一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法与流程

本发明涉及微纳结构制备技术领域，具体涉及一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法。

背景技术：

光学元件的抗反射是由于光学元件的折射率和空气折射率突变引起的。光学元件表面的抗反射给光学系统带来很大的不确定性，因而抗反射技术一直是光学元件领域重点关注的问题之一。目前常用的抗反射技术是抗反射膜技术，但是抗反射膜存在成本高、抗激光损伤阈值低、耐污染性差等缺点。而新兴的微纳结构抗反射技术则在一些应用领域可以弥补抗反射膜的局限性。

抗反射微纳结构的尺度一般属于微纳尺度，所以其加工属于微纳加工范畴。微纳结构的制备方法主要分为两大步骤，第一步是掩模制备，第二步是刻蚀，而掩模制备是限制微纳结构的关键因素。现有模板制备技术包括光刻法、胶体晶体模板法、热退火法和氧化铝模板法等技术，但是这些技术都有一些局限性。如光刻法中采用的光刻胶为有机物，当需要制作抗反射微纳结构的衬底也是有机物时，就会导致无法实现选择性刻蚀，另一方面光刻法受到衍射极限的限制，无法制备更小的微纳米结构；胶体晶体模板法难以实现大口径、低成本、批量化的生产；热退火法需要通过高温使表面纳米金属团聚形成微纳米岛状掩膜，而有机物衬底无法承受高温，因而无法采用热退火法在有机物材料表面制备抗反射微纳结构；氧化铝模板法需要导电层，因而也不适用有机物材料。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法，本发明提供的方法没有额外采用任何掩模板即能够实现在有机材料表面制备抗反射微纳结构，且操作简单、方便，成本低。

为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

本发明提供了一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法，包括以下步骤：

对有机材料进行反应离子刻蚀，在所述有机材料表面形成抗反射微纳结构；其中，所述反应离子刻蚀所采用的刻蚀气体为氧气和惰性气体，所述氧气的流量为1～50sccm，惰性气体的流量为1～100sccm，且所述氧气和惰性气体的流量比为1：(1～10)；所述反应离子刻蚀的功率为10～250w。

优选地，所述反应离子刻蚀在工作压强为0.5～200pa的条件下进行。

优选地，所述反应离子刻蚀的时间为1～60min。

优选地，所述惰性气体包括氩气或氦气。

优选地，所述有机材料包括交联聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、三醋酸纤维素、全氟乙烯丙烯共聚物、聚乙烯醇或聚碳酸酯。

优选地，所述有机材料以有机物基片或有机物涂层形式进行反应离子刻蚀。

优选地，所述有机材料在使用前进行表面清洁处理。

本发明提供了一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法，对有机材料进行反应离子刻蚀，在所述有机材料表面形成抗反射微纳结构；其中，所述反应离子刻蚀所采用的刻蚀气体为氧气和惰性气体，所述氧气的流量为1～50sccm，惰性气体的流量为1～100sccm，且所述氧气和惰性气体的流量比为1：(1～10)；所述反应离子刻蚀的功率为10～250w。本发明基于干法刻蚀，没有额外采用任何掩模板，在对有机材料进行反应离子刻蚀过程中，通过控制氧气和惰性气体的流量、二者流量的比例关系以及反应离子刻蚀的功率，能够使有机材料表面产生再沉积物，所述再沉积物能够作为所述反应离子刻蚀的微掩模，从而在有机材料表面制备出抗反射微纳结构，操作简单、方便，成本低。

附图说明

图1为本发明提供的方法的原理示意图；

图2为样品s1的抗反射微纳结构的扫描电镜图；

图3为样品s2的抗反射微纳结构的扫描电镜图；

图4为样品s3的抗反射微纳结构的扫描电镜图；

图5为样品s4的抗反射微纳结构的扫描电镜图；

图6为样品s1～s4与未经处理的涂层的透射谱图；

图7为样品s5的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图；

图8为样品s5的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图；

图9为样品s6的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图；

图10为样品s6的抗反射微纳结构与未经处理的涂层的透射谱图；

图11为样品s7的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图；

图12为样品s7的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图；

图13为样品s8的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图；

图14为样品s8的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图。

具体实施方式

本发明提供了一种在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法，包括以下步骤：

对有机材料进行反应离子刻蚀，在所述有机材料表面形成抗反射微纳结构；其中，所述反应离子刻蚀所采用的刻蚀气体为氧气和惰性气体，所述氧气的流量为1～50sccm，惰性气体的流量为1～100sccm，且所述氧气和惰性气体的流量比为1：(1～10)；所述反应离子刻蚀的功率为10～250w。

本发明对于所述有机材料的种类没有特殊的限定，本领域技术人员熟知的碳氢化合物及其衍生物均可。在本发明中，所述有机材料优选包括交联聚酯、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚萘二甲酸乙二醇酯(pen)、三醋酸纤维素(tac)、全氟乙烯丙烯共聚物(fep)、聚乙烯醇(pva)或聚碳酸酯(pc)。

在本发明中，所述有机材料优选以有机物基片或有机物涂层形式进行反应离子刻蚀。本发明对于所述有机物基片或有机物涂层没有特殊的限定，根据实际需要选择有机物基片或有机物涂层即可。

在本发明中，所述有机材料在使用前优选进行表面清洁处理。本发明对于所述表面清洁处理的具体操作方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的技术方案即可。

在本发明中，所述反应离子刻蚀所采用的刻蚀气体为氧气和惰性气体，所述惰性气体优选包括氩气或氦气。

在本发明中，所述氧气的流量为1～50sccm，优选为3～30sccm，更优选为5～15sccm；所述惰性气体的流量为1～100sccm，优选为20～80sccm，更优选为40～60sccm；所述氧气和惰性气体的流量比为1：(1～10)，优选为1：(5～10)，更优选为1：10；所述反应离子刻蚀的功率为10～250w，优选为50～200w，更优选为70～150w。

在本发明中，所述反应离子刻蚀优选在工作压强为0.5～200pa的条件下进行，更优选为5～100pa，最优选为10～50pa。

在本发明中，所述反应离子刻蚀的时间优选为1～60min，更优选为2～40min，进一步优选为3～20min，更进一步优选为4～10min。在本发明中，反应离子刻蚀的时间会影响微纳结构的高度，刻蚀时间过长会使有机材料表面的微纳结构过大，对光产生散射效应，导致部分光被散射掉，使透过率有所降低；且刻蚀时间过长可能会导致有机材料变性，而对光产生吸收，从而降低透过率。本发明优选根据有机材料的种类、有机材料表面所需微纳结构的尺寸以及透过率选择合适的刻蚀时间。

本发明对于进行所述反应离子刻蚀所采用的设备没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的等离子刻蚀设备即可。本发明优选在进行所述反应离子刻蚀前对所述等离子刻蚀设备进行清洗。在本发明中，所述清洗优选包括依次进行的乙醇清洗和等离子体清洗；在本发明的实施例中，具体是采用乙醇对所述等离子刻蚀设备的反应腔室进行清洗，待乙醇完全挥发后再进行惰性气体和氧气等离子体清洗，用以去除沉积在反应腔室侧壁的沉积物。

本发明基于干法刻蚀，提供了一种通过自掩模刻蚀技术在有机材料表面制备抗反射微纳结构的方法，具体的，在对有机材料进行反应离子刻蚀过程中，通过控制氧气和惰性气体的流量、二者流量的比例关系以及反应离子刻蚀的功率，能够使有机材料表面产生再沉积物(在所述反应离子刻蚀过程中，氧离子与有机材料表面发生反应，生成的挥发性蚀刻产物，如co、co2和h2o，随着真空系统被抽走，剩余的不挥发性刻蚀产物即为再沉积物)，所述再沉积物能够作为所述反应离子刻蚀的微掩模，从而在有机材料表面制备出抗反射微纳结构(原理示意图如图1所示)。

本发明提供的方法没有额外采用任何掩模板，仅通过控制氧气和惰性气体的流量、二者流量的比例关系以及反应离子刻蚀的功率，即可实现在有机材料表面制备抗反射微纳结构，操作简单、方便，成本低。

下面将结合本发明中的实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1～4

按照表1中刻蚀参数，以交联聚酯涂层作为待刻蚀样品进行反应离子刻蚀，在所述待刻蚀样品的表面形成抗反射微纳结构，分别得到样品s1～s4；其中，在进行所述反应离子刻蚀前，对所述待刻蚀样品进行表面清洁处理，且采用乙醇对等离子刻蚀设备的反应腔室进行清洗，待乙醇完全挥发后再进行氩气和氧气等离子体清洗，用以去除沉积在反应腔室侧壁的沉积物。

表1实施例1～4中刻蚀参数的选择

图2～5是所述样品s1～s4的抗反射微纳结构的扫描电镜图，其中，(a)为俯视扫描电镜图，(b)为侧视扫描电镜图。由图2～5可知，样品s1～s4的抗反射微纳结构的平均高度依次为210nm、252nm、308nm、345nm。

图6为所述样品s1～s4与未经处理的涂层的透射谱图，其中，所述抗反射效果使用lambda950分光光度计(perkinelmer)进行测试，透射光谱的测试范围为400～1100nm。由图6可知，当刻蚀时间为60s时(对应样品s1)，由于表面只有很小的纳米点结构，因而，抗反射性能一般，最高透过率为93％；刻蚀时间达到120s时(对应样品s2)，最高透过率接近97％；刻蚀时间为180s时(对应样品s3)，透过率约为99％；进一步增加刻蚀时间到240s(对应样品s4)，发现透过率反而下降，最高透过率为97.2％。因而针对交联聚酯而言，最佳刻蚀时间为180s。

实施例5

按照实施例1的制备方法，以聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)基片作为待刻蚀样品进行反应离子刻蚀，在所述待刻蚀样品的表面形成抗反射微纳结构，得到样品s5；其中，刻蚀参数列于表2中。

表2实施例5中刻蚀参数的选择

图7为所述样品s5的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图，由图7可知，样品s5表面经刻蚀后，形成的抗反射微纳结构底部呈现孔型网状织构，这些孔型网状结构在样品s5表面均匀分布，平均高度约为233nm。

图8为所述样品s5的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图，由图8可知，在400～1100nm波长范围内，样品s5抗反射性能较好，最高透过率可达98.3％。

实施例6

按照实施例1的制备方法，以聚乙烯醇(pva)涂层作为待刻蚀样品进行反应离子刻蚀，在所述待刻蚀样品的表面形成抗反射微纳结构，得到样品s6；其中，刻蚀参数列于表3中。

表3实施例6中刻蚀参数的选择

图9为所述样品s6的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图，由图9可知，样品s6表面经刻蚀后，形成的抗反射微纳结构均匀分布，平均高度约为169nm。

图10为所述样品s6的抗反射微纳结构与未经处理的涂层的透射谱图，由图10可知，在400～1100nm波长范围内，样品s6的抗反射性能比较好，最高透过率为96.6％。

实施例7

按照实施例1的制备方法，以全氟乙烯丙烯共聚物(fep)基片作为待刻蚀样品进行反应离子刻蚀，在所述待刻蚀样品的表面形成抗反射微纳结构，得到样品s7；其中，刻蚀参数列于表4中。

表4实施例7中刻蚀参数的选择

图11为所述样品s7的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图，由图11可知，样品s7表面经刻蚀后，形成了一些细小的纳米小柱体，平均高度约为107nm。

图12为所述样品s7的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图，由图12可知，在400～1100nm波长范围内，样品s7的抗反射性能比较好，最高透过率为96.4％。

实施例8

按照实施例1的制备方法，以聚碳酸酯(pc)基片作为待刻蚀样品进行反应离子刻蚀，在所述待刻蚀样品的表面形成抗反射微纳结构，得到样品s8；其中，刻蚀参数列于表5中。

表5实施例8中刻蚀参数的选择

图13为所述样品s8的抗反射微纳结构的斜视扫描电镜图，由图13可知，样品s8表面经刻蚀后，形成的抗反射结构轮廓比较明显，平均高度约为187nm。

图14为所述样品s8的抗反射微纳结构与未经处理的基片的透射谱图，由图14可知，在400～1100nm波长范围内，样品s8的抗反射性能比较好，最高透过率为97.3％。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。