光学微结构成型压印研究及其应用

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纳米压印技术是在聚合物材料上大规模复制微结构的一种非常规方法,其具有产量高、成本低、精度高、均匀性好等适合工业化生产的优点,很快成为各国家争相研究的热门科技之一。与传统的微复制技术不同,传统的微复制技术是利用光子或电子能量改变抗蚀剂材料的物理性质和化学性质,而纳米压印技术是直接运用机械的方法在抗蚀剂材料表面制造微图形结构,这样就可避免由光衍射或电子散射带来的尺寸局限性。压印技术的工艺方法主要包括微接触压印、热压印和紫外压印(包括步进-闪光压印)。本论文将对热压印工艺中压印印章的制备、压印模板的防粘处理和脱模工艺、压印胶的选用和微纳图形的复制等关键过程工艺进行研究。压印工艺探究要根据所选用压印胶材料的特性,要获得高精度且均匀的结构图案,每一个过程工艺的控制都非常关键。本论文研究内容具体包括以下几个方面:  (1)利用紫外光刻结合刻蚀技术制备用于纳米压印的Si模板,并利用Si模板成功复制出PDMS软模板。采用湿法刻蚀工艺制备出具有倒梯形结构光栅图形的Si模板;利用干法刻蚀工艺分别制备出侧壁均方根粗糙度小、侧壁垂直度高的脊形结构和槽形结构;以Si模板为母版制备了不同厚度的软PDMS印章,并利用软印章代替Si模板进行压印。  (2)利用气相沉积F13-TCS防粘层技术对Si模板表面进行了抗粘连修饰,并成功地将水与模板表面接触角由68°增大至128°,降低了模板的表面能,使模板在后续使用中损坏率大大降低。  (3)自主设计并研发了紫外-热压印一体式纳米压印机一台并在此压印机上成功开发出在两种不同压印材料—PMMA和Dow Corning(@)OE-6550硅酮聚合物上进行热压印的工艺,并在OE-6550和PMMA上分别获得线宽为5um,周期为10um,压印深度约为1.5um,线条较为均匀的光栅阵列结构。此外,我们得到了一组优化了的气压辅助热压印PMMA薄板的工艺参数,基于压印机最大加载压力的限制,我们在压印温度Te=160℃,压印压力Pe=3kg/cm2,保压保温时间t=300s,脱模温度Tr=85℃条件下压印出图形复制精度较好、侧壁较陡直以及燕尾形变形缺陷较小的PMMA样片,为后续的应用研究打下良好的基础。  (4)提出了一种全新的LED封装用荧光粉预制薄膜的制作工艺。利用此工艺制作的荧光粉预制薄膜厚度和浓度可调,厚度均匀性较好,对于同一片荧光粉薄膜来说,其五点处的厚度标准差均在10-3mm量级,对于不同批次的荧光粉层膜厚差异可以控制在±0.02mm。经过压印,我们在荧光粉层得到了“V/T”形光栅阵列,经过两次的图形转移,最后在荧光粉层形成的图案较模板深度减少31%。该阵列结构可以提高LED的出光均匀性,并且使外量子效率提高了7.5%。此工艺同时合适于LED的远程封装,为需要表面粗化的远程封装用荧光粉预制膜的制作提供了一种新的思路。  本论文的工作是与LED芯片封装公司共同合作完成的,器件制作和封装测试均按照厂商统一标准执行。因此,本论文的研究工作为压印技术尽早实现工业化生产,推动更小、更快、更冷的微电子半导体产业的发展具有更加实际的意义。
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