納米壓印滾筒模具制備裝置和制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及基于電化學(xué)微加工的納米壓印滾筒模具制備裝置和制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]滾筒式納米壓印屬于新型納米壓印技術(shù)的一種，利用傳統(tǒng)的機(jī)械模具微復(fù)型原理實(shí)現(xiàn)，是一種低成本、高產(chǎn)量的連續(xù)加工工藝。其中納米壓印滾筒模具的制造是該產(chǎn)業(yè)鏈中工藝、設(shè)備、管理技術(shù)要求最高，資金投入比重最大的瓶頸工序，是制約其發(fā)展的亟待解決的問題。近年來(lái)，隨著MEMS技術(shù)的提高和納米技術(shù)的迅速發(fā)展，其他微納制造技術(shù)比如光亥IJ，聚焦離子束加工精度不斷提高，同等的納米壓印技術(shù)精度也需同等提高，所以相應(yīng)的納米壓印滾筒模具精度要求也在不斷提高。
[0003]目前納米壓印模具的制作主要使用的工藝方法是電子束直寫、電鑄、和硅橫向氧化等。電子束直寫具有極高的分辨率，理論極限分辨率可達(dá)3納米。但是電子束直寫設(shè)備需要高真空環(huán)境，一般適合小面積平面加工，無(wú)法制備體積較大的壓印滾筒模具。電鑄工藝雖能完成滾筒模具制備，但需要使用其它工藝首先制出掩膜圖形；硅橫向氧化工藝簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)，但是氧化層厚度難于控制，且表面粗糙度較大，僅限于制作簡(jiǎn)單的柵結(jié)構(gòu)，并且需要嚴(yán)格控制特征尺寸的形狀和厚度。隨著納米壓印技術(shù)的應(yīng)用不斷擴(kuò)展，如高分辨率的LED全息顯示等，對(duì)于滾筒壓印模具的精度要求不斷提高，亟需開發(fā)新的制備工藝。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的主要目的在于針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于電化學(xué)微加工的納米壓印滾筒模具制備裝置和制備方法，該裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需真空環(huán)境，成本低，加工效率和加工精度高。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種基于電化學(xué)微加工的納米壓印滾筒模具制備裝置，包括:
[0007]旋轉(zhuǎn)軸，待加工滾筒模具裝于所述旋轉(zhuǎn)軸上，能在所述旋轉(zhuǎn)軸的帶動(dòng)下進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；
[0008]電極架和裝于所述電極架上的微細(xì)加工電極，所述微細(xì)加工電極與所述待加工滾筒模具相對(duì)安置；
[0009]用于安置電極架的移動(dòng)臺(tái)，所述移動(dòng)臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)垂直和水平運(yùn)動(dòng)，以帶動(dòng)所述微細(xì)加工電極實(shí)現(xiàn)所需的位移；
[0010]噴頭，所述噴頭在所述微細(xì)加工電極的加工區(qū)域噴射刻蝕液，形成電解加工環(huán)境;
[0011 ] 高頻脈沖電源，所述高頻脈沖電源在所述微細(xì)加工電極和所述待加工滾筒模具之間加載高頻脈沖電信號(hào)，以使所述刻蝕液在所述待加工滾筒模具上刻蝕；
[0012]其中由所述移動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)的所述微細(xì)加工電極和由所述旋轉(zhuǎn)軸帶動(dòng)的所述待加工滾筒模具被配置成可按照預(yù)設(shè)壓印圖形運(yùn)動(dòng)，以使所述刻蝕液在所述待加工滾筒模具上刻蝕出所需圖形。
[0013]優(yōu)選地:
[0014]還包括儲(chǔ)液槽，所述儲(chǔ)液槽用于加工過程中回收循環(huán)使用的刻蝕液體。
[0015]所述移動(dòng)臺(tái)為二維位移臺(tái)上，所述二維位移臺(tái)能夠受控制在豎直的Z軸方向和水平的Y軸方向運(yùn)動(dòng)，使得所述微細(xì)加工電極配合滾筒模具的旋轉(zhuǎn)，按照所述預(yù)設(shè)壓印模具圖形運(yùn)動(dòng)，其中所述水平的Y軸方向與所述旋轉(zhuǎn)軸的軸向一致。
[0016]所述微細(xì)加工電極的尖端具有10?500nm的圓角半徑。
[0017]所述微細(xì)加工電極為鎢、鉑或金制作的針狀或圓柱狀電極。
[0018]所述噴頭包括在所述微細(xì)加工電極的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)噴頭，優(yōu)選地，所述噴頭的噴射流速為l-10ml/min。
[0019]所述脈沖電源參數(shù)包括電壓幅值為I?5V，頻率為I?500MHz，脈沖寬度為0.5ns?500ns，加工電流密度值為2?10A/cm2。
[0020]一種使用所述的滾筒模具制備裝置的納米壓印滾筒模具制備方法，包括:
[0021]在所述微細(xì)加工電極和所述待加工滾筒模具之間加載高頻脈沖電信號(hào)的同時(shí)，控制所述微細(xì)加工電極和所述待加工滾筒模具按照預(yù)設(shè)壓印圖形運(yùn)動(dòng)，使得所述刻蝕液在所述待加工滾筒模具上刻蝕出所需圖形。
[0022]優(yōu)選地:
[0023]在開始水平加工刻蝕之前，先使所述微細(xì)加工電極相對(duì)于所述待加工滾筒模具垂直進(jìn)給，通過監(jiān)測(cè)所述微細(xì)加工電極與所述待加工滾筒模具間的電流值來(lái)控制所述微細(xì)加工電極與所述待加工滾筒模具的相對(duì)進(jìn)給速度，其中在檢測(cè)到電流發(fā)生突變前按照第一速度進(jìn)給，在檢測(cè)到電流發(fā)生突變后，按照低于所述第一速度的第二速度進(jìn)給并以設(shè)定的加工電流密度進(jìn)行加工，達(dá)到結(jié)構(gòu)所需的加工深度。
[0024]所述第一速度為5?10 μ m/s，所述第二速度的速度為I?10nm/s。
[0025]本發(fā)明的有益效果有:
[0026]采用本發(fā)明的基于電化學(xué)微加工的納米壓印滾筒模具制備裝置，經(jīng)測(cè)試，可獲得的最小加工線寬達(dá)10nm的水平，與電子束直寫加工精度相當(dāng)，而成本卻遠(yuǎn)低于電子束直寫加工設(shè)備。具體體現(xiàn)為:采用高頻脈沖電信號(hào)可大幅提高電化學(xué)刻蝕精度，加工得到的納米壓印滾筒模具與電子束直寫加工得到的模具精度相當(dāng)，遠(yuǎn)高于電鑄和硅橫向氧化精度；設(shè)備成本低，本發(fā)明所需的微細(xì)加工電極用現(xiàn)有的制作工藝容易制備，例如，容易獲得尖端圓角半徑小于30nm的針狀電極；設(shè)備的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無(wú)需高能電子束與高真空環(huán)境，能夠?qū)崿F(xiàn)大體積的模具加工，加工成本極低。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明一種實(shí)施例的基于電化學(xué)微加工的納米壓印滾筒模具制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0028]圖2為本發(fā)明一種實(shí)施例中微細(xì)加工電極與滾筒模具的局部A的放大結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]以下對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式作詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，下述說(shuō)明僅僅是示例性的，而不是為了限制本發(fā)明的范圍及其應(yīng)用。
[0030]參見圖1和圖2，在一種實(shí)施例中，一種基于高頻脈沖電化學(xué)微刻蝕的滾筒模具制備裝置，其中，待加工的滾筒模具8固定于旋轉(zhuǎn)軸2上，滾筒模具8由導(dǎo)電材料構(gòu)成，滾筒模具8的材料可以是可導(dǎo)電的鎳或硅。微細(xì)加工電極4裝夾于電極架5上，而電極架5裝夾于移動(dòng)臺(tái)6上，高頻脈沖電源3的正負(fù)極兩端分別連接于導(dǎo)電的滾筒模具8和微細(xì)加工電極4上。微細(xì)加工電極4的附近設(shè)置有噴頭7，噴頭7在所述微細(xì)加工電極的加工區(qū)域噴射刻蝕液，形成電解加工環(huán)境。優(yōu)選地，在微細(xì)加工電極4的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置的兩個(gè)噴頭7。優(yōu)選地，滾筒模具制備裝置還可以包括用于回收循環(huán)刻蝕溶液9的儲(chǔ)液槽I。
[0031 ] 工作時(shí)，可通過上位機(jī)控制移動(dòng)臺(tái)豎直運(yùn)動(dòng)，加工電極4垂直向滾筒模具8進(jìn)給，同時(shí)打開高頻脈沖電源3在微細(xì)加工電極4和滾筒模具8的表面之間施加高頻脈沖信號(hào)，通過電流檢測(cè)設(shè)備，監(jiān)測(cè)微細(xì)加工電極4與滾筒模具8間的電流值，控制加工電極的進(jìn)給速度。完成進(jìn)給后，通過上位機(jī)控制加工電極4或移動(dòng)臺(tái)6的豎直Z方向運(yùn)動(dòng)和水平Y(jié)方向運(yùn)動(dòng)，配合滾筒模具8或旋轉(zhuǎn)軸2的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，按照預(yù)設(shè)壓印圖形運(yùn)動(dòng)，完成滾筒模具上導(dǎo)電層的刻蝕加工。