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聚合物微结构超声波压印方法及机理研究

作者:祁娜年份:2016来源库:博士

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(Glass Transition 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。

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