毕业论文范文——基于柔性衬底的转移印刷技术及其应用

毕业论文基于柔性衬底的转移印刷技术及其应用摘要：在微纳米制造技术的飞速发展的背景下，传统的微纳加工技术渐渐不再能满足微纳电子器件制造的需要。本文综述一种基于柔性衬底的微纳图形复制技术，对其原理、特点、工艺流程的讨论和分析，最后讨论了该技术在其他领域的应用和发展前景。关键字：转移印刷技术；PDMS；柔性衬底1. 引言如今，随着晶体管的尺寸不断缩小，集成电路的集成度不断提高，特征尺寸已到了几个纳米的尺度，纳米技术的发展不仅带来了器件物理上的难题，同时掀起了器件制造工艺上的新技术浪潮。对于微纳加工技术来说，光刻是最关键的技术，但是发展至今光刻技术依然存在成本昂贵、加工工艺条件苛刻、工艺复杂等缺点，导致微纳加工的低产高耗，尺寸缩小后的器件带来的优越性或许都无法平衡整套光刻设备更新换代的成本。所以当集成电路中特征尺寸越来越小，微纳结构越来越多样化，甚至制作材料本身的属性也对光刻工艺提出了更多不同的要求时，传统的半导体制造工艺就难以完全满足市场的需求。 近些年来，柔性电子器件的发展势头迅猛，微纳米制造技术也开始发展向非半导体领域，尤其是在基于柔性衬底的加工。柔性衬底结构以其质量轻、耐用性好、可弯曲、制造工艺简单、低成本批量生产等优点，被广泛应用到各个领域。通过结合柔性衬底和传统的印刷技术，一种利用转印印刷技术应运而生，同时随着卷对卷工艺的流行，转印技术迎来一次产业化的热潮。2. 转移印刷技术的原理及特点转移印刷的原理是将原始基片上已经存在的图形或者物体通过柔性材料转移到目标基片上，如图1所示。这种转移的机理就是根据不同的表面与被转移图形材料之间的界面能差异，可以将图形从模板上完整或部分的转移到基底上，通过这种方法能够制作出更加复杂更加完整的图形。图1 转移印刷技术图解与传统的光刻和纳米压印相比，转印技术具有无溶液参与和无残胶处理过程等优点，同时转印技术采用柔韧性较好的PDMS和PUA等材料作为模板材料，可以很好地与卷对卷印刷技术进行整合从而实现大面积连续加工微纳图形。而且这种技术并不需要多么昂贵的实验设备，制作成本低廉，设备简单并且操作灵活，所以在研究领域具有很大优势。3. 转移印刷技术的工艺流程转印主要分为两个部分，其关键步骤为：第一步，采用传统微结构加工技术，如光刻技术等制备母版，而后经制模铸得到聚合物印章或模具；第二步，将聚合物印章或模具作为图形转移的媒介，将模具或印章上的图形结构转移到在衬底材料上，而后进过刻蚀工艺等在衬底材料基体上得到所需的图形结构。图2 转印印刷的工艺流程图转印技术最关键的部分在于保证图形的精度，图形的尺寸完全取决于模板的尺寸，在拥有满足要求的光滑凹面模板的情况下，必须保证填充100%和转移图形100%。3.1. 浇铸浇铸，或者叫涂胶，比较常采用的是旋涂的方法，也可以直接倒在模板表面使其自然浸润填充。填充是影响获得高精度微结构与否的关键因素之一，我们必须保证填充的完整性，因此填充的状态至关重要。液体在微结构表面的时候，受道德离主要是自身的体积力和毛细血管力。接触角很小的时候，液体沿着凹槽的侧壁流入并最终完全填充整个凹槽，可视为完全填充，如图3（a）所示。随着接触角的增大，如图3（b）所示，聚合物流体未能完全填满凹槽。如图3（c）所示，接触角继续增大，明显发现有空气残留在凹槽内。当状态发展到极端，变成超疏水性时，聚合物完全不填充凹槽的极端情况，如图3（d）所示。图3 接触不同造成的不同填充情况由此可见，当图形尺寸不变的情况下，接触角必须满足一定要求才能获得100%的填充；而且当微结构的高宽比变化时，结果也不同，主要表现为：随着高宽比逐渐增大，完全填充的情况会逐渐向不完全填充变化。为了解决不完全填充问题可以尽量减小接触角度、通过表面处理改变接触面属性或者改变墨水本身属性包括表面张力、粘度等。3.2. 压膜与脱模在涂胶结束后，通过刮胶的方式把残余的聚合物除去，如图2（c）所示，再把已成型的图形完整的转移到所需要的基底的过程就是压模。在压模过程中，填充满墨水的模块在除掉残余胶后被放到基底上，如果所用模板或者基底有一方是柔性的，在不增加外力或者外力很小的情况下，墨水与基底能有很好的接触，脱模之后，图形完整的转移到基底上。由于柔性模板材料的多样性，可以是柔性的塑料或粘粘性的材料比如PDMS、硅胶等，而面向应用的基底材料往往是确定的，如电极的多晶硅等，在选择模板的时候需要考虑很多因素，比如力、温度等等。4. 转印技术的扩展应用4.1. 纳米生物芯片中的应用生物芯片早已不在是一个神秘的领域，在片基表面按特定形状排布蛋白质分子是制造免疫诊断芯片、核酸芯片以及细胞传感器等生物芯片的关键技术之一。PDMS也成为了目前作为弹性印章的最常用材料，它除了具有良好弹性，能与硬质片基完全接触外，还能使印刷在片基上的蛋白质分子能保持良好的活性。为了得到高质量且低价耐用的高分辨率PDMS印章，根据调研文献，大多数采用浇铸工艺，利用DRIE刻蚀硅或者使用SU-8光刻胶制造一级模具，通过PDMS制备弹性印章。但是SU-8本身质地脆弱，与硅片的结合力较差，多次脱模后会发生SU-8结构的断裂、脱落。有的研究团队将PDMS进行硅烷化处理来促进PDMS之间的脱模，也有将PDMS进行化学处理来帮助脱模，但是残留的化学试剂会降低芯片检测的灵敏度。还有的研究是在模具表面溅射Cr-Cu，直接二次浇铸PDMS制备弹性印章，溅射后的模具能够反复脱模并且图形复制质量好。图4 SU-8模具、溅射Cr-Cu的PDMS二级模具4.2. 低温变相转印技术柔性电子目前已成为极为重要的科学前沿，其中，集导电性与流动性于一体的液态金属材料在这一领域的地位日趋凸显。然而，由于液态金属表面张力通常较高，其对常见的生物相容性柔性基底如PDMS等的润湿性较弱，因而采用传统的直写、打印以及掩模喷印、涂抹等方式尚难实现精细、复杂且附着稳定的电路，所以印刷的方式又成为了新的方向。2015年10月就有研究团队研发出了低温相变转印的液态金属柔性功能电路快速制造方法，可以说是基于PDMS的一种转印技术。制造工艺流程（如图5所示）:1) 利用液态金属打印机在PVC膜表面打印出液态金属电路；2) 在此电路上进一步覆盖PDMS溶液并加以固化，如需要，在PDMS尚处液态时，可在其上浸没入任意形状的待贴附目标物体；3) 对整个对象加以降温，以使液态金属转为固体，由此即可轻易地将最初的液态金属电路完整快捷地转印到PDMS柔性基底上。 图5 低温变相转印工艺流程 这一过程中，当PDMS固化后，揭下PVC膜及目标物体后，即形成内嵌有液态金属柔性电路的PDMS器件，此时在相应管脚贴上相应IC元件并加以编程调试，即制成功能电子器件（如图6所示）。由于PDMS基底形状可完全与使用对象贴合，由此即达到电子器件的高度适形化制造。该技术在医疗健康、家居、环境等应用场合的传感监测方面有重要意义，相应器件易于贴合到诸如膝盖、脚腕、手掌、面颊、头部、耳廓以及更多复杂形状表面执行特定功能。还可以实现了几类完整的可编程柔性电路（如图7所示），并证实其在弯曲、扭转、拉伸等往复形变下均能保持高性能和可靠性。图6 以PDMS为衬底的转印电路图7 柔性可编程腕带及采用手机操控的微型无线红外测温仪5. 转移印刷技术面临的问题1) 在转印过程中,为了保证转印材料和基底的充分贴合避免空气残留在转印材料和基底界面内,需要在转印的同时加压加热处理。较高的压力可以使PDMS模板微量变形以与玻璃基底紧密接触,排出空气,并能部分弥补玻璃表面凹陷不平或灰尘污染等缺陷,但过大的压力使模板形变过大,以致转印图形严重变形,降低了转印技术的精确度。2) PDMS材料具有良好的透气性，在转印加热的过程中环戊酮会挥发,通过PDMS模板扩散到外界空气中造成转印结构的收缩，当溶液中的环戊酮含量较多时,造成的SU-8胶结构的收缩也越大,从而在转印结束后产生了转印结构的严重失真。3) 在微纳制造中通常用到的离子溅射在热膨胀系数或弹性模量相差巨大的弹性体聚合物表面上会自发形成复杂而有序的褶皱图案。褶皱图案的出现使得金属薄膜表面不再平整,与等弹性体中介之间的紧密接触难以实现。为了实现两者之间的紧密接触,需要施加外力促使其相互接触,这样就就会发生基体变形,最终导致金属薄膜发生断裂。6. 总结随着电子器件时代的进程不断向纳米尺度以及柔性方向推进，光刻技术已不能满足某些器件制备的要求，面对柔性衬底以及其他非半导体材料时，转移印刷技术体现了它的优势，转印技术又以其设备简单，工艺流程简洁的特点进入了多个研究领域。但是转移印刷技术尚有许多亟待解决的问题，各方面的技术还有待开发，但其多向优点将会使其克服这些问题，并在未来微纳米加工技术占据一席之地。参考文献:1赵小力. 基于PDMS的自组装及转移印刷制备微结构的研究D.哈尔滨工业大学,2007.2李鑫,王时飞,李钊,王旭迪. 基于PDMS微结构模板转印技术的研究J. 真空科学与技术学报,2013,06:619-625.3葛良进. 基于柔性衬底的微纳结构图形复制技术及其应用D.中国科学技术大学,2012.4夏骏,陈翔,高峰,彭志海. 新型PDMS弹性印章的制备方法及其在纳米生物芯片中的应用J. 中国现代医学杂志,2010,05:659-662.5Qian Wang,Yang Yu,Jun Yang,Jing Liu. Flexible Electronics: Fast Fabrication of Flexible Functional Circuits Based on Liquid Metal DualTrans Printing (Adv. Mater.