卷对卷纳米脱模模拟
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纳米压印技术（Nanoimprintlithography）采用高分辨率电子束光刻等方法将结构复杂的纳米结构图案制在印章上，然后用预先图案化的印章使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案，再用反应离子刻蚀或金属溶脱技术将聚合物图形转移到基片上。目前该技术最先进的程度已达到10nm以下的水平[1]。纳米压印具有高分辨率、高产量、低成本的优点,被纳入国际半导体蓝图(ITRS)，成为下一代22nm节点光刻技术的代表之一。但是纳米压印只能实现单片图形复制，其加热、冷却工序时间较长，无法满足大规模生产的需求。同时当模板面积增大时，需要非常大的压印力，容易造成压力不均，甚至破坏模板。随着大面积柔性显示器、超薄有机太阳能电板等产品的问世，急需寻找一种新的加工方法来满足产业化需求。卷对卷纳米压印技术（R2RNIL）正是在这一背景下发展起来的，它采用了具有微结构的柔性模板，利用辊柱的旋转和上下辊对压方式将模板与涂有光刻胶的柔性基底逐渐压合再逐渐脱模，以此将模板上的微结构复制到胶层上。其显著特点是涂胶、压印、固化、脱模等工序集合到一套装置线中完成，能实现微结构的连续复制；其次模板与胶层从局部到整体逐步压合和逐步脱开，所需压印力和脱模力小、压力均匀，能实现大面积图形复制[2]。卷对卷纳米压印这两大优点使其能够满足产业化高生产率的需求。脱模是卷对卷纳米压印过程中的关键环节，直接决定了微结构复制的成败和质量的好坏。脱模的首要条件是胶层与基底的表面结合能要大于胶层与模板的表面结合能，保证胶层不会脱离基底而粘附在模板上面。目前，国内外对卷对卷纳米压印的脱模研究工作还非常有限，本文在分析脱模形式和建立的受力模型的基础上，对卷对卷脱模过程中模板和胶层微结构的受力和变形情况进行有限元分析。
1R2RNIL脱模形式及脱模阻力
1.1R2RNIL工艺原理如图1所示，涂胶辊将容器内液态的紫外光刻胶均匀旋涂到不断前进中的透明柔性基底上，并在压印前烘发掉溶剂；然后，柔性模板绕着压印辊旋转与基底保持同速，模板上的微结构逐渐压入到紫外光刻胶层内，并保持压合状态使得光刻胶充分填充微结构空腔，再由紫外光源对压合的胶层进行曝光，使得填充入模板微结构空腔中的胶层压印结构固化定型；最后，模板与基底通过旋转的方式逐渐脱离开来[3]。
1.2R2RNIL脱模形式在传统纳米压印脱模过程中，模板是整体从胶层上脱离开来的，脱模接触面积大，以致脱模阻力大，且容易破坏模板与胶层本应保持的平行状态，造成各部分脱模不一致。根据脱模发生面与光栅形微结构的几何关系将R2RNIL脱模分成平行脱模和垂直脱模两种方式。平行脱模指脱模发生面（图2中的粗短箭头）与微结构线槽侧壁平行；垂直脱模指脱模发生面与微结构线槽侧壁垂直。无论哪种脱模形式，模板微结构都由局部到整体逐渐地从胶层压印结构脱离出来。因此脱模接触面积非常小，相对于整体脱模其阻力明显减小，且这种局部脱模方式能很好地保持模板与胶层的相对位置，脱模过程平稳得多。
1.3R2RNIL脱模阻力模板微结构侧壁与胶层压印结构侧壁之间的主要作用力是粘附力以及其在脱模过程中产生的摩擦力。粘附力是由于两接触面之间存在接触表面能所引起的，在脱模过程中方向不断变化，始终阻碍接触面的分离；摩擦力的方向平行于接触侧壁，它们作用的效果是轮廓的整体拉伸和微结构接触表面材料的迁移。图3显示了光刻胶层上的脱模阻力。脱模刚发生时，模板微结构和胶层压印结构的顶端面和底端面也有接触力，但是相对于侧壁上的作用力其对脱模的影响要小得多，在有限元模拟中可以忽略不记。根据微摩擦学理论，模板与胶层微结构侧壁上的摩擦力可由下式来估算出[5]：其中，F侧壁摩擦力；μ摩擦系数；H表面粘附力；γ接触面的表面能；γ1、γ2分别为两界面的表面能，γ12为界面能；K当量弹性模量；E1、E2、v1、v2分别为两表面的杨氏模量和泊松比；r为接触面的有效半径。从公式（1）、（2）中看出，摩擦系数、接触半径越大，粘附力和摩擦力也越大。
2有限元模拟
2.1单元类型和材料属性目前关于脱模的研究基本上是对建立在热压印基础上的平面整体脱模机理进行分析。在相关有限元分析中，模板的模型是线弹性体，光刻胶层的模型是粘弹性体[4]，模板的弹性模量相对于胶层要大得多。然而在R2RNIL脱模情形中，光刻胶采用的是紫外光刻胶，在压印之前是半固脂状，具有流动性，在压印过程中逐渐填充进柔性模板的微结构空腔内，经过紫外光源曝光之后，胶层转化成固态。另外，模板是粘附在支撑皮带上绕着压印辊旋转的，会产生大的弯曲变形，这就需要模板具有足够的弹性恢复能力以保证模板上的微结构能够恢复原始形状进行下一次压印。因此，在R2RNIL纳米压印脱模的有限元模拟中，我们将模板和胶层都视为具有大变形恢复能力的高弹体，并将单元类型都设置为PLAME183，能够很好显示出实际脱模情况。设置符合R2RNIL脱模特性的材料属性，如表1。
2.2有限元模型平行脱模的发生面与垂直脱模的发生面不同，在有限元建模中本应区别对待。但是一方面在脱模过程中，模板微结构与胶层压印结构的作用力主要发生在侧壁上；另一方面在有限元模拟中，并不考虑整体脱模力的大小，而是侧重分析在脱模过程中模板微结构和胶层压印结构上应力分布的变化趋势，从而判断应力集中点以及最易受破坏位置。因此，我们取平行脱模方式中的纵向截面（与基底前进方向平行）和垂直脱模方式中的横向截面（与基底前进方向垂直）作为研究对象。这两个截面的特点是都垂直于模板和胶层上微结构线槽，且截面形状相同，便于统一模拟而不影响结果。另外，该截面在有限元模拟中既能反映出脱模过程中模板微结构与胶层压印结构的相对位置，又能显示出结构侧壁上的应力分布。将微结构的深宽比设置为1，模型如图4。在R2RNIL脱模过程中，柔性模板缠绕在压印辊上通过旋转的方式逐渐与胶层脱离开来。当图4的模型是垂直脱模方式时，模板上微结构的所有线槽轮廓在横向截面内同时竖直脱离胶层；当该模型是平行脱模方式时，模板从一端到另一端逐渐脱离胶层，从而模板微结构的侧壁与胶层压印结构的侧壁产生了角度偏差。但是模板微结构上的线槽深度相对于脱模的旋转半径要小得多，在沿基底前进方向的脱模发生区域内，一个线槽轮廓从开始脱模到完全从胶层压印结构脱开所需的旋转角度微小，接触的两个侧壁之间角度偏差对脱模产生的影响可以忽略不计。因此，仍可认为模板上微结构在脱模发生区域中线槽轮廓是整体竖直脱离胶层的。
2.3模拟结果及讨论我们采用ANSYS软件来模拟这一脱模过程。首先，在模型的三对侧壁上创建接触对。模板微结构由于相对弹性模量较高，作为目标面，胶层压印结构弹性模量较低，作为接触面。脱模过程中模板与胶层之间只有相对竖直方向上的位置变化，设置边界约束条件如图4。将模板微结构线槽顶端与胶层压印结构线槽底端之间的距离记为S，在模板模型的非图形边施加微位移[6]，最后模拟得出在不同S值时微结构上的等效应力分布图及最大等效应力smx，如图5。(1)在脱模刚开始发生时，应力集中分别出现在模板微结构和胶层压印结构的根部。随着脱模的进行，模板微结构侧壁和胶层压印结构侧壁都会出现两处应力集中位置，分别出现在模板微结构顶端边缘与胶层压印结构的接触区以及模板微结构侧壁与胶层压印结构顶端边缘的接触区。因此模板和胶层的顶端边缘在脱模过程中始终处于应力集中状态，最易受到破坏。受剪切最大的边缘部分将会产生表面材料迁移，结构顶端边缘处甚至会断裂、脱落，这也在试验中得到证实[5]。(2)在脱模发生开始一段时间，最大等效应力值出现波动，之后随着脱模距离S的逐渐增大，最大等效应力也呈上升趋势，并在即将脱开时达到最大值（如图6），这与现有对热压平移脱模研究中关于最大等效应力变化趋势的结论正好相反[6]。模板微结构和胶层压印结构在相对滑动过程中受到脱模阻力（粘附力以及在脱离过程中的摩擦力）和微结构的变形情况综合作用来决定的。由公式（1）和公式（2）可以看出，当模板微结构逐渐脱离胶层时，接触面积减小，总的粘附力和摩擦力也随之减小，但模板微结构和胶层压印结构上应力集中更加激烈，这两方面对最大应力的综合影响有待进一步理论分析。从模拟结果图片中可以看出，最大应力分别出现在模板微结构侧壁与胶层压印结构侧壁接触部分与非接触部分的交界点上。(3)对于不同深宽比的微结构，脱模情形也会有变化。我们模拟了深宽比R分别为0.5、1、1.5、2四种微结构在脱模开始发生时的等效应力分布，如图7。从图7中可以看出，深宽比越大的微结构，侧壁接触面积越大，从而粘附力和摩擦力也越大，脱模变得困难，这也符合公式（1）、（2）中的结论。另外，深宽比大的结构在脱模发生时最大等效应力也大，但差值幅度并不大。
3总结
卷对卷纳米压印采用了柔性模板和紫外光刻胶在常温下进行压印，所以在有限元建模时将单元类型设置为高弹体，这很好地反映了实际脱模时的应力分布；由于模板脱离胶层时的旋转半径比模板上微结构尺寸大得多，仍然认为模板微结构是竖直脱离出胶层的。我们对脱模过程的不同位置以及具有不同深宽比的微结构的脱模情况进行了有限元模拟。本文只讨论了不同深宽比对脱模的影响，影响脱模的因素还有压印辊转速、模板和紫外胶的材料等。另外，当深宽比足够大时，脱模旋转的角度影响将变得明显，不能再认为模板微结构侧壁与胶层压印侧壁是平行滑动的了，这些都有待进一步探讨。