阵列式微结构纳米压印方法及装置的制造方法
【专利说明】阵列式微结构纳米压印方法及装置
[0001]本申请要求申请日为2014年9月10日、申请号为201410457892.8、发明名称为“阵列式微结构纳米压印方法及装置”的中国专利申请的优先权，其全部内容通过引用结合在本申请中。
技术领域
[0002]本发明涉及阵列式光学微结构纳米压印制造领域，特别是涉及一种阵列式微结构纳米压印方法及装置。
【背景技术】
[0003]具有随机分布的阵列式全息图案的模板制造是激光防伪技术、特殊图案印刷技术中的关键，是全息激光防伪技术的关键技术环节之一，也是限制该技术批量化制造与产业化应用的瓶颈技术。行业内迫切需要一种具有低成本、快速加工性能的阵列式微结构加工方法，用以实现模板制造的产业化应用。
[0004]现有的加工方法主要包括:逐点式激光直写技术、干涉光刻技术以及电子束直写技术。现有的加工方法的基本思想是，采用基于激光或者高能粒子束的光学曝光技术，结合逐点式运动扫描装置，实现单点或者特定微小区域的扫描式曝光，从而获得光刻胶精细结构图案，再通过显影、图形转移等步骤实现整幅模板结构的加工。现有方法的主要缺点是加工效率低，而且需要对光刻胶进行精确的曝光操作，对工艺与设备的运行精度均具有很高的要求，在实际应用中受到诸多限制。
[0005]因此，针对上述问题，有必要提出进一步的解决方案。
【发明内容】
[0006]有鉴于此，本发明提供了一种基于激光加热的阵列式微结构纳米压印方法及装置，以克现有的阵列式全息图案的模板加工方法中存在的不足。
[0007]为了实现上述发明目的，本发明提供一种阵列式微结构纳米压印方法，其包括如下步骤:
[0008]I)固定待纳米压印的基材，控制该基材运行至加工工位，准备对基材的待加工区域进行加工；
[0009]2)控制微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；
[0010]3)激光对微结构模具的压印面上与所述待加工区域相对应的区域进行照射并加热，所述激光的照射区域的范围为50-1000um ；
[0011]4)在激光加热条件下，当微结构模具的压印面上相应区域的表面温度达到所述基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面对所述基材的待加工区域施加压力；
[0012]5)完成基材的待加工区域的压印后，停止激光照射，待基材的温度下降至脱模温度后，脱模；
[0013]6)控制基材运行至下一加工工位，准备对基材的下一待加工区域进行加工；
[0014]7)重复步骤2-5至完成基材的纳米压印。
[0015]作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述基材为PMMA、PC以及PMMA共聚物。
[0016]作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述步骤3中，所述激光的最大辐射功率至少为5W。
[0017]作为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的改进，所述步骤3中，所述激光照射加热的时间为5ms_100msο
[0018]为了实现上述发明目的，本发明提供还一种阵列式微结构纳米压印装置，其包括:基台、X-Y轴运动控制组件、Z轴运动控制组件、激光辅助加热组件；
[0019]所述X-Y轴运动控制组件包括:运动控制平台、X轴导轨、Y轴导轨、第一电机，所述Y轴导轨相对平行设置于所述基台上，所述X轴导轨的两端滑动设置于所述Y轴导轨上，所述第一电机驱动所述运动控制平台沿所述X轴导轨和Y轴导轨进行运动；
[0020]所述Z轴运动控制组件包括:支撑梁、Z轴导轨、压印头、第二电机，所述支撑梁安装于所述基台上，所述Z轴导轨设置于所述支撑梁上，所述压印头滑动设置于所述Z轴导轨上，所述第二电机驱动所述压印头沿所述Z轴导轨作升降运动，所述压印头位于所述运动控制平台上方；
[0021]所述激光辅助加热组件包括:激光器、光束准直聚焦组件、固定架，所述激光辅助加热组件位于所述运动控制平台下方，所述激光器朝向所述运动控制平台设置。
[0022]作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述压印头具有压印面，所述压印面上形成有若干微针结构。
[0023]作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述基台下方还设置有隔振器。
[0024]作为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的改进，所述激光器为连续输出型激光器。
[0025]与现有技术相比，本发明的有益效果是:本发明的阵列式微结构纳米压印方法及装置通过激光辐射传递功率实现局部微小区域的快速加热升温与冷却；通过调节光束准直聚焦组件的参数实现不同大小区域的加热效果；通过调节激光功率实现基底材料加工温度的精确控制；通过激光照射时间的调节实现基底材料的完善填充，具有加热速度快、微小加热区域精确控制、温度场梯度构建准确等优点。
【附图说明】
[0026]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0027]图1为本发明的阵列式微结构纳米压印方法的一【具体实施方式】的方法流程示意图；
[0028]图2为实施例1中加工形成的阵列式光栅结构照片；
[0029]图3为图2中圆圈部分的放大视图；
[0030]图4为实施例2中加工形成的凹坑结构照片；
[0031]图5为图4中凹坑处的轮廓测试曲线；
[0032]图6为实施例3中加工形成的全息图案的照片；
[0033]图7为图6中文字部分的放大视图；
[0034]图8为本发明的阵列式微结构纳米压印装置的一【具体实施方式】的立体示意图；
[0035]图9为图8中圆圈部分的侧视图。
【具体实施方式】
[0036]下面将对本发明实施例中的技术方案进行详细的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0037]本发明的阵列式微结构纳米压印方法及装置，通过激光辐射传递功率实现局部微小区域的快速加热升温与冷却；通过调节光束准直聚焦组件的参数实现不同大小区域的加热效果；通过调节激光功率实现基底材料加工温度的精确控制；通过激光照射时间的调节实现基底材料的完善填充，具有加热速度快、微小加热区域精确控制、温度场梯度构建准确等优点。
[0038]具体地，如图1所示，本发明的阵列式微结构纳米压印方法包括如下步骤:
[0039]I)固定待纳米压印的基材，控制该基材运行至加工工位，准备对基材的待加工区域进行加工；
[0040]2)控制微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；
[0041]3)激光对微结构模具的压印面上与所述待加工区域相对应的区域进行照射并加热，所述激光的照射区域的范围为50-1000um ；
[0042]4)在激光加热条件下，当微结构模具的压印面上相应区域的表面温度达到所述基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面对所述基材的待加工区域施加压力；
[0043]5)完成基材的待加工区域的压印后，停止激光照射，待基材的温度下降至脱模温度后，脱模；
[0044]6)控制基材运行至下一加工工位，准备对基材的下一待加工区域进行加工；
[0045]7)重复步骤2-5至完成基材的纳米压印。
[0046]其中，步骤I中，所述基材为PMMA、PC以及PMMA共聚物等便于加工的热塑性高分子材料。PMMA是指聚甲基丙烯酸甲酯，PC是指聚碳酸酯。
[0047]步骤2中，微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触时，并不对待加工区域施加过大的压印作用力，而是进行触碰，起到对准的作用。
[0048]步骤3中，激光自下而上地照射在压印面的与所述待加工区域相对应的区域上，激光照射的区域范围为50-1000um，从而实现局部微小区域的快速加热升温与冷却。此外，通过调节激光的频率可控制压印面的表面温度。所述激光的最大辐射功率至少为5W。此夕卜，激光光束照射时间由快门或激光器开关控制，照射时间范围优选为5ms?100ms0
[0049]步骤4中，压印面对所述基材的待加工区域施加压力时，需保持足够的作用时间，以促使基材充分填充压印面上的微结构。所述加工温度应满足高于材料玻璃化转化温度，并接近于基材的熔融温度。
[0050]下面结合具体的实施例对本发明的阵列式微结构纳米压印方法进行举例说明。
[0051]实施例1
[0052]以PMMA为加工基材，500nm线宽的金属镍材料光栅为针尖压头，采用针式纳米压印方法加工微结构光栅阵列模板。
[0053]具体地，将加工基材固定于工作台上，控制具有上述针尖压头的微结构模具的压印面与所述待加工区域相接触；开启加热用激光，使激光束聚焦并照射于压印面表面，焦斑大小为200um，通过能量辐射使表面温度上升，表面加工温度约200°C。
[0054]当压印面表面温度达到基材的加工温度后，控制微结构模具的压印面施加压印压力，保持压力以促使基材对微结构的充分填充，保持时间50ms。完成微结构填充后关闭激光辐射，抬起微结构模具实现脱模。