高深宽比印章纳米压印情形下印章应力分析
纳米压印技术是一种图形复制技术，它突破了传统的光刻技术，并可能应用于今后的光刻技术。它的特点是成本低、分辨率高和产量高。高深宽比印章可以实现三维结构，具有广泛的应用前途。本文介绍了纳米压印的几种典型技术和制造过程，讨论了ANSYS及其涉及到的有限元分析。借助ANSYS软件利用有限元分析进行高深宽比纳米压印情形下印章应力分析。本文选取4:1、5:1、6:1、7:1四个比例，从以下三个方面进行研究并且得出结论：⑴相同高深宽比，不同位置的点：在同一水平方向上，靠近中间的点的应力较大。另外，左右对称的点的应力变化一致。在同一竖直方向上，靠近印章两边的不同位置的点的应力大致相同。而在印章中间，靠近下方的点的应力较大。在印章凸起处的位置不同的点的应力基本相同，压强约为1.2×1010Pa。⑵不同高深宽比，相同位置的点：改变印章的高深宽比对印章的应力变化基本没有影响。⑶施加不同压强，相同高深宽比，相同位置的点。当施加的压强从5×108Pa增大到1×108Pa时，点的压强也从3.2×109Pa增大到5.2×109Pa。⑷当改变印章材料时：选择Ni对印章的应力变化走势基本没有影响。在现实中进行试验时，需要的资源成本非常高，而利用ANSYS软件进行高深宽比印章情形下纳米压印的仿真，减少了很多成本和时间。更重要的是，在现实中对印章任意点的应力分析就目前来说是有一定困难的。选择使用ANSYS则很容易得到任意点的应力变化图以及其它的一些分析，达到设计目的。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2纳米压印的现状 1
1.3有限元分析 2
1.4 ANSYS 3
1.5 论文结构安排 5
第2章纳米压印技术 7
2.1 热压印 7
2.2 紫外固化压印 9
2.3微接触印刷 10
2.4本章小结 11
第3章 高深宽比印章纳米压印软件仿真 12
3.1定义工作名和工作标题 12
3.2 建模 12
3.3网格划分 14
3.4接触面设置 18
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.5施加载荷 19
3.6 设置求解参数 19
3.7 结果后处理 22
3.8本章小结 24
第4章 ANSYS仿真应力结果分析 25
4.1同一深宽比，不同位置的点 25
4.2 不同高深宽比，相同位置的点 30
4.3同一高深宽比，相同位置的点，施加不同力 36
4.4Ni材料 38
4.5结论 40
4.6本章小结 41
第5章 总结与展望 42
5.1 总结 42
5.2 纳米压印技术所面临的挑战 42
5.2展望 44
参考文献 47
附录 49
原文 49
翻译 56
第1章 绪论
1.1课题背景及意义
因为集成电路成本低，方便人们大规模生产，同时具有体积小、重量轻、可靠性高等优势，已经被广泛应用在生活中的各行各业。而光刻在集成电路工艺流程中可以说是其核心步骤，它是一个非常复杂的过程，也成为许多其他工艺的影响因素。传统的光刻技术即将到达物理极限，而纳米压印技术是直接构造纳米级尺寸图案，不需要利用电子和光子，因此可以不被光子和电子限制。除此之外，纳米压印技术需要的设备简单，模板能够循环使用，所用的成本较低。这些优点使得这项技术成为当今的一项主流技术。纳米压印技术一开始是由美国普林斯顿大学周郁等提出的[1]，而三种普遍的纳米压印技术是热压印、紫外固化压印和微接触印刷。利用ANSYS软件进行高深宽比印章情形下纳米压印的仿真，既减少了很多成本，又节省了许多人力、物力。更重要的是，在现实中进行实验操作有很多不便之处，特别是对任意点的应力分析就目前来说是有一定困难的。而使用ANSYS则很容易得到任意点的应力变化图以及其它的一些分析，从而得到结论。
1.2纳米压印的现状
纳米压印这项技术的加工尺度突破了传统的光刻工艺尺度，作为纳米制造的新技术，它本身具有很大的发展和应用潜力。因此，现在有许多国家都在关注它，并且有很多工作人员都致力于研究开发纳米压印技术中。在国外，许多世界知名大学和机构都在研究纳米压印技术，例如美国哈佛大学、林肯实验室、惠普公司等等。现在，全世界一共有五家公司提供纳米压印光刻设备，分别是美国的MolecularImprintsInc、NanonexCorp，奥地利的EVGroup，瑞典的ObducatAB和德国的SussMicrotecCo．Inc[2]。在国内，也有相关领域的人员在从事纳米压印的研究，例如中科院光电所和物理所等。纳米压印技术虽然在中国起步较晚，但仍然取得了很多成果，尤其在形成机理和装备集成等方面，目前的主要研究问题是制造高分辨率压印模板、增长模板寿命等核心问题。现阶段，国内已经有许多研究单位投身于纳米压印技术。例如西安交通大学、复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、上海交通大学、苏州大学和中科院等主要单位[3]。
在纳米压印技术中，最早开发应用的是热压印技术，也是当今的主流技术。
从综合方面考虑，当前最好的纳米压印技术是紫外固化压印。因为它需要的条件简单，加工精度高、效率高。而步进闪光压印是紫外压印一个最新的改进技术，当工艺和工具成本明显降低时，与光学光刻相比，它仍然可以在工具寿命、模具成本、模具寿命、工艺良率等方面达到一样甚至更好。另外，它还将成为未来在纳米压印技术的一个重要发展方向。微接触印刷快速、廉价，并且适合各种不同表面，成本低。这三种纳米压印技术各有各自的优势，应用的前景和领域也各不相同。
1.3有限元分析
有限元分析是通过数学近似的方法模拟实际的物理系统，并且通过简单且相互作用的元素即单元，这样能够用有限的未知量去逼近无限的未知量的真实系统。有限元分析是将比较复杂的问题用比较简单的问题代替后求解，它把求解域当做是由许多有限元的小互连子域组成，给每一个单元假设一个合适的近似解，然后推导出这个求解域的所有满足条件，由此得到问题的解。利用有限元法来求解问题的主要步骤通常分为六步：
第一步是问题和求解域定义，就是根据实际情况大概地确定求解域的物理性质及几何区域。
第二步是求解域离散化，就是把求解域分成有不同有限大小和形状并且相互连接的有限个单元所构成的离散域，通常称之为有限元网络划分。
第三步是确定状态变量和控制方法，就是指一个具体的物理问题常常通过一组微分方程来表示，而方程需要包括问题的状态变量和边界条件。
第四步是单元推导，就是给单元假设一个适合的近似解，也就是推导有限单元的列式。为了避免问题求解的结果不收敛，在单元推导的时候必须遵循许多原则。
第五步是总装求解，即使单元总装形成离散域的总矩阵方程，来反映出离散域对近似求解域需要满足的要求。
第六步是联立方程组求解及结果解释，即有限元法最后会得到联立方程组。而联立方程组可以用直接法、随机法或迭代法求解。最后将计算结果和设计准则提供的允许值进行比较来评价好坏并且确定是否需要再重复计算。
总之，有限元分析由前置处理、计算求解还有后置处理三个阶段组成。前置处理是指先创建有限元模型，然后进行单元划分网格；后置处理是用来采集和处理分析结果，便于用户提取信息，并且查看计算结果。
1.4 ANSYS
ANSYS软件是一种大型的有限元分析软件，它被广泛用于各个工程领域。因为工程中的许多结构几何外形复杂，所承受的载荷也比较多，常常通过理论分析进行求解时无法进行，而通过ANSYS软件获得数值解是很好的办法。ANSYS主要是分析实际结构受到外载荷作用后出现的位移、应力和应变等变化。ANSYS软件的第一个版本只提供了热分析和线性结构分析功能，只是一个批处理程序，并且只能在大型计算机上面运行[4]。经过这么多年的升级完善，现在的ANSYS软件功能强大，使用便利。ANSYS分析模型工具容易使用、支持各种工作平台、并且在异种异构的平台上百分百兼容数据、提供多种耦合的分析功能[5]。ANSYS主要由前处理器、求解器、后处理器三个部分构成。
目录
摘要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题背景及意义 1
1.2纳米压印的现状 1
1.3有限元分析 2
1.4 ANSYS 3
1.5 论文结构安排 5
第2章纳米压印技术 7
2.1 热压印 7
2.2 紫外固化压印 9
2.3微接触印刷 10
2.4本章小结 11
第3章 高深宽比印章纳米压印软件仿真 12
3.1定义工作名和工作标题 12
3.2 建模 12
3.3网格划分 14
3.4接触面设置 18
3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
.5施加载荷 19
3.6 设置求解参数 19
3.7 结果后处理 22
3.8本章小结 24
第4章 ANSYS仿真应力结果分析 25
4.1同一深宽比，不同位置的点 25
4.2 不同高深宽比，相同位置的点 30
4.3同一高深宽比，相同位置的点，施加不同力 36
4.4Ni材料 38
4.5结论 40
4.6本章小结 41
第5章 总结与展望 42
5.1 总结 42
5.2 纳米压印技术所面临的挑战 42
5.2展望 44
参考文献 47
附录 49
原文 49
翻译 56
第1章 绪论
1.1课题背景及意义
因为集成电路成本低，方便人们大规模生产，同时具有体积小、重量轻、可靠性高等优势，已经被广泛应用在生活中的各行各业。而光刻在集成电路工艺流程中可以说是其核心步骤，它是一个非常复杂的过程，也成为许多其他工艺的影响因素。传统的光刻技术即将到达物理极限，而纳米压印技术是直接构造纳米级尺寸图案，不需要利用电子和光子，因此可以不被光子和电子限制。除此之外，纳米压印技术需要的设备简单，模板能够循环使用，所用的成本较低。这些优点使得这项技术成为当今的一项主流技术。纳米压印技术一开始是由美国普林斯顿大学周郁等提出的[1]，而三种普遍的纳米压印技术是热压印、紫外固化压印和微接触印刷。利用ANSYS软件进行高深宽比印章情形下纳米压印的仿真，既减少了很多成本，又节省了许多人力、物力。更重要的是，在现实中进行实验操作有很多不便之处，特别是对任意点的应力分析就目前来说是有一定困难的。而使用ANSYS则很容易得到任意点的应力变化图以及其它的一些分析，从而得到结论。
1.2纳米压印的现状
纳米压印这项技术的加工尺度突破了传统的光刻工艺尺度，作为纳米制造的新技术，它本身具有很大的发展和应用潜力。因此，现在有许多国家都在关注它，并且有很多工作人员都致力于研究开发纳米压印技术中。在国外，许多世界知名大学和机构都在研究纳米压印技术，例如美国哈佛大学、林肯实验室、惠普公司等等。现在，全世界一共有五家公司提供纳米压印光刻设备，分别是美国的MolecularImprintsInc、NanonexCorp，奥地利的EVGroup，瑞典的ObducatAB和德国的SussMicrotecCo．Inc[2]。在国内，也有相关领域的人员在从事纳米压印的研究，例如中科院光电所和物理所等。纳米压印技术虽然在中国起步较晚，但仍然取得了很多成果，尤其在形成机理和装备集成等方面，目前的主要研究问题是制造高分辨率压印模板、增长模板寿命等核心问题。现阶段，国内已经有许多研究单位投身于纳米压印技术。例如西安交通大学、复旦大学、北京大学、南京大学、吉林大学、上海交通大学、苏州大学和中科院等主要单位[3]。
在纳米压印技术中，最早开发应用的是热压印技术，也是当今的主流技术。
从综合方面考虑，当前最好的纳米压印技术是紫外固化压印。因为它需要的条件简单，加工精度高、效率高。而步进闪光压印是紫外压印一个最新的改进技术，当工艺和工具成本明显降低时，与光学光刻相比，它仍然可以在工具寿命、模具成本、模具寿命、工艺良率等方面达到一样甚至更好。另外，它还将成为未来在纳米压印技术的一个重要发展方向。微接触印刷快速、廉价，并且适合各种不同表面，成本低。这三种纳米压印技术各有各自的优势，应用的前景和领域也各不相同。
1.3有限元分析
有限元分析是通过数学近似的方法模拟实际的物理系统，并且通过简单且相互作用的元素即单元，这样能够用有限的未知量去逼近无限的未知量的真实系统。有限元分析是将比较复杂的问题用比较简单的问题代替后求解，它把求解域当做是由许多有限元的小互连子域组成，给每一个单元假设一个合适的近似解，然后推导出这个求解域的所有满足条件，由此得到问题的解。利用有限元法来求解问题的主要步骤通常分为六步：
第一步是问题和求解域定义，就是根据实际情况大概地确定求解域的物理性质及几何区域。
第二步是求解域离散化，就是把求解域分成有不同有限大小和形状并且相互连接的有限个单元所构成的离散域，通常称之为有限元网络划分。
第三步是确定状态变量和控制方法，就是指一个具体的物理问题常常通过一组微分方程来表示，而方程需要包括问题的状态变量和边界条件。
第四步是单元推导，就是给单元假设一个适合的近似解，也就是推导有限单元的列式。为了避免问题求解的结果不收敛，在单元推导的时候必须遵循许多原则。
第五步是总装求解，即使单元总装形成离散域的总矩阵方程，来反映出离散域对近似求解域需要满足的要求。
第六步是联立方程组求解及结果解释，即有限元法最后会得到联立方程组。而联立方程组可以用直接法、随机法或迭代法求解。最后将计算结果和设计准则提供的允许值进行比较来评价好坏并且确定是否需要再重复计算。
总之，有限元分析由前置处理、计算求解还有后置处理三个阶段组成。前置处理是指先创建有限元模型，然后进行单元划分网格；后置处理是用来采集和处理分析结果，便于用户提取信息，并且查看计算结果。
1.4 ANSYS
ANSYS软件是一种大型的有限元分析软件，它被广泛用于各个工程领域。因为工程中的许多结构几何外形复杂，所承受的载荷也比较多，常常通过理论分析进行求解时无法进行，而通过ANSYS软件获得数值解是很好的办法。ANSYS主要是分析实际结构受到外载荷作用后出现的位移、应力和应变等变化。ANSYS软件的第一个版本只提供了热分析和线性结构分析功能，只是一个批处理程序，并且只能在大型计算机上面运行[4]。经过这么多年的升级完善，现在的ANSYS软件功能强大，使用便利。ANSYS分析模型工具容易使用、支持各种工作平台、并且在异种异构的平台上百分百兼容数据、提供多种耦合的分析功能[5]。ANSYS主要由前处理器、求解器、后处理器三个部分构成。
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