專(zhuān)利名稱(chēng)：帕爾帖熱循環(huán)微納米壓印裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微納米壓印技術(shù)(NIL)，尤其涉及一種帕爾帖熱循環(huán)微納米壓印裝置。
背景技術(shù)：
普林斯頓大學(xué)的Stephen Y Chou在1995年首先提出微納米壓印技術(shù)，在1996年正式確定。其確定的納米壓印技術(shù)的工藝過(guò)程成為了所公認(rèn)的典型工藝。工藝過(guò)程可分為三步(1)制作印章，即以傳統(tǒng)微刻蝕技術(shù)制作具有微納米特征尺寸的壓印印章；(2)壓印過(guò)程，即在壓印機(jī)上，施以精確控制的壓力及溫度，用印章在涂于元件基片的PMMA上壓出所需圖形，然后固化PMMA；(3)轉(zhuǎn)移圖形，即通過(guò)刻蝕把壓印所得的PMMA上的圖案轉(zhuǎn)移到元件基片上，以實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。
自從1995年Chou提出納米壓印技術(shù)，引起了許多國(guó)家研究人員的廣泛關(guān)注，尤其是微電子學(xué)技術(shù)方面和工程制造方面。通過(guò)對(duì)壓印過(guò)程的各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行了不同的改進(jìn)，演變出了幾種有代表性的壓印技術(shù)。其中有，德克薩斯州立大學(xué)的Grant Willson就壓印過(guò)程中的壓印材料的固化進(jìn)行改進(jìn)，采用了光固化，提出的步進(jìn)閃光壓印技術(shù)(Step and flash imprint lithography，SFIL)；Chou就壓印的方式進(jìn)行改進(jìn)，提出了滾動(dòng)納米壓印技術(shù)(Roller nanoimprintlithography，RNIL)；同時(shí)Chou又對(duì)壓印過(guò)程的簡(jiǎn)化提出了直接對(duì)壓印材料進(jìn)行壓印，無(wú)需圖形轉(zhuǎn)移工藝的直接快速納米壓印技術(shù)(Ultrafast and directimprint)，以及密歇根州立大學(xué)的L J Guo提出的納米光刻壓印復(fù)合技術(shù)(Combined nanoimprinting and photolithography，CNP)與逆向納米壓印技術(shù)(Reverse-nanoimprinting techinique)等等。
這些壓印技術(shù)工藝上雖有不同但多是體現(xiàn)在對(duì)聚合物上圖案的成形過(guò)程所作的改進(jìn)，而對(duì)聚合物的軟化與固化過(guò)程的改進(jìn)就比較少。目前壓印過(guò)程中聚合物的軟化和固化多采用的途徑是溫度與光照，或者兩者結(jié)合使用。通過(guò)加熱使聚合物軟化、冷卻使聚合物固化是比較傳統(tǒng)的方法，比如Chou最早提出的納米壓印技術(shù)就是采用這種方法。通過(guò)光照使聚合物軟化、固化是新興的方法，多采用紫外光(UV)或激光。這里就其中比較有代表性的工藝進(jìn)行介紹。
1.步進(jìn)閃光壓印技術(shù)步進(jìn)閃光壓印技術(shù)(SFIL)，是Willson在Chou的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，主要改進(jìn)在有機(jī)物基片的固化。Chou和其他研究組都采用降低溫度來(lái)實(shí)現(xiàn)固化，而Willson采用了光固化，從而使得工藝過(guò)程簡(jiǎn)單而快速，適用于微納米電子電路的集成。該技術(shù)中所用的聚合物材料在室溫下有著很好的流動(dòng)性能，故在壓印過(guò)程中不需要加熱，直接對(duì)其壓印。這中間就要求固化所用的光線對(duì)壓在有機(jī)物材料上面的印章材料是透明的，這樣才能充分發(fā)揮出光固化的作用。
2.直接快速納米壓印技術(shù)直接納米壓印技術(shù)大致的過(guò)程如此采用硬度較大的材料作為印章材料，例如金剛石、二氧化硅等，而選用硬度較小的材料作為元件材料，如鋁等材料。通常在常溫條件下，施加壓力在元件材料上面直接壓出所需圖案。這種方法工藝簡(jiǎn)單快速，設(shè)備簡(jiǎn)單，對(duì)材料有一定的要求，有著不錯(cuò)的前景。
2002年Chou在Nature雜志上提出了一種直接快速納米壓印技術(shù)—激光直接壓印技術(shù)(Laser-assisted direct imprint，LADI)。其具體的工藝過(guò)程與Willson有些類(lèi)似。待壓印的元件材料在激光直接照射下，很快就會(huì)從固態(tài)變成液態(tài)，從而進(jìn)行壓印。當(dāng)然壓印印章材料必需對(duì)激光是透明的。而元件材料的固化過(guò)程也采用了光固化，并且采用了同樣的激光束，固化過(guò)程也很快，從而實(shí)現(xiàn)了快速直接壓印。由于LADI直接在元件材料上進(jìn)行壓印，從而就直接得到我們所需要的結(jié)構(gòu)。
如上所述光照軟固化具有工藝簡(jiǎn)單快速、生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn)(1)步進(jìn)閃光壓印技術(shù)和激光直接壓印技術(shù)都要求印章材料透明，以利于激光的透過(guò)，這使得印章材料選擇的范圍有限；(2)同時(shí)由于壓印材料采用光固化，需要使用比較昂貴的準(zhǔn)分子激光，并由專(zhuān)業(yè)人員來(lái)操作使用，使得這兩種方法很難在普通實(shí)驗(yàn)室實(shí)現(xiàn)，制作成本也比較昂貴。相對(duì)而言，傳統(tǒng)的溫度軟固化采用電阻加熱、采用液冷降溫恰恰具有操作簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，并且對(duì)印章材料選擇沒(méi)有特殊要求。其主要缺點(diǎn)是升降溫速度慢，難于進(jìn)行精確的溫度控制，同時(shí)機(jī)械結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜。而對(duì)微納米壓印來(lái)說(shuō)，溫度的控制直接關(guān)系到壓印成品的質(zhì)量，精確的溫度控制可以大幅度降低印章和元件材料的粘結(jié)，降低熱變形的影響。如果能采用合理的設(shè)計(jì)克服溫度軟固化的缺點(diǎn)，那么這樣的微納米壓印技術(shù)不失為一種低成本、高效率、高質(zhì)量的壓印技術(shù)。

發(fā)明內(nèi)容
為了實(shí)現(xiàn)快速升降溫、精確溫度控制、結(jié)構(gòu)又相對(duì)簡(jiǎn)單的溫度軟固化納米壓印，本發(fā)明的目的在于提供一種帕爾帖熱循環(huán)微納米壓印裝置。
本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案如下1)在工作臺(tái)上裝有真空罩，真空罩上部裝有一端伸入真空罩內(nèi)、另一端在真空罩外能作軸向移動(dòng)的連接塊，伸出真空罩外的連接塊一端的內(nèi)肩面與真空罩上端面間裝有彈簧，連接塊上端面與液壓活塞活動(dòng)端相連，液壓活塞另一端裝在支撐架的橫梁上，支撐架與工作臺(tái)固連，裝在真空罩內(nèi)的上加熱板經(jīng)一隔熱陶瓷與連接塊下端面相連，上加熱板的外板上部裝有冷卻管，冷卻管穿過(guò)真空罩與外部連接，裝在真空罩內(nèi)的下加熱板經(jīng)另一隔熱陶瓷與工作臺(tái)固連，下加熱板的外板下部裝有冷卻管，冷卻管穿過(guò)工作臺(tái)與外部連接；2)上加熱板、下加熱板分別為不銹鋼內(nèi)板、外板雙層結(jié)構(gòu)，外板內(nèi)開(kāi)有網(wǎng)狀冷卻流道并有流道接口與外部連接，在內(nèi)板內(nèi)表面嵌有四片對(duì)稱(chēng)分布的方形半導(dǎo)體熱電致冷器及在一徑向線兩側(cè)的兩個(gè)方形半導(dǎo)體熱電致冷器間裝有PT100熱電偶溫度傳感器，上、下加熱板結(jié)構(gòu)相同只是裝配方向相反。
本發(fā)明中的壓印裝置是一種直接快速納米壓印裝置，可在元件材料上面直接壓出所需圖案而無(wú)需圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程。它的創(chuàng)新之處是在前述微納米壓印工藝基礎(chǔ)上，對(duì)壓印過(guò)程中的壓印材料的軟固化進(jìn)行改進(jìn)，采用帕爾帖熱循環(huán)原理對(duì)壓印材料進(jìn)行加熱軟化和冷卻固化。帕爾帖熱循環(huán)采用的熱電致冷器由N型和P型半導(dǎo)體單元配對(duì)組合而成。借助直流電的流動(dòng)，致冷器的一面被冷卻、另一面則被加熱。另外通過(guò)改變電源的極性，使熱量的移動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)加熱、冷卻的完全互換(即帕爾帖效應(yīng))循環(huán)。避免了電阻加熱和液冷的缺點(diǎn)，也無(wú)需激光軟固化的較高成本。
本發(fā)明具有的有益的效果是由于采用了基于帕爾帖熱循環(huán)原理的半導(dǎo)體熱電致冷器，與傳統(tǒng)的電阻加熱和液冷相比，加熱與冷卻的時(shí)間明顯縮短，有利于提高生產(chǎn)效率；溫度的變化曲線更加平緩，有利于精確控制溫度和提高成品的質(zhì)量。再者采用了與加熱板一體化的真空罩，簡(jiǎn)化了真空罩傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，整個(gè)裝置的體積更小，機(jī)械結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，外觀也更美觀。


是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖；圖2是圖1的加熱板結(jié)構(gòu)A-A剖視示意圖。
圖中1-支撐架，2-液壓活塞，3-連接塊，4-彈簧，5-真空罩，6-冷卻管，7-上加熱板，8-半導(dǎo)體熱電致冷器，9-下加熱板，10-隔熱陶瓷，11-工作臺(tái)，12-冷卻管，13-隔熱陶瓷，14-PT100熱電偶溫度傳感器，15-內(nèi)板，16-外板，17-冷卻流道，18-流道接口。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。
如圖1、圖2所示，本發(fā)明結(jié)構(gòu)如下1)在工作臺(tái)11上裝有真空罩5，真空罩5上部裝有一端伸入真空罩5內(nèi)、另一端在真空罩5外能作軸向移動(dòng)的連接塊3，伸出真空罩5外的連接塊3一端的內(nèi)肩面與真空罩5上端面間裝有彈簧4，連接塊3上端面與液壓活塞2活動(dòng)端相連，液壓活塞2另一端裝在支撐架1的橫梁上，支撐架1與工作臺(tái)11固連，裝在真空罩5內(nèi)的上加熱板7經(jīng)一隔熱陶瓷13與連接塊3下端面相連，上加熱板7的外板16上部裝有冷卻管6，冷卻管6穿過(guò)真空罩5與外部連接，裝在真空罩5內(nèi)的下加熱板9經(jīng)另一隔熱陶瓷10與工作臺(tái)11固連，下加熱板9的外板16下部裝有冷卻管12，冷卻管12穿過(guò)工作臺(tái)11與外部連接；2)上加熱板7、下加熱板9分別為不銹鋼內(nèi)板15、外板16雙層結(jié)構(gòu)，外板16內(nèi)開(kāi)有網(wǎng)狀冷卻流道17并有流道接口18與外部連接，兩層間在內(nèi)板內(nèi)表面嵌有四片對(duì)稱(chēng)分布的方形半導(dǎo)體熱電致冷器8及在一徑向線兩側(cè)的兩個(gè)方形半導(dǎo)體熱電致冷器8間裝有PT100熱電偶溫度傳感器14，上、下加熱板結(jié)構(gòu)相同只是裝配方向相反。
本發(fā)明的工作過(guò)程如下1)開(kāi)啟液壓泵，提升液壓活塞2至行程最高點(diǎn)，將印章與基片疊放在一起放于下加熱板9上并定位。降下真空罩5(同時(shí)上加熱板也在下降)直到彈簧4將其鎖緊，開(kāi)啟真空泵抽真空。
2)當(dāng)真空度達(dá)到要求時(shí)，液壓活塞2通過(guò)上加熱板7給印章與基片施加預(yù)壓力進(jìn)行預(yù)壓；同時(shí)給半導(dǎo)體熱電致冷器8通電對(duì)印章與基片加熱進(jìn)行軟化。
3)當(dāng)溫度達(dá)到要求時(shí)，液壓活塞2通過(guò)上加熱板給印章和基片施加最終的壓印力；保持溫度與壓力不變一段時(shí)間直到基片充分成形。
4)接著給半導(dǎo)體熱電致冷器8反相通電對(duì)印章與基片進(jìn)行冷卻固化，同時(shí)打開(kāi)液冷回路將半導(dǎo)體熱電致冷器8熱面的熱量散去。
5)當(dāng)印章與基片徹底冷卻后，提升液壓活塞2至行程最高點(diǎn)，將印章與基片取出。
壓印過(guò)程的典型工藝流程1)將印章與基片與空氣隔絕；2)加熱，使基片軟化；3)加壓，使基片充分成形；4)冷卻，使基片固化。本發(fā)明主要是對(duì)2)、3)、4)進(jìn)行了改進(jìn)
1.考慮縮短加熱和冷卻時(shí)間。對(duì)于采用溫度進(jìn)行聚合物軟固化的微納米壓印，加熱和冷卻的時(shí)間在整個(gè)壓印時(shí)間中占有很大比重，所以縮短這個(gè)時(shí)間是提高生產(chǎn)效率的關(guān)鍵。半導(dǎo)體熱電致冷器由N型和P型半導(dǎo)體單元配對(duì)組合而成。借助直流電的流動(dòng)，致冷器的一面被冷卻、另一面則被加熱。另外通過(guò)改變電源的極性，使熱量的移動(dòng)方向逆轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)加熱、冷卻的完全互換(即帕爾帖效應(yīng))循環(huán)。與電阻相比半導(dǎo)體熱電致冷器熱效率更高。根據(jù)帕爾帖效應(yīng)，電偶在熱端放出的熱量為QH＝Q0+N0，其放熱系數(shù)(單位電功率發(fā)散出的熱量)為ε′＝QH/N0＝1+ε＞1優(yōu)于電阻加熱。而且改變電源極性熱電致冷器還可以制冷，進(jìn)一步縮短冷卻時(shí)間。
2.考慮優(yōu)化溫度變化曲線。對(duì)于以溫度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)軟固化的壓印技術(shù)來(lái)說(shuō)，平穩(wěn)的溫度變化有利于降低熱變形的影響，但是在壓印中由于熱傳導(dǎo)與輻射等因素影響，溫度變化會(huì)產(chǎn)生波動(dòng)。本發(fā)明采用有限元對(duì)熱電致冷器的溫度變化過(guò)程進(jìn)行瞬態(tài)分析計(jì)算，然后應(yīng)用后處理程序計(jì)算其溫度場(chǎng)分布和熱應(yīng)力，得到熱應(yīng)力與直流電流的相應(yīng)關(guān)系，并在控制過(guò)程中，對(duì)電流輸入進(jìn)行合理補(bǔ)償，基本上消除了由熱損失所引起的溫度波動(dòng)，使溫度變化曲線趨于平滑。
3.考慮精確控制溫度與壓力。對(duì)于微納米壓印，溫度的控制直接關(guān)系到壓印成品的質(zhì)量，精確的溫度控制可以大幅度降低印章和元件材料的粘結(jié)，降低熱變形的影響。本發(fā)明中采用PID算法來(lái)控制溫度，由PLC來(lái)實(shí)現(xiàn)。PLC讀入預(yù)設(shè)的溫度值，然后與熱電偶的測(cè)量值進(jìn)行比較，于是由Tsetpoint-Tmeasured產(chǎn)生一個(gè)誤差函數(shù)。由誤差函數(shù)e(t)可以得到響應(yīng)函數(shù)r(t)=Pe(t)+I∫e(t)dt+D∂e(t)∂t,]]>然后響應(yīng)函數(shù)r(t)被轉(zhuǎn)換成控制熱電致冷器打開(kāi)時(shí)間的信號(hào)。PID的參數(shù)就是響應(yīng)函數(shù)r(t)中的系數(shù)，它們的取值分別為P＝0.6，I＝29，D＝4。另外，直接快速納米壓印所需的壓力較大，因此壓力控制直接關(guān)系到基片是否能成形完全。但是液壓系統(tǒng)的控制精度一般都比較低，為了實(shí)現(xiàn)液壓壓力的精確控制，本發(fā)明采用了與溫度控制類(lèi)似的PID控制。
此外，為了在兩加熱板間提供較大的觀察與操作的空間，液壓活塞設(shè)置了較大的行程；為了避免增加壓印時(shí)間，液壓裝置采用了兩級(jí)速度進(jìn)給。具體通過(guò)PLC輸出直流電流控制比例流量閥進(jìn)行變速。
為了滿足工作現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境及各種應(yīng)用場(chǎng)合，本發(fā)明設(shè)計(jì)了不同控制方式，既有傳統(tǒng)的手動(dòng)控制方式，又設(shè)計(jì)了上位機(jī)通過(guò)串口通訊監(jiān)測(cè)和控制PLC的計(jì)算機(jī)控制方式。根據(jù)不同的工作狀況，各種控制方式可以相互切換，因此，本發(fā)明使用方便，應(yīng)用場(chǎng)合廣。
權(quán)利要求
1.一種帕爾帖熱循環(huán)微納米壓印裝置，其特征在于1)在工作臺(tái)(11)上裝有真空罩(5)，真空罩(5)上部裝有一端伸入真空罩(5)內(nèi)、另一端在真空罩(5)外能作軸向移動(dòng)的連接塊(3)，伸出真空罩(5)外的連接塊(3)一端的內(nèi)肩面與真空罩(5)上端面間裝有彈簧(4)，連接塊(3)上端面與液壓活塞(2)活動(dòng)端相連，液壓活塞(2)另一端裝在支撐架(1)的橫梁上，支撐架(1)與工作臺(tái)(11)固連，裝在真空罩(5)內(nèi)的上加熱板(7)經(jīng)一隔熱陶瓷(13)與連接塊(3)下端面相連，上加熱板(7)的外板(16)上部裝有冷卻管(6)，冷卻管(6)穿過(guò)真空罩(5)與外部連接，裝在真空罩(5)內(nèi)的下加熱板(9)經(jīng)另一隔熱陶瓷(10)與工作臺(tái)(11)固連，下加熱板(9)的外板(16)下部裝有冷卻管(12)，冷卻管(12)穿過(guò)工作臺(tái)(11)與外部連接；2)上加熱板(7)、下加熱板(9)分別為不銹鋼內(nèi)板(15)、外板(16)雙層結(jié)構(gòu)，外板(16)內(nèi)開(kāi)有網(wǎng)狀冷卻流道(17)并有流道接口(18)與外部連接，在內(nèi)板(15)內(nèi)表面嵌有四片對(duì)稱(chēng)分布的方形半導(dǎo)體熱電致冷器(8)及在一徑向線兩側(cè)的兩個(gè)方形半導(dǎo)體熱電致冷器(8)間裝有PT100熱電偶溫度傳感器(14)，上、下加熱板結(jié)構(gòu)相同只是裝配方向相反。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種帕爾帖熱循環(huán)微納米壓印裝置。在工作臺(tái)上裝有真空罩，真空罩上部裝有一端伸入真空罩內(nèi)、另一端在外能作軸向移動(dòng)的連接塊，伸出真空罩外的連接塊與真空罩間裝有彈簧，連接塊上端面與液壓活塞端相連，裝在真空罩內(nèi)的上加熱板經(jīng)隔熱陶瓷與連接塊下端面相連，下加熱板經(jīng)隔熱陶瓷與工作臺(tái)固連；上、下加熱板均為不銹鋼內(nèi)、外板雙層結(jié)構(gòu)，外板內(nèi)開(kāi)有網(wǎng)狀冷卻流道并有流道接口與外部連接，兩層間內(nèi)板內(nèi)表面嵌有四片對(duì)稱(chēng)分布的方形半導(dǎo)體熱電致冷器及在一徑向線兩側(cè)的致冷器間裝有溫度傳感器。采用基于帕爾帖熱循環(huán)原理的致冷器，加熱與冷卻的時(shí)間縮短，有利于提高生產(chǎn)效率；溫度的變化曲線更加平緩，便于精確控制溫度和提高成品的質(zhì)量。
文檔編號(hào)B41K1/00GK1586894SQ20041005340
公開(kāi)日2005年3月2日 申請(qǐng)日期2004年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年7月26日
發(fā)明者傅建中, 陳子辰, 賀永, 張海峰 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)