DE102009016113B4

DE102009016113B4 - Method for producing optical or electronic functional elements with a curved surface

Info

Publication number: DE102009016113B4
Application number: DE200910016113
Authority: DE
Inventors: Dr. Ihlemann Jürgen
Original assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Current assignee: Laser Laboratorium Goettingen eV
Priority date: 2009-04-03
Filing date: 2009-04-03
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2029-04-04
Also published as: DE102009016113A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung optischer oder elektronischer Funktionselemente, umfassend die folgenden Schritte: – Bereitstellen eines Grundkörpers (10) für das herzustellende Funktionselement, – Aufbringen einer ein Suboxid-Material umfassenden Spannungsschicht (12) auf einer ersten Oberfläche des Grundkörpers, sodass die Spannungsschicht (12) in Spannungskräfte übertragender Weise mit dem Grundkörper (10) verbunden ist, – Durchführen eines Schrittes der Nachbehandlung der Spannungsschicht (12), der eine räumlich inhomogene Erhöhung des Oxidationsgrades des Suboxid-Materials umfasst, sodass die Schichtspannung der Spannungsschicht (12) verändert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (10) entsprechend der Schichtspannung der Spannungsschicht (12) verformt wird, sodass die resultierenden Funktionselemente eine gekrümmte Oberfläche aufweisen, und dass weiter ein Schritt der Nachbehandlung des Grundkörpers (10) durchgeführt wird, bei dem der Grundkörper (10) bis zum Erreichen seiner plastischen Verformungstemperatur erhitzt wird.Method for producing optical or electronic functional elements, comprising the following steps: - providing a base body (10) for the functional element to be produced, - applying a stress layer (12) comprising a suboxide material on a first surface of the base body so that the stress layer (12) performing a step of after-treatment of the stress layer (12), comprising a spatially inhomogeneous increase in the degree of oxidation of the suboxide material so that the stress concentration of the stress layer (12) is changed thereby in that the base body (10) is deformed in accordance with the layer tension of the tension layer (12), so that the resulting functional elements have a curved surface, and further that a step of after-treatment of the base body (10) is carried out, in which the base body (10 ) is heated until reaching its plastic deformation temperature.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung optischer oder elektronischer Funktionselemente, umfassend die folgenden Schritte:

– Bereitstellen eines Grundkörpers (10) für das herzustellende Funktionselement,
– Aufbringen einer ein Suboxid-Material umfassenden Spannungsschicht (12) auf einer ersten Oberfläche des Grundkörpers, sodass die Spannungsschicht (12) in Spannungskräfte übertragender Weise mit dem Grundkörper (10) verbunden ist,
– Durchführen eines Schrittes der Nachbehandlung der Spannungsschicht (12), der eine räumlich inhomogene Erhöhung des Oxidationsgrades des Suboxid-Materials umfasst, sodass die Schichtspannung der Spannungsschicht (12) verändert wird.

The invention relates to a method for producing optical or electronic functional elements, comprising the following steps:

Providing a basic body ( 10 ) for the functional element to be produced,
Applying a stress layer comprising a suboxide material ( 12 ) on a first surface of the base body, so that the stress layer ( 12 ) in tension-transmitting manner with the main body ( 10 ) connected is,
Performing a step of post-treatment of the stress layer ( 12 ), which comprises a spatially inhomogeneous increase in the degree of oxidation of the suboxide material, so that the layer stress of the stress layer ( 12 ) is changed.

Stand der TechnikState of the art

Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der EP 0 126 803 A2 . Zweck des bekannten Verfahrens ist es, auf einem Rohling eines elektronischen Bauteils mit ebener Oberfläche eine flächenstrukturierte SiO₂-Schicht hoher Qualität bei niedrigen Temperaturen aufzubringen. Hierzu wird vorgeschlagen, zunächst eine bei Temperaturen unter 100°C leicht erzeugbare SiO-Suboxidschicht aufzubringen und diese anschließend mittels UV-Bestrahlung durch eine Maske flächenbereichsweise zu SiO₂ durchzuoxidieren. Wie dem Fachmann beispielsweise aus dem in der genannten EP 0 126 803 A2 ausdrücklich in Bezug genommenen Artikel Hodgkinson, I. J.; Walker, A. R.: ”Stress Relief Induced in Silicon Oxide Films by Ultraviolet Radiation”, Thin Solid Films 17 (1973), S. 185–197, bekannt ist, stellt die SiO-Schicht eine auf den Grundkörper des Rohlings wirkende Spannungsschicht dar, deren Schichtspannung sich mit der flächenbereichsweisen Durchoxidation zu SiO₂ verändert. Die damit verbundene Problematik findet in der EP 0 126 803 A2 jedoch keine Erwähnung, da der Grundkörper des Rohlings offensichtlich hinreichend dick und stabil ausgebildet ist, um von der Schichtspannung unbeeinflusst, insbesondere unverformt, zu bleiben.Such a method is known from the EP 0 126 803 A2 , The purpose of the known method is to apply a surface-structured SiO ₂ layer of high quality at low temperatures to a blank of an electronic component with a flat surface. For this purpose, it is proposed first to apply a SiO suboxide layer that is easily producible at temperatures below 100 ° C. and subsequently to durchzuoxidieren them by UV irradiation through a mask surface area to SiO ₂ . As the expert, for example, from the mentioned in the EP 0 126 803 A2 expressly referenced article Hodgkinson, IJ; Walker, AR: "Stress Relief Induced in Silicon Oxide Films by Ultraviolet Radiation", Thin Solid Films 17 (1973), pp 185-197, is known, the SiO 2 layer is a force acting on the base body of the blank stress layer whose Layer stress changes with the area-wise through oxidation to SiO ₂ . The associated problem is found in the EP 0 126 803 A2 but no mention, since the main body of the blank is obviously designed sufficiently thick and stable to remain unaffected by the layer stress, in particular undeformed.

Die US 6,508,561 B1 offenbart die Herstellung mehrschichtig aufgebauter optischer Spiegel mit einer gekrümmten Spiegeloberfläche.The US 6,508,561 B1 discloses the fabrication of multilayered optical mirrors with a curved mirror surface.

Der nächstliegende Ansatz zur Herstellung solcher Bauteile, nämlich das Bereitstellen eines Grundkörpers, der bereits in der gewünschten Bauteilform vorgeformt ist, und das anschließende Beschichten seiner gekrümmten Funktionsoberfläche mit einer Spiegelschicht, kann bei nicht-planen Flächen mit kleinen Krümmungsradien im Hinblick auf eine gleichmäßige Funktionsbeschichtung hoher Qualität problematisch sein.The closest approach to fabricating such components, namely providing a base already preformed in the desired component shape and then coating its curved functional surface with a mirror layer, may be higher for nonplanar surfaces having small radii of curvature in view of uniform functional coating Quality be problematic.

Die zitierte Druckschrift offenbart den Ansatz, die Spiegelschicht aus einer Mehrzahl von Einzelschichten unterschiedlicher Übergangsmetalle auszubilden, wobei wenigstens einige der Schichten eine innere Schichtspannung aufweisen. Da jede Schicht fest mit der darunter liegenden Schicht bzw. dem Grundkörper verbunden ist und somit die Spannungskräfte auf das Gesamtsystem übertragen werden, kann durch geeignete Wahl der Beschichtungen nach und nach eine gezielte Verformung bis hin zur gewünschten Endform des Spiegels erreicht werden. Da bei diesem Ansatz zumindest bei den zuletzt aufgetragenen Schichten das oben bereits erwähnte Problem der Beschichtung gekrümmter Flächen auch auftritt, schlägt die genannte Druckschrift alternativ vor, die gekrümmte Endform des Spiegels in einem der Beschichtung nachgelagerten Behandlungsschritt einzustellen. Hierzu ist vorgesehen, den fertig beschichteten Spiegel einem Heizschritt zu unterwerfen, durch den die Schichtspannung wenigstens einer der aufgetragenen Schichten verändert wird, sodass sich die Spannungsverhältnisse in dem Schichtensystem ändern und die gewünschte Verformung eintritt.The cited document discloses the approach to form the mirror layer of a plurality of individual layers of different transition metals, wherein at least some of the layers have an inner layer stress. Since each layer is firmly connected to the underlying layer or the base body and thus the tension forces are transferred to the overall system, by appropriate choice of the coatings gradually targeted deformation can be achieved up to the desired final shape of the mirror. Since the above-mentioned problem of coating curved surfaces also occurs in this approach, at least in the case of the layers last applied, the cited document proposes alternatively to adjust the curved final shape of the mirror in a treatment step downstream of the coating. For this purpose, it is provided to subject the finished coated mirror to a heating step by which the layer tension of at least one of the applied layers is changed so that the stress conditions in the layer system change and the desired deformation occurs.

Obgleich die genannte Druckschrift keine Angaben zu den physikalischen Hintergründen des thermischen Nachbehandlungsschrittes angibt, darf folgender Mechanismus angenommen werden: Das Schichtensystem wird zunächst so aufgebaut, dass sich die Schichtenspannungen der aus unterschiedlichen Übergangsmetallen bestehenden Einzelschichten gegenseitig im Wesentlichen aufheben. Bei dem Heizvorgang verlieren Schichten, die bis zu ihrer Erweichungstemperatur aufgeheizt werden, ihre Schichtspannung und können daher nicht mehr als Antagonist zu anderen Teilen des Schichtensystems wirken. Bei gezielter Heizung können so die Spannungsbeiträge der Schichten mit den geringsten Erweichungstemperaturen gezielt ”ausgeschaltet” werden. Das Gesamtsystem nimmt dann diejenige Form ein, die durch die Spannungsbeiträge der nicht ”ausgeschalteten” Schichten vorgegeben werden. Bei geeigneter Wahl der Schichten und exakt abgestimmtem Heizprozess stellt sich somit die gewünschte Endform ein.Although the cited document gives no information on the physical background of the thermal post-treatment step, the following mechanism may be assumed: The layer system is initially constructed such that the layer tensions of the individual layers consisting of different transition metals essentially cancel each other out. In the heating process, layers that are heated up to their softening temperature lose their layer stress and therefore can no longer act as an antagonist to other parts of the layer system. With targeted heating, the voltage contributions of the layers with the lowest softening temperatures can be specifically "switched off". The overall system then assumes that shape which is determined by the voltage contributions of the layers that are not "switched off". With a suitable choice of layers and exactly matched heating process thus sets the desired final shape.

Nachteilig bei diesem Verfahren ist der sehr hohe Grad an Empirie der gerade bei komplexen Systemen wie den beschriebenen Schichtensystemen eher zu einem zufälligen Finden der gewünschten Formen als zu einer gezielten Einstellung führt. Insbesondere ist es nicht möglich, mit dem bekannten Verfahren definierte Freiform-Oberflächen von Bauteilen zu erhalten.A disadvantage of this method is the very high degree of empiric which leads rather to a random finding of the desired shapes rather than to a targeted setting, especially in complex systems such as the layer systems described. In particular, it is not possible to obtain with the known method defined free-form surfaces of components.

Aus der US 4,989,226 A ist ein besser zur Herstellung von Freiformoberflächen geeignetes Verfahren bekannt. Dabei wird ein plattenförmiger Grundkörper beidseitig mit einer oder mehreren Spannungsschichten beschichtet, die antagonistisch wirken und den Grundkörper zunächst im Wesentlichen unverformt lassen. In diesem Zustand wird auf eine Plattenseite eine Funktionsoberfläche, z. B. eine Spiegelbeschichtung, aufgebracht. In einem nachfolgenden nasschemischen Ätzschritt wird die auf der der Funktionsoberfläche gegenüberliegenden Plattenfläche aufgebrachte Spannungsschicht räumlich strukturiert. From the US 4,989,226 A is a more suitable for the production of free-form surfaces method known. In this case, a plate-shaped base body is coated on both sides with one or more stress layers, which act antagonistic and initially leave the main body substantially undeformed. In this state, a functional surface, for. B. a mirror coating applied. In a subsequent wet-chemical etching step, the stress layer applied to the plate surface opposite the functional surface is spatially structured.

Hierdurch wird ihre Schichtspannung gezielt verändert, insbesondere ihre antagonistische Wirkung gezielt geschwächt. Das Gesamtsystem verformt sich entsprechend. Dies wird weiter dadurch unterstützt, dass während des Ätzschrittes nicht nur aus der Spannungsschicht, sondern auch aus dem Substrat des Grundkörpers Material entfernt und dieser dadurch ebenfalls gezielt geschwächt wird. Dieses Verfahren ist zwar deutlich flexibler im Hinblick auf die Schaffung von Freiformflächen als das zuvor genannte; nachteilig ist jedoch der Einsatz eines nasschemischen Verfahrensschrittes, der sowohl wirtschaftlich – wenigstens für geringe Stückzahlen – als auch ökologisch wenig vorteilhaft ist.As a result, their layer tension is deliberately changed, in particular their antagonistic effect weakened targeted. The overall system deforms accordingly. This is further supported by the fact that material is removed during the etching step not only from the stress layer, but also from the substrate of the base body and this is thus deliberately weakened. Although this method is much more flexible with regard to the creation of freeform surfaces than the aforementioned; However, disadvantageous is the use of a wet-chemical process step, which is both economically - at least for small quantities - as well as ecologically less advantageous.

Weiter ist aus Hill, A. E.; Hoffman, G. R.: ”Stress in films of silicon monoxide”, Brit. J. Appl. Phys. 1967, Vol. 18, S. 13 ff. bekannt, dass eine besondere Schwierigkeit von Siliziummonoxid-Filmen in deren Verformung durch nachträgliche Oxidation besteht.Further, from Hill, A. E .; Hoffman, G. R .: "Stress in films of silicon monoxide", Brit. J. Appl. Phys. 1967, Vol. 18, p. 13 et seq. Known that there is a particular difficulty of silicon monoxide films in their deformation by subsequent oxidation.

Weiter ist aus Ihlemann, J. et al.: ”Nanosecond and Femtosecond Excimer-Laser Ablation of Oxide Ceramics”, Appl. Phys. A 60, S. 410–417 (1995), die Bearbeitung oxidischer Keramiken mittels Laserablation bekannt.Further, from Ihlemann, J. et al .: "Nanosecond and Femtosecond Excimer Laser Ablation of Oxide Ceramics", Appl. Phys. A 60, p. 410-417 (1995), the treatment of oxidic ceramics by laser ablation known.

Schließlich sind aus der DE 198 51 967 A1 zwei Verfahren zur Herstellung von Mikro-Hohlspiegeln bekannt. Bei einer ersten Verfahrensvariante wird eine tensile Spannungsschicht aus siliziumreichem Siliziumoxid auf einen einstückig mit einem Trägerkörper verbundenen Grundkörper aufgetragen, der sich nach Heraustrennen aus dem Trägerkörper aufgrund der von der Spannungsschicht permanent induzierten Spannung verformt. Bei einer zweiten Verfahrensvariante wird anstelle eines Schichtenauftrags eine Dotierung des oberflächennahen Bereichs des Grundkörpers selbst vorgenommen, um dort die tensile Spannungsschicht zu erzeugen. Eine Nachjustierung der Spannung durch Verbreiterung der Dotierungsschicht, insbesondere zur Einebnung unerwünschter Inhomogenitäten, erfolgt mittels eines anschließenden Temperns der Spannungsschicht. Auch bei dieser Variante krümmt sich der Grundköper aufgrund der durch die Spannungsschicht permanent induzierten Spannung. Nachteilig bei beiden Verfahrensvarianten ist die Erzeugung einer permanenten Spannung im Grundkörper, die den Verbleib der Spannungsschicht zwingend erforderlich und daher die Herstellung transparenter Objekte unmöglich macht.Finally, from the DE 198 51 967 A1 Two methods for the production of micro-concave mirrors known. In a first variant of the method, a tensile stress layer of silicon-rich silicon oxide is applied to a base body connected in one piece to a carrier body, which deforms out of the carrier body due to the stress permanently induced by the stress layer after being separated out. In a second variant of the method, a doping of the near-surface region of the base body itself is carried out instead of a layer application in order to generate the tensile stress layer there. A readjustment of the voltage by broadening the doping layer, in particular for leveling unwanted inhomogeneities, takes place by means of a subsequent tempering of the stress layer. In this variant too, the basic body curves as a result of the tension permanently induced by the stress layer. A disadvantage of both variants of the method is the generation of a permanent stress in the base body, which makes the whereabouts of the stress layer absolutely necessary and therefore makes the production of transparent objects impossible.

Aufgabenstellungtask

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein flexibles, leicht handhabbares und auch für kleine Stückzahlen wirtschaftliches Verfahren zur Schaffung optischer oder elektronischer Bauteile mit gezielt eingestellter, insbesondere nicht-rotationssymmetrischer Oberflächenkrümmung zur Verfügung zu stellen.It is the object of the present invention to provide a flexible, easily manageable and also for small quantities economical process for the creation of optical or electronic components with specifically set, in particular non-rotationally symmetric surface curvature available.

Darlegung der ErfindungPresentation of the invention

Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der Grundkörper (10) entsprechend der Schichtspannung der Spannungsschicht (12) verformt wird und dass weiter ein Schritt der Nachbehandlung des Grundkörpers (10) durchgeführt wird, bei dem der Grundkörper (10) bis zum Erreichen seiner plastischen Verformungstemperatur erhitzt wird.This object is achieved in conjunction with the features of the preamble of claim 1, characterized in that the basic body ( 10 ) according to the layer stress of the stress layer ( 12 ) is deformed and that further a step of the post-treatment of the main body ( 10 ) is performed, in which the basic body ( 10 ) is heated until reaching its plastic deformation temperature.

Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Die Erfindung greift die an sich bekannte Idee auf, den Grundkörper eines Bauteils mit einer Spannungsschicht zu versehen und diese nachträglich zu verändern, sodass sich eine Verformung des Grundkörpers, die für den Einsatz des Bauteils als Funktionselement gewünscht oder erforderlich ist, einstellt. Der Kern der Erfindung liegt in der Art und Weise der Nachbehandlung.The invention addresses the known idea of providing the main body of a component with a stress layer and subsequently modifying it so that a deformation of the basic body which is desired or required for the use of the component as a functional element is established. The essence of the invention lies in the manner of aftertreatment.

Unter einer ”Spannungsschicht” sei im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jede Beschichtung verstanden, die innere, mechanische Spannungen aufweist und in der Lage ist, diese auf den sie tragenden Körper zu übertragen.In the context of the present description, a "stress layer" is understood to mean any coating which has internal, mechanical stresses and is able to transmit these to the body carrying it.

Unter einem ”Suboxid-Material” sei im Rahmen der vorliegenden Beschreibung jedes oxidierbare, jedoch nicht vollständig durchoxidierte Halbleiter- oder Metallmaterial verstanden. Als nicht vollständig durchoxidiert wird hier sowohl solches Material bezeichnet, dessen einzelne Halbleiter- bzw. Metallatome nicht mit der maximal möglichen Anzahl von Sauerstoffatomen gebunden sind, als auch solche Materialien, die ein im Wesentlichen homogenes Gemisch aus Halbleiter- bzw. Metallatomen mit maximaler Anzahl gebundener Sauerstoffatome, submaximaler Anzahl gebundener Sauerstoffatome und/oder ohne gebundene Sauerstoffatome umfassen.In the context of the present description, a "suboxide material" is understood to be any oxidizable, but not completely oxidized semiconductor or metal material. As not fully oxidized here is referred to both such material whose individual semiconductor or metal atoms are not bound to the maximum possible number of oxygen atoms, as well as those materials that bound a substantially homogeneous mixture of semiconductor or metal atoms with a maximum number Oxygen atoms, submaximal number of bound oxygen atoms and / or without bound oxygen atoms.

Der Begriff der ”räumlich inhomogenen Erhöhung des Oxidationsgrades” der Suboxidschicht soll alle Verfahren umfassen, die, ausgehend von einer im Wesentlichen homogenen Suboxidschicht, zu einer Schicht mit inhomogen verteiltem Oxidationsgrad, der wenigstens bereichsweise höher als der ursprüngliche, im wesentlichen homogen verteilte Oxidationsgrad ist, führen. Dies schließt ausdrücklich auch Kombinationen aus teilweiser Zerstörung und Aufoxidation der Suboxidschicht oder Bereichen davon mit ein. The term "spatially inhomogeneous increase in the degree of oxidation" of the suboxide layer should include all processes which, starting from a substantially homogeneous suboxide layer, become a layer with an inhomogeneously distributed degree of oxidation which is at least partially higher than the original, substantially homogeneously distributed degree of oxidation, to lead. This expressly includes combinations of partial destruction and oxidation of the suboxide layer or portions thereof.

Die Erfinder haben erkannt, dass sich die grundsätzlich bekannte Eigenschaft o. g. Suboxid-Materialien, nämlich die Änderung der internen Spannung in Suboxid-Spannungsschichten bei Änderung des Oxidationsgrades, gezielt zur Beeinflussung der Spannungskräfte auf einen beschichteten Formkörper nutzen lässt. Dabei resultiert die vorteilhafte Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens aus dem Ansatz, nicht etwa den Oxidationsgrad der gesamten Spannungsschicht homogen zu verändern, sondern die Änderung des Oxidationsgrades, insbesondere die Erhöhung des Oxidationsgrades, räumlich strukturiert vorzunehmen. Je nach Wahl der konkreten Struktur, d. h. des räumlichen ”Musters” in welchem der Oxidationsgrad verändert wird, bilden sich unterschiedliche resultierende Kräfte auf den Formkörper und somit unterschiedliche resultierende Verformungen. Diese können in Kenntnis der empirisch leicht ermittelbaren Zusammenhänge zwischen innerer Schichtspannung und Oxidationsgrad exakt bestimmt bzw. vorhergesagt werden. Entsprechend kann die resultierende Verformung und damit die Zielform des Funktionselementes gezielt eingestellt werden.The inventors have recognized that the basically known property o. Suboxide materials, namely the change in the internal stress in suboxide stress layers when changing the degree of oxidation, specifically for influencing the tension forces on a coated molded body can be used. The advantageous flexibility of the method according to the invention results from the approach of not homogeneously changing the degree of oxidation of the entire stress layer, but instead making the change in the degree of oxidation, in particular the increase in the degree of oxidation, spatially structured. Depending on the choice of concrete structure, d. H. of the spatial "pattern" in which the degree of oxidation is changed, different resulting forces are formed on the shaped body and thus different resulting deformations. These can be determined or predicted with knowledge of the empirically easily determinable relationships between inner layer stress and degree of oxidation. Accordingly, the resulting deformation and thus the target shape of the functional element can be adjusted specifically.

Für die Durchführung der räumlich strukturierten Veränderung des Oxidationsgrades der Spannungsschicht sind zwei Varianten besonders vorteilhaft:
Bei einer ersten vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass die Erhöhung des Oxidationsgrades des Suboxid-Materials eine räumlich strukturierte Beaufschlagung der Spannungsschicht mit Laserlicht einer Energiedichte unterhalb der Ablationsschwelle umfasst. Die Wellenlänge des verwendeten Laserlichtes ist dabei auf die optischen Eigenschaften des jeweiligen Suboxid-Materials abzustimmen. Insbesondere ist eine von dem Suboxid-Material hinreichend absorbierbare Wellenlänge zu wählen. Die Beaufschlagung kann durch strukturiertes Abrastern mit einem fokussierten Laserstrahl oder durch Abbildung eines Strukturmusters, z. B. mittels einer Maske, auf die Spannungsschicht erfolgen. Wichtig bei dieser Variante ist, dass die Zerstörschwelle des Materials nicht überschritten wird. Die Spannungsschicht bleibt intakt. Es wird lediglich lokal der Oxidationsgrad des Suboxid-Materials erhöht. Hierbei können unterschiedliche physikalische Mechanismen wirken bzw. eingesetzt werden. So kann die Laserstrahlung beispielsweise dazu verwendet werden, dass Suboxid-Material lokal zu erwärmen und dadurch eine Reaktion mit einer sauerstoffhaltigen Umgebungsatmosphäre zu initiieren. Allerdings hat sich herausgestellt, dass das Vorhandensein einer sauerstoffhaltigen Atmosphäre nicht in allen Fällen erforderlich ist. Die Erfinder nehmen an, dass es durch die lokale Erwärmung auch zu einer Umlagerung unterschiedlich stark oxidierter Atome im Suboxid-Material kommen kann, wodurch die anfänglich homogene Verteilung unterschiedlich stark oxidierter Atome in dem Material aufgehoben wird. Auch rein photophysikalische oder photochemische Mechanismen können eine Rolle spielen.Two variants are particularly advantageous for carrying out the spatially structured change in the oxidation state of the stress layer:
In a first advantageous variant, it is provided that increasing the degree of oxidation of the suboxide material comprises a spatially structured application of laser light to an energy density below the ablation threshold. The wavelength of the laser light used is matched to the optical properties of the respective suboxide material. In particular, a wavelength which is sufficiently absorbable by the suboxide material is to be selected. The application may be effected by structured scanning with a focused laser beam or by imaging a structural pattern, e.g. B. by means of a mask on the stress layer. Important in this variant is that the damage threshold of the material is not exceeded. The stress layer remains intact. It is only locally increased the degree of oxidation of the suboxide material. In this case, different physical mechanisms can act or be used. For example, the laser radiation can be used to locally heat the suboxide material and thereby initiate a reaction with an oxygen-containing ambient atmosphere. However, it has been found that the presence of an oxygen-containing atmosphere is not required in all cases. The inventors assume that the local heating can also lead to a rearrangement of differently oxidized atoms in the suboxide material, whereby the initially homogeneous distribution of differently oxidized atoms in the material is abolished. Also purely photophysical or photochemical mechanisms may play a role.

Bei einer zweiten vorteilhaften Variante ist vorgesehen, dass die Erhöhung des Oxidationsgrades des Suboxid-Materials eine bereichsweise Entfernung der Spannungsschicht und eine anschließende, gleichmäßige Erhöhung des Oxidationsgrades des verbleibenden Suboxid-Materials umfasst. Bei dieser Variante ist die Strukturierung im Wesentlichen mechanischer Art. Die Spannungsschicht wird bereichsweise zerstört. Das bereichsweise Entfernen der Spannungsschicht kann mechanisch oder nasschemisch, bevorzugt jedoch durch Laserablation erfolgen. Dabei wird die Spannungsschicht mit Laserlicht einer von ihr gut absorbierten Wellenlänge lokal bestrahlt, wobei die Zerstörschwelle der Spannungsschicht überschritten wird. Die Techniken zur Laserablation sind hoch entwickelt und dem Fachmann bekannt. Nach der mechanischen Strukturierung wird der Oxidationsgrad des verbleibenden Suboxid-Materials gleichmäßig erhöht. Dies kann beispielsweise durch ein Ausheizen in sauerstoffhaltiger Umgebungsatmosphäre erfolgen. Auch eine Umkehrung der Reihenfolge von Strukturierung und Aufoxidation ist denkbar, wobei zunächst eine homogene Erhöhung des Oxidationsgrades und eine anschließende mechanische Strukturierung, insbesondere durch Laserablation, vorgenommen wird. Schließlich ist es auch möglich, dass die mechanische Strukturierung, d. h. die bereichsweise Entfernung der Spannungsschicht, insbesondere durch Laserablation, und die Erhöhung des Oxidationsgrades des verbleibenden Suboxid-Materials iterativ erfolgt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass Strukturierung und Aufoxidation abwechselnd durchgeführt und paarweise ein- oder mehrfach wiederholt werden. Dabei versteht es sich, dass die als Aufoxidation bezeichneten Teilschritte jeweils nur eine Teiloxidation des Suboxidmaterials, die nicht zu einer vollständigen Umwandlung in ein reines Oxid führt, bewirken. Dies muss zumindest für die einem letzten Iterationsschritt vorangehenden Iterationsschritte gelten. Der letzte Iterationsschritt kann ohne weiteres eine vollständige Durchoxidation umfassen, insbesondere von einer solchen abgeschlossen werden.In a second advantageous variant, it is provided that the increase in the degree of oxidation of the suboxide material comprises a removal of the voltage layer in regions and a subsequent, uniform increase in the degree of oxidation of the remaining suboxide material. In this variant, the structuring is essentially of a mechanical nature. The stress layer is partially destroyed. The partial removal of the stress layer can be effected mechanically or wet-chemically, but preferably by laser ablation. In this case, the voltage layer is locally irradiated with laser light of a well-absorbed by her wavelength, wherein the damage threshold of the stress layer is exceeded. Laser ablation techniques are sophisticated and known to those skilled in the art. After mechanical structuring, the degree of oxidation of the remaining suboxide material is increased uniformly. This can be done, for example, by heating in an oxygen-containing ambient atmosphere. It is also conceivable to reverse the order of structuring and oxidation, in which case initially a homogeneous increase in the degree of oxidation and a subsequent mechanical structuring, in particular by laser ablation, are undertaken. Finally, it is also possible that the mechanical structuring, i. H. the partial removal of the stress layer, in particular by laser ablation, and the increase in the degree of oxidation of the remaining suboxide material is carried out iteratively. In other words, this means that structuring and oxidation are carried out alternately and repeated one or more times in pairs. It is understood that the sub-steps referred to as Aufoxidation each cause only a partial oxidation of the suboxide, which does not lead to a complete conversion to a pure oxide cause. This must at least apply to the iteration steps preceding a last iteration step. The last iteration step may readily comprise complete oxidation, in particular completion thereof.

Selbstverständlich sind auch Kombinationen der beiden vorgenannten Varianten möglich, d. h. zunächst mechanische Strukturierungen, insbesondere durch Laserablation, und anschließend eine nur lokale Erhöhung des Oxidationsgrades des verbleibenden Suboxid-Materials. Of course, combinations of the two aforementioned variants are possible, ie first mechanical structuring, in particular by laser ablation, and then only a local increase in the degree of oxidation of the remaining suboxide material.

Erfindungsgemäß ist weiter ein Schritt der Nachbehandlung des Grundkörpers vorgesehen, bei dem der Grundkörper bis zu einer plastischen Verformungstemperatur, d. h. bis zum Erreichen derselben, erhitzt wird. Vorzugsweise sind das Material des Grundkörpers und das Material der Spannungsschicht so gewählt, dass sie unterschiedliche Verformungstemperaturen haben; insbesondere sollte bevorzugt die Verformungstemperatur des Grundkörpermaterials unter derjenigen der Spannungsschicht liegen. Bei der Verformungstemperatur, die hier nicht als scharfe Temperaturgrenze, sondern vielmehr als ein von weiteren Verfahrensparametern, z. B. der Einwirkdauer, abhängiger Temperaturbereich zu verstehen ist, wird das Material des Grundkörpers plastisch verformbar. Das bedeutet, dass die Gegenkraft, die der Grundkörper der von der Spannungsschicht eingebrachten Spannung entgegensetzt, dauerhaft abnimmt. Eine bereits erzeugte Verformung geht von einem elastischen in einen plastischen Zustand über, wobei ihr Ausmaß je nach dem Ausmaß der durch die Erwärmung des Grundkörpers hervorgerufenen Änderungen seiner Eigenschaften, insbesondere seiner Steifigkeit, mehr oder weniger stark zunehmen kann. Bei vollständiger Umwandlung in eine plastische Verformung bleibt diese nach dem Abkühlen des Grundkörpers auch ohne weitere Krafteinwirkung dauerhaft erhalten. Dies erlaubt es, in einem anschließenden optionalen Behandlungsschritt die Spannungsschicht bzw. deren Reste vollständig zu entfernen, ohne die Form des Grundkörpers nochmals wesentlich zu verändern. Auf diese Weise können insbesondere transparente optische Bauteile, wie sie für den Einsatz als Transmissions-Funktionselemente benötigt werden, geschaffen werden.According to the invention, a further step of the aftertreatment of the main body is provided, in which the main body is up to a plastic deformation temperature, d. H. until reaching the same, is heated. Preferably, the material of the base body and the material of the stress layer are selected so that they have different deformation temperatures; In particular, the deformation temperature of the base body material should preferably be below that of the stress layer. At the deformation temperature, not here as a sharp temperature limit, but rather as one of further process parameters, eg. B. the exposure time, dependent temperature range is to be understood, the material of the body is plastically deformable. This means that the counterforce, which the base body opposes to the stress introduced by the stress layer, decreases permanently. An already generated deformation changes from an elastic to a plastic state, and its extent may increase more or less, depending on the extent of the changes in its properties, in particular its rigidity, caused by the heating of the basic body. Upon complete transformation into a plastic deformation, this remains permanently after cooling of the body even without further force. This makes it possible to completely remove the stress layer or its residues in a subsequent optional treatment step, without again significantly changing the shape of the base body. In this way, in particular transparent optical components, such as those required for use as transmission functional elements, can be created.

Im Fall der oben genannten zweiten Verfahrensvariante, die zunächst eine mechanische Strukturierung und dann eine Erhöhung des Oxidationsgrades des verbleibenden Suboxid-Materials vorsieht, kann dieser Oxidationsschritt bevorzugt zusammen mit dem Aufheizen des Grundkörpers bis zu dessen plastischer Verformungstemperatur in einem gemeinsamen Heizschritt, insbesondere in einer sauerstoffhaltigen Umgebungsatmosphäre, erfolgen. Die Temperatur ist dabei bevorzugt so zu wählen, dass einerseits die plastische Verformungstemperatur des Grundkörpers erreicht, diejenige der Spannungsschicht jedoch nicht erreicht wird. Allerdings muss die Temperatur so hoch sein, dass eine effiziente Oxidation des verbleibenden Suboxid-Materials stattfinden kann. Der Fachmann wird hier geeignete Konstellationen von Heiz-, Kühl- und Einwirkungsphasen, die jeweils von der gewählten Materialkombination und der Formgebung abhängig sind, zu wählen wissen.In the case of the abovementioned second variant of the method, which initially provides mechanical structuring and then an increase in the degree of oxidation of the remaining suboxide material, this oxidation step may preferably be carried out together with the heating of the main body up to its plastic deformation temperature in a common heating step, in particular in an oxygen-containing Ambient atmosphere, done. The temperature is preferably to be chosen so that on the one hand reaches the plastic deformation temperature of the body, that of the stress layer is not reached. However, the temperature must be so high that efficient oxidation of the remaining suboxide material can take place. The person skilled in the art will here be able to choose suitable constellations of heating, cooling and exposure phases, which in each case depend on the chosen material combination and the shaping.

Wie eingangs bereits erläutert, erlaubt es das erfindungsgemäße Verfahren, die Form des herzustellenden Funktionselementes erst in einem sehr späten Verfahrensschritt festzulegen. Dies erlaubt es umgekehrt, andere Verfahrensschritte, die keine oder nur eine geringe Verformung tolerieren, vor der abschließenden Formgebung durchzuführen. Insbesondere ist bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass vor dem Schritt des Nachbehandelns der Spannungsschicht auf einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des Grundkörpers eine optische und/oder elektrische Funktionsschicht aufgebracht wird. Dies kann beispielsweise im Fall eines optischen Spiegels eine reflektierende Spiegelschicht sein. Die Beschichtung von Grundkörpern mit hochpräzisen Funktionsschichten duldet oft keine Verformung der Beschichtungsfläche mit zu kleinen Krümmungsradien. Die vorliegende Erfindung macht es möglich, solche Schichten im (noch) planen oder nur gering verformten Zustand des Grundkörpers aufzubringen und zu einem späteren Zeitpunkt zusammen mit dem Grundkörper erfindungsgemäß zu verformen. Andererseits kann, wenn die erzeugten Krümmungsradien hinreichend groß sind, die Funktionsschicht auch im Anschluss an die Freiformerzeugung erfolgen. Diese Variante hat den Vorteil, dass die Funktionsschicht bei der Aufoxidation und/oder einem Heizschritt nicht beschädigt werden kann.As already explained above, the method according to the invention allows the shape of the functional element to be produced to be determined only in a very late method step. This conversely allows other process steps that tolerate little or no deformation to be performed prior to final molding. In particular, in one embodiment of the invention, it is provided that an optical and / or electrical functional layer is applied on a second surface of the base body facing away from the first surface before the step of aftertreating the stress layer. For example, in the case of an optical mirror, this may be a reflective mirror layer. The coating of base bodies with high-precision functional layers often does not tolerate deformation of the coating surface with too small radii of curvature. The present invention makes it possible to apply such layers in the (still) plan or only slightly deformed state of the base body and to deform it at a later time according to the invention together with the base body. On the other hand, if the generated radii of curvature are sufficiently large, the functional layer can also take place subsequent to the free-form generation. This variant has the advantage that the functional layer can not be damaged during the oxidation and / or heating step.

Wie oben bereits erwähnt, wird die mechanische Strukturierung der Spannungsschicht bzw. deren lokale Oxidation laserbasiert durchgeführt. Erwähnt wurden bereits die Varianten des Abrasterns und der Projektion eines Musters. Die erstgenannte Variante hat den Vorteil, dass die resultierende Verformung graduell zunimmt. Sie kann somit während des Laserbearbeitungsprozesses ständig überwacht und ggf. korrigiert werden. Hierzu ist bevorzugt vorgesehen, dass die Verformung des Grundkörpers während des Schrittes der Nachbehandlung der Spannungsschicht mittels eines Wellenfrontsensors überwacht wird, der mit Laserlicht beaufschlagt wird, welches von einer der ersten Oberfläche abgewandten zweiten Oberfläche des Grundkörpers reflektiert wird.As already mentioned above, the mechanical structuring of the stress layer or its local oxidation is carried out laser-based. Mention has already been made of the variants of scanning and the projection of a pattern. The former variant has the advantage that the resulting deformation gradually increases. It can thus be constantly monitored during the laser processing process and corrected if necessary. For this purpose, it is preferably provided that the deformation of the base body during the step of the aftertreatment of the stress layer is monitored by means of a wavefront sensor, which is acted upon by laser light which is reflected by a second surface of the base body facing away from the first surface.

Obgleich die vorliegende Erfindung nicht auf ein oder wenige bestimmte Suboxid-Materialien beschränkt ist, haben sich einige Materialien bereits bewährt oder die Erfinder sind aufgrund der bekannten physikalischen Eigenschaften überzeugt, dass sie zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung besonders geeignet sind. Es ist daher bevorzugt vorgesehen, dass das Suboxid-Material ausgewählt ist aus einer Gruppe von Suboxid-Materialien, umfassend SiO_x, Al₂O_y, HfO_x, ZrO_x, Ta₂O_z, Nb₂O_z, TiO_x, In₂O_y, WO_y, SnO_x, Sn₂O_y, ZnO_u und Gemische davon, wobei 0 ≤ u < 1, 0 ≤ x < 2, 0 ≤ y < 3 und 0 ≤ z < 5. Ein Gemisch im Sinne der vorliegenden Beschreibung kann auch zusätzliche Stoffe enthalten und umfasst insbesondere auch Legierungen. Beispielsweise bezieht sich die vorliegende Erfindung auch auf Indiumzinnoxid, kurz ITO, ein Mischoxid aus einem typischerweise größeren Anteil In₂O₃ und einem typischerweise kleineren Anteil SnO₂.Although the present invention is not limited to one or a few particular suboxide materials, some materials have already been proven or the inventors are convinced that they are particularly suitable for use in the present invention because of the known physical properties. It is therefore preferable for the suboxide material to be selected from a group of suboxide materials comprising SiO _x , Al ₂ O _y , HfO _x , ZrO _x , Ta ₂ O _z , Nb ₂ O _z , TiO _x , In ₂ O _y , WO _y , SnO _x , Sn ₂ O _y , ZnO _u and mixtures thereof, wherein 0 ≤ u <1, 0 ≤ x <2, 0 ≤ y <3 and 0 ≤ z <5. A mixture in In the meaning of the present description, it may also contain additional substances and in particular includes alloys. For example, the present invention also relates to indium tin oxide, ITO for short, a mixed oxide of a typically larger proportion of In ₂ O ₃ and a typically smaller amount of SnO ₂ .

Erfindungsgemäß hergestellte Bauteile lassen sich als Funktionselemente optischer Aufbauten ebenso verwenden wie in elektronischen Anlagen. Hier sind insbesondere speziell geformte Kondensatorplatten und Formungselemente für elektrische Felder denkbare Einsatzgebiete.Components produced according to the invention can be used as functional elements of optical assemblies as well as in electronic systems. In particular, specially shaped capacitor plates and shaping elements for electric fields are conceivable fields of application.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.Further features and advantages of the invention will become apparent from the following specific description and the drawings.

Kurzbeschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Es zeigen:Show it:

1: eine Skizze zur Verdeutlichung der Begriffe „Zugspannung” und „Druckspannung”; 1 : a sketch to clarify the terms "tension" and "compressive stress";

2: eine schematische Darstellung eines Beispiels für ein erfindungsgemäß hergestelltes Bauteil; 2 a schematic representation of an example of a component produced according to the invention;

3: eine schematische Darstellung zur Illustration verschiedener Modifikationsmoglichkeiten; 3 : a schematic representation illustrating various Modifikationsmoglichkeiten;

4: eine schematische Darstellung eines Aufbaus zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 4 : a schematic representation of a structure for carrying out the method according to the invention.

Beschreibung bevorzugter AusführungsformenDescription of preferred embodiments

Die mechanischen Spannungen, mit der eine Spannungsschicht auf einen tragenden Grundkörper einwirken kann, werden allgemein in zwei unterschiedliche Klassen eingeteilt, nämlich eine Zugspannung (tensile stress) und Druckspannung (compressive stress). 1 dient der Veranschaulichung dieser Begriffe, die auch im Rahmen der vorliegenden Beschreibung Anwendung finden. Ein Grundkörper 10 ist mit einer Spannungsschicht 12 beschichtet. Als Referenzebene ist in 1 eine ebene Auflage 14 dargestellt, die mit dem Grundkörper 10 nicht verbunden ist. Teilfigur 1a stellt den Fall der Zugspannung dar. Die beschichtete Seite des Grundkörpers 10 krümmt sich konkav, während sich die der Spannungsschicht 12 abgewandte Seite des Grundkörpers 10 konvex krümmt. Teilfigur 1b veranschaulicht den Fall der Druckspannung. Die beschichtete Seite des Grundkörpers 10 krümmt sich konvex, während sich die der Spannungsschicht 12 abgewandte Seite des Grundkörpers 10 konkav krümmt. In beiden Fällen sind mit Pfeilen die Richtungen der wirksamen Krümmungskräfte dargestellt. Stärke und Richtung der Spannungen sind abhängig vom gewählten Material der Spannungsschicht 12, ihrer Dimensionierung, der Art und dem Ausmaß ihrer Nachbehandlung sowie der Festigkeit ihrer Verbindung mit dem Grundkörper 10. Einige Spannungsschichten 12 üben bereits während ihrer Aufbringung oder unmittelbar danach eine Initialspannung auf den Grundkörper 10 aus, wohingegen andere Spannungsschichten 12 kräftefrei sind und erst nach geeigneter Nachbehandlung Spannungen auf den Grundkörper 10 ausüben. Vielfach sind Richtung und Stärke solcher Initialspannungen abhängig von den Parametern des Beschichtungsprozesses. Mögliche Beschichtungsverfahren sind z. B. Vakuumabscheidung, Plasmabeschichtung, Sputtern etc. Die vorliegende Erfindung ist sowohl für Spannungsschichten 12 mit Initialspannung als auch für Spannungsschichten 12 ohne Initialspannung anwendbar. Auch die spezielle Art und Weise der Beschichtung, d. h. des Aufbringens der Spannungsschicht 12 auf den Grundkörper 10, ist für den grundlegenden Gedanken der vorliegenden Erfindung nicht relevant.The mechanical stresses with which a stress layer can act on a supporting body are generally divided into two distinct classes, namely tensile stress and compressive stress. 1 serves to illustrate these terms, which are also used in the context of the present description. A basic body 10 is with a stress layer 12 coated. As a reference plane is in 1 a flat edition 14 shown with the main body 10 not connected. subfigure 1a represents the case of tension. The coated side of the body 10 curves concave, while that of the stress layer 12 opposite side of the body 10 convex curves. subfigure 1b illustrates the case of compressive stress. The coated side of the main body 10 convexly curves, while the tension layer curves 12 opposite side of the body 10 concave curves. In both cases, arrows indicate the directions of the effective bending forces. The strength and direction of the stresses depend on the selected material of the stress layer 12 their dimensioning, the nature and extent of their post-treatment and the strength of their connection to the body 10 , Some layers of tension 12 practice already during their application or immediately after an initial tension on the body 10 whereas other stress layers 12 are free of forces and only after appropriate post-treatment stresses on the body 10 exercise. In many cases, the direction and strength of such initial voltages are dependent on the parameters of the coating process. Possible coating methods are z. Vacuum deposition, plasma coating, sputtering, etc. The present invention is for both stress layers 12 with initial voltage as well as for voltage layers 12 applicable without initial voltage. Also the special way of coating, ie the application of the stress layer 12 on the main body 10 is not relevant to the basic idea of the present invention.

Nachfolgend sollen zunächst zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung in ihren Teilschritten dargestellt und erläutert werden. Anschließend sollen mehrere konkrete Bespiele für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegeben werden.In the following, two preferred embodiments of the invention will first be illustrated and explained in their sub-steps. Subsequently, several concrete examples for the application of the method according to the invention will be given.

Erste bevorzugte Verfahrensvariante:First preferred method variant:

Auf einen planen Grundkörper 10, beispielsweise ein rundes Quarzglasscheibchen mit wenigen Zentimetern Durchmesser und wenigen Millimetern Dicke, wird eine Spannungsschicht 12 aus einem Suboxid-Material aufgebracht. Das Suboxid-Material kann z. B. ein Silizium-Suboxid sein, d. h. eine Silizium-Verbindung, die stöchiometrisch als SiO_x mit 0 ≤ x < 2 beschrieben werden kann. Eine solche Spannungsschicht 12 wird oft unpräzise als Siliziummonoxidschicht bezeichnet, obgleich in der Regel keine reine SiO-Schicht vorliegt. Bevorzugt übt die Spannungsschicht 12 in diesem Anfangszustand noch keine verformenden Kräfte auf den Grundkörper 10 aus. Die der Spannungsschicht 12 gegenüberliegende freie Oberfläche des Grundkörpers 10 behält ihre plane Form. Vor oder nach der Beschichtung mit der Spannungsschicht 12 kann die freie Oberfläche des Grundkörpers mit einer Funktionsschicht, beispielsweise einer Spiegelschicht, beschichtet werden. Diese Funktionsbeschichtung erfolgt vorzugsweise in einem Zustand, in dem die freie Oberfläche des Grundkörpers 10 plan ist. Bei Spannungsschichten 12 ohne Initialspannung kann dies beliebig vor oder nach der Beschichtung mit der Spannungsschicht 12 erfolgen; bei Spannungsschichten 12 mit Initialspannung, d. h. Spannungsschichten 12, die bereits durch ihren Auftrag den Grundkörper 10 verformen, wird die Funktionsschicht günstigerweise vor Auftrag der Spannungsschicht 12 aufgetragen. Alternativ zu einer Funktionsbeschichtung kann auch eine andere Art der Funktionsbearbeitung des Grundkörpers 10, beispielsweise durch Laserablation o. ä. zur Ausbildung von optischen Gittern o.ä., erfolgen. In einem ersten Nachbehandlungsschritt wird alsdann das Suboxid-Material der Spannungsschicht 12 strukturiert ganz oder teilweise durchoxidiert. Dies erfolgt bevorzugt durch Beaufschlagung der Spannungsschicht 12 mit einem lasergenerierten Beleuchtungsmuster. Aufgrund verschiedener, eingangs bereits erwähnter physikalischer und chemischer Mechanismen, kann der Oxidationsgrad des Suboxid-Materials bis hin zur vollständigen Oxidation lokal erhöht werden. Für Silizium-Suboxid ist es bekannt, dass eine Erhöhung des Oxidationsgrades einer Schicht eine Druckspannung erzeugt. Man kann sich dies als eine zunehmende Flächenausdehnung des Materials mit zunehmenden Oxidationsgrad vorstellen. Allerdings wird erfindungsgemäß nicht der Oxidationsgrad der gesamten Schicht 12 erhöht sondern lediglich in durch das Beleuchtungsmuster ausgewählten Bereichen, so dass eine räumliche Struktur unterschiedlicher Oxidationsgrade in der Spannungsschicht 12 entsteht. Entsprechend inhomogen sind die entstehenden, auf den Grundkörper 10 wirkenden Verformungskräfte, was zur Entstehung einer frei geformten Gestalt der Funktionsoberfläche führt.On a flat body 10 For example, a round quartz glass disk a few centimeters in diameter and a few millimeters thick, is a stress layer 12 applied from a suboxide material. The suboxide material may, for. Example, a silicon suboxide, ie a silicon compound, which can be stoichiometrically described as SiO _x with 0 ≤ x <2. Such a stress layer 12 is often called imprecise silicon monoxide layer, although usually there is no pure SiO layer. Preferably, the stress layer exercises 12 in this initial state still no deforming forces on the body 10 out. The tension layer 12 opposite free surface of the body 10 retains its flat shape. Before or after coating with the stress layer 12 For example, the free surface of the main body can be coated with a functional layer, for example a mirror layer. This functional coating is preferably carried out in a state in which the free surface of the base body 10 plan is. For stress layers 12 this can be done arbitrarily before or after coating with the stress layer without initial tension 12 respectively; with stress layers 12 With Initial voltage, ie voltage layers 12 who already by their order the basic body 10 deform, the functional layer is conveniently before application of the stress layer 12 applied. As an alternative to a functional coating can also be another type of functional processing of the body 10 , For example, by laser ablation o. Ä. To form optical gratings or the like, take place. In a first post-treatment step, the suboxide material of the stress layer is then formed 12 structured completely or partially oxidized by oxidation. This is preferably done by applying the stress layer 12 with a laser-generated illumination pattern. Due to various, already mentioned physical and chemical mechanisms, the degree of oxidation of the suboxide material can be locally increased up to complete oxidation. For silicon suboxide, it is known that increasing the degree of oxidation of a layer creates compressive stress. This can be thought of as an increasing surface area of the material with increasing degree of oxidation. However, according to the invention, not the degree of oxidation of the entire layer 12 but increases only in selected by the illumination pattern areas, so that a spatial structure of different degrees of oxidation in the stress layer 12 arises. Accordingly, the resulting, inhomogeneous, on the body 10 acting deformation forces, which leads to the formation of a free-formed shape of the functional surface.

In einem weiteren, optionalen Schritt wird der verformte Grundkörper 10 erhitzt. Dieser Heizvorgang wird im Hinblick auf angewandte Temperaturen und deren Einwirkungsdauer auf das Grundkörpermaterial so gestaltet, dass das Grundkörpermaterial gerade eine plastische Verformungsgrenze überschreitet. Mit anderen Worten wird der Grundkörper 10 so hoch erhitzt, dass die bislang elastische Verformung, die die Spannungsschicht 12 bewirkt, in eine plastische Verformung übergeht. Dabei können die Beiträge der einzelnen Nachbehandlungsschritte zur resultierenden Formgebung durchaus von Fall zu Fall unterschiedlich sein. Beispielsweise fällt bei einem sehr steifen Grundkörper 10 die durch die strukturierte Oxidation erreichte, elastische Verformung sehr gering aus. Verliert der Grundkörper 10 dann während des Heizschrittes deutlich an Steifigkeit, stellt sich eine größere Verformung ein. Bei sehr wenig steifen Grundkörpern, kann bereits die strukturierte Oxidation eine erhebliche Verformung bewirken. Nach dem Abkühlen des plastisch verformten Grundkörpers 10 ist die Spannungsschicht 12 nicht mehr erforderlich und kann entfernt werden. Eine weitere Verformung sollte dann höchstens gering ausfallen. Ein Entfernen der Spannungsschicht kann insbesondere dann erforderlich sein, wenn das erzeugte Bauteil ein transmissives optisches Funktionselement ist.In a further, optional step, the deformed base body 10 heated. This heating process is designed with respect to applied temperatures and their duration of action on the body material so that the body material just exceeds a plastic deformation limit. In other words, the main body 10 heated so high that the previously elastic deformation, which is the stress layer 12 causes it to undergo plastic deformation. The contributions of the individual post-treatment steps to the resulting shaping can certainly differ from case to case. For example, falls in a very stiff body 10 the elastic deformation achieved by the structured oxidation is very low. Loses the body 10 then during the heating step significantly in rigidity, sets a greater deformation. In the case of very rigid bodies, even the structured oxidation can cause considerable deformation. After cooling the plastically deformed body 10 is the tension layer 12 no longer necessary and can be removed. Further deformation should then be at most low. A removal of the stress layer may be necessary in particular if the component produced is a transmissive optical functional element.

Zweite bevorzugte Variante:Second preferred variant:

Der Vorbereitungsschritt der zweiten bevorzugten Variante entspricht demjenigen der ersten bevorzugten Variante und soll hier nicht wiederholt werden.The preparation step of the second preferred variant corresponds to that of the first preferred variant and will not be repeated here.

Zur Nachbehandlung der Spannungsschicht 12 wird diese bei der zweiten Verfahrensvariante mechanisch strukturiert, d. h. es wird ihr eine mechanische Struktur gegeben. Dies erfolgt bevorzugt durch Laserablation. Mittels Laserablation können gezielt Bereiche der Spannungsschicht 12 abgesprengt werden. Bei Spannungsschichten 12 mit Initialspannung kann, wenn der Grundkörper 10 hinreichend nachgiebig ist, bereits diese mechanische Strukturierung zu einer Verformung des Grundkörpers 10 führen. Bei Spannungsschichten 12 ohne Initialspannung verformt sich der Grundkörper 10 bei der mechanischen Strukturierung nicht. In einem nachfolgenden Schritt wird dann das verbleibende Suboxid-Material ganz oder teilweise durchoxidiert. Dies kann mittels der eingangs bereits genannten physikalischen, chemischen, photophysikalischen und photochemischen Mechanismen erfolgen. Die Verformung des Grundkörpers 10 stellt sich entsprechend den sich durch die Oxidation ändernden Spannungskräften ein, wobei die resultierende Form des Grundkörpers 10 von der speziell gewählten Struktur abhängt. Alternativ zur gleichmäßigen Durchoxidation des verbleibenden Suboxid-Materials ist es auch möglich, dieses lediglich bereichsweise durchzuoxidieren.For post-treatment of the stress layer 12 this is mechanically structured in the second variant of the method, ie it is given a mechanical structure. This is preferably done by laser ablation. Laser ablation allows targeted areas of the stress layer 12 be blown off. For stress layers 12 with initial voltage can when the main body 10 sufficiently yielding, already this mechanical structuring to a deformation of the body 10 to lead. For stress layers 12 without initial tension, the main body deforms 10 not at the mechanical structuring. In a subsequent step, the remaining suboxide material is then completely or partially oxidized. This can be done by means of the above-mentioned physical, chemical, photophysical and photochemical mechanisms. The deformation of the body 10 adjusts itself according to the voltage forces changing as a result of the oxidation, the resulting shape of the main body 10 depends on the specific structure chosen. As an alternative to the uniform oxidation of the remaining suboxide material, it is also possible to oxidize it only in some areas.

Die abschließenden Schritte zur plastischen Verformung und ggf. Entfernung der verbleibenden Spannungsschicht 12 sind im Wesentlichen die gleichen wie bei der oben geschilderten Verfahrensvariante und sollen hier nicht wiederholt werden. Es soll jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen werden, dass der Schritt des Oxidierens der mechanisch strukturierten Spannungsschicht simultan mit dem Aufheizen des Grundkörpers erfolgen kann, sodass sich ”elastische” und ”plastische” Beiträge zur resultierenden Verformung nicht trennen lassen.The final steps for plastic deformation and, if necessary, removal of the remaining stress layer 12 are essentially the same as in the above-described process variant and will not be repeated here. However, it should be expressly pointed out that the step of oxidizing the mechanically structured stress layer can be done simultaneously with the heating of the body, so that "elastic" and "plastic" contributions to the resulting deformation can not be separated.

Erstes konkretes Beispiel:First concrete example:

Das erste konkrete Bespiel ist der Anschaulichkeit halber in stark schematisierter Weise in 2 dargestellt. Als Grundkörper 10 diente eine runde Quarzglasscheibe mit 25 mm Durchmesser und 2 mm Dicke. Darauf wurde als Spannungsschicht 12 eine 487 nm dicke SiO-Beschichtung aufgetragen. In die Spannungsschicht 12 wurde mittels Laserablation ein Streifenmuster 16 mit einer Periode von 50 μm eingebracht, insbesondere wird hierbei die SiO-Beschichtung bereichsweise vollständig entfernt. Man beachte, dass die in 2 gezeigte Strukturierung 16 nicht maßstäblich ist. Anschließend erfolgte eine Oxidation des verbleibenden SiO-Materials durch Heizung auf 1100°C über 13 Stunden unter sauerstoffhaltiger Atmosphäre. Nach dem Abkühlen wurde die Verformung der Quarzglasscheibe jeweils über eine Länge von 15 mm bestimmt. Parallel zu dem Streifenmuster 16 ergab sich eine U-förmige Verformung mit einer Maximal-Auslenkung von 7100 nm. Senkrecht zu dem Streifenmuster 16 ergab sich eine W-förmige Verformung mit einer Maximal-Auslenkung von 600 nm. Die erzielten Verformungen sind in 2 schematisch dargestellt.The first concrete example is for the sake of clarity in a highly schematized way in 2 shown. As a basic body 10 served a round quartz glass disk with 25 mm diameter and 2 mm thickness. It was used as a tension layer 12 a 487 nm thick SiO coating applied. Into the tension layer 12 became a stripe pattern by laser ablation 16 introduced with a period of 50 microns, in particular in this case the SiO coating is partially completely removed. Note that the in 2 Structuring shown 16 not to scale. This was followed by oxidation of the remaining SiO 2 material Heating at 1100 ° C for 13 hours under an oxygen-containing atmosphere. After cooling, the deformation of the quartz glass was determined over a length of 15 mm. Parallel to the stripe pattern 16 resulted in a U-shaped deformation with a maximum deflection of 7100 nm. Perpendicular to the stripe pattern 16 resulted in a W-shaped deformation with a maximum deflection of 600 nm. The deformations achieved are in 2 shown schematically.

Zweites konkretes Beispiel:Second concrete example:

Als Ausgangsmaterial diente eine SiO-beschichtete Quarzglasscheibe wie im ersten Beispiel. Das mittels Laserablation eingebrachte Streifenmuster 16 hatte bei diesem Beispiel eine Periode von 25 μm. Die Oxidation erfolgte bei 1000°C über 10 Stunden, was zu einer unvollständigen Durchoxidation führte. Sowohl senkrecht als auch parallel zu dem Streifenmuster ergab sich eine U-förmige Verformung. Messung der Verformung über jeweils eine Länge von 15 mm ergab eine maximale Auslenkung senkrecht zu den Streifen von 360 nm und parallel zu den Streifen von 1400 nm.The starting material used was an SiO-coated quartz glass pane as in the first example. The stripe pattern introduced by means of laser ablation 16 had a period of 25 μm in this example. The oxidation was carried out at 1000 ° C for 10 hours, resulting in incomplete oxidation by oxidation. Both perpendicular and parallel to the fringe pattern resulted in a U-shaped deformation. Measurement of the deformation over a length of 15 mm each gave a maximum deflection perpendicular to the strips of 360 nm and parallel to the strips of 1400 nm.

Drittes konkretes Beispiel:Third concrete example:

Als Grundkörper diente eine Quarzglasscheibe wie in den vorgegangenen Beispielen. Diese wurde mit einer 831 nm dicken SiO-Schicht beschichtet. Dieser wurde gleichmäßig bei 1100°C über 2 Stunden teiloxidiert. Dies führte zu einer rotationssymmetrischen Durchbiegung der Scheibe mit einer maximalen Auslenkung von 690 nm (gemessen über eine Länge von 15 mm). Mit anderen Worten wurde für dieses dritte Beispiel als Spannungsschicht 12 eine teiloxidierte SiO_x-Schicht mit Initialspannung verwendet. In diese Spannungsschicht 12 wurde mittels Laserablation ein Streifenmuster 16 von 100 Linien mit einer Periode von 60 μm eingebracht. Hierdurch wurde die Durchbiegung senkrecht zu den Streifen auf 600 nm und parallel zu den Streifen auf 530 nm Auslenkung (jeweils gemessen über eine Länge von 15 mm) reduziert.The basic body was a quartz glass plate as in the previous examples. This was coated with a 831 nm thick SiO 2 layer. This was partially oxidized at 1100 ° C for 2 hours. This resulted in a rotationally symmetric deflection of the disk with a maximum deflection of 690 nm (measured over a length of 15 mm). In other words, for this third example, a stress layer was used 12 used a partially oxidized SiO _x layer with initial voltage. In this tension layer 12 became a stripe pattern by laser ablation 16 of 100 lines with a period of 60 μm introduced. This reduced the deflection perpendicular to the strips to 600 nm and parallel to the strips to 530 nm deflection (each measured over a length of 15 mm).

Viertes konkretes Beispiel:Fourth concrete example:

Als Grundkörper eine Quarzglasscheibe wie in den vorgegangenen Beispielen. Diese wurde wie in Beispiel 3 mit einer 831 nm dicken SiO-Schicht beschichtet und gleichmäßig bei 1100°C über 2 Stunden teiloxidiert. Danach folgte eine 6-stündige Abkühlung auf 150°C. Über eine Länge von 15 mm wurde eine Durchbiegung von 1800 nm in einer Richtung und von 1950 nm senkrecht dazu gemessen. Es folgte eine Strukturierung der Spannungsschicht mittels Laserablation, wobei parallel zur Richtung der stärkeren Durchbiegung ein Muster von 500 parallelen Streifen mit 20 μm Periode eingebracht wurde. Anschließend erfolgte eine weitere Aufoxidation der strukturierten Spannungsschicht bei 1100°C über 2 Stunden. Die resultierende Durchbiegung (jeweils gemessen über 15 mm Länge) betrug 1800 nm senkrecht zu den Streifen und 3000 nm parallel dazu.As a basic body a quartz glass pane as in the previous examples. This was coated as in Example 3 with a 831 nm thick SiO 2 layer and partially oxidized at 1100 ° C for 2 hours. This was followed by a 6-hour cooling to 150 ° C. Over a length of 15 mm, a sag of 1800 nm in one direction and 1950 nm perpendicular thereto was measured. This was followed by a structuring of the stress layer by means of laser ablation, whereby a pattern of 500 parallel strips with a 20 μm period was introduced parallel to the direction of the greater deflection. This was followed by further oxidation of the structured stress layer at 1100 ° C. for 2 hours. The resulting deflection (each measured over 15 mm in length) was 1800 nm perpendicular to the strips and 3000 nm parallel thereto.

Obgleich bei den obigen Beispielen jeweils Streifenmuster verwendet wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Art der Strukturierung beschränkt. 3 zeigt in stark schematisierter Weise die Einbringung dreier verschiedener Strukturen 16, 16', 16'', was zu einer sehr komplexen Verformung führt.Although stripe patterns were used in each of the above examples, the invention is not limited to this type of patterning. 3 shows in a highly schematic way the introduction of three different structures 16 . 16 ' . 16 '' , which leads to a very complex deformation.

4 zeigt schematisch einen möglichen Aufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Eine Probe, bestehend aus Grundkörper 10 und Spannungsschicht 12 ist in einem Ofen 18 angeordnet. Der Ofen 18 weist optische Schnittstellen auf, durch die Licht ein- und ausgekoppelt werden kann. 4 schematically shows a possible structure for carrying out the method according to the invention. A sample consisting of basic body 10 and stress layer 12 is in an oven 18 arranged. The oven 18 has optical interfaces through which light can be coupled in and out.

Der Strahl 20 eines Bearbeitungslasers 22 wird über Umlenkspiegel 24, 26, 28, 30 auf die Spannungsschicht 12 gelenkt. Wenigstens einer, vorzugsweise zwei der Spiegel 26, 28, 30 ist/sind als Scan-Spiegel ausgebildet, sodass die Spannungsschicht 12 zum Eintrag einer Struktur mit einem Beleuchtungsmuster abgerastert werden kann.The beam 20 a processing laser 22 is via deflection mirror 24 . 26 . 28 . 30 on the stress layer 12 directed. At least one, preferably two of the mirrors 26 . 28 . 30 is / are designed as a scan mirror, so that the stress layer 12 can be scanned to the entry of a structure with a lighting pattern.

Zur Kontrolle der Verformung des Grundkörpers 10 ist ein Monitor-Laser 32 vorgesehen, dessen Licht auf die freie Oberfläche 11 des Grundkörpers 10 fällt. Die freie Oberfläche 11 ist typischerweise die Funktionsoberfläche und kann eine Funktionsbeschichtung tragen. Das von der Funktionsoberfläche reflektierte Licht fällt auf einen Wellenfrontsensor 34, der durch Veränderung der Wellenfronten auf die sukzessive Verformung des Grundkörpers 10 schließen kann.To control the deformation of the body 10 is a monitor laser 32 provided, whose light is on the free surface 11 of the basic body 10 falls. The free surface 11 is typically the functional surface and can carry a functional coating. The reflected light from the functional surface is incident on a wavefront sensor 34 By changing the wavefronts on the successive deformation of the body 10 can close.

Alternativ zu der scannenden Bearbeitung kann das Beleuchtungsmuster mittels einer Maske 36 und einer geeigneten Optik 38 auf die Spannungsschicht 12 gelenkt werden. Insbesondere im Fall eines transparenten Grundkörpers und einer (für die Bearbeitungswellenlänge) transparenten Funktionsschicht auf der freien Oberfläche 11 ist, wie in 4 gezeigt, auch eine rückwärtige Beleuchtung der Spannungsschicht 12 möglich.As an alternative to the scanning processing, the illumination pattern can be generated by means of a mask 36 and a suitable optics 38 on the stress layer 12 be steered. In particular in the case of a transparent main body and a (for the processing wavelength) transparent functional layer on the free surface 11 is how in 4 shown, also a back lighting of the stress layer 12 possible.

Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere können die Materialien des Grundkörpers und der Spannungsschicht dem jeweiligen Einzelfall angepasst werden. Auch ist es möglich, Spannungsschichten aus mehreren Teilschichten unterschiedlicher Materialien, insbesondere auch unterschiedlicher Suboxid-Materialien aufzubauen. Auch die Einsatzmöglichkeiten der resultierenden Funktionselemente sind nicht auf die hier konkret genannten Anwendungsbeispiele beschränkt. Im Bereich der Optik und der Elektronik sind vielfältige Anwendungsmöglichkeiten denkbar.Of course, the embodiments discussed in the specific description and shown in the figures represent only illustrative embodiments of the present invention. In the light of the disclosure herein, those skilled in the art will be offered a wide range of possible variations. In particular, the materials of the base body and the stress layer can be adapted to the respective individual case. It is also possible to build up stress layers from several partial layers of different materials, in particular also different suboxide materials. The possible uses of the resulting functional elements are not limited to the application examples specifically mentioned here. In the field of optics and electronics many applications are conceivable.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010: Grundkörperbody
1111: freie Oberfläche von 10 free surface of 10
1212: Spannungsschichtstress layer
1414: Auflageedition
16, 16', 16''16, 16 ', 16' ': Struktur in 12 Structure in 12
1818: Ofenoven
2020: Laserstrahllaser beam
2222: Bearbeitungslaserlaser processing
2424: Umlenkspiegeldeflecting
2626: Umlenkspiegeldeflecting
2828: Umlenkspiegeldeflecting
3030: Umlenkspiegeldeflecting
3232: Monitor-LaserMonitor laser
3434: WellenfrontsensorWavefront sensor
3636: Maskemask
3838: Abbildungsoptikimaging optics

Claims

Method for producing optical or electronic functional elements, comprising the following steps: - providing a basic body ( 10 ) for the functional element to be produced, - application of a stress layer comprising a suboxide material ( 12 ) on a first surface of the base body, so that the stress layer ( 12 ) in tension-transmitting manner with the main body ( 10 ), - performing a step of post-treatment of the stress layer ( 12 ), which comprises a spatially inhomogeneous increase in the degree of oxidation of the suboxide material, so that the layer stress of the stress layer ( 12 ), characterized in that the basic body ( 10 ) according to the layer stress of the stress layer ( 12 ) is deformed, so that the resulting functional elements have a curved surface, and that further comprises a step of after-treatment of the main body ( 10 ) is performed, in which the basic body ( 10 ) is heated until reaching its plastic deformation temperature.

A method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous increase in the degree of oxidation of the suboxide material, a spatially structured loading of the stress layer ( 12 ) with laser light ( 20 ) comprises an energy density below the ablation threshold.

A method according to claim 1, characterized in that the inhomogeneous increase in the degree of oxidation of the suboxide material, a region-wise removal of the stress layer ( 12 ) and then increasing the degree of oxidation of the remaining suboxide material.

A method according to claim 3, characterized in that the regional removal of the stress layer ( 12 ) by laser ablation.

Method according to one of claims 3 to 4, characterized in that the regional removal of the stress layer ( 12 ) and then increasing the degree of oxidation of the remaining suboxide material iteratively.

Method according to claim 3, characterized in that the step of after-treatment of the basic body ( 10 ) and increasing the degree of oxidation of the remaining suboxide material in a common heating step.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that after the step of the aftertreatment of the base body ( 10 ) a step of completely removing the stress layer ( 12 ) is carried out.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the deformation of the basic body ( 10 ) during the step of post-treatment of the stress layer ( 12 ) by means of a wavefront sensor ( 34 ) is monitored, which is acted upon by laser light, which from a first surface facing away from the second surface of the base body ( 10 ) is reflected.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the suboxide material is selected from a group of suboxide materials comprising SiO _x , Al ₂ O _y , HfO _x , ZrO _x , Ta ₂ O _z , Nb ₂ O _z , TiO _x , In ₂ O _y , WO _y , SnO _x , Sn ₂ O _y , ZnO _u and mixtures thereof, wherein 0 ≤ u <1, 0 ≤ x <2, 0 ≤ y <3 and 0 ≤ z <5.