纳米压印情形下胶体温度分析
摘 要纳米压印技术被称为下一代光刻技术，具有高分辨率、高产量和低成本等优点。其中热压印的条件通常是高温高压，这样在无形中增加了工艺周期。为了优化工艺，本文模拟时采用低玻璃化温度的聚对苯二甲酸乙二醇酯（polyethylene terephthalate，PET）胶体，其玻璃化温度在350k左右，可以在低温下实现微纳米图案的转移。论文通过软件ANSYS12.0建立印章和胶体的二维模型，分别通过改变印章的材料如硅、镍、二氧化硅；改变施加外界温度，如353k、358k、363k、373k；改变印章的厚度，如5mm、5.5mm、6mm；而保持其它参数不变来分析印章整体的升温变化和部分节点的升温变化。得出如下结论：1.印章同一行的节点的升温趋势相似，所以整体图的时候会出现分层升温的现象，但具体来说的话越是靠近印章内部的节点越是温度偏低一点。2.在印章的同一列方向，越是靠近施加温度边界的节点温度上升越快；越是远离施加温度边界的节点温度上升的幅度就越小。3.不同材料的印章所需要达到均匀温度的时间是不同的，越是比热容高、热导率高的物体，加热到相同温度的时间越短。4.印章厚度的增加越多，所需要达到均匀温度的时间越长。施加的外部温度越高，所需要达到均匀温度的时间越长。 通过分析可以为以后的实验提供参数来优化工艺，一方面可以更进一步的了解印章整体的升温过程，从而指导今后的印章设计工作；另一方面也可以了解不同节点不同的变化过程，解决实际操作中不可能完成的分析。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2纳米压印的重要工艺技术 2
1.2.1材料的性质 2
1.2.2模板的制造 2
1.2.3压印的过程 2
1.3 纳米压印技术的应用 2
1.3.1数据存储器 2
1.3.2光学 3
1.3.3仿生应用 3
1.3.4生物医学应用 3
1.4 纳米压印国内外研究现状 3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1.5 纳米压印面临的挑战 4
1.6 本论文的选题背景 5
1.7 本论文的研究内容和意义 5
1.8 本论文的结构安排 6
第2章 简化模型分析的有限元基础
2.1 有限元的基本概念 8
2.2有限元的提出和发展 9
2.3有限元法的特点 9
2.4 有限元的基本步骤 10
2.5 本章小结 10
第3章 低温纳米压印模型的建立和仿真
3.1 ANSYS软件简介 12
3.1.1 ANSYS的 分析功能 12
3.1.2 ANSYS的技术特点 12
3.1.3 ANSYS一般分析步骤 13
3.2纳米压印二维模型的建立 13
3.2.1 Preprocessor(前处理部分) 13
3.2.2 Solution(求解计算部分) 17
3.2.3 General Postproc(后处理部分) 19
3.2.4 TimeHist Postpro（时间历程后处理器） 22
3.3 本章小结 24
第4章 低温纳米压印情形下印章温度分析 25
4.1 材料变化分析
4.1.1 印章材料为硅
4.1.2 印章材料为镍
4.1.3 印章材料为二氧化硅
4.2 加热温度变化分析
4.2.1 加热温度为353k
4.2.2 加热温度为358k
4.2.3 加热温度为363k
4.2.4 加热温度为373k
4.3印章厚度变化分析
4.3.1印章厚度为5mm
4.3.2印章厚度为5.5mm
4.3.3 印章厚度为6mm
4.3.4 印章不同厚度同一时间对比分析
4.4 本章小结
第5章 总结与展望 50
5.1全文总结
5.2今后工作展望
参考文献 52
致谢 55
附录 英文文献及翻译 56
第1章 绪论
1.1引言
随着因特网，智能手机的发展，我们的生活进入了信息化的时代。而这日新月异的变化很大程度上来源于集成电路的发展。自从1958年第一块集成电路被发明出来后，电子产品就以高频率的速度不断更新换代，而我们的生活也因此受到了深远的影响。
目前，集成电路的发展已经成为了推动国民经济发展和产业结构调整的动力之一，其重要性不断突显出来。而纳米技术作为集成电路中一个重要的分支，被称为是21世纪的三大技术产业之一，在信息、电子、电器、能源等领域显示出重要的研究价值和广阔的应用空间，引起了全世界的广泛关注。在这样的背景下，戈登摩尔于1965年提出了著名的摩尔定律。具体阐述为，在价格不变的情况下，相同面积的集成电路可容纳的晶体管数目，每18个月便会增加一倍，性能也会提升一倍[1]。在之后的很多年中，集成电路就一直按着摩尔的预言发展着。在上世纪80年代的时候，集成电路的互连线宽的尺寸已经和人的头发粗细差不多，而到2015年，16nm的工艺线也有可能得到量产，其线宽尺寸的发展已远远超过人们的肉眼识别范围。
在微电子产业中，之前一直都是由光学光刻技术占领产业的主导地位，但随着集成度的不断提升，尺寸结构的不断缩小，传统的光刻技术已经不能满足产业的需求。在这样的背景下，下一代光刻技术应运而生，出现了包括电子束刻蚀[2.3]、X射线光刻[4.5]、极紫外光刻[6.7]等技术。其中电子束刻蚀发展最为成熟，可以构造分辨率甚至达到8nm的图案[8]。美国普林斯顿大学的周郁教授在1995年首先提出了关于纳米压印[911]的概念。
纳米压印，简而言之就是将纳米结构的模板印章放在聚合物膜的表面，通过施加一定的温度和压力，使聚合物逐渐填满纳米结构的空腔，等到聚合物固化定型后，将模板和聚合物分离，最后得到纳米结构的转移。与传统光刻技术不同在于，纳米压印技术下模板结构的转移完全不受波长的影响，结构尺寸仅由模板尺寸决定。因此，拥有了高分辨率、低成本[12]的优点，显示出了超强的竞争力和广泛的应用范围。
1.2纳米压印的重要工艺技术
1.2.1材料的性质
热压印过程中,要想光刻胶材料能具有流动性，就必须将加热温度升高到光刻胶材料的玻璃化温度之上，这样才能填充满印章的空隙。但是在压印的过程中可能会出现因为压力大小时间控制不好而导致的印章材料和衬底的热错位问题。因此在选用材料的时候我们必须采用热膨胀系数小的而热导率较好的印章，因为，热膨胀系数小了就能有效避免压印图案的变形；而热导率较好就能在加热的时候更快的到达均匀温度，在散热的时候更快的将能量散去。
1.2.2模板的制造
一般的模板印章材料有镍、硅、二氧化硅和石英玻璃等。印章一般采用光学或者是电子束光刻技术进行制造，印章的制作和图案的刻蚀是影响压印效果至关重要的因素之一。热压印通常施加的加热温度需要在胶体的玻璃化温度之上再加70℃，所以通常情况下需要高温高压的条件。因此这就给的硬度提出了一定的要求，否则在会在压力下形变，导致压印图案的不清晰。
1.2.3压印的过程
压印的过程主要包括用电子束扫描进行光刻模板的处理、施加加热温度，压力、压印的保持时间和脱模。其中脱模过程是在压印中需要密切注意的一个步骤。在脱模的过程中如果对模板处理不当,就有可能使得模板沾上光刻胶而影响模板的下次使用；而如果能够完全脱模的话，不但可以将模板上的图形转移到衬底薄膜上去，而且可以使得模板重复使用，降低成本。因此应对模板进行表面处理，以提高图案转移的质量，从而延长模板的使用时间。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1引言 1
1.2纳米压印的重要工艺技术 2
1.2.1材料的性质 2
1.2.2模板的制造 2
1.2.3压印的过程 2
1.3 纳米压印技术的应用 2
1.3.1数据存储器 2
1.3.2光学 3
1.3.3仿生应用 3
1.3.4生物医学应用 3
1.4 纳米压印国内外研究现状 3
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^3^5^1^9^1^6^0^7^2^*
1.5 纳米压印面临的挑战 4
1.6 本论文的选题背景 5
1.7 本论文的研究内容和意义 5
1.8 本论文的结构安排 6
第2章 简化模型分析的有限元基础
2.1 有限元的基本概念 8
2.2有限元的提出和发展 9
2.3有限元法的特点 9
2.4 有限元的基本步骤 10
2.5 本章小结 10
第3章 低温纳米压印模型的建立和仿真
3.1 ANSYS软件简介 12
3.1.1 ANSYS的 分析功能 12
3.1.2 ANSYS的技术特点 12
3.1.3 ANSYS一般分析步骤 13
3.2纳米压印二维模型的建立 13
3.2.1 Preprocessor(前处理部分) 13
3.2.2 Solution(求解计算部分) 17
3.2.3 General Postproc(后处理部分) 19
3.2.4 TimeHist Postpro（时间历程后处理器） 22
3.3 本章小结 24
第4章 低温纳米压印情形下印章温度分析 25
4.1 材料变化分析
4.1.1 印章材料为硅
4.1.2 印章材料为镍
4.1.3 印章材料为二氧化硅
4.2 加热温度变化分析
4.2.1 加热温度为353k
4.2.2 加热温度为358k
4.2.3 加热温度为363k
4.2.4 加热温度为373k
4.3印章厚度变化分析
4.3.1印章厚度为5mm
4.3.2印章厚度为5.5mm
4.3.3 印章厚度为6mm
4.3.4 印章不同厚度同一时间对比分析
4.4 本章小结
第5章 总结与展望 50
5.1全文总结
5.2今后工作展望
参考文献 52
致谢 55
附录 英文文献及翻译 56
第1章 绪论
1.1引言
随着因特网，智能手机的发展，我们的生活进入了信息化的时代。而这日新月异的变化很大程度上来源于集成电路的发展。自从1958年第一块集成电路被发明出来后，电子产品就以高频率的速度不断更新换代，而我们的生活也因此受到了深远的影响。
目前，集成电路的发展已经成为了推动国民经济发展和产业结构调整的动力之一，其重要性不断突显出来。而纳米技术作为集成电路中一个重要的分支，被称为是21世纪的三大技术产业之一，在信息、电子、电器、能源等领域显示出重要的研究价值和广阔的应用空间，引起了全世界的广泛关注。在这样的背景下，戈登摩尔于1965年提出了著名的摩尔定律。具体阐述为，在价格不变的情况下，相同面积的集成电路可容纳的晶体管数目，每18个月便会增加一倍，性能也会提升一倍[1]。在之后的很多年中，集成电路就一直按着摩尔的预言发展着。在上世纪80年代的时候，集成电路的互连线宽的尺寸已经和人的头发粗细差不多，而到2015年，16nm的工艺线也有可能得到量产，其线宽尺寸的发展已远远超过人们的肉眼识别范围。
在微电子产业中，之前一直都是由光学光刻技术占领产业的主导地位，但随着集成度的不断提升，尺寸结构的不断缩小，传统的光刻技术已经不能满足产业的需求。在这样的背景下，下一代光刻技术应运而生，出现了包括电子束刻蚀[2.3]、X射线光刻[4.5]、极紫外光刻[6.7]等技术。其中电子束刻蚀发展最为成熟，可以构造分辨率甚至达到8nm的图案[8]。美国普林斯顿大学的周郁教授在1995年首先提出了关于纳米压印[911]的概念。
纳米压印，简而言之就是将纳米结构的模板印章放在聚合物膜的表面，通过施加一定的温度和压力，使聚合物逐渐填满纳米结构的空腔，等到聚合物固化定型后，将模板和聚合物分离，最后得到纳米结构的转移。与传统光刻技术不同在于，纳米压印技术下模板结构的转移完全不受波长的影响，结构尺寸仅由模板尺寸决定。因此，拥有了高分辨率、低成本[12]的优点，显示出了超强的竞争力和广泛的应用范围。
1.2纳米压印的重要工艺技术
1.2.1材料的性质
热压印过程中,要想光刻胶材料能具有流动性，就必须将加热温度升高到光刻胶材料的玻璃化温度之上，这样才能填充满印章的空隙。但是在压印的过程中可能会出现因为压力大小时间控制不好而导致的印章材料和衬底的热错位问题。因此在选用材料的时候我们必须采用热膨胀系数小的而热导率较好的印章，因为，热膨胀系数小了就能有效避免压印图案的变形；而热导率较好就能在加热的时候更快的到达均匀温度，在散热的时候更快的将能量散去。
1.2.2模板的制造
一般的模板印章材料有镍、硅、二氧化硅和石英玻璃等。印章一般采用光学或者是电子束光刻技术进行制造，印章的制作和图案的刻蚀是影响压印效果至关重要的因素之一。热压印通常施加的加热温度需要在胶体的玻璃化温度之上再加70℃，所以通常情况下需要高温高压的条件。因此这就给的硬度提出了一定的要求，否则在会在压力下形变，导致压印图案的不清晰。
1.2.3压印的过程
压印的过程主要包括用电子束扫描进行光刻模板的处理、施加加热温度，压力、压印的保持时间和脱模。其中脱模过程是在压印中需要密切注意的一个步骤。在脱模的过程中如果对模板处理不当,就有可能使得模板沾上光刻胶而影响模板的下次使用；而如果能够完全脱模的话，不但可以将模板上的图形转移到衬底薄膜上去，而且可以使得模板重复使用，降低成本。因此应对模板进行表面处理，以提高图案转移的质量，从而延长模板的使用时间。
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