一种光学元件表面的微纳结构制造方法

本发明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。

背景技术：

1、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

1、本发明的目的是，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。

2、本发明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。

3、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。

4、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。

5、用于沉积薄膜掩膜的温度为室温-100℃。

6、用于离子束刻蚀的气体可以是o2、ar、kr等气体。

7、用于当做掩膜的薄膜可以是ti、cr、al2o3等材料。

8、本发明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。本发明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。

9、本发明优点:

10、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。

11、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。

12、3)本技术中刻蚀装置成本低廉，易于大面积推广。

技术特征：

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：

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于5‰。

6.如权利要求1所述的方法，刻蚀气体可以是o2、ar、kr等气体中的一种或二种以上。

7.如权利要求1所述的方法，薄膜掩膜可以是ti、cr、al2o3等材料中的一种或二种以上，掩膜的厚度为刻蚀后胶体球粒径的5-60％(优选20-50％)。

8.如权利要求1所述的方法，薄膜掩膜的沉积温度为室温-100℃。

9.如权利要求1或4或6所述的方法，步骤(3)的离子束参数，束流为10-500ma(优选50-300ma)，束压为10-500v(优选50-300v)；步骤(6)的离子束参数，束流为350-5000ma(优选600-3000ma)，束压为350-5000v(优选600-3000v)。

10.如权利要求1所述的方法，所述基底表面面积为100mm2-50m2；所述基底的形状可以是圆形、方形、异形等中的一种或二种以上组合。

技术总结本发明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。本发明可以为高功率激光窗口的实验研究或工业生产提供样品。技术研发人员：吕起鹏,滕飞,李刚,金玉奇受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所技术研发日：技术公布日：2024/1/13