专利名称：一种整片晶圆纳米压印光刻机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种纳米压印光刻机，尤其涉及一种单步整片晶圆纳米压印光刻机，属微纳制造和光刻技术领域。
背景技术：
纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方法，它是一种使用模具通过抗蚀剂的受力变形实现其图形化的技术。与其它微纳米制造方法相比，NIL具有高分辩率、超低成本(国际权威机构评估同等制作水平的OTL比传统光学投影光刻至少低一个数量级)和高生产率的特点，尤其在大面积微纳米结构和复杂三维微纳米结构制造方面具有突出的优势。随着纳米压印光刻在高亮度光子晶体LED、高密度磁盘介质(HDD)、光学元器件(光波导、微光学透镜、光栅)、微流控器件等领域的广泛应用， 对于大面积、全场、整片晶圆纳米压印工艺和装备的需求越来越迫切，同时对于压印面积、 复型精度的要求也愈来愈高。目前实现大面积纳米压印的方法主要有三种第一种是采用步进重复纳米压印工艺(St印-and-r印eat NIL)；第二种是采用滚压印工艺(Roll NIL)； 第三种是采用单步整片晶圆纳米压印。与采用步进重复纳米压印工艺和滚压印工艺实现大面积图形化方法相比，采用整片晶圆(晶圆尺度，晶圆级)纳米压印(Full wafer NIL, Wafer-level NIL, Wafer scale NIL)具有生产率高、成本低、图形均勻和一致性好等显著的优点，以及适合各种软和硬衬底的优势。但是与现有的纳米压印工艺方法相比，整片晶圆纳米压印目前存在以下挑战性技术难题(1)大面积施加均勻一致的压印力。压印力分布不均勻，一方面导致模具与衬底无法充分接触，影响复型精度和质量，甚至导致图形转移失败，另一方面对于脆性材料的模板或者衬底，压印力的不均勻极易导致其碎裂。晶圆尺寸已经从早期的4inch和6inch,发展到8inch,直至当前的和12inch (300毫米)，以及未来的 ISinch (450毫米)，随着晶圆尺寸的增加，意味着每单位面积的制作成本降低、总体产能的提升。但是随着晶圆尺寸的不断增大，对于纳米压印工艺，如何在大面积的晶圆上获得均勻一致的压印力变的愈发困难。对于承片台和压印机构性能的要求越来越高；(2)减小压印力。为了实现模具与整片晶圆充分、均勻性的接触，液态抗蚀剂快速、完全充填模具微纳米腔体结构，与步进重复纳米压印工艺和小面积压印工艺相比，整片晶圆压印需要更到的压印力，大的压印力将导致模具产生变形，对于软模具其变形尤为严重，这将导致复型精度的降低、存在缺陷，甚至图形复制失败；C3)气泡消除。消除气泡一直是纳米压印工艺所面临的极为棘手的问题，气泡的存在将导致复制的图形存在缺陷，严重影响制作图形的质量。大面积压过程中印极易产生气泡，然而消除气泡却非常难以解决；(4)脱模困难。随着模具和衬底的接触面积的增大，一方面包含模具微纳结构特征大大增加，另一方面模具与抗蚀剂粘附问题变得日益突出，导致需要很大的脱模力才能实现模具与晶圆的分离，大的脱模力容易损坏模具和复制的图形；另外，若脱模力过大，则可能将已固化抗蚀剂的颗粒粘附在模具表面，并且可能造成模具表面纳结构的破坏，即压印模具“污染” ；(5)整个压印区域获得均勻一致和薄的残留层。抗蚀剂上的图形需要转移到晶圆(衬底)上，在整片晶圆的压印区域获得均勻一致和薄的残留层，对于实现高质量的图形转移起到决定性的作用。此外，对于LED等III-V族材料和衬底的压印，还面临以下的难题(1)晶圆不平整，表面翘曲变形， 并且会有数微米尺寸的表面突起。例如LED外延片的几十微米的翘曲是衬底材料膨胀系数不一致的结果，比如碳化硅或蓝宝石与外延生长的半导体材料，如氮化镓，其生长温度高于 900°C。这两层材料实际上像双层金属片一样，会形成类似薯片的翘曲结构。热应力也阻碍了使用更大尺寸的晶圆。表面突起是外延生长的副产品，如果衬底和半导体材料的晶格不能完全匹配，就会产生突起；( 晶圆面不是非常清洁，可能有污物(这对于模具极为不利)，导致压印模具被“污染” ；(3)在高亮LED生产中，为了节省MOCVD外延生长的成本，未来的发展趋势是使用大尺寸衬底，例如4寸或者6寸晶圆，甚至未来的12寸或者18寸。然而外延生长会导致大尺寸基底的弯曲则越发的明显，在后续的光刻过程中强行利用真空吸附等方式补偿这种弯曲以换取光刻中的高分辨率有可能会造成衬底断裂。因此，大尺寸晶圆整片纳米工艺和装备的开发面临许多技术性的难题，目前还没有一种较为理想的解决方案。 实用新型人在2010年申请了一项“整片晶圆纳米压印的装置和方法”(申请号 201010600735. X，公开号102096315A)，该方法的基本原理是引入一种三层复合结构透明的软模具(以低粘附性材料改型PDMS为基体)，压印过程采用从模具(模板)中心位置向两侧方向逐渐均勻性微接触压印的方法，基于新的模具结构并采用气体辅助压印力和毛细力共同作用下，实现压印力均勻分布、消除气泡缺陷，并在小的压印力下实现图形的复制(保证复形的精度和质量)。脱模过程采用模具从晶圆(基片)两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺，在真空吸力和水平力的共同作用下，采用微小的脱模力即可实现大面积脱模(一方面避免大面积接触同时脱模需要较大的脱模力，导致对模具和复制图形造成损伤；另一方面避免单侧揭开式脱模，因模具变形大导致使用寿命短的缺陷)。压印过程和脱模过程均以模板中心为对称轴，模板均勻、对称受力，压印和脱模过程两侧同时进行(极大提高生产率和复形的质量)。其基本过程如图1所示。具体包括以下主要工艺步骤(1)预处理过程。 将涂铺有抗蚀剂的整片晶圆固定在工作台上，压印头与晶圆对正后，压印机构下降，直至压印头的支撑调节块与晶圆工作台(承片台)相接触。关闭压力管路，打开真空管路，模具吸附在压印头工作台面上(具体说是模具的支撑层吸附于压印头工作台面中的凹槽里)。 (2)压印过程。首先，从模板中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压印力和毛细力共同作用下，软模具的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始接触衬底上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填，如图1(a)所示；随后，从模具中心位置向两侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模具结构层与抗蚀剂的接触面积不断扩大，直至整个模具结构层与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，模具中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填，如图1(b)和1(c)所示；最后，所有压力通道的压力保持均勻一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模具微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度。( 固化过程。开启紫外光光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光， 充分固化液态抗蚀剂，如图1(d)所示。(4)脱模过程。首先，从晶圆最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路，同时开启脱模用的喷嘴。在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模具与晶圆相互分离，如图1(e)所示；随后，从晶圆两侧向模具中心逐一将压力转换回真空状态，实现模具从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水平力的合力，如图1(f)所示；最后，模具中心位置与晶圆相分离，实现模具与晶圆的完全分离，完成脱模，如图1(g)所示。
实用新型内容针对上述现有技术，本实用新型提供了一种整片晶圆纳米压印光刻机。本实用新型是通过以下技术方案实现的一种整片晶圆纳米压印光刻机，它包括压印头、曝光系统、模板、承片台、脱模喷嘴、机架、大理石底座、真空管路和压力管路，其中，所述模板固定于压印头上，承片台置于模板的垂直正下方，并固定在大理石底座上，承片台周边设有脱模喷嘴；曝光系统的紫外光源置于压印头曝光工作室，且位于模板工作台的上部；真空管路和压力管路与压印头模板工作台两侧面的方向控制阀的进气孔相连；真空管路分别与承片台上的真空吸盘和固定基座的方向控制阀进气孔相连；大理石底座用以固定支撑件和/或承片台，对整个系统起到减震和隔振的作用。所述压印头的结构为包括模板工作台、曝光工作室、法兰盘、滚珠丝杠、联轴器、 伺服电机、导向架、导向杆和三个支承调节块，其中，曝光工作室与模板工作台通过螺钉相连，模板工作台内部设有水平管路和垂直管路，实现压缩空气和真空气体在模板上的均勻分布；模板工作台应允许曝光工作室紫外光透过，并继续透过连接其底部的模板，实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化；曝光工作室与滚珠丝杠通过法兰盘相连接，曝光工作室的内顶部均勻分布安装紫外光源(UV LED灯)，紫外光源(UV LED灯)上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统；联轴器安装在滚珠丝杠上，伺服电机安装在联轴器上，导向架安装在机架下部，导向杆安装在导向架下部；伺服电机、联轴器、滚珠丝杠、导向架和导向杆构成运动功能组件，实现模板工作台和曝光工作室沿Z向上下垂直运动；3个支承调节块置于模板工作台的底部，相互呈120度角均勻分布，支承调节块用来调节模板与基片的压印距离；模板工作台两侧面设有进气孔A、进气孔B、进气孔C。所述压印头中模板工作台的内部管路结构为包括模板工作台底面，模板工作台底面上设有模板工作台凹槽面和水平管路，模板工作台凹槽面上设有垂直管路，垂直管路的一端与模板工作台凹槽面相通，另一端与水平管路相通；垂直管路和水平管路均为通孔。 模板工作台凹槽面的形状与模板中支撑层相一致，四周尺寸比其增大2mm，模板初始位置时支撑层嵌在模板工作台凹槽面内。所述压印头中模板工作台的外部管路结构为包括方向控制阀A、丝堵、连接管路和方向控制阀B，其中，方向控制阀B的一端连接模板工作台的进气孔A，另外一端用丝堵封堵；方向控制阀A分别连接进气孔B和进气孔C，进气孔B和进气孔C的另一端使用丝堵封堵；连接管路实现真空管路、压力管路、方向控制阀A、方向控制阀B、进气孔A、进气孔B和进气孔C的连接。所述承片台的结构为包括固定基座、浮动底座、真空吸盘和真空管路，其中，浮动底座位于固定基座之上，真空吸盘通过螺钉固定于浮动底座的上平面；固定基座具有凹形球形结构，浮动底座具有凸形球形结构，固定基座与浮动底座之间为半球形接触配合；通过固定基座与浮动底座之间为球形接触配合实现模板与基片平行自适应调整和楔形误差的补偿；固定基座内设有水平管路，真空管路上设有控制阀进气孔I和控制阀进气孔II，真空吸盘上设有水平进气口 ；水平管路与控制阀进气孔I相连，水平进气口与控制阀进气孔II 相连。所述承片台的结构中，固定基座内还设有垂直管路，固定基座中央设有中心圆形通孔；固定基座内设有内圆形通孔，内圆形通孔分别与中心圆形通孔、水平管路以及垂直管路相通；垂直管路最上端与凹形球形结构相通，垂直管路最下端与圆形通孔相通，水平管路与控制阀进气孔I相连，通过开启与固定基座内水平管路相连的控制阀进气孔I，在真空负压的作用下，实现调平后浮动底座在固定基座上的锁紧和固定，并保持调平后基片和模板之间的相对位姿，确保在压印过程中模板与基片之间的相互平行；真空吸盘中的水平进气口与控制阀进气孔II相连，通过开启真空吸盘内与水平进气口相连的控制阀进气孔II，真空吸盘在基片的上下两个平面之间产生的气体压强差，在负压作用下实现对基片的夹紧和固定。所述真空吸盘为凸台结构或平面一体结构。所述模板的结构为包括三层，最下层为结构层，中间层为弹性层，最上层为支撑层，所述结构层上设有要制造的微纳米结构图形，弹性层位于结构层之上，支撑层位于弹性层之上；结构层的厚度范围是100-200微米；弹性层的厚度范围是400-700微米；支撑层的厚度范围是100-200微米；结构层、弹性层和支撑层材料均为PDMS，但其硬度不同，结构层和支撑层的材料是硬的PDMS(聚二甲基硅氧烷)，即h-PDMS，其硬度为弹性层使用PDMS硬度的3-5倍；弹性层选用具有良好纵向弯曲变形性能软的PDMS材料，其杨氏模量为5N/mm， 即s-PDMS ；结构层和支撑层尺寸大小一致，弹性层比结构层和支撑层尺寸大60-150毫米。所述真空管路的结构为包括真空泵或真空发生器、方向控制阀、压力控制阀和连接管路。真空度工作范围是< -0.9bar，压印和脱模过程使用的真空度是-5kPa -IOOkPa ；真空管路分别与连接承片台内部的真空吸盘、固定基座、以及压印头内部的模板工作台的方向控制阀的进气孔相连，实现基片的固定，调平后浮动底座的锁紧和固定，以及提供脱模时的动力源。所述压力管路的结构为包括空气压缩机、储气包、方向控制阀、压力控制阀和连接管路。压缩管路的工作范围是04bar ；压印过程中的工作压力是10-400mbar ；压力管路与连接压印头内部的模板工作台方向控制阀的进气孔相连，提供压印时的动力源。利用上述晶圆纳米压印光刻机进行整片晶圆纳米压印光刻的方法，步骤如下(1)纳米压印光刻机系统工作状态初始化过程将涂铺有抗蚀剂的基片置于承片台的真空吸盘之上，开启真空吸盘的真空管路，将基片固定在真空吸盘之上；关闭压印头模板工作台的压力管路，打开真空管路，模板弹性层吸附在压印头模板工作台底面，模板支撑层吸附在模板工作台底面的凹槽面内；(2)调平过程首先，伺服电机通过滚珠丝杠带动压印头组件快速向下运动，直到固定于模板工作台的支撑调节块与承片台上的真空吸盘或者浮动底座相接触；随后，降低压印头的下压速度，压印头继续向下运动，在压印头下压力的作用下，通过承片台固定基座与浮动底座之间的球形接触配合产生相对滑动实现固定在压印头上的模板与固定在承片台上的基片平行自适应调整和楔形误差的补偿；最后，模板和基片完全调平后，开启承片台上的固定基座上的真空管路，在真空负压作用下实现浮动底座在固定基座上的锁紧(夹紧)和固定，保持调平后基片和模板之间的相对位姿，确保在整个压印、固化和脱模过程中模板与基片之间保持平行；(3)压印过程首先，从模板工作台中心位置开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压印力和毛细力共同作用下，模板(软模具)的弹性层在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始接触基片上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填；随后，从模板中心位置向两侧方向逐一将真空状态转换至压力状态，模板结构层与抗蚀剂的接触面积不断扩大，直至整个模板结构层与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，模板中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填；最后，所有压力通道的压力保持均勻一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模具微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度；(4)固化过程开启曝光工作室的紫外光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光，充分固化液态抗蚀剂，固化时间5-20s (整片晶圆)；(5)脱模过程首先，从模板工作台最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路， 同时开启脱模用的喷嘴，在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模板与基片上的抗蚀剂相互分离；随后，从基片两侧向模板中心逐一将压力转换回真空状态，实现模具从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水平力的合力；最后，模板中心位置与基片相分离，实现模板与基片的完全分离，完成脱模；(6)压印头复位伺服电机通过滚珠丝杠带动压印头快速向上运动，返回到系统初始位置；(7)承片台复位首先，关闭承片台真空吸盘上的真空管路，取下复形后的基片， 随后，关闭承片台固定基座的真空管路，使浮动底座在固定基座上处于自由状态。与现有纳米压印光刻机相比，本实用新型具有以下显著的优点(1)结构简单、操作方便、成本低。(2)生产率高、适应性广、柔性好，模块化程度高，易于晶圆尺寸的扩展。(3)不依赖精密机械施加的平衡、均勻，与表面垂直的压印力，简化了设备结构。(4)采用被动自适应承片台实现调平和楔形误差补偿，调节快、操作简单、对于大尺寸晶圆的适应性好。(5)压印过程采用从模板中心位置向两侧方向逐渐均勻性接触的策略，其突出的特点和显著优势①通过模板与基片的逐渐、均勻性微接触，一方面减小压印力，避免传统整片晶圆压印需要大的压印力，导致软模板产生较大的变形，影响复型的精度和质量；另一方面可以适应大面积衬底具有表面不平整度的压印工艺要求。②消除了整片晶圆压印“气泡”缺陷，压印过程所产生的“气泡”可以及时排除。(6)通过气体辅助压印力和毛细力共同作用下，实现图形的复制，其压印力为气体辅助压印力和毛细力的合力，突出的特点和显著优势①易于实现模板与晶圆的完全性接触；②可以在大面积整片晶圆上确保均勻一致的压力；③可以采用较小的压印力，避免软模具的变形，提高复形的质量和精度。(7)脱模过程采用模板从晶圆两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺。突出的特点和显著优势①传统脱模方法，直接将大面积模板与整片晶圆相互分离，一方面需要很大的脱模力，另一方面极易造成模板和所复制的图形的损伤破坏。本实用新型使用的脱模工艺脱模力小，对于模具的损伤小，可以提高模具的使用寿命，同时对于所复制的图形的破坏也可以降低到最小；②脱模过程中脱模力对称分布，整个脱模过程脱模力保持均勻。相对与其它脱模工艺(模具从晶圆一侧向另外一侧，或者整片晶圆同时脱模)，本实用新型从晶圆两侧向中心连续“揭开”式脱模工艺可以确保模板中心(面积最大的位置)最后脱模，虽然模板与衬底此时的接触面积最大，但两侧均已经完成脱模，在两侧(真空吸力和水平力)的共同作用下，易于脱模。(8)通过在真空吸力和水平力(喷嘴)共同作用下，实现模板从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，其脱模力为真空吸力和水平力的合力。连续“揭开”式的脱模一方面避免了大的脱模力，另一方面避免脱模过程对模板和复制图形的损伤。(9)压印过程和脱模过程以模板中心为对称轴，模板均勻、对称受力，压印和脱模过程两侧同时进行，生产效率高。本实用新型实现了整片晶圆纳米压印的低成本、高效、高精度和规模化的制造，本实用新型适合于高密度磁盘(HDD)、微光学器件、微流体器件等的制造，尤其适合光子晶体 LED的整片晶圆压印(包括出光面表图形化和衬底图形化)。
图Ia是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图Ib是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图Ic是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图Id是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图Ie是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图If是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图Ig是整片晶圆纳米压印工作原理示意图。图2是本实用新型实施例1整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图。图3是本实用新型实施例1压印头1的三维结构示意图。图4是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置结构示意图。图5是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置剖视结构示意图。图6是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置剖视结构示意图。图7是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的外部管路布置结构示意图。图8是本实用新型使用的透明三层复合模板3结构示意图。图9是本实用新型实施例1承片台4的结构示意图。图10是本实用新型实施例1承片台4的三维结构示意图。图11是本实用新型实施例1承片台4固定基座401的三维结构示意图。图12是本实用新型实施例2整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图。图13是本实用新型实施例2压印头1第一种方案的三维结构示意图。图14是本实用新型实施例2压印头1第二种方案的三维结构示意图。[0055]图15是本实用新型整片晶圆纳米压印光刻机的工作过程流程图。
具体实施方式
以下结合附图和实用新型人依本实用新型的技术方案给出的实施例对本实用新型作进一步的详细描述。实施例1一种整片晶圆纳米压印光刻机，如图2所示，它包括压印头1、曝光系统2、模板 3、承片台4、脱模喷嘴5、机架6、大理石底座7、真空管路8和压力管路9，其中，所述模板3 固定于压印头1上模板工作台的底面10104，承片台4置于模板3的垂直正下方，并固定在大理石底座7上，承片台周边设有脱模喷嘴5 ；曝光系统2的紫外光源置于压印头1曝光工作室102内，并位于透明模板工作台101的正上方；真空管路8与压力管路9以及模板工作台101两侧面的进气孔A101011、进气孔B101012、进气孔C101013相连；真空管路8与承片台4上的真空吸盘403以及固定基座401的控制阀进气孔II 40402、控制阀进气孔I 40401 相连；压印头1固定在机架6的横梁上；大理石底座7用以固定承片台4和机架6，对整个系统起到减震和隔振的作用。图3是本实用新型实施例1压印头1三维结构示意图，它包括模板工作台101、曝光工作室102、法兰盘103、滚珠丝杠104、联轴器105、伺服电机106、导向架107、导向杆108 和三个支承调节块109，其中，曝光工作室102与模板工作台101通过螺钉相连，模板工作台 101内部设有水平管路10103和垂直管路10102，实现压缩空气和真空气体在模板3上的均勻分布；模板工作台(101应允许曝光工作室紫外光透过，并继续透过连接其底部的模板3， 实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化；曝光工作室102与滚珠丝杠104通过法兰盘103相连接，曝光工作室102的内顶部10201均勻分布安装紫外光源UV LED灯，紫外光源UV LED灯上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统2 ；联轴器105安装在滚珠丝杠104上，伺服电机106安装在联轴器105上，导向架107安装在机架6下部，导向杆108 安装在导向架107内部；伺服电机106、联轴器105、滚珠丝杠104、导向架107和导向杆108 构成运动功能组件，实现模板工作台101和曝光工作室102沿Z向上下垂直运动；3个支承调节块109置于模板工作台101的底部，相互呈120度角均勻分布，支承调节块109用来调节模板3与基片的压印距离；模板工作台101两侧面设有进气孔A101011、进气孔B101012、 进气孔C101013。图4是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置结构示意图，它包括模板工作台底面10104，模板工作台底面10104上设有模板工作台凹槽面10101 和水平管路10103，模板工作台凹槽面10101上设有垂直管路10102，垂直管路10102的一端与模板工作台凹槽面10101相通，另一端与水平管路10103相通；垂直管路10102和水平管路10103均为通孔。模板工作台凹槽面10101的形状与模板3中支撑层303相一致，四周尺寸比其增大2mm，模板3初始位置时支撑层303嵌在模板工作台凹槽面10101内。图5是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置剖视结构示意图。图6是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的内部管路布置剖视结构示意图。[0063]图7是本实用新型实施例1压印头1中模板工作台101的外部管路布置结构示意图，它包括方向控制阀A10106、丝堵10107、连接管路10108和方向控制阀B10109，其中，方向控制阀B10109的一端连接模板工作台101的进气孔A101011，另外一端用丝堵10107封堵；方向控制阀A10106分别连接进气孔B101012和进气孔C101013，进气孔B101012和进气孔C101013的另一端使用丝堵10107封堵；连接管路10108实现真空管路8、压力管路9、方向控制阀A10106、方向控制阀B10109、进气孔A101011、进气孔B101012和进气孔C101013 的连接。图8是本实用新型使用的透明三层复合模板3结构示意图，其中，第一层最下层是结构层301，第二层中间层是弹性层302，第三层最上层是支撑层303。所述结构层301包含要制造的微纳米结构图形30101，弹性层302位于结构层301之上，支撑层303位于弹性层 302之上。结构层301的厚度范围是100-200微米；弹性层302的厚度范围是400-700微米；支撑层303的厚度范围是100-200微米。结构层301、弹性层302和支撑层303材料均为PDMS，但其硬度不同。结构层301和支撑层303的材料是硬的PDMS聚二甲基硅氧烷)， 即h-PDMS，其硬度为弹性层302使用PDMS硬度的3_5倍；弹性层402选用具有良好纵向弯曲变形性能软的PDMS材料，其杨氏模量为5N/mm，即s_PDMS。结构层301和支撑层303尺寸大小一致，弹性层302比结构层301和支撑层303尺寸大60-150毫米。图9是本实用新型实施例1承片台4的结构示意图，它包括固定基座401、浮动底座402、真空吸盘403和真空管路404，其中，浮动底座402位于固定基座401之上，真空吸盘 403通过螺钉405固定于浮动底座的402的上平面；固定基座具有凹形球形结构40101，浮动底座具有凸形球形结构40201，固定基座与浮动底座之间为半球形接触配合；通过固定基座与浮动底座之间为球形接触配合实现模板与基片平行自适应调整和楔形误差的补偿； 固定基座401内设有水平管路40103，真空管路404上设有控制阀进气孔I 40401和控制阀进气孔1140402，真空吸盘403上设有水平进气口 ；水平管路40103与控制阀进气孔140401 相连，水平进气口与控制阀进气孔II 40402相连。所述承片台的结构中，固定基座401内还设有垂直管路40102，固定基座401中央设有中心圆形通孔40104 ；固定基座401内设有内圆形通孔40105，内圆形通孔40105分别与中心圆形通孔40104、水平管路40103以及垂直管路40102相通；垂直管路40102最上端与凹形球形结构40101相通，垂直管路40102最下端与圆形通孔40105相通，水平管路 40103与控制阀进气孔I 40401相连，通过开启与固定基座内401水平管路40103相连的控制阀进气孔I 40401，在真空负压的作用下，实现调平后浮动底座402在固定基座401上的锁紧和固定，并保持调平后基片和模板之间的相对位姿，确保在压印过程中模板与基片之间的相互平行；真空吸盘403中的水平进气口与控制阀进气孔II 40402相连，通过开启真空吸盘403内与水平进气口相连的控制阀进气孔1140402，真空吸盘403在基片的上下两个平面之间产生的气体压强差，在负压作用下实现对基片的夹紧和固定。图10是本实用新型实施例1承片台4的三维结构示意图。图11是本实用新型实施例1承片台4固定基座401的三维结构示意图。所述真空管路的结构为包括真空泵或真空发生器、方向控制阀、压力控制阀和连接管路，真空度工作范围是< -0. 9bar，压印和脱模过程使用的真空度是 -IOOkPa ；真空管路分别与连接承片台内部的真空吸盘、固定基座、以及压印头内部的模板工作台的方向控制阀的进气孔相连，实现基片的固定，调平后浮动底座的锁紧和固定，以及提供脱模时的动力源。所述压力管路的结构为包括空气压缩机、储气包、方向控制阀、压力控制阀和连接管路，；压力管路的工作范围是04bar ；压印过程中的工作压力是10-400mbar ；压力管路与连接压印头内部的模板工作台方向控制阀的进气孔相连，提供压印时的动力源。实施例2图12是本实用新型实施例2整片晶圆纳米压印光刻机三维结构示意图，实施例2 与实施例1的主要区别在于压印头1和机架6的机构形式的不同。图13是本实用新型实施例2压印头1第一种方案双导轨直线导向三维结构示意图，它包括模板工作台101、曝光工作室102、法兰盘103、滚珠丝杠104、联轴器105、伺服电机106、支承调节块109、滑块1011、小支架1012、连接件1013和导轨1014，其中，曝光工作室102与模板工作台101通过螺钉相连，模板工作台101内部设有水平管路10103和垂直管路10102，实现压缩空气和真空气体在模板3上的均勻分布；模板工作台(101应允许曝光工作室紫外光透过，并继续透过连接其底部的模板3，实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化；曝光工作室102与滚珠丝杠104通过法兰盘103相连接，曝光工作室102 的内顶部10201均勻分布安装紫外光源UV LED灯，紫外光源UV LED灯上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统2 ；联轴器105安装在滚珠丝杠104上，伺服电机106安装在联轴器105上，滑块1011通过滑轨1014安装在机架6上，小支架1012安装在机架6和伺服电机106之间，连接件1013安装在机架6和联轴器105之间；伺服电机106、联轴器105、小支架1012、连接件1013、滚珠丝杠104、滑块1011、导轨1014组成运动功能部件，实现模板工作台101和曝光工作室102沿Z向上下垂直运动；3个支承调节块109置于模板工作台101 的底部，相互呈120度角均勻分布，支承调节块109用来调节模板3与基片的压印距离；模板工作台101两侧面设有进气孔A101011、进气孔B101012、进气孔C101013。图14是本实用新型实施例2压印头1第二种方案双导杆直线导向三维结构示意图，它包括模板工作台101、曝光工作室102、法兰盘103、滚珠丝杠104、联轴器105、伺服电机106、导向杆108、支承调节块109、滑块1011、小支架1012和连接件1013，其中，曝光工作室102与模板工作台101通过螺钉相连，模板工作台101内部设有水平管路10103和垂直管路10102，实现压缩空气和真空气体在模板3上的均勻分布；模板工作台(101应允许曝光工作室紫外光透过，并继续透过连接其底部的模板3，实现对基片上的图形化后的抗蚀剂进行曝光和固化；曝光工作室102与滚珠丝杠104通过法兰盘103相连接，曝光工作室 102的内顶部10201均勻分布安装紫外光源UV LED灯，紫外光源UV LED灯上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统2 ；联轴器105安装在滚珠丝杠104上，伺服电机106安装在联轴器105上，滑块1011安装在机架6下部，导向杆108安装在滑块1011内部，小支架1012 安装在机架6和伺服电机106之间，连接件1013安装在机架6和联轴器105之间；伺服电机106、联轴器105、小支架1012、连接件1013、滚珠丝杠104、滑块1011、导向杆108组成运动功能部件，实现模板工作台101和曝光工作室102沿Z向上下垂直运动；3个支承调节块 109置于模板工作台101的底部，相互呈120度角均勻分布，支承调节块109用来调节模板 3与基片的压印距离；模板工作台101两侧面设有进气孔A101011、进气孔B101012、进气孔 C101013。[0075]图15是本实用新型整片晶圆纳米压印光刻机的工作过程流程图，具体工作过程如下(1)纳米压印光刻机系统工作状态初始化过程。将涂铺有抗蚀剂的基片置于承片台4的真空吸盘403之上，开启真空吸盘的真空管路40402，将基片固定在真空吸盘403之上；通过方向控制阀，关闭压印头1模板工作台101的压力管路，打开真空管路，模板3吸附在压印头1模板工作台底面10104和模板工作台面中的凹槽面10101上，具体说是模板3 的弹性层302的上表面与模板工作台底面10104相接触，模板3的支撑层303的上表面与模板工作台面中的凹槽面10101相接触。(2)调平过程。首先，伺服电机106通过滚珠丝杠104带动压印头1快速向下运动，直到固定于模板工作台101的支撑调节块109与承片台4上的真空吸盘403或者浮动底座402相接触；随后，降低压印头1的下压速度，压印头继续向下运动，在压印头1下压力的作用下，通过承片台4的固定基座401与浮动底座402之间的球形接触配合产生相对滑动实现固定在压印头1上的模板3与固定在承片台4上的基片平行自适应调整和楔形误差的补偿；最后，模板3和基片完全调平后，开启承片台4上的固定基座401上的真空管路 40401，在真空负压作用下实现浮动底座402在固定基座402上的夹紧和固定，保持调平后基片和模板3之间的相对位姿，确保在随后压印、固化和脱模过程中保持模板3与基片之间的相互平行。(3)压印过程。首先，从模板工作台101中心位置10109开始，将初始的真空状态转换至压力状态，在气体辅助压印力和毛细力共同作用下，模板3的弹性层302在中心位置纵向产生弯曲变形，局部开始接触基片上的抗蚀剂，模具中心位置的微纳米结构腔体开始被抗蚀剂所充填；随后，从模板3中心位置向两侧方向逐一将真空状态转换至压力状态(通过方向控制阀的切换实现)，模板结构层301与抗蚀剂的接触面积不断扩大，直至整个模板结构层301与整片晶圆上的抗蚀剂完全接触，模板中的所有微纳米结构腔体被抗蚀剂所充填；最后，所有压力通道的压力保持均勻一致性增大，实现液态抗蚀剂材料在模具微纳米结构腔体内的完全充填，并且减薄至预定的残留层厚度。(4)固化过程。开启曝光工作室101的紫外光光源，紫外光透过模具对抗蚀剂曝光，充分固化图形化的液态抗蚀剂，固化时间5-20s (整片晶圆)。(5)脱模过程。首先，从模板工作台101最外两侧开始，关闭压力管路，打开真空管路，同时开启脱模用的喷嘴5。在真空吸力和喷嘴压缩空气产生水平力共同作用下，从最外侧开始模板3与晶圆相互分离；随后，从晶圆两侧向模板3中心逐一将压力转换回真空状态 (通过方向控制阀的切换实现)，实现模具从晶圆外侧向中心连续“揭开”式的脱模，脱模力为真空吸力和水平力的合力；最后，模板中心位置与晶圆相分离，实现模板与晶圆的完全分离，完成脱模。(6)压印头1复位。伺服电机106通过滚珠丝杠104带动压印头1快速向上运动， 返回到系统初始位置。(7)承片台4复位。首先，关闭承片台真空吸盘上的真空管路，取下复形后的晶圆， 随后，关闭承片台固定基座401的真空管路40401，使浮动底座402在固定基座401上处于自由状态。整片晶圆纳米压印光刻机中的真空管路系统包括真空泵(真空发生器)、控制
13阀、连接管路；其压印和脱模过程工作的真空度是-lOltfa _50kPa ；真空管路系统分别与连接承片台内部的真空吸盘、固定基座、以及压印头内部的模板工作台的方向控制阀的进气口相连，实现基片的固定，调平后浮动底座的锁紧和固定，以及提供脱模时的动力源。
权利要求1.一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是，它包括压印头(1)、曝光系统O)、模板 (3)、承片台(4)、脱模喷嘴(5)、机架(6)、大理石底座(7)、真空管路(8)和压力管路(9)， 其中，所述模板(3)固定于压印头(1)上，承片台(4)置于模板(3)的垂直正下方，并固定在大理石底座(7)上，承片台周边设有脱模喷嘴(5)；曝光系统O)的紫外光源置于压印头 ⑴内；真空管路⑶与承片台⑷相连，真空管路⑶和压力管路(9)分别与压印头⑴ 相连。
2.根据权利要求1所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述压印头的结构为包括模板工作台(101)、曝光工作室(102)、法兰盘(103)、滚珠丝杠(104)、联轴器 (105)、伺服电机(106)、导向架(107)、导向杆(108)和三个支承调节块(109)，其中，曝光工作室(102)与模板工作台(101)通过螺钉相连，模板工作台(101)内部设有水平管路 (10103)和垂直管路(10102)；曝光工作室(10 与滚珠丝杠(104)通过法兰盘(10 相连接，曝光工作室(10 的内顶部(10201)均勻分布安装紫外光源，紫外光源上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统(2)；联轴器(105)安装在滚珠丝杠(104)上，伺服电机(106) 安装在联轴器(105)上，导向架(107)安装在机架(6)下部，导向杆(108)安装在导向架 (107)内部；3个支承调节块(109)置于模板工作台(101)的底部；模板工作台(101)两侧面设有进气孔A(IOlOll)、进气孔B(101012)、进气孔C(101013)；或所述压印头的结构为包括模板工作台(101)、曝光工作室(102)、法兰盘(103)、 滚珠丝杠(104)、联轴器(105)、伺服电机(106)、支承调节块(109)、滑块(1011)、小支架 (1012)、连接件(1013)和导轨(1014)，其中，曝光工作室(102)与模板工作台(101)通过螺钉相连，模板工作台(101)内部设有水平管路(10103)和垂直管路(10102)；曝光工作室 (102)与滚珠丝杠(104)通过法兰盘(103)相连接，曝光工作室(102)的内顶部(10201) 均勻分布安装紫外光源，紫外光源上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统O)；联轴器 (105)安装在滚珠丝杠(104)上，伺服电机(106)安装在联轴器(105)上，滑块(1011)通过滑轨(1014)安装在机架(6)上，小支架(1012)安装在机架(6)和伺服电机(106)之间，连接件(1013)安装在机架(6)和联轴器(105)之间；3个支承调节块(109)置于模板工作台 (101)的底部；模板工作台(101)两侧面设有进气孔A(IOlOll)、进气孔B(101012)、进气孔 C(101013)；或所述压印头的结构为包括模板工作台(101)、曝光工作室(102)、法兰盘(103)、 滚珠丝杠(104)、联轴器(105)、伺服电机(106)、导向杆(108)、支承调节块(109)、滑块 (1011)、小支架(1012)和连接件(1013)，其中，曝光工作室(102)与模板工作台(101)通过螺钉相连，模板工作台(101)内部设有水平管路(10103)和垂直管路(10102)；曝光工作室(10 与滚珠丝杠(104)通过法兰盘(10 相连接，曝光工作室(10 的内顶部(10201) 均勻分布安装紫外光源，紫外光源上连接光路通道和控制单元，组成曝光系统O)；联轴器 (105)安装在滚珠丝杠(104)上，伺服电机(106)安装在联轴器(105)上，滑块(1011)安装在机架(6)下部，导向杆(108)安装在滑块(1011)内部，小支架(1012)安装在机架(6)和伺服电机(106)之间，连接件(1013)安装在机架(6)和联轴器(105)之间；3个支承调节块(109)置于模板工作台(101)的底部；模板工作台(101)两侧面设有进气孔A(IOlOll)、 进气孔 B(101012)、进气孔 C(101013)。
3.根据权利要求2所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述压印头(1)中模板工作台(101)的内部管路结构为包括模板工作台底面(10104)，模板工作台底面(10104)上设有模板工作台凹槽面(10101)和水平管路(10103)，模板工作台凹槽面 (10101)上设有垂直管路(10102)，垂直管路(10102)的一端与模板工作台凹槽面(10101) 相通，另一端与水平管路(1010 相通。
4.根据权利要求2所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述压印头(1) 中模板工作台(101)的外部管路结构为包括方向控制阀A(10106)、丝堵(10107)、连接管路(10108)和方向控制阀B(10109)，其中，方向控制阀B(10109)的一端连接模板工作台 (101)的进气孔A(lOlOll)，另外一端用丝堵(10107)封堵；方向控制阀A(10106)分别连接进气孔B(101012)和进气孔C(101013)，进气孔B(101012)和进气孔C(101013)的另一端使用丝堵(10107)封堵；连接管路(10108)实现真空管路(8)、压力管路(9)、方向控制阀 A(10106)、方向控制阀B(10109)、进气孔A(IOlOll)、进气孔B(101012)和进气孔C(101013) 的连接。
5.根据权利要求1所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述承片台的结构为包括固定基座G01)、浮动底座002)、真空吸盘(403)和真空管路004)，其中，浮动底座(402)位于固定基座(401)之上，真空吸盘003)固定于浮动底座的002)的上平面；固定基座具有凹形球形结构G0101)，浮动底座具有凸形球形结构00201)，固定基座与浮动底座之间为半球形接触配合；固定基座G01)内设有水平管路00103)，真空管路 (404)上设有控制阀进气孔I (40401)和控制阀进气孔II 00402)，真空吸盘(40 上设有水平进气口 ；水平管路G0103)与控制阀进气孔I (40401)相连，水平进气口与控制阀进气孔 11(40402)相连。
6.根据权利要求5所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述承片台的结构中，固定基座G01)内还设有垂直管路(10102)，固定基座001)中央设有中心圆形通孔 (40104)；固定基座(401)内设有内圆形通孔(40105)，内圆形通孔(40105)分别与中心圆形通孔00104)、水平管路00103)以及垂直管路(4010 相通；垂直管路(4010 最上端与凹形球形结构(40101)相通，垂直管路(4010 最下端与圆形通孔(4010 相通，水平管路(40103)与控制阀进气孔I (40401)相连，真空吸盘(403)中的水平进气口与控制阀进气孔 11(40402)相连。
7.根据权利要求1所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述模板(3)的结构为包括三层，最下层为结构层(301)，中间层为弹性层(302)，最上层为支撑层(303)， 所述结构层(301)上设有要制造的微纳米结构图形(30101)，弹性层(302)位于结构层 (301)之上，支撑层(303)位于弹性层(302)之上。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种整片晶圆纳米压印光刻机，其特征是所述真空管路(8)分别与承片台(4)上的真空吸盘和固定基座的方向控制阀进气孔相连，真空管路(8)和压力管路(9)与压印头(1)模板工作台两侧面的方向控制阀的进气孔相连。
专利摘要本实用新型公开了一种整片晶圆纳米压印光刻机，它包括压印头、曝光系统、模板、承片台、脱模喷嘴、机架、大理石底座、真空管路和压力管路，其中，模板固定于压印头上，承片台置于模板的垂直正下方，并固定在大理石底座上，承片台周边设有脱模喷嘴；曝光系统的紫外光源置于压印头内；真空管路和压力管路均与压印头相连；真空管路还与承片台相连。本实用新型的整片晶圆纳米压印光刻机，具有结构简单、适应性广、操作方便、制造成本低和可靠性高等优点，可应用于LED图形化、微透镜、微流体器件的制造，尤其适合光子晶体LED的低成本和规模化制造。
文档编号G03F7/00GK202205025SQ20112033681
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月8日 优先权日2011年9月8日
发明者丁玉成, 兰红波 申请人:青岛理工大学