基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水表面的方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水表面的方法，本发明包括如下步骤，(1)利用Matlab模拟四光束干涉图形，设定参数模拟出理想点阵模型。根据模拟参数来搭建激光干涉光学系统。由激光器发出的一束激光，经过分光系统分为四束光，入射角θ1＝θ2＝θ3＝θ4＝15°，相位角偏振角Ψ1＝Ψ2＝Ψ3＝Ψ4＝90°，四束光光强能量密度比为1∶1∶1∶1，四束光在硅片上干涉刻蚀出点阵结构。(2)处理刻蚀后的硅片利用超声振动去除表面粉尘污染物。(3)利用HF处理刻蚀的硅片，去除SiO2，得到接触角高达150°的微纳表面结构。
【专利说明】基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水表面的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水表面的方法，特别是利用激光干涉纳米光刻的方法在硅片上直接刻蚀，并经过氢氟酸处理，控制干涉光强和氢氟酸处理时间来达到的接触角高达150°的超疏水结构。
技术背景
[0002]近年来，超疏水表面的自清洁特性引起了研究者的极大兴趣，这种效应在生产和生活中有广泛的应用。单晶硅广泛应用于太阳能电池的制备，半导体材料以及微电子技术等多个领域，因此在硅表面制备超疏水结构具有很广泛的应用前景。目前对超疏水性结构的理论研究已经取得了大量的成果，在硅表面上制备超疏水结构的领域中，主要有以下几种制备技术:模板刻蚀法，气相沉积发，电化学方法和自组装技术等，制备方法存在实验条件苛刻，不容易实现，步骤繁琐，成本高等问题，激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水结构的方法克服了现有技术中的不足，步骤简单，制备周期短。激光干涉纳米光刻技术集激光、干涉和衍射光学及光学光刻于一体，应用于微细加工技术和微电子领域，其原理是，用激光干涉光刻系统，将多个相干激光束组合，对干涉场内的光强能量密度分布进行强弱调制，用调制后重新分布的激光能量烧蚀感光材料或者材料表面，在大面积范围内产生周期性的微米或纳米级结构。本发明采用HF酸处理的方法，除去刻蚀过程中在结构表面生成的Si02，控制干涉光束的光强能量密度、刻蚀时间和HF酸处理时间，得到超疏水结构。其制备工艺简单，容易实现，高效快捷，适用于大面积疏水结构的制备。更重要的是，其表面微细结构稳定性好，不易磨损，可以长期裸露在空气中同时保持良好的疏水特性。因此利用激光干涉纳米光刻技术制备超疏水表面具有很重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏结构的方法。其主要是利用激光干涉纳米光刻系统，实现四光束干涉，在硅片表面进行刻蚀，得到周期为5.5μπι的点阵结构。将刻蚀后的硅片用氢氟酸进行处理，得到接触角高达150°的超疏水结构。利用激光干涉纳米光刻在硅片上刻蚀的点阵结构，其具有很强的亲水性，在经过氢氟酸处理后，接触角高达150°，其原因在于，刻蚀过程中生成的Si02具有很高的表面能，使结构具有亲水性，氢氟酸将被氧化的Si02去除，降低了表面由于Si02引起的高表面能，得到了超疏水结构。利用化学腐蚀和化学沉积等方法制备超疏水结构，其工序繁琐，实验条件要求苛刻，制备周期长。利用激光干涉纳米光刻技术，制备工序简单，快速，超疏水结构稳定，为大规模，高效，低成本实现超疏水结构提供了一种技术方案。
[0005]本发明通过以下技术方案实现，具体步骤如下:
[0006]一种激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水结构的方法，其特征在于，包括如下步骤:[0007]I)利用Matlab模拟四光束干涉图形，设定参数，模拟出理想点阵模型。根据模拟参数来搭建激光干涉光学系统，由激光器发出的一束激光，经过分光系统分为四束光，入射角 θι = 9 2 = 9 3 = 94=15。，相位角奶=0。,炉2 =90。,炉3 =180。必=270。,偏振角 Ijr1 =V2= V3= V4 = 90°，四束光光强能量密度比为1:1:1: 1，四束光在硅片上干涉刻蚀出点阵结构。
激光器发出的一束激光，经过分光系统分为四束光，四束光在硅片上干涉刻蚀出点阵结构。
[0008]2)处理刻蚀后的硅片去除表面粉尘污染物。
[0009]3)利用氢氟酸处理刻蚀硅片，去除SiO2，得到接触角高达150°的表面结构。
[0010]步骤I)中所述激光器为大功率激光器，其波长为1064nm，频率为10Hz，脉冲持续时间为7ns ;分光系统是由高反镜，分光镜，半波片和偏振片组成，半波片和偏振片控制光束的能量，使相干涉光强能量密度为0.64JcnT2。
[0011]步骤I)中所述激光干涉光学系统:激光器发出的一束激光经高反镜片由第一个分光镜分出相互垂直的两束光，为光束I和光束2，再用分光镜将光束I分成两束光，为光束3和光束4，同理将光束和2分成两束光，为光束5和光束6，3、4、5、6四束光分别经高反射镜反射，相干涉在硅片表面。
[0012]步骤I)中采用的硅片为单晶P型抛光硅。
[0013]步骤2)中所述去除粉尘污染物为利用超声振荡去除残留在硅片表面的粉尘污染物。
[0014]步骤3)中所述氢氟酸的浓度为5%，将刻蚀后的硅片放入氢氟酸溶液中，浸泡3-5分钟，氢氟酸与SiO2反应，生成SiF4和H2O,将刻蚀过程中结构表面氧化的SiO2去除，经氢氟酸处理的硅片相比未经氢氟酸处理的硅片接触角明显提高。
[0015]步骤(I)和步骤(3)中所述的干涉光强度和氢氟酸处理时间影响硅片表面结构，控制干涉光强能量密度、刻蚀时间和氢氟酸清洗时间，使干涉光强能量密度为0.64Jcm_2，氢氟酸处理时间为3-5分钟，得到接触角高达150°的超疏水结构。
【具体实施方式】
[0016]实施例
[0017]首先利用Matlab模拟四光束干涉图形,得到将入射角设为Q1= Θ 2 = Θ 3 = Θ 4= 15。，空间角设为奶=0°,供2 =90°180'炉4 = 270°,偏振角设为V1= ψ2 = ψ3 = V4= 90°，四束光光强能量密度比为1:1:1: 1，时得到理想点阵模型。图1为四光束干涉系统光路图。激光器发出的激光经过高反镜1，分光镜2和3，到达干涉长为光路I ;经过高反镜1，分光镜2和4，高反镜5，到达干涉场为光路II ;经过高反镜1，分光镜2和4，高反镜6，进入干涉场为光路III ;经过高反镜1，分光镜2和3，高反镜8，进入干涉场为光路IV。图中，光路I为入射光束，光路II，III和IV为调制光束，四束干涉光束以中心轴对称分布，即为0° ,90° ,180° ,270°，入射角相同，通过波片和偏振器件精确控制各光束的光强和偏振角度，使干涉光强能量密度为0.64JcnT2，在干涉场形成周期为5.5 μ m的点阵结构。图2为实施例中的干涉结构图和Matlab模拟图。将刻蚀后的硅片放入超声振荡清洗仪，去除表面杂质，再用氢氟酸处理，将硅片放入浓度为5 %的氢氟酸溶液中浸泡3-5分钟，去除附着的SiO2，得到接触角高达150°的超疏水结构。图3是由氢氟酸处理的四光束干涉刻蚀硅片表面结构。图4为结构表面水接触角测量图片，接触角高达152.3°。
【权利要求】
1.基于激光干涉纳米光刻在硅片上制备超疏水表面的方法，其特征在于，包括如下步骤:1)利用Matlab模拟四光束干涉图形，设定参数模拟出理想点阵模型。根据模拟参数来搭建激光干涉光学系统。由激光器发出的一束激光，经过分光系统分为四束光，入射角=Θ 2 = 9 3 = 94=15。，相位角奶=0°必=90°,妁=180°，炉4 =270°，偏振角 11^= ψ2 =Ψ3= Ψ4 = 90°，四束光光强能量密度比为1: 1: 1: 1，四束光在硅片上干涉刻蚀出点阵结构。2)处理刻蚀后的硅片去除表面粉尘污染物。3)利用氢氟酸处理刻蚀硅片，去除Si02，得到接触角高达150°的表面结构。
2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤1)，其特征在于:激光器波长为1064nm，频率为10Hz，脉冲持续时间为7ns ;分光系统是由分光镜，高反镜，半波片和偏振片组成，半波片和偏振片控制干涉光束的光强能量密度，使四束干涉光束光强能量密度相同。
3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤1)，其特征在于:干涉光强能量密度为0.64Jcm-2 ;刻蚀时间为60s。
4.根据权利要求1所述方法，所述步骤2)，其特征在于:超声振荡清洗硅片，除去表面粉尘污染物。
5.根据权利要求1所 述方法，所述步骤3)，其特征在于:氢氟酸的浓度为5%，处理时间为3-5分钟。
【文档编号】B81C1/00GK103663358SQ201310204741
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年5月23日 优先权日:2012年9月20日
【发明者】王作斌, 李文君, 王大鹏, 张子昂, 赵乐, 董莉彤, 宋正勋 申请人:长春理工大学