一种3D立体微纳结构的制作方法技术

本发明专利技术属于微纳制造工艺相关领域，并提供了一种3D微纳结构的制作方法，该方法包括：将被加工材料薄膜放置在模具上，模具根据根据材料的脱模性能决定是否涂覆脱模剂，在被加工材料薄膜上方放置用于发生自蔓延反应的自蔓延多层膜，向自蔓延多层膜自上至下的结构施加0.1MPa～20MPa的压力，点燃自蔓延多层膜，由此方式以点燃后的自蔓延多层膜作为热量与冲击力的来源，将所述模具上的图形转移到所述被加工材料薄膜上。按照本方法，不仅可有效避免微纳制造复杂的加工工序，具有方法灵活、成本低廉的特点，同时操作简便，条件温和，对环境要求低，可实现批量生产。

A method of making 3D stereo micro structure

The invention belongs to the field of micro nano manufacturing technology, and provides a method of making 3D micro nano structure, the method comprises: processing materials will be placed in the mold, the mold release agent to decide whether to release according to the coating properties of materials, in the material to be processed for films placed above self self propagating multilayer film the spread of the reaction, 0.1MPa is applied to 20MPa pressure to the self propagating structure of multilayers from top to bottom, light self propagating multilayer films, the way to self propagating multilayer film as the heat source and the impact of the light, the mold pattern transfer to the processed material film. According to this method, not only can effectively avoid the complicated processing procedure of micro / nano manufacturing, but also has the characteristics of flexible method and low cost. At the same time, it has the advantages of simple operation, mild conditions, low environmental requirements and mass production.

【技术实现步骤摘要】
一种3D立体微纳结构的制作方法
本专利技术属于微电子制造工艺相关领域，更具体地，涉及一种3D立体微纳结构的制作方法。
技术介绍
微机电系统(MEMS)也叫做微电子机械系统、微系统、微机械等，是在微电子技术(半导体制造技术)基础上发展起来的，融合了光刻、腐蚀、薄膜、LIGA、硅微加工、非硅微加工和精密机械加工等技术制作的高科技电子机械器件。MEMS侧重于超精密机械加工，为智能系统、消费电子、可穿戴设备、智能家居、系统生物技术的合成生物学与微流控技术等领域开拓了广阔的用途。现有技术中依靠模具工艺形成适用于MEMS的3D微纳结构的主要工艺技术有两种：LIGA(光刻、电铸和注塑)工艺和纳米压印工艺，并获得了广泛应用。对于前者而言，它是一种基于X射线光刻技术的MEMS加工技术，主要包括X光深度同步辐射光刻，电铸制模和注模复制三个工艺步骤，由于X射线有非常高的平行度、极强的辐射强度、连续的光谱，使得加工结构表面质量好，适合大批量生产，但其必需昂贵的X射线机等附属设备，同时对多个操作步骤的操作要求很高，相应极大阻碍了LIGA技术的广泛使用；而对于后者而言，纳米压印工艺又主要包括热压印和紫外压印等类型，其中热压印需要外界提供高温、高压，同时整体加热容易造成模具的损伤，由此紫外压印通常必需在洁净间环境下进行操作，对操作工艺和人员素质的要求同样更高。在此情况下，本领域亟需针对在3D立体微纳结构的制作工艺所存在的各类不足继续做出研究，以便更好地符合现代化高效率、高质量和便于质量操控的要求。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种3D立体微纳结构的制作方法，其中通过结合MEMS所用微纳结构自身的产品及应用特点，并对其制作工艺原理及其关键工艺参数等多个方面做出进一步的优化设计，相应能够在无需高温、高压的工况下即可高效率、便于操控地完成整个制作过程，而且可获得很高精度的3D立体微纳结构，因而尤其适用于MEMS相关元件的大规模工艺制造应用场合。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种3D立体微纳结构的制作方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：S1，根据所设计图案制备对应的模具；S2，在该模具的整个上表面可选择地涂覆脱模剂，然后依次设置被加工材料薄膜层、缓冲层、自蔓延多层膜、隔热材料模和压板；S3，向所述压板均匀施加0.1MPa～20MPa的压力并引燃所述自蔓延多层膜，反应完成后执行脱膜，由此获得所需的3D立体微纳结构。通过以上构思，与现有技术相比，一方面可以完全避免X射线、紫外线等外部能量源的使用，无需复杂的设备和车间等条件，整个工艺完全可曝露在常规环境下即可进行；另一方面，本专利技术的制作机理中对自蔓延多层膜层所产生的热能和热应力同时发挥作用，其中被传递至薄膜层的热能不仅可以使得被加工材料不易脆化和发生断裂，而且使其发生适当程度的软化来便于后续更为重要的变形控制；而同时被传递至薄膜层的热应力能够基本沿着竖直方向对薄膜层施加更为均匀的变形驱动力，并使其与模具之间实现高精度的接触及挤压变形，相应能够在微观层面上对被加工材料的表面形貌执行更高的质量控制，进而获得所需的高分辨率产品。优选地，沿着竖直方向向所述压板而施加的压力优选被设定为0.1MPa～20MPa。以此方式，较多的实际测试表明，能够确保上述各层之间获得良好的接触和压实效果，尤其是能够配合自蔓延多层膜层的后续引燃操作，以确实最终可传递至薄膜层所需程度的热量和热应力。优选地，所述自蔓延多层膜层优选为Al-Ni双层膜、Ti-Al双层膜和Ti-Si双层膜中的一种或者多种的组合；并且其厚度为40μm～80μm。之所以这样设计，是因为较多的实际测试表明，该厚度会直接影响自蔓延多层膜点燃后形成的热力场，并对最终所获得的微纳结构表面分辨率产生较大程度的影响，因此经过上述关键参数的进一步优化设计，能够确保自蔓延多层膜产生符合需求的热量和热应力。优选地，所述施压时间优选为1s～20s。压强和施压时间均对被加工材料的变形量有一定影响；相应地，压强越大，变形量越大，施压时间越长，变形量越大。优选地，S3步骤中引燃方式譬如为电火花、激光和微波中的一种或多种。优选地，所述隔热材料膜的材料优选为绝热材料且耐800℃以上温度。优选地，所述缓冲层的厚度优选为10μm-500μm：并且其材料优选为铜。优选地，所述3D立体微纳结构优选为微机电系统所用的各类结构。优选地，模具和压板的材料分别为无机非金属材料、高分子材料和金属中的一种或者多种。优选地，对于上述步骤S3而言，其操作过程具体如下：首先沿着竖直方向向所述压板施加压力以使以上各层之间获得压实；接着，在常温常压条件下，直接引燃所述自蔓延多层膜层，以此方式，在此自蔓延多层膜层的燃烧过程中，它所产生的热量和热应力经由所述缓冲层而均匀传递至所述薄膜层，并导致该薄膜层在三维方向上与模具上表面之间充分接触且发生微纳量级的变形，进而形成所需的3D立体微纳结构产品。按照本专利技术的另一方面，还提供了一种3D立体微纳结构的制作方法，其特征在于，该方法包括将被加工材料薄膜放置在可选择性涂覆有脱模剂的模具上，并在该被加工材料薄膜上继续放置自蔓延多层膜，向该自蔓延多层膜沿着竖直方向施加压力后予以引燃处理，并引用相应所产生的热量和热应力使得所述被加工材料薄膜与模具之间充分接触且发生微纳量级的变形，进而形成所需的3D立体微纳结构产品。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：1、本专利技术开创性地将自蔓延多层膜应用到了微纳结构图案成型制作的
，尤其是，通过对反应机理的进一步研究，能够同时通过自蔓延多层膜同时提供热量与冲击力，得到高精度的3D微纳结构。2、本专利技术适用于各种不同材料的图形化过程，不需要外加高温、高压即可实现被加工材料薄膜的热压印，具有方法灵活、成本低廉的特点，并且可以高效率得到高分辨率微纳结构。本专利技术操作过程中，由于自蔓延燃烧反应热冲击力强、热量集中、反应原材料及反应产物均为固体，不易污染被加工材料薄膜。3、此外，本专利技术还对整个制作工艺过程中的一些关键工艺参数专门进行了优化设计，譬如对缓冲膜厚度和外加压力大小的控制，相应能够确保在高效率制造产品的同时还能够制作高分辨率的微纳结构。本专利技术操作简便，条件温和，对环境要求低，可实现批量生产。4、本专利技术操作过程中，由于自蔓延燃烧反应热冲击力强、热量集中、反应原材料及反应产物均为固体，不易污染被加工材料薄膜。附图说明图1是本专利技术3D微纳结构制作方法流程图；图2是本专利技术实施例1提供的柱状阵列微纳结构制作的结构示意图；图3是本专利技术实施例2提供的凸点阵列微纳结构制作的结构示意图；图4是本专利技术实施例3提供的流道微纳结构制作的结构示意图；图5是本专利技术实施例4、5提供的纳米级点阵结构制作的结构示意图；图6是本专利技术实施例6提供的纳米级流道结构制作的结构示意图；在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-柱状阵列硅模具，2-金属压板，3-隔热材料膜，4-Al-Ni自蔓延多层膜，5-缓冲层，6-被加工薄膜，7-脱模剂，8-凸点阵列金属模具，9-玻璃压板，10-Ti-Al自蔓延多层膜，11-流道模具，12-Ti-Si自蔓延多层膜,13-纳米点阵金属模具，14-金箔，15-纳米流道金属本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种3D立体微纳结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：S1，根据所设计图案制备模具；S2，在所述模具表面可选择地涂覆一层脱模剂，然后依次设置被加工材料薄膜、缓冲层、自蔓延多层膜、隔热材料膜和压板；S3，向所述压板均匀施加0.1MPa～20MPa的压力并引燃所述自蔓延多层膜，反应完成后执行脱膜，由此获得所需的3D立体微纳结构。

【技术特征摘要】
1.一种3D立体微纳结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括如下步骤：S1，根据所设计图案制备模具；S2，在所述模具表面可选择地涂覆一层脱模剂，然后依次设置被加工材料薄膜、缓冲层、自蔓延多层膜、隔热材料膜和压板；S3，向所述压板均匀施加0.1MPa～20MPa的压力并引燃所述自蔓延多层膜，反应完成后执行脱膜，由此获得所需的3D立体微纳结构。2.一种3D立体微纳结构的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括将被加工材料薄膜放置在可选择性涂覆有脱模剂的模具上，在其上方放置用于发生自蔓延反应的自蔓延多层膜，向所述自蔓延多层膜自上至下施加0.1MPa～20MPa的压力，点燃所述自蔓延多层膜，由此方式以点燃后的所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴丰顺，周政，莫丽萍，祝温泊，章安娜，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42