专利名称：采用激光干涉光刻技术制作自清洁表面结构的方法和系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用激光干涉光刻技术制作材料自清洁表面结构的方法和系统， 属于对仿生自清洁表面结构制备技术的改进。
背景技术：
目前建筑上常被采用的耐沾污方法之一是选用低表面能的材料，涂覆在建筑物表 面，污染物就很难稳定附着在漆膜表面。一些自清洁钢化玻璃也采用TiO2复合溶液喷涂法。 但是由于这些自清洁膜的材料与基体材料的成分不同，其不同的化学和物理性质将导致其 附着力和耐久性受限。并且在钢化玻璃的制造过程中经过不同的温度处理，自清洁膜层的 晶型不一样，性能也不同，另外烘干速度大小直接影响晶胞尺寸，从而影响其表面特性。最近研究人员受荷叶自清洁机理的启发，制做保持较长时间的仿生自清洁超疏水 表面膜。荷叶表面除了覆盖着一层表面能较低的植物蜡外，蜡质层下的微观结构对其自清 洁功能的贡献起着主要作用。这些微结构由众多微米级的乳突所组成，每个微米级的乳突 又由许多纳米级的小突起构成，表面的浸润性可从水或油的接触角大小来判断。这种微纳 米二级结构，尤其是纳米结构使荷叶表面具有大的水接触角和超疏水性。通常荷叶表面的 水接触角为160°，水珠在其上可以自由滚动。荷叶表面的浸润性是由表面蜡质层和其下 微结构共同构成，但其微结构对浸润性贡献更大。这给人以启迪，只要构筑合适的仿生微结 构，没有低表面能物质也可获得类荷叶的自清洁效应。疏水膜的疏水能力不但受到膜表面形貌的影响，还与这些形貌的微构造的排列及 连接方式紧密相关。独立、非连续的柱状排列有利于获得超疏水膜，且其动态前进、后退角 差异较小，几乎无粘滞现象，有利于液滴迅速脱离柱头，易于滑落，而这种微结构正是多光 束激光干涉图形的显著特点。目前在30nm分辨率的范围内，市场上主要有三种直写光刻技术离子束光刻 IBL(ion beamlithography)、电子束光亥Ij EBL(electron beam lithography)禾口扫描探头 光刻SPL(scanningprobe lithography)。SPL可以用功能化的原子力显微镜AFM(atomic force microscope)或扫描隧道显微镜 STM(scanning tunnelling microscope)来完成。 由于这三种技术均采用耗时的顺序工作方式，其缺点是速度非常慢，不适合批量生产。另一 种相关的技术是纳米压印NIL (nano imprint lithography)。NIL提供了一种低成本批量 生产纳米表面结构的途径，但其压印的物理特性决定了它的严格使用条件。否则，不完善的 表面结构就可随时产生。该技术的缺点是只能使用在清洁的平面，并且它的模板图案形状 是固定的。关于自清洁表面技术参考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.
发明内容
本发明的目的在于克服现有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、快速高效低成本的自清洁表面结构的制作方法和系统。
本发明的目的通过以下技术措施实现(1) 一种采用激光干涉光刻技术制作自清洁表面结构的方法，其特征在于使用 一个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微米或 纳米级密集的柱形或锥形浮雕结构，形成自清洁结构，从而获得超疏水膜，降低粘滞现象， 有利于附着物脱离材料表面。(2)也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自清洁结构。(3)被曝光或烧蚀的基片材料表面是平面、非平面或任意不规则曲面。(4)也可以使用二光束或者三光束干涉条纹图案辅助两次曝光被加工材料表面， 制成自清洁结构，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 产生预期的表面自清洁浮雕结构。(5)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，形成超大面积微纳结构自清洁表 面。(6) 一种自清洁表面自清洁结构的多光束激光干涉光刻系统，其特征在于该系 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夹持与调节机构所 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浮雕结构的参数。(7)该系统的光刻特征尺寸通过用线位移或角位移控制系统改变入射光的夹角以 实现从几纳米到几百微米可调。(8)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 微纳米自清洁结构，从而形成高密度自清洁结构。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 最大程度地适应自清洁要求，与现有的化学和电化学制备方法相比，具有结构参数可控性 好的优点。由于利用激光干涉光刻方法在材料表面制备的纳米结构自清洁功能结构层，是在 基体自身上形成的，与涂膜方法相比，没有附加外来的材料，因此具有良好的稳定性和耐久性。由于制作过程中作用于材料的激光干涉场的大小，决定于反射镜、准直镜等光学 元件的通光孔径，容易做到对基片大面积同时曝光。因此与激光扫描纳米织构化的方法相 比，具有表面结构尺寸可控、面积大、效率高、适合低成本大批量生产的优点，而且其特征尺 寸、形状及周期从几纳米到微米级连续可调。与其它直写纳米光刻技术相比，直接激光干涉 纳米光刻具有大面积、适合于二 /三维低成本及高效制造纳米表面自清洁结构的优点。
图1为本发明的采用激光干涉光刻技术的自清洁表面结构的制作系统示意图。图2为二光束或三光束多次曝光方法示意图。图3为用干涉图案结合扫描方式制作超大面积微纳自清洁表面结构的示意图。图4为四光束激光干涉纳米光刻获得的有序柱状阵列结构。
具体实施例方式如图1所示，本发明的采用激光干涉光刻技术的自清洁表面结构的制作系统包括 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2和准直3后，被反射镜4折转光路，通过偏振器件5将光束变成线 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柱形或 锥形浮雕结构，形成自清洁表面结构。所述的分束与折光系统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，从而调整自清洁表面的微细浮 雕结构的参数，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，实现系统的光刻特征尺寸可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。如图2所示，也可以使用二光束或者三光束干涉条纹图案辅助两次曝光基片材料 表面，制成自清洁结构。经过分束与折光系统6出射的二光束或者三光束，对基片7曝光后， 将吸附基片的工件台10或者将分束与折光系统6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表面自清洁浮雕结构。移动挡 板9挡住或放开三光束中的中间一束，即可在三光束和二光束之间转换。如图3所示，形成特定大面积自清洁结构的方法，也可以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10或者干涉光学系统6，用多光束干涉图案8扫 描曝光基片7，形成超大面积微纳自清洁结构。形成特定高密度自清洁结构方法，除通过减小激光波长或增大入射光夹角实现 外，还可通过光学移相或机械位移样品，然后重复曝光或多次曝光插补实现高密度微纳自清洁结构，所得结构如图3所示。 图4为利用图1所示的方案，通过四光束激光干涉光刻获得的有序纳米阵列结构， 特征尺寸约200nm。
权利要求
一种采用激光干涉光刻技术制作自清洁表面结构的方法，其特征在于使用一个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微米或纳米级密集的柱形或锥形浮雕结构，形成自清洁结构，从而获得超疏水膜，降低粘滞现象，有利于附着物脱离材料表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于也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自清洁结构。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征也在于被曝光或烧蚀的基片材料表面是 平面、非平面或任意不规则曲面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，也可以使用二光束或者三光束干涉条纹图案 辅助两次曝光被加工材料表面，制成自清洁结构，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表面自清洁浮雕结构。
5.根据权利要求1-4任一项所述的方法，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， 形成超大面积微纳结构自清洁表面。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法采用的自清洁表面自清洁结构的多光束激光 干涉光刻系统，其特征在于该系统由激光器，扩束器，分束器，反射镜，偏振片及上述光学 元器件装置的夹持与调节机构所组成，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浮雕结构的参数。
7.根据权利要求6所述的系统，该系统的光刻特征尺寸通过用线位移或角位移控制系 统改变入射光的夹角以实现从几纳米到几百微米可调。
8.根据权利要求7所述的系统，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自清洁结构，从而形成高密度自清洁结构。
全文摘要
本发明涉及一种采用激光干涉光刻技术制作自清洁表面结构的方法及系统，其特征是用激光干涉光刻系统，将多个相干激光束组合，对干涉场内的光强度分布进行强弱调制，用调制后重新分布的激光能量烧蚀光件材料表面，在大面积范围内产生微米或纳米级密集的柱形或锥形浮雕结构，从而获得超疏水膜，极大地降低粘滞现象，有利于材料表面附着物如灰尘及液体等脱离材料表面，形成自清洁功能，用该方法在材料表面产生的自清洁微细结构，由于没有外来材料，更稳定耐用，并且通过调整干涉光刻系统入射角可以连续调整结构的周期和尺寸从纳米到微米级，使纳米、微米和微纳米双重结构成为可能。
文档编号G03F7/20GK101844272SQ201010101488
公开日2010年9月29日 申请日期2010年1月27日 优先权日2010年1月27日
发明者刘国强, 宋正勋, 张锦, 徐佳, 王作斌, 翁占坤 申请人:长春理工大学;中国科学院光电技术研究所