[发明专利]自掩膜制备随机亚波长宽带减反射微结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于微纳米加工和微纳米光学材料领域，具体涉及一种基于自掩膜刻蚀技术的亚波长减反射微纳结构的制备方法。

背景技术

高折射率材料所具有的高反射效率导致光学系统中能量不必要的损失，增透膜由于具有合适的低折射率能够降低反射以改进光学系统的质量。常用的光学基底如玻璃折射率约为1.5，增透膜的最佳折射率约为1.22 ，而现有的材料最小折射率为1.35左右，限制了物理减反射膜层的制备。而且物理镀膜的过程中容易引入杂质，降低光学元件的损伤阈值，影响他在高功率激光领域的应用。化学膜可以通过纳米多孔膜的形式实现低折射率，这种材料由一定体积的空气和基体材料组成，它的特征尺寸远小于光波波长，根据等效介质理论可以等效为一层光学薄膜，但是化学膜的纳米多孔形态具有很强的吸附性能，化学膜的抗污染性能差以及长时间稳定性不好，限制了其大规模应用。

亚波长表面结构是一种低折射率合成材料，这种材料由一定体积的空气和基体材料组成，根据等效介质理论可以等效为一层减反射层。它的折射率可以通过调节体占空比来达到所需要的低折射率。这种结构由于直接在材料本体上制备，可以避免杂质材料的引入，具有很高的损伤阈值，而且具有很好的机械性能和热稳定性。微结构具有开放式结构，吸附性能低，抗反射稳定性好，具有很好的替代物理膜和化学膜的优势。制备这种材料常用的光刻法受到光学衍射极限的限制不能制作更小特征尺寸的结构，而且制备过程极为复杂，造价昂贵，不适用于大批量工业化应用；而电子束衍射由于制备周期长，造价高昂，样品尺寸小等影响其广泛的应用；纳米平板印刷术利用胶体微球自组装作为反应离子刻蚀模板制备亚波长减反射表面结构，自组装技术很难制备大面积低缺陷密度的胶体微球模板成为制约其应用的主要因素。从以上介绍可知，需要提供一种高效低成本的加工方法来克服上述缺点。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种高效低成本的基于自掩膜刻蚀技术的亚波长减反射微纳结构制备方法。

为了达到以上目的，本发明提供了一种基于自掩膜刻蚀技术的自掩膜制备随机亚波长宽带减反射微结构的方法，将玻璃基体置于具有混合反应气体的反应室中实施等离子体刻蚀制程，通过控制刻蚀参数使刻蚀过程中在玻璃基体的表面生成的纳米级岛状聚合物薄膜作为刻蚀过程的掩膜，以使在所述的玻璃基体的表面生成随机分布的折射率渐变的锥形减反射微纳结构。

具体的，该方法包括以下步骤：

1）元件清洗步骤，对所述的玻璃基体进行表面清洁；

2）设备初始化步骤，对等离子刻蚀设备进行初始化操作以确保产生等离子体辉光放电以及刻蚀条件稳定；

3）反应离子刻蚀步骤，控制刻蚀参数以利用干法刻蚀的草地效应对玻璃基体进行刻蚀处理；其中，所述的刻蚀参数包括等离子体的气体组分和气体流量、刻蚀工作气压、刻蚀功率和刻蚀时间。

作为本发明进一步的改进，所述的等离子体的气体组分包括CHF₃、SF₆以及He。 

作为本发明进一步的改进，所述的等离子体的气体流量如下：CHF₃流量为20~40sccm、He流量为100~200sccm、SF6流量为5~15sccm。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中反应离子刻蚀的功率为50~200w。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中反应室工作压强为50~2000mtorr。

作为本发明进一步的改进，在所述的反应离子刻蚀步骤中刻蚀的时间5分钟到60分钟，反应离子刻蚀时间的不同得到的微纳结构深度不同。

作为本发明进一步的改进，所述的锥形减反射微纳结构的特征尺寸小于实施的光波长。 

作为本发明进一步的改进，所述的玻璃基体包括熔石英、K9玻璃、BK7或者普通玻璃中任意一种。

本发明的有益效果如下：无需任何掩膜技术仅需调整反应离子刻蚀的工艺即可在基体表面制备减反射效果明显的亚波长微结构，突破模版技术的诸多限制，大大简化了工艺流程；可以在不同种类的玻璃表面制备亚波长微结构，突破材料的限制；该方法可以应用在任意面型的光学元件表面而不会破坏原来的结构，有利于实现具有复合功能的光学元件，有利于光学系统的集成化、小型化。

附图说明

图1描述了随机亚波长减反射微结构的产生过程；

图2 为玻璃表面的随机亚波长微结构的俯视视角的扫描电镜图；

图3为玻璃表面随机亚波长微结构的侧视扫描电镜图；