[科普中國]-壓印模具

壓印和疊印是一個意思，即一個色塊疊印在另一個色塊上。壓印模具是將板料放在上下模之間，在壓力作用下使其材料厚度發(fā)生變化，并將擠壓外的材料，充填在有起伏細(xì)紋的模具形腔凸、凹處，而在工作表面得到形成起伏鼓凸及字樣或花紋的一種成型方法。

壓印模具的精密制造工藝優(yōu)化在壓印光刻中，信息的復(fù)制是難點，而模具的制造是信息復(fù)制的途徑。為了獲得高精度的壓印模具，在實驗 中著重從模具材料的選擇、固化劑的添加、真空壓力大小、固化溫度、固化時間等方面進行分析和研究。通過分析模具的表面質(zhì)量，得到了壓印模具制作的最佳工藝組合。1

工藝過程分析電子束直寫已被公認(rèn)是可以勝任0.1μ的光刻掩膜板制造，為制作后續(xù)的線路圖形，首先制作母板基材，基材上鍍Cr或W，為電子束直寫以及后續(xù)的復(fù)制提供基礎(chǔ)。

通過步進式工作臺多步壓印復(fù)制為多芯片的壓印模板。該方法提高制造效率。這種方式彌補了單束電子束直寫速度慢的缺點，使得電子束直寫通過步進壓印工藝得到了矢量放大，完成大模板制作。采用快速模具制造工藝，以母板生成軟有機模具。透明材料液態(tài)有機物高分子硅橡膠，加入固化劑后成為軟模具，并從母板上獲得IC 圖型。模具厚度可取0.5～2.0mm，并支撐在透明的石英基板上。

大母板的制作旨在復(fù)型出大模具，以提高后續(xù)硅片壓印生產(chǎn)的效率。最理想的情況是壓印模具達(dá)到滿硅片的尺寸。但實際可達(dá)到的尺寸取決于：壓印生產(chǎn)中該模具下壓和脫模過程彈性 變形的可控性、受壓的阻蝕膠的力學(xué)特性、套刻精度要求等。1

模具翻制的實驗工藝在實驗中，采用同一尺寸0.2μ的母模來進行研究。同時，基于前期實驗中出現(xiàn)問題的分析，并結(jié)合IC壓印光刻生產(chǎn)工藝。著重考查固化劑的添加量、模具厚度、真空壓力、加熱溫度、加熱時間對壓印模具的強度、表面穩(wěn)定性、復(fù)形精度等的影響。

1.母板的清洗：由于母板采用的 是有電子束直寫所得到的硅片，所以在與模具材料接觸前，必須進行清洗。清洗的主要目的是除去硅片制造過程中偶然引入的“表面玷污”雜質(zhì)，這些玷污來自硅片的加工過程，也來自清洗所用的化學(xué)試劑和水：以及工藝過程中所使用的器皿、管路、氣體等。

2.固化劑的添加量：在一個容器中，將硅橡膠液體與固化劑以一定的比例混合，用攪拌器使其完全均勻，配出來的是粘稠的半透明的硅橡膠物質(zhì)。

3.澆注：工藝是在室溫下，采用自然澆注法進行澆注。將清洗干凈的母模板放在玻璃板上，然后將裝有粘液的瓶子在玻璃板的上空傾斜，使得內(nèi)部的液體自然留出，并使滴落點在玻璃板的中間(幾個原型硅片的中間),當(dāng)液體自然散開時，它覆蓋了原型硅片。

4.真空壓力的大小：為了制出的 模具內(nèi)部無氣孔、斑點，且保真度高。在把液體澆注在母模上之后，固化以前，必須將其內(nèi)部的氣孔消除。因為如果不消除氣孔就固化，則硅片電路的上表面，即與粘液接觸的表面有氣孔，固化后就會造成做出的模具有些電路線條不完整。

5.熱固化工藝：在加熱固化時，有溫度和時間兩個參數(shù)，固定一個不變，來考查另外一個參數(shù)。1

滾型納米壓印模具變形機理滾型納米壓印是一種高效、低成本批量化制造大面積微納米結(jié)構(gòu)的方法，已經(jīng)被看成是最具有工業(yè)化應(yīng)用前景的微納米制造方法之一，同時也被認(rèn)為是實現(xiàn)納米壓印技術(shù)從實驗室到工業(yè)化應(yīng)用的一個重要突破口。開展?jié)L型納米壓印過程中模具變形機理和規(guī)律的研究，提出滾型納米壓印兩種理論模型，揭示柔性接觸滾輪模具變形的機理、規(guī)律和主要影響因素，闡述硬質(zhì)接觸和柔性接觸兩種壓印方式顯著區(qū)別和特點。該研究為探索減小彈性滾輪模具變形策略和方法，滾型納米壓印工藝要素的優(yōu)化，以及提高滾型納米壓印復(fù)型精度和壓印效率奠定了理論基礎(chǔ)。2

理論模型傳統(tǒng)納米壓印不管是硬質(zhì)模具還是軟質(zhì)模具被認(rèn)為是一種平板型平面接觸壓印工藝，滾型納米壓印使用的是滾輪型模具，其壓印過程為線接觸模式。線接觸模式具有突出的優(yōu)點：①解決了壓印過程中受力不均勻和襯底不平整制約大面積納米壓印的技術(shù)難題，實現(xiàn)大面積納米壓??；②脫模力小，減少脫模缺陷，提高了壓印圖形的質(zhì)量；③克服傳統(tǒng)壓印過程中陷入氣泡的缺陷。但是，線接觸滾型納米壓印與傳統(tǒng)平板型平面接觸納米壓印具有完全不同的壓印作用機理(壓印過程和脫模過程)，傳統(tǒng)平板型平面接觸納米壓印所建立的理論體系已經(jīng)不再適用于滾型納米壓印，需要建立新的數(shù)學(xué)模型描述滾型納米壓印工藝。

滾型納米壓印使用滾輪模具主要有兩種形式：硬質(zhì)滾輪模具(直接在硬質(zhì)基材上形成微納米特征結(jié)構(gòu)，和彈性滾輪模具(在柔性基材形成微納米特征結(jié)構(gòu)，或者在硬質(zhì)圖形層和硬質(zhì)基材中間包含彈性緩沖層，形成三明治結(jié)構(gòu)，)。硬質(zhì)滾輪模具和彈性滾輪模具在滾型納米壓印中具有不同的作用機制。2

柔性接觸模具變形規(guī)律對壓印力和特征結(jié)構(gòu)深寬比對模具變形的影響:滾輪模具上具有W=1μm, H=1μm 的微特征結(jié)構(gòu)，分別施加0.01N、0.03N、0.05N、0.07N、0.10N、0.20N壓印力。隨著壓印力的增大，滾輪模具最大應(yīng)變總趨勢不斷增大，為了實現(xiàn)高保真圖形復(fù)制，在滿足其他工藝因素前提下，應(yīng)盡可能選用較小的壓印力，以減小模具的變形。

通過深寬比與模具變形關(guān)系的研究，得到結(jié)論：隨著特征結(jié)構(gòu)深寬比的增加，模具的最大應(yīng)變位置發(fā)生改變，應(yīng)變量最初減小，隨后增大，但不是呈現(xiàn)線性關(guān)系。另外，考慮脫模等因素的影響，滾型納米壓印難以實現(xiàn)大深寬比特征結(jié)構(gòu)的制造。此外，考慮尺度效應(yīng)，提出的理論模型和數(shù)值模擬分析的結(jié)果適用范圍是在微尺度，在納尺度下可能不再適用。對于納尺度滾型納米壓印的研究，需要借助量子力學(xué)、納米力學(xué)、分子動力學(xué)、納尺度流體、納米摩擦學(xué)、多尺度模擬等工具開展研究。2

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

王沛 - 副教授、副研究員 - 中國科學(xué)院工程熱物理研究所