专利名称：一种步进式微区压印系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种机械装置，具体涉及一种步进式微区压印系统，用 于制作大幅面微纳米结构和器件。
背景技术：
自20世纪60年代以来，集成电路的发展日新月异，单个芯片中集成的 晶体管数目每18个月翻一番。随着电路中器件尺寸的不断变小，传统的光 学光刻技术将接近其物理极限。非光学光刻技术，以电子束/离子束光刻和X 射线光刻为代表，其优点是分辨率极高、无需掩模，理论上极限分辨率可以 小于一个纳米，然而其设备成本及其昂贵，且不适合在大幅面基底上的加工 微纳米结构，因此电子/离子束光刻技术目前主要应用于制作光学光刻掩模 板以及加工小批量的微纳结构器件。
微纳米压印技术是一种用于大批量重复制备微纳米图形结构的新兴技 术，该技术由Princeton大学S.Y.Chou教授首先提出。其基本思想是在 髙温髙压下，将一具有纳米图案的模版(模仁)以机械力在涂有髙分子材料 的基板上等比例压印复制纳米图案，其加工分辨率只与模版图案有关，而不 受光学光刻最短曝光波长的物理限制，具有髙分辨、髙产出、低成本的优势。 现有的微纳米压印技术主要有四种热压印、紫外压印、微接触(步进一闪 光)压印和激光辅助压印。其一般工艺流程是在基片上涂覆聚合物层，采 用某种方式(如加热、紫外辐照等)使聚合物层软化，将带有纳米图案的刚性 压模压印在基片上，再将温度降低到聚合物凝固点附近时把压模和基片分 离，压模上的图形就转移到了聚合物层上，最后就可以对基片进行常规的镀 膜、刻蚀、剥离等工艺，最终制成纳米结构的器件。
现有的步进式微区压印系统包括放置待压印基板的工作平台，安装压印 模仁的压印头及其驱动装置，固化结构及控制装置；以待压印基板所在平面 为x-y平面，所述工作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运 动自由度，所述压印模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置提供各运动装 置的控制信号、固化信号，并实现压力控制；所述数控的使压印模仁绕z轴 旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置通常只是由伺服电 机驱动运作。
然而，为了制备大幅面微纳米结构和器件，需要实现微纳米结构图形的 转移，因而必须保证模仁压入的平衡、均匀及其与基板表面的垂直性，任何 压入的微小不平衡、非均匀、与表面的不垂直，都会导致图形转移中发生畸 变而且，当模仁面积增大时，发生图形畸变的可能性也随之变大。因此， 进一步改进步进式微区压印系统的结构，以提髙装置的机械精度要求，具有 现实的积极意义。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种步进式微区压印系统，以提髙模仁压入的 平衡、均匀及其与基板表面的垂直性，进而满足不同压印深度、多空间取向 的复杂微纳米结构的低成本、大批量制作。
为达到上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是一种步进式微区 压印系统，包括放置待压印基板的工作平台，安装压印模仁的压印头及其驱 动装置，固化结构及控制装置；以待压印基板所在平面为x-y平面，所述工 作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印 模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控 的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置提供各运动装置的控制信号、固 化信号，并实现压力控制；所述数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装 置和数控的z轴方向的平移运动装置的结构为压印头连接板上设有伺服电 机，伺服电机驱动连接板沿z轴方向上下运动，构成所述平移运动装置；伺 服电机控制主同步带轮，并通过主同步带轮同步带动从同步带轮转动，压印 头通过隔热板与从同步带轮连接，构成所述旋转运动装置；压印头的底部设 有压印模仁，所述压印头上还设有自调平机构，所述自调平机构通过第一减 压阀和第二减压阀分别控制平移运动装置导向驱动器的上、下气缸的气体压 力；所述压印头上还设有加热器和温度传感器。一减压阀和第二减压阀分别控制平移运动 装置导向驱动器的上、下气缸的气体压力，即下气缸用于平衡导向驱动器和 压印头的重量，上气缸的压力为实际压印力，从而实现稳定的压印力输出。
所述所述工作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度， 这可以有下列两种方法(l)所述工作平台具有数控的x轴平移运动装置和数 控的y轴平移运动装置，即压印头在x-y平面中相对固定，由工作平台的运动 实现两者的相对运动；(2)所述压印头具有数控的x轴平移运动装置，所述工 作平台的驱动装置包括数控的y轴巻对巻输送方式，通过压印轮转动将待压材 料做平移运动，通过工作平台和压印头的运动配合实现工作位的改变。
上述技术方案中，所述固化结构为热压印结构，由设置于压印模仁上方 的加热装置构成。
与之相应的另一种技术方案是，所述固化结构为紫外压印结构，在压印 头上方或工作平台下方设置有紫外灯。
本实用新型装置的压力施加及控制方法为通过第一减压阀向导向驱动 器的上气缸输出压力，为实际压印力，通过第二减压阀控制导向驱动器的下 气缸压力，用于平衡导向驱动器和压印头的重量每次实行压印动作时，首 先z方向伺服电机收到控制装置的信号驱动压印头连接板向下运动，压印模 仁接触到压印材料后，导向驱动器上气缸的压力开始作用于压印材料，压力 可选0.1-500N之间，保压时间(保持最大压力的时间，0.05-1000秒)由计算 机程序确定，保压时间结束后，z方向伺服电机带动压印头连接板向上运动， 压印模仁脱离压印材料表面，压印动作结束。
本实用新型的工作过程如下压印模仁安装于压印模头上，确定压印模 仁与待压印基板的相对位置，进入第一个压印工作位；采用热压印或紫外压 印的方法实现一个微区单元的微纳结构图形压印；改变压印模仁与待压印基 板的相对位置，压印模仁可在x-y工作平面内绕z轴旋转，至下一个压印工 作位；重复上述步骤，直至完成所有微区单元的压印，即实现了所需压印的 微纳结构图形的制作；在实际操作中，该压印图形是由具有特定格式的图像 文件由计算机生成的。
由于上述技术方案运用，本实用新型与现有技术相比具有的优点是1、 本实用新型采用了结构合理的压印模仁的驱动装置，并配合自调平机构，提髙了模仁压入的平衡、均匀及其与基板表面的垂直性，使整个装置具有稳定的压力输出，避免了压印模仁的损耗，同时具有的自调平装置，避免了多次压印过程中可能导致的压印不均匀情况的出现。
2、 本实用新型采用了在压印头部件的加热方式，压敏材料不直接受热，并且由于加热器与电机相距较远，保证装置可以长时间连续稳定可靠工作；通过压力控制有效控制压印深度，可以实现微纳米结构的颜色改变，或者通过高低起伏的不同结构为半导体的后期制作进行技术准备。
3、 本实用新型的步进式微区压印系统易于在大幅面基板上实现微纳结构，紫外照明系统可以实现紫外压印工艺；如果加装多个压印头，可以实现多个图案大幅面的快速压印复制。
图1是本实用新型实施例一的结构示意图2是图1中压印头的结构示意图3是图1中压印头自调平机构的示意图4是图1中Y方向送料方式为滚轮式的结构示意图5-7是本实用新型实施例一的工作过程示意图。
其中1、 x轴伺服电机；2、联轴器；3、 x轴滚珠丝杠；4、丝杠安装座；5、第一减压阀；6、气压传感器；7、压印头连接板；8、伺服电机；9、x轴直线导轨；10、龙门支架结构；11、 x轴缓冲块；12、 x轴直线导轨；13、工作平台；14、 y轴缓冲块；15、基座；16、 y轴伺服电机；17、丝杠螺母连接块；18、控制装置；19、坦克链；20、第二减压阀；21、联轴器；22、z轴直线导轨；23、连接板；24、零位；25、导向驱动器；26、驱动器连接板；27、从同步带轮；28、隔热板；29、加热器；30、压印模仁；31、压印头；32、温度传感器；33、自调平机构；34、主同步带轮；35、伺服电机；36、锁紧弹性套；37、关节轴承；38、待压印基板；39、主动辊；40、从动具体实施方式
以下结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述实施例一
参见图1 7所示， 一种步进式微区压印系统，包括放置待压印基板38的工作平台13,安装压印模仁30的压印头31及其驱动装置，固化结构及控制装置；以待压印基板38所在平面为x-y平面，所述工作平台13与所述压印头31具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印模仁30的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置18提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制；基座15可用蠊栓紧固于减震台上，减震台固定在地板上，减震台为该微纳米压印机提供支撑并隔离外界震动；在基座15上安装有工作平台13，在伺服电机16驱动滚珠丝杠(未画出)经由丝杠螺母连接块17在Y方向(垂直纸面方向)运动，聚氨酯块14起到缓冲限位作用；龙门支架结构IO上安装有X方向直线导轨9和12,同时安装有X方向丝杠安装座4,滚珠丝杠3安装于丝杆安装座4上，其上有丝杠螺母连接块(未画出)与压印头连接板7连接，由伺服电机1驱动连接块和压印头连接板7在X方向位移所述数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置的结构为压印头连接板7上安装有伺服电机8，伺服电机8驱动连接板23沿z轴方向上下运动；伺服电机35可带动主同步带轮34转动，并进而通过同步带(未画出)带动从同步带轮27转动，压印头31通过隔热板28与从同步带轮27连接，压印模仁30安装于压印头底部，压印头31上安装有加热器29和温度传感器32，压印头上具有自调平机构33，所述自调平机构33通过第一减压阀5和第二减压阀20分别控制平移运动装置导向驱动器25的上、下气缸的气体压力；所述压印头31上还设有加热器29和温度传感器32。
具有微纳米浮雕结构的印章称为微纳米压印模仁30，可直接在髙硬度材料上制作微纳结构，这些材料如镍、二氧化硅、硅、碳素钢、碳化硅等，安装于装置压印头31上；压印模仁30可实现对0.02mmX0.02mm至5mmX5mm单元内的一次性压印成型；压印图形由若干个这样的单元组成，各
7单元之间模仁结构空间取向可以不同。待压印图形具有自定义的文件格式，该文件读入计算机程序后，由计算机程序优化压印路径，压印图形的各压印
单元的微纳结构空间取向即可确定，通过控制装置18向各伺服电机和加热系统输出信号，其中转角控制伺服电机35通过同步带轮27和34转动压印模仁30，从而改变不同压印单元内微纳结构的空间取向。设计装置中压印头31可作-180°~180°旋转，旋转精度为0.1°。
本实用新型装置的压力施加及控制方法为通过第一减压阀向导向驱动器的上气缸输出压力，为实际压印力，通过第二减压阀控制导向驱动器的下气缸压力，用于平衡导向驱动器和压印头的重量；每次实行压印动作时，首先z方向伺服电机收到控制装置的信号驱动压印头连接板向下运动，压印模仁接触到压印材料后，导向驱动器上气缸的压力开始作用于压印材料，压力可选0.1 500N之间，保压时间(保持最大压力的时间，0.05-1000秒)由计算机程序确定，保压时间结束后，z方向伺服电机带动压印头连接板向上运动，压印模仁脱离压印材料表面，压印动作结束。压印模仁结构，既可以是具有微纳米结构的光栅，也可以是具有多种如柱形、圆形、锯齿形等规则或者不规则的形状。待压印基板至少其表面为髙分子材料层，也可以整体由髙分子材料构成，所述髙分子材料可以为聚碳酸酯(PC: Polycarbonate)、聚氯乙烯(PVC: Polyrinyl Chloride)、聚酯(PET: Polyester)、丙烯酸(PMMA:Polymethyl Methacrylate)或聚烯(BOPP: Biaxial Oriented Plypropylene)等，可表现为硬板型或薄膜型。
图3是图1中压印头的自调平机构33的实例示意图，其中，压印头31安装于关节轴承37内，锁紧弹性套38将关节轴承37外圏固定；当执行压印动作时，由于压印头31受力，因而可在关节轴承37内摆动自适应调整与基板的平行度。图4是图1中的步进式压印系统Y轴巻送压印基材的实例，压印材料38置于主动辊39和从动辊40之间并压紧，Y向伺服电机16驱动主动辊39旋转，由于受到主动辊39和从动辊40之间的摩擦力，压印材料38在y方向发生位移从而实现了巻送压印材料。
图5~7是本实施例的工作过程示意图，压印模仁安装于压印头31上，确定压印模仁30与待压印基板38的相对位置，进入第一个压印工作位，如纳结构图形压印改变压印模仁与待压印基板的相对位置，压印模仁可在x-y工作平面内绕z轴旋转，至下一个压印工作位，如图6所示；重复上述步骤，直至完成所有微区单元的压印，即实现了所需压印的微纳结构图形的制作，如图7所示；在实际操作中，该压印图形是由具有特定格式的图像文件由计算机生成的。所述固化结构为热压印结构，由设置于压印模仁上方的加热装置构成。所述加热装置可以采用高频电磁加热装置或者电热棒加热装置。或者，所述固化结构为紫外压印结构，在压印头上方或工作平台下方设置有紫外灯。设置紫外灯时，对应的紫外光穿透部分应对紫外光透明。
权利要求1.一种步进式微区压印系统，包括放置待压印基板(38)的工作平台(13)，安装压印模仁(30)的压印头(31)及其驱动装置，固化结构及控制装置；以待压印基板(38)所在平面为x-y平面，所述工作平台(13)与所述压印头(31)具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印模仁(30)的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置(18)提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制；其特征在于，所述数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置的结构为压印头连接板(7)上设有伺服电机(8)，伺服电机(8)驱动连接板(23)沿z轴方向上下运动，构成所述平移运动装置；伺服电机(35)控制主同步带轮(34)，并通过主同步带轮(34)同步带动从同步带轮(27)转动，压印头(31)通过隔热板(28)与从同步带轮(27)连接，构成所述旋转运动装置；压印头(31)的底部设有压印模仁(30)，所述压印头上还设有自调平机构(33)，所述自调平机构(33)通过第一减压阀(5)和第二减压阀(20)分别控制平移运动装置导向驱动器(25)的上、下气缸的气体压力；所述压印头(31)上还设有加热器(29)和温度传感器(32)。
2. 根据权利要求1所述的步进式微区压印系统，其特征在于所述固 化结构为热压印结构，由设置于压印模仁(30)上方的加热装置构成。
3. 根据权利要求1所述的步进式微区压印系统，其特征在于所述固 化结构为紫外压印结构，在压印头上方或工作平台下方设置有紫外灯。
专利摘要本实用新型公开了一种步进式微区压印系统，包括放置待压印基板的工作平台，安装压印模仁的压印头及其驱动装置，固化结构及控制装置；以待压印基板所在平面为x-y平面，所述工作平台与所述压印头具有x轴和y轴方向的相对平移运动自由度，所述压印模仁的驱动装置包括数控的使压印模仁绕z轴旋转的旋转运动装置和数控的z轴方向的平移运动装置，所述控制装置提供各运动装置的控制信号、固化信号，并实现压力控制。本实用新型采用了结构合理的压印模仁的驱动装置，并配合自调平机构，提高了模仁压入的平衡、均匀及其与基板表面的垂直性，使整个装置具有稳定的压力输出，避免了压印模仁的损耗。
文档编号B81C1/00GK201395509SQ200920039610
公开日2010年2月3日 申请日期2009年4月17日 优先权日2009年4月17日
发明者芳 周, 庄孝磊, 楼益民, 溯 申, 皮利华, 陈林森 申请人:苏州苏大维格光电科技股份有限公司;苏州大学