低温纳米压印情形下胶体应力分析
摘 要在半导体产业，集成电路是指将多个元件集成在一个硅或锗衬底上，实现一定功能的电路。几十年来，集成电路的元件尺寸不断减小，电路集成度不断增加，而这也要求工艺制作水平不断提高。集成电路制造中所有芯片都涉及到光刻工艺，光刻也是集成电路最为重要的环节。但是传统的光刻正面临设备昂贵，技术瓶颈等困难，要求有新的光刻技术更加迫切。纳米压印技术作为一种廉价、工艺简单且环保的光刻技术，自发明以来得到了科学家们的广泛关注和研究。但热纳米压印仍存在加热和降温周期过长，影响生产效率，因此低温纳米压印技术应运而生。本文讨论了纳米压印技术原理、工艺、仿真过程，并在此基础上分析低温纳米压印情形下温度、压力对胶体应力的影响。本文选用压印中常用的玻璃化温度为378.5K的PMMA胶体，将其加热到370K-400K范围内，给印章施加一定压力，分别研究二三维情形下温度、压力对压印效果和胶体应力的影响，通过仿真寻求最佳的工艺参数。本文所选用的纳米压印模型中印章为Si材料，胶体为PMMA聚合物，压印图形宽度为100nm,压印图形高度为40nm。仿真结果表明，二维情形下，当胶体温度达到玻璃化温度之后通过对印章施加1e10Pa左右的压力就可以完成压印过程。玻璃化温度为胶体最佳转化温度，而压力对压印长生的影响较大。三维情形时胶体上最大应力与最小应力相差较大,胶体最大应力为5.63e10Pa，,胶体最小应力为4.33e7Pa，相差三个数量级。温度与压力的影响与二维情形时相似。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1半导体诞生 1
1.2集成电路出现 2
1.3纳米技术简介 3
1.4纳米压印技术 4
1.4.1纳米压印技术原理 4
1.4.2纳米压印技术的发展 4
1.4.3纳米压印种类 5
1.4.4纳米压印材料选择 8
1.4.5纳米压印技术的应用 9
1.4.6国内外研究现状 9
1.5选题背景及意义 9
1.6研究目的 10
1.7论文结构安排 10
第二章 纳米压印胶体 11
2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1胶体流变原理 11
2.2胶体的流变 13
2.3纳米压印常见缺陷 14
2.4本章小结 14
第三章 纳米压印有限元建立 15
3.1有限元理论 15
3.2 Ansys有限元分析软件 17
3.3 Ansys有限元分析法对纳米压印技术的仿真 18
3.4本章小结 22
第四章 低温纳米压印情形下胶体应力分析 23
4.1分析思想 23
4.2分析意义 23
4.3胶体应力分析 23
4.3.1 温度对胶体应力的影响 24
4.3.2压力对胶体应力的影响 26
4.3.3时间对胶体应力的影响 28
4.3.4三维情形下压印结果分析 31
4.4本章小结 30
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2需要解决的问题和挑战 33
5.2.1纳米压印技术面临的问题和挑战 34
5.2.2本课题后期研究的工作 34
5.3纳米印技术的展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
附录1 Nanoimprint Lithography 39
附录2纳米压印 50
第一章 绪论
纳米压印技术能够诞生是由于半导体产业的技术发展背景，和集成电路工艺的各环节息息相关。本章主要介绍半导体产业各种技术的发展历史、纳米压印技术的研究背景与意义、课题研究目的、国内外的发展现状和纳米压印主要种类及工艺步骤。
1.1半导体诞生
上世纪，社会经历了一场从机械技术产品到集中电子技术产品的技术革命，而这场技术革命的中心就是半导体产业[1]。半导体技术的主要原料半导体也是贯穿整个电子产品的主要要素。
半导体技术是在上世纪从多种已有技术的基础上发展而来的——无线电通信、真空管电子学、固体物理及机械制造等 [2]。半导体产业的制造技术十分复杂，整个产业加工链涉及到许多特殊的工艺步骤、设备、材料和供应产业。根据产品的用途，制造的微芯片会被封装到各种机械装备和电子产品中，比如我们日常所使用的移动电话、汽车及各种航天器材、武器装备等等。
硅的单晶体，一种相对来说比较新的材料，在20世纪初被用来将无线电的信号从交流转化为直流。德国的科学家最早将这种特殊的材料称为“半导体”， 半导体这一名称起源于半导体材料有时导电有时不导电的特殊的电学性能。后来更多的科学家参与到半导体技术的研究中，物理学家们研究的量子力学理论更好地解释了半导体的这种特性。
二战之后，贝尔实验室的科学家们致力于研究硅和锗的研究。1947年12月，威廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布拉顿三位科学家在贝尔实验室发明了固态晶体管 [3]。晶体管的出现，解决了许多之前所用的真空管所存在的问题：体积大、耗电大、寿命短以及可靠性低。这一发明也意味着现代半导体产业的诞生。
1.2 集成电路出现
半导体产业向前发展极其重要的步骤是将多个电子元件集成在一片硅底上，即集成电路[4]。在1959年，美国仙童半导体公司的罗伯特诺伊思和德州仪器公司的杰克基尔比分别独自发明出了集成电路[5]。
自集成电路发明以后，芯片上集成的元件数迅速增长，基于此，我们将集成电路的发展划分成表1.1中的几个时期：
表1.1 集成电路发展时期
芯片集成的水平决定着芯片的尺寸，只有在接近硅片表面的几微米处才会发生加工工作。集成电路的制造主要有以下几个阶段[6]：
1.提取硅片
首先，从沙中提取炼出硅并纯化，经过一系列的加工工艺产出直径合适的硅锭。接着将硅锭切割成薄片用于后期芯片的制造。整个制备过程需要参照规范的参数，比如沾污水平和定位边要求。
2.制造硅片
制造好的硅片具有保留永久刻蚀集成电路的能力。生产商和无造厂公司是芯片制造的两大类公司。生产商生产出的芯片能够在公开的市场上销售。无造厂公司主要进行芯片的设计工作，他们设计好芯片后交给代工厂制作。无制造公司和代工厂数量日益增加是因为建设一个芯片制造厂需要高额的成本。
硅片制造包括许多复杂的工艺，可以利用高度自动化的设备在集成电路上生产几千万的元件。因为集成电路的复杂性不断增加，半导体产业也总是位于制造技术和设备设计的前沿。这种相互依赖的关系激励着集成电路中硅片制造技术不断提高。其中的关键技术——光刻技术正是本文所研究的范畴。
3.硅片的测试与挑选
制造出的芯片并不是都具有良好的性能，如果它们流进下一制造过程将会浪费其他关联资源。为此，在芯片出厂前必须检测其电学特性和功能特性。挑选出的合格芯片进入后续的加工过程。
4.装配与封装
测试合格的芯片进入到装配与封装，表面覆盖一层保护芯，背面被磨损，保证芯片长期不会脱落。装配的形式和标准取决于芯片最终的应用场合。
目录
摘 要 I
Abstract II
目录 III
第一章 绪论 1
1.1半导体诞生 1
1.2集成电路出现 2
1.3纳米技术简介 3
1.4纳米压印技术 4
1.4.1纳米压印技术原理 4
1.4.2纳米压印技术的发展 4
1.4.3纳米压印种类 5
1.4.4纳米压印材料选择 8
1.4.5纳米压印技术的应用 9
1.4.6国内外研究现状 9
1.5选题背景及意义 9
1.6研究目的 10
1.7论文结构安排 10
第二章 纳米压印胶体 11
2.
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
1胶体流变原理 11
2.2胶体的流变 13
2.3纳米压印常见缺陷 14
2.4本章小结 14
第三章 纳米压印有限元建立 15
3.1有限元理论 15
3.2 Ansys有限元分析软件 17
3.3 Ansys有限元分析法对纳米压印技术的仿真 18
3.4本章小结 22
第四章 低温纳米压印情形下胶体应力分析 23
4.1分析思想 23
4.2分析意义 23
4.3胶体应力分析 23
4.3.1 温度对胶体应力的影响 24
4.3.2压力对胶体应力的影响 26
4.3.3时间对胶体应力的影响 28
4.3.4三维情形下压印结果分析 31
4.4本章小结 30
第五章 总结与展望 32
5.1总结 32
5.2需要解决的问题和挑战 33
5.2.1纳米压印技术面临的问题和挑战 34
5.2.2本课题后期研究的工作 34
5.3纳米印技术的展望 35
参考文献 36
致谢 38
附录 39
附录1 Nanoimprint Lithography 39
附录2纳米压印 50
第一章 绪论
纳米压印技术能够诞生是由于半导体产业的技术发展背景，和集成电路工艺的各环节息息相关。本章主要介绍半导体产业各种技术的发展历史、纳米压印技术的研究背景与意义、课题研究目的、国内外的发展现状和纳米压印主要种类及工艺步骤。
1.1半导体诞生
上世纪，社会经历了一场从机械技术产品到集中电子技术产品的技术革命，而这场技术革命的中心就是半导体产业[1]。半导体技术的主要原料半导体也是贯穿整个电子产品的主要要素。
半导体技术是在上世纪从多种已有技术的基础上发展而来的——无线电通信、真空管电子学、固体物理及机械制造等 [2]。半导体产业的制造技术十分复杂，整个产业加工链涉及到许多特殊的工艺步骤、设备、材料和供应产业。根据产品的用途，制造的微芯片会被封装到各种机械装备和电子产品中，比如我们日常所使用的移动电话、汽车及各种航天器材、武器装备等等。
硅的单晶体，一种相对来说比较新的材料，在20世纪初被用来将无线电的信号从交流转化为直流。德国的科学家最早将这种特殊的材料称为“半导体”， 半导体这一名称起源于半导体材料有时导电有时不导电的特殊的电学性能。后来更多的科学家参与到半导体技术的研究中，物理学家们研究的量子力学理论更好地解释了半导体的这种特性。
二战之后，贝尔实验室的科学家们致力于研究硅和锗的研究。1947年12月，威廉肖克利、约翰巴丁和沃尔特布拉顿三位科学家在贝尔实验室发明了固态晶体管 [3]。晶体管的出现，解决了许多之前所用的真空管所存在的问题：体积大、耗电大、寿命短以及可靠性低。这一发明也意味着现代半导体产业的诞生。
1.2 集成电路出现
半导体产业向前发展极其重要的步骤是将多个电子元件集成在一片硅底上，即集成电路[4]。在1959年，美国仙童半导体公司的罗伯特诺伊思和德州仪器公司的杰克基尔比分别独自发明出了集成电路[5]。
自集成电路发明以后，芯片上集成的元件数迅速增长，基于此，我们将集成电路的发展划分成表1.1中的几个时期：
表1.1 集成电路发展时期
芯片集成的水平决定着芯片的尺寸，只有在接近硅片表面的几微米处才会发生加工工作。集成电路的制造主要有以下几个阶段[6]：
1.提取硅片
首先，从沙中提取炼出硅并纯化，经过一系列的加工工艺产出直径合适的硅锭。接着将硅锭切割成薄片用于后期芯片的制造。整个制备过程需要参照规范的参数，比如沾污水平和定位边要求。
2.制造硅片
制造好的硅片具有保留永久刻蚀集成电路的能力。生产商和无造厂公司是芯片制造的两大类公司。生产商生产出的芯片能够在公开的市场上销售。无造厂公司主要进行芯片的设计工作，他们设计好芯片后交给代工厂制作。无制造公司和代工厂数量日益增加是因为建设一个芯片制造厂需要高额的成本。
硅片制造包括许多复杂的工艺，可以利用高度自动化的设备在集成电路上生产几千万的元件。因为集成电路的复杂性不断增加，半导体产业也总是位于制造技术和设备设计的前沿。这种相互依赖的关系激励着集成电路中硅片制造技术不断提高。其中的关键技术——光刻技术正是本文所研究的范畴。
3.硅片的测试与挑选
制造出的芯片并不是都具有良好的性能，如果它们流进下一制造过程将会浪费其他关联资源。为此，在芯片出厂前必须检测其电学特性和功能特性。挑选出的合格芯片进入后续的加工过程。
4.装配与封装
测试合格的芯片进入到装配与封装，表面覆盖一层保护芯，背面被磨损，保证芯片长期不会脱落。装配的形式和标准取决于芯片最终的应用场合。
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