DE102012219655B4

DE102012219655B4 - Optisches element und herstellung desselben

Info

Publication number: DE102012219655B4
Application number: DE102012219655.2A
Authority: DE
Inventors: Ulrike Wallrabe; Jens Brunne; Michael Pauls; Rüdiger Grunwald
Original assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Current assignee: Forschungsverbund Berlin FVB eV; Albert Ludwigs Universitaet Freiburg
Priority date: 2012-10-26
Filing date: 2012-10-26
Publication date: 2018-10-25
Anticipated expiration: 2032-10-27
Also published as: US20140126061A1; DE102012219655A1

Abstract

Optisches Element (10, 10', 20), mit folgenden Merkmalen:einer strukturierten Trägerschicht (12) mit einer Makrostruktur (13) an einer Hauptoberfläche (12a); undeiner Schicht (14) aus ausgehärtetem Material mit einer optisch glatten und der Hauptoberfläche (12a) abgewandten Oberfläche (14a), wobei eine Makrooberflächenstruktur (15) der Oberfläche (14a) von der Makrostruktur (13) der Trägerschicht (12) und dem Schichtdickenprofil der Schicht (14) abhängig ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein optisches Element und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
Unter optischen Elementen werden beispielsweise Gitter, Linsen oder gekrümmte Spiegel verstanden. Diese optischen Elemente weisen typischerweise eine glatte Oberfläche mit zum Beispiel einer gekrümmten, sphärischen, asphärischen oder parabolischen Oberflächenfunktion auf. Durch die Oberflächenfunktion werden insbesondere über den Krümmungsradius die optischen Eigenschaften definiert.
Beispielsweise ist in der Patentschrift DE 23 55 091 A ein Verfahren beschrieben, bei dem ein lichtdurchlässiges Material, wie Glas, verformt wird, indem Kunststoffmaterial zwischen dem zu verformenden Glas und einer Pressfläche eingefüllt und zum Schrumpfen gebracht wird.
Optische Elemente werden zunehmend miniaturisiert, was die Möglichkeiten eröffnet, unterschiedliche Technologien, z.B. Optik und Elektronik, zu kombinieren. Produkte aus diesem Bereich schaffen beispielsweise elektrisch adaptierbare Mikrooptiken, bei denen die optischen Eigenschaften extern, also während des Betriebes, eingestellt werden können. Beispielsweise kann bei einem Spiegel die Spiegel schicht in Form einer Membran gestaltet sein, so dass diese durch Kraft oder Druck „aktuiert“, d.h. aktiv in Bezug auf die Form beeinflusst, werden kann. Derartige optische Elemente, die auf einer Membran mit einem dahinterliegenden Luftspalt basieren, sind häufig in der Herstellung sehr aufwendig, was zu hohen Herstellungskosten führt. Ferner sind hier der Miniaturisierung Grenzen gesetzt.
Deshalb ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Element zu schaffen, das einen verbesserten Kompromiss aus kostengünstiger Herstellung, einfacher Miniaturisierung und optischen Eigenschaften aufweist.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch ein optisches Element gemäß Anspruch 1, ein optisches Array gemäß Anspruch 15 und ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements gemäß Anspruch 16 gelöst.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf ein optisches Element mit einer strukturierten Trägerschicht und einer Schicht aus ausgehärtetem Material. Die strukturierte Trägerschicht weist eine Makrostruktur mit einer ersten Hauptoberfläche auf. Die Schicht aus ausgehärtetem Material weist eine optisch glatte und von der Hauptoberfläche abgewandte Oberfläche auf, wobei die Makrooberflächenstruktur der Oberfläche von der Makrostruktur der Trägerschicht und einem Schichtdickenprofil der Schicht abhängig ist.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung basieren auf der Erkenntnis, dass nahezu jede beliebige Oberflächenfunktion eines optischen Elements dadurch hergestellt werden kann, indem eine Trägerschicht, wie zum Beispiel ein Grundsubstrat, strukturiert wird und mit einem beim Herstellungsvorgang aushärtenden Material, zum Beispiel einem dielektrischen Material, aufgefüllt wird, das die Schicht mit der optischen Oberfläche formt. Hierbei wird insbesondere die Oberflächenstruktur der optischen Oberfläche durch die Aushärtungsschrumpfung der Schicht mit dem aushärtenden Material beeinflusst. Beim Aushärten erfolgt eine Vernetzung desselben, wodurch ein Volumenschrumpf entsteht, sodass die (makroskopische) Oberflächenform der strukturierten Trägerschicht auf die Oberfläche der optischen) Schicht übertragen werden kann. Insbesondere wird die Makrostruktur der strukturierten Trägerschicht übertragen, während mikrostrukturelle Rauheiten nicht übertragen werden. Infolgedessen entsteht vorteilhafterweise eine optisch glatte Oberfläche der ausgehärteten Schicht, die entweder direkt als optische Oberfläche dient, wenn das so hergestellte Objekt für die Transmission ausgelegt ist oder die verspiegelt werden kann, um das optische Element in Reflexion betreiben zu können. Somit ermöglicht das erfindungsgemäße optische Element einen einfachen Aufbau, was sich sowohl vorteilhaft hinsichtlich der Herstellung als auch hinsichtlich der Möglichkeit zur Miniaturisierung auswirkt, und dabei eine große Flexibilität bezüglich der Oberflächenfunktion aufweist.
Die oben genannte Makrooberflächenstruktur geht durch Aushärtungsschrumpfung und thermische Ausdehnung unter Berücksichtigung der Makrostruktur der Trägerschicht aus einer planen Ebene hervor. Hierbei erfolgt in Bereichen mit einer vormals hohen Schichtdicke eine absolut gesehen größere Aushärtungsschrumpfung als in Bereichen mit einer vormals geringeren Schichtdicke, so dass folglich aus einer Ebene eine optische Geometrie bzw. die oben genannte Makrooberflächenstruktur herstellbar ist, wenn die Trägerschicht entsprechend strukturiert ist.
Wie oben erwähnt, kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen das optische Element auch eine Spiegelschicht, welche auf der Oberfläche der Schicht angeordnet ist, aufweisen. Somit ist die Schicht als Zwischenschicht zu verstehen, während die optische Oberfläche durch die Spiegelschicht gebildet wird. Also ist, analog zu den obigen Erläuterungen, die Spiegelschicht entsprechend beliebigen Oberflächenfunktionen formbar. Beispiele hierfür sind sphärische Spiegel, parabolische Spiegel oder Axiconspiegel. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen sind auch Beugungsgitter und diffraktive Hologramme erzeugbar.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann das Schichtdickenprofil der Schicht beziehungsweise Zwischenschicht während des Betriebes variiert werden, so dass die Oberflächenfunktion der optischen Oberfläche adaptierbar ist. Die Anpassung erfolgt beispielsweise elektrostatisch durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die eine elektrostatische Kraft auf die Zwischenschicht bzw. Schicht bewirkt und/oder thermisch, indem die Schicht bzw. Zwischenschicht geheizt bzw. gekühlt wird, so dass dieselbe sich ausdehnt oder zusammenzieht, wobei die Zwischenschicht einen von dem Grundsubstrat verschiedenen Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist. Da, wie oben erwähnt, die Schicht ein Schichtdickenprofil aufweist, dehnen sich unterschiedliche Bereiche zwar prozentual betrachtet gleich, aber absolut betrachtet unterschiedlich aus. Somit sind die Oberflächenfunktionen, die die optischen Eigenschaften beeinflussen, unmittelbar im Betrieb anpassbar. Es sei angemerkt, dass die elektrostatische Anpassung (Aktuierung) wesentlich schneller ist als die thermische Aktuierung.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel schafft ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements mit den Schritten: Bereitstellen einer Trägerschicht, Strukturieren derselben und Aufbringen einer Schicht aus aushärtbarem Material auf die Trägerschicht. Die Trägerschicht wird derart strukturiert, dass eine Makrostruktur an einer Hauptoberfläche ausgebildet wird. Das Aufbringen der Schicht, zum Beispiel einer dielektrischen Schicht oder einer Polymerschicht erfolgt derart, dass eine optisch glatte und der Hauptoberfläche abgewandte Fläche entsteht und, wie oben bereits erläutert, eine Makrooberflächenstruktur der Oberfläche von der Makrostruktur der Trägerschicht und einem Schichtdickenprofil der Schicht abhängt. Vorteilhafterweise muss dieses Herstellungsverfahren nicht unter Reinraumbedingungen erfolgen, da es auf Herstellungstechnologien, wie zum Beispiel Laserschneiden, spanhebender Bearbeitung oder Abformen basiert. Folglich ist dieses Herstellungsverfahren einfach und insbesondere kostengünstig.
Das Verfahren kann den Schritt des Aushärtens, zum Beispiel, unter Zuhilfenahme einer Temperaturbehandlung aufweisen, sodass eine Volumenschrumpfung und dadurch innere Spannungen in der Schicht entstehen. Durch diese inneren Spannungen verformen sich nach dem Aushärten das Material der Schicht und damit die Makrooberflächenstruktur. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen erfolgt dieses Herstellungsverfahren dadurch, dass die optische Oberfläche vor bzw. während des Aushärtens unter Druck, der beispielsweise über die Spiegelschicht oder eine anderen optische Schicht aufgebracht wird, geebnet wird.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1a eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements mit einer optischen Geometrie gemäß einem Ausführungsbeispiel,
1b eine schematische Schnittdarstellung eines optischen Elements mit einer stark ausgeprägten optischen Geometrie gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
2a eine schematische Darstellung eines optischen Elements, welches thermisch aktuierbar ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
2b eine schematische Darstellung eines optischen Elements, welches elektrisch aktuierbar ist, gemäß einem Ausführungsbeispiel;
3a-3e schematische Darstellung von Herstellungsschritten zur Herstellung des optischen Elements gemäß Ausführungsbeispielen;
4a-4d schematische Diagramme von Messergebnissen zu den optischen Elementen aus 1a bis 2b zur Illustration der Wirkungsweise; und
4e und 4f exemplarische Diagramme zur Illustration von thermischer Aktuierung.

Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren näher erläutert werden, wird darauf hingewiesen, dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
1a zeigt ein optisches Element 10 in der Schnittdarstellung mit einer strukturierten Trägerschicht 12 und einer Schicht 14 aus ausgehärtetem Material, die auf der strukturierten Trägerschicht 12 bzw. auf einer ersten Hauptoberfläche 12a derselben angeordnet ist. Die strukturierte Trägerschicht 12 kann beispielsweise ein auf ein Substrat aufgetragener Photolack (Photoresist) oder ein strukturiertes Substrat, wie zum Beispiel ein Glas- oder Siliziumsubstrat (Siliziumwafer), sein. Die Trägerschicht 12 weist beispielsweise eine Dicke von 100 µm oder allgemein eine Dicke in einem Bereich von 5 µm bis 2 mm auf. Die ausgehärtete Schicht 14 umfasst typischerweise ein Dielektrikum, wie zum Beispiel ein Polymer, PU (Polyurethan) oder ein Silikon (PDMS: Polydimethylsiloxan). Die Schicht 14 bildet eine optische Oberfläche 14a, die von der Trägerschicht 12 abgewandt ist. Die optische Oberfläche 14a weist eine Makrooberflächenstruktur mit einer optischen Geometrie 15, z.B. eine konkave Geometrie, auf. Diese Makrooberflächenstruktur 15, die beispielsweise die Form einer konkaven Vertiefung haben kann, ist einem in die strukturierte Trägerschicht 12 eingebrachten Graben 13 zugeordnet. In anderen Worten ausgedrückt heißt das, dass der Graben 13 beziehungsweise die Makrooberflächenstruktur 13 der ersten Hauptoberfläche 12a der Trägerschicht 12 durch die Schicht 14 bis zur optischen Oberfläche 14a der Schicht 14 übertragen wird, so dass eine optische Geometrie 15 an dieser optischen Oberfläche 14a ausgebildet wird.
Somit kann direkt ein optisches Element 10 erzeugt werden, wobei durch die Form der Makrooberflächenstruktur 13 die optische Geometrie 15 festgelegt wird. Insbesondere wird sie im Zusammenhang mit der Schicht 14 und dem Aushärtungsverhalten der Schicht 14 bestimmt. Das Aushärten der Schicht 14, bei dem typischerweise eine Schrumpfung derselben erfolgt, ist so, dass direkt die optisch glatte Oberfläche 14a, zum Beispiel mit einer Rauheit von 6,1 nm oder allgemein mit einer Rauheit R_a von kleiner 50 oder kleiner 10 nm entsteht. Diese Oberflächenrauheit R_a ist auch unabhängig von der Rauheit der Trägerschicht 12, die beispielsweise eine Rauheit von 4850 nm oder allgemein eine Rauheit von größer 1000 nm aufweisen kann. Im Umkehrschluss heißt das, dass die Trägerschicht 12 nicht die optische Oberflächenqualität aufweisen muss, da Unebenheiten durch die Schicht 14 geglättet werden. Der Hintergrund dazu wird im Rahmen des Herstellungsverfahrens (vgl. Fig. 3a bis 3e) erläutert.
Das dargestellte optische Element 10 kann entweder in Reflexion oder Transmission betrieben werden. Für die Transmission sind dann die Schicht 14 und die Trägerschicht 12 durchsichtig ausgeführt. Beim Betrieb in Reflexion bildet die optische Oberfläche 14a eine Spiegelfläche aus. Hierzu kann optional eine optische Spiegelschicht 18, die beispielsweise Al (Aluminium), Au (Gold) oder Ag (Silber) umfasst, auf die optische Oberfläche 14a aufgebracht sein, wobei die optische Geometrie 15 von der Schicht 14 direkt auf die Spiegelschicht 18 übertragen wird. Insofern kann bei diesem Ausführungsbeispiel mit der optionalen Spiegelschicht 18 die Schicht 14 auch als Zwischenschicht 14 bezeichnet werden.
Wie oben bereits erwähnt, hängt die optische Geometrie 15 von der Makrooberflächenstruktur 13 der Trägerschicht 12 und von dem sich einstellenden Aushärtungsschrumpf der Schicht 14 ab. Dies wird insbesondere anhand von 1b deutlich.
1b zeigt ein weiteres optisches Element 10' mit einem Trägersubstrat 12' und eine auf diese Trägerschicht 12' aufgebrachte Schicht 14'. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Trägerschicht 12' und die aufgebrachte Schicht 14' grundsätzlich (d.h. hinsichtlich Materialwahl und Fertigung) den in 1a diskutierten Schichten 12 und 14 entsprechen. Der Unterschied liegt darin, dass die Makrostruktur 13' der Trägerschicht 12' stärker ausgeprägt ist, also eine andere Form und eine andere Tiefe aufweist als im vorherigen Ausführungsbeispiel. Im Detail ist in der Hauptoberfläche 12a' der Trägerschicht 12' ein relativ tiefer Graben 13' (im Vergleich zu dem Graben 13 aus 1a) eingebracht. Dies hat die Konsequenz, dass die optische Geometrie 15' ebenso wesentlich stärker ausgeprägt ist und eine veränderte Form aufweist. Die Formveränderung erfolgt insbesondere durch die Aushärteschrumpfung, so dass sich eine annähernd parabelartige optische Geometrie 15' einstellt. Die stärkere Ausprägung kommt nicht alleine dadurch zustande, dass der Graben 13' tiefer ist. Dies wird insbesondere dann deutlich, wenn man in Betracht zieht, dass bei der Herstellung der Schicht 14' die Oberfläche 14a' vor der Aushärtung durch Druck oder Kapillarkräfte geebnet wird bzw. aus einer Ebene hervorgeht und die optische Geometrie 15' sich aufgrund der Aushärtung des aushärtbaren Materials der Schicht 14 einstellt. Es sei angemerkt, dass der Vorgang des Aushärtens bzw. der Vernetzungsschwund ausgehend von dem ausgehärteten Material zurücksimuliert werden kann, so dass die Oberfläche 14a' der Schicht 14' unter Berücksichtigung der beim Aushärten vorliegenden Temperatur (also der thermischen Ausdehnung) virtuell wieder in eine Ebene überführbar ist. Denn die stärkere Ausprägung der optische Geometrie 15' im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel aus 1a stellt sich dadurch ein, dass eine höhere Materialmenge des aushärtbaren optischen Materials der Schicht 14' in dem Graben 13' vorliegt, was zu einem höheren absoluten Schwund bei Aushärtung desselben führt.
Analog zu dem oben genannten Ausführungsbeispiel kann das optische Element 10' entweder in Transmission oder Reflexion betrieben werden und folglich auch die optionale Spiegelschicht 18 aufweisen.
Derartige in 1a und 1b beschriebene optische Elemente 10 und 10' weisen aufgrund der verwendeten Materialen geringe optische Dispersionen, was insbesondere für Ultrakurzpulslaser wichtig ist, sowie im Vergleich zu LCoS SLMs (Liquid Crystal on Silicon Spatial Light Modulators, Flüssigkristallschicht-Flächenlichtmodulatoren) eine hohe Zerstörfestigkeit auf.
Wie im Folgenden näher ausgeführt werden wird, kann die Schicht 14 bzw. 14' dazu benutzt werden, die Makrooberflächenstruktur 14a und 14a' bzw. die optische Geometrie 15 und 15a' während des Betriebs zu verändern. Dieser Vorgang wird auch als „Aktuieren“ bezeichnet. Hier wird zwischen thermischer (vgl. 2a) und elektrostatischer (vgl. 2b) Aktuierung unterschieden.
2a zeigt ein optisches Element 20, welches eine Trägerschicht 12" mit einer Mehrzahl an Gräben 13a", 13b" und 13c" aufweist. Da die Gräben 13a", 13b" und 13c" unterschiedliche Formen haben, weisen auch die resultierenden optischen Geometrien 15a", 15b" und 15c" unterschiedliche Formen, wie zum Beispiel eine Rechteck-Form, eine V-Form oder eine W-Form auf. Es sei ferner angemerkt, dass das optische Element 20 sowohl in Transmission als auch Reflexion betrieben werden kann, so dass das optische Element 20 die optionale Spiegelschicht (nicht dargestellt) auf der Oberfläche 14a" aufweisen kann.
Wie oben bereits angedeutet, ist die Schicht 14" dazu ausgebildet, ihre Form und insbesondere ihre Makrooberflächenstruktur 15a", 15b" und 15c" infolge einer thermischen Einwirkung zu verändern. Da die Zwischenschicht 14" abhängig von der Makrogeometrie der Trägerschicht 12" unterschiedlich dick ist (vgl. optische Geometrie 15a" und 15c"), verändern sich die optischen Geometrien 15a", 15b" und 15c" bei gleicher Temperaturänderung ΔT in der absoluten Betrachtung unterschiedlich, auch wenn die prozentuale Ausdehnung pro Volumeneinheit dieselbe ist. Der „Oberflächenhub“ der Oberfläche 14a" hängt neben der Grabentiefe (vgl. Gräben 13a", 13b" und 13c") von dem Wärmeausdehnungskoeffizient des verwendeten Schichtmaterials der Schicht 14" (vgl. 4e und 4f) ab. Mit diesem Effekt kann die Amplitude der Oberflächenfunktion 14a" und damit die Phase des optischen Elements 20 hinsichtlich der zu reflektierenden bzw. transmittierenden elektromagnetischen Wellen angepasst werden.
2b zeigt das optische Element 20 aus 2a, wobei hier zwei Elektroden 22a und 22b aufgebracht sind. Die Elektrode 22a ist der optischen Oberfläche 14a" zugeordnet, während die Elektrode 22b der Trägerschicht 12" zugeordnet ist. Die Elektroden 22a und 22b werden typischerweise aufgedampft und können zum Beispiel Gold, Aluminium oder transparentes und elektrisch leitfähiges Idiumzinnoxid umfassen. So kann die Elektrode 22a beispielsweise auf der optischen Oberfläche 14a" durch die Spiegelschicht (nicht dargestellt) geformt sein. Die Elektrode 22b wird bevorzugterweise auf einem Substrat (nicht dargestellt) der Trägerschicht 12", also auf Seiten eine zweiten Hauptoberfläche, die der ersten Hauptoberfläche der Trägerschicht 12" gegenüberliegt, angeordnet.
Durch Anlegen einer Spannung ΔU zwischen den zwei Elektroden 22a und 22b kann eine elektrostatische Kraft auf die Schicht 14" ausgeübt werden, so dass diese entsprechend elastisch verformt wird. Diese elektrostatische Verformung hat den gleichen Effekt wie die thermische Verformung, die in 2a beschrieben ist. Der Unterschied zwischen den zwei Verformungsarten ist der, dass die thermische Aktuierung typischerweise träger ist als die elektrostatische, so dass die elektrostatische Aktuierung mit höheren Frequenzen im Vergleich zu der thermischen betrieben werden kann. Im Umkehrschluss heißt das, dass die Grundausdehnung durch die thermische Verformung eingestellt wird, während kurzfristige Veränderungen durch elektrostatische Aktuierung erfolgen. Deshalb ist entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen auch eine Kombination der in 2a und 2b dargestellten Wirkmechanismen möglich, wobei dennoch angemerkt sei, dass, um das optische Element und die Aktuierung einfach zu halten (wenn beispielsweise der Bedarf besteht, die Aktuierung nur mittels eines Steuersignals durchzuführen), bevorzugterweise auch nur eine Aktuierungsform (elektrostatisch oder thermisch) gewählt sein kann.
Bezug nehmend auf 3a bis 3e wird das Herstellungsverfahren der oben beschriebenen optischen Elemente beschrieben. 3a zeigt einen ersten Prozessschritt, bei welchem eine auf einem Substrat 26, das beispielsweise Silizium, Glas oder Keramik umfasst, aufgebrachte Trägerschicht 12 strukturiert wird, so dass die Makrostruktur 13 V-förmig entsteht.
Dieses Strukturieren der Trägerschicht 12, die beispielsweise eine Dicke von 100 µm aufweisen kann, erfolgt zum Beispiel mittels eines Lasers, der ein Stufenprofil in den Lack schreibt. Auch andere Strukturierungsverfahren, wie zum Beispiel Graustufenlithographie, schichtweise Lithographie, Bohren, Fräsen, 2-Photonen-3D-Lithographie (z.B., mit Nanoscribe) wären denkbar. Bei diesen Verfahren sind nahezu jegliche Strukturierungen des Photoresists 12 und damit beliebige optischen Geometrien 13 herstellbar, da, wie im Folgenden ausgeführt werden wird, bei der Strukturierung entstehende Rauheit der Oberfläche der Trägerschicht 12 (vgl. Stufenprofil) sich nicht auf die optische Oberfläche der noch aufzutragenden Schicht 14 auswirken.
3b zeigt einen nächsten Prozessschritt, bei welchem auf die strukturierte Trägerschicht 12 die Schicht 14, welche beispielsweise ein weiches Dielektrikum, wie PDMS, PU oder Epoxidharz, umfasst, aufgebracht wird. Dieser Schritt wird bevorzugterweise so durchgeführt, dass das aushärtbare Schichtmaterial in flüssiger Form zumindest die Makrostruktur 13 auffüllt. Die hier aufgebrachte Schicht 14 weist typischerweise nach dem Aufbringen gegenüber der Oberfläche der Trägerschicht 12 eine erhabene Struktur auf. Um Lufteinschlüsse zu vermeiden, kann dieser Herstellungsschritt unter einer Vakuumatmosphäre erfolgen.
3c zeigt das Erzeugen der optischen Oberfläche 14a, die, wie oben bereits erläutert, so ausgeführt sein kann, dass das optische Element entweder in Transmission oder in Reflexion betreibbar ist. Im Folgenden wird dieser Herstellungsschritt exemplarisch für ein in Reflexion betreibbares optisches Element erläutert.
Hierbei wird auf die strukturierte und mit dem flüssigen, aushärtbaren Schichtmaterial für die Schicht 14 versehene Trägerschicht 12 ein Spiegelsubstrat 28, das die Spiegelschicht 18 aufweist, gepresst. Dieser Schritt erfolgt unter definiertem Druck nach Ausrichtung des Spiegelsubstrats 28 mit der Trägerschicht 12, so dass die Oberfläche 14a hierbei geglättet wird oder die Oberfläche 14a durch die optisch glatte Spiegelschicht 18 (Rauheit < 20 nm) selbst gebildet wird.
Das Spiegelsubstrat 28 kann beispielsweise ein Siliziumsubstrat sein, auf dem beidseitig Si₃N₄ abgeschieden ist. Auf dieses Spiegelsubstrat 28 wird eine reflektierende Schicht 18 aufgedampft, die beispielsweise Al, Au oder Ag umfasst. Die Art und Dicke der Beschichtung kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. So kann die Schicht 18 beispielsweise transparent sein, wenn das optische Element in Transmission betrieben werden soll. Die Nitridschicht (Si₃N₄) auf der Rückseite des Spiegelsubstrats 28 kann entweder mit Laserstrahlung oder durch Photolithographie mit anschließendem nasschemischen Ätzen nach dem Verpressen geöffnet werden.
3d zeigt den Herstellungsschritt, bei dem das aushärtbare Schichtmaterial der Schicht 14 beziehungsweise der Zwischenschicht 14 unter Temperatureinfluss ausgehärtet oder vernetzt wird. Dabei entsteht ein Volumenschrumpf, zum Beispiel um mindestens 0,05% oder um 1% oder sogar um 5%, so dass das vormals erhabene Schichtmaterial plan ist. Dieser Vorgang erfolgt beispielsweise in einem Temperaturbereich von 20° C bis 220°C. Es sei angemerkt, dass das Schichtmaterial durch das Verpressen beziehungsweise Vernetzen eine dünne Schicht auf der Oberfläche der Trägerschicht 12, also zwischen der Trägerschicht 12 und der Spiegelschicht 18 ausbilden kann. Abhängig von der Temperatur und dem eingesetzten Druck erfolgt beim Vernetzen des weichen Schichtmaterials eine Änderung der Dichte desselben sowie die Einstellung der optischen Eigenschaften bzw. insbesondere die Definition der optischen Geometrie.
Da das Spiegelsubstrat 28 die inneren Spannungen der ausgehärteten beziehungsweise vernetzten Zwischenschicht 14 auffängt, stellt sich nach diesem Prozessschritt noch nicht die optische Geometrie ein. Um diese herzustellen, wird das Spiegelsubstrat 28 im nächsten Schritt zumindest partiell entfernt.
3e zeigt den Schritt des Entfernens des Spiegelsubstrats 28. Das optische Element (der Chip) wird einseitig geätzt, zum Beispiel mittels KOH-Ätzen (Kaliumhydroxid-Ätzen) oder mittels Trockenätzen mit ICP (induktiv gekoppeltes Plasma) oder alternativ mit XeF₂ (Xenondifluorid), so dass das Spiegelsubstrat 28 partiell entfernt wird. Die Siliziumnitridschicht (Si₃N₄, nicht dargestellt) zwischen Spiegelsubstrat 28 und der Spiegelschicht 18 wirkt als Ätzstop, so dass die Spiegelschicht 18 beim Ätzen nicht angegriffen wird. Bevorzugterweise wird nur punktuell über den optisch aktiven Bereichen geätzt.
Wie in 3e dargestellt, stellt sich aufgrund der inneren Spannungen der Zwischenschicht 14 und der mit dieser verbundenen Spiegelschicht 18 die Grundform beziehungsweise die optische Geometrie 15 ein, sobald das Spiegelsubstrat 28 entfernt ist. Je nach vorgesehener Aktuierung können nun weitere Prozessschritte folgen.
So werden nun für die elektrostatische Aktuierung die im Vorfeld aufgebracht Elektrode (nicht dargestellt) auf dem Grundsubstrat 26 und die Elektrode (Spiegelschicht 18) auf dem Spiegelsubstrat 28 elektrisch kontaktiert. Danach kann ein Schritt des Vergießens mit Epoxidharz der Elektroden erfolgen, um einen elektrischen Durchbruch durch Luft zu verhindern. Wie oben bereits erläutert, können entweder alle Elemente des Arrays gleichzeitig angesteuert werden oder auch die Kontaktierung derart ausgeführt werden, dass eine einzelne Ansteuerung der einzelnen optischen Elemente möglich ist. Hierzu können gegebenenfalls weitere Elektroden vorgesehen sein.
Ferner kann entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen für die thermische Aktuierung das optische Element nach dem Herstellungsschritt aus 3e mit thermischen Elementen, wie zum Beispiel zur Beheizung oder Kühlung verbunden werden. Übliche Ausführungsformen hierbei sind Widerstandsheizung, Peltierelemente, Wasserkühlung oder Wasserheizung, die auf der zweiten Hauptoberfläche der Trägerschicht 12 oder an dem zugehörigen Substrat angeordnet sind. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen ist es auch möglich, die thermische Aktorik direkt in das optische Element zu integrieren, so dass beispielsweise eine Widerstandsheizung oder ein on-Chip-Peltierelement bereits vor dem in 3a dargestellten Herstellungsschritt in das Substrat 26 eingebracht sein kann.
Da dieses Herstellungsverfahren auf einzelnen Herstellungstechnologien aus der Halbleiterherstellung basiert, ist eine einfache Miniaturisierung der so hergestellten optischen Elemente möglich.
4a zeigt eine weißlichtinterferometrische Messung eines reflektiven Gitters bei Raumtemperatur. Hierbei ist die Strukturhöhe z über die optische Oberfläche (vgl. x-/y-Achsen) aufgetragen. Als dielektrisches Material des Gitters ist PDMS Sylgard® 184 eingesetzt. Es sei angemerkt, dass die Messung sich auf die Auslenkung von Maximum zu Minimum des sinusförmigen Gitters bezieht. Die Strukturhöhe z der Form beträgt 10 µm, wobei die Auslenkung des Gitters 450 nm und die Gitterkonstante d = 50 µm beträgt.
4b zeigt eine weißlichtinterferometrische Messung eines Arrays, welches eine Vielzahl von konischen Axiconspiegeln mit parabolischer Spitze aufweist. Das hier eingesetzte Schichtmaterial der Zwischenschicht umfasst PDMS SE^® 1740. Bei der in 4b dargestellten Messung ist wiederum die Strukturhöhe z über die optische Oberfläche (xy-Ebene) aufgetragen. Die Strukturhöhe z der Form beträgt 100 µm. Die Auslenkung des Axicons beträgt 5,5 µm bei einem Einzelelementdurchmesser von 900 µm.
4c zeigt eine weißlichtinterferometrische Messung bei Raumtemperatur eines einzelnen Axiconspiegels, bei dem das ausgehärtete Schichtmaterial PU Vytaflex^® 10 verwendet ist. Wiederum ist die Strukturhöhe z über die optische Oberfläche (xy) aufgetragen. Die Strukturhöhe z der Form beträgt 100 µm. Die Auslenkung des Axicons beträgt 3,5 µm bei einem Elementdurchmesser von 900 µm.
Wie anhand von 4a bis 4c erkennbar ist, hat das verwendete Schichtmaterial der Zwischenschicht (vgl. Schicht 14) einen erheblichen Einfluss auf die sich einstellende optische Geometrie.
4d zeigt eine weißlichtinterferometrische Messung der Oberflächenrauheit R_a der optischen Spiegeloberfläche an einer durch Ätzen freigelegten Stelle. Die Oberflächenrauheit R_a beträgt maximal 3 nm.
Bezug nehmend auf 4e und 4f wird die thermische Aktivierung von optischen Elementen anhand von exemplarischen Diagrammen erläutert.
4e zeigt die Auslenkung eines Axiconspiegels, bei dem als dielektrisches Material PU Vytaflex^® 10 (vgl. Axiconspiegel aus 4c) eingesetzt ist, in Abhängigkeit von der Temperatur des Bauteils. Es sei angemerkt, dass hierbei jeweils die Auslenkung im zentralen Tiefpunkt des Axicons gemessen wurde. Die Strukturhöhe z der Form beträgt 100 µm, wobei sich eine Strukturhöhenänderung, die, wie in dem Diagramm 4e dargestellt, im Bereich zwischen 27° C und 43° C annähernd linear ist, einstellt. Die Steigung definiert die „Hubhöhe“ und damit die mögliche thermische Aktuierung, z.B. 1 µm pro 8° C.
4f zeigt ein Diagramm der Auslenkung eines reflektiven Gitters, bei dem PDMS Sylgard^® 184 (vgl. Axiconspiegel aus 4b) verwendet wurde, aufgetragen über die Temperatur des Bauteils. Es sei angemerkt, dass zur Messung der Auslenkung jeweils die Auslenkung vom Minimum zum Maximum des Gitters gemessen wurde. Die Struktur der Grundform beträgt 10 µm, wobei sich wiederum ein annähernd linearer Verlauf (im Bereich zwischen 27° C und 48° C) für die Änderung der Strukturhöhe z (z.B. 100 nm pro 8° C) einstellt.
Bezug nehmend auf 2a und 2b sei angemerkt, dass die dargestellten optischen Elemente 20 auch auf ein Substrat angeordnet sein können, wobei hier unterschiedliche Typen infrage kommen. Insbesondere ist zu unterscheiden, dass bei elektrischer Aktuierung die verwendeten Substrate bevorzugterweise nicht leitfähig sind, während bei thermischer Aktuierung auch elektrisch leitfähiges Silizium oder Metall als Substratmaterial eingesetzt werden kann.
Bezugnehmend auf 3a sei angemerkt, dass nach dem Strukturieren eine Vereinzelung der optischen Elemente, z.B. mittels Wafersägen, erfolgen kann, wenn beispielsweise ein Siliziumwafer als Substrat 26 verwendet ist.
Bezugnehmend auf den Herstellungsschritt aus 3d könnte alternativ auch die Schicht 18 wieder entfernt werden, so dass die optisch glatte Oberfläche durch die geebnete Schicht 14 selbst ausgebildet wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann auch eine Vielzahl von unterschiedlichen Elementen 20 auf einem gemeinsamen Substrat angeordnet sein, so dass ein Array mit einzelnen ansteuerbaren beziehungsweise arretierbaren optischen Elementen gebildet wird. Somit kann über die Ausnutzung des thermischen Effekts das Array beziehungsweise die einzelnen optischen Elemente des Arrays so eingestellt werden, dass sich die gewünschte Grundauslenkung der optischen Oberfläche konstant einstellt. Über die elektrische Aktuierung werden die einzelnen Elemente des Arrays dann separat angesteuert.
Wie oben bereits erläutert, sind nahezu beliebige (sphärische und asphärische) optische Geometrien, wie zum Beispiel sphärische Spiegel, parabolische Spiegel oder Axiconspiegel, aber auch Beugungsgitter und diffraktive Hologramme realisierbar. Ferner beziehen sich weitere Ausführungsbeispiele auf adaptive (reflektive) Beugungsgitter (Blazegitter) und auf adaptive Hologramme, bei denen durch Einstellen des Phasenhubs das optische Element auf die Wellenlänge des jeweiligen Anwendungsgebiets angepasst werden kann. Somit kann ein Beugungsgitter für eine Vielzahl von unterschiedlichen Anwendungen genutzt werden, indem dieses mittels der oben beschriebenen Aktuierungen auf die jeweils eingesetzte Wellenlänge, beispielsweise die Wellenlänge des Lasers angepasst wird.
Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen können die oben dargestellten optischen Elemente aufgrund der Möglichkeit zur Miniaturisierung in elektrische (Halbleiter-) Bauelemente integriert werden, so dass direkt auf einem Chip optische Elemente angebracht sind.

Claims

Optisches Element (10, 10', 20), mit folgenden Merkmalen: einer strukturierten Trägerschicht (12) mit einer Makrostruktur (13) an einer Hauptoberfläche (12a); und einer Schicht (14) aus ausgehärtetem Material mit einer optisch glatten und der Hauptoberfläche (12a) abgewandten Oberfläche (14a), wobei eine Makrooberflächenstruktur (15) der Oberfläche (14a) von der Makrostruktur (13) der Trägerschicht (12) und dem Schichtdickenprofil der Schicht (14) abhängig ist.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß Anspruch 1, wobei die Makrooberflächenstruktur (15) durch Aushärteschwund und thermischer Ausdehnung unter Beeinflussung durch die Makrostruktur (13) aus einer Ebene hervorgeht.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Makrooberflächenstruktur (15) und/oder das Schichtdickenprofil eine optische Geometrie (15) ausbilden.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, das ferner eine Spiegelschicht (18) aufweist, die auf der Oberfläche (14a) der Schicht (14) angeordnet ist, sodass der Spiegelschicht (18) die Makrooberflächenstruktur (15) eingeprägt ist und dass die Spiegelschicht (18) eine optisch glatte Oberfläche aufweist.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Schicht (14) ausgebildet ist, infolge einer Temperaturänderung und/oder infolge einer elektrostatischen Änderung eine Variation des Schichtdickenprofils zu erfahren.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß Anspruch 5, das ferner eine der Trägerschicht (12) zugeordnete erste Elektrode (22b) und eine der Oberfläche (14a) der Schicht (14) zugeordnete zweite Elektrode (22a) aufweist, wobei die erste und die zweite Elektrode (22a, 22b) ausgebildet sind, bei Anliegen einer elektrischen Spannung zwischen denselben elektrostatisch das Schichtdickenprofil der Schicht (14) zu verändern.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß Anspruch 6, wobei die zweite Elektrode (22a) durch eine Spiegelschicht (18) gebildet ist.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, das ferner ein Temperaturveränderungselement aufweist, das ausgebildet ist, um die Temperatur der Schicht (14) zu erhöhen oder zu senken.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das Schichtdickenprofil einen ersten Bereich mit einer geringen Schichtdicke und einen zweiten Bereich mit einer hohen Schichtdicke aufweist, und wobei eine absolute Variation der Makrooberflächenstruktur (15) in einem dem ersten Bereich zugeordneten Bereich geringer ist als eine absolute Variation der Makrooberflächenstruktur (15) in einem dem zweiten Bereich zugeordneten Bereich.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Schicht (14) ausgebildet ist, die Variation des Schichtdickenprofils infolge der Temperaturveränderung mit einer geringeren Frequenz durchzuführen als die Variation des Schichtdickenprofils infolge der elektrostatischen Veränderung.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Schicht (14) ein Dielektrikum oder ein Polymer umfasst.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Rauheit der optischen Oberfläche (14a) um mindestens Faktor 50 kleiner ist als die Rauheit der Hauptoberfläche (12a).
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die optische Geometrie (15) eine asphärische, sphärische oder parabolische ist oder ein Axicon, Beugungsgitter oder diffraktive Hologramme bildet.
Optisches Element (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 13, wobei die optische Geometrie (15) ein Beugungsgitter bildet, bei dem durch eine Variation des Schichtdickenprofils das optische Element an eine Wellenlänge einer zu beugenden elektromagnetischen Welle anpassbar ist.
Optisches Array mit einer Vielzahl von nebeneinander angeordneten optischen Elementen (10, 10', 20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements (10, 10', 20), mit folgenden Schritten: Bereitstellen einer Trägerschicht (12); Strukturieren der Trägerschicht (12), sodass eine Makrostruktur (13) an einer Hauptoberfläche (12a) ausgebildet wird; Aufbringen einer Schicht (14) aus aushärtbarem Material, sodass eine optisch glatte und der Hauptoberfläche (12a) abgewandte Oberfläche (14a) entsteht und eine Makrooberflächenstruktur (15) der Oberfläche (14a) von der Makrostruktur (13) der Trägerschicht (12) und dem Schichtdickenprofil der Schicht (14) abhängig ist; und Aushärten der Schicht (14), sodass eine Vernetzung der Schicht (14) erfolgt, wobei die Makrooberflächenstruktur (15) durch Aushärteschwund und thermischer Ausdehnung unter Beeinflussung durch die Makrostruktur (13) aus einer Ebene hervorgeht.
Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 16, das ferner den Schritt des Aufbringens einer Spiegelschicht (18) auf die Schicht (14) umfasst, sodass der Spiegelschicht (18) die Makrooberflächenstruktur (15) eingeprägt ist und dass die Spiegelschicht (18) eine optisch glatte Oberfläche aufweist.
Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei das Aufbringen der Spiegelschicht (18) derart durchgeführt wird, dass ein Einebnen der Schicht (14) erfolgt.
Verfahren zur Herstellung gemäß Anspruch 18, wobei das Aufbringen der Spiegelschicht (18) unter Zuhilfenahme eines Spiegelsubstrats (28) erfolgt, und wobei das Verfahren ferner den Schritt des Freilegens des Spiegelsubstrats (28) zumindest in Bereichen, die Zwischenschicht-Bereichen mit inneren Spannungen zugeordnet sind, aufweist.