CN112978674A - 一种制备蛾眼减反结构的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种制备蛾眼减反结构的工艺方法。方法包括：在原始硅模具的表面制备纳米柱阵列；具有纳米柱阵列的PDMS软模板的制备；在基片上制备第一金属层；在第一金属层上制备图形转移层，将PDMS软模板图形复制转移到图形转移层的表面，并得到若干个纳米柱；纳米柱阵列结构表面修饰；半球形曲面掩膜的刻蚀和成蛾眼减反结构的刻蚀。本发明通过纳米压印将纳米圆柱结构转移到基片表面并转化加工得到弧形曲面掩膜，最终在基片刻蚀得到蛾眼减反结构，避免了电子束/光学光刻—刻蚀、自组装法等制备蛾眼减反结构慢、昂贵、工艺复杂，自组装法不可控、不能大面积批量制备的技术缺点，以较低的成本实现了蛾眼减反结构高效、可控、批量的制备。
Description
技术领域
本发明涉及微纳结构制备领域，具体是涉及一种制备蛾眼减反结构的方法。
背景技术
飞蛾眼表面由尺度小于可见光波长的六角形有序排列的微纳结构阵列构成，使得光波无法辨认出该微纳结构，其结构层可等效为折射率沿深度方向呈连续梯度变化的渐变折射率膜层，可减少折射率极具变化所造成的反射现象，对光具有极低的反射系数，同时仿生蛾眼抗反射微纳结构结构稳定性好、在宽入射角和宽谱段等抗反增透的特点，在大视场内可以实现很低的反射率。所以其在光伏器件、光学元件等领域有着广泛重要的应用。
传统方法是通过单层膜法或者是多层膜法在元件表面制作光学薄膜(镀一层具有减反性质的材料形成的减反层)实现减反效果，但是单层膜法只能针对特定波长，可选膜材料极为有限；多层法存在膜层与膜层之间组分渗透扩散、热膨胀系数不同造成热胀失配和冷凝分层的问题，效果并不理想，且工艺复杂难以控制，成本高昂。
目前，常用的制备蛾眼减反结构的方法分为两类，一类是自上而下的方法，如传统光学光刻+刻蚀，但是其不能制备线宽小于1um的蛾眼结构，而电子束光刻+刻蚀，虽然可以获得分辨率高、减反效果佳的蛾眼结构，但是其效率低、成本高。另一类自下而上的方法，如自组装法、溶胶凝胶法等，该类方法可控性差，无法进行大面积的制备，且对材料有一定的限制和要求。
因此，需要一种新的工艺方法，能够可控、高效、批量的制备结构稳定的蛾眼减反结构。
发明内容
为了解决背景技术的不足，本发明旨在提出一种制备蛾眼减反结构的方法，以实现低成本下对仿生蛾眼减反结构高效、可控、批量的制备。
本发明所采取的技术原理是：本发明的蛾眼减反结构的制作方法为间接法，是通过纳米压印把圆柱纳米结构转移到基片表面后通过此工艺方法最终在基片上形成蛾眼减反结构，是将纳米柱转化为减反纳米结构的过程。
本发明的技术方案如下：
本发明包括以下具体步骤：
步骤1，原始硅模具及PDMS软模板制备工序：
采用电子束直写+ICP刻蚀的方法在硅基片的表面制备纳米柱阵列，得到具有纳米柱阵列的原始硅模具，然后，通过具有纳米柱阵列的原始硅模具制备获得具有纳米柱阵列的PDMS软模板；
步骤2，金属层形成工序：
通过溅射、蒸镀、沉积或电镀工艺在基片上表面制备一层第一金属层；
步骤3，纳米柱阵列复制转移制备工序：
在第一金属层的表面制备一层图形转移层，通过纳米压印将PDMS软模板具有的纳米柱阵列复制转移到图形转移层的表面，在第一金属层的上表面得到具有纳米柱阵列的图形转移层，并使得图形转移层的表面形成纳米柱结构阵列；各个圆柱尺寸为纳米级别；
步骤4，纳米柱阵列结构表面修饰工序：
在纳米柱阵列结构中每个纳米柱的上表面以及相邻纳米柱之间的第一金属层的上表面均制备呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层；
步骤5，刻蚀工序：
包括将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜和将基片刻蚀形成蛾眼减反结构。
所述步骤1中，纳米柱阵列是由间隔均匀的若干个纳米柱排列构成；纳米柱的高度不大于900nm，最佳尺寸范围在400nm—800nm，否则脱模时结构容易损伤，纳米柱的深宽比小于等于4：1，否则不能进行压印。
所述的PDMS软模板的制备，具体包括以下步骤：
先在具有纳米柱阵列的原始硅模具纳米柱阵列所在的表面制备一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，然后，再将PET膜覆盖在具有纳米柱阵列的原始硅模具聚二甲基硅氧烷(PDMS)所在的表面上并施加机械力，接着在60°条件加热固化12h，最后经脱模后得到具有纳米柱阵列的PDMS软模板；
所述步骤2中，基片为玻璃、硅、或者三五族半导体材料。
第一金属层和第二金属层均采用铝、铬、金、铜或SiO2材料。
所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31，在步骤2中的基片表面上的第一金属层的表面上旋涂一层纳米压印胶作为图形转移层，得到具有图形转移层的基片；
步骤32，将步骤2中具有纳米柱阵列的PDMS软模板覆盖到图形转移层的上表面上，然后进行紫外曝光使图形转移层固化，接着再将具有纳米柱阵列的PDMS软模板与基片分离脱模，在第一金属层表面复制得到具有纳米柱阵列的图形转移层，具有纳米柱阵列的图形转移层包括凸起的若干个纳米柱以及相邻纳米柱之间的残余层；
步骤33，采用ICP刻蚀去除步骤32中的残余层，使得残余层处的第一金属层的表面被暴露出来，使得相邻纳米柱之间为第一金属层表面，ICP刻蚀图形转移层(11)整体减薄。
所述的步骤4，具体包含以下三个步骤：
步骤41，通过溅射工艺方法在每个纳米柱的上表面及相邻纳米柱之间的第一金属层的上表面制备一层相同厚度的第二金属层，第二金属层的材料与纳米颗粒13的材料一样，以使纳米颗粒13可以牢固的形成于每个纳米柱表面上，提高后续刻蚀的均匀性；
步骤42，通过溶剂蒸发的方式，在步骤41中的每个纳米柱上表面及相邻纳米柱之间的第二金属层的上表面制备金属纳米颗粒，金属纳米颗粒为直径大小不一的球形颗粒，使得在纳米柱阵列结构上堆叠形成呈半球形曲面的弧度不均匀的纳米颗粒层，其中，纳米颗粒层包括第二金属层及第二金属层上表面的金属纳米颗粒；
步骤43，再置于150°条件下退火10h，金属纳米颗粒收缩使各个颗粒之间的缝隙缩减，得到呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层。
所述步骤5具体包括以下两个步骤：
步骤51：将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜：ICP刻蚀步骤4中呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层，直至过刻呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层到纳米柱阵列结构，使得纳米柱阵列结构的每个纳米柱顶面形成半球形曲面，将纳米柱顶面的半球形曲面和纳米柱顶面的半球形曲面下方的第一金属层作为基片的半球形曲面掩膜；此时相邻纳米柱之间的纳米颗粒层以及相邻纳米柱之间的纳米颗粒层底面的第一金属层全部被刻蚀除去，使得相邻纳米柱之间的纳米颗粒层下方的基片被暴露出来；
步骤52：将基片刻蚀成蛾眼减反结构：ICP刻蚀相邻半球形曲面掩膜之间的基片，直至半球形曲面掩膜被完全刻蚀时，使得基片表面形成具有蛾眼减反结构的基片。
所述步骤3中，图形转移层是由主体树脂丙烯酸酯、光引发剂Ir-gacure819、添加剂乙烯基醚和有机溶剂材料构成的纳米压印胶。
本发明的有益效果是：
本发明通过纳米压印将圆柱体的纳米结构转移到基片表面并转化加工得到弧形曲面掩膜，并最终在基片刻蚀得到的蛾眼减反结构，避免了现有电子束/光学光刻—刻蚀、自组装法等制备蛾眼减反结构慢、昂贵、工艺复杂，自组装法不可控、不能大面积批量制备的技术缺点，以较低的成本实现了蛾眼减反结构高效、可控、批量的制备。
附图说明
图1是原始硅模具的截面示意图；
图2为镀铝金属层的实施工艺结构示意图；
图3为基片和图形转移层结合后形成的工艺结构示意图；
图4为PDMS软模板覆盖到图形转移层上并曝光固化的工艺结构示意图；
图5是基片上的金属层表面形成纳米柱的截面示意图；
图6是刻蚀去除图形转移层残余层后的截面示意图；
图7为制备金属纳米球的实施工艺结构截面示意图；
图8是获得柱状纳米图形掩膜的截面示意图；
图9是最终蛾眼减反结构的结果示意图；
图10为具有纳米柱阵列的原始硅模具的鸟瞰SEM图像；
图11为脱模后在基片上的金属层表面形成纳米柱的截面SEM图像。
图中，1基片、3第一金属层、5PDMS软模板、7原始硅模具、9蛾眼减反结构的基片、11图形转移层、13金属纳米颗粒、15纳米颗粒层、16第二金属层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术方案作进一步完整、清晰地说明。
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下，参照图1～图9对本发明的涉及的一种制备蛾眼减反结构的一个实施方式进行详细说明如下。
如图1-图9为本发明实施列提供的一种蛾眼减反结构制备方法中各步骤的结构示意图。
本发明的步骤如下：
步骤1，原始硅模具及PDMS软模板纳米柱5纳米柱的制备工序：
采用电子束直写+ICP刻蚀的方法在硅基片的表面制备纳米柱阵列，得到具有纳米柱阵列的原始硅模具纳米柱7纳米柱，然后，通过具有纳米柱阵列的原始硅模具纳米柱7纳米柱制备获得具有纳米柱阵列的PDMS软模板纳米柱5纳米柱；
如图1和图10所示，纳米柱阵列是由间隔均匀的若干个纳米柱规则排列构成，纳米柱阵列及纳米柱的纳米结构尺寸等参数具体视实际需求而定，本实施例中具体实施的纳米柱直径为720nm，线宽为380nm，高度为520nm，周期为1.1um，纳米柱的高度不大于900nm，最佳尺寸范围在400nm-800nm，否则脱模时结构容易损伤，纳米柱的深宽比小于等于4∶1，否则不能进行压印。
步骤2，金属层形成工序：
如图2所示，通过热蒸镀工艺在基片1上表面制备一层第一金属层3；
第一金属层3和第二金属层16均采用铝、铬、金、铜或SiO2材料，具体实施的第一金属层3为铝金属层，厚度为100nm；基片1为玻璃、硅、或者为三五族半导体材料。
步骤3，纳米柱阵列复制转移制备工序：
在第一金属层3的表面制备一层图形转移层11，通过纳米压印将PDMS软模板5具有的纳米柱阵列复制转移到图形转移层11的表面，在第一金属层3的上表面得到具有纳米柱阵列的图形转移层11，并使得图形转移层11的表面形成纳米柱阵列结构；各个圆柱尺寸为纳米级别；
具体实施的步骤3包括以下三个步骤：
步骤31，如图3所示，在步骤2中的基片1表面上的第一金属层3的表面上旋涂一层纳米压印胶作为图形转移层11，得到具有图形转移层11的基片1；
步骤32，如图4、图5和图11所示，将步骤2中具有纳米柱阵列的PDMS软模板5覆盖到图形转移层11的上表面上，然后进行紫外曝光使图形转移层11固化，接着再将具有纳米柱阵列的PDMS软模板5与基片1分离脱模，在第一金属层3表面复制得到具有纳米柱阵列的图形转移层11，具有纳米柱阵列的图形转移层11包括凸起的若干个纳米柱以及相邻纳米柱之间的残余层；
步骤33，如图6所示，采用ICP刻蚀去除步骤32中的残余层，使得残余层处的第一金属层3的表面被暴露出来，使得相邻纳米柱之间为第一金属层表面，ICP刻蚀图形转移层11整体减薄。
刻蚀残余层的具体刻蚀工艺参数如表1所示：
表1
| 编号 | ICP Power | RF Power | 刻蚀气体 | 刻蚀气体 | 附加气体 | 刻蚀时间 |
| ① | 2000W | 50W | SF6＝30sccm | CHF3＝30sccm | Ar＝10sccm | 100s |
具体实施的纳米压印胶形成的图形转移层11具体是主要由主体树脂丙烯酸酯、光引发剂Ir-gacure819、添加剂乙烯基醚和有机溶剂等材料所构成的紫外压印光刻胶。
步骤4，纳米柱阵列结构表面修饰工序：
在纳米柱阵列结构中每个纳米柱的上表面以及相邻纳米柱之间的第一金属层3的上表面均制备呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层15；
具体实施的步骤4包括以下三个步骤：
如图7所示，步骤41，通过溅射在每个纳米柱的上表面及相邻纳米柱之间的第一金属层3的上表面制备一层相同厚度的第二金属层16，第二金属层16的材料与纳米颗粒13的材料一样，以使纳米颗粒13可以牢固的形成于每个纳米柱表面上，提高后续刻蚀的均匀性；
步骤42，通过溶剂蒸发的方式，在步骤41中的每个纳米柱上表面及相邻纳米柱之间的第二金属层16的上表面制备金属纳米颗粒13，金属纳米颗粒13为直径大小不一的球形颗粒，使得在纳米柱阵列结构上堆叠形成呈半球形曲面的弧度不均匀的纳米颗粒层15，其中，纳米颗粒层15包括第二金属层16及第二金属层16上表面的金属纳米颗粒13；具体实施的纳米颗粒13材料为铝金属纳米颗粒，金属纳米颗粒13粒径从10nm-30nm不等，还可以是旋涂法、刮刀法、化学气相沉积法、浸涂和转印法在第二金属层16的上表面形成金属纳米颗粒13。
步骤43，再置于150°条件下退火10h，金属纳米颗粒13收缩使各个颗粒之间的缝隙缩减，得到呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层15。
步骤5，刻蚀工序：
包括将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜和将基片1刻蚀形成蛾眼减反结构。步骤6具体包括以下两个步骤：
步骤51：如图8所示，将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜：ICP刻蚀步骤4中呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层15，直至过刻呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层15到纳米柱结构阵列，使得纳米柱结构阵列的每个纳米柱顶面形成弧形曲面，将纳米柱顶面的弧形曲面和纳米柱顶面的半球形曲面下方的第一金属层3作为基片1的半球形曲面掩膜；此时相邻纳米柱之间的纳米颗粒层15以及相邻纳米柱之间的纳米颗粒层15底面的第一金属层3全部被刻蚀除去，使得相邻半球形曲面纳米柱之间的纳米颗粒层15下方的基片1被暴露出来；
具体实施中，将纳米柱结构刻蚀成半球形曲面掩膜，具体刻蚀工艺参数如表2所示：
表2
| 编号 | ICP Power | RF Power | 刻蚀气体 | 刻蚀气体 | 附加气体 | 刻蚀时间 |
| ② | 100W | 70W | Cl2＝22sccm | BCl3＝55sccm | 45s |
表2刻蚀工艺参数兼容对纳米压印胶和铝金属的刻蚀。
步骤52：如图9所示，将基片1刻蚀成蛾眼减反结构：ICP刻蚀相邻半球形曲面掩膜之间的基片1，直至半球形曲面掩膜被完全刻蚀时，使得基片1表面形成具有蛾眼减反结构的基片9。
具体实施中，将基片1刻蚀成蛾眼减反结构的具体刻蚀工艺参数如表3所示：
表3
| 编号 | ICP Power | RF Power | 刻蚀气体 | 附加气体 | 刻蚀时间 |
| ③ | 500W | 100W | BCl3＝50sccm | 200s |
本发明的目的是在于提供一种制备蛾眼减反结构的方法，通过纳米压印将圆柱体的纳米结构转移到基片表面，通过转化加工得到弧形曲面掩膜，并最终在基片刻蚀得到的蛾眼减反结构，该方法避免了现有电子束光刻/光学光刻-刻蚀、自组装法等技术制备蛾眼减反结构慢、昂贵、不能批量制备的技术缺点，以较低的成本实现了蛾眼减反结构高效、可控、批量的制备。
以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明技术方案和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的技术方案。
Claims (10)
1.一种制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：包括以下具体步骤：
步骤1，原始硅模具及PDMS软模板(5)制备工序：
采用电子束直写+ICP刻蚀的方法在硅基片的表面制备纳米柱阵列，得到具有纳米柱阵列的原始硅模具(7)，然后，通过具有纳米柱阵列的原始硅模具(7)制备获得具有纳米柱阵列的PDMS软模板(5)；
步骤2，金属层形成工序：
通过溅射、蒸镀、沉积或电镀工艺在基片(1)上表面制备一层第一金属层(3)；
步骤3，纳米柱阵列复制转移制备工序：
在第一金属层(3)的表面制备一层图形转移层(11)，通过纳米压印将PDMS软模板(5)具有的纳米柱阵列复制转移到图形转移层(11)的表面，使得图形转移层(11)的表面形成纳米柱结构阵列；
步骤4，纳米柱阵列结构表面修饰工序：
在纳米柱阵列结构中每个纳米柱的上表面以及相邻纳米柱之间的第一金属层(3)的上表面均制备呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层(15)；
步骤5，刻蚀工序：
包括将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜和将基片(1)刻蚀形成蛾眼减反结构。
2.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：
所述步骤1中，纳米柱阵列是由间隔均匀的若干个纳米柱排列构成；纳米柱的高度不大于900nm，纳米柱的深宽比小于等于4：1。
3.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：
所述的PDMS软模板(5)的制备，具体包括以下步骤：
先在具有纳米柱阵列的原始硅模(7)具纳米柱阵列所在的表面制备一层聚二甲基硅氧烷(PDMS)，然后，再将PET膜覆盖在具有纳米柱阵列的原始硅模具(7)聚二甲基硅氧烷(PDMS)所在的表面上并施加机械力，接着在60°条件加热固化12h，最后经脱模后得到具有纳米柱阵列的PDMS软模板(5)。
4.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述步骤2中，基片(1)为玻璃、硅、或者三五族半导体材料。
5.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述的第一金属层(3)采用铝、铬、金、铜或SiO2材料。
6.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述步骤3具体包括以下步骤：
步骤31，在步骤2中的第一金属层(3)的表面上旋涂一层纳米压印胶作为图形转移层(11)；
步骤32，将步骤2中具有纳米柱阵列的PDMS软模板(5)覆盖到图形转移层(11)的上表面上，然后进行紫外曝光使图形转移层(11)固化，接着再将具有纳米柱阵列的PDMS软模板(5)与基片(1)分离脱模，在第一金属层(3)表面复制得到具有纳米柱阵列的图形转移层(11)，具有纳米柱阵列的图形转移层(11)包括凸起的若干个纳米柱以及相邻纳米柱之间的残余层；
步骤33，采用ICP刻蚀去除步骤32中的残余层，使得残余层处的第一金属层(3)的表面被暴露出来，使得相邻纳米柱之间为第一金属层表面。
7.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述的步骤4，具体包含以下三个步骤：
步骤41，通过溅射工艺方法在每个纳米柱的上表面及相邻纳米柱之间的第一金属层(3)的上表面制备一层相同厚度的第二金属层(16)；
步骤42，通过溶剂蒸发的方式，在步骤41中的第二金属层(16)的上表面制备金属纳米颗粒(13)，金属纳米颗粒(13)为直径大小不一的球形颗粒，使得在纳米柱阵列结构上堆叠形成呈半球形曲面的弧度不均匀的纳米颗粒层(15)；
步骤43，再置于150°条件下退火10h，金属纳米颗粒(13)收缩得到呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层(15)。
8.根据权利要求7所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述的第二金属层(16)采用铝、铬、金、铜或SiO2材料。
9.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述步骤5具体包括以下两个步骤：
步骤51：将纳米柱刻蚀成半球形曲面掩膜：ICP刻蚀步骤4中呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层(15)，直至过刻呈半球形曲面的致密、弧度均匀的纳米颗粒层(15)到纳米柱阵列结构，使得纳米柱阵列结构的每个纳米柱顶面形成半球形曲面，将纳米柱顶面的半球形曲面和纳米柱顶面的半球形曲面下方的第一金属层(3)作为基片(1)的半球形曲面掩膜；此时相邻纳米柱之间的纳米颗粒层(15)以及相邻纳米柱之间的纳米颗粒层(15)底面的第一金属层(3)全部被刻蚀除去，使得相邻纳米柱之间的基片(1)被暴露出来；
步骤52：将基片(1)刻蚀成蛾眼减反结构：ICP刻蚀相邻半球形曲面掩膜之间的基片(1)，直至半球形曲面掩膜被完全刻蚀时，使得基片(1)表面形成具有蛾眼减反结构的基片(9)。
10.根据权利要求1所述的制备蛾眼减反结构的方法，其特征在于：所述步骤3中，图形转移层(11)是由主体树脂丙烯酸酯、光引发剂Ir-gacure819、添加剂乙烯基醚和有机溶剂材料构成的纳米压印胶。
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