大面积微纳图形化的装置和方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的装置及方法，尤其涉及一种基于滚轮(辊筒)辅助和软模具的大面积复合纳米压印装置和方法，实现超大尺寸衬底(米级尺度)、非平整衬底或易碎衬底大面积微纳米图形化，属微纳制造技术领域。
【背景技术】
[0002]高清平板显示、高效太阳能电池板、抗反射和自清洁玻璃、LED图形化、晶圆级微纳光学器件等领域为了改进和提高产品的性能和品质，对于大面积微纳图形化技术有着非常巨大的产业需求。这些产品其共同特征是需要在大尺寸非平整刚性衬底上(硬质基材或者基板)高效、低成本制造出大面积复杂三维微纳米结构。例如LED行业纳图形化蓝宝石(NPSS)衬底的典型特征:需要在非平整蓝宝石衬底表面制造出大面积复杂三维纳米结构，图形的形状通常为半球形、锥形、金字塔等形状，图形的最小特征尺寸在200nm。抗反射(减反射)和自清洁玻璃能够有效地消减玻璃本身的反射，增加了玻璃的透过率(即减少入射光的全频谱反射，增加透射，提高透明度；降低玻璃表面的镜面效果，具有防眩功能)，并具有抗污染和自清洁的优点。美国麻省理工学院研制出一种玻璃表面纳米结构几乎可以完全消除反射，玻璃的表面纳米结构为高1000纳米、基底宽200纳米的纳米锥阵列。现有的各种微纳米制造技术(诸如电子束光刻、光学光刻、激光干涉光刻、全息光刻、自组装等)无论在技术层面(非平整衬底大面积微纳图形化、复杂三维微纳结构制造)，还是在图形化的生产成本、效率、一致性、良率等方面都还难以满足工业级规模化生产的实际要求。
[0003]纳米压印光刻(Nanoimprint Lithography, NIL)作为一种全新的微纳米制造技术，较之现行的投影光刻和下一代光刻技术，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NIL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，而且其最显著的优势在于大面积、复杂三维微纳结构制造的能力以及非平整衬底的图形化，尤其是软紫外纳米压印工艺还具有在非平整(弯曲、翘曲或者台阶)、曲面、易碎衬底上底上实现晶圆级纳米压印的潜能，以及滚压印工艺所特有的连续图形化能力。此外，NIL是基于压印材料受力变形而实现其图形化，不涉及各种高能束的使用，对于衬底的损伤较小，这对于许多光电子、量子器件的应用非常重要。目前纳米压印的最小特征尺寸已经达到2.4nm。
[0004]尽管纳米压印光刻在大面积微纳图形化方面具有非常突出的优势和潜能，但是现有的各种纳米压印工艺在图形化面积、压印成本、效率、一致性等方面还存在着诸多的不足，尤其是对于刚性衬底(硬质基材)整片压印的最大尺寸还局限在8英寸以下，对于大幅面、米级尺度刚性衬底的大面积图形化还难以实现，已经严重影响和制约了大面积纳米压印在新一代大尺寸高清平板显示、高效太阳能电池板、高性能玻璃幕墙、大尺寸LED图形化、大尺寸晶圆级微纳光学产品等的广泛应用。
[0005]目前大面积纳米压印主要有三种工艺:(I)整片晶圆压印；(2)滚对平面压印(又分为使用滚轮模具和基于平板模具的滚轮施压)；(3)滚对滚型压印(Roll-to-Rollimprinting)。目前整片晶圆压印(亦称晶圆级压印)主要策略是结合气体辅助施压和平板型模具实现晶圆级纳米压印，目前最大压印的面积限定在8英寸以下晶圆，对于更大晶圆尺寸压印面临许多挑战性难以处理的问题(诸如非常大的压印力、大面积共形接触、大面积均匀施压、气泡消除、大面积脱难等诸多难题。例如8英寸整片晶圆纳米压印如果施加2Bar的压印力，整片晶圆所要承受的压印力就达到628kgf/cm2，气腔室的压力将可能超过1400kgf/cm2，而且随着压印面积的进一步增大，压印力成几何倍数增加。导致软模具的变形以及压印工艺的实现等许多问题非常难以处理)，更大尺寸晶圆的整片压印，尤其是对于米级尺度刚性衬底的图形化目前还几乎无法实现。滚对滚型压印虽然可以实现大面积连续图形化，但主要适用于柔性衬底(基材)，对于硬质刚性衬底微纳图形化不适合，尤其对于大尺寸非平整刚性衬底几乎无法实现其图形化。基于滚轮模具的滚对平面压印一方面对刚性衬底平整度要求高(难以处理翘曲、非平整衬底压印)，另一方面滚轮模具制造困难，尤其对于纳尺度无缝滚轮型模具的制造，现有的技术几乎还无法解决。基于平板模具滚轮施压型滚对平面压印仅仅能实现压印工步(主要是仅仅利用滚轮施加均匀压印力)，放置模具和脱模等操作还需要设置专门的机构，而且脱模效果差，生产效率低，设备复杂和成本高。压印面积目前也还限定在较小的面积，无法实现大尺寸硬质基材的大面积微纳图形化。
[0006]因此，现有的各种微纳制造工艺和方法还难以满足大尺寸(8英寸以上)、非平整刚性衬底和易碎衬底大面积图形化工业级规模化生产的要求，已经严重影响和制约了大面积功能性表面纳米结构和纳米结构涂层在高性能玻璃、高效太阳能电池板、新一代高清平板显示、大尺寸LED图形化等行业的应用和推广，成为制约这些新技术推广和应用的瓶颈。因此，迫切需要开发新的超大面积纳米图形化的装置和方法，实现米级尺度超大尺寸衬底、非平整衬底、易碎衬底的大面积微纳图形化，解决超大尺寸、非平整刚性衬底、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的难题。
【发明内容】
[0007]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种适用于在超大尺寸、非平整刚性衬底(硬质基材或基板)、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的装置及其方法，实现米级尺度超大尺寸刚性衬底的大面积微纳米图形化。
[0008]本发明提出一种滚轮(亦称为滚筒、辊筒或者圆筒)辅助软(模具)紫外纳米压印新工艺，它结合了平板型压印和滚轮型压印的优势，能够实现超大尺寸、非平整、易碎衬底高效、低成本大面积微纳米图形化。它的基本原理:压印过程是利用滚轮侧面径向设置进气口负压和正压依次顺序转换，并结合滚轮旋转和衬底工作台的水平移动，将最初吸附在滚轮上的弹性软模具逐渐平铺到涂覆压印材料的衬底上，同时在旋转滚轮线接触(顺序微接触施压)均匀施压作用下，使用非常小的压印力就能实现模具与非平整衬底大面积完全共形接触，均匀施压，确保大面积压印图形的一致性，避免大面积纳米压印需要很大压印力导致软模具变形，同时顺序微接触方法易于消除气泡缺陷、而且还解决了大面积压印过程中引入颗粒污染物的问题；脱模是利用滚轮侧面径向设置进气口负压依次顺序转换，并结合滚轮反向旋转(与压印相对应)和衬底工作台的反向水平移动(与压印过程相对应)，将软模具逐渐依次顺序吸附在滚轮外表面，实现类似“揭开式”连续脱模，基于该方法采用非常小的脱模力就能实现大面积连续揭开式脱模，而且脱模后的软模具被吸附固定在滚轮表面上，能够确保获得均匀一致的脱模力，脱模面积没有限制，脱模操作简单，生产效率高，而且还有效避免了大面积脱模导致模具损伤、压印图形缺陷多的问题。基于提出新的压印和脱模策略和方法，本发明实现了实现米级尺度超大尺寸衬底、非平整衬底、易碎衬底的大面积微纳图形化，解决了超大尺寸、非平整刚性衬底、易碎衬底上高效、低成本规模化制造大面积微纳米结构的难题。
[0009]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0010]—种大面积微纳图形化的装置，它包括:机架、工作台、承片台、衬底、压印材料、软模具、滚轮、紫外光光源、压印机构、真空管路和压力管路；其中，工作台固定在机架上；所述承片台固定于工作台的移动台面上；所述承片台正上方真空吸附着衬底；所述衬底上均匀涂铺液态紫外光固化型压印材料；软模具通过真空吸附的方式附着在滚轮外表面；滚轮固定于压印机构上，且滚轮位于衬底上方；紫外光光源固定于压印机构上，并置于滚轮完成压印结构的一侧，且紫外光光源位于衬底正上方；所述真空管路和压力管路均与承片台的进气口连通，真空管路和压力管路均与滚轮的进气口连通。
[0011]所述滚轮的外圆柱面上均匀布设若干个吸附槽，所述滚轮的侧面上均匀布设若干个进气孔，所述吸附槽底至滚轮内部设有若干个径向孔，径向孔将进气孔和吸附槽相连通；滚轮利用外圆柱面设置的吸附槽，并通过正压和负压的依次顺序转换，实现软模具在滚轮表面上的逐渐顺序吸附固定和分离。
[0012]所述进气孔的数量不少于8个。所设置的进气孔和滚轮外表面的吸附槽数量越多，压印和脱模的效果越好。
[0013]优选的，所述滚轮的外表面包裹一层弹性材料，如硅橡胶、弹性体聚氨酯、橡胶等，形成软质弹性体滚轮。
[0014]所述驱动滚轮旋转的电机包括伺服电机、步进电机。
[0015]所述工作台为一维或二维电动平移台，通过与滚轮和软模具的密切配合，实现压印和脱模工步，以及衬底的更换。电动平移台可以采用伺服电机、直线电机或者步进电机驱动。
[0016]优选的，所述工作台为传送带结构，传送带结构上放置多片衬底，实现衬底连续图形化。所述传送带结构的正下方相对应滚轮位置处设有辅助支撑辊轮，可以提高压印的均匀性。
[0017]所述压印机构包括驱动装置、导向杆和支架，驱动装置驱动支架沿Z轴上下运动；所述支架上连接滚轮固定连接架和紫外光光源连接架；所述导向杆置于支架的四个角上，数量是四个，导向杆与支架的连接采