DE102019126750A1

DE102019126750A1 - Strukturierung einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials

Info

Publication number: DE102019126750A1
Application number: DE102019126750.1A
Authority: DE
Inventors: Johannes L'huillier; Benjamin Weigand
Original assignee: Photonik Zentrum Kaiserslautern E V; Photonik Zentrum Kaiserslautern EV
Current assignee: Photonik Zentrum Kaiserslautern E V; Photonik Zentrum Kaiserslautern EV
Priority date: 2019-10-04
Filing date: 2019-10-04
Publication date: 2021-04-08
Also published as: WO2021064070A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche (32) eines aktiven optischen Materials (12), mit den Schritten: Behandeln (S10) der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer (10); Einbringen (S12) einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein aktives optisches Material (12), mit einer durch das Verfahren struktureierten Oberfläche (32).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein aktives optisches Material mit einer durch das Verfahren strukturierten Oberfläche.
In der Materialbearbeitung sowie in der Messtechnik und in vielen anderen Anwendungsbereichen spielen Lasersysteme eine wichtige Rolle. Die Lasermikromaterialbearbeitung kann dabei insbesondere zum Materialabtrag (Ablation), zur Oberflächenfunktionalisierung oder auch zum Polieren von Oberflächen verwendet werden. Beispielsweise können durch interferometrische oder spektroskopische Verfahren mittels eines Lasersystems Distanzen oder auch Materialeigenschaften bestimmt werden. Einerseits werden gepulste Laser verwendet, um möglichst hohe Leistungsspitzen zu erreichen. Andererseits werden kontinuierliche Laserquellen verwendet, um eine hohe mittlere Ausgangsleistung zu erreichen. Je nach Anwendung werden unterschiedliche optische Systeme verwendet.
In solchen Lasersystemen werden aktive optische Materialien eingesetzt, um den Laserstrahl zu erzeugen und Eigenschaften des Lichts bzw. des Laserstrahls anzupassen. Regelmäßig verwendete aktive optische Materialien sind dabei Lasermaterialen (z. B. Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YVO4, Ti:Saphir), optisch nichtlineare Materialien (z. B. Lithiumtriborat, β-Bariumborat, BiBO, Lithiumniobat, Lithiumtantalat) sowie Faraday-Materialien bzw. Faraday-Rotatoren (z. B. TGG und andere). Die Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften der Materialien sind dabei oft relevant. Zumeist ist eine möglichst hohe Transmission über einen breiten Wellenlängenbereich gewünscht. Weiterhin ist es wünschenswert, möglichst schmutz- und wasserabweisende Oberflächen zu verwenden. Gerade bei hohen Leistungen können Schmutz- oder Wasserablagerungen zu Materialdefekten führen, beispielsweise wenn Schmutzpartikel erhitzt werden. Zudem kann es zu Leistungsverlusten und zu Ungenauigkeiten bei der Anwendung des Lasersystems kommen.
Diese Materialeigenschaften werden zumeist durch eine Beschichtung erzeugt. Sogenannte Antireflexbeschichtungen (AR-coatings) können dabei aus mehreren ultradünnen Schichten bestehen, die in etablierten Fertigungsverfahren aufgebracht werden und eine sehr gute Entspiegelungswirkung ermöglichen. Nachteilig an derartigen Mehrschichtsystemen ist, dass die Entspiegelungswirkung oft von der Wellenlänge und vom Einstrahlwinkel des Lichts abhängen. Daher ist eine anwendungsspezifische Beschichtung notwendig. Zudem kann es gerade bei hohen Leistungen zu einer Delamination der Schicht aufgrund thermischer Zyklierung kommen. Die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche gegenüber hohen thermischen Leistungen (Laserstrahlung) wird reduziert.
Andere Ansätze im Bereich der passiven optischen Materialien basieren auf einer Mikrostrukturierung der Oberfläche. Für eine Maskierung werden hierbei oft Kohlenstoffverbindungen eingesetzt. Da nach der Bearbeitung Maskenreste zurückbleiben, die bei hohen Leistungen aufgrund von Restabsorption zu Materialdefekten führen, können solche Ansätze nur bedingt auf den Bereich der aktiven optischen Materialien übertragen werden. Insbesondere kann es zu Einschränkungen hinsichtlich der Lebensdauer bzw. hinsichtlich möglicher Einsatzfelder kommen.
Für Siliziumdioxid wird in der WO 2012/032162 A1 ein Verfahren zur Reduzierung der Grenzflächenreflexion einer Glasoberfläche offenbart. Die Glasoberfläche des optischen Elements wird mit einem Plasmaätzprozess behandelt, ohne dass ein Maskenmaterial auf die Glasoberfläche aufgebracht wird. Bei dem Plasmaätzprozess wird ein Ätzgas verwendet, das eine Fluorverbindung enthält. Mittels des maskenlosen Plasmaätzprozesses wird eine reflexionsmindernde Nanostruktur an der Oberfläche erzeugt. Dieses Verfahren basiert dabei darauf, dass das Siliziumdioxid der Oberfläche direkt strukturiert wird, sodass eine Übertragung auf andere Materialien, insbesondere aktive optische Materialien nicht möglich ist. Das in der WO 2012/032162 A1 beschriebene Verfahren bezieht sich insbesondere auf amorphe Materialien, die im Gegensatz zu kristallinen aktiven optischen Materialien keine Fernordnung besitzen. Dies bedingt eine wesentliche Änderung der Mechanismen hinter dem Ätzprozess und der Selbstorganisation von Strukturen. Die Fernordnung ist ausschlaggebende Eigenschaft der aktiven optischen Materialien, da sich viele Anwendungseigenschaften auf diese beziehen und davon definiert werden. Bei einem selbstkatalytischen Prozess kann nicht sichergestellt werden, dass die Kristallorientierung erhalten bleibt. Somit kann es zu einer Änderung der Materialeigenschaften kommen. Ebenso verhält es sich mit dem Einbringen einer amorphen Ätzmaske in Form von Fused Silica.
Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum Verbessern der Reflexionseigenschaften eines aktiven optischen Materials bereitzustellen. Insbesondere soll die Transmission möglichst breitbandig erhöht werden. Zudem soll eine möglichst wasser- und schmutzabweisende Oberfläche geschaffen werden.
Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials, mit den Schritten:

- Behandeln der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer;
- Einbringen einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei
- ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und
- mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein aktives optisches Material, mit einer in dem zuvor beschriebenen Verfahren strukturierten Oberfläche.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Insbesondere kann das aktive optische Material eine Oberfläche aufweisen, die mit einem Verfahren, wie in einem der abhängigen Ansprüche beschrieben, strukturiert wurde.
Erfindungsgemäß wird eine Oberfläche eines aktiven optischen Materials strukturiert. Das aktive optische Material wird als Substrat in eine Plasmaätzkammer eingebracht und darin in einem Plasmaätzprozess behandelt. In die Plasmaätzkammer wird eine Siliziumverbindung eingebracht. Es wird ein Ätzgas mit einer Fluorverbindung verwendet. Im Plasmaätzprozess kommt es zu einer Maskierung durch Siliziumdioxid, wodurch eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird (sog. Ätzgras). Die Prozessparameter des Plasmaätzprozesses (angelegte Spannung, Temperatur, Dauer etc.) werden entsprechend der beabsichtigten Anwendung gewählt. Insbesondere wird der Prozess beendet, wenn die gewünschte Oberflächennanostruktur erreicht ist. Die Prozessparameter hängen dabei von der verwendeten Plasmaätzkammer ab.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Transmission gegenüber unbehandelten aktiven optischen Materialien wesentlich verbessert werden.
Zudem kann eine wasser- und schmutzabweisende Oberfläche geschaffen werden, die eine höhere Lebensdauer bietet, da sich beispielsweise kein Staub als Absorptionskeim anlagern kann. Im Vergleich zu bisherigen Verfahren, bei denen eine Beschichtung aufgebracht wird, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass die gewünschten Transmissionseigenschaften auch bei höheren Leistungen gewährleistet werden können. Es wird vermieden, dass es aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Beschichtungsmaterials zu einem Abplatzen der Beschichtung und damit zu Materialdefekten kommt (Delamination aufgrund thermischer Effekte). Eine hohe Lebensdauer des aktiven optischen Materials wird erreicht. Zudem können aufgrund der verbesserten Zerstörschwelle höhere Leistungen verwendet werden, was zu einer höheren Effizienz führt. Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen, bei denen Kohlenstoffverbindungen als Maskenmaterial verwendet werden, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass keine Kohlenstoffreste zurückbleiben. Die Haltbarkeit wird verbessert bzw. die Fehleranfälligkeit wird verringert. Die gewünschten optischen Eigenschaften des aktiven optischen Materials können erzeugt werden, ohne dass ungewünschte Fremdstoffe als Rest auf der Oberfläche zurückbleiben. Zwar kann nicht vermieden werden, dass Fremdstoffe durch den Prozess aufbracht werden, jedoch wird erfindungsgemäß erreicht, dass dies ohne negative Auswirkungen geschieht. Die Verwendung einer Siliziumverbindung bzw. die Verwendung von Siliziumdioxid hat den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften des aktiven optischen Materials nicht verändert werden. Die gewünschte Reflexionsminderung wird erreicht, ohne dass die Eigenschaften des aktiven optischen Materials verändert werden. Durch die reduzierte Absorption kann die Effizienz einer Komponente verbessert werden, da aufgrund höherer erreichbarer Leistungsdichten auch die nichtlinearen Prozesse begünstigt werden. Die erreichte Reflexionsminderung ist breitbandig bzw. unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die Reflexionsminderung ist unabhängig vom Einstrahlwinkel des Lichts bzw. vom Betrachtungswinkel. Hierdurch kann auch beim Einsatz von verkippten Komponenten eine gute Entspiegelung erreicht werden. Weiterhin ergibt sich ein reduzierter Fertigungsaufwand.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das aktive optische Material ein laseraktives Material, ein Faraday Rotator und/oder ein optisch nichtlineares Material. Solche Materialien werden in Lasersystemen eingesetzt. Bei hohen verwendeten Leistungen können herkömmliche Beschichtungsverfahren oder Strukturierungsverfahren nicht uneingeschränkt verwendet werden, da es aufgrund suboptimaler optischer Eigenschaften zu Leistungsverlusten oder reduzierten Lebensdauern kommt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das Ätzgas keine Fluorkohlenstoffverbindungen und vorzugsweise keine Kohlenstoffverbindungen. Durch den Verzicht auf Kohlenstoff können Kohlenstoffreste an der Oberfläche vermieden werden. Kohlenstoffreste können insbesondere bei hohen Leistungen Quelle von Materialdefekten sein. Durch die Umgehung des Einbringens von Kohlenstoff wird die Haltbarkeit des aktiven optischen Materials bei verbesserten Eigenschaften hinsichtlich der Transmission verlängert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ätzgas Schwefelhexafluorid (SF₆). Die Verwendung von Schwefelhexafluorid bewirkt einen schnellen Plasmaätzprozess. Die gewünschte Strukturierung der Oberfläche kann in vergleichsweise kurzer Zeit erreicht werden. Die Wirtschaftlichkeit wird erhöht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ätzgas Tetrafluorsilan (SIF₄). Die Siliziumverbindung wird in Form des Tetrafluorsilan in die Plasmaätzkammer eingebracht. Mit Tetrafluorsilan, insbesondere in einer Gasmischung aus Schwefelhexafluorid und Tetrafluorsilan, kann ein effizienter und schneller Ätzprozess erfolgen. Die Oberfläche des aktiven optischen Materials wird strukturiert, um den gewünschten Effekt zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Siliziumverbindung in Form eines Siliziumdioxid-Opferglases in die Plasmaätzkammer eingebracht. Durch die Verwendung eines Opferglases kann ein kostengünstiges Einbringen der Siliziumverbindung erfolgen. Über die Prozessparameter kann die Menge an Siliziumdioxid (SiO₂), das im Prozess verwendet wird, gesteuert werden.
Eine einfache Kontrolle der Prozessparameter bzw. eine effiziente Prozesssteuerung wird erreicht.
In einer Ausgestaltung wird der Plasmaätzprozess beendet, wenn die Nanostruktur eine Strukturhöhe von 250 nm bis 1.500 nm, bevorzugt von 500 nm bis 1.000 nm aufweisen. Die Strukturhöhe bedingt den Wellenlängenbereich der verbesserten Transmission des aktiven optische Materials. Die Strukturhöhe muss in der Größenordnung der maximalen Wellenlänge liegen, um eine Reflexionsminderung zu erreichen. Vorzugsweise wird eine Nanostruktur (Nanocluster) mit vergleichsweise hoher Strukturhöhe erzeugt, um eine breitbandige Reflexionsminderung zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das aktive optische Material während des Plasmaätzprozesses gekühlt. Durch das Kühlen des Substrats während des Prozesses kann eine Kontrolle der Mobilität der freien Teile (Moleküle oder Atome) erfolgen. Hierdurch kann eine Steuerung des Plasmaätzprozesses erreicht werden. Der Plasmaätzprozess wird so durchgeführt, dass die gewünschte Struktur erreicht wird. Durch eine Kühlung können weitere Prozessparameter beeinflusst werden, um eine für eine bestimmte Anwendung optimierte Struktur zu erreichen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufbringens von Octafluorcyclobutan (OFCB) und/oder Polymerisationsprodukten von OFCB, insbesondere plasmapolymerisiertes OFCB (PP-OFCB) auf die Oberfläche des aktiven optischen Materials nach Abschluss des Plasmaätzprozesses. Durch das Aufbringen einer OFCB-Schicht werden die optischen Eigenschaften nicht bzw. nur in sehr geringem Maß verändert. Die Schmutz- und Wasserabweisung werden verbessert. Die Anwendbarkeit des oberflächenstrukturierten aktiven optischen Materials wird weiter verbessert.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Plasmaätzprozess ein kombinierter physikalischer und chemischer Ätzprozess. Vorzugsweise werden im Plasmaätzprozess sowohl physikalische als auch chemische Wirkungen ausgenutzt, um die gewünschte Nanostruktur der Oberfläche zu erzeugen. Unter einem physikalischen Ätzprozess wird dabei ein Beschuss der Oberfläche des Substrats durch (ionisierte) Teilchen verstanden. Unter einem chemischen Prozess wird ein Herauslösen von Teilchen durch eine chemische Reaktion an der Oberfläche des Substrats verstanden. Durch einen kombinierten physikalischen und chemischen Ätzprozess ergibt sich eine verbesserte Ätzwirkung und ein schnellerer Vorgang. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird verbessert. Zudem ergibt sich eine verbesserte Steuerbarkeit und Prozesskontrolle, um die Ätzwirkung fein einstellen zu können.
Unter einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials wird insbesondere dessen oberste Schicht verstanden. Beispielsweise kann die Oberfläche einen Bereich bis zu einer Tiefe von 1 µm oder 2 µm umfassen. Unter einem Plasmaätzprozess wird ein materialabtragendes, plasmaunterstütztes Ätzverfahren verstanden. Das Plasmaätzverfahren kann insbesondere einen chemischen und einen physikalischen Anteil aufweisen. Unter einer Nanostruktur wird insbesondere eine unregelmäßige, selbst organisierende Struktur verstanden. Eine Nanostruktur kann auch als Nanocluster bezeichnet werden und insbesondere Strukturen in der Größenordnung von einigen Hundert µm aufweisen. Ein aktives optisches Material ist ein Material, das eine Verstärkung, eine Drehung der Polarisation, eine Frequenzumsetzung und/oder eine nichtlineare Phasenänderung des Lichts beim Durchqueren bewirkt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Plasmaätzkammer zum Durchführen eines Plasmaätzprozesses;
2 eine schematische Darstellung eines aktiven optischen Materials mit strukturierter Oberfläche;
3 eine schematische Darstellung der erreichbaren Verbesserung in der Transmission;
4 eine schematische Darstellung des Einflusses einer OFCB-Beschichtung auf die Transmission; und
5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird eingesetzt, um laseraktive Materialien, Faraday Rotatoren sowie optisch nichtlineare Materialien an ihrer Oberfläche zu strukturieren. Durch die Struktur wird die Transmission breitbandig verbessert. Zudem wird eine schmutz- und wasserabweisende Oberfläche erzeugt. Mögliche Anwendungen umfassen insbesondere optische Isolatoren, Frequenzkonverter, Lasersysteme und optische Verstärker sowie Mikro- und Makro-Laserbearbeitungssysteme. Das Verfahren kann insbesondere in den folgenden Anwendungsbereichen bzw. für die Strukturierung folgender Materialien eingesetzt werden: Laserkristalle (in Laserresonatoren und auch Verstärkern), Frequenzkonverter (optisch nichtlineare Kristalle) z. B. zur Erzeugung der zweiten Harmonischen, Faraday Rotatoren in optischen Isolatoren und schnelle Schalter (akustooptische oder elektrooptische Kristalle).
In der 1 ist schematisch eine Plasmaätzkammer 10 dargestellt, in der die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden. Im dargestellten Beispiel ist ein Parallelplattenreaktor gezeigt. In der Plasmaätzkammer 10 befindet sich das zu strukturierende aktive optische Material 12 auf einem Substrathalter 14. Zwischen zwei Elektroden 16a, 16b wird mittels eines Frequenzgenerators 18 ein elektrisches Feld erzeugt, in dem es zu einer Plasmabildung kommt. Das Plasma 20 wird zwischen den Elektroden 16a, 16b erzeugt. Über einen Einlass 22 wird ein inertes Gas 24, insbesondere Sauerstoff, zugeführt. Die reaktiven Ionen 26 im Plasma 20 wirken in einem kombinierten physikalischen und chemischen Ätzprozess auf das aktive optische Material 12 ein und strukturieren dessen Oberfläche. Über einen Auslass 28, der mit einem Ventil 30 verschließbar ist, kann eine zusätzliche Steuerung des Plasmaätzprozesses erfolgen.
Die Plasmaätzkammer 10 ist dabei Teil einer Plasmaanlage, die vorzugsweise nach dem Prinzip einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Anlage (ECR-Anlage) arbeitet. Die Plasmaätzkammer 10 wird beispielsweise auf einen Druck von 2,8 bis 3,0 * 10^-2 Millibar abgepumpt. Über den Frequenzgenerator kann beispielsweise eine Leistung von 1 bis 10 Watt angelegt werden. Mit einem MW-Generator kann weiterhin eine Leistung von 700 bis 800 Watt eingebracht werden. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise mit einer BIAS-Spannung zwischen 60 Volt und 150 Volt erzeugt werden. Es versteht sich, dass die gewählten Prozessparameter dabei abhängig von der Anlage sind. Je nach Einstellung der Prozessparameter wird zudem eine unterschiedlich strukturierte Oberfläche erreicht.
Das Ätzgas bzw. das Plasma 20 in der Plasmakammer umfasst eine Fluorverbindung, insbesondere Schwefelhexafluorid. Es versteht sich, dass auch eine Verwendung eines Ätzgases möglich ist, das eine andere Fluorverbindung umfasst. Durch die Verwendung von Schwefelhexafluorid werden gute Resultate hinsichtlich der Prozessgeschwindigkeit erzielt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass im Ätzgas keine Fluorkohlenstoffverbindungen vorkommen. Hierdurch wird erreicht, dass sich kein Kohlenstoff in dem aktiven optischen Material 12 ablagern kann, durch den die optischen Eigenschaften verändert werden würden oder der bei hohen Leistungen aufgrund eines unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zu Materialdefekten führen könnte.
Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer 10 eingebracht. Die Siliziumverbindung kann dabei beispielsweise in Form eines Opferglases (insb. Siliziumdioxid-Opferglas) eingebracht werden, das als Feststoff in die Ätzkammer eingelegt wird. Ebenfalls ist es möglich, dass das Ätzgas Tetrafluorsilan umfasst, sodass die Siliziumverbindung in Form des Tetrafluorsilan in die Plasmaätzkammer 10 eingebracht wird.
In der Plasmaätzkammer 10 ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn das Substrat mittels einer entsprechenden Kühleinrichtung gekühlt wird kann. Hierdurch kann die Mobilität der beteiligten Verbindungen reduziert werden, um die Verteilung der erzeugten Siliziumdioxid-Nanocluster anzupassen.
In der Plasmaätzkammer 10 wird das chemische Trockenätzen durch die Verwendung von Schwelfelhexafluorid realisiert. Der Prozess basiert darauf, dass innerhalb des Plasmas 20 in Kombination mit dem zugeführten inerten Gas 24 freie Fluoratome entstehen. ${SF}_{6} + O \to {SOF}_{5} + F$
Die freien Fluoratome können mit der zusätzlich eingebrachten Siliziumverbindung zu Tetrafluorsilan reagieren. Einerseits kann dabei eine Reaktion mit einem Siliziumdioxid-Opferglas erfolgen. Andererseits ist es möglich, dass zusätzlich Tetrafluorsilan direkt eingebracht wird. Das entstandene oder zusätzlich zugeführte Tetrafluorsilan reagiert in einem katalytischen Prozess innerhalb des Ätzplasmas mit Wasser (H₂O) zu Siliziumdioxid. $3 {SiF}_{4} + 2 H_{2} O \to {SiO}_{2} + 2 H_{2} {SiF}_{6}$
Das in dieser Reaktion entstehende Siliziumdioxid lagert sich auf der Oberfläche des aktiven optischen Materials 12 an und wirkt insoweit als Maske für den physikalischen Anteil des Ätzprozesses. Diese neu gebildete Nanostruktur (Nanocluster) legt sich unter anderem auf der Substratoberfläche statistisch verteilt ab. Die Anlagerung erfolgt dabei zufällig, sodass sich eine im Wesentlichen zufällige Nanostruktur ergibt. Durch die Ablagerung entstehen Unebenheiten auf der durch das chemische Ätzen homogen abgetragenen Oberfläche, die als Maske für den physikalischen Ätzanteil wirken. Das physikalische Ätzen, erreicht durch die Beschleunigung von Ionen auf die Oberfläche, zeigt eine geringere Ätzwirkung an steilen Flanken und Spitzen der ausgebildeten Nanostrukturen. Hierdurch kann eine Tiefenwirkung erreicht werden. Es ist vorzugsweise kein zweistufiger Passivierungs- und Ätzprozess erforderlich. Der Vorgang erfolgt vorzugsweise einstufig innerhalb der Plasmaätzkammer.
Das angelagerte Siliziumdioxid wird durch den physikalischen Ätzanteil im Laufe der Zeit wieder entfernt. Je nach gewählten Prozessparametern wird der Strukturierungsprozess beendet, wenn die Oberfläche wieder weitestgehend von Siliziumdioxid befreit ist. In Ausnahmefällen ist es aber auch möglich, dass durch eine bewusste Anlagerung von Siliziumdioxid an der Oberfläche des aktiven optischen Materials 12 dessen Eigenschaften angepasst werden. Beispielsweise können hygroskopische Materialien wie Lithiumtriborat (LBO) oder β-Bariumborat (BBO) dadurch wasserabweisend gemacht werden, dass eine dünne Siliziumdioxidschicht nach dem Prozess verbleibt und die Oberfläche versiegelt.
In der 2 ist schematisch ein aktives optisches Material 12 mit erfindungsgemäß strukturierter Oberfläche 32 dargestellt. Der Plasmaätzprozess wird beendet, wenn die Strukturhöhe H eine gewünschte Mindesthöhe überschreitet. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Strukturhöhen von 250 µm bis 1.000 µm zu erreichen. Durch derart große Strukturhöhen wird es ermöglicht, dass eine spektral breitbandige Entspiegelungswirkung realisiert werden kann. Die Nanostruktur der Oberfläche 32 ist dabei zufällig.
Auf der linken Seite der 2 ist schematisch ein aktives optisches Material 12 mit erfindungsgemäß nanostrukturierter Oberfläche 32 dargestellt. Die Strukturhöhe h der Nanostruktur kann insbesondere kleiner sein als die Hälfte der Wellenlänge λ/2 des Lichts.
Auf der linken Seite der 2 ist ein Übergang der Brechzahl n beim Durchdringen des aktiven optischen Materials 12 dargestellt. Die vertikale x-Achse ist dabei die Höhenachse des aktiven optischen Materials 12. Die Brechzahl n liegt in der Luft bei einem ersten Wert 34 und ändert sich beim Durchqueren der nanostrukturierten Oberfläche 32 graduell hin zu einem zweiten Wert 36. Der erste Wert kann in der Luft beispielsweise bei 1 liegen. Der zweite Wert 36 kann beispielsweise bei 1,45 liegen.
In der 3 ist schematisch ein Beispiel für die Entspiegelungswirkung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden kann, dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Wellenlänge λ in Nanometern abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Transmission in Prozent abgetragen. Für ein unbehandeltes aktives optisches Material ergibt sich beispielsweise die unten verlaufende Kennlinie über die verschiedenen Wellenlängen. Für eine mittlere Höhe der erzeugten Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials von ca. 40 nm ergibt sich die in der Mitte verlaufende Kurve. Für eine mittlere Höhe von ca. 230 nm ergibt sich die oben verlaufende Kurve. Wie dargestellt kann insoweit eine Transmission von über 98 Prozent erreicht werden, wenn ein aktives optisches Material mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt wird.
In der 4 ist auf derselben Skala die Wirkung einer in einem zusätzlichen Verfahrensschritt aufgebrachten Oktafluorcyclobutan-Schicht dargestellt. Die unten verlaufende Kurve zeigt die Transmission eines unbehandelten Materials. Die beiden oben verlaufenden Kurven zeigen Messergebnisse für eine nanostrukturierte Oberfläche eines aktiven optischen Materials mit zusätzlich aufgebrachter OFCB-Schicht und ohne aufgebrachte OFCB-Schicht. Die beiden oben verlaufenden Kurven sind im Wesentlichen deckungsgleich. Die zusätzliche OFCB-Schicht bewirkt insoweit keine bzw. nur eine minimale Veränderung der Transmission.
In der 5 ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Behandelns S10 der Oberfläche des aktiven optischen Materials und des Einbringens S12 einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer. Optional ist ein weiterer Schritt des Aufbringens S14 von OFCB bzw. Polymerisationsprodukten von OFCB auf die Oberfläche des aktiven optischen Materials vorgesehen. Das Verfahren kann insbesondere in einer Plasmaätzkammer durchgeführt werden.
Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfassend beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variationen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Erfindung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.
In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugszeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/032162 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche (32) eines aktiven optischen Materials (12), mit den Schritten: Behandeln (S10) der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer (10); Einbringen (S12) einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das aktive optische Material (12) ein laseraktives Material, ein Faraday Rotator und/oder ein optisch nichtlineares Material ist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas keine Fluorkohlenstoffverbindungen und vorzugsweise keine Kohlenstoffverbindungen enthält.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas SF₆ umfasst.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas SiF4 umfasst und die Siliziumverbindung in Form des SiF4 in die Plasmaätzkammer (10) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Siliziumverbindung in Form eines Siliziumdioxid-Opferglases in die Plasmaätzkammer (10) eingebracht wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Plasmaätzprozess beendet wird, wenn die Nanostruktur eine Strukturhöhe von 250 nm bis 1500 nm, bevorzugt von 500 nm bis 1000 nm, aufweist.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das aktive optische Material (12) während des Plasmaätzprozesses gekühlt wird.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Aufbringens (S14) von Octafluorcyclobutan, OFCB, und/oder Polymerisationsprodukten von OFCB, insbesondere plasmapolymerisiertes OFCB, PP-OFCB, auf die Oberfläche (32) des aktiven optischen Materials (12) nach Abschluss des Plasmaätzprozesses.
Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Plasmaätzprozess ein kombinierter physikalischer und chemischer Ätzprozess ist.
Aktives optisches Material (12), mit einer durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 strukturierten Oberfläche (32).