微復型過程中聚合物流動填充機理的可視化實驗分析

《微復型過程中聚合物流動填充機理的可視化實驗分析》是依託西安交通大學，由魏正英擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：微復型過程中聚合物流動填充機理的可視化實驗分析
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：魏正英
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

為提高微復型質量需進行微復型中聚合物的流動填充機理的分析，而在微納尺度下的聚合物流動分析沒有現成的理論指導。針對微納尺度壓印時聚合物流動為滑移流，其流動計算模型的建立需進行聚合物流動觀測實驗的問題，本項目擬基於離焦數字粒子圖像顯示PIV技術，搭建微復型中聚合物流動填充三維觀測實驗平台，進行微復型中聚合物三維流動填充過程的可視化觀測實驗。通過對拍攝圖像進行後處理，獲得聚合物微流場分布和填充軌跡輪廓圖，用其對滑移流計算模型的滑移係數進行不斷計算和修正，建立起相應的滑移流計算數學模型，並驗證微/納尺度下所建立的粘度模型，總結出微壓印過程中抗蝕劑微流動理論。在此基礎上採用動格線和流固耦合方法對具有動邊界的微復型過程中聚合物微流動和軟模具的變形機理進行分析，建立微復型工藝參數、模型結構尺寸等相關因素與聚合物流動填充的關係，並可最佳化軟模具結構，為微壓印光刻中圖形轉移質量與保真度的研究提供理論指導。

結題摘要

微納米尺度的結構成型是微納米製造中的核心工藝。相比傳統光刻技術，微納米壓印具有高解析度、低成本和短周期等獨特優勢。儘管微納米壓印技術已在光電器件製造方面得以實際套用，但仍存在壓印軟模具的變形失效、抗蝕劑填充結果不理想等質量問題，這主要由於壓印中抗蝕劑填充和流動行為直接影響到微復型結構最終成型的質量。因此，研究微納米壓印過程中抗蝕劑填充流動特性，揭示抗蝕劑填充機理，提出壓印工藝改進方案和模具結構最佳化設計是壓印技術研究領域的主要課題。針對上述問題，本項目研究了抗蝕劑在納米特徵尺度下的流變特性及在微納米尺度下的填充流動特性，搭建三維微PIV實驗系統，通過對抗蝕劑填充行為計算和可視化實驗對比研究，揭示抗蝕劑填充成型規律。主要完成工作如下：微納米尺度下抗蝕劑流變特性分析。流變特性是決定抗蝕劑流動性的關鍵參數，本項目採用逆向非平衡分子動力學方法建立納米空間內抗蝕劑的粘度模型，分析了系綜、抗蝕劑組成、剪下速率和基底層厚對抗蝕劑粘度的影響。 微納米壓印中抗蝕劑流動填充特性的數值計算。套用上面建立的修正的抗蝕劑粘度模型，建立抗蝕劑流動填充數學模型。系統分析模具結構、抗蝕劑初始膜厚與抗蝕劑填充高度、填充廓線、填充率及填充模式間的內在關係，總結抗蝕劑在填充中廓線峰值位置隨填充時間的變化規律，指出初始膜厚與模具凹槽槽寬比值是決定抗蝕劑填充模式的重要參數，得到單雙峰填充轉換的臨界範圍。為驗證微納米壓印填充計算的正確性，根據抗蝕劑填充流動特點，搭建三維離焦數字PIV實驗系統。通過對分散於抗蝕劑內的螢光納米示蹤粒子進行螢光圖形採集、處理，獲得抗蝕劑在各種工況下示蹤粒子群三維運動軌跡，為構建和表征抗蝕劑三維填充微流場提供數據支撐。 通過對抗蝕劑填充特性的可視化研究，驗證了微壓印抗蝕劑流動填充數值計算結果，揭示抗蝕劑填充機理。結果表明在給定抗蝕劑初始膜厚條件下，隨著深寬比DWR的減小，抗蝕劑多會以雙峰模式填充凹槽，其填充廓線峰值點沿水平方向呈階梯形遷移，DWR越小，階梯效應越明顯，在雙峰填充模式中，峰值點起始位置會隨模具側壁的位置發生改變；隨著抗蝕劑初始膜厚的減小，抗蝕劑填充方式由單峰模式向雙峰模式填充轉換，雙峰模式下抗蝕劑填充率隨填充時間的變化率呈明顯的非線性特徵。