纳米压印及MEMS仿生功能表面制备的研究

论文摘要

传统的光学光刻由于受光波波长和数值孔径等因素的限制,难于制作线宽小于100nm的图案。纳米压印是通过压印使抗蚀剂薄膜产生物理变形以实现光刻胶的图形化,因此其分辨率不受光的衍射和散射等因素的限制,可突破传统光刻工艺的分辨率极限。此外,它可以大批量重复地在大面积上制备纳米图形结构。因此,纳米压印是一种低制作成本和高生产效率的获得100nm以下图案较好的下一代方法,可广泛用于制作纳米图案和MEMS器件。本文的主要研究内容和创新如下:研究了纳米压印光刻胶的微流变力学性能,建立了纳米压印过程中压印力、压印速度和压印时间等工艺参数的数学模型,并用有限元方法对纳米压印过程进行了模拟仿真。这对深入理解纳米压印机理,优化压印工艺参数和模板设计以获得高保真度的纳米压印图形具有重要意义。分析了纳米压印对准运动,研究了基于莫尔技术和图像匹配的定位对准系统以及基于柔性元件的承片台姿态调整机构,研制了具有宽工作范围和高对准精度的纳米压印样机。该样机在150mm×150mm行程范围内的对准精度优于20nm,能够进行分步式压印和多层压印,满足4英寸硅片压印和三维纳米结构的制作要求。利用此样机,进行了纳米光栅、微透镜阵列等微光学元件的压印试验研究,探讨了温度、压力、膜厚等工艺参数对保真度的影响,得出了压印温度、压力控制曲线,获得了高保真度的压印样品。将纳米压印应用于制备具有双微观结构的MEMS仿生功能表面。提出将“荷叶效应”应用于MEMS器件防粘减摩,并应用微摩擦学和分子动力学等理论研究了“荷叶效应”在MEMS器件防粘减摩中的作用机理,为MEMS功能表面改形和改性设计提供了一种新方法。提出了使用纳米压印技术制备MEMS器件仿生功能表面的新方法,对塑料微流器件和硅基MEMS器件的仿生功能表面的制备进行了试验研究,并对制备的仿生功能表面进行了微摩擦性能测试。本研究旨在为制备纳米结构和器件提供一种高分辨率、低成本和高生产率的新方法,为制备MEMS器件仿生功能表面以改善其微摩擦性能提供一种新思路,从而推动纳米光学、纳米电子、纳米光电子、纳米磁存储等纳米器件和MEMS的研究和产业化发展。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪言
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 纳米压印研究现状
• 1.3 MEMS 功能表面减摩防粘研究现状
• 1.4 本文主要研究工作
• 2 纳米压印机理研究
• 2.1 用于纳米压印的光刻胶力学性能研究
• 2.2 纳米压印过程聚合物流动机理和模型研究
• 2.3 基于粘弹性模型的纳米压印过程模拟研究
• 2.4 本章小结
• 3 纳米压印对准系统研究
• 3.1 纳米压印对准运动分析
• 3.2 基于莫尔技术和图像匹配的定位对准系统研究
• 3.3 基于柔性元件的承片台姿态调整机构研究
• 3.4 本章小结
• 4 微光学器件的压印试验研究
• 4.1 纳米光栅的制作
• 4.2 微透镜阵列的制作
• 4.3 本章小结
• 5 基于“荷叶效应”的MEMS 功能表面减摩防粘机理研究
• 5.1 “荷叶效应”在MEMS 器件防粘中的作用机理研究
• 5.2 “荷叶效应”在微流体器件减摩降阻中的作用机理研究
• 5.3 具有“荷叶效应”的微流通道的微流特性分子动力学模拟研究
• 5.4 本章小节
• 6 使用纳米压印技术的MEMS 仿生功能表面制备技术研究
• 6.1 “荷叶结构”的特征尺度和形态
• 6.2 塑料微流器件仿生功能表面的制备研究
• 6.3 硅基MEMS 器件仿生功能表面的制备研究
• 6.4 MEMS 仿生功能表面微摩擦性能测试研究
• 6.5 本章小结
• 7 全文总结与展望
• 7.1 全文总结
• 7.2 展望和对今后工作的建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录1 攻读学位期间发表的论文目录
• 附录2 申报专利
• 附录3 纳米压印样机及部分压印结果
• 附录4 纳米压印制作的部分仿生功能表面及性能测试结果