[发明专利]一种基于双光子聚合3D打印的微纳米结构加工方法

说明书

本发明公开了一种基于双光子聚合3D打印的微纳米结构加工方法，包括涂胶、双光子激光曝光、显影以及清洗步骤，在清洗步骤中：将显影后的微纳米结构置于低表面张力溶剂中，同时进行紫外光原位固化。本发明解决了镂空、易碎结构在显影、清洗过程中的坍塌问题，拓宽了双光子聚合3D打印的可加工范围；在相同激光功率参数下，保证打印结构质量的前提下大幅提高双光子聚合3D打印的速度，提高加工效率；在相同打印速度下，保证结构打印质量的前提下降低激光功率阈值，减少在打印过程中由于激光能量局域导致过热而产生的气泡，提高打印良率。

技术领域

本发明属于3D微纳加工领域，具体涉及一种基于双光子聚合3D打印的微纳米结构加工方法。

背景技术

双光子聚合3D打印是一种新型三维加工方法，其加工原理为非线性双光子吸收过程。相比于单光子吸收，光敏材料内部发生双光子吸收的区域被限制在光斑焦点处，加工精度可以达到亚微米量级，已经被广泛应用于各类学科及科研方向，如微流控、微纳力学、光镊、微纳光子学、传感、内窥镜等。

目前双光子聚合3D打印的一般过程包括涂胶(滴涂光刻胶)、双光子激光处理、显影剂显影和清洗等步骤。显影过程中采用的显影剂一般是表面张力较大的溶剂。清洗步骤采用的清洗剂一般采用表面张力较大的异丙醇等醇类溶剂。

双光子聚合3D打印在加工三维实心结构(如正方体、球体及其他不规则实心结构)时具有突出优势，其采用由点到面、由面到体的激光扫描方式，能很大程度上保证实心结构的内部刚度，从而避免结构在后处理过程(显影、清洗)中产生倾斜、变形甚至坍塌。

然而，当采用双光子聚合3D加工方法进行三维易碎结构的加工时，常常会碰到结构失效的问题。以螺旋结构为例，为达到很高的加工精度，激光通常沿螺旋线的走向轨迹进行扫描，绕过了点-面-体的完整加工路径，很大程度上影响了结构的刚度，使其在受到后处理过程的影响(显影液交换或挥发产生的表面张力的影响或/和清洗剂挥发产生的表面张力的影响)后失稳、坍塌。

在针对小尺寸三维结构加工时，需要采用较小的激光功率(密度)，然而采用较小激光功率处理后，三维结构整体机械强度则会较差。也就是说，采用现有的光子聚合3D加工方法进行加工时，存在着“小尺寸-机械结构弱-承受外力阈值低”这样的工艺缺陷。因此，现有双光子聚合3D打印进行小尺寸结构(大高宽比微柱等)加工时，会因液体表面张力的作用在显影、清洗时坍塌，难于保形。

总之，找到一种新的工艺优化路径，以拓宽双光子聚合3D打印在微纳领域的应用范围，使其能在微纳尺度稳定加工易失稳结构(如3D螺旋、薄壁空腔结构、大高宽比微柱等)，具有突出意义。

发明内容

本发明提供了一种基于双光子聚合3D打印的微纳米结构加工方法，该方法采用紫外固化和低表面张力清洗溶剂操作同时进行，在逐步增强微纳米结构强度的同时，降低了表面张力作用，能够实现微纳米结构，特别是易失稳结构的加工。

本发明提供了一种新型的双光子聚合3D加工后处理优化工艺路径，通过两方面的改进克服了高表面张力后处理溶液对易碎结构的破坏性，拓宽了双光子聚合3D打印对结构的选择性，使其能够被应用到更多的使用场景中以加工更多的功能器件。同时，作为一种通用的后处理优化过程，对其他加工技术的后处理工艺也具有参考意义。

为达到上述目的，本发明选用以下技术方案：

本发明提供了一种基于双光子聚合3D打印的微纳米结构加工方法，包括涂胶、双光子激光曝光、显影以及清洗步骤，在清洗步骤中：将显影后的微纳米结构置于低表面张力溶剂中，同时进行紫外光原位固化。

本发明提出了一种利用紫外光进行显影时原位二次曝光聚合的工艺优化过程，对于易碎结构，低功率激光下较短时间的曝光不能提供结构自身足够的聚合度以得到能够匹配显影液、清洗液表面张力的刚度。采用紫外光后原位后处理可以对光敏树脂进行二次光固化，提高材料的聚合度以提高结构的刚度。