溫聚英 魏正英 熊孝東 杜 軍 盧秉恒

西安交通大學(xué)機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室,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理進行研究[1]。

一些研究人員通過模擬與實驗相結(jié)合的方法對微壓印后抗蝕劑的填充形狀進行了研究,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,并得出一個簡單的二維抗蝕劑填充時間公式。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,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),進行有限元仿真時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,并進行壓印實驗,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,橫截面寬度方向為x軸,溝槽深度方向為y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個特征圖型的寬度,Wi為第i個溝槽的寬度,S為壓印模具橫向?qū)挾?。有限元幾何模型主要由軟模?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,體積力起主導(dǎo)作用;當(dāng)特征尺寸很小時,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算法則進行檢驗。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,時間步長為0.01,收斂精度為0.001,選用隱格歐拉方法進行迭代。

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,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間下,在無表面張力的時候,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,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,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,溝槽約束空間內(nèi)的空氣有足夠的時間逃逸出去,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,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、模具運動速度都相同時,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,較大特征圖型寬度下方的抗蝕劑的流動速度較高。模具下壓時刻相同,占空比越小,高度差越大。隨著壓印時間的增加,兩個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速度向下運動時,不同時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,雙峰慢慢重合消失,少量的抗蝕劑往溝槽邊緣填充運動;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,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,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)壁運動,出現(xiàn)雙峰。如果壓印的時間不夠,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、填充高度及填充時間評價抗蝕劑填充效果?？刮g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。抗蝕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,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,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時的填充時間較長。在實際的工藝中,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,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,模具受到抗蝕劑作用力較大,所受應(yīng)力大。可用石英玻璃襯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 實驗驗證

選擇兩種不同特征結(jié)構(gòu)的模具進行實驗,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。具體的勻膠實驗參數(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,結(jié)束下壓,并進行紫外曝光固化,固化時間為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壓印后的抗蝕劑形貌。使用模具a和模具b進行壓印實驗,抗蝕劑填充形貌實驗結(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,這是由于本實驗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。采用此模具進行壓印實驗,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進行壓印實驗,甩膠厚度較厚時,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,出現(xiàn)單峰,寬厚比大于1時出現(xiàn)雙峰。對于模具b,甩膠厚度較薄時,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、垂直運動變形及峰值位置。寬厚比小于1時,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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