微复型过程中聚合物流动填充机理的可视化实验分析

为提高微复型质量需进行微复型中聚合物的流动填充机理的分析，而在微纳尺度下的聚合物流动分析没有现成的理论指导。针对微纳尺度压印时聚合物流动为滑移流，其流动计算模型的建立需进行聚合物流动观测实验的问题，本项目拟基于离焦数字粒子图像显示PIV技术，搭建微复型中聚合物流动填充三维观测实验平台，进行微复型中聚合物三维流动填充过程的可视化观测实验。通过对拍摄图像进行后处理，获得聚合物微流场分布和填充轨迹轮廓图，用其对滑移流计算模型的滑移系数进行不断计算和修正，建立起相应的滑移流计算数学模型，并验证微/纳尺度下所建立的粘度模型，总结出微压印过程中抗蚀剂微流动理论。在此基础上采用动网格和流固耦合方法对具有动边界的微复型过程中聚合物微流动和软模具的变形机理进行分析，建立微复型工艺参数、模型结构尺寸等相关因素与聚合物流动填充的关系，并可优化软模具结构，为微压印光刻中图形转移质量与保真度的研究提供理论指导。

微纳米尺度的结构成型是微纳米制造中的核心工艺。相比传统光刻技术，微纳米压印具有高分辨率、低成本和短周期等独特优势。尽管微纳米压印技术已在光电器件制造方面得以实际应用，但仍存在压印软模具的变形失效、抗蚀剂填充结果不理想等质量问题，这主要由于压印中抗蚀剂填充和流动行为直接影响到微复型结构最终成型的质量。因此，研究微纳米压印过程中抗蚀剂填充流动特性，揭示抗蚀剂填充机理，提出压印工艺改进方案和模具结构优化设计是压印技术研究领域的主要课题。针对上述问题，本项目研究了抗蚀剂在纳米特征尺度下的流变特性及在微纳米尺度下的填充流动特性，搭建三维微PIV实验系统，通过对抗蚀剂填充行为计算和可视化实验对比研究，揭示抗蚀剂填充成型规律。主要完成工作如下：. 微纳米尺度下抗蚀剂流变特性分析。流变特性是决定抗蚀剂流动性的关键参数，本项目采用逆向非平衡分子动力学方法建立纳米空间内抗蚀剂的粘度模型，分析了系综、抗蚀剂组成、剪切速率和基底层厚对抗蚀剂粘度的影响。.微纳米压印中抗蚀剂流动填充特性的数值计算。应用上面建立的修正的抗蚀剂粘度模型，建立抗蚀剂流动填充数学模型。系统分析模具结构、抗蚀剂初始膜厚与抗蚀剂填充高度、填充廓线、填充率及填充模式间的内在关系，总结抗蚀剂在填充中廓线峰值位置随填充时间的变化规律，指出初始膜厚与模具凹槽槽宽比值是决定抗蚀剂填充模式的重要参数，得到单双峰填充转换的临界范围。. 为验证微纳米压印填充计算的正确性，根据抗蚀剂填充流动特点，搭建三维离焦数字PIV实验系统。通过对分散于抗蚀剂内的荧光纳米示踪粒子进行荧光图形采集、处理，获得抗蚀剂在各种工况下示踪粒子群三维运动轨迹，为构建和表征抗蚀剂三维填充微流场提供数据支撑。.通过对抗蚀剂填充特性的可视化研究，验证了微压印抗蚀剂流动填充数值计算结果，揭示抗蚀剂填充机理。结果表明在给定抗蚀剂初始膜厚条件下，随着深宽比DWR的减小，抗蚀剂多会以双峰模式填充凹槽，其填充廓线峰值点沿水平方向呈阶梯形迁移，DWR越小，阶梯效应越明显，在双峰填充模式中，峰值点起始位置会随模具侧壁的位置发生改变；随着抗蚀剂初始膜厚的减小，抗蚀剂填充方式由单峰模式向双峰模式填充转换，双峰模式下抗蚀剂填充率随填充时间的变化率呈明显的非线性特征。