CN101980083B - 激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法和系统，利用光的干涉特性，不同的曝光方法会产生不同孔径、孔间间距的图形。通过特定的光束组合方式，来调控干涉场内的光强度分布，用调制后重新分布的激光能量烧蚀被加工材料表面，从而产生特定结构图案。本系统由激光器，扩束器，分束器，反射镜，偏振片及上述光学元器件装置的机械卡具所组成，通过变换光学器件的相对摆放位置，改变照射到基片材料表面的相干光束的入射角，从而调整被加工材料表面的微细网孔结构的参数。该系统的光刻特征尺寸实现从几纳米到几百微米可调。通过光学相移方法，重复曝光或插补曝光以实现高密度微纳米过滤膜网孔结构。

Description

激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法
技术领域
本发明涉及一种制作过滤膜网孔结构的方法和系统，属于对过滤膜制备技术的改进和拓展。
技术背景
过滤膜技术在药物筛选、水质监测、环境工程等方面具有巨大的应用价值。该技术的核心元件是大量的尺寸选择性很强的网孔结构，根据不同需求，分别起到微滤、超滤和纳滤作用。
目前的过滤膜以能够截留原水颗粒的大小来分类，膜孔从粗到细分为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)。制模的材料大体有纤维类、合成树脂类和陶瓷类三种。纤维类的膜制备方法是用有机化合物和纤维素，在熔点以下的温度拉伸、热定型；陶瓷类的膜主要是以氧化铝、氧化钛、氧化锆等材料经一些特殊的化学物理工艺制备而成的多孔非对称膜。以上制作过滤膜网孔结构的方法都为直接利用化学和物理方法进行制备，使得网孔结构的参数可控性差、制造工艺复杂或成本很高。
有鉴于此，确有必要提供一种参数可控、能精确调整被加工材料表面微细结构参数、制造工艺简单、成本低、无二次污染的过滤膜网孔结构的制备方法及系统。
本发明采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构。利用光的干涉特性，不同的曝光方法会产生不同孔径、孔间间距的图形。通过特定的光束组合方式，来调控干涉场内的光强度分布，用调制后重新分布的激光能量烧蚀被加工材料表面，从而产生特定结构图案。本系统由激光器，扩束器，分束器，反射镜，偏振片及上述光学元器件装置的机械卡具所组成，通过变换光学器件的相对摆放位置，改变照射到基片材料表面的相干光束的入射角，从而调整被加工材料表面的微细网孔结构的参数。该系统的光刻特征尺寸实现从几纳米到几百微米可调。通过光学相移方法，重复曝光或插补曝光以实现高密度微纳米过滤膜网孔结构。
关于制作过滤膜网孔结构的技术参考：
1.杨福才.过滤膜的性能和对饮用水的应用.公用科技.1998，14(4)，pp.33-35.
2.余祖轩.过滤膜的性能及其在饮用水处理中的应用.山西建筑.2010，36(2)，pp.203-204.
3.李双、田贵山.几种陶瓷过滤材料的过滤机理研究.材料导报.2009，23(14)，pp.513-516.
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发明内容
本发明的目的在于克服现有制作过滤膜网孔结构方法和系统的不足而提出一种能精确控制微纳结构尺寸范围、不破坏功能结构稳定性、快速高效低成本的微纳米过滤膜网孔结构的制作方法和系统。
本发明的实现方法为：采用高峰值功率的脉冲激光器，利用光的干涉特性，分光后将多束相干光以特定方式组合，对干涉场内的光强度分布进行强弱调制，用调制后重新分布的高能量激光点烧蚀被加工材料表面形成微纳级网孔结构，不同的曝光方法会产生不同孔径、空间间距的图形。通过变换光学器件的相对摆放位置，变换照射到基片材料表面的相干光束的入射角度，从而调整被加工材料表面的微细网孔结构的参数，结合移动基片工件台或者干涉光学系统，用多光束干涉图案扫描曝光基片或材料表面，在大面积范围内形成微米或纳米级密集的网孔结构，从而形成过滤膜网孔结构，进而获得超滤膜或纳滤膜。
本发明与现有方法和系统相比有以下优点：
由于通过改变激光干涉光刻的光学参数，可调整基体材料表面微结构的参数，以最大程度地适应过滤膜网孔结构的要求，与现有的化学和物理制备方法相比，具有结构参数可控的优点。
由于利用激光干涉光刻方法在材料表面制备的纳米结构，可直接在薄膜材料上光刻过滤膜网孔结构，节省了大量的工艺过程，具有制造工艺简单的优点。
附图说明
图1为本发明采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的系统示意图。系统包括激光器1，扩束镜2，准直系统3，反射镜4，偏振器件5，分束与折光系统6，基片7。由激光器1发出的激光束经扩束镜2和准直系统3后，经反射镜4折转光路，通过偏振器件5将光束变成特定角度线偏振光，再由分束与折光系统6先将激光束分成多个相干光束，再将多束光的各个光路分别控制，使它们以一定的入射角同时照射到基片7上，利用多束相干光干涉场内光强度强弱重新分布后的激光能量烧蚀材料表面，在大面积范围内产生微米或纳米级密集的网孔结构，形成过滤膜网孔结构。
分束与折光系统6中的分束功能可以由镀有分光膜的光学分光镜或者衍射光栅实现；折光即光路的转折，可利用光学反射镜实现。通过变换光学器件的相对摆放位置，改变照射到基片或其它材料表面的相干光束的入射角，从而调整过滤膜网孔结构的参数，使其更有针对性，具有工作参数可控性好的优点。通过用线位移或角位移控制系统改变入射光夹角，可实现系统的光刻特征尺寸从几纳米到几百微米可调。也可以在光路中增加光学偏振器件，以提高干涉图形的对比度，从而提高表面微结构的制作效率和质量。
图2为本系统采用四光束激光干涉纳米光刻的方法制作过滤膜网孔的示意图。
具体实施方式
如图1所示，通过图1所示系统，采用四激光束组合，在基片材料表面上制作过滤膜网孔结构。经过分束与折光系统6出射的4束相干光产生干涉对基片7曝光形成过滤膜网孔结构。图2为本统采用四光束激光干涉纳米光刻的方法制作过滤膜网孔的原子力显微镜图。对于形成特定大面积网孔结构的方法，可在满足光能量阈值允许范围的基础上扩束后，结合移动基片工件台8或者干涉光学系统6，用多光束干涉图案扫描曝光基片7，形成大面积过滤膜网孔结构。
形成特定高密度过滤膜网孔结构方法，除通过减小激光波长或增大入射光夹角实现外，还可通过光学相移方法样品，然后重复曝光或插补曝光实现高密度微纳过滤膜网孔结构。

Claims (8)

1.一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，其特征在于，使用多光束激光干涉光刻系统，将多个相干激光束组合，对干涉场内的光强度分布进行强弱调制，用调制后重新分布的激光能量烧蚀被加工材料表面，在大面积范围内形成单层或多层微米或纳米级密集的柱形、锥形浮雕或孔结构，形成过滤膜的网孔结构，从而过滤空气和水中的杂质、细菌、病毒，提高净化空气和水的纯净度。
2.根据权利要求1所述的一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，可使用二光束干涉条纹图案辅助两次曝光被加工材料表面，制成过滤膜网孔结构，其特征在于，在第一次曝光的基础上，将吸附基片材料的工件台或者将干涉光学系统以预先设定的角度旋转，使干涉条纹图案与第一次曝光的图案成预先设定的角度，进行第二次曝光，利用两次干涉图案的强度叠加对基片材料表面进行烧蚀，以更简单灵活的方式产生预期的过滤膜网孔结构。
3.根据权利要求1所述一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，可使用四光束干涉一次曝光被加工材料表面，制成过滤膜网孔结构，其特征在于，形成的孔结构周围为零曝光线，因此不存在鞍点，中心与边缘的强度比大，这种曝光方式有利于加工深孔。
4.根据权利要求1所述一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，其特征在于，可以使用特定干涉图案直接大面积曝光涂覆有光敏材料的材料表面，然后刻蚀形成材料表面的微米或纳米级网孔结构。
5.根据权利要求1至4之一所述一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，其特征在于，利用激光干涉光刻技术，将多个相干激光束组合，在基片材料上形成孔径大小不同、孔间间距互异的纳米孔阵列，可将上述制备好的基片材料多层叠加，也可按孔径大小的不同依次排列，过滤空气和水中的杂质、细菌、病毒。
6.根据权利要求1至4之一所述一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，其特征在于，利用激光干涉光刻技术，将多个相干激光束组合，形成不同线宽的光栅结构，将制备好的基片材料多层叠加，按线宽的尺寸依次排列，提高空气和水的过滤纯净度。
7.根据权利要求1所述的一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，通过光学移相或机械位移样品，然后重复曝光或多次曝光插补以实现高密度微纳米过滤膜网孔结构，从而形成高密度过滤膜网孔结构。
8.根据权利要求7所述的一种采用激光干涉光刻技术制作过滤膜网孔结构的方法，其中高密度微纳米过滤膜网孔结构为微纳米二级孔柱结构。
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