热压印脱模工艺中摩擦系数影响的研究

张　睿，王　清，郑　旭，张金涛，马立俊，张艳菊，张星远,刘华伟

(山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

热压印脱模工艺中摩擦系数影响的研究

张睿，王清，郑旭，张金涛，马立俊，张艳菊，张星远,刘华伟

(山东科技大学 土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

摘要：压印胶层纳米结构在热压印脱模工艺中的变形关系到纳米器件质量的高低。为了提高纳米器件的质量，研究脱模过程中模板和压印胶之间的接触特性至关重要。采用模型优化、数值模拟和理论分析相结合的方法研究摩擦系数对胶层纳米结构受力和变形的影响，得到摩擦系数增大时von-Mises应力云图和胶层纳米结构顶端变形曲线。分析应力云图可得胶层纳米结构的最大应力和变形在脱模初期随摩擦系数增大而增大，在脱模后期随摩擦系数增大而减小，并从压印胶受力角度对胶层纳米结构顶端变形进行解释。对比顶端变形曲线可得Ni-PTFE模板最佳摩擦系数为0.20，Ni-PTFE模板最优化PTFE含量为15 g/L。通过最佳接触特性对模板进行优化可以减少胶层纳米结构变形，提高纳米器件质量。

关键词：热压印；脱模；摩擦系数；纳米结构；变形；数值模拟

纳米压印技术作为新一代主流光刻技术，以其高精度、高分辨率、低成本等优势在光学、电子学、生物学和微型机电系统(micro-electro-mechanical system，MEMS)等领域得到广泛应用[1]。麻省理工大学的一篇评论称之为“可能改变世界的十大技术之一”[2]。目前，应用最广泛的热压印是纳米压印的一项主流技术[3]。与其他压印技术相比，采用热压印工艺制备纳米器件具有成本低、效率高、可并行操作等显著优点[4]。在热压印的脱模过程中，模板和压印胶之间的相互作用会导致胶体发生粘连变形甚至破损，破坏胶层结构和模具结构。因此，亟需对热压印脱模的影响因素进行研究，提高纳米器件质量，延长模具寿命[5]。

国内外已有研究者通过数值模拟的方法对脱模过程进行研究，Song等[1]通过数值模拟对脱模速率和脱模角度等参数进行优化；Reedy等[6]模拟了模板和压印胶之间的界面剪应力对脱模的影响；Chan-Park等[7-8]发现在模板上旋涂脱模剂可以减小界面剪应力，减少胶层纳米结构的缺陷；Guo等[9]在镍(Ni)模板表面旋涂聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)层，通过减小摩擦系数使压印胶中应力集中区域缩小；Tian等[10]发现Ni-PTFE复合材料模板的摩擦系数比旋涂PTFE层的Ni模板的摩擦系数更小；Zhang等[11]通过电铸技术制备Ni-PTFE复合材料模板并将其应用于实际脱模工艺中，得到了高质量的纳米器件。

现有研究成果表明，通过改善模板和压印胶之间的接触特性可以减少脱模造成的纳米结构缺陷，但是对接触面摩擦系数与胶层纳米结构变形之间的关系研究不够完善。本研究通过建立有限元模型对热压印脱模过程中模板和压印胶的接触面上摩擦系数影响进行研究。分析胶层纳米结构在不同摩擦系数作用下的受力和变形特征，从界面摩擦力的角度对胶层纳米结构的顶端变形做出解释。通过对比不同摩擦系数作用时胶层纳米结构的顶端变形曲线，得到Ni-PTFE复合材料模板的最优摩擦系数和最优PTFE含量，为优化模板材料提供重要参考和理论依据。

1热压印脱模工艺的有限元模拟

1.1二维几何模型及边界条件

为了研究脱模过程中胶层纳米结构的应力变化和变形状态，借助ANSYS 15.0模拟热压印的脱模过程。选用Ni作为模板材料，聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)作为压印胶层材料，建立二维有限元模型。模型几何尺寸和边界条件如图1所示，胶层纳米结构的高度H=100 nm，宽度W=100 nm。模型底边采用固定约束，两侧边沿高度方向可以移动，但沿水平方向不能移动。为了模拟模板与压印胶的分离过程，定义二者的接触边界为可滑动面，并在模板上表面施加100 nm的脱模位移，位移方向垂直于模板向上。

图1　二维几何模型和模拟边界条件

1.2模板和压印胶的材料属性

压印胶层材料(PMMA)的弹性模量远小于模板材料(Ni)的弹性模量，压印胶层更容易发生变形，影响压印图案的质量，因此压印胶层材料对于脱模模拟至关重要。在已有的脱模有限元仿真分析中，对PMMA属性的定义仅有密度、弹性模量和泊松比。为了使模拟材料更接近真实材料，假设PMMA为不可压缩的各向同性材料，采用Mooney-Rivlin模型描述其力学性能[12]。通过Mooney-Rivlin模型常数C10和C01定义PMMA的材料属性，C10和C01与PMMA的弹性模量E的关系[13]：

(1)

(2)

模板和压印胶的材料参数如表1所示。

表1　模板和压印胶的材料参数

1.3二维有限元模型

在建立的有限元模型中，模板采用PLANE42单元，压印胶采用PLANE182单元，模板与压印胶之间的接触关系用接触单元CONTA172定义。不考虑沿模板和压印胶厚度方向的应力变化，该模型可简化为平面应力问题[1]。为使模拟结果更为准确，在划分网格时对有限元模型的单元数量进行加密处理。建模完成后有限元模型共有2 726个单元和2 848个节点。

2摩擦系数对胶层纳米结构的影响

2.1胶层纳米结构的应力变化和变形状态

已有研究证明两种材料混合后摩擦性能会发生改变[14]，例如，Ni-PTFE复合材料模板的平均摩擦系数比Ni模板的摩擦系数小[9]。不同PTFE含量的Ni-PTFE复合材料的摩擦系数如表2所示[11]。由表2可知，PTFE在Ni-PTFE中所占比例越小，Ni-PTFE复合材料的摩擦系数越大。通过改变有限元模型中接触单元的接触特性Friction Coefficient，模拟热压印脱模工艺中摩擦系数增大对胶层纳米结构的应力和变形的影响，得到摩擦系数(μ)分别为0.18、0.20、0.26、0.33和0.40时不同脱模时刻的纳米结构von-Mises应力云图，如图2所示。研究图2可知，当脱模距离为25 nm时，随着摩擦系数的增大，最大应力值逐渐增大，μ=0.40时的最大应力值约是μ=0.18时的最大应力值的2倍，与此同时，胶层纳米结构的顶端出现凹陷变形，并且变形随着摩擦系数的增大而增大；当脱模距离为65 nm时，随着摩擦系数的增大，最大应力值逐渐减小，与此同时，胶层纳米结构的顶端出现凸起变形，并且变形随着摩擦系数的增大而减小。

图2　摩擦系数(μ)为0.18、0.20、0.26、0.33、0.40时，纳米结构在脱模至25 nm和65 nm处的von-Mises应力云图

参数12345PTFE含量(g/L)30151050摩擦系数0.180.200.260.330.40

2.2胶层纳米结构顶端变形的原因分析

在热压印的脱模过程中，模板在外力作用下从压印胶层中向上升起，模板在与胶层纳米结构的接触面处受到方向向下的界面摩擦力作用，根据牛顿第三定律，胶层纳米结构在接触面处同时受到方向向上的界面摩擦力作用。脱模初期，由于界面摩擦力的作用，胶层纳米结构的顶端边缘出现向上的弹性形变(如图2中脱模位移为25 nm)，而且摩擦系数越大，界面摩擦力越大，顶端形成的凹陷变形越大；脱模继续进行，当已经发生变形的压印胶自重与界面摩擦力相当时，胶层纳米结构的顶端凹陷变形达到最大；脱模后期，已变形的压印胶在自重作用下逐渐回落(如图2中脱模位移为65 nm)，此时作用在压印胶上的界面摩擦力成为阻碍其回落变形的阻力。摩擦系数越大，界面摩擦力越大，胶层纳米结构的顶端回落变形的阻力越大，顶端形成的凸起变形越小。

3Ni-PTFE复合材料模板中最佳PTFE含量的选定

为确定Ni-PTFE复合材料模板中最佳PTFE的含量，本节将对脱模过程中胶层纳米结构的顶端变形进行定量研究。选取胶层纳米结构的顶端中间节点(点A)为研究对象，绘制脱模过程中摩擦系数增大时点A的竖向变形曲线，如图3所示。

图3　脱模过程中摩擦系数增大时节点A的竖向变形曲线

观察图3中μ5=0.40时的曲线可知，随着脱模的进行，节点A向上移动，脱模到40 nm时，节点A向上的变形达到最大值，记为Dmax5，此后节点A向下回落，脱模到70 nm时，节点A的变形达到最小值，记为Dmin5。对比图3曲线可得，Dmax5>Dmax4>Dmax3>Dmax2>Dmax1，|Dmin1|>|Dmin4|>|Dmin3|>|Dmin5|>|Dmin2|；μ1=0.18时，节点A向上变形的最大值Dmax1虽然是Dmax5、Dmax4、Dmax3、Dmax2、Dmax1中的最小值，但是向下变形的最大值|Dmin1|是|Dmin1|、|Dmin4|、|Dmin3|、|Dmin5|、|Dmin2|中的最大值；而μ2=0.20时，曲线变化平缓，Dmax2和|Dmin2|相对较小，节点A在整个脱模过程中的变形较小。由表2可知，Ni-PTFE复合材料模板的摩擦系数为0.20时，Ni-PTFE复合材料模板中PTFE含量为15 g/L，此值即为Ni-PTFE复合材料模板的最佳PTFE含量。

4结论

采用模型优化、有限元数值模拟和理论分析相结合的方法对摩擦系数与胶层纳米结构受力、变形之间的关系进行了研究。

1)利用Mooney-Rivlin模型常数定义了压印胶的材料属性，对模拟实验中有限元模型进行网格加密优化。借助ANSYS软件对热压印的脱模过程进行了模拟，得到摩擦系数增大时纳米结构的von-Mises应力云图和胶层纳米结构的顶端变形曲线图。

2)通过分析纳米结构的von-Mises应力云图得到摩擦系数增大时胶层纳米结构的最大应力及变形的变化规律：最大应力及变形在脱模初期随摩擦系数的增大而增大，在脱模后期随摩擦系数的增大而减小；从压印胶层受界面摩擦力的角度解释了胶层纳米结构的顶端变形现象，得出了胶层纳米结构的顶端变形规律。

3)通过对比分析不同摩擦系数作用时胶层纳米结构的顶端变形曲线，得到Ni-PTFE复合材料模板的最优摩擦系数为0.20，以及最佳PTFE含量为15 g/L。通过优化Ni-PTFE复合材料模板的配合比使胶层纳米结构在热压印脱模工艺中的变形最小，可减少因热压印脱模造成的图形缺陷，提高纳米器件的产品质量。

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(责任编辑：李磊)

Effects of Friction Coefficients during Demolding in Hot Embossing

ZHANG Rui,WANG Qing,ZHENG Xu,ZHANG Jintao,MA Lijun,ZHANG Yanju,ZHANG Xingyuan,LIU Huawei

(College of Civil Engineering and Architecture,Shandong University of Science and Technology,Qingdao,Shandong 266590,China)

Abstract:The quality of nanoscale devices depends strongly on the deformation of nanostructures at resists layer during demolding in hot embossing. In order to improve the quality of nanoscale devices, it is crucial to study the contact behavior between the template and the resists in the demolding process. Model optimization, numerical simulation and theoretical analysis were combined to investigate the effects of friction coefficients on the stress and deformation of nanostructures at resists layer. The von Mises stress nephograms and deformation curves of the nanostructure top with the increase of friction coefficients was obtained. According to the stress nephograms, when the friction coefficient increases, the maximum stress and the deformation of nanostructure increase at the initial stage of demolding and decrease at the late stage of demolding. Then the deformation in the nanostructure top was explained in terms of the forces on resist. By comparing the deformation curves of the nanostructure top, the best friction coefficient (0.20) of Ni-PTFE template and the optimal PTFE content (15 g/L) were obtained. Optimizing the template by adjusting the contact behavior can reduce the deformation of nanostructures and improve the quality of nanoscale devices.

Key words:hot embossing；demolding；friction coefficient；nanostructure；deformation；numerical simulation

收稿日期：2015-11-23

基金项目：山东省“泰山学者”建设工程专项资金项目(TSHW20130956)

作者简介：张睿(1990—)，女，山东泰安人，博士研究生，主要从事功能材料与智能结构、微纳米成型与表面功能化研究. 王清(1966—)，男，河北石家庄人，教授，博士生导师，主要从事功能材料与智能结构、微纳米成型与表面功能化研究，本文通信作者.E-mail：profqwang@163.com

中图分类号：TN405

文献标志码：A

文章编号：1672-3767(2016)03-0073-05