CN104803345B

CN104803345B - 一种微纳结构制造装置与方法

Info

Publication number: CN104803345B
Application number: CN201510184053.8A
Authority: CN
Inventors: 房飞宇; 陈新; 王晗; 陈新度; 刘强; 吕元俊; 李克天
Original assignee: Guangdong University of Technology
Current assignee: Guangdong University of Technology
Priority date: 2015-04-17
Filing date: 2015-04-17
Publication date: 2017-06-16
Anticipated expiration: 2035-04-17
Also published as: CN104803345A

Abstract

本发明公开了一种微纳结构制造装置与方法，该装置包括控制系统，供热源，接收基板，热电材料，挤出基板，输液装置。微纳结构制造方法，步骤为：1）将图形结构转换为轮廓数据和填充数据；2）流动态聚合物材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥；3）实现掩膜的制作；4）形成覆膜；5）在覆膜上形成所需几何图形结构的凹槽；6）实现基材的刻蚀；7）去除覆膜。本发明的微纳结构制造方法，可以避免传统近场电纺直写技术的相关缺点，本发明的微纳结构制造方法，不涉及化学腐蚀过程，工艺绿色简单且成本较低。

Description

一种微纳结构制造装置与方法

技术领域

本发明涉及一种微纳结构制造装置与方法。

背景技术

微纳米结构或图案的产生在微电子和微纳米机电系统(MEMS/NEMS)的制作中是最为关键的一步。在微电子制造和光栅制造过程中，光刻技术是制造工艺中最复杂、最核心、最昂贵的技术，而其中掩膜版的制造极为关键。该工艺通过光化学反应，经过曝光与显影将掩膜版上设计好的几何图形转移至光刻胶上，为后期的衬底材料刻蚀做准备。掩膜版的作用是选择性地遮挡光、电子束、X射线等，从而实现图形转移，所以掩膜版的几何图形从根本上决定了制作成品质量的好坏。目前，掩膜版上的几何图形制作多是通过电子束直写技术获得，其制备费时且成本昂贵，而一套完整的集成电路工艺流程通常要用到15-20道不同掩膜版。

且X射线光刻、电子束光刻和离子束光刻等在研究开发的下一代光刻技术，仍然属于光学范畴，机理依旧是光学光刻，用寻找更短波长的光的方式缩小特征尺寸，但是半波长衍射效应依然存在，从而阻碍了光刻分辨率的进一步提高，没有从根本上解决问题，而纳米压印技术在 100nm 以下的工艺中也存在技术瓶颈，要想提高IC 制造能力，绕过制约IC 制造能力的光刻技术，就要探索新的理论和方法。

目前，也有利用近场电纺直写技术在基材上直接制作掩膜，取代光刻技术中的掩膜版，进而实现基材的刻蚀，降低成本、缩短制备时间，但是其仍然存在一系列不足：

1、需要附加高压电场，具有一定的工作环境危险性，且近场纺丝由于采用高压电场，直写喷头离基板距离近时容易产生尖端放电现象，距离远时容易产生射流鞭动等不稳定现象，给微纳结构的精确图案化直写造成了困难；

2、传统近场电纺直写常采用毛细管作为直写喷头，喷头容易堵塞，且喷头与收集基板之间的电场强度分布不均匀，进而影响射流的精确、稳定沉积定位；

3、传统近场电纺直写采用“自上而下”的直写方式，喷头在上，收集基板在下，溶液液滴悬挂在喷口处，在电场力作用下形成泰勒锥，当电场力和重力的合力突破液滴的表面张力后，形成射流，利用射流进行直写。但是，形成射流的电压阀值较高，较难准确匹配电压值、供液流量、射流流速、基板运动速度之间的最优关系，当关系不匹配时，容易造成泰勒锥变大、不稳定，从而给射流的精确定位沉积造成困难；且射流在运动过程中容易受多方面因素干扰，容易出现不稳定现象；再者，由于惯性、重力等因素影响，难以实现快速有效的射流启动和停止，给工业化应用造成困难；

4、传统近场电纺直写只适合于单喷头直写，效率低下，当采用多喷头直写时，喷头与喷头之间的电场干涉严重，如何实现多喷头射流沉积定位控制和高精度图案化仍然是个挑战。

由于近场电纺直写技术固有的技术局限性，造成掩膜的高精度、阵列图案化实现难以实现。

发明内容

本发明的目的在于一种微纳结构制造装置与方法。

本发明所采取的技术方案是：

一种微纳结构制造装置，包括控制系统，供热源，接收基板，热电材料，挤出基板，输液装置；

其中，控制系统分别与供热源、接收基板、挤出基板、输液装置相连；

供热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；

输液装置与挤出基板相连，用以向挤出基板提供流动态聚合物材料；

挤出基板用于向接收基板输出流动态聚合物材料。

所述的挤出基板上设有若干个出液口。

所述的输液装置通过多个管道与挤出基板相连通。

一种微纳结构制造方法，步骤为：

1）利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维微纳几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；

2）利用上述装置，控制系统控制供热源工作以进行热辐射，在供热源辐射作用下，热电材料产生感生电场，同时，控制系统控制输液装置向挤出基板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基板接触；

3）根据轮廓数据和填充数据，控制挤出基板与接收基板之间保持设定的相对运动速度与设定的距离，流动态聚合物材料在接收基板上形成由微/纳米级纤维组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；

4）在带有掩膜的接收基板上形成一层覆膜；

5）去除接收基板上的掩膜，清洗，在覆膜上形成所需几何图形结构的凹槽；

6）将暴露在覆膜层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀；

7）去除覆膜。

步骤2）中，通过输液装置与挤出基板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出基板输出流动态聚合物材料。

步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出基板与接收基板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度。

步骤2）中，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

步骤4）中，所述的覆膜为铝膜。

铝膜的形成方法为PVD法。

本发明的有益效果是：

本发明的微纳结构制造方法，可以避免传统近场电纺直写技术的相关缺点：例如电压阀值高，多针头直写的时候，容易产生干涉现象，以及容易产生尖端放电现象，且所得掩膜的精度不高等。另外，本发明的微纳结构制造方法，不涉及化学腐蚀过程，工艺绿色简单且成本较低。

具体来说：

本发明采用热感生电场代替高压电场，可以避免直写喷头离基板距离近时容易产生尖端放电现象，且直写过程更安全；

使用平板带孔的挤出板代替传统静电纺丝的针头，电场分布情况更集中，产生泰勒锥尖需要的感生电压阀值更小，且能适用于多射流直写，而不会出现传统多针头静电纺丝的干涉现象；

直写过程相比近场电纺更稳定，减弱了电纺过程中的射流不稳定性；

可以通过控制Z轴运动，实时控制到接收基板的距离，控制泰勒锥尖端与接收基板的接触程度，从而控制直写图线的尺寸；

结合热感生电场诱导流变直写与传统刻蚀技术，可在极大程度上降低基材的微/纳米级图形制造成本，并有效缩短制造时间。

附图说明

图1是本发明的装置示意图。

具体实施方式

如图1所示，一种微纳结构制造装置，包括控制系统1，供热源2，接收基板3，热电材料4，挤出基板5，输液装置6；

其中，控制系统分别与供热源、接收基板、挤出基板、输液装置相连；供热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；输液装置与挤出基板相连，用以向挤出基板提供流动态聚合物材料；挤出基板用于向接收基板输出流动态聚合物材料；控制系统可以控制供热源的热辐射强度，进而调节感生电场的强度大小。

优选的，所述的输液装置通过多个管道与挤出基板相连通，控制系统可控制输液装置选择性的多路输出；

优选的，挤出基板上设置有若干个出液口；

未在图中示出的，本发明的微纳结构制造装置还包括数控X、Y、Z轴精密移动平台，可以控制接收基板与挤出基板在XY平面内的相对运动速度，以及挤出基板与接收基板在Z轴方向的距离。

优选的，热电材料与接收基板之间紧密相连；

优选的，所述的热电材料为铁电晶体；更进一步优选的，为BaTiO₃、SrTiO₃、LiNbO₃中的一种；再进一步优选的，为LiNbO₃。

优选的，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

一种微纳结构制造方法，步骤为：

2）利用上述微纳结构制造装置，控制系统控制供热源工作以进行热辐射，在供热源辐射作用下，热电材料产生感生电场，同时，控制系统控制输液装置向挤出基板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基板接触；

4）在带有掩膜的接收基板上形成一层覆膜；

5）去除接收基板上的掩膜，将掩膜的几何图案转移至基板覆膜层上，得到带有所需几何图案凹槽的基板覆膜层，

6）将暴露在覆膜层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀；

7）去除覆膜。

优选的，步骤2）中，控制系统控制供热源的辐射强度进而控制感生电场的强度，再进而控制流动态聚合物材料的流变拉伸的速率。

优选的，步骤2）中，通过输液装置与挤出基板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出基板输出流动态聚合物材料。

优选的，步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出基板与接收基板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度。

优选的，步骤4）中，所述的覆膜为铝膜；进一步优选的，铝膜的厚度为100-500nm；

优选的，铝膜的形成方法为PVD法；进一步优选的，为真空蒸镀、溅射镀、等离子体镀膜、离子镀中的一种；

优选的，步骤5）中，掩膜的去除方法为熔化、溶解、超声清洗、分解中的至少一种；

优选的，步骤6）中，通过干法或湿法刻蚀将暴露在覆膜层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀，控制刻蚀时间从而控制刻蚀深度。

下面结合具体实施例对本发明做进一步的说明：

实施例1：

1)利用计算机辅助设计软件设计所需掩膜的二维微纳几何图形结构，然后将该图形结构转换为轮廓数据和填充数据；

2)将聚乳酸-羟基乙酸共聚物(poly(lactic-co-glycolic acid)，PLGA)装入输液装置，液态材料的供应速度可由控制系统控制；

3)输液装置有多路输出，可以通过控制系统控制实现选择性输出；

4)在供热源辐射下，LiNbO₃晶体产生感生电场，使PLGA在热感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基板接触；

5）由控制系统控制供热源辐射强度，控制拉伸流变的速度；

6）采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制接收基板，移动速度为20mm/s根据轮廓数据和填充数据进行运动；通过控制Z轴运动，调整挤出基板与接收基板的距离，控制直写纤维的直径；

通过控制程序控制供热源的启停进而控制直写的启停，配合控制程序在基材上获得由微/纳米级纤维组成的几何图案结构，实现掩膜的制作；

7)利用多靶材溅射机在带有纤维掩膜的基材上溅射一层300nm厚度的铝膜；

8)通过超声清洗除去纤维掩膜，然后分别采用无水乙醇和去离子水、配合超声清洗对基材进行清洗，在铝膜上形成所需几何图形结构的凹槽；

9)通过等离子刻蚀机将暴露在铝凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀；

10)去除铝膜，完成刻蚀。

Claims

1.一种微纳结构制造装置，其特征在于：包括控制系统，供热源，接收基板，热电材料，挤出基板，输液装置；

供热源用于向热电材料提供热辐射以产生感生电场；

挤出基板用于向接收基板输出流动态聚合物材料。

2.根据权利要求1所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于：所述的挤出基板上设有若干个出液口。

3.根据权利要求2所述的一种微纳结构制造装置，其特征在于：所述的输液装置通过多个管道与挤出基板相连通。

4.一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤为：

2）利用权利要求1-3中任意一项所述的装置，控制系统控制供热源工作以进行热辐射，在供热源辐射作用下，热电材料产生感生电场，同时，控制系统控制输液装置向挤出基板提供流动态聚合物材料，流动态聚合物材料在感生电场的作用下，流变拉伸，形成泰勒锥，泰勒锥尖端与接收基板接触；

4）在带有掩膜的接收基板上形成一层覆膜；

6）将暴露在覆膜层凹槽中的基材去除，实现基材的刻蚀；

7）去除覆膜。

5.根据权利要求4所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤2）中，控制系统控制供热源的辐射强度进而控制感生电场的强度，进而控制流动态聚合物材料的流变拉伸的速率。

6.根据权利要求4或5所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤2）中，通过输液装置与挤出基板之间的多个管道，控制系统控制输液装置选择性的向挤出基板输出流动态聚合物材料。

7.根据权利要求4或5所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤3）中，具体采用数控X、Y、Z轴精密移动平台控制挤出基板与接收基板在Z轴方向的距离与在XY平面内的相对运动速度。

8.根据权利要求4或5所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤2）中，所述的流动态聚合物材料为下列熔融态的聚合物材料中的至少一种：PCL、PLA、PMMA、ABS、PAM、ACR、PU、PA、PET、PBT、POE、EVA、CPE、EP、PP、PE；或者为下列聚合物材料中的至少一种溶于溶剂中所得的流动态聚合物材料：PEO、PLGA、PVDF。

9.根据权利要求4或5所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：步骤4）中，所述的覆膜为铝膜。

10.根据权利要求9所述的一种微纳结构制造方法，其特征在于：铝膜的形成方法为PVD法。