光固化微壓印脫模過程對制品精度影響的研究

馬 旭 佟金戈 賀建蕓 王佳佳 陳 慧 孔 建

(北京化工大學(xué) 機電工程學(xué)院， 北京 100029)

引 言

光固化微壓印是一種新型的微納制造方式，具有成本低、能耗小、精度較高、效率高和綠色環(huán)保等優(yōu)點，在微結(jié)構(gòu)陣列加工領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。光固化微壓印過程包括3個基本過程，即壓印充模過程，紫外光照射固化過程和脫模過程。其中脫模過程及脫模方式對微結(jié)構(gòu)表面劃痕、微結(jié)構(gòu)缺失、微結(jié)構(gòu)陣列重復(fù)度下降等制品缺陷的產(chǎn)生有重要的影響。光固化微納制品的脫模對于微壓印制品仍然是一個具有挑戰(zhàn)性的難題，是制約光固化微納壓印工業(yè)化應(yīng)用的瓶頸，因此也成為國內(nèi)外學(xué)者的一個研究熱點。Amirsadeghi等[1]研究了不同組成的紫外納米壓印光刻模型抗紫外固化體系在紫外光下的黏合力和脫模力，測試不同的膠料表面能對開模力變化的影響，發(fā)現(xiàn)彈性模量的降低會導(dǎo)致抗蝕劑/印模界面處的附著力降低，有利于脫模。Dirckx等[2]研究了熱壓印聚合物微結(jié)構(gòu)的脫模過程，通過仿真模擬和脫模實驗發(fā)現(xiàn)，在脫模過程中黏著力和側(cè)壁摩擦力都在發(fā)揮作用，黏著力隨著零件冷卻而降低，摩擦力隨著零件冷卻而增大。張睿等[3]采用數(shù)值模擬和理論分析相結(jié)合的方法，借助ANSYS軟件對熱壓印的脫模過程進行了模擬，研究了膠層納米結(jié)構(gòu)在不同摩擦系數(shù)作用下的受力和變形狀態(tài)，并從壓印膠層受界面摩擦力作用的角度解釋了膠層納米結(jié)構(gòu)的頂端變形現(xiàn)象，得出膠層納米結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力和變形在脫模初期隨摩擦系數(shù)的增大而增大，在脫模后期隨摩擦系數(shù)的增大而減小。王劍平[4]深入研究了壓印充模過程和脫模過程的機理，用Abaqus仿真軟件數(shù)值模擬了殘留層對脫模過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力和應(yīng)變的影響，通過對比仿真和滾動壓印實驗發(fā)現(xiàn)一定厚度的殘留層有利于提高微結(jié)構(gòu)的完整性。Yi等[5]對微金字塔陣列在輥對輥熱壓過程中形成的缺陷進行了實驗研究，發(fā)現(xiàn)了平臺狀缺陷、崩塌狀缺陷、高低狀缺陷和氣泡狀缺陷4種缺陷模式，并建立了相應(yīng)的評價方法，系統(tǒng)研究了模具溫度和進給速度兩個關(guān)鍵工藝參數(shù)對成形缺陷的影響。李增輝等[6]通過仿真分析了“揭開”式脫模的光刻過程，研究了模具的材料特性、特征圖形幾何參數(shù)對于“揭開”式脫模的影響規(guī)律，得出對于“揭開”式脫模，在符合所需要求的前提下應(yīng)盡量選擇彈性模量較低的材料，從而產(chǎn)生的脫模應(yīng)力更小。然而“揭開”式脫模方法不適合大深寬比特征圖形的制造,尤其對于大深寬比納米孔等的脫模。

目前，國內(nèi)學(xué)者對熱壓印脫模已經(jīng)開展了非常深入的研究，但圍繞光固化微壓印脫模過程形成的缺陷的研究則很少。采用光固化微壓印技術(shù)制備微結(jié)構(gòu)陣列薄膜，常常伴有撕裂、斷晶、表面復(fù)制度低等缺陷，從而影響產(chǎn)品性能，嚴(yán)重阻礙了微結(jié)構(gòu)陣列薄膜的發(fā)展和工業(yè)化應(yīng)用?；诖?，本文對圓柱微結(jié)構(gòu)陣列在光固化微壓印脫模過程中的撕裂和斷晶缺陷進行了研究，通過仿真模擬和實驗分析了光固化微壓印出現(xiàn)撕裂和斷晶缺陷的原因，并通過實驗探究了脫模過程對微結(jié)構(gòu)陣列薄膜精度的影響，為微結(jié)構(gòu)陣列制備工藝的優(yōu)化提供了指導(dǎo)。

1 光固化脫模過程理論分析

光固化微壓印的脫模過程主要需克服模具和制品的黏附力，Cohesive黏性層技術(shù)可以方便地模擬兩個部分之間的黏性連接。Cohesive黏性層技術(shù)主要處理方式有兩種：第一種為先整體后分割的方式，即首先建立完整的結(jié)構(gòu)，再在建立的結(jié)構(gòu)上劃分出模具、制品和黏結(jié)層；第二種為先分割后整體的方式，即首先建立模具、制品和黏結(jié)層3個部分，再通過ABAQUS軟件將3個部分通過相互作用命令綁定在一起。本文選用先分割后整體的方式，在圓柱形微結(jié)構(gòu)與模具之間設(shè)定一層無厚度的黏結(jié)層區(qū)域來模擬光固化膠與模具的黏結(jié)作用。

脫模過程主要克服的是模具與制品之間的黏附力，黏附力的大小可用Pollock方程計算[1,7-8]

(1)

式中，F(xiàn)a為模具與制品之間的黏附力，Wa為材料之間的黏附功，K為材料的綜合彈性模量，a0為有效接觸半徑。

微結(jié)構(gòu)脫模過程的側(cè)壁摩擦力主要來源于模具側(cè)壁與制品之間的黏結(jié)力，當(dāng)鄰近表面作相對運動時，模具所受摩擦力f可由式(2)計算[6,9]，其中μ為摩擦系數(shù)。

(2)

2 數(shù)值模擬

為了探究脫模過程對光固化微壓印制品的影響，假設(shè)微結(jié)構(gòu)制品完全填充型腔且固化完全，采用ABAQUS軟件通過數(shù)值模擬分析脫模過程對制品的作用。由于采用圓柱微結(jié)構(gòu)陣列可以提高制品的表面疏水性能，因此本文將圓柱微結(jié)構(gòu)陣列作為脫模模型，微結(jié)構(gòu)陣列成型精度越高，疏水性能越好。

2.1 幾何建模

建立微圓柱三維模型，考慮沿光固化樹脂厚度方向的應(yīng)力變化。微結(jié)構(gòu)模型為直徑10 μm、高度10 μm的圓柱，膜片和模具的材料及其屬性如表1所示。本文實驗為光固化微壓印實驗，與傳統(tǒng)壓印技術(shù)不同，需要進行紫外光照，因此模具材料選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。脫模過程屬于斷裂力學(xué)過程，采用mise強度準(zhǔn)則，應(yīng)力強度σe取4 MPa，接觸應(yīng)力σ取2.48 MPa，能量釋放速率γ=0.042 9 J/m2。為了觀察脫模過程中微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的受力情況，對模型進行切分，模型及切分結(jié)果如圖1所示。

表1 材料屬性Table 1 Material properties

圖1 模型及斷面切分Fig.1 Model and section segmentation

2.2 載荷和邊界條件

為減少計算量，只模擬單一微結(jié)構(gòu)膜片，并對膜片底部和四周施加完全約束，模具與膜片之間存在黏結(jié)力和摩擦力，摩擦系數(shù)為0.45。為了表征模具的脫開過程，在模具上方施加Y向位移載荷。邊界模型如圖2所示。

圖2 邊界模型Fig.2 Boundary model

2.3 網(wǎng)格劃分

網(wǎng)格數(shù)量影響模擬精度，過低的網(wǎng)格數(shù)量會使計算不準(zhǔn)確從而脫離實際，過高的網(wǎng)格數(shù)量則會延長計算時間，造成不必要的浪費，因此需要對網(wǎng)格進行均勻性分析。制品和膜片采用黏性族的四邊形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。由于微壓印過程中微結(jié)構(gòu)表面的精度尤為重要，因此對膜片微結(jié)構(gòu)進行網(wǎng)格細(xì)化，運算所得結(jié)果如圖3所示，可以看出當(dāng)網(wǎng)格數(shù)量達到15 000以上時，最大應(yīng)力變化在5%以內(nèi)，為確保計算精度和減少計算量，模型劃分的網(wǎng)格如圖4所示。

圖3 網(wǎng)格劃分均勻性Fig.3 Mesh uniformity division

圖4 模型網(wǎng)格劃分Fig.4 Model mesh generation

3 結(jié)果與分析

為保證精度和連續(xù)性，開模步數(shù)設(shè)置為10 000步，初始增量步為0.01，最小增量步設(shè)為1×10-5，開模時間設(shè)定為1 s。對模擬結(jié)果進行拆分，每0.2 s提取一次結(jié)果，所得應(yīng)力云圖結(jié)果如圖5所示，主應(yīng)力云圖如圖6所示。

選取我院2016年7月至2016年12月80例共108個手術(shù)切除的甲狀腺結(jié)節(jié)患者，男性17例，女性63例，年齡15～71歲，平均年齡45.7歲。所有患者術(shù)前均接受甲狀腺常規(guī)超聲及時彈性成像檢查。

圖5 微結(jié)構(gòu)脫模過程中不同時間下的應(yīng)力云圖Fig.5 Stress nephograms of the microstructure at different times in the demoulding process

圖6 微結(jié)構(gòu)脫模過程不同時間下的主應(yīng)力云圖Fig.6 Principal stress diagram of the microstructure at different times in the demolding process

從微結(jié)構(gòu)脫模過程的應(yīng)力云圖可以看出，隨著脫模位移的增加，脫模時間為0.2 s時微結(jié)構(gòu)在黏結(jié)力和摩擦力的共同作用下受力均勻；脫模時間為0.4 s時，隨著模具和制品之間的滑移，微結(jié)構(gòu)頂端出現(xiàn)均勻的應(yīng)力集中現(xiàn)象；脫模時間為0.6 s時，微結(jié)構(gòu)頂端以及根部出現(xiàn)更大的應(yīng)力集中區(qū)；脫模時間為0.8 s時，微結(jié)構(gòu)底端的應(yīng)力區(qū)逐漸均勻，頂端邊緣出現(xiàn)應(yīng)力集中；脫模時間為1.0 s時，微結(jié)構(gòu)完全脫開頂端，應(yīng)力集中現(xiàn)象進一步擴大，應(yīng)力達到最大值0.163 3 MPa，PDMS模具有脫開的跡象。

從微結(jié)構(gòu)脫模過程的主應(yīng)力云圖可以看出，脫模時間為0.2 s時，膜片頂端的正應(yīng)力平行于頂端且其數(shù)值相對于整個微結(jié)構(gòu)最?。幻撃r間為0.4 s和0.6 s時，微結(jié)構(gòu)正應(yīng)力分布不變，應(yīng)力數(shù)值進一步增大；脫模時間為0.8 s時，微結(jié)構(gòu)根部出現(xiàn)正應(yīng)力集中的現(xiàn)象；脫模時間為1.0 s時，微結(jié)構(gòu)脫開，微結(jié)構(gòu)頂端正應(yīng)力仍為水平且值最小，根部出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，且正應(yīng)力達到峰值0.146 9 MPa。

基于以上結(jié)果可以得出，在光固化微壓印脫模過程中，微結(jié)構(gòu)頂端的應(yīng)力最大，這是由于脫模需要克服相對運動產(chǎn)生的摩擦力及破壞模具與微結(jié)構(gòu)之間的黏結(jié)力，在破壞黏結(jié)力和摩擦力的過程中，微結(jié)構(gòu)頂端邊緣處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，而微結(jié)構(gòu)根部主要受正應(yīng)力的影響。微結(jié)構(gòu)根部出現(xiàn)正應(yīng)力集中是因為脫模過程中微結(jié)構(gòu)根部與模具最先脫開，只有微結(jié)構(gòu)與模具接觸部分存在黏結(jié)力與摩擦力，根部主要受到模具的拉伸作用，因此脫模過程中微結(jié)構(gòu)的頂部邊緣和底端最可能發(fā)生破壞。

4 實驗驗證

4.1 實驗設(shè)備和材料

紫外光源輻射系統(tǒng)，自制；光固化壓印實驗機，自制；紫外光源，120X10，上海潤鑄電子科技有限公司；萬分位電子稱，ME104E，3D測量激光顯微鏡，OLS5000，奧林巴斯工業(yè)有限公司；透光率/霧度測定儀，WGT- S，上海申光儀器儀表有限公司；涂布器，BGD216，標(biāo)格達精密儀器有限公司。自制壓印設(shè)備如圖7所示。

1—工作臺； 2—光源照射頭； 3—模板部分； 4—壓印機； 5—光源輻照主機部分。圖7 紫外光固化微壓印成型實驗平臺Fig.7 Experimental platform for ultraviolet curing microimprint formation

聚氨酯丙烯酸酯，江門市勵志門有限公司；三縮丙二醇雙丙烯酸酯，TPGDA，光引發(fā)劑，1173，臺灣長興化學(xué)工業(yè)有限公司；流平劑，BYK- 333，廣州市中萬新材料有限公司；光擴散粉，東莞市科邁新材料有限公司。

將聚氨酯丙烯酸酯、三縮丙二醇雙丙烯酸酯、流平劑、光引發(fā)劑和光擴散粉按照一定的配比制備，經(jīng)過混合攪拌、抽真空等工序，制備出帶有光擴散粉的光固化物料。

4.2 實驗步驟

本文實驗具體步驟如下。

(1)采用光刻法在硅片上制備出實驗所用的微結(jié)構(gòu)陣列，然后將固化膠和固化劑以10∶1的質(zhì)量比混合均勻后澆筑在硅片上，經(jīng)真空泵抽真空后靜止10 h，脫模后得到PDMS模具。

(2)利用涂布器將配置好的光聚合樹脂均勻涂布在基材上，將基材放置于自制壓印機工作臺上并用PDMS模具壓緊，拉動拉桿將工作臺上移進行保壓。

(3)打開紫外光源，在波長365 nm、光照強度分別為800 mW/cm2和400 mW/cm2的條件下對工作臺上的基材輻照10 s。

(4)關(guān)閉光源，拉動拉桿下移工作臺，取下帶有微結(jié)構(gòu)薄膜的基材，脫模得到光固化微結(jié)構(gòu)制品。

4.3 實驗結(jié)果

采用3D測量激光顯微鏡對制品進行3D掃描，缺陷掃描結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同光照強度下的制品掃描圖Fig.8 Scanning images of products with different light intensities

從圖8(a)中可以看出微結(jié)構(gòu)頂端出現(xiàn)殘缺現(xiàn)象，且缺陷形狀規(guī)則，從圖8(b)中可以看出微結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷晶現(xiàn)象，且斷面有拉伸的痕跡。分析出現(xiàn)以上現(xiàn)象的原因如下：當(dāng)光照強度為800 mW/cm2時，照射能量充足，光敏樹脂有足夠的能量進行交聯(lián)反應(yīng)，模具填充效果好，制品固化程度高，因此微結(jié)構(gòu)的強度較高，在脫模過程中微結(jié)構(gòu)根部產(chǎn)生的正應(yīng)力小于光敏樹脂的屈服強度，而微結(jié)構(gòu)頂端受到的正應(yīng)力和剪切應(yīng)力的聯(lián)合應(yīng)力大小超過了微結(jié)構(gòu)的屈服強度，因此產(chǎn)生撕裂性破壞；當(dāng)光照強度為400 mW/cm2時，激發(fā)光敏樹脂發(fā)生交聯(lián)反應(yīng)的能量不足，微結(jié)構(gòu)固化不完全，屈服強度較低，因此在模具脫模過程中微結(jié)構(gòu)根部發(fā)生斷裂，出現(xiàn)斷晶撕裂現(xiàn)象。

5 結(jié)論

(1)在微結(jié)構(gòu)脫模過程中，破壞黏結(jié)力和摩擦力的作用主要聚集在微結(jié)構(gòu)的頂端，且在即將脫模時應(yīng)力大小會達到峰值。

(2)在微結(jié)構(gòu)脫模過程中，當(dāng)模具脫離微結(jié)構(gòu)一定距離時，模具對微結(jié)構(gòu)根部有拉伸作用，會在微結(jié)構(gòu)根部處產(chǎn)生正應(yīng)力集中。

(3)實驗驗證的結(jié)果表明在固化完全的情況下制品的微結(jié)構(gòu)頂端易產(chǎn)生破壞，固化不完全的情況下制品易出現(xiàn)微結(jié)構(gòu)斷晶的現(xiàn)象。