激光輔助納米壓印填充過程有限元分析

羅 康，荊宜青，段智勇

(1.華北水利水電大學(xué)，河南 鄭州 450045;2.河南財(cái)經(jīng)政法大學(xué) 現(xiàn)代教育技術(shù)中心，河南 鄭州 450002;3.鄭州大學(xué)，河南 鄭州 450001)

納米壓印技術(shù)(Nanoimprint lithography，NNL)由周郁教授于1995 年提出［1］，是一種新型的納米級圖案轉(zhuǎn)移技術(shù).納米壓印技術(shù)與中國的“蓋章”原理類似，是利用刻有納米圖形的“印章”在類似“橡皮泥”的聚合物物質(zhì)上壓印圖形，取下“印章”就實(shí)現(xiàn)了“印章”上圖形的轉(zhuǎn)移［2－3］.

納米壓印技術(shù)的工藝過程因所用方法的不同而各不相同，但都包含圖形復(fù)制和圖形轉(zhuǎn)移的步驟.經(jīng)過近20 a 的發(fā)展，納米壓印技術(shù)主要出現(xiàn)了熱壓印技術(shù)、紫外壓印技術(shù)和微接觸壓印技術(shù)［4－5］3 種工藝.熱壓印技術(shù)主要是以下工藝步驟.

1)制作模板.納米壓印技術(shù)的核心是圖形的復(fù)制轉(zhuǎn)移，因此納米壓印技術(shù)的前提是制備分辨率高、性能穩(wěn)定、重復(fù)使用率高的模板.制作模版的材料一般要求硬度高、線性膨脹系數(shù)低、抗黏連性好，目前使用最多的是Si 和SiO2.

2)旋涂光刻膠、壓印.將可塑性的高分子光刻膠(通常是PMMA 或PDMS 等)均勻涂敷在基板上，將溫度上升至光刻膠的固液轉(zhuǎn)化溫度點(diǎn)之上30～50 ℃，然后施加壓力(一般為98～196 N/cm2)［6］，保持溫度和壓力一段時間，使光刻膠充滿模板圖案的空隙.

3)脫模.降低溫度，使光刻膠溫度降至玻璃態(tài)溫度以下，去除壓力，將模板移除.

最后利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，去除殘留的光刻膠，模板圖形就轉(zhuǎn)移到了基板上.熱壓印技術(shù)工藝過程可以用圖1 表示.

圖1 熱壓印技術(shù)工藝過程

1 激光輔助納米壓印技術(shù)

熱壓印技術(shù)中將光刻膠加熱至熔融態(tài)的環(huán)節(jié)，有人利用超聲波加熱［7］，也有人利用準(zhǔn)分子激光掃描加熱［8］.激光輔助納米壓印是利用可以透過激光而不吸收激光能量的模板，不需要光刻膠，直接用激光掃描加熱基板，使基板產(chǎn)生一層薄薄的熔融層來替代光刻膠，工藝過程如圖2 所示.

圖2 激光輔助納米壓印技術(shù)

激光輔助納米壓印技術(shù)采用的高能準(zhǔn)分子激光透過掩模板直接熔融基板，在基板上形成一層熔融層，然后將模板壓入熔融層中，待固化后脫模，將圖案從掩模板直接轉(zhuǎn)移到基板之上.要選擇合適波長的準(zhǔn)分子激光，準(zhǔn)分子激光能透過掩模版而能量盡量避免被吸收，掩模版常采用SiO2.據(jù)報(bào)道利用激光熔化Si 基板進(jìn)行壓印工藝可以實(shí)現(xiàn)低于10 nm的特征線寬［9］.

激光輔助納米壓印技術(shù)加熱基板的方式是采用準(zhǔn)分子激光直接加熱，加熱的效率高、速度快，一般在毫秒級就可以完成加熱過程.采用的模板可以透過準(zhǔn)分子激光材料，對準(zhǔn)分子激光的吸收很少，很好地保留了準(zhǔn)分子激光的能量.壓印過程是直接將模板圖形轉(zhuǎn)移到基板之上，不再需要常規(guī)的蝕刻過程，也減少了曝光、蝕刻等工藝流程，可以大大節(jié)省納米壓印的時間.總的來說，利用激光輔助納米壓印技術(shù)后，壓印過程更加簡單，工藝流程得到精簡，效率提高，產(chǎn)量增加.

2 填充過程有限元分析

2.1 建立有限元模型

借助于ANSYS 軟件模擬聚合物填充過程［10］，圖3 給出了分析模型示意圖.模板材料為Si02，熔融層為熔融態(tài)的Si.

圖3 納米壓印有限元模型

圖3 中W 為納米圖形的寬度;L 為納米圖形的高度;L1為熔融層的初始厚度;S 為模板突起結(jié)構(gòu)的寬度.

模板圖案的占空比(D)和深寬比(A)分別為

在利用ANSYS 建立有限元模型中，根據(jù)材料的結(jié)構(gòu)特性，熔融態(tài)的熔融層選用hyper56 單元，模板采用PLANE42 單元［11］.模板與熔融層之間接觸關(guān)系用接觸單元CONTAl72 表示，熔融層與基板之間的接觸關(guān)系采用TARGEl69 定義.在建立模型中，假設(shè)模具光滑、側(cè)壁垂直、摩擦忽略不計(jì).同時，在壓印過程中不考慮氣體的滯留、熔融層內(nèi)氣泡的影響［12］.壓印過程中施加的壓力很大，從宏觀上來說，以上因素對熔融層變形的影響不大.

在納米壓印過程中，由掃描激光照射產(chǎn)生的熔融層可以假定為彈性體，可以用Mooney-Rivlin 模型來表示其機(jī)械性能.在ANSYS 中Mooney-Rivlin 模型假定超彈性材料不可壓縮、各向同性［13］.修正后的應(yīng)變能密度函數(shù)為:

式中:C01，C10為材料常數(shù);J 為初始位置與最后位置的體積比;λ1，λ2，λ3為材料在某個方向上的拉伸率;K 為材料體積模量.

C01，C10的關(guān)系為

式中E 為熔融層的彈性模量.

2.2 ANSYS 軟件模擬及結(jié)果分析

通過以上對掩模板和熔融層各形態(tài)及接觸關(guān)系的設(shè)定，利用ANSYS 軟件對納米壓印的填充過程進(jìn)行模擬，主要研究不同的模板參數(shù)設(shè)計(jì)對壓印過程中所施加壓力的影響.

2.2.1 納米圖形高度L 對壓印壓力的影響

保持W=200 nm，S=60 nm 不變，利用ANSYS軟件建立有限元模型分別仿真了L=100 nm 和L=200 nm 的情況下熔融層的填充完成，模擬圖如圖4所示，并分析2 種情況下填充完成時施加壓力情況，以90%以上的填充率作為標(biāo)準(zhǔn)來判斷是否填充滿，設(shè)定熔融層填充滿空隙時施加的壓力為p0.

從圖4 可以看出，納米圖形的占空比D 不變，只增加納米圖形的高度L，高度增加后，需要填充進(jìn)圖形空隙的熔融層比前一種情況下增加了一倍，在填充完成的情況下，需要施加的壓力也增加了近一倍.

圖4 W 和S 不變、L 變化的熔融物質(zhì)填充完成圖形

2.2.2 納米圖形寬度W 對壓印壓力的影響

保持L=100 nm，S=40 nm 不變，利用ANSYS軟件建立有限元模型分別仿真了W=200 nm 和W=300 nm的情況下熔融層的填充完成，模擬圖如圖5 所示，并分析2 種情況下填充完成時施加壓力變化情況.

圖5 L 和S 不變、W 變化時熔融物質(zhì)填充完成圖形

從圖5 可以看出，納米圖形的高度L 不變，模板突起結(jié)構(gòu)寬度S 不變，只增加納米圖形的寬度W，在納米壓印擠壓過程中，熔融層主要受到剪切力作用和拉伸力作用，在模板與熔融層接觸面積不變的情況下，剪切力作用占主要地位.因?yàn)樯顚挶茸冃。畛涓菀?，所以填充完成時，施加的壓力變化不大并且略微變小.

2.2.3 模板突起結(jié)構(gòu)寬度S 對壓印壓力的影響

保持W=200 nm，L=60 nm 不變，利用ANSYS軟件建立有限元模型分別仿真了S=60 nm 和S=40 nm 的情況下熔融層的填充完成，模擬圖如圖6所示，并分析2 種情況下填充完成時施加壓力變化情況.

圖6 W 和L 不變、S 變化的熔融物質(zhì)填充完成圖形

從圖6 可以看出，納米圖形線條的高度L 不變，寬度W 不變，改變模板突起結(jié)構(gòu)寬度，因?yàn)樾枰畛溥M(jìn)圖形空隙的熔融物體積不變，模板與熔融層接觸面積變小，填充完成時，擠壓起相同體積的熔融層所需要的壓力也變小.

3 結(jié)語

介紹了一種新型激光輔助納米壓印技術(shù)，采用有限元分析的方法，利用ANSYS 仿真軟件模擬了納米壓印的填充過程，通過分析填充完成條件下模板設(shè)計(jì)的各個參數(shù)對所施加壓力的影響，為壓印模板設(shè)計(jì)的優(yōu)化提供了仿真支持.

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