一种无模板激光纳米原位图形化方法及设备
技术领域
本发明属于微电子、微纳加工领域，特别涉及一种无模板激光纳米原位图形化方法及设备，用于纳米材料的印刷及图形化。
背景技术
柔性电子、柔性传感器、LED图形化、太阳能电池板、高清平板显示、抗反射和自清洁玻璃、晶圆级微纳光学器件等产品都需要在衬底基材或者基板上印刷制备纳米结构,因而催生了较为广阔的市场需求。
目前纳米材料图形化制备方法以丝网印刷技术、纳米压印技术、光刻技术及其衍生技术为主。例如，中国专利CN108263106B公开的一种纳米材料的图形化方法，用丝网板覆盖于滤膜上，通过丝网印刷聚合物浆料，在滤膜表面形成图形化的聚合物浆料层，而后在聚合物浆料层的图形化区域沉积纳米材料，形成纳米材料结构，最后纳米材料结构转印至衬底。由于丝网印刷技术的局限性，该方法对复杂结构和高精度印刷仍然存在很大的技术困难。
中国专利CN105159029A公开一种结合平板纳米压印和滚轮纳米压印的微纳图形化方法和装置，经预处理、压印和固化、脱模和后处理等环节实现大面积大尺寸刚性衬底的微纳米图形化，该设备采用软模具配合滚轮压印、脱模工艺，制备流程复杂，增加了由中间制作环节产生图形形变和错位的风险。
中国专利CN106115681A公开一种实现二维材料图形化的方法，将一维或者二维位相光栅置于样品上，通过激光照射光栅，由相干现象形成激光能量的空间分布，实现图形化结构。该方法的技术难点在于高品质光栅掩膜制造，对制备设备和技术人员要求较高，而且一套模具只适用于特定图形结构制备，制备成本高。
上述几类传统图形化技术的一个共同的技术瓶颈是，都需要结合掩膜或者模具辅助。随着器件不断小型化和高度集成化发展趋势，器件特征尺寸持续缩小，所需掩膜的制备技术难度和成本持续上升，无掩膜技术广受关注，同时，高精度纳米印刷和图形化技术亟待提升和改进。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种无模板纳米材料原位图形化方法和设备。能够一次实现激光原位图形化，满足当前高效率、低成本、高精度等市场需求。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种激光纳米原位图形化方法，包括如下步骤：
步骤S1:建立激光作用、丝网刮膜、衬底趋近和激光对准系统参数，系统参数包括:激光光斑大小、激光功率、激光扫描速度、刮涂角度、丝网与衬底之间的距离；步骤S2，丝网刮膜：采用刮涂法在丝网板上形成高质量均匀纳米溶液薄膜；步骤S3，衬底趋近：精确调节衬底工作台高度，控制丝网板和衬底材料间距；步骤S4，激光定位、生成印刷图形路线：在衬底所需图形化位置处，按照计算机设定的图形路径生成激光作用路线；步骤S5，成图、固化：计算机控制激光在X-Y平面以设定路线行进并进行作用，激光作用丝网的地方,附着在丝网上的纳米材料被转移到衬底上,经衬底工作台加热固化完成图形化过程
步骤S3所述控制丝网板和衬底材料间距为0.05—0.2mm。
步骤S4所述生成激光作用路线通过功率调节器调节激光功率、光斑大小聚焦于丝网薄膜。
本发明的另一个目的是提供一种激光纳米原位图形化方法的设备，包括：计算机、激光作用机构、丝网刮膜机构、衬底趋近机构和激光对准机构。所述计算机分别与激光作用机构、丝网刮膜机构、衬底趋近机构、激光对准机构相连接；所述激光作用机构包括激光器、激光调节组件和X-Y平面激光移动组件，所述激光器通过激光调节组件、X-Y平面激光移动组件与计算机相连，所述计算机控制激光器的激光功率、光斑大小、自动聚焦调节并实现对丝网刮膜机构在X-Y平面扫描移动。
所述X-Y平面激光器移动组件包括X向精密丝杆、Y向精密丝杆、X向高精度步进电机、Y向高精度步进电机，X向精密丝杆设置有X向高精度步进电机，Y向精密丝杆设置有Y向高精度步进电机，X向精密丝杆和Y向精密丝杆交叉相连，激光器设置于X向精密丝杆上。
所述丝网刮膜机构包括丝网板、刮墨刀、回墨刀、步进电机G和步进电机H，所述丝网板与刮/回墨刀成30-90度角设置，所述刮墨刀和回墨刀分别设有步进电机G和步进电机H,所述步进电机G和步进电机H均通过计算机分别控制刮墨刀和回墨刀在丝网板上往复刮涂印刷材料。
所述刮墨刀和回墨刀均为双面刮刀，由刮板框、滑轨、上刮刀、下刮刀，刮板框为长方形边框，两侧边设置滑轨，刮板框内上下设置两个刮刀，刀面相对，且上刮刀和下刮刀的间距可沿滑轨滑动调节,丝网板从刮墨刀/回墨刀的上刮刀和下刮刀间穿过。
所述丝网板与刮/回墨刀成30-90度角设置。
所述激光对准机构包括有低倍率CCD摄像机、高倍率CCD摄像机，所述低倍率CCD摄像机、高倍率CCD摄像机分别设置于丝网板附近且与计算机连接，所述低倍率CCD摄像机大视场内识别、初步定位，所述高倍率CCD摄像机进行图像局部形貌精显示，对衬底和丝网板的间距进行精确测量。
所述衬底趋近机构包括衬底工作台、电动升降平台、升降平台控制器、温控器、真空管路和抽真空泵，所述衬底工作台表面有若干吸附孔，通过真空管路与抽真空泵连接，吸附固定衬底；所述衬底工作台设置于电动升降平台上，电动升降平台通过升降平台控制器与计算机相连接，由激光对准机构精准测距，升降平台控制器对衬底工作台高度进行精准调控；所述衬底工作台通过温控器和计算机连接，实现衬底图形固化加热的温度控制。
本发明的有益效果是：提供了一种无模板、无接触、一次实现激光原位图形化的设备和方法，设备工艺流程简单，易于操作，所适用材料和衬底范围广；与传统掩膜技术相比，免除掩膜或者模具制备过程，消除了因掩膜工艺带来的随机误差,有效提升了加工精度；无需掩膜或者模具、直接原位图形化，大大降低工艺成本，压缩产品周期，在新品的快速开发、多品种小批量产品制备以及满足各种非标准器件需求方面具有明显优势，应用前景广阔。
附图说明
图1为本发明无模板激光纳米原位图形化设备结构示意图；
图2为本发明刮墨刀/回墨刀结构示意图；
图3为本发明无模板激光纳米原位图形化制备方法流程图；
图4为本发明实施案例无模板激光纳米原位图形化制备过程俯视示意图；
图5为本发明实施案例无模板激光纳米原位图形化制备过程侧视示意图。
图中：
1、计算机 2、激光器
3、激光调节组件 4、X向精密丝杆
5、Y向精密丝杆6、X向精度步进电机
7、Y向高精度步进电机8、丝网板
9、刮墨刀 10、回墨刀
11、步进电G 12、步进电H
13、低倍CCD摄像机 14、高倍率CCD摄像机
15、衬底16、衬底工作台
17、电动升降平台18、升降平台控制器
19、温控组件20、吸附孔
21、真空管路22、抽真空泵
901、刮板框 902、滑轨
903、上刮刀 904、下刮刀
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明：
如图1所示，本发明的无模板激光纳米原位图形化设备，包括：激光作用机构、丝网刮膜机构、衬底趋近机构、激光对准机构四个主要模块，所述衬底趋近机构设置在激光作用机构的下面、衬底趋近机构的上面，所述的激光作用机构，包括计算机1、激光器2、激光调节组件3和X-Y平面激光移动组件，激光器2通过激光调节组件3、X-Y平面激光移动组件与计算机1相连，计算机控制调节激光功率、光斑大小、自动聚焦，并实现激光器2在X-Y平面扫描移动。所述X-Y平面激光器移动组件包括X向精密丝杆4、Y向精密丝杆5、X向高精度步进电机6、Y向高精度步进电机7，X向精密丝杆4设置有X向高精度步进电机6，Y向精密丝杆5设置有Y向高精度步进电机7，X向精密丝杆4和Y向精密丝杆5交叉相连，激光器2设置于X向精密丝杆上4。
所述丝网刮膜机构包括丝网板8、刮墨刀9、回墨刀10、步进电机G11和步进电机H12。丝网板8与刮墨刀9和回墨刀10相互垂直设置，所述刮墨刀9、回墨刀10均设置连接有步进电机，步进电机再连接至计算机1控制刮墨刀9、回墨刀10在丝网板上往复移动刮涂印刷材料。
所述激光对准机构包括有低倍率CCD摄像机13、高倍率CCD摄像机14。两部摄像机相对设置于丝网板8附近两处，且与计算机1连接，通过低倍率摄像机13大视场内识别、初步定位，再用高倍率摄像机14对已写图形形貌进行局部高精度显示，对衬底15和丝网板8的间距进行定位测量。
所述衬底趋近机构包括衬底工作台16、电动升降平台17、精密升降控制器18、温控组件19、真空管路21及抽真空泵22。所述衬底工作台16表面有若干吸附孔20，通过真空管路21与抽真空泵22连接，吸附固定衬底15。衬底工作台16设置于电动升降平台17上，电动升降平台17通过升降平台控制器18与计算机1相连接，由激光对准机构精准测距，升降平台控制器18对衬底工作台16高度进行精准调控。衬底工作台16通过温控组件19和计算机1连接，实现衬底图形固化加热的温度控制，所述温控组件19包括加热器件和测温传感器，加热器件设置在衬底工作台16的下面。
图2为本发明刮墨刀或回墨刀结构示意图，所述刮墨刀9和回墨刀10均为双面刮刀，由刮板框901、滑轨902、上刮刀903、下刮刀904构成。刮板框901为长方形边框，两侧边设置滑轨902，刮板框901内上下设置两刮刀，刀面相对，且上刮刀903和下刮刀904的间距可沿滑轨902滑动调节。丝网板8从刮墨刀或回墨刀的上刮刀903和下刮刀903间穿过。
图3为本发明激光纳米原位图形化制备方法流程图，包括建立系统参数，丝网刮膜，衬底趋近，激光定位、生成印刷图形路线，成图、固化五个主要步骤。
本实施案例以氧化锌纳米溶液作为印刷材料，在二氧化硅衬底上印刷“2020”字样。所选脉冲能量:8.3mJ-166mJ的脉冲激光器，选用300目的丝网板，激光器在X-Y平面内移动范围为200mm×200mm。
图4和图5为本发明实施案例图形化制备过程俯视图和侧视图，具体过程包括：准备好氧化锌纳米溶液，二氧化硅衬底放置于衬底工作台16上，S 1:开启计算机操作系统，如windows系统选择AUTOCAD画图并执行,建立激光作用、丝网刮膜、衬底趋近和激光对准的系统参数：刮涂角度60度、网版与衬底之间的距离0.1mm、调焦激光光斑大小10微米、激光功率设定为30mW，扫描速度为1cm/s。S2:取氧化锌纳米溶液滴向丝网版8，丝网刮膜机构同时通过系统控制采用刮涂法在丝网板8上形成均匀的氧化锌纳米溶液薄膜。S3:激光定位机构测距，计算机控制升降平台控制器18实现电动升降平台17位置调整，最终丝网板8和放置于衬底工作台16上的二氧化硅衬底间距调节为0.1mm左右。S4:控制系统将激光束定位在衬底15需图形化位置处、按计算机设定的图形“2020”生成激光作用路线；S5:计算机1控制激光在X-Y平面以设定的“2020”路线扫描作用，激光作用下丝网板上的氧化锌溶液以丝网网格为单元局部点式转移至正下方的二氧化硅衬底，形成氧化锌“2020”图形。衬底工作台16加热、固化完成图形结构制备。
本发明结合丝网印刷技术、高精度激光技术和计算机控制和数据处理技术，整个制备过程无模板、无接触，一次实现激光原位图形化，满足当前高效率、低成本、高精度等市场需求，应用前景广阔。需要说明的是上述实施例仅用于对本发明具体实施方式的描述说明，但本发明适用范围并非仅限于上述实施例，另外，其它任何在本发明技术方案基础上做出的任何改进或变形仍在本发明的保护范围内。
