DE102019111684A1

DE102019111684A1 - Process for smoothing surfaces

Info

Publication number: DE102019111684A1
Application number: DE102019111684.8A
Authority: DE
Inventors: Jens Bauer; Melanie Ulitschka; Thomas Arnold; Frank Frost
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2019-05-06
Publication date: 2020-11-12

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten von Oberflächen (12), mit dem Oberflächen (12) besser als bisher und zudem in einem Direktbearbeitungsverfahren geglättet werden können. Vor allem Oberflächen (12) von metallischen, insbesondere auf Aluminium basierenden Optiken (10) können besser geglättet werden als bisher. Dabei bleiben die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient) solchermaßen geglätteter Oberflächen (24) im Wesentlichen unverändert. Außerdem weisen die geglätteten Oberflächen (24) eine hohe Längzeitstabilität hinsichtlich ihrer geometrischen und/oder optischen Eigenschaften auf.The present invention relates to a method for smoothing surfaces (12) with which surfaces (12) can be smoothed better than before and also in a direct machining process. In particular, surfaces (12) of metallic optics (10), particularly those based on aluminum, can be smoothed better than before. The optical properties (refractive index and absorption coefficient) of surfaces (24) smoothed in this way remain essentially unchanged. In addition, the smoothed surfaces (24) have a high long-term stability with regard to their geometric and / or optical properties.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten von Oberflächen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.The present invention relates to a method for smoothing surfaces according to the preamble of claim 1.

Die Glättung von Oberflächen findet als Finishing-Prozess für zahlreiche Produkte Anwendung. Vor allem bei optischen Anwendungen sind hinreichend glatte Oberflächen erforderlich. Je geringer die Wellenlänge des auf die Oberfläche auftreffenden Lichtes ist, desto entscheidender ist es, Oberflächenrauheiten im Bereich 10^-3 1/µm bis 35 1/µm zu vermeiden. Vor allem Welligkeiten können hier zu beugungsgitterartigen Strukturen führen, die sich nachteilig auf die optischen Eigenschaften der Oberfläche auswirken.The smoothing of surfaces is used as a finishing process for numerous products. Sufficiently smooth surfaces are required, especially in optical applications. The lower the wavelength of the light hitting the surface, the more important it is to avoid surface roughness in the range of 10 ^-3 1 / µm to 35 1 / µm. Waviness in particular can lead to diffraction grating-like structures here, which have a negative effect on the optical properties of the surface.

Ein großes Anwendungsfeld, insbesondere im Bereich der Herstellung integrierter, abbildender Spiegeloptiken, haben Oberflächen von optischen Elementen aus Aluminium. Diese Oberflächen werden zumeist mechanisch, beispielsweise mittels Diamantdrehen erzeugt. Dabei entstehen allerdings kleinste Riefen, die zu Oberflächenrauheiten und Welligkeiten führen.Surfaces of optical elements made of aluminum have a large field of application, especially in the area of the production of integrated, imaging mirror optics. These surfaces are mostly generated mechanically, for example by means of diamond turning. However, this creates very small grooves that lead to surface roughness and waviness.

Eine reine mechanische Politur ist bei solchen Aluminium-Oberflächen nicht möglich, weil das Aluminium polykristallin vorliegt und (chemisch unterstützte) mechanische Polituren zu einer Vergrößerung der Rauheit und Welligkeiten führen würden.Pure mechanical polishing is not possible with such aluminum surfaces because the aluminum is polycrystalline and (chemically assisted) mechanical polishing would lead to an increase in roughness and waviness.

Um diese Oberflächen dennoch zu glätten, ist schon bekannt, die Oberfläche durch nasschemische Beschichtung zu glätten. Beispielsweise wird eine amorphe Nickel-Phosphor-Beschichtung aufgebracht, wobei der Phosphorgehalt auf etwa 5 at% eingestellt ist, so dass in einem nachfolgenden Temperschritt eine vollständige Relaxation der kompressiven Schichtverspannung gegenüber dem Aluminium-Volumenmaterial erfolgt sowie Schichthärte und Schichthaftung erhöht werden.In order to smooth these surfaces nonetheless, it is already known to smooth the surface by wet chemical coating. For example, an amorphous nickel-phosphorus coating is applied, the phosphorus content being set to about 5 at%, so that in a subsequent tempering step there is complete relaxation of the compressive layer tension compared to the bulk aluminum material and layer hardness and layer adhesion are increased.

Nachteilig daran ist, dass der nasschemische Beschichtungsschritt und der anschließende Temperschritt aufwändige Zusatzschritte sind, um eine hinreichende Polierbarkeit der optischen Oberfläche für Anwendungen im sichtbaren und UV-Spektralbereich zu ermöglichen. Der Reflexionsgrad für Nickel-Phosphor liegt deutlich unter dem von Aluminium, so dass häufig eine nachträgliche Metallisierung erforderlich ist. Solche erzeugten Spiegeloptiken werden z.B. für die Anwendung in der Laser-Technik oder Belichtungstechnik sowie im Astronomiebereich eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Oberflächengüte, d.h. Formtreue und geringe Rauheit, und hinsichtlich thermischer Last an die Optik gestellt werden. Die Nickel-Phosphor-Beschichtung führt hierbei zu einer Deformation der optischen Oberfläche aufgrund des Bi-Metalleffekts und kann unter Dauerlast verspröden und abplatzen.The disadvantage here is that the wet chemical coating step and the subsequent tempering step are complex additional steps in order to enable the optical surface to be sufficiently polished for applications in the visible and UV spectral range. The degree of reflection for nickel-phosphorus is significantly below that of aluminum, so that subsequent metallization is often necessary. Such generated mirror optics are e.g. for use in laser technology or exposure technology as well as in astronomy, where there are high demands on the surface quality, i.e. Shape accuracy and low roughness, and with regard to thermal load on the optics. The nickel-phosphorus coating leads to a deformation of the optical surface due to the bi-metal effect and can become brittle and flake off under constant load.

Man kann auch mit einer beispielsweise aufgesputterten amorphen Siliziumbeschichtung anstelle der Nickel-Phosphor-Beschichtung arbeiten. Allerdings besteht auch hier zwischen Silizium und Aluminium eine hohe thermische Fehlanpassung, so dass es ebenfalls zu einer Deformation der optischen Oberfläche aufgrund des Bi-Metalleffekts kommen kann und die Silizum-Beschichtung unter Dauerlast verspröden und abplatzen kann.You can also work with an amorphous silicon coating, for example sputtered on, instead of the nickel-phosphorus coating. However, there is also a high thermal mismatch between silicon and aluminum here, so that the optical surface can also be deformed due to the bimetal effect and the silicon coating can become brittle and flake off under permanent load.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Glättung von Oberflächen bereitzustellen, das zumindest einen der vorgenannten Nachteile beseitigt. Bevorzugt soll das Verfahren Oberflächen von metallischen, insbesondere auf Aluminium basierenden Optiken besser glätten als bisher. Vorzugsweise sollen die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient) solchermaßen geglätteter Oberflächen im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung sein. Insbesondere sollen die erzeugten Oberflächen eine hohe Langzeitstabilität hinsichtlich ihrer geometrischen und/oder optischen Eigenschaften aufweisen.The object of the present invention is therefore to provide a method for smoothing surfaces that eliminates at least one of the aforementioned disadvantages. The method is preferably intended to smooth surfaces of metallic optics, in particular those based on aluminum, better than before. The optical properties (refractive index and absorption coefficient) of surfaces smoothed in this way should preferably be essentially without impairment. In particular, the surfaces produced should have a high long-term stability with regard to their geometric and / or optical properties.

Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.This object is achieved with the method according to the invention according to claim 1. Advantageous developments are specified in the dependent subclaims and the description.

Erfinderseits wurde erkannt, dass die gestellte Aufgabe in überraschender Art und Weise unter Kombination zweier unterschiedlicher lonenstrahlätzprozesse gelöst werden kann. Dazu wird eine Opferschicht auf die Oberfläche aufgebracht und diese Opferschicht wird in einem lonenstrahl-Ätzschritt abgetragen. Während dieser erste Ätzprozess zumeist nur zu Verbesserungen der Oberflächenrauheit und Welligkeit <2,0 1/µm führt, kann durch einen zweiten Ätzprozess ggf. im Rahmen einer lonenstrahl-Direktglättung („Direktglättung“ liegt vor, wenn die Opferschicht schon im ersten lonenstrahl-Ätzschritt im Wesentlichen abgetragen wurde und somit im zweiten Ätzschritt eine direkte Wechselwirkung zwischen der ursprünglichen Oberfläche und dem lonenstrahl erfolgt) zusätzlich die Oberflächen-Mikrorauheit >2,0 1/µm reduziert werden. Die Opferschicht ist dabei hinsichtlich ihrer Ätzrate im ersten Ätzprozess an die Ätzrate des Oberflächenmaterials bevorzugt so angepasst, dass unter den gewählten Ätzparametern im ersten Ätzprozess ein formerhaltender Übertrag der Form der Oberfläche erfolgt.On the part of the invention, it was recognized that the problem posed can be achieved in a surprising manner by combining two different ion beam etching processes. For this purpose, a sacrificial layer is applied to the surface and this sacrificial layer is removed in an ion beam etching step. While this first etching process mostly only leads to improvements in the surface roughness and waviness <2.0 1 / µm, a second etching process, if necessary within the scope of a direct ion beam smoothing ("direct smoothing" is present if the sacrificial layer is already in the first ion beam etching step was essentially removed and thus a direct interaction between the original surface and the ion beam takes place in the second etching step), the surface microroughness> 2.0 1 / μm can also be reduced. The sacrificial layer is with regard to their etching rate in the first etching process, preferably adapted to the etching rate of the surface material in such a way that a shape-preserving transfer of the shape of the surface takes place under the selected etching parameters in the first etching process.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Glätten von Oberflächen, zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Oberfläche eine Opferschicht aufgebracht wird und die mit der Opferschicht beschichte Oberfläche mittels Ionenstrahlätzen behandelt wird, wobei im Rahmen des lonenstrahlätzens zumindest zwei unterschiedliche Ätzschritte verwendet werden.The method according to the invention for smoothing surfaces is characterized in that a sacrificial layer is applied to the surface and the surface coated with the sacrificial layer is treated by means of ion beam etching, with at least two different etching steps being used in the context of ion beam etching.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein erster Ätzschritt besteht, bei dem Stickstoffionen und/oder Fluorionen verwendet werden. Die Fluorionen können beispielsweise über Fluor-haltige Verbindungen (z.B. Trifluormethan, Tetrafluormethan, Stickstofftrifluorid) bereitgestellt werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Sauerstoffionen und/oder Inertgasionen (beispielsweise atomare Edelgasionen oder Edelgas-Clusterionen (z.B. Argon, Neon)) eingesetzt werden, wodurch sich gegebenenfalls Oxide bilden. Dadurch wird eine Oberflächenschicht umfassend Nitrid und/oder Fluorid und ggf. Oxid in situ gebildet, die eine sehr gute Glättung gestattet. Dies liegt daran, dass durch die starke ionar-kovalente chemische Bindung (Phillips-Ionizität ca. 0,44 bei Nitrid) die Oberflächendiffusion wirksam gehemmt wird. Außerdem werden Inhomogenitäten in der Gefügematrix (beispielsweise eine polykristalline Kornstruktur mit heterogener Zusammensetzung bei Aluminium) durch die an der Oberfläche gebildete Oberflächenschicht passiviert. Die Oberflächenschicht agiert somit als dynamische fortschreitende Ätzfront, wobei die Oberflächenstruktur durch die chemische Bindungsbildung und die Passivierungseigenschaft weitestgehend erhalten bleibt.In an advantageous development it is provided that there is at least a first etching step in which nitrogen ions and / or fluorine ions are used. The fluorine ions can be provided, for example, via fluorine-containing compounds (e.g. trifluoromethane, tetrafluoromethane, nitrogen trifluoride). In addition, it can be provided that oxygen ions and / or inert gas ions (for example atomic noble gas ions or noble gas cluster ions (e.g. argon, neon)) are used, whereby oxides may form. As a result, a surface layer comprising nitride and / or fluoride and possibly oxide is formed in situ, which allows very good smoothing. This is because the strong ionic-covalent chemical bond (Phillips ionicity approx. 0.44 for nitride) effectively inhibits surface diffusion. In addition, inhomogeneities in the microstructure matrix (for example a polycrystalline grain structure with a heterogeneous composition in the case of aluminum) are passivated by the surface layer formed on the surface. The surface layer thus acts as a dynamic, progressive etching front, with the surface structure being largely retained through the formation of chemical bonds and the passivation property.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass eine Oberflächenschicht mit einer Dicke mit zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm erzeugt wird. Dadurch wird eine besonders gute Ätzfront ausgebildet.In an advantageous development it is provided that a surface layer with a thickness of at least 10 nm, preferably at least 12 nm, in particular at least 15 nm, is produced. A particularly good etching front is thereby formed.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferschicht durch den ersten Ätzschritt vollständig abgetragen wird. „Abgetragen“ umfasst in diesem Zusammenhang auch die vollständige chemische Umsetzung der Opferschicht in eine neue Schicht. Dadurch können negative Beeinflussungen der optischen Eigenschaften des Materials durch die Opferschicht vermieden werden.In an advantageous development it is provided that the sacrificial layer is completely removed by the first etching step. In this context, “removed” also includes the complete chemical conversion of the sacrificial layer into a new layer. In this way, negative influences on the optical properties of the material by the sacrificial layer can be avoided.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen im ersten Ätzschritt eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus zumindest 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen. Dadurch bildet sich eine besonders homogene Oberflächenschicht mit einer relativ großen Schichtdicke. „Energie je atomarer Bestandteil“ meint hierbei, dass mehratomare Ionen, wie CF4-lonen, oder Clusterionen eine Gesamtenergie aufweisen, die der Energie der Summe der atomaren Bestandteile (hier bei CF4 ein Kohlenstoffatom und 4 Fluoratome) entspricht. Wenn das CF4-lon somit eine Energie von 2000 eV aufweist, besitzen die einzelnen atomaren Bestandteile eine Energie von 400 eV. Clusterionen wiederum besitzen 100 bis zu einigen 1000 atomaren Bestandteilen.In an advantageous development, it is provided that the ions in the first etching step have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at least 800 eV, preferably at least 1000 eV, most preferably at least 1200 eV, in particular at least 1500 eV and beyond at least 5000 eV each have an atomic component. This forms a particularly homogeneous surface layer with a relatively large layer thickness. “Energy per atomic component” means that polyatomic ions such as CF4 ions or cluster ions have a total energy that corresponds to the energy of the sum of the atomic components (here with CF4 one carbon atom and 4 fluorine atoms). If the CF4 ion thus has an energy of 2000 eV, the individual atomic components have an energy of 400 eV. Cluster ions in turn have 100 to a few 1000 atomic components.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest zweimal mit einer Opferschicht beschichtet und nach der jeweiligen Beschichtung mit der Opferschicht mit dem ersten Ätzschritt behandelt wird. Dadurch kann die Welligkeit noch weiter reduziert werden. Die beiden ersten Ätzschritte, die zum Abtrag der jeweiligen Opferschicht verwendet werden, können sich auch voneinander unterscheiden, wobei beispielsweise die Energien, die Geometrie der lonenstrahlen, die Einstrahlwinkel auf die Oberfläche und/oder die verwendeten Ionen unterschiedlich sein können. Auch die Opferschichten können sich voneinander in ihrer chemischen Zusammensetzungen und/oder Dicke unterscheiden. Dadurch kann eine besonders gute Anpassung erfolgen.In an advantageous development it is provided that the surface is coated at least twice with a sacrificial layer and, after the respective coating with the sacrificial layer, is treated with the first etching step. This allows the waviness to be reduced even further. The first two etching steps, which are used to remove the respective sacrificial layer, can also differ from one another, wherein, for example, the energies, the geometry of the ion beams, the angles of incidence on the surface and / or the ions used can be different. The sacrificial layers can also differ from one another in terms of their chemical composition and / or thickness. A particularly good adaptation can thereby take place.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein zweiter Ätzschritt besteht, bei dem Inertgas-Ionen, Fluorionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wobei der zweite Ätzschritt bevorzugt nach ein oder mehreren Zyklen der Beschichtung mit der Opferschicht und des anschließenden ersten Ätzschrittes erfolgt. Dadurch wird die Oberflächenschicht nach dem ersten Ätzschritt wirksam entfernt und die Mikrorauheit kann weiter reduziert werden, wodurch die Oberfläche nahezu unveränderte optische Eigenschaften im Vergleich zu einer unbehandelten Aluminiumoberfläche mit natürlichem Oxid aufweist. Vor allem beim Einsatz von Sauerstoff wird die Oberflächenschicht mit darin möglicherweise noch enthaltenen Bestandteilen der Opferschicht wirksam entfernt.In an advantageous development it is provided that there is at least one second etching step in which inert gas ions, fluorine ions and / or oxygen ions are used, the second etching step preferably taking place after one or more cycles of coating with the sacrificial layer and the subsequent first etching step. As a result, the surface layer is effectively removed after the first etching step and the micro-roughness can be further reduced, whereby the surface has almost unchanged optical properties compared to an untreated aluminum surface with natural oxide. Especially when using oxygen, the surface layer with any constituents of the sacrificial layer that may still be contained therein is effectively removed.

Die Fluorionen können wiederum beispielsweise über Fluor-haltige Verbindungen (z.B. Trifluormethan, Tetrafluormethan, Stickstofftrifluorid) bereitgestellt werden. Als Inertgasionen können wiederum atomare Edelgasionen oder Edelgas-Clusterionen (z.B. Argon, Neon) verwendet werden.The fluorine ions can in turn be provided, for example, via fluorine-containing compounds (for example trifluoromethane, tetrafluoromethane, nitrogen trifluoride). Atomic noble gas ions or noble gas cluster ions (eg argon, neon) can in turn be used as inert gas ions.

Für den Fall der Ausbildung einer Nitrid-Oberflächenschicht nach dem ersten Ätzschritt können in dem zweiten Ätzschritt Inertgas-Ionen, Fluorionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wodurch die Nitridschicht wirksam entfernt und die Mikrorauheit weiter reduziert werden können.In the case of the formation of a nitride surface layer after the first etching step, inert gas ions, fluorine ions and / or oxygen ions can be used in the second etching step, whereby the nitride layer can be effectively removed and the microroughness can be further reduced.

Wenn im Rahmen des ersten Ätzschrittes eine Fluorid-Oberflächenschicht ausgebildet wird, dann können in dem zweiten Ätzschritt Inertgas-Ionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wodurch die Fluoridschicht wirksam entfernt und die Mikrorauheit weiter reduziert werden können.If a fluoride surface layer is formed in the course of the first etching step, then inert gas ions and / or oxygen ions can be used in the second etching step, whereby the fluoride layer can be effectively removed and the micro-roughness can be further reduced.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Ätzschritt so ausgeführt wird, dass die Oberfläche eine Oberflächenschicht umfassend Oxid und/oder Fluorid mit zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm Schichtdicke aufweist. Während bei normalem Kontakt einer Oberfläche mit Sauerstoff sich eine natürliche Oxidschicht mit ca. 5 nm Dicke ausbildet, wird hier eine größere Dicke bevorzugt, weil damit die Langzeitstabilität der Oberfläche, insbesondere bei Anwendungen mit thermischer Last, verbessert wird. Bei Verwendung von reinem Inertgas (beispielsweise Edelgas) als Prozessgas im zweiten Ätzschritt entsteht hingegen eine Aluminiumoberfläche ohne Oberflächenschicht, wobei durch nachträglichen Kontakt mit Luft sich instantan eine natürliche Oxidschicht ausbilden wird.In an advantageous development it is provided that the second etching step is carried out in such a way that the surface has a surface layer comprising oxide and / or fluoride with at least 10 nm, preferably at least 12 nm, in particular at least 15 nm layer thickness. While a natural oxide layer with a thickness of approx. 5 nm forms during normal contact of a surface with oxygen, a greater thickness is preferred here because it improves the long-term stability of the surface, especially in applications with thermal loads. When using pure inert gas (for example noble gas) as the process gas in the second etching step, on the other hand, an aluminum surface without a surface layer is created, with a natural oxide layer being formed instantaneously through subsequent contact with air.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen im zweiten Ätzschritt eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus zumindest 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen. Insbesondere bei Verwendung von Inertgas (beispielsweise Edelgas) als Prozessgas wird die Nitrid- und/oder Fluoridschicht dabei besonders schonend abgetragen.In an advantageous development, it is provided that the ions in the second etching step have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at least 800 eV, preferably at least 1000 eV, most preferably at least 1200 eV, in particular at least 1500 eV and beyond at least 5000 eV each have an atomic component. In particular when using inert gas (for example noble gas) as the process gas, the nitride and / or fluoride layer is removed particularly gently.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes zumindest anfänglich, vorzugsweise zumindest bis zur Abtragung einer durch den ersten Ätzschritt ausgebildeten Oberflächenschicht, eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von höchstens 700 eV, bevorzugt höchstens 500 eV aufweisen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes anschließend eine höhere Energie von zumindest 750 eV, bevorzugt zumindest 900 eV, insbesondere zumindest 1500 eV aufweisen. Dadurch wird die Oberflächenschicht sehr schonend abgetragen. Wenn der zweite Ätzschritt unter Verwendung von Sauerstoffionen erfolgt, dann wird dadurch eine Oberflächenschicht umfassend Oxid mit relativ großer Dicke erzeugt.In an advantageous development, it is provided that the ions of the second etching step, at least initially, preferably at least until a surface layer formed by the first etching step is removed, have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably at most 700 eV, preferably at most 500 eV In particular, it is provided that the ions of the second etching step then have a higher energy of at least 750 eV, preferably at least 900 eV, in particular at least 1500 eV. This removes the surface layer very gently. If the second etching step is carried out using oxygen ions, then a surface layer comprising oxide with a relatively large thickness is thereby produced.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Rahmen eines dritten Ätzschrittes, der nach dem zweiten Ätzschritt durchgeführt wird, Sauerstoffionen verwendet werden. Dadurch können Oberflächenschichten des zweiten Ätzschrittes, die Fluor- und/oder Stickstoff enthalten, sehr schonend abgetragen werden.In an advantageous development, it is provided that oxygen ions are used in a third etching step, which is carried out after the second etching step. As a result, surface layers of the second etching step which contain fluorine and / or nitrogen can be removed very gently.

Wenn die Ionen des dritten Ätzschrittes eine Energie von zumindest 750 eV, bevorzugt zumindest 900 eV, insbesondere zumindest 1500 eV aufweisen, wird eine Oberflächenschicht aus Oxid mit relativ großer Dicke erzeugt. Zuvor können für einen besonders schonenden Abtrag der Oberflächenschicht des zweiten Ätzschrittes jedoch die Ionen des dritten Ätzschrittes zumindest anfänglich, vorzugsweise zumindest bis zur Abtragung der durch den zweiten Ätzschritt ausgebildeten Oberflächenschicht, eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von höchstens 700 eV, bevorzugt höchstens 500 eV aufweisen.If the ions of the third etching step have an energy of at least 750 eV, preferably at least 900 eV, in particular at least 1500 eV, a surface layer of oxide with a relatively large thickness is produced. Before that, however, for a particularly gentle removal of the surface layer of the second etching step, the ions of the third etching step can at least initially, preferably at least up to the removal of the surface layer formed by the second etching step, have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at most 700 eV, preferably have at most 500 eV.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche die Oberfläche eines Metalls, bevorzugt zumindest eines Metalls aus der Gruppe umfassend Aluminium sowie Legierungen, insbesondere AI6061, AI905, AI501, AI708, davon ist. Diese Metalle und Legierungen können vorzugsweise in mikrokristalliner Ausführung oder in Grobkornausführung vorliegen. Für solche Oberflächen ist das erfindungsgemäße Glättungsverfahren besonders wirksam. Unter „Metallen“ werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl Einzelverbindungen als auch auf zumindest einer metallischen Einzelverbindung basierende Legierungen verstanden.In an advantageous development it is provided that the surface is the surface of a metal, preferably at least one metal from the group comprising aluminum and alloys, in particular AI6061, AI905, AI501, AI708 thereof. These metals and alloys can preferably be in a microcrystalline version or in a coarse-grain version. The smoothing process according to the invention is particularly effective for such surfaces. In the context of the present invention, “metals” are understood to mean both individual compounds and alloys based on at least one individual metallic compound.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche vor dem Aufbringen der Opferschicht einem mechanischen Oberflächenbehandlungsschritt unterzogen wurde. Das erfindungsgemäße Glättungsverfahren ist für die Glättung von durch mechanische Oberflächenbearbeitung entstandene Oberflächenrauheiten besonders wirksam.In an advantageous development it is provided that the surface has been subjected to a mechanical surface treatment step before the sacrificial layer is applied. The smoothing method according to the invention is particularly effective for smoothing surface roughness that has arisen through mechanical surface processing.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche Teil eines optischen Elements, beispielsweise eines Spiegels oder eines Abformwerkzeugs zur Massenfertigung von optischen Elementen ist. Für solche optischen Elemente ist das erfindungsgemäße Glättungsverfahren besonders wirksam.In an advantageous development, it is provided that the surface is part of an optical element, for example a mirror or a molding tool for the mass production of optical elements. The smoothing method according to the invention is particularly effective for such optical elements.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferschicht eine Polymerschicht, bevorzugt ein Photolack ist. Solche Polymerschichten lassen sich besonders gut als Opferschicht einsetzen und in ihren Ätzraten an die Ätzraten der Oberfläche anpassen. Es können alternativ auch Oxide oder amorphe Materialien als Opferschicht verwendet werden, Polymere werden jedoch bevorzugt. Die Aufbringung der Opferschicht erfolgt bevorzugt über Standardverfahren der Mikrosystemtechnik wie Aufschleudern, Sprühbeschichtung oder Tauchbeschichtung; alternativ finden physikalische und chemische Depositionsverfahren, wie Bedampfung, Kathodenzerstäubung, chemische Gasphasenabscheidung (thermisch oder plasmaunterstützt), Anwendung.In an advantageous development it is provided that the sacrificial layer is a polymer layer, preferably a photoresist. Such polymer layers can be used particularly well as a sacrificial layer and their etching rates can be adapted to the etching rates of the surface. Alternatively, oxides or amorphous materials can also be used as the sacrificial layer, but polymers are preferred. The sacrificial layer is preferably applied using standard microsystem technology such as spin coating, spray coating or dip coating; alternatively, physical and chemical deposition processes such as vapor deposition, cathode sputtering, chemical vapor deposition (thermal or plasma-assisted) are used.

Die Kennzeichen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigt rein schematisch:

1 Schema des erfindungsgemäßen Verfahrens,
2 Welligkeit und Mikrorauheit für ein erstes konkretes Ausführungsbeispiel für ein Al905-Material,
3 mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte im Verhältnis zur Ortsfrequenz für das erste konkrete Ausführungsbeispiel,
4 Höhenprofilierung für das erste konkrete Ausführungsbeispiel,
5 Tiefenprofile der chemischen Zusammensetzung für Aluminiumoxid (AIO), Kohlenstoff (C) und Aluminiumnitrid (AIN) für das erste konkrete Ausführungsbeispiel,
6 Tiefenprofile der chemischen Zusammensetzung für Aluminiumoxid (AIO) sowie die Verunreinigungen Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) für das erste konkrete Ausführungsbeispiel,
7 Reflektivität für das erste konkrete Ausführungsbeispiel,
8 Welligkeit und Mikrorauheit für ein zweites konkretes Ausführungsbeispiel für ein Al6061-Material,
9 mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte im Verhältnis zur Ortsfrequenz für das zweite konkrete Ausführungsbeispiel und
10 Höhenprofilierung für das zweite konkrete Ausführungsbeispiel.

The characteristics and further advantages of the present invention will become clear in the following on the basis of the description of two preferred exemplary embodiments in connection with the figures. It shows purely schematically:

1 Scheme of the method according to the invention,
2 Waviness and micro-roughness for a first specific exemplary embodiment for an Al905 material,
3 mean isotropic spectral power density in relation to the spatial frequency for the first specific embodiment,
4th Height profiling for the first specific embodiment,
5 Depth profiles of the chemical composition for aluminum oxide (AIO), carbon (C) and aluminum nitride (AIN) for the first specific exemplary embodiment,
6th Depth profiles of the chemical composition for aluminum oxide (AIO) and the impurities nickel (Ni) and copper (Cu) for the first specific embodiment,
7th Reflectivity for the first specific embodiment,
8th Waviness and micro-roughness for a second specific exemplary embodiment for an Al6061 material,
9 mean isotropic spectral power density in relation to the spatial frequency for the second specific embodiment and
10 Height profiling for the second specific embodiment.

In 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockbildschema dargestellt.In 1 the inventive method is shown in a block diagram.

Es ist zu erkennen, dass ein optisches Element 10 (beispielsweise ein Spiegel) mit einer Oberfläche 12, die Oberflächenrauheiten aufweist, mit einem Polymer als Opferschicht 14 beispielsweise mittels Sprühbeschichtung beschichtet wurde. Dadurch bildet sich eine sehr ebene äußere Oberfläche 16 aus, die die Oberflächenrauheiten der Oberfläche 12 des optischen Elements 10 einebnet.It can be seen that an optical element 10 (for example a mirror) with a surface 12 , which has surface roughness, with a polymer as a sacrificial layer 14th for example has been coated by means of spray coating. This creates a very flat outer surface 16 from showing the surface roughness of the surface 12 of the optical element 10 level.

Diese äußere Oberfläche 16 wird nun mit einem lonenstrahl 18 behandelt. Sowohl die Parameter des lonenstrahls 18 (Zusammensetzung des Arbeitsgases, Energie der lonenbeschleunigung, Geometrie des lonenstrahls 18 und Auftreffwinkel auf die äußere Oberfläche 16) als auch die Parameter des Opferschicht 14 sind dabei so aufeinander und auf das Material des optischen Elements 10 abgestimmt, dass die Selektivität des Ätzprozesses 1 ist. Diese Selektivität wird dabei bestimmt durch die Ätzrate von Material des optischen Elements 10 im Verhältnis zur Ätzrate der Opferschicht 14.This outer surface 16 is now treated with an ion beam 18. Both the parameters of the ion beam 18 (composition of the working gas, energy of the ion acceleration, geometry of the ion beam 18 and the angle of incidence on the outer surface 16 ) as well as the parameters of the sacrificial layer 14th are so on top of each other and on the material of the optical element 10 matched that the selectivity of the etching process 1 is. This selectivity is determined by the etching rate of the material of the optical element 10 in relation to the etching rate of the sacrificial layer 14th .

Im ersten konkreten Ausführungsbeispiel findet Aluminium vom Typ AI905 Anwendung als Material des optischen Elements 10, das 50 mm Durchmesser aufwies und mittels Diamantdrehen (Einkorndiamant-Drehtechnik) mit einer ebenen Spiegelfläche 12 versehen wurde. Als Opferschicht 14 wurde ein Novolak-basierter Photoresist verwendet.In the first specific exemplary embodiment, aluminum of the type AI905 is used as the material of the optical element 10 , which had a diameter of 50 mm and by means of diamond turning (single-grain diamond turning technique) with a flat mirror surface 12 was provided. As a sacrificial layer 14th a novolak-based photoresist was used.

Im Rahmen der Ionenstrahlätzung des ersten Ätzschrittes wird Stickstoff als Arbeitsgas eingesetzt mit einer Energie von 1200 eV. Dadurch wird bei einer Selektivität von 1 die Form der äußeren Oberfläche 16 in das Material des optischen Elements 10 übertragen, wobei sich eine Aluminiumnitridschicht 19 bildet, die als dynamische fortschreitende Ätzfront wirkt, wobei die Oberflächenstruktur der äußeren Oberfläche 16 durch die chemische Bindungsbildung und die Passivierungseigenschaft der Nitridschicht 19 weitestgehend erhalten bleibt.As part of the ion beam etching of the first etching step, nitrogen is used as the working gas with an energy of 1200 eV. With a selectivity of 1, this becomes the shape of the outer surface 16 into the material of the optical element 10 transferred, with an aluminum nitride layer 19th forms, which acts as a dynamic, progressive etching front, the surface structure of the outer surface 16 through the chemical bond formation and the passivation properties of the nitride layer 19th is largely preserved.

Dadurch bildet sich das optische Element 10 mit einer modifizierten Oberfläche 20 heraus. Dabei besteht die Modifizierung zum einen in einer chemischen Veränderung durch Bildung einer Nitridschicht 19 und zum anderen in einer Planarisierung.This forms the optical element 10 with a modified surface 20th out. The modification consists on the one hand of a chemical change through the formation of a nitride layer 19th and on the other hand in a planarization.

Dieser Prozess des Aufbringens der Opferschicht 14 und des anschließenden lonenstrahlätzens 18 als erstem Ätzschritt kann anschließend beliebig oft mit einer weiteren Opferschicht 14a und einem neuerlichen Ionenstrahlätzen 18a wiederholt werden, wobei eine einzige Wiederholung bevorzugt wird, wodurch sich eine weiter modifizierte Oberfläche 20a herausbildet. Die Parameter des lonenstrahlätzens 18a können dabei beibehalten oder auch verändert werden, wobei ein Beibehalten bevorzugt wird. Dadurch ist die Opferschicht 14a vollständig beseitig und es hat sich eine Aluminiumnitridschicht 19a mit einer Dicke von 10 nm bis 15 nm ausgebildet.This process of applying the sacrificial layer 14th and the subsequent ion beam etching 18 as the first etching step can then be used as often as desired with a further sacrificial layer 14a and another ion beam etching 18a repeated, with a single iteration preferred, resulting in a further modified surface 20a develops. The parameters of the ion beam etching 18a can be retained or changed, with retention being preferred. This is the sacrificial layer 14a completely removed and it has an aluminum nitride layer 19a formed with a thickness of 10 nm to 15 nm.

Anschließend wird der lonenstrahlprozess 18b dahingehend verändert, dass Sauerstoff als Prozessgas verwendet wird. Dadurch wird die Nitridschicht 19a weitgehend abgetragen und eine Aluminiumoxidschicht 22 ausgebildet. Dieser zweite Ätzschritt wird bevorzugt zweiteilig dahingehend durchgeführt, dass zuerst Sauerstoffionen im Energiebereich von unter 500 eV bis maximal 700 eV verwendet werden, wodurch die Nitridschicht 19a sehr schonend entfernt wird, und anschließend Sauerstoffionen im Energiebereich von minimal 750 eV bis über 1500 eV verwendet werden, wodurch sich eine sehr stabile Oxidschicht 22 ausbildet. Dadurch wird die Oxidschicht 22 mit einer Dicke von 10 nm bis 15 nm ausgebildet, die eine hervorragende Langzeitstabilität auch bei Anwendungen unter hoher thermischer Last besitzt.The ion beam process 18b is then modified in such a way that oxygen is used as the process gas. This creates the nitride layer 19a largely removed and an aluminum oxide layer 22nd educated. This second etching step is preferably carried out in two parts in such a way that oxygen ions in the energy range from below 500 eV to a maximum of 700 eV are used first, thereby creating the nitride layer 19a is removed very gently, and then oxygen ions in the energy range from a minimum of 750 eV to over 1500 eV are used, creating a very stable oxide layer 22nd trains. This creates the oxide layer 22nd formed with a thickness of 10 nm to 15 nm, which has excellent long-term stability even in applications under high thermal load.

Die so entstandene resultierende Oberfläche 24 des optischen Elements 10 weist eine wesentlich verbesserte Welligkeit und Rauheit bei zumindest nicht verschlechterter Mikrorauheit auf.The resulting surface 24 of the optical element 10 has a significantly improved waviness and roughness with at least no deterioration in microroughness.

In 2 werden für eine Oberfläche 12 aus Aluminium AL905, die mittels Diamantdrehen mechanisch bearbeitet worden war, die Welligkeit/Rauheit und die Mikrorauheit verglichen für das unbehandelte optische Element 10 (unbearbeitet), für den ersten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14 und des lonenstrahlätzens 18 mit Stickstoff (nach 1. Planarisierung), den zweiten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14a und des lonenstrahlätzens 18a mit Stickstoff (nach 2. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt 18b mit Sauerstoff (nach 02-Endbearbeitung). Dabei sind jeweils AFM-Aufnahmen für 35 µm und 3 µm Kantenlänge der untersuchten Oberflächen 12, 20, 20a, 24 gezeigt. Dazugehörige Messwerte sind in den Tabellen 1 für Rq (rms) und 2 für die maximale Amplitude der Welligkeitsamplitude angegeben. Tabelle 1: (Al905) Rq (rms) Unbehandelt nach 1. Planarisierung nach 2. Planarisierung nach O2-Endbearbeitung Welligkeit (9,5 ± 1,4) nm (5,9 ± 0,7) nm (5,1 ± 1,1) nm (5,2 ± 0,9) nm Mikrorauheit (2,2 ± 1,2) nm (3,2 ± 0,3) nm (3,3 ± 0,3) nm (2,2 ± 0,6) nm Tabelle 2: (Al905) Welligkeitsamplitude unbehandelt nach 1. Planarisierung nach 2. Planarisierung nach O2-Endbearbeitung Maximale Amplitude (11,8 ± 0,8) nm (4,0 ± 0,7) nm (2,2 ± 0,6) nm (3,3 ± 0,6) nm In 2 be for a surface 12 made of aluminum AL905, which had been mechanically processed by means of diamond turning, the waviness / roughness and the micro-roughness compared for the untreated optical element 10 (unprocessed) for the first pass of the photoresist sacrificial layer application 14th and ion beam etching 18 with nitrogen (after 1st planarization), the second pass of applying the photoresist sacrificial layer 14a and ion beam etching 18a with nitrogen (after 2nd planarization) and the second etching step 18b with oxygen (after 02 finishing). There are AFM images for 35 µm and 3 µm edge lengths of the examined surfaces 12 , 20th , 20a , 24 shown. Corresponding measured values are given in Tables 1 for Rq (rms) and 2 for the maximum amplitude of the ripple amplitude. Table 1: (Al905) Rq (rms) Untreated after 1st planarization after 2nd planarization after O2 finishing Ripple (9.5 ± 1.4) nm (5.9 ± 0.7) nm (5.1 ± 1.1) nm (5.2 ± 0.9) nm Microroughness (2.2 ± 1.2) nm (3.2 ± 0.3) nm (3.3 ± 0.3) nm (2.2 ± 0.6) nm Table 2: (Al905) Ripple amplitude untreated after 1st planarization after 2nd planarization after O2 finishing Maximum amplitude (11.8 ± 0.8) nm (4.0 ± 0.7) nm (2.2 ± 0.6) nm (3.3 ± 0.6) nm

Es ist zu erkennen, dass die Welligkeit der modifizierten Oberfläche 20 nach der ersten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) reduziert ist von 9,5 nm auf 5,9 nm und die Mikrorauheit gestiegen ist von 2,2 nm auf 3,2 nm. Die maximale Amplitude reduziert sich dabei von 11,8 nm auf 4,0 nm. Nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 2. Planarisierung) kann die Welligkeit der weiter modifizierten Oberfläche 20a weiter reduziert werden auf 5,1 nm, während die Mikrorauheit mit 3,3 nm etwa gleich bleibt und die maximale Amplitude auf 2,2 nm reduziert wird. Nach dem zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) bleibt die Welligkeit der resultierenden Oberfläche 24 mit 5,2 nm etwa gleich, während die Mikrorauheit wieder auf den ursprünglichen Wert von 2,2 abgesenkt werden kann und die maximale Amplitude etwa 3,3 nm beträgt.It can be seen that the waviness of the modified surface 20th after the first execution of the first etching step (after 1st planarization) is reduced from 9.5 nm to 5.9 nm and the micro roughness has increased from 2.2 nm to 3.2 nm. The maximum amplitude is reduced from 11, 8 nm to 4.0 nm. After the second execution of the first etching step (after 2nd planarization), the waviness of the further modified surface 20a are further reduced to 5.1 nm, while the microroughness remains roughly the same at 3.3 nm and the maximum amplitude is reduced to 2.2 nm. After the second etching step (after O2 finishing) the waviness of the resulting surface remains 24 with 5.2 nm about the same, while the micro-roughness can be reduced again to the original value of 2.2 and the maximum amplitude is about 3.3 nm.

Diese Befunde spiegeln sich auch in 3 wieder, wo die mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte (mittlere isotrope PSD) angegeben ist für Ortsfrequenzen von etwa 10^-3 µm^-1 bis etwa 100 µm^-1. Dabei ist zu erkennen, dass die Welligkeit im Bereich der durch die mechanische Diamantdrehbearbeitung entstandenen Riefenbildungen (Drehmarken) deutlich um den Faktor 2 reduziert werden konnte, während die langwellige Welligkeit (Fehler im mittleren Ortsfrequenzbereich) nahezu unbeeinflusst bleibt. Auch im Bereich der Mikrorauheit erfolgt nahezu keine Veränderung.These findings are also reflected in 3 again, where the mean isotropic power spectral density (mean isotropic PSD) is given for spatial frequencies of about 10 ^-3 µm ^-1 to about 100 µm ^-1 . It is to recognize that the waviness in the area of the grooves (turning marks) caused by mechanical diamond turning is significantly increased by the factor 2 could be reduced, while the long-wave ripple (error in the middle spatial frequency range) remains almost unaffected. There is also almost no change in the micro-roughness area.

Die in 4 gezeigte Höhenprofilierung zeigt für die Riefenbildungen eine deutliche Reduzierung um den Faktor 4 für das zweite Ausführen des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche 12.In the 4th The height profile shown shows a significant reduction by the factor for the formation of grooves 4th for the second execution of the first etching step (after 1st planarization) and the second etching step (after O2 finishing) compared to the untreated surface 12 .

Im Ergebnis konnten somit die Drehriefenstrukturen mit einer Periode von 3 um, d.h. bei einer Ortsfrequenz von 0,33 µm^-1, sowie die aus der speziellen Form des Drehwerkzeugs resultierenden Überstrukturen bei 0,69 µm^-1, 1,0 µm^-1 und 1,4 µm^-1 Ortsfrequenz von ursprünglich ca. 24 nm maximale Strukturhöhe auf ca. 7 nm reduziert werden.As a result, the turning groove structures with a period of 3 µm, ie at a spatial frequency of 0.33 µm ^-1 , and the superstructures resulting from the special shape of the turning tool at 0.69 µm ^-1 , 1.0 µm ^-1 and 1.4 µm ^-1 spatial frequency can be reduced from originally approx. 24 nm maximum structure height to approx. 7 nm.

In den 5 und 6 sind mittels Sekundärionen-Massenspektroskopie ermittelte Tiefenprofile der chemischen Zusammensetzung an der modifizierten Oberfläche 20a und der resultierenden Oberfläche 24 für Aluminiumoxid (AIO), Kohlenstoff (C) und Aluminiumnitrid (AIN) in 5 und für Aluminiumoxid (AIO) sowie die Verunreinigungen Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) in 6 gezeigt.In the 5 and 6th are depth profiles of the chemical composition of the modified surface determined by means of secondary ion mass spectroscopy 20a and the resulting surface 24 for aluminum oxide (AIO), carbon (C) and aluminum nitride (AIN) in 5 and for aluminum oxide (AIO) and the impurities nickel (Ni) and copper (Cu) in 6th shown.

Es ist zu erkennen, dass der Stickstoffgehalt in der resultierenden Oberfläche 24 um 2 Größenordnungen reduziert ist. Aufgrund von Verunreinigungen beim zweiten Ätzschritt wurde allerdings der Kohlenstoffgehalt erhöht. Dafür wurden die Verunreinigungen von Nickel und Kupfer in den ersten 5 nm Tiefe der resultierenden Oberfläche 24 reduziert und die Aluminiumoxidschicht 22 weist eine Dicke von etwa 15 nm auf.It can be seen that the nitrogen content is in the resulting surface 24 is reduced by 2 orders of magnitude. However, due to contamination in the second etching step, the carbon content was increased. For this, the impurities of nickel and copper were in the first 5 nm depth of the resulting surface 24 reduced and the aluminum oxide layer 22nd has a thickness of about 15 nm.

In 7 wird die Reflektivität der Oberflächen 12, 22, 24 für drei verschiedenen Messpunkte miteinander verglichen.In 7th becomes the reflectivity of the surfaces 12 , 22nd , 24 compared with each other for three different measuring points.

Es ist zu erkennen, dass die Reflektivität der Oberfläche 22 nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschrittes (nach 2. Planarisierung) über den gesamten gemessenen Spektralbereich von 400 nm bis 800 nm deutlich reduziert ist, was an der oberflächlichen Nitridschicht liegt.It can be seen that the reflectivity of the surface 22nd after the second execution of the first etching step (after the 2nd planarization) is significantly reduced over the entire measured spectral range from 400 nm to 800 nm, which is due to the superficial nitride layer.

Durch den zweiten Ätzschritt mit Sauerstoff wurde die Nitridschicht abgetragen und eine Oxidschicht aufgebaut, wodurch die Reflektivität über den gesamten gemessenen Spektralbereich wieder wesentlich ansteigt, allerdings die Werte der unbehandelten Ausgangsoberfläche 12 nicht ganz erreicht. Als ein Grund hierfür wird der Eintrag von Kohlenstoff und die damit möglicherweise verbundene Karbidbildung im Rahmen des Sauerstoffätzens angesehen, der durch geeignete Maßnahmen, wie die Anpassung der in der lonenquelle eingesetzten Materialien verhindert werden sollte.During the second etching step with oxygen, the nitride layer was removed and an oxide layer built up, whereby the reflectivity increases again significantly over the entire measured spectral range, but the values of the untreated initial surface 12 not quite achieved. One reason for this is the entry of carbon and the possibly associated carbide formation in the context of oxygen etching, which should be prevented by suitable measures, such as adapting the materials used in the ion source.

Neben einer Reduzierung der Rauheit und der Mikrorauheit im Ortsfrequenzbereich von 0,015 µm^-1 bis 34,6 µm^-1 können vor allem die periodischen, aus der vorgelagerten Einkorndiamant-Drehtechnik resultierenden Drehriefenstrukturen im Ortsfrequenzbereich von 0,2 µm^-1 bis 2,0 µm^-1 erstmals effizient eingeebnet werden. Dies ermöglicht den zukünftigen Einsatz von Aluminiumoptiken 10 im kurzwelligen Spektralbereich (UV/VIS), wobei die Aluminiumoberfläche 24 selbst die Funktion der optisch aktiven Fläche übernehmen kann. Dabei bleibt die Topographie der dem optischen Element 10 aufgeprägten Oberfläche 12 erhalten.In addition to a reduction in roughness and micro roughness in the spatial frequency range from 0.015 µm ^-1 to 34.6 µm ^-1 , the periodic turning groove structures resulting from the upstream single-grain diamond turning technique in the spatial frequency range from 0.2 µm ^-1 to 2.0 µm can be used ^-1 can be leveled efficiently for the first time. This enables the future use of aluminum optics 10 in the short-wave spectral range (UV / VIS), whereby the aluminum surface 24 can even take over the function of the optically active surface. The topography remains that of the optical element 10 embossed surface 12 receive.

Das zweite konkrete Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten konkreten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass anstelle von Al905 nun AI6061 verwendet wird. Alle anderen Verfahrensparameter waren identisch gewählt, so dass darauf nicht noch einmal eingegangen wird.The second specific exemplary embodiment differs from the first specific exemplary embodiment only in that AI6061 is now used instead of Al905. All other process parameters were chosen to be identical, so that they will not be discussed again.

In 8 werden für eine entsprechende Oberfläche 12 aus Aluminium AL6061, die mittels Diamantdrehen mechanisch bearbeitet worden war, die Welligkeit/Rauheit und die Mikrorauheit verglichen für das unbehandelte optische Element 10 (unbehandelt), für den ersten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14 und des lonenstrahlätzens 18 mit Stickstoff (nach 1. Planarisierung), den zweiten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14a und des lonenstrahlätzens 18a mit Stickstoff (nach 2. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt 18b mit Sauerstoff (nach O2-Endbearbeitung). Dabei sind jeweils AFM-Aufnahmen für 35 µm und 3 µm Kantenlänge der untersuchten Oberflächen 12, 20, 20a, 24 gezeigt. Dazugehörige Messwerte sind in den Tabellen 3 für Rq (rms) und 4 für die maximale Amplitude der Welligkeitsamplitude angegeben. Tabelle 3: (AI6061) Rq (rms) unbehandelt nach 1. Planarisierung nach 2. Planarisierung nach O2-Endbearbeitung Welligkeit (4,7 ± 0,8) nm (4,2 ± 0,6) nm (3,2 ± 0,6) nm (3,3 ± 0,5) nm Mikrorauheit (1,3 ± 0,6) nm (2,6 ± 0,2) nm (2,5 ± 0,3) nm (1,4 ± 0,2) nm Tabelle 4: (Al6061) Welligkeitsamplitude unbehandelt nach 1. Planarisierung nach 2. Planarisierung nach O2-Endbearbeitung Maximale Amplitude (1,5 ± 0,2) nm (0,9 ± 0,2) nm <0,5 nm <0,5 nm In 8th be for a corresponding surface 12 made of aluminum AL6061, which had been mechanically processed by means of diamond turning, the waviness / roughness and the micro-roughness compared for the untreated optical element 10 (untreated) for the first pass of the photoresist sacrificial layer application 14th and ion beam etching 18 with nitrogen (after 1st planarization), the second pass of applying the photoresist sacrificial layer 14a and ion beam etching 18a with nitrogen (after 2nd planarization) and the second etching step 18b with oxygen (after O2 finishing). There are AFM images for 35 µm and 3 µm edge lengths of the examined surfaces 12 , 20th , 20a , 24 shown. Corresponding measured values are given in Tables 3 for Rq (rms) and 4 for the maximum amplitude of the ripple amplitude. Table 3: (AI6061) Rq (rms) untreated after 1st planarization after 2nd planarization after O2 finishing Ripple (4.7 ± 0.8) nm (4.2 ± 0.6) nm (3.2 ± 0.6) nm (3.3 ± 0.5) nm Microroughness (1.3 ± 0.6) nm (2.6 ± 0.2) nm (2.5 ± 0.3) nm (1.4 ± 0.2) nm Table 4: (Al6061) Ripple amplitude untreated after 1st planarization after 2nd planarization after O2 finishing Maximum amplitude (1.5 ± 0.2) nm (0.9 ± 0.2) nm <0.5 nm <0.5 nm

Es ist zu erkennen, dass die Welligkeit der modifizierten Oberfläche 20 nach der ersten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) reduziert ist von 4,7 nm auf 4,2 nm und die Mikrorauheit gestiegen ist von 1,3 nm auf 2,6 nm. Die maximale Amplitude reduziert sich dabei von 1,5 nm auf 0,9 nm. Nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 2. Planarisierung) kann die Welligkeit der weiter modifizierten Oberfläche 20a weiter reduziert werden auf 3,2 nm, während die Mikrorauheit mit 2,5 nm etwa gleich bleibt und die maximale Amplitude auf unter 0,5 nm reduziert wird. Nach dem zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) bleibt die Welligkeit der resultierenden Oberfläche 24 mit 3,3 nm etwa gleich, während die Mikrorauheit wieder auf den ursprünglichen Wert von 1,4 abgesenkt werden kann und die maximale Amplitude weiter unter 0,5 nm beträgt.It can be seen that the waviness of the modified surface 20th after the first execution of the first etching step (after 1st planarization) is reduced from 4.7 nm to 4.2 nm and the micro roughness has increased from 1.3 nm to 2.6 nm. The maximum amplitude is reduced from 1, 5 nm to 0.9 nm. After the second execution of the first etching step (after 2nd planarization), the waviness of the further modified surface 20a can be further reduced to 3.2 nm, while the microroughness remains roughly the same at 2.5 nm and the maximum amplitude is reduced to below 0.5 nm. After the second etching step (after O2 finishing) the waviness of the resulting surface remains 24 with 3.3 nm roughly the same, while the micro-roughness can be reduced again to the original value of 1.4 and the maximum amplitude is still below 0.5 nm.

Diese Befunde spiegeln sich auch in 9 wieder, wo wieder die mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte (mittlere isotrope PSD) angegeben ist für Ortsfrequenzen von etwa 10^-3 µm^-1 bis etwa 100 µm^-1. Dabei ist zu erkennen, dass die Welligkeit im Bereich der durch die mechanische Diamantdrehbearbeitung entstandenen Riefenbildungen (Drehmarken) deutlich um den Faktor 1,5 reduziert werden konnte, während die langwellige Welligkeit (Fehler im mittleren Ortsfrequenzbereich) nahezu unbeeinflusst bleibt. Auch im Bereich der Mikrorauheit erfolgt nahezu keine Veränderung.These findings are also reflected in 9 again, where again the mean isotropic spectral power density (mean isotropic PSD) is given for spatial frequencies of about 10 ^-3 µm ^-1 to about 100 µm ^-1 . It can be seen that the waviness in the area of the grooves (turning marks) created by mechanical diamond turning has been reduced significantly by a factor of 1.5, while the long-wave waviness (errors in the middle spatial frequency range) remains almost unaffected. There is also almost no change in the micro-roughness area.

Die in 10 gezeigte Höhenprofilierung zeigt für die Riefenbildungen eine deutliche Reduzierung um den Faktor 3 für das zweite Ausführen des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche 12.In the 10 The height profile shown shows a significant reduction by the factor for the formation of grooves 3 for the second execution of the first etching step (after 1st planarization) and the second etching step (after O2 finishing) compared to the untreated surface 12 .

Im Ergebnis konnten somit die Drehriefenstrukturen mit einer Periode von 1,3 µm, d.h. bei einer Ortsfrequenz von 0,8 µm^-1, sowie die aus der speziellen Form des Drehwerkzeugs resultierenden Überstrukturen bei 1,4 µm^-1 und 1,9 µm^-1 Ortsfrequenz von ursprünglich ca. 3 nm maximaler Strukturhöhe auf unter 1 nm reduziert werden.As a result, the turning groove structures with a period of 1.3 µm, ie at a spatial frequency of 0.8 µm ^-1 , as well as the superstructures resulting from the special shape of the turning tool at 1.4 µm ^-1 and 1.9 µm ^{- 1} spatial frequency can be reduced from originally approx. 3 nm maximum structure height to less than 1 nm.

Die Befunde zur chemischen Zusammensetzung und zur Reflektivität wären sehr ähnlich, wie die in den 5 bis 7 dargestellten, so dass hierauf nicht gesondert eingegangen wird.The chemical composition and reflectivity findings would be very similar to those in 5 to 7th shown, so that this will not be discussed separately.

Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Aluminium und einem Photoresist sowie einem ersten Ätzschritt mit Stickstoff und einem zweiten Ätzschritt mit Sauerstoff beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es können auch andere Materialen und andere Ionen verwendet werden.Even if the invention has been described above on the basis of exemplary embodiments with aluminum and a photoresist as well as a first etching step with nitrogen and a second etching step with oxygen, the invention is not limited thereto, but other materials and other ions can also be used.

Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenglättung als Direktbearbeitungsverfahren bereitgestellt wird, mit dem Oberflächen 12 besser als bisher geglättet werden können. Vor allem Oberflächen 12 von metallischen, insbesondere auf Aluminium basierenden Optiken 10 können besser geglättet werden als bisher. Dabei bleiben die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient) solchermaßen geglätteter Oberflächen 24 im Wesentlichen unverändert. Außerdem weisen die geglätteten Oberflächen 24 eine hohe Längzeitstabilität hinsichtlich ihrer geometrischen und/oder optischen Eigenschaften auf.It has become clear from the above illustration that the present invention provides a method for surface smoothing as a direct machining method with which surfaces 12 can be smoothed better than before. Especially surfaces 12 of metallic optics, especially those based on aluminum 10 can be smoothed out better than before. The optical properties (refractive index and absorption coefficient) of such smoothed surfaces remain 24 essentially unchanged. In addition, the smoothed surfaces 24 a high long-term stability with regard to their geometric and / or optical properties.

Soweit nichts anders angegeben ist, können sämtliche Merkmale der vorliegenden Erfindung frei miteinander kombiniert werden. Auch die in der Figurenbeschreibung beschriebenen Merkmale können, soweit nichts anderes angegeben ist, als Merkmale der Erfindung frei mit den übrigen Merkmalen kombiniert werden. Eine Beschränkung einzelner Merkmale des Ausführungsbeispiels auf die Kombination mit anderen Merkmalen des Ausführungsbeispiels ist dabei ausdrücklich nicht vorgesehen, diese einzelnen Merkmale können selbständig zur Kombination mit anderen Merkmalen, insbesondere im Anspruchssatz angegebenen Merkmalen verwendet werden. Außerdem können gegenständliche Merkmale umformuliert auch als Verfahrensmerkmale Verwendung finden und Verfahrensmerkmale umformuliert als gegenständliche Merkmale. Eine solche Umformulierung ist somit automatisch mit offenbart.Unless otherwise stated, all features of the present invention can be freely combined with one another. Unless otherwise stated, the features described in the description of the figures can also be freely combined with the other features as features of the invention. A limitation of individual features of the exemplary embodiment to the combination with other features of the exemplary embodiment is expressly not provided; these individual features can be used independently for combination with other features, in particular features specified in the set of claims. In addition, objective features, reformulated, can also be used as process features and process features, reformulated, as objective features. Such a reformulation is therefore automatically disclosed.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: optisches Element, Spiegeloptical element, mirror
1212: Oberfläche des optischen Elements 10Surface of the optical element 10
14, 14a14, 14a: Opferschicht, Polymer, PhotoresistSacrificial layer, polymer, photoresist
1616: äußere Oberfläche, Oberfläche der Opferschicht 14, 14a outer surface, surface of the sacrificial layer 14th , 14a
18, 18a, 18b18, 18a, 18b: IonenstrahlätzenIon beam etching
19, 19a19, 19a: Nitridschicht, AluminiumnitridschichtNitride layer, aluminum nitride layer
2020th: modifizierte Oberflächemodified surface
20a20a: weiter modifizierte Oberflächefurther modified surface
2222nd: Oxidschicht, AluminiumoxidschichtOxide layer, aluminum oxide layer
2424: resultierende Oberflächeresulting surface

Claims

Method for smoothing surfaces (12), characterized in that a sacrificial layer (14, 14a) is applied to the surface (12) and the surface (12) coated with the sacrificial layer (14, 14a) by means of ion beam etching (18, 18a, 18b), with at least two different etching steps (18, 18a, 18b) being used in the context of ion beam etching (18, 18a, 18b).

Procedure according to Claim 1 , characterized in that there is at least one first etching step (18a, 18b) in which nitrogen ions and / or fluorine ions and optionally oxygen ions and / or inert gas ions are used, with a surface layer made of nitride (19, 19a) and / or fluoride and optionally oxide with a thickness of at least 10 nm, preferably at least 12 nm, in particular at least 15 nm is produced.

Procedure according to Claim 2 , characterized in that the sacrificial layer (14, 14a) is completely removed by the first etching step (18, 18a) and / or that the ions in the first etching step have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at least 800 eV at least 1000 eV, most preferably at least 1200 eV, in particular at least 1500 eV and moreover at least 5000 eV per atomic component.

Procedure according to Claim 2 or 3 , characterized in that the surface (12) is coated at least twice with a sacrificial layer (14, 14a) and after the respective coating with the sacrificial layer (14, 14a) is treated with the first etching step (18, 18a).

Method according to one of the preceding claims, characterized in that there is at least one second etching step (18b) in which inert gas ions, fluorine ions and / or oxygen ions are used, the second etching step (18b) preferably after one or more cycles of coating with the sacrificial layer (14, 14a) and the subsequent first etching step (18, 18a) takes place.

Procedure according to Claim 5 , characterized in that the second etching step (18b) is performed so that the surface (24) has a surface layer comprising oxide (22) and / or fluoride with at least 10 nm, preferably at least 12 nm, in particular at least 15 nm layer thickness or no surface layer and / or that the ions of the second etching step have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at least 800 eV, preferably at least 1000 eV, most preferably at least 1200 eV, in particular at least 1500 eV and moreover at least 5000 eV per atomic component exhibit.

Procedure according to Claim 5 or 6th , characterized in that the ions of the second etching step (18b) at least initially, preferably at least until a surface layer (19, 19a) formed by the first etching step (18, 18a) is removed, have an energy greater than 10 eV per atomic component, preferably of at most 700 eV, preferably at most 500 eV, it being provided in particular that the ions of the second etching step (18b) then have a higher energy of at least 750 eV, preferably at least 900 eV, in particular at least 1500 eV.

The method according to any one of the preceding claims, characterized in that the surface (12) is the surface of a metal, preferably at least one metal from the group comprising aluminum and alloys, in particular Al6061, Al905, Al501, Al708 thereof, the metal preferably being in can be microcrystalline or coarse-grained.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the surface (12) has been subjected to a mechanical surface treatment step before the application of the sacrificial layer (14, 14a) and / or that the surface (12) is part of an optical element (10), for example a Mirror, or a molding tool for the mass production of optical elements.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the sacrificial layer (14, 14a) is a polymer layer, preferably a photoresist.