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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Nanostruktur in einem transparenten Substrat.
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Stand der Technik
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Antireflexbeschichtungen werden eingesetzt, um optische Reflexionen an optischen Oberflächen, wie z.B. Linsen, Objektiven, Prismen, Platten, usw. zu unterdrücken bzw. zu vermindern und die Transmission zu erhöhen. Eine Verminderung des Reflexionsgrades an der vergüteten Fläche kann durch eine destruktive Interferenz der reflektierten Strahlen erreicht werden. Dazu wird auf die genannten optischen Oberflächen eine Vergütungsschicht aufgebracht.
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Ein alternativer Ansatz, um Reflexionen auf optischen Oberflächen zu verringern, sind Nanostrukturen auf der Objektoberfläche. Geometrische Abmessungen und Abstände zwischen derartigen Strukturen müssen in diesem Fall kleiner als die Wellenlänge der einfallenden optischen Strahlung sein. Als Nanostrukturen eignen sich geometrische Formen, die einen im Wesentlichen kontinuierlich variierenden Brechungsindex bewirken, zum Beispiel spitzwinkelige Kegelstümpfe. Ein sanfter Übergang des Brechungsindex reduziert den Reflexionsgrad ohne starke Wellenlängen- und Winkelabhängigkeit. Bei optimierten Strukturgeometrien ist auch eine von der Polarisation unabhängige Reflexminderung möglich. Ein Entspiegelungseffekt durch an der Oberfläche ausgebildete Nanostrukturen wird als sogenannter „Mottenaugen-Effekt“ bezeichnet.
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DE 10 2007 014 538 A1 offenbart ein Verfahren, mit dem MottenaugenStrukturen durch Ätzen direkt auf Quarzglas erzeugt werden können.
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Offenbarung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Entspiegeln von optischen Oberflächen bereitzustellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe gelöst mit einem Verfahren zum Herstellen einer Nanostruktur in einem transparenten Substrat, aufweisend die Schritte:
- a) Aufbringen einer ersten Strukturträgerschicht in einer definierten Dicke auf wenigstens eine Oberfläche des Substrats;
- b) Ausbilden einer Nanostruktur in der ersten Strukturträgerschicht; und
- c) Oxidieren der ersten Strukturträgerschicht.
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Erfindungsgemäß wird die Nanostruktur zunächst in einer ersten Strukturträgerschicht ausgebildet, die anschließend in einem Oxidationsprozess vollständig durchoxidiert und dabei in transparentes Material umgewandelt wird. Im Ergebnis wird dadurch eine integral mit dem transparenten Substrat ausgebildete Nanostruktur bereitgestellt. Vorteilhaft ist ein Ausbilden der Nanostruktur in der Strukturträgerschicht leichter möglich als im transparenten Substrat, insbesondere sind auf diese Weise eine allgemein verbesserte Handhabung und erleichterte Belichtungsprozesse unterstützt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass Elemente der Nanostruktur pyramidenförmig ausgebildet werden. Dadurch wird eine Nanostruktur geschaffen, mittels der ein im Wesentlichen kontinuierlich variierender Brechungsindex von Luft zu Glas und damit eine Mottenaugenstruktur realisiert wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass in den pyramidenförmigen Elementen der Nanostruktur definierte Flankenwinkel ausgebildet werden. Dies kann auf einfache Weise durch Unterätzungs- bzw. Überätzungsprozesse der ersten Strukturträgerschicht realisiert werden. Dadurch ist eine Formgebung der pyramidenförmigen Elemente effizient beeinflussbar und ein Gestaltungsspielraum vorteilhaft wesentlich erhöht.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass das Ausbilden der Nanostruktur in der ersten Strukturträgerschicht auf beiden Oberflächen des transparenten Substrats durchgeführt wird. Es wird dabei der Umstand ausgenutzt, dass die erste Strukturträgerschicht auf beiden Seiten des transparenten Substrats vorhanden ist, wodurch im Ergebnis die Nanostrukturen in beiden Oberflächen des transparenten Substrats ausgebildet werden können.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass auf die Nanostruktur der ersten Strukturträgerschicht wenigstens partiell eine Schutzschicht aufgebracht wird. Auf diese Weise können definierte Bereiche des transparenten Substrats vor einer Weiterbearbeitung geschützt werden. Zudem können mittels der Schutzschicht im transparenten Substrat optisch transparente und optisch nicht-transparente Bereiche erzeugt werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass die Schutzschicht im Bereich der Nanostruktur nicht aufgebracht wird. Auf diese Weise ist unterstützt, dass die Nanostruktur gegenüber der Oberfläche der ersten Strukturträgerschicht abgesenkt ausgebildet ist und dadurch eine Weiterverarbeitung des transparenten Substrats mit der empfindlichen Nanostruktur erleichtert ist.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass als Schutzschicht Nitrid verwendet wird. Dadurch wird eine technische Realisierungsmöglichkeit bereitgestellt, um transparente und nichttransparente Bereiche zu definieren. In den nicht transparenten beschichteten Bereichen ist eine Oxidation nicht vorgesehen, bzw. schreitet eine Oxidation wesentlich langsamer voran.
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Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass auf die erste Strukturträgerschicht eine Zwischenschicht aufgebracht wird, wobei auf die Zwischenschicht eine zweite Strukturträgerschicht aufgebracht wird, wobei die zweite Strukturträgerschicht sowie die Zwischenschicht wenigstens partiell entfernt werden, wobei in der ersten Strukturträgerschicht Nanostrukturen ausgebildet werden. Danach wird die exponiert liegende erste Strukturträgerschicht oxidiert. Auf diese Weise übernehmen die zweite Strukturträgerschicht und die Zwischenschicht den Schutz der Strukturen und ermöglichen eine Strukturierung auf der anderen Seite des transparenten Substrats bzw. optisch intransparente Bereiche innerhalb des transparenten Substrats.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des Verfahrens sieht vor, dass für die Strukturträgerschichten Polysilizium verwendet wird. Dadurch wird ein kostengünstiges und bewährtes Material der Halbleitertechnik verwendet, mit dem ein definiertes Strukturieren der Nanostrukturen in Lithographietechnik gut möglich ist.
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Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, dass als transparentes Substratmaterial SiO2 verwendet wird. Auf diese Weise wird ein kostengünstiges optisch transparentes Substrat-Grundmaterial bereitgestellt, in welchem die Nanostrukturen ausgebildet werden und auf diese Weise einen Antireflexeffekt bewirken.
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Die Erfindung wird im Folgenden mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand von mehreren Figuren im Detail beschrieben. Dabei bilden alle Merkmale, unabhängig von ihrer Darstellung in der Beschreibung und in den Figuren bzw. unabhängig von ihrer Rückbeziehung in den Patentansprüchen den Gegenstand der Erfindung. Die Figuren sind nicht notwendiger Weise maßstabsgetreu ausgeführt und dienen insbesondere zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Prinzipien.
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In den Figuren zeigt:
- 1 eine herkömmliche Schichtenanordnung zur Erzeugung von destruktiver Interferenz auf einer optischen Oberfläche;
- 2 eine prinzipielle Wirkungsweise einer ersten Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen einer Nanostruktur;
- 3 eine prinzipielle Wirkungsweise einer Weiterbildung eines Verfahrens zum Herstellen einer Nanostruktur;
- 4 eine prinzipielle Wirkungsweise einer Weiterbildung eines Verfahrens zum Herstellen einer Nanostruktur; und
- 5 einen prinzipiellen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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1 zeigt eine prinzipielle Wirkungsweise einer herkömmlichen Antireflexschicht auf einem transparenten Substrat 10 (z.B. Glas) mittels destruktiver Interferenz. Ein einfallender Strahl E mit einer Wellenlänge λ wird an der Oberfläche einer Vergütungsschicht VS mit einer Dicke d teilweise in einen reflektierten Strahl R1 reflektiert. ni, ng und ns bezeichnen den Brechungsindex der Luft, den Brechungsindex der Vergütungsschicht VS und den Brechungsindex des Substrats. Der nichtreflektierte Anteil des Strahls E durchläuft die Vergütungsschicht VS und wird teilweise an einer Grenzfläche zwischen der Vergütungsschicht VS und dem Substrat 10 in einen Strahl R2 reflektiert. Die zwei reflektierten Teilstrahlen R1 und R2 können bei einem Phasenunterschied von π vollständig destruktiv interferieren, wenn ihre Amplituden gleich sind. Durch den Einsatz mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes kann die Reflexion auch für einen breiten Wellenlängen- und Winkelbereich verringert werden.
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2 zeigt prinzipiell eine Wirkungsweise eines erfindungsgemäßen Herstellungsprozesses für eine Nanostruktur in bzw. auf einem transparenten Substrat 10. Als transparentes Substrat 10 kann vorzugsweise ein Quarz-Glaswafer verwendet (engl. fused silica) werden. In einem LPCVD-Prozess (engl. low pressure chemical vapour deposition) wird eine erste Strukturträgerschicht 20 in Form von Polysilizium mittels epitaktischer Abscheidung gleichzeitig auf beiden Waferseiten des Quarz-Glaswafers abgeschieden. Eine Dicke der abgeschiedenen ersten Strukturträgerschicht ist prozesstechnisch sehr gut kontrollierbar, wodurch eine definiert dimensionierte erste Strukturträgerschicht 20 ausgebildet werden kann. Nach der Abscheidung des Polysiliziums ist der Quarz-Glaswafer optisch nicht mehr transparent und kann daher auf üblichen Anlagen einer Halbleiter-Mikrochip-Fabrik weiter prozessiert werden.
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Nach einer Belackung erfolgt eine Belichtung mittels einer Belichtungsanlage (nicht dargestellt), deren Lichtquelle eine Abbildung von Submikrometer- bzw. Nanostrukturen 21 im Polysilizium ermöglicht. Nach der Entwicklung des Fotolacks erfolgt die Strukturierung bevorzugt per reaktivem lonenätzen (engl. trenchen) des Polysiliziums. Der Ätzprozess erlaubt es vorteilhaft, durch Auswahl von gezielten Parametern die Ätzflanken der Nanostruktur 21 in weiten Bereichen frei zu gestalten, wobei es möglich ist, positive oder negative Ätzflankenwinkel von pyramidenförmigen Elementen bzw. Teilstrukturen der Nanostruktur 21 auszubilden.
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Im Ergebnis erhält man dadurch beispielweise pyramidenförmige Elemente der Nanostruktur 21 mit sehr genau dimensionier- bzw. reproduzierbaren Flankenwinkeln, die durch Über- oder Unterätzung realisiert wurden. Über eine definierte Dicke des Polysiliziums lässt sich eine Höhe der Nanostrukturen 21 definieren. Abmessungen von Elementen der Nanostruktur 21 liegen in einem Größenordnungsbereich unterhalb der Wellenlänge des Lichts, für das die Strukturen vorgesehen sind. Über das Layout wird die laterale und über die Prozessführung die vertikale Strukturform der Nanostruktur 21 definiert. Bei Bedarf kann auch die zweite Substratseite des Quarz-Glaswafers 10 wie vorgehend beschrieben strukturiert werden (nicht dargestellt).
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Nach der Strukturierung und Entfernung des Fotolacks erfolgt in einem Temperprozess unter oxidierender Atmosphäre die Oxidation des Polysiliziums zu optisch transparentem SiO2. Im Ergebnis liegt auf diese Weise eine Nanostruktur 11 im transparenten Glasmaterial vor, welche sehr gut dimensionierbar ist und die, wie nachfolgend beschrieben, weiteren optionalen Bearbeitungsschritten unterzogen werden kann.
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3 zeigt prinzipiell, dass auf das optisch transparente Substrat 10 mit der Nanostruktur 11 eine erste Strukturträgerschicht 20 in Form einer Polysiliziumschicht aufgetragen werden kann. In einem in 3b dargestellten weiteren Bearbeitungsschritt wird dieses Polysilizium im Bereich der Nanostruktur 11 lokal weggeätzt (z.B. mit Hilfe einer Schutzmaske), wodurch eine partielle Ätzung mit Entfernen des Polysiliziums im Bereich der Nanostruktur 11 möglich ist. Im Ergebnis kann auf diese Weise, wie in 3c dargestellt, eine unter das höchste Niveau der ersten Polysiliziumschicht 20 „abgesenkte“ Nanostruktur 11 ausgebildet werden, welche es erlaubt, den gesamten Wafer umzudrehen und danach auf der zweiten Seite zu prozessieren, ohne die empfindlichen Nanostrukturen 11 zu beschädigen.
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Dies kann für die weitere Verarbeitung der Wafer mit den Nanostrukturen von besonderem Interesse sein, da dadurch die filigranen Nanostrukturen vor mechanischem Kontakt und Beschädigung geschützt werden können.
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In einer in 4 angedeuteten Alternative des Verfahrens ist auch denkbar, auf die erste Polysiliziumschicht 20 eine Zwischenschicht 10a mit SiO2-Material abzuscheiden und darauf eine zweite Polysiliziumschicht 30 (siehe 4c).
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Danach wird, wie aus 4d erkennbar, ein lokales Abätzen der zweiten Polysiliziumschicht 30 und der Zwischenschicht 10a bis auf die erste Polysiliziumschicht 20 zum Zwecke eines Strukturierens der ersten Polysiliziumschicht 20 durchgeführt. In 4e ist erkennbar, dass mittels eines Oxidationsprozesses die exponiert liegende erste Polysiliziumschicht 20 und die zweite Polysiliziumschicht 30 durchoxidiert werden können, wodurch im Ergebnis eine Struktur gebildet wird, die nur noch im Bereich der Nanostruktur 21 transparent ist.
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Man erkennt, dass mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren eine Vielzahl von Variationen möglich ist. Es können insbesondere mehrere, verschiedene dicke Polysiliziumschichten mit und ohne Oxid als Zwischenschicht eingesetzt werden. Ferner kann die Strukturierung ein- oder beidseitig erfolgen. Beispielsweise kann dadurch realisiert werden, dass auf der einen Waferseite das Polysilizium vor der Oxidation ganzflächig abgeätzt wird.
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Durch Abscheidung und gegebenenfalls Strukturierung von Nitrid ist es vorteilhaft möglich, die Oxidation der Polysilizium-Schicht örtlich begrenzt erheblich zu verlangsamen. Auf diese Weise lassen sich optisch transparente Bereiche mit SiO2 und optisch nicht transparente Bereiche mit Polysilizium auf einem Wafer erzeugen.
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Für eine Weiterverarbeitung ist es auf diese Weise vorteilhaft realisierbar, für weitere Ebenen oder für die Ermöglichung eines automatischen Handlings in Anlagen Bereiche am Waferrand und Justagemarken optisch nicht transparent auszuführen.
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5 zeigt prinzipiell einen Ablauf einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen einer Nanostruktur 11 in einem transparenten Substrat 10.
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In einem Schritt 101 wird eine erste Strukturträgerschicht 20 in einer definierten Dicke auf wenigstens eine Oberfläche des Substrats 10 aufgebracht.
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In einem Schritt 102 wird ein Ausbilden einer Nanostruktur 21 in der ersten Strukturträgerschicht 20 durchgeführt.
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Schließlich wird in einem Schritt 103 ein Oxidieren der ersten Strukturträgerschicht 20 durchgeführt.
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Zusammenfassend wird mit der Erfindung ein Herstellungsverfahren für Nanostrukturen auf einem optisch transparenten Glaswafer bereitgestellt, welches bekannte Verfahren und Vorrichtungen nutzt und es dadurch kostengünstig ermöglicht, definierte Strukturen im Polysilizium auszubilden, die anschließend per Oxidation in transparentes Glasmaterial umgewandelt werden. Dies kann prozess- und gestaltungstechnische Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren ergeben und kann vorzugsweise zur Erzeugung von Mottenaugenstrukturen verwendet werden. Die fertigen Nanostrukturen können beispielsweise für optische Fenster in Mikrospiegeln verwendet werden.
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Vorteilhaft erfolgt die Strukturierung mit für Polysilizium bekannten, etablierten kostengünstigen und serientauglichen Abscheide-, Maskierungs- und Ätztechniken, zum Beispiel in Form von Trenchen. Investitionen in gesonderte Anlagen zu einer Strukturierung von Glas sind vorteilhaft nicht erforderlich.
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Die Geometrie der Nanostrukturen, die bevorzugt als spitzwinklige Kegelstümpfe ausgebildet sind, können über die Prozessparameter des reaktiven lonen-Ätzens gut kontrolliert und variiert werden. Die Höhe der Nanostrukturen kann über die abgeschiedene Schichtdicke des Polysiliziums sehr genau eingestellt werden. Beim Strukturieren durch Trenchen stoppt das Ätzen auf dem Quarzsubstrat, da die Ätzraten für Silizium und für Quarzglas sehr stark unterschiedlich sind. Das Resultat ist eine im Wesentlichen einheitliche Höhe der Nanostruktur.
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Für die Abscheidung der Polysiliziumschicht können Anlagen verwendet werden, die in der Halbleiterindustrie üblicherweise bereits vorhanden sind, beispielsweise LPCVD-Abscheideanlagen.
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Ein automatisches Handling von Glaswafern ist aufgrund ihrer optischen Transparenz auf herkömmlichen Anlagen der Halbleiterindustrie nur in Ausnahmefällen möglich. Nach der Abscheidung der Polysiliziumschicht sind die Glaswafer von Siliziumwafer optisch nicht zu unterscheiden, wodurch ihre beidseitige Prozessierung auf allen bekannten Anlagen ermöglicht ist.
