基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术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。

Micro nano 3D printing method and device based on laser chemical vapor deposition

The invention provides a micro nano 3D printing method based on laser chemical vapor deposition, which combines laser chemical deposition with localized gas injection technology based on microtubule to realize micro nano 3D printing of a wide range of material systems, and improves the printing accuracy. The laser beam emitted by the laser converges to the micro area to be machined on the surface of the sample after passing through the optical element group; the reaction gas and buffer gas are mixed and injected into the gas cavity; the gas cavity is connected with the micro tube through the adapter; the mixed gas of the reaction gas and buffer gas is sprayed to the micro area to be machined on the surface of the sample through the tip of the micro tube and irradiated by the laser converging beam; in the laser pyrolysis effect and / or light Under the effect of dissociation, the reaction gas dissociates and the decomposition products deposit on the surface of the sample to form a coating. The tip of the microtubule has an inner diameter of nanometer or micrometer size. According to the preset pattern, the movement of the electronic control translation table is coordinated to realize the three-dimensional relative movement of the microtubule and the sample surface, and then the three-dimensional micro nano scale pattern is generated.

【技术实现步骤摘要】
基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法及装置
本专利技术涉及化学气相沉积的
，具体为基于激光化学气相沉积的微纳三维打印方法，本专利技术还提供了采用该方法的装置。
技术介绍
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。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术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，且由于微管本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。/n

【技术特征摘要】
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。


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2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：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。


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：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。


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：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。


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：为了提高激光化学气相沉积速率，对试样做加热处理。


7.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。


8.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。


9.如权利要求8所...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱国栋，龚大卫，蒋玉龙，
申请(专利权)人：张家港博发纳米材料科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32