面向台阶表面纳米结构制造的离散支撑转移压印技术基础研究

Manufacturing nanostructures on lighting surface of light-emitting diode (LED) chips play a crucial role in improving light efficiency and tuning radiation field distribution, and is one of the development directions of highly qualified LED. However, different to the plane substrate of other conventional nanofabrication process, LED chips show the stepped-surface profiles introduced by the electrodes, which brings a great technical challenge to fabricate nanostructures. This project proposes a discretely-supported nano-transfer technique. The discrete structures instead of the conventional mold are utilized for the conformal contact by decreasing the vertical stiffness and decoupling the lateral mechanical limit. Transfer imprinting instead of conventional imprinting is utilized for nanostructuring only by the contact between mold and chips substrate. Uniform pressure is realized by optimizing the load process during contact. Research contents in this project include: the contact behavior between the mold and the substrate and the discrete-supported mold design criterion, integrated manufacturing and mechanical property research of the discrete-supported mold, process control during transfer imprinting and LED performances research. This project aims to develop a novel technique of fabricating nanostructures on a complex stepped-surface, and obtain our own independent intellectual property rights.

在LED芯片表面制造纳米结构对提升发光性能和调控辐射场分布具有重要的作用，代表高品质LED的发展方向。与常规纳米制造的平整表面不同，LED芯片具有台阶电极结构，如何在这类复杂表面制造高精度的纳米结构是发展高品质LED需要解决的关键技术瓶颈。为此，本项目提出一种面向台阶表面纳米结构制造的离散支撑转移压印技术：利用离散支撑柔性模板代替传统压印模板，通过离散结构设计降低模板的垂直刚度，实现力学特性的横向解耦，解决柔性模板与台阶表面共型接触的难题；利用转移压印代替常规填充压印，通过模板的预填充达到“接触即可成形”的目的，并通过加载历程优化，解决压力分布不均影响成形质量的难题。本项目将在离散支撑模板与台阶表面的界面接触行为及其结构设计准则、离散支撑模板的一体化制造工艺及其力学性能研究、离散支撑转移压印的工艺控制与表面结构化LED性能研究等方面探索基础理论，形成台阶表面纳米结构可控制造的创新技术。

对于光学、光电子器件，表面纳米结构化是一种重要的改进或增强手段，然而，非平面形态给结构成形工艺提出很大挑战。纳米压印技术是一种典型的纳米结构制造方法，具有大批量、低成本的特点，然而，将其用于非平表面纳米结构成形存在接触失效问题。本项目在模板的设计、模板的制造、纳米压印工艺、实际应用等方面进行了研究，解决了非平表面纳米结构成形工艺难题，为实际应用奠定了基础。.在纳米压印模板的设计方面，本项目分析了模板的接触行为，提出了一种离散支撑复合模板，并从能量的角度对该模板的受力变形状态进行分析，建立了能量公式。提出了离散支撑模板的失效形式和设计边界条件，可以根据非平基底的特点有针对性的设计压印模板，模板的设计方法对非平表面纳米压印提供了理论依据。.在离散支撑复合模板的可控制造方面，本项目选用合适的材料分别制备离散支撑层与纳米结构层，提出固化绑定的工艺，实现了两层结构的可靠结合。在此基础上又提出了电场辅助离散支撑复合模板，在纳米结构层上集成透明导电膜，通过二氧化硅粘结层实现两层结构绑定。离散支撑复合模具的可控制造为纳米压印的实际应用奠定了基础。.在离散支撑复合模板纳米压印工艺方面，本项目提出了转移纳米压印工艺，避免了复杂微结构表面纳米压印胶残留填埋的问题。针对大深宽比微结构表面纳米压印容易造成纳米结构失真问题，提出了预固化转移纳米压印工艺。针对易碎基底上纳米压印容易损坏基底的问题，提出了电场辅助纳米压印工艺。新的纳米压印工艺大大提升了纳米压印的适用范围。.在离散支撑复合模板纳米压印应用方面，本项目针对有源光电器件，在平整LED芯片表面封装了多级微纳复合结构，在台阶表面LED芯片上压印刻蚀了光子晶体（PhCs）纳米结构，大幅提升了芯片的性能。针对晶圆级光学元件，在菲涅尔透镜、散射片表面压印集成了亚波长纳米锥结构，大幅提升了元件的透射率。在光电器件、光学元件表面集成纳米结构大大提升了器件性能，拓宽了其使用场景。