聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波壓印方法及機理研究.pdf

1、聚合物材料制作MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)器件具有成本低廉、工藝簡單、易于批量制作等優(yōu)點，使得聚合物微納器件制造方法成為當前MEMS領(lǐng)域的研究熱點之一。本文以實現(xiàn)聚合物微結(jié)構(gòu)的快速、高精度制作為目標，針對聚合物超聲壓印工藝的成型機理、工藝方法及缺陷抑制展開系統(tǒng)研究。
　　從填充過程和產(chǎn)熱過程兩方面，研究了超聲壓印工藝成型機理。通過理論分析和有限元仿真對超聲壓印工藝中聚合物填充行為進行

2、了研究，聚合物填充行為主要發(fā)生在基片-模具界面附近區(qū)域，界面溫度是影響聚合物填充行為的主要因素。通過測溫實驗和理論分析，研究了超聲參數(shù)與界面溫度之間的關(guān)系，尤其是玻璃化轉(zhuǎn)變溫度(GlassTransition Temperature，Tg)以上的界面溫度-時間特性。研究結(jié)果表明，超聲振幅對界面溫度影響顯著，界面升溫速率隨超聲振幅的增大而增大。
　　研究了聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)的

3、室溫超聲壓印工藝?？疾炝斯に噮?shù)對復制質(zhì)量的影響，包括復制精度（表征整個芯片時為多點平均復制率）和片內(nèi)一致性。復制精度隨超聲振幅、超聲時間和保壓時間的增加明顯提高，增大超聲壓力和保壓壓力則顯著改善片內(nèi)一致性。研究了微圖形對工藝復制精度的影響，實驗結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)間鄰近效應對微結(jié)構(gòu)復制精度影響顯著。鄰近效應顯著影響摩擦產(chǎn)熱速率而對粘彈產(chǎn)熱速率影響較小，微結(jié)構(gòu)間距增大鄰近效應減弱、摩擦產(chǎn)熱速率增大，導致復制精度隨微結(jié)構(gòu)間距增加而提高。鄰近效應

4、影響聚合物填充過程，隨占空比增加填充高度出現(xiàn)極大值，而凸起邊緣具有提高微圖形區(qū)填充應力的作用。
　　針對室溫超聲壓印工藝成型密集微結(jié)構(gòu)時片內(nèi)一致性較差的問題，基于聚合物填充行為主要發(fā)生在Tg以上、且Tg以上超聲產(chǎn)熱以粘彈產(chǎn)熱為主的原理，提出并研究了界面熱觸發(fā)粘彈產(chǎn)熱超聲壓印工藝。該工藝的片內(nèi)一致性和平均復制率均可達98％以上，而生產(chǎn)周期小于70s。熱板溫度、超聲振幅、超聲時間和保壓壓力是影響復制精度的顯著因素，最佳熱板溫度為105

5、℃，增加超聲振幅、超聲時間和保壓壓力均顯著提高復制精度。片內(nèi)一致性的顯著因素只有超聲壓力和保壓壓力，隨兩參數(shù)增加而明顯提高。鄰近效應的作用機制亦較好地解釋了微圖形對界面熱觸發(fā)產(chǎn)熱超聲壓印工藝復制精度的影響。與室溫超聲壓印工藝不同，新工藝鄰近效應顯著體現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)尺寸遠小于室溫超聲壓印工藝，且密集微結(jié)構(gòu)模具成型過程中微結(jié)構(gòu)寬度、微結(jié)構(gòu)間距、以及模具凹凸類型對復制精度均有顯著影響。
　　對超聲壓印工藝可見氣泡缺陷的形成機理及抑制方法進行

6、了系統(tǒng)研究。熱失重實驗和熱降解氣泡實驗均表明，出現(xiàn)超聲壓印氣泡的原因為PMMA材質(zhì)熱降解?；诶硐肭蛐螝馀葸\動理論研究了超聲壓印氣泡空化（形成）機理，得到了泡內(nèi)氣體為MMA的氣泡壁運動方程和相應的氣泡空化閾值條件?；诖丝栈瘷C理推導的氣泡現(xiàn)象，與驗證實驗高度相符，證明了空化機理的正確性和有效性。根據(jù)空化機理提出增大靜壓強和降低溫度可抑制氣泡，通過提高超聲壓力成功避免了室溫超聲壓印芯片成型區(qū)氣泡，而界面熱觸發(fā)粘彈產(chǎn)熱超聲壓印工藝實驗則表明

7、降低溫度也可避免成型區(qū)可見氣泡。利用氣泡壁運動方程研究了溫度、靜壓強和超聲振幅對氣泡空化程度的影響規(guī)律，估算出本文參數(shù)范圍內(nèi)氣泡空化程度較低，超聲空化效應對聚合物填充行為的影響可以忽略。
　　研究了室溫超聲壓印工藝基片非成型面粗糙現(xiàn)象的形成機理，并提出了相應的抑制方法。非成型面粗糙現(xiàn)象的根本原因是聚合物軟化并發(fā)生了流動。根據(jù)超聲產(chǎn)熱機理提出“摩擦系數(shù)差法”，通過抑制非成型面產(chǎn)熱現(xiàn)象達到避免粗糙缺陷的目的。在聚合物基片非成型面貼覆復