自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，將玻璃基體置于具有混合反應氣體的反應室中實施等離子體刻蝕制程，通過控制刻蝕參數(shù)使刻蝕過程中在玻璃基體的表面生成的納米級島狀聚合物薄膜作為刻蝕過程的掩膜，以使在所述的玻璃基體的表面生成隨機分布的折射率漸變的錐形減反射微納結構。本發(fā)明無需任何掩膜技術僅需調整反應離子刻蝕的工藝即可在基體表面制備減反射效果明顯的亞波長微結構，突破模版技術的諸多限制，大大簡化了工藝流程；可以在不同種類的玻璃表面制備亞波長微結構，突破材料的限制；可以應用在任意形狀光學元件表面而不會破壞原來結構，有利于實現(xiàn)具有復合功能的光學元件，有利于光學系統(tǒng)的集成化、小型化。
【專利說明】自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微納米加工和微納米光學材料領域，具體涉及一種基于自掩膜刻蝕技術的亞波長減反射微納結構的制備方法。

【背景技術】
[0002]高折射率材料所具有的高反射效率導致光學系統(tǒng)中能量不必要的損失，增透膜由于具有合適的低折射率能夠降低反射以改進光學系統(tǒng)的質量。常用的光學基底如玻璃折射率約為1.5，增透膜的最佳折射率約為1.22，而現(xiàn)有的材料最小折射率為1.35左右，限制了物理減反射膜層的制備。而且物理鍍膜的過程中容易引入雜質，降低光學元件的損傷閾值，影響他在高功率激光領域的應用。化學膜可以通過納米多孔膜的形式實現(xiàn)低折射率，這種材料由一定體積的空氣和基體材料組成，它的特征尺寸遠小于光波波長，根據等效介質理論可以等效為一層光學薄膜，但是化學膜的納米多孔形態(tài)具有很強的吸附性能，化學膜的抗污染性能差以及長時間穩(wěn)定性不好，限制了其大規(guī)模應用。
[0003]亞波長表面結構是一種低折射率合成材料，這種材料由一定體積的空氣和基體材料組成，根據等效介質理論可以等效為一層減反射層。它的折射率可以通過調節(jié)體占空比來達到所需要的低折射率。這種結構由于直接在材料本體上制備，可以避免雜質材料的引入，具有很高的損傷閾值，而且具有很好的機械性能和熱穩(wěn)定性。微結構具有開放式結構，吸附性能低，抗反射穩(wěn)定性好，具有很好的替代物理膜和化學膜的優(yōu)勢。制備這種材料常用的光刻法受到光學衍射極限的限制不能制作更小特征尺寸的結構，而且制備過程極為復雜，造價昂貴，不適用于大批量工業(yè)化應用；而電子束衍射由于制備周期長，造價高昂，樣品尺寸小等影響其廣泛的應用；納米平板印刷術利用膠體微球自組裝作為反應離子刻蝕模板制備亞波長減反射表面結構，自組裝技術很難制備大面積低缺陷密度的膠體微球模板成為制約其應用的主要因素。從以上介紹可知，需要提供一種高效低成本的加工方法來克服上述缺點。


【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明要解決的技術問題在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種高效低成本的基于自掩膜刻蝕技術的亞波長減反射微納結構制備方法。
[0005]為了達到以上目的，本發(fā)明提供了一種基于自掩膜刻蝕技術的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，將玻璃基體置于具有混合反應氣體的反應室中實施等離子體刻蝕制程，通過控制刻蝕參數(shù)使刻蝕過程中在玻璃基體的表面生成的納米級島狀聚合物薄膜作為刻蝕過程的掩膜，以使在所述的玻璃基體的表面生成隨機分布的折射率漸變的錐形減反射微納結構。
[0006]具體的，該方法包括以下步驟:
1)元件清洗步驟，對所述的玻璃基體進行表面清潔；
2)設備初始化步驟，對等離子刻蝕設備進行初始化操作以確保產生等離子體輝光放電以及刻蝕條件穩(wěn)定；
3)反應離子刻蝕步驟，控制刻蝕參數(shù)以利用干法刻蝕的草地效應對玻璃基體進行刻蝕處理；其中，所述的刻蝕參數(shù)包括等離子體的氣體組分和氣體流量、刻蝕工作氣壓、刻蝕功率和刻蝕時間。
[0007]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的等離子體的氣體組分包括CHF3、SF6以及He。
[0008]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的等離子體的氣體流量如下=CHF3流量為20?40sccm、He 流量為 100?200sccm、SF6 流量為 5?15sccm。
[0009]作為本發(fā)明進一步的改進，在所述的反應離子刻蝕步驟中反應離子刻蝕的功率為50?200w。
[0010]作為本發(fā)明進一步的改進，在所述的反應離子刻蝕步驟中反應室工作壓強為50?2000mtorr。
[0011]作為本發(fā)明進一步的改進，在所述的反應離子刻蝕步驟中刻蝕的時間5分鐘到60分鐘，反應離子刻蝕時間的不同得到的微納結構深度不同。
[0012]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的錐形減反射微納結構的特征尺寸小于實施的光波長。
[0013]作為本發(fā)明進一步的改進，所述的玻璃基體包括熔石英、K9玻璃、BK7或者普通玻璃中任意一種。
[0014]本發(fā)明的有益效果如下:無需任何掩膜技術僅需調整反應離子刻蝕的工藝即可在基體表面制備減反射效果明顯的亞波長微結構，突破模版技術的諸多限制，大大簡化了工藝流程；可以在不同種類的玻璃表面制備亞波長微結構，突破材料的限制；該方法可以應用在任意面型的光學元件表面而不會破壞原來的結構，有利于實現(xiàn)具有復合功能的光學元件，有利于光學系統(tǒng)的集成化、小型化。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1描述了隨機亞波長減反射微結構的產生過程；
圖2為玻璃表面的隨機亞波長微結構的俯視視角的掃描電鏡圖；
圖3為玻璃表面隨機亞波長微結構的側視掃描電鏡圖；
圖4示出了不同刻蝕參數(shù)下亞波長微結構的透射譜。

【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發(fā)明的較佳實施例進行詳細闡述，以使本發(fā)明的優(yōu)點和特征能更易于被本領域技術人員理解，從而對本發(fā)明的保護范圍做出更為清楚明確的界定。
[0017]依據本發(fā)明的實現(xiàn)方法基于自掩膜刻蝕技術，將玻璃基體置于具有混合反應氣體的反應室中實施等離子體刻蝕制程，通過控制刻蝕參數(shù)使刻蝕過程中在玻璃基體的表面生成的納米級島狀聚合物薄膜作為刻蝕過程的掩膜。包括以下步驟:
1)元件清洗步驟，依次用丙酮、異丙醇和去離子水對玻璃元件進行超聲波清洗；然后用硝酸和雙氧水的混合溶液在高溫下超聲波清洗；最后用去離子水漂洗和噴淋；
2)設備初始化和等離子體穩(wěn)定，以確認設備產生輝光放電，刻蝕參數(shù)可控；
3)反應離子刻蝕步驟，控制刻蝕參數(shù)以利用干法刻蝕的草地效應對玻璃基體進行刻蝕處理；其中，刻蝕參數(shù)包括等離子體的氣體組分和氣體流量、刻蝕工作氣壓、刻蝕功率和刻蝕時間。
[0018]在元件清洗步驟中，丙酮、異丙醇和去離子水超聲波清洗的時間為10分鐘；硝酸:雙氧水=3:1，加熱溫度50?120攝氏度，超聲波清洗的時間不少于90分鐘；去離子水噴淋時間不少于2分鐘。
[0019]在反應離子刻蝕步驟中，反應離子刻蝕的氣體組分和流量如下流量為20108(^1?流量為10(^2008(^134流量為5?158(^111 ；反應離子刻蝕的功率為50?200界，反應室工作壓強為50?2000缸01^ ；刻蝕的時間5分鐘到60分鐘，反應離子刻蝕時間的不同得到的微納結構深度不同。
[0020]經過反應離子刻蝕以后的樣品表面由隨機分布的折射率漸變的錐形減反射微納結構組成，錐形減反射微納結構的特征尺寸小于實施的光波長，該結構具有優(yōu)異的減反射性能。
實施例
[0021]首先，將待加工的玻璃樣片放置于丙酮中，超聲波清洗10分鐘；接著將玻璃樣片放置于異丙醇中，超聲波清洗10分鐘；然后將玻璃樣片放置于去離子水中，超聲波漂洗10分鐘；用去離子水噴淋2分鐘后干燥。
[0022]然后對反應離子刻蝕設備進行等離子體清洗和穩(wěn)定化操作，在初始化階段采用的參數(shù)分別為設備清洗參數(shù):反應離子刻蝕功率為1001，氣體組分為02，流量為503(1:1，反應室工作壓強為1001^01^，刻蝕時間5分鐘；穩(wěn)定化操作的參數(shù):反應離子刻蝕功率為1501，反應室壓強為500缸01^，3？6流量為流量為258。。！:！，抱流量為1508。。！:！ 8001,處理時間1分鐘。通過上述的等離子體清洗和穩(wěn)定化過程，設備達到穩(wěn)定的狀態(tài)，可以進行反應離子刻蝕階段。在該階段中，可以采用在以上范圍內的幾種參數(shù)組合，給出4組可選擇的對比例如下:
1號35800111 8？0 8800111 06 150800111 功率 150| 壓強 5001111:01^ 時間
30 ；
2號28800111 8？6 8800111 06 150800111 功率 150界壓強 5001111:01^ 時間
20 ；
3號35800111 8？0 12800111 06 150800111 功率 150界壓強 5001111:01^ 時間
30 ；
4號35800111 8？6 8800111 06 150800111 功率 150界壓強 2001111:01^ 時間20。
[0023]以上給出了自掩膜技術刻蝕減反射微結構的工藝參數(shù)研究的實例?？涛g中有三種狀態(tài):常規(guī)刻蝕；減反；毛玻璃。減反射結構產生的主要原因是通過刻蝕工藝的研究，使刻蝕過程中草地效應得以放大，以形成表面隨機微納米結構，實現(xiàn)減反射。
[0024]以下分別描述壓強、刻蝕時間、氣體組分對于減反射微結構的形成的作用。當改變刻蝕真空室中壓強，其他參數(shù)不改變，若壓強過高，如超過2000缸01^，形成的納米島狀薄膜過多，導致樣片表面產生的微掩膜過多，刻蝕的結果是粗糙度過大，得到毛玻璃；當壓強過低時如小于50^01^，形成納米島狀薄膜較少，而且低壓下等離子體轟擊作用變強進一步導致納米島狀薄膜被轟擊刻蝕掉，所以樣片表面不會產生微掩膜，狀態(tài)為常規(guī)刻蝕。
[0025]改變刻蝕時間可以發(fā)現(xiàn)，即使能夠刻蝕出減反射微結構的參數(shù)，長時間刻蝕如時間大于60分鐘仍然會使玻璃表面變毛，這是由于過度刻蝕所造成的。另外，隨著刻蝕深度的增加，樣品表面的錐形結構的橫向尺寸也會增加，會導致短波長部分的光的散射增加。根據理論，錐形結構的橫向尺寸要滿足如下條件才能避免散射:d〈(波長/2* n5SJg)其中n?sjg為玻璃的折射率；另一方面，錐形結構的深度必須要滿足如下條件才能達到最優(yōu)的寬帶減反射效果:h>0.4*波長，而且理論上深度越深，寬波長、減反射效果越好。當改變刻蝕氣體組分時可以發(fā)現(xiàn)，CHF3和SF6的氣體流量是制備這種亞波長微結構中關鍵的參數(shù)，CHF3更多的作用是產生一定的聚合物掩膜，He的主要作用是產生物理轟擊效果消除表面的聚合物掩膜，SF6更多的作用是玻璃進行刻蝕，但是CHF3和SF6均會產生一定的刻蝕作用。
[0026]通過上述結果分析可知，通過選取合適的工藝參數(shù)，減反射微結構的產生關鍵作用在于刻蝕過程中同時產生納米島狀聚合物薄膜作為進一步刻蝕的微掩膜而沉積在樣品的表面，通過控制合適的刻蝕參數(shù)以保持刻蝕室內中的納米島狀薄膜的生成速率和離子轟擊對納米島狀薄膜的去處速率達到一種平衡，導致穩(wěn)定的微掩膜的存在，以放大干法刻蝕中的草地效應，由于本發(fā)明的目的為在光源元件的表面形成減反射的結構，該結構在功能上等同于薄膜，并且等效于折射率漸變的膜層(遠離基體一側小，靠近基體一側大)，根據菲涅爾反射理論入射光因此消除了在該表面的反射現(xiàn)象，反應氣體中的He氣的作用有利于增加等離子體的物理轟擊作用，以保證反應過程中轟擊掉部分納米島狀薄膜穩(wěn)定微掩膜生成率。
[0027]參考圖2為自掩膜刻蝕得到的亞波長減反射微結構的掃描電鏡俯視圖，圖3為亞波長減反射微結構的掃描電鏡側視圖，該樣品具有優(yōu)異的減反射性能，從圖中可以看出樣品具有錐形結構，可以實現(xiàn)等效折射率漸變的特性，所以具有寬帶減反射的效果；而圖4為不同刻蝕參數(shù)下樣品的透射特性(對應于實施例中1、2、3、4參數(shù)的樣品)，從圖中可以看出隨著刻蝕時間的增加，樣品的減反射特性越來越好，這是由于刻蝕時間的增加，結構的深度越來越深，表面的錐形結構越容易實現(xiàn)寬帶減反射的效果。另外從圖4中可以看出，具有本發(fā)明結構的光學元件對于入射光均具有寬光譜減反射的效果，減反射波段從300nm?1400nmo
[0028]另外在上述實施例中，用于制備亞波長減反射微結構的樣品為玻璃，可以是熔石英、普通石英、普通玻璃、K9玻璃等，另外，本方面的這種減反射微結構的制備過程具有另一個意想不到的效果，即該過程不僅局限于平面，而且可以適用于任意面型，可以在其他有一定表面結構的元件表面進行加工制作。
[0029]以上對本發(fā)明所提供的一種基于自掩膜刻蝕制備亞波長減反射微結構的方法進行了詳細的介紹，本文中應用了具體個例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法和核心思想，同時，對于本領域的一般技術人員，依據本發(fā)明的思想，在【具體實施方式】及應用范圍上均有改變之處，綜上所述，本說明書內容不應理解為對本發(fā)明的限制。
【權利要求】
1.一種自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:將玻璃基體置于具有混合反應氣體的反應室中實施等離子體刻蝕制程，通過控制刻蝕參數(shù)使刻蝕過程中在玻璃基體的表面生成的納米級島狀聚合物薄膜作為刻蝕過程的掩膜，以使在所述的玻璃基體的表面生成隨機分布的折射率漸變的錐形減反射微納結構。
2.根據權利要求1所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:包括以下步驟: 1)元件清洗步驟，對所述的玻璃基體進行表面清潔； 2)設備初始化步驟，對等離子刻蝕設備進行初始化操作以確保產生等離子體輝光放電以及刻蝕條件穩(wěn)定； 3)反應離子刻蝕步驟，控制刻蝕參數(shù)以利用干法刻蝕的草地效應對玻璃基體進行刻蝕處理；其中，所述的刻蝕參數(shù)包括等離子體的氣體組分和氣體流量、刻蝕工作氣壓、刻蝕功率和刻蝕時間。
3.根據權利要求2所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:所述的等離子體的氣體組分包括CHF3、SF6以及He。
4.根據權利要求2所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:所述的等離子體的氣體流量如下=CHF3流量為2(T40sccm、He流量為10(T200sccm、SF6流量為5?15sccm。
5.根據權利要求2所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:在所述的反應離子刻蝕步驟中反應離子刻蝕的功率為5(T200w。
6.根據權利要求2所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:在所述的反應離子刻蝕步驟中反應室工作壓強為5(T2000mtorr。
7.根據權利要求2所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:在所述的反應離子刻蝕步驟中刻蝕的時間5分鐘到60分鐘。
8.根據權利要求1所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:所述的錐形減反射微納結構的特征尺寸小于實施的光波長。
9.根據權利要求1所述的自掩膜制備隨機亞波長寬帶減反射微結構的方法，其特征在于:所述的玻璃基體包括熔石英、K9玻璃、BK7或者普通玻璃中任意一種。
【文檔編號】G02B1/11GK104386645SQ201410546087
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年10月16日 優(yōu)先權日:2014年10月16日
【發(fā)明者】葉鑫, 蔣曉東, 黃進, 劉紅婕, 孫來喜, 周信達, 王鳳蕊, 周曉燕, 耿鋒 申請人:中國工程物理研究院激光聚變研究中心