CN1274395C - 透孔箔的生产方法及其在生产微米和亚微米过滤器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种生产透孔箔的方法。本发明方法包括下述步骤：准备厚度为5微米至几十微米的箔，该箔可以通过平版印刷操作来刻蚀；在该箔的一表面上制作掩蔽层，所述掩蔽层的刻蚀选择性S至少等于5；在所述掩蔽层上沉积一光敏树脂层；采用平版印刷在所述树脂层中制作透孔；从掩蔽层中的孔各向异性刻蚀穿透所述箔，以在箔中制作形状系数大于5的孔。本发明适用于生产微米与亚微米过滤器。

Description

透孔箔的生产方法及其在生产微米和 亚微米过滤器中的应用
技术领域
本发明涉及透孔箔(薄片)和透孔膜片的生产方法，该方法用于生产具有标定的(定尺度的)圆柱孔的微米与亚微米过滤器，还涉及如此得到的所述箔、膜和过滤器。
背景技术
所述过滤器应用于非常广泛的技术领域，例如空气过滤，更一般地气体过滤、液态流出物过滤，特别地切向过滤，粉末分离或粉末按大小分类过滤。
该类过滤器在农产食品加工业、制药业、气体或液体排放物处理领域、无粉尘纯气体生产与供应领域中都有应用，更一般地在所有需要分离与过滤步骤的工业领域中都有应用。
在电介质材料、复合材料(光子晶体)或金属材料中制造微孔网格(或孔网格)也会引起其它应用领域的注意，例如VUV、UV、可见光、IR光学仪器业和X射线。
目前，可以采用各种各样的技术制造不同类型的过滤器。
对于切向过滤，最经常使用的过滤器是用氧化铝或石墨载体载带的氧化铝或烧结氧化锆过滤器。所述过滤器一般是管形的，其壁多孔，管直径为cm级，长10-20cm。
用烧结材料制成的所述过滤器，尽管被大规模使用，但价格相对较贵，也有许多缺陷和局限性。首先，烧结材料的孔不是直的，而是非常弯曲，并且其截面沿其孔道而改变。所述孔的这种几何形状可造成孔很快被堵塞，采用回流方法消除过滤器堵塞也会变得非常困难，甚至不可能。其次，所述烧结材料的平均孔径分布一般不集中在平均值附近。
因此，需要高可靠性分离的应用就会拒绝采用此类具有所述分布的过滤器。最后，烧结材料的固有表面粗糙度不利于流体的良好流动，对于切向过滤尤其如此。另外，改变蜿蜒曲折的孔的表面的物理-化学性质显然是很困难的，甚至是不可能的。
另一种熟知的技术是制造聚砜类聚合物材料的多孔薄膜。通过将薄膜置于一种具有能量非产高的离子流的加速器中，沿着穿过薄膜的离子轨迹的优选化学侵蚀作用，可以得到所述多孔薄膜。
关于利用沿着受到高能离子轰击的聚砜中的离子轨迹的优选化学侵蚀作用的技术，所述孔具有直的轨迹，并且其直径偏离平均值很小(这取决于化学侵蚀的时间)。然而，表面上孔的分布是随机的，以致于两次或多次相邻离子碰撞可能造成孔的直径明显高于孤立碰撞所达到的直径。最后，聚砜薄膜是极脆的，这极大地限制了其应用领域。
另一种不太为人们所知的技术是采用穿过掩蔽层对硅的等离子刻蚀在硅片中打孔的技术，然后使所述硅片变薄，直到所述孔开通形成孔网格。
在硅片中刻蚀过滤器的情况中，通过传统的平板印刷技术与等离子体各向异性刻蚀技术(例如参见Michel Pons，Jacques Pelletier，OlivierJoubert的《用SO2/O2等离子体各向异性刻蚀聚合物》(《Anisotropicetching of polymers in SO2/O2 plasmas》)(应用物理杂志(J.Appl.Phys.))，75(9)，1994年5月1日)可以得到具有高单位面积密度(高孔隙密度)的标定的孔的网格。可惜，所述技术有许多缺陷和局限性，即：i)需要使硅片变薄(典型地500微米至零点几微米)，以便避免通过过滤器的通量(流量)的压头损失过大；ii)该方法局限于现有的最大硅片尺寸；iii)过高的原材料成本(厚度大的单晶，其与工业过滤中使用的过滤器不相容)；iv)使用易脆材料制造的过滤器具有脆性(冲击，应力)；v)不可能使得到的过滤器成形(管，封闭)；vi)不稳定的抗腐蚀性(受强碱和某些酸溶液的腐蚀)。
发明内容
本发明的目的在于实现薄过滤膜，该膜具有高单位面积密度的标定的圆柱孔的网格。
根据本发明，制造一种过滤膜的方法主要包括下列操作步骤：
A)准备厚度5微米至几十微米的箔，所述箔适合于用平版印刷操作来刻蚀；
B)在该箔的一表面上制作掩蔽层，所述掩蔽层的刻蚀选择性S至少等于5，该选择性S被定义为箔材料的刻蚀速度VF与掩蔽层的刻蚀速度VM之比；
C)在掩蔽层上沉积一光敏树脂层；
D)按照待制孔的构型，用平版印刷在树脂层中制造透孔；
E)通过树脂层中的孔，刻蚀穿透掩蔽层；
F)从掩蔽层中的孔各向异性刻蚀穿透所述箔，以在箔中制出具有形状因子大于5的孔，该形状因子定义为孔深度与其直径之比。
在优选的实施方式中，该方法还包括一个或多个下列操作步骤：
-该方法包括将所述箔切成单个(个体)的膜片；
-使用由金属材料制成的箔；
-采用干涉法通过转移孔构型的图象达到在树脂层中制孔；
-光敏树脂还构成掩蔽层；和
-在等离子体中进行刻蚀操作中的至少一个。
如果箔对于平版印刷操作太粗糙的话，其表面应该进行化学或电化学抛光预处理。
为了制造一种过滤器，所述箔或由所述箔切成的膜片以平片方式或卷成管使用，并且被固定在支承体上，如同已知的那样。
某些操作步骤可以合并成单个步骤，或可以包括多个步骤，例如制造接续的层。
优选地用金属材料制成的原料箔可以是大尺寸片形或卷形。变化地，该箔是由聚合物材料或复合材料制成的，或覆盖一层金属膜。
可以采用任何已知的方法制造掩蔽层。
碳可以有利地用作溅射掩蔽层，因为它的溅射效率一般比金属的溅射效率低得多。
通过沉积树脂层(光敏树脂、电敏树脂、对X射线敏感的树脂等)和使树脂暴露于能量流(UV、光子、电子、X射线等)，可以制作出图象。该树脂可以在需要时同时用作树脂与掩蔽层(适用于在氧等离子体中硅烷化的树脂)。
为了在等离子体中进行极高形状因子的深度刻蚀，可以采用下列气体：
1)刻蚀气体，其能通过由离子轰击诱发的化学反应与构成金属箔或薄膜的金属或元素形成挥发性的反应产物。必要的条件是存在与构成该薄膜的元素的稳定的挥发性化合物；
2)或者反应性不高或没有反应性的气体(纯的或混合的稀有气体)，所述气体能通过高能离子轰击溅射该薄膜。
在第一种情况下，为了达到等离子体完美地各向异性刻蚀，可以实施下列方法：
a)低温刻蚀，该方法能够减缓自发的化学刻蚀动力，直到使所述动力几乎变为零；
b)借助保护性沉积，具有壁的横向钝化作用的刻蚀，其自发的化学刻蚀动力低于保护性沉积的生长速度；
c)具有阻断自发反应动力的刻蚀，该阻断是通过在壁上竞争性吸收抑制所述自发反应的反应元素而达到的；
d)具有通过位阻效应阻断自发反应动力的刻蚀(适于用原子半径显著改变的卤素的刻蚀)。
如果必要，刻蚀操作后除去掩蔽层。
所述膜片优选地是在连续箔或薄膜(聚合物、金属带)中制成的，该箔或薄膜具有米级的宽度，并且每个都提供多个膜片。优选地，采用类似于微电子中使用的集合生产法，通过所述箔的顺序通过，可以在平面上、在线(流水式)进行生产。每次通过时，该箔前进一步，从一个工位进到下一个工位，每个工位对应于生产方法中的一次操作或一次子操作。
根据本发明方法的一种优选实施方式，在箔的顺序行进过程中相继地进行全部所述操作步骤。
根据本发明方法的一种优选实施方式，还包括将所述箔或由所述箔切割出的膜片卷成圆柱和将其边焊接的操作。
根据本发明，还提供一种由根据本发明方法制造的具有透孔的箔或膜片，其中所述透孔制成为具有形状因子大于5的孔。
根据本发明，还提供一种由上述本发明的箔或膜片制成的具有标定的圆柱透孔的过滤器，所述透孔的直径为十分之一微米或以下至几十微米。
为了生产管状过滤器，打孔的膜片卷成圆柱形，然后边对边进行焊接。优选地，用于焊接的部位无孔，这样在平板印刷或刻蚀操作期间需要保护这些部位。
为了生产平面过滤器，可以在需要时将该膜片固接在支承体上。
除了在线生产方法可以达到高生产率、低成本之外，根据本发明，使用薄膜片生产过滤器还具有下列优点：
a)减少了生产步骤(例如，不需要减薄步骤)；
b)有可能生产任何形状和任何尺寸的过滤器；
c)特别是，金属过滤器具有良好的机械耐久性；
d)用难熔金属箔生产的过滤器具有良好的耐高温性；
e)根据过滤器的组成而具有良好的耐腐蚀性；
f)由于孔的精确标定而具有很高的分离可靠性；
g)过滤器表面的粗糙度小；
h)所述过滤器具有圆柱透孔，可以通过回流非常有效地消除堵塞；
i)所述孔没有蜿蜒曲折，可以采用物理化学方法有效处理其表面；
j)孔的高单位面积密度能够过滤大流量的物流(液体、气体、粉末)。
根据本发明，能够制造具有高单位面积密度的微米或亚微米标定的孔的过滤器。
所述管尺寸可以与现有管尺寸相同。管壁厚度可以根据孔径而取5微米至几十微米。事实上，如果孔径小并且不想非常显著地降低孔传导性，优选地是相应地降低孔长度(并且因此降低膜片厚度)。不过，减少膜厚度还会增加其脆性，这样可能需要使用支承体或机械加强件(格栅等)。
对于微过滤的应用，应该提供较宽范围的孔径，从十分之一微米或以下直到几十微米。如果孔径等于孔之间的距离，孔密度由孔径决定：孔径0.5微米时为108孔/cm2，孔径5微米时为106孔/cm2，孔径50微米时为104孔/cm2，等。
附图说明
下列附图表示：
-图1表示根据本发明制造的包括孔格的箔的垂直剖面和俯视示意图；
-图2表示实施本发明制造方法的实施例的连续步骤示意图。
具体实施方式
在图1中，图的上部是包括孔格的箔的一部分的垂直剖面图，图的下部是该箔的部分俯视图。
作为例子，所述箔是金属箔，例如厚度为10微米的钼箔，所述孔形成了方网格(阵列)，每个孔的直径为0.5微米，深度10微米(即形状因子为20)，其间隔为0.5微米，即单位面积密度为108孔/cm2。
实施下述步骤可以制造所述网格(图2)：
(1)在箔F上沉积由厚度为1微米的铝层构成的掩蔽层M；
(2)在掩蔽层上沉积厚度为1.2微米的光敏树脂层R；
(3)采用干涉法将孔格图象转移到树脂R上，并且采用微电子技术使树脂显影；
(4)使用含氯、溴或碘的气体，通过树脂层的孔刻蚀掩蔽层；
(5)除去残留树脂(可选地)；
(6)使用氟基气体，穿过掩蔽层的孔，各向异性刻蚀膜F；
(7)除去掩蔽层(可选地)。
当所述箔在一连串工位的其中一个工位上停止时，实施每个操作步骤，同时步进地移动所述箔通过所述一连串工位。
如有必要，可在同一工位上相继地进行多个操作。
然后，根据过滤器的尺寸切割该箔来提供一个或多个膜片，所述膜片被固定在能使膜片作为过滤器使用的支承体上。
本发明不限于所述实施例，该实施例只是作为说明给出的。

Claims (10)

1.生产透孔箔的方法，该方法包括下列操作步骤：
A)准备厚度5微米至几十微米的箔，该箔适合于采用平版印刷操作进行刻蚀；
B)在所述箔的一表面上制作掩蔽层，所述掩蔽层的刻蚀选择性S至少等于5，该选择性S定义为箔材料的刻蚀速度VF与掩蔽层的刻蚀速度VM之比；
C)在掩蔽层上沉积一光敏树脂层；
D)按照待制孔的构型，采用平版印刷在树脂层中制造透孔；
E)通过树脂层中的孔，刻蚀穿透掩蔽层；
F)从掩蔽层中的孔各向异性刻蚀穿透所述箔，以在箔中制出具有形状因子大于5的孔，该形状因子定义为孔深度与其直径之比。
2.根据权利要求1的方法，其包括将所述箔切割成单个的膜片。
3.根据权利要求1或2的方法，其中使用用金属材料制成的箔。
4.根据权利要求1或2的方法，其中通过采用干涉法转移孔构型的图象来在树脂层中制孔。
5.根据权利要求1或2的方法，其中所述树脂还构成所述掩蔽层。
6.根据权利要求1或2的方法，其中所述刻蚀操作的至少一个是在等离子体中进行的。
7.根据权利要求1或2的方法，其中在箔的顺序行进过程中相继地进行全部所述操作步骤。
8.根据权利要求1或2的方法，其包括将所述箔或由所述箔切割出的膜片卷成圆柱和将其边焊接的操作。
9.由根据权利要求1-8任一项的方法制造的具有透孔的箔或膜片，其中所述透孔制成为具有形状因子大于5的孔。
10.由根据权利要求9的箔或膜片制成的具有标定的圆柱透孔的过滤器，所述透孔的直径为十分之一微米或以下至几十微米。
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