聚合物微结构超声波压印方法及机理研究

摘要

聚合物材料制作MEMS(Micro-Electro-Mechanical Systems)器件具有成本低廉、工艺简单、易于批量制作等优点，使得聚合物微纳器件制造方法成为当前MEMS领域的研究热点之一。本文以实现聚合物微结构的快速、高精度制作为目标，针对聚合物超声压印工艺的成型机理、工艺方法及缺陷抑制展开系统研究。
　　从填充过程和产热过程两方面，研究了超声压印工艺成型机理。通过理论分析和有限元仿真对超声压印工艺中聚合物填充行为进行了研究，聚合物填充行为主要发生在基片-模具界面附近区域，界面温度是影响聚合物填充行为的主要因素。通过测温实验和理论分析，研究了超声参数与界面温度之间的关系，尤其是玻璃化转变温度(GlassTransition Temperature，Tg)以上的界面温度-时间特性。研究结果表明，超声振幅对界面温度影响显著，界面升温速率随超声振幅的增大而增大。
　　研究了聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate，PMMA)的室温超声压印工艺。考察了工艺参数对复制质量的影响，包括复制精度（表征整个芯片时为多点平均复制率）和片内一致性。复制精度随超声振幅、超声时间和保压时间的增加明显提高，增大超声压力和保压压力则显著改善片内一致性。研究了微图形对工艺复制精度的影响，实验结果显示微结构间邻近效应对微结构复制精度影响显著。邻近效应显著影响摩擦产热速率而对粘弹产热速率影响较小，微结构间距增大邻近效应减弱、摩擦产热速率增大，导致复制精度随微结构间距增加而提高。邻近效应影响聚合物填充过程，随占空比增加填充高度出现极大值，而凸起边缘具有提高微图形区填充应力的作用。
　　针对室温超声压印工艺成型密集微结构时片内一致性较差的问题，基于聚合物填充行为主要发生在Tg以上、且Tg以上超声产热以粘弹产热为主的原理，提出并研究了界面热触发粘弹产热超声压印工艺。该工艺的片内一致性和平均复制率均可达98％以上，而生产周期小于70s。热板温度、超声振幅、超声时间和保压压力是影响复制精度的显著因素，最佳热板温度为105℃，增加超声振幅、超声时间和保压压力均显著提高复制精度。片内一致性的显著因素只有超声压力和保压压力，随两参数增加而明显提高。邻近效应的作用机制亦较好地解释了微图形对界面热触发产热超声压印工艺复制精度的影响。与室温超声压印工艺不同，新工艺邻近效应显著体现的微结构尺寸远小于室温超声压印工艺，且密集微结构模具成型过程中微结构宽度、微结构间距、以及模具凹凸类型对复制精度均有显著影响。
　　对超声压印工艺可见气泡缺陷的形成机理及抑制方法进行了系统研究。热失重实验和热降解气泡实验均表明，出现超声压印气泡的原因为PMMA材质热降解。基于理想球形气泡运动理论研究了超声压印气泡空化（形成）机理，得到了泡内气体为MMA的气泡壁运动方程和相应的气泡空化阈值条件。基于此空化机理推导的气泡现象，与验证实验高度相符，证明了空化机理的正确性和有效性。根据空化机理提出增大静压强和降低温度可抑制气泡，通过提高超声压力成功避免了室温超声压印芯片成型区气泡，而界面热触发粘弹产热超声压印工艺实验则表明降低温度也可避免成型区可见气泡。利用气泡壁运动方程研究了温度、静压强和超声振幅对气泡空化程度的影响规律，估算出本文参数范围内气泡空化程度较低，超声空化效应对聚合物填充行为的影响可以忽略。
　　研究了室温超声压印工艺基片非成型面粗糙现象的形成机理，并提出了相应的抑制方法。非成型面粗糙现象的根本原因是聚合物软化并发生了流动。根据超声产热机理提出“摩擦系数差法”，通过抑制非成型面产热现象达到避免粗糙缺陷的目的。在聚合物基片非成型面贴覆复合聚合物薄膜实现了上述方法并进行了实验验证。实验结果显示，选用表面保护膜可以成功地避免非成型面粗糙现象。最后，通过优化选取表面保护膜提高了超声压印工艺的稳定性。

目录

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．1．1 聚合物微器件简述

1．1．2 聚合物微器件的应用

1．2 国内外相关工作研究进展

1．2．1 常规聚合物微纳结构成型技术

1．2．2 聚合物超声波微纳结构成型技术

1．3 本文主要研究思路与内容

2 聚合物超声压印工艺成型机理研究

2．1 引言

2．2 超声压印工艺填充机理

2．2．1 填充行为理论分析

2．2．2 填充行为有限元仿真模型

2．2．3 压印实验

2．2．4 有限元仿真结果及讨论

2．3 基片-模具界面温度特性对阵列微结构填充过程的影响

2．4 超声压印工艺产热机理

2．4．1 粘弹产热速率的理论分析

2．4．2 基片-模具界面温度特性的实验研究

2．5 本章小结

3 基于硅模具的室温超声压印工艺

3．1 引言

3．2 室温超声压印实验

3．2．1 压印系统

3．2．2 模具的设计制作

3．2．3 工艺流程

3．3 工艺参数对室温超声压印工艺复制质量的影响

3．3．1 实验设计

3．3．2 超声参数的影响

3．3．3 保压参数的影响

3．3．4 参数优化后的工艺复制质量

3．4 微图形对室温超声压印工艺复制精度的影响

3．4．1 实验设计

3．4．2 占空比的影响

3．4．3 密集微结构尺寸的影响

3．4．4 模具凹凸类型的影

3．4．5 邻近效应的作用机制

3．5 本章小结

4 界面热触发粘弹产热超声压印工艺

4．1 引言

4．2 压印系统

4．3 新方法与已有方法的对比

4．3．1 工艺流程

4．3．2 复制结果的评价方法

4．3．3 实验结果

4．4 工艺参数对界面热触发粘弹产热超声压印工艺复制质量的影响

4．4．1 超声参数的影响

4．4．2 保压参数的影响

4．4．3 参数优化后的工艺复制质量

4．5 微图形对界面热触发粘弹产热超声压印工艺复制精度的影响

4．5．1 占空比的影响

4．5．2 密集微结构尺寸的影响

4．5．3 模具凹凸类型的影响

4．6 界面热触发粘弹产热超声压印工艺成型区温度特性

4．7 本章小结

5 超声压印气泡空化机理及抑制方法研究

5．1 引言

5．2 气泡空化机理

5．2．1 泡内气体种类和质量

5．2．2 MMA气泡壁运动的理论分析

5．2．3 气泡空化阈值条件推导

5．2．4 空化气泡的运动状态

5．3 空化机理验证

5．3．1 验证实验

5．3．2 成型面超声波附加压强分布

5．3．3 成型面静压强分布

5．3．4 成型面温度分布

5．4．5 空化机理验证

5．4 气泡抑制方法

5．5 超声压印过程中的气泡空化程度

5．5．1 静压强的影响

5．5．2 超声振幅的影响

5．5．3 温度的影响

5．6 本章小节

6 非成型面粗糙缺陷形成机理及抑制方法研究

6．1 引言

6．2 非成型面粗糙缺陷的特点

6．3 非成型面粗糙缺陷的形成原因及其抑制方法

6．3．1 非成型面粗糙缺陷的形成原因

6．3．2 基于摩擦系数差法的非成型面粗糙缺陷抑制方法

6．4 表面保护膜的优化选取

6．4．1 测量聚合物软化时间的极小值法

6．4．2 表面保护膜的优化选取

6．5 本章小结

7 结论与展望

7．1 结论

7．2 创新点摘要

7．3 展望

参考文献

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介