研究結果 - 南部科學園區路竹基地專案---類深刻模造精密機械技術及其應用研究

一、微熱壓模具製作部份：

1-1 微熱壓模具製作與壓印實驗流程規劃

1-2 矽基模具製作實驗結果 1-2-1 曝光 7 秒顯影 5 分鐘

如圖1 所示，為經由曝光 7 秒顯影 5 分鐘後所完成之 SU-8 結構之電子顯微鏡圖，由圖上可以很明顯的看到其SU-8 結構相當的完整。

1-2-2 曝光 7 秒顯影 5 分鐘 SEM 全貌圖

如圖2 所示，為經由曝光 7 秒顯影 5 分鐘之 SEM 全貌圖，而其線寬排列依序為2mm-1mm-500µm-100µm-20µm。

2mm 1mm 500μm

晶圓清洗去水烘烤塗佈光阻軟烤靜置冷卻

曝光曝後烤靜置冷卻顯影甩乾水份

RIE 蝕刻浸泡丙酮甩乾水份量測蝕刻深度

模具表面進行抗沾黏處理模具製作完成在 PMMA 上進行壓印

觀察壓印後成形情況壓印實驗完成

100μm 20μm

圖1 曝光 7 秒顯影 5 分鐘

圖 2 曝光 7 秒顯影 5 分鐘之 SEM 全貌圖 1-3 蝕刻深度表

圖 3 蝕刻深度表

圖3 為測量蝕刻後之矽晶圓之高低差，取上圖紅色與藍色的圈圈為測量基準，

所得之結果為dz=98.182，與原來預計要蝕刻的深度 99µm 相差不遠，且所測量之數值也會因為所圈選的區域不同而有不同的數值產生。故此測量之數值為我們所能接受之合理誤差範圍。

1-3-1 完成蝕刻後之矽基模具 SEM 圖

圖4、5、6、7 所示為完成蝕刻後之矽基模具的 SEM 圖，圖 4 為 2mm、

圖5 為 1mm、圖 6 為 500µm、圖 7 為 100µm，但在量測 100µm 的線寬尺寸時，卻發生尺寸少約17µm 的情況，而會發生此情況有可能是因為在微影製程時線寬就已經發生錯誤亦也有可能是在RIE 時蝕刻過量所造成的結果。故日後進行相關製程實驗時要需要特別去注意，以防止此情況再次發生。

圖4 2mm 圖 5 1mm

圖6 500µm 圖 7 100µm 1-4 壓印完成之 PMMA 成品 SEM 圖

圖8、9、10、11 為經由矽基模具壓印之後，在 PMMA 材料上所成形的情況。

且從這些圖中我們可以很明顯的看出其有壓印成形的壓痕。圖8、9、10、11 為拍攝利用100µm 的線寬、壓深 100µm 在 PMMA 上所壓印成形的 SEM 圖。

圖8 PMMA 上壓痕成形情況圖 9 PMMA 上壓痕成形情況

圖10 PMMA 上壓痕成形情況圖 11 PMMA 上壓痕成形情況 1.4 分子動力學模擬部份：

1-4-1 模擬方法

奈米壓印模具是採用銅、鎳、鎢三種不同的材料來模擬壓印時所會遇到的現象與狀況。銅原子是以2160 顆來排成 FCC 的結構，模具壓印的部份為 3 × 3 nm，

鎳原子的排列與銅原子相同，鎢模具使用了1080 顆鎢原子來排成 BCC 的結構，

在邊界條件的設定上，模具的水平方向(X)設定週期邊界條件，深度方向(Y)設定 3 格晶格，而垂直方向(Z)設為真實尺寸，而在模具最上方設了 2 層固定層，以防止模具形狀因為受力而散掉。

在銅、鎳、鎢工件原子間的交互作用力是採用 Morse 勢能，Morse 勢能在一般的MD 模擬仍然被大量的採用，所採用的 Morse 勢能方程式[9]定義為：

)]}

r -(r 2exp[ -)]

r -(r D{exp[-2 )

U(r_ij = α _ij ₀ α _ij ₀ (1) 其中：U 其中代表系統的勢能，

r 為原子平衡距離，D 為內聚能(Cohesion

₀

K/ps，150K/ps 來做比較。以銅增溫率為 100K/ps 為例，圖 12(a1)為銅平衡後的模具形狀，此時設定模具溫度為500K。接下來利用增加溫度場的方式來模擬其情況，藍色的部份設定為500K，綠色設定為 600K，黃色設定為 700K，紅色設定為800K。圖 12(a2)顯示了增加溫度時所產生的局部原子改變。圖 12(a3)可知，

在增溫400K 後，外層的原子增溫到 1300K 時已經有飛散的情形。以不同增溫率 50K/ps 和 150K/ps 的銅模具作比較，模具溫度提升到接近熔點時，模具的原子會有飛散的狀況並且模具形狀會產生膨脹和改變外型。

以鎢模具來觀察增溫後所得到的結果，溫度的設定跟銅模具相同，在圖12(b1)

時為鎢模具剛增溫的情形，此時的外觀都非常的完整，到了第6000timestep 時，

如圖12(b2)由於受到了溫度的效應，因此模具開始膨脹，使得表面有鈍化的情形產生，到了第9000timestep 時，如圖 12(b3)由於已經接近熔點，開始有原子飛散的情形產生。

1-4-5 壓力效應

本研究在銅模具底部施加一個均勻的斜向推力，在底部施加 0.01 單位力量的斜向推力，然後10000timestep 之內，以每 1000timestep 減少 10%的推力去對模具施加壓力，換句話說，就是以每1ps 的時間，去減少 10%斜向推力後，再去

方向位移最大的是 30 度的斜向壓力，而向 Z 方向的變形量最大的則是 60 度的斜向壓力，這與本研究在巨觀情況所得到的結果相同。

從鎢模具受力得到的模具變形，可以看到和銅模具相同的結果，不同的是鎢

模具在受到壓力場施加壓力時，由於鎢的內聚能較大的緣故，因此有回彈的現象產生。

1-4-6 不同材料結果比較

本研究發現:以溫度場來說，銅模具的升溫溫度在熔點前的膨脹率為 10%，

如圖 14(a)，鎳模具升溫溫度在熔點前的膨脹率為 8.2%，如圖 14(b)，鎢模具升溫溫度在熔點前的膨脹率為15.6%，如圖 14(c) ，隨著溫度增加時，膨脹率隨著增大，這是由於高溫時原子的運動速度增大導致原子間距增大。

因此本研究可以用來判斷模具以溫度為條件的損耗率，我們可以得到圖 15，在穩定(stable)的區域內，模具算是沒有損壞的狀況，而在失效(failure)的區域內，模具即為損壞的狀態了。

以壓力場而言，結果發現可以從圖 16 中得知時間與垂直軸向壓縮比的關係，從圖上可以清楚的發現：

(1)銅模具呈現一個線性的關係，隨著力量減少，變形量也跟著減少。

(2)鎳模具也和銅模具一樣，呈現一個線性的關係，隨著力量減少，變形量也跟著減少。

(3)鎢模具則是產生了回彈的現象，隨著力量逐漸減弱，變形量也隨之減少，當內聚能大於外加壓力時，模具便發生了回彈的現象，如圖16(c)所示。整體而言，

因為是以 Z 軸的壓縮比來說明，也就是探討正向力，因此我們可以看到傾斜角越大，所受到的側向壓力F 的正向分力 N 也會越大。

1-4-7 結論

本研究成功地模擬出奈米模具受到溫度場及壓力場所帶來的影響及情況，可以了解微奈米模型所能受承受的力量與變化，因此可以歸納出以下的結論：

(1)以分子動力學模擬溫度場的狀況時，模具在熔點之前會有原子分散的結果。

(2)溫度持續加高時，模具的表面會先產生鈍化的現象，並且持續膨脹。

(3)以分子動力學模擬側向壓力施加在模具上時，角度越大，正向力則越大，符合塑性力學的現象。

(4)在施加外力的過程中，當模具內的內聚力大於外力時，便會發生回彈的現象。

1-4-8 圖表彙整

表1 Morse 勢能之各項參數值

Parameter Cu-Cu Ni-Ni W-W D (eV) 0.3446 0.4279 0.9710 α(Å^-1) 1.3921 1.3917 1.3850

r

0(nm) 0.2838 0.2793 0.3053

(a1)第 1ps (b1)第 1ps

(a2)第 3ps (b2)第 6ps

(a3)第 4ps (b3)第 9ps

圖12 模具的增溫率為 100K/ps 時，(a)為銅模具，(b)為鎢模具，(a1)(b1)為第 1ps 初始加熱階段，(a2)(b2)時表面開始產生鈍化，(a3) (b3)為模具在表面快達到熔點，已有原子飛散的情況。

(a)30 度斜向壓力

(b)45 度斜向壓力

圖13 銅和鎢模具受力所產生的變形圖 (a) 30 度斜向壓力 (b) 45 度斜向壓力 (c) 60 度斜向壓力

(a) 銅 (b) 鎳

圖14 (a) 銅的膨脹率與溫度的關係圖(b) 鎳的膨脹率與溫度的關係圖 (c) 鎢的膨脹率與溫度的關係圖

圖15 銅、鎳、鎢的增溫率和時間關係圖，在 stable 的區域內，模具算是沒有損壞的狀況，而在failure 的區域內，模具即為損壞的狀態了。

(a) 銅 (b) 鎳

圖16 時間與 Z 軸向壓縮比關係圖(a) 銅 (b) 鎳 (c) 鎢 1.5 Deform 模擬部份：

1-5-1 模擬壓印 PMMA

此部分是利用有限元素法分析為基底的DEFORM-2D 分析模擬軟體，觀察模擬金屬高分子PMMA(甲基丙烯酸乙酯)熱壓成形時，材料所受應力、應變、破壞率、應變率，利用網格的建立瞭解材料內部的流動情況，來了解模具設計與製程規劃是否有一些潛在缺陷，以及一些看不見的產品設計不良之不確定因素。此分析軟體為一般塑性加工常用來模擬製程，主要可以降低試模的成本，提昇產品品質等之優點。而在最後，為模擬壓印高分子材料PMMA 之情況而目前所模擬之進度為模擬高分子材料PMMA 之進度。

1-5-2 模擬過程

模擬材料為高分子PMMA(甲基丙烯酸甲酯)，上模壓印模擬尺寸為

2mm-1mm-500µm-100µm，壓印深度為 100µm，模擬環境溫度為 140℃，如表一

所示。

3-2-1 將數據輸入 Deform 之材料資料庫以建立 PMMA 之材料性質(如圖 21)。

1-5-6 分析結果

上模壓印尺寸為2mm 上模壓印尺寸為 1mm

T( )℃ 25 95 100 140 250

ε\ε^⋅ 0.0001 1 0.0001 1 0.0001 1 0.0001 1 0.0001 1 0.05 72 75 28 31 5.5 5.5 0.06 1.16 0.006 0.006

0.5 70 73 21 24 5.5 5.5 0.06 1.16 0.006 0.006 1 80 83 55 58 5.5 5.5 0.06 1.16 0.006 0.006

‧

表一 PMMA 非恆溫之應變－應變率數據

圖21 所建立之 PMMA 資材料資料庫

上模壓印尺寸為500µm 上模壓印尺寸為 100µm

上圖為高分子材料PMMA 所模擬出來的負荷位移圖以及應變分佈圖。各尺寸分別都有產生加工硬化，2mm：0.715~1.19 牛頓(N)時之加工位移量會急速減緩，

而產生加工硬化，最大應變0.177（㎜/㎜）最小應變為 0（㎜/㎜）。1mm：2~8.1 牛頓(N)時之加工位移量會急速減緩產生加工硬化，最大應變 0.443（㎜/㎜）最小應變為0.0353（㎜/㎜）。500µm：1~8.1 牛頓(N)時之加工位移量會急速減緩產生加工硬化，最大應變0.442（㎜/㎜）最小應變為 0.0337（㎜/㎜）。100µm：0.7~3.6 牛頓(N)時之加工位移量會急速減緩產生加工硬化，最大應變 0.741（㎜/㎜）最小應變為0.0405（㎜/㎜）。

1 . 6 結果與未來展望

微熱壓模具製作部份：在本研究中，針對微熱壓模具製作部份已完成的部份有 (1)自行製作出矽基模具製作(2)模具抗沾黏層處理

(3)操作奈米壓印機配合自製矽基模具來進行壓印

(4)壓印PMMA高分子材料。在未來本研究可朝向更小線寬的模具製作，以及製作不同材質的模具(例如：石英、玻璃) 接在再搭配不同的壓印製程(例如：STIL(步進閃光壓印)、

滾輪型式大面積壓印、RTIL(室溫壓印))，使奈米壓印的製程可實際應用在不同的領域。在抗沾黏層處理方面也可再繼續研究不同的處理方式(例如：OTS)，使模具的使用壽命以及磨耗方面的問題可因此減少或改善不少。

分子動力學模擬部份：本研究可以成功地模擬出微奈米模具受到溫度場及壓力場所帶來的影響及情況，可以了解微奈米模型所能受承受的力量與變化，因此可以歸納出以下的結論：

(1)以分子動力學模擬溫度場的狀況時，模具在熔點之前會有原子分散的結果。

(2)溫度持續加高時，模具的表面會先產生鈍化的現象，並且持續膨脹。

(3)以分子動力學模擬側向壓力施加在模具上時，角度越大，正向力則越大，符合塑性力學的現象。

(4)在施加外力的過程中，當模具內的內聚力大於外力時，

便會發生回彈的現象。

Deform2D/3D 分析部份：目前使用以 PMMA 作為壓印材料，模擬尺寸為 2mm-1mm-500

µm-100µm-20µm，2mm-1mm-500µm-100µm 可以順利模擬成功，以了解壓模過程的應力-應變、負荷-位移等關係。但 20µ 無法順利模擬，經探討後判斷，可能原因為上模尺寸、壓印材料尺寸過於太小，導致壓印材料的網格

在文檔中南部科學園區路竹基地專案---類深刻模造精密機械技術及其應用研究 (頁 83-95)