一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法与流程

本公开涉及微纳加工技术领域，尤其涉及一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法。

背景技术：

介观尺度(宏观和微观之间，一般认为在纳米和毫米之间)的复杂三维结构，广泛存在于细胞骨架、神经网络、脉管网络等生物系统中，并承担了最基本的生命体功能。另一方面，介观尺度的微结构器件在生物医疗器件、微机电系统、超材料、储能器件、光电传感器件等中有着广泛的应用。因此，介观尺度的三维结构的制造一直是科技研究的焦点与前沿。

近十年来，介观尺度的三维结构难以用传统的机械加工方法得到，其成型与制造一直是研究的热点。当前，介观尺度三维结构的主要制造方法有：通用的光刻定形加工成型工艺、依靠液体介质的自组装成型工艺、残余应力弯曲组装工艺、基于模板的压印及生长工艺、基于激光直写技术的增材制造工艺、基于3d打印技术的增材制造工艺等。

现有的介观尺度三维结构的制造方法具有以下缺点：

第一，这些工艺的适用性不强，受到材料、产品构型等限制，比如激光直写工艺受限于光敏材料，3d打印工艺受限于高分子材料、金属粉末熔融，残余应力弯曲组装工艺受限于成型结构等等；

第二，这些工艺的效率较低；

第三，这些工艺在实施过程中需要使用大量的化学试剂，且大都具有毒性，难以做到环境友好；

第四，这些工艺很难以与半导体制造工艺兼容。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法，该方法不受加工材料的限制、环保、高效，并且能够兼容于半导体制造工艺。

为实现上述目的，本公开提供一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法的，用于获得介观尺度的三维的目标构型，将二维前驱体结构在具有预拉伸应变量的组装平台上通过力学组装成型为所述目标构型，所述成型方法包括以下步骤：

设计步骤：设计与所述目标构型对应的二维前驱体结构以及用于将所述二维前驱体结构力学组装成型为所述目标构型的组装平台的预拉伸应变量；

制造步骤：应用飞秒激光切割二维平面材料以形成所述二维前驱体结构；

力学组装成型步骤：将所述二维前驱体结构固定于具有所述预拉伸应变量的所述组装平台，释放所述组装平台使所述二维前驱体结构屈曲变形，从而形成所述目标构型。

优选地，所述设计步骤包括设计所述二维前驱体结构的一体的屈曲变形区域和键合区域，所述屈曲变形区域用于屈曲变形，所述键合区域用于固定于所述组装平台。

优选地，所述设计步骤还包括以下步骤：

应用大变形力学理论和有限元计算预测所述二维前驱体结构经屈曲诱导后得到的三维构型，即诱导构型；

对比所述诱导构型与所述目标构型；

根据对比结果迭代修正所述二维前驱体结构和/或所述预拉伸应变量。

优选地，在所述设计步骤中，当设计所述二维前驱体结构时，加入激光切割宽度的补偿量k×n；

其中：

k为比例因子，取值范围为0.2至1；

n为激光切割宽度。

优选地，在所述制造步骤中，将飞秒激光切割工艺调整到以下参数：激光光束能量强度范围为：1μj至5μj；

激光切割时的扫描线速度为：1mm/s至40mm/s；

保护气体压强为：0.1bar至0.2bar。

优选地，根据所述二维平面材料的种类调整所述飞秒激光切割工艺的参数。

优选地，在所述制造步骤中，将有机高分子材料旋涂于承载用的硬质基底或者将成品薄膜贴附于承载用的硬质基底，然后应用飞秒激光切割形成于所述硬质基底的二维平面材料而获得所述二维前驱体结构。

优选地，所述二维平面材料形成为聚酰亚胺和金的复合膜。

优选地，沿所述组装平台的互相垂直的x轴方向和y轴方向对所述组装平台加载双轴拉力从而获得所述预拉伸应变量，

将切割得到的所述二维前驱体结构转印至所述组装平台。

优选地，将切割得到的所述二维前驱体结构通过水溶性胶带转印至所述组装平台。

本公开提供的介观尺度结构的力学组装成型方法采用飞秒激光切割二维前驱体结构，通过力学组装成型三维目标构型，具有以下有益效果：

第一，加工精度高，材料的性能不受加工影响，并且适用于各种类型的高性能材料。克服了制造介观尺度结构中材料对加工的限制，并且能够获得较好的加工质量；

第二，能够高效、经济地制造介观尺度结构，实现大批量制造，并且较少使用化学试剂，具有环境友好的优点；

第三，能够兼容半导体制造工艺，可以通过简单的设备调整，能够实现与半导体制造工艺兼容与对接；

第四，该成型方法在生物医疗器件、集成电路、光学器件等方面具有良好、重要的应用前景。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1是本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法的流程图；

图2是本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法过程的示意图；

图3是本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法的十个具体实施例中的二维前驱体结构和诱导构型的示意图，该十个实施例分别编号为1至10，其中，左侧是设计的二维前驱体结构，使用阴影填充代表了键合区域，右侧是对应的有限元预测的诱导构型；

图4a是根据本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法设计的二维前驱体结构的一个实施例，其示出二维前驱体结构的尺寸，尺寸单位为mm，对应于图3中的1号实施例；

图4b是根据本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法设计的二维前驱体结构的又一个实施例，其示出二维前驱体结构的尺寸，尺寸单位为mm，对应于图3中的2号实施例；

图4c是根据本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法设计的二维前驱体结构的再一个实施例，其示出二维前驱体结构的尺寸，尺寸单位为mm，对应于图3中的5号实施例；

图5a是图3中的1号实施例，即图4a中二维前驱体结构对应的二维平面材料的实施例的实物图，示出经飞秒激光切割加工的二维平面材料的实物；

图5b是图3中的5号实施例，即图4c中二维前驱体结构对应的二维平面材料的实施例的实物图，示出经飞秒激光切割加工的二维平面材料的实物；

图5c是图3中的1号实施例和5号实施例，即图4a和图4c中二维图形对应的二维前驱体结构的实施例的实物图，示出经飞秒激光切割加工的二维前驱体结构的实物；

图6a是图3中的1号实施例，即图5a中的二维前驱体结构的实施例经飞秒激光切割加工后的激光共聚焦显微镜的局部细节图，显示了飞秒激光加工的切割宽度，以及加工后得到的前驱体图形的实际线宽，以及激光加工之后的平面质量；

图6b是图3中的5号实施例，即图5b中的二维前驱体结构的实施例经飞秒激光切割加工后的激光共聚焦显微镜的局部细节图，显示了飞秒激光加工的切割宽度，以及加工后得到的前驱体图形的实际线宽，以及激光加工之后的平面质量；

图7是图3中的5号实施例，即图5b中的二维前驱体结构的实施例力学组装后的成型的介观尺度结构的显微镜照片。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本公开提供一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法，该成型方法通过将二维前驱体结构(即根据二维图形制造的二维前驱体结构)安装至具有预拉伸应变量的组装平台并，进而使二维前驱体结构力学组装(即力学屈曲三维组装)成型为三维目标构型(下文统称为目标构型)。图1和图2分别为该成型方法的一个具体实施例的流程图和过程示意图。

如图1和图2所示，该成型方法可以大致包括设计步骤、制造步骤和力学组装成型步骤。

在设计步骤中：

目标构型具有与其对应的二维图形，根据该二维图形制造的二维结构(即二维前驱体结构)能够经屈曲变形而形成上述目标构型；设计该二维前驱体结构(比如，二维前驱体结构的形状和大小)，还设计组装平台的预拉伸应变量(比如，预拉伸力的加载方向和预拉伸应变量的大小)，还可以设计二维前驱体结构与组装平台的屈曲变形区域和安装区域(比如，二维前驱体结构中安装区域的位置和数量)。

在设计步骤中还可以包括修正步骤：

利用三维大变形力学理论对二维前驱体结构的屈曲变形进行分析，确定二维前驱体结构的材料相关参数，将上述材料相关参数输入，并运用有限元分析计算，预测该二维图形经屈曲变形后所能够实际获得的三维结构(即诱导构型)；

将诱导构型与目标构型进行对比，根据对比结果迭代修正上述二维前驱体结构、二维前驱体结构与组装平台的安装区域和组装平台的预拉伸应变量。

图3提供了二维前驱体结构的十个具体实施例。图4a至图4c示出图3中二维前驱体结构的三个具体实施例的二维图形，示出屈曲变形区域20和键合区域10。

在修正步骤中，可以对二维前驱体结构进行有限元分析，得到诱导的三维构型，即诱导构型，将诱导构型与目标构型对比，判断诱导构型是否与目标构型一致：

如果一致，进入后续的制造步骤；

如果不一致，修改二维前驱体结构和/或二维前驱体结构与组装平台的安装区域和/或组装平台的预拉伸应变量。

应当理解，修改的参数可以为二维前驱体结构、二维前驱体结构与组装平台的安装区域、组装平台的预拉伸应变量三者中的任一者、任两者或者全部。

在设计步骤中，还可以考虑飞秒激光切割宽度的影响，即在确定激光切割宽度n之后，对二维前驱体结构的设计加入激光切割宽度的补偿量k×n，其中，k为比例因子，取值范围为0.2至1。

这样，有利于设计出符合制造要求的二维图形，从而更精准地形成二维前驱体结构。

在制造步骤中：

根据设计步骤中确定的二维图形制造二维前驱体结构，具体是通过飞秒激光切割工艺切割二维平面材料而形成二维前驱体结构。在制造步骤中，切割成二维前驱体结构之前，可以对飞秒激光切割工艺的参数进行调整，比如，将飞秒激光光束能量强度范围调整为1μj至5μj，将飞秒激光的切割扫描线速度调整为1mm/s至40mm/s，将切割过程中的保护气体压强调整为0.1bar至0.2bar。

采用具有上述参数的飞秒激光切割工艺能够获得以下有益效果：能够获得较小的激光切割宽度，进而提高二维前驱体结构的分辨率，即获得较小的最小线宽，从而获得较好的二维前驱体结构的平面质量。

本公开采用飞秒激光来切割形成二维前驱体结构，以飞秒脉冲时长激发的激光脉冲持续时间极短、瞬时聚焦功率极高，从而飞秒激光切割工艺具有以下优势：1)飞秒激光空间分辨率高、加工精度达到亚微米，由于飞秒激光光强空间呈现高斯分布，只有在超过多光子吸收阈值的照射区域，才出现明确的加工行为，得到飞秒激光的加工精度小于聚焦光斑尺寸；2)飞秒激光对加工材料没有选择性和限制性，可以对任何材料进行精细加工和处理；3)飞秒激光加工组织没有融熔区，避免了微裂纹的产生，实现了相对意义上的“冷”加工，从而避免了加工中的热效应带来的众多负面影响。

本公开提供的一种非光刻的介观尺度结构力学组装成型方法采用飞秒激光切割二维前驱体结构，并结合力学组装成型三维的目标构型，具有以下有益效果：

第一，加工精度高、材料性能不受加工影响，并且适用于各种类型的高性能材料，克服了制造介观尺度结构中材料对加工的限制，并且能够获得较好的加工质量；

第二，能够高效、经济地制造介观尺度结构，并且较少使用化学试剂，实现环境友好；

第三，能够兼容半导体制造工艺，可以通过简单的设备调整，能够实现与半导体制造工艺兼容与对接；

第四，该成型方法在生物医疗器件、集成电路、光学器件等方面具有良好、重要的应用前景。

可以根据介观尺度结构的材料调整上述飞秒激光切割工艺的参数，从而每一种材料均具有与其相应的飞秒激光切割工艺的参数。这样，飞秒激光切割工艺能够适用于对各种材料的二维前驱体结构的切割加工，克服了材料的限制。

在制造步骤中，将有机高分子材料旋涂于承载用的硬质基底(比如，玻璃片或者硅片)；或者用薄膜平整贴附于承载用的硬质基底(比如，玻璃片或者硅片)，或者通过化学沉积生长工艺在硬质基底上形成二维平面材料；之后，应用飞秒激光切割硬质基底上的二维平面材料从而获得二维前驱体结构。

在二维平面材料形成为平面膜结构的实施方案中，在设计步骤中，当进行有限元分析计算时，除了需要加入二维前驱体结构的材料参数，还需要加入二维前驱体结构的厚度参数。

上述平面膜结构可以为单层膜(如金、银或者铜的薄层)，或者多层膜重叠形成，比如，形成为聚酰亚胺和金属(如金、银或者铜)薄层的复合膜。在半导体工艺中，属薄层可以作为形成元器件的功能层的材料，聚酰亚胺可以作为功能层的保护层材料，起到防止元器件短路的作用，这样的平面膜结构更适用于半导体工艺。

在制造步骤中，除了根据材料的种类、材料对激光能量的吸收率调整飞秒激光切割工艺的参数，还可以根据平面膜结构的厚度调整飞秒激光切割工艺的参数。

该成型方法能够根据材料来调整激光的工艺参数，在充分利用了飞秒激光对二维平面材料的高加工精度的优点的前提下，还能够克服材料的限制。

在力学组装成型步骤中，二维前驱体结构的安装区域可以通过键合的方法，可靠地连接于组装平台。键合的方式根据所选材料的性质而确定，即通过提高键合区域10(即安装区域)的表面结合能，形成稳定的接合面，从而达到键合的目的，确保二维前驱体结构与组装平台组装牢固接合。

组装平台的应变量可以通过加载双轴拉力的方式获得，即沿组装平台的互相垂直的x轴方向和y轴方向分别加载拉力fx和fy。通过拉伸机对组装平台进行拉伸而获得上述应变量时，在组装平台的中央区域形成各方向应变量均匀的区域以用于组装二维前驱体结构。双轴拉伸容易实施并能够在组装平台上获得满足要求的上述应变量均匀的区域。

在按照设计好的二维图形切割成二维前驱体结构之后，通过转印技术将二维前驱体结构转印至组装平台。转印过程中，可借助水溶性胶带作为印章进行转印。当然，还可以采用其他印章，比如聚二甲基硅氧烷(pdms)印章。

下面提供本公开的一个具体实施例。

首先根据目标构型设计目标构型的二维前驱体结构，以及设计该二维前驱体结构与组装平台键合的键合区域10的分布位置以及组装平台的预拉伸应变量。以图3中1号构型为目标，由理论计算得到的x轴和y轴的预拉伸应变量均为30％，二维前驱体结构的加工尺寸和键合区域10、屈曲变形区域20如图4a所示。

针对二维前驱体结构，通过三维大变形力学理论，进行屈曲变形分析。以此确定组装结构的材料参数、平面膜结构的厚度参数(如根据分析计算结果，选取平面膜为厚度5μm的聚酰亚胺和160nm金的复合)，将上述材料相关参数输入至有限元分析计算，得到屈曲诱导之后的三维结构，即诱导构型。将得到的诱导构型与目标构型相比较，以此迭代修正设计的二维前驱体结构和键合区域10位置。

制作二维前驱体结构的二维平面膜材料，可以将有机高分子材料旋涂于承载硅片，或者可以通过化学沉积生长的方法，亦或将商用薄膜平整贴附于承载基底。

调整飞秒激光的加工参数，并采用飞秒激光切割加工出二维前驱体结构。此处，将二维前驱体结构的加工参数调整为如下：

激光光束能量强度为2μj；

激光切割扫描线速度为10mm/s；

保护气体压强为0.1bar。

在此参数下，激光切割宽度n＝104μm，在原设计尺寸的基础上，加入激光切割宽度n的补偿量52μm(k×n＝0.5×104μm)。

采用硅橡胶制备组装平台(基底)，沿x轴和y轴方向加载双轴拉力fx和fy以此得到上述预拉伸应变量。

将加工好的二维前驱体结构借助水溶性胶带转印至组装平台(硅橡胶基底)。同时，将二维前驱体结构与组装平台通过设计的键合区域10键合，二维前驱体结构通过键合区域10而固定至组装平台，键合的固定方式作为二维前驱体结构与组装平台固定的一个具体实施方案。

释放组装平台，键合于组装平台的二维前驱体结构的屈曲变形区域20发生屈曲变形，以此得到三维的目标构型。

应当理解，本公开涉及的各个步骤在无明显前后顺序的前提下，均可以互换顺序。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由所附的权利要求指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围的情况下进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求来限制。