一种纳米压印平压式自动脱模机构

技术领域

本发明涉及纳米压印脱膜技术领域，尤其涉及一种纳米压印平压式自动脱模机构。

背景技术

纳米压印光刻（NIL）是一种低成本、高通量和高分辨率的复制纳米图案的技术，采用非常简便的方式，即可将纳米级的图案特征从模具转移到目标基体。在过去的二十多年里，该技术成功地突破了实验室规模的生产障碍，逐渐成为一种工业规模生产技术。同时伴随着基于摩尔定律的光刻制造技术遭遇瓶颈，以及光刻技术令人生畏的技术障碍和高昂的成本；NIL技术在低于20纳米的聚合物图案化上展现出非凡的能力，其中热NIL和UV-NIL已被证实可用于低于10nm的分辨率的图案化过程；目前，在半导体行业的国际技术路线图中，NIL技术被视为32nm节点及以上微电子制造的竞争对手，其中，数据存储和光学显示器可能是纳米压印技术取代标准光刻方法的第一个工业应用领域，其他例如传感器、生物芯片和纳米光学制造商也在寻求低成本、高分辨率的功能化图案复制，对NIL技术展现出高度的兴趣。

NIL经过几十年的研究已达到一定的成熟度，可在大于8英寸硅片的衬底上进行压印过程。然而，NIL在工业制造中仍然实施有限，主要由于压印过程中伴随着缺陷的产生和缺陷较难控制的问题。

这对缺陷控制有着非常严格要求的微电子制造业是难以容忍的。NIL工艺采用设计好的模具机械地压入可变形的纳米压印胶中，以产生纳米结构图案。压印胶在压印后保持模板的反向形貌。在NIL的缺陷管理中，由于聚合物粘附在模具表面而产生的缺陷是最难控制的，这仍然是NIL产量的一个主要问题。虽然可以使用硅烷防粘涂层，但对于批量生产中的重复压印过程，缺陷控制仍然不令人满意。在热NIL和UV-NIL两种技术中，微/纳米图案都需要压印胶从完全填充的模板中脱离，在脱模过程中，由于模具和压印胶之间接触界面处的粘附、滑动引起的摩擦以及压印压力引起的应力集中，可能会发生损坏甚至破坏，导致压印缺陷或结构失效。随着对小特征尺寸和高深宽比图案需求的不断增加，脱模的难度随着压印纳米结构深宽比的增加而增加，开发出应对不同NIL工艺的脱模方案尤为十分重要。

目前，许多工作致力于NIL中的脱模过程。通常集中在开发具有更佳性能的抗粘黏材料，应用于硬模板的脱模过程；以及合成含氟化合物的新型模板胶材料，降低模板表面能，从而降低脱模力。另外有研究表明，工作模具用柔性的软模板代替刚性硬模板时，脱模过程可以得到改善，避免母模板和压印胶之间的直接接触，可以延长母模板的寿命，同时可以与不平坦的衬底形成良好的保形接触，进一步降低NIL的成本，因而对软膜的脱模过程控制必不可少。

NIL技术在当前的发展趋势中逐渐形成三种模板，硬质模板、软模板和复合模板。石英、硅等硬质模板刚度较大，由于硬模板表面的微起伏较大，压印过程均匀性较差，且对颗粒等杂质容忍度较低，脱模过程一般为直接驱动模板与基体垂直分离，配合采用模板表面处理工艺进行脱模；PDMS等聚合物类的软模板刚度较低、对基体上的微观形貌贴合性好，压印过程均匀性较好，但由于机械强度较低，在复制低于500nm的图案时，常表现为失真的现象，脱模过程一般通过线接触的逐渐剥离；压印模板通过将石英和PDMS等聚合物结合为一体，石英作为聚合物的硬性支撑，提供变形刚度和支撑，聚合物更好的贴合性，使压印模板可以做到大面积、较高分辨率的复制纳米图案，脱模过程直接驱动压印模板与基体垂直分离。

NIL技术是目前制备微/纳米图案化结构的重要技术手段之一，压印脱模控制是实现无缺陷化NIL的关键之一。现有的压印脱模研究主要以模板的表面处理以及脱模过程控制为主。模板的表面处理不失为一种有效的方法，但其处理过程复杂，对硬模板和软模板不具备通用性，对于大批量压印和多模板翻印的情况，导致效率降低；另外，部分表面处理后的模板，脱模过程依旧具有很大脱模力，表面处理模板的可靠性不稳定。脱模过程控制多采用活塞式或倾斜式的脱模控制，在脱模过程中，需要对活塞或倾斜装置有着精准的控制，但该方式也很难应对大面积压印以及较大脱模力带来的挑战；另外，极易形成的横向脱模力会导致纳米结构的弯曲或坍塌，纳米结构底部的应力集中，从而导致图案底部的缺陷甚至断裂。脱模过程控制由于外部机械力的参与和控制的误差，容易在纳米结构底部产生局部应力集中，从而导致微/纳米图案的失效。

发明内容

本发明目的在于提供一种纳米压印平压式自动脱模机构，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种纳米压印平压式自动脱模机构，包括压印基体承载装置，所述压印基体承载装置顶部移动设有模板安装架，所述模板安装架一侧设有连接板，所述连接板顶部设有用于驱动所述模板安装架沿所述连接板升降的驱动组件，所述模板安装架底部设有压印组件，所述模板安装架侧壁对称设有调节组件。

作为优选，所述压印基体承载装置包括基体运动平台，所述基体运动平台顶部移动设有真空吸盘，所述真空吸盘顶部设有基体。

作为优选，所述模板安装架顶部中心设有透光区，所述模板安装架位于所述透光区顶部正中心设有紫外照射灯，所述模板安装架底部设有用于安装所述压印组件的安装腔。

作为优选，所述驱动组件包括所述连接板顶部设有的精密驱动电缸，所述精密驱动电缸的伸缩端与所述模板安装架固定连接。

作为优选，所述压印组件包括所述安装腔底部设有的衬垫，所述衬垫的底部贴合设有压印模板，所述压印模板底部设有微结构层，所述压印模板侧壁对称设有斜槽。

作为优选，所述压印组件包括所述安装腔底部设有软模板，所述软模板顶部设有软膜气腔，所述模板安装架侧壁对称设有用于固定所述软模板的软膜锁紧螺钉，所述软模板底部设有微结构层。

作为优选，所述调节组件包括所述模板安装架底部对称设有的调整块，所述模板安装架侧壁设有用于螺纹连接所述调整块的调节螺钉。

作为优选，所述基体运动平台包括底座，所述底座顶部设有纵向移动机构，所述纵向移动机构顶部设有横向移动机构，所述横向移动机构的顶部与所述真空吸盘固定连接。

作为优选，所述纵向移动机构包括所述底座顶部对称设有的安装板一，两侧所述安装板一中部转动设有丝杆一，一侧所述安装板一设有输出轴与所述丝杆一固定连接的电机一，所述丝杆一的外圆壁套设有滚珠螺母一。

作为优选，所述横向移动机构包括所述滚珠螺母一固定连接的安装座，所述安装座顶部对称设有的安装板二，所述安装板二中部设有丝杆二，一侧所述安装板二设有输出轴与所述丝杆二固定连接的电机二，所述丝杆二的外圆壁套设有滚珠螺母二，所述滚珠螺母二与所述真空吸盘固定连接。

本发明的有益效果：

1．本发明通过微锲合的方式完成硬模板、复合模板和软模板的压印脱模；首先对于硬模板，预先加工和模板上的斜槽相匹配的锲型块，锲型块的微径向移动，使硬模板产生脱模方向的轴向运动，从而缓慢均匀地完成脱模过程；复合模板在硬质的支撑结构上可采用类似硬模板的设计；在软模板脱模设计上，首先根据软模板的材质，构造软模板的支撑区，再通过锲型块的微径向移动，改变软模板的支撑点，从而实现软模板逐步脱模的过程。

2．通过采用简单易行的方式完成各类模板压印后的脱模过程，以缓慢均匀地方式完成脱模，使压印较大的脱模力从锲型块接触边缘有效释放，极大降低脱模过程对机械力精准控制的依赖，以及机械装置加工装配精度带来的影响；通过采用平压的压印方式与微锲合的脱模方法相结合，着力于有效解决各类纳米压印脱模导致的缺陷问题。

3．针对硬模板、软模板和复合模板均适用的脱模方法，采用平压的压印方式与微锲合的脱模方法相结合实现无缺陷的脱模。

4．本发明的脱模装置结构设计简单精巧，脱模过程稳定可控，为无缺陷的压印脱模起到极大的帮助。

附图说明

图1为纳米压印硬模板或复合模板平压式脱模机构示意图；

图2为纳米压印软模板平压式脱模机构示意。

图中：10、压印基体承载装置；101、基体；102、真空吸盘；103、基体运动平台；11、精密驱动电缸；12、紫外照射灯；13、连接板；14、模板安装架；15、衬垫；16、压印模板；17、调整块；18、调节螺钉；19、透光区；20、微结构层；21、软膜锁紧螺钉；22、底座；23、纵向移动机构；24、横向移动机构；25、软模板；26、软膜气腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明提供了一种纳米压印平压式自动脱模机构，包括压印基体承载装置10，所述压印基体承载装置10顶部移动设有模板安装架14，所述模板安装架14一侧设有连接板13，所述连接板13顶部设有用于驱动所述模板安装架14沿所述连接板13升降的驱动组件，所述模板安装架14底部设有压印组件，所述模板安装架14侧壁对称设有调节组件。

具体的，所述压印基体承载装置10包括基体运动平台103，所述基体运动平台103顶部移动设有真空吸盘102，所述真空吸盘102顶部设有基体101，所述基体101材质可以为硅、蓝宝石、玻璃等，所述基体101上可以通过旋涂或喷涂各类纳米压印胶。

具体的，所述模板安装架14顶部中心设有透光区19，所述模板安装架14位于所述透光区19顶部正中心设有紫外照射灯12，所述模板安装架14底部设有用于安装所述压印组件的安装腔。

具体的，所述驱动组件包括所述连接板13顶部设有的精密驱动电缸11，所述精密驱动电缸11的伸缩端与所述模板安装架14固定连接。

具体的，所述压印组件包括所述安装腔底部设有的衬垫15，所述衬垫15的底部贴合设有压印模板16，所述压印模板16底部设有微结构层20，所述压印模板16侧壁对称设有斜槽。

具体的，所述压印模板16为硬模板或复合模板。

如图2所示，具体的，所述压印组件包括所述安装腔底部设有软模板25，所述软模板25顶部设有软膜气腔26，所述模板安装架14侧壁对称设有用于固定所述软模板25的软膜锁紧螺钉21，所述软模板25底部设有微结构层20。

具体的，软膜气腔26通过螺纹连接固定在模板安装架14内腔；软膜气腔26内可充入气体，与软膜接触的一侧，通过气压调控软膜的变形；软模板25穿过模板安装架14两侧的窄缝，并在软膜气腔26和软膜锁紧螺钉21的配合下进行安装锁紧。

具体的，所述调节组件包括所述模板安装架14底部对称设有的调整块17，所述调整块17呈楔块状，所述调整块17可为分体组装块或是环状一体块，所述模板安装架14侧壁设有用于螺纹连接所述调整块17的调节螺钉18或电动调节杆。

具体的，调节螺钉18可以控制调整块17沿X轴相向运动，使调整块17倾斜面沿硬模板或复合模板的倾斜面发生相对滑动，从而带动硬模板或复合模板在Z正向的微运动。

具体的，所述基体运动平台103包括底座22，所述底座22顶部设有纵向移动机构23，所述纵向移动机构23顶部设有横向移动机构24，所述横向移动机构24的顶部与所述真空吸盘102固定连接。

具体的，所述纵向移动机构23包括所述底座22顶部对称设有的安装板一，两侧所述安装板一中部转动设有丝杆一，一侧所述安装板一设有输出轴与所述丝杆一固定连接的电机一，所述丝杆一的外圆壁套设有滚珠螺母一。

具体的，所述横向移动机构24包括所述滚珠螺母一固定连接的安装座，所述安装座顶部对称设有的安装板二，所述安装板二中部设有丝杆二，一侧所述安装板二设有输出轴与所述丝杆二固定连接的电机二，所述丝杆二的外圆壁套设有滚珠螺母二，所述滚珠螺母二与所述真空吸盘102固定连接。

本发明工作原理：

硬模板或复合模板在具体的压印以及脱模过程中，在精密驱动电机的驱动下，带动模板安装架14沿连接板13下降，使得硬模板或复合模板上的结构层，完成在基体101上的压印动作；随后再开启紫外照射灯12进行曝光固化，曝光固化完成后，开始脱模动作，通过调节螺钉18带动调整块17产生X轴的相向运动，硬模板或复合模板在调整块17的调节作用下，产生沿Z正向的微运动，并挤压衬垫15产生一定微变形；同时精密驱动电机带动模板安装架14沿连接板13上升，脱模过程中，在衬垫15的支撑作用下，硬模板或复合模板会产生一定沿Z负向的凸变形的行为，导致脱模过程从图案边缘逐步向内扩展，相比以往平压脱模直接将模板从基体101中释放出来，通过结合微锲合的脱模方式，将瞬时较大的脱模力，由边缘向内缓慢地释放出来，脱模过程更容易进行，脱模过程的缺陷控制更加有效地保证。

软模板25在具体的压印以及脱模过程中，调整块17可以控制软模板25沿X轴相向运动，从而带动软模板25的支撑点发生改变；在具体的压印以及脱模过程中，在精密驱动电机的驱动下，带动模板安装架14沿连接板13下降，通过对软膜气腔26充入气体，使得软膜气腔26增大并挤压软模板25，通过气压调控软膜的变形；使得软模板25上图案完成在基体101上的压印动作，随后再开启紫外照射灯12进行曝光固化，曝光固化完成后，开始脱模动作，即调节螺钉18带动调整块17产生X轴相向运动，软模板25在调整块17作用下，支撑状态发生改变，随之向上翘曲；同时精密驱动电机也同步沿Z正向进行运动，脱模过程中，调整块17的作用会使翘曲行为从边缘不断向内部渗透，同样也会形成类似前述硬模板脱模的现象，软模板25脱模过程的缺陷控制也可得到保证。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。