[科普中国]-压印模具

压印和叠印是一个意思，即一个色块叠印在另一个色块上。压印模具是将板料放在上下模之间，在压力作用下使其材料厚度发生变化，并将挤压外的材料，充填在有起伏细纹的模具形腔凸、凹处，而在工作表面得到形成起伏鼓凸及字样或花纹的一种成型方法。

压印模具的精密制造工艺优化在压印光刻中，信息的复制是难点，而模具的制造是信息复制的途径。为了获得高精度的压印模具，在实验 中着重从模具材料的选择、固化剂的添加、真空压力大小、固化温度、固化时间等方面进行分析和研究。通过分析模具的表面质量，得到了压印模具制作的最佳工艺组合。1

工艺过程分析电子束直写已被公认是可以胜任0.1μ的光刻掩膜板制造，为制作后续的线路图形，首先制作母板基材，基材上镀Cr或W，为电子束直写以及后续的复制提供基础。

通过步进式工作台多步压印复制为多芯片的压印模板。该方法提高制造效率。这种方式弥补了单束电子束直写速度慢的缺点，使得电子束直写通过步进压印工艺得到了矢量放大，完成大模板制作。采用快速模具制造工艺，以母板生成软有机模具。透明材料液态有机物高分子硅橡胶，加入固化剂后成为软模具，并从母板上获得IC 图型。模具厚度可取0.5～2.0mm，并支撑在透明的石英基板上。

大母板的制作旨在复型出大模具，以提高后续硅片压印生产的效率。最理想的情况是压印模具达到满硅片的尺寸。但实际可达到的尺寸取决于：压印生产中该模具下压和脱模过程弹性 变形的可控性、受压的阻蚀胶的力学特性、套刻精度要求等。1

模具翻制的实验工艺在实验中，采用同一尺寸0.2μ的母模来进行研究。同时，基于前期实验中出现问题的分析，并结合IC压印光刻生产工艺。着重考查固化剂的添加量、模具厚度、真空压力、加热温度、加热时间对压印模具的强度、表面稳定性、复形精度等的影响。

1.母板的清洗：由于母板采用的 是有电子束直写所得到的硅片，所以在与模具材料接触前，必须进行清洗。清洗的主要目的是除去硅片制造过程中偶然引入的“表面玷污”杂质，这些玷污来自硅片的加工过程，也来自清洗所用的化学试剂和水：以及工艺过程中所使用的器皿、管路、气体等。

2.固化剂的添加量：在一个容器中，将硅橡胶液体与固化剂以一定的比例混合，用搅拌器使其完全均匀，配出来的是粘稠的半透明的硅橡胶物质。

3.浇注：工艺是在室温下，采用自然浇注法进行浇注。将清洗干净的母模板放在玻璃板上，然后将装有粘液的瓶子在玻璃板的上空倾斜，使得内部的液体自然留出，并使滴落点在玻璃板的中间(几个原型硅片的中间),当液体自然散开时，它覆盖了原型硅片。

4.真空压力的大小：为了制出的 模具内部无气孔、斑点，且保真度高。在把液体浇注在母模上之后，固化以前，必须将其内部的气孔消除。因为如果不消除气孔就固化，则硅片电路的上表面，即与粘液接触的表面有气孔，固化后就会造成做出的模具有些电路线条不完整。

5.热固化工艺：在加热固化时，有温度和时间两个参数，固定一个不变，来考查另外一个参数。1

滚型纳米压印模具变形机理滚型纳米压印是一种高效、低成本批量化制造大面积微纳米结构的方法，已经被看成是最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一，同时也被认为是实现纳米压印技术从实验室到工业化应用的一个重要突破口。开展滚型纳米压印过程中模具变形机理和规律的研究，提出滚型纳米压印两种理论模型，揭示柔性接触滚轮模具变形的机理、规律和主要影响因素，阐述硬质接触和柔性接触两种压印方式显著区别和特点。该研究为探索减小弹性滚轮模具变形策略和方法，滚型纳米压印工艺要素的优化，以及提高滚型纳米压印复型精度和压印效率奠定了理论基础。2

理论模型传统纳米压印不管是硬质模具还是软质模具被认为是一种平板型平面接触压印工艺，滚型纳米压印使用的是滚轮型模具，其压印过程为线接触模式。线接触模式具有突出的优点：①解决了压印过程中受力不均匀和衬底不平整制约大面积纳米压印的技术难题，实现大面积纳米压印；②脱模力小，减少脱模缺陷，提高了压印图形的质量；③克服传统压印过程中陷入气泡的缺陷。但是，线接触滚型纳米压印与传统平板型平面接触纳米压印具有完全不同的压印作用机理(压印过程和脱模过程)，传统平板型平面接触纳米压印所建立的理论体系已经不再适用于滚型纳米压印，需要建立新的数学模型描述滚型纳米压印工艺。

滚型纳米压印使用滚轮模具主要有两种形式：硬质滚轮模具(直接在硬质基材上形成微纳米特征结构，和弹性滚轮模具(在柔性基材形成微纳米特征结构，或者在硬质图形层和硬质基材中间包含弹性缓冲层，形成三明治结构，)。硬质滚轮模具和弹性滚轮模具在滚型纳米压印中具有不同的作用机制。2

柔性接触模具变形规律对压印力和特征结构深宽比对模具变形的影响:滚轮模具上具有W=1μm, H=1μm 的微特征结构，分别施加0.01N、0.03N、0.05N、0.07N、0.10N、0.20N压印力。随着压印力的增大，滚轮模具最大应变总趋势不断增大，为了实现高保真图形复制，在满足其他工艺因素前提下，应尽可能选用较小的压印力，以减小模具的变形。

通过深宽比与模具变形关系的研究，得到结论：随着特征结构深宽比的增加，模具的最大应变位置发生改变，应变量最初减小，随后增大，但不是呈现线性关系。另外，考虑脱模等因素的影响，滚型纳米压印难以实现大深宽比特征结构的制造。此外，考虑尺度效应，提出的理论模型和数值模拟分析的结果适用范围是在微尺度，在纳尺度下可能不再适用。对于纳尺度滚型纳米压印的研究，需要借助量子力学、纳米力学、分子动力学、纳尺度流体、纳米摩擦学、多尺度模拟等工具开展研究。2

本词条内容贡献者为:

王沛 - 副教授、副研究员 - 中国科学院工程热物理研究所