一种光学元件表面的微纳结构制造方法技术

本发明专利技术涉及一种微纳结构制造的方法，通过对传统反应离子束刻蚀技术的改进，首先利用胶体球自组装技术在元件表面上制备成周期结构的纳米球阵列，接着利用宽束离子源刻蚀胶体球，并控制工作气体压强、温度、时间、刻蚀功率等工艺条件，调整胶体球间的占空比。然后利用薄膜的低温沉积法在胶体球缝隙间镀入薄膜掩膜，接着利用配比溶液将胶体球去除掉。最后利用宽束离子源刻蚀元件，将薄膜掩膜的图案转移到元件上，最终得到微纳结构元件。本发明专利技术可以为高功率激光窗口的实验研究或工业生产提供样品。样品。样品。

【技术实现步骤摘要】
一种光学元件表面的微纳结构制造方法


[0001]本专利技术属于离子束刻蚀领域。特别是涉及一种大口径的薄膜掩膜制备及离子束刻蚀的新工艺。

技术介绍

[0002]大功率、大口径激光的研究是自上世纪七十年代以来强激光领域能够体现国家重大需求的重要热点。由于大功率激光系统中激光束的能量密度很大，激光增透窗口在强激光辐照下往往会出现表面损伤。激光元件在强激光辐照下产生的损伤严重影响到自身使用寿命，是目前抑制大功率激光系统长时间安全稳定运行的一个主要因素。由于传统介质膜透射元件损伤阈值难以提高及常规反应离子刻蚀技术难以制备大口径光学元件的问题，通过对传统反应离子束刻蚀技术的改进，首先利用胶体球自组装技术在元件表面上制备成大口径周期结构的纳米球阵列，接着利用宽束离子源刻蚀胶体球，并控制工作气体压强、温度、时间、刻蚀功率等工艺条件，调整胶体球间的占空比。然后利用薄膜的低温沉积法在胶体球缝隙间镀入薄膜掩膜，接着利用配比溶液将胶体球去除掉。最后利用宽束离子源刻蚀元件，将薄膜掩膜的图案转移到元件上，最终得到微纳结构元件。测试元件的光谱结果与仿真计算结果吻合，损伤阈值高，证明了该方法的可行性。该方法易于放大，可为米级元件微纳结构制造提供理论支撑和技术指导。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是，提供一种大口径微纳结构制造方法。该方法采用宽束离子源刻蚀技术，薄膜掩膜沉积温度为低温环境，所制备的微纳结构性能良好。
[0004]本专利技术首先利用胶体球自组装技术在元件表面上制备成大口径周期结构的纳米球阵列，接着利用宽束离子源刻蚀胶体球，并控制工作气体压强、温度、时间、刻蚀功率等工艺条件，调整胶体球间的占空比。然后利用薄膜的低温沉积法在胶体球缝隙间镀入薄膜掩膜，接着利用配比溶液将胶体球去除掉。最后利用宽束离子源刻蚀元件，将薄膜掩膜的图案转移到元件上，最终得到微纳结构元件。
[0005]用作产生离子束可以是阳极层线性离子源、射频离子源、霍尔离子源或考夫曼离子源。
[0006]用于制备薄膜掩膜的沉积设备可以是溅射沉积装置、热蒸发沉积装置等。
[0007]用于沉积薄膜掩膜的温度为室温
‑
100℃。
[0008]用于离子束刻蚀的气体可以是O2、Ar、Kr等气体。
[0009]用于当做掩膜的薄膜可以是Ti、Cr、Al2O3等材料。
[0010]本专利技术首先利用胶体球自组装技术在元件表面上制备成大口径周期结构的纳米球阵列，接着利用宽束离子源刻蚀胶体球，并控制工作气体压强、温度、时间、刻蚀功率等工艺条件，调整胶体球间的占空比。然后利用薄膜的低温沉积法在胶体球缝隙间镀入薄膜掩膜，接着利用配比溶液将胶体球去除掉。最后利用宽束离子源刻蚀元件，将薄膜掩膜的图案
转移到元件上，最终得到微纳结构元件。本专利技术可以为大口径高功率激光窗口的实验研究或工业生产提供样品。
[0011]本专利技术优点:
[0012]1)与传统反应离子束刻蚀技术相比，本技术可以实现大口径微纳结构的制备。
[0013]2)本技术中制备的薄膜掩膜抗刻蚀能力强，刻蚀气体对薄膜掩膜与基底的选择比高。
[0014]3)本技术中刻蚀装置成本低廉，易于大面积推广。
附图说明
[0015]图1新型离子束刻蚀方法流程图；
[0016]图2石英基底的抗反射结构形貌；
[0017]图3石英基底的抗反射结构透射率光谱曲线。
具体实施方式
[0018]为了更好的对本专利技术进行阐述，下面将结合附图做详细说明。
[0019]如图1所示，本专利技术专利的种新型的大口径微纳结构制造方法流程示意图，首先利用胶体球自组装技术在元件表面上制备成大口径周期结构的纳米球阵列，接着利用宽束离子源刻蚀胶体球，并控制工作气体压强、温度、时间、刻蚀功率等工艺条件，调整胶体球间的占空比。然后利用薄膜的低温沉积法在胶体球缝隙间镀入薄膜掩膜，接着利用配比溶液将胶体球去除掉。最后利用宽束离子源刻蚀元件，将薄膜掩膜的图案转移到元件上，最终得到微纳结构元件。
[0020]刻蚀工艺中的离子源功率束流0～1700mA调节；基底偏压：0～1400V；氩气流量：0～50sccm；氧气气流量：0～100sccm；
[0021]掩膜制备工艺中：本底真空度：5
×
10
‑3Pa至5
×
10
‑4Pa之间；工作气压：0.1～1Pa调节，蒸发电流0～1000mA。
[0022]实施例1:
[0023]将尺寸为的圆形石英基片放置水中超声清洗5min，经过清洗后放入大型器皿，选用粒径600nm的基苯乙烯胶体球，在水溶液中进行胶体球自组装，于基底表面形成单层胶体球层。完成后放入设备真空室，抽真空至＜10
‑2Pa，待温度稳定在50℃，真空继续抽至9.5
×
10
‑4Pa，充氧气，用质量流量计控制氩气进气流量，使其稳定在60sccm，开启离子源、公转盘，离子源束流和束压分别设置为500mA和500V，转速稳定在40r/min，对小球进行刻蚀，宽束离子源的材料去除均匀性为5
‰
，刻蚀时间设置为1800s，刻蚀后胶体球大小为刻蚀前粒径的50％。待工艺完成后，电子枪电流设置为800mA，沉积温度为室温，蒸镀金属Ti膜，掩膜的厚度为刻蚀后胶体球粒径的30％。待镀膜完成后去除基底，并对其进行超声清洗，频率设置为40kHz，超声时间3min，洗掉胶体球，然后利用离子风枪吹干。再将其放入刻蚀机中，真空抽至1.5
×
10
‑3Pa，充氧气，用质量流量计控制氩气进气流量，使其稳定在60sccm，开启离子源、公转盘，离子源束流和束压分别设置为900mA和900V，开始刻蚀，刻蚀时间23min，待刻蚀完成后取出工件，进行微纳结构和光学特性的测试表征。测试结果如图2、3所示，从图中可以看出，最终得到了石英基底表面具有孔径的微纳结构，微纳结构周期
为600nm，孔径的占空比为50.5％，孔径厚度为270nm，并且单面透过率达到了95.8％，结构非常理想。所制备的微结构基底利用美国蔡司公司制造的ORION NANOFAB型扫描氦离子显微镜和PE公司的Lambda 950紫外
‑
可见
‑
近红外分光光度计进行了形貌和透过率测试。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学元件表面的微纳结构制造方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)基底清洗：将基底放置于水中用超声波清洗1
‑
40分钟；(2)胶体球自组装：配比粒径10纳米
‑
100微米(优选50纳米
‑
10微米)胶体球溶液，在基底上进行胶体球自组装，于基底表面形成单层胶体球层；(3)胶体球刻蚀：取出胶体球自组装后的基底并进行干燥，根据微纳结构的特征尺寸，通过离子束对胶体球进行刻蚀，调控胶体球大小为刻蚀前粒径的10
‑
90％(30
‑
60％)；(4)镀制掩膜板：在胶体球缝隙间镀制薄膜掩膜；(5)胶体球去除：采用超声波洗掉胶体球，干燥；(6)结构刻蚀：通过离子束对带有掩膜板的基底表面进行刻蚀，将结构转移到基底，最终得到目标微纳结构。2.如权利要求1所述的方法，基底材料可以采用石英、硅、宝石、微晶玻璃、金属等导体或半导体材料中的一种或二种以上。3.如权利要求1所述的方法，胶体球可以是聚苯乙烯、SiO2、Al2O3等材料中的一种或二种以上。4.如权利要求1所述的方法，刻蚀基底所采用的离子源为宽束离子源。5.如权利要求1或3所述的方法，宽束离子源的材料去除均匀性优...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕起鹏，滕飞，李刚，金玉奇，
申请(专利权)人：中国科学院大连化学物理研究所，
类型：发明
国别省市：