一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法

本发明属于微纳制造，具体涉及一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法。

背景技术：

1、纳米时代的到来使纳米结构体系成为材料科学与工程领域研究的热点之一。纳米结构的广泛应用可以实现器件的高性能化、多功能化、微型化，预计将在电子领域、环境科学领域、医学领域带来新的突破。纳米技术发展的一个主要推动力来自于光电产业，以光电子器件的表面纳米图案化为例，其可以增强和控制光束的发射、调制、动态整形和检测以此来提升器件的质量和性能。因此，各种微纳加工技术引起了广泛的研究和关注。如今，主要的微纳制造方法有极紫外光刻、电子束光刻、纳米小球自组装等，但这些方法各自由于其制备成本高、缺陷率难控制等不足，在光电器件此类成本敏感领域难以实现大规模的工业化制造。

2、纳米压印技术凭借其低成本、高通量、高分辨率等优势在纳米结构制备中展示出巨大的潜力。但是，在诸如光电器件这类应力敏感的翘曲衬底上利用纳米压印技术进行纳米图案制备仍然面临挑战。首先，光电器件在外延生长的过程中，由于不同材料之间的热失配和应力失配会造成外延片的翘曲。压印过程中，衬底的翘曲会使模板和衬底难以完整接触从而造成压印的缺陷。其次，光电器件的多层薄膜结构使其对应力极为敏感，外力的引入会使半导体材料的势垒发生变化进而导致其光电性能的变化。在传统压印中，对于翘曲衬底，往往需要较大的外力保证模板和衬底的接触，这显然不适用于应力敏感的衬底。因此，在应力敏感的翘曲衬底上实现均匀、大面积的纳米压印仍然是一个挑战。

技术实现思路

1、为了克服上述技术的局限性，本发明的目的在于提供一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法，不仅适用于平整衬底，而且对于翘曲衬底具有较强的适应性，同时可满足在应力敏感衬底上进行大面积纳米结构的制备，可兼容半导体工艺。

2、为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：

3、一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法，采用包括柔性导电模具1、滚轴2、承载台3的压印光刻设备，包括以下步骤：

4、1)柔性导电模具1的安装：将柔性导电模具1一端固定在滚轴2上，其余部分顺势缠绕在滚轴2上，另外一端固定在承载台3上，使柔性导电模具1的悬空部分自然下垂成摊铺状态，整个柔性导电模具表现为柔性辊的形式；

5、2)待加工样品的安装：涂覆压印胶5的样品4在气槽负压的作用下被吸到承载台3上，同时弹簧电极被压下；

6、3)外电场加载：在柔性导电模具1和样品4表面之间施加100v-800v的电压6，形成电极对；

7、4)柔性导电模板连续式摊铺：滚轴2启动，沿顺时针方向转动，使滚轴上的柔性导电模具1逐步释放，同时承载台3启动，在电场力和运动机构的作用下，柔性导电模具1和涂覆压印胶的样品4接触，随时间推移，接触面积逐渐增大，直至完全贴合；在柔性导电模具1和样品4的接触区域内，静电吸引力和电致毛细力的共同作用，使柔性导电模具1上的纳米微腔得到完整填充；

8、5)固化：液态压印胶固化，关闭电压6；

9、6)脱模：滚轴2沿逆时针方向转动，同时承载台3沿相反的方向运动，柔性导电模具1逐渐从样品4上剥离，并顺势缠绕在滚轴2上，完整的样品压印过程完成。

10、所述的滚轴尺寸、承载台尺寸、滚轴距离承载台高度、模板尺寸要根据实际样品的尺寸决定；各运动机构的速度根据压印的效率以及缺陷的预防产生设计决定。

11、所述的承载台3上气槽施加的真空负压力的大小，根据不同样品4压印所需要的脱模力决定，脱模力越大，负压力越大，反之亦然。

12、所述的柔性导电模具1的制备，考虑其透光性以及局部刚性和全局柔性的要求，可以选用超薄的玻璃材质、聚合物材质或多种材料的复合；柔性导电模具1的透明导电薄膜层可以选用氧化铟锡(ito)、掺氟氧化锡(fto)或掺铝氧化锌(azo)；透明导电薄膜层的制备选用气相沉积方法(cvd)、溅射法、热蒸发法或溶胶凝胶法。

13、所述的柔性导电模具1的制备，选择采用电子束光刻、刻蚀、激光加工等方法直接加工或者从上述方法制备的母模中翻制。

14、所述的柔性导电模具1制备完成后要进行表面疏水处理，可以选择沉积八氟环丁烷、聚四氟乙烯、氟硅烷等材料。

15、所述的压印过程中柔性导电模具1和样品4表面之间施加的电压6，根据滚轴2和承载台3的相对运动速度和压印材料介电常数的大小决定，外电场的存在要保证压印过程中没有气泡的包裹且不能超过模板的击穿电压。

16、本发明除传统纳米压印技术所具有的一系列优点以外，显著的优点还包括：

17、1、通过滚轴的简单运动即可实现柔性导电模具1的连续释放和回收进而完成压印的过程，控制方式简单。

18、2、在电压和运动装置的作用下，柔性导电模具1表现为柔性辊的形式，在基板上以线接触的形式进行扩散，可以避免气泡包裹、厚度变化和粉尘污染等缺陷的产生，也提高了样品整体的均匀性。

19、3、电压提供驱动力，使柔性导电模具1可以适应一定翘曲的非平整衬底，实现与翘曲衬底的完整接触，保证大面积压印的完成。

20、4、电压被施加到柔性导电模具1和衬底上，作为一种表面力，只存在于电极对之间，更加均匀，不会传递到衬底，影响衬底的性能。

21、5、电压对压印胶润湿性的改变以及静电吸引力的驱动作用可以保证结构的完整填充，进而实现结构的高保真度成形。

技术特征：

1.一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法，采用包括柔性导电模具(1)、滚轴(2)、承载台(3)的压印光刻设备，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的滚轴尺寸、承载台尺寸、滚轴距离承载台高度、模板尺寸要根据实际样品的尺寸决定；各运动机构的速度根据压印的效率以及缺陷的预防产生设计决定。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的承载台(3)上气槽施加的真空负压力的大小，根据不同样品(4)压印所需要的脱模力决定，脱模力越大，负压力越大，反之亦然。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的柔性导电模具(1)的制备选用超薄的玻璃材质、聚合物材质或多种材料的复合；柔性导电模具(1)的透明导电薄膜层选用氧化铟锡(ito)、掺氟氧化锡(fto)或掺铝氧化锌(azo)；透明导电薄膜层的制备选用气相沉积方法(cvd)、溅射法、热蒸发法或溶胶凝胶法。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的柔性导电模具(1)的制备选择采用电子束光刻、刻蚀、激光加工的方法直接加工或者从上述方法制备的母模中翻制。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的柔性导电模具(1)制备完成后要进行表面疏水处理，选择沉积八氟环丁烷、聚四氟乙烯、氟硅烷的材料。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述的压印过程中柔性导电模具(1)和样品(4)表面之间施加的电压(6)，根据滚轴(2)和承载台(3)的相对运动速度和压印材料介电常数的大小决定，电压的存在要保证压印过程中没有气泡的包裹且不能超过柔性导电模具(1)的击穿电压。

技术总结
一种电场驱动柔性辊纳米压印光刻方法，采用柔性导电模具作为压印模板，柔性导电模具的一段固定在滚轴上，其余部分顺势缠绕在滚轴上，另一端固定在承载台上，使柔性导电模具自然下垂成摊铺状态，表现为柔性辊的形式；电压施加在柔性导电模具和衬底上，并为压印提供驱动力；通过滚轴的简单运动，柔性导电模具以柔性辊的形式实现连续的释放和回收从而完成压印的过程；本发明通过简单的控制方式使柔性导电模具以线接触的方式进行运动，以此可以避免气泡等缺陷的产生；尤其适用于晶圆级应力敏感的翘曲衬底，在适应衬底翘曲的同时，可避免外力引入对衬底性能的影响。

技术研发人员：王春慧,邵金友,范瑜,李祥明,田洪淼,陈小亮
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/22