低温纳米压印情形下印章应力分析
摘 要随着科技的不断发展，半导体的尺寸特征不断缩小，经济因素也成为半导体行业的重要指标之一。因为成本的不断增高，使得人们开始寻求新的突破，纳米压印技术应运而生，该项技术较低的成本和高效率的模式使得如何优化这项制造工艺成为现今人们日益关注的焦点之一。本论文运用ANSYS软件以静态仿真为主，综合理论分析，着重针对低温纳米压印情形下印章的应力进行分析。利用印章与胶体间的热膨胀系数不同，在一定的压力和温度条件下，使得胶体能够填充进入印章的空腔之中，使得印章与胶体充分的接触，从而实现图形的转移功能。本论文主要使用的是以镍为印章材料以聚甲基丙烯酸甲酯（PolymethylMethacrylate,简称PMMA）为胶体的模型进行分析研究。通过实验模拟分析，得出如下主要结论：1.在保证压印完全的前提下，在以镍-PMMA的压印模型中，1.7GPa为最小的压印力；在以硅-PMMA的压印模型中，1.5GPa为最小的压印力。2.针对镍-PMMA结构来说，在5GPa压强下，单沟道结构比多结构受力大且耗时长。3.对390K/400K/410K温度下的应力进行了比较，结果证实低温纳米压印印章的应力与温度关系不大。此课题的意义在于优化制造工艺，采用效率最高、经济最优的制造工艺制造出高品质的工艺器件，为纳米压印技术提供了更多的参考。同时避免实验导致印章受损和压印材料的浪费。
Key words: nanoimprint lithography; low temperature; fabrication process; finite element; stamp 目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 5
1.1纳米压印工艺的工程背景 5
1.2纳米压印的研究现状 5
1.2.1国外研究现状 5
1.2.2国内的研究现状 6
1.3纳米压印的前景和挑战 6
1.4本文组织结构 7
第2章 纳米压印工艺 8
2.1纳米压印原理 8
2.2纳米压印材料的制备 8
2.2.1印章材料的制备 8
2.2.2聚合物的制备 9
2
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
.3纳米压印分类 9
2.3.1微接触压印 9
2.3.2紫外线压印 10
2.3.3热压印 11
2.3.4三种压印的比较 11
2.4本章小结 12
第3章 低温纳米压印模型的建立与仿真 13
3.1低温纳米压印的原理介绍 13
3.2简化模型分析的有限元基础 13
3.2.1有限元简介 13
3.2.2有限元分析的一般过程 14
3.3 ANSYS简介与分析过程 14
3.3.1 ANSYS的简介 14
3.3.2 ANSYS分析的基本过程 15
3.4纳米压印二维模型的建立 16
3.4.1准备部分 16
3.4.2前处理部分 16
3.4.2求解过程 19
3.4.3后处理 20
3.5本章小结 20
第4章 低温纳米压印情形下的印章应力分析 22
4.1压力变化分析 22
4.1.1 5GPa应力下结果分析 22
4.1.2 寻找最小压力 24
4.2温度变化分析 28
4.2.1在390K温度下时的压力分析 28
4.2.2在410K温度下应力分析 30
4.2.3与400K温度下应力比较分析 31
4.3印章结构变化分析 32
4.3.1三沟道应力分析 32
4.3.2 与单沟道应力下比较分析 34
4.4印章材料变化分析 34
4.4.1 以硅为印章材料应力分析 34
4.4.2 与镍为印章材料比较分析 37
4.5本章小结 37
第5章 总结和展望 38
5.1总结 38
5.2展望 38
参考文献 40
致谢 43
附录 44
附录A 英文文献 44
附录B 文献翻译 52
第1章 绪论
1.1纳米压印工艺的工程背景
压印工艺具有几千年的历史了，自古就存在在人们的日常中，如宋代的活体印刷，古代君王的玉玺，中秋节的月饼等都是压印工艺的体现。随着时代的进步，微电子行业日新月异，并迅速开始进入人们的日常，而压印技术有希望作为下一代光刻技术在微电子行业中得以应用[1]。
半导体技术不断发展，所要求的器件特征尺寸规格也越发细微，从而使得制造工艺中的光刻技术越发的繁琐复杂，随之而来的就是成本的大幅度增加，这令许多的公司开始踌躇不前，半导体技术的发展就收到了影响。由此，众多的科学家和机构都开始寻求新的突破。周郁一名美籍华人科学家在1995年率先提出了纳米压印这一想法[2]。采用将带有目标图像的模具直接压印到衬底上的方法达到光刻的要求，简单的原理，高效率的生产模式，低廉的成本等诸多因素，使得这一项技术迅速在纳米光刻技术领域大放异彩，并且广泛的应用在了光电子、光学器件、生物医学、信息通信和能源等众多领域[3]。
现今关于纳米制作工艺主要有两种途径：一种是自下而上型，由众多单个原子采用化学技术所构建，或者也可以使用扫描隧道显微镜以及原子力显微镜来使得单个纳米粒子移动成特定的排布结果[4]。不过，这种方法耗时长并且费用较高，不能够形成批量化流水线生产模式，难以真正投入到生产线去生产。而另一种就是本文所要描述的自上而下型，将光刻和刻蚀相互配合直接在衬底上制造纳米级的图案，进而减少器件尺寸的分辨率限制。这种模式的制作工艺要求较高，虽然需要高分辨率的刻印技术，但是可以批量化生产，经济优势较为明显，也成为了众多微电子制造公司的首选。
1.2纳米压印的研究现状
1.2.1国外研究现状
自1995年周郁教授等人提出了纳米压印光刻技术的构思后[1，5]，接下来的几年时间里面，在众多权威机构的支持下，周郁所处的明尼苏达大学的纳米结构实验室又相继完成了场效应晶体管（Field Effect Transistor,简称FET）和光栅等微型器件的制作，并在纳米光盘、纳米CD高密度数据存储等微电子方面提出了相当大的研究成果。其他国家的研究也迅速发展，光刻压印被运用到了高速存储器、场效应管、光探测器等各个领域。法国的研究人员利用纳米浮雕工艺对塑料微流体通道纳米柱状结构进行制作，来进行高性能DNA毛细管电泳的分离控制实验。韩国学者利用软模具对三维图像的转移过程进行了深入研究。同时德国的研究人员利用压印光刻技术对纳米级量子的点接触三维结构进行了研究[6]。
1.2.2国内的研究现状
西安交大在国内率先开始了对压印光刻方面的研究，主要是集中在军用集成电路的制作方面，制造高分辨的平面图形结构是他们的主要研究目标[7]。科学院物理研究所的陈雷明提出了一种利用聚焦离子束对光刻胶的改变作用来对加工条件加以控制的方法，将光刻胶改性成一种高硬度的材料，形成纳米压印模板[8]。这种改性光刻胶制作纳米压印模板的方法工艺简单、速度快是其特色。而科学院电工研究所司卫华提出了关于制作紫外压印模板的两种方法，运用反应离子刻蚀的方法制作玻璃模具，用浇灌的方式制作PDMS软模[9]。
Key words: nanoimprint lithography; low temperature; fabrication process; finite element; stamp 目录
摘 要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 5
1.1纳米压印工艺的工程背景 5
1.2纳米压印的研究现状 5
1.2.1国外研究现状 5
1.2.2国内的研究现状 6
1.3纳米压印的前景和挑战 6
1.4本文组织结构 7
第2章 纳米压印工艺 8
2.1纳米压印原理 8
2.2纳米压印材料的制备 8
2.2.1印章材料的制备 8
2.2.2聚合物的制备 9
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.3纳米压印分类 9
2.3.1微接触压印 9
2.3.2紫外线压印 10
2.3.3热压印 11
2.3.4三种压印的比较 11
2.4本章小结 12
第3章 低温纳米压印模型的建立与仿真 13
3.1低温纳米压印的原理介绍 13
3.2简化模型分析的有限元基础 13
3.2.1有限元简介 13
3.2.2有限元分析的一般过程 14
3.3 ANSYS简介与分析过程 14
3.3.1 ANSYS的简介 14
3.3.2 ANSYS分析的基本过程 15
3.4纳米压印二维模型的建立 16
3.4.1准备部分 16
3.4.2前处理部分 16
3.4.2求解过程 19
3.4.3后处理 20
3.5本章小结 20
第4章 低温纳米压印情形下的印章应力分析 22
4.1压力变化分析 22
4.1.1 5GPa应力下结果分析 22
4.1.2 寻找最小压力 24
4.2温度变化分析 28
4.2.1在390K温度下时的压力分析 28
4.2.2在410K温度下应力分析 30
4.2.3与400K温度下应力比较分析 31
4.3印章结构变化分析 32
4.3.1三沟道应力分析 32
4.3.2 与单沟道应力下比较分析 34
4.4印章材料变化分析 34
4.4.1 以硅为印章材料应力分析 34
4.4.2 与镍为印章材料比较分析 37
4.5本章小结 37
第5章 总结和展望 38
5.1总结 38
5.2展望 38
参考文献 40
致谢 43
附录 44
附录A 英文文献 44
附录B 文献翻译 52
第1章 绪论
1.1纳米压印工艺的工程背景
压印工艺具有几千年的历史了，自古就存在在人们的日常中，如宋代的活体印刷，古代君王的玉玺，中秋节的月饼等都是压印工艺的体现。随着时代的进步，微电子行业日新月异，并迅速开始进入人们的日常，而压印技术有希望作为下一代光刻技术在微电子行业中得以应用[1]。
半导体技术不断发展，所要求的器件特征尺寸规格也越发细微，从而使得制造工艺中的光刻技术越发的繁琐复杂，随之而来的就是成本的大幅度增加，这令许多的公司开始踌躇不前，半导体技术的发展就收到了影响。由此，众多的科学家和机构都开始寻求新的突破。周郁一名美籍华人科学家在1995年率先提出了纳米压印这一想法[2]。采用将带有目标图像的模具直接压印到衬底上的方法达到光刻的要求，简单的原理，高效率的生产模式，低廉的成本等诸多因素，使得这一项技术迅速在纳米光刻技术领域大放异彩，并且广泛的应用在了光电子、光学器件、生物医学、信息通信和能源等众多领域[3]。
现今关于纳米制作工艺主要有两种途径：一种是自下而上型，由众多单个原子采用化学技术所构建，或者也可以使用扫描隧道显微镜以及原子力显微镜来使得单个纳米粒子移动成特定的排布结果[4]。不过，这种方法耗时长并且费用较高，不能够形成批量化流水线生产模式，难以真正投入到生产线去生产。而另一种就是本文所要描述的自上而下型，将光刻和刻蚀相互配合直接在衬底上制造纳米级的图案，进而减少器件尺寸的分辨率限制。这种模式的制作工艺要求较高，虽然需要高分辨率的刻印技术，但是可以批量化生产，经济优势较为明显，也成为了众多微电子制造公司的首选。
1.2纳米压印的研究现状
1.2.1国外研究现状
自1995年周郁教授等人提出了纳米压印光刻技术的构思后[1，5]，接下来的几年时间里面，在众多权威机构的支持下，周郁所处的明尼苏达大学的纳米结构实验室又相继完成了场效应晶体管（Field Effect Transistor,简称FET）和光栅等微型器件的制作，并在纳米光盘、纳米CD高密度数据存储等微电子方面提出了相当大的研究成果。其他国家的研究也迅速发展，光刻压印被运用到了高速存储器、场效应管、光探测器等各个领域。法国的研究人员利用纳米浮雕工艺对塑料微流体通道纳米柱状结构进行制作，来进行高性能DNA毛细管电泳的分离控制实验。韩国学者利用软模具对三维图像的转移过程进行了深入研究。同时德国的研究人员利用压印光刻技术对纳米级量子的点接触三维结构进行了研究[6]。
1.2.2国内的研究现状
西安交大在国内率先开始了对压印光刻方面的研究，主要是集中在军用集成电路的制作方面，制造高分辨的平面图形结构是他们的主要研究目标[7]。科学院物理研究所的陈雷明提出了一种利用聚焦离子束对光刻胶的改变作用来对加工条件加以控制的方法，将光刻胶改性成一种高硬度的材料，形成纳米压印模板[8]。这种改性光刻胶制作纳米压印模板的方法工艺简单、速度快是其特色。而科学院电工研究所司卫华提出了关于制作紫外压印模板的两种方法，运用反应离子刻蚀的方法制作玻璃模具，用浇灌的方式制作PDMS软模[9]。
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