一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法与流程

本申请涉及纳米图案印刷技术领域，特别是涉及一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法。

背景技术：

在微纳米尺度驱动液体流动并形成图案化形状这项技术在很多生产生活领域都有非常重要的应用，例如：打印和油墨印刷、微流控系统、芯片上实验室装置，这项技术使得化学反应和生物分析可以在纳米尺度进行。已经有一些技术方案用于驱动和图案化液体，例如传统的油墨印刷，印刷电路，微通道流动，电动流动、电渗流动、电润湿，热毛细驱动等。

但是，现有技术中存在一下四方面的问题：

(1)灵活度小。例如，基于微通道传输液体的方式，通道形状固定，只能流动形成之前设计的微通道的路径，不能临时更改路径，不能形成新的轨迹，灵活度太小。

(2)装置复杂。例如，基于电驱动的液体流动方式，需要在固体基底上附加复杂的电极和电路，还需要几千伏特的高压电源来驱动流体，装置复杂。

(3)需要在固体表面预先进行表面结构或者表面化学性质的处理。现有技术中，需要对固体表面预先进行润湿性选择性修饰的步骤，或是化学处理，或是表面微结构处理，工艺繁琐，灵活性差。

(4)精度低。现有技术中，例如喷墨打印、油墨印刷、以及基于热毛细驱动液体流动这些方式的精度，液膜的宽度在几十微米以上，厚度在1微米及以上，精度低，无法实现纳米尺度液膜的图案化。无法在微米尺度及以下铺成复杂的图案。

因此，亟需开发一种简易的、灵活性强的、精度高的驱动液体流动和图案化的印刷方法。

技术实现要素：

本申请提供一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法，以解决现有技术中微纳米尺度驱动液体流动并形成图案化形状灵活度小、装置复杂、需要对固体基片预先进行处理、精度低的问题。

一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法，包括：

准备固体基片和液体样品；

在固体基片的表面滴加液体样品的液滴形成液池；

在图形发生器上创建图案，根据所创建的图案设置图案的几何参数以及离子束的参数；

利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。

进一步地，所述离子束为氦离子束、镓离子束或者电子束中的一种。

进一步地，当所述离子束为氦离子束时，所述离子束的注入剂量在0.3pc/μm²以上。

进一步地，所述液体样品为：1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐或者1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐。

进一步地，所述固体基片为：二氧化硅固体基片、铜片或者金片中的一种。

进一步地，当所述固体基片为二氧化硅固体基片时，所述准备固体基片包括：

准备一个二氧化硅固体基片；

在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗所述二氧化硅固体基片10分钟；

用氮气吹去所述二氧化硅固体基片表面的水分。

进一步地，所述在固体基片的表面滴加液体样品的液滴形成液池，包括：

用微量进样器在固体基片的表面滴一滴液体样品的液滴，所述液滴即为液池；

或者，在固体基片的表面设置容器，将液体样品滴加到所述容器中形成液池。

进一步地，所述离子束的参数包括：离子束的加速电压、离子束的束流、离子束注入持续时间、离子束的束斑数量、离子束束斑间距。

进一步地，根据所创建的图案设置图案的几何参数以及离子束的参数，包括：

根据所创建的图案设置图案的几何参数，包括长、宽、高、半径中的一种或多种；

设置离子束的加速电压、离子束的束流；

根据所创建的图案的形状设置离子束的注入持续时间、离子束的束斑阵列和离子束的束斑间距。

进一步地，所述离子束对所述液池进行辐照包括：离子束垂直于液池的边缘进行辐照。

与现有技术相比，本申请包括以下优点：

(1)本申请实施例提供的离子束诱导的液膜图案化印刷方法，不需要微通道，灵活性强，可以根据实际需要任意设置需要的图案进行印刷；

(2)本申请实施例提供的离子束诱导的液膜图案化印刷方法，装置简单，不需要在固体基底上附加复杂的电极和电路，不需要利用高压电压进行液体驱动；

(3)本申请实施例提供的离子束诱导的液膜图案化印刷方法，不需要在固体基片的表面做任何的预先处理，只需要固体基片具有干净、裸露的表面即可完成图案印刷。

(4)本申请实施例提供的离子束诱导的液膜图案化印刷方法，可以达到纳米级的精度，所形成的液膜的宽度可以达到200纳米左右，厚度可以达到20纳米左右，并且可以通过对离子束相关参数的控制使得液体在离子束的驱动下很容易的铺展成复杂的形状。

附图说明

图1是本申请实施例所提供的一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法的流程图；

图2是本申请实施例所采用的氦离子显微镜下的视野区域示意图；

图3是本申请实施例提供的一种离子束驱动液体流动的过程示意图；

图4是本申请实施例提供的一种离子束驱动液体流动的图案形成过程示意图；

图5是本申请实施例提供的另一种离子束驱动液体流动的图案形成过程示意图；

图6是本申请实施例提供的另一种离子束驱动液体流动的图案形成过程示意图；

图7是本申请实施例提供的另一种离子束驱动液体流动的图案形成过程示意图。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

聚焦离子束(focusedionbeam，fib)是将一束离子聚焦并对样品表面进行扫描。离子束对表面的轰击会将表面原子溅射出来。让离子束按指定的图形扫描就可刻出所需的图案。如果同时注入化学气体，就可做局部的化学沉积(cvd)而得到所需的沉积图案。近20年以来，聚焦离子束越来越多地应用于材料科学、生物、半导体集成电路、数据储存磁盘等领域。它对材料科学和生物领域的科学研究，对集成电路和磁盘的研发及生产工艺的改进起着不可替代的作用。

在现有技术中，聚焦离子束的功能主要有：成像、切割/刻蚀、沉积/增强刻蚀。

离子束的切割功能是通过离子束与表面原子之间的碰撞将样品表面原子溅射出来实现的，因为ga离子可以通过透镜系统和光阑将离子束直径控制到纳米尺度，所以可以通过图形发生器来控制离子束的扫描轨迹来对样品进行精细的微纳加工。

现有技术中，有研究者利用聚焦离子束的切割/刻蚀功能进行印刷电路板加工，所采用的技术构思为：在固体基片的表面覆盖一层干膜，然后利用离子束对干膜进行刻蚀，得到刻蚀后的固体基片，最后利用印刷系统在刻蚀后基片的预设电路图形上沉积宽域能金属离子，形成金属薄膜基体。最后剥离干膜，得到印刷电路板。但是其局限于离子束的刻蚀功能。可见，在该技术构思中，所利用的仍然是离子束的切割/刻蚀功能。

本申请实施例所提供的离子束诱导的液膜图案化印刷方法，不再局限于聚焦离子束(fib)的常见功能，转而利用离子束与液体分子的相互作用和离子与固体基片之间的相互作用，从而采用离子束驱动液体流动形成液膜完成图案印刷。

下面通结合图1对本发明所述方法的实现流程进行详细说明。

参考图1，图1是本申请所提供的一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法的流程图，所述方法具有包括：

s10：准备固体基片和液体样品；

具体地，所述固体基片为：二氧化硅固体基片、铜片或者金片中的一种。

在实际应用中，固体基片可以根据实际需求选用任意一个干净、裸露的固体片作为印刷基片。

所述液体样品为：1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐或者1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐。

在实际应用中，可以根据实际需要选用任意一种液体。

示例地，将本申请实施例所提供的一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法，应用于电路板印刷的场景下，所述液体样品可以为电路板印刷油墨。

s11：在固体基片的表面滴加液体样品的液滴形成液池；

具体包括：用微量进样器在固体基片的表面滴一滴液体样品的液滴，所述液滴即为液池。

在实际应用中，可以采用微量进样器，取一定量的液体样品滴加在固体基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。该大液滴即为一个液池。

或者，在固体基片的表面设置容器，将液体样品滴加到所述容器中形成液池。

在实际应用中，也可以在固体基片的表面设置一些微通道和液体容器(即液池)，采用微量进样器，取一定量的液体样品，滴加到该液体容器中，并且通过微通道流到需要图案化的通道出口，然后下一步操作，从而可以形成更加精细的图案。

s12：在图形发生器上创建图案，根据所创建的图案设置图案的几何参数以及离子束的参数；

具体地，在图形发生器上创建可编辑的形状，如矩形、梯形、多边线、直线、折线、椭圆及点。并且设置图案的几何参数，例如图案的形状和图案的长、宽、高、半径等。然后，对这些形状进行矢量切割，并通过对离子束参数的调节进行完全的过程控制。

所述离子束的参数包括：离子束的加速电压、离子束的束流、离子束的注入持续时间、离子束的束斑阵列、离子束的束斑间距。

具体地，可以根据所创建的图案设置图案的几何参数，包括长、宽、高、半径中的一种或多种；

设置离子束的加速电压、离子束的束流；

根据所创建的图案的形状设置离子束的注入持续时间、离子束的束斑阵列和离子束的束斑间距。

所述离子束可以为氦离子束、镓离子束或者电子束中的任意一种。

当离子束为氦离子束时，所述离子束的注入剂量应该大于等于0.3pc/μm²。只有当氦离子束的注入剂量符合条件时，液池中的液体样品才能在氦离子束的驱动下流道并铺展。

s13：利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。

具体地，所述离子束对所述液池进行辐照包括：离子束垂直于液池的边缘进行辐照。

在实际应用中，离子束垂直于液池的边缘进行辐照可以使得液池中的液体由内往外铺展，从而铺展成预设的图案。

下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步详细的说明。

实施例1

本实施例选用二氧化硅固体基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和氦离子显微镜进行试验。

试验步骤：

(1)准备固体样品：商用二氧化硅固体基片一个，长1cm，宽1cm，厚度1mm。在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。

(2)准备液体样品：选用商用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。将购买来的离子液体先使用真空干燥箱，在真空条件下加热，去除其中残留的水分。真空加热的参数是压力小于133pa，温度设定在80℃，在保证不改变离子液体的性质、结构的前提下，去除离子液体中的水分，防止污染氦离子显微镜的真空腔。

(3)制样：采用微量进样器，取一定量的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐滴加在二氧化硅固体基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

在氦离子显微镜中，调整好成像的参数，包括对比度、聚焦、放大、像散等。使得在视窗尺度在500nm时也可以成像清楚。将视野移动到液体和固体的交界处，即可以进行下一步的驱动和图案化工作。以下，结合附图2对视野区域进行解释。

参见附图2，其中，深灰色部分是在氦离子显微镜中的离子液体的成像(即图2中的“液体”)，浅灰色部分为固体基片的成像(即图2中的“固体”)，黑色框内即为视野区域。

(5)驱动液体流动：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为2微米*2微米的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。然后基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子与固体基片之间的相互作用，在氦离子的辐照下，液体逐渐流动起来，铺展开形成液膜。

实施例2

本实施例选用二氧化硅固体基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和氦离子显微镜进行试验。

(1)准备固体样品：商用二氧化硅固体基片一个，长1cm，宽1cm，厚度1mm。在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。对固体基片进行退火处理，以除去固体基片表面的氧化物，退火条件是低压320℃、200sccm氩气气氛下或者200sccm氢气气氛下。将退火后的固体基片密封保存备用。

(2)准备液体样品：选用商用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。将购买来的离子液体先使用真空干燥箱，在真空条件下加热，去除其中残留的水分。真空加热的参数是压力小于133pa，温度设定在80℃，在保证不改变离子液体的性质、结构的前提下，去除离子液体中的水分，防止污染氦离子显微镜的真空腔。

(3)制样：采用微量进样器，取一定量的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐滴加在二氧化硅固体基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

(5)液体图案化：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为2微米*2微米的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。

然后，在图形发生器上创建正方形图案，设置几何参数：边长2微米，设置离子束参数：加速电压：30kv；束流：0.38pa；注入时间：2微秒；束斑间距：1.96纳米；束斑阵列(pixels)：根据样品尺寸和束斑间距自动形成。

最后利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子束与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。下面结合附图3对离子束驱动液体流动的过程进行解释。

参见附图3，其中右图为最终形成的液膜图案，左图为右图虚线框内的正方形图案的形成过程图，其中从左至右、从上到下为正方形图案逐步形成的过程图。

实施例3

本实施例选用二氧化硅固体基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐和氦离子显微镜进行试验。

(1)准备固体样品：商用二氧化硅固体基片一个，长1cm，宽1cm，厚度1mm。在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。

在固体样品表面设置微通道和圆形液池。

(2)准备液体样品：选用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐。

(3)制样：将少量液体样品滴加到液池中，少量液体通过微通道微米级的圆形出口出现在基片表面。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

(5)液体图案化：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为2微米*2微米的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。

然后，在图形发生器上创建pku图案，设置几何参数：三个字母pku总长度3微米，宽度1微米。设置离子束参数：加速电压：32kv；束流：1.01pa；注入时间：0.5微秒；束斑间距：5纳米；束斑阵列(pixels)根据样品尺寸和束斑间距自动形成。

最后利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子束与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。下面结合附图4对本实施例的图案形成过程进行解释。

参见图4，中间的圆形为微通道的出口处的液池，在本实施例中，利用设定好参数的离子束诱导液体样品形成一个矩形液膜(图中的“主河道”：字母下方的横线)，然后再在“主河道”(矩形液膜)的沿岸诱导形成字母，液体样品顺着主河道流入每个字母的分流。最终形成如图4所示的液膜图案。

实施例4

本实施例选用二氧化硅固体基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和氦离子显微镜进行试验。

(1)准备固体样品：商用二氧化硅固体基片一个，长1cm，宽1cm，厚度1mm。在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。

(2)准备液体样品：选用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。

(3)制样：采用微量进样器，取一定量的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐滴加在二氧化硅固体基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

(5)液体图案化：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为稍大于设计图形尺寸的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。

然后，在图形发生器上创建矩形图案，在液滴边缘铺一个中文“田”字需要一笔一笔书写，由6个长方形组成，设置几何参数：每个长方形长4微米、宽0.4微米，设置离子束参数：加速加压：30kv；束流：0.801pa；注入时间：0.25微秒；束斑间距：0.25纳米；束斑阵列(pixels)：根据样品尺寸和束斑间距自动形成。

最后利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子束与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。下面结合附图5对本实施例的图案形成过程进行解释。

参见附图5，其中灰色部分为液体成像，离子液体在设置好参数的离子束的驱动下形成一个长条，作为“田”的一笔(例如：形如“—”的一笔，或，形如“|”的一笔)，然后继续驱动离子液体流动，形成另外五个长条，作为“田”字的另外五笔，最后形成如附图5所示的液膜图案。

实施例5

本实施例选用单晶硅基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和氦离子显微镜进行试验。

(1)准备固体样品：准备一个单晶硅基片，在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。

(2)准备液体样品：选用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。

(3)制样：采用微量进样器，取一定量的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐滴加在单晶硅基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

(5)液体图案化：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为稍大于设计图形尺寸的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。

然后，在图形发生器上创建矩形图案，设置几何参数：长1.5微米宽0.25微米；设置离子束参数：加速电压：30kv；束流：1.49pa；注入时间：3微秒；束斑间距：0.5纳米；束斑阵列(pixels)：根据样品尺寸和束斑间距自动形成。

最后利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子束与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。下面结合附图6对本实施例的图案形成过程进行解释。

参见附图6，其中，从右至左，图6的右半部分较亮，为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐成像，图6的左半部分较暗，为单晶硅基片成像，其中，液体边缘的矩形图案(图6中间部分，具有凹陷视觉的部分)是液体在离子束的驱动下，流动铺展成的图案。

实施例6

本实施例选用熔融二氧化硅基片、离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐和氦离子显微镜进行试验。

(1)准备固体样品：准备一个熔融二氧化硅基片，在超声清洗机中先后用丙酮、酒精、去离子水依次清洗二氧化硅固体基片10min，去除表面的氧化物。然后用氮气吹去固体表面的水分。

(2)准备液体样品：选用离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐。

(3)制样：采用微量进样器，取一定量的离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐滴加在熔融二氧化硅基片上，从而在固体样品上形成一个大液滴。

(4)进样：将已经滴了离子液体液滴的固体基片粘在钉型样品台上，在安装到氦离子显微镜特定的样品台上，放入样品室中，然后传输到氦离子显微镜的真空腔中。

(5)液体图案化：首先，在氦离子显微镜的观测下，调节放大倍数的按钮，将视野(fieldofview)调节为稍大于设计图形尺寸的范围。需要注意的是：在这个视野内，要包括少量的液体区域和大部分的固体区域。

然后，在图形发生器上创建折线形图案，设置几何参数：宽度为1.6微米的折线形；设置离子束参数：加速电压：27kv；束流：0.343pa；注入时间：3微秒；束斑间距：0.5纳米；束斑阵列(pixels)：根据样品尺寸和束斑间距自动形成。

最后利用离子束对所述液池进行辐照，基于离子束与液池中的液体分子的相互作用和离子束与固体基片之间的相互作用，离子束驱动液池中的液体流动，以在固体基片上印刷出所创建的图案。下面结合附图7对本实施例的图案形成过程进行解释。

参见附图7，其中灰色部分为离子液体1-乙基-3-甲基咪唑二氰胺盐的成像，黑色部分为熔融二氧化硅基片成像，其中，液体边缘的折线图案是液体在离子束的驱动下，流动铺展成的图案。

以上对本申请所提供的一种离子束诱导的液膜图案化印刷方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。