CN102253434A - 一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口及其制备方法。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面是由ZnS衬底上柱状或孔洞面形的二维亚波长结构单元通过周期性排列而构成的二维亚波长结构表面。制备时，先通过光刻技术把图形复制在涂覆于双面光学抛光的ZnS衬底上的光刻胶膜层中后，采用反应离子刻蚀技术在ZnS衬底上刻蚀出二维亚波长结构表面。本发明制备的具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，在8～12μm波段具有很好的红外透射性能。本发明所提供的ZnS红外光学窗口，其抗反射表面由柱状或孔洞面形的二维亚波长结构单元周期性排列而成，结构参数较大、高宽比较小，制备方法简单、经济、效率高，抗反射效果理想。

Description

一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口及其制备方法

技术领域

本发明属于红外光学窗口技术领域，特别涉及一种具有抗反射表面的硫化锌(ZnS)红外光学窗口及其制备方法。

背景技术

硫化锌(ZnS)是长波红外波段(8～12μm)的最有前途的红外光学窗口材料之一，但是由于其表面反射太高，所以用作红外光学窗口时必须进行抗反射处理。目前，ZnS抗反射主要是通过抗反射薄膜来实现。但是抗反射薄膜是在衬底材料表面沉积一层或多层不同的其他材料，而多层材料间的折射率匹配、界面及附着性等一直是光学薄膜所面临的问题。抗反射表面是一种完全不同于抗反射薄膜的技术，是在衬底材料本身的表面上刻蚀制备出来的一种微纳米结构排列而成的表面，与衬底浑然一体；通过调整抗反射表面的结构参数(周期、占空比及高度)能够达到与衬底折射率的良好匹配。因此，抗反射表面克服了抗反射薄膜所面临的折射率匹配、界面及附着性等问题。

与本发明最接近的现有技术，是文献“红外透射材料抗反射表面织构的设计、制备和测量性能”(Douglas S.Hobbs and Bruce D.MacLeod.“Design，fabrication，andmeasured performance of anti-reflecting surface textures in infrared transmittingmaterials”。Proceedings of SPIE，2005，5786：349-364)和文献“高性能抗反射表面浮雕微结构的最新发展”(Douglas S.Hobbs，Bruce D.MacLeod and Juanita R.Riccobono.“Update on the development of high performance anti-reflecting surface reliefmicro-structures”.Proceedings of SPIE，2007，6545：65450Y)中所公开报道的ZnS红外光学窗口的抗反射表面的设计和制备。其中，ZnS红外光学窗口的抗反射表面的设计参数为：圆锥面形、周期1.2μm、高度2.8μm；制备所得到的ZnS红外光学窗口的抗反射表面的参数为：圆锥面形、周期2.9μm、高度3.4μm。制备所采用的技术是激光干涉光刻和等离子体刻蚀。

在上述现有技术中，ZnS红外光学窗口的抗反射表面的结构周期小、高度大(大于周期)，这一方面增加了制备的工艺难度和代价，另一方面影响到抗反射表面在使用过程中的耐久性；没有给出抗反射表面的结构的占空比(又称填充因子)，而占空比是决定抗反射表面的红外透射性能的很重要的结构参数；没有公开制备技术中的具体工艺参数；所采用激光干涉光刻，对环境比较敏感、要求非常苛刻，所以技术难度及成本高。抗反射亚波长结构的制备工艺仍然是实现其应用的关键。

发明内容

为了克服现有技术存在的制备工艺难度大，成本高的不足，本发明提出了一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口及其制备方法。

本发明所提出的具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形或孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的柱状面形二维亚波长结构单元是在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台，所述的孔洞面形二维亚波长结构单元是在ZnS衬底的一个表面上的单个盲孔。柱状面形或孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状或孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。所述的柱状面形或孔洞面形二维亚波长结构单元的排列周期T为3.0～4.0μm，占空比f为50～80％，高度h为1.0～2.5μm。

本发明还提出了一种制备具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口的方法，其具体制备过程如下：

步骤1，ZnS衬底清洗：用清洗剂对ZnS衬底进行超声波清洗，然后用N₂气吹干；得到表面洁净的ZnS衬底。

步骤2，ZnS衬底涂胶：采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层。涂胶转速为2000～4000r/min，涂胶厚度为500～2000nm；得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

步骤3，前烘：采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘；前烘温度为60～90℃，前烘时间为50～120s；得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

步骤4，曝光：将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像。所述的掩模板上的掩模图形与红外光学窗口的周期T和占空比f一致。曝光功率为100～300W，曝光时间为20～60s。

步骤5，显影：对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为15～30℃，显影时间为30～60s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到凸起的柱状面形的掩模图形。

步骤6，后烘：采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘。后烘温度为60～120℃，后烘时间为30～90s；在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

步骤7，反应离子刻蚀：在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备柱状面形或孔洞面形结构单元的二维亚波长结构表面；刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar；反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为1～10sccm，H₂为10～40sccm，Ar为10～50sccm；刻蚀气压为1～10Pa；刻蚀功率为100～500W；刻蚀时间为50～100min；

步骤8，除胶：用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，得到具有柱状面形或孔洞面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。

本发明制备了这种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口。如图4所示，由于在二维亚波长结构表面的刻蚀区域，其折射率为空气的折射率(1.0)，在二维亚波长结构表面的未刻蚀区域，其折射率为ZnS的折射率(～2.2)，所以平均来看，二维亚波长结构表面的折射率比空气的折射率大、比ZnS衬底的折射率低，因此可以起到很好的抗反射(或增透)效果。结果表明，如图5所示，具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，在8～12μm波段的透射率有了明显提高，透射率最大增加高达13％，8～12μm波段的平均透射率增加高达10％。

本发明与现有技术相比较，其优点在于本发明采用了传统的光刻及反应离子刻蚀技术，制备工艺简单、易于实现，适合规模生产；本发明所提供的具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，其抗反射表面由柱状或孔洞面形的二维亚波长结构单元周期性排列而成，结构参数较大、高宽比较小，所以制备工艺难度及成本低。

附图说明

图1是具有柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列构成的抗反射表面的ZnS红外光学窗口的结构示意图。其中a是主视图，b是俯视图。

图2是具有孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列构成的抗反射表面的ZnS红外光学窗口的结构示意图。其中a是主视图，b是俯视图。

图3是具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口的制备方法流程图。

图4是ZnS红外光学窗口的抗反射表面的扫描电子显微(SEM)照片。其中a抗反射表面的二维亚波长结构单元为柱状面形，周期T为4μm，占空比f为50％，高度h为1.68μm；b抗反射表面的二维亚波长结构单元为孔洞面形，周期T为3.6μm，占空比f为58％，高度h为1.60μm。

图5是ZnS衬底上制备抗反射表面前以及制备抗反射表面后的红外透射率曲线。其中曲线A为ZnS衬底上制备抗反射表面前的红外透射率曲线，曲线B为ZnS衬底上制备抗反射表面后的红外透射率曲线。图中：

T.周期  h.高度  w.结构单元宽度  d.结构单元间的间隔。

具体实施方式

实施例1

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的柱状面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台。柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T为4.0μm，占空比f为50％，高度h为1.68μm，宽度w为2.0μm，间隔d为2.0μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加10.5％，8～12μm波段的平均透射率增加6.8％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物；ii)用丙酮浸泡并用脱脂棉蘸丙酮擦洗ZnS以除去表面有机污染物；iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗60min，超声波功率为30W，酒精温度为15℃；iv)在丙酮中用超声波清洗10min，超声波功率为200W，丙酮温度为15℃；v)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为EPG-535光刻胶；涂胶转速为3500r/min，涂胶厚度为1350nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为90℃，前烘时间为60s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为4.0μm、占空比f为50％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为200W，曝光时间为40s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为2.38％的四甲基氢氧化胺溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为15℃，显影时间为45s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到凸起的柱状面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为90℃，后烘时间为60s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的柱状面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为3sccm，H₂为21sccm，Ar为27sccm；刻蚀气压为4Pa；刻蚀功率为200W；刻蚀时间为60min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有柱状面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为丙酮。

实施例2

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的孔洞面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个盲孔。孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T为3.6μm，占空比f为58％，高度h为1.6μm，宽度w为2.09μm，间隔d为1.51μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加6.5％，8～12μm波段的平均透射率增加4.5％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物；ii)用丙酮浸泡并用脱脂棉蘸丙酮擦洗ZnS以除去表面有机污染物；iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗40min，超声波功率为70W，酒精温度为20℃；iv)在丙酮中用超声波清洗20min，超声波功率为150W，丙酮温度为20℃；v)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为EPG-535光刻胶；涂胶转速为3500r/min，涂胶厚度为1350nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为90℃，前烘时间为60s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为3.6μm、占空比f为58％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为200W，曝光时间为40s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为2.38％的四甲基氢氧化胺溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为20℃，显影时间为45s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶上得到下凹的孔洞面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为90℃，后烘时间为60s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的孔洞面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为3sccm，H₂为21sccm，Ar为12sccm；刻蚀气压为3Pa；刻蚀功率为300W；刻蚀时间为100min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有孔洞面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为乙醚。

实施例3

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的柱状面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台。柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T为3.0μm，占空比f为60％，高度h为2.5μm，宽度w为1.8μm，间隔d为1.2μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加13％，8～12μm波段的平均透射率增加10％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物。ii)用丙酮浸泡并用脱脂棉蘸丙酮擦洗ZnS以除去表面有机污染物。iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗30min；超声波功率为100W；酒精温度为25℃。iv)在丙酮中用超声波清洗30min；超声波功率为100W，丙酮温度为25℃；v)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为EPG-533光刻胶；涂胶转速为2000r/min，涂胶厚度为2000nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为60℃，前烘时间为90s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为3.0μm、占空比f为60％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底上的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为300W，曝光时间为60s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为1.5％的四甲基氢氧化胺溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为25℃，显影时间为60s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶上得到凸起的柱状面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为60℃，后烘时间为90s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的柱状面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为6sccm、H₂为40sccm、Ar为40sccm，刻蚀气压为5Pa，刻蚀功率为400W，刻蚀时间为80min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有柱状面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为丙酮。

实施例4

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的孔洞面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个盲孔。孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T为3.6μm，占空比f为80％，高度h为2.2μm，宽度w为2.88μm，间隔d为0.72μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加12.8％，8～12μm波段的平均透射率增加9.6％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物；ii)在稀H₂SO₄中用超声波清洗15min，以除去有机污染物，超声波功率为30W，稀H₂SO₄温度为100℃；iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗10min，超声波功率为170W，酒精温度为30℃；iv)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为EPG-533光刻胶。涂胶转速为2500r/min，涂胶厚度为1700nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为120℃，前烘时间为50s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为3.6μm、占空比f为80％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底上的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为250W，曝光时间为50s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为3.0％的四甲基氢氧化胺溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为27℃，显影时间为35s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶上得到下凹的孔洞面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为70℃，后烘时间为80s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的孔洞面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为5sccm，H₂为35sccm，Ar为30sccm；刻蚀气压为10Pa；刻蚀功率为500W；刻蚀时间为70min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有孔洞面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为乙醚。

实施例5

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的柱状面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台。柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T为4.0μm，占空比f为50％，高度h为1.23μm，宽度w为2.0μm，间隔d为2.0μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加13％，8～12μm波段的平均透射率增加6.5％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物；ii)用丙酮浸泡并用脱脂棉蘸丙酮擦洗ZnS以除去表面有机污染物；iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗20min，超声波功率为150W，酒精温度为27℃；iv)在丙酮中用超声波清洗40min，超声波功率为70W，丙酮温度为27℃；v)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为GP18H-10(i)光刻胶；涂胶转速为4000r/min，涂胶厚度为700nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为90℃，前烘时间为120s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为4.0μm、占空比f为50％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为100W，曝光时间为30s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为0.4％的NaOH溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为30℃，显影时间为30s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶上得到凸起的柱状面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为100℃，后烘时间为40s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的柱状面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为1sccm、H₂为10sccm、Ar为10sccm，刻蚀气压为1Pa，刻蚀功率为100W，刻蚀时间为50min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有柱状面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为丙酮。

实施例6

本实施例是一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面。所述的柱状面形二维亚波长结构单元为在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台。柱状面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T。本实施例中，柱状面形二维亚波长结构单元排列周期T为3.3μm，占空比f为66％，高度h为1.0μm，宽度w为2.18μm，间隔d为1.12μm。ZnS衬底上单面制备这种抗反射表面后，透射率最大增加7.4％，8～12μm波段的平均透射率增加4.6％。

本实施例的具体制备工艺如下。

(1)ZnS衬底清洗；按以下程序对双面抛光的ZnS衬底进行清洗：i)采用去离子水冲洗ZnS衬底以除去表面颗粒物；ii)在稀H₂SO₄中用超声波清洗10min，以除去有机污染物，超声波功率为50W，稀H₂SO₄温度为80℃；iii)用去离子水冲洗后在酒精中用超声波清洗20min，超声波功率为200W，酒精温度为25℃；iv)用N₂气吹干。得到表面洁净的ZnS衬底。

(2)ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层，本实施例所用光刻胶为GP18H-10(i)光刻胶；涂胶转速为4000r/min，涂胶厚度为500nm。得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底。

(3)前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘，使ZnS衬底上的光刻胶膜层干燥、消除应力、并提高其附着性能；前烘温度为110℃，前烘时间为80s。得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底。

(4)曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有周期T为3.3μm、占空比f为66％的掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，用i线曝光机对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；曝光功率为200W，曝光时间为20s；所用掩模板是用镀铬紫外石英玻璃板制备而成。

(5)显影；采用浓度为0.5％的NaOH溶液对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为25℃，显影时间为17s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液。在ZnS衬底的光刻胶上得到凸起的柱状面形的掩模图形。

(6)后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘，以进一步除去光刻胶中的水分，提高其附着性能及抗刻蚀性能；后烘温度为120℃，后烘时间为30s。在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形。

(7)反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备本实施例中的柱状面形二维亚波长结构表面。刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar。反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为10sccm，H₂为30sccm，Ar为50sccm；刻蚀气压为7Pa；刻蚀功率为200W；刻蚀时间为50min。

(8)除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，以除去残留光刻胶，得到具有柱状面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。本实施例中所用除胶试剂为甲苯。

Claims (2)

1.一种具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口，用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成；其特征在于，所述的ZnS红外光学窗口的抗反射表面为由若干个柱状面形或孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列而成的二维亚波长结构表面；所述的柱状面形二维亚波长结构单元是在ZnS衬底的一个表面上的单个凸台，所述的孔洞面形二维亚波长结构单元是在ZnS衬底的一个表面上的单个盲孔；柱状面形或孔洞面形二维亚波长结构单元周期性排列时，在平行于ZnS衬底上表面的x方向和y方向上，若干个柱状或孔洞面形二维亚波长结构单元排列周期T、占空比f以及二维亚波长结构单元的宽度w、二维亚波长结构单元间的间隔d分别相等，即具有对称性，其中占空比f＝w/T；所述的柱状面形或孔洞面形结构单元的周期T为3.0～4.0μm，占空比f为50～80％，高度h为1.0～2.5μm。

2.一种制备如权利要求1所述具有抗反射表面的ZnS红外光学窗口的方法，其特征在于，具体制备过程如下：

步骤1，ZnS衬底清洗；用清洗剂对ZnS衬底进行超声波清洗，然后用N₂气吹干；得到表面洁净的ZnS衬底；

步骤2，ZnS衬底涂胶；采用旋转涂胶法在表面洁净的ZnS衬底的一个表面上涂布光刻胶膜层；涂胶转速为2000～4000r/min，涂胶厚度为500～2000nm；得到涂有光刻胶膜层的ZnS衬底；

步骤3，前烘；采用热板法对涂胶后的ZnS衬底进行前烘；前烘温度为60～90℃，前烘时间为50～120s；得到附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底；

步骤4，曝光；将附着有干燥固化的光刻胶膜层的ZnS衬底安放在曝光机的样品台上，再将制备有掩模图形的掩模板置于ZnS衬底的光刻胶膜层上，对ZnS衬底上的光刻胶膜层进行曝光，在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到掩模图形的像；所述的掩模板上的掩模图形与红外光学窗口的周期T和占空比f一致；曝光功率为100～300W，曝光时间为20～60s；

步骤5，显影；对曝光后的ZnS衬底上的光刻胶进行显影，显影温度为15～30℃，显影时间为30～60s；显影后用去离子水进行反复冲洗，以除去残留显影液；在ZnS衬底的光刻胶膜层上得到凸起的柱状面形的掩模图形；

步骤6，后烘；采用热板法对显影后的ZnS衬底上的光刻胶进行后烘；后烘温度为60～120℃，后烘时间为30～90s；在ZnS衬底上获得具有良好抗刻蚀性能的光刻胶掩模图形；

步骤7，反应离子刻蚀；在反应离子刻蚀机中对后烘后的具有良好抗蚀性能的光刻胶掩模图形的ZnS衬底的一个表面进行反应离子刻蚀，制备柱状面形或孔洞面形结构单元的二维亚波长结构表面；刻蚀气体为CH₄、H₂、Ar；反应离子刻蚀具体工艺参数：气体流量CH₄为1～10sccm，H₂为10～40sccm，Ar为10～50sccm；刻蚀气压为1～10Pa；刻蚀功率为100～500W；刻蚀时间为50～100min；

步骤8，除胶；用除胶试剂擦拭或浸泡刻蚀后的ZnS衬底，得到具有柱状面形或孔洞面形抗反射表面的ZnS红外光学窗口。

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