CN115494567A - 一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构及制备方法、应用 - Google Patents

一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构及制备方法、应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构及制备方法、应用，涉及光电器件的技术领域；该制备方法包括：提供基底、具有微透镜阵列图案或微透镜阵列图案反向图案的第一纳米压印模板和具有纳米光栅结构图案的第二掩模版；利用压印、刻蚀工艺将第一纳米压印模板上的图案转移到基底上或者利用压印、刻蚀工艺将微透镜阵列反向图案反向转移到基底上，形成微透镜阵列；在微透镜阵列表面形成中间层；利用光刻技术将第二掩模版上的图案转移到中间层上，形成纳米光栅结构，得到微透镜阵列纳米光栅复合结构。本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅复合结构及其应用。本申请提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构精度高，参数灵活可调、便于大批量制备。

Description

一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构及制备方法、应用
技术领域
本发明涉及光电器件技术领域，尤其是涉及一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构及制备方法、应用。
背景技术
微透镜及微透镜阵列作为一种非常重要的微纳结构光学元器件，通过精确控制微透镜结构，调整其焦距、数值孔径等参数可以实现对光束的有效调制满足消费者的需求，从而被广泛应用于光电子及半导体检测领域。由于微透镜阵列的形貌尺度在微米尺度，远大于可见光波长（380 nm～780 nm），因此微透镜阵列无法在广角宽光谱范围内减少表面光线反射损失，同时较难实现对宽光谱范围的精确聚焦成像。
亚波长纳米阵列结构（结构单元尺寸在亚波长尺度），具有抑制入射光线反射，在宽波段、宽角度增强光线透射的独特优点，因而能提高光学元件的抗反射特性。同时，通过设计亚波长结构单元的形状、尺寸，可以实现对纳米阵列结构对光的精确调控，从而被应用于宽光谱波段的成像、传感等光学元件中。然而，由于纳米阵列尺度在亚波长尺度（一般小于800 nm），因此表面机械性能明显弱于微透镜阵列，容易损坏。
现有技术中发展出了纳米阵列与微透镜阵列的复合结构制备方法，如仿生复眼结构等，实现了在广角宽光谱范围内减少表面入射光线反射损失，此外通过在微透镜结构顶端及周围制备纳米结构的方法，可有效提高表面的疏水稳定性，提高复合结构透镜在恶劣条件下的使用性能。但是纳米阵列结构设置微透镜阵列表面，仍然无法克服表面机械性能弱，容易划伤的缺陷，且纳米结构的存在又会影响微透镜的光透性，透光性的降低将直接影响器件性能。
目前制备微透镜阵列及纳米结构阵列的工艺主要包括反应离子刻蚀法、激光直写法、热压印法等。反应离子刻蚀和激光直写法加工精度高，但对于工艺要求较高，限制了大批量生产应用，热压印法适用于大批量制备，但在精细纳米结构制备中对于压印模板及压印胶要求高，因此难以大批量生产应用。
发明内容
本申请的目的在于提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，改善了现有技术中微透镜阵列的难以调整和精确控制难度大的技术问题。
另一目的，本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构。
另一目的，本申请还提供另一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构。
再一目的，本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的应用。
第一方面，基于上述技术问题，本申请提供了一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，包括：
提供基底、具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板和具有纳米光栅结构图案的第二掩模版；
利用压印、刻蚀工艺将所述第一纳米压印模板上的所述微透镜阵列图案转移到所述基底上或者利用压印、刻蚀工艺将所述微透镜阵列反向图案反向转移到所述基底上，形成微透镜阵列；
在所述微透镜阵列表面形成中间层；
利用光刻工艺将所述第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到所述中间层上，形成纳米光栅结构，得到微透镜阵列纳米光栅的复合结构。
进一步地，在本申请的一些实施例中，利用光刻工艺将第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到中间层上，包括：
在所述中间层表面形成第四光刻胶层；
利用第二掩模版掩模；
利用光复印工艺将所述第二掩模版上的所述纳米光栅结构图案转移到所述第四光刻胶层上；
利用包括有卤化氢的第二刻蚀气体刻蚀中间层，将所述纳米光栅结构图案转移到所述中间层上；其中，所述第二刻蚀气体中，所述卤化氢的占比以体积分数计为11%~25%。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述第二刻蚀气体还包括氟化物；
其中，所述氟化物选自六氟化硫、四氟化碳、三氟甲烷、二氟甲烷、八氟环丁烷、六氟丁二烯、八氟环戊烯、氟化氮中的一种或多种；和/或所述卤化氢选自溴化氢、氯化氢、氟化氢中的任一种。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述刻蚀工艺中，待得到的所述微透镜阵列的微透镜单元的底面直径D与中心厚度d与的比值为8≤D/d＜20；所述刻蚀工艺中所采用的卤化氢和所述氟化物的比值以体积比计为1:3.5~1:5。
进一步地，在本申请的一些实施例中，利用压印、刻蚀工艺将所述第一纳米压印模板上的图案转移到所述基底上，包括：
提供转印模板，所述转印模板的表面设置有第二压印胶层；
利用具有所述微透镜阵列图案的所述第一纳米压印模板在所述转印模板上进行压印，将所述微透镜阵列图案反向转移到所述转印模板上，得到反向转印模板；
在所述基底上形成第三压印胶层；
利用所述反向转印模板在所述第三压印胶层上进行压印，将所述微透镜阵列图案转移到所述第三压印胶层上；
利用刻蚀工艺将所述第三压印胶层上的图案转移到所述基底上，包括：以所述形成有微透镜阵列图案的第三压印胶层为掩模，利用刻蚀工艺将所述第三压印胶层上的微透镜阵列图案转移到所述基底上。
第二方面，本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元、覆盖在所述微透镜单元上的中间介质膜层、若干形成在所述中间介质膜层上且呈周期性阵列的纳米光栅；所述纳米光栅的结构为亚波长结构。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述微透镜单元的中心厚度d为10~200μm；和/或
所述中间介质膜层的厚度为应用波长的1/4或应用波长的1/4的奇数倍，厚度为50~500nm；和/或
所述纳米光栅的高度不小于所述应用波长的1/10且不大于所述应用波长；和/或
所述纳米光栅的光栅占空比为20%~80%；和/或
所述微透镜单元的中心厚度d与中间介质膜层的厚度的比值为100~2000；
其中，所述应用波长为所述复合结构应用时的工作光波的波长。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述纳米光栅设置在相邻的所述微透镜单元之间，且所述纳米光栅的高度不高于所述微透镜单元的中心厚度d。
第三方面，本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元、若干周期性分布在微透镜单元之间的纳米光栅；且所述微透镜单元的中心厚度d与所述纳米光栅的高度h的比值为100~5000；所述纳米光栅的结构为亚波长结构。
进一步地，在本申请的一些实施例中，所述纳米光栅的高度不小于应用波长的1/10且不大于应用波长；和/或
所述纳米光栅的光栅占空比为20%~80%。
第四方面，本申请还提供第一方面所述的一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法制备得到的复合结构或第二方面、第三方面所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构在光学领域的应用。
本申请提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，在微透镜单元上形成中间层，并在中间层上通过光刻技术形成纳米光栅结构，形成微透镜阵列和纳米光栅结构的复合结构，其工艺步骤简单，微透镜阵列的参数可以灵活调整，使其满足不同的器件需求，精度高，有利于微透镜阵列的推广使用；通过对中间层的刻蚀程度的控制，可以获得微透镜-纳米光栅的复合结构或微透镜-中间介质膜层-纳米光栅的复合结构，通过进一步对微透镜阵列、纳米光栅阵列以及中间介质膜层结构及材料选取的控制，可以进一步提升器件的透光性能和亲水性；此外，纳米光栅结构形成在微透镜阵列单元之间而不是直接在微透镜单元的表面形成，减少了成对微透镜单元的光透性的影响，保证了器件的透光性能和精度；此外，本申请提供的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，通过控制纳米压印、刻蚀及光刻工艺中的刻蚀气体成分比例等参数，可以获得表面接近球面或弧形面的微透镜单元，减少微透镜阵列的图案转移过程中的工艺的误差，提高精度。
本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，在相邻的微透镜单元之间设置纳米光栅结构，保证了微透镜阵列与纳米光栅形成的复合结构的机械性能，解决了现有的复合结构的容易划伤的缺陷；同时其所采用的纳米光栅的结构为亚波长结构，该亚波长结构等效于介于空气与基底材料的低折射率层,当光入射至该结构上时,它可以相当于一层折射率匹配的优异抗反射涂层，因此纳米光栅结构不仅未增加微透镜的反射率，还提高了复合结构的透光性能。此外通过在微透镜结构、周围制备纳米结构的方法，可有效提高表面的疏水稳定性，提高复合结构在恶劣条件下的使用性能。
本申请还提供另一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，该复合结构在阵列的微透镜单元上设置中间介质膜层，并在中间介质膜层上形成纳米光栅结构，其纳米光栅结构不直接设置在微透镜单元表面，减少了刻蚀过程中对微透镜单元的损伤和误差，提高复合结构的精度，便于其推广应用。此外，中间介质膜层的存在还可以隔绝水汽，延长微透镜阵列的使用寿命；同时当设置中间介质膜层厚度为应用波长的1/4或应用波长的1/4的奇数倍且中间层材料折射率满足：空气折射率n0（≈1）<中间层折射率n1<微透镜折射率n2时，可以起到减少反射、增透的效果，进一步提高该复合结构中微透镜单元的透光率。同样的，其纳米光栅的结构也采用亚波长结构，其不仅未增加微透镜单元的反射率，还提高了复合结构的透光性能，也增加了该复合结构的疏水性能。
本申请还提供微透镜阵列纳米光栅的复合结构在光学领域的应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法的流程图；
图2为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S3得到的半成品器件的截面结构示意图；
图3为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S4得到的半成品器件的截面结构示意图；
图4为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S7得到的半成品器件的截面结构示意图；
图5为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S8得到的半成品器件的截面结构示意图；
图6为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S9得到的半成品器件的截面结构示意图；
图7为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S11得到的半成品器件的截面结构示意图；
图8为本申请一些实施例提供的微透镜阵列纳米光栅复合结构的制备方法中步骤S11得到的器件的俯视结构示意图；
图9为本申请一些实施例提供的具有中间介质膜层的微透镜阵列纳米光栅复合结构的截面结构示意图。
主要元件符号说明：
10-基底，20-刻蚀掩膜层，30-微透镜阵列，40-中间层，41-中间介质膜层，50-第四光刻胶层，60-纳米光栅。
具体实施方式
下面将结合实施例对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本申请的不同结构。为了简化本申请的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本申请。此外，本申请可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本申请提供了的各种特定材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。
本申请提供了一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，参阅图1，包括：
步骤1：提供基底10、具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板和具有纳米光栅结构图案的第二掩模版；
步骤2：利用压印、刻蚀工艺将所述第一纳米压印模板上的所述微透镜阵列图案转移到所述基底10上或者利用压印、刻蚀工艺将所述微透镜阵列反向图案反向转移到所述基底10上，形成微透镜阵列30；
步骤3：在所述微透镜阵列30表面形成中间层40；
步骤4：利用光刻工艺将所述第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到所述中间层40上，形成纳米光栅结构，得到器件，即为微透镜阵列纳米光栅复合结构。
需要说明的是，在本申请中，具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板根据微透镜阵列30所应用的器件所需的微透镜阵列30的参数来确定。其中，器件所需的微透镜阵列30的参数可以通过有限元电磁仿真软件进行模拟得到，因此，在提供具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板之前，根据器件的性能需求和基底10的材料，利用有限元电磁仿真软件模拟出微透镜的相关参数，并根据这一参数制备具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板。其参数包括微透镜阵列30的微透镜单元的球面曲率半径R0、微透镜单元的中心厚度d、微透镜单元的表面的切面与底面的夹角θ。
在本申请中，微透镜阵列图案和微透镜阵列反向图案应当理解为结构上的反向，其与凹模和凸模的原理相同；其对应的转移和反向转移也为结构上的反向，其与凹模和凸模成型器件的原理相同。
需要说明的是，在本申请中，微透镜单元的中心厚度d应当理解为微透镜单元的顶点（每一微透镜单元离基底10最远的一点）到微透镜单元在基底10上垂直投影形成的阴影的距离。微透镜阵列30包括若干在基底10上阵列的结构为球面凸起或者近似球面凸起的微透镜单元。其中，基底10材料的折射率根据基底10的材料确定；微透镜单元的焦距由微透镜阵列30即将应用的器件所需要的性能确定。在一些实施例中，有限元电磁仿真软件为市售的可以任一实现光电组件三维仿真的软件，如ANSYS Maxwell有限元电磁场仿真软件。
在一些实施例中，第二掩模版根据所需的纳米结构的结构参数和光学参数制备。
所需的纳米结构的结构参数包括纳米结构中的纳米单元的形状、高度、纵宽比；纳米结构的光学参数包括纳米结构的材料的折射率。
在一些实施例中，所需的纳米结构的结构参数和光学参数根据微透镜阵列30应用的器件的光学需求和微透镜单元的焦距、折射率等参数的差值，利用有限元电磁软件模拟得到。
在一些实施例中，纳米光栅结构为周期性排布的纳米光栅60组成的结构。
在一些实施例中，相邻纳米光栅60之间的中间层40的材料被完全或者不完全刻蚀。当相邻纳米光栅60之间的中间层40材料不被完全刻蚀时，则形成的微透镜阵列30包括微透镜单元、刻蚀之后的中间层40和纳米光栅60的三层复合微纳米结构，不仅可以利用不完全刻蚀的中间层40对微透镜阵列起到一定的保护、防止水分侵入的作用，同时还可以避免微透镜阵列在中间层40刻蚀的过程中受影响，此外，还可以将中间介质膜层41的厚度控制等于或者接近应用波长的1/4或应用波长的1/4的奇数倍，起到增透减返的效果通过。需要说明的是，本申请所述的“应用波长”应理解为本申请提供的复合结构应用或者拟应用的产品在使用时的光的波长。
当相邻纳米光栅60之间的中间层40材料被完全刻蚀时，微透镜阵列纳米光栅复合结构包括阵列分布的微透镜单元和阵列分布的纳米光栅60形成的复合结构。
在一些实施例中，利用光刻工艺将所述第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到所述中间层40上，形成纳米光栅结构，包括：
步骤401：在所述中间层40表面形成第四光刻胶层50；
步骤402：利用第二掩模版掩模；利用光复印工艺将第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到第四光刻胶层50上；
步骤403：利用包括有卤化氢的第二刻蚀气体，刻蚀中间层40，将纳米光栅结构图案转移到中间层40上；其中，第二刻蚀气体中，卤化氢的占比以体积分数计为11%~25%。
需要说明的是，本申请所述的光刻工艺为广的光刻工艺，其包括光复印工艺和刻蚀工艺。其中光复印工艺即为经曝光系统将预制在掩模版上的器件或图形按所要求的位置，精确传递到预涂在晶片表面或中间层40上的光致抗蚀剂薄层上。刻蚀工艺即为利用化学或物理方法，将抗蚀剂薄层未掩蔽的晶片表面或中间层40除去，从而在晶片表面或中间层40上获得与抗蚀剂薄层图形完全一致的图形。此处的刻蚀工艺即为上述的：“利用包括有卤化氢的第二刻蚀气体，刻蚀中间层40，将纳米光栅结构图案转移到中间层40上”。在此，第四光刻胶层50即为光致抗蚀剂薄层。
在一些实施例中，在刻蚀中间层40时，所选用的刻蚀工艺为干法刻蚀工艺，其刻蚀气体包括卤化氢；其中，卤化氢可以为溴化氢、氯化氢、氟化氢中的任一种，优选为溴化氢。
卤化氢对纳米光栅60的侧壁具有保护效果，可以根据待得到的微透镜阵列产品的光学性能要求使得到的纳米光栅60的光栅单元的侧壁倾角接近90°。
其中，干法刻蚀工艺的工艺参数包括刻蚀气体的卤化氢的比例、刻蚀气体的气体流量、卤化氢的气体流量、进行干法刻蚀工艺的腔室内的压力、进行干法刻蚀工艺的设备所采用的源功率、干法刻蚀工艺的腔室内的温度、进行干法刻蚀工艺的设备所采用的偏置功率。
其中，进行干法刻蚀工艺的腔室内的温度可以选择20~100℃，优选50~80℃；进行干法刻蚀工艺的腔室内的压力可以选择4~40mtorr，优选5~20mtorr；进行干法刻蚀工艺的设备所采用的源功率可以选择100~1000w，优选为100~800w；进行干法刻蚀工艺的设备所采用的偏置功率可以选择0~400w，优选为50~300w；进行干法刻蚀工艺的刻蚀时间可以选择60~180s；其中刻蚀时间根据纳米光栅60的高度进行调整，高度越高其刻蚀时间越长。
在一些实施例中，干法刻蚀工艺中所采用的刻蚀气体还包括氟化物，氟化物选自六氟化硫、四氟化碳、氟化氮以及三氟甲烷、二氟甲烷、八氟环丁烷、六氟丁二烯、八氟环戊烯等氟碳化物中的一种或多种。
进一步地，干法刻蚀工艺的工艺参数优选为：进行干法刻蚀工艺的腔室内的温度为50~80℃；进行干法刻蚀工艺的腔室内的压力为5~20mtorr；进行干法刻蚀工艺的设备所采用的源功率为100~800w；干法刻蚀的刻蚀气体包括六氟化硫和溴化氢。
在一些实施例中，当中间层40的材料为二氧化硅时，干法刻蚀工艺中所采用的刻蚀气体还包括氧气和惰性气体。其中惰性气体可以选择氦气、氖气、氩气。
在一些实施例中，根据中间层40材料的不同，调整干法刻蚀工艺中的刻蚀气体的流量、刻蚀气体中各成分的体积比、刻蚀时间等工艺参数。
当中间层40材料为硅时，干法刻蚀工艺中的刻蚀气体的流量分别为：氟化物100~1000SCCM，卤化氢20~250SCCM；优选为，氟化物200~800SCCM，卤化氢50~200SCCM；干法刻蚀工艺的刻蚀时间为60~180s。
当中间层40材料为二氧化硅时，干法刻蚀工艺中的刻蚀气体的流量分别为：氟化物10~200SCCM，卤化氢20~250SCCM，氧气5~50SCCM，惰性气体5~50SCCM；优选为，氟化物10~150SCCM，卤化氢50~180SCCM，氧气5~40SCCM，惰性气体5~40SCCM；干法刻蚀工艺的刻蚀时间为100~300s。
二氧化硅在一些实施例中，还可以根据待得到的纳米光栅60的纵宽比，调整干法刻蚀技术的工艺参数。
在一些实施例中，中间层的材料的折射率小于所述微透镜单元的材料折射率；使得到中间介质膜层以及纳米光栅的折射率小于微透镜单元组成的微透镜阵列的折射率，实现折射率的阶梯变化，减少光反射，提高光的透射率。
在一些实施例中，在将纳米结构的图案转移到中间层40上之后，还包括：去胶工艺。
其中，去胶工艺可以为干法去胶工艺，也可以为湿法去胶工艺，还可以采用干法去胶工艺和湿法去胶工艺联合去胶，达到更好的去胶效果。
其中，在一些实施例中，干法去胶工艺包括：在20~300℃下，利用工艺气体去除微透镜阵列30表面的压印胶层；其中，工艺气体选自氧气、氢气、氮气中的至少一种。当工艺气体为氧气时，其流量为1000~5000SCCM，优选为3000SCCM；当工艺气体为氢气和氮气的混合气时，其流量为100~500SCCM，优选为500SCCM；当工艺气体为氮气时，其流量为100~1000SCCM，优选为500SCCM。湿法去胶工艺选择溶剂去胶，其溶剂可以为常规的刻蚀工艺去胶工艺所采用的溶剂，如丙酮、芳香族的有机溶剂。在一些实施例中，所述刻蚀工艺中，待得到的所述微透镜阵列的微透镜单元的底面直径D与中心厚度d与的比值为8≤D/d＜20；所述刻蚀工艺中所采用的卤化氢和所述氟化物的比值以体积比计为1:3.5~1:5。
需要说明的是，微透镜单元的底面直径D应该理解为一微透镜单元在基底10上垂直投影形成的阴影的直径。
此外，在刻蚀过程中，发明人发现，微透镜单元的底面直径D与中心厚度的比值与刻蚀速度和刻蚀时长相关。为使刻蚀形成的微透镜单元的表面更接近球面或者弧形面，不仅要求在刻蚀过程中存在横向刻蚀还需要限制横向刻蚀的程度，鉴于该刻蚀需求，本申请在微透镜单元的刻蚀工艺中采用添加有卤化氢的刻蚀气体进行刻蚀，利用卤化氢限制微透镜单元的横向刻蚀，并根据D/d值来调整刻蚀气体中卤化氢和氟化物的比例，使其达到即满足纵向刻蚀又限制横向刻蚀的作用，使得到的微透镜单元的表面无限接近球面或者弧形面。
因此，在一些实施例中，利用压印、刻蚀工艺将所述第一纳米压印模板上微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案转移或反向转移到所述基底10上，形成微透镜阵列30这一步骤的所述刻蚀工艺中：根据待得到的所述微透镜阵列30的微透镜单元的底面直径D与中心厚度d的比值，调整所述刻蚀工艺中所采用的处理气体中卤化氢和氟化物的比例，得到所需的微透镜阵列30。
其刻蚀工艺中所采用的处理气体中卤化氢和氟化物的比例与D/d值可以为：
当D/d≥20时，卤化氢与氟化物的比值以体积比计为1:4.5~1:8；
当8≤D/d＜20时，卤化氢与氟化物的比值以体积比计为1:3.5~1:5；
当D/d＜8时，卤化氢与氟化物的比值以体积比计为1:2~1:4。
此外，在一些实施例中，在刻蚀工艺中，还可以根据待得到的微透镜阵列30的微透镜单元的D/d的值，调整进行刻蚀工艺的设备的偏振功率，其调整如下：
当D/d≥20时，刻蚀工艺所采用的偏振功率为150~300W；
当8≤D/d＜20时，刻蚀工艺所采用的偏振功率为80~150W；
当D/d＜8时，刻蚀工艺所采用的偏振功率为0~100W。
需要说明的是，刻蚀过程中刻蚀气体在偏振电压作用下加速轰击样品表面，实现各向异性刻蚀，而越高的偏振功率，在偏振电压方向上的材料的被刻蚀的速率越快，越利于被刻蚀材料的各向异性刻蚀，越有利于微透镜单元的表面形成的形状更接近球面或者弧形面。
在一些实施例中，利用压印、刻蚀工艺将具有微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板上的图案反向转移到所述基底10上，直接形成微透镜阵列图案，包括：
步骤201：在基底10上形成第一压印胶层；
步骤202：利用第一纳米压印模板在第一压印胶层上进行压印，将所述微透镜阵列图案反向转移到所述第一压印胶层上，得到具有微透镜阵列图案的刻蚀掩膜层20；
步骤203：以所述刻蚀掩模层20为掩模，利用刻蚀工艺将所述刻蚀掩膜层20的图案转移到所述基底10上，形成微透镜阵列图案。
在本实施例中，直接采用第一纳米压印模板作为压印模板，反向转移第一纳米压印模板上的微透镜阵列图案的图案。该工艺过程简单、精度高、误差小。
但由于具有微透镜阵列图案的第一纳米压印模板的制备成本高、制备时间长，在纳米压印工序中第一纳米压印模板会被损伤，虽然这些损伤在一次工序中较为细微，但由于微透镜单元的刻蚀精度要求较高，且第一纳米压印模板需要重复利用，因此会影响第一纳米压印模板的使用寿命和微透镜单元的精度，为了解决这一技术问题，本申请的另一些实施例中，利用压印、刻蚀工艺将具有微透镜阵列图案的第一纳米压印模板上的图案通过转移板转移到所述基底10上，形成微透镜阵列图案，包括：
步骤211：提供表面设置有第二压印胶层的转印模板转印模板；
步骤212：利用所述第一纳米压印模板在所述转印模板上进行压印，将所述微透镜阵列图案反向转移到所述转印模板上，得到反向转印模板；
步骤213：在所述基底10上形成第三压印胶层；
步骤214：利用所述反向转印模板在所述第三压印胶层上进行压印，将所述微透镜阵列30的图案转移到所述第三压印胶层上，得到具有微透镜阵列图案的刻蚀掩膜层20；
步骤215：以所述刻蚀掩模层20为掩模，利用刻蚀工艺将所述刻蚀掩膜层20的图案转移到所述基底10上，形成微透镜阵列图案。
在这些实施例中，利用第一纳米压印模板制备转印模板，并以转印模板为模板在第二压印胶层上形成微透镜阵列30的图案，可以减少第一纳米压印模板的使用频率，而转印模板的成本远低于第一纳米压印模板，进而实现生产成本降低；同时，在转印模板的精度下降时，可以通过第一纳米压印模板再制作精度达到要求的新的转印模板，因此可以保证微透镜阵列30的产品的性能的一致性。
在一些实施例中，第一压印胶层、第二压印胶层和第三压印胶层的材料可以独立的选自紫外光刻胶（包括紫外正性光刻胶、紫外负性光刻胶）、深紫外光刻胶、X-射线胶、电子束胶、离子束胶中的任一种。对应的，可以利用光源或者辐射源对第一压印胶层、第二压印胶层和第三压印胶层进行曝光。
在一些实施例中，基底10可以选自硅基底、二氧化硅基底、玻璃基底、氧化铝基底中的任一种。
在一些实施例中，进行刻蚀工艺的腔室内的压力为5~50mTorr，优选为5~40mTorr。
在一些实施例中，进行刻蚀工艺的设备所采用的源功率为100~1000w，优选为100~800w；氟化物的流量为100~1000SCCM，优选为100~800SCCM；卤化氢的流量为20~200SCCM，优选为50~180SCCM。
在一些实施例中，进行刻蚀工艺的时间为60~180s，刻蚀时间根据微透镜单元的中心厚度进行调整，当微透镜单元的中心厚度越高，刻蚀时间越长。
需要说明的是，“SCCM”为气体质量流量单位，SCCM（Standard Cubic Centimeterper Minute）表示每分钟标准毫升；mTorr为压强的单位；为微米汞柱的压强，即毫米汞柱压强的千分之一。
在一些实施例中，在形成阵列的微透镜单元之后、在阵列的微透镜单元表面形成中间层40之前，还包括：利用有机溶剂和水对阵列的微透镜单元表面进行清洁，去除微透镜单元和基底10表面的有机杂质和颗粒。
其中，有机溶剂选自于市售的有机溶剂，如丙酮、乙醇。水选自去离子水、纯水、超纯水中的任一种。
在一些实施例中，利用有机溶剂和水对阵列的微透镜单元表面进行清洁，包括：
使用丙酮和乙醇的混合溶液进行清洗微透镜单元表面2~10min，再用去离子水溶液超声洗涤微透镜单元表面0.5~5min。
其中，丙酮和乙醇的混合溶液中丙酮和乙醇的质量比可以为1:100~100:1。
在一些实施例中，转印模板通过以下步骤获得：
提供衬底；
在衬底上形成第四印胶层；
在50~90℃下热处理0.5~3min，得到转印模板。
进一步地，在50~90℃下热处理0.5~3min，包括：在50~70℃下热处理1~2min，再在85~95℃下热处理0.5~1min。
在一些实施例中，衬底的材料选自硅、二氧化硅、玻璃、蓝宝石中的任一种。
和/或
中间层40的材料选自硅、氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氟化镁、氟化钙、玻璃或者其他对目标应用波段的光波透明度高的介电层材料等中的任一种。
在一些实施例中，在中间层40的沉积工艺选自于物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、原子层沉积（ALD）中的一种或多种。
当在中间层40的沉积工艺为CVD和/或ALD时，本申请中用于形成中间层40的工艺气体根据中间层40的材料不同而进行调整。如：当中间层40的材料为二氧化硅时，其工艺气体可以包括：硅烷、一氧化二氮、氮气；当中间层40的材料为氮化硅时，其工艺气体可以包括：硅烷、氨气、氮气；当中间层40的材料为硅时，其工艺气体可以包括：硅烷、氢气；当中间层40的材料为硅时，其工艺气体也可以包括：氮气、氩气。
在一些实施例中，当在中间层40的沉积工艺为CVD和/或ALD时，沉积所采用的设备的极板间距为250~500 mils；其中mil为长度单位，mils为mils的复数形式，10mils = 百分之一英寸。
在一些实施例中，当中间层40的材料为二氧化硅时，所采用的设备的工艺腔室内的压力为1.0~2.0Torr；当中间层40的材料为Si时，所采用的设备的工艺腔室内的压力为0.5~1.0Torr；当中间层40的材料为SixNy时，所采用的设备的工艺腔室内的压力为1.0~2.0Torr。
在一些实施例中，当中间层40的材料为二氧化硅时，所采用的设备的极板间距为350~500 mils；当中间层40的材料为硅时，所采用的设备的极板间距为250~400 mils；当中间层40的材料为氮化硅时，所采用的设备的极板间距为350~500 mils。
在一些实施例中，当中间层40的材料为Si时，在沉积工艺中，上下极板间施加70W的射频。
第二方面，本申请还提供一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，采用第一方面提供的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法制备得到。
在一些实施例中，参阅图9，微透镜阵列纳米光栅的复合结构，包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元、覆盖在所述微透镜单元上的中间介质膜层41、若干形成在所述中间介质膜层41上且呈周期性阵列的纳米光栅60；所述纳米光栅的结构为亚波长结构。
在这一实施例中，用于形成纳米光栅60的中间层40在刻蚀过程中不完全刻蚀，使部分中间层40成为与纳米光栅60连接为一体的中间介质膜层41，使本申请提供的微透镜阵列纳米光栅的复合结构形成微透镜阵列30、中间介质膜层41、纳米光栅60的复合结构。
在一些实施例中，微透镜单元的中心厚度d为10~200μm；和/或
中间介质膜层的厚度为应用波长λ的1/4或者λ/4的奇数倍；和/或
纳米光栅的高度不小于应用波长的1/10且不大于应用波长；和/或
纳米光栅的光栅占空比为20%~80%；和/或
微透镜单元的中心厚度d与中间介质膜层的厚度的比值为100~2000；
其中，应用波长为复合结构应用时的工作光波的波长。
中间层40的厚度针对应用波长设置，使中间介质膜层41的厚度等于或者接近应用波长λ的1/4倍或应用波长的1/4的奇数倍，通过1/4应用波长λ或厚度为λ/4的奇数倍的中间介质膜层41减少入射光在界面上的反射干涉，同时增加折射光在界面上的干涉，进而减少复合结构微透镜的反射率，增加透射率；同时使纳米光栅60的高度等于或者接近应用波长λ的0.1~1倍（不包括应用波长），形成亚波长结构，使其可以利用亚波长结构的纳米光栅60也可以进一步的增加复合结构微透镜的透射率。
本申请提供的复合结构中，相邻微透镜单元之间具有间距，且该间距不低于纳米光栅60的宽度。纳米光栅60均匀分布在微透镜单元之间，且纳米光栅60的高度不高于微透镜单元的中心厚度d，使纳米光栅60不凸出微透镜单元的顶点所在的平面，提高纳米光栅60的机械性能和改善纳米光栅60易被划伤的缺陷，同时降低纳米光栅60对光透镜单元的透光性影响，提高复合结构的光电性能。
在另一些实施例中，复合结构包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元和若干呈周期性阵列在所述微透镜单元上或者微透镜单元之间的纳米光栅60，且微透镜单元的中心厚度d与纳米光栅的高度的比值为100~5000；纳米光栅的结构为亚波长结构。
在这一实施例中，用于形成纳米光栅60的中间层40在刻蚀过程中被完全刻蚀成为纳米光栅60，使本申请提供的复合结构形成微透镜阵列30、纳米光栅60的复合结构。
需要说明的是，构成基底和微透镜单元的材料由第一方面的基材提供，其可以选择玻璃、硅、蓝宝石等。
中间层40的材料选自氮化硅、二氧化硅、二氧化钛、氧化铝、氟化镁、氟化钙、玻璃或者其他对目标应用波段的光波透明度高的介电层材料等中的任一种。
在一些实施例中，所述中间介质膜层41的厚度为10~100nm；和/或
所述纳米光栅60的高度为20~200nm、所述纳米光栅60的宽度为20~500nm；相邻的所述纳米光栅60的间距为20~500nm；和/或
所述中间介质膜层41的厚度与所述纳米光栅60的高度的比值为2~10。
在一些实施例中，所述纳米光栅60的占空比20%~80%。
在一些实施例中，本申请还提供第一方面所述的一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法制备得到的复合结构或第二方面、第三方面所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构在光学领域的应用。
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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
本实施例提供一种针对550nm可见光的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其包括：
S1：通过有限元电磁仿真软件进行模拟得到所需的微透镜阵列30的参数：微透镜中心厚度d=550μm，微透镜底面直径D约为36μm，微透镜单元的表面的切面与底面的夹角θ为16.7°，根据参数制备第一纳米压印模板；
选择玻璃基底，并采用氟化氢水溶液、去离子水溶液清洗玻璃基底，去除其表面的杂质；
准备一玻璃衬底，利用旋涂工艺在玻璃衬底上形成第二压印胶层，经过热盘预烘干1min，得到转印模板；
S2：将第一纳米压印模板上的图案通过压印技术转移到转印模板上，得到反向转印模板；
S3：利用旋涂工艺在玻璃基底上旋涂形成第三压印胶层，经过热盘预烘干1min，再以反向转印模板为模板利用压印技术将反向转印模板上的图案转移到第三压印胶层，得到正向的冠形压印胶掩模基片；参阅图2；
S4：将冠形压印胶掩模基片静电吸附在刻蚀设备的工艺腔室内；利用电感耦合等离子刻蚀（ICP）刻蚀技术对冠形压印胶掩模基片进行刻蚀，其刻蚀的工艺参数为：腔室温度为60℃、腔室压力为8mTorr、HBr/（HBr+SF6) 的比值以体积比计为1：5；刻蚀的源功率为500W、偏压功率为100W，刻蚀时间100s；得到微透镜阵列，参阅图3；
S5：对干法刻蚀后的微透镜阵列表面进行清洁，其中，用去离子水先超声清洗1min；再用丙酮和乙醇的混合溶液清洗3min；再用去离子水超声清洗1min，得到清洁的微透镜阵列；
S6：根据实际应用需求，计算上述步骤获得的微透镜光学参数实际需求光学参数间的差值，并用有限元电磁软件仿真模拟出纳米结构的相关参数，包括纳米结构纳米结构高度为100nm，宽度为50nm、占空比为0.3制备相应的第二掩膜版；
S7：采用化学气相淀积（CVD）技术在半成品器件的微透镜单元表面沉积一层厚度为100nm的二氧化硅，其工艺参数为；温度350℃、极板间距400mils，压力1.2Torr，工艺气体的体积比：SiH4:N2O:N2为1:7:30；沉积得到半成品器件，参阅图4；
S8：在二氧化硅膜层上旋涂第四光刻胶层，得到半成品器件，参阅图5；
S9：通过第二掩模版掩膜、曝光、显影，将第二掩模版上的图案转移到第四光刻胶层上，得到半成品器件，参阅图6；
S10：再次将S9中得到的半成品器件静电吸附在刻蚀设备的工艺腔室内；利用电感耦合等离子刻蚀（ICP）刻蚀技术对半成品器件进行干法刻蚀，使纳米光栅之间的中间层材料被完全刻蚀，其中，腔室温度为60℃、腔室压力为10mTorr、HBr/（HBr+SF6)的比值以体积比计为1:6.0；刻蚀的源功率为500W、偏压功率为50W；
S11：将S9中得到的半成品器件在250℃下进行干法去胶，然后再用湿法去胶，干燥，即可得到表面水接触角为153.2°、透射率91.3%的产品1，参阅图7、图8。
实施例2
本实施例相较于实施例1，其步骤S7中沉积一层厚度为240nm的二氧化硅，步骤S10中，控制刻蚀时间，使纳米光栅60之间的中间层40材料被不完全刻蚀，在纳米光栅60和微透镜单元之间保留一层厚度约为140nm的中间层40材料，并采用与实施例1相同的其余步骤，得到表面水接触角为151.7°、透射率95.5%的产品2，参阅图9。
实施例3
本实施例相较于实施例1，其步骤S7中，利用CVD技术在半成品器件的微透镜单元表面沉积一层二氧化钛，其工艺参数为：极板间距250mils，温度75℃，氦气作为载气，TiCl4为钛源（浓度0.1%），氧气作为氧化剂（浓度0.2%）;在上下极板间施加100W的射频，持续150s时间完成Si薄膜沉积；
其步骤S10中，控制刻蚀时间，使纳米光栅60之间的中间层40材料被不完全刻蚀，其工艺参数为：温度为60℃、极板间距350mils，压力8mtorr，HBr/（HBr+CF4)的比值以体积比计为3：5；刻蚀的源功率为250W、偏压功率为100W，其余步骤与实施例1相同，得到表面水接触角为152.2°、透射率93.5%的产品3。
对比例1
相较于实施例1，本对比例省略步骤S6~S11，其余步骤与实施例1相同，得到对比品1，经测试得到对比品的表面水接触角为136°、透射率79%；其中，表面水接触角通过水接触角测定仪检测得到；透射率通过透光率仪检测得到。
对比例2
相较于实施例2，本对比例步骤S7中沉积二氧化硅膜层厚度约为138nm并省略步骤S8~S11，其余步骤与实施例2相同，得到对比品2，经测试得到对比品的表面水接触角为127°、透射率86%；其中，表面水接触角通过水接触角测定仪检测得到；透射率通过透光率仪检测得到。
从实施例1~实施例3与对比例1和对比例2得到产品可以知道，本申请采用的复合结构的制备方法制备得到的复合结构表面疏水性更好，透射率可以达到90%以上，由此可见本申请提供的复合结构的减反效果明显，透光性更优。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供基底、具有微透镜阵列图案或微透镜阵列反向图案的第一纳米压印模板和具有纳米光栅结构图案的第二掩模版；
利用压印、刻蚀工艺将所述微透镜阵列图案转移到所述基底上或者利用压印、刻蚀工艺将所述微透镜阵列反向图案反向转移到所述基底上，形成微透镜阵列；
在所述微透镜阵列的表面形成中间层；
利用光刻工艺将所述第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到所述中间层上，形成纳米光栅结构，得到微透镜阵列纳米光栅的复合结构。
2.根据权利要求1所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其特征在于，利用光刻工艺将第二掩模版上的纳米光栅结构图案转移到中间层上，包括：
在所述中间层表面形成第四光刻胶层；
利用第二掩模版掩模；
利用光复印工艺将所述第二掩模版上的所述纳米光栅结构图案转移到所述第四光刻胶层上；
利用包括有卤化氢的第二刻蚀气体刻蚀中间层，将所述纳米光栅结构图案转移到所述中间层上；其中，所述第二刻蚀气体中，所述卤化氢的占比以体积分数计为11%~25%。
3.根据权利要求2所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其特征在于，所述第二刻蚀气体还包括氟化物；
其中，所述氟化物选自六氟化硫、四氟化碳、三氟甲烷、二氟甲烷、八氟环丁烷、六氟丁二烯、八氟环戊烯、氟化氮中的一种或多种；和/或
所述卤化氢选自溴化氢、氯化氢、氟化氢中的任一种。
4.根据权利要求1所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其特征在于，所述刻蚀工艺中，待得到的所述微透镜阵列的微透镜单元的底面直径D与中心厚度d与的比值为8≤D/d＜20；所述刻蚀工艺中所采用的卤化氢和氟化物的比值以体积比计为1:3.5~1:5。
5.根据权利要求1所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法，其特征在于，利用压印、刻蚀工艺将所述微透镜阵列图案转移到所述基底上，包括：
提供转印模板，所述转印模板的表面设置有第二压印胶层；
利用具有所述微透镜阵列图案的所述第一纳米压印模板在所述转印模板上进行压印，将所述微透镜阵列图案反向转移到所述转印模板上，得到反向转印模板；
在所述基底上形成第三压印胶层；
利用所述反向转印模板在所述第三压印胶层上进行压印，将所述微透镜阵列图案转移到所述第三压印胶层上；
利用刻蚀工艺将所述第三压印胶层上的图案转移到所述基底上，包括：
以形成有微透镜阵列图案的所述第三压印胶层为掩模，利用刻蚀工艺将所述第三压印胶层上的微透镜阵列图案转移到所述基底上。
6.一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，其特征在于，包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元、覆盖在所述微透镜单元上的中间介质膜层、若干形成在所述中间介质膜层上且呈周期性阵列的纳米光栅；
所述纳米光栅的结构为亚波长结构。
7.根据权利要求6所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构，其特征在于，所述微透镜单元的中心厚度d为10~200μm；和/或
所述中间介质膜层的厚度为应用波长的1/4；和/或
所述纳米光栅的高度不小于应用波长的1/10且不大于应用波长；和/或
所述纳米光栅的光栅占空比为20%~80%；和/或
所述微透镜单元的中心厚度d与中间介质膜层的厚度的比值为100~2000；
其中，所述应用波长为所述复合结构应用时的工作光波的波长。
8.一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构，其特征在于，包括基底、若干形成在所述基底上且呈周期性阵列的微透镜单元、若干周期性分布在微透镜单元之间的纳米光栅；且所述微透镜单元的中心厚度d与所述纳米光栅的高度的比值为100~5000；
所述纳米光栅的结构为亚波长结构。
9.根据权利要求8所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构，其特征在于，所述纳米光栅的高度不小于应用波长的1/10且不大于应用波长；和/或
所述纳米光栅的光栅占空比为20%~80%。
10.权利要求1~5任一项所述的一种微透镜阵列纳米光栅的复合结构的制备方法制备得到的复合结构或权利要求6或7所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构或权利要求8或9所述的微透镜阵列纳米光栅的复合结构在光学领域的应用。
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