微壓印過程中抗蝕劑流動分析

溫聚英 魏正英 熊孝東 杜 軍 盧秉恒

西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,710049

0 引言

微壓印過程就是將預(yù)先制備好的帶有微結(jié)構(gòu)圖型的模具壓入低黏度抗蝕劑薄膜,抗蝕劑在壓力作用下填入模具圖型的凹槽中,抗蝕劑減薄并固化,從而實(shí)現(xiàn)印模圖型轉(zhuǎn)移的過程。微壓印的最終成形質(zhì)量主要取決于壓印中抗蝕劑的微流動和其在軟模具中的填充效果,為了提高壓印精度,必須對抗蝕劑在軟模具中的流動機(jī)理進(jìn)行研究[1]。

一些研究人員通過模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對微壓印后抗蝕劑的填充形狀進(jìn)行了研究,Rowland等[2-3]對熱壓印過程中微米尺度抗蝕劑形貌特征進(jìn)行了分析,總結(jié)出了出現(xiàn)單雙峰模式轉(zhuǎn)換的工藝條件。Heyderman等[4]、Juang等[5]對熱壓印過程采用流變學(xué)和有限元仿真方法,研究等溫和非等溫壓印條件下抗蝕劑出現(xiàn)單雙峰填充形貌的條件,并得出一個(gè)簡單的二維抗蝕劑填充時(shí)間公式。Lin等[6]采用黏彈性模型分析了熱壓印過程中的壓力分布,并進(jìn)一步探討了壓印力對抗蝕劑冷卻收縮的影響。Young等[7]采用黏性模型對聚苯乙烯薄膜進(jìn)行了納米尺度的熱壓印仿真研究,分析當(dāng)位移量與壓印溫度不同時(shí),抗蝕劑薄膜的變形和壓力分布。賀永等[8]利用有限元方法研究了熱壓印過程中模具結(jié)構(gòu)對抗蝕劑抗蝕劑流動形貌的影響,提出模具拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化策略。徐敏等[9]對微壓印工藝過程中的傳熱過程進(jìn)行了傳熱模型數(shù)值仿真。劉紅忠等[10]根據(jù)微壓印過程中的力學(xué)變化特征,進(jìn)一步細(xì)分壓印過程,對不同復(fù)雜結(jié)構(gòu)的圖型壓印過程進(jìn)行分析研究,在理論上建立壓印過程中,不同下壓力下,留膜厚度隨著下壓速度、加速度及下壓時(shí)間的變化關(guān)系。但是目前研究都集中于熱壓印過程中高抗蝕劑的填充狀態(tài),進(jìn)行有限元仿真時(shí)忽略滑移邊界條件及表面張力對抗蝕劑填充的影響,對常溫微壓印過程中低黏度抗蝕劑流動狀況分析國內(nèi)外未見報(bào)道。本文采用有限元方法系統(tǒng)分析了微米尺度下的不同工藝條件和模具結(jié)構(gòu),考慮滑移邊界條件和表面張力對低黏度抗蝕劑流動形貌的影響,并進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn),從而為提高微壓印精度提供理論指導(dǎo)。

1 常溫微壓印過程中抗蝕劑流動有限元分析

1.1 抗蝕劑流動有限元模型建立

1.1.1 幾何模型建立

根據(jù)微壓印工藝過程,建立適合常溫微壓印過程的幾何模型,圖1為抗蝕劑成形三維模型圖。在微圖型模板中,z方向的特征長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于圖型截面的特征長度,故可將其簡化為二維應(yīng)力應(yīng)變問題,簡化的二維網(wǎng)格幾何模型及其邊界條件設(shè)定如圖2所示。圖1中,橫截面寬度方向?yàn)閤軸,溝槽深度方向?yàn)閥軸,h0為抗蝕劑薄膜初始厚度,hc為壓印模具表面特征圖型深度,hr為抗蝕劑留膜厚度,Si為第i個(gè)特征圖型的寬度,Wi為第i個(gè)溝槽的寬度,S為壓印模具橫向?qū)挾取Ｓ邢拊獛缀文Ｐ椭饕绍浤＞?硅橡膠材料)、抗蝕劑(低黏度抗蝕劑)及基底(硅片)三部分組成。硅片作為基底固定不動,軟模具相對于硅片垂直向下運(yùn)動。

微尺度下,抗蝕劑與硅片基底之間界面B1具有滑移現(xiàn)象。在壓印實(shí)際過程中,抗蝕劑填充溝槽是處于開放狀態(tài)的,將抗蝕劑薄膜兩側(cè)邊界B2設(shè)為對稱邊界,抗蝕劑填充溝槽的過程是開放而非封閉的模型。自由界面B3是抗蝕劑薄膜上表面,即抗蝕劑與空氣接觸界面,受表面張力的作用。隨著模具下壓運(yùn)動,抗蝕劑與軟模具內(nèi)壁面B4接觸,抗蝕劑與軟模具表面有潤濕作用,具有一定的接觸角。

微圖型模板的占空比α是抗蝕劑填充狀態(tài)出現(xiàn)單雙峰及壓印精度的重要參數(shù),定義其為溝槽寬度之和與微圖型模板總寬度的比值;模具深厚比β為溝槽深度與抗蝕劑初始厚度的比值;寬厚比γ為溝槽寬度與抗蝕劑初始厚度的比值;深寬比δ為溝槽深度與溝槽寬度的比值,即

為了研究抗蝕劑填充效果,本文擬采用填充度評價(jià)抗蝕劑微壓印精度。填充度ε為抗蝕劑填充面積At與溝槽填充面積Aw的比值,即

1.1.2 抗蝕劑數(shù)值模擬過程條件的設(shè)定

在壓印光刻技術(shù)中,大部分特征尺寸已經(jīng)達(dá)到微納米級,在如此小尺寸下,液體表面張力的影響已經(jīng)不可忽略,即當(dāng)特征尺寸較大時(shí),體積力起主導(dǎo)作用;當(dāng)特征尺寸很小時(shí),表面力起主導(dǎo)作用。固體表面能的作用在微尺度下作用突出。液體相對于固體表面的潤濕性會嚴(yán)重影響微流體的流動特性。微壓印過程中抗蝕劑流動模型的條件總結(jié)設(shè)定如下:①模具垂直于硅片運(yùn)動,速度為2μ m/s;②自由表面張力系數(shù)為0.68,考慮表面張力和慣性力的影響;③考慮抗蝕劑與硅橡膠的接觸角,即硅橡膠與抗蝕劑的黏附特性及表面浸潤性,考慮抗蝕劑與模具結(jié)構(gòu)的滑移邊界條件;④對自由表面利用Lagrange和adaptive remeshing方法進(jìn)行網(wǎng)格重構(gòu)。

自由表面與模具接觸需要通過接觸檢查運(yùn)算法則進(jìn)行檢驗(yàn)。懲罰因子與滑移系數(shù)為10—9,滲透因子為0.2,網(wǎng)格偏差為0.3,時(shí)間步長為0.01,收斂精度為0.001,選用隱格歐拉方法進(jìn)行迭代。

1.2 抗蝕劑流動的影響因素分析

常溫微壓印過程中,影響抗蝕劑流動填充成形的因素很多,如壁面滑移、抗蝕劑的表面張力、抗蝕劑材料、壓印速度及模板結(jié)構(gòu)等,這些因素直接影響著微壓印的精度。

1.2.1 壁面滑移對抗蝕劑流動的影響

微壓印過程中,由于圖型模板結(jié)構(gòu)的特征尺寸微小,故抗蝕劑充模流動時(shí)的阻力大為增大,需用較大的模板壓力來克服各種阻力。這使得抗蝕劑在通道壁面處所受的剪切應(yīng)力明顯增大,強(qiáng)烈的解纏作用使得大分子之間的相互吸引力減弱,靠近壁面的分子和本體一起移動,導(dǎo)致抗蝕劑在壁面處發(fā)生壁面滑移。隨著剪切應(yīng)力的增大,壁面滑移對抗蝕劑流動的影響增大。

當(dāng)模具下壓0.6μ m時(shí),完全滑移與無滑移邊界條件下的抗蝕劑對模具壁面的壓力如圖3所示。

由圖3可知,無滑移邊界條件的壓力梯度小于存在滑移邊界條件時(shí)的壓力梯度。隨著特征尺度的減小,壁面滑移現(xiàn)象對抗蝕劑流動影響增大,在仿真時(shí)必須予以考慮。

1.2.2 表面張力對抗蝕劑填充的影響

研究表明,由于表面張力是液體的一個(gè)重要參數(shù),特別是在微尺度下,表面張力起到了主導(dǎo)性的作用,圖4反映了表面張力對抗蝕劑填充的影響。

圖4表明,在相同的下壓條件和填充時(shí)間下,在無表面張力的時(shí)候,抗蝕劑更容易填充到軟模具的凹槽中,且填充的效率更高,這對于深寬比較大的軟模具影響明顯,故實(shí)際的壓印過程中,應(yīng)考慮表面張力帶來的影響。

1.2.3 模板下壓速度對填充度的影響

常溫微壓印過程中,模具下壓速度是直接影響抗蝕劑填充時(shí)間及填充速度的重要參數(shù)。本節(jié)選用占空比α=0.875的矩形槽結(jié)構(gòu)模板,在模板下 壓 速 度 分 別 為 0.5μ m/s、1μ m/s、2μ m/s、10μ m/s,其他條件相同時(shí),比較不同下壓速度對抗蝕劑填充度的影響,如表1所示。

表1 不同下壓速度時(shí)抗蝕劑填充度比較

由表1可知,模具速度降低可使抗蝕劑填充度提高。模具速度低時(shí),沒有單雙峰現(xiàn)象出現(xiàn);模具速度越高,單雙峰現(xiàn)象愈明顯,如沒有足夠的保壓時(shí)間,矩形槽結(jié)構(gòu)邊緣就無法填充滿。這是由于速度較低時(shí),溝槽約束空間內(nèi)的空氣有足夠的時(shí)間逃逸出去,抗蝕劑能夠較好的填充溝槽棱角。因此,在保證填充效率的同時(shí),應(yīng)使盡量降低速度,使抗蝕劑可以較好地填充槽結(jié)構(gòu),從而獲得更高的壓印精度。

1.2.4 占空比對抗蝕劑填充形貌的影響

(1)非對稱模板結(jié)構(gòu)下抗蝕劑的填充形貌。當(dāng)抗蝕劑厚度、模具總寬度、模具運(yùn)動速度都相同時(shí),隨著模具溝槽寬度的減小,抗蝕劑填充形貌的變化如圖5所示。

由圖5可看出:隨著占空比的減小,抗蝕劑填充形貌逐漸由雙峰向單峰轉(zhuǎn)變。當(dāng)填充形貌呈雙峰時(shí),較大特征圖型寬度下方的抗蝕劑的流動速度較高。模具下壓時(shí)刻相同,占空比越小,高度差越大。隨著壓印時(shí)間的增加,兩個(gè)峰值高度差也越來越大,距模具壁面較近的峰先到達(dá)槽頂部。

(2)對稱模板結(jié)構(gòu)下抗蝕劑的填充形貌。選擇占空比為0.375的對稱模板結(jié)構(gòu),抗蝕劑初始厚度為 12.5μ m,模板以2μ m/s速度向下運(yùn)動時(shí),不同時(shí)刻抗蝕劑的填充形貌如圖6所示。

由圖6可知,隨著模具下壓運(yùn)動,抗蝕劑自由液面越來越陡峭,雙峰逐漸向溝槽中心移動;當(dāng)抗蝕劑接近溝槽頂端時(shí),雙峰慢慢重合消失,少量的抗蝕劑往溝槽邊緣填充運(yùn)動;較窄溝槽中抗蝕劑單峰突起趨勢越來越明顯。當(dāng)占空比較小時(shí),抗蝕劑受擠壓的部分變大,受迫流向壓力較小區(qū)域的抗蝕劑增多,垂直流動收縮到模穴中央形成單峰流動形貌;占空比較大時(shí),由于表面張力和慣性力的影響,受迫流動對中部的貢獻(xiàn)較小,使得抗蝕劑在壓入模具產(chǎn)生膨脹凸起,垂直流動主要沿著溝槽側(cè)壁運(yùn)動,出現(xiàn)雙峰。如果壓印的時(shí)間不夠,單雙峰沒有壓平,會使壓印的壓印精度較差,成形存在缺陷。

1.3 抗蝕劑流動填充效果分析

本文采用填充度、填充高度及填充時(shí)間評價(jià)抗蝕劑填充效果。抗蝕劑初始厚度和模板結(jié)構(gòu)對抗蝕劑填充效果影響很大。本節(jié)主要從占空比、寬厚比等因素的角度分析抗蝕劑的流動規(guī)律。

1.3.1 寬厚比對單雙峰轉(zhuǎn)換的影響

模板結(jié)構(gòu)占空比一定的情況下,分析抗蝕劑初始厚度對抗蝕劑填充的影響。定義寬厚比γ為橫坐標(biāo),即橫軸;抗蝕劑峰值距離最近溝槽壁面的距離Wx與槽寬Wi的比值ψ為縱坐標(biāo),即縱軸?？刮g劑單雙峰模式與寬厚比關(guān)系曲線如圖7所示。

選擇占空比為0.625,兩槽寬W1、W2分別為2.5、25,抗蝕劑厚度 h0 分別為 10、12.5、15 、20、30、50。壓力與留膜厚度關(guān)系曲線如圖8所示。

峰值距離溝槽壁面越近,雙峰現(xiàn)象越明顯。由圖7可知,寬厚比小于1時(shí),抗蝕劑形貌出現(xiàn)單峰。隨著寬厚比的增大,抗蝕劑形貌由雙峰轉(zhuǎn)換為單峰。寬厚比決定著抗蝕劑水平和垂直變形運(yùn)動。由于抗蝕劑受到底面邊界約束的影響,隨著寬厚比的增大,流動需要克服的阻力增大,導(dǎo)致流動不夠充分,無法影響到較遠(yuǎn)的區(qū)域,使得靠近模具溝槽的壁面迅速隆起,雙峰現(xiàn)象明顯。隨著抗蝕劑初始厚度減小,邊界效應(yīng)越來越明顯,模具壓力越來越大,這樣才能保證抗蝕劑填充精度。但另一方面,從工藝的角度來說,寬厚比不能一直無限制地減小,也就是說,抗蝕劑的初始厚度無限制地增加不利于工藝優(yōu)化,從留膜厚度和模具壓力的關(guān)系曲線來說,當(dāng)留膜厚度大于 3.5 μ m 的時(shí)候,模具壓力變化不大。因此,在保證有足夠的抗蝕劑填充到凹槽中的同時(shí),可留有3.5μ m的殘余膜厚,從而使得寬厚比更為合理。

1.3.2 占空比和深厚比對抗蝕劑填充效率的影響分析

選擇深厚比 β分別為 0.20、0.66、1.00,改變模具的占空比,抗蝕劑到達(dá)寬槽頂端的填充時(shí)間比較如圖9所示。

由圖9可知,隨著占空比的增大,所需的填充時(shí)間越長;對比圖中的三組曲線,相同占空比的情況下,深厚比為1時(shí)的填充時(shí)間較長。在實(shí)際的工藝中,在不影響填充效率的前提下,可以選擇較小的深厚比,即通過增加初始膜厚來提高壓印的填充效率。

1.3.3 抗蝕劑流動對變形的影響

實(shí)際壓印過程中,由于軟模具材料為硅橡膠,故抗蝕劑填充溝槽過程中抗蝕劑流動對軟模具也是有影響的。在此選擇占空比α為0.5和0.75的模具,其他工藝條件相同的情況下,分析軟模具的變形與抗蝕劑填充度的關(guān)系,如圖10所示。

由圖10可知,隨著抗蝕劑填充度的增大,軟模具變形增大。模具x方向變形量明顯比y方向變形量大,約達(dá)到y(tǒng)方向變形量的三倍。當(dāng)抗蝕劑填充度達(dá)到90%時(shí),模具變形率開始增大,成直線上升。因此抗蝕劑填充溝槽過程中,軟模具受力較小,其變形也小,可以忽略填充過程中抗蝕劑與軟模具的相互作用力。但當(dāng)抗蝕劑填充溝槽狀態(tài)為過填充時(shí),模具受到抗蝕劑作用力較大,所受應(yīng)力大?？捎檬⒉Ａбr底和增大抗蝕劑初始厚度來減小軟模具的變形,減小其對抗蝕劑壓印精度的影響。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

選擇兩種不同特征結(jié)構(gòu)的模具進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖型特征寬度和高度相同,溝槽寬度不同。模具圖型特征結(jié)構(gòu)如圖11所示。兩種模占空比分別為0.67和0.30,對不同的模具選擇不同的勻膠參數(shù),占空比較大的甩膠薄膜厚度較厚。具體的勻膠實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2、表3所示。

表2 模具a勻膠工藝參數(shù)

表3 模具b勻膠工藝參數(shù)

在壓印的過程中,軟模具以2μ m/s的速度下壓,當(dāng)在壓力表上顯示的壓力發(fā)生較大的跳動時(shí),結(jié)束下壓,并進(jìn)行紫外曝光固化,固化時(shí)間為600s,取下模具,結(jié)束壓印。

選用三維掃描共聚焦顯微鏡及臺階儀測量模具下壓不同位移時(shí)壓印后的抗蝕劑形貌。使用模具a和模具b進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn),抗蝕劑填充形貌實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12和圖13所示。

從圖12和圖13中可看出,采用共聚焦顯微鏡和臺階儀測量的抗蝕劑溝槽底部不平整,這是由于本實(shí)驗(yàn)所采用的硅橡膠模具是外協(xié)制作母版翻制而成的。母版是由激光刻蝕加工而成,激光加工的槽低不平整,因此翻制出來的硅橡膠軟模具特征圖型也是不平整的。采用此模具進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn),固化后的抗蝕劑溝槽底部也是不平整的,圖型結(jié)構(gòu)與母版是相同的。同時(shí)由圖12a可知,在溝槽頂端與底部之間出現(xiàn)了低于溝槽低端的尖峰,這個(gè)尖峰可能是由于軟模具與抗蝕劑相互作用,抗蝕劑在微尺度下表面張力和剪切力相對占主要地位,使得抗蝕劑在模具擠壓和剪切作用力非常大的區(qū)域,抗蝕劑未能及時(shí)填充此區(qū)域而產(chǎn)生的。

由圖12和圖13可知,在距離溝槽邊緣,抗蝕劑分別出現(xiàn)了單雙峰。選擇模具a進(jìn)行壓印實(shí)驗(yàn),甩膠厚度較厚時(shí),較窄溝槽內(nèi)出現(xiàn)單峰,窄寬溝槽內(nèi)出現(xiàn)雙峰(圖12)。即寬厚比小于1時(shí),出現(xiàn)單峰,寬厚比大于1時(shí)出現(xiàn)雙峰。對于模具b,甩膠厚度較薄時(shí),較窄溝槽內(nèi)出現(xiàn)單峰,窄寬溝槽內(nèi)出現(xiàn)雙峰(圖13)。

3 結(jié)論

(1)在考慮壁面滑移、抗蝕劑的表面張力的情況下,研究模板微圖型占空比、寬厚比對抗蝕劑填充形貌的影響規(guī)律及單雙峰模式出現(xiàn)的轉(zhuǎn)換曲線?？刮g劑填充出現(xiàn)的雙峰現(xiàn)象不利于壓印精度的提高和穩(wěn)定性,應(yīng)盡量避免出現(xiàn)雙峰現(xiàn)象。

(2)微圖型模板結(jié)構(gòu)是影響抗蝕劑填充狀態(tài)的重要因素,寬厚比綜合決定抗蝕劑水平、垂直運(yùn)動變形及峰值位置。寬厚比小于1時(shí),抗蝕劑填充形貌出現(xiàn)單峰。深厚比一定,隨著占空比的增大,填充時(shí)間越長。在不影響填充效率的前提下,可以選擇較小的深厚比,即通過增大初始膜厚來提高壓印的填充效率。

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