本技术介绍了一种创新的三维硅结构制造技术,涵盖以下关键步骤:(1)利用软件创建目标硅结构的3D模型并设计打印路径,(2)在双光子聚合3D打印机中使用TPL光刻胶进行精确打印。该方法能够实现高精度硅结构的快速制造,具有重要的工业应用价值。
背景技术
3D打印技术是20世纪80年代发展起来的一种新型制造技术。该技术加工过程无需模具,可以直接使用软件设计虚拟模型,然后在打印设备中通过逐层累加法直接获得实体模型。基于光固化的3D打印原理如下:液态的3D光刻胶在一定波长和强度的光照射下迅速发生光聚合反应,分子量急剧增大,从液态转变成固态,去除多余的液态光刻胶后,剩余的固体部分即为得到的实体模型。该技术不仅具有任意复杂结构的加工能力,相比传统制造方法具有快速原型制作、高设计自由度、节约材料等优点。双光子聚合3D打印(TPL)是精度最高的打印技术之一,可达到亚微米级的分辨率,如此高的制造精度和无需模具的设计自由度使TPL打印技术成为人们快速制备精确结构的微小物体的选择之一。
然而TPL打印的发展受到一些条件的制约,如光刻胶的选择并不丰富。目前TPL打印制造的模型大多是光敏树脂、水凝胶等有机材料,TPL打印制造无机成分模型的报道和应用较少。硅是制造半导体器件的主要材料,现代电子设备,如计算机、智能手机、平板电脑等,都依赖于硅基集成电路。微机电系统中的传感器和执行器广泛应用于汽车、医疗设备、消费电子等领域,也依赖高精度制备的硅结构。因此硅材料对产业发展有重大意义,目前制备亚微米硅结构的方法较为复杂,主要有光刻、蚀刻和化学气相沉积三个手段。光刻是最常见的方法,通过使用光来定义硅片上的图案。高分辨率的光刻技术如深紫外(DUV)光刻和极紫外(EUV)光刻,可以实现亚微米和纳米级的分辨率。蚀刻方法分为干湿两种,使用等离子体刻蚀材料,能够实现高各向异性的蚀刻,适用于制作垂直侧壁的结构。化学试剂刻蚀适用于较大尺度的硅结构制备,分辨率和加工纵横比受到较大限制。化学气相沉积通过在硅片上沉积薄膜,然后通过后续的光刻和蚀刻工艺来形成精细的结构。上述方法往往依赖大型设备,步骤繁多,时间成本和经济成本高昂,不适合快速制备三维微纳硅结构的需要。
实现思路