基于微納結構的功能材料/器件研究的新幫手

       導言：對特征尺度從亞微米到數百微米的三維形貌與結構制備，微納3D打印技術可發揮不可或缺的作用，有望促進在超材料、MEMS和生物傳感等領域創新與發展。蘇大維格（SVG）將微光刻技術引入3Ｄ打印，研發成功同時支持微3Ｄ打印與光刻功能的新型微納加工設備Multi-μ 3Ｄ Printer，為微納結構材料、器件的研究，提供了新幫手。

1、項目背景
       結構三維化是超材料、超表面研究的發展趨勢，推動著3Ｄ打印技術向微納方向發展，有望形成智能微納3Ｄ打印技術。

超薄化與三維化：更高性能結構材料/器件

       在微結構打印方案中，已有的3D打印技術存在諸多限制，未有效解決器件尺寸與精度之間的矛盾、也存在3D結構打印保真度與可靠性不協調的難題。1、利用超快激光的“雙光子效應”的3D打印，分辨率可達0.1微米，但串行寫入模式，效率極低、對環境穩定性要求極高，打印尺寸一般小于300微米。由于耗時太長，所以，可靠性降低；受制于非線性材料特性和處理工藝，打印一致性很難保障；2、光固化3D打?。⊿LA），利用膠槽供膠與DLP投影光逐層打印的方法，打印的特征尺寸一般大于50微米，受投影比例限制，打印面積數毫米。由于累積曝光效應，對膠槽中光固化膠的吸收特性有嚴格要求，易導致打印的結構展寬，尤其對大深寬比微結構的打印，失真嚴重。
       因此，對于微納3Ｄ打印方案，都存在打印面積與特征結構不兼容、深寬比結構打印的可靠性和保真度不佳的問題，同時，對材料特性的依賴嚴重，材料價格昂貴，傳統3Ｄ打印設備均達不到微光刻的要求。 

2、項目創新點
       在半導體芯片領域，光刻分辨率比目前3Ｄ打印系統的分辨率至少高三～四個量級。如何將光刻技術的高分辨率特點應用于3Ｄ打印，在提高精度的同時支持微結構的大面積打??？如何提升3D打印保真度和可靠性？降低對材料特性依賴，適應多材料的使用？這就是該項目創新的重要意義。 
       針對3Ｄ打印技術的瓶頸，該項目將微光刻技術、精密涂層工藝和大數據處理技術引入3Ｄ打印，實現了三大創新。
       首先，提出了柔性薄膜送膠與涂層工藝相結合，常規膠層厚度1微米-10微米，理論上，膠厚可控制到亞微米。薄膜送膠的特點是每層的圖形獨立曝光打印，層與層間的曝光互不影響，從根本上消除了傳統光固化3Ｄ打印對結構形成的不利影響，實現了高深寬比、密集結構的高保真3D打印。

       第二，提出了將投影縮微光學系統、大數據設計處理與3D分層曝光技術相結合，常規圖形分辨率0.5微米-2微米，理論上，可做到0.2微米。采用空間光調制、大數據壓縮與掃描拼接曝光技術，攻克了高分辨率大面積圖形打印的難題，從而，實現了3D打印的高精度與大面積的協同。
       第三，提出多噴頭供膠模式，控制打印涂層厚度及其組合，在逐層打印時，提供不同特性、不同成分的打印材料，大大降低了對材料特性的依賴，實現多全新功能材料3D打印，材料消耗和價格大幅下降。
基于上述原創方案，將3D打印、微光刻和微涂布功能集成化，研制成功了“Multi-μ 3Ｄ Printer”微納3Ｄ打印設備。
       Multi-μ 3Ｄ Printer具有國際領先的技術指標：圖形分辨率可達：0.2微米，標準圖形分辨率0.5-2微米（可選），光刻/打印面積：4英寸，特征結構0.5微米～5微米（可設置），圖形分層厚度1微米-10微米（可設置）。分層打印效率：100~300mm2/min；圖形光刻效率：300~1000 mm2/min。

       由于上述創新，3D打印的橫向分辨率、縱向打印精度得到本質保障，實現了多項“微”功能：“微分層”-提高結構保真度；“微圖形”-改善結構高精度；“微打印/微光刻”-支持空間3Ｄ結構與表面3Ｄ形貌打印。上述創新點獲得國家發明專利授權，并形成了專利布局。

（a）           （b）              （c）
（a）超材料微圖形光刻（大面積）（b）（c）螺紋3D結構打印

       Multi-μ 3Ｄ Printer的功能相當于一個高性能的微納加工平臺：微納3D打印+微圖形化直寫+灰度光刻。

3、微結構3D打印/光刻樣品展示

高精度3D打印結果（分層厚度5微米）— 復雜微結構

   
高保真3D打印樣品 — 微柱體（方形、空腔）
（橫向分辨率1微米，高度/壁厚 10:1 ~40:1）

    
灰度光刻樣品（臺階、渦旋結構；分辨率0.5微米）

 4、評價
       Multi-μ 3Ｄ Printer相當于一臺多功能微納加工平臺：微納3D打印+微圖形化直寫+微形貌灰度光刻，從而，為微納結構的光電子器件、功能材料的設計與制備提供了全新手段。
       新方案的優勢：1、3Ｄ打印的使用成本大幅降低，去除膠槽，采用厭氧膠，成本下降到傳統方案的1/3～1/5。2、材料選擇廣泛，光固化樹脂中可摻入其他金屬或陶瓷納米顆粒材料或者其他特色材料。3、同時支持3Ｄ打印與微光刻，無須做調整，可方便地在打印與光刻之間做功能切換，支持通用文檔格式（集成電路與3Ｄ打印文檔）；4、3D打印保真度與可靠性顯著提高，特征結構：0.5微米（光刻@4寸）、5微米（3Ｄ打印@面積可設定）。5、支持在工件表面直接打印/光刻。
       應用領域：微電路圖形（光刻直寫）、表面3Ｄ形貌（灰度光刻-結構光，光子器件）、MEMS/THz（深結構、微波功能器件）、生物芯片和超材料。
5、結語
       蘇大維格一直堅持自主創新的道路，不斷提高自主創新能力。將繼續加大協同創新力度，圍繞產業鏈，聚合創新資源，推進產學研深度合作與軍民融合發展，加快微納制造領域的高端裝備、先進材料、光電子器件的成果轉化和產業對接步伐。不忘初心，砥礪前行。