聚合物微結(jié)構(gòu)超聲波壓印方法及機(jī)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(jiǎn)單、易于批量制作等優(yōu)點(diǎn)，使得聚合物微納器件制造方法成為當(dāng)前MEMS領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。本文以實(shí)現(xiàn)聚合物微結(jié)構(gòu)的快速、高精度制作為目標(biāo)，針對(duì)聚合物超聲壓印工藝的成型機(jī)理、工藝方法及缺陷抑制展開(kāi)系統(tǒng)研究。
　　從填充過(guò)程和產(chǎn)熱過(guò)程兩方面，研究了超聲壓印工藝成型機(jī)理。通過(guò)理論分析和有限元仿真對(duì)超聲壓印工藝中聚合物填充行為進(jìn)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(guò)測(cè)溫實(shí)驗(yàn)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(shí)間特性。研究結(jié)果表明，超聲振幅對(duì)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(duì)復(fù)制質(zhì)量的影響，包括復(fù)制精度（表征整個(gè)芯片時(shí)為多點(diǎn)平均復(fù)制率）和片內(nèi)一致性。復(fù)制精度隨超聲振幅、超聲時(shí)間和保壓時(shí)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(duì)工藝復(fù)制精度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示微結(jié)構(gòu)間鄰近效應(yīng)對(duì)微結(jié)構(gòu)復(fù)制精度影響顯著。鄰近效應(yīng)顯著影響摩擦產(chǎn)熱速率而對(duì)粘彈產(chǎn)熱速率影響較小，微結(jié)構(gòu)間距增大鄰近效應(yīng)減弱、摩擦產(chǎn)熱速率增大，導(dǎo)致復(fù)制精度隨微結(jié)構(gòu)間距增加而提高。鄰近效應(yīng)

4、影響聚合物填充過(guò)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(yīng)力的作用。
　　針對(duì)室溫超聲壓印工藝成型密集微結(jié)構(gòu)時(shí)片內(nèi)一致性較差的問(wèn)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(fù)制率均可達(dá)98％以上，而生產(chǎn)周期小于70s。熱板溫度、超聲振幅、超聲時(shí)間和保壓壓力是影響復(fù)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(shí)間和保壓壓力均顯著提高復(fù)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(yīng)的作用機(jī)制亦較好地解釋了微圖形對(duì)界面熱觸發(fā)產(chǎn)熱超聲壓印工藝復(fù)制精度的影響。與室溫超聲壓印工藝不同，新工藝鄰近效應(yīng)顯著體現(xiàn)的微結(jié)構(gòu)尺寸遠(yuǎn)小于室溫超聲壓印工藝，且密集微結(jié)構(gòu)模具成型過(guò)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(duì)復(fù)制精度均有顯著影響。
　　對(duì)超聲壓印工藝可見(jiàn)氣泡缺陷的形成機(jī)理及抑制方法進(jìn)行

6、了系統(tǒng)研究。熱失重實(shí)驗(yàn)和熱降解氣泡實(shí)驗(yàn)均表明，出現(xiàn)超聲壓印氣泡的原因?yàn)镻MMA材質(zhì)熱降解。基于理想球形氣泡運(yùn)動(dòng)理論研究了超聲壓印氣泡空化（形成）機(jī)理，得到了泡內(nèi)氣體為MMA的氣泡壁運(yùn)動(dòng)方程和相應(yīng)的氣泡空化閾值條件?；诖丝栈瘷C(jī)理推導(dǎo)的氣泡現(xiàn)象，與驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)高度相符，證明了空化機(jī)理的正確性和有效性。根據(jù)空化機(jī)理提出增大靜壓強(qiáng)和降低溫度可抑制氣泡，通過(guò)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(shí)驗(yàn)則表明

7、降低溫度也可避免成型區(qū)可見(jiàn)氣泡。利用氣泡壁運(yùn)動(dòng)方程研究了溫度、靜壓強(qiáng)和超聲振幅對(duì)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(yīng)對(duì)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(jī)理，并提出了相應(yīng)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(dòng)。根據(jù)超聲產(chǎn)熱機(jī)理提出“摩擦系數(shù)差法”，通過(guò)抑制非成型面產(chǎn)熱現(xiàn)象達(dá)到避免粗糙缺陷的目的。在聚合物基片非成型面貼覆復(fù)