DE202004019052U1

DE202004019052U1 - Aufbau diffraktiver Optiken durch strukturierte Glasbeschichtung

Info

Publication number: DE202004019052U1
Application number: DE200420019052
Authority: DE
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2004-06-09
Filing date: 2004-12-08
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2014-12-09
Also published as: CN1997917A; TW200604576A; DE102004059252A1; CN102707351A

Abstract

Ein optisch wirksames Element umfassend ein Substrat und zumindest eine optisch wirksame erste Schicht, welche auf dem genannten Substrat bereitgestellt ist, wobei die erste Schicht durch zumindest ein Material ausgewählt von Glas oder Metall gebildet ist und eine optisch wirksame Struktur, bevorzugt eine fokussierende Struktur, aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft allgemein optische Bauelemente und insbesondere optisch wirksame Elemente, welche eine optisch wirksame Struktur, vorzugsweise eine fokussierende Struktur aufweisen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht daher darin, einen Weg aufzuzeigen, wie die Herstellung optischer Elemente, insbesondere diffraktiver optischer Elemente verbessert werden kann.
Diese Aufgabe wird bereits in höchst überraschender Weise durch ein Verfahren, sowie ein Bauteil und eine Hybridlinse gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der jeweiligen Unteransprüche.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand bevorzugter Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden. Dabei verweisen gleiche Bezugszeichen in den Figuren auf gleiche oder ähnliche Teile.
Es zeigen:
1A bis 1E anhand schematischer Querschnittansichten die Verfahrensschritte zur strukturierten Beschichtung von Substraten,
2A und 2B eine Variante der anhand der 1C bis 1E dargestellten Verfahrensschritte,
3A bis 3C anhand schematischer Querschnittansichten. für eine vorteilhafte Ausführungsform Verfahrensschritte zur strukturierten Beschichtung eines Substrates,
4 eine schematische Aufsicht einer vorteilhaften Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauteils,
5 eine Ausführungsform eines mehrlagig beschichteten Substrats,
6 zeigt eine Ausführungsform eines Substrats, welches mit einer Vielzahl von Lagen unterschiedlicher Höhe beschichtet ist,
7 zeigt eine Ausführungsform eines Substrats, welches mit einer Vielzahl von Lagen unterschiedlicher, insbesondere lagenweise alternierender, Materialien beschichtet ist,
8 zeigt eine Ausführungsform eines Substrats, welches mit einer Vielzahl von Lagen, welche eine positive Strukturierung unterschiedlicher, insbesondere strukturweise alternierender, Materialien aufweisen, beschichtet ist,
9 zeigt eine schematische Aufsicht von 8,
10 und 11 zeigen weitere Ausführungsformen eines Substrats, welches mit einer Vielzahl von Schichten auf der Oberseite und auf der Unterseite des Substrats beschichtet ist,
12 bis 15 schematische Aufsichten weiterer vorteilhafter Ausführungsformen eines erfindungsgemäßen Bauteils.
Im folgenden wird zunächst Bezug auf die 1A bis 1E genommen, welche anhand schematischer Querschnittansichten die Verfahrensschritte zur Herstellung eines strukturierten Substrats gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellen. Zur Herstellung einer strukturierten Beschichtung wird auf das Substrat 1, wie in 1A gezeigt, zunächst auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 eine erste Beschichtung 3 aufgebracht. Das Substrat 1 ist dabei bevorzugt mit weiteren Substraten in einem Waferverbund verbunden. Die erste Beschichtung 3 ist bevorzugt als photosensitive Resist-Schicht ausgebildet. Das Substrat umfaßt zumindest eines der Materialien aus der Gruppe von Glas, Keramik, Halbleitermaterial, insbesondere Silizium, Halbleiterverbindung, Metall, Metallegierung, Kunststoff oder eine Kombination der vorgenannten Materialien.
1B zeigt eine Querschnittansicht durch das Substrat nach einem weiteren Verfahrensschritt. Hierbei wurden in die erste Beschichtung 3 Strukturen eingefügt. Diese Strukturen schaffen eine zur endgültigen strukturierten Beschichtung in Aufsicht komplementäre, negative Strukturierung 5. Die Strukturierung ist dabei so durchgeführt worden, daß Bereiche 6 der zu beschichtenden Oberfläche 2 des Substrats 1 freigelegt worden sind.
Die Strukturierung kann bevorzugt photolithographisch erfolgen, wobei dazu die erste Beschichtung 3 beispielsweise einen Photolack umfaßt, in den anschließend durch Belichtung und Entwicklung die negative Strukturierung 5 eingefügt worden ist.
Die erste Beschichtung 3 des Substrats 1, insbesondere die Beschichtung mit einer Photolackschicht, z.B. ein lichtempfindlicher Lack, ist mittels Spin-Coating, Sprühen, Elektrodeposition und/oder Setzen einer Photolackfolie aufgetragen. Eine weitere Möglichkeit, eine negative Strukturierung 5 zu bilden, ist die Beschichtung durch einen strukturierten Druckprozeß, beispielsweise Siebdruck oder Tintenstrahldruck.
In 1C ist das Substrat nach dem Schritt des Abscheidens einer Schicht 7 mit glasartiger Struktur, insbesondere einer optisch wirksamen Schicht, auf die mit der ersten Beschichtung 3 versehene Oberfläche 2 des Substrats 1 gezeigt. Die Schicht 7 umfaßt dabei bevorzugt ein Metall oder ein Aufdampfglas, wobei das Abscheiden mittels Elektronenstrahlverdampfung auf das mit der ersten Beschichtung 3, welche eine negative Strukturierung 5 aufweist, beschichtete Substrat 1 erfolgt. Die Schicht 7 bedeckt dabei die freigelegten Bereiche 6, sowie die Schicht 3.
Das Abscheiden der Schicht 7 kann gemäß einer Weiterbildung der Erfindung auch durch Plasma-Ionen-unterstütztes Aufdampfen erfolgen, um eine besonders dichte und defektfreie Schicht zu erhalten. Auch können
Metallschichten werden gemäß dieser Erfindung vorteilhaft durch PVD, PICVD oder durch galvanische Verfahren aufgebracht.
Als besonders geeignet hat sich das Aufdampfglas erwiesen, welches folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent aufweist:

Komponenten Gew %

SiO₂ 75 – 85

B₂O₃ 10 – 15

Na₂O 1 – 5

Li₂O 0,1 – 1

K₂O 0,1 – 1

Al₂O₃ 1 – 5
Ein bevorzugtes Aufdampfglas dieses Typs ist das Glas 8329 der Firma Schott mit der folgenden Zusammensetzung:
Der elektrische Widerstand beträgt ungefähr 10¹⁰ Ω/cm (bei 100°C). Dieses Glas weist in reiner Form ferner einen Brechungsindex von etwa 1,470 auf.
Die Dielektrizitätskonstante ε liegt bei etwa 4,7 (bei 25°C, 1MHz), tanδ beträgt etwa 45 × 10^-4 (bei 25°C, 1 MHz). Durch den Aufdampfprozeß und die unterschiedliche Flüchtigkeit der Komponenten dieses Systems ergeben sich leicht unterschiedliche Stöchiometrien zwischen dem Targetmaterial und der aufgedampften Schicht. Die Abweichungen in der aufgedampften Schicht sind in Klammern angegeben.
Ein weitere Gruppe geeigneter Aufdampfgläser weist die folgende Zusammensetzung in Gewichtsprozent auf:

Komponenten Gew %

SiO₂ 65 – 75

B₂O₃ 20 – 30

Na₂O 0,1 – 1

Li₂O 0,1 – 1

K₂O 0,5 – 5

Al₂O₃ 0,5 – 5
Ein bevorzugtes Aufdampfglas aus dieser Gruppe ist das Glas G018-189 der Firma Schott mit der folgenden Zusammensetzung:

Komponenten: Gew%

SiO₂ 71

B₂O₃ 26

Na₂O 0,5

Li₂O 0,5

K₂O 1,0

Al₂O₃ 1,0
Die bevorzugt verwendeten Gläser besitzen insbesondere die in der nachstehenden Tabelle aufgeführten Eigenschaften:
Die Auswahl der vorstehend genannten Gläser ist beispielhaft zu verstehen und beschränkt sich keinesfalls auf die genannte Auswahl.
Vorteilhaft wird die Schicht 7 durch ein Material gebildet, welches nur von einer Quelle stammt. Dadurch kann eine hohe Reproduzierbarkeit der Schicht 7 erreicht werden. Darüber hinaus kann eine bei Verwendung mehrerer Quellen auftretende unbeabsichtigte Veränderung der Schichtstöchiometrie vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann das Abscheiden der Schicht 7 auch unter Verwendung von zumindest zwei Quellen ausgeführt werden. Das Abscheiden wird mittels einer anpaßbaren Bedeckung jeder einzelnen Quelle gesteuert, um den Anteil einer jeden Quellenzusammensetzung zur Zusammensetzung der abzuscheidenden Schicht 7 zu kontrollieren.
In vorteilhafter Weise ermöglicht die Verwendung von zumindest zwei Quellen die Herstellung einer Schicht, welche eine variierende Schichtzusammensetzung entlang einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche und/oder entlang einer Richtung parallel zur Substratoberfläche aufweist.
Die Variation der Schichtzusammensetzung kann auch durch eine Variation der Betriebsparamater einer Quelle oder durch eine Kombination verschiedener Abscheideprozesse erreicht werden. Die Prozesse umfassen beispielsweise PVD (physical vapor deposition), insbesondere Elektronenstrahlverdampfung oder Sputtering, CVD (chemical vapor deposition) oder PICVD (plasma induced chemical vapor deposition).
Auf die Weise können die Materialeigenschaften, wie beispielsweise der Temperaturkoeffizient oder die optischen Eigenschaften, z.B. der Brechungsindex beziehungsweise die Abbesche Zahl, an den zu erzielenden Zweck angepaßt werden.
1D zeigt das Substrat nach dem nachfolgenden Schritt des Freilegens der ersten Beschichtung 3. Das Freilegen der Beschichtung wurde in dieser Variante des Verfahrens durch Planarisieren der beschichteten Oberfläche vorgenommen. Dazu wurde die beschichtete Oberfläche soweit plan abgeschliffen, bis die Schicht 7 auf der ersten Beschichtung abgetragen ist, so daß die darunter liegende erste Beschichtung 3 wieder freigelegt und zugänglich ist.
1E zeigt einen darauffolgenden Verfahrensschritt, bei welchem die erste Beschichtung 3 entfernt worden ist. Durch das Aufdampfen der Schicht 7 auf die negative Strukturierung der ersten Beschichtung 3 und das Entfernen der ersten Beschichtung 3 nach deren Freilegung bleibt auf dem Substrat schließlich eine positiv strukturierte Schicht 7 zurück. Die Strukturen 9 der positiv strukturierten Schicht 7 bedecken dabei die freigelegten, beziehungsweise von der ersten Beschichtung 3 nicht bedeckten Bereiche 6.
Das Entfernen der ersten, negativ strukturierten Beschichtung 3 kann beispielsweise durch Auflösen in einem geeigneten Lösungsmittel oder durch nass- oder trockenchemisches Ätzen erfolgen. Auch eine Verbrennung oder Oxidation in einem Sauerstoffplasma kann vorteilhaft für die Entfernung der Beschichtung angewendet werden.
Die positiv strukturierte Schicht 7 umfaßt eine Struktur 9 oder eine mehrere Strukturen 9. Erfindungsgemäß können die genannten Strukturen 9 unterschiedliche Materialien, verschiedene Zusammensetzungen entlang einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche und/oder entlang einer Richtung parallel zur Substratoberfläche, unterschiedliche optische Eigenschaften, unterschiedliche Abmessungen, d.h. unterschiedliche Durchmesser, Breiten oder Höhen bzw. Dicken oder unterschiedliche Geometrien, d.h. unterschiedliche Formen von einer zu nächsten, umfassen.
Der erfindungsgemäße Prozeß ist anwendbar zur Herstellung von optischen Elementen, welche eine große Variation an unterschiedlichen Eigenschaften und/oder unterschiedlichen Abmessungen aufweisen.
Die genannte Struktur 9 beziehungsweise die genannten Strukturen 9 der positive strukturierten Schicht 7 weisen eine Höhe bzw. eine Dicke von etwa 0,1 μm bis 1 mm und einen Durchmesser beziehungsweise eine Breite in der Größenordnung von kleiner als 500 μm, 200 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm und/oder 10 μm auf.
In einer weiteren Ausführungsform können auch zumindest zwei unterschiedliche Materialien als eine Schicht 7 aufgetragen werden, um die Struktur 9 der positiv strukturierten Schicht 7 zu bilden. Das heißt, jede Struktur 9 der positiv strukturierten Schicht 7 kann ein anderes Material, gemäß den zu erzielenden Eigenschaften, insbesondere den optischen Eigenschaften, umfassen.
Die Kombination von zumindest zwei Gläsern, welche unterschiedliche optische Eigenschaften aufweisen, ermöglicht die Korrektur der chromatischen Aberration eines optischen Systems. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann die genannte Kombination durch das Kombinieren bzw. Zusammenstellen von zumindest zwei Materialien in einer Schicht bzw. einer Lage oder durch das Kombinieren bzw. Zusammenstellen von zumindest zwei Materialien in verschiedenen, insbesondere übereinander geschichteten Lagen bzw. Schichten, erreicht werden.
Anhand der 2A und 2B wird im folgenden eine bevorzugte Variante der anhand der 1D und 1E gezeigten Verfahrensschritte erläutert. Bei dieser Variante des Verfahrens wird zunächst das Substrat 1 wie anhand der 1A und 1B gezeigt wurde, durch Aufbringen einer strukturierten ersten Beschichtung 3 vorbereitet. Die erste Beschichtung 3 weist eine negative Strukturierung 5 auf, welche derart gebildet ist, so daß gewöhnliche Lift-Off-Techniken angewendet werden können und Bereiche 6 der ersten Oberfläche 2 freilassen. Auf die so vorbereitete Oberfläche des Substrats wird wieder eine Schicht 7 abgeschieden, beispielsweise durch Aufdampfen eines Aufdampfglases oder Abscheiden einer Metallschicht. Die Schichtdicke der Schicht 7 wird hierbei allerdings nicht so groß gewählt, daß die Schicht 7 geschlossen ist. Dies wird dadurch erreicht, daß für die Schicht 7 eine Schichtdicke gewählt wird, die geringer ist als die Schichtdicke der ersten Beschichtung 3. Diese Phase des Verfahrens ist in 2A gezeigt.
Die erste Beschichtung 3 kann dann direkt entfernt werden, ohne daß ein Freilegen, etwa durch das anhand von 1C gezeigte Planarisieren erforderlich ist, da durch die nicht geschlossene Schicht 7 ein Zugang zur ersten Beschichtung 3 erhalten bleibt. Die Bereiche der Schicht 7, welche sich dabei auf der ersten Beschichtung 3 befinden, werden beim Entfernen der ersten Beschichtung 3 abgehoben und dadurch entfernt. Als Ergebnis bleibt, wie 2B zeigt, wieder eine strukturierte Beschichtung beziehungsweise Schicht 7 mit positiven Strukturen 9 zurück.
Erfindungsgemäß kann die Herstellung der positiv strukturierten Schicht 7 auf zumindest einer Seite des Substrats, insbesondere auf der Oberseite 2 des Substrats 1 und/oder auf der Unterseite 4 des Substrats, ausgeführt werden.
Insbesondere zur Herstellung von hochentwickelten optischen Elementen, beispielsweise einer Fresnel-Linse, kann der vorstehend beschriebene Verfahrensschritt in vorteilhafter Weise mehrfach ausgeführt werden, so daß es möglich ist, eine mehrlagige bzw. mehrschichtige Strukturierung zu erzeugen.
Die Schichten, welche die mehrlagige Strukturierung bilden, umfassen die gleichen Eigenschaften wie die vorstehend beschriebene Schicht 7. Insbesondere kann jede Schicht unterschiedliche Materialien, welche verschiedene, insbesondere verschiedene optische, Eigenschaften aufweisen.
Die 3A zeigt eine Zwischenstufe des Verfahrens analog der 1B für eine besonders bevorzugte Ausführungsform. Dargestellt ist die negative Strukturierung 5 zur Herstellung einer Fresnel-Linse mit freigelegten Bereichen 6 und Bereichen 51, in denen das Substrat beispielsweise mit Photolack beschichtet ist.
Die negative Strukturierung 5, welche verwendet wird, um eine Fresnel-Linse zu bilden, umfaßt eine kreisförmige unbedeckte Region, welche durch konzentrische ringflächenförmige unbedeckte Regionen umgeben ist (siehe 4 zur Veranschaulichung). Genannte ringflächenförmige unbedeckte Regionen sind definiert durch einen Bereich, welcher durch zwei konzentrische Kreise unterschiedlicher Radii, einen kleinen Radius r1 und einen kleinen großen Radius r2, resultierend in eine Breite w = r2 – r1, begrenzt ist. Mit zunehmenden Radius, beziehungsweise zunehmenden r1 und r2, nehmen die Breite w der Ringflächen und der Abstand d zwischen zwei benachbarten Ringflächen ab.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Herstellung von Fresnel-Linsen oder fresnel-artigen Linsen, welche eine große Variation an unterschiedlichen Dimensionen aufweisen. Die genannte negative Strukturierung 5 hat eine Höhe von etwa 0,1 μm bis 10 mm. Die genannte kreisförmige unbedeckte Region hat einen Durchmesser in der Größenordnung von kleiner als 500 μm, 200 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm und/oder 10 μm. Die Breite w der genannten Ringflächen und der Abstand d zwischen den Ringflächen umfassen einen Wert von kleiner als etwa 500 μm, 200 μm, 100 μm, 50 μm, 20 μm und/oder 10 μm.
Die 3B und 3C zeigen Verfahrensschritte analog zu den 2A und 2B, in denen eine optisch wirksame Schicht 71 ganzflächig aufgebracht wird. Durch Lift-Off werden die wiederum die Lackschichtbereiche 51 mit den darauf liegenden Bereichen der optisch wirksamen Schicht 71 abgehoben und es verbleiben optisch wirksame Bereiche 71, die die positive Strukturierung bilden.
Die Breite der positiven Strukturierung beziehungsweise die Abmessungen der optisch wirksamen Schicht 71 entspricht bzw. entsprechen der Breite der unbedeckten Regionen. Die Höhe der optisch wirksamen Schicht 71 ist begrenzt bzw. definiert durch die Höhe beziehungsweise Dicke der negativen Strukturierung 5 und weist einen Wert in der Größenordnung von 0,1 μm bis 1 mm auf.
Die Strukturierung der in 3C dargestellten Fresnel-Linse über die Fläche ist in 4 dargestellt.
Besonders vorteilhaft, insbesondere für die Herstellung von Fresnel-Linsen, können die oben beschriebenen Verfahrensschritte auch mehrmals ausgeführt werden, wodurch eine mehrlagige Strukturierung erreicht werden kann. Dies ist in 5 dargestellt, die eine Querschnittsansicht einer mehrlagigen Fresnel-Linse zeigt. In diesem Ausführungsbeispiel wurden drei unterschiedlich ausgebildete Schichten , eine erste Schicht 71, eine zweite Schicht 72 und eine dritte Schicht 73 aufgebracht. Wie bereits in 5 veranschaulicht, ist es möglich, durch eine schrittweise Verringerung der Strukturbreite, von der Struktur der ersten Schicht 71 zur Struktur der Oberschicht, hier der dritten Schicht 73, eine sägezahnartige Morphologie bzw. eine sägeförmige Struktur und/oder eine konvexartige Struktur zu erzeugen. Insbesondere ist es möglich, sowohl durch ein Verringern der Dicke jeder Schicht als auch durch ein Erhöhen der Anzahl der Schichten, eine wohl definierte sägezahnartige Morphologie bzw. eine wohl definierte sägeförmige Struktur und/oder eine wohl definierte konvexartige Struktur zu erhalten.
Um eine strukturierte Beschichtung zu erzeugen, wird, wie in 1A gezeigt, zuerst eine erste Beschichtung 3 auf der zu beschichtenden Oberfläche 2 des Substrats 1 aufgetragen. Die erste Beschichtung 3 wird bevorzugt gebildet mittels einer Schicht aus Photolack.
Die strukturierte erste Beschichtung 3, welche letztendlich die positiven Strukturen der ersten Schicht 71 erzeugt, umfaßt eine Photolack-Schicht, welche bevorzugt mittels Spin-Coating aufgebracht ist. Die zweite strukturierte Beschichtung, welche letztendlich die positiven Strukturen der zweiten Schicht 72 erzeugt, umfaßt eine Photolack-Schicht, welche bevorzugt mittels Sprayen aufgebracht ist. Weitere Beschichtungen zum Erzeugen weiterer positiv strukturierter Beschichtungen werden ebenfalls bevorzugt mittels Sprayen aufgebracht. Insbesondere umfassen genannte erste Schicht 71, genannte zweite Schicht 72 und/oder genannte dritte Schicht 73 eine optisch wirksame Schicht.
Die 6 bis 11 zeigen weitere Ausführungen optischer Elemente einer Fresnel-Linse beziehungsweise fresnel-artigen Linse. Wie bereits für die in 5 gezeigte Fresnel-Linse können die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte besonders vorteilhaft mehrfach ausgeführt werden, um eine mehrlagige bzw. mehrschichtige Strukturierung zu erzeugen. Jede Schicht der in den 6 bis 11 beschriebenen mehrlagigen Strukurierung umfaßt insbesondere eine optisch wirksame Schicht.
Die, in den 6 bis 8 veranschaulichten, beispielhaften Ausführungsformen zeigen ein 3-Schicht-System umfassend eine erste Schicht 71, eine zweite Schicht 72 und eine dritte Schicht, welche auf der Oberseite 2 des Substrats 1 plaziert sind.
6 illustriert ein 3-Schicht-System 71, 72, 73, worin die positiven Strukturen 91, 92, 93, 94, 95, 96 einer jeden Schicht unterschiedliche Höhen aufweisen. Im Detail, in der ersten Schicht 71 hat die positive Struktur 94 eine geringere Höhe als die positive Struktur 91, in der zweiten Schicht 72 hat die positive Struktur 95 eine geringere Höhe als die positive Struktur 92 und in der dritten Schicht 73 hat die positive Struktur 96 eine geringere Höhe als die positive Struktur 93. Insbesondere ist die Höhe der positiven Strukturen alternierend für benachbarte positive Strukturen in jeder Schicht.
7 zeigt ein System, in welchem die Schichten 71, 72, 73 verschiedene Materialien umfassen. Im Detail umfaßt die erste Schicht 71 ein erstes Material, die zweite Schicht 72 ein zweites Material und die dritte Schicht ein drittes Material.
8 erklärt beispielhaft ein 3-Schicht-System 71, 72, 73, in dem die Schichten 71, 72, 73 und die positiven Strukturen 91, 92, 93, 98, 99, 100 verschiedene Materialien umfassen, insbesondere alterniert das Material der positiven Strukturen 91, 92, 93, 98, 99, 100. Im Detail umfassen dabei die positiven Strukturen 91, 92, 93 in jeder Schicht 71, 72, 73 das gleiche erste Material und die positiven Strukturen 98, 99, 100 in jeder Schicht 71, 72, 73 das gleiche zweite Material.
Die Strukturierung der in 8 über die Oberfläche illustrierten Fresnel-Linse beziehungsweise fresnel-artigen Linse ist veranschaulicht in 9.
Weiterhin zeigen die in den 10 und 11 beispielhaft dargestellten Ausführungsformen ein mehrlagiges bzw. mehrschichtiges System, insbesondere ein 3-Schicht-System umfassend eine erste Oberseitenschicht 271, eine zweite Oberseitenschicht 272 und eine dritte Oberseitenschicht 273, welche auf der Oberseite 2 des Substrats 1 plaziert sind und erste Unterseitenschicht 471, eine zweite Unterseitenschicht 472 und eine dritte Unterseitenschicht, welche auf der Unterseite 4 des Substrats 1 plaziert sind.
10 veranschaulicht dabei ein System, bei dem das Schichtsystem auf der Oberseite 2 des Substrats 1 gemäß dem in 8 beschriebenen Schichtsystem gebildet ist und ein erstes und ein zweites Material umfaßt. Insbesondere ist das Material der positiven Strukturen 291, 292, 293, 298, 299, 300 alternierend. Im Detail umfassen die positiven Strukturen 291, 292, 293 in jeder Schicht 271, 272, 273 das gleiche erste Material und die positiven Strukturen 298, 299, 300 in jeder Schicht 271, 272, 273 das gleiche zweite Material. Das 3-Schicht-System auf der Unterseite 4 des Substrats 1 umfaßt positive Strukturen 491, 492, 493, 498, 499, 500 unterschiedlicher Materialien, insbesondere ist das Material der positiven Strukturen 491, 492, 493, 498, 499, 500 alternierend. Im Detail umfassen die positiven Strukturen 491, 492, 493 in jeder Schicht 471, 472, 473 das gleiche dritte Material und die positiven Strukturen 498, 499, 500 in jeder Schicht 471, 472, 473 das gleiche vierte Material.
11 veranschaulicht auf der Oberseite 2 des Substrats 1 ein 3-Schicht-System 271, 272, 273, in welchem die positiven Strukturen 291, 292, 293, 301, 302, 303 von jeder Schicht unterschiedliche Höhen und Materialien umfassen. Die positiven Strukturen 291, 292, 293 umfassen eine erstes Material und die positiven Strukturen 301, 302, 303 umfassen ein zweites Material. Mehr im Detail, in der ersten Schicht 271 hat die positive Struktur 291 eine größere Höhe als die positive Struktur 301, in der zweiten Schicht 272 hat die positive Struktur 292 eine größere Höhe als die positive Struktur 302 und in der dritten Schicht 273 hat die positive Struktur 293 eine größere Höhe als die Struktur 303. Insbesondere ist die Höhe der positiven Strukturen in jeder Schicht für benachbarte positive Strukturen alternierend. Das Schichtsystem auf der Unterseite 4 des Substrats 1 ist gemäß dem in 10 beschriebenen Schichtsystem auf der Unterseite 4 des Substrats 1 gebildet.
Die 12 bis 15 zeigen in Aufsicht weitere bevorzugte Ausführungsformen einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren herstellbaren Fresnel-Linse.
Die vorliegende Erfindermeldung beschreibt somit eine Verfahrensanwendung zur Herstellung diffraktiver optischer Elemente.
Das vorliegende Verfahren beschreibt das strukturierte Aufbringen von Glas- und Metallschichten auf Halbleiter-, Glas-, Keramik- und Kunststoffsubstraten.
Die Strukturierung der Schichten kann durch Lackschicht-Photolithographie erfolgen.
Die isolierenden Glasschichten werden vorzugsweise durch thermische bzw. Elektronenstrahlverdampfung von geeigneten Glassystemen realisiert.
Vorteil des beschriebenen Verfahrens ist das Aufbringen der isolierenden Glasschicht bei Raumtemperatur bis maximal 150°C, in der keinerlei Schädigung der des Substrates oder der zuvor applizierten Metallstrukturen zu erwarten ist.
Durch die Wahl der Aufdampfparameter eines bevorzugt verwendeten Glases mit eingestellten optischen und thermomechanischen Eigenschaften können so strukturierte Glasschichten zwischen 0,1μm und maximal 1mm aufgebracht werden.
Das Aufdampfverfahren mittels Elektronenstrahl ist seit Jahren hinlänglich bekannt, wird aber bisher hauptsächlich zur mechanischen und optischen Vergütung von Kunststoff/Glas Brillen verwendet.
Die Fa. Schott liefert seit ca. 30 Jahren die dazu notwendigen Glastargets.
Anhand des Datenblattes des bekannten Aufdampfglases 8329 (entgastes Duran) sind hohe Aufdampfraten von max. 4μm/min bekannt und wurden anhand einer technischen Anfrage beim Kunden / Gerätehersteller von Sputteranlagen bestätigt.
Das übertrifft bekannte Sputterraten um ein Vielfaches und macht den Einsatz dieses Verfahrens für die oben beschriebene Anwendung äußerst interessant.
Bisher aufgebrachte Sputterschichten von Einkomponentensystemen (vorzugsweise SiO₂) besitzen Sputterraten von wenigen Nanometern pro Minute.
Neben einer hohen Abscheiderate stellt die geringere thermische Belastung des Substrats einen weiteren Vorteil des Aufdampfverfahrens dar, welches die Verwendung des Photolacks zur Bildung der ersten Schicht ermöglicht.
Folgende Parameter für das Aufbringen einer strukturierten Glasschicht auf Substraten sind stark bevorzugt:

Oberflächenrauhigkeit des Substrates: <50μm

BIAS Temperatur während der Verdampfung: ≈100°C

Druck während der Verdampfung: 10^-5mbar
CTE vom Aufdampfglas und Substrat stimmen überein
Das Glas sollte entsprechende optische Kennwerte besitzen
Für Substrate wie Silizium Wafer oder Glas wie Borofloat^®33 werden nach heutigem Kenntnisstand alle diese Anforderungen von den bekannten SCHOTT Aufdampfgläsern (8329, G018-189) erfüllt (siehe Datenblatt), welche sich durch geeignete Auftragsverfahren, z. B. der Elektronenstrahlverdampfung auf die oben erwähnten Substrate applizieren lassen.
Die Erweiterung auf andere Substrate sowie organische und anorganische Halbleiter ist durch die Verwendung weiterer geeigneter Aufdampfgläser möglich.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsformen beispielhaft zu verstehen sind. Die Erfindung ist nicht auf diese beschränkt, sondern kann in vielfältiger Weise variiert werden kann, ohne den Geist der Erfindung zu verlassen.

Claims

Ein optisch wirksames Element umfassend ein Substrat und zumindest eine optisch wirksame erste Schicht, welche auf dem genannten Substrat bereitgestellt ist, wobei die erste Schicht durch zumindest ein Material ausgewählt von Glas oder Metall gebildet ist und eine optisch wirksame Struktur, bevorzugt eine fokussierende Struktur, aufweist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame erste Schicht auf der Unterseite des Substrats und/oder auf der Oberseite des Substrats aufgetragen ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame erste Schicht eine variierende Materialzusammensetzung entlang einer Richtung senkrecht zur Substratoberfläche und/oder entlang einer Richtung parallel zur Substratoberfläche aufweist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optisch wirksame Element mit einer Anordnung mehrerer optisch wirksamer Schichten bereitgestellt ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung mehrerer optisch wirksamer Schichten in jeder optisch wirksamen Schicht ein gleiches Material oder unterschiedliche Materialien umfaßt.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die optisch wirksame Struktur hergestellt ist mit einem Verfahren umfassend die Strukturierung unter Verwendung von fotolithographischen Masken mit den Schritten – Beschichten des Substrates mit einer photosensitiven Resist Schicht, – fotolithographische Strukturierung der aufgebrachten Schicht, – Beschichtung des vorstrukturierten Substrates mit einer optisch wirksamen Schicht, die Materialien, ausgewählt aus einer Gruppe zumindest umfassend Glas und Metall, umfasst, durch E-Beam PVD (electron beam physical vapor deposition), und – Lift-Off der Lackschicht.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Substrats mittels Spin-Coating, Sprayen, Elektrodeposition und/oder Setzen einer Photolackfolie aufgetragen ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Lift-Off der Lackschicht derart ausgeführt wird, dass zumindest eine auf der Lackschicht aufgebrachte Schicht mit abgehoben wird.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des vorstrukturierten Substrates mit einer optisch wirksamen Schicht durch E-Beam PIAD Verfahren aufgetragen ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die fotolithographische Strukturierung eine Maskenbelichtung und eine nachfolgende Entwicklung umfasst.
Das optisch wirksame Element nach Anspruch 6 ist hergestellt durch das einmalige Wiederholen des – Beschichtens des Substrates mit einer photosensitiven Resist Schicht, – der fotolithographischen Strukturierung der aufgebrachten Schicht, – der Beschichtung des vorstrukturierten Substrates mit einer optisch wirksamen Schicht, die Materialien, ausgewählt aus einer Gruppe zumindest umfassend Glas und Metall, umfasst, durch E-Beam PVD (electron beam physical vapor deposition), – sowie des Lift-Offs der Lackschicht.
Das optisch wirksame Element nach Anspruch 6, ist hergestellt durch das mehrmalige Wiederholen des – Beschichtens des Substrates mit einer photosensitiven Resist Schicht, – der fotolithographischen Strukturierung der aufgebrachten Schicht, – der Beschichtung des vorstrukturierten Substrates mit einer optisch wirksamen Schicht, die Materialien, ausgewählt aus einer Gruppe zumindest umfassend Glas und Metall, umfasst, durch E-Beam PVD (electron beam physical vapor deposition), – sowie des Lift-Offs der Lackschicht.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht unter Verwendung von Beschichtungsmaterialien aus Glas unter Verwendung von PVD Verfahren hergestellt ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht mit Hilfe der Elektronenstrahlverdampfung im PVD-Verfahren aufgebracht ist.
Optisch wirksames Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optisch wirksame Schicht mit Hilfe der Elektronenstrahlverdampfung im PIAD-Verfahren aufgebracht ist.
Ein Bauteil herstellbar durch ein Verfahren zum Aufbringen einer optisch wirksamen Strukturierung auf ein Substrat umfassend die Strukturierung unter Verwendung von fotolithographischen Masken mit den Schritten – Beschichten des Substrates mit einer photosensitiven Resist Schicht, – fotolithographische Strukturierung der aufgebrachten Schicht, – Beschichtung des vorstrukturierten Substrates mit einer optisch wirksamen Schicht, die Materialien, ausgewählt aus einer Gruppe zumindest umfassend Glas und Metall, umfasst, durch E-Beam PVD (electron beam physical vapor deposition), und – Lift-Off der Lackschicht.