获得具体脱模时需要的脱模力对衬底与模具卡盘进行分离，脱模时通过滚珠丝杠三与导向丝杠杆带动升降板有微小的位移，从而使得脱模过程更加顺利。

本发明具有以下明显优点：

1.在压印过程中，以匀强电场力作为压印力，使得压印模具受到均匀的力可以使模具上的微结构更好的转印至基板上，提高了压印图案成形率;

2.在脱模过程中，以反复的施加正反两方向的可准确调节大小的匀强电场力作为脱模力，保证在脱模过程中图案的完整性;

3.在脱模过程中通过调节水平调节装置，自适应调节得到适宜的脱模角度，提高压印图案精度及分辨率。

附图说明

图1：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的结构示意图；

图2：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的结构示意图；

图3：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的机架的结构示意图；

图4：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的X向工作平台的结构示意图；

图5：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的Z向工作平台的结构示意图；

图6：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的固化装置的结构示意图；

图7：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的水平调节装置、压印装置与模具卡盘之间的连接的结构示意图；

图8：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的水平调节装置、压印装置与模具卡盘之间的连接结构的A-A面剖视图；

图9：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置压印装置、冷却板、隔热陶瓷垫片、衬底卡盘以及底座架之间的连接方式的正等轴测图；

图10：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的压印装置、冷却板、隔热陶瓷垫片、衬底卡盘以及底座架之间的连接方式的正视图；

图11：一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的底座架的内部结构示意图。

附图标记说明

1-机架、2-X向工作平台、3-Z向工作平台、4-固化装置、5-水平调节装置、6-压印装置、7-冷却板、8-隔热陶瓷垫片、9-模具卡盘、10-衬底卡盘、11-底座架、101-上支撑板、102-下支撑板、103-支撑柱一、104-支撑柱二、105-支撑柱三、106-支撑柱四、201-伺服电机一、202-滚珠丝杠一、203-电机编码器一、204-X向位移平台、205-连轴器一、301-伺服电机二、302-电机编码器二、303-滚珠丝杠二、304-Z向位移滑块、305-联轴器二、401-紫外灯、402-紫外灯支撑架、501-可视玻璃、502-角度调整球、601-上电极板、602-下电极板、603-透明玻璃板、604-加热板、605-升降板、1101-底座架外框、1102-伺服电机三、1103-电机编码器三、1104-电机固定架、1105-导向丝杠杆固定架、1106-滚珠丝杠三、1107-导向丝杠杆、1108-连轴器三、1109-滑块一、1110-滑块二。

具体实施方式

结合附图对一种匀强电场辅助纳米压印成型装置的使用进行叙述。

如图1、图2所示，所述的一种匀强电场辅助纳米压印成型装置包括机架1、X向工作平台2、Z向工作平台3、固化装置4、水平调节装置5、压印装置6、冷却板7、隔热陶瓷垫片8、模具卡盘9、衬底卡盘10、底座架11。其中所述的机架1水平放置在水平面上，X向工作平台2通过螺钉固定在机架1中的上支撑板101上，Z向工作平台3通过螺钉固定在X向工作平台2中的X向位移平台204上，固化装置4通过螺钉固定在水平调节装置5中的可视玻璃501与Z向工作平台3中的Z向位移滑块304之间，压印装置6通过焊接的方式与水平调节装置5中的精调装置角度调整球502相连接，冷却板7固连在隔热陶瓷垫片8上，隔热陶瓷垫片8固连在底座架11中的底座架外框1101上，模具卡盘9与衬底卡盘10分别固定连接在压印装置6中的透明玻璃板603与加热板604上，其中模具卡盘9与衬底卡盘10均为透明的卡盘，底座架11通过螺钉固定连接在机架1中的下支撑板102上。

如图3所示，所述的机架1包括上支撑板101、下支撑板102、用于连接上支撑板101、下支撑板102的支撑柱一103、支撑柱二104、支撑柱三105、支撑柱四106，其中下支撑板102水平放置在水平面上，支撑柱一103、支撑柱二104、支撑柱三105、支撑柱四106一端与下支撑板102通过螺钉连接，支撑柱一103、支撑柱二104、支撑柱三105、支撑柱四106另一端通过螺钉与上支撑板101连接，其中的上支撑板101用于支持X向位移调节装置204，支撑柱一103、支撑柱二104、支撑柱三105、支撑柱四106对整个设备具有支撑作用。

如图4所示，所述的X向工作平台2包括：伺服电机一201、滚珠丝杠一202、电机编码器一203、X向位移平台204，连轴器一205其中整个X向工作平台2固连在上支撑板101上，电机编码器一203固连在伺服电机一201上，伺服电机一201固连在上支撑板101上，滚珠丝杠一202与伺服电机一201之间通过连轴器一205连接，并且滚珠丝杠一202由伺服电机一201驱动，X向位移平台204安装于滚珠丝杠一202上，并且由滚珠丝杠一202带动其位移到工作位置处或者休整位置处，其中位移的多少由电机编码器一203内编码决定。该X向工作平台2主要用于调节Z向工作平台3在X方向上的位移。

如图5所示，所述的Z向工作平台3包括：伺服电机二301、电机编码器二302、滚珠丝杠二303、Z向位移滑块304、连轴器二305，其中电机编码器二302固连在伺服电机二301上，伺服电机二301通过螺钉连接在X向位移平台204一端，滚珠丝杠二303与伺服电机二301通过连轴器三305相互连接，并且滚珠丝杠二303由伺服电机二301驱动，Z向位移滑块304安装在滚珠丝杠二302上。并且由滚珠丝杠二302带动其进行Z方向上的位移，其中位移量的多少由电机编码器二302内编码决定。该Z向工作平台3主要用于调节固化装置4、水平调节装置5以及压印装置6在Z方向上的位移。

如图6所示，所述的固化装置4包括：紫外灯401、紫外灯支撑架402，其中紫外灯401与紫外灯支撑架402通过螺钉连接，紫外灯支撑架402一端通过螺钉与Z向位移滑块304连接，紫外灯支撑架402另一端通过螺钉连接在可视玻璃501上.该固化装置4主要用于紫外纳米压印过程中对压印材料或压印聚合物的固化曝光。

如图7、图8所示，所述的水平调节装置5、压印装置6、模具卡盘9包括：可视玻璃501、角度调整球502、上电极板601、透明玻璃板603，其中可视玻璃501一端中心与角度调整球502通过卡合的方式连接，上电极板601一端与角度调节球502固定连接，透明玻璃板603通过套装卡合的方式安卡于上电极板601另一端内部，透明玻璃板603与上电极板601之间的摩擦力刚好能支撑连接在透明玻璃板603上的模具卡盘9的重量和透明玻璃板603本身的重量，该水平调节装置5主要用于调节压印装置6的水平度，以保证压印装置6在进行压印和脱模时受力均匀,模具卡盘9保证了所需使用的压印模具能够稳定的卡在所需压印位置。

如图9、图10所示，所述的压印装置6、冷凝板7、陶瓷隔热垫片8与衬底卡盘10以及底座架11包括：下电极板602、加热板604、升降板605、底座架外框1101，其中衬底卡盘10固连在加热板604上，加热板604固连在下电极板602上，下电极板固定安装在升降板605上，冷凝板7固连在隔热陶瓷垫片8上，隔热陶瓷垫片8连在底座架外框1101上，该图所示的连接结构主要用于热压印过程中对压印完成后的压印材料进行冷却固化，衬底卡盘10保证了衬底能够稳定的固定在工作位置处。

如图11所示，所述的底座架11的内部装置包括：、伺服电机三1102、电机编码器三1103、电机固定架1104、导向丝杠杆固定架1105、滚珠丝杠三1106、导向丝杠杆1107，连轴器三1108、滑块一1109、滑块二1110，其中伺服电机三1103通过电机固定架1104固定连接在机架1的下支撑板202上，导向丝杠杆1107通过导向丝杠杆固定架1105连接在机架1的下支撑板202上，电机编码器三1103与伺服电机三1102固定连接，滚珠丝杠三1106与伺服电机三1102之间通过连轴器三1108相互连接，并且滚珠丝杠三1106由伺服电机三1102驱动，滑块一1109安装在珠丝杠三1106上，滑块二1110安装在导向丝杠1107上，导向丝杠杆1107与滚珠丝杠三1106之间通过安装在滑块一1109和滑块二1110的升降板605连接.该底座架主要是用于支撑压印装置6、冷却板7、隔热陶瓷垫片8、模具卡盘9、衬底卡盘10，其次用于调节脱模时升降板505的位移。

下面结合图1-图11对具体实施方式作进一步说明。

首先接通电源，通过调节X向工作平台2的伺服电机一201，使X向位移平台204带动Z向工作平台3到工作位置处，再通过控制Z向工作平台3的伺服电机二301，使其使得安装在滚珠丝杠二303上的Z向位移滑块304运动，从而带动Z向工作平台3下端的固化装置4、水平调节装置5、压印装置6运动到压印时所需的工作位置处。

然后在模具卡盘9内卡放压印所需要的具有纳米图案的模具，在衬底卡盘10上卡放的衬底上均匀涂铺压印材料或者聚合物材料，等待压印的进行。

然后通过水平调节装置5的角度调节球502，使其下端焊接的压印装置2在自调节下达到水平状态。

待固化装置4、水平调节装置5与压印装置6均通过调节Z向工作平台3移动至压印、固化工作位置，压印装置6在水平调节装置5调节下达到水平后，通过向上电极板601，下电极板602上施加可调电压，使上电极板601与下电极板602之间形成匀强电场力做为压印力，从而使透明玻璃板603在匀强电场力的作用下，推动模具卡盘9带动所需进行压印的复合模具向下运动至衬底卡盘10所装卡的压印材料上，从而实现复合模具与衬底的完全接触，实现压印。

根据需要自行调节固化冷却固化时间或者曝光固化时间，待固化完成后，向上电极板601、下电极板602上反复施加正反两方向上的等大可调电压，使不断的形成正反两方向上的匀强电场力做为脱模力，同时控制着装有加热板603和下电极板602的升降板605的伺服电机三1103，使升降板605带动下电极板602和加热板603有微小的位移，在不断变换方向的匀强电场力作用下，使得复合模具和压印衬底之间反复受到向上和向下的均匀力，使模具与压印材料在此匀力的作用下实现分离，完成脱模。

然后驱动Z向工作平台3带动压印装置6从压印工作位置返回到初始工作位置，卸下压印完成的衬底，放上新的衬底，开始下一轮工作循环。

以上压印的进行可根据压印材料和压印模具所用材料的不同，从而选择使用不同模具与材料所需要的压印方式进行压印。其中，在所需的模具与压印材料所需的压印方式为热压印时，加热板603在压印进行时接通外电源，从而对压印材料进行加热，待压印、加热完成后，通过接通冷却板7的电源，实现对压印材料的冷却固化，从而实现热压印，此时紫外灯602停止工作，处于关闭状态。

当在所需的模具与压印材料所需的压印方式为紫外纳米压印时，加热板203停止加热的工作，固化装置4开始工作，其中紫外灯602开始工作，紫外灯602打开，当压印装置6运动到压印位置处时，打开固化装置4中的紫外灯401，通过可玻璃501透过紫外光照射到压印装置上，从而使得压印进行时，紫外灯602对正在进行压印的材料进行紫外曝光固化，从而实现紫外纳米压印。