真空负压纳米压印装置 【技术领域】
本发明涉及的是一种一种纳米压印装置，具体是一种真空负压纳米压印装置。用于纳米加工技术技术领域。
背景技术
纳米压印技术是一种新颖的纳米结构图形转移技术，是当今最具前景的纳米制造技术之一，纳米压印曝光技术，图形是通过按压具有纳米凹凸结构的印章(纳米压印模仁)到有很薄的聚合物薄层的衬底(纳米压印基板)上实现图形转移。对装置进行加热或紫外照射，当印章去除后，衬底上留下原始凹凸纳米结构图形的压印。这些工艺在小型的易于操作和完全计算机控制的装置中进行，每一基片压印流程只需几分钟。对于热压纳米压印工艺，其压印设备及模仁较基于紫外固化的纳米压印工艺容易实现。对于基于紫外固化的纳米压印工艺，由于是通过紫外线实现聚合物薄层纳米结构的固化，因此，模仁必须能够透过紫外线。同时，由于是纳米结构，模仁必须具有一定硬度。一般是采用金刚石或石英模仁，基板可以是硅片或其它材料。模仁和基板构成纳米压印组件。由于是纳米结构图形转移，因此，模仁压入的平衡、均匀、与表面垂直是纳米压印工艺的关键装置之一。任何压入的微小不平衡、非均匀、与表面非垂直都将使图形转移发生畸变。对于热压纳米压印工艺，可以采用高精密压力头，对模仁施加压力。但对于基于紫外固化的纳米压印工艺，由于模仁必须透过紫外线，就不能直接在模仁上施加压力头。而且，由于模仁上方要安装紫外曝光装置，就很难安置其它压力驱动机械结构。这就使得纳米压印曝光技术中模仁压入的平衡、均匀、与表面垂直的压力施加装置，成为基于紫外固化的纳米压印工艺的关键技术装置。目前，国际上这一领域的设备制造商都采用倒装结构，即模仁固定，对基板施加顶压。由于要保证3-8英寸区域上，模仁与基板之间施加平衡、均匀、与表面垂直的压力，这种结构地机械精度极高。而且面积越大，越困难。因为，任何材料在施加不均匀压力时，都会发生微小形变。而这些微小形变，在纳米压印曝光过程中，都会导致不可忽略的误差。
现有技术中德国著名微米/纳米加工设备供应商SUSS MicroTec提供的MA6型紫外曝光纳米压印设备装置，模仁与基板之间通过一种边缘补偿的精密机械结构来实现平衡、均匀、与表面垂直地施加压力，这一结构在机械施加压力装置的边缘通过气压活塞来调整施加压力装置的力平衡，其基本原理是利用气体的力传递性。但对机械施加压力装置边缘各气压活塞的一致性要求相当高，否则各气压活塞传递的力会发生差异，引起机械施加压力的不平衡。另外，由于机械施加压力装置要开设紫外线窗口，机械施加压力装置只能对能够透过紫外线的石英圆片的边缘用圆环结构对其边缘施加压力。当石英圆片的直径或压力增大，石英圆片的中心和边缘会发生微小形变，而这微小形变，对于纳米尺度的图形转移，都会导致不可忽略的误差。石英圆片的厚度直接影响纳米结构图形的光学对准。这种基板施加顶压对机械精度要求极高，当紫外敏感胶黏度较大，而模仁厚度较薄情况下，中心的压力就会比边缘小。这对厚度小与100纳米的紫外敏感胶薄膜，引起的误差是严重的。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术装置中的不足，提供一种真空负压纳米压印装置，通过利用在几十英寸圆形区域内，大气压强一致的物理特性，根据真空负压原理，采用压强倍增结构，使得模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明主体是一个真空负压工作室，真空负压工作室底部密封，顶部有圆形石英片窗口，而圆形石英片窗口与真空负压工作室通过两个小法兰、一个大法兰、环形橡胶柔性绞链圆片、环形橡胶柔性衬垫圆片密封连接。
真空负压工作室包括：圆形石英片、环形橡胶柔性绞链圆片、二个小法兰、一个大法兰、环形橡胶柔性衬垫圆片、工作室上盖、工作室底座、聚四氟乙烯柔性垫片、工作台、抽气均衡环、真空计、抽气管、纳米压印组件、圆形压强倍增石英片、密封圈、真空闸门、减压闸门、减压管。其连接关系为：圆形石英片通过二个小法兰、环形橡胶柔性衬垫圆片和环形橡胶柔性绞链圆片密封连接，圆形石英片夹紧在二个小法兰、环形橡胶柔性衬垫圆片和环形橡胶柔性绞链圆片之间；环形橡胶柔性绞链圆片通过大法兰和真空负压工作室密封连接；工作室上盖和工作室底座通过密封圈密封连接；工作室底座、圆形聚四氟乙烯柔性垫片和可以通过电控实现x-y-z方向调整的工作台不可移动的同心紧密接触；抽气均衡环固定在真空负压工作室内底部，抽气均衡环是一上有均匀小孔的环形管；真空计和抽气管分别与抽气均衡环通过密封管道密封连接；纳米压印组件放置在基板工作台中心圆形聚四氟乙烯柔性垫片上；圆形压强倍增石英片与圆形石英片下表面紧密同心连接；密封圈放置在工作室上盖腔壁与工作室底座腔壁之间，通过钢制工作室上盖的自身重量和工作室底座紧密接触；真空闸门密封连接在抽气管上；减压闸门通过密封管道与真空负压工作室密封连接。
圆形石英片厚度4毫米、直径12英寸，圆形压强倍增石英片厚度2毫米、直径4英寸。纳米压印组件由压印模仁和置于下方的压印基板构成。
当连接抽气管上的真空泵工作，真空负压工作室的真空达到-0.1Mpa，由于大气压的作用，直径12英寸圆形石英片的上表面均匀产生每平方厘米1公斤力的向下压强。该圆形石英片通过柔性绞链与真空负压工作室连接。抽气均衡环能够使真空负压工作室压力保持匀衡。通过厚度4毫米、直径12英寸圆形石英片与厚度2毫米、直径4英寸圆形石英片的面积比所产生的压强倍增，能够在放置于工作台上直径4英寸纳米压印模仁和基板构成的压印组件上产生每平方厘米9公斤的平衡、均匀、与表面垂直的压强。可以通过调整压强倍增石英片的面积，实现不同压强倍增。由于基板下有直径尺寸与压印组件一致的圆形聚四氟乙烯柔性垫片，从而实现模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力。模仁和基板两面同时施加平衡、均匀、与表面垂直的压力使模仁和基板紧密压合。模仁和基板紧密、匀衡、与表面垂直的压合，是纳米压印工艺的关键技术之一。只有模仁和基板紧密、匀衡、与表面垂直的压合，才能实现均匀、无畸变的纳米结构图形转移。
本发明具有实质性的特点和显著进步，本发明在纳米压印组件上实现了其它机械方法难以达到的压力的平衡性、均匀性和与表面垂直性；使得纳米压印模仁上方无任何妨碍紫外曝光的结构，使得曝光和对准的控制容易实现。同时，为采用其它工艺技术(如采用红外线激光实现热压纳米压印工艺)的纳米压印曝光工艺技术提供了条件。本发明能够根据紫外敏感胶和其它纳米压印光刻胶的黏度实现不同压强倍增，较高精密压力平衡控制机械结构极大降低了设备的成本。国际上高精密压力平衡控制机械结构价格在五万美元以上，采用高精密压力平衡控制机械结构的压印曝光装置价格在二十万美元以上。
本发明在亚微米结构生物芯片、亚微米结构传感器、亚微米结构光电探测器、亚微米结构太阳能电池、亚微米结构微流体结构等亚微米结构的制造具有广泛的应用。
【附图说明】
图1本发明真空负压纳米压印装置结构示意图结
图中：1、真空负压工作室，2、圆形石英片，3、环形橡胶柔性绞链圆片，4、二个小法兰，5、一个大法兰，6、环形橡胶柔性衬垫圆片，7、工作室上盖，8、工作室底座，9、聚四氟乙烯柔性垫片，10、工作台，11、抽气均衡环，12、真空计13、抽气管，14、纳米压印组件，15、圆形压强倍增石英片，16、密封圈，17、真空闸门，18、减压闸门，19、减压管。
【具体实施方式】
如图1所示，本发明主体是一个真空负压工作室1，真空负压工作室1底部密封，顶部有圆形石英片窗口2，而圆形石英片窗口2与真空负压工作室1通过两个小法兰4、一个大法兰5、环形橡胶柔性绞链圆片3、环形橡胶柔性衬垫圆片6密封连接。
真空负压工作室1包括：圆形石英片2、环形橡胶柔性绞链圆片3、二个小法兰4、一个大法兰5、环形橡胶柔性衬垫圆片6、工作室上盖7、工作室底座8、聚四氟乙烯柔性垫片9、工作台10、抽气均衡环11、真空计12、抽气管13、纳米压印组件14、圆形压强倍增石英片15、密封圈16、真空闸门17、减压闸门18、减压管19。其连接关系为：圆形石英片2通过二个小法兰4、环形橡胶柔性衬垫圆片6和环形橡胶柔性绞链圆片3密封连接，圆形石英片2夹紧在二个小法兰4、环形橡胶柔性衬垫圆片6和环形橡胶柔性绞链圆片3之间；环形橡胶柔性绞链圆片6通过大法兰5和真空负压工作室1密封连接；工作室上盖7和工作室底座8通过密封圈16密封连接；工作室底座8、圆形聚四氟乙烯柔性垫片9和可以通过电控实现x-y-z方向调整的工作台10不可移动的同心紧密接触；抽气均衡环11固定在真空负压工作室1内底部，抽气均衡环11是一上有均匀小孔的环形管；真空计12和抽气管13分别与抽气均衡环11通过密封管道密封连接；纳米压印组件1放置在基板工作台10中心圆形聚四氟乙烯柔性垫片上；圆形压强倍增石英片15与圆形石英片4下表面紧密同心连接；密封圈16放置在工作室上盖7腔壁与工作室底座8腔壁之间，通过钢制工作室上盖7的自身重量和工作室底座8紧密接触；真空闸门17密封连接在抽气管13上；减压闸门18通过密封管道与真空负压工作室1密封连接。
圆形石英片4厚度4毫米、直径12英寸，圆形压强倍增石英片15厚度2毫米、直径4英寸。
纳米压印组件14由压印模仁和置于下方的压印基板构成。
使用时，打开真空负压工作室1的上盖7，将纳米压印基板放到基板工作台10聚四氟乙烯柔性垫片9上，用微量滴管将紫外敏感胶滴到压印基板上，将纳米压印模仁吸附到压强倍增石英片15表面(利用模仁背面与石英片表面的平面真空吸附)，盖上真空负压工作室上盖7，调整基板工作台10，通过显微镜透过石英片窗口2和压强倍增石英片15，观察对准，调整基板工作台10的高度使纳米压印模仁与压印基板接触，慢慢打开真空闸门17，实现对纳米压印组件14的紧密、匀衡、与表面垂直的压合，根据不同黏度紫外敏感胶和纳米压印工艺条件，控制真空负压工作室1的负压大小，把真空负压压印装置移动到针对紫外敏感胶特定波长的紫外曝光系统下方，打开针对紫外敏感胶特定波长的紫外灯曝光系统的开门，使对紫外敏感胶特定波长的紫外线透过石英片窗口2和压强倍增石英片15，照射纳米压印组件14，根据压印工艺条件确定曝光时间，缓缓打开减压闸门18，真空负压工作室1气压达到大气压。打开真空负压工作室1上盖，取出纳米压印组件14。
完成一个压印流程，上述过程可以通过计算机控制实现自动化。传统亚微米图形的转移需要价格昂贵的光刻机。对于一般研究机构迫切需要一种价格比较低的亚微米图形的转移技术。本发明的真空负压压印曝光装置，结合紫外曝光系统(包括紫外光源、抛物线反射镜、快门、定时系统)，并用于基于紫外固化技术的亚微米图形转移工艺，实现了500纳米图形结构的转移。