專利名稱：采用激光干涉光刻技術(shù)制作自清潔表面結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作材料自清潔表面結(jié)構(gòu)的方法和系統(tǒng)， 屬于對(duì)仿生自清潔表面結(jié)構(gòu)制備技術(shù)的改進(jìn)。
背景技術(shù)：
目前建筑上常被采用的耐沾污方法之一是選用低表面能的材料，涂覆在建筑物表 面，污染物就很難穩(wěn)定附著在漆膜表面。一些自清潔鋼化玻璃也采用TiO2復(fù)合溶液噴涂法。 但是由于這些自清潔膜的材料與基體材料的成分不同，其不同的化學(xué)和物理性質(zhì)將導(dǎo)致其 附著力和耐久性受限。并且在鋼化玻璃的制造過程中經(jīng)過不同的溫度處理，自清潔膜層的 晶型不一樣，性能也不同，另外烘干速度大小直接影響晶胞尺寸，從而影響其表面特性。最近研究人員受荷葉自清潔機(jī)理的啟發(fā)，制做保持較長(zhǎng)時(shí)間的仿生自清潔超疏水 表面膜。荷葉表面除了覆蓋著一層表面能較低的植物蠟外，蠟質(zhì)層下的微觀結(jié)構(gòu)對(duì)其自清 潔功能的貢獻(xiàn)起著主要作用。這些微結(jié)構(gòu)由眾多微米級(jí)的乳突所組成，每個(gè)微米級(jí)的乳突 又由許多納米級(jí)的小突起構(gòu)成，表面的浸潤(rùn)性可從水或油的接觸角大小來判斷。這種微納 米二級(jí)結(jié)構(gòu)，尤其是納米結(jié)構(gòu)使荷葉表面具有大的水接觸角和超疏水性。通常荷葉表面的 水接觸角為160°，水珠在其上可以自由滾動(dòng)。荷葉表面的浸潤(rùn)性是由表面蠟質(zhì)層和其下 微結(jié)構(gòu)共同構(gòu)成，但其微結(jié)構(gòu)對(duì)浸潤(rùn)性貢獻(xiàn)更大。這給人以啟迪，只要構(gòu)筑合適的仿生微結(jié) 構(gòu)，沒有低表面能物質(zhì)也可獲得類荷葉的自清潔效應(yīng)。疏水膜的疏水能力不但受到膜表面形貌的影響，還與這些形貌的微構(gòu)造的排列及 連接方式緊密相關(guān)。獨(dú)立、非連續(xù)的柱狀排列有利于獲得超疏水膜，且其動(dòng)態(tài)前進(jìn)、后退角 差異較小，幾乎無粘滯現(xiàn)象，有利于液滴迅速脫離柱頭，易于滑落，而這種微結(jié)構(gòu)正是多光 束激光干涉圖形的顯著特點(diǎn)。目前在30nm分辨率的范圍內(nèi)，市場(chǎng)上主要有三種直寫光刻技術(shù)離子束光刻 IBL(ion beamlithography)、電子束光亥Ij EBL(electron beam lithography)禾口掃描探頭 光刻SPL(scanningprobe lithography)。SPL可以用功能化的原子力顯微鏡AFM(atomic force microscope)或掃描隧道顯微鏡 STM(scanning tunnelling microscope)來完成。 由于這三種技術(shù)均采用耗時(shí)的順序工作方式，其缺點(diǎn)是速度非常慢，不適合批量生產(chǎn)。另一 種相關(guān)的技術(shù)是納米壓印NIL (nano imprint lithography)。NIL提供了一種低成本批量 生產(chǎn)納米表面結(jié)構(gòu)的途徑，但其壓印的物理特性決定了它的嚴(yán)格使用條件。否則，不完善的 表面結(jié)構(gòu)就可隨時(shí)產(chǎn)生。該技術(shù)的缺點(diǎn)是只能使用在清潔的平面，并且它的模板圖案形狀 是固定的。關(guān)于自清潔表面技術(shù)參考1.Self-Cleaning Materials Inspiration，Scientific American，21 July 2008.2. V. Zorba，E. Stratakis，M. Barberoglou，E. Spanakis，P. Tzanetakis， S. H. Anastasiadis，and C. Fotakis，“Biomimetic Artificial SurfacesQuantitativelyReproduce the Water Repellency of a Lotus Leaf，，，AdvancedMaterials, Vol. 20, pp 4049-4054，2008.3. J. Zhu, C. Hsu, Z. Yu, S. Fan, and Y. Cui, "Nanodome Solar Cells with EfficientLight Management and Self-Cleaning，，，Nano Letters, 5 November 2009.

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有方法和系統(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、快速高效低成本的自清潔表面結(jié)構(gòu)的制作方法和系統(tǒng)。
本發(fā)明的目的通過以下技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)(1) 一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作自清潔表面結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于使用 一個(gè)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)形成微米或 納米級(jí)密集的柱形或錐形浮雕結(jié)構(gòu)，形成自清潔結(jié)構(gòu)，從而獲得超疏水膜，降低粘滯現(xiàn)象， 有利于附著物脫離材料表面。(2)也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自清潔結(jié)構(gòu)。(3)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。(4)也可以使用二光束或者三光束干涉條紋圖案輔助兩次曝光被加工材料表面， 制成自清潔結(jié)構(gòu)，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)期的表面自清潔浮雕結(jié)構(gòu)。(5)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)自清潔表 面。(6) 一種自清潔表面自清潔結(jié)構(gòu)的多光束激光干涉光刻系統(tǒng)，其特征在于該系 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)浮雕結(jié)構(gòu)的參數(shù)。(7)該系統(tǒng)的光刻特征尺寸通過用線位移或角位移控制系統(tǒng)改變?nèi)肷涔獾膴A角以 實(shí)現(xiàn)從幾納米到幾百微米可調(diào)。(8)通過光學(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 微納米自清潔結(jié)構(gòu)，從而形成高密度自清潔結(jié)構(gòu)。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)自清潔要求，與現(xiàn)有的化學(xué)和電化學(xué)制備方法相比，具有結(jié)構(gòu)參數(shù)可控性 好的優(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)自清潔功能結(jié)構(gòu)層，是在 基體自身上形成的，與涂膜方法相比，沒有附加外來的材料，因此具有良好的穩(wěn)定性和耐久性。由于制作過程中作用于材料的激光干涉場(chǎng)的大小，決定于反射鏡、準(zhǔn)直鏡等光學(xué) 元件的通光孔徑，容易做到對(duì)基片大面積同時(shí)曝光。因此與激光掃描納米織構(gòu)化的方法相 比，具有表面結(jié)構(gòu)尺寸可控、面積大、效率高、適合低成本大批量生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，而且其特征尺 寸、形狀及周期從幾納米到微米級(jí)連續(xù)可調(diào)。與其它直寫納米光刻技術(shù)相比，直接激光干涉 納米光刻具有大面積、適合于二 /三維低成本及高效制造納米表面自清潔結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明的采用激光干涉光刻技術(shù)的自清潔表面結(jié)構(gòu)的制作系統(tǒng)示意圖。圖2為二光束或三光束多次曝光方法示意圖。圖3為用干涉圖案結(jié)合掃描方式制作超大面積微納自清潔表面結(jié)構(gòu)的示意圖。圖4為四光束激光干涉納米光刻獲得的有序柱狀陣列結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式如圖1所示，本發(fā)明的采用激光干涉光刻技術(shù)的自清潔表面結(jié)構(gòu)的制作系統(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2和準(zhǔn)直3后，被反射鏡4折轉(zhuǎn)光路，通過偏振器件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)密集的柱形或 錐形浮雕結(jié)構(gòu)，形成自清潔表面結(jié)構(gòu)。所述的分束與折光系統(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)。通過變換光學(xué)器件的相對(duì)擺放位 置，改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)整自清潔表面的微細(xì)浮 雕結(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)。通過用線位移或角位移控 制系統(tǒng)改變?nèi)肷涔鈯A角，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光刻特征尺寸可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。如圖2所示，也可以使用二光束或者三光束干涉條紋圖案輔助兩次曝光基片材料 表面，制成自清潔結(jié)構(gòu)。經(jīng)過分束與折光系統(tǒng)6出射的二光束或者三光束，對(duì)基片7曝光后， 將吸附基片的工件臺(tái)10或者將分束與折光系統(tǒng)6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)期的表面自清潔浮雕結(jié)構(gòu)。移動(dòng)擋 板9擋住或放開三光束中的中間一束，即可在三光束和二光束之間轉(zhuǎn)換。如圖3所示，形成特定大面積自清潔結(jié)構(gòu)的方法，也可以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)10或者干涉光學(xué)系統(tǒng)6，用多光束干涉圖案8掃 描曝光基片7，形成超大面積微納自清潔結(jié)構(gòu)。形成特定高密度自清潔結(jié)構(gòu)方法，除通過減小激光波長(zhǎng)或增大入射光夾角實(shí)現(xiàn) 外，還可通過光學(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)高密度微納自清潔結(jié)構(gòu)，所得結(jié)構(gòu)如圖3所示。 圖4為利用圖1所示的方案，通過四光束激光干涉光刻獲得的有序納米陣列結(jié)構(gòu)， 特征尺寸約200nm。
權(quán)利要求
一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作自清潔表面結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于使用一個(gè)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)形成微米或納米級(jí)密集的柱形或錐形浮雕結(jié)構(gòu)，形成自清潔結(jié)構(gòu)，從而獲得超疏水膜，降低粘滯現(xiàn)象，有利于附著物脫離材料表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于也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自清潔結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，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。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項(xiàng)所述的方法，也可以使用二光束或者三光束干涉條紋圖案 輔助兩次曝光被加工材料表面，制成自清潔結(jié)構(gòu)，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)期的表面自清潔浮雕結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4任一項(xiàng)所述的方法，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)自清潔表面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任一項(xiàng)所述的方法采用的自清潔表面自清潔結(jié)構(gòu)的多光束激光 干涉光刻系統(tǒng)，其特征在于該系統(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)浮雕結(jié)構(gòu)的參數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，該系統(tǒng)的光刻特征尺寸通過用線位移或角位移控制系 統(tǒng)改變?nèi)肷涔獾膴A角以實(shí)現(xiàn)從幾納米到幾百微米可調(diào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，通過光學(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)高密度微納米自清潔結(jié)構(gòu)，從而形成高密度自清潔結(jié)構(gòu)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種采用激光干涉光刻技術(shù)制作自清潔表面結(jié)構(gòu)的方法及系統(tǒng)，其特征是用激光干涉光刻系統(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光件材料表面，在大面積范圍內(nèi)產(chǎn)生微米或納米級(jí)密集的柱形或錐形浮雕結(jié)構(gòu)，從而獲得超疏水膜，極大地降低粘滯現(xiàn)象，有利于材料表面附著物如灰塵及液體等脫離材料表面，形成自清潔功能，用該方法在材料表面產(chǎn)生的自清潔微細(xì)結(jié)構(gòu)，由于沒有外來材料，更穩(wěn)定耐用，并且通過調(diào)整干涉光刻系統(tǒng)入射角可以連續(xù)調(diào)整結(jié)構(gòu)的周期和尺寸從納米到微米級(jí)，使納米、微米和微納米雙重結(jié)構(gòu)成為可能。
文檔編號(hào)G03F7/20GK101844272SQ201010101488
公開日2010年9月29日 申請(qǐng)日期2010年1月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月27日
發(fā)明者劉國(guó)強(qiáng), 宋正勛, 張錦, 徐佳, 王作斌, 翁占坤 申請(qǐng)人:長(zhǎng)春理工大學(xué);中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所