卷對卷納米壓印脫模過(guò)程的有限元模擬

　　本文提出卷對卷納米壓印脫模的兩種形式并分析了脫模過(guò)程中的阻力。選取垂直于光柵形微結構的截面作為研究對象,忽略脫模過(guò)程中旋轉角度的影響，將模板上微結構當作豎直平移脫離膠層的方式來(lái)處理,利用ANSYS 有限元軟件模擬了卷對卷脫模過(guò)程中不同位置的變形和等效應力分布。結果顯示脫模過(guò)程中出現兩處應力集中，且應力集中處的最大應力在脫模剛發(fā)生時(shí)出現波動(dòng)，隨后逐漸增大。

　　納米壓印技術(shù)（Nanoimprint lithography）采用高分辨率電子束光刻等方法將結構復雜的納米結構圖案制在印章上，然后用預先圖案化的印章使聚合物材料變形而在聚合物上形成結構圖案，再用反應離子刻蝕或金屬溶脫技術(shù)將聚合物圖形轉移到基片上。目前該技術(shù)最先進(jìn)的程度已達到10 nm 以下的水平。納米壓印具有高分辨率、高產(chǎn)量、低成本的優(yōu)點(diǎn), 被納入國際半導體藍圖(ITRS)，成為下一代22 nm 節點(diǎn)光刻技術(shù)的代表之一。但是納米壓印只能實(shí)現單片圖形復制，其加熱、冷卻工序時(shí)間較長(cháng)，無(wú)法滿(mǎn)足大規模生產(chǎn)的需求。同時(shí)當模板面積增大時(shí)，需要非常大的壓印力，容易造成壓力不均，甚至破壞模板。

　　隨著(zhù)大面積柔性顯示器、超薄有機太陽(yáng)能電板等產(chǎn)品的問(wèn)世，急需尋找一種新的加工方法來(lái)滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化需求。卷對卷納米壓印技術(shù)（R2RNIL）正是在這一背景下發(fā)展起來(lái)的，它采用了具有微結構的柔性模板，利用輥柱的旋轉和上下輥對壓方式將模板與涂有光刻膠的柔性基底逐漸壓合再逐漸脫模，以此將模板上的微結構復制到膠層上。其顯著(zhù)特點(diǎn)是涂膠、壓印、固化、脫模等工序集合到一套裝置線(xiàn)中完成，能實(shí)現微結構的連續復制；其次模板與膠層從局部到整體逐步壓合和逐步脫開(kāi)，所需壓印力和脫模力小、壓力均勻，能實(shí)現大面積圖形復制。卷對卷納米壓印這兩大優(yōu)點(diǎn)使其能夠滿(mǎn)足產(chǎn)業(yè)化高生產(chǎn)率的需求。

　　脫模是卷對卷納米壓印過(guò)程中的關(guān)鍵環(huán)節，直接決定了微結構復制的成敗和質(zhì)量的好壞。脫模的首要條件是膠層與基底的表面結合能要大于膠層與模板的表面結合能，保證膠層不會(huì )脫離基底而粘附在模板上面。目前，國內外對卷對卷納米壓印的脫模研究工作還非常有限，本文在分析脫模形式和建立的受力模型的基礎上，對卷對卷脫模過(guò)程中模板和膠層微結構的受力和變形情況進(jìn)行有限元分析。

1、R2RNIL 脫模形式及脫模阻力

1.1、R2RNIL 工藝原理

　　如圖1 所示，涂膠輥將容器內液態(tài)的紫外光刻膠均勻旋涂到不斷前進(jìn)中的透明柔性基底上，并在壓印前烘發(fā)掉溶劑；然后，柔性模板繞著(zhù)壓印輥旋轉與基底保持同速，模板上的微結構逐漸壓入到紫外光刻膠層內，并保持壓合狀態(tài)使得光刻膠充分填充微結構空腔，再由紫外光源對壓合的膠層進(jìn)行曝光，使得填充入模板微結構空腔中的膠層壓印結構固化定型；最后，模板與基底通過(guò)旋轉的方式逐漸脫離開(kāi)來(lái)。

圖1 卷對卷納米壓印工藝流程簡(jiǎn)圖

1.2、R2RNIL脫模形式

　　在傳統納米壓印脫模過(guò)程中，模板是整體從膠層上脫離開(kāi)來(lái)的，脫模接觸面積大，以致脫模阻力大，且容易破壞模板與膠層本應保持的平行狀態(tài)，造成各部分脫模不一致。根據脫模發(fā)生面與光柵形微結構的幾何關(guān)系將R2RNIL 脫模分成平行脫模和垂直脫模兩種方式。平行脫模指脫模發(fā)生面（圖2 中的粗短箭頭）與微結構線(xiàn)槽側壁平行；垂直脫模指脫模發(fā)生面與微結構線(xiàn)槽側壁垂直。無(wú)論哪種脫模形式，模板微結構都由局部到整體逐漸地從膠層壓印結構脫離出來(lái)。因此脫模接觸面積非常小，相對于整體脫模其阻力明顯減小，且這種局部脫模方式能很好地保持模板與膠層的相對位置，脫模過(guò)程平穩得多。

圖2 R2RNIL 的兩種脫模情形

3、總結

　　卷對卷納米壓印采用了柔性模板和紫外光刻膠在常溫下進(jìn)行壓印，所以在有限元建模時(shí)將單元類(lèi)型設置為高彈體，這很好地反映了實(shí)際脫模時(shí)的應力分布；由于模板脫離膠層時(shí)的旋轉半徑比模板上微結構尺寸大得多，仍然認為模板微結構是豎直脫離出膠層的。我們對脫模過(guò)程的不同位置以及具有不同深寬比的微結構的脫模情況進(jìn)行了有限元模擬。本文只討論了不同深寬比對脫模的影響，影響脫模的因素還有壓印輥轉速、模板和紫外膠的材料等。另外，當深寬比足夠大時(shí)，脫模旋轉的角度影響將變得明顯，不能再認為模板微結構側壁與膠層壓印側壁是平行滑動(dòng)的了，這些都有待進(jìn)一步探討。