具有压印力解耦功能的新型纳米压印平行对准系统关键技术研究

本课题深入分析和研究纳米压印设备的基本工作原理，针对现有纳米压印对准系统的关键部件均处于压印力传递路径之中导致在压印力作用下对准系统无法保证对准精度的问题，提出一种具有压印力解耦功能的新型纳米压印平行对准系统的设计方法，使得平行对准系统不但能用于紫外压印也可用于热压印工艺。在此基础上，系统地建立一套多自由度的分布式柔性机构的设计与优化方法，并据此方法开发出一个能将主动与被动对准功能一体化的并联柔性机构。构建具有两级甚至多级力分辨率、能精确测量大范围作用力的力传感器系统，并应用该系统来测量和分析紫外压印和热压印所需的压印力，最终建立一套基于系统刚度识别、能预测模板上压印力分布的方法，并通过实际的实验系统对所得研究成果的有效性与可行性进行实验验证。为我国在精密纳米压印对准系统的设计和开发提供理论支撑和技术支持，为实现纳米制造的一致性与批量化打下良好基础。

本课题深入分析和研究纳米压印设备的基本工作原理，针对现有纳米压印对准系统的关键部件均处于压印力传递路径之中导致在大的压印力作用下对准系统无法保证对准精度的问题，提出一种具有压印力解耦功能的新型纳米压印平行对准系统的设计方法，使得平行对准系统不但能用于紫外压印也可用于热压印工艺。平行对准系统是纳米压印样机中实现具有微纳结构的模板与接收图案的基板之间的平行表面接触的关键部件。该系统主要包括一个具有高刚度的球形气浮轴承和一个能将主动与被动对准功能一体化的并联柔性机构。由于气浮轴承和柔性机构都就有无碰撞、无摩擦和无需润滑等优点，该对准系统具有较高的调整精度。除了平行对准外，该系统的模板中心与气浮轴承转子或者定子的球心重合，这进一步避免了在模板旋转过程中带来的侧向运动。通过对柔性机构和气浮轴承进行刚度分析和结构优化，使平行对准系统最终可承受约1800N的压印力和最大约0.4°的平行误差调整。此外，我们也构建了具有两级力分辨率、能精确测量大范围作用力的力传感器系统。该系统可被用来来测量和分析紫外压印和热压印所需的压印力,建立一套基于系统刚度识别、能预测模板上压印力分布的方法。最终，利用该样机实现了6微米周期光栅结构从硅模板到PMMA基板的转移复制，利用扫描电子显微镜对模板和基板图案进行比较，印证了样机的有效性。此外，我们又通过三个力传感器进行力反馈设计了动态力控制算法，主动地调整压印力的分布，进一步实现基板上压印力的均匀性，同时在研发的纳米压印样机上试验了周期为500nm的光栅转移，通过SEM观察可以发现，我们设计的平行对准系统可以加工具有纳米尺度的结构。项目将为我国在精密纳米压印对准系统的设计和开发方面提供理论支撑和技术支持，为实现纳米制造的一致性与批量化打下了良好的基础。目前共发表SCI源的国际期刊论文9篇，EI论文16篇，申请发明专利6项（已授权2项）。通过该项目，共培养了5个博士生和7个硕士生。