專利名稱：激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)，尤其涉及一種基于激光干涉 光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
激光干涉光刻技術(shù)利用光的干涉特性，不同的曝光方法會(huì)產(chǎn)生不同孔徑、孔間間 距的圖形。通過(guò)特定的光束組合方式，來(lái)調(diào)控干涉場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)度分布，用調(diào)制后重新分布的 激光能量燒蝕被加工材料表面，從而產(chǎn)生光刻圖形。干涉光刻技術(shù)不需要掩模和昂貴的光 刻成像透鏡，從而提供了得到高分辨率、無(wú)限焦深、大面積光刻的可能性。特別適合光電探 測(cè)器或場(chǎng)發(fā)射器電極陣列中的較大范圍內(nèi)周期性的超亞微米級(jí)點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)圖形的產(chǎn)生。干涉 光刻作為對(duì)現(xiàn)有光刻技術(shù)的補(bǔ)充，有很好的應(yīng)用前景。本發(fā)明采用激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。本系統(tǒng)由激光器，擴(kuò)束器，分 束器，反射鏡，偏振片及上述光學(xué)元器件裝置的夾持與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所組成，通過(guò)變換光學(xué)器件 的相對(duì)擺放位置，改變照射到基片材料表面的相干光束的入射角，從而調(diào)整被加工材料表 面的微細(xì)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該系統(tǒng)的光刻特征尺寸實(shí)現(xiàn)從幾納米到幾百微米可調(diào)。通過(guò)光 學(xué)移相或機(jī)械位移樣品，重復(fù)曝光或多次曝光插補(bǔ)以實(shí)現(xiàn)高密度微納米過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。目前的過(guò)濾膜以能夠截留原水顆粒的大小來(lái)分類，膜孔從粗到細(xì)分為微濾膜 (MF)、超濾膜(UF)、納濾膜(NF)和反滲透膜(RO)。制模的材料大體有纖維類、合成樹(shù)脂類 和陶瓷類三種。纖維類的膜制備方法是用有機(jī)化合物和纖維素，在熔點(diǎn)以下的溫度拉伸、熱 定型；陶瓷類的膜主要是以氧化鋁、氧化鈦、氧化鋯等材料經(jīng)一些特殊的化學(xué)物理工藝制備 而成的多孔非對(duì)稱膜。以上制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法都為直接利用化學(xué)和物理方法進(jìn)行 制備，使得網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)可控性差、制造工藝復(fù)雜或成本很高。有鑒于此，確有必要提供一種參數(shù)可控、能精確調(diào)整被加工材料表面微細(xì)結(jié)構(gòu)參 數(shù)、制造工藝簡(jiǎn)單、成本低的過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的制備方法及系統(tǒng)。關(guān)于制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的技術(shù)參考1.楊福才·過(guò)濾膜的性能和對(duì)飲用水的應(yīng)用·公用科技· 1998，14 (4)，pp. 33-35.2.余祖軒.過(guò)濾膜的性能及其在飲用水處理中的應(yīng)用.山西建筑.2010，36 (2)， pp. 203-204.3.李雙、田貴山.幾種陶瓷過(guò)濾材料的過(guò)濾機(jī)理研究.材料導(dǎo)報(bào).2009，23 (14)， pp.513-516.4.張錦、馮伯儒、郭永康等.用于大面積周期性圖形制造的激光干涉光刻.光電 工程，2001，28 (6)，pp. 20-23.5.馮伯儒、張錦、侯德勝等.用于高分辨大視場(chǎng)微光刻的全息照相技術(shù)研究.微 細(xì)加工技術(shù)，2001，(1)，ρρ· 1-7.6. S. H. Zaidi and S. R. J. Brueck," Interferometric lithographyfor nanoscale fabrication", SPIE,1999，3618，pp. 2-8.
7. A. Fernandez , H.T.Nguyen and J. A. Britten, "Use of interferencelithography to pattern arrays of submicron resists tructures forfie 1 d emission flatpanel displays，，，Journal of Vacuum Science& Technology (B)，1997，15(3)，pp.729-735.8. Z. Wang, J. Zhang, Z. Ji, M. Packianather, C. S. Peng, C. Tan, Y. K. Verevkin, S. M. Olaizola, T. Berthou and S. Tisserand, "Laser interference riariolithography，，， Proc. ICMEN，2008，pp. 929-936.9. Z. Wang, "Development of lithography technology for nanoscalestructuring of materials using laser beam interference，，，MNTFuture Vision,2008,pp.6.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)方法和系統(tǒng)的不足而提出一種 能精確控制微納結(jié)構(gòu)尺寸范圍、不破壞功能結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、快速高效低成本的微納米過(guò)濾膜 網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的制作方法和系統(tǒng)。本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)方法為采用激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，用多光束激 光干涉光刻系統(tǒng)，將多個(gè)相干激光束組合，不同的曝光方法會(huì)產(chǎn)生不同孔徑、空間間距的圖 形，對(duì)干涉場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)度分布進(jìn)行強(qiáng)弱調(diào)制，用調(diào)制后重新分布的激光能量燒蝕被加工材 料表面，通過(guò)變換光學(xué)器件的相對(duì)擺放位置，變換照射到基片材料表面的相干光束的入射 角度，從而調(diào)整被加工材料表面的微細(xì)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)，結(jié)合移動(dòng)基片工件臺(tái)或者干涉光 學(xué)系統(tǒng)，用多光束干涉圖案掃描曝光基片或材料表面，在大面積范圍內(nèi)形成微米或納米級(jí) 密集的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，從而形成過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，進(jìn)而獲得超濾膜或納濾膜。本發(fā)明與現(xiàn)有方法和系統(tǒng)相比有以下優(yōu)點(diǎn)由于通過(guò)改變激光干涉光刻的光學(xué)參數(shù)，可調(diào)整基體材料表面微結(jié)構(gòu)的參數(shù)，以 最大程度地適應(yīng)過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的要求，與現(xiàn)有的化學(xué)和物理制備方法相比，具有結(jié)構(gòu)參 數(shù)可控的優(yōu)點(diǎn)。由于利用激光干涉光刻方法在材料表面制備的納米結(jié)構(gòu)，可直接在薄膜材料上光 刻過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，節(jié)省了大量的工藝過(guò)程，具有制造工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明采用激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)示意圖。系統(tǒng)包 括激光器1，擴(kuò)束鏡2，準(zhǔn)直系統(tǒng)3，反射鏡4，偏振器件5，分束與折光系統(tǒng)6，基片7。由激光 器1發(fā)出的激光束經(jīng)擴(kuò)束鏡2和準(zhǔn)直系統(tǒng)3后，經(jīng)反射鏡4折轉(zhuǎn)光路，通過(guò)偏振器件5將光 束變成線偏振光，再由分束與折光系統(tǒng)6先將激光束分成多個(gè)相干光束，再將多束光的各 個(gè)光路分別控制，使它們以一定的入射角同時(shí)照射到基片7上，利用多束相干光干涉場(chǎng)內(nèi) 光強(qiáng)度強(qiáng)弱重新分布后的激光能量燒蝕材料表面，在大面積范圍內(nèi)產(chǎn)生微米或納米級(jí)密集 的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，形成過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。分束與折光系統(tǒng)6中的分束功能可以由鍍有分光膜的光學(xué)分光鏡或者衍射光柵 實(shí)現(xiàn)；折光即光路的轉(zhuǎn)折，可利用光學(xué)反射鏡實(shí)現(xiàn)。通過(guò)變換光學(xué)器件的相對(duì)擺放位置，改
4變照射到基片或其它材料表面的相干光束的入射角，從而調(diào)整過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)，使 其更有針對(duì)性，具有工作參數(shù)可控性好的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)用線位移或角位移控制系統(tǒng)改變?nèi)肷?光夾角，可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光刻特征尺寸從幾納米到幾百微米可調(diào)。也可以在光路中增加光學(xué) 偏振器件，以提高干涉圖形的對(duì)比度，從而提高表面微結(jié)構(gòu)的制作效率和質(zhì)量。圖2為本系統(tǒng)采用四光束激光干涉納米光刻的方法制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔的原子力顯 微鏡圖。
具體實(shí)施例方式如圖1所示系統(tǒng)，采用四激光束組合，在基片材料表面上制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。經(jīng) 過(guò)分束與折光系統(tǒng)6出射的4束相干光產(chǎn)生干涉對(duì)基片7曝光形成過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。圖2 為本統(tǒng)采用四光束激光干涉納米光刻的方法制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔的原子力顯微鏡圖。對(duì)于形成 特定大面積網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法，可在滿足光能量閾值允許范圍的基礎(chǔ)上擴(kuò)束后，結(jié)合移動(dòng)基 片工件臺(tái)8或者干涉光學(xué)系統(tǒng)6，用多光束干涉圖案掃描曝光基片7，形成大面積過(guò)濾膜網(wǎng) 孔結(jié)構(gòu)。形成特定高密度過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)方法，除通過(guò)減小激光波長(zhǎng)或增大入射光夾角實(shí) 現(xiàn)外，還可通過(guò)光學(xué)移相或機(jī)械位移樣品，然后重復(fù)曝光或多次曝光插補(bǔ)實(shí)現(xiàn)高密度微納 過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
權(quán)利要求
一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)，其特征在于，使用多光束激光干涉光刻系統(tǒng)，將多個(gè)相干激光束組合，對(duì)干涉場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)度分布進(jìn)行強(qiáng)弱調(diào)制，用調(diào)制后重新分布的激光能量燒蝕被加工材料表面，在大面積范圍內(nèi)形成單層或多層微米或納米級(jí)密集的柱形、錐形浮雕或孔結(jié)構(gòu)，形成過(guò)濾膜的網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，從而過(guò)濾空氣和水中的雜質(zhì)、細(xì)菌、病毒等，提高凈化空氣和水的純凈度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述，可使用二光束干涉條紋圖案輔助兩次曝光被加工材料表面， 制成過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，在第一次曝光的基礎(chǔ)上，將吸附基片材料的工件臺(tái)或者 將干涉光學(xué)系統(tǒng)以預(yù)先設(shè)定的角度旋轉(zhuǎn)，使干涉條紋圖案與第一次曝光的圖案成預(yù)先設(shè)定 的角度，進(jìn)行第二次曝光，利用兩次干涉圖案的強(qiáng)度疊加對(duì)基片材料表面進(jìn)行燒蝕，以更簡(jiǎn) 單靈活的方式產(chǎn)生預(yù)期的過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述，可使用四光束干涉一次曝光被加工材料表面，制成過(guò)濾膜網(wǎng) 孔結(jié)構(gòu)，其特征在于，形成的孔結(jié)構(gòu)周?chē)鸀榱闫毓饩€，因此不存在鞍點(diǎn)，中心與邊緣的強(qiáng)度 比大，這種曝光方式有利于加工深孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述，其特征在于，可以使用特定干涉圖案直接大面積曝光涂覆有 光敏材料的材料表面，然后刻蝕形成材料表面的微米或納米級(jí)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述，其特征在于，利用激光干涉光刻技術(shù)，將多個(gè)相干激光束 組合，在基片材料上形成孔徑大小不同、孔間間距互異的納米孔陣列，可將上述制備好的基 片材料多層疊加，也可按孔徑大小的不同依次排列，過(guò)濾空氣和水中的雜質(zhì)、細(xì)菌、病毒等。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述，其特征在于，利用激光干涉光刻技術(shù)，將多個(gè)相干激光束 組合，形成不同線寬的光柵結(jié)構(gòu)，將制備好的基片材料多層疊加，按線寬的尺寸依次排列， 提高空氣和水的過(guò)濾純凈度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述，其特征也在于被曝光或燒蝕的基片材料表面是平面、非 平面或任意不規(guī)則曲面。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述，在滿足光能量閾值允許范圍的基礎(chǔ)上擴(kuò)束后，結(jié)合移動(dòng)基 片工件臺(tái)或者干涉光學(xué)系統(tǒng)，用多光束干涉圖案掃描曝光基片或材料表面，形成超大面積 微納結(jié)構(gòu)過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至4所述，采用的過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的多光束激光干涉光刻系統(tǒng)，其特 征在于通過(guò)變換光學(xué)器件的相對(duì)擺放位置，改變照射到基片材料表面的相干光束的入射 角，同時(shí)控制曝光能量從而調(diào)整被加工材料表面的微細(xì)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該系統(tǒng)的光刻特 征尺寸可通過(guò)用線位移或角位移控制系統(tǒng)改變?nèi)肷涔獾膴A角實(shí)現(xiàn)從幾納米到幾百微米可 調(diào)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，通過(guò)光學(xué)移相或機(jī)械位移樣品，然后重復(fù)曝光或多次 曝光插補(bǔ)以實(shí)現(xiàn)高密度微納米過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)，從而形成高密度過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。用重復(fù) 曝光或多次曝光的方法也可在同一材料表面實(shí)現(xiàn)具有微納米二級(jí)孔柱結(jié)構(gòu)的過(guò)濾膜。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用激光干涉光刻技術(shù)不同的曝光方法會(huì)產(chǎn)生不同間距的圖形。通過(guò)特定的光束組合方式，來(lái)調(diào)控干涉場(chǎng)內(nèi)的光強(qiáng)度分布，用調(diào)制后重新分布的激光能量燒蝕被加工材料表面，從而產(chǎn)生光刻圖形。本系統(tǒng)由激光器，擴(kuò)束器，分束器，反射鏡，偏振片及上述光學(xué)元器件裝置的夾持與調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)所組成，通過(guò)變換光學(xué)器件的相對(duì)擺放位置，改變照射到基片材料表面的相干光束的入射角，從而調(diào)整被加工材料表面的微細(xì)網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)的參數(shù)。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)光刻特征尺寸從幾納米到幾百微米可調(diào)。通過(guò)光學(xué)移相或機(jī)械位移樣品，重復(fù)曝光或多次曝光插補(bǔ)以實(shí)現(xiàn)高密度微納米過(guò)濾膜網(wǎng)孔結(jié)構(gòu)。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101980083SQ20101027917
公開(kāi)日2011年2月23日 申請(qǐng)日期2010年9月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月13日
發(fā)明者侯煜, 劉蘭嬌, 劉洋, 宋正勛, 徐佳, 王作斌, 翁占坤, 胡貞, 趙樂(lè) 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué)