一种用于高亮度 LED图形化的纳米压茚装置和方法

本发明属于微纳制造和光电子器件制造技术领域 尤其涉及一种用于高亮度 LED 图形 化的纳米压印装置和方法。

LED图形化（蓝宝石襯底图形化和 LED外延片图形化）已经被学术界和工业界认为是提 高光生成效率和光萃取效率以及改进光源质量 （控制光发射方向和远场图形均匀性） 最有效 途径 即所谓纳米级图形化蓝宝石衬底（Nano-Patterned Sapphire Substrate, NPSS )和 LED外 延片图形化技术（Photonic Crystal LED, 光子晶体 LED; Nanorod LED, 纳米棒 LED; Nanowire LED, 纳米线 LED), 目前被业界认为是提高取光效率， 實现超高亮度 LED最有效的技术手 段之一 不同于传统 IC领域所指使用的平整洁净硅片， 蓝宝石衬底和 LED外延片具有以下 特点 表面不平整， 存在翹曲和弯曲变形 厚度尺寸变化大， 并且会有数微米尺寸的表面尖 锐的突起 以及存在较为明显的表面缺陷和颗粒状污染物， 而且呈现出噫碎的特性 因此， 采用现有的各种微纳制造方法 在非平整 LED外延片或蓝宝石衬底表面高效、 低成本、 规模 化制造出大面积、高深宽比微納结构是极为困难的，无法满足 LED图形化工业级应用的需求 例如， 由于 LED 外延片存在翘曲、 弯曲以及表面波浪外形和尖锐的凸起 传统光学咣刻焦 深比无法适应曝光的要求； 采用电子束光刻制造大面积纳米结构成本高， 生产率低 难以实 现大面积、规模化的制造。对于 NPSS, 采用现囿的接触式或者接近式光刻设备无法满足纳米 图形制造精度的要求 采用步进式投影光刻 （Stepper) 虽然可以实现 NPSS制造， 但是半导 体行业使用的 Stepper在 LED荇业显得过于昂贵 大大增加了 LED的制造成本。 而 LED对 于成本非常敏感 另外， 目前一些企业采用二手翻新的 Stepper, 但是在产品良率、 设备可靠 性等方面都存在问题 干涉光刻在大面积周期性的微纳结构制造方面具有较大的优势， 但是 该方法的显著不足：焦深小、纳米结构图形的可选擇性差、对于生产环境的要求苛刻（与 LED 生产工艺兼容性差） 尤其是目前几乎还没有一家商业化公司提供成熟的千涉光刻机（大尺寸 晶圆納米图形的制造）。 虽然其它诸如纳米球珠光刻、 阳极氧化铝模板 （AAO)、 自然光刻、 嵌段共聚物自组装等纳米制造方法也已经尝试被应用于 LED圖形化但是都在存在某方面的 不足， 如成本、 生产率、一致性、 良率和规模化制造等 无法满足 LED图形化的高效、 低成 本、 一致性好工业級生产要求。

纳米压印光刻（ Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方法 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。 与其它微納米制造方法相比 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， 而且其最显著的优势在于大面积、 复杂三维微纳结构制造 的能力 尤其是对于软紫外纳米压印具有在非平整（弯曲、 翘曲或者台阶)、 易碎衬底上底上 实现品圆级纳米压印的潜能， 以及滚压印工艺所特有的连续大面积压印能力 纳米压印光刻 己经被学术界和工业界确定為实现 LED图形化的最理想的技术方案。但现有纳米压印工艺应 用于 LED图形化 在模具寿命、 生产率、 良率和可靠性等方面还存在许多不足， 尤其还面临 一些挑战性技术难题 如大面积脱模困难、 软模具变形、 颗粒状污物和尖锐的突起缺陷对于 模具的损伤、 压印图形的一致性和可偅复性等。 另外 在图形转移过程中的工艺环节， 蓝宝 石和 GaN等材料难以刻蚀 通常需要先沉积一层硬掩模层， 为了降低生产成本 缩短工藝路 线， 直接在抗蚀剂上压印出大深宽比的特征结构 可以省去硬掩模层工序， 简化了生产工艺 和降低了生产成本 因此， LED 图形化对于在非平整表面或曲面或易碎衬底上高效和低成本 制造大面积、 高深宽比微纳结构的新型压印技术有着非常迫切的需求

所以，为了满足 LED图形囮的工业级应用需求迫切需要开发新的纳米压印工艺和装备， 它具有在非平整表面上低成本、 高效量产大面积、 高深宽比、 微纳米结构能力

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置 和方法 它采用一种低成本水溶性、 薄膜状弹性複合软模具， 并结合大面积纳米压印工艺和 气体辅助渐进顺序施压以及揭开式脱模方法 实现在非平整表面 （弯曲、 翘曲、 台阶或者突 起） 或者曲面或者易碎性衬底高效、 低成本制造大面积、 高深宽比微纳结构。

为了实现上述目的 本发明采用如下技术方案- 一种用于高亮度 LED圖形化的纳米压印装置， 它包括： 承片台、 真空吸盘、 衬底（晶圆 或外延片）、 紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、 模具、 气阀板 压印机构、 紫外光光源、 模具进 给机构、 真空管路、 压力管路； 其中， 承片台的正上方固定真空吸盘 真空吸盘的正上方吸 附着衬底， 衬底上涂铺液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂； 模具附在模具进给机构的放置薄 膜状模具的辊轮、 两个辅助支撑辊轮和压印后模具回收的辊轮的外面 模具通过辅助支撑辊 轮放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底的上方和气阀板的下方， 气阔板固定 在压印机构的下方 紫外光光源固定在压印机构的上方； 真空管路和压力管路与气阀板的进 气口相连， 真空管路和压力管路与真空吸盘的进气口相连

所述模具為水溶性、 薄膜状、 弹性复合透明软模具， 它包括图形层和支撑层 其中图形 层具有以下特性： 水溶性、 高弹性模量、 高透明性、 热稳定性和良好的力学特性， 选择聚乙 烯醇 （polyvinyl alcohol, PVA)或聚丙烯酸（poly(acrylic acid), PAA)等水溶性高分子化合物 所述支撑层为透明高弹性薄膜状 PET材料。其中图形层包含所要複制的微纳特征结构 (图形) 支撑层位于图形层之上。 图形层的厚度是 10-50微米 支撑层 PET厚度是 100-200微米。 所 述模具采用滚压印工艺、 印刷电子技术戓者纳米压印技术制造

所述模具进给机构包括： 放置薄膜状模具的辊轮、 压印后模具回收的辊轮、 辅助支撑辊 轮、 导向和防扭偏机构， 所述模具进给机构分为左右轴对称的两侧 一侧为放置薄膜状模具 的辊轮和辅助支撑辊轮， 放置薄膜状模具的辊轮比辅助支撑辊轮更靠近模具进给机构的中轴 线 另一侧是压印后模具回收的辊轮和另外一个辅助支撑辊轮， 压印后模具回收的辊轮与放 置薄膜状模具的辊轮相对於模具进给机构的中轴线对称 辅助支撑辊轮和另外一个辅助支撑 辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称。

所述承片台为 x-y精密工作台 实現衬底更换工位、 压印过程中衬底与模具的定位和位 置的调整。

所述压印机构包括沿 z轴方向上下移动的一维位移平台和紫外光光源的连接支架 连接 支架的下方安装有若干个缓冲密封垫。

所述紫外光光源为紫外 LED灯阵列

所述压力管路的工作范围是： 0-2bar; 压印过程中的工作压力是 10-100mbar。

所述真空管路工作范围是： -O.lbar?- 0.4bar 压印过程中的工作压力是 -300Pa?- 5kPa; 压印工作过程中模具下方和真空吸盘所围成的密闭区域 I为低压真空环境， 模具上方和 压印机构所围成的密闭区域 II为压力环境

上述用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置所采用的工作方法， 包括如下步骤： 歩骤 （1 ): 预处悝过程；

歩骤 （2): 压印过程；

步骤 （3 ): 固化过程；

步骤 （4): 脱模过程；

步骤 （5 ): 后处理过程；

步骤 （6) 压印图形的转移

所述步骤 （1 ) 的工作过程为在襯底上旋涂一层液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂， 将 衬底置于承片台之上的真空吸盘上 并通过真空吸力将涂铺紫外光固化型纳米压印忼蚀剂的 衬底吸附固定于真空吸盘上； 承片台从初始工位移动到压印工位， 所述压印工位是模具的正 下方中心位置 所述步骤 （2) 的工作过程为：

( 2-1)压印机构带动气阀板、 紫外光光源从初始工位向衬底移动， 直到压印机构的缓冲 密封垫与模具上表面支撑层 模具下表面图形层与嫃空吸盘上的缓冲密封垫完全紧密接触； 模具的下方和真空吸盘形成的密闭区域 I， 模具的上方和压印机构围成密闭的区域 II 压印和 脱模工莋过程中应确保密闭区域 I和 II密封和不漏气；

( 2-2)从气阀板的中心位置开始， 向两外侧方向逐个开启气阀板内的压力管路 在压缩 空气的施加的壓力作用下， 使模具与衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂渐进式顺序共形 微接触；

( 2-3 )模具与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形均匀接触后 一方面真空吸盘开启 真空管路， 在密闭区域 I形成低压真空环境 去除压印过程中陷入的气泡缺陷， 使薄膜状模 具与衬底上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形接触； 同时 气阔板的所有压力管 路的压力保持均匀一致性增大， 模具的上方和压印机构所围成的密闭区域 II形成低压压力环 境 在薄膜状模具上施加均匀一致的压印力， 实现紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在模具微纳 结构腔体内完全填充 并且减薄至预定的残留层厚度； 或者直接初始留膜厚度与压印特征结 构的高度相同， 实现无留膜压印 由于是一次性模具， 无需担心模具与衬底直接接触导致模 具的损伤

所述步骤 （3) 的工作过程为：

(3-1 ) 首先， 逐渐释放施加在模具上的压力 使模具的变形得到完全的释放；

(3-2) 随後， 开启紫外光光源 紫外光透过模具对紫外光固化型纳米压印抗蚀剂曝光， 充分固化紫外光固化型纳米压印抗蚀剂； 固化的时间 10-30s

所述步骤 （4) 的工作过程为：

(4-1) 首先， 关闭气阀板的压力管路和真空吸盘真空管路；

(4-2)从气阔板最外两侧同时开始向模具的中心逐个开启气阔板内的嫃空管路 使密闭 区域 II形成低压真空环境； 同时， 真空吸盘上开启压力管路 密闭区域 I形成低压压力环境。 实现模具从衬底两外侧向中心連续 "揭开"式的脱模； 最后 模具中心位置与衬底上固化的 聚合物相互分离， 实现模具与压印结构的完全分离 完成脱模。

(4-3)最后 关闭气阀板内的真空管路、 真空吸盘的压力管路以及真空吸盘上的缓冲密 封垫的压力通路的进气管路， 缓冲密封垫复位

所述步骤 （5 ) 的工作过程为：

(5-1 ) 压印机构向上移动， 返回初始工位； 同时承片台移动到衬底更换工位 关闭真空 吸盘上的真空管路， 取下压印后的衬底 更换新的衬底， 同时开启真空吸盘上的真空管路 将新的衬底固定在真空吸盘上；

(5-2) 同时压印后模具回收的辊轮转动， 薄膜状模具向前进给运动 进给移動的尺寸大 于衬底的最大外圆尺寸； 幵始新一轮压印工作过程的循环。

所述步骤 （6) 的工作过程为：

(6-1) 去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀劑结构中的残留的模具材料； 将衬底和其 上压印的微纳特征结构置于 70-100?的水溶液中 5-10分钟去除残留在压印结构中的模具残 留材料。

(6-2) 随后通過刻蚀工艺 以固化后压印的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂为掩模， 将特 征结构转移到衬底上； 或者通过 "Lift-off"工艺 将特征结构转移到其它功能结构材料上， 所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀

( 1 ) 引入一种低成本水溶性、 薄膜状弹性复合软模具。 压印过程釆用 "压缩气体和低压 嫃空共同辅助施压"和采用从模具中心位置向两外侧方向逐渐均匀性渐进顺序微接触压印方 式 基于薄膜状弹性模具结构， 在模具上面的气體辅助压印力和模具下部的真空吸力、 以及 毛细力共同作用下 实现在非平整衬底 （突起、 波浪形、 曲面等） 压印力均匀分布， 并在很 小壓印力的条件下实现模具与非平衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形密切接 触 克服压印过程中陷入上的气泡缺陷。 脱模过程采用模具从衬底两侧向中心连续 "揭开" 式脱模方式 在模具上方的真空吸力和模具下方的压縮空气施加脱模力的共同作用下， 采用 微小的脱模力即可实现大面积脱模

(2 )通过薄膜状弹性复合软模具、 压缩气体和低压真空力共同辅助渐进式顺序施压、均 勾顺序微接触压印方法， 实現非平整衬底均匀共形接触 确保压印非平整衬底大面积压印图 形的一致性， 并且解决了压印过程中引入颗粒污染物的问题

(3)压印过程中， 模具和紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在低压真空环境中 解决了大面 积压印过程中陷入气泡的去除问题以及确保模具和衬底完全接触提高压印图形的一致性。

(4)使用一次性水溶性模具 一方面解决了压印过程中模具的寿命和成本的问题， 另外 降低了压印缺陷的产生 提高了複形质量， 高深宽比微纳特征结构在脱模过程由于模具和固 化后聚合物的粘附 以及脱模力不均匀等因素导致一些微纳特征结构极易断在戓者粘附在压 印的结构层中， 残留在压印结构层中的模具材料可在水溶液中去除而不损伤图形层

本发明的创新点及有益效果是： ( 1 ) '本发明所使用的模具为一次性低成本模具。 即采用水溶性材料 易于去除； 其薄膜 状和高弹性特性， 确保与非平整衬底具有良好共形接触能力； 此外还可以有效降低纳米压印 过程中由于生产环境中的颗粒物引起的缺陷问题

( 2 )渐进式顺序微接触的压印和脱模方法，压印和脱模过程都昰基于顺序和微接触模式 减小了模具变形和脱模力， 压印过程中陷入的气泡能够被及时排出

( 3 ) 具有在小压印力下， 在非平整衬底 （突起、 翘曲、 弯曲、 台阶） 实现与薄膜状弹性 模具完全共形密切接触的能力 实现了在非平整衬底大面积均匀一致的压印 （大面积压印图 形一致性）。

( 4)模具图形层材料为水溶性材料对于高深宽比微纳特征结构即使脱模过程中模具的 微纳特征结构残留在复压印结构层中， 极易去除 提高压印图形的质量， 实现了大面积、 高 深宽比微纳结构的制造

( 5 )压印过程在低压真空条件下， 并结合采用从模具中心位置向两外侧方向渐进式顺序 微接触压印方式 解决了大面积压印过程中陷入气泡的技术难题并确保小压印力条件下良好 的共形接触。

( 6 )因为本发明使用嘚是一次性模具无需担心模具与衬底直接接触，导致模具的损伤 可以实现无残留层的压印。

( 7 ) 固化前 采用压印力释放工艺， 将模具的變形得到充分的释放 有效提高软模具压 印图形的质量和精度。

( 8 )薄膜状模具采用连续滚压印工艺等制造方法 压印材料成本低廉， 模具制慥具有高 效、 低成本制造的优势 满足批量化工业级应用的要求。

(9) 本发明压印过程和脱模过程以模具中心为对称轴 模具均匀、对称受力， 压印和脱 模过程两侧同时进行 生产效率高。

( 10 )模具为一次性 水溶性模具， 解决了尖锐凸起、 缺陷、 颗粒物等对于模具的损伤 以及高罙宽比结构脱模模具易损伤的技术难题， 模具寿命低的问题

( 11 ) 本发明不依赖精密机械施加的平衡、 均勾， 与表面垂直的压印力 简化了设備结 构。 通过气体辅助压力 （正压和负压的结合） 实现大面积压印过程中的均匀施压

( 12 ) 生产环境的要求低， 对于衬底或者晶圆的不平整度、 缺陷、 颗粒物不敏感 适应 度高。 这在实际工业应用中是非常重要的

( 13 ) 本发明结合了平板压印和滚压印二者优势， 实现了大面积微纳米結构的高效、 低 成本制造 为大面积微纳米结构的商业化应用提供一种工业级的解决方案。 本发明的最显著优势在于： 实现了在各种软、 硬衬底 包括非平整（弯曲、 翘曲、 台阶 或者突起）或曲面衬底或者易碎衬底表面高效、低成本制造出大面积、 高深宽比微纳米结构， 为夶面积微纳结构制造 或者非平整衬底大面积纳米图形化， 或者曲面的大面积纳米图形化 或者高深宽比大面积微纳结构制造提供了一种笁业级的应用解决方案。

本发明适合于高密度磁盘 （HDD)、 微光学器件 （如光学透镜、 衍射光学元件等）、 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 LED纳米图形化（光子 晶体 LED的制造纳图形化蓝宝石衬底等） 和晶圆级微光学器件的工业级生产。

图 1是本发明用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置结构示意图；

图 2是本发明使用的水溶性、 薄膜状弹性复合软模具结构示意图；

图 3是本发明气阀板其内部管路布置的结构示意图；

图 4a是本发明真空吸盘嘚结构俯视图；

图 4b是本发明真空吸盘内部管路布置的结构侧面剖视图；

图 5是本发明压印机构的结构示意图；

图 6是本发明模具进给机构的结構示意图；

图 7是本发明用于高亮度 LED图形化的压印方法的工作过程流程图；

其中 1承片台、 2真空吸盘、 3衬底、 4紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、 5模具、 6气阀 板， 7压印机构、 8紫外光光源、 9模具进给机构、 10真空管路、 11压力管路、 201、 第一缓 冲密封垫 202水平压力管路、 203垂直孔、 204水平真空管路、 205吸附衬底的垂直管路、 206连通区域 I水平管路、 207连通区域 I垂直管路、 501图形层、 502支撑层、 50101微纳特 征结构、 50102微纳结构腔体、 601进气口、 602凹槽面、 701连接支架、 702、 第二缓冲密封 垫、 705顶面、 706底面、 709运动执行机构、 901放置薄膜状模具的辊轮、 902辅助支撑辊 轮、 903压印后模具回收的辊轮。

下面结匼附图与实施例对本发明作进一步说明

本发明以纳米图形化 4英寸蓝宝石衬底为实施例， 衬底 3为 4英寸蓝宝石 薄膜状复合 弹性软模具的图形层 501选择水溶性聚合物聚乙烯醇 （polyvinyl alcohol, PVA), 支撑层 502 使用高透明和弹性薄膜状 PET材料。

图 1是本发明用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置结构示意图 它包括： 承片台 1、 真空吸盘 2、 衬底 3、 紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4、 模具 5、 气阀板 6， 压印机构 7、 紫外 光光源 8、 模具进给机构 9、 真空管路 10、 压力管路 11 ; 其中 涂铺有紫外光固化型纳米压 印抗蚀剂 4的衬底 3吸附在真空吸盘 2之上， 真空吸盘 2固定在承片台 1之上； 气阀板 6固 定在压印机构 7的底面 706 紫外光光源 8固定在压印机构 7的顶面 705; 模具 5附在模具进 给机构 9的放置薄膜状模具的辊轮 901、两个辅助支撑辊轮 902和压印后模具回收的辊轮 903 的外面， 模具 5通过辅助支撑辊轮 902放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4的衬 底 3的上方和气阔板 6的下方 真空管路 10和压力管路 11与气阀板 6的进氣口 601相连， 压力管路 11与真空吸盘 2的水平压力管路 202连接、 真空管路 10与真空吸盘 2的水平真空 管路 204连接、 真空管路 10和压力管路 11与真空吸盘 2的连通區域 I水平管路 206相连 图 2是本发明使用的水溶性、 薄膜状高弹性复合软模具结构示意图， 所述模板 5为两层薄膜 状弹性透明的软模具 它包括圖形层 501和支撑层 502。 所述图形层

图 3是本发明气阀板 6及其内部管路布置的结构示意图 其中一个侧面开有进气口 601 , 底面加工出凹槽面 602， 凹槽面 602的┅侧与进气口 601相通 进气口 601与真空管路 10和 压力管路 11相连。

图 4a是本发明真空吸盘 2的结构俯视图 图 4b是本发明真空吸盘 2内部管路布置的结 构侧媔剖视图， 它包括： 第一缓冲密封垫 201 (上下自由活动）、 放置第一缓冲密封垫 201的 垂直孔 203、 与垂直孔 203相通的水平压力管路 202 (与压力管路 11相连 通過压力管路 11 所提供的压縮气体使第一缓冲密封垫 201在压印过程中向上运动， 与模具 5和压印机构 7的 第二缓冲密封垫 702 (固定不动） 共同作用 形成密闭区域 1)、 固定吸附衬底 3的水平真空 管路 204 (与真空管路 10相连， 提供吸附衬底 3的负压）、 吸附衬底的垂直管路 205 (与水平 真空管路 204相连通）、 连通區域 I水平管路 206 (与真空管路 10和压力管路 11相连 压印 时与真空管路 10相连通， 脱模时与压力管路 11相连通）、 与连通区域 I水平管路 206相连通 的连通区域 I垂直管路 207 (压印时 在密闭区域 I中形成低压真空环境； 脱模时在密闭区域 1中形成正压环境）。 第一缓冲密封垫 201在垂直孔 203中应确保能够自由運动

图 5是本发明压印机构 7的结构示意图，它包括连接支架 701、第二缓冲密封垫 702 (固 定在连接支架 701上）、运动执行机构 709其中连接支架 701用以连接和固定紫外光光源 8、 气阀板 6、第二缓冲密封垫 702以及实现压印机构 7沿 z轴方向上下移动的运动执行机构 709 (如一维位移平台等）。 当压印机构 7 从初始工位移动到压印工位时 通过第二缓冲密封垫 702、 模具 5和真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201共同作用， 形成密封区域 II 压印机构 7 的连接支架 701嘚顶面 705与紫外光光源 8相连， 压印机构 7的连接支架 701的底面 706与 气阀板 6相连 压印机构 7的连接支架 701的顶面 705与运动执行机构 709相连。

图 6是本发明模具進给机构 9的结构示意图 它包括放置薄膜状模具的辊轮 901、 辅助 支撑辊轮 902、压印后模具回收的辊轮 903。其中放置薄膜状模具的辊轮 901用以放置（承载) 薄膜状模具 5 (通过滚压印工艺制造的薄膜状弹性模具 5 ) 压印后模具回收的辊轮 903用以 回收脱模后的模具 5， 辅助支撑辊轮 902起到辅助支撑、 导姠和防扭偏的功能 可以在不同 的位置放置多个（本实施例使用两个）。 压印后模具回收的辊轮 903是主动转动轮 放置薄膜 状模具的辊轮 901是被动转动轮， 完成一次压印脱模后 压印后模具回收的辊轮 903主动旋 转， 新的模具 5进给移动到压印工位 开始下一次压印的工作过程循环。

圖 7是本发明用于高亮度 LED图形化的压印方法的工作过程流程图 它包括如下工艺 歩骤：

在 4英寸蓝宝石衬底 3上旋涂 200nm的液态紫外光固化型纳米压茚抗蚀剂 4，将其置于 承片台 1之上的真空吸盘 2上 并通过真空吸力将涂铺有紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4的 蓝宝石衬底 3吸附固定在真空吸盘 2仩。 承片台 1从初始工位移动到压印工位 （模具 5的正 下方中心位置）

①压印机构 7带动气阀板 6、 紫外光光源 8从初始工位向蓝宝石衬底 3方向移動， 直到 压印机构 7的第二缓冲密封垫 702与模具 5 模具 5与真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201 完全接触。模具 5的下方和真空吸盘 2形成的密闭区域 I模具 5的上方和压印机构 7围成密 闭的区域 II， 应确保密闭区域 I和 II压印和脱模工作过程中密闭和不漏气； ②从气阀板 6的 中心位置开始 向两外侧方姠逐个开启压力管路 11， 在压缩空气所施加的均匀压力作用下 使薄膜状模具 5与蓝宝石衬底 3上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4逐渐共形接触；③ 薄膜 状的模具 5与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4完全共形均匀接触后， 真空吸盘 2开启真空管 路 10 在密闭区域 I形成低压真空环境 （一方面詓除压印过程中陷入的气泡缺陷， 另一方面 使薄膜状的模具 5与非平整衬底 3上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4完全共形接触）； 同时 氣阔板 6的所有压力管路的压力保持均匀一致性增大， 模具 5的上方和压印机构 7所 围成的密闭区域 II形成低压压力环境 （在薄膜状的模具 5上施加均匀一致的压印力） 实现 液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4在模具 5微纳结构腔体 50102内完全填充， 并且减薄至 60nm预定的残留层厚度 压印过程嘚工作压力是 30 mbar。

①为了降低模具 5的变形对于压印质量的影响液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4固 化前， 逐渐释放施加在模具 5上的压力 朂后保持 5 mbar的压印力， 使模具 5的变形得到完 全的恢复； ②随后 开启紫外光光源 8， 紫外光透过模具 5对液态紫外光固化型纳米压印抗 蚀剂 4曝光 充分固化液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4。 固化的时间 20s

①首先， 关闭气阀板 6的压力管路 11和真空吸盘 2真空管路 10; ②从气阀板 6最外两 侧同時开始向模具 5的中心逐个开启真空管路 10 密闭区域 II形成低压真空环境； 同时， 真 空吸盘 2上开启压力管路 11 密闭区域 I形成低压压力环境。 实現模具 5从蓝宝石衬底 3的 两外侧向中心连续 "揭开"式的脱模； 最后 模具 5中心位置与蓝宝石衬底 3上固化的聚合 物相互分离， 实现模具 5与压印微納特征结构 50101的完全分离 完成脱模。 ③最后 关闭 气阀板 6内的真空管路 10、 真空吸盘 2的压力管路 11以及真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201的压力管蕗 11的水平压力管路 202 (第一缓冲密封垫 201复位）。

①压印机构 7向上移动 返回初始工位。 同时承片台 1移动到衬底 3更换工位 关闭真 空吸盘 2上的水岼真空管路 204, 取下压印后的蓝宝石衬底 3， 更换新的蓝宝石衬底 3, 同时 开启真空吸盘 2上的水平真空管路 204 将新的蓝宝石衬底 3固定在真空吸盘 2上。 ②同时 压印后模具回收的辊轮 903转动薄膜状的模具 5向前进给运动，进给移动的尺寸是 300mm 开始新一轮压印工作过程的循环。

(6) 压印图形的转移

① 去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4结构中的残存的模具 5材料 模具 5的 微纳特征结构 50101在脱模过程由于固化后聚合物与脱模的粘附或鍺脱模力不均匀或者模具 5的机械强度低等原因，可能有些模具 5的微纳特征结构 50101残留到压印的特征结构中（对 于传统纳米压印工艺将导致严偅的后果 一方面将导致模具 5的失效， 另一方面残留在压印 特种结构中的模具 5材料形成压印缺陷） 导致模具 5失效和压印缺陷的生成。本發明使用水 溶性的一次性模具 5提供了一种理想的解决方案 因为模具 5是一次性， 无需要担心模具 5 的损伤； 另外 残留在压印特征结构中的模具 5材料为水溶性材料。 因此 将衬底 3和其上 压印的特征结构置于 80?的水溶液中 10分钟， 去除残留在特征结构中的模具 5残留② 随 后， 先采鼡反应离子刻蚀工艺 RIE去除残留层 以固化后压印的有机聚合物为掩模， 通过 ICP 干法刻蚀工艺 将特征结构转移到蓝宝石衬底 3上。

本实施例所述压力管路 11的工作范围是： 0-2bar_; 压印过程中的工作压力是 30mbar 压 力释放到 5 mbar, 并在固化过程中保持 5 mbar的压印力。

所述模具 ₅的制造采用滚对滚纳米压印工藝 其制造过程： （1 ) 采用激光干涉光刻制造 硅模具（母模）； (2) 以硅模具为母模， 采用电铸工艺 制造薄片结构的镍模具， 并将其包覆 在圆柱形辊轮上 形成滚压印的工作模具； G ) 以辊轮型的镍模具为工作模具， 以 PET为背 衬（支撑层 502)水溶性 PVA为压印材料，使用滚对滚或者滚对平面納米压印工艺（热固化） 制造本实施例所需的模具 5。

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嘚限 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

一种用于高亮度 LED图形化的纳米压茚装置和方法

本发明属于微纳制造和光电子器件制造技术领域 尤其涉及一种用于高亮度 LED 图形 化的纳米压印装置和方法。

LED图形化（蓝宝石襯底图形化和 LED外延片图形化）已经被学术界和工业界认为是提 高光生成效率和光萃取效率以及改进光源质量 （控制光发射方向和远场图形均匀性） 最有效 途径 即所谓纳米级图形化蓝宝石衬底（Nano-Patterned Sapphire Substrate, NPSS )和 LED外 延片图形化技术（Photonic Crystal LED, 光子晶体 LED; Nanorod LED, 纳米棒 LED; Nanowire LED, 纳米线 LED), 目前被业界认为是提高取光效率， 實现超高亮度 LED最有效的技术手 段之一 不同于传统 IC领域所指使用的平整洁净硅片， 蓝宝石衬底和 LED外延片具有以下 特点 表面不平整， 存在翹曲和弯曲变形 厚度尺寸变化大， 并且会有数微米尺寸的表面尖 锐的突起 以及存在较为明显的表面缺陷和颗粒状污染物， 而且呈现出噫碎的特性 因此， 采用现有的各种微纳制造方法 在非平整 LED外延片或蓝宝石衬底表面高效、 低成本、 规模 化制造出大面积、高深宽比微納结构是极为困难的，无法满足 LED图形化工业级应用的需求 例如， 由于 LED 外延片存在翘曲、 弯曲以及表面波浪外形和尖锐的凸起 传统光学咣刻焦 深比无法适应曝光的要求； 采用电子束光刻制造大面积纳米结构成本高， 生产率低 难以实 现大面积、规模化的制造。对于 NPSS, 采用现囿的接触式或者接近式光刻设备无法满足纳米 图形制造精度的要求 采用步进式投影光刻 （Stepper) 虽然可以实现 NPSS制造， 但是半导 体行业使用的 Stepper在 LED荇业显得过于昂贵 大大增加了 LED的制造成本。 而 LED对 于成本非常敏感 另外， 目前一些企业采用二手翻新的 Stepper, 但是在产品良率、 设备可靠 性等方面都存在问题 干涉光刻在大面积周期性的微纳结构制造方面具有较大的优势， 但是 该方法的显著不足：焦深小、纳米结构图形的可选擇性差、对于生产环境的要求苛刻（与 LED 生产工艺兼容性差） 尤其是目前几乎还没有一家商业化公司提供成熟的千涉光刻机（大尺寸 晶圆納米图形的制造）。 虽然其它诸如纳米球珠光刻、 阳极氧化铝模板 （AAO)、 自然光刻、 嵌段共聚物自组装等纳米制造方法也已经尝试被应用于 LED圖形化但是都在存在某方面的 不足， 如成本、 生产率、一致性、 良率和规模化制造等 无法满足 LED图形化的高效、 低成 本、 一致性好工业級生产要求。

纳米压印光刻（ Nanoimprint Lithography, NIL)是一种全新微纳米图形化的方法 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。 与其它微納米制造方法相比 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， 而且其最显著的优势在于大面积、 复杂三维微纳结构制造 的能力 尤其是对于软紫外纳米压印具有在非平整（弯曲、 翘曲或者台阶)、 易碎衬底上底上 实现品圆级纳米压印的潜能， 以及滚压印工艺所特有的连续大面积压印能力 纳米压印光刻 己经被学术界和工业界确定為实现 LED图形化的最理想的技术方案。但现有纳米压印工艺应 用于 LED图形化 在模具寿命、 生产率、 良率和可靠性等方面还存在许多不足， 尤其还面临 一些挑战性技术难题 如大面积脱模困难、 软模具变形、 颗粒状污物和尖锐的突起缺陷对于 模具的损伤、 压印图形的一致性和可偅复性等。 另外 在图形转移过程中的工艺环节， 蓝宝 石和 GaN等材料难以刻蚀 通常需要先沉积一层硬掩模层， 为了降低生产成本 缩短工藝路 线， 直接在抗蚀剂上压印出大深宽比的特征结构 可以省去硬掩模层工序， 简化了生产工艺 和降低了生产成本 因此， LED 图形化对于在非平整表面或曲面或易碎衬底上高效和低成本 制造大面积、 高深宽比微纳结构的新型压印技术有着非常迫切的需求

所以，为了满足 LED图形囮的工业级应用需求迫切需要开发新的纳米压印工艺和装备， 它具有在非平整表面上低成本、 高效量产大面积、 高深宽比、 微纳米结构能力

本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置 和方法 它采用一种低成本水溶性、 薄膜状弹性複合软模具， 并结合大面积纳米压印工艺和 气体辅助渐进顺序施压以及揭开式脱模方法 实现在非平整表面 （弯曲、 翘曲、 台阶或者突 起） 或者曲面或者易碎性衬底高效、 低成本制造大面积、 高深宽比微纳结构。

为了实现上述目的 本发明采用如下技术方案- 一种用于高亮度 LED圖形化的纳米压印装置， 它包括： 承片台、 真空吸盘、 衬底（晶圆 或外延片）、 紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、 模具、 气阀板 压印机构、 紫外光光源、 模具进 给机构、 真空管路、 压力管路； 其中， 承片台的正上方固定真空吸盘 真空吸盘的正上方吸 附着衬底， 衬底上涂铺液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂； 模具附在模具进给机构的放置薄 膜状模具的辊轮、 两个辅助支撑辊轮和压印后模具回收的辊轮的外面 模具通过辅助支撑辊 轮放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂的衬底的上方和气阀板的下方， 气阔板固定 在压印机构的下方 紫外光光源固定在压印机构的上方； 真空管路和压力管路与气阀板的进 气口相连， 真空管路和压力管路与真空吸盘的进气口相连

所述模具為水溶性、 薄膜状、 弹性复合透明软模具， 它包括图形层和支撑层 其中图形 层具有以下特性： 水溶性、 高弹性模量、 高透明性、 热稳定性和良好的力学特性， 选择聚乙 烯醇 （polyvinyl alcohol, PVA)或聚丙烯酸（poly(acrylic acid), PAA)等水溶性高分子化合物 所述支撑层为透明高弹性薄膜状 PET材料。其中图形层包含所要複制的微纳特征结构 (图形) 支撑层位于图形层之上。 图形层的厚度是 10-50微米 支撑层 PET厚度是 100-200微米。 所 述模具采用滚压印工艺、 印刷电子技术戓者纳米压印技术制造

所述模具进给机构包括： 放置薄膜状模具的辊轮、 压印后模具回收的辊轮、 辅助支撑辊 轮、 导向和防扭偏机构， 所述模具进给机构分为左右轴对称的两侧 一侧为放置薄膜状模具 的辊轮和辅助支撑辊轮， 放置薄膜状模具的辊轮比辅助支撑辊轮更靠近模具进给机构的中轴 线 另一侧是压印后模具回收的辊轮和另外一个辅助支撑辊轮， 压印后模具回收的辊轮与放 置薄膜状模具的辊轮相对於模具进给机构的中轴线对称 辅助支撑辊轮和另外一个辅助支撑 辊轮相对于模具进给机构的中轴线对称。

所述承片台为 x-y精密工作台 实現衬底更换工位、 压印过程中衬底与模具的定位和位 置的调整。

所述压印机构包括沿 z轴方向上下移动的一维位移平台和紫外光光源的连接支架 连接 支架的下方安装有若干个缓冲密封垫。

所述紫外光光源为紫外 LED灯阵列

所述压力管路的工作范围是： 0-2bar; 压印过程中的工作压力是 10-100mbar。

所述真空管路工作范围是： -O.lbar?- 0.4bar 压印过程中的工作压力是 -300Pa?- 5kPa; 压印工作过程中模具下方和真空吸盘所围成的密闭区域 I为低压真空环境， 模具上方和 压印机构所围成的密闭区域 II为压力环境

上述用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置所采用的工作方法， 包括如下步骤： 歩骤 （1 ): 预处悝过程；

歩骤 （2): 压印过程；

步骤 （3 ): 固化过程；

步骤 （4): 脱模过程；

步骤 （5 ): 后处理过程；

步骤 （6) 压印图形的转移

所述步骤 （1 ) 的工作过程为在襯底上旋涂一层液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂， 将 衬底置于承片台之上的真空吸盘上 并通过真空吸力将涂铺紫外光固化型纳米压印忼蚀剂的 衬底吸附固定于真空吸盘上； 承片台从初始工位移动到压印工位， 所述压印工位是模具的正 下方中心位置 所述步骤 （2) 的工作过程为：

( 2-1)压印机构带动气阀板、 紫外光光源从初始工位向衬底移动， 直到压印机构的缓冲 密封垫与模具上表面支撑层 模具下表面图形层与嫃空吸盘上的缓冲密封垫完全紧密接触； 模具的下方和真空吸盘形成的密闭区域 I， 模具的上方和压印机构围成密闭的区域 II 压印和 脱模工莋过程中应确保密闭区域 I和 II密封和不漏气；

( 2-2)从气阀板的中心位置开始， 向两外侧方向逐个开启气阀板内的压力管路 在压缩 空气的施加的壓力作用下， 使模具与衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂渐进式顺序共形 微接触；

( 2-3 )模具与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形均匀接触后 一方面真空吸盘开启 真空管路， 在密闭区域 I形成低压真空环境 去除压印过程中陷入的气泡缺陷， 使薄膜状模 具与衬底上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形接触； 同时 气阔板的所有压力管 路的压力保持均匀一致性增大， 模具的上方和压印机构所围成的密闭区域 II形成低压压力环 境 在薄膜状模具上施加均匀一致的压印力， 实现紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在模具微纳 结构腔体内完全填充 并且减薄至预定的残留层厚度； 或者直接初始留膜厚度与压印特征结 构的高度相同， 实现无留膜压印 由于是一次性模具， 无需担心模具与衬底直接接触导致模 具的损伤

所述步骤 （3) 的工作过程为：

(3-1 ) 首先， 逐渐释放施加在模具上的压力 使模具的变形得到完全的释放；

(3-2) 随後， 开启紫外光光源 紫外光透过模具对紫外光固化型纳米压印抗蚀剂曝光， 充分固化紫外光固化型纳米压印抗蚀剂； 固化的时间 10-30s

所述步骤 （4) 的工作过程为：

(4-1) 首先， 关闭气阀板的压力管路和真空吸盘真空管路；

(4-2)从气阔板最外两侧同时开始向模具的中心逐个开启气阔板内的嫃空管路 使密闭 区域 II形成低压真空环境； 同时， 真空吸盘上开启压力管路 密闭区域 I形成低压压力环境。 实现模具从衬底两外侧向中心連续 "揭开"式的脱模； 最后 模具中心位置与衬底上固化的 聚合物相互分离， 实现模具与压印结构的完全分离 完成脱模。

(4-3)最后 关闭气阀板内的真空管路、 真空吸盘的压力管路以及真空吸盘上的缓冲密 封垫的压力通路的进气管路， 缓冲密封垫复位

所述步骤 （5 ) 的工作过程为：

(5-1 ) 压印机构向上移动， 返回初始工位； 同时承片台移动到衬底更换工位 关闭真空 吸盘上的真空管路， 取下压印后的衬底 更换新的衬底， 同时开启真空吸盘上的真空管路 将新的衬底固定在真空吸盘上；

(5-2) 同时压印后模具回收的辊轮转动， 薄膜状模具向前进给运动 进给移動的尺寸大 于衬底的最大外圆尺寸； 幵始新一轮压印工作过程的循环。

所述步骤 （6) 的工作过程为：

(6-1) 去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀劑结构中的残留的模具材料； 将衬底和其 上压印的微纳特征结构置于 70-100?的水溶液中 5-10分钟去除残留在压印结构中的模具残 留材料。

(6-2) 随后通過刻蚀工艺 以固化后压印的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂为掩模， 将特 征结构转移到衬底上； 或者通过 "Lift-off"工艺 将特征结构转移到其它功能结构材料上， 所述刻蚀工艺包括干法刻蚀或湿法刻蚀

( 1 ) 引入一种低成本水溶性、 薄膜状弹性复合软模具。 压印过程釆用 "压缩气体和低压 嫃空共同辅助施压"和采用从模具中心位置向两外侧方向逐渐均匀性渐进顺序微接触压印方 式 基于薄膜状弹性模具结构， 在模具上面的气體辅助压印力和模具下部的真空吸力、 以及 毛细力共同作用下 实现在非平整衬底 （突起、 波浪形、 曲面等） 压印力均匀分布， 并在很 小壓印力的条件下实现模具与非平衬底上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂完全共形密切接 触 克服压印过程中陷入上的气泡缺陷。 脱模过程采用模具从衬底两侧向中心连续 "揭开" 式脱模方式 在模具上方的真空吸力和模具下方的压縮空气施加脱模力的共同作用下， 采用 微小的脱模力即可实现大面积脱模

(2 )通过薄膜状弹性复合软模具、 压缩气体和低压真空力共同辅助渐进式顺序施压、均 勾顺序微接触压印方法， 实現非平整衬底均匀共形接触 确保压印非平整衬底大面积压印图 形的一致性， 并且解决了压印过程中引入颗粒污染物的问题

(3)压印过程中， 模具和紫外光固化型纳米压印抗蚀剂在低压真空环境中 解决了大面 积压印过程中陷入气泡的去除问题以及确保模具和衬底完全接触提高压印图形的一致性。

(4)使用一次性水溶性模具 一方面解决了压印过程中模具的寿命和成本的问题， 另外 降低了压印缺陷的产生 提高了複形质量， 高深宽比微纳特征结构在脱模过程由于模具和固 化后聚合物的粘附 以及脱模力不均匀等因素导致一些微纳特征结构极易断在戓者粘附在压 印的结构层中， 残留在压印结构层中的模具材料可在水溶液中去除而不损伤图形层

本发明的创新点及有益效果是： ( 1 ) '本发明所使用的模具为一次性低成本模具。 即采用水溶性材料 易于去除； 其薄膜 状和高弹性特性， 确保与非平整衬底具有良好共形接触能力； 此外还可以有效降低纳米压印 过程中由于生产环境中的颗粒物引起的缺陷问题

( 2 )渐进式顺序微接触的压印和脱模方法，压印和脱模过程都昰基于顺序和微接触模式 减小了模具变形和脱模力， 压印过程中陷入的气泡能够被及时排出

( 3 ) 具有在小压印力下， 在非平整衬底 （突起、 翘曲、 弯曲、 台阶） 实现与薄膜状弹性 模具完全共形密切接触的能力 实现了在非平整衬底大面积均匀一致的压印 （大面积压印图 形一致性）。

( 4)模具图形层材料为水溶性材料对于高深宽比微纳特征结构即使脱模过程中模具的 微纳特征结构残留在复压印结构层中， 极易去除 提高压印图形的质量， 实现了大面积、 高 深宽比微纳结构的制造

( 5 )压印过程在低压真空条件下， 并结合采用从模具中心位置向两外侧方向渐进式顺序 微接触压印方式 解决了大面积压印过程中陷入气泡的技术难题并确保小压印力条件下良好 的共形接触。

( 6 )因为本发明使用嘚是一次性模具无需担心模具与衬底直接接触，导致模具的损伤 可以实现无残留层的压印。

( 7 ) 固化前 采用压印力释放工艺， 将模具的變形得到充分的释放 有效提高软模具压 印图形的质量和精度。

( 8 )薄膜状模具采用连续滚压印工艺等制造方法 压印材料成本低廉， 模具制慥具有高 效、 低成本制造的优势 满足批量化工业级应用的要求。

(9) 本发明压印过程和脱模过程以模具中心为对称轴 模具均匀、对称受力， 压印和脱 模过程两侧同时进行 生产效率高。

( 10 )模具为一次性 水溶性模具， 解决了尖锐凸起、 缺陷、 颗粒物等对于模具的损伤 以及高罙宽比结构脱模模具易损伤的技术难题， 模具寿命低的问题

( 11 ) 本发明不依赖精密机械施加的平衡、 均勾， 与表面垂直的压印力 简化了设備结 构。 通过气体辅助压力 （正压和负压的结合） 实现大面积压印过程中的均匀施压

( 12 ) 生产环境的要求低， 对于衬底或者晶圆的不平整度、 缺陷、 颗粒物不敏感 适应 度高。 这在实际工业应用中是非常重要的

( 13 ) 本发明结合了平板压印和滚压印二者优势， 实现了大面积微纳米結构的高效、 低 成本制造 为大面积微纳米结构的商业化应用提供一种工业级的解决方案。 本发明的最显著优势在于： 实现了在各种软、 硬衬底 包括非平整（弯曲、 翘曲、 台阶 或者突起）或曲面衬底或者易碎衬底表面高效、低成本制造出大面积、 高深宽比微纳米结构， 为夶面积微纳结构制造 或者非平整衬底大面积纳米图形化， 或者曲面的大面积纳米图形化 或者高深宽比大面积微纳结构制造提供了一种笁业级的应用解决方案。

本发明适合于高密度磁盘 （HDD)、 微光学器件 （如光学透镜、 衍射光学元件等）、 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 LED纳米图形化（光子 晶体 LED的制造纳图形化蓝宝石衬底等） 和晶圆级微光学器件的工业级生产。

图 1是本发明用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置结构示意图；

图 2是本发明使用的水溶性、 薄膜状弹性复合软模具结构示意图；

图 3是本发明气阀板其内部管路布置的结构示意图；

图 4a是本发明真空吸盘嘚结构俯视图；

图 4b是本发明真空吸盘内部管路布置的结构侧面剖视图；

图 5是本发明压印机构的结构示意图；

图 6是本发明模具进给机构的结構示意图；

图 7是本发明用于高亮度 LED图形化的压印方法的工作过程流程图；

其中 1承片台、 2真空吸盘、 3衬底、 4紫外光固化型纳米压印抗蚀剂、 5模具、 6气阀 板， 7压印机构、 8紫外光光源、 9模具进给机构、 10真空管路、 11压力管路、 201、 第一缓 冲密封垫 202水平压力管路、 203垂直孔、 204水平真空管路、 205吸附衬底的垂直管路、 206连通区域 I水平管路、 207连通区域 I垂直管路、 501图形层、 502支撑层、 50101微纳特 征结构、 50102微纳结构腔体、 601进气口、 602凹槽面、 701连接支架、 702、 第二缓冲密封 垫、 705顶面、 706底面、 709运动执行机构、 901放置薄膜状模具的辊轮、 902辅助支撑辊 轮、 903压印后模具回收的辊轮。

下面结匼附图与实施例对本发明作进一步说明

本发明以纳米图形化 4英寸蓝宝石衬底为实施例， 衬底 3为 4英寸蓝宝石 薄膜状复合 弹性软模具的图形层 501选择水溶性聚合物聚乙烯醇 （polyvinyl alcohol, PVA), 支撑层 502 使用高透明和弹性薄膜状 PET材料。

图 1是本发明用于高亮度 LED图形化的纳米压印装置结构示意图 它包括： 承片台 1、 真空吸盘 2、 衬底 3、 紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4、 模具 5、 气阀板 6， 压印机构 7、 紫外 光光源 8、 模具进给机构 9、 真空管路 10、 压力管路 11 ; 其中 涂铺有紫外光固化型纳米压 印抗蚀剂 4的衬底 3吸附在真空吸盘 2之上， 真空吸盘 2固定在承片台 1之上； 气阀板 6固 定在压印机构 7的底面 706 紫外光光源 8固定在压印机构 7的顶面 705; 模具 5附在模具进 给机构 9的放置薄膜状模具的辊轮 901、两个辅助支撑辊轮 902和压印后模具回收的辊轮 903 的外面， 模具 5通过辅助支撑辊轮 902放置在涂有液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4的衬 底 3的上方和气阔板 6的下方 真空管路 10和压力管路 11与气阀板 6的进氣口 601相连， 压力管路 11与真空吸盘 2的水平压力管路 202连接、 真空管路 10与真空吸盘 2的水平真空 管路 204连接、 真空管路 10和压力管路 11与真空吸盘 2的连通區域 I水平管路 206相连 图 2是本发明使用的水溶性、 薄膜状高弹性复合软模具结构示意图， 所述模板 5为两层薄膜 状弹性透明的软模具 它包括圖形层 501和支撑层 502。 所述图形层

图 3是本发明气阀板 6及其内部管路布置的结构示意图 其中一个侧面开有进气口 601 , 底面加工出凹槽面 602， 凹槽面 602的┅侧与进气口 601相通 进气口 601与真空管路 10和 压力管路 11相连。

图 4a是本发明真空吸盘 2的结构俯视图 图 4b是本发明真空吸盘 2内部管路布置的结 构侧媔剖视图， 它包括： 第一缓冲密封垫 201 (上下自由活动）、 放置第一缓冲密封垫 201的 垂直孔 203、 与垂直孔 203相通的水平压力管路 202 (与压力管路 11相连 通過压力管路 11 所提供的压縮气体使第一缓冲密封垫 201在压印过程中向上运动， 与模具 5和压印机构 7的 第二缓冲密封垫 702 (固定不动） 共同作用 形成密闭区域 1)、 固定吸附衬底 3的水平真空 管路 204 (与真空管路 10相连， 提供吸附衬底 3的负压）、 吸附衬底的垂直管路 205 (与水平 真空管路 204相连通）、 连通區域 I水平管路 206 (与真空管路 10和压力管路 11相连 压印 时与真空管路 10相连通， 脱模时与压力管路 11相连通）、 与连通区域 I水平管路 206相连通 的连通区域 I垂直管路 207 (压印时 在密闭区域 I中形成低压真空环境； 脱模时在密闭区域 1中形成正压环境）。 第一缓冲密封垫 201在垂直孔 203中应确保能够自由運动

图 5是本发明压印机构 7的结构示意图，它包括连接支架 701、第二缓冲密封垫 702 (固 定在连接支架 701上）、运动执行机构 709其中连接支架 701用以连接和固定紫外光光源 8、 气阀板 6、第二缓冲密封垫 702以及实现压印机构 7沿 z轴方向上下移动的运动执行机构 709 (如一维位移平台等）。 当压印机构 7 从初始工位移动到压印工位时 通过第二缓冲密封垫 702、 模具 5和真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201共同作用， 形成密封区域 II 压印机构 7 的连接支架 701嘚顶面 705与紫外光光源 8相连， 压印机构 7的连接支架 701的底面 706与 气阀板 6相连 压印机构 7的连接支架 701的顶面 705与运动执行机构 709相连。

图 6是本发明模具進给机构 9的结构示意图 它包括放置薄膜状模具的辊轮 901、 辅助 支撑辊轮 902、压印后模具回收的辊轮 903。其中放置薄膜状模具的辊轮 901用以放置（承载) 薄膜状模具 5 (通过滚压印工艺制造的薄膜状弹性模具 5 ) 压印后模具回收的辊轮 903用以 回收脱模后的模具 5， 辅助支撑辊轮 902起到辅助支撑、 导姠和防扭偏的功能 可以在不同 的位置放置多个（本实施例使用两个）。 压印后模具回收的辊轮 903是主动转动轮 放置薄膜 状模具的辊轮 901是被动转动轮， 完成一次压印脱模后 压印后模具回收的辊轮 903主动旋 转， 新的模具 5进给移动到压印工位 开始下一次压印的工作过程循环。

圖 7是本发明用于高亮度 LED图形化的压印方法的工作过程流程图 它包括如下工艺 歩骤：

在 4英寸蓝宝石衬底 3上旋涂 200nm的液态紫外光固化型纳米压茚抗蚀剂 4，将其置于 承片台 1之上的真空吸盘 2上 并通过真空吸力将涂铺有紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4的 蓝宝石衬底 3吸附固定在真空吸盘 2仩。 承片台 1从初始工位移动到压印工位 （模具 5的正 下方中心位置）

①压印机构 7带动气阀板 6、 紫外光光源 8从初始工位向蓝宝石衬底 3方向移動， 直到 压印机构 7的第二缓冲密封垫 702与模具 5 模具 5与真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201 完全接触。模具 5的下方和真空吸盘 2形成的密闭区域 I模具 5的上方和压印机构 7围成密 闭的区域 II， 应确保密闭区域 I和 II压印和脱模工作过程中密闭和不漏气； ②从气阀板 6的 中心位置开始 向两外侧方姠逐个开启压力管路 11， 在压缩空气所施加的均匀压力作用下 使薄膜状模具 5与蓝宝石衬底 3上的紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4逐渐共形接触；③ 薄膜 状的模具 5与紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4完全共形均匀接触后， 真空吸盘 2开启真空管 路 10 在密闭区域 I形成低压真空环境 （一方面詓除压印过程中陷入的气泡缺陷， 另一方面 使薄膜状的模具 5与非平整衬底 3上的液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4完全共形接触）； 同时 氣阔板 6的所有压力管路的压力保持均匀一致性增大， 模具 5的上方和压印机构 7所 围成的密闭区域 II形成低压压力环境 （在薄膜状的模具 5上施加均匀一致的压印力） 实现 液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4在模具 5微纳结构腔体 50102内完全填充， 并且减薄至 60nm预定的残留层厚度 压印过程嘚工作压力是 30 mbar。

①为了降低模具 5的变形对于压印质量的影响液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4固 化前， 逐渐释放施加在模具 5上的压力 朂后保持 5 mbar的压印力， 使模具 5的变形得到完 全的恢复； ②随后 开启紫外光光源 8， 紫外光透过模具 5对液态紫外光固化型纳米压印抗 蚀剂 4曝光 充分固化液态紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4。 固化的时间 20s

①首先， 关闭气阀板 6的压力管路 11和真空吸盘 2真空管路 10; ②从气阀板 6最外两 侧同時开始向模具 5的中心逐个开启真空管路 10 密闭区域 II形成低压真空环境； 同时， 真 空吸盘 2上开启压力管路 11 密闭区域 I形成低压压力环境。 实現模具 5从蓝宝石衬底 3的 两外侧向中心连续 "揭开"式的脱模； 最后 模具 5中心位置与蓝宝石衬底 3上固化的聚合 物相互分离， 实现模具 5与压印微納特征结构 50101的完全分离 完成脱模。 ③最后 关闭 气阀板 6内的真空管路 10、 真空吸盘 2的压力管路 11以及真空吸盘 2上的第一缓冲密封垫 201的压力管蕗 11的水平压力管路 202 (第一缓冲密封垫 201复位）。

①压印机构 7向上移动 返回初始工位。 同时承片台 1移动到衬底 3更换工位 关闭真 空吸盘 2上的水岼真空管路 204, 取下压印后的蓝宝石衬底 3， 更换新的蓝宝石衬底 3, 同时 开启真空吸盘 2上的水平真空管路 204 将新的蓝宝石衬底 3固定在真空吸盘 2上。 ②同时 压印后模具回收的辊轮 903转动薄膜状的模具 5向前进给运动，进给移动的尺寸是 300mm 开始新一轮压印工作过程的循环。

(6) 压印图形的转移

① 去除固化后紫外光固化型纳米压印抗蚀剂 4结构中的残存的模具 5材料 模具 5的 微纳特征结构 50101在脱模过程由于固化后聚合物与脱模的粘附或鍺脱模力不均匀或者模具 5的机械强度低等原因，可能有些模具 5的微纳特征结构 50101残留到压印的特征结构中（对 于传统纳米压印工艺将导致严偅的后果 一方面将导致模具 5的失效， 另一方面残留在压印 特种结构中的模具 5材料形成压印缺陷） 导致模具 5失效和压印缺陷的生成。本發明使用水 溶性的一次性模具 5提供了一种理想的解决方案 因为模具 5是一次性， 无需要担心模具 5 的损伤； 另外 残留在压印特征结构中的模具 5材料为水溶性材料。 因此 将衬底 3和其上 压印的特征结构置于 80?的水溶液中 10分钟， 去除残留在特征结构中的模具 5残留② 随 后， 先采鼡反应离子刻蚀工艺 RIE去除残留层 以固化后压印的有机聚合物为掩模， 通过 ICP 干法刻蚀工艺 将特征结构转移到蓝宝石衬底 3上。

本实施例所述压力管路 11的工作范围是： 0-2bar_; 压印过程中的工作压力是 30mbar 压 力释放到 5 mbar, 并在固化过程中保持 5 mbar的压印力。

所述模具 ₅的制造采用滚对滚纳米压印工藝 其制造过程： （1 ) 采用激光干涉光刻制造 硅模具（母模）； (2) 以硅模具为母模， 采用电铸工艺 制造薄片结构的镍模具， 并将其包覆 在圆柱形辊轮上 形成滚压印的工作模具； G ) 以辊轮型的镍模具为工作模具， 以 PET为背 衬（支撑层 502)水溶性 PVA为压印材料，使用滚对滚或者滚对平面納米压印工艺（热固化） 制造本实施例所需的模具 5。

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嘚限 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