一种3D立体微纳结构的制作方法与流程

本发明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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种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，按照本发明，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，本发明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。

按照本发明的另一方面，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，通过本发明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、本发明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技术领域，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、本发明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。本发明操作过程中，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，本发明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。本发明操作简便，条件温和，对环境要求低，可实现批量生产。

4、本发明操作过程中，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是本发明3d微纳结构制作方法流程图；

图2是本发明实施例1提供的柱状阵列微纳结构制作的结构示意图；

图3是本发明实施例2提供的凸点阵列微纳结构制作的结构示意图；

图4是本发明实施例3提供的流道微纳结构制作的结构示意图；

图5是本发明实施例4、5提供的纳米级点阵结构制作的结构示意图；

图6是本发明实施例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-纳米流道金属模具。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的3d微纳结构制作方法的实现流程图，以下通过六个具体实施例对其进一步详细说明。在下述实施例中，模具、压板、缓冲层、脱模剂和被加工薄膜均选用常规材料。

实施例1

如图2所示，本实施例完成了微米级柱状阵列的3d微纳结构制作，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的柱状阵列图案，制作柱状阵列硅模具1和金属压板2；

(2)对柱状阵列硅模具1进行清洗和平整化处理后，在柱状阵列硅模具1上涂覆一层脱模剂7，然后依次放置被加工薄膜6、缓冲层5、厚度为40μm的al-ni自蔓延多层膜4、隔热材料膜3和金属压板2；

(3)向金属压板2施加20.0mpa的压力，施压时间1s，利用直流电源提供能量引燃al-ni自蔓延多层膜4，al-ni自蔓延多层膜4点燃时产生的冲击及材料的热膨胀力使被加工薄膜6形成所需的柱状阵列的3d微纳结构。

实验结果表明，被加工薄膜上形成了规则的柱状阵列，柱状凸起边缘尖锐、平整，实现了被加工薄膜的柱状阵列的制备。

实施例2

如图3所示，本实施例完成了微米级凸点阵列的3d微纳结构时，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的凸点阵列图案，制作凸点阵列金属模具8和玻璃压板9；

(2)对凸点阵列金属模具8进行清洗和平整化处理后，在凸点阵列金属模具8上涂覆一层脱模剂7，然后依次放置涂覆有脱模剂7的凸点阵列金属模具8、被加工薄膜6、缓冲层5、厚度为60μm的ti-al自蔓延多层膜10、隔热材料膜3和玻璃压板9；

(3)向玻璃压板9施加10.0mpa的压力，施压时间约5s，利用激光透过玻璃压板9引燃ti-al自蔓延多层膜10，外加压力与ti-al自蔓延多层膜10点燃时产生的冲击及材料的热膨胀力使被加工薄膜6形成所需的凸点阵列的3d微纳结构。

实验结果证明，该方法反应速度快(约8m/s)，加工时间短，被加工薄膜上形成了规则的凸点阵列。

实施例3

本实施例完成了微米级流道的3d微纳结构时，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的流道图案，制作流道模具11和金属压板2；

(2)对流道模具11进行清洗和平整化处理后，在流道模具11上涂覆一层脱模剂7，然后依次放置涂覆有脱模剂7的流道模具11、被加工薄膜6、缓冲层5、厚度为80μm的ti-si自蔓延多层膜12、隔热材料膜3和金属压板2；

(3)向金属压板2施加0.1mpa的压力，利用微波提供能量引燃ti-si自蔓延多层膜12，施压时间约20s，外加压力与ti-si自蔓延多层膜12点燃时产生的冲击及材料的热膨胀力使被加工薄膜6形成所需的流道的3d微纳结构。

实验结果证明，该方法制备得到了流道的3d微纳结构。

实施例4

本实施例完成了高度为200nm的纳米点阵3d微纳结构，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的纳米阵列图案，制作纳米点阵金属模具13和玻璃压板9；

(2)对纳米点阵金属模具13进行清洗和平整化处理后，依次放置金属模具13、厚度为10μm的金箔14和金属压板2；

(3)使用夹具将整个互连结构压实并固定，利用电火花引燃al-ni自蔓延多层膜4，夹持时间约5s，al-ni自蔓延多层膜及被加热的金箔所产生的热膨胀力使金箔14形成所需的纳米点阵的3d微纳结构。

实施例5

本实施例完成了高度为200nm的纳米点阵3d微纳结构，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的纳米阵列图案，制作纳米点阵金属模具13和玻璃压板9；

(2)对纳米点阵金属模具13进行清洗和平整化处理后，依次放置金属模具13、厚度为10μm的金箔14和金属压板2；

(3)使用夹具将整个互连结构压实并固定，利用电火花引燃厚度控制为40μm的al-ni自蔓延多层膜4，夹持时间约20s，al-ni自蔓延多层膜及被加热的金箔所产生的热膨胀力使金箔14形成所需的纳米点阵的3d微纳结构。

实施例6

本实施例完成了纳米级流道的3d微纳结构，工艺步骤包括：

(1)根据待制作的纳米流道图案，制作纳米级流道金属模具15和玻璃压板9；

(2)对纳米流道金属模具15进行清洗和平整化处理后，依次放置金属模具13、厚度为10μm的金箔14和金属压板2；

(3)使用夹具将整个互连结构压实并固定，利用电火花引燃厚度控制为80μm的al-ni自蔓延多层膜4，夹持时间约10s，al-ni自蔓延多层膜及被加热的金箔所产生的热膨胀力使金箔14形成所需的纳米流道的3d微纳结构。

上述各实施例中各步骤中自蔓延多层膜的材料、对封装结构施压的压力以及施压维持时间仅用于示例和解释，本发明的方案中并不限于上述具体的数值，即虽然给出了优选的一系列参数值如压力为1.0mpa、10.0mpa和20.0mpa，施压时间为1s、5s、20s等，但本领域的技术人员容易理解，只要在权利要求书所述的范围内，即施压时间为1s～20s、施压压力为0.1～20mpa均属于本发明的保护范围，且只要在权利要求书所述自蔓延多层膜的材料、施压压力、施压时间以及引燃方式间进行组合均属于本发明所保护范围内。

由上述实施例可知，本发明首次将自蔓延多层膜应用到了微纳结构的制作当中，通过自蔓延多层膜同时提供热量与冲击力，可以得到高分辨率的各种3d微纳结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。