一种宽光谱抗反射增透结构及其制备工艺及光栅的制作方法

本发明涉及光学器件领域，具体涉及一种宽光谱抗反射增透结构及其制备工艺及光栅。

背景技术：

随着光学玻璃在镜头、发光二极管、有机太阳能电池等光学器件和光学系统的广泛应用，其光学特性对器件和系统的性能影响越来越大，但是由于光学玻璃和空气界面处存在阻抗不匹配问题，因此大量入射光在界面处被反射而损失。因此，为了减少光学损失，为光学玻璃附加一种抗反射特性尤其重要。目前较为常用的方法是在光学玻璃表面制备一层抗反射光学薄膜，但是这种薄膜的材料选择范围有限，且仅具有单一的折射率，因此当薄膜厚度确定后仅在有限波段范围内可实现抗反，而且在薄膜和玻璃接触界面存在应力不匹配问题，这极大地限制了光学玻璃的应用范围。

在cn101308219a公开的文件中，记载了一个以单层纳米粒子为刻蚀阻挡层构筑抗反射微结构的方法，其采用单层的纳米粒子的阵列结构为刻蚀阻挡层，通过刻蚀后在基底上形成锥形的结构，该锥形的结构能有效提高基底的抗反射性能。但是，该方法仅仅适用于单层刻蚀，并且，结构刻蚀形成的锥形结构虽然在400-2400nm波段范围内可以有效抗反射，但也公开了不同粒径的微球制备出的成品在不同的波段具有不同的反射率，并且明确记载有在600-1200nm波段范围内平均反射率低于5％，在750-930nm波段处低于1.2％，但是在1000-1200nm波段范围内反射率是高于5％的。所以综合来看，该文件中制备获得的每个成品仍然只是在几个比较短的波段范围内实现较高效率抗反射，并且也无法证明该结构可以在250-800nm波段范围内实现高效率抗反射。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题在于：现有公开的抗反射微结构，每个成品只能在几个比较短的波段范围内实现高效率抗反射的问题；本发明提供了解决上述问题的一种宽光谱抗反射增透结构及其制备工艺。

一种宽光谱抗反射增透结构，包括衬底，还包括设置于所述衬底至少一侧表面的若干锥状抗反射结构，锥状抗反射结构的底部横向尺寸为20～150nm，分布密度为3～20根/um²；

统计每个锥状抗反射结构的高度，统计不同高度范围的锥状抗反射结构的数量，获得不同高度范围占所有锥状抗反射结构总数的百分比；即若干锥状抗反射结构在不同高度范围内的数量百分比分布为：

统计每个锥状抗反射结构的底部横向尺寸，统计不同底部横向尺寸范围的锥状抗反射结构的数量，获得不同底部横向尺寸范围占所有锥状抗反射结构总数的百分比；即所述若干锥状抗反射结构在不同底部横向尺寸范围内的数量百分比分布为：

将衬底分隔成若干个1um²的小格，统计每个小格中的锥状抗反射结构数量，并统计不同数量的锥状抗反射结构的小格在衬底上的分布；即所述若干锥状抗反射结构在衬底上的密度分布为：

一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺，包括：

步骤一、在衬底上设置光刻胶层，加热使光刻胶固定在衬底上形成掩膜层；

步骤二、采用等离子体轰击光刻胶层形成纳米纤维簇状的掩膜层；

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底进行刻蚀处理，去除纳米纤维簇状的掩膜层形成具有锥状抗反射结构的衬底。

所述步骤一中，光刻胶层设置在衬底的正反两面；光刻胶层的负载厚度为3～10μm；加热的温度为120℃，处理时间为20～40min。

所述步骤二中，先采用等离子体轰击光刻胶层使其形成纳米纤维状的结构，再继续用等离子体轰击纳米纤维状的结构使纳米纤维聚集后形成纳米纤维簇状的掩膜层。

所述步骤二中，等离子体轰击处理为采用氧等离子体、氩等离子体、氮等离子体中的任意一种等离子体进行轰击处理，或者其中的任意两种等离子体交替轰击处理。

所述步骤二中形成纳米纤维状的结构时采用的是氧等离子体处理工艺，其中，氧气的流量为30～60sccm，腔体压强为3～6pa，时间为30～50min，整个轰击过程保持腔体功率为180～220w；

所述步骤二中形成纳米纤维簇状的掩膜层时采用的是氩等离子体处理工艺，其中，氩气的流量为10～30sccm，腔体压强为1～3pa，时间为50～80min，整个轰击过程保持腔体功率为180～220w。

所述刻蚀工艺可以为反应离子刻蚀工艺或感应耦合等离子体刻蚀工艺；

在所述反应离子刻蚀工艺中，反应气体包括混合量为3～8sccm的六氟化硫和混合量为20～50sccm的三氟甲烷，流量为120～180sccm，刻蚀时间为40s～600s，保护气体为氦气。

一种微纳复合光栅结构，包括有所述的一种宽光谱抗反射增透结构。具体的，将若干锥状抗反射结构图形化的排列在衬底上，该衬底上形成的图形可以为圆形、方形、长条形，各图形横向尺寸大小从几个微米到几百微米，图形间距离为几个微米到几十微米，视增透波段而定。上述图形包括方形和长条形，所述图形的横向尺寸范围为2～10微米，所述图形之间的距离为2～10微米。

一种微纳复合光栅结构的制备工艺，与一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺相同，区别在于光刻胶层不同，制备光栅结构时，将光刻胶层进行图形化获得光刻胶图形，进而可在衬底上形成特定图形形状的掩摸层，进而通过后续刻蚀工艺制备成特定图形形状的锥状抗反射结构，既而获得相应图形结构的一种光栅结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

1.本发明的结构是在衬底上形成的不同高度且高度范围在260nm以下、底部横向尺寸在20～150nm、分布密度在3～20根/um²的锥状抗反射结构，并详细限定了抗反射结构的高度分布范围，即，设置100nm以下高度的抗反射结构的数量含量为0％～5％，100nm～150nm高度的抗反射结构的数量含量为50％～60％,150nm～200nm高度的抗反射结构的数量含量为25％～35％,200nm～260nm高度的抗反射结构的数量含量为10％～20％。通过锥状抗反射结构的设置，能极大地减小抗反射结构顶端为平台时的光线反射，通过上述不同高度范围的锥状抗反射结构的设置与抗反射结构的锥状形貌相结合，能显著的提高250～800nm波段范围内的平均透射率，使平均透射率达到97.5％，也就是在该波段内反射率可控制在低于2.5％，弥补了现有技术中的结构在该波长范围未实现的高抗反效率的缺陷，并且，本发明的结构比现有技术中所提的波长范围更宽，并且在该波段内的透射效果更优异。

2.现有技术中锥形结构的制备大多是采用纳米小球蚀刻法，如cn101308219a中，其采用的是先用相同直径大小的纳米小球涂覆在衬底上，通过等离子体刻蚀，控制纳米小球的直径大小，采用纳米小球作为掩膜然后再刻蚀，进而在衬底上形成锥形结构。该工艺虽然能够实现锥形结构的制备，但是要形成掩膜，该纳米小球必须是单层结构，如果纳米小球的尺寸大小不同，并不能有效在衬底上形成大面积排布的单层纳米小球，进而并不能有效实现后续刻蚀成锥形结构的目的；同时，采用纳米小球的方式，在粘接上存在缺陷，也难以在衬底的正反面同时形成纳米小球掩膜，也就难以实现衬底上双面纳米锥结构的制备。除此之外，单层排布的纳米小球的图形化更是存在很大的困难。本发明的制备工艺中，采用先在衬底上设置光刻胶，通过加热固定的方式将光刻胶固定在衬底上形成掩膜层，再采用等离子体轰击光刻胶，先使其被轰击成图形化的纳米纤维状掩膜层，继续通过等离子体轰击使较为分散的多个纳米纤维状结构收缩聚拢，进而形成尺寸不一的较为粗壮的纳米纤维簇，即形成图形化的纳米纤维簇状的掩膜层，最后通过尺寸不一的较为粗壮的纳米纤维簇作为刻蚀工艺的掩膜层，采用刻蚀工艺实现衬底上抗反射结构的制备。本发明中，由于刻蚀工艺中采用的反应离子刻蚀或感应耦合等离子体刻蚀工艺，该工艺具有明显的各向异性，同时也存在轻微的各向同性横向钻蚀，因此，在尺寸较小的纳米纤维簇下方会形成高度和底部横向尺寸较小的抗反射结构，在尺寸较大的纳米纤维簇下方则形成高度和底部横向尺寸较大的抗反射结构，通过纳米纤维簇的尺寸控制以及刻蚀工艺的配合，即可在衬底上形成不同高度、不同底部横向尺寸和不同分布密度，且高度范围在260nm以下、底部横向尺寸范围在20～150nm、分布密度范围在3～20根/um²的锥状抗反射结构。该方法不仅适用于衬底上大面积的单面抗反射结构的制备，并且还适用于衬底上大面积的双面抗反射结构的同时制备，效果十分显著；而且，本发明方法的工艺步骤中采用的是光刻胶设置、等离子体处理工艺以及刻蚀工艺，上述所有工艺均能适用于晶圆级加工工艺中，因此，本发明工艺还能有效适用于晶圆级加工。

3.本发明的宽光谱抗反射增透结构和制备工艺也可以与光栅集成，通过在衬底的正反面制备图形化的锥状抗反射结构，即，可以设置成长方形、圆形、椭圆形、正方形等规则或者其他不规则图形形状，进而形成集成多个图形化的锥状抗反射结构的光栅，该衬底为光学玻璃，锥状抗反射结构的图形尺寸为2～10微米。通过将多种复合亚波长结构相集成，可以进一步拓宽抗反射波段；即，本发明的设置可以扩展光栅的抗反射波长范围，实现200-2500nm波段，甚至更大波段范围的抗反高增透。

附图说明

为了更清楚地显示本发明的结构，本发明还提供以下附图。

图1为本发明制备工艺的模拟流程图。

图2为本发明的一种宽光谱抗反射增透结构的显微结构示意图。

图3为本发明的制备工艺中制备成的纳米纤维状的结构的显微结构示意图。

图4为本发明的制备工艺中制备成的纳米纤维簇状的掩膜层的显微结构示意图。

图5为本发明实施例2中无锥状抗反射结构和分别具备单面、双面锥状抗反射结构的产品在250～800nm波长范围内的抗反射能力的曲线图。

图6为本发明实施例2中具备单面锥状抗反射结构的产品和对比例1中具备单面锥状抗反射结构的产品在250～800nm波长范围内的抗反射能力的曲线图。

图7为本发明光栅的显微结构示意图。

具体实施方式

提供下述实施例是为了更好地进一步理解本发明，并不局限于所述最佳实施方式，不对本发明的内容和保护范围构成限制，任何人在本发明的启示下或是将本发明与其他现有技术的特征进行组合而得出的任何与本发明相同或相近似的产品，均落在本发明的保护范围之内。

实施例中未注明具体实验步骤或条件者，按照本领域内的文献所描述的常规实验步骤的操作或条件即可进行。所用试剂以及其他仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规试剂产品。

实施例1

一种宽光谱抗反射增透结构，包括：衬底，还包括设置于所述衬底至少一侧面的高度在260nm以下的若干锥状抗反射结构。统计每个锥状抗反射结构的高度，统计不同高度范围的锥状抗反射结构的数量，获得不同高度范围占所有锥状抗反射结构总数的百分比；即若干锥状抗反射结构在不同高度范围内的数量百分比分布为：

100nm以下:0％～5％,100nm～150nm:50％～60％,150nm～200nm:25％～35％,200nm～260nm:10％～20％。

并且，所述锥状抗反射结构贴合衬底一侧的端面直径为20nm～150nm。每平方微米的衬底上锥状抗反射结构的数量为3根～20根。

本发明通过不同高度的锥状抗反射结构在衬底上分布，并限制其尺寸数量，可以有效在250～800nm波段范围内在双面制备的情况下使平均透射率达到97.5％，也就是在这个波段内反射率可控制在低于2.5％，弥补了现有技术中所提的在该波长范围未实现的高抗反效率，并且在该波段内的透射效果更优异，具体效果参照图5所示的曲线图。

实施例2

一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺，如图1所示，包括：

步骤一、在衬底上设置光刻胶层，加热后形成掩膜层；所述光刻胶层可以通过喷涂、旋涂、粘贴、压印固化等方式设置于所述衬底上。

如图1中a所示，本实施例中通过旋涂的方法将光刻胶层旋涂在衬底上，本实施例中该衬底选择为石英，旋涂工艺过程中采用750rpm的低转速，时间为8s，然后采用4000rpm的高转速，时间为25s，形成厚度为8μm的薄膜层，然后将上述旋涂有光刻胶层的衬底放置于热板上进行烘烤，烘烤的温度为120℃，烘烤时间为20min，以形成掩膜层。

步骤二、采用等离子体轰击光刻胶层形成纳米纤维簇状的掩膜层；

如图1中b所示，采用氧等离子体对薄膜层进行轰击，氧等离子体轰击过程中氧气的流量为50sccm，腔体压强为5pa，时间为40min，整个轰击过程保持腔体功率为200w，完全去除光刻胶层后，在原有光刻胶层的区域上形成了纳米纤维状的结构，形成的纳米纤维状的结构底部较为分散，结构高度大约为5μm，纳米纤维状的结构如图3所示。氧等离子体轰击完后，使用氩等离子体进行轰击，轰击过程中氩气的流量为20sccm，腔体压强为2pa，时间为60min，整个轰击过程保持腔体功率为200w。轰击过程结束后，纳米纤维状的结构底部收缩聚拢，形成较为粗壮的纳米纤维簇状的掩膜层，高度大约为4μm，该纳米纤维簇状的掩膜层如图4所示。本步骤二中的氧等离子体轰击和氩等离子体轰击可互换，也可替换成氮等离子体轰击处理，或者氩等离子体、氧等离子体、氮等离子体两两组合后的交替轰击处理。

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底进行刻蚀处理，去除纳米纤维簇状的掩膜层，形成具有锥状抗反射结构的衬底。

如图1中c所示，采用刻蚀工艺刻蚀衬底，本发明中的刻蚀工艺选择为反应离子刻蚀工艺，刻蚀过程可以通入多种反应气体，刻蚀时间可以为40s～600s。本实施例中该刻蚀过程中采用六氟化硫和三氟甲烷的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为5.5sccm和32sccm，氦气作为保护气体，流量为150sccm，刻蚀时间90s。本步骤不仅仅可以采用反应离子刻蚀工艺，还能够采用感应耦合等离子体刻蚀之类的干法刻蚀方法，该方法也能达到本发明的目的。

刻蚀完成后，如图1中d所示，采用氢氟酸水溶液和氟化铵水溶液体积比为7比1的氢氟酸缓冲氧化物刻蚀液(boe)去除衬底上的掩膜层。腐蚀时间可以为10～60s，本步骤还可以采用酸或者碱等腐蚀性溶液超声清洗的方法去除表面纳米纤维掩摸。

本发明制备获得的成品结构如图2所示，本实施例分别制成了衬底上双面刻蚀以及衬底上单面刻蚀的成品，并对成品的性能进行检测，检测结果如图5所示。

实施例3

一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺，包括：

步骤一、在衬底上设置光刻胶层，加热后形成掩膜层；所述光刻胶层可以通过喷涂、旋涂、粘贴、压印固化等方式设置于所述衬底上。

如图1中a所示，本实施例中通过旋涂的方法将光刻胶层旋涂在衬底上，本实施例中该衬底选择为玻璃，采用旋涂工艺形成厚度为5μm的薄膜层，然后将上述旋涂有光刻胶层的衬底放置于热板上进行烘烤，烘烤的温度为120℃，烘烤时间为20min，以形成掩膜层。

步骤二、采用等离子体轰击光刻胶层形成纳米纤维簇状的掩膜层；

如图1中b所示，采用氧等离子体对薄膜层进行轰击，氧等离子体轰击过程中氧气的流量为30sccm，腔体压强为6pa，时间为50min，整个轰击过程保持腔体功率为180w，完全去除光刻胶层后，在原有光刻胶层的区域上形成了纳米纤维状的结构。氧等离子体轰击完后，使用氩等离子体进行轰击，轰击过程中氩气的流量为10sccm，腔体压强为3pa，时间为50min，整个轰击过程保持腔体功率为190w。轰击过程结束后，纳米纤维状的结构底部收缩聚拢，形成较为粗壮的纳米纤维簇状的掩膜层。

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底进行刻蚀处理，去除纳米纤维簇状的掩膜层，形成具有锥状抗反射结构的衬底。

如图1中c所示，采用刻蚀工艺刻蚀衬底，本实施例中该刻蚀过程中采用六氟化硫和三氟甲烷的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为7sccm和25sccm，氦气作为保护气体，流量为130sccm，刻蚀时间为120s。

刻蚀完成后，如图1中d所示，采用酸或者碱等腐蚀性溶液超声清洗的方法去除衬底上的掩膜层。

本实施例制备得到的宽光谱抗反射增透结构的具体构成和性能与实施例2制备得到的结构基本一致。

实施例4

一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺，包括：

步骤一、在衬底上设置光刻胶层，加热后形成掩膜层；所述光刻胶层可以通过喷涂、旋涂、粘贴、压印固化等方式设置于所述衬底上。

如图1中a所示，本实施例中通过旋涂的方法将光刻胶层旋涂在衬底上，本实施例中该衬底选择为蓝宝石，采用旋涂工艺形成厚度为10μm的薄膜层，然后将上述旋涂有光刻胶层的衬底放置于热板上进行烘烤，烘烤的温度为120℃，烘烤时间为40min，以形成薄膜层。

步骤二、采用等离子体轰击光刻胶层形成纳米纤维簇状的掩膜层；

如图1中b所示，采用氧等离子体对薄膜层进行轰击，氧等离子体轰击过程中氧气的流量为60sccm，腔体压强为3pa，时间为30min，整个轰击过程保持腔体功率为220w，完全去除光刻胶层后，在原有光刻胶层的区域上形成了纳米纤维状的结构。氧等离子体轰击完后，使用氩等离子体进行轰击，轰击过程中氩气的流量为30sccm，腔体压强为1pa，时间为80min，整个轰击过程保持腔体功率为220w。轰击过程结束后，纳米纤维状的结构底部收缩聚拢，形成较为粗壮的纳米纤维簇状的掩膜层。

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底进行刻蚀处理，去除纳米纤维簇状的掩膜层，形成具有锥状抗反射结构的衬底。

如图1中c所示，采用刻蚀工艺刻蚀衬底，本发明中的刻蚀工艺选择为感应耦合等离子体刻蚀工艺，本实施例中该刻蚀过程中采用六氟化硫和bcl3的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为4sccm和30sccm，刻蚀时间为150s。

刻蚀完成后，如图1中d所示，采用氢氟酸水溶液和氟化铵水溶液体积比为7：1的氢氟酸缓冲氧化物刻蚀液(boe)去除衬底上的掩膜层。

本实施例制备得到的宽光谱抗反射增透结构的具体构成和性能与实施例2制备得到的结构基本一致。

实施例5

一种微纳复合光栅结构，包括基底上图形化的纳米锥抗反增透结构。所述图形包括正方形和长条形，本实施例采用正方形结构。本实施例拟实现200-2500nm宽谱高透射，所述正方形的边长为2.5微米，所述图形之间的距离为2微米。

一种微纳复合光栅结构的制备工艺，包括

步骤一、在衬底的正反面上设置光刻胶图形，加热后形成图形化的掩膜层。与实施例2中图1的a相类似，在衬底上璇涂光刻胶层之后，再结合光刻工艺，实现光刻胶层的图形化，图形化的形状和大小根据需求进行设置，如可以设置成长方形、圆形、椭圆形、正方形等规则或者其他不规则图形形状，图形尺寸在2～10微米不等，本实施例中设置成正方形阵列结构，如图7的b所示。图形化后的光刻胶层经过与实施例2中步骤一相同的处理方式后获得图形化后的掩摸层。

步骤二、采用等离子体双面轰击图形化后的掩摸层形成图形化的纳米纤维簇状掩膜层；纳米纤维簇状的结构与实施例2中图1的b相类似，采用等离子体双面轰击图形化后的掩摸层形成图形化的纳米纤维簇状掩膜层。

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底正反面分别进行刻蚀处理，去除图形化的纳米纤维簇状掩膜层形成具有锥状抗反射结构的衬底。工艺与实施例2中图1的c和d相类似，采用刻蚀工艺对衬底正反面分别进行刻蚀处理，去除图形化的纳米纤维簇状掩膜层形成具有锥状抗反射结构的衬底。本实施例设计的微纳复合光栅结构如图7所示。

对比例1

一种宽光谱抗反射增透结构的制备工艺，包括：

步骤一、在衬底上设置光刻胶层图形化，加热后形成掩膜层；所述光刻胶层可以通过喷涂、旋涂、粘贴、压印固化等方式设置于所述衬底上。

本实施例中通过旋涂的方法将光刻胶层旋涂在衬底上，本实施例中该衬底选择为石英，旋涂工艺过程中采用750rpm的低转速，时间为8s，然后采用5000rpm的高转速，时间为25s，形成厚度为2.8μm的薄膜层，然后将上述旋涂有光刻胶层的衬底放置于热板上进行烘烤，烘烤的温度为120℃，烘烤时间为20min，以形成掩膜层。

步骤二、采用等离子体轰击光刻胶层形成纳米纤维簇状的掩膜层；

采用氧等离子体对薄膜层进行轰击，氧等离子体轰击过程中氧气的流量为50sccm，腔体压强为5pa，时间为20min，整个轰击过程保持腔体功率为200w，完全去除光刻胶层后，在原有光刻胶层的区域上形成了纳米纤维状的结构，形成的纳米纤维状的结构底部较为分散，结构高度大约为2.4μm。氧等离子体轰击完后，使用氩等离子体进行轰击，轰击过程中氩气的流量为20sccm，腔体压强为2pa，时间为30min，整个轰击过程保持腔体功率为200w。轰击过程结束后，纳米纤维状的结构底部收缩聚拢，形成较为粗壮的纳米纤维簇状的掩膜层，高度大约为1.8μm。本步骤二中的氧等离子体轰击和氩等离子体轰击可互换，也可替换成氮等离子体轰击处理，或者氩等离子体、氧等离子体、氮等离子体两两组合后的交替轰击处理。

步骤三、采用刻蚀工艺对衬底进行刻蚀处理，去除纳米纤维簇状的掩膜层，形成具有锥状抗反射结构的衬底。

采用刻蚀工艺刻蚀衬底，本发明中的刻蚀工艺选择为反应离子刻蚀工艺，刻蚀过程可以通入多种反应气体，刻蚀时间可以为40s～600s。本实施例中该刻蚀过程中采用六氟化硫和三氟甲烷的混合气体作为反应气体，二者混合量分别为5.5sccm和32sccm，氦气作为保护气体，流量为150sccm，刻蚀时间90s。

刻蚀完成后，采用氢氟酸水溶液和氟化铵水溶液体积比为7比1的氢氟酸缓冲氧化物刻蚀液(boe)去除衬底上的掩膜层。腐蚀时间可以为10s，本步骤还可以采用酸或者碱等腐蚀性溶液超声清洗的方法去除表面纳米纤维掩摸。

本发明制备获得的成品结构为一种低分布密度的锥状抗反射结构。本实施例制成了衬底上单面刻蚀的成品，并对单面刻蚀的成品的性能进行检测，检测结果如图6所示。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。