CN102789009A - 一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口 - Google Patents

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陈鹏杰
王明星
胡庆
徐向东
李伟
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Abstract

本发明公开了一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，属于红外光学窗口技术领域，包括红外光学窗口，所述红外光学窗口的入射面和出射面均刻蚀有抗反射结构。利用这种结构可明显增加红外窗口的透过率，提高红外器件的灵敏度，本发明的红外光学窗口在8～14um波段范围内测得的平均透过率达到了65%，提升高达20%，其中最高透过率达到73%。

Description

一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口
技术领域
本发明属于红外光学窗口技术领域，具体涉及一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口。
背景技术
现有的用于制作红外光学窗口的材料由于具有较大反射系数，所以当作为红外光学窗口时需要进行表面抗反射处理。传统的方法是在其表面淀积单层或多层抗反射镀层。但是淀积薄膜的方法具有如附着性、抗蚀性、稳定性、热胀失配、组分渗透和扩散以及不能找到合适材料等固有问题。亚波长抗反射结构是在基底表面通过半导体大规模集成电路的工艺方法制作结构尺寸接近或小于光波波长的周期性结构。这样就很好的解决了附着性、抗蚀性、稳定性、热胀失配、组分渗透和扩散等问题；通过改变亚波长结构的高度、周期、占空比，能够达到改变抗反射层的等效折射率目的，从而解决了不能找到匹配抗反射层介质膜材料的问题。
现有的亚波长抗反射红外窗口大多只考虑在入射面制作单面抗反射结构，透过率偏低。 
如中国专利ZL 201110109779.7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，该红外光学窗口采用双面光学抛光的ZnS衬底进行单面刻蚀而成。其在8-14um波段的透射率最大增加13%，平均透射率增加10%左右。
因此，需要提供一种具有更高透射率的红外光学窗口来满足实际应用的需要。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，进一步的提高红外光学窗口的透射率。
本发明的技术方案为：一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，包括红外光学窗口，所述红外光学窗口的入射面和出射面均刻蚀有抗反射结构。
本发明通过在红外光学窗口的入射面和出射面均通过刻蚀的方法制作抗反射结构，可以显著提高红外光学窗口的透射率。
所述的红外光学窗口可以是硅、锗、硫化锌或硒化锌等常用的红外光学窗口材料制成的红外光学窗口。
所述的抗反射结构可以是微小的凸起或凹陷结构，这些凸起或凹陷既可以随机紧密排列也可以按一定规律紧密排列。
进一步地，当抗反射结构为凸起结构时，可以为圆柱、圆锥、圆台、棱柱等；当抗反射结构为凹陷结构时，可以为圆柱形凹槽、圆锥形凹槽、圆台形凹槽、棱柱形凹槽等。
进一步地，所述入射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱，出射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱凹槽。
进一步地，所述正四方柱的高度为1～2um，边长为1.2～3.2um，排列周期为2～4um。
优选地，正四方柱高度为1.4um，边长为1.5um，排列周期为2.5um。
进一步地，所述正四方柱凹槽的深度为1～2um，边长为1.5～2.5um，排列周期为2～3um。
优选地，正四方柱凹槽深度为1.4um，边长为2um，排列周期为2.5um。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
利用这种结构可明显增加红外窗口的透过率，提高红外器件的灵敏度：在8～14um波段，双面抛光硅片的平均透过率在45%左右，而本发明的红外光学窗口在此波段范围内测得的平均透过率达到了65%，提升高达20%，其中最高透过率达到73%。
本发明采用双面制作亚波长抗反射结构，很大程度上提升了窗口的红外透过率。制备工艺采用传统的光刻，气相沉积以及反应离子刻蚀技术，制备工艺简单，适合大规模生产。本发明所开发的双面亚波长抗反射结构的制备方法在光学器件上将会有着广泛的应用。
附图说明
图1为具有双面抗反射亚波长结构的红外光学窗口的入射面的结构示意图；
图2为具有双面抗反射亚波长结构的红外光学窗口的出射面的结构示意图；
图3为具有双面抗反射亚波长结构的红外光学窗口的结构示意图；
图4为不同的硅红外光学窗口的红外透过率曲线对比图。
具体实施方式
一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，包括红外光学窗口，所述红外光学窗口的入射面和出射面均刻蚀有抗反射结构。红外光学窗口可以是硅、锗、硫化锌或硒化锌等常用的红外光学窗口材料制成的红外光学窗口。抗反射结构可以是微小的凸起或凹陷结构，这些凸起或凹陷既可以随机紧密排列也可以按一定规律紧密排列。当抗反射结构为凸起结构时，可以为圆柱、圆锥、圆台、棱柱等；当抗反射结构为凹陷结构时，可以为圆柱形凹槽、圆锥形凹槽、圆台形凹槽、棱柱形凹槽等。
由于不同材质的制作参数不同，下面以硅片作为红外光学窗口来详细说明如何制作具有双面抗反射结构的红外光学窗口
实施例1
步骤一，硅片表面处理：使用丙酮对双面抛光硅片进行超声波清洗，之后用去离子水冲洗干净，接着用氢氟酸清洗硅片，再用去离子水冲洗，氮气吹干，放入烘箱中烘干，然后冷却至室温；
步骤二，双面气相沉积氮化硅：采用PECVD的方法对双抛硅片两面气相沉积氮化硅层；氮化硅层厚度为400～500nm左右；
步骤三，入射面涂胶：采用旋转涂胶法对入射面涂布光刻胶；旋涂转速为3500 r/min，涂胶厚度为800～1200nm； 
步骤四，入射面前烘：对入射面涂布光刻胶后的硅片进行烘烤；烘烤温度为100℃，前烘时间为 70s； 
步骤五，入射面曝光：采用非接触式曝光的方法对入射面光刻胶层进行曝光，使得掩膜板上的入射面图形转移到光刻胶上；曝光时间为500ms；
步骤六，入射面显影：使用显影液对曝光后的入射面光刻胶进行显影，显影时间为60s，显影温度为25℃；显影后用去离子水反复冲洗；
步骤七，入射面后烘：采用烘箱对入射面显影后的硅片进行烘烤；烘烤温度为 120℃，后烘时间为 20min；
步骤八，入射面离子刻蚀氮化硅掩膜：采用反应离子刻蚀工艺(RIE)过刻氮化硅层，生成氮化硅掩膜图形；刻蚀气体为三氟甲烷20sccm，氧气5sccm，刻蚀时间为5分钟；
步骤九，入射面除胶：采用干法去胶的方法，去胶气体为氧气；
步骤十，硅片表面再次处理：使用丙酮对双面抛光硅片进行超声波清洗，之后用去离子水冲洗干净，接着用氢氟酸清洗硅片，再用去离子水冲洗，氮气吹干，放入烘箱中烘干，冷却至室温；
步骤十一，出射面涂胶：采用旋转涂胶法对出射面涂布光刻胶；旋涂转速为3500 r/min，涂胶厚度为800～1200nm；
步骤十二，出射面前烘：采用烘箱对出射面涂胶后的硅片进行烘烤；烘烤温度为100℃，前烘时间为70s；
步骤十三，出射面曝光：采用非接触式曝光的方法对出射面光刻胶层进行曝光，使得掩膜板上的出射面图形转移到光刻胶上；曝光时间为500ms；
步骤十四，出射面显影：使用显影液对曝光后的出射面光刻胶进行显影，显影时间为60s，显影温度为25℃；显影后用去离子水反复冲洗；
步骤十五，出射面后烘：采用烘箱对出射面显影后的硅片进行烘烤；烘烤温度为120℃，后烘时间为20min；
步骤十六，出射面离子刻蚀氮化硅掩膜：采用反应离子刻蚀工艺(RIE)过刻氮化硅层，生成氮化硅掩膜图形；刻蚀气体为三氟甲烷20sccm，氧气5sccm，刻蚀时间为5分钟；
步骤十七，出射面除胶：采用干法去胶的方法，去胶气体为氧气；
步骤十八，双面刻蚀抗反射结构：采用反应耦合等离子体刻蚀技术(ICP)；刻蚀气体为SF6，150～180sccm，侧壁保护气体为C4F8，100sccm，刻蚀气压为20mTorr，上电极刻蚀功率为1800～2000w，下电极刻蚀功率为20w，刻蚀时间为60s；
刻蚀的工艺参数为：入射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱，正四方柱高度为1.4um，边长为1.5um，排列周期为2.5um；出射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱凹槽，正四方柱凹槽深度为1.4um，边长为2um，排列周期为2.5um。
步骤十九，去除双面氮化硅掩膜：采用HF稀溶液浸泡样片5分钟，取出用去离子水冲洗干净，烘箱内烘干。
实验例
采用实施例1制备的具有双面抗反射亚波长结构的硅红外光学窗口与双面抛光的硅片和单面具有抗反射亚波长结构的硅红外光学窗口做透射率对比实验。
如图4所示，最上面的曲线为本发明的透射率，中间的曲线为单面具有抗反射亚波长结构的硅红外光学窗口的透射率，最下面的为双面抛光的硅片的透射率。从图中看出，本发明的具有双面抗反射亚波长结构的硅红外光学窗口的透射率明显高于另外两种：在8～14um波段，双面抛光硅片的平均透过率在45%左右，而本发明的红外光学窗口在此波段范围内测得的平均透过率达到了65%，提升高达20%，其中最高透过率达到73%。

Claims (9)

1. 一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，包括红外光学窗口，其特征在于：所述红外光学窗口的入射面和出射面均刻蚀有抗反射结构。
2. 根据权利要求1所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：所述的红外光学窗口为硅、锗、硫化锌或硒化锌制成的红外光学窗口。
3. 根据权利要求1所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：所述的抗反射结构为凸起或凹陷结构。
4. 根据权利要求3所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：当抗反射结构为凸起结构时，为圆柱、圆锥、圆台或棱柱中的一种；当抗反射结构为凹陷结构时，为圆柱形凹槽、圆锥形凹槽、圆台形凹槽或棱柱形凹槽中的一种。
5. 根据权利要求1～4任一项所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：所述红外光学窗口为硅片，所述入射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱，出射面的抗反射结构为呈二维矩阵排列的正四方柱凹槽。
6. 根据权利要求5所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：所述正四方柱的高度为1～2um，边长为1.2～3.2um，排列周期为2～4um。
7. 根据权利要求6所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：正四方柱高度为1.4um，边长为1.5um，排列周期为2.5um。
8. 根据权利要求5所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：所述正四方柱凹槽的深度为1～2um，边长为1.5～2.5um，排列周期为2～3um。
9. 根据权利要求7或8所述的一种具有双面抗反射结构的红外光学窗口，其特征在于：正四方柱凹槽深度为1.4um，边长为2um，排列周期为2.5um。
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