高深宽比印章纳米压印情形下胶体温度分析
摘 要本文主要研究了印章在不同深宽比前提下胶体温度的变化情况。目的是为了优化工艺，提高精准度，节约生产时间，以促进纳米压印技术更快地走向广泛的实际应用。本次设计通过ANSYS有限元软件建模仿真进行分析。分别分析了胶体厚度为5mm以及0.5mm的情况，并将印章的单元属性定义为二维热实体，将胶体的单元属性定义为二维八节点热实体。通过后处理分析可以得知，胶体达到均匀温度所需要的时间与胶体印章的深宽比关系较小，不同的胶体材料所需要的时间各不相同,且胶体越厚，所需时间越长。如在深宽比4:1的情况下，胶体厚度同样设置为5mm且胶体材料设置为PC情况下，将胶体温度升高至433K的最短时间需要1397.9s。而后在不改变胶体厚度以及胶体材料的情况下，分别将印章深宽比设为5:1、6:1、7:1以及10:1后发现改变印章的深宽比对胶体的温度升高至均匀所需要的时间影响很小。而后研究胶体材料对胶体温度升高至均匀所需时间的影响，对印章设相同的深宽比，同时胶体厚度相同，研究得知当胶体材料为PC时，胶体温度升高至433K需要1397.9s，而PMMA温度升高至390K需要1619.6s。而后在相同的胶体材料，相同的深宽比下，对不同胶体厚度与胶体温度变化的关系进行分析，通过分析发现胶体越薄温度升高越快。这一发现意味着在实际压印过程中，尤其是热压印情况下，可以对胶体加温至玻璃化温度以上的所需最短时间进行控制，减少了时间上的浪费，达到了提高尺寸精度，优化工艺的目的。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 纳米压印工艺 1
1.2.1 纳米压印基本原理 1
1.2.2 材料制备 1
1.2.3 传统纳米压印工艺 2
1.2.4 新兴纳米压印工艺 6
1.3 纳米压印技术发展史及现状 8
1.3.1 国外发展现状 8
1.3.2 国内发展现状 9
1.4 有限元及ANSYS介绍 9
1.5 本文研究意义及内容 10
1.6 本文的组织结构 10
第2章 高深宽比印章纳米压印的建模 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
/> 2.1 分析前准备（以深宽比4：1为例） 11
2.2 前处理器Preprocessor建立几何模型 11
2.3 Solution加载求解 18
2.4 后处理编辑 20
2.5 本章小结 21
第3章 同种材料不同深宽比下胶体温度分析 22
3.1 印章深宽比4:1情况 22
3.2 印章深宽比5:1情况 26
3.3 印章深宽比6:1情况 27
3.4 印章深宽比7:1情况 27
3.5 印章深宽比10:1情况 28
3.6 改变胶体厚度 28
3.7 本章小结 29
第4章 相同深宽比不同材料下胶体温度分析 31
4.1 印章深宽比4:1情况下 31
4.2 印章深宽比5:1情况下 33
4.3 印章深宽比6:1情况下 34
4.4 印章深宽比7:1情况下 35
4.5 印章深宽比10:1情况下 36
4.6 改变胶体厚度 36
4.7 本章小结 37
第5章 总结与展望 39
5.1 课题总结 39
5.2 展望 40
致谢 41
参考文献 42
附录 44
附录一 英文文献 44
附录二 原文翻译 52
第1章 绪论
1.1 引言
自古以来，便有着物质无限可分的思想。近半个世纪以来，微型化在整个世界掀起了一股狂潮，由集成电路迅猛发展可见一斑。在过去的三十多年里，高密度、超高频器件如雨后春笋般不断出现和发展，而这一发展趋势促进了计算机、通信网络等为代表的现代科技信息技术的发展。
近几十年来，人们探索微观世界并对之改造的脚步已经从微米迈到了纳米，现在纳米已经成为生活中必不可少的一部分。1959年，已故的美国著名科学家Richard Feynman在一次著名的演讲中提出了微观粒子组装物品的可能性，并且憧憬着当某一天这种可能性实现的时候，是人类史上的一个伟大的奇迹，具有跨时代的意义。而随着科技的进步，这个梦想即将成为现实——纳米技术的产生。纳米技术是一门崭新的科学技术，它的应用广泛并且实力深不可测，成为了现代社会的研究热点，等待人们更进一步的探索和发现。
1.2 纳米压印工艺
1.2.1 纳米压印基本原理
纳米压印技术就是将制作好的绘有纳米级图形的刚性压膜压在一层聚合物薄膜上，而后这层薄膜固化，从而使薄膜上形成的图形与刚性压膜上制作好的纳米级图形一致，即将刚性压膜上的图形物理转移到了薄膜上。
1.2.2 材料制备
纳米压印的过程理解起来很容易，步骤也相对应于其他工艺比较简单，但是因为是纳米级图形的转移，所以一些细节性的问题和注意事项是不能忽略的。
（1）印章制备。由纳米压印的原理可知，刚性压膜上的图形是与薄膜上的图形密不可分的，因为印章上的图形质量直接决定了聚合物薄膜上纳米级图形的质量[1]。印章的制备常用极紫外光、电子束等方式实现。通常印章可以选取硅、镍、SiO2等材料。近来，一种新型的制作方式打破了这个局限性。这种方法是利用光刻胶制备纳米压印模板。
（2）聚合物制备。 常规的用于光学光刻的光刻胶在纳米压印工艺中是不适用的，因为要求更为严格，首先要求光刻胶具有易处理性，其次要能与衬底良好的结合。更为关键的是要有好的热稳定性，而且它的黏度要低，流动性好以及抗干法刻蚀性能强。
考虑到脱模以后要用费时又昂贵的干蚀刻设备来去除残胶，而且在热压印过程中，有机玻璃（Polymethyl Methacrylate,PMMA）的胶体需要加热到100℃以上，这对于一般的基底材料没有问题，可是对于透明塑料薄膜而言基本上是不能抵抗高达100℃的温度的。由此就出现了一种酸性聚合物类的抗蚀胶。这种抗蚀胶的抗反应离子束刻蚀的功能非常卓越，并且流动性好，玻璃化温度很低就只有43℃，适用于柔性基底材料的压印。
1.2.3 传统纳米压印工艺
自1995年纳米压印光刻技术被提出以来，由于它的低成本，高效率等优势，一直受到广泛的关注和研究。它不但可以大面积的制备超高精度的图形，同时还具有可重复性，它的应用领域广泛，应用形式多变。
（1）热压印工艺（Hot Embossing nanoimprint lithography,HENIL）。
热压印工艺只需要一个模具，成本低，就可以将完全相同的结构按照要求复制到大的表面上，简单方便。总体来说，热压印工艺过程有三步[2]。首先是制备压印模板，比较简单。一般采用SiO2、SiC等硬度大、热膨胀系数低的材料制作。然后是压印，这是最关键的。第一步涂膜加温。利用旋涂的方式，在用来制备纳米级图形的基底上涂上一层聚合物薄膜，一般选用有机玻璃（PMMA），然后加热聚合物薄膜到其玻璃化温度以上。但是注意温度不能过高，否则只会增加模压周期，对模压结构没有多大的影响，反而会使聚合物弯曲使得模具受损。然后加压。加500kPa至1000kPa之间的压力于模板上，保持一断时间。聚合物受到来自制备有纳米级图形的模板的压力后，此时液态的光刻胶流动进模具图形中的空隙之中，并将其填满。但是注意压力不能太小，否则薄膜不能完全填充空隙[3]，这样热压印就会失败。第三步固化。在模压过程结束后，降低整个叠层的温度至聚合物玻璃化温度之下。第四步脱模。这部分尤其小心，此时应注意防止用力过大，使模具受到损伤。然后用干蚀刻设备去除残留的聚合物层。最后图案转移。可以有两种方法进行图案转移，一种是刻蚀技术，以聚合物为掩膜，选择性的刻蚀聚合物的下层，从而得到图形。另一种是剥离技术，对于这种技术，一般采用镀金的工艺。
需要注意的是，空气气泡对转移图案的质量的影响是不能忽略的，所以为了减小这种影响，整个工艺都要求在小于1Pa的真空环境中进行。热压印的套准精度比较好。这种方法可以达到的最小尺寸为5纳米，因此转移的图案是高分辨率、高深宽比的结构。多次压印的效果也比较好。并且可以进行多层压印。但是，热压印工艺的缺点是高温高压。为了能改进高温问题，研究员们就提出了一种方法：利用超声波。在频率为27KHz超声波的加热下，光刻胶直接到达了它的玻璃化温度。相应的，利用气体辅助纳米压印技术就能改进高压问题。压印前，先将模板和基底对准后固定，并放入真空腔体内，然后向真空腔体内注入惰性气体。之后利用惰性气体施压，而压力的大小就由进气量的多少来控制。这种方式的好处在于：首先是利用气体施压，这种施压方式压力均匀，压力的大小可以自由控制。这就避免了在机械施压过程中自由度的调节问题。其次，压印完成后，在真空环境中，可以顺利地排出光刻胶中的气体气泡，减小了气泡对图形质量的影响。如图1.1所示。
目 录
摘 要 I
ABSTRACT II
目 录 IV
第1章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 纳米压印工艺 1
1.2.1 纳米压印基本原理 1
1.2.2 材料制备 1
1.2.3 传统纳米压印工艺 2
1.2.4 新兴纳米压印工艺 6
1.3 纳米压印技术发展史及现状 8
1.3.1 国外发展现状 8
1.3.2 国内发展现状 9
1.4 有限元及ANSYS介绍 9
1.5 本文研究意义及内容 10
1.6 本文的组织结构 10
第2章 高深宽比印章纳米压印的建模 11
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
/> 2.1 分析前准备（以深宽比4：1为例） 11
2.2 前处理器Preprocessor建立几何模型 11
2.3 Solution加载求解 18
2.4 后处理编辑 20
2.5 本章小结 21
第3章 同种材料不同深宽比下胶体温度分析 22
3.1 印章深宽比4:1情况 22
3.2 印章深宽比5:1情况 26
3.3 印章深宽比6:1情况 27
3.4 印章深宽比7:1情况 27
3.5 印章深宽比10:1情况 28
3.6 改变胶体厚度 28
3.7 本章小结 29
第4章 相同深宽比不同材料下胶体温度分析 31
4.1 印章深宽比4:1情况下 31
4.2 印章深宽比5:1情况下 33
4.3 印章深宽比6:1情况下 34
4.4 印章深宽比7:1情况下 35
4.5 印章深宽比10:1情况下 36
4.6 改变胶体厚度 36
4.7 本章小结 37
第5章 总结与展望 39
5.1 课题总结 39
5.2 展望 40
致谢 41
参考文献 42
附录 44
附录一 英文文献 44
附录二 原文翻译 52
第1章 绪论
1.1 引言
自古以来，便有着物质无限可分的思想。近半个世纪以来，微型化在整个世界掀起了一股狂潮，由集成电路迅猛发展可见一斑。在过去的三十多年里，高密度、超高频器件如雨后春笋般不断出现和发展，而这一发展趋势促进了计算机、通信网络等为代表的现代科技信息技术的发展。
近几十年来，人们探索微观世界并对之改造的脚步已经从微米迈到了纳米，现在纳米已经成为生活中必不可少的一部分。1959年，已故的美国著名科学家Richard Feynman在一次著名的演讲中提出了微观粒子组装物品的可能性，并且憧憬着当某一天这种可能性实现的时候，是人类史上的一个伟大的奇迹，具有跨时代的意义。而随着科技的进步，这个梦想即将成为现实——纳米技术的产生。纳米技术是一门崭新的科学技术，它的应用广泛并且实力深不可测，成为了现代社会的研究热点，等待人们更进一步的探索和发现。
1.2 纳米压印工艺
1.2.1 纳米压印基本原理
纳米压印技术就是将制作好的绘有纳米级图形的刚性压膜压在一层聚合物薄膜上，而后这层薄膜固化，从而使薄膜上形成的图形与刚性压膜上制作好的纳米级图形一致，即将刚性压膜上的图形物理转移到了薄膜上。
1.2.2 材料制备
纳米压印的过程理解起来很容易，步骤也相对应于其他工艺比较简单，但是因为是纳米级图形的转移，所以一些细节性的问题和注意事项是不能忽略的。
（1）印章制备。由纳米压印的原理可知，刚性压膜上的图形是与薄膜上的图形密不可分的，因为印章上的图形质量直接决定了聚合物薄膜上纳米级图形的质量[1]。印章的制备常用极紫外光、电子束等方式实现。通常印章可以选取硅、镍、SiO2等材料。近来，一种新型的制作方式打破了这个局限性。这种方法是利用光刻胶制备纳米压印模板。
（2）聚合物制备。 常规的用于光学光刻的光刻胶在纳米压印工艺中是不适用的，因为要求更为严格，首先要求光刻胶具有易处理性，其次要能与衬底良好的结合。更为关键的是要有好的热稳定性，而且它的黏度要低，流动性好以及抗干法刻蚀性能强。
考虑到脱模以后要用费时又昂贵的干蚀刻设备来去除残胶，而且在热压印过程中，有机玻璃（Polymethyl Methacrylate,PMMA）的胶体需要加热到100℃以上，这对于一般的基底材料没有问题，可是对于透明塑料薄膜而言基本上是不能抵抗高达100℃的温度的。由此就出现了一种酸性聚合物类的抗蚀胶。这种抗蚀胶的抗反应离子束刻蚀的功能非常卓越，并且流动性好，玻璃化温度很低就只有43℃，适用于柔性基底材料的压印。
1.2.3 传统纳米压印工艺
自1995年纳米压印光刻技术被提出以来，由于它的低成本，高效率等优势，一直受到广泛的关注和研究。它不但可以大面积的制备超高精度的图形，同时还具有可重复性，它的应用领域广泛，应用形式多变。
（1）热压印工艺（Hot Embossing nanoimprint lithography,HENIL）。
热压印工艺只需要一个模具，成本低，就可以将完全相同的结构按照要求复制到大的表面上，简单方便。总体来说，热压印工艺过程有三步[2]。首先是制备压印模板，比较简单。一般采用SiO2、SiC等硬度大、热膨胀系数低的材料制作。然后是压印，这是最关键的。第一步涂膜加温。利用旋涂的方式，在用来制备纳米级图形的基底上涂上一层聚合物薄膜，一般选用有机玻璃（PMMA），然后加热聚合物薄膜到其玻璃化温度以上。但是注意温度不能过高，否则只会增加模压周期，对模压结构没有多大的影响，反而会使聚合物弯曲使得模具受损。然后加压。加500kPa至1000kPa之间的压力于模板上，保持一断时间。聚合物受到来自制备有纳米级图形的模板的压力后，此时液态的光刻胶流动进模具图形中的空隙之中，并将其填满。但是注意压力不能太小，否则薄膜不能完全填充空隙[3]，这样热压印就会失败。第三步固化。在模压过程结束后，降低整个叠层的温度至聚合物玻璃化温度之下。第四步脱模。这部分尤其小心，此时应注意防止用力过大，使模具受到损伤。然后用干蚀刻设备去除残留的聚合物层。最后图案转移。可以有两种方法进行图案转移，一种是刻蚀技术，以聚合物为掩膜，选择性的刻蚀聚合物的下层，从而得到图形。另一种是剥离技术，对于这种技术，一般采用镀金的工艺。
需要注意的是，空气气泡对转移图案的质量的影响是不能忽略的，所以为了减小这种影响，整个工艺都要求在小于1Pa的真空环境中进行。热压印的套准精度比较好。这种方法可以达到的最小尺寸为5纳米，因此转移的图案是高分辨率、高深宽比的结构。多次压印的效果也比较好。并且可以进行多层压印。但是，热压印工艺的缺点是高温高压。为了能改进高温问题，研究员们就提出了一种方法：利用超声波。在频率为27KHz超声波的加热下，光刻胶直接到达了它的玻璃化温度。相应的，利用气体辅助纳米压印技术就能改进高压问题。压印前，先将模板和基底对准后固定，并放入真空腔体内，然后向真空腔体内注入惰性气体。之后利用惰性气体施压，而压力的大小就由进气量的多少来控制。这种方式的好处在于：首先是利用气体施压，这种施压方式压力均匀，压力的大小可以自由控制。这就避免了在机械施压过程中自由度的调节问题。其次，压印完成后，在真空环境中，可以顺利地排出光刻胶中的气体气泡，减小了气泡对图形质量的影响。如图1.1所示。
版权保护: 本文由 hbsrm.com编辑，转载请保留链接: www.hbsrm.com/dzxx/dzkxyjs/1755.html
