项目介绍:微纳3D打印/光刻技术与设备-最新公告

项目介绍:微纳3D打印/光刻技术与设备

基于微纳结构的功能材料/器件研究的新帮手

       导言:对特征尺度从亚微米到数百微米的三维形貌与结构制备,微纳3D打印技术可发挥不可或缺的作用,有望促进在超材料、MEMS和生物传感等领域创新与发展。苏大维格(SVG)将微光刻技术引入3D打印,研发成功同时支持微3D打印与光刻功能的新型微纳加工设备Multi-μ 3D Printer,为微纳结构材料、器件的研究,提供了新帮手。

1、项目背景
       结构三维化是超材料、超表面研究的发展趋势,推动着3D打印技术向微纳方向发展,有望形成智能微纳3D打印技术。

超薄化与三维化:更高性能结构材料/器件

       在微结构打印方案中,已有的3D打印技术存在诸多限制,未有效解决器件尺寸与精度之间的矛盾、也存在3D结构打印保真度与可靠性不协调的难题。1、利用超快激光的“双光子效应”的3D打印,分辨率可达0.1微米,但串行写入模式,效率极低、对环境稳定性要求极高,打印尺寸一般小于300微米。由于耗时太长,所以,可靠性降低;受制于非线性材料特性和处理工艺,打印一致性很难保障;2、光固化3D打印(SLA),利用胶槽供胶与DLP投影光逐层打印的方法,打印的特征尺寸一般大于50微米,受投影比例限制,打印面积数毫米。由于累积曝光效应,对胶槽中光固化胶的吸收特性有严格要求,易导致打印的结构展宽,尤其对大深宽比微结构的打印,失真严重。
       因此,对于微纳3D打印方案,都存在打印面积与特征结构不兼容、深宽比结构打印的可靠性和保真度不佳的问题,同时,对材料特性的依赖严重,材料价格昂贵,传统3D打印设备均达不到微光刻的要求。 

2、项目创新点
       在半导体芯片领域,光刻分辨率比目前3D打印系统的分辨率至少高三~四个量级。如何将光刻技术的高分辨率特点应用于3D打印,在提高精度的同时支持微结构的大面积打印?如何提升3D打印保真度和可靠性?降低对材料特性依赖,适应多材料的使用?这就是该项目创新的重要意义。 
       针对3D打印技术的瓶颈,该项目将微光刻技术、精密涂层工艺和大数据处理技术引入3D打印,实现了三大创新。
       首先,提出了柔性薄膜送胶与涂层工艺相结合,常规胶层厚度1微米-10微米,理论上,胶厚可控制到亚微米。薄膜送胶的特点是每层的图形独立曝光打印,层与层间的曝光互不影响,从根本上消除了传统光固化3D打印对结构形成的不利影响,实现了高深宽比、密集结构的高保真3D打印。

       第二,提出了将投影缩微光学系统、大数据设计处理与3D分层曝光技术相结合,常规图形分辨率0.5微米-2微米,理论上,可做到0.2微米。采用空间光调制、大数据压缩与扫描拼接曝光技术,攻克了高分辨率大面积图形打印的难题,从而,实现了3D打印的高精度与大面积的协同。
       第三,提出多喷头供胶模式,控制打印涂层厚度及其组合,在逐层打印时,提供不同特性、不同成分的打印材料,大大降低了对材料特性的依赖,实现多全新功能材料3D打印,材料消耗和价格大幅下降。
基于上述原创方案,将3D打印、微光刻和微涂布功能集成化,研制成功了“Multi-μ 3D Printer”微纳3D打印设备。
       Multi-μ 3D Printer具有国际领先的技术指标:图形分辨率可达:0.2微米,标准图形分辨率0.5-2微米(可选),光刻/打印面积:4英寸,特征结构0.5微米~5微米(可设置),图形分层厚度1微米-10微米(可设置)。分层打印效率:100~300mm2/min;图形光刻效率:300~1000 mm2/min。

       由于上述创新,3D打印的横向分辨率、纵向打印精度得到本质保障,实现了多项“微”功能:“微分层”-提高结构保真度;“微图形”-改善结构高精度;“微打印/微光刻”-支持空间3D结构与表面3D形貌打印。上述创新点获得国家发明专利授权,并形成了专利布局。


(a)           (b)              (c)
(a)超材料微图形光刻(大面积)(b)(c)螺纹3D结构打印

       Multi-μ 3D Printer的功能相当于一个高性能的微纳加工平台:微纳3D打印+微图形化直写+灰度光刻。

3、微结构3D打印/光刻样品展示


高精度3D打印结果(分层厚度5微米)— 复杂微结构

   
高保真3D打印样品 — 微柱体(方形、空腔)
(横向分辨率1微米,高度/壁厚 10:1 ~40:1)

    
灰度光刻样品(台阶、涡旋结构;分辨率0.5微米)

 4、评价
       Multi-μ 3D Printer相当于一台多功能微纳加工平台:微纳3D打印+微图形化直写+微形貌灰度光刻,从而,为微纳结构的光电子器件、功能材料的设计与制备提供了全新手段。
       新方案的优势:1、3D打印的使用成本大幅降低,去除胶槽,采用厌氧胶,成本下降到传统方案的1/3~1/5。2、材料选择广泛,光固化树脂中可掺入其他金属或陶瓷纳米颗粒材料或者其他特色材料。3、同时支持3D打印与微光刻,无须做调整,可方便地在打印与光刻之间做功能切换,支持通用文档格式(集成电路与3D打印文档);4、3D打印保真度与可靠性显著提高,特征结构:0.5微米(光刻@4寸)、5微米(3D打印@面积可设定)。5、支持在工件表面直接打印/光刻。
       应用领域:微电路图形(光刻直写)、表面3D形貌(灰度光刻-结构光,光子器件)、MEMS/THz(深结构、微波功能器件)、生物芯片和超材料。
5、结语
       苏大维格一直坚持自主创新的道路,不断提高自主创新能力。将继续加大协同创新力度,围绕产业链,聚合创新资源,推进产学研深度合作与军民融合发展,加快微纳制造领域的高端装备、先进材料、光电子器件的成果转化和产业对接步伐。不忘初心,砥砺前行。

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