CN110512193B - 基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，将激光化学沉积与基于微管的定域气体喷射技术相结合，实现广泛材料体系的微纳3D打印，且提高了打印精度。激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；反应气体和缓冲气体经混合注入到气体腔内；气体腔经转接头与微管连通；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层，其中微管尖端具有纳米、或微米尺寸的内径，根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。

Description

基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法及装置
技术领域
本发明涉及化学气相沉积的技术领域，具体为基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，本发明还提供了采用该方法的装置。
背景技术
化学气相沉积(CVD)通过在试样表面发生化学反应而形成薄膜。通常须在高温下进行，且难以实现选区成膜。近年来发展起来的激光化学气相沉积(LCVD)工艺具有沉积温度低、定域成膜、无须掩膜版图案打印等优势，在微电子等领域应用广泛。LCVD工作原理主要包括两类：(1)热解效应：激光聚焦光束辐照下导致试样表面局域温度升高，局域位置处的反应气体分子受热分解，分解产物聚集在试样表面成膜。(2)光解效应：反应气体分子吸收特定波长的激光从而产生分解，分解产物沉积在试样表面。然而不论何种原理，决定加工图案分辨率的主要因素是激光束斑直径，目前LCVD打印图案的分辨率仅有几十微米量级，不能满足更高精度的需求。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，将激光化学沉积与基于微管的定域气体喷射技术相结合，实现广泛材料体系的微纳3D打印，且提高了打印精度。
基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；反应气体和缓冲气体经混合注入到气体腔内；气体腔经转接头与微管连通；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层，其中微管尖端具有纳米、或微米尺寸的内径，根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。
其进一步特征在于：气流经由微管尖端喷射出来后，气流束直径随着离开微管尖端距离的增加而增加，当微管尖端与试样距离较近时，气流束喷射到试样表面时气流束扩散程度较弱，气流束保留微米甚至纳米精度；由于激光束斑辐照在微管尖端与试样表面之间的气流束上，反应气体分解，其分解产物沉积在试样表面形成微米甚至纳米精度尺寸的镀层；
激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管尖端喷射至试样表面，微管尖端与试样表面的工作距离介于10nm到1mm之间；
通过平移台精确控制微管尖端与下部的试样表面间距、并确保激光汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上，进而实现微纳精度的三维打印；
所述激光辐照的位置相对于气流束出口的位置保持相对静止，微管移动时、激光辐照的位置随着毛细管同步移动；
为了提高激光化学气相沉积速率，对试样做加热处理，任何可适用的加热处理工艺均可被应用；
入射的激光的汇聚光束、微管与试样平面间的夹角根据实际工作需要调节；
所述微管的底部尖端位于所述试样的上部布置时，所述激光器位于所述电控平移台的一侧位置布置，工作状态下所述激光器通过所述光学元件组将汇聚光束侧向斜射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述微管的底部尖端位于所述试样上表面的一侧时，所述激光器位于所述电控平移台的上方位置布置，工作状态下所述激光器的垂直向激光光束通过所述光学元件组将汇聚光束正投影射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述微管具体为各种材料制作而成的毛细管，所述毛细管的出液口通过热拉伸形成微管尖端；
所述微管具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列；
根据环境选择置于大气环境下或密封腔内工作；
当置于密封腔时，所述密封腔覆盖微管尖端、试样放置台，所述激光器的通过所述光学元件组形成的汇聚光束通过光学窗口射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上。
一种基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：其包括电控平移台及位移控制器、电脑、激光器、微管、试样放置台、气体腔，所述气体腔的出口部分连接有所述微管的大径端，所述微管的底部尖端位于所述试样放置台的上部或一侧布置，所述激光器发出的激光光束通过光学元件组产生汇聚光束入射到试样的待加工区域，所述电控平移台连接所述位移控制器，所述电控平移台及位移控制器控制微管和放置于试样放置台上的试样进行相对位置移动，外部的电脑控制连接所述位移控制器。
其进一步特征在于：
所述气体腔的入口通过管路连接有第一流量调节阀的出口，所述第一流量调节阀的入口通过三通和管路分别连接有第二流量调节阀的出口、第三流量调节阀的出口，所述第二流量调节阀的入口具体为缓冲气入口，所述第三流量调节阀的入口具体为反应气入口；
所述电控平移台具体为一维平移台、二维平移台或三维平移台，所述电控平移台用于调控试样的运动或调控微管的运动，所述电控平移台采用分体式结构时，部分平移台和微管连接，部分平移台和试样连接，工作时微管和试样相对运动；
当电控平移台用于控制试样运动时，其还包括有手动平移台、热台，所述手动平移台支承于所述电控平移台的顶部平台上，所述热台支承于所述手动平移台的顶部平台上，所述热台即为所述试样放置台；
所述微管的底部尖端位于所述试样放置台的上部布置时，所述激光器位于所述电控平移台的一侧位置布置，工作状态下所述激光器通过所述光学元件组将汇聚光束侧向斜射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述微管的底部尖端位于所述试样放置台上表面的一侧时，所述激光器位于所述电控平移台的上方位置布置，工作状态下所述激光器的垂直向激光光束通过所述光学元件组将汇聚光束正投影射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管尖端喷射至试样表面，微管尖端与试样表面的工作距离介于10nm到1mm之间；
所述微管具体为各种材料制作而成的毛细管，所述毛细管的出液口通过热拉伸形成微管尖端；
所述微管具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列；
装置根据环境选择置于大气环境下或密封腔内工作；
当装置置于密封腔时，所述密封腔包括有光学窗口，所述密封腔覆盖微管尖端、试样放置台，所述激光器的通过所述光学元件组形成的汇聚光束通过光学窗口射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述密封腔还连接有压强计、充气阀、真空泵。
采用上述技术方案后，激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；反应气体和缓冲气体经混合注入到气体腔内；气体腔经转接头与微管连通；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层，其中微管尖端具有纳米、或微米尺寸的内径，根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案，其将激光化学沉积与基于微管的定域气体喷射技术相结合，实现广泛材料体系的微纳3D打印，且由于微管尖端的混合气体喷射口具有纳米、或微米尺寸的内径，微管尖端与试样距离较近时，确保气体扩散程度较弱，其提高了打印精度。
附图说明
图1为本发明的应用于大气环境的装置的具体实施例一结构示意图；
图2为本发明的应用于大气环境的装置的具体实施例二结构示意图；
图3为本发明的应用于密封腔内操作的装置的具体实施例三结构示意图；
图4为本发明的应用于密封腔内操作的装置的具体实施例四结构示意图；
图中序号所对应的名称如下：
第一流量调节阀1、第二流量调节阀2、第三流量调节阀3、气阀4、气阀5、电控平移台6、位移控制器7、电脑8、激光器9、微管10、气体腔11、光学元件组12、汇聚光束13、试样14、手动平移台15、热台16、密封腔17、光学窗口18、充气阀19、真空泵20、压强计21、沉积层22。
具体实施方式
基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法：激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；反应气体和缓冲气体经混合注入到气体腔内；气体腔经转接头与微管连通；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层，其中微管尖端具有纳米、或微米尺寸的内径，根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案。
气流经由微管尖端喷射出来后，气流束直径随着离开微管尖端距离的增加而增加，当微管尖端与试样距离较近时，气流束喷射到试样表面时气流束扩散程度较弱，气流束保留微米甚至纳米精度；由于激光束斑辐照在微管尖端与试样表面之间的气流束上，反应气体分解，其分解产物沉积在试样表面形成微米甚至纳米精度尺寸的镀层；
激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管尖端喷射至试样表面，微管尖端与试样表面的工作距离介于5mm到100nm之间；
通过平移台精确控制微管尖端与下部的试样表面间距、并确保激光汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上，进而实现微纳精度的三维打印；
激光辐照的位置相对于气流束出口的位置保持相对静止，微管移动时、激光辐照的位置随着毛细管同步移动；
为了提高激光化学气相沉积速率，可对试样做加热处理，任何可适用的加热处理工艺均可被应用；
入射的激光的汇聚光束、微管与试样平面间的夹角根据实际工作需要调节；
所述微管的底部尖端位于所述试样的上部布置时，所述激光器位于所述电控平移台的一侧位置布置，工作状态下所述激光器通过所述光学元件组将汇聚光束侧向斜射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述微管的底部尖端位于所述试样上表面的一侧时，所述激光器位于所述电控平移台的上方位置布置，工作状态下所述激光器的垂直向激光光束通过所述光学元件组将汇聚光束正投影射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上；
所述微管具体为各种材料制作而成的毛细管，所述毛细管的出液口通过热拉伸形成微管尖端；
所述微管具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列；
根据环境选择置于大气环境下或密封腔内工作；
当置于密封腔时，所述密封腔覆盖微管尖端、试样放置台，所述激光器的通过所述光学元件组形成的汇聚光束通过光学窗口射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上。
一种基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，见图1-图4：其包括电控平移台6及位移控制器7、电脑8、激光器9、微管10、试样放置台、气体腔11，气体腔11的出口部分连接有微管10的大径端，微管10的底部尖端位于试样放置台的上部或一侧布置，激光器9发出的激光光束通过光学元件组12产生汇聚光束13入射到试样的待加工区域，电控平移台6连接位移控制器7，电控平移台6及位移控制器控制7微管10和放置于试样放置台上的试样14进行相对位置移动，外部的电脑8控制连接位移控制器7。
光学元件组12包括但不限于为平面镜、透镜；
气体腔11的入口通过管路连接有第一流量调节阀1的出口，第一流量调节阀1的入口通过三通和管路分别连接有第二流量调节阀2的出口、第三流量调节阀3的出口，第二流量调节阀2的入口具体为缓冲气入口，第三流量调节阀3的入口具体为反应气入口；
电控平移台6具体为一维平移台、二维平移台或三维平移台，电控平移台6用于调控试样14的运动或调控微管10的运动，电控平移台6采用分体式结构时，部分平移台和微管连接，部分平移台和试样连接，工作时微管和试样相对运动；
当电控平移台6用于控制试样14运动时，其还包括有手动平移台15、热台16，手动平移台15支承于电控平移台6的顶部平台上，热台16支承于手动平移台15的顶部平台上，热台16即为试样放置台；
微管10的底部尖端位于试样放置台的上部布置时，激光器9位于电控平移台6的一侧位置布置，工作状态下激光器9通过光学元件组12将汇聚光束13侧向斜射于试样14的待加工区域、且激光的汇聚光束13辐照到微管10尖端喷射出的气流束上；
微管10的底部尖端位于试样放置台上表面的一侧时，激光器9位于电控平移台6的上方位置布置，工作状态下激光器9的垂直向激光光束通过光学元件组12将汇聚光束13正投影射于试样14的待加工区域、且激光的汇聚光束13辐照到微管10尖端喷射出的气流束上；
微管10具体为各种材料制作而成的毛细管，毛细管的出液口通过热拉伸形成微管尖端；
微管10具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列；
激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管10尖端喷射至试样14表面，微管10尖端与试样14表面的工作距离介于10nm到1mm之间；
装置根据环境选择置于大气环境下或密封腔内工作；
当装置置于密封腔17时，密封腔17包括有光学窗口18，密封腔17覆盖微管10尖端、试样放置台、试样14，激光器9的通过光学元件组12形成的汇聚光束13通过光学窗口18射于试样14的待加工区域、且激光的汇聚光束12辐照到微管10尖端喷射出的气流束上；
密封腔17还连接有压强计21、充气阀19、真空泵20，充气阀19通气气阀5连接密封腔17，真空泵20通过气阀4连接诶密封腔17。
装置用于大气环境时，包括激光器9、光学元件组12(包括平面镜、透镜等)、微管10、气体腔11、第一流量调节阀1、第二流量调节阀2、第三流量调节阀3、试样14、热台16、手动平移台15、电控平移台6、电脑8、光学显微镜(未在附图1中标出)等组件。热台16作为辅助组件，用于给试样14加热。手动平移台15辅助电控平移台6调节微管10与试样14相对位置。
具体实施例一、见图1：微管10垂直于试样14表面而汇聚光束13从侧方以大的入射角辐照在微管10的尖端下部；具体实施例二、见图2：汇聚光束13垂直辐照试样14表面而微管10与试样14表面近乎平行。在实际系统设计时，试样、微管和汇聚光束间角度还可根据需要调节。
其基于激光化学气相沉积的微纳三维打印技术工作原理为：激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；气体腔经转接头与微管连通；反应气体经第二流量调节阀、缓冲气体经过第三流量调节阀后混合，经第一流量调节阀注入到气体腔内；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层。气流经由微管尖端喷射出来后，气流束直径随着离开微管前端距离的增加而增加。由于微管前端具有微米甚至纳米尺寸的内径，当微管前端与试样距离较近时，气流束喷射到试样表面时气流束扩散程度较弱，气流束仍有微米甚至纳米尺度。由于激光束斑辐照在微管前端与试样表面之间的气流束上，反应气体分解，其分解产物沉积在试样表面形成微米甚至纳米尺寸的镀层。因而本发明装置实现微纳尺度分解产物沉积的关键是精确控制微管前端与试样表面间距，并确保激光汇聚光束辐照到微管前端喷射出的气流束上。经由X、Y和Z向电控平移台的协同调控，可实现微纳尺度三维打印功能。
图1、图2所示装置的工作流程如下。
(1)微管逼近试样表面：经由三维手动及电控平移台，将微管调节到试样待加工微区上方。结合Z向手动平移台和Z向电控平移台，将微管与试样表面靠近。经由光学显微镜，精密调控微管尖端与试样表面距离至工作距离；
(2)汇聚光束调节：开启激光器，经由光学元件组(平面镜、透镜等)实现光束汇聚，并调节汇聚光束辐照到试样表面待加工微区；
(3)镀层沉积：开启三个流量调节阀，缓冲气体和反应气体组成的混合气体经由气体腔到微管，再由微管的尖端喷射至试样表面。通过第二流量调节阀和第三流量调节阀调节缓冲气体和反应气体的混合比例，经由第一流量调节阀调控由微管尖端喷射而出的气流流速。喷射出的反应气体在激光束作用下发生分解，分解产物沉积在试样表面形成镀层。
(4)镀层的图案加工：根据预设图案，电脑控制X、Y和Z向电控平台协调运动，实现三维微纳图案的打印。
(5)微管与试样分离：预设图案打印完成后，关闭三个流量调节阀及激光光源，控制手动和电控平移台使微管和试样分离。
图1、图2所示系统配置在大气环境下工作，操作简单，但同样存在不利之处：空气气体成分以及灰尘杂质等的干扰，降低了沉积效率，并易在镀层中引入杂质；反应残余的反应气体和缓冲气体直接排放在空气中可能会对环境及人体健康造成危害。
为此，本发明同样提出如图3、图4所示的可在密封腔体内操作的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置。与图1、图2所示结构类似，图3、图4所示同样包括两类结构配置：具体实施例三、见图3，微管10垂直于试样14表面而汇聚光束13从侧方以大的入射角辐照在微管10尖端；具体实施例四、见图4，汇聚光束13垂直辐照试样14表面而微管与试样14表面近乎平行。为了保证化学气相沉积过程在密闭环境下发生，设计一密封腔17，腔体内容纳的部件包括微管10、气体腔11、试样14、位移平台6、热台16。气体腔11机械固定于密封腔17壁面上，气体腔11和密封腔17接触界面应保证良好的气密性。为了保证激光束能透过密封腔17辐照到试样表面，在密封腔17侧壁开孔并设计光学窗口18，光学窗口18所用透光镜材料应满足所用激光器波长透过的要求，比如：紫外光可考虑石英玻璃镜，红外光可考虑硒化锌镜。
为了保证激光化学气相沉积在可控气氛环境下进行，密封腔一侧开孔安装气阀4后与真空泵20连接。密封腔17内反应残余气体也可通过真空泵20抽取排出。根据实际工作要求，真空泵20抽出的残余气体可接入合适的废气处理装置(图中未画出)，以保证人体和环境安全。在密封腔17避免安装电连接转接头，保证密封腔17内的电控平移台与密封腔外的位移控制器连接，便于运动控制。为了监控密封腔17内气体压强，腔体一侧通过法兰与压强计21连接。密封腔17一侧开孔并连接充气阀19，可经由气阀5对密封腔体充气。图4所示其它配置与图3类似，在此不做赘述。
密闭环境下化学气相沉积微纳三维打印的工作流程如下。
(1)系统安装：开启密封腔，关闭第一流量调节阀、第二流量调节阀、第三流量调节阀和气阀4和5，按照图3、图4所示安装微管、试样、平移台等对应部件，电控平移台经由电连接转接头与密封腔外的位移控制器连接。第二流量调节阀、第三流量调节阀的气体入口分别与缓冲气体和反应气体连通。
(2)微管逼近试样表面：经由三维手动及电控平移台，将微管调节到试样待加工微区上方。结合Z向手动平移台和Z向电控平移台，将微管与试样表面靠近。经由光学显微镜，精密调控微管尖端与试样表面距离至工作距离。
(3)汇聚光束调节：开启激光器电源，经由光学元件组(包括平面镜、透镜)实现光束汇聚，并调节汇聚光束经由光学窗口辐照到试样表面待加工微区。
(4)密封腔真空处理：关闭密封腔；为了避免大气环境对激光化学气相沉积过程的影响，同时保证沉积过程在高纯度反应气体/缓冲气体环境下进行，开启气阀4，经由真空泵对密封腔体抽真空。通过压强计监控腔体内气压直至预设气压值，预设值介于大气压至10- 6Pa。
(5)镀层沉积：开启流量控制阀1、2和3，缓冲气体和反应气体组成的混合气体经由气体腔到微管，再由微管尖端喷射至试样表面。通过流量调节阀2和3调节缓冲气体和反应气体的混合比例，经由流量调节阀1调控由微管尖端喷射而出的气流流速。监控压强计读数，通过调节流量调节阀1至预设的工作压强值，工作压强值介于大气压至0.1Pa。喷射出的反应气体在激光束作用下发生分解，分解产物沉积在试样表面形成镀层。激光化学气相沉积过程开始。
(6)镀层的图案加工：根据预设图案，电脑控制X、Y和Z向电控平台协调运动，实现三维微纳图案的打印。
(7)试样取出：预设图案打印完成后，关闭流量调节阀1-3及激光光源，控制手动和电控平移台使微管和试样分离。待真空泵将密封腔内残余气体抽走后，关闭真空泵和气阀4，打开放充气阀5，给腔体内充气。待腔体内气压达到外界气压后，关闭充气阀5，打开密封腔，取出试样。
图1-图4所示结构工作时，微管固定不动，试样在手动和电控平移台调控下运动。然而根据实际工作需要，电控平移台与手动平移台与试样和微管的配置可以有其它多种方式，比如：X、Y和Z向电控和手动平移台也可与微管连接，调控微管的运动；也可采用分体式设计，部分平移台与微管连接、部分平移台与试样连接，工作时微管和试样均协调运动。由于平移台与微管和试样间组合方式多样，本发明中不再一一画图说明。根据系统配置的变更，可对上述工艺流程做适当调整。
微管可为各类毛细管，如金属毛细管、普通玻璃毛细管和石英毛细管等。目前常见的毛细管内径较大，通常大于100μm。借助这类内径较大的毛细管，按照上述步骤，基于激光化学气相沉积所获得的涂层线条最小尺寸通常在十多微米以上。为了进一步减小镀层线条尺寸，提高该技术的沉积精度和分辨率，可对毛细管做尖端锐化处理。选用普通玻璃毛细管或石英毛细管，采用加热拉伸方法实现毛细管尖端锐化。目前已有成熟的商品化的针对普通玻璃毛细管和石英毛细管的拉针仪，可方便实现毛细管尖端锐化处理。锐化处理后毛细管尖端直径可小于1μm。此外，中空微管还可以是各种基于微电子机械(MEMS)工艺制造得到的毛细管阵列。
微管尖端与试样表面的工作距离介于10nm到1mm之间。在其他条件(如气体混合比例、流速、激光辐照强度及位置等)相同的情况，微管尖端与试样表面距离越近，打印精度及线条分辨率越高。微管尖端与试样表面间距通过光学显微镜确定，并经由Z向电控平移台调节。
激光汇聚光束的定位对本发明尤为重要。激光束汇聚光斑应始终定位于试样表面待加工微区。在图1-图4所示结构配置中，工作时微管固定不动而试样相对微管运动，因而通过调节汇聚光束辐照在微管尖端喷射出的气体束流上即可保证激光化学沉积过程的发生。然而在其它可能的结构配置中，尤其是工作中微管也在电控平移台调控下运动时，试样与微管在相对运动范围过大时，微管尖端喷射出的气体束流会超出激光光斑范围，从而影响激光化学沉积过程。因而为了保证微管运动时光斑始终辐照在微管尖端喷射出的气体束流上，光学元件(如反射镜和透镜等)应随微管同步运动，比如将光学元件与微管固定在同一电控平移台上。
图1-图4所示配置中，三维手动平移台为可选配置，可根据工作需要取舍。三维手动平移台也可根据需要只配置其中一维或二维手动平移台。图1-图4所示配置中，X、Y和Z电控平移台也可根据工作需要适当取舍。比如，如果仅在水平面内实现微区激光化学沉积，若仅需要X和Y电控平移台，Z电控平移台可换做Z向手动平移台，方便微管和试样的逼近操作。
光学元件的材质也需要根据激光光源性能确定，如紫外光源，需考虑石英透镜等；对于红外激光，则需考虑金反射镜及硒化锌透镜等。如果所用激光光源为紫外及红外等不可见光源，为了汇聚光束的调节方便，应在光源出射处配置一同轴可见光源作为引导光束。在实际调节时，先调控可见光源使其光束在试样待加工表面汇聚，然后再微调激光光源。
图1、图2与图3、图4展示两种不同的结构配置。其中图1和图3所示配置中激光光源由侧方掠入射到试样表面，激光对试样表面的热效应较弱，该配置更适用于基于激光光解效应的激光化学气相沉积。图2和图4中激光垂直入射到试样表面，激光对试样表面的热效应强，该配置更适用于基于激光热解效应的激光化学气相沉积。在实际操作中，也可根据需要，调节入射激光光束、微管与试样平面间的夹角。
图1-图4所示结构配置中，为了提高激光化学气相沉积速率，还可对试样进行加热处理，比如如图所示将试样放置在一小型可控温热台上，也可采用其它各种适用的试样加热方法。仪器设计时热台温度应不影响手动和电动平移台的正常操作也不会对其产生损伤。
实施例1
本实施例介绍基于激光热解效应沿试样X向沉积Si3N4纳米线条，阐述本发明的一个应用。
试验按照图4配置，也即激光垂直辐照试样表面。采用CO2激光器，试样为硅片，微管为经过拉针仪拉制的石英毛细管，其尖端直径约1μm。反应气体为SiH4和NH3的混合气体，两种反应气体的起始体积比为1000:1，具体配比可在工作中调节；缓冲气体为氩气。激光化学气相沉积的反应式为：3SiH4+4NH3→Si3N4+12H2↑
试验时按照上文密闭环境下化学气相沉积微纳三维打印的工作流程操作，其中热台温度控制在300-700℃，具体温度值可在激光化学沉积过程中优化。真空泵预抽密封腔至压强10-2Pa，然后通入缓冲气体和反应气体的混合气体，调节第一流量调节阀1，使压强计读数达到工作压强。工作压强介于0.1kPa至10kPa之间，该压强值也反映气流经由微观尖端喷出速度，因而对沉积速率和打印精度和线条宽度均有影响，其数值可在激光化学沉积过程中优化。随后开启激光器，沉积过程开始。电脑控制X向电控位移平台以特定速率带动试样移动。移动速率介于10nm/s至0.1mm/s之间，须经由沉积效果优化。移动速率过快易导致沉积层不连续，过慢则导致沉积层堆积，增大膜厚但降低分辨率。待X向运动达到指定位移时，关闭流量调节阀1-3和激光光源。控制Z向电控平移台使试样和微观尖端分离。待真空泵再抽取5分钟后，关闭真空泵20和气阀4，打开充气阀19、气阀5，待密封腔内气压与外界环境气压相同时，打开密封腔，取出试样。
实施例2：
本实施例介绍基于激光光解效应沿垂直试样表面方向沉积钨纳米线，阐述本发明的一个应用。
试验按照图3配置，也即激光汇聚光束大角度入射到试样表面。采用ArF激光器(波长193nm)，试样为硅片，微管为经过拉针仪拉制的石英毛细管，其尖端直径约1μm。反应气体为WF6；缓冲气体为氢气；两种气体的混合比例可在试验中调节。激光化学气相沉积的反应式为：WF6+3H2→W+6HF↑
试验时按照上文密闭环境下化学气相沉积微纳三维打印的工作流程操作。其中激光束斑调节时，应保证激光束斑始终辐照在微管尖端下部。热台温度控制在室温至400℃，具体温度值可在激光化学沉积过程中优化。真空泵预抽密封腔至压强10-2Pa，然后通入缓冲气体和反应气体的混合气体，调节第一流量调节阀1，使压强计读数达到工作压强。工作压强介于0.1kPa至10kPa之间，其数值可在激光化学沉积过程中优化。随后开启激光器，沉积过程开始。电脑控制Z向电控位移平台以特定速率带动试样移动。移动速率介于10nm/s至0.1mm/s之间，须经由沉积效果优化。移动速率过快易导致沉积的钨纳米线断裂，过慢则导致钨堆积纳米线展宽。待Z向运动达到指定位移(也即达到指定纳米线高度)后，关闭流量调节阀1-3和激光光源。控制Z向电控平移台使试样和微管尖端分离。待真空泵再抽取5分钟后，关闭真空泵20和气阀4，打开充气阀19、气阀5，待密封腔内气压与外界环境气压相同时，打开密封腔，取出试样。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (16)

1.基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：激光器发射出来的激光束经由光学元件组后汇聚到试样表面待加工微区；反应气体和缓冲气体经混合注入到气体腔内；气体腔经转接头与微管连通；反应气和缓冲气的混合气体经微管尖端喷射到试样表面待加工微区，并经激光汇聚光束辐照；在激光热解效应和/或光解效应作用下，反应气体解离，分解产物沉积在试样表面形成镀层，其中微管尖端具有纳米、或微米尺寸的内径，根据预设图案，协同调控电控平移台运动，实现微管和试样表面的三维相对移动，进而产生三维微纳尺度图案，其中激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管尖端喷射至试样表面，微管尖端与试样表面的工作距离介于10nm到1mm之间，激光激光束斑辐照在微管尖端与试样表面之间的气流束上，以分解反应气体，使其分解产物沉积在试样表面。
2.如权利要求1所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：气流经由微管尖端喷射出来后，气流束直径随着离开微管尖端距离的增加而增加，当微管尖端与试样距离较近时，气流束喷射到试样表面时气流束扩散程度较弱，气流束保留微米甚至纳米精度；由于激光束斑辐照在微管尖端与试样表面之间的气流束上，反应气体分解，其分解产物沉积在试样表面形成微米甚至纳米精度尺寸的镀层。
3.如权利要求1所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：通过平移台精确控制微管尖端与下部的试样表面间距、并确保激光汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上，进而实现微纳精度的三维打印。
4.如权利要求1所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：所述激光辐照的位置相对于气流束出口的位置保持相对静止，微管移动时，激光辐照的位置随着微管同步移动。
5.如权利要求1所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：为了提高激光化学气相沉积速率，对试样做加热处理。
6.如权利要求1所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，其特征在于：根据环境选择置于大气环境下或密封腔内工作。
7.基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：其包括电控平移台及位移控制器、电脑、激光器、微管、试样放置台、气体腔，所述气体腔的出口部分连接有所述微管的大径端，所述微管的底部尖端位于所述试样放置台的上部或一侧布置，所述激光器发出的激光光束通过光学元件组产生汇聚光束入射到试样的待加工区域，所述电控平移台连接所述位移控制器，所述电控平移台及位移控制器控制微管和放置于试样放置台上的试样进行相对位置移动，外部的电脑控制连接所述位移控制器，其中激光化学气相沉积过程中反应气与缓冲气按照一定比例混合后由微管尖端喷射至试样表面，微管尖端与试样表面的工作距离介于10nm到1mm之间，激光激光束斑辐照在微管尖端与试样表面之间的气流束上，以分解反应气体，使其分解产物沉积在试样表面。
8.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述气体腔的入口通过管路连接有第一流量调节阀的出口，所述第一流量调节阀的入口通过三通和管路分别连接有第二流量调节阀的出口、第三流量调节阀的出口，所述第二流量调节阀的入口具体为缓冲气入口，所述第三流量调节阀的入口具体为反应气入口。
9.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述电控平移台具体为一维平移台、二维平移台或三维平移台，所述电控平移台用于调控试样的运动或调控微管的运动，所述电控平移台采用分体式结构时，部分平移台和微管连接，部分平移台和试样连接，工作时微管和试样相对运动。
10.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：当电控平移台用于控制试样运动时，其还包括有手动平移台、热台，所述手动平移台支承于所述电控平移台的顶部平台上，所述热台支承于所述手动平移台的顶部平台上，所述热台即为所述试样放置台。
11.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述微管的底部尖端位于所述试样放置台的上部布置时，所述激光器位于所述电控平移台的一侧位置布置，工作状态下所述激光器通过所述光学元件组将汇聚光束侧向斜射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上。
12.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述微管的底部尖端位于所述试样放置台上表面的一侧时，所述激光器位于所述电控平移台的上方位置布置，工作状态下所述激光器的垂直向激光光束通过所述光学元件组将汇聚光束正投影射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上。
13.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述微管具体为各种材料制作而成的毛细管，所述毛细管的出液口通过热拉伸形成微管尖端。
14.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述微管具体为用微机电系统工艺技术加工的包含多个微管的硅基平面微管阵列。
15.如权利要求7所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：当装置置于密封腔时，所述密封腔包括有光学窗口，所述密封腔覆盖微管尖端、试样放置台，所述激光器的通过所述光学元件组形成的汇聚光束通过光学窗口射于试样的待加工区域、且激光的汇聚光束辐照到微管尖端喷射出的气流束上。
16.如权利要求15所述的基于激光化学气相沉积的微纳三维打印装置，其特征在于：所述密封腔还连接有压强计、充气阀、真空泵。
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CN111394713B (zh) * 2020-03-20 2021-09-28 华南理工大学 一种基于化学气相沉积法的纳米材料打印方法
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN102887478B (zh) * 2011-07-20 2015-09-09 厦门大学 基于电化学微纳体系的功能材料的微纳加工方法及其装置
CN104328388B (zh) * 2014-11-03 2017-01-18 中国人民解放军国防科学技术大学 一种难熔金属零件的3d打印方法及系统
CN105803422B (zh) * 2016-05-27 2019-05-03 洛阳理工学院 一种SiC薄膜制备装置以及在低真空度下制备SiC薄膜的方法

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