面向NPSS的滚对平面纳米压印光刻机的研究与开发

摘要

高亮度LED作为第四代光源的主体，具有节能、环保、寿命长等优点，已成为新一代绿色光源。目前LED仍有巨大的发展空间，增加发光效率、亮度和功率，降低成本是当前LED行业所面临最大的挑战性问题，也是亟待解决和突破的核心问题。采用纳蓝宝石衬底图形化(Nano-patterned Sapphire Substrate，NPSS)提高LED内量子效率和光萃取效率是实现高亮度LED最有效的方法之一。
　　 为了满足NPSS高效、低成本批量化生产的要求，本文提出一种新型滚对平面纳米压印工艺，并基于该工艺开展了纳米压印光刻机的研究与开发。主要完成了滚对平面纳米压印光刻机的总体设计以及各个功能模块的设计。其中重点介绍了关键模块压印头的设计，在压印头上设计缓冲装置，实现模具和衬底平行度调节和楔形误差补偿功能。论文中也进行了滚对平面纳米压印填充时间的初步理论分析。
　　 为了实现模具和衬底良好的共形接触，本文提出一种三层软模具滚轮结构:钢滚支撑层、PDMS缓冲层、包含纳微特征结构的Ni特征图形层。其中PDMS层具有高弹性可进一步提高模具与蓝宝石衬底间的共形接触。并论述了具体的制造方法。
　　 模具的变形对于压印图形的质量和精度有着重要的影响，本文对模具压印时的变形作了有限元分析，在宏观下，模具变形随着压印力的增大而增大;在微观下，随着压印深度的增加模具变形及应力也随之增加，另外模具特征微尺寸的宽深比也是影响模具变形的重要因素之一，随着模具微特征宽深比的增加，模具变形与应力也会随之增加。另外，本文还对模具主结构作了有限元分析，分析得出增加缓冲装置可以有效降低压印头结构的变形，并可以完成Z方向的微量调动。

目录

论文说明

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 蓝宝石衬底图形化的国内外研究现状

1．3 纳米压印光刻技术的国内外研究现状

1．4 滚对平面纳米压印的研究进展

1．5 课题来源

1．6 本文的主要研究内容

第2章 纳米压印光刻机的总体设计及三维建模

2．1 蓝宝石衬底图形化原理

2．2 滚对平面压印原理

2．3 光刻机总体方案分析

2．3．1 光刻机需要实现的功能

2．3．2 光刻机总体布局

2．3．3 光刻机主要功能模块

2．3．4 光刻机主要技术参数的确定

2．4 光刻机主要功能模块的设计及建模

2．4．1 设备本体

2．4．2 压印头

2．4．3 承片装置

2．5 整机的三维数字化模型

2．6 滚对平面纳米压印过程理论分析

2．7 本章小结

第3章 滚轮型模具的设计与制造

3．1 模具的设计与优化

3．1．1 模具几何尺寸的确定

3．1．2 模具图形化结构的设计

3．2 滚轮型模具的制造工艺

3．2．1 滚轮型模具的工艺流程

3．2．2 浇注PDMS

3．2．3 片状镍模具的制造方法

3．2．4 包覆镍壳模具

3．3 其他制造方法

3．4 本章小结

第4章 模具变形及有限元分析

4．1 ANSYS有限元分析介绍

4．1．1 有限元分析主要步骤

4．1．2 有限元接触分析

4．2 宏观下的有限元分析

4．2．1 建模及有关参数的确定

4．2．2 施加边界条件与载荷

4．2．3 宏观下有限元分析结果

4．2．4 宏观下有限元结果分析

4．3 模具微特征下的变形分析

4．3．1 模具微特征建模分析

4．3．2 材料属性及相关设置

4．3．3 约束及加载

4．3．4 微观下的有限元结果及分析

4．4 本章小结

第5章 压印光刻机主结构的有限元分析

5．1 压印光刻机主体结构实体模型的建立

5．2 有限元分析的主要分析步骤

5．3 单元类型和材料属性的确定

5．4 网格划分

5．5 施加边界条件与载荷

5．6 光刻机主机构有限元分析结果

5．7 有限元结果分析

5．8 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间取得的科研成果

致谢