EP1999498A1 - Breitbanding entspiegelte optische bauteile mit gekruemmten oberflaechen und deren herstellung - Google Patents

Breitbanding entspiegelte optische bauteile mit gekruemmten oberflaechen und deren herstellung

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EP1999498A1
EP1999498A1 EP07727292A EP07727292A EP1999498A1 EP 1999498 A1 EP1999498 A1 EP 1999498A1 EP 07727292 A EP07727292 A EP 07727292A EP 07727292 A EP07727292 A EP 07727292A EP 1999498 A1 EP1999498 A1 EP 1999498A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
silicon
needle
structures
optical device
optical component
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP07727292A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Konrad Bach
Daniel Gaebler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Original Assignee
X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by X Fab Semiconductor Foundries GmbH filed Critical X Fab Semiconductor Foundries GmbH
Publication of EP1999498A1 publication Critical patent/EP1999498A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/118—Anti-reflection coatings having sub-optical wavelength surface structures designed to provide an enhanced transmittance, e.g. moth-eye structures
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/10—Optical coatings produced by application to, or surface treatment of, optical elements
    • G02B1/11—Anti-reflection coatings

Definitions

  • the present invention generally relates to manufacturing methods and curved-surface optical components having a refractive power (a positive or negative refractive power for incident light rays).
  • the light is in a given wavelength range, with the invention, an anti-reflection of the optically active surface (the curved surface) is to be achieved.
  • Antireflective optically effective, curved surfaces which thus produce a negative or positive bundling effect for light rays impinging on the surface, has been causing problems since the emergence of the first antireflection coatings at the beginning of the 20th century.
  • Antireflective coatings based on the interference phenomena require homogeneous properties of the applied layers, in particular, the thicknesses must be carefully matched. All known processes that produce this type of antireflective coating are affected by this problem.
  • Another problem is the adhesive strength of the applied layers and the effectiveness over an often very limited wavelength range. Only complicated coating systems enable antireflection over a larger wavelength range.
  • Corresponding layer systems make very high demands on the layer homogeneity and tend to reduce the adhesive strength by the combination of the mechanical layer stresses that occur.
  • layer materials are not suitable for every wavelength range.
  • Electronic, opto-electronic, sensory or micromechanical components often have as integral components optical components which require curved surfaces for processing optical signals, the overall efficiency of these optical components being very much dependent on the proportion of the radiation component coupled into the surface.
  • Efficient antireflection coating is also important in these cases, whereby the compatibility of the processes for producing the antireflection coatings with the further integration processes is also an important aspect.
  • the complex structures of the conventional anti-reflection structures lead to complex and thus costly production steps, whereby a broadband effect of the anti-reflection layers is nevertheless rarely achieved. Overview of the invention.
  • the invention is based on the object for optical components with curved surfaces, as they occur as components of optoelectronic integrated circuits, as individual components or as purely optical components of devices to specify such an expression of the surface, creating a significantly reduced reflection over a wide (or: wide) wavelength range is achieved.
  • a layer is produced on a base material with a curved surface, which produces an almost gradual adjustment of the refractive index of the base material into the surrounding medium, at least for the light wavelength range considered, without complex layer systems being required and the desired "globally curved" geometry the surface of the base material is maintained.
  • a self-organizing etching process which can act directly on the surface when it is composed essentially of silicon, or which can be used to produce a suitable structure in other base materials.
  • a reactive plasma atmosphere having at most two different gas components with oxygen and a reactive gas for etching silicon is produced by setting process parameters which develop a self-masking effect for producing a nanostructure. The etching takes place without further working gases and is carried out as a one-step process.
  • the silicon surface is exposed to the action of the etching plasma without any further process steps taking place; in particular, no further measures are necessary to achieve a targeted micro-masking of the silicon surface.
  • practical "freedom from defects" is achieved, in the sense that substantially no additional defects, such as in the form of etch by-products, are produced by the reactive plasma.
  • crystal defects are substantially avoided, whereby the semiconductor properties are not changed by the etching process, if this is important for the further production of the curved surface.
  • this structure serves as a basis for the production of the surfaces of other base materials, these advantageous properties can also be utilized for the steps required for this purpose.
  • the production of a stencil on the basis of microstructuring processes well known for crystalline silicon An efficient adjustment of the refractive index in the curved surfaces is achieved by adjusting the aspect ratio of the reactive plasma atmosphere resulting needle-like structures to a value of 4 or greater by controlling the process time, wherein a masking of the silicon surface, whether by photoresist or other substances such Aluminum, gold, titanium, polymers, water, or any surface contaminants, etc. is not required.
  • the needle-like structures produced have a form which is best suited for use on curved surfaces in the visible light and also in the infrared range.
  • the shape of the needle-like structures produced by the self-organized masking of the etching also has a "pyramid-like" shape in addition to the aspect ratio of greater than 4, resulting in a very tapered needle end, whereas at the foot of the above needle-like tapered shape, a relatively flat leaking region is created can be, the shallow ends.
  • the lateral dimensions increase significantly toward the foot. Between the circumscribed pyramid-like structures with needle tip remains a clear distance, at least 50 nm, so that in spite of high needle density too close to each other standing needles are prevented. Such too dense needles would converge to a larger entity and bring the etching process to a halt here.
  • the forms specified with the given circumscriptions are not all the same, but in the mean and in the statistical distribution they have regular and individually sharply demarcated forms. Nevertheless, their density distribution results in about 50 "pyramid-like needles" per square micrometer, in any case well below 100 needles per micron 2 , with a height of the pyramid-like needles of above 400 nm, especially in the range around 500 nm and at about the same depth of a gap between the pyramid-like needles. Between adjacent such needles of at least 50 nm wide gap remains, the first at the bottom of the pyramid-like course, where the foot area relatively flat, runs down almost shallow, converges.
  • the pyramid should not be understood as having only four pages; even more pages are possible as well, up to a versatile pyramidal shape and towards an approximately round shape in cross section.
  • a profilometer needle of the profilometer exerts a pressure between 0.1 and 10 mg on the sample to be measured (the nano-surface with the pyramidal needles).
  • the profilometer needle is very pointed, but increases in diameter quickly, so that when moving on a sample a 5 ⁇ m deep well with a width of 1 micron can not be resolved exactly in the measurement image.
  • a pressure of typically 5 mg and a movement of the profilometer needle at a rate of up to 100 ⁇ m / sec on the nanostructure no adverse effect on the reflection properties of the nanostructure was observed, as would occur if the pyramidal needle structure were destroyed.
  • the (total) reflection is below 0.7% for a wavelength range between 400 nm and about 800 nm (scattered and direct reflection). In an extended range between 180 nm and 3000 nm, the (total) reflection is below 2%, with practically only the scattered reflection contributing. Reflection is a physical property of the nanostructure that is reproducible, measurable, and comparable to another structure. Without intending to limit the invention by the following discussion, studies suggest that efficient self-organized masking (as "self-marking”) is achieved by the etching process itself rather than by existing or specially added materials.
  • the structures produced by the method show no edge shading at high edges. It is thus possible, for example, to structure surfaces of a few ⁇ m, even if the surface is enclosed by a 5 ⁇ m high structure, so that great flexibility results in the production of corresponding curved surfaces of optical components and the positioning of the refractive index matching layer thereon.
  • the structuring of the silicon is done by the plasma in the RIE process. These structures are deepened by the etching process, resulting in the structures in the nanometer range with enormous aspect ratios.
  • the structure thus produced has a low-defect nanostructure surface, which can be produced on the base material of the optical component.
  • a height of the free-standing pyramid-like needles is at least 400 nm and a gap of at least 50 nm. The height is between 400 nm and 1000 nm, which can be read from images of the electron beam microscope image, as described in more detail below.
  • the pictorial representation is intended to replace a limited possible structural description of the pyramid-like needles and their environment. For comparison, reference may be made to the John Hancock Center in Chicago, which is about 350m high, slightly pyramid-like, and has a lateral foot measurement (with no shallow, relatively shallow leakage) of about 85m.
  • This structure is constructed in a reduced by a factor of 10 9 form in, for example, silicon, often side by side and difficult to visualize on this scale with the current imaging techniques and clearly described. On the one hand, this task is not simple, but on the other hand, it is essentially fulfilled by measuring and presenting the effects of these structures.
  • Claimed is a method for producing an optical component.
  • the production of a globally curved surface takes place in a base material. Due to the (globally) curved shape, rays of light incident on the curved surface are changed in their propagation direction, in the sense of refraction. The rays of light also enter the curved surface.
  • a refractive index adjusting layer is formed with a nanometer structure in the base material. This preserves the global curvature of the surface.
  • the adaptation layer is formed using the described process. Includes are
  • the gas components are oxygen and a reactive gas for etching silicon, without an intermediate step. In particular, no further gas components are involved.
  • the aspect ratio of the needle-like structures formed in the plasma atmosphere is set to a value of at least four.
  • the base material of the optical component may be directly silicon (claims 19 to 26, claims 10 to 13), which may be further treated as needed after patterning, e.g. At least partially converted to oxide, or from needle-like silicon structures, layers can be made by molding, so that these structures then allow a gradual refractive index transition in a variety of materials.
  • the base material can also simultaneously obtain its global surface curvature by molding (claim 5), thus providing a great flexibility in the selection of materials and an efficient manufacturing method for the antireflection of the curved surfaces.
  • the surface structure according to the invention for globally curved geometries can therefore be used in a large number of possible components, for example optoelectronic circuits (claim 15, 22, 31), but also in absorption elements for control and measurement purposes (claim 23, 32), whereby almost all incident on the curved surface light intensity can be absorbed and thus detected.
  • a significant increase in the efficiency of components can be achieved, which are designed for a radiation (claim 33), such as a lens, wherein one or both surfaces can be effectively anti-reflection.
  • the temperature of the silicon wafer and the ratio of the working gases at the reaction point on the silicon surface are suitably adjusted.
  • the temperature of the silicon surface is set at 27 ° C., preferably in the range ⁇ 5 ° C.
  • process pressure and plasma power are properly matched as set forth in the following description to obtain the desired aspect ratio while reducing the rate of contamination and low crystal defect density.
  • the ratio of not more than two working gases is adjusted so that etching removal and self-masking balance each other out. This ensures both the structuring and the required freedom from defects (no additional defects due to the etching regime).
  • the absolute parameter values can be efficiently adjusted to the proportion of the open (or free) silicon surface which serves as the basis for the curved surface design. If the Si surface is covered to a high surface area by a mask layer, for example oxide or silicon nitride, since for example only certain areas of the surface or a template should receive a corresponding needle structure, this can be achieved at least by increasing the reactive gas content, for example the SF 6 share, be compensated, especially if the SF 6 simultaneous reduction of oxygen content and simultaneous increase of process pressure.
  • a mask layer for example oxide or silicon nitride
  • Another suitable method comprises generating a reactive plasma atmosphere with oxygen and a reactive gas consisting of a mixture of HCl and BCI3, for etching silicon without further process steps by setting process parameters that have a self-masking effect to produce a nanostructure with needle-like structures unfold. Also in this case, a self-organizing masking effect can be achieved so that the above-described properties (or shapes) of the nanostructures are obtained.
  • a nanoscale nanostructure comprising randomly distributed monocrystalline needle-like silicon structures formed on a monocrystalline silicon base layer, wherein the aspect ratio of the needle-like silicon structures is 4 or greater, and the crystal defect density in the silicon structures is not higher is as is in the silicon base layer.
  • These structures may then be further processed as needed, as previously described, to produce the curved surface finish therefrom.
  • the nanostructure which thus has silicon structures with lateral dimensions that are typically below the wavelength of visible light, can thus be used efficiently as a layer in devices in which a gradual change in the refractive index between silicon or other base material and a, the medium surrounding the base material is desired. On In this way, an adjustment of the refractive index between the base material and the medium is achieved. As a result, the reflection behavior and / or the transmission behavior of optoelectronic components provided with curved surfaces to achieve the desired optical effect can be significantly improved.
  • the object of the invention has, inter alia, the advantages that a broadband anti-reflection is achieved with curved silicon surfaces or other optically active surfaces, wherein, if silicon is the base material, no material needs to be applied, but only the surface is modified. There are no adhesion problems, no layer stresses and no restrictions in the optical wavelength range.
  • the antireflection coating also has the advantage that the direct reflection is significantly lower than the scattered reflection and thus can be suppressed by suitable measures (apertures, dark frames, etc.) in their effects.
  • the excellent homogeneity of the antireflective coating over a large area minimizes the control effort for finished components enormously. For example, for microlens arrays not every lens has to be measured individually.
  • the described RIE silicon etching process is used.
  • the generated structures can be converted by an oxidation of silicon into oxide, whereby the anti-reflection is also applicable to curved oxide surfaces.
  • Other surface processes, such as nitriding or other treatments can be carried out without problems after the generation of the needle-like structure.
  • the produced silicon or oxide nanostructure in the curved surface can also be transferred by molding to other materials, for example to produce a stamping tool for other materials.
  • Fig. 1 is an electron micrograph of a RIE etched
  • 2 is an electron micrograph with an obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the spaces between the needles are visible,
  • FIG. 3 a shows the receptacle from FIG. 3 turned so that the [001] direction is vertical
  • FIG. 4 a shows the electron micrograph of FIG. 2 with an obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the interspaces between the needles are visible, here a left-hand section, FIG.
  • 4b shows the electron micrograph of FIG. 2 with obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the interspaces between the needles are visible, here an intermediate section,
  • 4c shows the electron micrograph of FIG. 2 with an obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the interspaces between the needles are visible, here a right section,
  • FIG. 5 shows the electron micrograph of FIG. 2 with an obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the interspaces between the needles are visible, here a front section
  • 6 shows the electron micrograph of FIG. 2 with obliquely incident electron beam, from which the homogeneity of the distribution of the silicon needles and the depth of the interspaces between the needles are visible, here completely,
  • FIG. 7 shows corresponding results of reflection of light on a curved surface with an anti-reflection layer, which is produced on the basis of a needle-like structure, as also shown in the preceding figures, FIG.
  • FIG. 8b shows the curved-surface optical component after forming a needle-like nanostructure
  • FIG. 1 shows a silicon-containing component 1 with a nanostructure 2 which has a monocrystalline silicon base layer 3 on which needle-like silicon structures 4 are formed.
  • needle-like silicon structures are to be understood as "pyramid-like" structures that have a tip with lateral dimensions of a few nanometers, wherein the tip increases significantly downwards in its lateral dimension, so that in the lower part of the structure has a lateral dimension of some ten nanometers or up to 100 nm is achieved.
  • the silicon base layer 3 is limited in this embodiment by a mask layer 5, which may be composed of silicon dioxide, silicon nitride or the like, wherein the needle-like silicon structures 4 are formed up to an edge region 5 a of the mask layer 5.
  • the silicon base layer 3 is a part of a 6 inch diameter silicon wafer with a (100) surface orientation that has a p-type doping giving a resistivity of 10 ohm.cm.
  • the base layer 3 may have any desired crystal orientation with any predoping.
  • the base layer 3 may be formed substantially of amorphous or polycrystalline silicon.
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the nanostructure 2, wherein the angle of incidence of the probing electron beam is irradiated with an inclination angle of approximately 17 ° in order to more clearly show the size relationships in the lateral direction and in the height or thickness direction of the pyramidal structures 4.
  • the silicon structures 4 have a height which is on average about 1000 nm, so that in some embodiments a height is reached which is greater than the wavelengths of visible light.
  • the scale with 2 microns 10 scale parts are plotted in Figure 2. In Figure 1, it is 500 nm per scale part.
  • the height entered as a measure in FIG. 2 is to be converted from 603 nm to the real height. It is also possible to convert the vertical extent by up to 60% for lower pyramid-like needles, which achieve their effects from about 400 nm. This is done by compression of Figure 2 in the height direction to 40% of the height shown. But also pyramid-like structures 4 with a mean height in the range of 400 nm show excellent optical properties in many applications. Thus, for example, for an average height of 400 nm, excellent antireflection in the visible wavelength range and up to 3000 nm was observed.
  • a mean maximum height of the silicon structures 4 can also be substantially 1000 nm.
  • FIGS. 1 and 2 show that the lateral dimension of the silicon structures (at the foot) is less than 100 nm or a few tens of nanometers (significantly less), so that on average an aspect ratio of height to lateral dimension of 4 or higher is achieved becomes.
  • Si slice temperature 27 degrees Celsius
  • Plasma power 100 W
  • Self-adjusting BIAS DC potential between the plasma atmosphere and the surface to be etched: varies by 350 V.
  • process time of up to 20 min is also useful. Then the process results in an extremely high-quality antireflective coating of the surface nanostructured with the needles.
  • gas flow rates were between 50 sccm for the reactive gas, so SF 6, C n F m or HCl / BCl 3 provided to 150 bar.
  • oxygen gas flow rates 20 to 200 sccm are provided.
  • the temperature of the substrate, and thus the base layer 3 is set to a range of 27 ° C ⁇ 5 ° C.
  • corresponding parameter values for other etching systems and other degrees of coverage of the silicon base layer 3 to be structured with the pyramidal structures can be determined. For example, a lower coverage of the silicon base layer due to a lower gas flow rate of the reactive gas.
  • the Si needles 4 having a height of about 1000 nm were generally randomly distributed at the areas not masked by the mask layer 5.
  • the mask layer 5 e.g. Silicon oxides or silicon nitrides.
  • Machined disks with similar structures become completely black and showed a reflection of less than 0.4% for the wavelength range of 400 nm to 1000 nm, at the same time excellent homogeneity of this property over the entire wafer (disk).
  • the investigations showed a still excellent anti-reflection behavior with reflections below 2%. The reflections recorded here (practically only) the reflections in all solid angles.
  • the crystal damage caused by the plasma-assisted single-stage structuring process and the contamination are very low and are below the detection limit in the exemplary embodiments shown. No residual substances could be detected after the plasma structuring process and the crystal quality of the silicon structures is almost identical to the crystal quality of the silicon base layer before the etching process.
  • the needle sections of the pyramid-like needles are almost atomically pointed at their end 4a.
  • the lateral dimensions of the end 4a are only a few nanometers.
  • individual network planes (111) of the monocrystalline needle section can be clearly seen without crystal defects caused by the etching being recognizable.
  • FIG. 3 shows, from a pyramid-like needle 4, a single tip 4a or an end region with this tip 4a.
  • the needles are almost atomically pointed at their end 4a, ie, the lateral dimensions of the end 4a are only a few nanometers and are thus smaller than 10 nm.
  • the crystal direction is also perpendicular to Surface of the silicon base layer 3 registered. This direction corresponds to a [001] direction, since for the shown Embodiment, the surface orientation is a (100) orientation.
  • the end region extends with the pointed end 4a substantially along the [001] direction with only a slight deviation of less than 10 °, so that the structural elements are nearly perpendicular with only a few degrees deviation from the normal to the surface of the base layer 3 are aligned.
  • FIG. 3a is the direction [001] oriented vertically. With the figures 3, 3a, the inclination of the side wall of a pyramid-like needle can be roughly determined. It is about 4 ° to the normal [001].
  • the surface which is severely rugged after the process, significantly increases their surface area, which significantly alters their properties.
  • the increased surface area offers a much larger attack surface for attaching molecules and can thus significantly increase the sensitivity of sensors.
  • the pyramidal structures 4 are interesting in that they are smaller in lateral size than the wavelength of light (VIS / NIR) and by their needle shape, ie by the small lateral dimension of the end region 4a and the relatively large dimension at the foot pyramidal structure, and the high aspect ratios give a nearly perfect gradient layer.
  • the refractive index gradually changes from the refractive index of the silicon to the refractive index of the medium surrounding the nanostructure 2, for example, air, so that a corresponding layer having the structures 4 can be referred to as a refractive index matching layer between two media.
  • Figure 7 shows a corresponding measurement of the direct and scattered reflections typically achieved. It can be seen that in a range from about 400 nm to 800 nm, the total reflection is dominated by the scattered reflection and is very low. For this wavelength range, the total reflection is 0.7% or even less.
  • FIG. 8c shows the component 8 in a further embodiment, wherein the base material 8a is made of a different material, which in the embodiment shown is provided in a deformable state.
  • a variety of polymeric materials may be applied or transferred into a deformable state by appropriate treatment to allow subsequent surface structuring.
  • This has a Template 9 a single or multiple curved surface 9b, which is a template material 9a formed.
  • the surface 9b has a layer 9c with a nanostructure which has the geometric properties as described above in connection with the nanostructure 4.
  • the template 9 may be a silicon carrier, in which in addition to the surface 9b and the layer 9c is incorporated.

Abstract

Verfahren und optische Bauelemente werden vorgeschlagen, die eine Nanostruktur (4) auf einer gekrümmten Oberfläche aufweisen, so dass eine breitbandige Entspiegelung erreicht wird. Die Nanostruktur wird mit Hilfe eines selbstmaskierenden einstufigen Ätzprozesses von Silizium (3) auf der gekrümmten Oberfläche hergestellt.

Description

Breitbandig entspiegelte optische Bauteile mit gekruemmten Oberflaechen und deren Herstellung
Gebiet der Erfindung.
Die Erfindung betrifft allgemein Herstellverfahren und optische Bauteile mit gekrümmter Oberfläche, die ein Lichtbrechungsvermögen besitzen (eine positive oder negative Brechkraft für Strahlen des einfallenden Lichts). Das Licht liegt in einem gegebenen Wellenlängenbereich, wobei mit der Erfindung eine Entspiegelung der optisch wirksamen Oberfläche (der gekrümmten Oberfläche) erreicht werden soll.
Stand der Technik.
Entspiegelung optisch wirksamer, gekrümmter Flächen, die somit eine negative oder positive bündelnde Wirkung für auf die Fläche auftreffende Lichtstrahlen erzeugen, bereitet schon seit dem Aufkommen der ersten Entspiegelungsschichten zu Beginn des 20. Jahrhundert Probleme. Entspiegelungen auf der Grundlage der Interferenz- Erscheinungen benötigen homogene Eigenschaften der aufgebrachten Schichten, insbesondere müssen die Dicken sorgfältig aufeinander abgestimmt werden. Alle bekannten Verfahren, die diese Art von Entspiegelung herstellen, sind von diesem Problem betroffen. Ein weiteres Problem ist die Haftfestigkeit der aufgebrachten Schichten und die Wirksamkeit über einen oftmals stark eingeschränkten Wellenlängenbereich. Erst komplizierte Schichtsysteme ermöglichen eine Entspiegelung über einen größeren Wellenlängenbereich. Entsprechende Schichtsysteme stellen jedoch erst recht hohe Anforderungen an die Schichthomogenität und neigen zu verminderter Haftfestigkeit durch die Kombination der auftretenden mechanischen Schichtspannungen. Schichtmaterialien sind zudem nicht für jeden Wellenlängenbereich geeignet.
Elektronische, opto-elektronische, sensorische oder mikromechanische Bauelemente weisen als integrale Bestandteile oft optische Komponenten auf, die zur Aufbereitung optischer Signale gekrümmte Oberflächen erfordern, wobei die Gesamteffizienz dieser optischen Komponenten sehr wesentlich von dem Anteil des in die Oberfläche eingekoppelten Strahlungsanteils abhängt. Auch in diesen Fällen ist eine effiziente Entspiegelung wichtig, wobei auch die Kompatibilität der Prozesse zur Herstellung der Entspiegelungsschichten mit den weiteren Integrationsprozessen ein wichtiger Aspekt ist. Häufig führen die komplexen Strukturen der konventionellen Entspiegelungsstrukturen zu aufwendigen und damit kostspieligen Herstellungsschritten, wobei eine breitbandige Wirkung der Entspiegelungsschichten dennoch selten erreicht wird. Überblick über die Erfindung.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für optische Bauteile mit gekrümmten Oberflächen, wie sie als Bestandteile von optoelektronischen integrierten Schaltungen, als Einzelbauelemente oder auch nur als rein optische Komponenten von Geräten vorkommen, eine solche Ausprägung der Oberfläche anzugeben, wodurch eine deutlich verringerte Reflexion über einen weiten (oder: breiten) Wellenlängenbereich erreicht wird.
Erfindungsgemäß wird zu diesem Zweck eine Schicht auf einem Basismaterial mit gekrümmter Oberfläche hergestellt, die eine zumindest für den betrachteten Lichtwellenlängenbereich nahezu graduelle Anpassung des Brechungsindex von dem Basismaterial in das umgebende Medium hervorruft, ohne dass komplexe Schichtsysteme erforderlich sind und die gewünschte "global gekrümmte" Geometrie der Oberfläche des Basismaterials beibehalten bleibt. Dies gelingt durch die Anwendung eines selbstorganisierenden Ätzprozesses, der direkt auf die Oberfläche einwirken kann, wenn diese im wesentlichen aus Silizium aufgebaut ist, oder der zur Herstellung einer geeigneten Struktur in anderen Basismaterialen angewendet werden kann. Dabei wird eine reaktive Plasma-Atmosphäre mit höchstens zwei unterschiedlichen Gaskomponenten mit Sauerstoff und einem reaktiven Gas zur Ätzung von Silizium durch Einstellen von Prozessparametern erzeugt, die eine selbstmaskierende Wirkung zur Erzeugung einer Nanostruktur entfalten. Der Ätzvorgang findet dabei ohne weitere Arbeitsgase statt und wird als ein einstufiger Prozess ausgeführt.
Nach Erzeugung der Plasmaatmosphäre wird die Siliziumoberfläche der Einwirkung des Ätzplasmas ausgesetzt, ohne dass noch weitere Verfahrensschritte stattfinden, insbesondere sind keine weiteren Maßnahmen nötig, um eine gezielte Mikromaskierung der Siliziumoberfläche zu erreichen. Gleichwohl wird praktische "Defektfreiheit" erzielt, in dem Sinne, dass im Wesentlichen keine zusätzlichen Defekte, etwa in Form von Ätznebenprodukten, durch das reaktive Plasma erzeugt werden. Auch Kristallbaufehler werden im Wesentlichen vermieden, wodurch die Halbleitereigenschaften nicht durch den Ätzvorgang verändert werden, wenn dies für die weitere Herstellung der gekrümmten Oberfläche wichtig ist. Dies sind strukturelle Merkmale der erhaltenen Siliziumstruktur, die für die weiteren Schritte vorteilhaft sind, insbesondere wenn die Basis der betrachteten optischen Komponente Silizium ist. Wenn diese Struktur als Grundlage für die Herstellung der Oberflächen anderer Basismaterialien dienen, können diese vorteilhaften Eigenschaften auch für die dazu erforderlichen Schritte ausgenutzt werden. Z.B. kann die durch diese Eigenschaften die Herstellung einer Schablone auf der Grundlage von für kristallines Silizium gut bekannten Mikrostrukturierungsprozessen erfolgen. Eine effiziente Anpassung des Brechungsindex in den gekrümmten Flächen gelingt durch Einstellen des Aspektverhältnisses der in der reaktiven Plasmaatmosphäre entstehenden nadelartigen Strukturen auf einen Wert von 4 oder größer durch Steuern der Prozesszeit, wobei eine Maskierung der Silizium-Oberfläche, sei es durch Fotolack oder andere Stoffe wie Aluminium, Gold, Titan, Polymere, Wasser, oder etwaige Oberflächenverunreinigungen etc. nicht erforderlich ist.
Die erzeugten nadelartigen Strukturen weisen eine für Anwendungszwecke auf gekrümmten Oberflächen im Bereich des sichtbaren Lichts und auch im Infrarotbereich bestens geeignete Form auf. Die durch die selbstorganisierte Maskierung der Ätzung erzeugte Form der nadelartigen Strukturen weist zusätzlich zu dem Aspektverhältnis von größer 4 auch eine "pyramidenähnliche" Form auf, wobei ein sehr spitz zulaufendes Nadelende entsteht, dagegen am Fuß der oben nadelartig auslaufenden Form ein relativ flach auslaufender Bereich erzeugt werden kann, der seicht ausläuft. Die lateralen Abmessungen nehmen zum Fuß hin deutlich zu. Zwischen den so umschriebenen pyramidenähnlichen Strukturen mit Nadelspitze bleibt ein deutlicher Abstand, zumindest 50 nm, so dass trotz hoher Nadeldichte zu dicht nebeneinander stehende Nadeln verhindert werden. Solche zu dichten Nadeln würden zu einem größeren Gebilde zusammenlaufen und den Ätzvorgang hier zum Erliegen bringen.
Die mit den gegebenen Umschreibungen spezifizierten Formen sind nicht alle gleich, aber im Mittel und in der statistischen Verteilung wirken sie regelmäßig und jeweils individuell scharf abgegrenzt. Ihre Dichteverteilung ergibt sich dennoch zu etwa 50 "pyramidenähnlichen Nadeln" pro Quadratmikrometer, jedenfalls deutlich unter 100 Nadeln pro μm2, bei einer Höhe der pyramidenähnlichen Nadeln von oberhalb 400 nm, insbesondere im Bereich um 500 nm und bei etwa vergleichbarer Tiefe eines Zwischenraums zwischen den pyramidenähnlichen Nadeln. Zwischen benachbarten solchen Nadeln bleibt der mindestens 50 nm breite Zwischenraum, der erst am unteren Fuß des pyramidenähnlichen Verlaufs, dort wo der Fußbereich relativ flach, geradezu seicht ausläuft, zusammenläuft. Die Pyramide soll nicht so verstanden werden, dass nur vier Seiten vorhanden sind; noch mehr Seiten sind ebenso möglich, bis zu einer vielseitigen Pyramidenform und hin zu einer annähernd runden Form im Querschnitt.
Mit anderen Worten sind die meisten der regelmäßig verteilten pyramidenähnlichen Nadeln oben eine spitze Nadel, im darunter liegenden Höhenabschnitt von pyramidenartiger Form und im Fußbereich lateral breiter werdend mit einem relativ flachen Auslauf, also abweichend von einer Pyramidenform. Diese pyramidenähnlichen Nadeln können erheblichen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt werden, so dass sie direkt als Brechungsindex- Anpassschicht oder Entspiegelungsschicht dienen können, wenn das Silizium auch als Basismaterial dient, oder weitere Schritte erforderlich sind, etwa das Aufbringen eines Passivierungsmaterials, die Verwendung als Nanoschablone für die Herstellung nadelartiger Spitzen in anderen Materialien, Oxidationsprozesse, und dergleichen. Allenfalls werden die Nanostrukturen bei entsprechender Belastung verbogen oder "verschmiert", aber nicht zerstört. Mechanische Beanspruchungen der folgenden Art führen nicht zu einem Zerstören der Nano-Nadelstruktur, dass damit nachteilige Folgen hinsichtlich der Reflexion der Nanostruktur mit den pyramidenähnlichen Nadeln entstehen:
gleichmäßiger flächiger Druck senkrecht auf die Nadeln;
AFM im Kontaktmode;
Profilometer.
Eine Profilometernadel des Profilometers übt einen Druck zwischen 0,1 und 10 mg auf die zu messende Probe aus (die Nano-Oberfläche mit den pyramidalen Nadeln). Die Profilometernadel ist sehr spitz, nimmt aber in ihrem Durchmesser schnell zu, so dass bei ihrer Bewegung auf einer Messprobe eine 5μm tiefe Vertiefung mit einer Breite von 1 μm nicht mehr exakt im Messbild aufgelöst werden kann. Bei einem Druck von normalerweise 5 mg und einer Bewegung der Profilometernadel mit einer Geschwindigkeit von bis zu 100 μm/sec auf der Nanostruktur wurde kein nachteiliger Einfluss auf die Reflexionseigenschaften der Nanostruktur festgestellt, wie er bei einer Zerstörung der pyramidalen Nadelstruktur eintreten würde.
Insgesamt konnte für die entstehende (flächige) Nanostruktur bereits bei einer mittleren Länge oder Höhe der Strukturen von etwa 400 nm bis 500 nm und unter 1000 nm ein sehr günstiges Entspiegelungsverhalten im sichtbaren Bereich und auch bis 3000 nm Wellenlänge oder mehr auf gekrümmten Oberflächen von beispielsweise Mikrolinsen, etc. nachgewiesen werden.
Auch diese Eigenschaft umschreibt indirekt die Strukturen der "pyramidenähnlichen Nadeln". Die (gesamte) Reflexion liegt unter 0,7% für einen Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und etwa 800 nm (gestreute und direkte Reflexion). In einem erweiterten Bereich zwischen 180 nm und 3000 nm liegt die (gesamte) Reflexion unter 2%, wobei praktisch nur die gestreute Reflexion beiträgt. Die Reflexion ist eine physikalische Eigenschaft der Nanostruktur, welche reproduzierbar, messbar und mit einer anderen Struktur vergleichbar ist. Ohne die Erfindung durch die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, so deuten Untersuchungen darauf hin, dass die effiziente selbstorganisierte Maskierung (als "Selbstmarkierung") durch den Ätzprozess selbst und nicht durch bereits vorhandene oder speziell hinzugefügte Stoffe erreicht wird. Entsprechende Untersuchungen auf Grundlage der Augerelektronenspektroskopie (AES) und der Energiedispersion- Röntgenspektroskopie (EDX) zeigen an, dass die maskierende Wirkung durch SiOx hervorgerufen wird, so dass eine hohe Abschirmwirkung durch das lokal gebildete Siliziumoxid erreicht wird. Dies führt insgesamt zu einem moderat geringen Silizium- Verbrauch während der Erzeugung der nadelartigen Strukturen mit "pyramidenähnlicher Form" bei gleichzeitig hohem Aspektverhältnis und vorhandenem Zwischenraum, so dass das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft und effizient in der Halbleiterfertigung mit einem hohen Maße an Prozesskompatibilität in vielen Feldern einsetzbar ist.
Es werden keine Defekte zur gezielten Maskenformation ausgenutzt. An die Stelle der gezielten Maskierung vor einem Ätzprozess tritt somit die zuvor beschriebene selbstorganisierte, durch die speziellen Prozessbedingungen hervorgerufene Maskierung während des Ätzprozesses. Durch die Kombination der Selbstmaskierung mit der Ätzung während des RIE-Prozesses wird somit die Erzeugung von selbstorganisierten Pyramidenstrukturen im Nanometerbereich durch das Plasma ermöglicht. Es ist dadurch möglich, eine glatte Siliziumoberfläche in eine statistisch gesehen regelmäßige, quasi geordnete Nadelstruktur im Nanometerbereich, d.h. mit lateralen Abmessungen im Bereich unterhalb der üblichen Lichtwellenlängen, beispielsweise des Wellenlängenbereichs des sichtbaren Lichts umzuwandeln. Insgesamt wird so selbst über eine global gekrümmte Oberfläche hinweg, d.h., der Krümmungsradius ist sehr viel größer als die lateralen Abmessungen der Nanostrukturen, eine hervorragende Homogenität des Reflexionsverhaltens erreicht.
Ferner gelingt es in einem einzigen Ätzschritt sowohl die Anzahl der Kontaminationsdefekte, die beispielsweise durch Ätznebenprodukte üblicherweise verursacht werden, sowie Kristallschäden, die in konventionellen plasmagestützten Verfahren anzutreffen sind, deutlich zu reduzieren oder im Rahmen der Messgenauigkeit im wesentlichen zu vermeiden. So ließen sich weder mit RHEED, CV- Messungen, TEM oder PDS (Photothermische Deflektions-Spektroskopie), derartige Defekte - in Folge des erfindungsgemäßen Ätzregimes - nachweisen. Auch eine einfache Photodiode, beispielsweise blauen Lichts, deren Oberfläche mit diesem Prozess bearbeitet wurde, wies keine Besonderheiten auf, welche auf erhöhte Defektdichten hinweisen. Somit kann die hergestellte Nanostruktur durch einen einzelnen Plasmaätzschritt in einer Qualität bereitgestellt werden, die keine weiteren Materialabtragungen erfordert. Die mit dem Verfahren erzeugten Strukturen zeigen keine Randabschattung an hohen Kanten. Es ist damit beispielsweise möglich, wenige μm große Flächen zu strukturieren, auch wenn die Fläche durch eine 5μm hohe Struktur eingefasst wird, so dass sich ein große Flexibilität bei der Herstellung entsprechender gekrümmter Oberflächen von optischen Komponenten und die Positionierung der Brechungsindexanpassschicht darauf ergibt.
Die Strukturierung des Siliziums erfolgt durch das Plasma im RIE-Prozess. Diese Strukturen werden durch den Ätzprozess stark vertieft, wodurch sich im Ergebnis die Strukturen im Nanometerbereich mit enormen Aspektverhältnissen ergeben.
Die damit erzeugte Struktur hat eine defektarme Nanostruktur-Oberfläche, die auf dem Basismaterial des optischen Bauelements hergestellt werden kann. Eine Höhe der freistehenden pyramidenähnlichen Nadeln beträgt zumindest 400 nm und einen Zwischenraum von zumindest 50 nm. Die Höhe liegt zwischen 400 nm und 1000 nm, was sich aus Bildern der Elektronenstrahlmikroskop-Aufnahme ablesen lässt, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Die bildliche Darstellung soll eine nur eingeschränkt mögliche strukturelle Umschreibung der pyramidenähnlichen Nadeln und ihres Umfelds ersetzen. Zum Vergleich mag auf das John Hancock Centre in Chicago verwiesen werden, das ca. 350m hoch ist, leicht pyramidenähnlich ist sowie ein laterales Fußmaß (ohne seichtes, relativ flaches Auslaufen) von etwa 85m aufweist. Diese Struktur ist in einer um den Faktor 109 reduzierten Form in bspw. Silizium aufgebaut, vielfach nebeneinander und nur schwer in diesem Maßstab mit den derzeitigen bildgebenden Verfahren sichtbar zu machen und deutlich zu beschreiben. Diese Aufgabe ist einerseits nicht einfach, andererseits wird sie im Wesentlichen dadurch erfüllt, dass die Wirkungen dieser Strukturen gemessen und dargestellt werden.
Gemäß der beanspruchten Lehre (Anspruch 1 sowie Ansprüche 6, 19 und 27) wird somit unter Verwendung durch den dort umschriebenen Prozess, der auch bereits zuvor erläutert ist, eine Schicht zur Anpassung des Brechungsindex des Basismaterials mit gekrümmter Oberfläche und dem umgebenden Medium hergestellt, so dass damit eine gewünschte breit-bandige Entspiegelung erreicht wird.
Beansprucht ist ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils. Das Herstellen einer global gekrümmten Oberfläche erfolgt in ein Basismaterial. Durch die (global) gekrümmte Form werden Strahlen eines auf die gekrümmte Oberfläche auftreffenden Lichts in ihrer Ausbreitungsrichtung verändert, im Sinne einer Brechung. Die Strahlen des Lichts treten auch in die gekrümmte Oberfläche ein.
Eine Schicht zur Anpassung eines Brechungsindex wird mit einer Nanometerstruktur in dem Basismaterial erzeugt. Dabei bleibt die globale Krümmung der Oberfläche erhalten. Die Anpassungsschicht entsteht unter Anwendung des beschriebenen Prozesses. Umfasst davon sind
Ein Erzeugen einer reaktiven Plasma-Atmosphäre auf der Grundlage von höchstens zwei unterschiedlichen Gaskomponenten.
Die Gaskomponenten sind Sauerstoff und ein reaktives Gas zur Ätzung von Silizium, ohne einen Zwischenschritt. Insbesondere sind keine weiteren Gaskomponenten beteiligt.
Durch Einstellen von Prozessparametern entfaltet sich eine "selbstmaskierende Wirkung" mit der Folge der Erzeugung einer Nanometerstruktur (einer solchen Schicht) mit nadelartigen Nanostrukturen.
Durch ein Steuern der Prozesszeit zur Einwirkung der Plasma- Atmosphäre wird das Aspektverhältnisses der in der Plasma- Atmosphäre (selbstmaskierend) entstehenden nadelartigen Strukturen auf einen Wert von zumindest vier eingestellt.
Das Basismaterial der optischen Komponente kann direkt Silizium sein (Ansprüche 19 bis 26, Ansprüche 10 bis 13), das bei Bedarf nach der Strukturierung noch weiterbehandelt werden kann, z.B. zumindest teilweise in Oxid umgewandelt werden kann, oder aber aus nadelartigen Siliziumstrukturen können Schichten durch Abformen hergestellt werden, so dass diese Strukturen dann einen graduellen Brechungsindexübergang in einer Vielzahl von Materialien ermöglichen. Dabei kann das Basismaterial auch gleichzeitig seine globale Oberflächenkrümmung durch das Abformen erhalten (Anspruch 5), so dass eine große Flexibilität bei der Materialauswahl und ein effizientes Herstellungsverfahren für die Entspiegelung der gekrümmten Oberflächen bereitgestellt werden.
Die erfindungsgemäße Oberflächenstruktur für global gekrümmte Geometrien kann daher in einer Vielzahl möglicher Bauelemente eingesetzt werden, bspw. optoelektronischen Schaltungen (Anspruch 15, 22, 31 ), aber auch in Absorptionselementen für Steuerungs- und Messzwecke (Anspruch 23, 32), wodurch nahezu die gesamte auf der gekrümmten Oberfläche auftreffende Lichtintensität absorbiert und damit erfasst werden kann.
Auch kann eine deutliche Erhöhung der Effizienz bei Bauelementen erreicht werden, die für eine Durchstrahlung ausgelegt sind (Anspruch 33), etwa eine Linse, wobei eine oder beide Flächen wirksam entspiegelt sein können.
Wie im weiteren beschrieben ist, werden die Temperatur der Siliziumscheibe und das Verhältnis der Arbeitsgase am Reaktionspunkt auf der Silizium Oberfläche geeignet eingestellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist dabei die Temperatur der Siliziumoberfläche auf 27°C, dazu bevorzugt im Bereich ±5°C festgelegt. Somit kann eine effiziente Einstellung der weiteren Prozessparameter, etwa der in den Ansprüchen und in der folgenden Beschreibung spezifizierten Durchflussraten erfolgen, da die Temperatur, die typischerweise einen "sensiblen" Parameter repräsentiert, in sehr genauer Weise vorgegeben ist.
Auch der Prozessdruck und die Plasmaleistung werden geeignet aufeinander abgestimmt, wie dies in der folgenden Beschreibung dargelegt ist, um das gewünschte Aspektverhältnis bei gleichzeitig reduzierter Kontaminationsrate und geringer Kristallfehlerdichte zu erhalten.
Insbesondere wird unter Beibehaltung einer Sauerstoffkomponente in der angegebenen Weise das Verhältnis von nicht mehr als zwei Arbeitsgasen so eingestellt, dass Ätzabtrag und Selbstmaskierung sich die Waage halten. Dadurch wird sowohl die Strukturierung als auch die geforderte Defektfreiheit gewährleistet (keine zusätzlichen Defekte aufgrund des Ätzregimes).
Im vorliegenden Verfahren können die absoluten Parameterwerte effizient dem Anteil der offenen (oder freien) Siliziumoberfläche, die als Basis für die Gestaltung der gekrümmten Oberfläche dient, angepasst werden. Wenn die Si-Oberfläche zu einem hohen Flächenanteil von einer Maskenschicht, beispielsweise Oxid oder Siliziumnitrid, bedeckt ist, da beispielsweise nur gewisse Bereiche der Oberfläche oder einer Schablone eine entsprechende Nadelstruktur erhalten sollen, kann dies zumindest durch eine Erhöhung des reaktiven Gasanteils, beispielsweise des SF6 Anteils, ausgeglichen werden, insbesondere auch bei einer Erhöhung des SF6 Anteils, gleichzeitiger Verringerung des Sauerstoffanteils und gleichzeitiger Erhöhung des Prozessdruckes.
Es ist durch den zuvor beschriebenen Prozess möglich, in kurzer Zeit mit Hilfe beispielsweise einer einfachen RIE-Anlage mit Parallel-Plattenreaktor die gewünschten Nanometerstrukturen mit hohen, veränderbaren Aspektverhältnissen herzustellen. Dies ist großflächig sowie mit gezielter Anpassung der Prozessparameter auch in kleinsten Bereichen möglich, so dass einzelne Bauelemente, etwa optische aktive Bereiche von optoelektronischen Bauelementen, und dergleichen gezielt mit einer entsprechenden Nanostruktur auch auf anspruchsvollen Geometrien mit gewünschter Krümmung versehen werden können, ohne dass andere Bauteilgebiete nachteilig beeinflusst werden. Nicht zu strukturierende Bereiche können einfach, z.B. von einer Oxidmaske, geschützt werden. Ferner kann aufgrund der geringen Kontaminationsrate und der geringen Kristallfehlerdichte eine unmittelbare Weiterverarbeitung nach der Herstellung der flächigen Nanostruktur erfolgen, ohne dass aufwendige Vorbereitungs- und/oder Nachbearbeitungsprozesse erforderlich sind.
Ein weiteres geeignetes Verfahren umfasst das Erzeugen einer reaktiven Plasmaatmosphäre mit Sauerstoff und einem reaktiven Gas, das aus einer Mischung aus HCl und BCI3 besteht, zur Ätzung von Silizium ohne weitere Prozessschritte durch Einstellen von Prozessparametern, die eine selbstmaskierende Wirkung zur Erzeugung einer Nanostruktur mit nadelartigen Strukturen entfalten. Auch in diesem Falle kann ein selbstorganisierender Maskierungseffekt erreicht werden, so dass die zuvor beschriebenen Eigenschaften (oder Formen) der Nanostrukturen erhalten werden.
Durch diese Verfahren kann eine - flächig ausgedehnte - Nanostruktur bereit gestellt werden, die statistisch verteilte, einkristalline nadelartige Siliziumstrukturen aufweist, die auf einer einkristallinen Siliziumbasisschicht ausgebildet sind, wobei das Aspektverhältnis der nadelartigen Siliziumstrukturen 4 oder größer ist und wobei die Kristallfehlerdichte in den Siliziumstrukturen nicht höher ist als in der Siliziumbasisschicht ist. Diese Strukturen können dann bei Bedarf weiterverarbeitet werden, wie dies zuvor beschrieben ist, um daraus die Entspiegelung für die gekrümmte Oberfläche herzustellen.
Die Nanostruktur, die somit Siliziumstrukturen mit lateralen Abmessungen aufweist, die typischerweise unterhalb der Wellenlänge des sichtbaren Lichts liegen, kann damit in effizienter Weise als eine Schicht in Bauelementen verwendet werden, in denen eine graduelle Veränderung des Brechungsindex zwischen Silizium oder einem anderen Basismaterial und einem, das Basismaterial umgebenden Medium gewünscht ist. Auf diese Weise wird eine Anpassung der Brechungsindex zwischen dem Basismaterial und dem Medium erreicht. Dadurch kann das Reflexionsverhalten und/oder das Transmissionsverhalten von optoelektronischen Bauelementen, die mit gekrümmten Oberflächen zum Erreichen der gewünschten optischen Wirkung versehen sind, deutlich verbessert werden.
Der Gegenstand der Erfindung weist unter anderem die Vorteile auf, dass eine breitbandige Entspiegelung bei gekrümmten Siliziumoberflächen oder anderen optisch wirksamen Oberflächen erreicht wird, wobei, wenn Silizium das Basismaterial ist, keinerlei Material aufgebracht zu werden braucht, sondern lediglich die Oberfläche modifiziert wird. Es ergeben sich keinerlei Haftfestigkeitsprobleme, keine Schichtspannungen und keine Einschränkungen im optischen Wellenlängenbereich.
Die Entspiegelung weist weiterhin den Vorteil auf, dass die direkte Reflexion deutlich geringer ist als die gestreute Reflexion und somit durch geeignete Maßnahmen (Blenden, dunkle Fassungen, etc.) in ihren Auswirkungen unterdrückt werden kann. Die hervorragende Homogenität der Entspiegelung über eine große Fläche minimiert den Kontrollaufwand für gefertigte Bauelemente enorm. So muss beispielsweise für Mikrolinsenarrays nicht jede Linse einzeln vermessen werden.
Zur Erzeugung der Nanostruktur in der Oberfläche wird der beschriebene RIE- Siliziumätzprozess angewendet. Die erzeugten Strukturen lassen sich durch eine Oxidation von Silizium in Oxid umwandeln, wodurch die Entspiegelung auch für gekrümmte Oxidflächen anwendbar ist. Auch andere Oberflächenprozesse, etwa eine Nitrierung oder andere Behandlungen lassen sich unproblematisch nach der Erzeugung der nadelartigen Struktur durchführen. Darüber hinaus lässt sich die erzeugte Siliziumoder Oxid-Nanostruktur in der gekrümmten Oberfläche durch Abformen auch auf andere Materialien übertragen, um zum Beispiel ein Prägewerkzeug für andere Materialien herzustellen.
Weitere Ausführungsformen sind in der folgenden Beschreibung dargelegt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen.
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen unter Zuhilfenahme der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine elektronenmikroskopische Aufnahme einer RIE-geätzten
Siliziumoberfläche im Schnitt in einem Bereich, der teilweise durch eine Oxidschicht abgedeckt ist,
Fig. 2 eine elektronenmikroskopische Aufnahme mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind,
Fig. 3 eine TEM-Aufnahme von der Spitze einer Silizium-Nadel in Durchstrahlung mit hoher Auflösung,
Fig. 3a die Aufnahme aus Figur 3 so gedreht, dass die [001] Richtung vertikal ist,
Fig. 4a die elektronenmikroskopische Aufnahme von Figur 2 mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind, hier ein linker Abschnitt,
Fig. 4b die elektronenmikroskopische Aufnahme von Figur 2 mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind, hier ein Zwischenabschnitt,
Fig. 4c die elektronenmikroskopische Aufnahme von Figur 2 mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind, hier ein rechter Abschnitt,
Fig. 5 die elektronenmikroskopische Aufnahme von Figur 2 mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind, hier ein vorderer Abschnitt, Fig. 6 die elektronenmikroskopische Aufnahme von Figur 2 mit schräg einfallendem Elektronenstrahl, aus der die Homogenität der Verteilung der Siliziumnadeln und die Tiefe der Zwischenräume zwischen den Nadeln sichtbar sind, hier vollständig,
Fig. 7 entsprechende Ergebnisse Reflexion von Licht an einer gekrümmten Oberfläche mit einer Entspiegelungsschicht, die auf der Grundlage einer nadelartigen Struktur hergestellt ist, wie sie auch in den vorhergehenden Figuren gezeigt ist,
Fig. 8a ein optisches Bauteil mit einer gekrümmten Oberfläche vor dem Ausbilden einer nadelartigen Nanostruktur,
Fig. 8b das optische Bauteil mit der gekrümmten Oberfläche nach dem Ausbilden einer nadelartigen Nanostruktur,
Fig. 8c ein optisches Bauteil mit einer gekrümmten Oberfläche beim
Ausbilden einer nadelartigen Nanostruktur durch Abformung einer aus Silizium hergestellten Nanostruktur, und
Fig. 9a,
Fig. 9b,
Fig. 9c,
Fig. 9d Beispiele, bei denen die gekrümmte Oberfläche (mit einer nadelartigen Nanostruktur) durch eine Behandlung in ihrer Materialzusammensetzung, bspw. durch Oxidation, verändert wurde. Es ist jeweils nur ein schmaler lateraler Ausschnitt gezeigt.
Detaillierte Beschreibung.
Figur 1 zeigt ein Silizium enthaltendes Bauelement 1 mit einer Nanostruktur 2, die eine einkristalline Siliziumbasisschicht 3 aufweist, auf der nadelartige Siliziumstrukturen 4 ausgebildet sind. In dieser Anmeldung sind nadelartige Siliziumstrukturen als "pyramidenähnliche" Strukturen zu verstehen, die eine Spitze aufweisen mit lateralen Abmessungen von wenigen Nanometern, wobei die Spitze nach unten hin in ihrer lateralen Abmessung deutlich zunimmt, so dass im unteren Bereich der Struktur eine laterale Abmessung von einigen zehn Nanometern oder bis zu 100 nm erreicht wird. Die Siliziumbasisschicht 3 ist in dieser Ausführungsform von einer Maskenschicht 5 begrenzt, die aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder dergleichen aufgebaut sein kann, wobei die nadelartigen Siliziumstrukturen 4 bis zu einem Randbereich 5a der Maskenschicht 5 ausgebildet sind. In der gezeigten Ausführungsform ist die Siliziumbasisschicht 3 ein Teil einer Siliziumscheibe mit 6 Zoll Durchmesser mit einer (IOO)-Oberflächenorientierung, die eine p-Dotierung aufweist, die einen spezifischen Widerstand von 10 Ohm*cm ergibt.
Wie zuvor bereits ausgeführt wurde, kann die Basisschicht 3 jedoch eine beliebige Kristallorientierung mit einer beliebigen Vordotierung aufweisen. In alternativen Beispielen kann die Basisschicht 3 im wesentlichen aus amorphem oder polykristallinem Silizium gebildet sein.
Figur 2 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt der Nanostruktur 2, wobei der Einfallswinkel des sondierenden Elektronenstrahls mit einem Neigungswinkel von etwa 17° eingestrahlt wird, um die Größenverhältnisse in der lateralen Richtung und in der Höhen- bzw. Dickenrichtung der pyramidenartigen Strukturen 4 deutlicher zu zeigen. Wie aus den Fig. 1 und 2 zu erkennen ist, weisen die Siliziumstrukturen 4 eine Höhe auf, die im Mittel bei etwa 1000 nm liegen, so dass in einigen Ausführungsformen eine Höhe erreicht wird, die größer ist als die Wellenlängen des sichtbaren Lichts. In der Skala mit 2 μm sind 10 Skalenteile bei Figur 2 aufgetragen. Bei Figur 1 sind es 500 nm pro Skalenteil.
Aufgrund des gekippten Elektronenstrahls von 17° ist die als Maß eingetragene Höhe in Fig. 2 von 603 nm auf die reale Höhe umzurechnen. Auch umgerechnet werden kann die Höhenerstreckung um bis zu 60 % für niedrigere pyramidenähnliche Nadeln, die ab etwa 400 nm ihre Wirkungen erreichen. Dies erfolgt durch Stauchung der Figur 2 in Höhenrichtung auf 40 % der dargestellten Höhe. Aber auch pyramidenähnliche Strukturen 4 mit einer mittleren Höhe im Bereich von 400 nm zeigen in vielen Anwendungen ausgezeichnete optische Eigenschaften. So konnte beispielsweise für eine mittlere Höhe von 400 nm eine ausgezeichnete Entspiegelung im sichtbaren Wellenlängenbereich und bis zu 3000nm beobachtet werden.
Wie aus Figur 1 erkennbar ist, kann eine mittlere maximale Höhe der Siliziumstrukturen 4 auch bei im Wesentlichen 1000 nm liegen.
Andererseits zeigen die Figuren 1 und 2, dass die laterale Abmessung der Siliziumstrukturen (am Fuß) bei weniger als 100 nm oder einigen zehn Nanometern (deutlich weniger) liegt, so dass im Mittel ein Aspektverhältnis von Höhe zu lateraler Abmessung von 4, oder höher erreicht wird.
Die in Figuren 1 und 2 dargestellten Ergebnisse, die sich auf eine 6-ZoII(IOO)Si- Scheibe mit p-Dotierung, einen 10 Ohrrfcm Widerstand und einen Flächenanteil der Oxidmaske von größer 90% (bis im Wesentlichen 93 %) beziehen, wurden hergestellt in einem Einzelschritt Plasma-Ätzverfahren in einer Anlage mit Parallel-Plattenreaktor des Typs STS 320 mit folgenden Parametern:
SF6-Gasfluss: lOO sccm
O2-Gasfluss: 20 sccm
Gasdruck: 70 mTorr
Temperatur der Si-Scheibe: 27 Grad Celsius Plasmaleistung: 100 W
Ätzzeit: 2 min
Sich selbst einstellender BIAS (Gleichspannungspotential zwischen der Plasmaatmosphäre und der zu ätzenden Oberfläche): variiert um 350 V.
In alternativen Beispielen wurden vergleichbare Ergebnisse für die nanostrukturierte Oberfläche erzielt. Ausgangsparameter und Prozessparameter werden unten angegeben. Für einen Flächenanteil von 0,1% Silizium und 99,9% Oxidmaske, mit folgenden Parametern.
150 sccm SF6
20 sccm O2
91 mTorr
27 0C
100 Watt
4 Minuten Ätzzeit (Prozesszeit)
Für 100 % Siliziumfläche, also eine blanke Siliziumscheibe
65 sccm SF6
23 sccm O2
50 mTorr
27 0C
100 Watt
10 min bis 20 min Ätzzeit (Prozesszeit).
Für blanke Siliziumscheiben sind auch bis zu 20 min Prozesszeit sinnvoll. Dann wird mit dem Prozess eine extrem hochwertige Entspiegelung der mit den Nadeln nanostrukturierten Oberfläche erhalten.
In anderen Ausführungsformen wurden Gasflussraten von zwischen 50 bis 150 sccm für das reaktive Gas, also SF6, CnFm oder HCI/BCI3 vorgesehen. Für Sauerstoff sind Gasdurchflussraten von 20 bis 200 sccm vorgesehen. Ferner wird in einigen Ausführungsformen die Temperatur des Substrats und damit der Basisschicht 3 auf einen Bereich von 27°C ± 5°C eingestellt.
Die 6" (Zoll, inch) Scheibe lag in der Anlage RIE STS 320 auf einer 8" Scheibe auf und auch neben der 8" Scheibe kann das Plasma wirken. Eine Leistungsdichte kann in erster Näherung abgeschätzt werden. Die Plasmaleistung kann im Bereich von 100 W bis 300 W eingestellt werden, was für eine 6 Zoll Scheibe einer Leistungsdichte von etwa 4 W/cm2 bis 12 W/cm2 entspricht.
Aus den obigen Angaben können entsprechende Parameterwerte für andere Ätzanlagen und andere Bedeckungsgrade der mit den pyramidenartigen Strukturen zu strukturierenden Siliziumbasisschicht 3 ermittelt werden. Beispielsweise kann ein geringerer Bedeckungsgrad der Siliziumbasisschicht durch eine niedrigere Gasflussrate des reaktiven Gases berücksichtigt werden.
Ist keine Maske gegeben, ist der reaktive Gasanteil niedrig, und vice versa.
Mit den obigen Einstellungen ergaben sich generell an den nicht durch die Maskenschicht 5 maskierten Bereichen die Si-Nadeln 4 mit einer Höhe von ca. 1000 nm in statistischer Verteilung.
Als Maskenschicht 5 eignen sich z.B. Siliziumoxide oder Siliziumnitride.
Bearbeitete Scheiben mit gleichartigen Strukturen (ohne Oxidmaske) werden völlig schwarz und zeigten eine Reflexion von unter 0,4% für den Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000 nm bei gleichzeitig hervorragender Homogenität dieser Eigenschaft über den gesamten Wafer (Scheibe). Insbesondere auch in einem in beiden Richtungen sich darüber hinaus erstreckenden Wellenlängenbereich zwischen 180 nm bis 3000 nm Wellenlänge ergaben die Untersuchungen ein noch immer hervorragendes Entspiegelungsverhalten mit Reflexionen unter 2%. Die Reflexionen erfassten hier (praktisch nur) die Reflexionen in alle Raumwinkel.
Ferner sind die durch den plasmagestützten einstufigen Strukturierungsvorgang hervorgerufenen Kristallschäden sowie die Kontamination sehr gering und sind bei den gezeigten Ausführungsbeispielen unterhalb der Nachweisgrenze. Es konnten keine Restsubstanzen nach dem Plasma-Strukturierungsprozess detektiert werden und die Kristallqualität der Siliziumstrukturen ist nahezu identisch zu der Kristallqualität der Siliziumbasisschicht vor dem Ätzprozess.
Wie in Figur 3 zu erkennen ist, sind die Nadelabschnitte der pyramidenähnlichen Nadeln an ihrem Ende 4a nahezu atomar spitz. Die lateralen Abmessungen des Endes 4a betragen nur wenige Nanometer. Ferner sind einzelnen Netzebenen (111 ) des einkristallinen Nadelabschnitts deutlich zu erkennen, ohne dass durch die Ätzung hervorgerufene Kristallfehler erkennbar sind.
Figur 3 zeigt von einer pyramidenähnlichen Nadel 4 eine einzelne Spitze 4a bzw. einen Endbereich mit dieser Spitze 4a. Wie deutlich zu erkennen ist, sind die Nadeln an ihrem Ende 4a nahezu atomar spitz, d.h., die lateralen Abmessungen des Endes 4a betragen nur wenige Nanometer und sind somit kleiner als 10 nm. In der Darstellung der Fig. 3 ist ferner die Kristallrichtung senkrecht zur Oberfläche der Siliziumbasisschicht 3 eingetragen. Diese Richtung entspricht einer [001] Richtung, da für das gezeigte Ausführungsbeispiel die Oberflächenorientierung eine (100) Orientierung ist. Wie erkennbar ist, erstreckt sich der Endbereich mit dem spitzen Ende 4a im wesentlichen entlang der [001] Richtung mit nur einer geringen Abweichung von weniger als 10°, so dass die Strukturelemente nahezu senkrecht mit nur wenigen Graden Abweichung zur Normalen zur Oberfläche der Basisschicht 3 ausgerichtet sind.
Figur 3a ist die [001] Richtung senkrecht ausgerichtet. Mit den Figuren 3, 3a kann auch die Neigung der Seitenwand einer pyramidenähnlichen Nadel im Groben bestimmt werden. Sie liegt bei etwa 4° gegenüber der Normalen [001].
In den einzelnen Netzebenen der einkristallinen Nadel sind keine durch die Ätzung hervorgerufene Kristallfehler erkennbar. In der gezeigten Konfiguration der Basisschicht entsprechen die in Erscheinung tretenden Netzebenen den (111 ) Ebenen.
Durch die nach dem Prozess stark zerklüftete Oberfläche erhöht sich deren Fläche erheblich, wodurch sich die Eigenschaften deutlich ändern. Die vergrößerte Oberfläche bietet eine viel größere Angriffsfläche für sich anlagernde Moleküle und kann damit die Empfindlichkeit von Sensoren erheblich steigern.
Zum Beispiel wurde festgestellt, dass Gase recht lange in der Struktur lokalisiert bleiben. Im optischen Bereich sind die pyramidenartigen Strukturen 4 dahingehend interessant, dass sie in ihrer lateralen Größe kleiner als die Lichtwellenlänge (VIS/NIR) sind und durch ihre Nadelform, d.h., durch die geringe laterale Abmessung des Endbereichs 4a und die relativ große Abmessung am Fuße der pyramidenartigen Struktur, und die hohen Aspektverhältnisse eine nahezu perfekte Gradientenschicht abgeben. Der Brechungsindex verändert sich graduell vom Brechungsindex des Siliziums zu dem Brechungsindex des die Nanostruktur 2 umgebenden Mediums, beispielsweise Luft, so dass eine entsprechende Schicht mit den Strukturen 4 als eine Brechungsindexanpassschicht zwischen zwei Medien bezeichnet werden kann.
Die Nanostruktur 2 ermöglicht damit eine Impedanzanpassung oder Anpassung des Brechungsindex, die zu einer hervorragenden breitbandigen Reflexionsunterdrückung führt.
Es ergibt sich damit ein breites Feld für die Verwendung der Nanostruktur 4 in vielen Mikrobauelementen und auch in anderen Gebieten, so Solarzellen, Sensoren und dergleichen, in denen insbesondere gekrümmte Oberflächen mit verbessertem optischem Verhalten erforderlich sind, etwa Mikrolinsen, Arrays aus Mikrolinsen, und dergleichen. Die Beispiele stellen damit Verfahren und Strukturen bereit, in denen Siliziumstrukturen mit großem und einstellbarem Aspektverhältnis auftreten, wobei aufgrund der (speziellen) Parametereinstellung in dem selbstmaskierenden Plasma-Ätzprozess in einem einzelnen Ätzschritt eine Kontamination und eine Ausbildung plasmabedingter Kristallfehler gering gehalten wird, so dass bei geringem Aufwand für den einstufigen Strukturierungsprozess die sich ergebende Struktur unmittelbar weiter verwendet werden kann, ohne dass weitere Nachbearbeitungsschritte erforderlich sind, wenn nadelartige Siliziumstrukturen in hoher einkristalliner Form erforderlich sind.
Des Weiteren sind keine aufwendigen Oberflächenpräparationen oder zusätzliche Maßnahmen zur Erzeugung einer Mikromaskierung erforderlich. Ein vorausgehende Konditionierung bzw. Aufbereitung kann entfallen.
Mit Hilfe eines RIE-Standardätzverfahrens für Silizium wird ohne jegliche zusätzliche Strukturierungsmaßnahme (e-beam, Interferenzlithographie, o. a.) durch Selbstorganisation eine Vielzahl von nahezu kristallfehlerfreien, nadeiförmigen Strukturen unter anderem mit großem Aspektverhältnis und mit Nanodimensionen auf der Oberfläche einer Siliziumscheibe erzeugt, wodurch unter anderem eine breitbandige Entspiegelung erreichbar ist, wodurch somit eine Anwendung auf gekrümmte Oberflächen ermöglicht wird.
Figur 8a zeigt schematisch im Querschnitt ein optisches Bauelement 8, das hier als ein Mikrolinsensystem (Microlinsenarray) dargestellt ist. Das Bauteil 8 kann integrales Teil einer komplexen Mikrostruktur sein, etwa einer opto-elektronischen Schaltung, in der optische und elektrische Signale verarbeitet werden. Auch mechanische Komponenten können vorgesehen sein, um die gewünschte Funktion zu erhalten. Der Einfachheit halber sind entsprechende weitere Komponenten nicht gezeigt.
Das Bauteil 8 weist ein Basismaterial 8a auf, das für die Herstellung und die Funktion des Bauteils geeignet ist, oder in einer späteren Phase in ein geeignetes Material umgewandelt werden kann. Z.B. ist das Basismaterial Silizium, wenn dieses auch als Oberflächematerial dienen kann oder zumindest in ein geeignetes Material, bspw. Oxid, umgewandelt werden kann, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist. Das Basismaterial 8 weist zumindest eine, bevorzugt mehrere gekrümmte Oberfläche(n) 8b, 8b' auf, wobei die Krümmung als eine globale Krümmung verstanden wird in dem Sinne, dass der Krümmungsradius wesentlich größer ist als jegliche Abmessungen von Nanostrukturen, bspw. die Nanostrukturen 4, die in der Oberfläche 8b zu bilden sind. Die "globale" Krümmung der Oberfläche 8b ist durch Abmessungen definiert, die größer als zumindest Mikrometer sind, wobei eine Strukturierung mit den Nanostrukturen 4 zu keiner wesentlichen Änderung der globalen Krümmung führt.
Wie in Figur 8a gezeigt ist, ist eine maximale Dicke des Basismaterials 8a durch den Wert x gegeben.
Figur 8b zeigt das Bauteil 8 (das Microlinsenarray) nach einem Ätzprozess, wie er zuvor ausführlich beschrieben ist, so dass eine Schicht 8c entsteht, die entsprechende nadelartige Nanostrukturen, bspw. in Form der Strukturen 4, aufweist und somit eine Anpassung des Brechungsindex des Basismaterials 8a zum umgebenden Medium, etwa Luft oder ein anderes Material, hervorruft, wie dies zuvor erläutert ist. Durch die einstufige Ätzung mit den zuvor beschriebenen Eigenschaften ergibt sich die Schicht 8c mit einer ausgeprägten Homogenität in Bezug auf die Eigenschaften der darin ausgebildeten Nanostrukturen sowie im Hinblick auf die Schichtdicke, ohne dass die globale Krümmung zu einer wesentlichen geometrieabhängigen Beeinflussung führt. Auch die Gesamtabmessungen x des Bauteils 8 bleiben im Wesentlichen gleich, da der Ätzprozess so eingestellt werden kann, dass ein unerwünschter Siliziumverbrauch gering ist, da der entsprechende selbstmaskierende Effekt unmittelbar bei Beginn der Ätzung einsetzen kann, wie dies zuvor erläutert ist.
Die Schicht 8c kann somit unter Vermeidung des Aufbringens anderer Materialschichten hergestellt werden, wobei auch weitere Nachbearbeitungen entfallen können, wenn das Basismaterial 8a in Form von Silizium für die Anwendung des optischen Bauteils 8 geeignet ist. Auf diese Weise werden Verspannungen im Bauelement vermieden, die konventioneller Weise auftreten können, wenn mehrere Schichten zur Entspiegelung aufzubringen sind.
Figur 7 zeigt eine entsprechende Messergebnisse der direkten und gestreuten Reflexion, wie sie typischerweise erreicht werden. Man erkennt, dass in einem Bereich von etwa 400 nm bis 800 nm die Gesamtreflexion von der gestreuten Reflexion dominiert und sehr gering ist. Für diesen Wellenlängenbereich liegt die Gesamtreflexion bei 0,7% oder sogar weniger.
Figur 8c zeigt das Bauteil 8 in einer weiteren Ausführungsform, wobei das Basismaterial 8a aus einem anderen Material aufgebaut ist, das in der gezeigten Ausführungsform in einem verformbaren Zustand bereitgestellt ist. Z.B. können eine Vielzahl von Polymermaterialien durch entsprechende Behandlung in einem verformbaren Zustand aufgebracht oder in diesen überführt werden, um damit eine nachfolgende Strukturierung der Oberfläche zu ermöglichen. Dazu weist eine Schablone 9 eine einfach oder mehrfach gekrümmte Oberfläche 9b auf, die einem Schablonenmaterial 9a ausgebildet ist. Die Oberfläche 9b weist eine Schicht 9c mit einer Nanostruktur auf, die die geometrischen Eigenschaften aufweist, wie sie zuvor im Zusammenhang mit der Nanostruktur 4 beschrieben sind. Z.B. kann die Schablone 9 ein Siliziumträger sein, in welchen zusätzlich zur Oberfläche 9b auch die Schicht 9c eingearbeitet ist.
Selbstverständlich kann die Schablone 9 auch aus einem anderen Material hergestellt sein, das wiederum auf der Grundlage eines siliziumbasierten Trägermaterials strukturiert wurde, in ähnlicher Weise, wie dies nachfolgend beschrieben ist. Im Weiteren sei der Einfachheit angenommen, dass die Schablone 9 oder zumindest die Schicht 9c aus einem Silizium enthaltenden Material aufgebaut ist.
Die Schablone 9 kann dann mit dem verformbaren Basismaterial 8a in Kontakt gebracht werden, so dass die Struktur der Schicht 9c zunächst in die Oberfläche 8b" und dann in das Basismaterial 8a übertragen wird, wodurch ebenfalls Nanostrukturen darin gebildet werden. In dieser Ausführungsform wird bei dem entsprechenden Abformungsvorgang auch gleichzeitig die globale Krümmung in der Oberfläche 8b (und dem Basismaterial 8a) gebildet, die als Negativ in der Schablone 9 ausgebildet ist.
Figuren 9a bis 9d zeigen schmale laterale Ab- oder Ausschnitte der gekrümmten Oberflächen 8b, 8b' oder 9b eines optischen Bauteils 8 oder einer Schablone 9, wobei ausgehend von einer Silizium-Nanostruktur eine andere Materialzusammensetzung für die Schicht 8c, 9c geschaffen wird.
Figur 9a zeigt die Schicht 8c, 9c, wie sie sich aus dem zuvor beschriebenen Ätzprozess ergibt, in einem lateralen Abschnitt.
Figur 9b zeigt die Schicht 8c, 9c nach einer gewissen Dauer einer Oberflächenmodifizierung, die in einer zweiten Ausführungsform einen Oxidationsprozess umfasst, so dass ein oxidierter Abschnitt 9d gebildet ist, der in die Tiefe reicht. Auch hier ist nur ein Abschnitt der gesamten gekrümmten Oberfläche darstellt.
Figur 9c zeigt die Schicht 8c, 9c, wenn die einzelnen nadelartigen Strukturen als 9d' vollständig oxidiert sind, als weiteres Beispiel.
Figur 9d zeigt die Schicht 8c, 9c, wenn der oxidierte Bereich 9d" sich noch weiter in das Basismaterial 8a, 9a erstreckt, als noch weiteres Beispiel. Auf diese Weise können andere Materialien als Silizium direkt in gekrümmten Oberflächen von optischen Bauelementen hergestellt werden, beispielsweise wenn die optischen oder elektrischen Eigenschaften von Silizium für die Anwendung nicht geeignet sind. Auch entsprechende Schablonen können somit auf der Grundlage anderer Materialien gebildet werden, etwa aus Siliziumdioxid, wodurch eine große Flexibilität bei der Herstellung von Schablonen für Entspiegelungsschichten ermöglicht wird, da bewährte Fertigungsprozesse aus der Mikroelektronik, etwa selektive Ätzprozesse, und dergleichen in Kombination mit Siliziumdioxide, nitridiertes Silizium, und dergleichen angewendet werden können.
In den gezeigten Ausführungsformen wurden Bauteile mit einer gekrümmten optisch wirksamen Oberfläche gezeigt. Selbstverständlich können auch eine oder mehrere weitere Oberflächen, eben oder gekrümmt, vorgesehen sein und mit der Schicht 8c, 9c versehen werden, um verbesserte optische Eigenschaften zu erreichen.

Claims

Ansprüche:
1. Verfahren zur Herstellung eines optischen Bauteils mit den Schritten
Herstellen einer global gekrümmten Oberfläche (8b) in einem Basismaterial (8a, 9a), um Strahlen eines auf die gekrümmte Oberfläche auftreffenden (und eintretenden) Lichts in der Richtung zu verändern;
Herstellen einer Schicht (8c,9c;4) zur Anpassung eines Brechungsindex durch Erzeugen einer Nanometerstruktur (2;4a) in dem Basismaterial unter Beibehaltung der globalen Krümmung der Oberfläche, wobei die Anpassungsschicht (8c,9c;4) unter Anwendung eines Prozesses erfolgt, welcher umfasst
Erzeugen einer reaktiven Plasma-Atmosphäre auf der Grundlage höchstens zweier unterschiedlicher Gaskomponenten, die Sauerstoff und ein reaktives Gas zur Ätzung von Silizium (3) ohne einen Zwischenschritt enthalten oder sind, durch Einstellen von Prozessparametern, welche eine selbstmaskierende Wirkung zur Erzeugung der Nanometerstruktur (2) mit nadelartigen Strukturen (4,4a) entfalten;
Einstellen eines Aspektverhältnisses der in der Plasma- Atmosphäre entstehenden nadelartigen Strukturen (4,4a) auf einen Wert von vier oder größer, durch ein Steuern einer Prozesszeit der Einwirkung der Plasma-Atmosphäre.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Basismaterial Silizium aufweist und der Prozess direkt auf das Basismaterial zur Strukturierung der gekrümmten Oberfläche angewendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Prozess ferner einen Oxidationsprozess nach der Herstellung der Nanostrukturen umfasst, um diese zumindest teilweise zu oxidieren.
4. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die Herstellung der Schicht zur Anpassung des Brechungsindex umfasst: Herstellen einer Schablone durch den Prozess und Verwenden der Schablone zum Abformen der darin enthaltenen Nanostruktur in das Basismaterial.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Schablone zusätzlich zur Nanostruktur die gekrümmte Oberfläche in dem Basismaterial erzeugt.
6. Optisches Bauelement mit einer optisch wirksamen gekrümmten Oberfläche für Licht im Bereich von im Wesentlichen 400 nm bis 800 nm, wobei eine Brechungsindex-Anpassungsschicht (8c) zur breitbandigen Entspiegelung zumindest im Bereich von
400 nm bis 800 nm vorgesehen ist, die Anpassungsschicht aus nadelartigen Nanostrukturen
(2;4,4a) aufgebaut ist, und die Eigenschaft hat oder haben, eine Gesamtreflexion von 0,7% oder weniger hervorzurufen.
7. Optisches Bauelement nach Anspruch 6, wobei die Nanostrukturen in der Brechungsindexanpassschicht statistisch verteilt sind und ein Aspektverhältnis von vier oder größer aufweisen.
8. Optisches Bauelement nach Anspruch 6 oder 7, wobei eine Schichtdicke der Brechungsindexanpassschicht etwa 500 bis 1000 Nanometer beträgt.
9. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei eine mittlere Dichte der Nanometerstrukturen in der Brechungsindex-Anpassschicht 100 pro Quadratmikrometer oder weniger beträgt.
10. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Nanostrukturen Silizium aufweisen.
11. Optisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei die Nanostrukturen aus Silizium aufgebaut sind.
12. Optisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei die Nanostrukturen aus Siliziumoxid aufgebaut sind.
13. Optisches Bauelement nach Anspruch 10, wobei die nadelartigen Strukturen aus mit Siliziumdioxid überzogenem Silizium bestehen.
14. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Nanostrukturen aus einem durch Prägetechniken verformbaren Material hergestellt sind.
15. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 14, wobei das Bauelement einen Teil oder mehrere Teile einer optoelektronischen Schaltung repräsentiert.
16. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei es sich um ein für durchgehendes Licht geeignetes Bauelement handelt.
17. Optisches Bauelement nach Anspruch 16, wobei eine zweite Oberfläche vorgesehen ist, die mit einer zweiten Brechungsindexanpassschicht mit Nanostrukturen versehen ist.
18. Optisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 15, wobei es sich um ein Absorberbauteil für Steuerungs- oder Messzwecke handelt.
19. Optisches Bauteil (8) mit gekrümmter Oberfläche, die - zur breitbandigen Entspiegelung - aus Silizium enthaltenden Material aufgebaute nadelartige Strukturen mit Nanometer-Dimensionen mit einem Aspektverhältnis größer vier zu eins aufweist.
20. Optisches Bauteil nach Anspruch 19, wobei die nadelartigen Strukturen durch einen einstufigen selbstmaskierenden Ätzprozess hergestellt sind oder herstellbar sind.
21. Optisches Bauteil nach Anspruch 19 oder 20, wobei eine mittlere Dichte der nadelartigen Strukturen der gekrümmten Oberfläche zwischen 50 und 100 Nadeln pro Quadratmikrometer liegt.
22. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 21 , wobei es sich um ein Teil oder mehrere Teile einer optoelektronischen Schaltung handelt.
23. Optisches Bauteil nach Anspruch 19, wobei es sich um ein Absorberbauteil für Steuerungs- oder Messzwecke handelt.
24. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die nadelartigen Strukturen aus Silizium bestehen.
25. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die nadelartigen Strukturen aus Siliziumdioxid bestehen.
26. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei die nadelartigen Strukturen aus mit Siliziumdioxid überzogenem Silizium bestehen.
27. Optisches Bauteil mit gekrümmter Oberfläche, die zur breitbandigen Entspiegelung aus nadelartigen Strukturen mit Nanometer-Dimensionen mit einem Aspektverhältnis größer 4 zu 1 besteht und das Material der nadelartigen Strukturen im Wesentlichen kein Silizium aufweist.
28. Optisches Bauteil nach Anspruch 27, wobei die nadelartigen Strukturen in ihrer Konfiguration Siliziumstrukturen äquivalent sind, die durch einen selbstmaskierenden einstufigen Plasma-Ätzprozess in Silizium herstellbar sind.
29. Optisches Bauteil nach Anspruch 27 oder 28, wobei die nadelartigen Strukturen in einer Materialschicht enthalten sind, die durch Abformung einer entsprechenden Silizium- oder Siliziumdioxidschicht mit einer nadelartigen Struktur strukturiert ist.
30. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 27 bis 29, wobei eine mittlere Dichte der nadelartigen Strukturen der gekrümmten Oberfläche zwischen 50 und 100 Nadeln pro Quadratmikrometer liegt.
31. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 27 bis 30, wobei es sich um ein Teil oder mehrere Teile einer optoelektronischen Schaltung handelt.
32. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 27 bis 31 , wobei es sich um ein Absorberbauteil für Steuerungs- oder Messzwecke handelt.
33. Optisches Bauteil nach einem der Ansprüche 27 bis 31 , wobei es sich um ein für durchgehendes Licht geeignetes Teil handelt, wobei die Oberfläche einer Seite oder die Oberflächen beider Seiten entspiegelt sind.
* ♦ V ♦
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