CN107462941A - 用于生产光学元件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了用于生产光学元件的方法，该光学元件包括主体，该主体带有第一侧表面和至少一个第二侧表面，该第一侧表面具有第一光学涂层，该至少一个第二侧表面并非平面平行于该第一侧表面并且具有第二光学涂层，该方法包括以下步骤：确定该第一侧表面的该第一光学涂层在该光学元件中引起的应力；确定对抗应力，从而使得在该光学元件中引起的合成总应力尽可能小；在考虑所确定的对抗应力和这个第二光学涂层的光学参数的同时确定该第二光学涂层；将该第一光学涂层涂覆在该第一侧表面上；将该第二光学涂层涂覆在该至少一个第二侧表面上。

Description

用于生产光学元件的方法

本发明涉及一种用于生产光学元件的方法，该光学元件包括主体，该主体带有第一侧表面和至少一个第二侧表面，该第一侧表面具有第一光学涂层，该至少一个第二侧表面不平面平行于该第一侧表面并且具有第二光学涂层。本发明还涉及通过这种方法生产的光学元件。

已知的是在光学元件在其主体上具有光学涂层的情况下，该光学涂层可能引起压应力或张应力。光学涂层越厚，并且特别是光学涂层的层数越大，引起的应力就越大。这些应力导致主体变形，这可以例如显现为波前变形。

在立方形结构的光学元件（例如，像法布里-珀罗干涉仪）情况下，例如从应用光学（Applied Optics）第53卷，12号，第2616页及以下的页中Marie-Maude de Denus-Baillargeon等人的文章已知将光学涂层本身优化到其所施加的应力尽可能小的程度或在最简单的情况下将完全相同的涂层涂覆到与涂布侧相反的那侧，从而使得应力彼此相抵消。在作者以其来寻求找到合适的涂层的这些方式当中有借助于有限元法的计算方法。

在用于UV或EUV光刻的光学元件在基材的第一侧具有功能涂层的情况下，从DE 102011 079 933 A1中已知在具有与第一侧共用的边缘的第二侧上提供具有一定厚度和应力的涂层，该厚度和应力被选择成使得该功能性涂层的厚度和应力的乘积除以第二侧的涂层的厚度和应力的所得到的商处于0.8与5.0之间的值范围内。具体地，与第一边缘共享共用边缘的所有侧都被涂覆以便补偿应力。

本发明的目的是提出一种用于生产光学元件的方法，其中，减小光学涂层引起的主体变形。

此目的是通过用于生产光学元件的方法来实现的，该光学元件包括主体，该主体带有第一侧表面和至少一个第二侧表面，该第一侧表面具有第一光学涂层，该至少一个第二侧表面并非平面平行于该第一侧表面并且具有第二光学涂层，该方法包括以下步骤：

- 确定该第一侧表面的该第一光学涂层在该光学元件中引起的应力；

- 确定对抗应力，从而使得在该光学元件中引起的合成总应力尽可能小；

- 在考虑所确定的对抗应力和这个第二光学涂层的光学参数的同时确定该第二光学涂层；

- 将该第一光学涂层涂覆在该第一侧表面上；

- 将该第二光学涂层涂覆在该至少一个第二侧表面上。

在光学元件具有至少两个并非平面平行于彼此的侧表面的情况下，光学元件的情况可以是例如其主体被形成为棱镜或基本上楔形板、或是至少一条边缘角度不等于90°的任何多面体，存在的问题是不能容易地使用从现有技术已知的、例如在相反侧表面上涂覆完全相同的涂层的方法或为邻接的侧表面提供任何涂层的方法（只要由此达到充分的应力补偿即可）。如果光学元件的这些侧表面中的一个或多个侧表面弯曲，则问题加重。

应指出的是，第一侧表面的第一光学涂层引起的应力和对抗应力是机械应力，具体是压应力和/或拉伸应力。

已经发现，如果将合适的光学涂层的选择问题分成相继解决的多个子问题，则甚至具有较复杂几何形状的这类光学元件的生产复杂度将变得更加可管理、带有可能的最小变形。根据在此提出的过程，首先，选定带有其光学涂层的一个侧表面，可以说是作为主侧表面或作为主涂层。为此优选地选定其光学涂层例如因为该光学涂层的厚度或大量单独层而将很可能引起最大应力的侧表面。基于这个第一光学涂层，更精确地确定实际上预期或发生了那个应力。可以确定此的方式之一是对光学元件的对应原型进行仿真计算或测量。基于这些结果，可以计算将需要哪个抵抗应力来起反作用以及第一光学涂层引起的可能应力。如此确定的抵抗应力与光学参数一起用作边界条件，来在首先将第一光学涂层和然后将第二光学涂层涂覆到相应的侧表面上之前选定第二光学涂层。当已经计算了抵抗应力时，可以有利地考虑第一和第二侧表面彼此邻接的边缘区域和角度。如果由于光学参数而限制了第二光学涂层的材料选择，则当确定第二光学涂层时优选地考虑列入考量的材料的机械特性。整体上可以有利地在确定第二涂层时考虑非光学参数，例如，像最小机械稳定性或诸如此类。

当确定抵抗应力时，优选地考虑带有相应涂层的第一侧表面的和/或第二侧表面的方均根值被限制为最大值为主波长的10%，或其斯特列尔比（Strehl ratio）或它们的斯特列尔比为至少0.8。对于许多光学应用而言，考虑一个或两个参数就允许达到主体在对应侧表面处的变形足够小的目的。均方根值是实际表面轮廓与理想表面轮廓的均方差。在光学元件运行过程中发生的波长范围的平均波长可以被选择为主波长。如果已知波长范围内存在某一强度分布，代替算术平均值，可以将例如对应加权的算数平均值用作基础。斯特列尔比是通过与对应的理想光学元件的爱里斑强度相关联地设定光学元件的爱里斑（Airydisc）强度来确定。在这种情况下，可能最好的品质被设定为1。

有利地用有限元法的计算方法来确定第一侧表面的第一光学涂层在光学元件中引起的抵抗应力和/或应力和/或确定该第二涂层。有限元法是同时已经经过试验和测试许多次的、用于确定甚至更复杂物品的机械特性的方法。

优选地，在将该第一光学涂层涂覆在该第一侧表面上并且将该第二光学涂层涂覆在该至少一个第二侧表面上之后，实验性地确定了在该光学元件中实际引起的总应力、将之与所期望的总应力相比较、并且在偏差过大的情况下对该第一光学涂层和/或第二光学涂层和/或该光学元件的进一步的侧表面加以局部加工。以此方式，可以对在计算第一光学涂层和/或第二光学涂层产生的抵抗应力时可能还未考虑的变形影响（例如，像生产误差）进行校正。在局部返工时，在光学元件下，有利地确保了材料厚度的可能变化不会引起光学涂层的光学特性的不想要的变化。特别优选地，通过磁流变抛光或离子束抛光来实施该局部加工。在这些方法的帮助下，可以特别准确地并且以良好的控制来甚至在微米范围内的小区域上从涂层表面局部去除材料。

在优选实施例中，还修改光学元件的主体。具体地，在因为可能彼此邻接的两个侧表面之间的小角度和对应少量的主体材料而可能难以通过第二光学涂层来补偿第一光学涂层引起的应力的边缘区中，可能有助于减小一个或两个侧表面的变形的是在那里提供额外的主体材料。

光学涂层可以通过所有之前惯用的用于气相沉积的物理和/或化学方法来涂覆到主体上。为了光学涂层的单独层的厚度的良好可再现性，优选地通过溅射方法涂覆这些单独层。离子辅助或等离子辅助物理气相沉积方法也非常适合。特别是可以依赖于离子辅助或等离子辅助溅射方法。

这些目的还是通过已经以在此提出的方法生产的光学元件来实现的。

在优选实施例中，该至少一个第二侧表面邻接第一侧表面。

在特别优选的实施例，该光学元件的主体或该主体的子单元被形成为棱镜或楔形板。棱镜在此方面应理解为指几何棱镜。在楔形板情况下，可以缺少楔形物的与锥形边缘区相对应的部分。

该光学元件优选地具有第一或第二光学涂层，该第一或第二光学涂层形成为减反射涂层、形成为反射涂层或形成为滤光层。滤光层具体地可以是荧光滤光片、偏振滤光片、陷波滤光片、带通滤光片、短通滤光片、或长通滤光片。

该光学元件优选地被设计成用于在红外和/或可见光波长范围内使用。针对这些波长范围的光学涂层可以比例如针对紫外光或极紫外光波长范围的显著更厚，并且因此引起光学元件的主体或光学上使用的侧表面的大得多的应力和变形。因此，根据所提出的方法的生产是特别有利的。

总之，取决于配置，光学元件可以尤其用作偏光镜、光学棱镜、分束器、光束组合器或反射镜。

将参照优选的示例性实施例更详细地解释本发明。在图中：

图1示意性地示出了第一分束器的侧视图；

图2示意性地示出了第二分束器的侧视图；

图3示意性地示出了第二分束器的平面图；

图4a示出了带有第一光学涂层的第二分束器的菱形棱镜的第一侧表面的变形；

图4b示出了在邻接的第二侧表面上额外带有第二光学涂层的第二分束器的菱形棱镜的第一侧表面的变形；并且

图5示出了所提出的生产方法的实施例的顺序。

在图1中，以侧视图示意性表示了第一分束器101。该第一分束器由第一棱镜205和第二棱镜103组成，这些棱镜具有等边的三角形作为基面。第二棱镜103没有光学涂层。第一棱镜105在其侧表面113上具有光学涂层，该光学涂层用作分束层并且在入射光束107下透射可见光波长范围内的光从而使得其作为部分光束111穿过棱镜103，并且反射红外波长范围内的光从而使得其作为部分光束109解耦并离开棱镜105。另外，与侧表面113邻接的侧表面115和115’具有用作减反射涂层的光学涂层，以便当光束107通过侧表面115进入并且部分光束109通过侧表面115’离开时使得有尽可能极小强度的损失。

由于分束层比惯用的减反射层厚出多倍，并且因此可以预期分束层比减反射层施加在第一棱镜105上的应力更大，首先，确定了分束层施加在第一棱镜105上的应力，并且其抵抗应力需要对此以如下方式来加以补偿，其方式为在侧表面113和在侧表面115、115’均保持0.79的斯特列尔比。侧表面113因此被视为第一侧表面。考虑如此确定的抵抗应力和为在可见光波长到红外波长的范围内的低反射保持的光学极限值，来确定侧表面115、115’的减反射层的层设计。侧表面115、115’因此被视为两个第二侧表面。在在此表示的实例中，可以将常规减反射涂层与额外的光中性二氧化硅层相组合。开篇处定义的分束层涂覆到第一棱镜105的侧表面113上并且随后补充有二氧化硅层的减反射涂层涂覆到邻接的侧表面115、115’。

在图2中，以侧视图示意性表示了带有第一棱镜205和第二棱镜203的第二分束器201。作为与图1表示的分束器的不同之处，在分束器201情况下，就光束的分离而言光学相关的第一棱镜被形成为菱形棱镜205。这具有的效果是使得与带有分束层的侧表面213邻接的侧表面215、216与侧表面213形成不同的角度。侧表面215与侧表面213形成小于90°的角α，而侧表面216与侧表面213形成大于90°的角β。

在在此描述的分束器201中，穿过侧表面216入射的光束207首先在侧表面212处反射以形成入射光束207’，该入射光束在侧表面213处通过位于该侧表面处的分束层分成波长在可见光波长范围内的透射部分光束211和波长在红外波长范围内的反射部分光束209，该反射部分光束通过侧表面215离开，该侧表面因此意在具有减反射层，

在图2表示的实例中，分束层由交替安排的氧化铌与氧化铝层构成，其单独层的厚度在10 nm与200 nm之间变化并且总计总层厚为约11000 nm。这个分束层对于400 nm与700 nm之间的波长、45° ± 3°的入射角具有大于99%的透射率并且对于800 nm与900 nm之间的波长、类似地45° ± 3°的入射角具有大于98%的反射率。由于适合于侧表面215的常规减反射层仅具有1000 nm以下的总层厚，所以分束层作为基础被看作为第一光学涂层，而侧表面213作为基础被看作为第一侧表面，并且在FEM（有限元法）计算方法的帮助下计算分束层引起的应力。这个应力是约2500 GPa，其在石英玻璃基材的情况下在侧表面213的区域上分布非常不均匀。侧表面213具有约1.6 cm × 2.4 cm的尺寸。以等高线图在图4a中表示因此引起的侧表面213的变形，精确而言是对于入射光束在侧表面213上照亮的区域401。所描绘的等高线在各自情况下对应于40 nm的高度差，其中椭圆形等高线除外，其对应于30 nm的高度差。在这种情况下，区域405中所描绘的两个L形等高线为0 nm线。在区域403中，当侧表面213与侧表面215具有共用边缘并且存在尤其小的基材材料时，表面轮廓与理想表面偏差多达400 nm。

对于这种应力分布，当对侧表面215进行涂覆时确定了合适的抵抗应力，其条件是侧表面213的均方根值的最大值是650 nm的中心波长的9%。为了达到较好的应力补偿，在FEM计算中额外地包括以光中性材料（在此为二氧化硅）在侧表面216上涂层。侧表面213因此被视为第一侧表面，而侧表面215、216被视为不同的第二侧表面。

结果包括在侧表面215的减反射层的层设计中。选择交替安排的氧化铌和二氧化硅层，其单独层的厚度在10 nm与150 nm之间变化并且总厚度总计为约7微米。另外，确定了侧表面216上的若干100 nm厚的二氧化硅补偿层，已经选择了从在侧表面213的边缘处的最大值到在相反边缘处的最小值的厚度分布。在变体中，还有可能以恒定厚度或另外使得光学涂层中的一者具有厚度轮廓来工作。

然而，还必须注意的是，垂直于侧表面215、216的并且在图3中以菱形棱镜205的示意性平面图表示的侧表面217、217’由于与生产相关的原因而不能被涂覆。然而为了能够保持所要求的均方根值，在侧表面213处修改基材，其方式为对应地在侧表面217、217’的两条边缘处提供一定量的材料供应219。这种措施使得可以对图4a中的照亮区域401的区405的鞍形变形具有积极影响。

在通过磁控溅射将分束层涂覆到经修改的棱镜基材的侧表面213上并且随后同样通过磁控溅射将减反射层涂覆到侧表面215上并且将补偿层涂覆到侧表面216上之后，以干涉测量方式测量侧表面215在光束斑点401的区中的变形。图4b中表示了结果。与在图4a中一样，等高线分别对应于40 nm的高度差。仅在区403中的光束斑点401的最外面的外围区中达到超过100 nm的高度差。光束斑点401的区域中的均方根值为中心波长的约8.5%。

将在图5的基础上解释在此提出的用于生产光学元件的方法的示例性实施例，这些光学元件用于包括主体，该主体带有第一侧表面和至少一个邻接的第二侧表面，该第一侧表面具有第一光学涂层，该至少一个第二侧表面具有第二光学涂层。

在第一方法步骤501“通过FEM确定基本应力”中，通过FEM计算第一侧表面上的第一光学涂层引起的基本应力。替代地，可以产生测试元件，该测试元件包括所计划的光学元件的主体和仅第一侧表面上的第一光学涂层，并且可以实验性地确定第一光学涂层施加的应力引起的第一侧表面的变形。另外，在步骤503“确定第二表面”中，确立哪个是有待提供至少部分地补偿第一光学涂层所引起的应力的第二光学涂层的第二侧表面。如果由于与生产相关的原因而限制第二侧表面的数量，则优选地选择邻接第一侧表面、与第一侧表面形成小于90°的角的一个或多个侧表面。

使用所确定的基本应力并且将第二侧表面的位置考虑在内，在本实例中，借助于FEM计算了通过哪个抵抗应力可以为所有有待为其提供光学涂层的侧表面还以及任何进一步的光学上使用的侧表面维持RMS值小于中心波长的10%（步骤505“通过FEM确定抵抗应力，其中RMS < 0.1*λ_c”）。

基于这些信息项并且考虑有待保持的光学参数，选定第二光学涂层的设计（步骤507“在考虑抵抗应力和光学参数的同时确定第二涂层”）并且优选地通过溅射方法首先将第一光学涂层并且然后将第二光学涂层涂覆到光学元件的相应侧表面上（步骤509“涂覆第一涂层”，步骤511“涂覆第二涂层”）。

在对主体加以涂覆之后，在步骤513“测量波前”中，实验性地确定在光学元件中引起的实际总应力，这在本实例中在于测量穿过光学上使用的侧表面或反射的光线的波前。自此，推导出相应表面上实际存在的总应力并且将其与期望的总应力进行比较。在偏差过大的情况下，当必要时光学涂层或可能的光学上使用的、但未涂覆的侧表面被局部返工，这具体是通过磁流变抛光或离子束抛光来进行的（步骤515“可能的局部返工”）。这两个步骤在有待生产的较复杂几何形状的光学元件的情况下（例如，像弯曲表面轮廓）尤其有帮助。在仿真计算中并非总是能够将所有可能基于光学涂层而导致某种程度的应力轮廓的相互作用都一起或以足够的准确度考虑在内，从而使得在高精度光学元件情况下，再次测试和校正可以产生更好的结果。

应指出的是，尽管已经基于光学元件（在其情况下，第一侧表面和至少一个第二侧表面彼此邻接）解释了本发明，但这些实例可以容易地转移到任何光学元件（在其情况下，第一侧表面和至少一个第二侧表面并不平面平行于彼此）。另外，这些实例可以转移到任何期望的应用，例如，像偏光镜、荧光滤光片、光束组合器等。取决于光学元件的特定形式，在多个第二涂层的情况下，一个或多个第二涂层也可以不具有任何光学功能。

参考符号

101 分束器

103 第二棱镜

105 第一棱镜

107 入射光束

109 反射的部分光束

111 透射的部分光束

113 侧表面

115、115’ 侧表面

201 分束器

203 第二棱镜

205 菱形棱镜

207、207’ 入射光束

209 反射的部分光束

211 透射的部分光束

212 侧表面

213 侧表面

215 侧表面

216 侧表面

217、217’ 侧表面

219 供应

401 光束斑点

403 区

405 区

501 - 515 方法步骤

α、β 角

Claims (12)

1.用于生产光学元件的方法，该光学元件包括主体，该主体带有第一侧表面和至少一个第二侧表面，该第一侧表面具有第一光学涂层，该至少一个第二侧表面并非平面平行于该第一侧表面并且具有第二光学涂层，该方法包括以下步骤：

- 确定该第一侧表面的该第一光学涂层在该光学元件中引起的应力；

- 确定对抗应力，从而使得在该光学元件中引起的合成总应力尽可能小；

- 在考虑所确定的对抗应力和这个第二光学涂层的光学参数的同时确定该第二光学涂层；

- 将该第一光学涂层涂覆在该第一侧表面上；

- 将该第二光学涂层涂覆在该至少一个第二侧表面上。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，该第二涂层是在以下条件下确定的：带有相应涂层的该第一侧表面的和/或该第二侧表面的方均根值被限制为最大值为主波长的10%，和/或其斯特列尔比或它们的斯特列比为至少0.8。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，使用有限元法的计算方法来确定该第一侧表面的该光学涂层在该光学元件中引起的抵抗应力和/或应力和/或确定该第二涂层。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，在将该第一光学涂层涂覆在该第一侧表面上并且将该第二光学涂层涂覆在该至少一个第二侧表面上之后，实验性地确定了在该光学元件中实际引起的总应力、将之与所期望的总应力相比较、并且在偏差过大的情况下对该第一光学涂层和/或第二光学涂层和/或该光学元件的进一步的侧表面加以局部加工。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，通过磁流变抛光或离子束抛光来实施该局部加工。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，修改该光学元件的主体。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，这些光学涂层是通过离子辅助或等离子体辅助物理气相沉积法或通过溅射法涂覆的。

8.通过根据权利要求1至7之一所述的方法生产的光学元件。

9.根据权利要求8所述的光学元件，其特征在于，该至少一个第二侧表面邻接该第一侧表面。

10.根据权利要求8或9所述的光学元件，其特征在于，该光学元件的主体或该主体的子单元被形成为棱镜（105，205）或楔形板。

11.根据权利要求8至10之一所述的光学元件，其特征在于，该光学元件具有第一或第二光学涂层，该第一或第二光学涂层形成为减反射涂层、形成为反射涂层或形成为滤光层。

12.根据权利要求8至11之一所述的光学元件，其特征在于，该光学元件被设计成用于在红外和/或可见光波长范围内使用。