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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen, insbesondere für Projektionsbelichtungsanlagen für die Mikrolithographie sowie entsprechend hergestellte optische Elemente.
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STAND DER TECHNIK
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Bei der Mikrolithographie zur Herstellung von mikro- oder nanostrukurierten Bauteilen der Elektrotechnik oder der Mikrostrukurtechnik kommt aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung der Strukturen Arbeitslicht mit immer kleineren Wellenlängen zum Einsatz, wie beispielsweise elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenspektrum des extrem ultravioletten Lichts, beispielsweise mit einer Wellenlänge im Bereich von 13 nm.
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Projektionsbelichtungsanlagen, die mit Licht im Wellenlängenspektrum von extrem ultraviolettem Licht (EUV) arbeiten, verwenden Spiegelelemente, die beispielsweise aus metallischen Werkstoffen hergestellt sind.
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Die metallischen Werkstoffe haben ein Gefüge aus Kristalliten, die auch als Körner bezeichnet werden, wobei die Körner unterschiedliche chemische Zusammensetzungen, Größe und Kristallorientierung aufweisen können. Die Körner können Korndurchmesser in der Größenordnung von einigen µm bis in den Millimeterbereich besitzen.
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Aufgrund der unterschiedlichen Zusammensetzung der Körner, der verschiedenen Kristallorientierung und der zwischen den Körnern vorliegenden Korngrenzen, können an einer Oberfläche entsprechend dem Korngefüge unterschiedliche Eigenschaften der Oberfläche vorliegen, insbesondere wenn die entsprechende Oberfläche Veränderungen unterliegt, beispielsweise durch mechanische Spannungen oder Temperaturänderungen. In diesem Fall können beispielsweise die unterschiedlich orientierten Kristallite auf Grund ihrer Anisotropie unterschiedliche Geometrieänderungen erfahren, sodass sich die Rauheit einer optisch genutzten Oberfläche vergrößert.
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Darüber hinaus können in entsprechenden metallischen Werkstoffen Poren oder Lunker auftreten, die ebenfalls zu inhomogenen Werkstoffeigenschaften an der Oberfläche oder zu Oberflächendefekten führen können.
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Bei optischen Elementen, die in der Mikrolithografie eingesetzt werden, können diese Gegebenheiten zu Beeinträchtigungen hinsichtlich der Abbildungsgenauigkeit führen.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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AUFGABE DER ERFINDUNG
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Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung die oben beschriebenen Probleme mit dem Werkstoffgefüge bei optischen Elementen insbesondere für die Mikrolithografie zu beseitigen und dadurch die Abbildungseigenschaften von Projektionsbelichtungsanlagen zu verbessern. Ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung von derartigen optischen Elementen soll einfach und zuverlässig durchführbar sein.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie optischen Elementen mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die oben genannten Probleme mit der Anisotropie der Oberflächeneigenschaften durch die Mikrostruktur des Werkstoffs hauptsächlich dann auftreten, wenn die Korngröße der an der Oberfläche vorliegenden Kristallite verhältnismäßig groß ist, da sich die unterschiedlichen Eigenschaften in diesem Fall deutlich bemerkbar machen. Zur Lösung wird deshalb vorgeschlagen, im Oberflächenbereich ein feinkörniges Gefüge einzustellen, sodass sich Eigenschaftsunterschiede nicht so deutlich bemerkbar machen. Entsprechend wird vorgeschlagen den Oberflächenbereich umzuschmelzen, das heißt den Oberflächenbereich im Bereich einer optischen wirksamen Fläche zumindest teilweise aufzuschmelzen und schnell wieder zu erstarren, sodass durch eine schnelle Abkühlung ein feinkörniges Gefüge eingestellt wird. Durch das Aufschmelzen wird auch erreicht, dass Poren eliminiert werden, sodass insgesamt die Werkstoffgüte im Oberflächenbereich an der optisch wirksamen Oberfläche verbessert wird.
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Insbesondere beim Umschmelzen unter Vakuum, wie beispielsweise beim Elektronenstrahl-Umschmelzen, werden evtl. vorhandene Poren sehr effektiv eliminiert.
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Entsprechend wird vorgeschlagen einen Grundkörper bereitzustellen, aus dem das optische Element gebildet werden soll und welcher die mindestens eine optisch wirksame Oberfläche aufweisen soll, wobei der Grundkörper zumindest teilweise im Bereich der optisch wirksamen Fläche oberflächlich aufgeschmolzen und anschließend der aufgeschmolzene Bereich schnell wieder erstarrt werden soll. Diesen Vorgang kann man auch als Umschmelzen bezeichnen.
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Unter optisch wirksamer Fläche wird für die vorliegende Erfindung jede Fläche eines optischen Elements verstanden, die in einem Strahlengang eines optischen Systems mit dem Arbeitslicht des optischen Systems wechselwirkt, wie beispielsweise eine Spiegelfläche. Das Aufschmelzen kann durch Strahlungsenergie oder energiereiche Strahlen oder Ströme, wie beispielsweise Laserstrahlen, Elektronenstrahlen, Plasmastrahlen, Brenngasstrahlen, Gas- oder Plasmaströme oder durch einen Lichtbogen, erfolgen.
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Das Aufschmelzen des Oberflächenbereichs kann mit unterschiedlichen Parametern erfolgen, so dass unter anderem unterschiedliche Tiefen des Aufschmelzbereichs erreicht werden, beispielsweise eine Tiefe des Aufschmelzbereichs von bis zu 10 Millimetern, insbesondere bis zu 5 Millimeter, vorzugsweise bis zu 1,5 Millimeter. In Bezug auf die Größe des optischen Elements kann die Aufschmelztiefe auch als Bruchteil der Dimension des optischen Elements definiert werden, die sich quer zur optisch wirksamen Fläche erstreckt. Beispielsweise kann der Aufschmelzbereich eine Tiefe von einem Viertel, insbesondere einem Zehntel oder vorzugsweise einem Hundertstel der Bauteiltiefe des optischen Elements in einer Richtung quer zu der optisch wirksamen Fläche aufweisen.
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Unter schnellem Abkühlen wird bei der vorliegenden Erfindung jede Abkühlung verstanden, bei der sich ein gegenüber dem Ausgangswerkstoff des Grundkörpers feineres und/oder dichteres Gefüge einstellt. Insbesondere kann unter schnellem Abkühlen jede Abkühlung verstanden werden, bei der keine künstliche Erwärmung für ein langsames Abkühlen des aufgeschmolzenen Bereichs zur Verfügung gestellt wird, sondern nach Abschalten oder Entfernen einer entsprechenden Wärmequelle für das Aufschmelzen die Abkühlung entsprechend den Umgebungsbedingungen erfolgt. Zusätzlich kann eine schnelle Abkühlung durch Vorsehen eines Kühlmediums realisiert werden, welches auf den aufgeschmolzenen Bereich geleitet wird, um die Wärme mittels des Kühlmediums abzuführen. Beispielsweise kann Kühlluft oder ein Inertgas auf den aufgeschmolzenen Bereich geleitet werden.
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Das Verfahren kann auch an mehreren Flächen eines entsprechenden Grundkörpers durchgeführt werden, insbesondere an zwei gegenüberliegenden Flächen, die voneinander weg weisen, um dadurch einen Verzug des optischen Elements durch Eigenspannungen in Folge des Umschmelzens zu vermeiden.
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Darüber hinaus kann der Grundkörper nach dem oberflächlichen Umschmelzen einer Wärmebehandlung, wie beispielsweise einem Spannungsarmglühen unterzogen werden, um eventuell eingebrachte Eigenspannungen abzubauen.
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Die umgeschmolzenen bzw. aufgeschmolzenen und wieder erstarrten Oberflächenbereiche können zur Ausbildung der optisch wirksamen Fläche, wie beispielsweise einer Spiegelfläche, in geeigneter Weise nachbearbeitet werden, beispielsweise durch mechanische, spanende Bearbeitung und/oder Beschichtung mit einer geeigneten Schicht.
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Die erfindungsgemäße Behandlung, das heißt das Umschmelzen und/oder die Nachbearbeitung, kann mehrmals nacheinander erfolgen, sodass die Verfahrensschritte zu einem mehrstufigen Prozess kombiniert werden können. Beispielsweise kann ein in einer endkonturnahen Form bereitgestellter Grundkörper zunächst im Bereich der zu erzeugenden optisch wirksamen Fläche aufgeschmolzen und schnell wieder erstarrt werden, anschließend im Bereich der optisch wirksamen Fläche mechanisch nachbearbeitet werden, um anschließend noch einmal umgeschmolzen zu werden und dann einer mechanischen Endbearbeitung zugeführt zu werden. Das zwei- oder mehrstufige Umschmelzen kann auch nacheinander ohne zwischenzeitliche mechanische Bearbeitung erfolgen und es können auch mehrere Stufen des Umschmelzens nacheinander durchgeführt werden.
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Insbesondere können die verschiedenen Umschmelzschritte mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt werden, sodass beispielsweise unterschiedliche Aufschmelztiefen erreicht werden und durch eine unterschiedliche Abkühlung auch unterschiedliche Korngrößen in den jeweiligen Umschmelztiefen realisiert werden können. Beispielsweise können bei einem Aluminium-Magnesium-Mangan-Werkstoff mit einer durchschnittlichen Korngröße von 100 µm durch einen zweistufigen Umschmelzprozess mit einer Umschmelztiefe von zunächst 3 mm und einer anschließenden Umschmelztiefe von 1 mm in den Umschmelzzonen Korngrößen von 1 bis 10 µm eingestellt werden.
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Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren für jeden geeigneten Werkstoff mit Inhomogenitäten des Werkstoffs an der Oberfläche eingesetzt werden kann, weist das Verfahren insbesondere Vorteile bei metallischen Werkstoffen, wie sie beispielsweise für die Spiegelproduktion bei EUV-Projektionsbelichtungsanlagen eingesetzt werden, Vorteile auf.
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Entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte optische Elemente weisen im Bereich der optisch wirksamen Fläche des optischen Elements im Oberflächenbereich zumindest teilweise eine Mikrostruktur auf, die sich von der Mikrostruktur des das optische Element bildenden Grundkörpers unterscheidet und zwar bei im Wesentlichen gleicher Zusammensetzung oder unabhängig und zusätzlich zu Änderung der chemischen Zusammensetzung, wenn beispielsweise ein Gradientenwerkstoff eingesetzt wird. Entsprechend wird nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung selbstständig und unabhängig von anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung Schutz für optische Elemente beansprucht, die im Oberflächenbereich der optisch wirksamen Fläche eine oder mehrere Zonen mit unterschiedlicher Mikrostruktur gegenüber dem restlichen Grundkörper aufweisen, wobei die Unterschiedlichkeit der Mikrostruktur bei im Wesentlichen gleicher Werkstoffzusammensetzung oder unabhängig und zusätzlich zu Änderungen der chemischen Zusammensetzung vorliegt. Dies heißt beispielsweise im Fall eines Gradientenwerkstoffs, dass zusätzlich zu der Veränderung der Mikrostruktur durch den Gradientenwerkstoff eine überlagerte Änderung der Mikrostruktur im oberflächennahen Bereich im Bereich der optisch wirksamen Fläche eingestellt ist.
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Diese Änderung der Mikrostruktur kann insbesondere bedeuten, dass die Mikrostruktur im Oberflächenbereich im Bereich der optisch wirksamen Fläche feinkörniger und/oder dichter und/oder geschlossener ist als im übrigen Bereich des Grundkörpers.
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Die veränderten, oberflächennahen Mikrostrukturen können im optischen Element in mehreren Zonen vorliegen, die vorzugsweise ausgehend von der optisch wirksamen Fläche schicht- bzw. lagenweise hintereinander in Richtung zum Inneren des optischen Elements angeordnet sind.
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Durch die vorliegende Erfindung werden die oben genannten Probleme bezüglich Inhomogenitäten an Oberflächen von optischen Elementen gelöst, wobei durch die Beibehaltung des gleichen Werkstoffs im Oberflächenbereich wie im restlichen Grundkörper keine Schichthaftungsprobleme auftreten und auch keine wesentlichen Änderungen der physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise des thermischen Ausdehnungskoeffizienten oder dergleichen berücksichtigt werden müssen. Außerdem zeichnet sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch aus, dass nur geringe bzw. reduzierbare Schicht- bzw. Eigenspannungen auftreten und die Umschmelzzone nachträglich in jeder geeigneten Form bearbeitet werden kann, z.B. auch in einem makroskopischen Maßstab durch bekannte Verfahren wie Fräsen, Drehen, Diamantbearbeitung usw. Durch die Vermeidung von Schichten mit unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen kommt es auch zu keinen Kontaminationen und die Oberflächenbearbeitung ist sowohl mechanisch als auch zeitlich stabil und ist in dieser Hinsicht auch vakuumtauglich.
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Darüber hinaus bildet ein entsprechend bearbeiteter Oberflächenbereich auch eine gute Basis für einen weiteren Schichtaufbau mit zusätzlichen Schichten.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die beigefügten Figuren zeigen in rein schematischer Weise in
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1 eine Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Umschmelzen eines Oberflächenbereichs eines optischen Elements;
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2 eine Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäßes optisches Element; und in
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3 eine Schnittdarstellung durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungs gemäßen optischen Elements.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Weitere Vorteile, Kennzeichen und Merkmale der vorliegenden Erfindung werden bei der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Ausführungsbeispiele deutlich werden. Allerdings ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt.
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Die 1 zeigt in einer rein schematischen Prinzipdarstellung die Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung bzw. Bearbeitung von optischen Elementen. In 1 ist ein Grundkörper 1 dargestellt, welcher zu einem Spiegelelement mit einer konkaven Spiegelfläche gefertigt werden soll. Entsprechend weist der Grundkörper 1 bereits eine Fläche 2 auf, die endkonturnah entsprechend der späteren Spiegelfläche ausgebildet ist. Der Grundkörper 1 ist einstückig aus einem Grundwerkstoff 8 gebildet, so dass über den gesamten Grundkörper 1 im Wesentlichen dieselbe chemische Zusammensetzung vorliegt. Dies bedeutet, dass der Grundkörper 1 aus einem einzigen Werkstoff gebildet ist und nicht aus einem Werkstoffverbund oder aus mehreren separaten Teilen. Allerdings kann der Werkstoff selbstverständlich unterschiedliche Phasen, wie Ausscheidungen und dergleichen, aufweisen oder auch durch einen Gradientenwerkstoff gebildet sein, der seine chemische Zusammensetzung kontinuierlich verändert.
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Wie in der 1 dargestellt ist, wird der Oberflächenbereich des Grundkörpers 1 im Bereich der Fläche 2 mit einem Strahl 4 bearbeitet, indem der Strahl 4 in einer Scan-Bewegung über die gesamte Fläche 2 verfahren wird, so dass die gesamte Fläche 2 von dem Strahl 4 bearbeitet wird. Bei dem Strahl 4 kann es sich um eine elektromagnetische oder um eine Elektronenstrahlung mit hoher Energie oder energiereiche Strahlen oder Ströme, wie Plasma- oder Gasströme, oder um einen Lichtbogen handeln. Bei der gezeigten Ausführung der 1 kann der Strahl 4 beispielsweise ein Laserstrahl sein, der von einem Laser 3 ausgesendet wird, wobei der Laserstrahl 4 so manipuliert wird, dass er über die gesamte Fläche 2 verfahren wird.
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Die Laserenergie bewirkt, dass der Grundkörper 1 im Oberflächenbereich an der Fläche 2 aufschmilzt, so dass sich eine Schmelzzone 7 ergibt. Das in der Schmelzzone 7 aufgeschmolzene Material wird sofort wieder erstarrt, wenn der Laserstrahl 4 den entsprechenden Bereich der Fläche 2 verlassen hat, so dass keine Schmelzenergie mehr zur Verfügung gestellt wird. Zusätzlich kann ein Kühlmedium 5 auf den Schmelzbereich 7 einwirken, wie beispielsweise ein Luftstrom, der durch einen Ventilator oder ein Gebläse 6 erzeugt wird. Dadurch kann die Erstarrung des aufgeschmolzenen Materials in der Schmelzzone 7 beschleunigt werden.
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Durch das Aufschmelzen und die anschließende schnelle Erstarrung des Materials im Oberflächenbereich an der Fläche 2 des Grundkörpers 1 wird im Oberflächenbereich ein feines Gefüge mit kleinen Korngrößen erzeugt, welches durch das Auf- bzw. Umschmelzen auch frei von Poren und somit sehr dicht ist.
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Die 2 zeigt einen Querschnitt durch ein entsprechend bearbeitetes optisches Element 10, welches einen Grundwerkstoff 18 aufweist, der durch ein Gefüge mit groben Körnern 19 und Poreneinschlüssen 17 charakterisiert ist. Unterhalb der optischen Spiegelfläche 20 ist eine Umschmelzzone 12 ausgebildet, die ein feinkörniges Gefüge mit kleinen Körnern 11 aufweist, das im Wesentlichen porenfrei ist. Die Umschmelzzone 12 ist durch das Aufschmelzen des oberflächennahen Bereichs unterhalb der Spiegelfläche 20 und schnelles Erstarren der Schmelze entstanden. Die Spiegelfläche 20 ist durch anschließende mechanische Nachbearbeitung, wie Schleifen, Fräsen, Diamantbearbeitung und/oder Läppen und/oder Polieren erzeugt worden.
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Die Bearbeitung des optischen Elements kann basierend auf dem erfindungsgemäßen Verfahren mit unterschiedlichen Abwandlungen und/oder Ergänzungen erfolgen. So kann beispielsweise das in der 1 dargestellte Aufschmelzen und Erstarren, das insgesamt als Umschmelzen bezeichnet werden kann, auch mehrfach durchgeführt werden, wobei bei der wiederholten Durchführung des Umschmelzens die Umschmelzparameter verändert werden können, beispielsweise hinsichtlich einer veränderten Tiefe der Schmelzzone 7 und der Abkühlgeschwindigkeit der Schmelze, so dass mehrere Umschmelzzonen unterhalb der optisch wirksamen Fläche, wie beispielsweise der Spiegelfläche 20, erzeugt werden können. Beispielsweise kann das optische Element 10, wie es in 2 dargestellt ist, einem weiteren Umschmelzschritt unterworfen werden, so dass die Umschmelzzone 12 im Oberflächenbereich teilweise aufgeschmolzen und wieder erstarrt wird, so dass eine zusätzliche dünne zweite Umschmelzzone (nicht dargestellt) unterhalb der Spiegelfläche 20 entsteht. Dies kann mehrfach erfolgen, so dass mehrere Schichten 12, 23, 24 von Umschmelzzonen, wie in 2a dargestellt, entstehen.
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Darüber hinaus ist es möglich, die optisch wirksame Fläche in unterschiedlicher Weise nachzubearbeiten. Wie in 3 dargestellt ist, kann bei einem optischen Element 15 in Form eines Spiegels auf einem Grundwerkstoff 18 mit groben Körnern 19 und Poren 17 eine Umschmelzzone 16 mit einem feinkörnigen Gefüge 11 gemäß der Erfindung ausgebildet sein, wobei auf der Umschmelzzone 16 eine Beschichtung 22 angeordnet ist, die die Spiegelfläche 21 ausbildet. Insbesondere bei der Aufbringung von dünnen Schichten 22 im Bereich der optisch wirksamen Fläche 21 ist die Bearbeitung des oberflächennahen Bereichs gemäß der Erfindung vorteilhaft, da das Gefüge des darunter liegenden Materials auch die Aufbringung einer nachfolgenden Schicht beeinflusst und so sozusagen die Mikrostruktur in der Schicht abbilden kann.
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Obwohl die vorliegende Erfindung anhand der Ausführungsbeispiele detailliert beschrieben worden ist, ist für den Fachmann selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern dass vielmehr Abwandlungen in der Weise möglich sind, dass einzelne Merkmale weggelassen oder andersartige Kombinationen von Merkmalen realisiert werden können, ohne dass der Schutzbereich der beigefügten Ansprüche verlassen wird. Insbesondere umfasst die Offenbarung der vorliegenden Erfindung sämtliche Kombinationen aller vorgestellten Einzelmerkmale.
