熱壓印脫模工藝中摩擦系數影響的研究

張　睿，王　清，鄭　旭，張金濤，馬立俊，張艷菊，張星遠,劉華偉

(山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

熱壓印脫模工藝中摩擦系數影響的研究

張睿，王清，鄭旭，張金濤，馬立俊，張艷菊，張星遠,劉華偉

(山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

摘要：壓印膠層納米結構在熱壓印脫模工藝中的變形關系到納米器件質量的高低。為了提高納米器件的質量，研究脫模過程中模板和壓印膠之間的接觸特性至關重要。采用模型優化、數值模擬和理論分析相結合的方法研究摩擦系數對膠層納米結構受力和變形的影響，得到摩擦系數增大時von-Mises應力云圖和膠層納米結構頂端變形曲線。分析應力云圖可得膠層納米結構的最大應力和變形在脫模初期隨摩擦系數增大而增大，在脫模后期隨摩擦系數增大而減小，并從壓印膠受力角度對膠層納米結構頂端變形進行解釋。對比頂端變形曲線可得Ni-PTFE模板最佳摩擦系數為0.20，Ni-PTFE模板最優化PTFE含量為15 g/L。通過最佳接觸特性對模板進行優化可以減少膠層納米結構變形，提高納米器件質量。

關鍵詞：熱壓印；脫模；摩擦系數；納米結構；變形；數值模擬

納米壓印技術作為新一代主流光刻技術，以其高精度、高分辨率、低成本等優勢在光學、電子學、生物學和微型機電系統(micro-electro-mechanical system，MEMS)等領域得到廣泛應用[1]。麻省理工大學的一篇評論稱之為“可能改變世界的十大技術之一”[2]。目前，應用最廣泛的熱壓印是納米壓印的一項主流技術[3]。與其他壓印技術相比，采用熱壓印工藝制備納米器件具有成本低、效率高、可并行操作等顯著優點[4]。在熱壓印的脫模過程中，模板和壓印膠之間的相互作用會導致膠體發生粘連變形甚至破損，破壞膠層結構和模具結構。因此，亟需對熱壓印脫模的影響因素進行研究，提高納米器件質量，延長模具壽命[5]。

國內外已有研究者通過數值模擬的方法對脫模過程進行研究，Song等[1]通過數值模擬對脫模速率和脫模角度等參數進行優化；Reedy等[6]模擬了模板和壓印膠之間的界面剪應力對脫模的影響；Chan-Park等[7-8]發現在模板上旋涂脫模劑可以減小界面剪應力，減少膠層納米結構的缺陷；Guo等[9]在鎳(Ni)模板表面旋涂聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)層，通過減小摩擦系數使壓印膠中應力集中區域縮小；Tian等[10]發現Ni-PTFE復合材料模板的摩擦系數比旋涂PTFE層的Ni模板的摩擦系數更小；Zhang等[11]通過電鑄技術制備Ni-PTFE復合材料模板并將其應用于實際脫模工藝中，得到了高質量的納米器件。

現有研究成果表明，通過改善模板和壓印膠之間的接觸特性可以減少脫模造成的納米結構缺陷，但是對接觸面摩擦系數與膠層納米結構變形之間的關系研究不夠完善。本研究通過建立有限元模型對熱壓印脫模過程中模板和壓印膠的接觸面上摩擦系數影響進行研究。分析膠層納米結構在不同摩擦系數作用下的受力和變形特征，從界面摩擦力的角度對膠層納米結構的頂端變形做出解釋。通過對比不同摩擦系數作用時膠層納米結構的頂端變形曲線，得到Ni-PTFE復合材料模板的最優摩擦系數和最優PTFE含量，為優化模板材料提供重要參考和理論依據。

1熱壓印脫模工藝的有限元模擬

1.1二維幾何模型及邊界條件

為了研究脫模過程中膠層納米結構的應力變化和變形狀態，借助ANSYS 15.0模擬熱壓印的脫模過程。選用Ni作為模板材料，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)作為壓印膠層材料，建立二維有限元模型。模型幾何尺寸和邊界條件如圖1所示，膠層納米結構的高度H=100 nm，寬度W=100 nm。模型底邊采用固定約束，兩側邊沿高度方向可以移動，但沿水平方向不能移動。為了模擬模板與壓印膠的分離過程，定義二者的接觸邊界為可滑動面，并在模板上表面施加100 nm的脫模位移，位移方向垂直于模板向上。

圖1　二維幾何模型和模擬邊界條件

1.2模板和壓印膠的材料屬性

壓印膠層材料(PMMA)的彈性模量遠小于模板材料(Ni)的彈性模量，壓印膠層更容易發生變形，影響壓印圖案的質量，因此壓印膠層材料對于脫模模擬至關重要。在已有的脫模有限元仿真分析中，對PMMA屬性的定義僅有密度、彈性模量和泊松比。為了使模擬材料更接近真實材料，假設PMMA為不可壓縮的各向同性材料，采用Mooney-Rivlin模型描述其力學性能[12]。通過Mooney-Rivlin模型常數C10和C01定義PMMA的材料屬性，C10和C01與PMMA的彈性模量E的關系[13]：

(1)

(2)

模板和壓印膠的材料參數如表1所示。

表1　模板和壓印膠的材料參數

1.3二維有限元模型

在建立的有限元模型中，模板采用PLANE42單元，壓印膠采用PLANE182單元，模板與壓印膠之間的接觸關系用接觸單元CONTA172定義。不考慮沿模板和壓印膠厚度方向的應力變化，該模型可簡化為平面應力問題[1]。為使模擬結果更為準確，在劃分網格時對有限元模型的單元數量進行加密處理。建模完成后有限元模型共有2 726個單元和2 848個節點。

2摩擦系數對膠層納米結構的影響

2.1膠層納米結構的應力變化和變形狀態

已有研究證明兩種材料混合后摩擦性能會發生改變[14]，例如，Ni-PTFE復合材料模板的平均摩擦系數比Ni模板的摩擦系數小[9]。不同PTFE含量的Ni-PTFE復合材料的摩擦系數如表2所示[11]。由表2可知，PTFE在Ni-PTFE中所占比例越小，Ni-PTFE復合材料的摩擦系數越大。通過改變有限元模型中接觸單元的接觸特性Friction Coefficient，模擬熱壓印脫模工藝中摩擦系數增大對膠層納米結構的應力和變形的影響，得到摩擦系數(μ)分別為0.18、0.20、0.26、0.33和0.40時不同脫模時刻的納米結構von-Mises應力云圖，如圖2所示。研究圖2可知，當脫模距離為25 nm時，隨著摩擦系數的增大，最大應力值逐漸增大，μ=0.40時的最大應力值約是μ=0.18時的最大應力值的2倍，與此同時，膠層納米結構的頂端出現凹陷變形，并且變形隨著摩擦系數的增大而增大；當脫模距離為65 nm時，隨著摩擦系數的增大，最大應力值逐漸減小，與此同時，膠層納米結構的頂端出現凸起變形，并且變形隨著摩擦系數的增大而減小。

圖2　摩擦系數(μ)為0.18、0.20、0.26、0.33、0.40時，納米結構在脫模至25 nm和65 nm處的von-Mises應力云圖

參數12345PTFE含量(g/L)30151050摩擦系數0.180.200.260.330.40

2.2膠層納米結構頂端變形的原因分析

在熱壓印的脫模過程中，模板在外力作用下從壓印膠層中向上升起，模板在與膠層納米結構的接觸面處受到方向向下的界面摩擦力作用，根據牛頓第三定律，膠層納米結構在接觸面處同時受到方向向上的界面摩擦力作用。脫模初期，由于界面摩擦力的作用，膠層納米結構的頂端邊緣出現向上的彈性形變(如圖2中脫模位移為25 nm)，而且摩擦系數越大，界面摩擦力越大，頂端形成的凹陷變形越大；脫模繼續進行，當已經發生變形的壓印膠自重與界面摩擦力相當時，膠層納米結構的頂端凹陷變形達到最大；脫模后期，已變形的壓印膠在自重作用下逐漸回落(如圖2中脫模位移為65 nm)，此時作用在壓印膠上的界面摩擦力成為阻礙其回落變形的阻力。摩擦系數越大，界面摩擦力越大，膠層納米結構的頂端回落變形的阻力越大，頂端形成的凸起變形越小。

3Ni-PTFE復合材料模板中最佳PTFE含量的選定

為確定Ni-PTFE復合材料模板中最佳PTFE的含量，本節將對脫模過程中膠層納米結構的頂端變形進行定量研究。選取膠層納米結構的頂端中間節點(點A)為研究對象，繪制脫模過程中摩擦系數增大時點A的豎向變形曲線，如圖3所示。

圖3　脫模過程中摩擦系數增大時節點A的豎向變形曲線

觀察圖3中μ5=0.40時的曲線可知，隨著脫模的進行，節點A向上移動，脫模到40 nm時，節點A向上的變形達到最大值，記為Dmax5，此后節點A向下回落，脫模到70 nm時，節點A的變形達到最小值，記為Dmin5。對比圖3曲線可得，Dmax5>Dmax4>Dmax3>Dmax2>Dmax1，|Dmin1|>|Dmin4|>|Dmin3|>|Dmin5|>|Dmin2|；μ1=0.18時，節點A向上變形的最大值Dmax1雖然是Dmax5、Dmax4、Dmax3、Dmax2、Dmax1中的最小值，但是向下變形的最大值|Dmin1|是|Dmin1|、|Dmin4|、|Dmin3|、|Dmin5|、|Dmin2|中的最大值；而μ2=0.20時，曲線變化平緩，Dmax2和|Dmin2|相對較小，節點A在整個脫模過程中的變形較小。由表2可知，Ni-PTFE復合材料模板的摩擦系數為0.20時，Ni-PTFE復合材料模板中PTFE含量為15 g/L，此值即為Ni-PTFE復合材料模板的最佳PTFE含量。

4結論

采用模型優化、有限元數值模擬和理論分析相結合的方法對摩擦系數與膠層納米結構受力、變形之間的關系進行了研究。

1)利用Mooney-Rivlin模型常數定義了壓印膠的材料屬性，對模擬實驗中有限元模型進行網格加密優化。借助ANSYS軟件對熱壓印的脫模過程進行了模擬，得到摩擦系數增大時納米結構的von-Mises應力云圖和膠層納米結構的頂端變形曲線圖。

2)通過分析納米結構的von-Mises應力云圖得到摩擦系數增大時膠層納米結構的最大應力及變形的變化規律：最大應力及變形在脫模初期隨摩擦系數的增大而增大，在脫模后期隨摩擦系數的增大而減小；從壓印膠層受界面摩擦力的角度解釋了膠層納米結構的頂端變形現象，得出了膠層納米結構的頂端變形規律。

3)通過對比分析不同摩擦系數作用時膠層納米結構的頂端變形曲線，得到Ni-PTFE復合材料模板的最優摩擦系數為0.20，以及最佳PTFE含量為15 g/L。通過優化Ni-PTFE復合材料模板的配合比使膠層納米結構在熱壓印脫模工藝中的變形最小，可減少因熱壓印脫模造成的圖形缺陷，提高納米器件的產品質量。

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(責任編輯：李磊)

Effects of Friction Coefficients during Demolding in Hot Embossing

ZHANG Rui,WANG Qing,ZHENG Xu,ZHANG Jintao,MA Lijun,ZHANG Yanju,ZHANG Xingyuan,LIU Huawei

(College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:The quality of nanoscale devices depends strongly on the deformation of nanostructures at resists layer during demolding in hot embossing. In order to improve the quality of nanoscale devices, it is crucial to study the contact behavior between the template and the resists in the demolding process. Model optimization, numerical simulation and theoretical analysis were combined to investigate the effects of friction coefficients on the stress and deformation of nanostructures at resists layer. The von Mises stress nephograms and deformation curves of the nanostructure top with the increase of friction coefficients was obtained. According to the stress nephograms, when the friction coefficient increases, the maximum stress and the deformation of nanostructure increase at the initial stage of demolding and decrease at the late stage of demolding. Then the deformation in the nanostructure top was explained in terms of the forces on resist. By comparing the deformation curves of the nanostructure top, the best friction coefficient (0.20) of Ni-PTFE template and the optimal PTFE content (15 g/L) were obtained. Optimizing the template by adjusting the contact behavior can reduce the deformation of nanostructures and improve the quality of nanoscale devices.

Key words:hot embossing；demolding；friction coefficient；nanostructure；deformation；numerical simulation

收稿日期：2015-11-23

基金項目：山東省“泰山學者”建設工程專項資金項目(TSHW20130956)

作者簡介：張睿(1990—)，女，山東泰安人，博士研究生，主要從事功能材料與智能結構、微納米成型與表面功能化研究. 王清(1966—)，男，河北石家莊人，教授，博士生導師，主要從事功能材料與智能結構、微納米成型與表面功能化研究，本文通信作者.E-mail：profqwang@163.com

中圖分類號：TN405

文獻標志碼：A

文章編號：1672-3767(2016)03-0073-05