大面积复合纳米压印光刻机的研究与开发

摘要

LED图形化、晶圆级光学器件、高效太阳能电池板、高性能玻璃、大尺寸高清平板显示等行业对于大面积纳米图形化具有巨大的市场需求，但现有各种微纳米制造技术难以满足其工业级生产的需求，尽管纳米压印被看作最具潜能实现大面积纳米图形化的技术之一，但现有压印工艺仍面临压印力大、脱模困难、模具寿命短、模具与非平整衬底共形接触差等挑战性难题，因此，迫切需要开发新的纳米压印工艺以实现超大尺寸非平整衬底的图形化。
　　课题组提出了一种复合纳米压印工艺，它采用一次性复合薄膜软模具、气体顺序辅助微接触压印和揭开式脱模等策略，为超大尺寸非平整衬底纳米图形化提供了一种新的解决方案，基于该工艺，本文开展了复合纳米压印光刻机的研究与开发。
　　首先，介绍了复合纳米压印工艺基本原理，进行了复合纳米压印光刻机的机械系统和电气控制系统总体设计，提出的复合纳米压印光刻机由压印机构、承片机构、模具进给系统、气动系统、机架五部分组成，并进行了五个功能子模块的详细设计，对于复合纳米压印光刻机控制系统进行了初步的设计。
　　揭开式脱模是复合纳米压印工艺的关键步骤，对于压印图形的精度、效率和质量有着重要的影响，开展揭开式脱模的研究。基于应变能法，并结合脱模过程中能量的守恒，建立了揭开式脱模预估脱模力理论模型;以光栅图形垂直式脱模为例，建立了气体辅助揭开式脱模在脱模过程中所需气压脱模力理论模型;利用ABAQUS工程模拟软件，揭示了模具材料特性、特征图形几何参数对于揭开式脱模影响规律，为复合纳米压印工艺优化和设备开发奠定了重要理论基础。
　　复合薄膜模具是复合纳米压印工艺的关键工艺要素，不同于传统纳米压印使用的模具，本文提出一种新型水溶性复合薄膜模具，它包括图形层和支撑层，其中图形层采用水溶性材料PVA。针对高效太阳能电池板、抗反射玻璃图形化的要求，对于模具图形进行了优化设计，应用有限时域差分法(FDTD)重点对复合薄膜模具的表面微纳结构的抗反射特性进行了优化，得到了一种抗反特性优异的金字塔型二维光栅微纳结构，最后，讨论该模具的制造方法。
　　复合薄膜模具的进给及张力控制极大影响着纳米压印的质量，本文对复合纳米压印光刻机的模具进给系统进行了设计，确定了系统的张力控制方式，并通过对主要功能模块的计算确定出模块机构的主要参数，并搭建了实验平台。

目录

论文说明

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 大面积纳米压印光刻技术国内外研究现状

1．3 课题来源

1．4 本文主要的研究内容

1．4．1 复合纳米压印光刻机的总体设计

1．4．2 大面积纳米压印揭开式脱模建模与模拟

1．4．3 压印模具结构设计与优化

1．4．4 模具进给系统

第2章 复合纳米压印光刻机的总体设计

2．1 复合纳米压印工艺原理

2．2 复合纳米压印工艺流程

2．3 复合纳米压印光刻机的机械结构设计

2．3．1 压印机构的设计

2．3．2 承片机构的设计

2．3．3 气动系统的设计

2．3．4 模具进给系统的设计

2．3．5 机架的设计

2．4 复合纳米压印光刻机控制系统的设计

2．4．1 位移台模块

2．4．2 气动系统模块

2．4．3 模具进给系统模块

2．4．4 曝光模块

2．4．5 复合纳米压印光刻机工作流程

2．5 本章小结

第3章 大面积纳米压印揭开式脱模建模与模拟

3．1 揭开式脱模理论建模

3．2 揭开式建模数值模拟

3．3 本章小结

第4章 压印模具结构设计与优化

4．1 压印模具结构设计

4．2 模具图形的优化

4．2．1 微纳结构表面反射特性分析方法概述

4．2．2 基于FDTD的梯度截面亚波长微纳结构模拟计算

4．2．3 模具结构优化结果

4．3 模具的制造

4．4 本章小结

第5章 模具进给系统

5．1 模具迸给系统功能分析

5．2 模具进给系统设计

5．2．1 常见的张力控制方式

5．2．2 模具进给系统的总体设计

5．3 模具进给系统主要功能子模块的设计和计算

5．3．1 放卷端转动惯量的计算及放卷电机的选择

5．3．2 收卷端转动惯量的计算及收卷电机的选择

5．4 实验平台搭建

5．5 本章小结

第6章 结论与展望

6．1 结论与创新点

6．2 未来展望

参考文献

攻读硕士学位期间完成的科研成果

致谢