金屬層厚度對金屬/聚合物雙層膜結構脫模過程的影響

鄭　旭，王　清，孟麗華，張　睿，張星遠

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

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金屬層厚度對金屬/聚合物雙層膜結構脫模過程的影響

鄭旭1，王清1，孟麗華2，張睿1，張星遠1

(1.山東科技大學 土木工程與建筑學院，山東 青島 266590；2.山東科技大學 電子通信與物理學院，山東 青島 266590)

摘要：在使用直接壓印法制備金屬/聚合物雙層膜結構納米圖案時，脫模過程分析對雙層膜結構的無缺陷成型具有至關重要的作用。采用有限元模擬的方法，通過改變金屬層的厚度探討在脫模過程中對金屬層應力和變形的影響。根據數值模擬結果繪制出金屬層在脫模過程中最大應力和變形量隨金屬層厚度的變化曲線。通過對變化曲線的分析，發現金屬層上中部的最大應力值以及彎曲變形量隨著金屬層厚度的增加而減小，并且金屬層厚度為50 nm時具有最佳的脫模效果，更適用于金屬/聚合物雙層膜結構的脫模過程。

關鍵詞：直接壓印；雙層膜結構；有限元法；應力；變形

自從納米壓印技術(nanoimprint lithography，NIL)被提出以來[1]，這項技術因其生產效率高、成本低以及工藝過程簡單等優點，逐漸成為制備微納結構的主要方法之一[2]。在納米壓印技術提出的早期，主要是針對聚合物進行壓印[3-4]。之后，研究者發現金屬微結構對于改善光電子器件具有重要作用，于是研究者開始探究如何運用納米壓印技術制備金屬圖案。近幾年，許多制備金屬微納結構的方法被研究者提出[5]，其中主要包括：直接壓印[6-12]、剝離技術[13]、固態電化學沖壓法[14]以及逆壓印法[15]。

通過比較這幾種制備方法，直接壓印法制備金屬圖案具有高效率、操作簡單的優點，更適合商業生產。因此大量的研究者開始關注直接壓印金屬結構的方法。Buzzi等[6]以硅模板用直接壓印的方法成功制備金屬納米結構；Greer等[7-8]將鉆石模板的納米圖案轉移到了金屬鈦的表面。雖然這種直接對金屬層壓印的方法可以成功制備出金屬納米圖案，但是壓印過程中需要超高的壓力以及溫度來輔助壓印[9]，而且容易對模板以及襯底造成損害。為了解決這個問題，研究者對直接壓印進行了改進，即在金屬層下面增加一層聚合物墊層，形成金屬/聚合物雙層膜結構[10]。這項新技術與傳統的熱壓印方法流程對比如圖1所示。對于這項新技術，Chen等[10]使用改進后的尖銳模板對雙層膜結構進行壓印，大大降低了所需的壓印壓力。Liu和Yao等[11-12]分別用有限元模擬和實驗的方法研究模板參數，金屬層厚度以及溫度等因素對雙層膜結構壓印過程的影響。

圖1　傳統熱壓印(左)與直接壓印法制備雙層膜結構(右)流程圖

已有的研究主要對使用直接納米壓印方法制備金屬結構壓印過程中產生的問題進行了研究，但作為納米壓印的重要環節之一的脫模過程卻很少有人探究。然而在實際生產過程中，很多壓印缺陷是在脫模過程產生的[16-17]。本研究使用有限元模擬的方法，通過改變金屬層厚度，得到金屬層在脫模過程中應力以及彎曲變形，來探究對雙層膜結構脫模過程的影響。并繪制了不同金屬層厚度的最大應力和彎曲變形曲線圖，更好的研究金屬層的受力與變形規律，為優化脫模過程提供了重要參考。

1數值模擬

1.1材料屬性

為了探究金屬層厚度對脫模過程的影響，采用ANSYS15.0對脫模過程進行模擬。模擬中聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)作為壓印膠層材料，聚合物上層為鈦(Ti)金屬層共同組成雙層膜結構，模板選擇鎳(Ni)模板。其中Ni模板和金屬層定義為彈性材料，聚合物PMMA相較于模板和金屬層更容易發生變形，因此定義為超彈性材料。為了讓仿真材料更符合實際，采用C10和C01(Mooney-Rivlin模型常數)定義PMMA的材料屬性[18-20]。假設PMMA 為不可壓縮的各向同性材料，可以用Mooney-Rivlin模型表示其力學性能。C10和C01與聚合物的彈性模量E的關系為：

6(C01+C10)≈E，C01=0.25C10；

(1)

(2)

式中：E為聚合物的彈性模量，C10和C01為Mooney-Rivlin參數。模型中所用參數如表1所示。

表1　模擬中所用材料參數

1.2幾何模型及邊界條件

圖2　模型幾何尺寸及邊界條件

模型的幾何尺寸和邊界條件如圖2所示。本文將通過對照模擬來探究模板金屬層厚度對脫模過程的影響。其中金屬層厚度分別選取20、30、40和50 nm。除此之外，模板寬度和高度均為200 nm，模板周期為400 nm。在模擬中，假設雙層膜結構已經完全填充到模板空腔內，忽略雙層膜結構由于填充或聚合物收縮等原因產生的殘余應力。在建立的模型中，底邊所有方向均不可移動，兩側邊沿高度方向可以移動，但水平方向不能移動。為了模擬聚合物與模板的分離過程，定義模板與聚合物之間的接觸面為可滑動面。模板的位移作為模擬中的載荷控制量，通過控制模板豎直向上200 nm的位移完成脫模過程。

1.3有限元模型

在建立的有限元模型中，模板和金屬層采用四節點PLANE42單元，聚合物采用四節點PLANE182單元，模板與雙層膜結構之間的接觸關系用兩節點接觸單元CONTA171定義。雙層膜結構中的金屬層和聚合物的接觸面設置成共節點單元。模擬中不考慮沿模板和聚合物厚度方向的應力變化，且該模型簡化為平面應力問題。劃分網格時，聚合物和模板的單元尺寸為20 nm×20 nm，為了更好的探究金屬層的應力變化，對金屬層的單元進行局部細化，單元尺寸為4 nm×20 nm。

脫模過程中，脫模阻力主要由模板和金屬/聚合物雙層膜結構之間的摩擦力和黏附力組成，通過ANSYS中的接觸單元可以為接觸面設定摩擦系數以及黏附力，其中模板和聚合物之間的黏附力為110 MPa，摩擦系數為0.45；模板和金屬層之間的摩擦系數為0.3，黏附力忽略不計。

2結果與分析

2.1雙層膜結構的受力和變形特征分析

已有的研究表明，雙層膜結構中金屬層厚度對結構的成型質量具有重要作用[21]。如圖3所示，通過改變有限元模型中金屬層的厚度，得到厚度分別為20、30、40和50 nm時不同脫模時刻的雙層膜結構von-Mises應力云圖，圖中MX代表脫模過程中的最大應力。從圖3可以看出，在脫模過程中應力集中主要產生在金屬層的上中部，并且金屬層會產生彎曲變形。

如圖3(a)所示，當金屬層厚度20 nm時的最大應力值為1 920 MPa，遠超其屈服強度值600 MPa，金屬層出現明顯的彎曲變形，進而將導致結構出現缺陷；如圖3(b)所示，當金屬層厚度增加到30 nm時，最大應力下降為1 480 MPa，而且金屬層的變形也隨之降低；當金屬層厚度增加到40 nm(圖3(c))以及50 nm(圖3(d))時，的最大應力值分別為891 MPa和629 MPa，與此同時金屬層結構的頂端出現彎曲變形程度大大降低。因此金屬層的厚度對于雙層膜結構的質量具有至關重要的影響，后文將對不同金屬層厚度條件下的金屬層上中部應力變化，以及金屬層的彎曲變形情況進行詳細討論。

2.2金屬層厚度對雙層膜結構的影響

為了探究金屬層厚度對金屬/聚合物雙層膜結構在脫模過程中應力以及變形的影響，對不同金屬層厚度進行模擬。如圖4所示，根據模擬得到的數據，得到不同金屬層厚度條件下，金屬層上中部的最大應力變化曲線圖。圖5為脫模過程中金屬層產生的最大彎曲變形量。其中，金屬層的最大彎曲變形量指的是金屬層上部角點與上中部節點的最大相對位移。

圖3　不同金屬層厚度的雙層膜結構在脫模過程中的最大應力圖

圖4　金屬層上中部最大應力值的變化圖

圖5　金屬層的最大彎曲變形量

由圖4可得，金屬層上中部的最大應力值隨著金屬層厚度的增加而減小。觀察圖5可以看出，金屬層在脫模過程中會產生彎曲變形，并隨著金屬層厚度增加而減小。根據材料力學，結構的抗彎性能是由結構的抗彎剛度決定的，當結構的彈性模量相同時，其截面慣性矩為主要因素。結構的抗彎剛度以及截面慣性矩的公式如下：

Flexuralstiffness=EI。

(1)

(2)

其中：E、I、b和h分別為彈性模量、截面慣性矩、截面寬度和截面高度。根據計算可以得到Id=50>Id=40>Id=30>Id=20，因此金屬層厚度越大，其截面慣性矩越大，抗彎剛度也越大，所以在脫模過程中產生的彎曲變形和應力值也隨之降低。

從圖5可以看出，當金屬層厚度從20 nm增加到40 nm時，金屬層的彎曲變形量線性下降至0.7 nm；金屬層厚度為40 nm和50 nm時，變形量基本可以忽略不計，說明在這兩種金屬層厚度條件下，金屬層的抗彎剛度足以抵抗脫模阻力。綜合圖4和圖5可以看出，僅當金屬層厚度為50 nm時，金屬層在脫模過程中的應力值整體小于其屈服應力(600 MPa)，說明金屬層在脫模過程中只會產生彈性變形。并且從圖5可以觀察到，當金屬層厚度為50 nm時，金屬層的最大彎曲變形量僅為0.6 nm。因此通過對比這幾組模擬，金屬層厚度為50 nm為最佳脫模厚度。

3結論

1) 通過有限元方法對雙層膜結構的脫模過程進行模擬，探究金屬層厚度對脫模的影響，得到不同金屬層厚度脫模過程中的等效應力云圖。通過分析雙層膜結構在脫模過程中應力變化和變形特征，發現應力主要集中在金屬層上中部，且金屬層易產生彎曲變形。

2) 根據模擬結果繪制出不同金屬層厚度時，金屬層上中部最大應力以及彎曲變形量的變化曲線。根據所得曲線，金屬層上中部的最大應力值以及彎曲變形量隨著金屬層厚度的增加而減小。

3) 對照模擬，發現金屬層厚度為50 nm更適用于金屬/聚合物雙層膜結構的脫模過程。模擬結果為雙層膜結構的脫模過程提供了適宜的模板和金屬層厚度的參數，同時也為以后對模板周期以及脫模過程優化方案的進一步探究奠定了基礎。

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(責任編輯：呂海亮)

收稿日期：2015-12-23

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

作者簡介：鄭旭(1989—)，男，山東棗莊人，碩士研究生，主要從事功能材料與智能結構研究. 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)04-0080-06

Effects of Metal Layer Thicknesses on Metal/Polymer Bi-layer Structure during Demolding Process

ZHENG Xu1, WANG Qing1, MENG Lihua2, ZHANG Rui1, ZHANG Xingyuan1

(1.College of Civil Engineering and Architecture, Shandong University of Science and Technology,Qingdao, Shandong 266590, China; 2.College of Electoronics,Communications and Physics,Shangdong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:Analysis of the demolding process plays a crucial role in fabricating flawless structure for direct nanoimprinting in metal/polymer bi-layer structure. In this paper, the finite element method was used to investigate the effects of the metal layer thicknesses on deformation and stress during the demolding process by changing the thickness of the metal layer. The maximum von Mises stress and bending deflection curves of different metallic thicknesses were drawn on the basis of simulation results. The curves indicate that the maximum stress and bending deflection decrease with the increase of metallic thickness and that the metal layer with the thickness of 50 nm can produce the optimal demolding result and is more suitable to be applied for direct nanoimprinting in metal/polymer bi-layer structure during demolding process.

Key words:direct nanoimprint lithography; bi-layer structure; finite element method; stress; deformation