1、本科毕业论文（20 届）纳米压印机的总体设计与虚拟装配所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文I摘要纳米压印技术是 20 世纪 90 年代中期发展起来的一种新型的微纳结构制备技术。它继承了传统光刻技术的并行性，因此具有与传统光刻技术可比拟的高产率。同时又继承了直写式纳米结构制备技术的高分辨性。纳米压印技术另一特点在于借鉴了古老的压模技术，因此避免在光刻技术中所用到的昂贵的光学系统，从此大大降低了成本。纳米压印技术的这些特点使这种技术被认为是最有应用前景的下一代微纳结构刻蚀技术之一。在本研究工作中，首先建立了纳米压印技术的完整的工
2、艺流程，并对现有的纳米压印技术进行进一步的改良，使之能够运用于更广泛的领域。在纳米压印机的设计中的一项重要环节便是虚拟装配。虚拟装配（Virtual Assembly）是产品数字化定义中的一个重要环节，在虚拟技术领域和仿真领域中得到了广泛的应用研究。虚拟装配（Virtual Assembly）采用计算机仿真与虚拟现实技术，通过仿真模型在计算机上进行仿真装配，实现产品的工艺规划、加工制造、装配和调试，它是实际装配的过程在计算机上的本质体现。目前，就其技术而言，已经成熟，虽尚没有商用虚拟装配系统，也尚未充分地应用于新产品开发的分析和评价，但这项技术在新产品开发中已得到肯定，并具有很重要的意义。过去
3、传统的产品开发，常需要花费大量的时间、人力、物力来制作实物模型进行各种装配实验研究，力求在产品的可行性、实用性和产品性能等方面进行各种测试分析。现代设计要求设计人员在虚拟产品开发早期就应考虑装配问题，在进行虚拟装配的同时创建产品、分析装配精度，及时优化设计方案。本研究旨在为纳米技术研究提供一种制造手段，推动纳米光电子、纳米磁存储、生物微流器件等微纳米器件的研究和产业化的进一步发展。关键字：光刻；纳米技术；虚拟装配本科生毕业论文IIAbstractNanoimprint lithography (NIL) has been proposed as alternative approach for
4、 the fabrication of nanostructures with critical dimensions in the sub-100 nm range on the wafer scale, It involves two steps: imprinting and pattern-transfer. In the imprinting step, a mold with nanostructures on its surface is impressed into a thin resist film on a substrate.In the pattern-transfe
5、r step, an anisotropic etching process such as reactive ion etching(RIE) is used to remove the residual tesist in the compressed area,transferring the pattern crwated by the imprint into the entire resist.The smallest structures that have been successfully fabricated by NIL so far are 6 nm half-pitc
6、h lines.And imprinting processes have been already demonstrated on 8 inch wafers with,lines,dots and rings.Compared with other lithography techniques, such an Scanning Probe Lithography(SPL), Electionic Beam Lithography(EBL) and Photolithography(PL), NIL has advantages of high throughput,high resolu
7、tion and low-cost, and thus has been proved as a promising candidate for next generation lithography.In the present work, the whole arts and crafts of nanoimprint lithography will been built firstly, which is the premise of researching,developing and utilizing NIL.Nano-imprint in the design of an im
8、portant part is the virtual assembly. Virtual assembly is the definition of digital products an important part of the virtual and simulation technology in the field have been widely applied research.Virtual assembly by computer simulation and virtual reality technology, through on a computer simulat
9、ion model to simulate assembly, the product of the process planning, manufacturing, assembly and commissioning, it is the actual assembly process on a computer embodies the essence.At present, its technology, now mature, although no commercial virtual assembly system, also has not yet been fully app
10、lied to new product development analysis and evaluation, but this technology in the development of new products has been in the affirmative, and a very important Significance. The traditional product development, and often need to spend a lot of time, manpower and material resources to create physic
11、al models of various assembly experimental study, to the products of the feasibility, practicality and performance, and other aspects of various tests. Modern design requirements in the design of virtual product development early on the assembly should consider the issue, in a virtual assembly of pr
12、oducts, analysis of assembly accuracy, timeliness optimize the design. The purpose of this study for nanotechnology research to provide a means to create, promote nano-photonics, nano-magnetic storage, biological microfluidic devices such as micro-and nano-devices on the further development of the i
13、ndustry.Keywords：Lithography ； Nano-Technology；Virtual Assembly本科生毕业论文III目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题概述 .11.2 本文主要的研究工作 .21.3 本文的组织结构 .2第 2 章 纳米压印工艺及纳米压印机的总体设计 .32. 1 热压印 工艺 .42.2 纳米压印机的总体设计 .8第 3 章 基于 SolidWorks 的虚拟装配 .153.1 虚拟装配的概述 .153.2 虚拟装配的工作原理及其特点分析 .163.3 三维绘图软件 solidworks .19第 4 章 基于 SolidWorks 的纳米
14、压印机虚拟装配 .214.1 X-Y 粗动工作台的虚拟装配 .214.2 找平装置的虚拟装配 .244.3 转动工作台的虚拟装配 .26第 5 章 X-Y 粗动工作台的爆炸视图 .28总结 .30致谢 .31参考文献 .32本科生毕业论文1第 1 章 绪 论1.1 课题概述现今利用光刻手段制作的纳米量级图形主要是靠纳米结构制作，这样能保持它所特有图形的精确度和分辨率。而且光学光刻的极限分辨率一直在前进，极限分辨率可以达到光源波长的一半，波长的光源分辨率可达 100nm，更有 157nm 波长的光源分辨率将达到 70nm。由于各种材料等其他的原因，跨越 70nm 光学光刻的技术遇到了很大的困难。
15、科学的困难不能这样而放弃，所以跟上集成电路技术的快速发展，在努力突破光学光刻极限分辨率的背景下，找到一种可以代替光学光刻的更好的光刻技术在最近几十年得到了快速的发展。为了更好的使产品引用于生活中，所以产品的生产必须是廉价的，操作简便的，高重复性的，大批量生产的。虽然找到了极紫外光刻，但是整个光刻系统费用昂贵。这就阻碍了工业化生产的要求。针对以上的难题，美国“明尼苏达大学纳米结构实验室 ”从 1995 年开始自力于开创性的研究，他们提出并展示了一种叫做“纳米压印”(nanoimprint lithography)的新技术。软刻印术对纳米压印技术的发展起到了一种存进的作用，首先它要制作具有刚性的纳
16、米图案的压模，然后在将基片上的聚合物薄膜制作成纳米图形，还需要进行一系列的刻蚀，剥离等加工过程，最后成了纳米结构和器件。针对上述的发明克服了不能大批量生产的致命的问题，而且出来的产品均匀性和重复性还得到了进一步的提高。这种技术复合了现在社会广泛的需求，成本低，效率高，绿色化等优点。为了更好的帮助纳米压印机的设计我们需要一个重要的环节虚拟装配。它是虚拟制造的重要前提，利用电脑的虚拟装配，可以帮助我们检查设计和操作的可行性，以便及早的发现问题解决问题，并显示其装配过程。该系统充分的允许设计人员考虑切实可行的装配序列，自动生成装配规划，他的内容还包括数值计算，装配工艺规划，装配操作所模拟和工作面布局
17、等。这使得现在的产品正在向着自动化，数字化的方向前进。虚拟装配技术是虚拟制造技术的一个核心内容，它的发展过程是首先有手工装配到圆台式自动装配到自动装配线装配再到柔性自动装配，最后到虚拟装配（Virtual Assembly） 。虚拟装配技术主要是虚拟装配建模，规划和评估三部分共同组成。虚拟装配研究的关键内容就是虚拟装配建模，它是完成所有程序的基础，充分利用装配信息进行路径分析和求解，选择一条最优的装配路径，从而达到最优化设计的效果。虚 拟 装 配 技 术 (VirtualAssembly Technolohy)的 发 展 对 虚 拟 制 造 技 术 起 到 了 一 个 关 键的 作 用 ， 对
18、 比 虚 拟 制 造 的 其 它 部 分 ， 它 又 是 最 薄 弱 的 环 节 。 虚 拟 装 配 技 术 近 几 年 发 展 缓慢 ， 这 样 使 得 它 的 应 用 性 大 大 减 少 ， 所 以 这 几 年 的 主 要 研 究 课 题 就 是 要 加 快 虚 拟 装 配 技术 的 快 速 发 展 ， 待 这 一 问 题 的 解 决 将 使 该 技 术 建 成 一 个 完 善 的 理 论 体 系 ， 促 使 生 产 真 正在 高 质 量 、 高 效 、 低 成 本 、 段 时 间 的 大 环 境 下 完 成 ， 同 时 又 不 失 良 好 的 服 务 。 虚 拟 装 配从 模 型 重 新
19、 定 位 、 分 析 方 面 来 讲 ， 它 是 一 种 零 件 模 型 按 约 束 关 系 进 行 重 新 定 位 的 过 程 ，从 现 在 来 讲 是 有 用 的 分 析 产 品 设 计 是 否 合 理 的 一 种 方 法 ;从 产 品 装 配 过 程 来 讲 ， 它 是 根 据产 品 设 计 的 形 状 特 性 、 精 度 特 性 ， 真 实 的 模 拟 产 品 三 维 装 配 过 程 ， 并 允 许 用 户 以 交 互 方 式控 制 产 品 的 三 维 真 实 模 拟 装 配 过 程 ， 以 检 验 产 品 的 可 装 配 性 。本科生毕业论文2作 为 虚 拟 制 造 的 关 键 技
20、术 之 一 ， 虚 拟 装 配 技 术 近 年 来 受 到 了 学 术 界 和 工 业 界 的 广 泛关 注 ， 并 对 敏 捷 制 造 、 虚 拟 制 造 等 先 进 制 造 模 式 的 实 施 具 有 深 远 影 响 。 通 过 建 立 产 品 数字 化 装 配 模 型 ， 虚 拟 装 配 技 术 在 计 算 机 上 创 建 近 乎 实 际 的 虚 拟 环 境 ， 可 以 用 虚 拟 产 品 代替 传 统 设 计 中 的 物 理 样 机 ， 能 够 方 便 的 对 产 品 的 装 配 过 程 进 行 模 拟 与 分 析 ， 预 估 产 品 的 装配 性 能 ， 及 早 发 现 潜 在 的
21、装 配 冲 与 缺 陷 ， 并 将 这 些 装 配 信 息 反 馈 给 设 计 人 员 。 运 用 该 技 术不 但 有 利 于 并 行 工 程 的 开 展 ， 而 且 还 可 以 大 大 缩 短 产 品 开 发 周 期 ， 降 低 生 产 成 本 ， 提 高 产品 在 市 场 中 的 竞 争 力 。所以说在产品的设计当中，虚拟装配是一项重要的环节。1.2 本文主要的研究工作本人在接到论文课题之后，对纳米压印的工艺及纳米压印机的结构，通过查阅相关资料，进行了深成次的了解。学习了软件 Solidworks，并专门对里面虚拟装配这一块进行了仔细的了解。具体工作内容如下：（1）了解纳米压印发展状况和
22、纳米压印工艺及其总体设计；（2）利用软件 Solidworks 对其总体结构进行虚拟装配；（3）利用软件 Solidworks 对纳米压印机内部的 X-Y 粗动装置进行了爆炸，生成爆炸图。1.3 本文的组织结构第一章前言，介绍了纳米压印光刻技术研究的目的和意义，以及虚拟装配，并介绍了本文的工作。第二章对纳米热压印光刻技术的工艺及其总体设计进行了描述。第三章介绍了软件 Solidworks 虚拟装配。第四章介绍了纳米热压印机几个重要部分的虚拟装配。第五章着重介绍了 X-Y 粗动装置的爆炸图。本科生毕业论文3第 2 章 纳米压印工艺及纳米压印机的总体设计纳米压印技术是 1995 年华裔科学家 St
23、ephenY.Chou 提出的。它的过程要先在某一种衬底上涂一层高分子的胶，例如石英，硅片。然后把它放在一定温度和压力下，在该高分子胶上用有机械力的方式压上用电子束光刻技术制备的具有纳米尺度线宽的模板，当温度下降后就可以把模板脱出来了，这是该胶上就有了需要的图形，该图形尺寸可以低于 10nm。总的来说，出来的图形还可以继续压印到下面的模板上去。因为这种压印的过程多采用温度来控制，所以被称为热压印方法。从这个简单的纳米压印过程描述中我们得出，热纳米压印整个流程需要几个重要的工艺过程有模板制造、压印过程及图形转移过程，用到的主要材料包括衬底材料、模板材料、纳米压印胶或者其他能被压印的功能材料等，这
24、些材料的研究、工艺过程的每一步其实都面临了很多的困难，这也正是许多学着正在攻破的难关。经过研究人员多年的努力这项纳米压印技术的最先进水平已经达到了 5nm 以下。它最主要有热压印、紫外压印、微接触印刷和激光辅助压印，如图 2.1 所示。加工聚合物结构的最常用方法就采用用了纳米压印技术,它应用具有高分辨率特点的电子束通过一定的温度和压力下将结构复杂的纳米结构图案复制到模板上,接着用预先准备好具有图案化的模板使聚合物材料形变从而在聚合物上形成结构图案。激光辅助压印采用准分子激光脉冲熔融硅片表层，然后用高硬度而耐热的石英模板压印液态的熔融硅表层，待液态硅层固化后脱模。基 片模 板模 板光刻胶基 片基
25、 片模 板压力温度基 片O 2 R I E基 片（a） （b）基 片模 板模 板基 片基 片模 板紫外光基 片O 2 R I E基 片紫 外固化 光刻胶本科生毕业论文4（c） （d）图 2.1 几种纳米压印工艺流程（a）纳米热压印工艺流程（b）紫外固化压印工艺流程（c） 微接触印刷工艺流程（d）激光辅助压印工艺流程从图 2.1 可以看出，几种工艺虽然工艺流程各有不同，可他们还是有相同之处：用已经准备好的模板，在一定的温度和压力下将印章的图形复制到基片上。首先要制造好的具有可靠性的模板,这样才能用使用一般的工艺和设备实现大批量图形的转移。也能省去昂贵的系统费用和资源浪费。同时，由于纳米压印是通过
26、改变其物理特性，因而光的衍射，散射，光刻胶内部光干涉等因素不能对其分辨率的高低产生影响，因此容易突破传统光刻工艺的分辨率极限。2. 1 热压印工艺热压印法的工艺过程分三个步骤：压模制备、压印过程、图形转移。它的最主要是方法是用具有高分辨率的电子束刻印术，使高硬度的压模毛坯加工制成一个压模；接着用预先准备好具有图案化的模板使聚合物材料形变从而在聚合物上形成结构图案。首先是压模制备，压模通常用金刚石， Si，SiO2 ，氮化硅等材料制成。这些材料有很多适合做压模制备的特点如高 Knoop 硬度、大压缩强度、大抗拉强度；高热导率和低热膨胀系数，这样即使在温度很搞的情况下压模的热变形很弱。此外，从保护
27、环境方面来说，重复的压印制作会影响压模的特性，需要用化学试剂来清洁压模表面的污染物，这就必须要求制作压模的材料具有抗腐蚀性的惰性材料。2.1.1 热压印模板热压印模板，有时也被称为印章。简单地说，纳米压印刻蚀技术可以说是对图形的从这个面到另一个面的复制和转移。整个过程一个关键部分就是模板，所以需要模板制备具有高分辨率，稳定，重复性高。对转移到聚合物上的图形质量起重要作用的就印章上的图形质量,它本科生毕业论文5的分辨率高低决定了聚合物上图案的分辨率。制备印章的方法可以有很多种方式,经常使用的方式有：电子束、极紫外光、聚焦离子束或反应离子刻蚀等。其过程是先在基底上涂上能对电子束敏感的聚合物（PMM
28、A） ；接着电子束按着原先设计好的图形程序在聚合物表面扫描曝光，当被曝光时所在区域的聚合物断键或分解并溶解在准备好的特定的溶剂里，而不在扫描的区域内的则为不溶，这样就能发现有聚合物图形出现在基底上；最后经过实验室的一系列工序后，就可以发现基底上有聚合物图形。常见的印章材料有硅/ 二氧化硅、镍、石英玻璃印章。热压印的模板要做到稳定性高，重复使用率高，同时具备以下条件。（1） 高硬度由于压印模板与聚合物要直接物理接触，所以模板的基底材料要有足够高的硬度，在压模和撤模的过程中不容易变形和受损，Si 和 SiO2 是最常用的模板材料。各种新型的、具有特殊功能的模板材料也在研究中，如 Alkaisi M
29、M 等人在 Si 基底上化学气相沉积 SixNy 后，利用电子束直写曝光技术制备 SixNy 模板，由于 SixNy 材料本身的表面性能和硬度，避免了压印过程中聚合物对模板的污染，而且，SixNy 模板在,58的低温下，也能成功实现模板的图形化转移。低温压印对于减小模板和基底的热膨胀，提高套刻精度及热压印胶的稳定性都是非常有利的。Taniguchi J 等人用电子束曝光金刚石表面的 PMMA，再结合反应离子刻蚀技术制备了 2m 宽，200nm 高的金刚石模板，由于金刚石是自然界强度最大的物质，所以这种模板除了进行 PMMA 的热压印外，还能在 Al, Cu, Au 等金属表面直接进行压印，减少
30、了压印的步骤，提高了生产效率，适合大批量加工各种光学器件。Pfeiffer K 等人结合电子束曝光和铸膜技术分别制备了聚合物/硅模板和全聚合物模板，整个过程比较简单，而且用这种聚合物模板热压印得到了最小尺寸 70nm 的图形。另外，金属以及仿生材料也可以用作热压印的模板。（2） 低膨胀系数热压印过程中模板和聚合物将会同时被加热至聚合物的玻璃化转化温度之上，再施加一定的外压，使聚合物流动成型，因此模板材料要有低的热膨胀系数和低的压力收缩系数，避免热胀程度不同及高压导致的图形变形。（3）好的抗粘性能在纳米压印工艺中，要求作为压印胶的聚合物和基底材料之间能有较强的附着能力，这样才能保证在退模过程中不
31、会与基底脱离而导致结构破坏；同时，聚合物和模板之间应有尽可能低的界面能，以防止在退模过程中因聚合物与模板之间发生粘连影响印质量。虽然可以通过选择合适的材料满足这样的要求，但是这就限制了这种技术的只用范围，因此更多的是采用在模板上修饰抗粘层的办法。目前主要有以下方法在模板上制备抗粘层。模板和聚合物之间的作用力主要来自三个方面，大的接触面积、楔行模板图形、各方向摩擦力的连锁效应导致的机械作用力。模板材料和聚合物之间形成化学键的化学作用力以及范德华和氢键等作用力。对于两者之间大的摩擦力，可以通过优化热压印过程的工艺参数加以避免，在一定压印温度和压力下延长压印的时间，使聚合物内部的压力得以弛豫，有助于
32、避免连锁的摩擦效应。对于一个给定的聚合物表面，另一物质表面自由能越小， 两者之间的粘附功越小， 反之，另一物质的表面自由能越大，则粘附功越大。所以热压印的模板表面自由能应该尽可能小，而用于承载聚合物的基底应该具有较大的表面自由能，这样聚合物与基底之间的作用力大于聚合物与模板之间的作用力，有利于避免粘附的发生。对于一个特定的压印过程，基底和聚合物材料通常是一定的，因此，一般通过对模板修饰抗粘层的方法，本科生毕业论文6来获得较好的分离效果。目前主要有三类材料用作热压印模板的抗粘层。第一类是金属薄膜，由于很多金属的表面能较低，界面张力小，表现出对聚合物的疏水性和化学惰性，即使在高温下聚合物也不容易吸
33、附到模板上。Cr，Ni，Al 是热压印中常用的抗粘层，其中 Ni 是目前实验证明抗粘效果最好的金属保护层。真空蒸镀连续金属薄膜的厚度在 1020nm，为了不影响模板原有图形的分辨率，金属抗粘层适合于图形特征尺寸较大的模板。第二类是含氟聚合物薄膜，因为 F 原子的强吸电子能力，使 CF 键表现出很强的化学惰性，且其表面能较低，是理想的抗粘层材料，如聚四氟乙烯被广泛用作抗粘剂，在印章上旋涂一层枝形的全氟聚合物， 在真空中除去溶剂， 薄膜厚度在 510nm。也有用真空低压沉积的方式来制备含氟聚合物抗粘层的。含氟聚合物薄膜抗粘层适合于图形特征尺寸较小的模板。第三类是长链硅烷（如十八烷基三氯硅烷）在 S
34、i 或 SiO2 表面形成的有序单分子膜（膜厚在 12nm） ，这种单分子膜抗酸碱、耐高温，能有效地避免聚合物的粘附，但其机械稳定性和润滑性不是很好。而末端含有 CF 功能基的三氯硅烷形成的单分子膜则显示出更好的抗粘性能。单分子膜抗粘层适合于图形特征尺寸在 10nm 以下的模板。2.1.2 热压印胶的选择热压印胶是对“压力” 敏感的聚合物*。因此用作热压印胶的聚合物必须满足： （1）聚合物可以在外力作用下流动发生形变，即聚合物是非晶态的。对于非晶态聚合物，聚合物链的流动性强烈地依赖于温度，且在一定外力下，聚合物的粘弹性很大程度上取决于时间，当温度比玻璃态温度 Tg（分子链开始运动的温度）高出足
35、够多时，整个聚合物链就能够在压印时间内完全不可逆地流动， 这是热压印过程中的理想流体行为，不可逆流动的比例越大，则得到图形的缺陷越少。 （2） 聚合物的热膨胀系数和压力收缩系数要小，使聚合物图形在降温撤模后的形变较小，而且聚合物在压印温度下是化学稳定的，不发生断键或分解。 （3）聚合物相对于基底有较高的干法刻蚀选择性，即在反应离子刻蚀中，用聚合物做掩模刻蚀基底的选择性高。PMMA（聚甲基丙烯酸甲脂）是应用最多的热压印胶。它是一种常用的电子束抗蚀剂，能溶于很多极性和非极性有机溶剂，在涂膜过程中能获得很好的均匀性，这对于图形的无缺陷转移是非常重要的。PMMA 是一种无定形聚合物，它的热膨胀系数为
36、510-5K-1，压力收缩系数仅为 5.510-6bar-1，而且 PMMA 的分子量分布较宽，低分子量的 PMMA 比高分子量的 PMMA 显示出更好的流体性能， 所以 PMMA 对于热压印过程是很好的选择。但在后续的反应离子刻蚀工艺中， 由于 PMMA 抗干法刻蚀的能力弱，选择性不高，使得反应离子刻蚀后图形的分辨率降低，这是 PMMA 作为热压印胶的最大缺点，因此人们在试图寻找既适合热压印过程，又有较高的干法刻蚀选择性的新型热压印胶。带芳香环和环氧基的聚合物化学稳定性高，不容易被反应活性气体离子进攻而断键，有较高的干法刻蚀选择性。如基于芳香环的 PBM，不仅表现出与 PMMA 相当的热压印性能，压印图形的最小尺寸在 50nm 以下， 而且对 SiO2 的干刻选择性在 PMMA 对 SiO2 的干刻选择性两倍以上。德国的 Microresist Technology 公司开发了一系列含有环氧基的聚合物 mrseries，用于纳米压印胶的研究，压印图形的分辨率达到 50nm，而对 SiO2 的干刻选择性均在 2 以上。此外，其他类型的抗蚀剂也逐渐被应用到热压印技术中，例如法国微电子技术中心的 Gourgon C 等人研究了 NEB22 电子束抗蚀剂的压印性能，分析了各种压印参数对图形尺寸及残余聚合物均一性的影响，最
