精密涂布技术的发展及其应用状况分析

精密涂布技术的发展及其应用状况分析

上海纳尔实业股份有限公司，上海200000

摘要：精密涂布技术是指能够实现薄膜、线条等微米或纳米级结构高精度、高质量涂布的技术,主要包括微转印、喷墨打印、纳米压印等。文章首先概述了各种精密涂布技术的工作原理、特点;然后重点分析了其中的微转印技术和喷墨打印技术的发展历程、目前应用状况及存在的问题;最后,在总结两种典型精密涂布技术发展现状的基础上,展望了精密涂布技术的未来发展方向和应用前景。

关键词：精密涂布技术;微转印;喷墨打印;发展历程;应用状况

引言：随着微纳米技术和精密制造技术的迅猛发展,精密涂布技术得到了长足的进步。精密涂布技术是能够实现微米或纳米级结构高精度、高质量涂布的技术,通过控制涂布材料的位置、厚度、宽度等关键参数,可在基板上构建出各类精密微米或纳米图案,广泛应用于微电子器件、光电器件、传感器、生物芯片等领域。

一、概述各种精密涂布技术的工作原理

精密涂布技术是利用各种精密设备与方法,将材料涂布到基板表面,构建出微米或纳米级的精密图案结构的技术。常见的精密涂布技术包括微转印技术、喷墨打印技术、纳米压印技术等。这些技术可以根据实际需求选择使用,各有其独特的工作原理。微转印技术是利用预先制作好的模具,将油墨或聚合物溶液转印到基板上的技术。转印过程通常需要加热和加压两个步骤,先使油墨软化或溶解,然后通过压力作用完全充填模具的图案结构,冷却固化后脱模,在基板上复制出与模具相符的微米或纳米级图案。喷墨打印技术是利用细小的打印头喷射墨滴的方式“绘制”出图案,属于无模板直接喷涂的技术。打印头通过热或压电效应促使墨水弹出,并利用精密的机械系统控制打印头移动,在基板表面构建设计好的图案。打印分辨率可以达到几微米。纳米压印技术的原理与热压印相似,也是利用模具向基板上转移油墨。不同的是,纳米压印采用了压电陶瓷作为驱动器,模具和基板之间的压力控制在几百牛顿以下,从而实现了纳米级的高精度图案转印[1]。

二、微转印技术发展历程与应用状况

微转印技术自20世纪90年代中期首次提出以来,经历了从概念实验到应用推广的发展历程。1993年,美国普林斯顿大学的Chou教授首次实现了纳米线宽的光刻转印,构想并实验验证了微转印技术的基本概念,开启了微转印技术发展的历史[2]。经过近20年的研发与进步,微转印技术在制备纳米线宽、大面积均匀图案转印等方面取得重大突破,实现了从实验室到商业化生产的转变。目前,微转印技术已在FlatPanelDisplays(平板显示)、光刻胶制备、生物检测芯片、纳电子学器件等领域得到广泛应用。这些应用所构建的功能微米、纳米结构起到了缩小区域、引导光线、隔离电极等作用,大幅提高了器件性能。以平板显示屏为例,色彩过滤薄膜、偏振器和布线电极图案等都利用了微转印技术,显著降低了生产成本和能耗。尽管微转印技术取得长足发展,但模具的制作成本高、使用寿命短以及转印可靠性和可重复性有待进一步提高等问题仍然制约着其大规模商业化应用。相关研究人员正在开发廉价且高精度的模具制作与修复技术,以及更好的转印平台与涂布材料,以完善微转印技术在工业生产中的应用。

三、喷墨打印技术发展历程与应用状况

喷墨打印技术起源于20世纪50年代,经历了一个逐步完善的发展过程。具有划时代意义的喷墨记录技术于1951年由美国斯坦福研究所的科学家首次提出。20世纪80年代,佳能和惠普等公司实现了利用热式墨盒的商业化喷墨打印机。进入21世纪后,压电喷墨打印技术的研发使打印分辨率大幅提高到了微米量级。现如今,喷墨打印已经成为目前应用最为广泛的精密数字喷涂技术之一。喷墨技术目前广泛用于平板显示器过滤色层沉积、电路板绘制、生物芯片微阵列点涂布、图形和标签打印等领域。未来可实现直接在非平坦甚至柔性基板上进行多材料、多层次的涂布,大大降低精密微图案制作的成本和复杂度[3]。此外,喷墨打印技术高速、无模板的特点,使其在需快速更换设计的小批量生产中也展现出巨大价值。尽管喷墨技术取得长足发展,但打印分辨率与图形边缘质量有待提高,喷嘴堵塞问题也时有发生。未来的研究重点将集中在开发高分辨率的压电式或电静喷嘴,实现更精细,更均匀的图案喷涂。

四、两种精密涂布技术对比分析

（一）分辨率和最小特征大小

微转印技术能实现纳米量级结构高分辨率转移的关键在于其压印过程使用的预制模具，这种模具通过各类纳米制造技术提前制作而成,表面结构可精确复制至纳米级线宽和间距[4]。举例来说,基于电子束直接写技术就可在模具表面制备出小于10nm的图案。在后续的微转印过程中,这些纳米结构可完整地转移到荧光粉、光刻胶等转印材料上,并进一步通过后处理固化转变为功能微纳米器件,比如高密度集成电路而喷墨打印技术目前主流的压电和热式打印头都存在体积大小难以迈入纳米级的限制,很难形成细小到亚微米量级的墨滴。此外,在喷射和着陆过程中也存在一定的不稳定性,这会导致打印分辨率下降。不过,科研工作者们正在开发一些更先进的微喷嘴系统,例如基于MEMS的电极噴头,利用高电场力驱动实现更精确的微量喷射。这类喷头与高精度移动平台配合,分辨率可望提高一个数量级,使喷墨打印朝纳米级分辨率迈进。

（二）单次成品效率

微转印技术可在几秒钟内快速完成整个印版面积上的压印转移,属于并行的整片式转移过程,因此单次成品效率非常高。模具和基板之间可实现面与面的完全接触,油墨、光刻胶等转移材料在转印平台施加的压力下可扩展到基板表面上每个角落,迅速复制出完整的微纳米结构。这样在单位时间内可产出的成品数量是很高的。而喷墨打印以序列化的方式逐点、逐线地移动打印头向基板喷射墨滴,需要逐步“绘制”出所需的图案,因此成品产量和效率相对较低。举例来说,使用标准分辨率喷头打印一个6英寸硅片上的精密结构层,需要10多分钟。微转印仅需几秒钟便可在同样大小的晶圆上产出相同的图案。尤其是在生产量大、精度要求高的领域,这种效率差异更加明显。但是,喷墨技术无需制作物理模具就可直接根据数字模型打印,在设计变更频繁或小批量生产的场景下,整体流程的快速灵活性更胜一筹。

（三）成本比较

从投资成本来看,微转印设备和模具的制作成本较高,这导致了较大的前期设备投入。真空系统、精密压力控制平台和加热系统使得微转印设备的结构复杂,制作工艺要求也很严格,设备成本通常在数十万美元。此外,各类微纳米级模具的制作更是费时费力,从设计到光刻、显影、电镀层沉积等过程需要使用到电子束描绘、反应离子蚀刻等高端技术,原材料和能源消耗巨大,制作一个4英寸精密模具的成本可达10万美元以上。而喷墨打印系统由打印头、供墨系统、传输平台三个主要部分构成,结构和制作过程都相对简单,设备投资成本只有微转印系统的几分之一。市售工业级喷墨打印机一台的价格通常在十万元人民币左右。在实际生产中,微转印技术的印版可以反复使用,日常操作主要是质量检测和维护保养,模具使用寿命通常可达数千片,算下来单片成本不高。但任何微小的损伤都会影响产品质量,需要及时修复或更换模具,这带来了很大的测试和维护成本。喷墨打印机没有这些额外成本,但打印材料上的损耗很大,尤其是设计变更频繁时,耗材成本会很快累积。所以,对于大批量、相对固定设计的产品,如LCD屏幕、光电面板,微转印技术的成本效益更高;而对于小批量、多变种的场景,如传感器制造,喷墨打印的成本更低。

五、精密涂布技术发展方向与前景展望

精密涂布技术经过近30年的发展,在微纳米功能材料和结构的构建上展现了巨大价值和应用前景。当前,提升转移分辨率、扩大单次转移面积以及成本效益的提高是该领域的主要技术发展方向[5]。在转移分辨率方面,发展一些更先进的压印平台和转印材料,或者高分辨率喷头与精密二维移动台架的配合,将是实现纳米量级结构高精度转移的关键。另一方面,开发大面积、整片转印的设备与工艺也是重要方向,这对于大规模商业化生产意义重大。此外,开发廉价、高精度、长寿命的模具材料和修复技术,以及低成本的功能涂布材料也很必要,可降低微转印技术的总体成本。未来几年,精密涂布技术在以下领域将得到广泛应用:

（一）显示器件制造

高清显示面板的色彩再现效果和饱和度很大程度上取决于RGB三原色滤光片的光学特性。这种滤光薄片可利用微转印技术在其表面构建周期性的纳米及微米结构,形成光子晶体效应,精确调控特定波长范围的光线透射。这不仅可优化面板的色度范围,还可减少光源的功耗。此外,源极与栅极驱动电路是面板像素点稳定工作的关键。微转印可在玻璃或柔性基板上制备出高密度的薄膜晶体硅驱动器,用于控制RGB子像素的开关与发光时序,进一步提高成像效果与响应速度。

（二）生物医学检测

微流控芯片上通过精细微米流道与检测部位的构建,可以实现对血液或体液样本中疾病标志物的高通量捕捉与检测,具有操作简便、快速诊断的优点。喷墨打印技术可直接在玻璃、PMMA等材料基片上喷射打印微小液滴,快速“绘制”出该芯片所需的复杂流道网络图案,无需复杂的光刻与腐蚀工艺。软压印也可批量制备塑料芯片的微结构。这两种低成本技术为微流控芯片的批量化生产与临床应用奠定了基础。

（三）先进电子系统

三维集成电路技术可实际突破单片硅平面芯片的性能极限。该技术的核心是将不同功能的硅芯片层以及金属互连层、绝缘体层等高密度堆叠起来,形成垂直互连的三维电路架构。中间各层的精密图案可利用微热压印技术批量转移形成。其中,金属互连层确保上下硅基板之间的高密度信号传导通路;绝缘体层则可有效阻隔层间串扰与漏电流。这种高度集成化的三维电路可实现比普通芯片高一个数量级的存储容量与处理能力,拓展先进电子系统的应用空间。

（四）光电器件

在太阳能电池表面构建类似斜角金字塔数组的微纳米结构,可以像“光学阶梯”一样有效降低从空气到硅的界面反射,使更多阳光进入电池内部被吸收、转换。此外,这种结构还可促进电荷载流子的有效传输。这类微细结构可通过柔性模具的热压印或喷墨印刷技术高效、低成本制备。未来通过多层叠加不同程度粗糙结构,会使电池的光电转化效率进一步提高,或许可突破理论转换效率限值。

结束语

综上所述，精密涂布技术是一种能够实现微米或纳米级结构高精度、高质量涂布的技术，主要包括微转印、喷墨打印、纳米压印等。这些技术在微电子器件、光电器件、传感器、生物芯片等领域有着广泛的应用前景。然而，目前这些技术仍存在一些问题，如模具制作成本高、使用寿命短、转印可靠性和可重复性有待提高等。因此，未来的研究重点将集中在开发更先进的压印平台和转印材料，以及低成本的功能涂布材料，以降低精密微图案制作的成本和复杂度。同时，也需要进一步提高打印分辨率与图形边缘质量，解决喷嘴堵塞问题。总的来说，精密涂布技术有着巨大的发展潜力和应用价值，值得我们进一步研究和探索。

参考文献：

[1]汤喻翔.精密涂布设备的控制流程及技术分析[J].集成电路应用,2022,39(03):69-71.

[2]章周伟.精密框胶涂布机巡边涂布技术改造[D].四川轻化工大学,2021.

[3]张红梅.精密涂布运动粘弹性硬质薄膜的振动特性研究[D].西安理工大学,2018.

[4]李才昌.精密涂布技术及其应用[J].绿色包装,2017,(11):42-46.

[5]谢小英.精密涂布技术的发展状况[J].影像技术,2017,29(01):4-7.