面向大尺寸非平整衬底图形化的复合纳米压印研究

摘要

高清平板显示、高效太阳能电池板、抗反射和自清洁玻璃、LED图形化、晶圆级微纳光学器件等领域，对于大面积微纳图形化技术有着非常巨大的产业需求，这些产品其共同特征是需要在大尺寸非平整刚性衬底（硬质基材或者基板）或者易碎衬底上高效、低成本制造出大面积复杂三维微纳米结构。然而，当前实现大面积微纳米图形化的三种主要方法（整片晶圆纳米压印、滚对平面压印、滚对滚型压印）均存在某种程度上的不足和缺陷，迫切需要开发适用于超大尺寸非平整衬底大面积纳米图形化的装置和方法，解决超大尺寸非平整刚性衬底/易碎衬底上高效、低成本、规模化制造大面积微纳米结构这一挑战性难题。
　　本文提出一种面向大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底大面积微纳图形化的复合纳米压印新工艺。提出了复合纳米压印工艺方法基本原理；阐述了复合纳米压印工作过程的动作顺序；对比以往的纳米压印工艺，揭示了复合纳米压印新工艺的特点和优势；为复合纳米压印实验平台的搭建奠定了理论基础。
　　复合软模具的变形对于复合纳米压印工作过程具有重要的影响，本文针对复合软模具整体弯曲变形和局部变形的产生机理和规律进行了理论分析，仿真模拟的系统研究。揭示了复合软模具整体弯曲变形与支撑层厚度的关系；推导出了复合软模具最小局部変形时的临界真空压力；利用 ABAQUS工程模拟软件，揭示了双层复合软模具整体弯曲变形和局部变形的机理和内在规律；为复合纳米压印所使用软模具支撑层厚度的选取奠定了重要的理论基础。
　　大尺寸复合软模具的制造是实现复合纳米压印最重要的工艺要素之一，所使用工作模具的质量将直接影响复合纳米压印工艺过程和压印图形的精度、质量、图形化面积，本文针对复合纳米压印所使用双层软模具的制备工艺，进行了理论分析、数值模拟的系统研究。提出并建立复合软模具脱模临界条件和气泡缺陷理论模型；利用 ABAQUS工程模拟软件，揭示了大尺寸复合软模具影响脱模的因素和内在规律；提出一种大尺寸晶圆级双层复合软模具低成本制造工艺流程，为大尺寸复合软模具制造奠定了理论基础；为复合纳米压印所使用双层软模具的制造，提供了一种切实可行的方法。
　　在已有的理论分析和仿真模拟研究结果的基础上，针对复合纳米压印实验平台的搭建、复合软模具的变形（支撑层厚度的选择）、复合软模具的制造、以及200mm×200mm玻璃基材上的压印结果进行了系统的实验研究。基于复合纳米压印基本原理，搭建了面向200mm×200mm刚性衬底图形化的复合纳米压印实验平台；针对复合纳米压印软模具变形机理和规律，结合理论和仿真的研究结果，进行了复合软模具支撑层厚度优化；使用所提出的复合软模具制造工艺，实现了4英寸晶圆级双层复合软模具的高质量复制；利用课题组自主研发的复合纳米压印光刻机，结合优化的工艺参数，使用所制造的双层复合软模具，在200mm×200mm玻璃基材上实现了微尺度柱状结构大面积压印（图形区域132mm×119mm）、微尺度光栅结构大面积压印（图形区域面积55mm×55mm）和亚微尺度柱状结构大面积压印（图形区域47mm×47mm）。研究和实验结果表明，提出的大面积复合纳米压印工艺为大尺寸非平整刚性衬底和易碎衬底大面积图形化提供一种全新的解决方案，具有良好的工业化应用前景。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 研究背景、目的和意义

1.3 纳米压印国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

第2章 复合纳米压印基本原理及工艺流程

2.1复合纳米压印基本原理

2.2复合纳米压印工艺流程

2.3 本章小结

第3章 复合纳米压印软模具变形机理和规律

3.1. 理论模型

3.2 数值模拟

3.3 本章小结

第4章 复合纳米压印软模具制备工艺研究

4.1 理论建模

4.2.数值模拟

4.3 复合软模具制造工艺流程

4.4 本章小结

第5章 复合纳米压印实验研究

5.1 实验平台搭建

5.2复合软模具变形（支撑层厚度的选取）

5.3 双层复合软模具的制备

5.4 压印结果和讨论

5.5 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

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