大尺寸晶圓級復(fù)合軟模具制造方法研究

大尺寸晶圓級復(fù)合軟模具制造方法研究

1優(yōu)化設(shè)計、開發(fā)軟模具微納制造技術(shù)是支撐下一代信息技術(shù)、新能源、新材料、生物醫(yī)療和微納科技戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。微納結(jié)構(gòu)制造(微納米圖案化)是微納制造技術(shù)的核心,尤其是高效、低成本批量化制造大面積微納結(jié)構(gòu)的工藝和裝備是實現(xiàn)微納器件和產(chǎn)品(諸如圖形化藍(lán)寶石襯底、光子晶體LED、晶圓級微納光學(xué)器件、高效太陽能電池板、新一代高清平板顯示、抗反射和自清潔玻璃、柔性電子等)從實驗室走向大規(guī)模工業(yè)化應(yīng)用的根基。但是大面積微納米結(jié)構(gòu)高效、低成本大規(guī)?？芍貜?fù)性制造是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界所面臨的一項國際化難題,也是當(dāng)前亟待突破的技術(shù)瓶頸問題納米壓印光刻(NanoimprintLithography,NIL)是一種全新的納米制造方法,它通過壓印材料受力變形而實現(xiàn)圖形化。NIL較之現(xiàn)行的投影光刻和下一代光刻(NextGenerationLithography,NGL)技術(shù),具有高分辯率、超低成本(國際權(quán)威機(jī)構(gòu)評估同等制作水平的NIL比傳統(tǒng)光學(xué)投影光刻至少低一個數(shù)量級)和高生產(chǎn)率的特點,其最顯著的優(yōu)勢在于大面積、復(fù)雜三維微納結(jié)構(gòu)制造的能力以及非平整襯底的圖形化,尤其是基于軟模具(或者復(fù)合軟模具)的納米壓印工藝具有在非平整表面(彎曲、翹曲或者臺階)、曲面、易碎襯底上實現(xiàn)晶圓級納米壓印的獨特優(yōu)勢軟模具尤其是大尺寸晶圓級復(fù)合軟模具的制造是實現(xiàn)大面積納米壓印最重要的工藝要素之一,它直接決定壓印圖形的精度、質(zhì)量、圖形化面積、效率等。盡管國內(nèi)外研究人員已經(jīng)開發(fā)出多種軟模具,然而已有的研究結(jié)果和實際應(yīng)用表明,與其它結(jié)構(gòu)軟模具相比,雙層復(fù)合軟模具在大面積納米壓印技術(shù)中顯示出更加突出的優(yōu)勢和更大的應(yīng)用潛能本文針對目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界廣泛使用的大尺寸晶圓級雙層復(fù)合軟模具制造開展了全面系統(tǒng)的研究。建立了復(fù)合軟模具脫模過程和氣泡缺陷理論模型;利用ABAQUS工程模擬軟件,對于雙層復(fù)合軟模具的脫模過程、制約復(fù)合軟模具制造的最大幾何特征因素(特征圖形深寬比)開展了數(shù)值模擬,揭示出大尺寸復(fù)合軟模具影響脫模的因素和內(nèi)在的規(guī)律;提出一種大尺寸晶圓級雙層復(fù)合軟模具低成本制造方法,并完成了4inch滿片雙層復(fù)合軟模具復(fù)制的實驗驗證。本文的研究結(jié)果為大尺寸復(fù)合軟模具的復(fù)制奠定了理論基礎(chǔ),并提供了一種低成本高質(zhì)量制造大尺寸晶圓級雙層復(fù)合軟模具切實可行的方法。2理論分析與建模2.1界面特性對不能確定界面和因素的調(diào)控完全固化后的復(fù)合軟模具與母模的順利分離(脫模)是確保復(fù)合軟模具成功制造的最重要的工藝因素。一方面脫模過程中必須保證復(fù)合軟模具支撐層和圖形層不能發(fā)生分離;另一方面應(yīng)保證圖形層和母模不能出現(xiàn)粘附,尤其是脫模過程中不能造成母模損壞。為了確保這些目標(biāo),必須對雙層復(fù)合軟模具與母模的3個表面和2個界面的特性和脫模行為進(jìn)行有效地調(diào)控。圖1是雙層復(fù)合軟模具與母模分離使用的“揭開式”脫模的原理示意圖。圖1(a)是雙層復(fù)合軟模具固化后形成的支撐層-圖形層-母模三層結(jié)構(gòu)示意圖,圖1(b)是大尺寸晶圓級復(fù)合軟模具脫模廣泛使用的“揭開式”脫模原理示意圖。為了便于理論分析和模型的建立,雙層復(fù)合模具與母模的接觸區(qū)域簡化為矩形接觸。根據(jù)固體-固體接觸界面粘附能理論其中:γ在其接觸面上形成的粘附力為F其中:E是接觸面物體1和物體2材料的綜合彈性模量,a是等效接觸半徑。E的值可以根據(jù)下式求出:其中,E若雙層復(fù)合軟模具支撐層和圖形層之間的粘附力為F母模表面含有微納特征結(jié)構(gòu),由于接觸表面的尺寸放大效應(yīng),復(fù)合軟模具的圖形層與母模的接觸面積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于支撐層材料與圖形層材料的接觸面積,導(dǎo)致圖形層和母模之間的粘附力呈指數(shù)上升,大大增加了脫模難度以目前大面積納米壓印廣泛使用的線柵結(jié)構(gòu)和孔柱結(jié)構(gòu)為例,進(jìn)行具體分析和討論。2.1.1營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的確立母模特征圖形為線柵結(jié)構(gòu),假設(shè)周期為T,深寬比為α,圖形占空比為β,接觸區(qū)域的長度為L,接觸區(qū)域的寬度為B,則支撐層與圖形層的接觸面積S對于固體表面接觸,采用Hertz接觸模型可以求出接觸半徑其中:W由公式(4)和(7)可以得到,對于線柵幾何結(jié)構(gòu)的母模,雙層復(fù)合軟模具成功的脫模的條件:2.1.2復(fù)合軟模具兩種主體結(jié)構(gòu)的復(fù)合母模特征圖形為孔柱結(jié)構(gòu),假定橫向周期為T兩個接觸面上的粘附力分別為:由公式(4)和(11)可以得到,對于孔柱幾何結(jié)構(gòu)的母模,雙層復(fù)合軟模具成功的脫模的條件:根據(jù)以上分析,由于母模含有的幾何特征結(jié)構(gòu)的表面放大效應(yīng),將導(dǎo)致復(fù)合軟模具圖形層和母模之間的粘附力成倍增大。如果要確保雙層復(fù)合軟模具圖形層和支撐層作為一個整體從母模上順利分離,必須有效地降低圖形層-母模接觸面的粘附能,同時增加支撐層-圖形層接觸面的粘附能。2.2復(fù)合模具氣泡缺陷產(chǎn)生的原因不同于小尺寸軟模具的制造,大尺寸復(fù)合軟模具制造過程中容易產(chǎn)生許多氣泡,這些氣泡必須被盡可能去除,如果產(chǎn)生的氣泡不能被完全去除,將會導(dǎo)致復(fù)制的復(fù)合軟模具產(chǎn)生氣泡缺陷,嚴(yán)重影響所制造的復(fù)合軟模具的質(zhì)量和使用壽命。復(fù)合軟模具制造過程中產(chǎn)生的氣泡缺陷主要來源于兩個方面:2.2.1復(fù)合軟模具支撐層的對比對于本文提出的復(fù)合軟模具制造工藝,在母模板表面旋涂圖形層聚合物之后,直接將支撐層覆蓋(壓印)在圖形層聚合物表面,而支撐層的覆蓋方式(壓印力的施加方式)對于復(fù)合軟模具的質(zhì)量具有重要的影響,不同的施壓方式將會產(chǎn)生不同的效果。例如圖2所示的整體平行式覆蓋,在支撐層和圖形層同時大面積接觸過程中,由于很難保證壓印力的均勻施加,外界空氣容易陷入圖形層和支撐層之間,并且難以被有效地排除,這將導(dǎo)致制造的雙層復(fù)合軟模具支撐層和圖形層之間產(chǎn)生氣泡缺陷,嚴(yán)重影響所制造的復(fù)合軟模具質(zhì)量。已有實驗結(jié)果表明,如果支撐層采取“漸進(jìn)式”順序線接觸施壓和貼合,能夠有效地減少或者避免支撐層和圖形層貼合過程中生成的氣泡缺陷,提高復(fù)合軟模具的質(zhì)量。如圖3(a)所示,當(dāng)從中心逐漸向四周順序施壓和貼覆,一方面能夠?qū)崿F(xiàn)完全共形接觸,另一方面可以將氣泡完全向四周擠出;如圖3(b)所示,從一側(cè)逐漸施壓和貼覆,能夠?qū)馀輳牧硪粋?cè)排出。這兩種“漸進(jìn)式”順序線接觸施壓和貼覆能夠有效地減少或者避免在支撐層和圖形層之間生成氣泡缺陷。此外,增大壓印力也有利于排出壓印過程中混入的氣泡,“漸進(jìn)式”順序線接觸施壓和貼覆能夠提高雙層復(fù)合軟模具的質(zhì)量和精度,但是由于壓印力的存在,將會導(dǎo)致圖形層的厚度減薄,根據(jù)Reynolds定理和Navier-Stockes方程可以得到壓印力和圖形層聚合物厚度的關(guān)系其中:h由于壓印力會進(jìn)一步減薄圖形層厚度,因此若想獲得精確厚度的圖形層聚合物,旋涂圖形層聚合物的厚度必須要大于預(yù)定的目標(biāo)層厚。2.2.2復(fù)合軟模具后處理加熱過程中產(chǎn)生的氣泡支撐層與圖形層完全貼合后,將支撐層-圖形層-母模三層復(fù)合結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移到熱板(或者加熱箱)進(jìn)行加熱,在加熱固化過程中,圖形層聚合物材料內(nèi)部也會產(chǎn)生氣泡缺陷浮力、重力、粘性阻力的值可以用式(15)表示其中:D是氣泡的直徑,ρ是圖形層材料的密度,g是重力加速度,C隨著溫度的升高,圖形層聚合物內(nèi)部的氣體受熱膨脹,導(dǎo)致浮力變大,原有的平衡狀態(tài)被打破,氣泡產(chǎn)生向上的加速度a在加速度a為了減少復(fù)合軟模具后處理加熱過程中產(chǎn)生的氣泡缺陷,可以在旋涂圖形層聚合物之前將聚合物放入真空環(huán)境進(jìn)行抽真空處理,將聚合物內(nèi)部混有的空氣去除。抽真空處理之后的聚合物內(nèi)部仍然可能殘留少量氣體,隨著溫度的升高,殘留的氣體仍然可能在支撐層表面形成氣泡缺陷。在加熱過程中,如果在支撐層上表面施加并且保持均勻壓印力,在壓印力的作用下,可以使圖形層和支撐層更好地粘附在一起,一方面保證了圖形層和母模板之間的完全共形接觸,另一方面減少加熱過程中產(chǎn)生的氣泡缺陷。3復(fù)合軟模具數(shù)值模擬為了進(jìn)一步揭示大尺寸雙層復(fù)合軟模具制造過程中,“揭開式”脫模和制約復(fù)合軟模具制造的最大幾何特征因素(特征圖形深寬比)對于所制造的雙層復(fù)合軟模具影響及其內(nèi)在的規(guī)律,利用ABAQUS工程模擬軟件,開展了復(fù)合軟模具宏觀和微觀脫模過程數(shù)值模擬研究。3.1自身表面壓力數(shù)值模型采用三層結(jié)構(gòu),從上到下分別是支撐層、圖形層、母模。本文支撐層材料選擇PET,圖形層材料選擇PDMS,母模材料為硅。圖形層PDMS和硅母模的接觸層采用Maxs損傷演化分離準(zhǔn)則,材料屬性見表1(2)載荷和邊界條件分別在支撐層PET上施加沿彎曲方向和垂直方向的表面載荷,在硅母模下表面施加固定約束。(3)結(jié)果分析整體“平行式”脫模對應(yīng)的應(yīng)力云圖如圖6(a)所示,通過仿真模擬應(yīng)力云圖可以看出,平行式脫模采用一次性同時分離的方式進(jìn)行脫模,整個接觸面上同時產(chǎn)生接觸應(yīng)力,隨著脫模面積的增大,導(dǎo)致脫模力成倍增加,大大增加了脫模難度?！敖议_式”脫模對應(yīng)的系統(tǒng)應(yīng)力云圖如圖6(b)所示,根據(jù)應(yīng)力云圖,“揭開式”脫模采用線接觸順序逐漸分離,接觸面上產(chǎn)生的應(yīng)力始終保持在一個很小的區(qū)域內(nèi)。因此,與整體脫模方式相比,“揭開式”脫模需要的脫模力非常小,而且脫模力幾乎不受脫模面積的限制,并且保持相對穩(wěn)定,波動性小,對于復(fù)制模具圖形的影響非常小,能夠避免大尺寸晶圓級復(fù)合軟模具脫模過程的帶來的問題和缺陷,提高所制造雙層復(fù)合軟模具的精度和質(zhì)量3.2特征圖形深寬比對應(yīng)力的影響盡管“揭開式”脫模在大尺寸復(fù)合軟模具制造中具有非常突出的優(yōu)勢,但是脫模仍然受到特征結(jié)構(gòu)(圖形)深寬比的限制,對于確定的復(fù)合軟模具材料、厚度和結(jié)構(gòu),理論上存在一個最大深寬比,超過這個臨界值,將可能導(dǎo)致復(fù)合軟模具制造失敗,母模被損壞。(1)模型建立選取特征圖形的深寬比分別為1∶1,2∶1,3∶1,4∶1,5∶1,6∶1的矩形特征結(jié)構(gòu),進(jìn)行數(shù)值模擬,特征結(jié)構(gòu)的寬度均為2μm,在圖形層PDMS一端施加5N的表面載荷,襯底下端施加完全固定約束,觀察系統(tǒng)的應(yīng)力大小及分布。(2)結(jié)果分析圖7是不同深寬比對應(yīng)的應(yīng)力云圖,圖8是接觸區(qū)域產(chǎn)生的最大應(yīng)力折線圖。根據(jù)模擬的應(yīng)力云圖,當(dāng)施加5N的脫模力時,深寬比為1∶1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為101.7MPa;深寬比為2∶1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為117.8MPa;深寬比為3:1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為130.5MPa;深寬比為4:1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為158.0MPa;深寬比為5:1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為195.2MPa;深寬比為6:1的特征結(jié)構(gòu)接觸區(qū)域的最大應(yīng)力為220.3MPa。根據(jù)應(yīng)力折線圖,隨著特征圖形深寬比的增大,接觸區(qū)域產(chǎn)生的應(yīng)力逐漸增大。這是因為深寬比增大導(dǎo)致圖形層PDMS與母模接觸面上的粘附力增大,所需的脫模力也隨之增大,當(dāng)脫模力超過PDMS材料的強(qiáng)度極限時,將導(dǎo)致脫模過程中PDMS在型腔中斷裂。因此,對于“揭開式”脫模,深寬比不宜過大,當(dāng)深寬比超過8∶1時,復(fù)合軟模具的制造面臨巨大的挑戰(zhàn)。4pet-pdms-母模三復(fù)合膜的制備根據(jù)上述理論分析和數(shù)值模擬的結(jié)果,本文提出一種面向大面積納米壓印的大尺寸晶圓級雙層復(fù)合軟模具低成本制造方法,其制造工藝原理如圖9所示。首先,對母模進(jìn)行抗黏附處理,用全氟抗粘附劑進(jìn)行浸泡(或者氣相蒸鍍),在母模表面形成一層自組裝單分子膜,以降低母模的表面能,便于脫模;然后,在母模表面旋涂一層超薄脫模劑,進(jìn)一步降低母模表面能;接著,在母模表面旋涂圖形層聚合物PDMS,并進(jìn)行抽真空處理,排出PDMS內(nèi)部的氣泡;采用“漸進(jìn)式”順序線接觸施壓和貼覆支撐層PET,盡可能消除壓印過程產(chǎn)生的氣泡缺陷;隨后,在保持均勻壓印力施壓的同時,將PET-PDMS-母模三層復(fù)合結(jié)構(gòu)置于熱板上(或者加熱箱中)均勻加熱(為了避免過高溫度導(dǎo)致PET受熱變形,加熱溫度不能高于60℃),確保PDMS完全固化;最后,將完全固化的三層復(fù)合結(jié)構(gòu)從加熱箱中取出,采用“揭開式”脫模將復(fù)合軟模具與母模分離。5雙層復(fù)合軟模具制造以4inch滿片雙層復(fù)合軟模具制造作為典型案例,結(jié)合理論分析和數(shù)值模擬的研究結(jié)果,采用上述晶圓級雙層復(fù)合軟模具低成本制造方法,制造4inch滿片雙層復(fù)合軟模具。5.1圖形結(jié)構(gòu)、周期、深寬度、材料長度實驗所用PDMS為道康寧公司生產(chǎn)的道康寧184;實驗中所用的母模為4inch滿片硅模板,其中,圖形結(jié)構(gòu)為線柵結(jié)構(gòu),線寬4μm,周期6μm,深寬比為1∶1;實驗所用PET厚度為0.3mm;十七氟癸基三氯硅烷(FDTS,購于南京全?；び邢薰?、脫模劑MD-31078(購于連云港倍立達(dá)新材料有限公司)、異辛烷、丙酮、異丙醇、去離子水等。5.24exkh滿塊圖形，兩條復(fù)合軟件的復(fù)制5.2.1熱板上烘干、浸泡(1)硅母模采用標(biāo)準(zhǔn)清洗步驟清洗:丙酮超聲、異丙醇超聲及去離子水超聲各處理20min;將母模置于熱板(或加熱箱)上烘干;(2)以異辛烷為溶劑,配置1%濃度的十七氟癸基三氯硅烷溶液(FDTS),靜置15min,然后將母模放入其中浸泡30min;(3)分別用異辛烷、丙酮、異丙醇于超聲條件下各清洗20min。經(jīng)過抗粘附處理后的母模如圖10所示。5.2.2層材料的pdms預(yù)處理將混合均勻的PDMS放入真空干燥箱,調(diào)節(jié)壓力到-0.1MPa并且靜置15min,PDMS表面沒有明顯氣泡產(chǎn)生時取出。5.2.3抗黏附層的制備在旋涂圖形層材料PDMS之前,在硅母模表面滴加2ml脫模劑,以2000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂40s,在母模(硅模板)圖形表面形成一層抗黏附層。5.2.4旋轉(zhuǎn)表示pdms材料在硅母模表面滴加PDMS,并且以1000r/min的轉(zhuǎn)速旋涂20s。5.2.5圖形層材料pdms復(fù)合采用“漸進(jìn)式”順序線接觸施壓的方式將支承層PET材料覆蓋在圖形層材料PDMS上,確保支承層PET與圖形層PDMS牢固粘附在一起(為了提高支承層PET和圖形層PDMS之間的粘附力,支承層PET在使用前可以進(jìn)行氧等離子轟擊表面處理)。5.2.6圖形層和支撐層的印力在支承層PET上表面施加均勻壓印力并保持該壓印力,直到加熱結(jié)束(確保圖形層和支撐層更好的粘附在一起,保證圖形層和母模之間的完全共形接觸,減少加熱過程中產(chǎn)生的氣泡缺陷)。5.2.7加熱硬化劑將硅母模-PDMS-PET三層復(fù)合結(jié)構(gòu)放入50℃環(huán)境中加熱12h,確保圖形層材料完全固化(本文使用的是加熱箱)。5.2.8雙層復(fù)合軟模具將PET-PDMS-母模三層復(fù)合結(jié)構(gòu)從加熱箱中取出,采用“揭開式”的方式把PET揭開,圖形層PDMS粘附在支撐層PET上從硅母模表面分離,脫模后的雙層復(fù)合軟模具如圖11(a)所示,復(fù)合軟模具在電鏡下的微觀結(jié)構(gòu)圖如圖11(b)所示。對制造的雙層復(fù)合軟模具進(jìn)行表征和測量,表征區(qū)域的線寬最小尺寸3.924μm,線寬最大尺寸4.113μm;周期最小尺寸5.873μm,周期最大尺寸6.175μm。與母模相比,特征結(jié)構(gòu)圖形的線寬和周期誤差均在±3%以內(nèi)。5.3比較試驗結(jié)果5.3.1實際使用壽命對于晶圓級母模,通過在母模邊緣施加外力,直接將圖形層材料和母模分離,這種脫模方式極易損壞母模邊緣的圖形結(jié)構(gòu),尤其是隨著母模使用次數(shù)的增加,甚至?xí)斐赡改＿吘増D形缺失,大大降低母模的實際使用壽命。例如圖12所示的4inch晶圓級硅母模(特征結(jié)構(gòu)為光柵結(jié)構(gòu),線寬2.5μm,深度2μm,周期6μm),由于采用直接分離圖形層的方式進(jìn)行脫模,造成圖形損壞,圖12(a)是母模宏觀形貌圖,圖12(b)是母模邊緣劃損部分微觀形貌圖。圖中可以看出,采用以往的模具制造方法,造成母模邊緣產(chǎn)生明顯的劃痕和圖形缺失,通過光鏡下的微觀形貌圖可以看出,母模劃損部分的特征結(jié)構(gòu)產(chǎn)生斷裂,圖形被破壞。本文的復(fù)合軟模具制造方法采用支撐層和圖形層同時分離的方式進(jìn)行脫模,模具制作過程中母模上沒有外力施加,有利于保護(hù)母模的圖形結(jié)構(gòu),提高母模的使用壽命。5.3.2圖形層與支撐層的分離在實驗室軟模具制作過程中,為了快速制造雙層復(fù)合軟模具,通常采用先從母模上復(fù)制圖形層,再將圖形層和支撐層進(jìn)行貼合的方式,以縮短軟模具的制造時間,但這將會導(dǎo)致圖形層材料和支撐層材料之間的貼合強(qiáng)度低(兩層之間結(jié)合強(qiáng)度差),在壓印過程中易于出現(xiàn)圖形層與支撐層的分離。如圖13所示,使用后的軟模具產(chǎn)生圖形層與支撐層表面分離,圖13(a)是復(fù)合軟模具使用之前的形貌圖,圖13(b)是復(fù)合軟模具使用后的形貌圖。實驗結(jié)果表明,采用