阅读说明：本技术 一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法 (Processing method of large-caliber flexible optical super-structure surface structure ) 是由 罗先刚 蒲明博 高平 李雄 马晓亮 于 2020-12-18 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法,通过光刻系统曝光光刻胶并显影制备设计的大口径超构表面图形；将该光刻胶图形作为掩模将图形转移到基底材料上,并作为模板；把混合有高折射率纳米颗粒的紫外固化胶涂覆在模板上并覆盖一层柔性基底,采用辊轴一边施加机械压力一边利用紫外灯曝光的方式固化紫外固化胶,然后脱模分离即可得到大口径柔性光学超构表面结构。本发明具有工艺流程简单、分辨率高、成本低、制备效率高等特点,适用于大面积柔性超构表面器件的加工领域。(The invention discloses a processing method of a large-caliber flexible optical super-structure surface structure, which comprises the steps of exposing photoresist through a photoetching system and developing to prepare a designed large-caliber super-structure surface pattern; transferring the photoresist pattern onto a substrate material using the photoresist pattern as a mask and as a template; coating the ultraviolet curing adhesive mixed with the high-refractive-index nano particles on a template, covering a layer of flexible substrate, curing the ultraviolet curing adhesive by using an ultraviolet lamp exposure mode while applying mechanical pressure by using a roll shaft, and then demoulding and separating to obtain the large-caliber flexible optical super-structure surface structure. The method has the characteristics of simple process flow, high resolution, low cost, high preparation efficiency and the like, and is suitable for the field of processing of large-area flexible super-structure surface devices.)

一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法

技术领域

本发明属于超构表面器件的加工技术领域，具体涉及一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法。

背景技术

光学超表面是由具有几十到百纳米尺寸的微纳单元构成的人工二维结构。常用的制备超表面的方法中，典型光刻工艺，虽然可以快速复制掩模图案，但由于衍射极限，不能提供足够的图形分辨率。电子束光刻(EBL)和聚焦离子束(FIB)铣削虽然具有高分辨率，但制备效率低了。纳米压印与上述方法相比，提高了超表面的制备效率，同时分辨率没有物理极限。其中，热压印应用较为广泛，但对材料的低热膨胀系数和压力收缩系数提出了较高要求，压印过程中需要较高的压力和加热温度，容易造成模板、胶层图形结构的损坏。紫外纳米压印技术解决了热压印中存在的问题，但紫外固化胶中的气泡难以排出,会对微纳结构造成缺陷。根据紫外压印技术提出的卷对卷纳米压印，实现了微纳结构高通量制备。但卷对卷的压印模板是弯曲固定在辊轴上，这样模板上纳米结构的位置精度将降低，影响压印得到的光学超构表面的光学性能。另一方面，通过压印方法只能将模板图形复制到压印胶上，而压印胶的图形结构一般不直接具备功能，需要将此压印胶图形转移到其他功能材料，会增加工艺步骤和难度。综上来看，现有的超表面制备技术的主要难点在于，满足其性能需求的前提下，降低工艺复杂程度，提高器件制备效率和微纳结构图形质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法，通过一种简单的紫外光固化嵌入图形的紫外固化胶的微纳米结构复制技术实现大面积柔性光学超构表面的高效率和低成本制造。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大口径光学柔性超构表面器件的加工方法，该方法的步骤如下：

步骤(1)、在基底模板上涂覆光刻胶。

步骤(2)、通过光刻系统进行曝光，然后显影。

步骤(3)、将图形转移至基底材料上，并作为模板。

步骤(4)、通过把混合有高折射率纳米颗粒的紫外固化胶涂覆在模板上并覆盖一层柔性基底，采用辊轴一边施加机械压力一边利用紫外灯曝光的方式固化紫外固化胶。

步骤(5)、然后将柔性基底与模板分离，即可制备出大口径柔性光学超构表面结构。

进一步地，所述步骤(1)中的光刻胶为电子束光刻胶和紫外光刻胶。

进一步地，所述步骤(2)中光刻系统为电子束光刻系统、紫外超分辨光刻系统和紫外超分辨直写系统。

进一步地，所述步骤(3)中的图形转移为溶脱剥离、金属辅助化学腐蚀、气体辅助离子束刻蚀和高密度等离子体刻蚀。

进一步地，所述步骤(4)中高折射率纳米颗粒为氧化钛、氧化哈、氧化锆、氧化锌、氧化铈、硅，高折射率纳米颗粒的直径≤50nm。

进一步地，所述步骤(4)中柔性基底材料为光学透明聚合物和金属玻璃，柔性基底厚度≤500μm；所述紫外光源为面光源和线光源。

本发明的原理在于：

本发明公开了一种大口径柔性光学超构表面结构的加工方法，通过光刻系统曝光光刻胶并显影制备设计的大口径超构表面图形；将该光刻胶图形作为掩模将图形转移到基底材料上，并作为模板；把混合有高折射率纳米颗粒的紫外固化胶涂覆在模板上并覆盖一层柔性基底，采用辊轴一边施加机械压力一边利用紫外灯曝光的方式固化紫外固化胶，然后脱模分离即可得到大口径柔性光学超构表面结构。本发明具有工艺流程简单、分辨率高、成本低、制备效率高等特点，适用于大面积柔性超构表面器件的加工技术领域。

本发明与现有的技术相比具有以下优点：

(1)、克服传统超表面制造方法(例如电子束光刻和聚焦离子束铣削)制备周期长，效率低的缺点。本发明采用紫外光照射固化填充微纳结构的紫外固化胶实现超构表面的制备，制备周期短，效率高。

(2)、克服卷对卷纳米压印技术的模板翘曲对图形位置及尺寸精度影响的缺点，本发明超构表面模板平置在底部，采用辊轴对上部柔性基底和中间紫外固化胶施加压力，提升了微纳单元图形结构的位置精度，提高了图形尺寸精度。

(3)、克服了由于紫外固化胶折射率低，加工得到的超构表面的光学性能偏低缺点，通过将高折射率纳米颗粒与紫外固化胶混合，提高了超构表面结构的等效折射率，降低了对模板原始图形深度的加工难度以及脱模时存在的图形损伤。

附图说明

图1是柔性光学超构表面结构制备工艺图；

图2是底层模板旋涂光刻胶示意图；

图3是经光刻系统曝光后的光刻胶图形示意图；

图4是通过刻蚀传递到模板上的超表面结构示意图；

图5是涂覆紫外固化胶到模板上并覆盖一层柔性基底示意图；

图6是采用辊轴一边压平紫外固化胶一边进行紫外固化示意图；

图7是紫外固化完成后的结构示意图；

图8是柔性基底与模板分离示意图；

图9是制备完成的柔性超构表面示意图；

图中：1、柔性基底；2、紫外固化胶；3、高折射率纳米颗粒；4、压紧辊轴；5、光刻胶；6、模板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但本发明的保护范围并不仅限于以下实例，应包含权利要求书中的全部内容。

实施例1，利用本发明实现200mm口径柔性光学超构表面结构制备。

(1)在直径200mm的硅基底上上旋涂一层200nm厚度的电子束光刻胶；

(2)采用电子束光刻系统进行曝光大面积超构表面图形结构，图形口径为180mm，图形周期420nm，图形线宽130nm，曝光完成后进行显影；

(3)通过反应离子刻蚀设备将显影后的图形转移至硅基底，获得压印母板，刻蚀功率50W，刻蚀腔压0.5Pa，SF6流量25SCCM，CHF3流量5SCCM，刻蚀深度150nm；

(4)将混合由1％质量比二氧化钛纳米颗粒3(粒径21nm)的紫外固化胶2涂敷在压印母板上，并将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底1(厚度100μm)覆盖在其表面，通过辊轴4一边压平紫外固化胶2，紫外光一边照射固化，完成整个口径的压印和固化，并脱模后得到需要的大口径柔性光学超构表面结构；紫外光功率124W，辊轴移动速度3.4mm/s，辊轴下压压力0.2MPa。

实施例2，利用本发明实现8英寸口径柔性光学超构表面结构制备。

(1)通过磁控溅射设备在直径8英寸的硅基底上镀一层40nm厚度的铬层，功率400W，腔压1mTorr；

(2)在镀有40nm厚度铬层的直径8英寸的硅基底上旋涂一层80nm厚度的电子束光刻胶；

(3)采用电子束光刻系统进行曝光大面积超构表面图形结构，图形口径为180mm，图形周期450nm，单元图形宽100nm，长330nm，曝光完成后进行显影；

(4)通过离子束刻蚀设备去除暴露出来的铬层，束流150mA，倾斜角度10度；

(5)通过反应离子刻蚀设备去除残余电子束光刻胶，刻蚀功率5W，刻蚀腔压1Pa，O2流量10SCCM，刻蚀时间5min；

(6)通过反应离子刻蚀设备将图形转移至硅基底，获得压印母板，刻蚀功率100W，刻蚀腔压0.5Pa，SF6流量25SCCM，CHF3流量5SCCM，刻蚀深度720nm；

(7)通过去铬液湿法腐蚀去除表面铬层，获得压印母板；

(8)将混合由20％质量比二氧化钛纳米颗粒3(粒径21nm)的紫外固化胶2涂敷在压印母板上，并将聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性基底1(厚度100μm)覆盖在其表面，通过辊轴4一边压平紫外固化胶，紫外光一边照射固化，完成整个口径的压印和固化，并脱模后得到需要的大口径柔性光学超构表面结构；紫外光功率184W，辊轴移动速度3.4mm/s，辊轴下压压力0.2MPa。