一种振动辅助热压印的装置及方法与流程

本发明涉及纳米压印领域，尤指一种振动辅助热压印的装置及方法。

背景技术：

纳米压印光刻技术是由华裔科学家周郁于1995年提出，由于其具有低成本、可并行加工等优点，已成为加工半导体器件、光学器件、自清洁玻璃等器件的主要方法。目前，主流的压印技术有紫外压印技术、热压印技术和微接触压印技术。其中，热压印技术相较于紫外压印技术和微接触压印技术有着分辨率高的优点。但是，热压印所要求的环境较为苛刻，抽真空后将聚合物加温到玻璃化温度以上，加压使得模具上的微纳结构转印到聚合物表面，然后保压一段时间，待冷却固化后进行脱模，得到成品。

超声波辅助压印是指在超声波振动的过程中，会使得聚合物与模板之间摩擦生热，初期的摩擦生热会有很大的温升速率，当聚合物中心点温度接近玻璃化温度时，聚合物具有了一定的流动性，应力的分布变化使得角点应力降低，导致热速率下降，产热速率甚至低于聚合物耗散到外界的热量，使得角点温度降低，而中心的应力增大，温度越来越高，直到到达玻璃化温度后，中心的聚合物转化为粘弹态，产生剧烈的粘弹产热，带动角点区域的温度上升，最终使得聚合物到达玻璃化温度之上。

公开号为cn101863122a的专利公布了一种超声波辅助微纳成型装置，简化了机械结构，省去了抽真空的过程，提高了压印成型的效率。

公开号为cn102336016a的专利公布了一种粘弹热触发热塑性聚合物超声波压印方法，先将模板预热，再施加超声波振动，使得聚合物粘弹性产热，成型区域软化，再施加压印，将其填充入模具的微结构中，对模具损伤较少且提高了成型效率。

公开号为cn101863122a的专利所提及的一种装置本质上也会发生cn102336016a所提及的聚合物的粘弹产热。上述的专利所提及的基于超声波的方案均提高了成型的速率。但在中心区域到达粘弹态温度之前，边角区域温度的逸散将会降低其压印速率。且在冷却过程中，中心区域温度较高，产生巨大的热应力，会对模板及衬底造成一定的损伤，且在冷却过程中不易降温，需要一段较长的时间才能下降至脱模温度，容易对模板及衬底造成损伤，且影响了压印速率。公开号为cn1586894a的专利公布了一种帕尔帖热循环微纳米压印装置，使用了帕尔帖热循环，缩短了加热与制冷的时间，提高了压印的效率，精确的控制了温度，但忽略了聚合物中心区域冷却相对较慢的问题，且相对磁热效应消耗了较多的能量，成本相对较高。钆是一种特殊的金属，它被置于磁性环境后温度升高，当磁场被去除后则温度下降，这一现象被称为“磁热效应”。钆在磁场中，可以对聚合物进行加热，在冷却的过程中，通过去除磁场可以使得钆温度降低，配合液体对衬底上的聚合物进行冷却。

技术实现要素：

根据本发明目的提出一种振动辅助热压印的装置及方法，加速了聚合物成型的速率，降低了对模板及衬底的损伤，降低了所需的成本。

根据本发明目的提出一种振动辅助热压印的装置，其特征在于：包括电控杆、上底板、滑动板、导杆、温度调控装置、下底板、超声波发生装置、支撑架、承重板、加热板、真空吸盘一和真空吸盘二，其中，温度调控装置固定于下底板上，温度调控装置上设有真空吸盘二，滑动板穿过导杆，导杆下端固定于下底板上，上端与上底板相连接，电控杆通过螺钉固定于上底板上，电控杆下端与滑动板相连，超声波发生装置通过螺钉固定在支撑架上，超声波发生装置下端通过螺钉与承重板连接，承重板下方设有加热板，加热板下连接有真空吸盘一。

根据本发明目的提出一种振动辅助热压印的装置，其特征在于：所述的温度调控装置，包括出水管、进水管一、下底座、上底座、进水管二、金属导体、空腔、钆、磁场发生器，其中，钆安放于空腔中，上底座安置在下底座的凹槽中，并通过螺钉连接，进水管一与进水管二通过软管连接，金属导体固定在上底座上，温度调控装置通过螺钉固定于下底板上。

根据本发明目的提出一种振动辅助热压印的装置，其特征在于：所述的超声波发生装置，包括超声波振子和振子连接法兰盘，超声波振子为阶梯状，振子连接法兰盘在超声波发生装置的振动节点位置，并通过螺钉固定在支撑架上。

根据本发明目的提出一种振动辅助热压印的装置，其特征在于：所述的真空吸盘，包括真空吸盘进气孔与真空吸盘出气孔，其中，真空吸盘一通过螺钉固定在加热板上，真空吸盘二通过螺钉固定在温度调控装置上。

根据本发明目的提出的一种振动辅助热压印的装置的加工方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

（1）真空吸盘一吸附模板，真空吸盘二吸附住衬底，通过加热板将模板加热至衬底上的聚合物的玻璃化温度之上，开启温度调控装置中的磁场发生器，通过磁热效应对衬底进行加热，控制衬底上的聚合物的温度低于其玻璃化温度；

（2）电控杆控制滑动板，带动模板向下移动使模板和衬底贴紧，对聚合物进行预压，利用20khz以上的超声波振动致使聚合物材料粘弹性产热，加速聚合物材料的升温熔融，并促进模腔内空气的排出，减少聚合物与模板间的粘附力，与此同时，通过温度调控装置的金属导体对聚合物角点处进行加热，使聚合物快速达到玻璃化温度之上；

（3）聚合物到达玻璃化温度之上后，通过电控杆对模板施加压印力，保持温度不变直至聚合物被压印成型；

（4）聚合物被压印成型后，模板上方的加热板停止加热，停止金属导体的加热，关闭磁场发生器，此时温度调控装置中的钆产生制冷，通过液冷自中心区域向外对衬底上的聚合物进行降温，直至冷却至脱模温度；

（5）聚合物降温至脱模温度后，控制电控杆，带动滑动板向上移动进行脱模，脱膜完毕后，取出模板和衬底。

本发明通过对聚合物角点进行加热，加速了聚合物成型的速率；由中心区域向外冷却，降低了对模板及衬底的损伤，加快了冷却的速率；通过磁热效应产热及制冷，降低了所需的成本。

附图说明

图1是本发明的振动辅助热压印的装置的结构示意图；

图2是本发明的振动辅助热压印的装置的左视图；

图3是本发明的温度调控装置的结构示意图；

图4是本发明的温度调控装置的剖视图；

图5是本发明的超声波发生装置结构示意图；

图6是本发明的真空吸盘的结构示意图。

附图标记说明：电控杆-1，上底板-2，滑动板-3，导杆-4，温度调控装置-5，下底板-6，超声波发生装置-7，支撑架-8，加热板-9，承重板-10，真空吸盘一-11，真空吸盘二-12，出水管-501，进水管一-502，下底座-503，上底座-504，进水管二-505，金属导体-506，空腔-507，钆-508，磁场发生器-509，振子连接法兰盘-701，超声波振子-702，真空吸盘进气孔-1101，真空吸盘出气孔-1102。

具体实施方式

如图1、2所示，所述的一种振动辅助热压印的装置包括电控杆1、上底板2、滑动板3、导杆4、温度调控装置5、下底板6、超声波发生装置7、支撑架8、加热板9、承重板10、真空吸盘一11和真空吸盘二12，其中，温度调控装置5固定于下底板6上，温度调控装置5上设有真空吸盘二12，滑动板3穿过导杆4，导杆4下端固定于下底板6上，上端与上底板2相连接，电控杆1通过螺钉固定于上底板2上，电控杆1下端与滑动板3相连，超声波发生装置7通过螺钉固定在支撑架8上，超声波发生装置7下端与承重板10通过螺钉连接，承重板10下方设有加热板9，加热板9下连接有真空吸盘一11。

如图3、4所示，所述的一种振动辅助热压印的装置，其特征在于，所述的温度调控装置包括出水管501、进水管一502、下底座503、上底座504、进水管二505、金属导体506、空腔507、钆508、磁场发生器509，其中，上底座504安置在下底座503的凹槽中，并通过螺钉连接，进水管一502与进水管二505通过软管连接，钆508放置在空腔507中，金属导体506固定在上底座504上，温度调控装置5通过螺钉固定于下底板6上。

如图5所示，所述的一种振动辅助热压印的装置，其特征在于所述的超声波发生装置7包括振子连接法兰盘701和超声波振子702，超声波振子702为阶梯状，振子连接法兰盘701在超声波发生装置7的振动节点位置，并通过螺钉固定在支撑架8上。

如图6所示，所述的一种振动辅助热压印的装置，其特征在于：所述的真空吸盘一11和真空吸盘二12，包括真空吸盘进气孔1101与真空吸盘出气孔1102，其中，真空吸盘一11通过螺钉固定在加热板9上，真空吸盘二12通过螺钉固定在温度调控装置5上。

下面结合图1-图6对本发明做进一步说明。

真空吸盘一11吸附住模板，真空吸盘二12吸附涂有聚合物的衬底，通过加热板9对模板进行加热，将模板加热至聚合物的玻璃化温度之上，开启温度调控装置5中的磁场发生器509，通过对钆508施加磁场，使得钆508产生热量，对涂有聚合物的衬底进行加热，同时控制聚合物的温度低于其玻璃化温度。

电控杆1控制滑动板3向下移动，带动真空吸盘一11上的模板向下移动使模板和衬底贴紧，对衬底上的聚合物进行预压，启动超声波发生装置7，利用20khz以上的超声波振动，带动聚合物材料粘弹性产热，加速聚合物材料的升温熔融，并促进模腔内空气的排出，减少聚合物与模板间的粘附力，与此同时，通过温度调控装置5中的金属导体506对聚合物角点处进行加热，使聚合物快速达到玻璃化温度之上。

聚合物温度达到玻璃化温度之上后，通过对电控杆1的控制，对模板施加压印力，并保持温度不变直至聚合物被压印成型。

聚合物被压印成型后，模板上方的加热板9停止加热，停止金属导体506的加热，关闭磁场发生器509，由于磁热效应，钆508温度开始下降，从进水管一502通过进水管二505，向温度调控装置5内通入液体，经过放置钆508的空腔507进行制冷，对聚合物中心区域进行制冷后向四周角点扩散，对聚合物其余区域进行冷却，最后通过出水管501流出，直至将聚合物冷却至脱模温度。

聚合物降温至脱模温度后，控制电控杆1，带动滑动板3沿导杆4向上移动进行脱模，脱膜完毕后，取出模板和衬底。