一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法

本发明属于微纳制造与半导体加工，特别是涉及一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法。

背景技术：

1、随着微纳米技术和微机电系统技术的蓬勃发展，微纳米结构在光电子器件、基因测序和光学成像等领域的应用愈发引人关注。特别地，许多器件或系统要求在曲面或非平面表面上构建功能性结构，这些结构的精密度和复杂度需要在原子尺度上精确控制，以满足特定功能性要求。从光学元件到生物医学传感器，曲面上的原子级制造可以改变器件的光学、电学、力学等性质，为光电子学、生物医学和机械工程等多个领域带来创新。另外，曲面设计可以优化器件的性能，例如提高光学器件的透射率或反射率，并能够更好地利用有限的空间，特别是在微型器件和纳米器件中。因此，曲面上的原子尺度制造在当今科技发展中具有重要的意义。

2、然而，自由曲面上的加工是一项挑战性的任务。由于面结构的形状多样且复杂，使得在原子尺度上实现精准控制变得异常困难。同时，曲面的局部曲率、凹凸不平和三维形态增加了制造的挑战性。由于传统的平面微纳加工技术难以直接适用于曲面结构，同时也难以适应曲面上的原子尺度制造需求，针对自由曲面的加工需要特殊的工艺和技术，尤其是在制备大面积原子级层级结构模具与器件方面更为复杂。

3、基于现存的微纳制造技术，由单一的工艺得到对曲面的原子尺度结构的加工是基本不可能实现的，因此，探索新的制造方法迫在眉睫。阳极氧化是一种通过自组装形成多孔性纳米结构的加工方法，其纳米结构的形状与尺寸可以根据阳极氧化工艺灵活调控，孔径可以从几个纳米到微米尺度。对于原子尺度的制造方法，常见的技术利用原子层沉积(ald)和化学气相沉积(cvd)等方法，通过分子层面的精确控制逐层沉积材料。另外，随着技术的进步，光刻技术也不断发展，可以实现越来越小的特征尺寸。在近年来的先进制造工艺中，例如使用极紫外光(euv)先进光刻技术，已经能够达到接近甚至小于3纳米的结构尺寸制造。电铸技术具有对表面原子级的复制精度，能够用于制备具有微细结构和高精度的金属件或金属模具。通过组合这些精密微纳结构加工的方法，可以使自由曲面上大面积原子级层级结构的加工成为可能。

技术实现思路

1、本发明提供了一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，旨在突破目前的微纳制造尺度，以及提供一种曲面上的微纳加工方法，结合阳极氧化等方法得到原子级层级结构模具及器件结构。

2、本发明所提供的一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，顺序包括下述步骤：

3、(1)涂胶步骤；

4、通过超精密激光切割加工对铝进行精确切割，得到自由曲面铝基底，在铝基底上均匀涂覆层厚约几十纳米的光刻胶；

5、(2)光刻步骤；

6、将光刻胶烘干固化后利用紫外线/电子束曝光处理制备纳米尺度的图案，后烘显影定形后在铝片上得到具有纳米尺寸凹坑的光刻胶图案结构，结构尺寸具体取决于光刻工艺能力，约几纳米到几百纳米；

7、(3)镀膜步骤；

8、在凹型光刻胶图案结构表面用化学气相沉积/物理气相沉积方法沉积一层纳米厚度的金属导电膜，纳米层厚度具体取决于光刻后的结构尺寸，约一微米到数微米；

9、(4)电铸步骤；

10、对所述镀导电膜后的图案结构进行电铸，将光刻胶图案电沉积精准复制，得到具有纳米级特征尺寸，厚度为数百微米的凸型金属镍模具；

11、(5)金属模具脱模步骤；

12、利用氢氟酸/氢氧化钠对凸型金属镍模具与铝基底的结合体进行腐蚀，直到铝基底被完全去除，保留具有所需纳米级特征尺寸的凸型金属镍模具；

13、(6)纳米压印步骤；

14、对凸型金属镍模具进行分子涂层处理，确保纳米级特征结构在脱模过程中保持形状，再利用纳米压印技术，以凸型金属镍模具为模板，将凸型金属镍模具上的图案结构转移到铝薄片上；

15、(7)铝薄片脱模步骤；

16、将压印得到的铝薄片进行清洗，得到具有凹型纳米结构的铝片；

17、(8)阳极氧化步骤；

18、对具有凹型纳米结构的铝薄片进行阳极氧化工艺，得到具有尺寸不同的层级纳米阵列结构；

19、(9)原子层沉积步骤；

20、利用原子层沉积技术在所述层级纳米阵列结构表面沉积具有单原子层厚度可控的金属薄膜，将纳米阵列结构间隙尽可能弥合到原子及近原子尺度，得到自由曲面上原子级层级结构铝基模具；

21、(10)浇注步骤；

22、使用聚合物对原子级层级结构铝基模具进行浇注，将铝基模具上的原子级层级结构复制转移到聚合物材料上；

23、(11)聚合物薄膜脱模步骤；

24、待聚合物完全固化后，将聚合物和铝模具进行脱模和清洗，得到具有原子及近原子尺度的层级结构凸型聚合物薄膜器件。

25、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述光刻胶需要具有高分辨率和精确的厚度控制能力，同时铝基底需要在涂胶前进行清洁和处理，以确保胶层附着稳定。

26、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述导电膜可以是具有良好导电性能和一定附着能力的材料，以确保其持久性和稳定性，如铜、铬、金等。

27、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述的金属凸型模具上纳米结构的具体尺寸由光刻工艺水平决定。

28、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述纳米尺寸特征的凸型镍模具的厚度由电铸工艺条件精准控制。

29、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述纳米孔隙的具体尺寸由阳极氧化工艺条件决定，具体可以通过阳极氧化电解液、电压大小、温度等条件调节。

30、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述原子层沉积需要以原子层的精度进行控制沉积，提供所需的薄膜厚度以及一定的导电性，金属薄膜材料可以是铬、铜、铂等材料。

31、一种自由曲面上大面积原子级层级结构模具及器件的制造方法，其特征在于，所述聚合物选择具有较高硬度和稳定性的特定聚合物材料，以确保后续在压印过程中不会发生变形和损坏。

32、本发明的显著优势在于：

33、(1)通过结合先进的加工技术和纳米制造工艺，能够克服曲面形状的复杂性，实现对自由曲面的精确控制和加工。无论是对于弯曲、凹凸不平的曲面还是曲率变化大的结构，都能够实现精细的原子级别加工，拓展了原子级制造的适用范围。

34、(2)突破单一制造方法的尺度极限，且无需使用专业的原子制造设备。

35、(3)与传统的制造方法相比，该方法组合了常见的工艺，如光刻、镀膜、电铸、原子层沉积、阳极氧化等技术，并能够实现对自由曲面的精确加工。这样的工艺组合意味着制造成本较低，加工得到的原子级结构金属模具和聚合物器件可适用于大规模的批量生产，同时保持着高精度和复杂度。