高深宽比印章纳米压印情形下印章温度分析
摘 要在过去的几十年中，集成电路工艺实现图形转换的主要方法是光学光刻技术。这种技术通过缩短曝光光波波长和增加光学系统数值孔径来提高分辨率，但是就目前而言，其波长与数值孔径已逼近物理极限，想要进行下一步的发展面临着巨大的技术挑战，并且每次提高分辨率后光刻设备的造价就更上一层楼。作为下一代光刻技术的纳米压印光刻技术，其优势在于它同时具备了高分辨率、高效益、低成本三大优点。目前它已经被应用在很多领域，比如微纳米电子、生物科学、医学等。本文主要对高深宽比结构下印章温度进行了分析，确定了印章温度均匀分布的时间以及印章各个部分的温度分布。本文通过改变高深宽比、热约束以及印章材质来对印章温度进行分析。由于印章上纳米凸起不集中，分析发现在高深宽比为3:1、5:1、6:1、7:1、8:1的不同情况下，印章均匀分布温度的时间几乎不发生变化；在温度为383K、393K、403K时，时间随温度的升高而增长，其时间变化在0.02~0.03s之间；当印章材质分别为硅和镍时，热导率高的硅印章均匀分布时间明显小于镍印章。总体来说，印章均匀分布温度的时间基本不随高深宽比的变化而变化，但是热约束和材质的不同必将会引起印章均匀分布温度时间的变化。通过本课题的研究，可以分析高深宽比结构下模具对图形转移的影响、压印时多大的压力能使胶体刚好填充印章图形腔体、模具各个部分所受压力、印章达到均匀分布温度所需的加热时间、印章各个部分的温度、胶体达到均匀分布温度所需的加热时间以及胶体各个部分的温度等。这些通过有限元分析法优化工艺可以大幅度地减少昂贵的胶体使用并减轻对印章造成的损伤，为实验参数的优化提供指导意义。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 压印技术研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 ANSYS有限元分析软件 2
1.3.1 有限元分析简介 2
1.3.2 ANSYS软件介绍 3
1.3.3 ANSYS软件的发展与前景 3
1.4 本文主要研究内容及意义 4
1.5 本文组织结构 4
第二章 纳米压印技术 5
2.1 传统光学光刻技术介绍 5<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 2.1.1 光学光刻技术 5
2.1.2 传统光学光刻工艺流程 5
2.1.3 下一代光刻技术 6
2.2 纳米压印光刻 6
2.2.1 纳米压印光刻技术原理 6
2.2.2 纳米压印技术方法 7
2.2.3 纳米压印光刻发展新进展 11
2.3 本章小结 12
第三章 印章温度分析过程 13
3.1 热分析简介 13
3.2 有限元建模过程 13
3.3 施加载荷并求解 16
3.4 结果显示 17
3.5 本章小结 20
第四章 纳米压印技术下印章温度结果分析 21
4.1不同高深宽比下的温度分析 21
4.1.1 高深宽比为3:1 21
4.1.2 高深宽比为5:1 23
4.1.3 高深宽比为6:1 26
4.1.4 高深宽比为7:1 28
4.1.5 高深宽比为8:1 30
4.1.6 总结分析 32
4.2 温度对时间的影响 32
4.2.1 温度为383K 32
4.2.2 温度为393K 32
4.2.3 温度为403K 34
4.2.4 总结分析 35
4.3 印章材质对时间的影响 35
4.3.1 印章材质为硅 36
4.3.2 印章材质为镍 36
4.3.3 总结分析 37
4.4 本章小结 37
第五章 总结与展望 38
5.1 本文总结 38
5.2 展望 39
参考文献 40
致谢 42
附录 43
附录1 英文文献 43
附录2 中文翻译 52
第一章 绪论
1.1 课题背景
因特尔公司的创始人之一——戈登?摩尔在1965年发表著名的“摩尔定律”，即每隔18~24个月，芯片上晶体管的数目就翻一番[1]。50年多年来，半导体产业的发展规律一直遵循摩尔定律。日前在“周一”采访中，摩尔对该定律的准确性也表示惊讶，这条预言能经受住长达50年的考验也是之前没有预料到的。摩尔表示“如果良好的工程技术能够得到应用，那么摩尔定律仍然能够坚持五到十年的时间。许多人在很多年前就预言过，半导体行业会止步不前。然而，我没有看到其他任何领域能在如此长的时间里保持指数式增长” [2]。
目前来说10nm已经被业界学界公认可以实现，7nm已有一定的技术支撑，但还需要新的技术用以突破[3]。不可否认的是光学光刻技术为摩尔定律的延续发挥了重要的作用，但是为了提高分辨率，该技术一直采取的是减小曝光光束的波长和增大系统数值孔径和现场尺寸[4]，现在这种方法已接近物理极限，尽管研究人员在一些领域有了改进，例如，化学放大深紫外光刻胶、分辨率提高技术（例，相移掩膜和光学邻近修正）、硅片平坦化（化学机械抛光，Chemical Mechanical Polishing，CMP）以减小表面凸凹度、光学光刻设备的先进性等，并研究发现四种光刻技术将可能代替传统光学光刻技术，即极紫外（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）光刻、双重曝光、纳米压印、自组装技术。这些技术能提高图形分辨率。但是有些设备制造复杂，且对环境也有严格的要求，造价也很昂贵。例如在EUV光刻中，由于一般采用穿透式的掩模，所以掩模的制作非常不易，并且如果要制造线宽小于100nm的光学设备，每台造价高达数亿美元。因此现在的传统的光刻技术已经限制了半导体行业的继续发展。为了解决造价昂贵、制造复杂及一系列问题，研究人员开发了纳米压印光刻技术，这种技术大大降低了成本且具备高分辨率和高效益的优点。
1.2 压印技术研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国哈佛大学教授Whiteside于1993年提出用有纳米图形的弹性模具把胶体膜压印到基底上。这就是微接触印刷法。它可用于转移微米甚至纳米级的图形。当制作很多纳米级图形时，由于模具是软的，基底上图案会出现比较大的误差，因此很难大量的转移图形。1995年美国明尼苏达大学纳米结构实验室的华裔教授周郁等人第一次在聚甲基丙烯酸甲酯（Poly Methyl Methacrylate，PMMA）薄膜上压印出直径25nm，节距120nm的点阵列，并且发表了第一篇关于纳米压印光刻技术的文章[5]。
在纳米压印技术提出后的十余年中，吸引了很多机构和公司，他们投入了大量资金对纳米压印的研究进行资助。其中有美国空军科学研究办公室、陆军研究办公室、防卫先进研究计划机构、国家科学基金会、海军研究办公室、惠普公司、IBM公司、Intel公司、McKnight 基金会、Packard 基金会、半导体研究协会以及Tektronix公司等[6]。
欧盟所提出的DONDODEM计划给纳米压印技术提供了很大的支持。该计划形成了一套工业标准和规范，目的是为了让纳米压印技术得到更好的应用[7]。此外，在周郁的研究之后，日本、南韩、德国、新加坡等国的研究者也进行了研究。例如将这种技术使用到特征尺寸小于100nm的场效应管、晶带板、具备柔性的电路板、有机电子装置、密度比较高的存储器等的研究。这些研究可以在室温下用简单的设备进行纳米图案刻蚀，还能直接进行三维加工。这个工作在传统光学光刻技术中需要多次刻蚀才能完成，但压印光刻中只需要一个三维模具就可以完成图形转移[8]。
1.2.2 国内研究现状
在国内，西安交通大学卢秉桓等人在压印光刻方面进行了研究。他们研究的目标是进行高分辨率平面图形结构的构造，采用冷压印工艺，得到亚微米级的图形结构。但是除了纳米压印光刻本身，还要对其材料特性、压力和温度等进行研究，尤其是对其常用胶体材料的力学特性进行研究。另外研究目标不能只是进行平面图形的构造，更要进行三维结构制造，并且要努力克服微制造工艺对微系统功能的诸多限制，使得这项工艺技术能最大程度地发挥它的优势[9]。本文提出的高深宽比结构印章是加工三维结构的重要手段，因此分析温度等相关参数具有研究价值。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 课题背景 1
1.2 压印技术研究现状 1
1.2.1 国外研究现状 1
1.2.2 国内研究现状 2
1.3 ANSYS有限元分析软件 2
1.3.1 有限元分析简介 2
1.3.2 ANSYS软件介绍 3
1.3.3 ANSYS软件的发展与前景 3
1.4 本文主要研究内容及意义 4
1.5 本文组织结构 4
第二章 纳米压印技术 5
2.1 传统光学光刻技术介绍 5<
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
br /> 2.1.1 光学光刻技术 5
2.1.2 传统光学光刻工艺流程 5
2.1.3 下一代光刻技术 6
2.2 纳米压印光刻 6
2.2.1 纳米压印光刻技术原理 6
2.2.2 纳米压印技术方法 7
2.2.3 纳米压印光刻发展新进展 11
2.3 本章小结 12
第三章 印章温度分析过程 13
3.1 热分析简介 13
3.2 有限元建模过程 13
3.3 施加载荷并求解 16
3.4 结果显示 17
3.5 本章小结 20
第四章 纳米压印技术下印章温度结果分析 21
4.1不同高深宽比下的温度分析 21
4.1.1 高深宽比为3:1 21
4.1.2 高深宽比为5:1 23
4.1.3 高深宽比为6:1 26
4.1.4 高深宽比为7:1 28
4.1.5 高深宽比为8:1 30
4.1.6 总结分析 32
4.2 温度对时间的影响 32
4.2.1 温度为383K 32
4.2.2 温度为393K 32
4.2.3 温度为403K 34
4.2.4 总结分析 35
4.3 印章材质对时间的影响 35
4.3.1 印章材质为硅 36
4.3.2 印章材质为镍 36
4.3.3 总结分析 37
4.4 本章小结 37
第五章 总结与展望 38
5.1 本文总结 38
5.2 展望 39
参考文献 40
致谢 42
附录 43
附录1 英文文献 43
附录2 中文翻译 52
第一章 绪论
1.1 课题背景
因特尔公司的创始人之一——戈登?摩尔在1965年发表著名的“摩尔定律”，即每隔18~24个月，芯片上晶体管的数目就翻一番[1]。50年多年来，半导体产业的发展规律一直遵循摩尔定律。日前在“周一”采访中，摩尔对该定律的准确性也表示惊讶，这条预言能经受住长达50年的考验也是之前没有预料到的。摩尔表示“如果良好的工程技术能够得到应用，那么摩尔定律仍然能够坚持五到十年的时间。许多人在很多年前就预言过，半导体行业会止步不前。然而，我没有看到其他任何领域能在如此长的时间里保持指数式增长” [2]。
目前来说10nm已经被业界学界公认可以实现，7nm已有一定的技术支撑，但还需要新的技术用以突破[3]。不可否认的是光学光刻技术为摩尔定律的延续发挥了重要的作用，但是为了提高分辨率，该技术一直采取的是减小曝光光束的波长和增大系统数值孔径和现场尺寸[4]，现在这种方法已接近物理极限，尽管研究人员在一些领域有了改进，例如，化学放大深紫外光刻胶、分辨率提高技术（例，相移掩膜和光学邻近修正）、硅片平坦化（化学机械抛光，Chemical Mechanical Polishing，CMP）以减小表面凸凹度、光学光刻设备的先进性等，并研究发现四种光刻技术将可能代替传统光学光刻技术，即极紫外（Extreme Ultraviolet Lithography，EUV）光刻、双重曝光、纳米压印、自组装技术。这些技术能提高图形分辨率。但是有些设备制造复杂，且对环境也有严格的要求，造价也很昂贵。例如在EUV光刻中，由于一般采用穿透式的掩模，所以掩模的制作非常不易，并且如果要制造线宽小于100nm的光学设备，每台造价高达数亿美元。因此现在的传统的光刻技术已经限制了半导体行业的继续发展。为了解决造价昂贵、制造复杂及一系列问题，研究人员开发了纳米压印光刻技术，这种技术大大降低了成本且具备高分辨率和高效益的优点。
1.2 压印技术研究现状
1.2.1 国外研究现状
美国哈佛大学教授Whiteside于1993年提出用有纳米图形的弹性模具把胶体膜压印到基底上。这就是微接触印刷法。它可用于转移微米甚至纳米级的图形。当制作很多纳米级图形时，由于模具是软的，基底上图案会出现比较大的误差，因此很难大量的转移图形。1995年美国明尼苏达大学纳米结构实验室的华裔教授周郁等人第一次在聚甲基丙烯酸甲酯（Poly Methyl Methacrylate，PMMA）薄膜上压印出直径25nm，节距120nm的点阵列，并且发表了第一篇关于纳米压印光刻技术的文章[5]。
在纳米压印技术提出后的十余年中，吸引了很多机构和公司，他们投入了大量资金对纳米压印的研究进行资助。其中有美国空军科学研究办公室、陆军研究办公室、防卫先进研究计划机构、国家科学基金会、海军研究办公室、惠普公司、IBM公司、Intel公司、McKnight 基金会、Packard 基金会、半导体研究协会以及Tektronix公司等[6]。
欧盟所提出的DONDODEM计划给纳米压印技术提供了很大的支持。该计划形成了一套工业标准和规范，目的是为了让纳米压印技术得到更好的应用[7]。此外，在周郁的研究之后，日本、南韩、德国、新加坡等国的研究者也进行了研究。例如将这种技术使用到特征尺寸小于100nm的场效应管、晶带板、具备柔性的电路板、有机电子装置、密度比较高的存储器等的研究。这些研究可以在室温下用简单的设备进行纳米图案刻蚀，还能直接进行三维加工。这个工作在传统光学光刻技术中需要多次刻蚀才能完成，但压印光刻中只需要一个三维模具就可以完成图形转移[8]。
1.2.2 国内研究现状
在国内，西安交通大学卢秉桓等人在压印光刻方面进行了研究。他们研究的目标是进行高分辨率平面图形结构的构造，采用冷压印工艺，得到亚微米级的图形结构。但是除了纳米压印光刻本身，还要对其材料特性、压力和温度等进行研究，尤其是对其常用胶体材料的力学特性进行研究。另外研究目标不能只是进行平面图形的构造，更要进行三维结构制造，并且要努力克服微制造工艺对微系统功能的诸多限制，使得这项工艺技术能最大程度地发挥它的优势[9]。本文提出的高深宽比结构印章是加工三维结构的重要手段，因此分析温度等相关参数具有研究价值。
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