EP3966363B1

EP3966363B1 - Verfahren zum glätten von oberflächen

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Publication number: EP3966363B1
Application number: EP20724451.8A
Authority: EP
Inventors: Jens Bauer; Melanie ULITSCHKA; Thomas Arnold; Frank Frost
Original assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Oberflachenmodifizierung eV
Priority date: 2019-05-06
Filing date: 2020-05-04
Publication date: 2022-10-26
Anticipated expiration: 2040-05-04
Also published as: EP3966363A1; WO2020225225A1; ES2935471T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Glätten von Oberflächen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Die Glättung von Oberflächen findet als Finishing-Prozess für zahlreiche Produkte Anwendung, wie es zum Beispiel in der Patentschrifte CN106683998 A , CN108385110A und CN5922083 A offenbart wird.
Vor allem bei optischen Anwendungen sind hinreichend glatte Oberflächen erforderlich. Je geringer die Wellenlänge des auf die Oberfläche auftreffenden Lichtes ist, desto entscheidender ist es, Oberflächenrauheiten im Bereich 10-³ 1/µm bis 35 1/µm zu vermeiden. Vor allem Welligkeiten können hier zu beugungsgitterartigen Strukturen führen, die sich nachteilig auf die optischen Eigenschaften der Oberfläche auswirken.
Ein großes Anwendungsfeld, insbesondere im Bereich der Herstellung integrierter, abbi l-dender Spiegeloptiken, haben Oberflächen von optischen Elementen aus Aluminium. Diese Oberflächen werden zumeist mechanisch, beispielsweise mittels Diamantdrehen erzeugt. Dabei entstehen allerdings kleinste Riefen, die zu Oberflächenrauheiten und Welligkeiten führen.
Eine reine mechanische Politur ist bei solchen Aluminium-Oberflächen nicht möglich, weil das Aluminium polykristallin vorliegt und (chemisch unterstützte) mechanische Polituren zu einer Vergrößerung der Rauheit und Welligkeiten führen würden.
Um diese Oberflächen dennoch zu glätten, ist schon bekannt, die Oberfläche durch nasschemische Beschichtung zu glätten. Beispielsweise wird eine amorphe Nickel-Phosphor-Beschichtung aufgebracht, wobei der Phosphorgehalt auf etwa 5 at% eingestellt ist, so dass in einem nachfolgenden Temperschritt eine vollständige Relaxation der kompressiven Schichtverspannung gegenüber dem Aluminium-Volumenmaterial erfolgt sowie Schichthärte und Schichthaftung erhöht werden.
Nachteilig daran ist, dass der nasschemische Beschichtungsschritt und der anschließende Temperschritt aufwändige Zusatzschritte sind, um eine hinreichende Polierbarkeit der optischen Oberfläche für Anwendungen im sichtbaren und UV-Spektralbereich zu ermöglichen. Der Reflexionsgrad für Nickel-Phosphor liegt deutlich unter dem von Aluminium, so dass häufig eine nachträgliche Metallisierung erforderlich ist. Solche erzeugten Spiegeloptiken werden z.B. für die Anwendung in der Laser-Technik oder Belichtungstechnik sowie im Astronomiebereich eingesetzt, wo hohe Anforderungen an die Oberflächengüte, d.h. Formtreue und geringe Rauheit, und hinsichtlich thermischer Last an die Optik gestellt werden. Die Nickel-Phosphor-Beschichtung führt hierbei zu einer Deformation der optischen Oberfläche aufgrund des Bi-Metalleffekts und kann unter Dauerlast verspröden und abplatzen.
Man kann auch mit einer beispielsweise aufgesputterten amorphen Siliziumbeschichtung anstelle der Nickel-Phosphor-Beschichtung arbeiten. Allerdings besteht auch hier zwischen Silizium und Aluminium eine hohe thermische Fehlanpassung, so dass es ebenfalls zu einer Deformation der optischen Oberfläche aufgrund des Bi-Metalleffekts kommen kann und die Silizum-Beschichtung unter Dauerlast verspröden und abplatzen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren zur Glättung von Oberflächen bereitzustellen, das zumindest einen der vorgenannten Nachteile beseitigt. Bevorzugt soll das Verfahren Oberflächen von metallischen, insbesondere auf Aluminium basierenden Optiken besser glätten als bisher. Vorzugsweise sollen die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient) solchermaßen geglätteter Oberflächen im Wesentlichen ohne Beeinträchtigung sein. Insbesondere sollen die erzeugten Oberflächen eine hohe Langzeitstabilität hinsichtlich ihrer geometrischen und/oder optischen Eigenschaften aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit dem erfindungsgemäßen Verfahren nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen und der Beschreibung angegeben.
Erfinderseits wurde erkannt, dass die gestellte Aufgabe in überraschender Art und Weise unter Kombination zweier unterschiedlicher lonenstrahlätzprozesse gelöst werden kann. Dazu wird eine Opferschicht auf die Oberfläche aufgebracht und diese Opferschicht wird in einem lonenstrahl-Ätzschritt abgetragen. Während dieser erste Ätzprozess zumeist nur zu Verbesserungen der Oberflächenrauheit und Welligkeit <2,0 1/µm führt, kann durch einen zweiten Ätzprozess ggf. im Rahmen einer lonenstrahl-Direktglättung (,,Direktglättung" liegt vor, wenn die Opferschicht schon im ersten lonenstrahl-Ätzschritt im Wesentlichen abgetragen wurde und somit im zweiten Ätzschritt eine direkte Wechselwirkung zwischen der ursprünglichen Oberfläche und dem lonenstrahl erfolgt) zusätzlich die Oberflächen-Mikrorauheit >2,0 1/µm reduziert werden. Die Opferschicht ist dabei hinsichtlich ihrer Ätzrate im ersten Ätzprozess an die Ätzrate des Oberflächenmaterials bevorzugt so angepasst, dass unter den gewählten Ätzparametern im ersten Ätzprozess ein formerhaltender Übertrag der Form der Oberfläche erfolgt.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Glätten von Oberflächen, zeichnet sich dadurch aus, dass auf die Oberfläche eine Opferschicht aufgebracht wird und die mit der Opferschicht beschichte Oberfläche mittels lonenstrahlätzen behandelt wird, wobei im Rahmen des lonenstrahlätzens zumindest zwei unterschiedliche Ätzschritte verwendet werden. Die Oberfläche beinhaltet zumindest einen Stoff, beispielsweise Aluminium, wenn es sich um einen aluminiumhaltigen Körper handelt, der eine zu glättende Oberfläche aufweist. Durch die Opferschicht werden die Oberflächenrauheiten der Oberfläche ausgefüllt, wobei die Opferschicht über eine sehr glatte Oberfläche verfügt, die durch den nachfolgenden ersten Ätzschritt in die ursprüngliche Oberfläche übertragen werden kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein erster Ätzschritt besteht, bei dem Stickstoffionen und/oder Fluorionen verwendet werden. Die Fluorionen können beispielsweise über Fluor-haltige Verbindungen (z.B. Trifluormethan, Tetrafluormethan, Stickstofftrifluorid) bereitgestellt werden. Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass Sauerstoffionen und/oder Inertgasionen (beispielsweise atomare Edelgasionen oder Edelgas-Clusterionen (z.B. Argon, Neon)) eingesetzt werden, wodurch sich gegebenenfalls Oxide bilden. Dadurch wird eine Oberflächenschicht umfassend Nitrid und/oder Fluorid und ggf. Oxid in situ gebildet, die eine sehr gute Glättung gestattet. Dies liegt daran, dass durch die starke ionar-kovalente chemische Bindung (Phillips-Ionizität ca. 0,44 bei Nitrid) die Oberflächendiffusion wirksam gehemmt wird. Außerdem werden Inhomogenitäten in der Gefügematrix (beispielsweise eine polykristalline Kornstruktur mit heterogener Zusammensetzung bei Aluminium) durch die an der Oberfläche gebildete Oberflächenschicht passiviert. Die Oberflächenschicht agiert somit als dynamische fortschreitende Ätzfront, wobei die Oberflächenstruktur durch die chemische Bindungsbildung und die Passivierungseigenschaft weitestgehend erhalten bleibt.
Es ist vorgesehen, dass durch den ersten Ätzschritt an der Oberfläche eine modifizierte Oberflächenschicht ausgebildet wird, also eine Schicht, die zumindest einen der in der ursprünglichen Oberfläche enthaltenen Stoffe beinhaltet und zumindest einen weiteren Stoff aus dem ersten Ätzschritt, vorzugsweise aus einem Arbeitsgas des ersten Ätzschrittes, aufweist. Dadurch findet ein Schutz der Oberfläche statt, weil diese modifizierte Oberflächenschicht zum einen passivierend und selbst amorph vorliegt. Dadurch bildet sich eine fortschreitende Ätzfront die verhindert, dass freigelegte Oberflächenteile wieder aufrauen.
Es ist vorgesehen, dass eine Oberflächenschicht mit einer Dicke mit zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm erzeugt wird. Dadurch wird eine besonders gute Ätzfront ausgebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferschicht durch den ersten Ätzschritt vollständig abgetragen wird. "Abgetragen" umfasst in diesem Zusammenhang auch die vollständige chemische Umsetzung der Opferschicht in eine neue Schicht. Dadurch können negative Beeinflussungen der optischen Eigenschaften des Materials durch die Opferschicht vermieden werden. Ein bevorzugtes erfindungsgemäßes Verfahren besteht also darin, dass eine Opferschicht auf die Oberfläche aufgebracht wird und diese Opferschicht in dem ersten lonenstrahl-Ätzschritt vollständig abgetragen und dabei deren glatte Oberfläche in die ursprüngliche Oberfläche überführt wird, so dass diese in ihrer Rauheit die verbesserten Eigenschaften der Opferschicht annimmt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen im ersten Ätzschritt eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus bis zu 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen. Die Gesamtionenenergie überschreitet dabei i.d.R. nicht 5000 eV. Dadurch bildet sich eine besonders homogene Oberflächenschicht mit einer relativ großen Schichtdicke. "Energie je atomarer Bestandteil" meint hierbei, dass mehratomare Ionen, wie CF4-lonen, oder Clusterionen eine Gesamtenergie aufweisen, die der Energie der Summe der atomaren Bestandteile (hier bei CF4 ein Kohlenstoffatom und 4 Fluoratome) entspricht. Wenn das CF4-lon somit eine Energie von 2000 eV aufweist, besitzen die einzelnen atomaren Bestandteile eine Energie von 400 eV. Clusterionen wiederum besitzen 100 bis zu einigen 1000 atomaren Bestandteilen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche zumindest zweimal mit einer Opferschicht beschichtet und nach der jeweiligen Beschichtung mit der Opferschicht mit dem ersten Ätzschritt behandelt wird. Dadurch kann die Welligkeit noch weiter reduziert werden. Die beiden ersten Ätzschritte, die zum Abtrag der jeweiligen Opferschicht verwendet werden, können sich auch voneinander unterscheiden, wobei beispielsweise die Energien, die Geometrie der lonenstrahlen, die Einstrahlwinkel auf die Oberfläche und/oder die verwendeten Ionen unterschiedlich sein können. Auch die Opferschichten können sich voneinander in ihrer chemischen Zusammensetzung und/oder Dicke unterscheiden. Dadurch kann eine besonders gute Anpassung erfolgen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass zumindest ein zweiter Ätzschritt besteht, bei dem Inertgas-Ionen, Fluorionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wobei der zweite Ätzschritt bevorzugt nach ein oder mehreren Zyklen der Beschichtung mit der Opferschicht und des anschließenden ersten Ätzschrittes erfolgt. Dadurch wird die Oberflächenschicht nach dem ersten Ätzschritt wirksam entfernt und die Mikrorauheit kann weiter reduziert werden, wodurch die Oberfläche nahezu unveränderte optische Eigenschaften im Vergleich zu einer unbehandelten Aluminiumoberfläche mit natürlichem Oxid aufweist. Vor allem beim Einsatz von Sauerstoff wird die Oberflächenschicht mit darin möglicherweise noch enthaltenen Bestandteilen der Opferschicht wirksam entfernt.
Die Fluorionen können wiederum beispielsweise über Fluor-haltige Verbindungen (z.B. Trifluormethan, Tetrafluormethan, Stickstofftrifluorid) bereitgestellt werden. Als Inertgasionen können wiederum atomare Edelgasionen oder Edelgas-Clusterionen (z.B. Argon, Neon) verwendet werden.
Für den Fall der Ausbildung einer Nitrid-Oberflächenschicht nach dem ersten Ätzschritt können in dem zweiten Ätzschritt Inertgas-Ionen, Fluorionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wodurch die Nitridschicht wirksam entfernt und die Mikrorauheit weiter reduziert werden können.
Wenn im Rahmen des ersten Ätzschrittes eine Fluorid-Oberflächenschicht ausgebildet wird, dann können in dem zweiten Ätzschritt Inertgas-Ionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wodurch die Fluoridschicht wirksam entfernt und die Mikrorauheit weiter reduziert werden können.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die durch den ersten Ätzschritt modifizierte Oberflächenschicht durch den zweiten Ätzschritt vollständig abgetragen wird. Dadurch kann die Glättung noch weiter verbessert werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Ätzschritt so ausgeführt wird, dass die Oberfläche eine Oberflächenschicht umfassend Oxid und/oder Fluorid aufweist. Dadurch wird eine Schutzschicht an der Oberfläche gebildet.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Ätzschritt so ausgeführt wird, dass die Oberfläche eine Oberflächenschicht mit zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm Schichtdicke aufweist. Während bei normalem Kontakt einer Oberfläche mit Sauerstoff sich eine natürliche Oxidschicht mit ca. 5 nm Dicke ausbildet, wird hier eine größere Dicke bevorzugt, weil damit die Langzeitstabilität der Oberfläche, insbesondere bei Anwendungen mit thermischer Last, verbessert wird.
Bei Verwendung von reinem Inertgas (beispielsweise Edelgas) als Prozessgas im zweiten Ätzschritt entsteht hingegen eine Aluminiumoberfläche ohne Oberflächenschicht, wobei durch nachträglichen Kontakt mit Luft sich instantan eine natürliche Oxidschicht ausbilden wird.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen im zweiten Ätzschritt eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus bis zu 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen. Die Gesamtionenenergie überschreitet dabei i.d.R. nicht 5000 eV. Insbesondere bei Verwendung von Inertgas (beispielsweise Edelgas) als Prozessgas wird die Nitrid- und/oder Fluoridschicht dabei besonders schonend abgetragen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes zumindest anfänglich, vorzugsweise zumindest bis zur Abtragung einer durch den ersten Ätzschritt ausgebildeten Oberflächenschicht, eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von höchstens 700 eV, bevorzugt höchstens 500 eV aufweisen. Durch die verminderte lonenenergie wird die Oberflächenschicht sehr schonend und besonders gründlich abgetragen. Nachfolgend ist insbesondere vorgesehen, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes anschließend eine höhere Energie von zumindest 750 eV, bevorzugt zumindest 900 eV, insbesondere zumindest 1500 eV aufweisen. Die Gesamtionenenergie überschreitet dabei i.d.R. nicht 5000 eV. Wenn der zweite Ätzschritt unter Verwendung von Sauerstoffionen erfolgt, dann wird dadurch eine Oberflächenschicht umfassend Oxid mit relativ großer Dicke erzeugt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass im Rahmen eines dritten Ätzschrittes, der nach dem zweiten Ätzschritt durchgeführt wird, Sauerstoffionen verwendet werden. Dadurch können Oberflächenschichten des zweiten Ätzschrittes, die Fluorund/oder Stickstoff enthalten, sehr schonend abgetragen werden.
Wenn die Ionen des dritten Ätzschrittes eine Energie von zumindest 750 eV, bevorzugt zumindest 900 eV, insbesondere zumindest 1500 eV aufweisen, wird eine Oberflächenschicht aus Oxid mit relativ großer Dicke erzeugt. Zuvor können für einen besonders schonenden Abtrag der Oberflächenschicht des zweiten Ätzschrittes jedoch die Ionen des dritten Ätzschrittes zumindest anfänglich, vorzugsweise zumindest bis zur Abtragung der durch den zweiten Ätzschritt ausgebildeten Oberflächenschicht, eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von höchstens 700 eV, bevorzugt höchstens 500 eV aufweisen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche die Oberfläche eines Metalls, bevorzugt zumindest eines Metalls aus der Gruppe umfassend Aluminium sowie Legierungen, insbesondere Al6061, AI905, AI501, AI708, davon ist. Diese Metalle und Legierungen können vorzugsweise in mikrokristalliner Ausführung oder in Grobkornausfüh-rung vorliegen. Für solche Oberflächen ist das erfindungsgemäße Glättungsverfahren besonders wirksam. Unter "Metallen" werden dabei im Rahmen der vorliegenden Erfindung sowohl Einzelverbindungen als auch auf zumindest einer metallischen Einzelverbindung basierende Legierungen verstanden. Alternativ oder zusätzlich können auch folgende Stoffe verwendet werden: Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Stahl, Keramik, Elementarmetalle oder Legierungen mit Kupfer, Beryllium, Gold, Silber, Titan, Magnesium.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche vor dem Aufbringen der Opferschicht einem mechanischen Oberflächenbehandlungsschritt unterzogen wurde. Das erfindungsgemäße Glättungsverfahren ist für die Glättung von durch mechanische Oberflächenbearbeitung entstandene Oberflächenrauheiten besonders wirksam.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Oberfläche Teil eines optischen Elements, beispielsweise eines Spiegels oder eines Abformwerkzeugs zur Massenfertigung von optischen Elementen ist. Für solche optischen Elemente ist das erfindungsgemäße Glättungsverfahren besonders wirksam.
In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Opferschicht eine Polymerschicht, bevorzugt ein Photolack ist. Solche Polymerschichten lassen sich besonders gut als Opferschicht einsetzen und in ihren Ätzraten an die Ätzraten der Oberfläche anpassen. Es können alternativ auch Oxide oder amorphe Materialien als Opferschicht verwendet werden, Polymere werden jedoch bevorzugt. Die Aufbringung der Opferschicht erfolgt bevorzugt über Standardverfahren der Mikrosystemtechnik wie Aufschleudern, Sprühbeschichtung oder Tauchbeschichtung; alternativ finden physikalische und chemische Depositionsverfahren, wie Bedampfung, Kathodenzerstäubung, chemische Gasphasenabscheidung (thermisch oder plasmaunterstützt), Anwendung.
Die Kennzeichen und weitere Vorteile der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand der Beschreibung zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren deutlich werden. Dabei zeigt rein schematisch:

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

In Fig. 1 ist das erfindungsgemäße Verfahren in einem Blockbildschema dargestellt.
Es ist zu erkennen, dass ein optisches Element 10 (beispielsweise ein Spiegel) mit einer Oberfläche 12, die Oberflächenrauheiten aufweist, mit einem Polymer als Opferschicht 14 beispielsweise mittels Sprühbeschichtung beschichtet wurde. Dadurch bildet sich eine sehr ebene äußere Oberfläche 16 aus, die die Oberflächenrauheiten der Oberfläche 12 des optischen Elements 10 einebnet.
Diese äußere Oberfläche 16 wird nun mit einem lonenstrahl 18 behandelt. Sowohl die Parameter des lonenstrahls 18 (Zusammensetzung des Arbeitsgases, Energie der lonenbeschleunigung, Geometrie des lonenstrahls 18 und Auftreffwinkel auf die äußere Oberfläche 16) als auch die Parameter des Opferschicht 14 sind dabei so aufeinander und auf das Material des optischen Elements 10 abgestimmt, dass die Selektivität des Ätzprozesses möglichst nahe 1 ist. Diese Selektivität wird dabei bestimmt durch die Ätzrate von Material des optischen Elements 10 im Verhältnis zur Ätzrate der Opferschicht 14.
Im ersten konkreten Ausführungsbeispiel findet Aluminium vom Typ Al905 Anwendung als Material des optischen Elements 10, das 50 mm Durchmesser aufwies und mittels Diamantdrehen (Einkorndiamant-Drehtechnik) mit einer ebenen Spiegelfläche 12 versehen wurde. Als Opferschicht 14 wurde ein Novolak-basierter Photoresist verwendet.
Im Rahmen der lonenstrahlätzung des ersten Ätzschrittes wird Stickstoff als Arbeitsgas eingesetzt mit einer Energie von 1200 eV. Dadurch wird bei einer Selektivität von 1 die Form der äußeren Oberfläche 16 in das Material des optischen Elements 10 übertragen, wobei die Opferschicht 14 vollständig abgetragen wird und sich eine Aluminiumnitridschicht 19 bildet, die als dynamische fortschreitende Ätzfront wirkt, wobei die Oberflächenstruktur der äußeren Oberfläche 16 durch die chemische Bindungsbildung und die Passivierungseigenschaft der Nitridschicht 19 weitestgehend erhalten bleibt.
Dadurch bildet sich das optische Element 10 mit einer modifizierten Oberfläche 20 heraus. Dabei besteht die Modifizierung zum einen in einer chemischen Veränderung durch Bildung einer Nitridschicht 19 und zum anderen in einer Planarisierung.
Dieser Prozess des Aufbringens der Opferschicht 14 und des anschließenden lonenstrahlätzens 18 als erstem Ätzschritt kann anschließend beliebig oft mit einer weiteren Opferschicht 14a und einem neuerlichen lonenstrahlätzen 18a wiederholt werden, wobei eine einzige Wiederholung bevorzugt wird, wodurch sich eine weiter modifizierte Oberfläche 20a herausbildet. Die Parameter des lonenstrahlätzens 18a können dabei beibehalten oder auch verändert werden, wobei ein Beibehalten bevorzugt wird. Auch bei diesem Wiederholungsschritt ist die Opferschicht 14a vollständig beseitig worden und es hat sich eine Aluminiumnitridschicht 19a mit einer Dicke von 10 nm bis 15 nm ausgebildet.
Anschließend wird der lonenstrahlprozess 18b dahingehend verändert, dass Sauerstoff als Prozessgas verwendet wird. Dadurch wird die Nitridschicht 19a weitgehend abgetragen und eine Aluminiumoxidschicht 22 ausgebildet. Dieser zweite Ätzschritt wird bevorzugt zweiteilig dahingehend durchgeführt, dass zuerst Sauerstoffionen im Energiebereich von unter 500 eV bis maximal 700 eV verwendet werden, wodurch die Nitridschicht 19a sehr schonend entfernt wird, und anschließend nach der Entfernung der Nitridschicht 19a Sauerstoffionen im Energiebereich von minimal 750 eV bis über 1500 eV verwendet werden, wodurch sich eine sehr stabile Oxidschicht 22 ausbildet. Dadurch wird die Oxidschicht 22 mit einer Dicke von 10 nm bis 15 nm ausgebildet, die eine hervorragende Langzeitstabilität auch bei Anwendungen unter hoher thermischer Last besitzt.
Die so entstandene resultierende Oberfläche 24 des optischen Elements 10 weist eine wesentlich verbesserte Welligkeit und Rauheit bei zumindest nicht verschlechterter Mikrorauheit auf.

In Fig. 2 werden für eine Oberfläche 12 aus Aluminium AL905, die mittels Diamantdrehen mechanisch bearbeitet worden war, die Welligkeit/Rauheit und die Mikrorauheit verglichen für das unbehandelte optische Element 10 (unbearbeitet), für den ersten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14 und des lonenstrahlätzens 18 mit Stickstoff (nach 1. Planarisierung), den zweiten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14a und des lonenstrahlätzens 18a mit Stickstoff (nach 2. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt 18b mit Sauerstoff (nach O2-Endbearbeitung). Dabei sind jeweils AFM-Aufnahmen für 35 µm und 3 µm Kantenlänge der untersuchten Oberflächen 12, 20, 20a, 24 gezeigt. Dazugehörige Messwerte sind in den Tabellen 1 für Rq (rms) und 2 für die maximale Amplitude der Welligkeitsamplitude angegeben.

Tabelle 1: (Al905)

Rq (rms)	Unbehandelt	nach 1. Planarisierung	nach 2. Planarisierung	nach O2-Endbearbeitung
Welligkeit	(9,5 ± 1,4) nm	(5,9 ± 0,7) nm	(5,1 ± 1,1) nm	(5,2 ± 0,9) nm
Mikrorauheit	(2,2 ± 1,2) nm	(3,2 ± 0,3) nm	(3,3 ± 0,3) nm	(2,2 ± 0,6) nm

Tabelle 2: (Al905)

Welligkeitsamplitude	unbehandelt	nach 1. Planarisierung	nach 2. Planarisierung	nach O2-Endbearbeitung
Maximale Amplitude	(11,8 ± 0,8) nm	(4,0 ± 0,7) nm	(2,2 ± 0,6) nm	(3,3 ± 0,6) nm

Es ist zu erkennen, dass die Welligkeit der modifizierten Oberfläche 20 nach der ersten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) reduziert ist von 9,5 nm auf 5,9 nm und die Mikrorauheit gestiegen ist von 2,2 nm auf 3,2 nm. Die maximale Amplitude reduziert sich dabei von 11,8 nm auf 4,0 nm. Nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 2. Planarisierung) kann die Welligkeit der weiter modifizierten Oberfläche 20a weiter reduziert werden auf 5,1 nm, während die Mikrorauheit mit 3,3 nm etwa gleich bleibt und die maximale Amplitude auf 2,2 nm reduziert wird. Nach dem zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) bleibt die Welligkeit der resultierenden Oberfläche 24 mit 5,2 nm etwa gleich, während die Mikrorauheit wieder auf den ursprünglichen Wert von 2,2 abgesenkt werden kann und die maximale Amplitude etwa 3,3 nm beträgt.
Diese Befunde spiegeln sich auch in Fig. 3 wieder, wo die mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte (mittlere isotrope PSD) angegeben ist für Ortsfrequenzen von etwa 10^-3 µm^-1 bis etwa 100 µm^-1. Dabei ist zu erkennen, dass die Welligkeit im Bereich der durch die mechanische Diamantdrehbearbeitung entstandenen Riefenbildungen (Drehmarken) deutlich um den Faktor 2 reduziert werden konnte, während die langwellige Welligkeit (Fehler im mittleren Ortsfrequenzbereich) nahezu unbeeinflusst bleibt. Auch im Bereich der Mikrorauheit erfolgt nahezu keine Veränderung.
Die in Fig. 4 gezeigte Höhenprofilierung zeigt für die Riefenbildungen eine deutliche Reduzierung um den Faktor 4 für das zweite Ausführen des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche 12.
Im Ergebnis konnten somit die Drehriefenstrukturen mit einer Periode von 3 µm, d.h. bei einer Ortsfrequenz von 0,33 µm-¹, sowie die aus der speziellen Form des Drehwerkzeugs resultierenden Überstrukturen bei 0,69 µm^-1, 1,0 µm^-1 und 1,4 µm^-1 Ortsfrequenz von ursprünglich ca. 24 nm maximale Strukturhöhe auf ca. 7 nm reduziert werden.
In den Fig. 5 und 6 sind mittels Sekundärionen-Massenspektroskopie ermittelte Tiefenprofile der chemischen Zusammensetzung an der modifizierten Oberfläche 20a und der resultierenden Oberfläche 24 für Aluminiumoxid (AIO), Kohlenstoff (C) und Aluminiumnitrid (AIN) in Fig. 5 und für Aluminiumoxid (AIO) sowie die Verunreinigungen Nickel (Ni) und Kupfer (Cu) in Fig. 6 gezeigt.
Es ist zu erkennen, dass der Stickstoffgehalt in der resultierenden Oberfläche 24 um 2 Größenordnungen reduziert ist. Aufgrund von Verunreinigungen beim zweiten Ätzschritt wurde allerdings der Kohlenstoffgehalt erhöht. Dafür wurden die Verunreinigungen von Nickel und Kupfer in den ersten 5 nm Tiefe der resultierenden Oberfläche 24 reduziert und die Aluminiumoxidschicht 22 weist eine Dicke von etwa 15 nm auf.
In Fig. 7 wird die Reflektivität der Oberflächen 12, 22, 24 für drei verschiedenen Messpunkte miteinander verglichen.
Es ist zu erkennen, dass die Reflektivität der Oberfläche 22 nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschrittes (nach 2. Planarisierung) über den gesamten gemessenen Spektralbereich von 400 nm bis 800 nm deutlich reduziert ist, was an der oberflächlichen Nitridschicht liegt.
Durch den zweiten Ätzschritt mit Sauerstoff wurde die Nitridschicht abgetragen und eine Oxidschicht aufgebaut, wodurch die Reflektivität über den gesamten gemessenen Spektralbereich wieder wesentlich ansteigt, allerdings die Werte der unbehandelten Ausgangsoberfläche 12 nicht ganz erreicht. Als ein Grund hierfür wird der Eintrag von Kohlenstoff und die damit möglicherweise verbundene Karbidbildung im Rahmen des Sauerstoffätzens angesehen, der durch geeignete Maßnahmen, wie die Anpassung der in der lonenquelle eingesetzten Materialien verhindert werden sollte.
Neben einer Reduzierung der Rauheit und der Mikrorauheit im Ortsfrequenzbereich von 0,015 µm^-1 bis 34,6 µm^-1 können vor allem die periodischen, aus der vorgelagerten Ei nkorndiamant-Drehtechnik resultierenden Drehriefenstrukturen im Ortsfrequenzbereich von 0,2 µm^-1 bis 2,0 µm^-1 erstmals effizient eingeebnet werden. Dies ermöglicht den zukünftigen Einsatz von Aluminiumoptiken 10 im kurzwelligen Spektralbereich (UV/VIS), wobei die Aluminiumoberfläche 24 selbst die Funktion der optisch aktiven Fläche übernehmen kann. Dabei bleibt die Topographie der dem optischen Element 10 aufgeprägten Oberfläche 12 erhalten.
Das zweite konkrete Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten konkreten Ausführungsbeispiel nur dadurch, dass anstelle von Al905 nun Al6061 verwendet wird. Alle anderen Verfahrensparameter waren identisch gewählt, so dass darauf nicht noch einmal eingegangen wird.

In Fig. 8 werden für eine entsprechende Oberfläche 12 aus Aluminium AL6061, die mittels Diamantdrehen mechanisch bearbeitet worden war, die Welligkeit/Rauheit und die Mikrorauheit verglichen für das unbehandelte optische Element 10 (unbehandelt), für den ersten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14 und des lonenstrahlätzens 18 mit Stickstoff (nach 1. Planarisierung), den zweiten Durchgang des Aufbringens der Photoresist-Opferschicht 14a und des lonenstrahlätzens 18a mit Stickstoff (nach 2. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt 18b mit Sauerstoff (nach O2-Endbearbeitung). Dabei sind jeweils AFM-Aufnahmen für 35 µm und 3 µm Kantenlänge der untersuchten Oberflächen 12, 20, 20a, 24 gezeigt. Dazugehörige Messwerte sind in den Tabellen 3 für Rq (rms) und 4 für die maximale Amplitude der Welligkeitsamplitude angegeben.

Tabelle 3: (Al6061)

Rq (rms)	unbehandelt	nach 1. Planarisierung	nach 2. Planarisierung	nach O2-Endbearbeitung
Welligkeit	(4,7 ± 0,8) nm	(4,2 ± 0,6) nm	(3,2 ± 0,6) nm	(3,3 ± 0,5) nm
Mikrorauheit	(1,3 ± 0,6) nm	(2,6 ± 0,2) nm	(2,5 ± 0,3) nm	(1,4 ± 0,2) nm

Tabelle 4: (Al6061)

Welligkeitsamplitude	unbehandelt	nach 1. Planarisierung	nach 2. Planarisierung	nach O2-Endbearbeitung
Maximale Amplitude	(1,5 ± 0,2) nm	(0,9 ± 0,2) nm	<0,5 nm	<0,5 nm

Es ist zu erkennen, dass die Welligkeit der modifizierten Oberfläche 20 nach der ersten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) reduziert ist von 4,7 nm auf 4,2 nm und die Mikrorauheit gestiegen ist von 1,3 nm auf 2,6 nm. Die maximale Amplitude reduziert sich dabei von 1,5 nm auf 0,9 nm. Nach der zweiten Ausführung des ersten Ätzschritts (nach 2. Planarisierung) kann die Welligkeit der weiter modifizierten Oberfläche 20a weiter reduziert werden auf 3,2 nm, während die Mikrorauheit mit 2,5 nm etwa gleich bleibt und die maximale Amplitude auf unter 0,5 nm reduziert wird. Nach dem zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) bleibt die Welligkeit der resultierenden Oberfläche 24 mit 3,3 nm etwa gleich, während die Mikrorauheit wieder auf den ursprünglichen Wert von 1,4 abgesenkt werden kann und die maximale Amplitude weiter unter 0,5 nm beträgt.
Diese Befunde spiegeln sich auch in Fig. 9 wider, wo wieder die mittlere isotrope spektrale Leistungsdichte (mittlere isotrope PSD) angegeben ist für Ortsfrequenzen von etwa 10^-3 µm^-1 bis etwa 100 µm^-1. Dabei ist zu erkennen, dass die Welligkeit im Bereich der durch die mechanische Diamantdrehbearbeitung entstandenen Riefenbildungen (Drehmarken) deutlich um den Faktor 1,5 reduziert werden konnte, während die langwellige Welligkeit (Fehler im mittleren Ortsfrequenzbereich) nahezu unbeeinflusst bleibt. Auch im Bereich der Mikrorauheit erfolgt nahezu keine Veränderung.
Die in Fig. 10 gezeigte Höhenprofilierung zeigt für die Riefenbildungen eine deutliche Reduzierung um den Faktor 3 für das zweite Ausführen des ersten Ätzschritts (nach 1. Planarisierung) und den zweiten Ätzschritt (nach O2-Endbearbeitung) im Vergleich zur unbehandelten Oberfläche 12.
Im Ergebnis konnten somit die Drehriefenstrukturen mit einer Periode von 1,3 µm, d.h. bei einer Ortsfrequenz von 0,8 µm^-1, sowie die aus der speziellen Form des Drehwerkzeugs resultierenden Überstrukturen bei 1,4 µm^-1 und 1,9 µm^-1 Ortsfrequenz von ursprünglich ca. 3 nm maximaler Strukturhöhe auf unter 1 nm reduziert werden.
Die Befunde zur chemischen Zusammensetzung und zur Reflektivität wären sehr ähnlich, wie die in den Fig. 5 bis 7 dargestellten, so dass hierauf nicht gesondert eingegangen wird.
Auch wenn die Erfindung vorstehend anhand von Ausführungsbeispielen mit Aluminium und einem Photoresist sowie einem ersten Ätzschritt mit Stickstoff und einem zweiten Ätzschritt mit Sauerstoff beschrieben wurde, ist die Erfindung nicht darauf beschränkt, sondern es können auch andere Materialen, z.B. Elementarmetalle oder Legierungen mit Kupfer, Beryllium, Gold, Silber, Titan, Magnesium; Siliziumkarbid; Wolframkarbid; Stahl; Keramiken, insbesondere solche mit geringer thermischer Ausdehnung, und andere Ionen verwendet werden. Ein Vorteil der beschriebenen lonenstrahltechnologie ist gerade auch die hohe Einsatzbreite für verschiedene Materialsysteme, insbesondere für die Anwendung in der Optik.
Aus der vorstehenden Darstellung ist deutlich geworden, dass mit der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Oberflächenglättung als Direktbearbeitungsverfahren bereitgestellt wird, mit dem Oberflächen 12 besser als bisher geglättet werden können. Vor allem Oberflächen 12 von metallischen, insbesondere auf Aluminium basierenden Optiken 10 können besser geglättet werden als bisher. Dabei bleiben die optischen Eigenschaften (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient) solchermaßen geglätteter Oberflächen 24 im Wesentlichen unverändert. Außerdem weisen die geglätteten Oberflächen 24 eine hohe Längzeitstabilität hinsichtlich ihrer chemischen und/oder mechanischen Beständigkeit sowie ihrer geometrischen und/oder optischen Eigenschaften auf.

Bezugszeichenliste

10: optisches Element, Spiegel
12: Oberfläche des optischen Elements 10
14, 14a: Opferschicht, Polymer, Photoresist
16: äußere Oberfläche, Oberfläche der Opferschicht 14, 14a
18, 18a, 18b: lonenstrahlätzen
19, 19a: Nitridschicht, Aluminiumnitridschicht
20: modifizierte Oberfläche
20a: weiter modifizierte Oberfläche
22: Oxidschicht, Aluminiumoxidschicht
24: resultierende Oberfläche

Claims

Verfahren zum Glätten von Oberflächen (12), dadurch gekennzeichnet, dass auf die Oberfläche (12) eine Opferschicht (14, 14a) aufgebracht wird und die mit der Opferschicht (14, 14a) beschichte Oberfläche (12) mittels lonenstrahlätzen (18, 18a, 18b) behandelt wird, wobei im Rahmen des lonenstrahlätzens (18, 18a, 18b) zumindest zwei unterschiedliche Ätzschritte (18, 18a, 18b) verwendet werden, wobei durch den ersten Ätzschritt die Opferschicht (14, 14a) abgetragen wird und an der Oberfläche (20, 20a) eine modifizierte Oberflächenschicht (19, 19a) ausgebildet wird, wobei die modifizierte Oberflächenschicht (19, 19a) mit einer Dicke mit zumindest 10 nm erzeugt wird und zumindest einen der in der ursprünglichen Oberfläche enthaltenen Stoffe beinhaltet und zumindest einen weiteren Stoff aus dem ersten Ätzschritt aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein erster Ätzschritt (18a, 18b) besteht, bei dem Stickstoffionen und/oder Fluorionen und bevorzugt zusätzlich Sauerstoffionen und/oder Inertgasionen verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Oberflächenschicht (19, 19a) eine Oberflächenschicht umfassend Nitrid (19, 19a) und/oder Fluorid und ggf. Oxid ist.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die modifizierte Oberflächenschicht (19, 19a) mit einer Dicke mit zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen im ersten Ätzschritt eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus bis zu 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche (12) zumindest zweimal mit einer Opferschicht (14, 14a) beschichtet und nach der jeweiligen Beschichtung mit der Opferschicht (14, 14a) mit dem ersten Ätzschritt (18, 18a) behandelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein zweiter Ätzschritt (18b) besteht, bei dem Inertgas-Ionen, Fluorionen und/oder Sauerstoffionen verwendet werden, wobei der zweite Ätzschritt (18b) bevorzugt nach ein oder mehreren Zyklen der Beschichtung mit der Opferschicht (14, 14a) und des anschließenden ersten Ätzschrittes (18, 18a) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 7 in Verbindung mit Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die durch den ersten Ätzschritt modifizierte Oberflächenschicht (19, 19a) durch den zweiten Ätzschritt vollständig abgetragen wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Ätzschritt (18b) so ausgeführt wird,
i) dass die Oberfläche (24) eine Oberflächenschicht umfassend Oxid (22) und/oder Fluorid aufweist und/oder

ii) dass die Oberfläche (24) eine Oberflächenschicht (22) mit zumindest 10 nm, bevorzugt zumindest 12 nm, insbesondere zumindest 15 nm Schichtdicke aufweist und/oder

iii) dass die Oberfläche keine Oberflächenschicht aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von zumindest 800 eV, bevorzugt zumindest 1000 eV, höchst bevorzugt zumindest 1200 eV, insbesondere zumindest 1500 eV und darüber hinaus bis zu 5000 eV je atomarem Bestandteil aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes (18b) zumindest anfänglich, vorzugsweise zumindest bis zur Abtragung einer durch den ersten Ätzschritt (18, 18a) ausgebildeten Oberflächenschicht (19, 19a), eine Energie größer als 10 eV je atomarem Bestandteil, vorzugsweise von höchstens 700 eV, bevorzugt höchstens 500 eV aufweisen, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass die Ionen des zweiten Ätzschrittes (18b) anschließend eine höhere Energie von zumindest 750 eV, bevorzugt zumindest 900 eV, insbesondere zumindest 1500 eV aufweisen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Oberfläche (12) die Oberfläche eines Metalls, bevorzugt zumindest eines Metalls aus der Gruppe umfassend Aluminium sowie Legierungen, insbesondere Al6061, Al905, AI501, Al708, davon ist, wobei das Metall vorzugsweise in mikrokristalliner Ausführung oder in Grobkornausführung vorliegen kann, und/oder

dass die Oberfläche (12) die Oberfläche eines Stoffs aus der Gruppe: Siliziumkarbid, Wolframkarbid, Stahl, Keramik, Elementarmetalle oder Legierungen mit Kupfer, Beryllium, Gold, Silber, Titan, Magnesium ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
iv) dass die Oberfläche (12) vor dem Aufbringen der Opferschicht (14, 14a) einem mechanischen Oberflächenbehandlungsschritt unterzogen wurde und/oder

v) dass die Oberfläche (12) Teil eines optischen Elements (10), beispielsweise eines Spiegels, oder eines Abformwerkzeugs zur Massenfertigung von optischen Elementen ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Opferschicht (14, 14a) eine Polymerschicht, bevorzugt ein Photolack ist.