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基于纳米探针的微纳三维结构制备方法
申请号	CN202410043336.X	申请日	2024-01-11	公开(公告)号	CN117842927A	公开(公告)日	2024-04-09
申请人	清华大学;			发明人	张一慧; 薛兆国; 吕增耀; 白柯; 王月皎; 赵建中; 兰宇; 柏韧恒; 赖禹辰; 帅雨萌;
摘要	提供了一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其包括以下步骤：S1：在衬底上设置牺牲层与热塑性聚合物层。S2：在所述热塑性聚合物层上沉积金属层，通过微加工工艺刻蚀所述金属层，以形成图案化的所述金属层，刻蚀所述热塑性聚合物层，并去除所述衬底上涂布的所述牺牲层，形成二维前驱体。S3：使用一个或多个纳米探针对所述二维前驱体施加载荷并移动所述纳米探针，带动所述二维前驱体的与所述纳米探针的针尖的接触的部分移动，使所述二维前驱体的结构发生变形，形成三维微纳结构。S4：加热所述三维微纳结构使其产生热塑性，实现所述三维微纳结构的固形。
权利要求	1.一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，包括以下步骤： S1：在衬底(10)上设置牺牲层与热塑性聚合物层； S2：在所述热塑性聚合物层上沉积金属层，通过微加工工艺刻蚀所述金属层，以形成图案化的所述金属层，刻蚀所述热塑性聚合物层，并去除所述衬底(10)上涂布的所述牺牲层，形成二维前驱体(20)； S3：使用一个或多个纳米探针(40)对所述二维前驱体(20)施加载荷并移动所述纳米探针(40)，带动所述二维前驱体(20)的与所述纳米探针(40)的针尖的接触的部分移动，使所述二维前驱体(20)的结构发生变形，形成三维微纳结构(30)； S4：加热所述三维微纳结构(30)使其产生热塑性，实现所述三维微纳结构(30)的固形。 2.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤S1中设置所述牺牲层和所述热塑性聚合物层的方法为：在所述衬底(10)上涂布牺牲层，然后涂布热塑性聚合材料，再使所述热塑性聚合材料固化形成热塑性聚合物层。 3.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤S2中刻蚀所述金属层方法包括紫外光刻法和/或湿刻法。 4.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤S2中刻蚀所述热塑性聚合物层的方法为等离子刻蚀法。 5.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤S2中沉积所述金属层的方法为电子束蒸发镀膜法。 6.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，步骤S4中加热所述三维微纳结构(30)的方法为红外激光加热法。 7.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述衬底(10)为硬质衬底。 8.根据权利要求2所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，涂布所述牺牲层和所述热塑性聚合材料的方法为旋涂法。 9.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述热塑性聚合物层的材料为聚酰亚胺，所述牺牲层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。 10.根据权利要求1所述的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其特征在于，所述金属层包括金和/或铜。
说明书全文	基于纳米探针的微纳三维结构制备方法技术领域 [0001] 本申请涉及先进制造技术领域，且特别涉及一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法。背景技术 [0002] 三维复杂微纳结构及其器件的制造方法与工艺在材料科学、机械设计与微纳电子等诸多领域备受关注，已成为业内研究的热点。目前的三维微纳结构的设计与制备方法包括微纳加工刻蚀、4D打印、基于主动材料应变驱动组装等。近年来，基于力学屈曲变形理论发展而提出的力学引导的三维组装方法为制备复杂三维微纳结构提供了一种新的途径。该方法基于传统平面微电子加工工艺制备初始二维结构，再转印至预拉伸的平面弹性基底上，接着通过释放预拉伸的基底，将选择性转印在基底上的平面结构精确组装为几何形貌复杂且丰富的三维构型。该方法实现了将纳米结构与电子器件由二维至三维的快速高效组装与原位表征测试，其在航空航天、生物医药、驱动传感机械制造等诸多领域有广阔的应用前景。 [0003] CN109437091A公开了一种在弹性衬底上制备微纳结构的方法。首先，在刚性衬底上制备金属层，然后在金属层表面制备相应的金属或介质微纳结构。一方面，通过拉伸的弹性衬底直接从刚性衬底上转移下附有金属或介质微纳结构的金属层，腐蚀整层金属层后，释放弹性衬底预拉伸的应力。通过控制弹性衬底的预定拉伸比，可在弹性衬底上制备不同间隙的二维微纳结构。或可直接在弹性衬底上制备出不同立体的三维微纳结构。另一方面，通过未拉伸的弹性衬底直接从刚性衬底上转移下附有金属或介质微纳结构的金属层，腐蚀金属层后，即可在弹性衬底上制备二维微纳结构。 [0004] 上述发明专利申请公开的弹性衬底上制备微纳结构的方法是基于力学屈曲引导的三维组装方法，需要将加工制备的二维前驱体转印到弹性软基底上。该方法涉及了转印技术，但可靠、精准的转印纳米尺度下的复杂结构具有一定的技术挑战性。微纳尺度的二维前驱体结构在弹性软基底上发生面外屈曲变形时需要克服较强的界面粘附力，使得一些微纳尺度的超柔结构无法从弹性软基底上脱粘，容易导致组装失败。同时，通过弹性软基底的变形对二维前驱体结构施加载荷并驱动二维前驱体结构发生面外变形成复杂的三维结构的过程中，弹性软基底施加的载荷多是均匀加载(如只能同时施加相同的压缩或拉伸载荷)，加载的方式不够灵活。发明内容 [0005] 鉴于上述现有技术的状态而做出本申请。本申请的目的在于提供一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其不需要将二维前驱体转印至弹性基底，而可以直接对微纳三维结构在衬底上进行制备。 [0006] 本申请提供一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，其包括以下步骤： [0007] S1：在衬底上设置牺牲层与热塑性聚合物层； [0008] S2：在所述热塑性聚合物层上沉积金属层，通过微加工工艺刻蚀所述金属层，以形成图案化的所述金属层， [0009] 刻蚀所述热塑性聚合物层，并去除所述衬底上涂布的所述牺牲层，形成二维前驱体； [0010] S3：使用一个或多个纳米探针对所述二维前驱体施加载荷并移动所述纳米探针，带动所述二维前驱体的与所述纳米探针的针尖的接触的部分移动，使所述二维前驱体的结构发生变形，形成三维微纳结构， [0011] S4：加热所述三维微纳结构使其产生热塑性，实现所述三维微纳结构的固形。 [0012] 在至少一个可能的实施方式中，步骤S1中设置所述牺牲层和所述热塑性聚合物层的方法为： [0013] 在所述衬底(10)上涂布牺牲层，然后涂布热塑性聚合材料，再使所述热塑性聚合材料固化形成热塑性聚合物层。 [0014] 在至少一个可能的实施方式中，步骤S2中刻蚀所述金属层方法包括紫外光刻法和/或湿刻法。 [0015] 在至少一个可能的实施方式中，步骤S2中刻蚀所述热塑性聚合物层的方法为等离子刻蚀法。 [0016] 在至少一个可能的实施方式中，步骤S2中沉积所述金属层的方法为电子束蒸发镀膜法。 [0017] 在至少一个可能的实施方式中，步骤S4中加热所述三维微纳结构的方法为红外激光加热法。 [0018] 在至少一个可能的实施方式中，所述衬底为硬质衬底。 [0019] 在至少一个可能的实施方式中，涂布所述牺牲层和所述热塑性聚合材料的方法为旋涂法。 [0020] 在至少一个可能的实施方式中，所述热塑性聚合物层的材料为聚酰亚胺，所述牺牲层的材料为聚甲基丙烯酸甲酯。 [0021] 在至少一个可能的实施方式中，所述金属层包括金和/或铜。 [0022] 本申请提供的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法，可以摆脱转印技术对微纳三维结构制备的限制，通过探针对二维前驱体结构同时施加多个不同方向和数值的载荷。附图说明 [0023] 图1为根据本申请的一个实施方式的制备方法的流程图。 [0024] 图2为根据本申请的一个实施方式的制备方法的布置二维前驱体的示意图。 [0025] 图3为根据本申请的一个实施方式的制备方法的探针加载形成三维微纳结构的示意图。 [0026] 图4为根据本申请的一个实施方式的制备方法的激光加热三维微纳结构的示意图。 [0027] 图5为根据本申请的一个实施方式的制备方法的三维结构微纳结构脱离衬底的示意图。 [0028] 附图标记说明 [0029] 10 衬底 [0030] 20 二维前驱体 [0031] 30 三维微纳结构 [0032] 40 纳米探针 [0033] 50 激光具体实施方式 [0034] 下面参照附图描述本申请的示例性实施方式。应当理解，这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本申请，而不用于穷举本申请的所有可行的方式，也不用于限制本申请的范围。 [0035] 本申请的实施方式提供一种基于纳米探针的微纳三维结构制备方法(下面，有时简称为“制备方法”)，如图1所示，该制备方法可以包括四个步骤。 [0036] 下面以一个微纳三维结构加工示例，结合图示分别介绍四个步骤。 [0037] 步骤一(S1)：在衬底上设置牺牲层与热塑性聚合物层。 [0038] 优选的，如图1所示，设置牺牲层与热塑性聚合物层的方式可以为：在衬底10上涂布牺牲层，然后可以涂布热塑性聚合材料，再将热塑性聚合材料固化形成热塑性聚合物层。 [0039] 可以理解，设置牺牲层和热塑性聚合物层的方式不限于此，例如，可以预制包括从下至上依次为衬底、牺牲层和热塑性聚合物层的三层结构。还可以在衬底上粘贴预制的牺牲层及热塑性聚合物层薄膜等。 [0040] 示例性的，衬底10的材料可以是硅片衬底，也可以选用其他硬质衬底，例如玻璃衬底等。 [0041] 示例性的，牺牲层的材料可以是聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，在使用该材料作为牺牲层时可以在涂布后，置于180度加热十分钟。热塑性聚合材料可以是聚酰亚胺(PT)，在使用该材料时可以在涂布后将其放入电热鼓风烘箱阶梯升温加热至220度以使该材料固化。 [0042] 优选的，涂布牺牲层和热塑性聚合材料的涂布方式可以是旋涂，即旋转涂抹法。 [0043] 步骤二(S2)：在固化后的热塑性聚合材料的上层可以沉积金属层，可以再通过微加工工艺刻蚀金属层，以形成图案化的金属层。接着可以刻蚀热塑性聚合物层，并且可以去除衬底上涂布的牺牲层。形成待加工的二维前驱体20。 [0044] 可以理解，刻蚀金属层形成的图案可以根据微纳三维结构的具体要求确定。刻蚀热塑性聚合物层的刻蚀部分可以是未被金属层遮挡的部分，即金属层被图案化刻蚀后暴露出的部分热塑性聚合物层。图示中的二维前驱体20包括三个圆形部及其连接部，可以理解，二维前驱体的形状没有限制。 [0045] 优选的，刻蚀金属层的方法可以包括紫外光刻和/或湿刻法。 [0046] 优选的，在热塑性聚合材料上沉积金属层的方法可以为电子束蒸发镀膜。 [0047] 优选的，刻蚀热塑性聚合物层的方法可以是等离子体刻蚀。 [0048] 示例性的，金属层的金属种类可以是铜、金等。 [0049] 示例性的，在使用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为牺牲层时，去除牺牲层的方式可以是在丙酮溶液中浸泡十分钟左右。使用金属材料作为牺牲层时也可以使用酸洗法等。 [0050] 步骤三(S3)：如图2所示，可以将衬底放置于纳米探针平台，使用一个或多个纳米探针40对二维前驱体施加载荷并移动纳米探针，带动二维前驱体的与针尖的接触部(图中为三个圆形部)移动，使二维前驱体20的结构发生变形，特别是屈曲面外变形，形成三维微纳结构30。 [0051] 可以理解，纳米探针对二维前驱体施加的载荷可以包括竖直向下的压力，以使二维前驱体在平面内移动并变形。 [0052] 可以理解，纳米探针的具体加载方式、加载路径等可以根据具体的目标微纳三维结构而灵活改变。 [0053] 步骤四(S4)：如图3、图4所示，对三维微纳结构30加热使其材料产生热塑性，实现三维微纳结构30的固形。此时，三维微纳结构与衬底可以分离。 [0054] 可以理解，加工完成的三维微纳结构可以选择脱离或不脱离衬底，在一些情况下，三维微纳结构可以直接在衬底上实现其功能。 [0055] 优选的，加热三维微纳结构的方法可以是红外激光加热法，即图4中的激光50。 [0056] 可以理解，本实施方式提供的制备方法可以直接在微纳加工后的晶圆衬底上原位对二维前驱体结构施加加载，实现无需转印的三维结构制备。 [0057] 可以理解，本实施方式提供的制备方法可以直接在硬质的硅片衬底上对二维前驱体加载组装。二维前驱体结构与衬底间的界面粘附力相对较小，使得二维前驱体结构较易从衬底上脱粘，从而使该制备方法具有更高的成功率。适用于厚度更薄、尺寸更小的超柔结构的力学引导三维微纳结构制备。 [0058] 可以理解，现有的通过弹性软基底的变形对二维前驱体结构施加载荷的方法，多是均匀加载(例如只能同时施加相同的压缩或拉伸载荷)。而本实施方式提供的制备方法可以通过多个高精度探针对二维前驱体结构施加不同的载荷(如加载的位移大小，方向)，具有更多的设计自由度，可实现更加复杂三维结构的组装。 [0059] 下面简单说明本申请的上述实施方式的部分有益效果。 [0060] (1)本申请的实施方式提供的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法无需将二维前驱体转印到弹性基底上，而可以直接在微加工的硅片上原位组装。该制备方法可以有效解决转印技术对微纳尺度三维结构的设计制备的限制，并可以通过探针对二维前驱体结构同时施加多个不同方向和数值的位移加载。进而可以实现更小尺寸、更复杂构型的三维结构的设计与制备。该制备方法中的微纳三维结构和三维器件等可以通过红外激光加热等途径，将制备的三维结构进行固形，直接得到可脱离于基底而独立的三维结构，摆脱基底对三维结构/器件在应用领域的限制。 [0061] (2)本申请的实施方式供的基于纳米探针的微纳三维结构制备方法在生物医药、驱动传感、机械制造等领域有重要的应用潜力。使用该制备方法制备的三维结构可以脱离于基底的限制，还可以应用于微纳机器人的设计制造工程。 [0062] 可以理解，在本申请中，未特别限定部件或构件的数量时，其数量可以是一个或多个，这里的多个是指两个或更多个。对于附图中示出和/或说明书描述了部件或构件的数量为例如两个、三个、四个等的具体数量的情况，该具体数量通常是示例性的而非限制性的，可以将其理解为多个，即两个或更多个，但是，这不意味着本申请排除了一个的情况。 [0063] 应当理解，上述实施方式仅是示例性的，不用于限制本申请。本领域技术人员可以在本申请的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变，而不脱离本申请的范围。