CN117590497A - 使用添加薄膜生产抗反射纹理表面的方法 - Google Patents

使用添加薄膜生产抗反射纹理表面的方法 Download PDF

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Abstract

在生产抗反射表面的方法中,不是将亚波长结构直接蚀刻至基材上,而是将面层的薄膜层沉积至基材的表面上,并且通过将结构蚀刻至面层中来产生抗反射表面。因为可以将薄膜施加至由大量不同材料制成的基材,所以只需要为少数薄膜材料开发共同的蚀刻配方。本方法克服了直接在基材上蚀刻结构的现有方法的缺点,即对于由不同材料制成的每种基材需要不同的蚀刻配方的缺点。

Description

使用添加薄膜生产抗反射纹理表面的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2022年8月16日提交的美国临时专利申请63/398,357的权益。美国临时专利申请63/398,357的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本公开总体上涉及光学元件,更具体地,涉及使用添加薄膜(additive thinfilm)生产防反射纹理表面的方法。
背景技术
当光照射到不同光学介质之间的界面时,例如基材/镜片的表面,就会发生光学反射。对于许多光学系统来说,这种光学反射会产生问题,例如所需图像通量的透射损失,或者不希望出现的重影。目前,抗反射(AR)涂层通常通过在高真空水平下沉积薄膜来制造。然而,传统的薄膜涂层具有缺点/限制,包括窄带宽(由于这些层基于光的相消干涉而工作,在指定范围之外表现不佳)、低激光损伤阈值(取决于选择的材料)、高角度灵敏度、由于温度循环的粘附问题、由于热循环/恶劣环境的性能退化/寿命问题。这些层需要精确控制厚度,以实现所需的AR性能。薄膜方法对AR利用的相消干涉限制了工作波长范围。膜材料的选择还会导致材料吸收,这会限制器件的工作波长范围,或者还会引起导致膜失效的吸收。因此,有必要采用多种材料和后续工艺来满足在宽波长范围内提供解决方案的需求。
也可通过在基材/镜片表面形成纹理界面来降低反射功率。通过使材料逐渐变细,以使基材/空气界面处的折射率突变最小化,这些“蛾眼(motheye)”型结构已经得到证实。然而,蛾眼结构由纳米级柱状物的周期性阵列组成,并且蛾眼结构的制造需要在基材上制造结构之前在基材上预先制造纳米级掩模。该掩模制造步骤通常需要光刻工艺,该工艺需要昂贵的资本支出设备和具有高水平训练和经验的人员。此外,柱状物的周期性阵列在大/陡角度下产生了不希望的衍射效应。例如,对于间距为200nm的柱状物阵列,对于大入射角(例如45°),柱状物的衍射波长为300nm的光(尽管对于小入射角不会如此)。衍射导致光损失。
因此,长期以来一直需要稳健的工艺来制造稳定的AR涂层,该AR涂层具有能够承受高光学功率、低角度灵敏度和弱偏振依赖性的宽波长带。还希望具有相对独立于材料或波长,并且能够容易地制造用于不同基材的结构的工艺。
发明内容
本公开的实施方案制造亚波长结构,提供优于现有方法(传统薄膜技术)的抗反射效果:更宽的抗反射性能范围、更高的激光诱导损伤阈值、更低的角度灵敏度和更弱的偏振依赖性。本公开的实施方案将面层(topcoat)薄膜层施加至基材的表面上,并产生蚀刻至面层中的结构,而不是将亚波长结构直接蚀刻至基材表面。本公开提供了蚀刻工艺,该工艺去除等离子体下面的材料,同时在被蚀刻基材的表面上沉积聚合物颗粒。这种独特的蚀刻工艺产生了亚波长结构,亚波长结构提供了所需的抗反射性能。这些结构的尺寸、高度和间距是变化的,以便为预期的波长范围提供最佳的光学性能。
本公开的实施方案提供了生产沉积在基材上的添加薄膜的抗反射纹理表面以增加穿过基材的光的透射率(transmission)的方法,该方法包括:将薄膜施加至基材的表面上;将涂覆的基材放置在蚀刻室的第一电极和第二电极之间;将气体混合物注入蚀刻室;向电极施加射频波以电离气体混合物并在电极之间产生等离子体;其中等离子体化学和物理地蚀刻掉暴露的薄膜材料,同时在薄膜表面上沉积纳米级聚合物岛;其中沉积的纳米级聚合物被配置成抵抗等离子体的化学蚀刻,这防止了聚合物覆盖下的材料被去除;其中由电极上的射频波驱动的载能离子物理地去除薄膜和聚合物材料;其中聚合物的沉积和物理去除同时发生在薄膜表面上;其中持续化学和物理蚀刻一段时间以产生分布在薄膜表面上的纹理结构,并且该结构具有不同的尺寸、高度和间距。
本公开的另一实施方案提供了使用牺牲薄膜来生产基材的抗反射纹理表面以增加穿过基材的光的透射率的方法,该方法包括:将薄膜施加至基材的表面上;将基材放置在蚀刻室的第一电极和第二电极之间;将第一气体混合物注入蚀刻室;向电极施加第一射频波以电离第一气体混合物并在电极之间产生第一等离子体;其中第一等离子体化学和物理地蚀刻掉暴露的薄膜材料,同时在薄膜表面上沉积纳米级聚合物岛;其中沉积的纳米级聚合物被配置成抵抗第一等离子体的化学蚀刻,这防止了聚合物覆盖下的材料被去除;其中由电极上的第一射频波驱动的载能离子物理地去除薄膜和聚合物材料;其中聚合物的沉积和物理去除同时发生在薄膜表面上;其中持续所述化学和物理蚀刻第一时间长度,以产生分布在所述薄膜表面上的纹理结构,并且所述结构具有不同的尺寸、高度和间距;将第二气体混合物注入蚀刻室;向电极施加第二射频波以电离第二气体混合物并在电极之间产生第二等离子体;其中第二等离子体同时去除薄膜和基材材料;其中在薄膜材料中制造的结构用作蚀刻基材材料的掩模;其中持续蚀刻第二时间长度,以将纹理结构从薄膜转移至基材。
附图说明
图1示出了根据本公开的一个实施方案的用于生产AR纹理表面的装置。
图2A示出了沉积在基材上的薄膜,图2B示出了根据本公开的一个实施方案在薄膜中产生的纹理。
图3A示出了沉积在基材上的薄膜,图3B示出了薄膜中产生的纹理,图3C示出了根据本公开的一个实施方案转移至基材的纹理。
具体实施方式
根据本公开原理对说明性实施方案的描述旨在结合附图进行阅读,附图被视为整个说明书描述的一部分。在本文公开的实施方案的描述中,对方向或方位的任何提及仅仅是为了描述的方便,而不是旨在以任何方式限制本公开的范围。相关术语,例如“下部(lower)”、“上部(upper)”、“水平的(horizontal)”、“垂直的(vertical)”、“上面(above)”、“下面(below)”、“上(up)”、“下(down)”、“顶部(top)”和“底部(bottom)”及其派生词(例如,“水平地(horizontally)”、“向下(downwardly)”、“向上(upwardly)”等)应该被解释为指的是随后描述的或者在所讨论的附图中示出的方位。这些相关术语仅是为了便于描述,除非明确指出,否则不要求该装置以特定的方位设立或操作。术语例如“附接(attached)”、“附着(affixed)”、“连接(connected)”、“耦合(coupled)”、“互连(interconnected)”等指的是这样一种关系,其中结构通过中间结构以及可移动或刚性的附接或关系直接或间接地彼此固定或附接,除非另有明确描述。此外,通过参考示例性实施方案来说明本公开的特征和益处。因此,本公开不应明显限于示出一些可能的非限制性特征组合的示例性实施方案,这些组合可以单独存在或以其它特征组合的形式存在;本公开的范围由所附权利要求书限定。
本公开描述了目前预期的实施本公开的最佳的一种或多种模式。该描述不旨在以限制的意义来理解,而是通过参考附图来提供仅出于说明目的而呈现的实施例,以告知本领域普通技术人员某些实施方案的优点和构造。在附图的各个视图中,相同的附图标记表示相同或相似的部分。
值得注意的是,所公开的实施方案仅是本文创新教导的许多有利用途的实施例。一般而言,本申请说明书中的陈述不一定限制任何各种要求保护的公开内容。此外,一些陈述可能适用于一些创造性特征,但不适用于其他特征。一般而言,除非另有说明,否则在不失一般性的情况下,单数元素可以是复数,反之亦然。
图1示出了根据本公开实施方案的用于在基材表面上制造AR结构的系统的示意图。
如图2A所示,在初始状态下,将薄膜120施加至基材110上。在本文中,应当理解,薄膜是沉积在基材上的二维材料层,以便获得AR特性,并且薄膜的厚度范围为纳米至微米。根据光学系统的具体需要,选择薄膜厚度以允许修改纹理结构的尺寸、高度和密度。图2B示出了在薄膜上制造纹理结构125的最终状态。
基材可由光学系统中常用的多种材料制成。例如,用于基材的材料可以选自以下任何一种或多种:硼硅酸盐玻璃、硼酸钡、氟化钡方解石、蓝宝石、氟化钙、金刚石、氟化铟、氟化镁、溴化钾、硒化锌、锗、聚四氟乙烯、金红石、原钒酸钇、氟化锆。薄膜材料可以是二氧化硅、硅或一些其他合适的/等同的材料。因此,本公开的实施方案的独特优点在于,因为薄膜可以施加至由大量不同材料制成的基材,所以只需要为少数薄膜材料开发共同的蚀刻配方。相比之下,直接在基材上蚀刻结构的现有方法对于由不同材料制成的每种基材需要不同的蚀刻配方。
如图1所示,在将薄膜120施加至基材110的表面后,将涂覆的基材放置在在蚀刻系统160的两个电极140、150之间。在一个实施方案中,蚀刻系统是反应离子蚀刻(RIE)系统,电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)系统或离子束溅射系统。在包含电极140、150的反应离子蚀刻室160中引入气体170。在电极140、150上施加射频波180,以电离气体170,并在电极140、150之间产生等离子体190。等离子体190化学和物理地蚀刻暴露的薄膜材料,同时在薄膜表面沉积纳米级聚合物岛。
在一个实施方案中,气体包括选自氩气、氦气、H2、O2、CH4、CHF3、CF4、C4F8、SF6、Cl2、F2、BCl3和SiCl4的气体混合物。
请注意,等离子体不会化学蚀刻沉积的聚合物,这阻止了聚合物覆盖下的面层材料的去除。由电极之间的电势差驱动的载能离子物理地去除薄膜和聚合物材料,并且聚合物的沉积和物理去除同时发生在薄膜表面上。
持续化学和物理蚀刻一段时间以产生分布在薄膜表面上的纹理结构,并且所产生的结构具有不同的尺寸、高度和间距。时间的长短取决于薄膜去除速率和聚合物沉积速率,以及所需结构的尺寸。
在一个实施方案中,纹理结构将穿过薄膜的入射光的反射降低至小于或等于0.25%,并且纹理结构将穿过基材表面的入射光的反射降低至小于或等于其中ns和nt分别是基材和薄膜的折射率。
在本公开的另一实施方案中,薄膜用作牺牲层。如图3A所示,在初始状态下,将薄膜120施加至基材110上。图3B示出了在牺牲薄膜上具有纹理结构125的中间状态。图3C示出了纹理结构115被转移至基材的最终状态。
再次参见图1,该工艺的第一部分与图2所示的实施方案相似。在将薄膜120施加至基材110的表面之后,将基材放置在反应离子蚀刻系统160的两个电极140、150之间。在包含电极140、150的反应离子蚀刻室160中引入气体170。在电极140、150上施加射频波180,以电离气体并在电极之间产生等离子体190。等离子体化学和物理地蚀刻暴露的薄膜材料,同时在薄膜表面沉积纳米级聚合物岛。
到达图3B所示的中间状态后,将一种或多种气体175注入蚀刻室160。在蚀刻室160的电极140、150上施加一种或多种射频波185,以电离气体175并在电极140、150之间产生高密度等离子体195。在一个实施方案中,蚀刻系统是反应离子蚀刻(RIE)系统、电感耦合等离子体反应离子蚀刻(ICP-RIE)系统或离子束溅射系统。在一个实施例中,图1示出了用于制造中间状态和最终状态的相同的蚀刻系统。在另一实施例中,预期了用于制造中间状态的蚀刻系统可以不同于用于制造最终状态的蚀刻系统。高密度等离子体195同时去除薄膜和基材材料。注意,在蚀刻期间,纹理薄膜结构125屏蔽下面的基材材料,直到薄膜材料的区域被去除,然后去除暴露的基材材料。在去除薄膜的纹理结构的材料之后,暴露出基材材料的位置,因此被蚀刻的基材的轮廓遵循薄膜的纹理结构的轮廓。因此,薄膜的纹理结构在蚀刻过程中充当基材的掩模。持续蚀刻一段时间,以将纹理结构从薄膜转移至基材上。所得的具有纹理表面115的基材如图3C所示。注意,通过调整基材材料的蚀刻速率与薄膜材料的蚀刻速率之间的比率,可以使基材的纹理结构相对于薄膜的纹理结构更明显或更模糊。
在一个实施方案中,基材中的纹理结构将穿过基材的入射光的反射降低至0.02或更小。在一个实施方案中,蚀刻可以是反应离子蚀刻。在一个实施方案中,蚀刻可以是电感耦合等离子体反应离子蚀刻。在一个实施方案中,蚀刻可以是离子束溅射。
鉴于前述内容,本公开的一个或多个实施方案满足了对制造稳定的AR涂层的稳健工艺的长期需求,所述AR涂层具有能够承受高光学功率、低角度灵敏度和弱偏振依赖性的宽波长带。它还提供了独特的优点,即该工艺相对独立于材料或波长,并且能够容易地制造用于不同基材的结构。
虽然本公开对若干所述实施方案进行了详细描述,并具有一定的特殊性,但并不意味着本公开应限于任何此类细节或实施方案或任何特定实施方案,而是应理解为鉴于相关技术提供了最广泛的可能解释,因此,可有效涵盖本文的各种实施方案。此外,前面描述了发明人预见的各种实施方案,这些实施方案描述了本申请,尽管目前未预见的对本公开的修改,但仍可表示其等同物。

Claims (19)

1.一种生产沉积在基材上的添加薄膜的抗反射纹理表面以增加穿过基材的光的透射率的方法,所述方法包括:
将薄膜施加至所述基材的表面上;
将所述基材放置在蚀刻室的第一电极和第二电极之间;
将气体混合物注入所述蚀刻室;
向所述电极施加射频波以电离气体混合物并在所述电极之间产生等离子体;
其中所述等离子体化学和物理地蚀刻掉暴露的薄膜材料,同时在所述薄膜的暴露表面上沉积纳米级聚合物岛;
其中所述沉积的纳米级聚合物被配置成抵抗所述等离子体的化学蚀刻,这防止了聚合物覆盖下的材料被去除;
其中由电极上的射频波驱动的载能离子物理地去除所述薄膜和聚合物材料;
其中所述聚合物的沉积和物理去除同时发生在所述薄膜的暴露表面上;
其中持续所述化学和物理蚀刻一段时间以产生分布在所述薄膜表面上的纹理结构,并且所述结构具有不同的尺寸、高度和间距。
2.根据权利要求1所述的方法,其中所述纹理结构将穿过所述薄膜的入射光的反射降低至小于或等于0.25%;和
其中所述纹理结构将穿过所述基材表面的入射光的反射降低至小于或等于其中ns和nt分别是基材和薄膜的折射率。
3.根据权利要求1所述的方法,其中所述蚀刻是电感耦合等离子体反应离子蚀刻。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所述蚀刻是离子束溅射。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所述气体混合物包括选自氩气、氦气、H2、O2、CH4、CHF3、CF4、C4F8、SF6、Cl2、F2、BCl3和SiCl4中的一种或多种气体。
6.根据权利要求1所述的方法,其中所述基材包括以下至少一种:硼硅酸盐玻璃、硼酸钡、氟化钡方解石、蓝宝石、氟化钙、金刚石、氟化铟、氟化镁、溴化钾、硒化锌、锗、聚四氟乙烯、金红石、原钒酸钇、氟化锆。
7.根据权利要求1所述的方法,其中所述薄膜材料是二氧化硅或硅。
8.根据权利要求1所述的方法,其中基于所述纹理结构的所需高度来选择所述薄膜的厚度。
9.根据权利要求1所述的方法,其中选择蚀刻的气流、室压、时间长度和射频波功率,以产生具有所需尺寸、高度和密度的纹理结构。
10.一种使用牺牲薄膜来生产基材的抗反射纹理表面以增加穿过基材的光的透射率的方法,所述方法包括:
将薄膜施加至所述基材的表面上;
将所述基材放置在蚀刻室的第一电极和第二电极之间;
将第一气体混合物注入所述蚀刻室;
向所述电极施加第一射频波以电离所述第一气体混合物,并在所述电极之间产生第一等离子体;
其中所述第一等离子体化学和物理地蚀刻掉暴露的薄膜材料,同时在所述薄膜的暴露表面上沉积纳米级聚合物岛;
其中所述沉积的纳米级聚合物被配置成抵抗所述第一等离子体的化学蚀刻,这防止了聚合物覆盖下的材料被去除;
其中由电极上的所述第一射频波驱动的载能离子物理地去除所述薄膜和聚合物材料;
其中所述聚合物的沉积和物理去除同时发生在所述薄膜的暴露表面上;
其中持续所述化学和物理蚀刻第一时间长度,以产生分布在所述薄膜的暴露表面上的纹理结构,并且所述结构具有不同的尺寸、高度和间距;
所述方法进一步包括:
将第二气体混合物注入所述蚀刻室;和
向所述电极施加第二射频波以电离第二气体混合物并在所述电极之间产生第二等离子体;
其中所述第二等离子体同时去除所述薄膜和基材材料;
其中在薄膜材料中制造的结构用作蚀刻基材材料的掩模;
其中所述持续蚀刻第二时间长度,以将纹理结构从薄膜转移至基材。
11.根据权利要求10所述的方法,其中所述基材上的纹理结构将穿过所述基材的入射光的反射降低至0.02或更小。
12.根据权利要求10所述的方法,其中所述蚀刻是电感耦合等离子体反应离子蚀刻。
13.根据权利要求10所述的方法,其中所述蚀刻是离子束溅射。
14.根据权利要求10所述的方法,其中所述第一气体混合物包括选自氩气、氦气、H2、O2、CH4、CHF3、CF4、C4F8、SF6、Cl2、F2、BCl3和SiCl4中的一种或多种气体,并且所述第二气体混合物包括选自氩气、氦气、H2、O2、CH4、CHF3、CF4、C4F8、SF6、Cl2、F2、BCl3和SiCl4中的一种或多种气体。
15.根据权利要求10所述的方法,其中所述基材包括以下至少一种:硼硅酸盐玻璃、硼酸钡、氟化钡方解石、蓝宝石、氟化钙、金刚石、氟化铟、氟化镁、溴化钾、硒化锌、锗、聚四氟乙烯、金红石、原钒酸钇、氟化锆。
16.根据权利要求10所述的方法,其中所述薄膜材料是二氧化硅或硅。
17.根据权利要求10所述的方法,其中基于所述纹理结构的所需高度来选择所述薄膜的厚度。
18.根据权利要求10所述的方法,其中选择蚀刻的气流、室压、第一和第二时间长度、第二时间以及第一和第二射频波功率,以产生具有所需尺寸、高度和密度的纹理结构。
19.根据权利要求10所述的方法,其中选择所述薄膜材料的蚀刻速率与所述基材材料的蚀刻速率的比率,以产生具有所需尺寸、高度和密度的纹理结构。
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