一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方法

一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方法，装置包括工作台、衬底、液态有机聚合物、模板、电场和压印机构，工作台上设有涂铺有液态有机聚合物的衬底，衬底上放置模板，模板上固定有压印机构，模板包括支撑层和特征结构层，支撑层在特征结构层之上，衬底与模板的支撑层之间连接有直流电源，施加外加电场,电场强度是300～800V/cm。本发明基于微流体电渗驱动原理，采用“电渗力”驱动提拉极性液体，在很小压印力作用下，通过向上提升的电渗力即能实现液态聚合物对于模具微纳米结构型腔的快速完全填充，变传统纳米压印“压力驱动”为“电渗力”驱动，液态聚合物对于模板微纳结构型腔填充由“压”模式转变为“拉”模式。
【专利说明】一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方法

【技术领域】
[0001] 本发明属于微纳制造【技术领域】，尤其涉及一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方 法。

【背景技术】
[0002] 纳米压印光刻（Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新的微纳米结构制造方 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，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LED纳米图形化、高密度磁盘介 质（HDD)、微光学器件（如光学透镜、衍射光学元件、光栅等）、太阳能光伏器件、高清显示、 微流控器件等领域的广泛应用，对于大面积纳米压印、高深宽比微纳结构的需求越来越迫 切，同时复形精度和质量的要求也愈来愈高。
[0003] 传统的纳米压印是基于"压力驱动"，即通过在模具上施加压力，在压力作用下液 态聚合物流变填充模具微纳米结构型腔，完全填充并固化后，模具与压印聚合物微纳米结 构相互分离，脱模后得到制造的微纳米结构。但是，随着压印面积的不断增大，高深宽比微 纳结构制造巨大需求，以及压印效率提高的要求，为了实现压印过程中液态聚合物对于模 具型腔的快速填充，需要的压印力也变得越来越大。但是，过大的压印力会引起诸多不利或 者负面的影响：
[0004] (1)引起模具的变形，尤其是软模具将产生更大的变形，影响压印图形的精度和质 量；
[0005] (2)可能对衬底造成损伤，尤其对于一些脆性材料衬底（例如III-V族的衬底和外 延片等），过大或非均匀压印力可能导致衬底碎裂；
[0006] (3)影响对正精度；
[0007] (4)增加设备的复杂性和成本（需要提高压印设备刚性）。
[0008] 此外，传统"压力驱动"型纳米压印还面临以下技术难题：
[0009] (1)难以实现高深宽比微纳米结构的制造；
[0010] (2)对于非平整衬底、大面积衬底难以确保模具和衬底获得良好的共形接触，获得 均匀一致压印图形；
[0011] (3)大面积填充需要的时间长，严重影响纳米压印生产率的提高；
[0012] (4)过大的压印力，导致脱模困难，压印图形缺陷多。
[0013] 因此，现有传统"压力驱动"型纳米压印面临以下四个迫切需要解决的挑战性技术 难题：
[0014] (1)大面积晶圆级纳米压印；
[0015] (2)高深宽比微纳米结构纳米压印；
[0016] (3)易碎衬底、非平整衬底的纳米压印；
[0017] (4)压印效率改进及提高。


【发明内容】

[0018] 本发明为了解决上述问题，提出了一种电渗驱动纳米压印装置及其工作方法，该 装置基于微流体电渗驱动原理，变传统的"压力驱动"型纳米压印为"电渗力驱动"型纳米 压印（液态聚合物在电渗力作用下被向上提升，实现液态聚合物对模具微纳米结构型腔的 快速完全填充，而非通过传统压力挤压液态聚合物实现对于模具微纳米结构型腔填充），液 态聚合物对于模板微纳结构型腔填充由传统纳米压印的被动"压"模式转变为主动"拉"模 式。实现大尺寸晶圆级纳米压印（大面积纳米压印），高深宽比微纳米结构纳米压印，易碎 衬底和非平整衬底的纳米压印，以及纳米压印效率的改进和提高。
[0019] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0020] 一种电渗驱动纳米压印装置，包括工作台、衬底、液态有机聚合物、模板、电场和压 印机构，所述工作台上设置有涂铺有液态有机聚合物的衬底，衬底上放置有模板，模板上端 固定有压印机构，压印机构中设置有若干个置于模板正上方的紫外光光源，所述模板包括 支撑层和特征结构层，支撑层在特征结构层之上，支撑层具有导电特性，特征结构层具有介 电特性，并在特征结构层上设有微纳米特征结构，所述衬底与模板的支撑层之间连接有直 流电源，施加外加电场，所述液态有机聚合物为极性液体（导电率较高）或者电解液，并具 有较低的粘度，其pH值的范围：3〈pH彡7。
[0021] 所述电场强度大小是300?800V/cm，所述电场的方向取决于极性液态有机聚合 物（离子化溶液）与模板特征结构层（介电表面）固液接触面（界面）所形成的双电层固 体表面所带电荷的极性。
[0022] 所述衬底为导电衬底。
[0023] 所述衬底为在非导电衬底上沉积一层导电层。
[0024] 所述模板整体具有高弹性或柔性，并且具有良好紫外透光特性。
[0025] 所述模板支撑层材料采用透明导电氧化铟锡（ΙΤ0)或者PET，特征结构层材料为 石英、玻璃、透明二氧化硅（Si0 2)或者高介电常数、透明氟聚合物材料（如Teflon等）；所 述支撑导电层厚度是100-500微米。特征结构层厚度是200-600微米。
[0026] 所述紫外光光源为LED。
[0027] 基于电渗驱动原理和纳米压印要求，如果所形成双电层模板特征结构层表面带负 电荷，所施加的电场以衬底端为正极，模板端为负极；如果所形成双电层模板特征结构层表 面带正电荷，所施加的电场以衬底端为负极，模板端为正极。可以通过提高双电层zeta电 势（电动电位或电动电势）有效提高电渗流流速。
[0028] 所述电渗流，随着液态有机聚合物黏度下降，电渗流增大，在液态有机聚合物加入 有机溶剂如甲醇、乙腈，电渗流增大，在液态有机聚合物加入表面活性剂，可改变电渗流的 大小和方向；双电层和外加垂直电场是电渗流形成的两个基本条件。
[0029] -种基于电渗驱动纳米压印装置的压印方法，如果衬底本身是导电的，包括以下 步骤：
[0030] (1)在衬底上旋涂一层液态有机聚合物，将衬底置于工作台之上，使模板与衬底对 正；
[0031] (2)压印机构带动模板向衬底移动，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全 共形接触后，打开高压直流电源，在模板支撑层和衬底之间形成直流电场，实现液态有机聚 合物在模板的特征结构层的纳米结构腔内的完全填充；
[0032] (3)开启紫外光光源，紫外光透过模板对压印后的液态有机聚合物曝光，使液态有 机聚合物曝光，并充分完全固化，固化时间10-40s ;
[0033] (4)压印机构带动模板继续向上微移动，实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完 成脱模，并返回压印原位，更换衬底，开始下一轮工作循环；
[0034] (5)进一步结合刻蚀工艺，以压印图形为掩模，将压印图形转移到衬底上，实现衬 底图形化。
[0035] 所述步骤（2)的具体方法包括：
[0036] ①压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，模板与压印机构以快速进给的速度 向衬底移动，一旦模板特征结构层的最低点与衬底上的液态有机聚合物接触，压印机构就 转变为工进速度；
[0037] ②压印机构以工进速度进给，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接 触后，压印机构停止运动；
[0038] ③打开高压直流电源，在模板支撑层和衬底之间形成直流电场，如果所形成双电 层模板特征结构层表面带负电荷，所施加的电场以衬底端为正极，模板端为负极；如果所形 成双电层模板特征结构层表面带正电荷，所施加的电场以衬底端为负极，模板端为正极；在 外加电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在电渗力作用下使液态聚合物产生向上的 提升力，驱动液态有机聚合物在模板特征结构层的微纳米结构腔体内的快速填充，填充的 平均高度取决于电渗力与气相压力和聚合物流变阻力的平衡；
[0039] ④在电渗力作用下，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层的纳米结构腔内的 完全填充。
[0040] 所述步骤（4)的具体方法包括：
[0041] ①关闭高压直流电源，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏特征结构层与压 印图形即固化后的聚合物水平接触界面的粘附力，使模板与固化的压印图形相互分离；压 印机构带动模板继续向上微移动，实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完成脱模；
[0042] ②模板与压印图形完全分离后，压印机构带动模板快速向上运动，返回压印原位， 更换衬底，开始下一轮工作循环。
[0043] 一种基于电渗驱动纳米压印装置的压印方法，如果衬底本身是非导电的，它包括 如下步骤：
[0044] (1)在非导电衬底上沉积一层导电层，在导电层之上旋涂一层液态有机聚合物，将 其置于工作台之上；使模板与衬底对正；
[0045] (2)压印机构带动模板移动，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接 触后打开高压直流电源，在模板的支撑层和衬底导电层之间形成电场；
[0046] (3)开启紫外光光源，紫外光透过模板对液态有机聚合物曝光，使液态有机聚合物 曝光，并充分完全固化，固化时间10-40s ;
[0047] (4)关闭高压直流电源，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏特征结构层与压 印图形水平接触界面的粘附力，使模板与固化的压印图形相互分离；模板与压印图形完全 分离后，压印机构带动模板快速向上运动，返回压印原位；
[0048] (5)结合刻蚀工艺，以压印聚合物图形为掩模，将压印图形转移到衬底的导电层 上，并以导电层为掩模层，将特征结构转移到衬底之上，去除聚合物和导电层，实现衬底图 形化。
[0049] 所述步骤（2)中，其具体步骤包括：
[0050] ①压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，模板与压印机构以快速进给的速度 向衬底移动，一旦模板特征结构层的最低点与衬底上的液态有机聚合物接触，压印机构就 转变为工进速度；
[0051] ②压印机构以工进速度进给，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接 触后，压印机构停止运动；
[0052] ③打开高压直流电源，在模板的支撑层和衬底导电层之间形成电场。如果所形成 双电层模板特征结构层表面带负电荷，所施加的电场以衬底端为正极，模板端为负极；如果 所形成双电层模板特征结构层表面带正电荷，所施加的电场以衬底端为负极，模板端为正 极。在外加电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在电渗力作用下使液态聚合物产生 向上的提升力，驱动液态有机聚合物在模板特征结构层的微纳米结构腔体内的快速填充， 填充的平均高度取决于电渗力与气相压力和聚合物流变阻力的平衡；
[0053] ④在电渗力作用下，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层的纳米结构腔内的 完全填充。
[0054] 所述步骤（2)中，当极性液态有机聚合物、模板特征结构层所选用的材料确定后， 极性液态有机聚合物与模板特征结构层固液接触面所形成的双电层固体表面所带电荷的 极性也随之确定，所施加电场方向也随之确定。
[0055] 本发明的有益效果为：
[0056] 1.变传统纳米压印"压力驱动"为"电渗力"驱动，实现液态聚合物对于模板微纳 结构腔体填充由传统的"压"模式到"拉"模式的转变；在很小压印力条件下，利用向上的 "电渗力"驱动提拉液态聚合物即能实现对于模具微纳米结构腔体的快速完全填充，微流体 电渗驱动是一种致动力直接作用于流体的驱动方式，具有系统结构、控制及操作方式简单、 流型呈扁平状等优点；电渗流的体积流量（每单位流道宽度）与流道高度（h)成线性变化， 可以使用较低的驱动电场在微纳流道中产生的较高的流量；电渗流的速度分布呈几乎均匀 的栓塞状；
[0057] 2.模板为双层复合结构，即包括支撑层和特征结构层，模板整体具有很高的弹性 或柔性，并且具有良好紫外透光特性；
[0058] 3.实现了高效、低成本大面积纳米压印，尤其能够实现高深宽比微纳结构的高效 和低成本制造，以及非平整、易碎衬底的大面积压印图形化；
[0059] 4.适用范围广泛，可用于高密度磁盘、微光学器件（如光学透镜、衍射光学兀件 等）、玻璃图形化、各种涂层（抗反射、自清洁、抗霜等）、三维微型电池、蝶式太阳能聚光器、 复眼影像感测器、微流控器件、生物传感器、MEMS器件、光伏器件等的制造，尤其适合亚波长 抗反射结构、大面积平板显示、太阳能电池板、玻璃图形化、LED图形化、晶圆级微光学器件 的工业级生产。

【专利附图】

【附图说明】
[0060] 图1是本发明电渗驱动纳米压印装置结构示意图；
[0061] 图2是本发明模板结构示意图；
[0062] 图3是本发明一种模板实施例结构示意图；
[0063] 图4是非导电衬底沉积导电层结构示意图。
[0064] 其中，1、工作台；10、双电层；1001、负电荷；2、衬底；3、液态有机聚合物；4、模板； 401、支撑层；402结构层；40201、微纳米结构腔；5、光源；6、高压直流电源；7、压印机构。

【具体实施方式】：
[0065] 下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
[0066] 如图1所示，一种电渗驱动纳米压印装置，包括工作台（承片台）1、衬底（晶圆、夕卜 延片）2、液态有机聚合物3、模板（模具）4、紫外光光源5、高压直流电源6、压印机构7 ;其 中，涂铺有液态有机聚合物3的衬底2固定于工作台1之上；模板4置于衬底2的正上方； 紫外光光源5置于模板4正上方；模板4、紫外光光源5固定在压印机构7之上；高压直流 电源6的一端与衬底2 (第一电极）相连，另一端与模板4的支撑层401 (第二电极）相连 接，在模板4和衬底2之间，即第二电极、第一电极形成电场。本实施例所形成双电层10模 板4特征结构层401表面带负电荷1001，因此，以模板4端为负极，衬底2端为正极。
[0067] 如图2所示，模板4为双层复合结构，包括支撑层401和特征结构层402,支撑层 401位于特征结构层402之上。支撑层401具有导电特性，特征结构层402具有介电特性， 并在特征结构层402上设有微纳米特征结构（型腔）40201。特征结构层402具有高介电性 和透明的特性，支撑层401具有透明、导电的特性。支撑层401的厚度是100-800微米。特 征结构层402的厚度是200-600微米。
[0068] 如图3所示，模板4的支撑层401采用透明导电氧化铟锡（ΙΤ0)，特征结构层透明 二氧化硅（Si0 2)，支撑层401的厚度是400微米，特征结构层402的厚度是200微米。
[0069] 如图4所不，为非导电蓝宝石衬底2,在其上沉积厚度50nm导电层201金属镍。
[0070] 模板、液态有机聚合物、衬底需要满足以下条件：
[0071] (1)模板：所述模板为双层复合结构，即包括支撑层和特征结构层，其中支撑层具 有导电特性，特征结构层具有介电特性（或者沉积一层介电层（dielectric layer));模板 整体具有很高的弹性或柔性，以适应非平整衬底随形（conformal)接触的要求；此外还应 具有高的紫外光透过率，满足紫外固化要求；
[0072] (2)液态有机聚合物：液态聚合物为极性、低粘度液态材料，具有良好的导电特 性，并含有光引发子，实现紫外固化功能。其pH值的范围：3〈pH< 7。在液态有机聚合物加 入表面活性剂，可改变电渗流的大小和方向。（非极性溶液导电率太低，在固液界面难以形 成双电层，无法形成电渗流）
[0073] (3)衬底：具有导电性或者包含导电层，例如对于LED外延片和一些导电衬底（如 SiC衬底），其本身就具有导电性；而对于一些不导电的衬底，如蓝宝石衬底需要在衬底上 沉积一层导电层如Cr、镍或者ΙΤ0等，该层同时兼做蓝宝石刻蚀的硬掩模层（Hard Mask)。
[0074] (4)液态有机聚合物与模板特征结构层（介电表面）固液接触面应易于形成双电 层。
[0075] (5)当极性液态有机聚合物、模板特征结构层所选用的材料确定后，极性液态有机 聚合物（离子化溶液）与模板特征结构层（介电表面）固液接触面（界面）所形成的双电 层固体表面所带电荷的极性也随之确定，所施加电场方向也随之确定。
[0076] 实施例一：
[0077] 本发明以LED外延片（导电衬底）图形化（GaN基光子晶体LED制造）为实施例， 基于本发明的装置和方法进行LED外延片图形化的具体工艺步骤包括：
[0078] (1)预处理过程
[0079] 在GaN基LED衬底2上旋涂一层液态有机聚合物3,将其置于工作台1之上。将模 板4固定在压印机构7上；并使模板4与GaN基LED衬底2对正。
[0080] (2)压印过程
[0081] ①压印机构7带动模板4从初始工位向衬底2移动，模板4与压印机构7以快速 进给的速度向衬底2移动，一旦模板4特征结构层402的最低点与衬底2上的液态有机聚 合物3接触，压印机构7就转变为工进速度；
[0082] ②压印机构7以工进速度进给，使模板4与衬底2上的液态有机聚合物获得完全 共形接触后，压印机构7停止运动；
[0083] ③打开高压直流电源6,本实施例所形成双电层10模板4特征结构层401表面带 负电荷1001，因此，以GaN基LED衬底2端为正极，模板4端为负极，在模板4和衬底2之间 形成直流电场。在外加电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在电渗力作用下使液态 聚合物3产生向上的提升力，驱动液态有机聚合物3在模板4特征结构层402的微纳米结 构腔（型腔）40201的快速填充，填充的平均高度取决于电渗力与气相压力和聚合物流变阻 力的平衡；
[0084] ④在电渗力作用下，实现液态有机聚合物3在模板4的特征结构层402的纳米结 构腔（型腔）40201内的快速完全填充；
[0085] (3)固化过程
[0086] 开启紫外光光源5,紫外光透过模板4对液态有机聚合物3曝光，使液态有机聚合 物3曝光充分完全固化。
[0087] ⑷脱模过程
[0088] ①关闭高压直流电源6 (电场），压印机构7带动模板4向上微移动，首先破坏模 板4特征结构层402与压印图形（固化后的聚合物）水平接触界面的粘附力，使模板4与 固化后的压印图形相互分离；压印机构7带动模板4继续向上微移动，实现模板4与压印图 形的逐渐相互分离，完成脱模；
[0089] ②模板4与压印图形完全分离后，压印机构7带动模板4快速向上运动，返回压印 原位，更换GaN基LED衬底2,开始下一轮工作循环；
[0090] (5)后处理过程
[0091] 后续结合刻蚀工艺（湿法刻蚀或者ICP刻蚀），以压印图形为掩模，将压印图形转 移到GaN基LED衬底2上，实现LED衬底2的图形化或者光子晶体LED制造。
[0092] 本实施例一电场强度大小是400V/cm。
[0093] 所述固化时间25s。
[0094] 所述极性液态有机聚合物的pH值为7。
[0095] 实施例二
[0096] 对于不导电衬底，需要在衬底上先沉积一层导电层，例如金属镍、铬、ΙΤ0等，该层 同时兼做图形转移的硬掩模层（Hard Mask)。本实施例二以蓝宝石衬底图形化为例，首先在 蓝宝石衬底2上沉积50nm金属镍导电层201，随后基于本发明装置和方法进行蓝宝石衬底 2图形化的具体工艺步骤包括 ：
[0097] (1)预处理过程
[0098] 在沉积金属镍201的蓝宝石衬底2上旋涂一层液态有机聚合物3,将其置于工作台 1之上；并使模板4与蓝宝石衬底2对正。
[0099] (2)压印过程
[0100] ①压印机构7带动模板4从初始工位向蓝宝石衬底2移动，模板4与压印机构7 以快速进给的速度向衬底移动，一旦模板4特征结构层402的最低点与蓝宝石衬底2上的 液态有机聚合物3接触，压印机构7就转变为工进速度；
[0101] ②压印机构7以工进速度进给，使模板4与蓝宝石衬底2上的液态有机聚合物3 获得完全共形接触后，压印机构7停止运动；
[0102] ③打开高压直流电源6,本实施例所形成双电层10模板4特征结构层401表面带 负电荷1001，因此，以蓝宝石衬底2的导电层金属镍201端为正极，模板4端为负极，在模板 4和蓝宝石衬底2之间形成直流电场。在外加电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在 电渗力作用下使液态聚合物3产生向上的提升力，驱动液态有机聚合物3在模板4特征结 构层402的微纳米结构内（型腔）40201的快速填充，填充的平均高度取决于电渗力与气相 压力和聚合物流变阻力的平衡；
[0103] ④在电渗力作用下，实现液态有机聚合物3在模板4的特征结构层402的纳米结 构腔（型腔）40201内的快速完全填充；
[0104] (3)固化过程
[0105] 开启紫外光光源5,紫外光透过模板4对液态有机聚合物3曝光，使液态有机聚合 物3曝光充分完全固化。
[0106] (4)脱模过程
[0107] ①关闭高压直流电源6 (电场），压印机构7带动模板4向上微移动，首先破坏特征 结构层402与压印图形（固化后的压印图形聚合物）水平接触界面的粘附力，使模板4与 压印图形相互分离；压印机构7带动模板4继续向上微移动，实现模板4与压印图形的逐渐 相互分离，完成脱模；
[0108] ②模板4与压印图形完全分离后，压印机构7带动模板4快速向上运动，返回压印 原位，更换蓝宝石衬底2,开始下一次工作循环；
[0109] (5)后处理过程
[0110] 后续结合刻蚀工艺（湿法刻蚀或者ICP刻蚀），以压印图形为掩模，将特征图形转 移到蓝宝石衬底2的导电层金属镍201上，并以导电层金属镍201为硬掩模层，将模板4特 征结构转移到蓝宝石衬底2之上，去除聚合物压印图形和导电层金属镍201，实现蓝宝石衬 底2的纳米图形化。
[0111] 本实施例二电场电场强度大小是500V/cm。
[0112] 所述固化时间20s。
[0113] 所述极性液态有机聚合物的pH值为7。
[0114] 对于实施例一和二，特征结构层采用石英或者二氧化硅时，溶液pH增高时，表面 电离多，电荷密度增加，特征结构层zeta电势增大，电渗流增大，pH = 7,达到最大；pH〈3,完 全被氢离子中和，表面电中性，电渗流为零。
[0115] 本发明变传统纳米压印"压力驱动"为"电渗力"驱动，液态聚合物对于模板微纳 结构型腔填充由传统纳米压印的被动"压"模式转变为主动"拉"模式；在很小压印力条件 下，利用向上的"电渗力"驱动提拉液态聚合物即能实现对于模具微纳米结构腔体的快速完 全填充。微流体电渗驱动是一种致动力直接作用于流体的驱动方式，具有系统结构、控制及 操作方式简单、流型呈扁平状等优点。电渗流和压力驱动流相比有几点不同：首先，电渗流 的体积流量（每单位流道宽度）与流道高度（h)成线性变化，可以使用较低的驱动电场在 微纳流道中产生的较高的流量。而压力驱动流的流量（每单位宽度）与流道高度的立方成 正比，这需要非常大的压降，使得压力驱动流不适合纳米流道应用。其次，电渗流的速度分 布呈几乎均匀的栓塞状，而压力驱动流的速度分布是抛物线型。
[0116] 上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范 围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不 需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【权利要求】
1. 一种电渗驱动纳米压印装置，其特征是：包括工作台、衬底、液态有机聚合物、模板、 电场和压印机构，所述工作台上设置有涂铺有液态有机聚合物的衬底，衬底上放置有模板， 模板上端固定有压印机构，压印机构中设置有若干个置于模板正上方的紫外光光源，所述 模板包括支撑层和特征结构层，支撑层在特征结构层之上，支撑层具有导电特性，特征结构 层具有介电特性，并在特征结构层上设有微纳米特征结构，所述衬底与模板的支撑层之间 连接有直流电源，施加外加电场，电场强度是300?800V/cm ;所述液态有机聚合物为极性 液体或者电解液，并具有低粘度，其pH值的范围：3〈pH< 7。
2. 如权利要求1所述的一种电渗驱动纳米压印装置，其特征是：所述衬底为导电衬底。
3. 如权利要求1所述的一种电渗驱动纳米压印装置，其特征是：所述衬底为在非导电 衬底上沉积一层导电层。
4. 如权利要求1所述的一种电渗驱动纳米压印装置，其特征是：所述模板支撑层材料 采用透明导电氧化铟锡或者PET，特征结构层材料为石英、玻璃、透明二氧化硅或者高介电 常数、透明氟聚合物材料。
5. 如权利要求4所述的一种电渗驱动纳米压印装置，其特征是：所述支撑导电层厚度 范围为100-500微米，所述特征结构层厚度范围为200-600微米。
6. -种如权利要求2所述的电渗驱动纳米压印装置的压印方法，其特征是：包括以下 步骤： (1) 在衬底上旋涂一层液态有机聚合物，将衬底置于工作台之上，使模板与衬底对正； (2) 压印机构带动模板向衬底移动，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形 接触后，打开高压直流电源，在模板支撑层和衬底之间形成直流电场，实现液态有机聚合物 在模板的特征结构层的纳米结构腔内的完全填充； (3) 开启紫外光光源，紫外光透过模板对压印后的液态有机聚合物曝光，使液态有机聚 合物曝光，并充分完全固化； (4) 压印机构带动模板继续向上微移动，实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完成脱 模，并返回压印原位，更换衬底，开始下一轮工作循环； (5) 进一步结合刻蚀工艺，以压印图形为掩模，将压印图形转移到衬底上，实现衬底图 形化。
7. 如权利要求6所述的所述步骤（2)的压印方法，其特征是：具体方法包括： ① 压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，模板与压印机构以快速进给的速度向衬 底移动，一旦模板特征结构层的最低点与衬底上的液态有机聚合物接触，压印机构就转变 为工进速度； ② 压印机构以工进速度进给，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接触 后，压印机构停止运动； ③ 打开高压直流电源，在模板支撑层和衬底之间形成直流电场，如果所形成双电层模 板特征结构层表面带负电荷，所施加的电场以衬底端为正极，模板端为负极；如果所形成双 电层模板特征结构层表面带正电荷，所施加的电场以衬底端为负极，模板端为正极；在外加 电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在电渗力作用下使液态聚合物产生向上的提升 力，驱动液态有机聚合物在模板特征结构层的微纳米结构腔体内的快速填充，填充的平均 高度取决于电渗力与气相压力和聚合物流变阻力的平衡； ④在电渗力作用下，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层的纳米结构腔内的完全 填充。
8. 如权利要求6所述的压印方法，其特征是：所述步骤（4)的具体方法包括： ① 关闭高压直流电源，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏特征结构层与压印图 形即固化后的聚合物水平接触界面的粘附力，使模板与固化的压印图形相互分离；压印机 构带动模板继续向上微移动，实现模板与压印图形的逐渐相互分离，完成脱模； ② 模板与压印图形完全分离后，压印机构带动模板快速向上运动，返回压印原位，更换 衬底，开始下一轮工作循环。
9. 一种如权利要求3所述的电渗驱动纳米压印装置的压印方法，其特征是：包括如下 步骤： (1) 在非导电衬底上沉积一层导电层，在导电层之上旋涂一层液态有机聚合物，将其置 于工作台之上；使模板与衬底对正； (2) 压印机构带动模板移动，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接触后 打开高压直流电源，在模板的支撑层和衬底导电层之间形成电场； (3) 开启紫外光光源，紫外光透过模板对液态有机聚合物曝光，使液态有机聚合物曝 光，并充分完全固化； (4) 关闭高压直流电源，压印机构带动模板向上微移动，首先破坏特征结构层与压印图 形水平接触界面的粘附力，使模板与固化的压印图形相互分离；模板与压印图形完全分离 后，压印机构带动模板快速向上运动，返回压印原位； (5) 结合刻蚀工艺，以压印聚合物图形为掩模，将压印图形转移到衬底的导电层上，并 以导电层为掩模层，将特征结构转移到衬底之上，去除聚合物和导电层，实现衬底图形化。
10. 如权利要求9所述的压印方法，其特征是：所述步骤（2)中，其具体步骤包括： ① 压印机构带动模板从初始工位向衬底移动，模板与压印机构以快速进给的速度向衬 底移动，一旦模板特征结构层的最低点与衬底上的液态有机聚合物接触，压印机构就转变 为工进速度； ② 压印机构以工进速度进给，使模板与衬底上的液态有机聚合物获得完全共形接触 后，压印机构停止运动； ③ 打开高压直流电源，在模板的支撑层和衬底导电层之间形成电场。如果所形成双电 层模板特征结构层表面带负电荷，所施加的电场以衬底端为正极，模板端为负极；如果所形 成双电层模板特征结构层表面带正电荷，所施加的电场以衬底端为负极，模板端为正极。在 外加电场的作用下，形成微流体"电渗流"驱动，在电渗力作用下使液态聚合物产生向上的 提升力，驱动液态有机聚合物在模板特征结构层的微纳米结构腔体内的快速填充，填充的 平均高度取决于电渗力与气相压力和聚合物流变阻力的平衡； ④ 在电渗力作用下，实现液态有机聚合物在模板的特征结构层的纳米结构腔内的完全 填充。
11. 如权利要求6或9所述的压印方法，其特征是：所述步骤（2)中，当极性液态有机 聚合物、模板特征结构层所选用的材料确定后，极性液态有机聚合物与模板特征结构层固 液接触面所形成的双电层固体表面所带电荷的极性也随之确定，所施加电场方向也随之确 定。
【文档编号】B82Y40/00GK104122747SQ201410391688
【公开日】2014年10月29日 申请日期:2014年8月8日 优先权日:2014年8月8日
【发明者】兰红波 申请人:青岛理工大学