DE102016116748A1

DE102016116748A1 - Diffraktives optisches element und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE102016116748A1
Application number: DE102016116748.7A
Authority: DE
Inventors: Roland Enzmann; Hubert Halbritter; Bernd Böhm
Original assignee: Osram Opto Semiconductors GmbH
Current assignee: Ams Osram International GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2018-03-29

Abstract

Ein diffraktives optisches Element umfasst einen Träger, eine an einer Oberseite des Trägers angeordnete erste diffraktive Struktur und eine an einer Unterseite des Trägers angeordnete zweite diffraktive Struktur.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element sowie ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements.
Die Verwendung diffraktiver optischer Elemente zur Strahlformung und zur Abschwächung von Lichtstrahlen ist aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise werden diffraktive optische Elemente verwendet, um Lichtmuster, etwa Punktmuster, zu erzeugen. Diffraktive optische Elemente werden auch eingesetzt, um eine Augensicherheit von Laseranordnungen zu gewährleisten. Es ist bekannt, mehrere als Einzelelemente ausgebildete diffraktive optische Elemente übereinander anzuordnen, um eine gewünschte Lichtformung zu erzielen.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein diffraktives optisches Element bereitzustellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements anzugeben. Diese Aufgaben werden durch ein diffraktives optisches Element und durch ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind verschiedene Weiterbildungen angegeben.
Ein diffraktives optisches Element umfasst einen Träger, eine an einer Oberseite des Trägers angeordnete erste diffraktive Struktur und eine an einer Unterseite des Trägers angeordnete zweite diffraktive Struktur.
Vorteilhafterweise weist dieses diffraktive optische Element damit zwei monolithisch integrierte diffraktive Strukturen auf. Die beiden diffraktiven Strukturen sind dabei im Lichtweg hintereinander angeordnet. Die beiden diffraktiven Strukturen können unterschiedlich strukturiert sein. Dadurch kann das diffraktive optische Element eine präzisere Strahlformung ermöglichen, als dies bei einem diffraktiven optischen Element mit nur einer diffraktiven Struktur der Fall ist. Durch die monolithische Integration der beiden diffraktiven Strukturen kann das diffraktive optische Element sehr robust ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements ist die erste diffraktive Struktur durch eine erste Abdeckschicht bedeckt. Vorteilhafterweise schützt die erste Abdeckschicht die erste diffraktive Struktur vor einer Beschädigung oder einer Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur durch äußere Einwirkungen. Insbesondere kann die erste Abdeckschicht verhindern, dass die Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur des diffraktiven optischen Elements durch sich an der ersten diffraktiven Struktur anlagernde Feuchtigkeit reduziert wird.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist die erste Abdeckschicht Benzocyclobuten (BCB) oder SiO₂ auf. Vorteilhafterweise lässt sich die Abdeckschicht dadurch einfach und kostengünstig über der ersten diffraktiven Struktur anordnen und weist eine hohe Beständigkeit gegenüber Umgebungseinflüssen auf.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist die erste Abdeckschicht einen Brechungsindex auf, der geringer als ein Brechungsindex der ersten diffraktiven Struktur ist. Vorteilhafterweise beeinträchtigt die erste Abdeckschicht die Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur des diffraktiven optischen Elements dadurch nicht oder nur in geringem Maße.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist die erste Abdeckschicht einen Brechungsindex auf, der sich von einem Brechungsindex des Trägers um nicht mehr als 20 % unterscheidet, bevorzugt um nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 %. Vorteilhafterweise beeinträchtigt die erste Abdeckschicht die Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur dieses diffraktiven optischen Elements dadurch nicht oder nur in geringem Maße.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist die erste diffraktive Struktur Si₃N₄, GaN oder TiO₂ auf. Vorteilhafterweise weist die erste diffraktive Struktur dadurch einen hohen Brechungsindex auf. Außerdem ermöglicht eine solche Materialwahl eine einfache und kostengünstige Herstellung der ersten diffraktiven Struktur durch etablierte Halbleiterprozesse.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements weist der Träger ein Glas oder Saphir auf. Vorteilhafterweise weist der Träger dadurch eine hohe Transparenz in für die Herstellung diffraktiver optischer Elemente relevanten Wellenlängenbereichen auf.
In einer Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements ist die zweite diffraktive Struktur durch eine zweite Abdeckschicht bedeckt. Vorteilhafterweise kann die zweite Abdeckschicht die zweite diffraktive Struktur dieses diffraktiven optischen Elements vor äußeren Einwirkungen schützen. Beispielsweise kann die zweite Abdeckschicht einem Schutz der zweiten diffraktiven Struktur vor Kratzern, kondensierender Feuchtigkeit oder Lösungsmitteln dienen. Dadurch kann die zweite Abdeckschicht vorteilhafterweise eine Verschlechterung der Funktionsfähigkeit der zweiten diffraktiven Struktur des diffraktiven optischen Elements verhindern.
Ein Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements umfasst Schritte zum Bereitstellen eines Trägers, zum Ausbilden einer ersten diffraktiven Struktur an einer Oberseite des Trägers und zum Ausbilden einer zweiten diffraktiven Struktur an einer Unterseite des Trägers.
Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine Herstellung eines diffraktiven optischen Elements mit zwei monolithisch integrierten diffraktiven Strukturen. Die beiden diffraktiven Strukturen des durch das Verfahren erhältlichen diffraktiven optischen Elements sind dabei seriell hintereinander im Lichtweg des diffraktiven optischen Elements angeordnet und können unterschiedlich strukturiert sein. Dadurch kann das durch das Verfahren erhältliche diffraktive optische Element eine bessere Lichtformung ermöglichen, als dies bei einem diffraktiven optischen Element mit nur einer diffraktiven Struktur der Fall ist. Durch die monolithische Integration ist das durch das Verfahren erhältliche diffraktive optische Element vorteilhafterweise robust und unempfindlich gegenüber äußeren Einwirkungen ausgebildet. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass sich das Herstellungsverfahren kostengünstig durchführen lässt.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst dieses einen weiteren Schritt zum Bedecken der ersten diffraktiven Struktur mit einer ersten Abdeckschicht. Diese Abdeckschicht kann die erste diffraktive Struktur des durch das Verfahren erhältlichen optischen Elements vor einer Beeinträchtigung seiner Funktionsfähigkeit durch äußere Einwirkungen schützen. Beispielsweise kann die erste Abdeckschicht die erste diffraktive Struktur vor kondensierender Feuchtigkeit, vor Lösungsmitteln oder vor Kratzern schützen. Das Bedecken der ersten diffraktiven Struktur mit der ersten Abdeckschicht kann beispielsweise durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern) oder durch Aufschleudern erfolgen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Ausbilden der ersten diffraktiven Struktur Schritte zum Anordnen einer Schicht eines ersten Materials an der Oberseite des Trägers und zum Strukturieren der Schicht, um Öffnungen in der Schicht auszubilden. Vorteilhafterweise ermöglicht dieses Verfahren eine präzise Gestaltung der ersten diffraktiven Struktur. Dabei kann das Verfahren etablierte und kostengünstige Halbleiterprozesse nutzen.
In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt das Strukturieren durch ein Ätzverfahren, bevorzugt durch ein trockenchemisches Ätzverfahren. Vorteilhafterweise ist das Verfahren dadurch kostengünstig und mit hoher Reproduzierbarkeit durchführbar.
In einer Ausführungsform des Verfahrens umfasst das Anordnen der ersten diffraktiven Struktur ein Aufwachsen von Microrods auf die Oberseite des Trägers. Vorteilhafterweise ermöglicht das Verfahren auch in dieser Variante eine einfache, kostengünstige und gut reproduzierbare Herstellung der ersten diffraktiven Struktur.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Dabei zeigen in jeweils schematischer Darstellung
1 eine geschnittene Seitenansicht eines Trägers mit einer über einer Oberseite angeordneten ersten Schicht;
2 den Träger mit einer durch Strukturieren der ersten Schicht gebildeten ersten diffraktiven Struktur;
3 den Träger und die erste diffraktive Struktur nach einem Bedecken der ersten diffraktiven Struktur mit einer ersten Abdeckschicht; und
4 ein durch Anordnen einer zweiten diffraktiven Struktur an einer Unterseite des Trägers und Bedecken der zweiten diffraktiven Struktur mit einer zweiten Abdeckschicht gebildetes diffraktives optisches Element.
1 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht eines zur Herstellung eines diffraktiven optischen Elements vorgesehenen Trägers 100. Der Träger 100 kann auch als Substrat bezeichnet werden.
Der Träger 100 ist als flache Scheibe mit einer planen Oberseite 101 und einer planen Unterseite 102 ausgebildet, die der Oberseite 101 gegenüberliegt. Der Träger 100 kann beispielsweise eine rechteckige Form oder eine Kreisscheibenform aufweisen.
Der Träger 100 weist ein Material auf, das für elektromagnetische Strahlung zumindest einiger Wellenlängenbereiche eine hohe Transparenz aufweist. Beispielsweise kann das Material des Trägers 100 im infraroten und/oder im sichtbaren Spektralbereich transparent sein. Der Träger 100 kann beispielsweise Saphir oder ein Glas aufweisen.
An der Oberseite 101 des Trägers 100 ist eine erste Schicht 210 eines ersten Materials 220 angeordnet worden. Im in 1 gezeigten Beispiel grenzt die erste Schicht 210 unmittelbar an die Oberseite 101 des Trägers 100 an. Es ist aber ebenfalls möglich, zwischen der Oberseite 101 des Trägers 100 und der ersten Schicht 210 weitere Schichten vorzusehen.
Die erste Schicht 210 kann beispielsweise durch ein Abscheideverfahren an der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordnet worden sein. Beispielsweise kann das Anordnen der ersten Schicht 210 an der Oberseite 101 des Trägers 100 durch ein Aufwachsverfahren, durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern), durch ein Aufdampfverfahren oder durch ein anderes Abscheideverfahren erfolgt sein.
Das erste Material 220 der ersten Schicht 210 weist einen Brechungsindex auf, der größer ist als ein Brechungsindex des Trägers 100. Das erste Material 220 der ersten Schicht 210 kann beispielsweise in dem Wellenbereich des elektromagnetischen Spektrums, für den das herzustellende diffraktive optische Element vorgesehen ist, einen Brechungsindex von 2,5 oder mehr aufweisen. Das erste Material 220 der ersten Schicht 210 kann beispielsweise Si₃N₄, GaN oder TiO₂ aufweisen.
2 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 und der über der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten ersten Schicht 210 in einem der Darstellung der 1 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
Die erste Schicht 210 ist strukturiert worden. Dabei sind erste Öffnungen 230 in der ersten Schicht 210 angelegt worden, die sich durch die erste Schicht 210 bis zur Oberseite 101 des Trägers 100 erstrecken. Zwischen den in der ersten Schicht 210 angelegten ersten Öffnungen 230 sind Abschnitte des ersten Materials 220 der ersten Schicht 210 verblieben.
Das Anlegen der ersten Öffnungen 230 kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren erfolgt sein, insbesondere beispielsweise durch ein trockenchemisches Ätzverfahren. Hierzu kann zuvor eine Maske über der ersten Schicht 210 angeordnet worden sein, deren Öffnungen die Positionen der in der ersten Schicht 210 angelegten ersten Öffnungen 230 festgelegt haben. Nach dem Anlegen der ersten Öffnungen 230 kann die Maske wieder entfernt worden sein.
Die strukturierte erste Schicht 210 bildet eine erste diffraktive Struktur 200. Die erste diffraktive Struktur 200 ist dazu ausgebildet, elektromagnetische Strahlung, beispielsweise sichtbares Licht oder Licht mit einer Wellenlänge aus dem infraroten Spektralbereich, das in zur Oberseite 101 des Trägers 100 senkrechte Richtung durch den Träger 100 und durch die erste diffraktive Struktur 200 läuft, durch Lichtbeugung zu formen. Die erste diffraktive Struktur 200 kann beispielsweise dazu vorgesehen sein, ein Lichtmuster, etwa ein Punktmuster, zu erzeugen.
3 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 und der über der Oberseite 101 des Trägers 100 ausgebildeten ersten diffraktiven Struktur 200 in einem der Darstellung der 2 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
Die erste diffraktive Struktur 200 über der Oberseite 101 des Trägers 100 ist mit einer ersten Abdeckschicht 400 bedeckt worden. Die erste Abdeckschicht 400 ist dazu vorgesehen, die erste diffraktive Struktur 200 vor Umgebungseinflüssen zu schützen. Die erste Abdeckschicht 400 kann beispielsweise verhindern, dass sich kondensierende Feuchtigkeit an der ersten diffraktiven Struktur 200 anlagert und die Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur 200 beeinträchtigt. Die erste Abdeckschicht 400 kann die erste diffraktive Struktur 200 auch vor mechanischen Beschädigungen, beispielsweise vor Kratzern, schützen.
Die erste Abdeckschicht 400 kann beispielsweise Benzocyclobuten (BCB) oder SiO₂ aufweisen.
Die erste Abdeckschicht 400 weist einen Brechungsindex auf, der geringer ist als der Brechungsindex der ersten diffraktiven Struktur 200. Dadurch beeinträchtigt die erste Abdeckschicht 400 die Funktionsfähigkeit der ersten diffraktiven Struktur 200 nicht oder nur in geringem Maße.
Es ist zweckmäßig, wenn der Brechungsindex der ersten Abdeckschicht 400 einen ähnlichen Wert aufweist wie der Brechungsindex des Trägers 100. Der Brechungsindex der ersten Abdeckschicht 400 und der Brechungsindex des Trägers 100 können sich beispielsweise um nicht mehr als 5 %, um nicht mehr als 10 % oder um nicht mehr als 20 % unterscheiden.
Das Aufbringen der ersten Abdeckschicht 400 kann beispielsweise durch Aufschleudern des Materials der ersten Abdeckschicht 400 oder durch ein Kathodenzerstäubungsverfahren (Sputtern) erfolgt sein.
Ein alternatives Verfahren zum Ausbilden der ersten diffraktiven Struktur 200 an der Oberseite 101 des Trägers 100 sieht ein Aufwachsen von Microrods auf die Oberseite 101 des Trägers 100 vor. Microrods sind mikrometerskalige Pfostenstrukturen, die durch epitaktisches Wachstum mit hohem Aspektverhältnis hergestellt werden können. Vor dem Aufwachsen der Microrods kann eine Maske an der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordnet werden, deren Öffnungen die Positionen der aufzuwachsenden Microrods festlegen.
Die durch Aufwachsen von Microrods ausgebildete erste diffraktive Struktur 200 an der Oberseite 101 des Trägers 100 kann anschließend ebenfalls durch die erste Abdeckschicht 400 bedeckt werden. Die erste Abdeckschicht 400 kann in diesem Fall beispielsweise auch durch Überwachsen der ersten diffraktiven Struktur 200 ausgebildet werden.
4 zeigt eine schematische geschnittene Seitenansicht des Trägers 100 und der an der Oberseite 101 des Trägers 100 angeordneten ersten diffraktiven Struktur 200 in einem der Darstellung der 3 zeitlich nachfolgenden Bearbeitungsstand.
An der der Oberseite 101 des Trägers 100 gegenüberliegenden Unterseite 102 des Trägers 100 ist eine zweite diffraktive Struktur 300 ausgebildet worden. Das Ausbilden der zweiten diffraktiven Struktur 300 kann durch ein Verfahren erfolgt sein, das einem der oben beschriebenen Verfahren zum Ausbilden der ersten diffraktiven Struktur 200 entspricht. Insbesondere kann die zweite diffraktive Struktur 300 durch dasselbe Verfahren ausgebildet worden sein wie die erste diffraktive Struktur 200.
So kann zunächst eine zweite Schicht 310 eines zweiten Materials 320 an der Unterseite 102 des Trägers 100 angeordnet worden sein. Das zweite Material 320 kann dabei beispielsweise dem ersten Material 220 der ersten Schicht 210 entsprechen. Anschließend kann die zweite Schicht 310 strukturiert worden sein, um zweite Öffnungen 330 in der zweiten Schicht 310 auszubilden, die sich durch die zweite Schicht 310 bis zur Unterseite 102 des Trägers 100 erstrecken. Das Strukturieren der zweiten Schicht 310 kann beispielsweise durch ein Ätzverfahren erfolgt sein, insbesondere beispielsweise durch ein trockenchemisches Ätzverfahren. Die strukturierte zweite Schicht 310 bildet die zweite diffraktive Struktur 300 an der Unterseite 102 des Trägers 100.
Anschließend wurde auch die zweite diffraktive Struktur 300 durch eine zweite Abdeckschicht 500 bedeckt. Die zweite Abdeckschicht 500 kann ausgebildet sein wie die erste Abdeckschicht 400 und durch dasselbe Verfahren aufgebracht worden sein wie die erste Abdeckschicht 400.
Der Träger 100 mit der an der Oberseite 101 angeordneten ersten diffraktiven Struktur 200 und der an der Unterseite 102 angeordneten zweiten diffraktiven Struktur 300 bildet ein diffraktives optisches Element 10. Das diffraktive optische Element 10 kann beispielsweise dazu dienen, Licht, beispielsweise sichtbares Licht oder Licht mit einer Wellenlänge aus dem infraroten Spektralbereich, zu formen. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element 10 dazu vorgesehen sein, ein Lichtmuster, beispielsweise ein Punktmuster, zu erzeugen. Die erste diffraktive Struktur 200 und die zweite diffraktive Struktur 300 des diffraktiven optischen Elements 10 formen das durch das diffraktive optische Element 10 hindurchtretende Licht dabei nacheinander.
In einer vereinfachten Ausführungsform des diffraktiven optischen Elements 10 kann auf die die erste diffraktive Struktur 200 bedeckende erste Abdeckschicht 400 und/oder auf die die zweite diffraktive Struktur 300 bedeckende zweite Abdeckschicht 500 verzichtet werden.
Die Erfindung wurde anhand der bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben. Dennoch ist die Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele eingeschränkt.
Vielmehr können hieraus andere Variationen vom Fachmann abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

10: diffraktives optisches Element
100: Träger
101: Oberseite
102: Unterseite
200: erste diffraktive Struktur
210: erste Schicht
220: erstes Material
230: erste Öffnung
300: zweite diffraktive Struktur
310: zweite Schicht
320: zweites Material
330: zweite Öffnung
400: erste Abdeckschicht
500: zweite Abdeckschicht

Claims

Diffraktives optisches Element (10) mit einem Träger (100), einer an einer Oberseite (101) des Trägers (100) angeordneten ersten diffraktiven Struktur (200) und einer an einer Unterseite (102) des Trägers (100) angeordneten zweiten diffraktiven Struktur (300).
Diffraktives optisches Element (10) gemäß Anspruch 1, wobei die erste diffraktive Struktur (200) durch eine erste Abdeckschicht (400) bedeckt ist.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß Anspruch 2, wobei die erste Abdeckschicht (400) Benzocyclobuten oder SiO₂ aufweist.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der Ansprüche 2 und 3, wobei die erste Abdeckschicht (400) einen Brechungsindex aufweist, der geringer als ein Brechungsindex der ersten diffraktiven Struktur (200) ist.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Abdeckschicht (400) einen Brechungsindex aufweist, der sich von einem Brechungsindex des Trägers (100) um nicht mehr als 20 % unterscheidet, bevorzugt um nicht mehr als 10 %, bevorzugt um nicht mehr als 5 %.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste diffraktive Struktur (200) Si₃N₄, GaN oder TiO₂ aufweist.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Träger (100) ein Glas oder Saphir aufweist.
Diffraktives optisches Element (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite diffraktive Struktur (300) durch eine zweite Abdeckschicht (500) bedeckt ist.
Verfahren zum Herstellen eines diffraktiven optischen Elements (10) mit den folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Trägers (100); – Ausbilden einer ersten diffraktiven Struktur (200) an einer Oberseite (101) des Trägers (100); – Ausbilden einer zweiten diffraktiven Struktur (300) an einer Unterseite (102) des Trägers (100).
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst: – Bedecken der ersten diffraktiven Struktur (200) mit einer ersten Abdeckschicht (400).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 und 10, wobei das Verfahren den folgenden weiteren Schritt umfasst: – Bedecken der zweiten diffraktiven Struktur (300) mit einer zweiten Abdeckschicht (500).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Ausbilden der ersten diffraktiven Struktur (200) die folgenden Schritte umfasst: – Anordnen einer Schicht (210) eines ersten Materials (220) an der Oberseite (101) des Trägers (100); – Strukturieren der Schicht (210), um Öffnungen (230) in der Schicht (210) auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Strukturieren durch ein Ätzverfahren erfolgt, bevorzugt durch ein trockenchemisches Ätzverfahren.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei das Anordnen der ersten diffraktiven Struktur (200) ein Aufwachsen von Microrods auf die Oberseite (101) des Trägers (100) umfasst.