纳米压印情形下胶体温度分析
摘 要 低温纳米压印技术具有工艺效率高、生物相容性好等优点，在微纳结构制造领域一直备受重视。由于温度变化对工艺制备尤其是纳米级产品的制备影响很大，因此对低温纳米压印情形下胶体温度分析这个课题的研究，显得尤为重要。文中首先简要介绍了纳米压印技术，然后用有限元分析软件ANSYS 10.0建立低温纳米压印情形下的二维模型，并对不同参数组合进行求解和分析。 分析过程分为五项，包括胶体受热自身变化情况分析、胶体温度变化分析、胶体材料变化分析、外界因素（均匀温度和参考温度）变化分析、胶体厚度变化分析。在胶体受热自身变化情况分析中，设置加热时间为0.36s、330s、650s，观察胶体温度变化图，得出加热初期温度分布不均且变化很大，加热后期温度分布均衡且平缓；在胶体温度变化分析中，处于与加热区域平行的一个面的胶体各节点温度时间曲线的温度变化规律相同，而越接近加热区域的各节点，温度变化越快，并通过大量模拟仿真实验得出温度为383K、393K、403K和413K的受热均匀时间分别为506.9s、513.9s、520.3s、525.7s，表明随着温度升高，胶体受热均匀所需时间加长；在胶体材料变化分析中，得出了材料变化是影响胶体时间变化的因素；在胶体厚度变化分析中，模拟胶体厚度分别为5mm、6mm、7mm的结构模型，得出二维和三维胶体受热温度均匀时间表，通过数据运算得知温度越高，胶体越厚，加热均匀所需时间越长；在外界因素变化分析中，分别设置均匀温度和参考温度为293K、323K、343K，得出胶体受热均匀所需时间随均匀温度和参考温度的升高而减少。通过本课题的分析可以更加清晰地了解胶体的受热升温过程，为胶体设计提供更多的理论依据，另外可以深入了解胶体各节点温度变化状况，解决现实中不可能观察到的细节变化，并缩短了工艺前期的设计、分析周期，减少了昂贵的实验耗材。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题的提出及研究意义 1
1.1.1课题提出 1
1.1.2研究意义 2
1.2纳米压印技术 2
1.2.1纳米压印的发展历史 2
1.2.2纳米压印技术分类 3
1.2.3纳米
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
压印技术的发展趋势 5
1.2.4优势及应用领域 5
1.2.5挑战与前景 6
1.3课题设计的目标及基本原理 7
1.3.1设计目标 7
1.3.2基本原理 7
1.4本文的组织结构 8
第2章 设计思路和建模 9
2.1设计思路 9
2.2有限元及ANSYS简介 9
2.2.1 ANSYS 10.0简述 10
2.2.2基于有限元的温度分析 11
2.3二维模型建模过程 12
2.3.1 Preference设置 12
2.3.2 Element Type设置 13
2.3.3 Material Props设置 13
2.3.4 Modeling建模 14
2.3.5 Meshing网格划分 14
2.3.6指定分析类型 15
2.3.7加载与求解 16
2.3.8绘制结果图 17
2.3.9节点温度时间函数 18
2.4本章小结 20
第3章 低温纳米压印情形下胶体温度分析 21
3.1胶体温度变化进度图 21
3.1.1时间为0.36秒 21
3.1.2时间为330秒 22
3.1.3时间为650秒 23
3.2温度变化分析 24
3.2.1温度为383K 24
3.2.2受热均匀的温度时间表 26
3.3材料变化分析 26
3.3.1胶体材料为PMMA 27
3.3.2胶体材料为PET 27
3.3.3受热均匀的温度时间表 28
3.4参考温度和均匀温度变化 29
3.5胶体厚度变化分析 30
3.6本章小结 30
第4章 总结与展望 32
4.1本课题的主要工作 32
4.2总结与展望 32
参考文献 34
致谢 36
英文论文原文 37
翻译 45
第1章 绪论
1.1 课题的提出及研究意义
从古至今，科学技术的发展都在加深人们对世界的思考与认识，一方面不断地探索宇宙这个宏观世界，一方面又不断地加快向微观世界迈进的脚步[1]。尤其在近五十年来，微型化的发展引起了世界对微结构领域的关注，至今都致力于缩小尺寸的研究。几十年以来，人们摸索微观世界的脚步已由微米尺寸进入到纳米尺寸，微电子加工工艺已进入纳米时期。随着工艺尺寸的进一步缩小，由于光学光刻技术自身因素的限制[2]，就算是光学光刻技术得到改善，也难以满足微电子行业继续按照摩尔定律的规律发展的需求，而纳米压印工艺(NanoImprint Lithography，NIL)极有成为下一代光刻工艺的可能[36]，从而登上世界的舞台。由于纳米压印工艺是基于物理变形复制图案，不受对高精度聚焦系统等因素的限制和要求，因此具有较高的分辨率，可加工高于5纳米的任何图案。纳米压印手艺另外一上风在于将陈腐的压模手艺引入到当代高科技范畴，相称昂贵的光学光刻工艺只需被用一次以制造可靠地印章，印章就能够大批量的复制产物，是以大大降低了半导体制造的成本。纳米压印工艺的这些特色使得其被认为是最有利用远景的下一代光刻技术(Next Generation Lithography)之一。
1.1.1 课题提出
随着纳米尺寸的缩小，人们对压印技术的要求越来越高，需要制造出更高的精度，更清晰地分辨率，价格又适中的半导体器件。而作为微纳结构制备工艺的光学光刻技术因其本身因素的限定，难以达到纳米压印制造技术对高线性分辨率的理想的需求。纳米压印技术作为当今最具发展前景和活跃性的技术之一，已经在很多领域都有其应用的影子，如集成电路、光学(光栅)、电子学（聚合物电子学）、生物学和微流体学等[711]。低温纳米压印技术是将抗蚀剂加热到它本身的玻璃化温度以上，然后用模板接触压印进行图案的复制转移。低温纳米压印技术具有工艺效率高、生物相容性好等优点。作为一项具有影响力的纳米压印技术的发展方向，更需要人们耐心的探索与研究。本课题针对这一方面，将涉及低温纳米压印技术方面的胶体温度变化情况进行分析，并得出相应的结果。
1.1.2 研究意义
对低温纳米压印情形下胶体不同区域的温度进行分析，有利于掌握胶体不同时间段的温度分布特性。通过运用限元分析软件ANSYS 10.0对低温纳米压印情形下胶体的温度进行分析，对降低实验成本和掌握工艺参数具有重要的作用。此外，本课题还进行了与胶体温度分析相关的研究，如胶体受热自身变化情况分析、胶体温度变化分析、胶体材料变化分析、外界因素（均匀温度和参考温度）变化分析、胶体尺寸变化分析。这些对微纳工艺中温度、时间、材料、厚度的分析结果在工艺生产领域具有参考性价值，为纳米压印制备技术在优化工艺方面打下坚实的基础。
1.2纳米压印技术
1.2.1纳米压印的发展历史
1947年12月，Bardeen等人在贝尔实验室制造出世界上第一个半导体管，引领了半导体微电子技术潮流[12]。1974年，出现“纳米技术”一词描述精密机械加工工艺。1990年，美国某研究中心的科学家成功使用扫描隧道显微镜将35个氤原子排列成了IBM三个字母，总长不到3个纳米。这一成功案例的出现成为了纳米技术新的里程碑。1995年，华裔科学家美国普林斯顿大学纳米结构实验室Stephen Y．Chou教授首先提出纳米压印技术[1314]。1999年，德州COLBURN大学等通过改进热塑性纳米压印技术提出了步进闪烁纳米压印技术(Step and flash imprint hthography，SFIL)，无需加热就能实现光刻胶固化[15]。从2000年到2004年，美国BAILEY大学等对SFIL模具进行研究，发现CF3官能团单体膜具有最低的表面能，可作为良好的脱模剂，还能优化压力和脱模力。2003年，韩国研究人员CHOI和PARK提出可防止弹性印章膨胀引起的图形复制转移缺陷的方法：在印章表面涂覆TenonAF。随后他们又通过改进紫外常温压印和微接触压印技术提出了紫外光结合软压印的方法来压印微结构。2004年，韩国先进技术研究院的PARK、奥地利EVG Group、德国亚琛的AMO和西安交大研究所克服了UVNIL硬“印章”缺陷，研究出常温软“印章”压印技术。2007年，德国亚琛AMO的KOO等克服PDMS高粘连缺陷，提出甲苯稀释的PDMS作为软“印章”材料，实现了50nm高精度纳米图形的制作。2010年，坦佩雷光电研究中心的Tapio Niemi等人改进了微接触压印技术，在软模上覆盖平整的玻璃板。这种方法避免了压印过程中的的横向变形，提高了微结构的精度。2011年，北京大学的严乐等人研究出改善印章在压印过程后抗蚀剂缺失迹象，提高了硅片对抗蚀剂的亲和行。纳米压印技术作为纳米器件制造的一种新手段，具有非常大的发展前途[16]，现已为众多国家所关注，并积极投入到了研究开发工作中。纳米压印技术被众多知名大学和研究机构研究、开发与应用。中国对纳米压印技术研究固然起步较晚，但发展蔓延的速度却不慢。目前同内已有很多大学都在研究纳米压印技术，包括北京大学等。
目录
摘 要 I
ABSTRACT II
目录 IV
第1章 绪论 1
1.1课题的提出及研究意义 1
1.1.1课题提出 1
1.1.2研究意义 2
1.2纳米压印技术 2
1.2.1纳米压印的发展历史 2
1.2.2纳米压印技术分类 3
1.2.3纳米
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
压印技术的发展趋势 5
1.2.4优势及应用领域 5
1.2.5挑战与前景 6
1.3课题设计的目标及基本原理 7
1.3.1设计目标 7
1.3.2基本原理 7
1.4本文的组织结构 8
第2章 设计思路和建模 9
2.1设计思路 9
2.2有限元及ANSYS简介 9
2.2.1 ANSYS 10.0简述 10
2.2.2基于有限元的温度分析 11
2.3二维模型建模过程 12
2.3.1 Preference设置 12
2.3.2 Element Type设置 13
2.3.3 Material Props设置 13
2.3.4 Modeling建模 14
2.3.5 Meshing网格划分 14
2.3.6指定分析类型 15
2.3.7加载与求解 16
2.3.8绘制结果图 17
2.3.9节点温度时间函数 18
2.4本章小结 20
第3章 低温纳米压印情形下胶体温度分析 21
3.1胶体温度变化进度图 21
3.1.1时间为0.36秒 21
3.1.2时间为330秒 22
3.1.3时间为650秒 23
3.2温度变化分析 24
3.2.1温度为383K 24
3.2.2受热均匀的温度时间表 26
3.3材料变化分析 26
3.3.1胶体材料为PMMA 27
3.3.2胶体材料为PET 27
3.3.3受热均匀的温度时间表 28
3.4参考温度和均匀温度变化 29
3.5胶体厚度变化分析 30
3.6本章小结 30
第4章 总结与展望 32
4.1本课题的主要工作 32
4.2总结与展望 32
参考文献 34
致谢 36
英文论文原文 37
翻译 45
第1章 绪论
1.1 课题的提出及研究意义
从古至今，科学技术的发展都在加深人们对世界的思考与认识，一方面不断地探索宇宙这个宏观世界，一方面又不断地加快向微观世界迈进的脚步[1]。尤其在近五十年来，微型化的发展引起了世界对微结构领域的关注，至今都致力于缩小尺寸的研究。几十年以来，人们摸索微观世界的脚步已由微米尺寸进入到纳米尺寸，微电子加工工艺已进入纳米时期。随着工艺尺寸的进一步缩小，由于光学光刻技术自身因素的限制[2]，就算是光学光刻技术得到改善，也难以满足微电子行业继续按照摩尔定律的规律发展的需求，而纳米压印工艺(NanoImprint Lithography，NIL)极有成为下一代光刻工艺的可能[36]，从而登上世界的舞台。由于纳米压印工艺是基于物理变形复制图案，不受对高精度聚焦系统等因素的限制和要求，因此具有较高的分辨率，可加工高于5纳米的任何图案。纳米压印手艺另外一上风在于将陈腐的压模手艺引入到当代高科技范畴，相称昂贵的光学光刻工艺只需被用一次以制造可靠地印章，印章就能够大批量的复制产物，是以大大降低了半导体制造的成本。纳米压印工艺的这些特色使得其被认为是最有利用远景的下一代光刻技术(Next Generation Lithography)之一。
1.1.1 课题提出
随着纳米尺寸的缩小，人们对压印技术的要求越来越高，需要制造出更高的精度，更清晰地分辨率，价格又适中的半导体器件。而作为微纳结构制备工艺的光学光刻技术因其本身因素的限定，难以达到纳米压印制造技术对高线性分辨率的理想的需求。纳米压印技术作为当今最具发展前景和活跃性的技术之一，已经在很多领域都有其应用的影子，如集成电路、光学(光栅)、电子学（聚合物电子学）、生物学和微流体学等[711]。低温纳米压印技术是将抗蚀剂加热到它本身的玻璃化温度以上，然后用模板接触压印进行图案的复制转移。低温纳米压印技术具有工艺效率高、生物相容性好等优点。作为一项具有影响力的纳米压印技术的发展方向，更需要人们耐心的探索与研究。本课题针对这一方面，将涉及低温纳米压印技术方面的胶体温度变化情况进行分析，并得出相应的结果。
1.1.2 研究意义
对低温纳米压印情形下胶体不同区域的温度进行分析，有利于掌握胶体不同时间段的温度分布特性。通过运用限元分析软件ANSYS 10.0对低温纳米压印情形下胶体的温度进行分析，对降低实验成本和掌握工艺参数具有重要的作用。此外，本课题还进行了与胶体温度分析相关的研究，如胶体受热自身变化情况分析、胶体温度变化分析、胶体材料变化分析、外界因素（均匀温度和参考温度）变化分析、胶体尺寸变化分析。这些对微纳工艺中温度、时间、材料、厚度的分析结果在工艺生产领域具有参考性价值，为纳米压印制备技术在优化工艺方面打下坚实的基础。
1.2纳米压印技术
1.2.1纳米压印的发展历史
1947年12月，Bardeen等人在贝尔实验室制造出世界上第一个半导体管，引领了半导体微电子技术潮流[12]。1974年，出现“纳米技术”一词描述精密机械加工工艺。1990年，美国某研究中心的科学家成功使用扫描隧道显微镜将35个氤原子排列成了IBM三个字母，总长不到3个纳米。这一成功案例的出现成为了纳米技术新的里程碑。1995年，华裔科学家美国普林斯顿大学纳米结构实验室Stephen Y．Chou教授首先提出纳米压印技术[1314]。1999年，德州COLBURN大学等通过改进热塑性纳米压印技术提出了步进闪烁纳米压印技术(Step and flash imprint hthography，SFIL)，无需加热就能实现光刻胶固化[15]。从2000年到2004年，美国BAILEY大学等对SFIL模具进行研究，发现CF3官能团单体膜具有最低的表面能，可作为良好的脱模剂，还能优化压力和脱模力。2003年，韩国研究人员CHOI和PARK提出可防止弹性印章膨胀引起的图形复制转移缺陷的方法：在印章表面涂覆TenonAF。随后他们又通过改进紫外常温压印和微接触压印技术提出了紫外光结合软压印的方法来压印微结构。2004年，韩国先进技术研究院的PARK、奥地利EVG Group、德国亚琛的AMO和西安交大研究所克服了UVNIL硬“印章”缺陷，研究出常温软“印章”压印技术。2007年，德国亚琛AMO的KOO等克服PDMS高粘连缺陷，提出甲苯稀释的PDMS作为软“印章”材料，实现了50nm高精度纳米图形的制作。2010年，坦佩雷光电研究中心的Tapio Niemi等人改进了微接触压印技术，在软模上覆盖平整的玻璃板。这种方法避免了压印过程中的的横向变形，提高了微结构的精度。2011年，北京大学的严乐等人研究出改善印章在压印过程后抗蚀剂缺失迹象，提高了硅片对抗蚀剂的亲和行。纳米压印技术作为纳米器件制造的一种新手段，具有非常大的发展前途[16]，现已为众多国家所关注，并积极投入到了研究开发工作中。纳米压印技术被众多知名大学和研究机构研究、开发与应用。中国对纳米压印技术研究固然起步较晚，但发展蔓延的速度却不慢。目前同内已有很多大学都在研究纳米压印技术，包括北京大学等。
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