用于三维增材微制造的微砌筑技术

本实验方法的目的是展示一种基于转移印刷的微装配技术，称为三维增材微制造中的微砌筑（micro masonry）。该过程首先在供体基底上制备硅或金的微结构单元（称为“墨水”），使其悬置于经图案化光刻胶支撑体上；第二步是将弹性体微针头印章精确对准“墨水”，并在印章上施加预设力的预载荷，以形成粘附接触区域。

随后，印章迅速回缩以回收墨水。接下来，将印章及回收的墨水转移至接收基底，在目标区域上轻柔地印上墨水。在较小的预加载力作用下，印章再缓慢回缩，使墨水留在接收基底上。

最后一步是快速热剥离受体基底，以永久键合所印刷的油墨与基底。最终，重复该转印过程，直至完成所需的三维微结构。在此案例中，仅通过微尺度砌筑技术制造了一个微缩茶壶，以展示该技术的可行性。

与传统的整体式微加工技术相比，这种微砌筑技术的主要优势在于，它能够以一种极为简单的方式构建出异质的三维微结构，就像儿童玩乐高积木一样，而这一点若采用其他方法则很难实现。由于该方法包含并行的操作步骤，因此对其进行可视化演示至关重要。通过直观地观察该技术，可帮助观众在开始此操作前消除可能存在的任何疑惑。

设计三个用于在供体基底上制备油墨的掩模。如文本方案中所述，在器件层为三微米、埋氧层为一微米的SOI晶圆上，以3000 RPM转速旋涂光刻胶AZ 5 2 14，持续30秒。为获得1.5微米厚的光刻胶层，将晶圆置于110摄氏度的热板上加热一分钟，并使用掩模对准仪，通过掩模一进行曝光，随后使用MIF 3 2 7显影液显影，并利用反应性IN刻蚀仪器完成图形化。

对SOI晶圆的器件层进行刻蚀，并去除光刻胶掩膜。此步骤完成后，刻蚀区域将暴露出埋氧层。接下来，在正面旋涂光刻胶，并使用掩膜二进行图形化。

然后将晶圆置于热板上，在 125 摄氏度下加热 90 秒。将晶圆浸入 49% 的氢氟酸中 50 秒，以刻蚀暴露的 BOX 氧化层。完全干燥后，去除掩膜光刻胶，再次旋涂并使用掩膜三进行图形化。然后将晶圆置于热板上，在 125 摄氏度下加热。

90秒后，将晶圆浸入49%的氢氟酸中50分钟。此步骤会刻蚀掉图案化器件层硅下方残留的埋氧层，从而形成悬空的硅结构。光刻胶上的独立单元。

下一步是制作微尖印章的模具，并按照文本方案中的描述复制一个微尖印章。开始打印过程时，将供体基底放置在配备显微镜的电动旋转及XY平移台上，然后将微尖印章固定在独立的垂直平移台上。

将供体基底和微尖印章装入后，在显微镜下操作电动平移台。利用平移和旋转平台，将微尖印章与供体基底上的硅油墨对齐。随后，将微尖印章下压，使其接触。

初始接触后，缓慢进一步降低微尖印章，使微小尖端完全塌陷，整个表面与供体基底上的硅油墨充分接触。接着，快速提升Z轴平台，由于微芯片印章与硅油墨之间具有较大的接触面积，锚定点将被破坏。为从供体基底上拾取硅油墨并将其附着于微尖印章上，将接收基底置于XY平移平台上，将拾取的硅油墨对准至微尖印章下方的目标位置，并驱动Z轴平台，直至拾取的硅油墨刚好与接收基底接触。

接触后，缓慢提升Z轴平台，以释放硅墨水，将其打印在目标位置。接下来的程序是快速热处理，将跪式炉在90秒内从室温升至950摄氏度，保持950摄氏度10分钟，然后冷却至室温。

将打印好的接收基底置于空气环境中，在950摄氏度下煅烧10分钟，以实现硅与硅的键合。为展示其能力，完全通过微砌筑技术制备了一个微型茶壶。该光学显微图像显示了在供体基底上制备的硅墨水。

设计的油墨是由单晶硅制成、具有不同尺寸的圆盘，这些圆盘是微型茶壶的基本构建单元。一旦供体基底独立制备完成，便利用微尖印章将圆盘逐层转移印刷到接收基底和屈膝层上。从每个组装好的圆盘可以看出，微型茶壶的内部区域是中空的。

微砌块工艺的精细性还通过转移印刷和跪压进行测试，一种相当精致的光子晶体片状表面通过纳米压印光刻技术进行图案化，并制备成可转移的油墨，置于供体基底上。一旦油墨完全制备完成，光子晶体片即被转移至四个厚度为50微米的硅环上，形成如图所示的桌状结构。以下是采用微砌块技术组装超薄金膜的实例。

这幅光学显微图像展示了在供体基底上制备的400纳米厚金薄膜。这些油墨经过进一步处理和测试，用于在金表面以及硅表面上进行转移印刷。观看本视频后，您应能充分理解如何使用微砌块技术组装微结构，并能够将该技术应用于构建更具吸引力的三维微器件结构。

一旦掌握，该技术由于具有并行处理特性，相较于其他顺序式微加工工艺，可显著缩短整体制造时间。我们感谢 New Mattered 和 Ferreira 教授在自动转印打印工艺方面提供的帮助，以及 Mickey Dki 在伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校 MNMS 洁净室中的协助。