基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法技术

本发明专利技术公开了一种基于弹性模板的微纳米热压印设备，涉及微纳米热压印相关技术领域，包括底板，所述底板的上表面中部设置有微波加热器，微波加热器的外侧设置有四个呈矩形分布的支撑板，支撑板的顶端固定连接有加热板。本发明专利技术通过限位板和活动片来限位弹性模板，使得模板发生损坏时可以随时更换新的模板。本发明专利技术还公开了一种基于弹性模板的微纳米热压印工艺，包括以下步骤：A：制备母版、B：制备弹性模板、C：涂布热可塑性材料薄膜、D：微纳米热压印、E：刻蚀。本发明专利技术不仅能保留微纳米热压印工艺所具备的低成本、能够加工高精度3D微结构方面的优势，又避免了该工艺在模板寿命、加工误差、良品率和生产效率等方面的不足。

Micro-nano hot embossing equipment based on elastic template and its method

The invention discloses a micro-nano hot embossing device based on an elastic template, which relates to the related technical field of micro-nano hot embossing, including a bottom plate. The middle part of the upper surface of the bottom plate is provided with a microwave heater, and the outer side of the microwave heater is provided with four supporting plates with rectangular distribution, and the top of the supporting plate is fixed with a heating plate. The elastic template is limited by a limit plate and a movable sheet, so that a new template can be replaced at any time when the template is damaged. The invention also discloses a micro-nano hot embossing process based on elastic template, which comprises the following steps: A: preparing master plate, B: preparing elastic template, C: coating thermoplastic material film, D: micro-nano hot embossing, E: etching. The invention not only retains the advantages of low cost and high precision 3D micro-structure of micro-nano hot embossing process, but also avoids the shortcomings of the process in template life, processing error, good product rate and production efficiency.

【技术实现步骤摘要】
基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法
本专利技术涉及微纳米热压印相关
，特别涉及一种基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法。
技术介绍
集成电路、MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem，微机电系统)器件、衍射光学元件(DOE–DiffractiveOpticalElements)、集成光通信器件、光芯片以及生化检测芯片等产品制造的核心是能够把特征尺寸为微米和纳米的图形加工在衬底表面的微纳米加工技术。目前，使用最为广泛的微纳米加工技术是紫外线光刻技术。紫外线光刻通过光化学反应把掩模版上的图形转移到衬底上的感光材料(光刻胶)薄膜上。紫外线光刻要求衬底为绝对平面，加工工艺复杂，周期长，成本高，所用到的光刻设备和光刻胶等耗材极其昂贵，光化学反应中所用到的蚀刻液对环境有较大危害。紫外线光刻也被称为薄膜技术，使用该技术加工出的微结构的深宽比(AspectRatio)低，很难超过0.5，而MEMS器件、微光学元件常常需要1以上的深宽比。紫外线光刻是一种2.5D的加工技术，要加工出3D浮雕结构需要使用多次光刻，用台阶状结构来模拟弧面，这就导致工艺复杂、加工出的器件性能差，无法满足制造MEMS器件和微光学元件的需求。紫外线光刻的加工精度与紫外线波长成反比，目前工艺所用的紫外光源的波长已经接近紫外光谱的波长下限，加工精度的提升空间也已趋近于饱和。新兴的微纳米热压印技术是通过热压印工艺把模板上的图形转移到衬底上的热可塑性材料薄膜中。微纳米热压印是一个纯物理过程，对环境更加友好，工艺和设备简单，加工精度高、良品率高、加工周期短、效率高、成本低，适合于大规模生产，而且能够方便地加工出高深宽比的微结构和高精度的3D浮雕结构。但是该技术方案仍然存在不足，微纳米热压印模板的制备一般是通过电子束直写光刻在硅或者二氧化硅晶圆的表面加工出微纳米图形，然后在其表面镀上一层金属薄膜作为抗黏层，模板的制备周期长、成本高，但模板的使用寿命短。压模和脱模的过程中过量的力会使模板发生断裂。脱模后少量热塑性材料仍可能黏连在模板表面，尤其是高温和长时间的加热会令热塑性材料分解或降解成难以去除的成分，导致模板局部受损。微纳米热压印要经历一个升温和降温的过程，模板和热塑性材料在热膨胀系数上的较大差异容易导致转移后的图形尺寸的偏差，影响加工的精度。微纳米热压印要求模板和被加工的衬底都是绝对的平面，表面轻微的不平整会导致局部图形转移失败，压模过程中施力的不均匀也会导致局部图形转移失败，造成良品率低。所以在大面积压印时，需要使用小模板和多次压印来覆盖衬底的整个幅面，限制了生产效率的提升。因此，提出一种基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法来解决上述问题很有必要。
技术实现思路
(一)解决的技术问题针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法，解决了现有的微纳米热压印设备上模板的制备周期长、成本高，且模板的使用寿命短的问题。(二)技术方案为实现以上目的，本专利技术通过以下技术方案予以实现：一种基于弹性模板的微纳米热压印设备，包括底板，所述底板的上表面中部设置有微波加热器，所述微波加热器的外侧设置有四个呈矩形分布的支撑板，所述支撑板的顶端固定连接有加热板，所述底板的上表面边缘固定连接有四个呈矩形设置的支撑柱，所述支撑柱的顶端固定连接有顶板，所述顶板的上表面中部固定连接有液压缸，所述液压缸的底部设置有推杆，所述顶板的下方设置有活动板，所述活动板的四角处均与支撑柱贯穿连接，所述推杆的底端与活动板的上表面中部固定连接，所述活动板的下方设置有弹性模板，所述弹性模板位于加热板的正上方，所述弹性模板的两侧均设置有限位板，所述限位板的顶端与活动板贴合连接，且限位板的顶端连接有活动片，所述活动片位于活动板的上表面，所述活动板的下表面中部固定连接有顶块，所述顶块与弹性模板的上表面中部贴合连接，所述顶块的两侧均设置有吸盘，所述吸盘固定安装在活动板上，且吸盘与弹性模板贴合连接。可选的，所述活动板的底部开设有凹槽，所述限位板的上端位于凹槽内。可选的，所述限位板的一侧下端粘接连接有多个弹性凸起，所述弹性凸起与弹性模板贴合连接，所述限位板的一侧上端固定连接有挡板，所述挡板与弹性模板相对应。可选的，所述活动板的顶部开设有滑槽，所述活动片的底端固定连接有凸块，所述凸块位于滑槽内，且凸块的底端通过连接杆与限位板的顶端固定连接。可选的，所述凸块的下端两侧均开设有活动槽，所述活动槽内设置有限位卡块，所述滑槽的两侧内壁上均开设有限位槽，所述限位卡块的一端与限位槽相适配。可选的，所述限位卡块的另一端固定连接有拨片，所述拨片位于空槽内，所述空槽开设于凸块的内部，所述拨片的顶端贯穿空槽并位于活动片的外侧，所述拨片的底端通过复位弹簧与限位槽的内壁连接。一种基于弹性模板的微纳米热压印工艺，包括以下步骤：A：制备母版：用电子束直写光刻或者激光直写光刻等方法在硅或者二氧化硅晶圆表面加工出所需要的微纳米图案，然后用蒸镀的方法在盘片表面沉积一层金属薄膜作为抗黏层，制成的晶圆即为母版；B：制备弹性模板：先用可固化的液态高分子合成材料浇铸母版，再放入真空干燥箱中消除浇铸时可能产生的气泡，接着令高分子合成材料固化，母版上的微纳米图形就通过倒模的方式转移到高分子合成材料板中，然后把固化好的高分子合成材料板从母版取下，得到弹性模板；C：涂布热可塑性材料薄膜：通过旋涂(SpinCoating)或者喷涂(SprayCoating)的方式在衬底表面涂布一层热压印胶，然后把衬底移到一定温度的电热板上烘烤一段时间，令热压印胶中的溶剂挥发后在衬底表面形成固态热塑性材料薄膜；D：微纳米热压印：通过两个限位板把弹性模板固定在热压印设备上，把衬底固定在设备的加热板上，然后启动微波加热器对衬底进行加热，温度达到热塑性材料的玻璃态温度之上时，通过液压缸和推杆令活动板下移，使弹性模板紧密贴合在衬底之上并对活动板施加一定的压力，保持温度和压力一定的时间之后，使温度下降到热塑性材料玻璃态温度之下，撤去压力，通过液压缸和推杆移开活动板使弹性模板和衬底分离，就完成了热压印的过程，弹性模板上的微纳米图形就被转移到衬底上的热塑性材料薄膜中；E：刻蚀：把压印后的衬底放入反应离子刻蚀设备中，去除衬底上多余的热塑性材料。可选的，所述步骤B中弹性模板的材料需要选择具有优良倒模性能、热稳定性好、热膨胀系数和热压印材料相近的高分子材料，通常可以选择PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲脂)以及各种可固化的环氧树脂材料。可选的，所述步骤B中在浇铸弹性模板时，可以根据需要在液态高分子材料中掺入填充剂对模板的弹性(压力收缩系数)进行适当的调节和控制，填充剂可以是白炭黑、轻钙粉或二氧化钛粉等。可选的，所述步骤C中衬底可以选择和弹性模板尺寸相匹配或者更大的硅盘片、二氧化硅盘片或者玻璃盘片，也可以直接使用热可塑性材料片材作为衬底。(三)有益效果本专利技术提供了一种基于弹性模板的微纳米热压印设备及其方法，具备以下有益效果：(1)、本专利技术不仅能保留微纳米热压印工艺所具备的低成本、能够加工高精度3D微结构方面的优势，又避免了该工艺在模板寿命、加工误差、良品率和生产效率等方面的不足，而且使该工艺可以用于在非平面衬底上加工本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于弹性模板的微纳米热压印设备，包括底板(1)，其特征在于：所述底板(1)的上表面中部设置有微波加热器(2)，所述微波加热器(2)的外侧设置有四个呈矩形分布的支撑板(3)，所述支撑板(3)的顶端固定连接有加热板(4)，所述底板(1)的上表面边缘固定连接有四个呈矩形设置的支撑柱(5)，所述支撑柱(5)的顶端固定连接有顶板(6)，所述顶板(6)的上表面中部固定连接有液压缸(7)，所述液压缸(7)的底部设置有推杆(8)，所述顶板(6)的下方设置有活动板(9)，所述活动板(9)的四角处均与支撑柱(5)贯穿连接，所述推杆(8)的底端与活动板(9)的上表面中部固定连接，所述活动板(9)的下方设置有弹性模板(10)，所述弹性模板(10)位于加热板(4)的正上方，所述弹性模板(10)的两侧均设置有限位板(11)，所述限位板(11)的顶端与活动板(9)贴合连接，且限位板(11)的顶端连接有活动片(12)，所述活动片(12)位于活动板(9)的上表面，所述活动板(9)的下表面中部固定连接有顶块(13)，所述顶块(13)与弹性模板(10)的上表面中部贴合连接，所述顶块(13)的两侧均设置有吸盘(14)，所述吸盘(14)固定安装在活动板(9)上，且吸盘(14)与弹性模板(10)贴合连接。...

【技术特征摘要】
1.一种基于弹性模板的微纳米热压印设备，包括底板(1)，其特征在于：所述底板(1)的上表面中部设置有微波加热器(2)，所述微波加热器(2)的外侧设置有四个呈矩形分布的支撑板(3)，所述支撑板(3)的顶端固定连接有加热板(4)，所述底板(1)的上表面边缘固定连接有四个呈矩形设置的支撑柱(5)，所述支撑柱(5)的顶端固定连接有顶板(6)，所述顶板(6)的上表面中部固定连接有液压缸(7)，所述液压缸(7)的底部设置有推杆(8)，所述顶板(6)的下方设置有活动板(9)，所述活动板(9)的四角处均与支撑柱(5)贯穿连接，所述推杆(8)的底端与活动板(9)的上表面中部固定连接，所述活动板(9)的下方设置有弹性模板(10)，所述弹性模板(10)位于加热板(4)的正上方，所述弹性模板(10)的两侧均设置有限位板(11)，所述限位板(11)的顶端与活动板(9)贴合连接，且限位板(11)的顶端连接有活动片(12)，所述活动片(12)位于活动板(9)的上表面，所述活动板(9)的下表面中部固定连接有顶块(13)，所述顶块(13)与弹性模板(10)的上表面中部贴合连接，所述顶块(13)的两侧均设置有吸盘(14)，所述吸盘(14)固定安装在活动板(9)上，且吸盘(14)与弹性模板(10)贴合连接。2.根据权利要求1所述的基于弹性模板的微纳米热压印设备，其特征在于：所述活动板(9)的底部开设有凹槽(91)，所述限位板(11)的上端位于凹槽(91)内。3.根据权利要求1所述的基于弹性模板的微纳米热压印设备，其特征在于：所述限位板(11)的一侧下端粘接连接有多个弹性凸起(111)，所述弹性凸起(111)与弹性模板(10)贴合连接，所述限位板(11)的一侧上端固定连接有挡板(112)，所述挡板(112)与弹性模板(10)相对应。4.根据权利要求1所述的基于弹性模板的微纳米热压印设备，其特征在于：所述活动板(9)的顶部开设有滑槽(92)，所述活动片(12)的底端固定连接有凸块(15)，所述凸块(15)位于滑槽(92)内，且凸块(15)的底端通过连接杆(16)与限位板(11)的顶端固定连接。5.根据权利要求4所述的基于弹性模板的微纳米热压印设备，其特征在于：所述凸块(15)的下端两侧均开设有活动槽(17)，所述活动槽(17)内设置有限位卡块(18)，所述滑槽(92)的两侧内壁上均开设有限位槽(93)，所述限位卡块(18)的一端与限位槽(93)相适配。6.根据权利要求5所述的基于弹性模板的微纳米热压印设备，其特征在于：所述限位卡块(18)的另一端固定连接有拨片(19)，所述拨片(19)位于空槽(20)内，所述空槽(20)...

【专利技术属性】
技术研发人员：曾峻，
申请(专利权)人：闽南师范大学，
类型：发明
国别省市：福建,35