Трехмерная (3D) микрофабрикация относится к производственным технологиям, которые включают наложение слоев материалов для создания трехмерной структуры в микроскопическом масштабе. [1] Эти структуры обычно имеют масштаб микрометров и популярны в микроэлектронике и микроэлектромеханических системах .
Подобно своему макроскопическому аналогу, микроструктуры могут быть получены с помощью методов быстрого прототипирования. Эти методы обычно включают в себя наложение слоев смолы, причем каждый слой намного тоньше, чем тот, который используется в обычных процессах, чтобы производить микроскопические компоненты с более высоким разрешением. Слои в таких процессах, как электрохимическое изготовление, могут быть тонкими от 5 до 10 мкм. [2] Создание микроскопических структур похоже на обычные методы аддитивного производства в том, что модель автоматизированного проектирования разрезается на соответствующее количество двумерных слоев для создания траектории инструмента. Затем эта траектория инструмента сопровождается механической системой для создания желаемой геометрии.
Популярным применением является стереолитография (SLA), которая включает использование УФ-излучения или лазерного луча на поверхности для создания слоя, который затем опускается в резервуар, чтобы на нем можно было сформировать новый слой. Другим часто используемым методом является моделирование методом послойного наплавления (FDM), при котором движущаяся головка создает слой путем расплавления материала модели (обычно полимера) и выдавливает расплавленный материал на поверхность. Другие методы, такие как селективное лазерное спекание (SLS), также используются в аддитивном производстве 3D-микроструктур. [1]
Лазерные методы являются наиболее распространенным подходом к производству микроструктур. Типичные методы включают использование лазеров для добавления или вычитания материала из объемного образца. Недавние применения лазеров включают использование ультракоротких импульсов лазеров, сфокусированных на небольшой площади, для создания рисунка, который наслаивается для создания структуры. Использование лазеров таким образом известно как прямая лазерная запись (DLW) или многофотонная литография . Микроскопические механические элементы, такие как микродвигатели, микронасосы и другие микрофлюидные устройства, могут быть изготовлены с использованием концепций прямой записи. В дополнение к аддитивным и субтрактивным процессам DLW позволяет изменять свойства материала. Механизмы, которые позволяют выполнять эти изменения, включают спекание, микростереолитографию и многофотонные процессы. Они используют импульсные фемтосекундные лазеры для подачи точной дозы, чтобы вызвать поглощение энергии, что приводит к возбужденному состоянию , которое может привести к отжигу и поверхностному структурированию материала. [3] Конкретные изменения, вызванные облучением, зависят от таких параметров, как энергия импульса, длительность импульса или частота повторения импульсов.
Микростереолитография — это распространенная технология, основанная на принципах стереолитографии. 3D-компоненты изготавливаются путем многократного наслаивания фотополимеризующейся смолы и отверждения под ультрафиолетовым лазером. Более ранние системы, использующие эту технологию, используют принцип сканирования, при котором сфокусированный световой луч фиксируется в одном месте, а этап трансляции перемещается для изготовления каждого слоя вектор за вектором. Более быстрая альтернатива предполагает использование принципа проекции, при котором изображение проецируется на поверхность смолы, так что облучение слоя выполняется только за один шаг. Результаты с высоким разрешением позволяют изготавливать сложные формы, которые в противном случае было бы трудно изготовить в таких малых масштабах. [1]
Многофотонная литография , например, двухфотонная полимеризация (2PP), может использоваться для 3D-печати структур с субмикрометровым разрешением. Процесс использует фокусную точку лазера для фотополимеризации смолы или стекла в определенной точке. Для достижения высоких фотонных токов в диапазоне 1031 фотонов с -1 см -2 используются фемтосекундные лазеры с шириной импульса 100 фс. [4] В 2PP два фотона встречаются в фокусной точке, удваивая энергию возбуждения лазера и отверждая воксель смолы 2PP, при этом оказывая минимальное воздействие на материал вокруг воксела/фокальной точки. Перемещая фокусную точку в трехмерном пространстве и затвердевая в разных точках, желаемая трехмерная геометрия может быть аддитивно изготовлена с размером элемента до 100-160 нм по состоянию на 2023 год. [5] Пределы изготовления 2PP зависят от используемого оборудования (сервопривод, зеркала и разрешение лазера) и выбранной линзы (лазерная фокусировка), а также материала (профиль поглощения УФ-излучения и реактивность). [3] В последнее время список печатных материалов 2PP активно расширяется и включает в себя твердые и гибкие полимеры, стекло, мягкие эластомеры, что позволяет производить микроизготовление различных МЭМС и мягких микроботиков. [6]
Аддитивные процессы включают в себя наложение слоев материалов по определенному шаблону. К ним относится лазерное химическое осаждение из паровой фазы (LCVD), которое использует органические прекурсоры для записи шаблонов на структуру или объемный материал. Это применение можно найти в области электроники, в частности, при ремонте транзисторных матриц для дисплеев. Другим аддитивным процессом является лазерно-индуцированный прямой перенос (LIFT), который использует импульсные лазеры, направленные на покрытую подложку, для переноса материала в направлении лазерного потока. [1] LIFT использовался для производства переносных термоэлектрических материалов, полимеров [7] и использовался для печати медных проводов. [8]
Сосредоточьтесь на 3D-микроструктурах сейчас, они были сосредоточены во многих микросистемах, таких как электронные, механические, микрооптические и аналитические системы. И когда эта технология развивалась, мы обнаружили, что традиционные и обычные технологии микрообработки, такие как поверхностная микрообработка, объемная микрообработка и процесс GIGA, недостаточны для изготовления или производства наклонных и изогнутых 3D-микроструктур. [9]
Базовая установка наклонного УФ-экспонирования имеет обычный источник УФ, контактный столик и наклонный столик. Плюс мы размещаем фотошаблон и покрытую фоторезистом подложку между верхней и нижней пластинами контактного столика, и фиксируем его, подталкивая нижнюю пластину вверх винтом. Затем мы можем экспонировать фоторезист наклонным УФ.
Пример процесса изготовления: SU-8 — это негативный толстый фоторезист, который используется в новом методе 3D-микроизготовления с наклонной/повернутой УФ-литографией. В ходе процесса мы наносим SU-8 50 на кремниевую пластину толщиной около 100 мкм. Затем резист мягко запекается на горячей плите с температурой 65 °C в течение 10 минут и на плите с температурой 95 °C в течение 30 минут. Он контактирует с фотошаблоном с помощью контактного столика. Этот столик прислоняется к наклонному столику, и резист подвергается воздействию УФ-излучения. Доза УФ-излучения с длиной волны 365 нм составляет 500 мДж/см2 . После экспонирования резист подвергается пост-экспонированию на горячей плите с температурой 65 °C в течение 3 минут и на плите с температурой 95 °C в течение 10 минут. В конце резист проявляют в SU-8 около 10-15 минут при комнатной температуре с легким перемешиванием, а затем промывают изопропиловым спиртом. Кроме этого, может быть много других процедур. Например, наклонная УФ-литография, наклонная и вращающаяся УФ-литография и литография с использованием отраженного УФ.
Когда след падающего УФ-излучения с прямым углом находится на прямой линии, то узоры фотошаблона переносятся на резист. Когда речь идет о процессах наклонного УФ-облучения, УФ-излучение преломляется и отражается, что позволяет изготавливать различные 3D-структуры. Микроструктуры, изготовленные с помощью технологии 3D-микропроизводства, могут быть напрямую связаны со многими микросистемами. Кроме того, их можно использовать в качестве форм для гальванопокрытия. В результате эти технологии могут применяться в различных областях, таких как фильтры, смесители, струи, микроканалы, световодные панели ЖК-мониторов и многое другое.
Проектирование сложной 3D-микроструктуры может быть весьма сложной задачей для разработки новых материалов для оптики, биотехнологии и микро/наноэлектроники. 3D-материалы могут быть изготовлены с использованием множества методов, таких как двухфотонная фотолитография, интерференционная литография и формование. Но 3D-структурирование с использованием этих методов очень сложно экспериментально. Это может ограничить их масштабирование и широкую применимость.
Природа предлагает множество идей для проектирования новых материалов с превосходными свойствами. Самосборка и самоорганизация, являющиеся основными принципами структурообразования в природе, привлекают значительный интерес как перспективные концепции для проектирования интеллектуальных материалов.
Гидрогели, реагирующие на стимулы, имитируют поведение набухания/сжатия растительных клеток и производят макроскопическое срабатывание в ответ на небольшое изменение условий окружающей среды. В основном, однородное расширение или сжатие во всех направлениях может привести к изменению условий. Кроме того, неоднородное расширение и сжатие могут привести к более сложному поведению, такому как изгиб, скручивание и складывание, и они могут происходить с разной величиной в разных направлениях. Использование этих явлений для проектирования структурированных материалов может быть весьма привлекательным, поскольку они позволяют простое, без шаблонов изготовление очень сложных повторяющихся 2D и 3D узоров. Однако их нельзя изготовить с использованием сложных методов изготовления, таких как двухфотонная и интерференционная фотолитография, как упоминалось ранее. Преимущество подхода самоскладывания заключается в возможности быстрого, обратимого и воспроизводимого изготовления 3D полых объектов с контролируемыми химическими свойствами и морфологией как внешней, так и внутренней части.
Одним из экспериментальных применений самоскладывающихся материалов являются макароны, которые при транспортировке остаются плоскими, но складываются в нужную форму при контакте с кипящей водой. [10]
Одним из факторов, ограничивающих широкое применение самоскладывающихся полимерных пленок, является стоимость производства. Фактически полимер может быть нанесен методом центрифугирования и погружения в условиях окружающей среды, изготовление полимерных самоскладывающихся пленок существенно дешевле, чем изготовление неорганических, которые производятся методом вакуумного осаждения. Другими словами, не существует метода, который является дешевым и крупномасштабным производством самоскладывающихся полимерных пленок, что существенно ограничивает их применение.
Чтобы решить эти проблемы, будущие исследования должны быть сосредоточены на более глубоком изучении складывания, чтобы позволить проектировать сложные 3D-структуры, используя только 2D-формы. С другой стороны, поиск пути, который является дешевым и быстрым производством большого количества самоскладывающихся пленок, может быть очень полезным. [11]