WO2002012927A2 - Vefahren und vorrichtung zur herstellung einer optisch antireflektierenden oberfläche - Google Patents

Vefahren und vorrichtung zur herstellung einer optisch antireflektierenden oberfläche Download PDF

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WO2002012927A2
WO2002012927A2 PCT/EP2001/009233 EP0109233W WO0212927A2 WO 2002012927 A2 WO2002012927 A2 WO 2002012927A2 EP 0109233 W EP0109233 W EP 0109233W WO 0212927 A2 WO0212927 A2 WO 0212927A2
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Volkmar Boerner
Benedikt BLÄSI
Volker KÜBLER
Andreas Gombert
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Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • 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 invention relates to a method and to a device for producing an antireflective surface structure (for example for visible light), with a carrier layer on which a light-sensitive material layer is applied, which is obtained with at least two mutually coherent wave fields with a wavelength ⁇ B a stochastically distributed interference field is exposed, whereby the surface structure is formed during or after the exposure by means of targeted material removal.
  • an antireflective surface structure for example for visible light
  • a carrier layer on which a light-sensitive material layer is applied which is obtained with at least two mutually coherent wave fields with a wavelength ⁇ B a stochastically distributed interference field is exposed, whereby the surface structure is formed during or after the exposure by means of targeted material removal.
  • reflective surfaces can be anti-reflective by providing the surface with a suitable roughness. Although no small portion of the incident light is reflected back into the room due to the roughening of the interface surface, light rays incident on the surface are reflected back in different directions due to the surface roughness. In this way, clear mirror images are avoided, that is to say light sources which would normally be reflected at the interface with sharp edges only lead to a fairly homogeneous brightening of the roughened interface. As a result, strong differences in luminance can be avoided and the interference effect that occurs with reflections can be considerably reduced.
  • This type of anti-reflective coating is successfully used, for example, on displays with the name Antiglare layer.
  • a major advantage of this anti-reflection technique is the ability to mold the structures using inexpensive embossing processes.
  • a disadvantage of this type of anti-reflective coating is that the hemispherical reflection, i.e. H. the sum of specular and diffuse reflection in the entire rear area of the room, in the best case not being increased, as a result of which the background brightness of glass surfaces of screens prepared in this way is relatively high. Last but not least, this leads to a considerable reduction in the contrast of an image or display present behind such an anti-glare layer.
  • interference layers Another option for anti-reflective optical surfaces is to apply suitable interference layers.
  • the surface to be anti-reflective is coated with one or more thin layers with a suitable refractive index and a suitable thickness.
  • the interference layer structure is designed in such a way that destructive interference phenomena occur in the reflected radiation field in suitable wavelength ranges, which, for example, greatly reduces the brightness of reflections from light sources.
  • their image remains in the reflected beam path, in contrast to the above-mentioned anti-glare Layer, sharp. Even with a residual visual reflection of less than 0.4%, the sharp mirror images sometimes have a more disturbing effect than the relatively high brightness of Antiglare surfaces.
  • the contrast ratio is good.
  • interference layers are too expensive to manufacture for most screens and other applications.
  • a third alternative to the anti-reflective treatment of optical surfaces consists in the introduction of so-called sub-wavelength gratings, which leads to a refractive index gradient on the interface of an optically transparent medium, as a result of which an optical effect is produced, as it were, by interference layers.
  • Such a refractive index gradient is realized by surface structures if the structures are smaller than the wavelengths of the incident light.
  • the manufacture of periodic structures by means of holographic exposure in a photoresist layer which is applied to the surface of a transparent medium is expediently suitable for this.
  • Such sub-wavelength surface gratings with periods of 200 to 300 nm are suitable for broadband reflection reduction.
  • Surfaces which are also known under the term “moth eye antireflection surfaces”, are described in an article by MC Hutley, SJ Willson, "The Optical Properties of Moth Eye Antireflection Surfaces", OPTICA ACTA, 1982, Vol 29, No.
  • DE 19708776 C1 also discloses a method by means of which a combined surface structure can be obtained by superimposing a coarse-grained speckle pattern and the image of a sub-wavelength grating, which has properties of both an antireflection layer and an antiglare layer. Presentation of the invention
  • the invention is based on the object of improving a method for producing a surface structure which is antireflective for visible light in such a way that on the one hand the proportion of light reflected back on the surface structure is considerably reduced and on the other hand the reflected portion of light is specifically reflected back into specific solid angle regions.
  • the reflection images on the surface structure that occur in previously known surface structures, although they are greatly reduced in contrast but nevertheless present, are to be avoided as completely as possible, especially since the back-reflected light components are to be diffusely reflected back.
  • the method according to the invention should allow the possibility of replicability of the surface structure obtained by means of conventional embossing methods, i.e. any undercuts that may occur within the surface structures that form are to be avoided entirely.
  • a method for producing a surface structure which is antireflective for a specific wavelength range and has a smallest wavelength limit ⁇ with a carrier layer, on which a photosensitive material layer is applied, which is obtained with at least two mutually coherent wave fields with a wavelength ⁇ B a stochastically distributed interference field is exposed, as a result of which the surface structure is formed during the exposure or after the exposure by means of targeted material removal, such that the coherent wave fields which are interfering and directed towards the light-sensitive material layer form an angle ⁇ for which:
  • the angular relationship is based on the requirement that when producing anti-reflective structures by means of stochastic surface structures, the maximum male lateral dimension of the individual structural elements of the stochastic surface structure should be smaller than the light wavelength that strikes the anti-reflective surface structures.
  • the method according to the invention is used in particular for the production of anti-reflective or antireflective surface structures which, for example, should have an anti-reflective effect in the visible spectral range. This means that the individual structural elements in their lateral extension should not be larger than ⁇ M ⁇ approx. 380 nm, which corresponds to the short-wave limit of the visible spectral range.
  • At least one of the interfering coherent wave fields should preferably have a stochastic amplitude and phase distribution. The more wave fields impinging on the light-sensitive material layer under the above angular relationship, the amplitudes of which are preferably of the same size, the better exposure results can be achieved.
  • Wavelengths in the UV range are preferably suitable for producing such stochastic surface structures, so that, for example at an exposure wavelength of 364 nm (Ar-ion laser), there is an angular range of> 57 °, which consists of at least two mutually interfering wave fields to form the stochastic interference pattern is to be included.
  • a reasonable upper limit for the angular range for is 180 °.
  • the angular range When using shorter-wave exposure waves, for example ⁇ e of 266 nm (quadrupled Nd-YAG wavelength), the angular range already begins at 41 °.
  • the stochastically distributed surface structures produced with the method according to the invention have high-frequency structure components as are known in analogy from telecommunications using Fourier formalism for interpreting signals which vary over time.
  • the signals which vary locally for example the surface relief structures, can be spectrally analyzed in analogy. If periodic surface relief structures are involved, such as a sub-wavelength grating, only discrete spatial frequencies occur in the analysis.
  • a stochastic surface relief structure, as obtained with the method according to the invention is characterized by a continuous spatial frequency spectrum.
  • a special property of the stochastically distributed surface structures produced with the method according to the invention is the formation of such surface structures with spatial frequencies which are approximately of the same order of magnitude or larger than the inverse of the wavelength of the incident radiation.
  • the greatest structural depths in the stochastic surface structure correspond to at least the order of magnitude of the smallest wavelength of the light striking the surface structure.
  • the original design of such a stochastic surface structure requires a radiation source which emits light with a coherence required for the formation of a stochastic interference pattern.
  • Particularly suitable light sources for this are UV light-emitting lasers, for example Ar-ion lasers, the light beams of which are brought into interference in a suitable manner with or without an upstream filter.
  • the exposure waves ⁇ B should be equal to or less than those light wavelengths which are applied to the in a later application Hit the anti-reflective surface.
  • a light-sensitive layer for example a photoresist layer
  • the stochastic interference pattern is exposed to the stochastic interference pattern, as a result of which relief structures arise after or during the exposure due to the intensity distribution in the light-sensitive layer.
  • the intensity distribution can cross-link low molecular weight polymers within the light-sensitive layer, which results in targeted deformations on the surface of the layer.
  • surface structures are formed by the exposure of a photoresist layer and a subsequent development step or etching process.
  • Electroplated matrices can be used as an embossing stamp or tool for large-area replication of microstructures, as a result of which many embossing stamps can advantageously be obtained from an original surface structure by copying.
  • a structure can also be brought into a stamp by an etching process.
  • the light waves of which strike the material layer can be exposed in a suitable manner.
  • a single light source for example an excimer laser
  • the light beam is preferably expanded divergently in order to illuminate the entire surface of a diffuser, the central region of which is made opaque.
  • the diffuser is designed in such a way that light can only pass in its edge regions, as a result of which the light beams change in the beam direction Superimpose the diffuser in the manner specified according to the invention.
  • the carrier layer with the corresponding light-sensitive material layer is arranged at a suitable point downstream of the diffuser.
  • radiation sources with a defined intensity profile can be used. Additional masks, filters with speckle patterns or similar, beam-shaping optical means can be introduced into the beam path in order to generate the desired interference pattern.
  • Fig. 1 radiation structure for producing a stochastic surface structure.
  • FIG. 1 shows an irradiation setup with a light source 1, preferably an excimer laser, for example an Ar ion laser, which emits a coherent beam 2.
  • a lens 3 is provided, which widens the light beam 2 to a diffuser unit 4, which provides an optically diffuse, transparent ring area 5 and is otherwise designed to be opaque.
  • a carrier plate 6, on which a photoresist layer 7 is applied, is provided in the beam path downstream of the diffuser unit 4.
  • the individual waves emanating from the diffuser unit 4 interfere on the side facing away from the light source in such a way that partial waves from opposite sectors of the diffuser unit, which is preferably designed as a ring diffuser, enclose the large angle ⁇ which results from the geometric specification of the ring region 5 and the distance determined between the diffuser unit 4 and the carrier plate 6. Due to the geometric specification, mainly light waves hit the Photoresist layer 7, which enclose a high angle of incidence relative to the plane of the photoresist layer 7, which results in surface relief structures on the photoresist layer by the corresponding exposure with subsequent development in the photoresist layer, which have high spatial frequencies with high amplitudes. This achieves the anti-reflective effect and a targeted redistribution of the back reflections.
  • the stochastic surface structure has high-frequency structural components with amplitudes which ideally lie in the same order of magnitude as the typical lateral dimensions of these structural components.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Herstellung einer, für einen Wellenlängenbereich mit der minimalen Wellenlänge μM antireflektierenden Oberflächenstruktur, mit einer Trägerschicht, auf der eine lichtempfindliche Materialschicht aufgebracht wird, die mit wenigstens zwei, zueinander kohärenten Wellenfeldern mit einer Wellenlänge μB zum Erhalt eines stochastisch verteilten Interferenzfeldes belichtet wird, wodurch sich während der Belichtung oder nach der Belichtung vermittels gezielter Materialabtragung die Oberflächenstruktur gebildet wird. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die, auf die lichtempfindliche Materialschicht gerichteten, miteinander interferrierenden, kohärenten Wellenfelder einen Winkel α einschließen, für den gilt: α > 2 arcsin(μB/(2*μM)).

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer optisch antireflektierenden Oberfläche
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren sowie auf eine Vorrichtung zur Herstellung einer antireflektierenden Oberflächenstruktur (z.B. für sichtbares Licht), mit einer Trägerschicht, auf der eine lichtempfindliche Materialschicht aufgebracht wird, die mit wenigstens zwei, zueinander kohärenten Wellenfeldern mit einer Wellenlänge λB zum Erhalt eines stochastisch verteilten Interferenzfeldes belichtet wird, wodurch während oder nach der Belichtung vermittels gezielter Materialabtragung die Oberflächenstruktur gebildet wird.
Stand der Technik
An den Grenzflächen transparenter Medien, wie beispielsweise Glas- oder Kunststoffscheiben, die vorzugsweise für Fenster-, Bildschirm- oder Instrumentanzeigeflächen verwendet werden, wird stets ein Teil des auf die Grenzflächen einfallenden Lichtes reflektiert, also in den Raum, aus dem das Licht kommt zurückgespiegelt. Durch die, auf der Grenzfläche der transparenten Medien auftretenden Reflexerscheinungen werden die Durchsichteigenschaften sowie das Ablesevermögen bei Bildschirmen oder Anzeigen erheblich beeinträchtigt. Zur Verbesserung der Durchsichteigenschaften beziehungsweise des Ablesevermögens von Bildschirmen ganz allgemeiner Art sind Entspiegelungsmaßnahmen bekannt, die verschiedenartigen Einfluß auf die Reflexionseigenschaften an den Grenzflächen nehmen.
So können spiegelnde Oberflächen unter anderem dadurch entspiegelt werden, daß die Oberfläche mit einer geeigneten Rauhigkeit versehen wird. Zwar wird durch das Aufrauhen der Grenzflächenoberfläche kein geringer Anteil des einfallenden Lichtes in den Raum zurückreflektiert, jedoch werden parallel auf die Oberfläche einfallende Lichtstrahlen durch die Oberflächenrauhigkeit in verschiedene Richtungen zurückreflektiert. Auf diese Weise werden klare Spiegelbilder vermieden, das heißt Lichtquellen, die normalerweise mit scharfen Kanten abgebildet an der Grenzfläche reflektiert würden, führen lediglich zu einer recht homogenen Aufhellung der aufgerauhten Grenzfläche. Hierdurch können starke Leuchtdichteunterschiede vermieden und die bei Reflexen auftretende Störwirkung erheblich reduziert werden.
Diese Art der Entspiegelung wird erfolgreich beispielsweise bei Displays mit der Bezeichnung Antiglare-Schicht eingesetzt. Ein wesentlicher Vorteil dieser Entspiege- lungstechnik liegt in der Abformbarkeit der Strukturen durch preisgünstige Prägeprozesse. Nachteilhaft bei dieser Art der Entspiegelung ist jedoch, daß die hemisphärische Reflexion, d. h. die Summe aus spiegelnder und diffuser Reflexion in den gesamten rückwärtigen Raumbereich, im günstigsten Fall nicht erhöht wird, wodurch die Untergrundhelligkeit derartig präparierter Glasoberflächen von Bildschirmen relativ hoch ist. Dies führt nicht zuletzt zu einer erheblichen Reduzierung des Kontrastes eines hinter einer solchen Antiglare-Schicht vorhandenen Bildes bzw. Anzeige.
Eine weitere Möglichkeit optische Flächen zu entspiegeln, besteht durch das Aufbringen geeigneter Interferenzschichten. Dabei wird die zu entspiegelnde Oberfläche mit einer oder mehreren dünnen Schichten mit geeignetem Brechungsindex und geeigneter Dicke beschichtet. Die Interferenzschichtstruktur ist dabei derart ausgebildet, daß in geeigneten Wellenlängenbereichen destruktive Interferenzerscheinungen im reflektierten Strahlungsfeld auftreten, wodurch beispielsweise Reflexe von Lichtquellen in ihrer Helligkeit stark reduziert werden. Jedoch verbleibt ihre Abbildung im reflektierten Strahlengang, im Unterschied zu der vorstehend genannten Antiglare- Schicht, scharf. Selbst bei einer visuellen Restreflexion von weniger als 0,4% wirken die scharfen Spiegelbilder bisweilen störender als die relativ hohe Helligkeit von An- tiglare-Oberf lachen. Das Kontrastverhältnis ist gut. Für die meisten Bildschirme und weiteren Anwendungen sind jedoch Interferenzschichten in der Herstellung zu teuer.
Eine dritte Alternative zur Entspiegelung optischer Flächen besteht im Einbringen sogenannter Subwellenlängengitter, die auf der Grenzfläche eines optisch transparenten Mediums zu einem Brechzahlgradienten führt, wodurch eine optische Wirkung gleichsam der von Interferenzschichten erzeugt wird. Ein solcher Brechungsindexgradient wird durch Oberflächenstrukturen realisiert, sofern die Strukturen kleiner als die Wellenlängen des einfallenden Lichtes sind. Hierfür eignen sich günstigerweise die Herstellung periodischer Strukturen mittels holographischer Belichtung in einer Photoresistschicht, die auf der Oberfläche eines transparenten Mediums aufgebracht ist.
Beispiele derartiger Subwellenlängengitter sind den Druckschriften DE 38 31503 C2 und DE 2 422 298 A 1 entnehmbar.
Derartige Subwellenlängen-Oberflächengitter mit Perioden von 200 bis 300 nm eignen sich für die breitbandige Reflexionsminderung. Oberflächen, die auch unter dem Begriff "Moth-Eye-Antireflection-Surfaces" bekannt sind, sind in einem Artikel von M. C. Hutley, S. J. Willson, 'The Optical Properties of Moth-Eye-Antireflection-Surfaces", OPTICA ACTA, 1982, Vol. 29, Nr. 7, Seite 993-1009, ausführlich beschrieben. Zwar besteht der große Vorteil derartiger "Mottenaugen-Schichten" in der mittels Prägeprozessen preisgünstig zu vervielfältigenden Herstellungsweise, gleichsam der von Antiglare-Strukturen, doch ist die großflächige Herstellung derartiger Strukturen sehr schwierig, aufgrund der nur sehr engen optischen Toleranzbereiche hinsichtlich der Varianz von Strukturtiefen und einem sehr hohen Aspektverhältnis, d. h. sehr hohem Verhältnis aus Strukturtiefe und Periode der Strukturen, durch die sich verfälschende Farbeffekte einstellen können. Überdies bilden sich an derartigen Oberflächenvergütungen die Bilder von Lichtquellen ebenso scharf im reflektierten Bild ab, wie es bei Interferenzschichten der Fall ist. Auch ist es möglich kleinste Oberflächenstrukturen im Submikrometerbereich bzw. im Subwellenlängenbereich mittels stochastischer Verfahren herzustellen. Dies ist beispielsweise durch Ätzverfahren möglich, wie es beispielsweise aus der deutschen Patentschrift DE 2807414 C2 hervorgeht. Ferner wird in dem Artikel von A. Gombert, et. al., „Subwavelength-structured antireflective surfaces on glas", Thin Solid Films, 351 (1999), S. 73 bis 78, dargestellt, dass stochastische Oberflächenstrukturen mit Hilfe gezieltem Schichtwachstum, die die vorstehend beschriebenen antireflektierenden Eigenschaften aufweisen, erhalten werden können. Zwar erlauben beide Verfahrensvarianten eine Vervielfältigung der erhaltenen stochastischen Oberflächenstrukturen im Wege an sich bekannter Prägeprozesse, doch haftet den mit diesen Verfahren gewonnenen Oberflächenstrukturen der Nachteil an, dass die Winkel, unter denen Restlicht zurückrefiektiert werden, nicht gezielt eingestellt werden können (z.B. Kleinwinkelstreuung oder Streuung in große Raumwinkel).
Auch ist es bekannt, stochastische Strukturen mit anderen optischen Eigenschaftenmittels holographischer Verfahren zu gewinnen, beispielsweise bei der Herstellung von optischen Diffusoren. Optische Verfahren, die im Wege holographischer Belichtung stochastisch verteilte Interferenzmuster zur Erzeugen in der Lage sind, haben den Vorteil gegenüber den vorstehend genannten stochastischen Verfahren, dass die Winkelbereiche, in denen Licht an derart strukturierten Oberflächen zurück reflektiert werden; einstellbar sind. Ein Verfahren, bei dem ein holographisches Interferenzmuster zur Einprägung eines stochastischen Strukturmusters verwendet wird, ist in der amerikanischen Druckschrift US 5,365,354 beschrieben. Mit diesem Verfahren ist die Herstellung von Diffusoren möglich. Darin ist ein Verfahren zur Herstellung von stochastischen Strukturen für Diffusoren, nicht aber zur Entspiegelung beschrieben.
Auch geht aus der DE 19708776 C1 ein Verfahren hervor, mit dem durch Überlagerung eines grobkörnigen Speckelmusters und dem Abbild eines Subwellenlängen- gitters eine kombinierte Oberflächenstruktur erhältlich ist, die sowohl Eigenschaften einer Antireflexschicht als auch einer Antiglare-Schicht aufweist. Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung einer, für sichtbares Licht antireflektierenden Oberflächenstruktur derart zu verbessern, dass einerseits der an der Oberflächenstruktur zurückreflektierte Lichtanteil erheblich reduziert und andererseits der zurückreflektierte Lichtanteil gezielt in bestimmte Raumwinkelbereiche zurückreflektiert wird. Auf diese Weise sollen die, bei bisher bekannten Oberflächenstrukturen auftretenden, zwar im Kontrast stark reduzierten aber dennoch vorhandenen Reflexionsbilder an der Oberflächenstruktur möglichst vollständig vermieden werden, zumal die zurückreflektierten Lichtanteile diffus zurückreflektiert werden sollen. Überdies soll das erfindungsgemäße Verfahren die Möglichkeit der Replizierbarkeit der gewonnenen Oberflächenstruktur im Wege konventioneller Prägeverfahren erlauben, d.h. möglicherweise auftretenden Hinterschnitte innerhalb der sich ausbildenden Oberflächenstrukturen sollen gänzlich vermieden werden. Schließlich gilt es eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Herstellung derartiger Oberflächenstrukturen möglich ist, die überdies einer stochastischen Verteilung unterliegen sollen.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer, für einen bestimmten Wellenlängebereich, der eine kleinste Wellenlängengrenze Λ aufweist, antireflektierenden Oberflächenstruktur, mit einer Trägerschicht, auf der eine lichtempfindliche Materialschicht aufgebracht wird, die mit wenigstens zwei, zueinander kohärenten Wellenfeldern mit einer Wellenlänge λB zum Erhalt eines stochastisch verteilten Interferenzfeldes belichtet wird, wodurch sich während der Belichtung oder nach der Belichtung vermittels gezieltem Materialabtrag die Oberflächenstruktur gebildet wird, derart weitergebildet, dass die, auf die lichtempfindliche Materialschicht gerichteten, miteinander interferrierenden, kohärenten Wellenfelder einen Winkel α einschließen, für den gilt:
> 2 arcsin( λs / (2 • ΛM )).
Der Winkelbeziehung liegt die Forderung zugrunde, dass bei der Herstellung von entspiegelnden Strukturen im Wege stochastischer Oberflächenstrukturen die maxi- male laterale Dimension der einzelnen Strukturelemente der stochastischen Oberflächenstruktur kleiner sein sollte als die Lichtwellenlänge, die auf die entspiegelnden Oberflächenstrukturen auftrifft. Das erfindungsgemäße Verfahren dient insbesondere zur Herstellung von entspiegelnden bzw. antireflektierenden Oberflächenstrukturen, die z.B. im sichtbaren Spektralbereich eine entspiegelnde Wirkung zeigen sollen. Das heißt, dass die einzelnen Strukturelemente in ihrer lateralen Ausdehnung nicht größer als ΛM ~ ca. 380 nm, das entspricht eben der kurzwelligen Grenze des sichtbaren Spektralbereiches, sein sollen.
Vorzugsweise sollte wenigstens eines der miteinander interferiereneden kohärenten Wellenfelder eine stochastische Amplituden- und Phasenverteilung aufweisen. Je mehr Wellenfelder unter der vorstehenden Winkelbeziehung auf die lichtempfindliche Materialschicht auftreffen, deren Amplituden vorzugsweise jeweils gleich groß sind, umso bessere Belichtungsergebnisse können erzielt werden.
Vorzugsweise eignen sich zur Herstellung derartiger stochastischer Oberflächenstrukturen Wellenlängen im UV-Bereich, so dass sich beispielsweise bei einer Belichtungswellenlänge von 364 nm (Ar-Ionen-Laser) ein Winkelbereich von > 57° ergibt, der von wenigstens zwei miteinander kohärent interferierenden Wellenfelder zur Ausbildung des stochastischen Interferenzmusters einzuschließen ist. Eine sinnvolle obere Grenze für den Winkelbereich für liegt bei 180°. Beim Einsatz von kürzerwelligen Belichtungswellen beispielsweise λe von 266 nm (vervierfachte Nd- YAG-Wellenlänge) beginnt der Winkelbereich bereits bei 41°.
Bei derartigen Belichtungsverhältnissen, ist es möglich, stochastisch verteilte Oberflächenstrukturen zu gewinnen, die hochfrequente Strukturanteile aufweisen, wodurch wiederum die diffusen Reflexionseigenschaften der dabei gewonnenen Oberflächenstrukturen derart positiv beeinflusst werden, so dass das an der Oberflächenstruktur reflektierte Restlicht in bestimmte Raumwinkelbereiche umverteilt wird, die z.B. einen großen Winkelunterschied zum Lot auf die Oberfläche aufweisen. Dies ist vorteilhaft, da eine Entspiegelung die Reflexion zwar stark verringert, aber nicht vollständig unterdrückt. Für die Restreflexion ist es daher erwünscht, dass sie zum Bei- spiel bei visuellen Anwendungen nicht in den Blickwinkelbereich zurückgelenkt oder asymmetrisch in bestimmte Raumwinkelbereiche reflektiert wird.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten, stochastisch verteilten Oberflächenstrukturen weisen, wie vorstehend bereits erwähnt, hochfrequente Strukturanteile auf, wie man sie in Analogie aus der Nachrichtentechnik unter Verwendung des Fourierformalismus zur Interpretation zeitlich variierender Signale kennt. In der Optik können in Analogie die hierzu örtlich variierenden Signale, wie beispielsweise die Oberflächenreliefstrukturen, spektral analysiert werden. Handelt es sich um periodische Oberflächenreliefstrukturen, wie beispielsweise bei einem Subwellenlängengitter, so treten bei der Analyse lediglich diskrete Ortsfrequenzen auf. Eine stochastische Oberflächenreliefstruktur, wie sie mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erhalten wird, zeichnet sich durch ein kontinuierliches Ortsfrequenzspektrum aus. So führen bei senkrechtem Lichteinfall lediglich Strukturen mit Ortsfrequenzen größer als das Inverse der Wellenlänge der auf die Oberflächenreliefstruktur einfallenden Strahlung zu einer Antireflexwirkung ohne Streuung, ähnlich wie es auch bei periodischen Subwellenlängengittem der Fall ist. Eine besondere Eigenschaft der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten stochastisch verteilten Oberflächenstrukturen ist die Ausbildung derartiger Oberflächenstrukturen mit Ortsfrequenzen, die in etwa in der gleichen Größenordnung oder größer als das Inverse der Wellenlänge der einfallenden Strahlung sind. Hierbei entsprechen die größten Strukturtiefen in der stochastischen Oberflächenstruktur wenigstens der Größenordnung der kleinsten Wellenlänge, des auf die Oberflächenstruktur auftreffenden Lichtes.
Die originäre Ausbildung einer derartigen stochastischen Oberflächenstruktur setzt eine Strahlungsquelle voraus, die Licht mit einer für die Ausbildung eines stochastischen Interferenzmusters erforderliche Kohärenz emittiert. Besonders geeignete Lichtquellen hierfür stellen UV-Licht emittierende Laser beispielsweise Ar-Ionen- Laser dar, deren Lichtstrahlen mit oder ohne vorgeschaltetem Filter in geeigneter Weise zur Interferenz gebracht werden. Die Belichtungswellen λB sollten gleich oder kleiner jener Lichtwellenlängen sein, die in einer späteren Anwendung auf die Antireflexoberfläche auftreffen.
Zur Ausbildung der Oberflächenstrukturen wird eine lichtempfindliche Schicht, beispielsweise eine Photoresistschicht mit dem stochastischen Interferenzmuster belichtet, wodurch nach oder während der Belichtung durch die Intensitätsverteilung in der lichtempfindlichen Schicht Reliefstrukturen entstehen.
So vermag die Intensitätsverteilung beispielsweise niedermolekulare Polymere innerhalb der lichtempfindlichen Schicht zu vernetzen, wodurch gezielte Deformationen an der Schichtoberfläche die Folge sind. Alternativ bilden sich Oberflächenstrukturen im Wege der Belichtung einer Photoresistschicht und einem nachfolgendem Entwicklungsschritt bzw. Ätzprozess aus.
Die auf diese Weise hergestellten Oberflächenstrukturen können mit an sich bekannten Replikationsprozessen, beispielsweise im Walzenprägeverfahren, Stempelprägeverfahren oder in Spritzgussprozessen vervielfältigt werden. Der Vorteil all dieser Verfahren ist es, dass strukturierte Oberflächen sehr kostengünstig hergestellt werden können. Da die erfindungsgemäß stochastische Oberflächenstruktur keine Hinterschnitte aufweist, ist es möglich, all jene Verfahren problemlos anzuwenden. Als Prägestempel - oder Werkzeug zur großflächigen Replikation von MikroStrukturen können galvanisch hergestellte Matrizen verwendet werden, wodurch in vorteilhafter Weise aus einer ursprünglichen Oberflächenstruktur durch Umkopieren viele Prägestempel gewonnen werden können. Alternativ kann eine Struktur auch durch einen Ätzprozess in einen Stempel gebracht werden.
Auch ist es möglich mehr als eine Lichtquelle zu verwenden, deren Lichtwellen in geeigneter Weise auf die zu belichtende Materialschicht auftreffen. Bei Verwendung lediglich einer einzigen Lichtquelle, beispielsweise eines Excimer- Lasers, wird der Lichtstrahl vorzugsweise divergent aufgeweitet, um die gesamte Fläche eines Diffusors zu beleuchten, dessen zentraler Bereich lichtundurchlässig ausgebildet ist. Der Diffusor ist derart ausgebildet, dass lediglich in seinen Randbereichen Licht passieren kann, wodurch sich die Lichtstrahlen in Strahlrichtung dem Diffusor nachgeordnet in der erfindungsgemäß vorgegebenen Weise überlagern. Die Trägerschicht mit der entsprechend lichtempfindlichen Materialschicht ist an geeigneter Stelle dem Diffusor nachgeordnet. Auch können alternativ oder zusätzlich Strahlungsquellen mit einem definiertem Intensitätsprofil verwendet .weitere Masken, Filter mit Speckelmustern oder ähnlich, strahlformende optische Mittel in den Strahlengang eingebracht werden, um das gewünschte Interferenzmuster zu erzeugen.
Auch ist es möglich mehrere Lichtquellen mit unterschiedlichen Beleuchtungswellenlängen λß zu verwenden und einzusetzen.
Kurze Beschreibung der Erfindung
Die Erfindung wird nachstehend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung exemplarisch beschrieben. Es zeigt:
Fig. 1 Bestrahlungsaufbau zur Herstellung einer stochastischen Oberflächenstruktur.
Wege zur Ausführung der Erfindung, gewerbliche Verwendbarkeit
In Figur 1 ist ein Bestrahlungsaufbau dargestellt, mit einer Lichtquelle 1, vorzugsweise ein Excimer-Laser, bspw. ein Ar-Ionen-Laser, die ein kohärentes Strahlenbündel 2 emittiert. Im Strahlengang der Lichtquelle nachgeordnet ist eine Linse 3 vorgesehen, die den Lichtstrahl 2 auf eine Diffusoreinheit 4 aufweitet, die einen optisch diffus wirkenden, transparenten Ringbereich 5 vorsieht und im Übrigen lichtundurchlässig ausgebildet ist. Im Strahlengang der Diffusoreinheit 4 nachgeordnet ist eine Trägerplatte 6 vorgesehen, auf der eine Photoresistschicht 7 aufgebracht ist.
Die von der Diffusoreinheit 4 ausgehenden Einzelwellen interferieren auf der, der Lichtquelle abgewandten Seite derart, dass Teilwellen aus gegenüberliegenden Sektoren der Diffusoreinheit, die vorzugsweise als Ringdiffusor ausgebildet ist, den großen Winkel α einschließen, der sich aus der geometrischen Vorgabe des Ringbereiches 5 sowie dem Abstand zwischen der Diffusoreinheit 4 und der Trägerplatte 6 bestimmt. Durch die geometrische Vorgabe treffen hauptsächlich Lichtwellen auf die Photoresistschicht 7 auf, die einen hohen Einfallswinkel relativ zur Ebene der Photoresistschicht 7 einschließen, wodurch sich auf der Photoresistschicht durch die entsprechende Belichtung mit nachfolgender Entwicklung in der Photoresistschicht Oberflächenreliefstrukturen ergeben, die hohe Ortsfrequenzen mit hohen Amplituden aufweisen. Hierdurch wird die entspiegelnde Wirkung und eine gezielte Umverteilung der Rückreflexe erreicht.
Insbesondere im Hinblick auf eine unkomplizierte Replizierbarkeit der Oberflächenstruktur auf der Trägerplatte 6 weist die stochastische Oberflächenstruktur hochfrequente Strukturanteile mit Amplituden auf, die idealerweise in der selben Größenordnung liegen wie die typischen lateralen Abmessungen dieser Strukturanteile.
Bezugszeichenliste
Lichtquelle
Lichtstrahl
Optische Linse
Diffusoreinheit
Transparenter Ringbereich
Trägerplatte
Photoresistschicht

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung einer, für einen Wellenlängenbereich mit der minimalen Wellenlänge λM antireflektierenden Oberflächenstruktur, mit einer Trägerschicht, auf der eine lichtempfindliche Materialschicht aufgebracht wird, die mit wenigstens zwei, zueinander kohärenten Wellenfeldern mit einer Wellenlänge λB zum Erhalt eines stochastisch verteilten Interferenzfeldes belichtet wird, wodurch sich während der Belichtung oder nach der Belichtung vermittels gezieltem Materialabtrag die Oberflächenstruktur gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die, auf die lichtempfindliche Materialschicht gerichteten, miteinander interferrierenden, kohärenten Wellenfelder einen Winkel α einschließen, für den gilt:
α > 2 arcsin( λB / (2 • λM )).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquelle ein oder mehrere UV-Licht emittierende Laser eingesetzt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das stochastische Interfrenzfeld eine stochastische Amplituden- und Phasenverteilung aufweist, zu dessen Erzeugung ein oder mehrere optische Diffusoren, Masken, Filter mit Specklemustern und/oder ähnliche, strahlformende optische Mittel eingesetzt werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als lichtempfindliche Materialschicht eine Polymerschicht verwendet wird, in der durch Belichtung Vernetzungsprozesse auftreten, die zu lokalen Brechungsindexveränderungen und/oder Deformationen an der Oberfläche führen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass als lichtempfindliche Materialschicht eine Photoresistschicht verwendet wird, die nach der Belichtung einem Entwicklungsverfahren unterzogen wird, bei dem sich die Oberflächenstruktur ausbildet.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenstruktur auf der lichtempfindlichen Materialschicht im Wege einer galvanischen Abformung oder eines Ätzprozesses auf einen Prägestempel zur weiteren Vervielfältigung der Oberflächenstruktur auf andere Oberflächen übertragen wird.
7. Vorrichtung zur Herstellung einer, für einen Wellenlängenbereich mit der minimalen Wellenlänge Λ antireflektierenden Oberflächenstruktur, mit einer Trägerschicht, auf der eine lichtempfindliche Materialschicht aufgebracht ist, mit wenigstens einer Lichtquelle, die Licht einer Wellenlänge λB emittiert, das auf die lichtempfindliche Materialschicht derart gerichtet ist, sodass wenigstens zwei Wellenfelder derart miteinander interferrieren, dass die Materialschicht durch ein stochastisch verteiltes Interferenzfeld belichtbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Lichtquelle und der lichtempfindlichen Materialschicht wenigstens ein optischer Diffusor derart vorgesehen ist, dass lodig- Meh-miteinander interferierende Wellenfelder auf die lichtempfindliche Materialschicht auftreffen, die einen Winkel miteinander einschließen, für den gilt:
> 2 arcsin( λB / (2 • KM )).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Diffusor ein Ringdiffusor ist, dessen zentraler Bereich lichtundurchlässig ausgebildet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringdiffusor derart ausgebildet ist, dass die Amplituden von Wellenfeldern, die aus sich gegenüberliegenden Sektoren des Ringdif- fusors austreten, gleich groß sind.
10. Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Lichtquellen vorgesehen sind, deren Lichtstrahlen geneigt auf die lichtempfindliche Materialschicht auftreffen und einen Winkel einschließen, für den gilt,
α > 2 arcsin( λB / (2 • A )) und, dass im Strahlengang der Lichtstrahlen wenigstens ein optischer Diffusor, Filter mit Speckelmustern, eine Maske, und/oder ähnliche, strahlformende optische Mittel eingebracht sind.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen einen Lichtstrahl mit definierter Intensitätsverteilung emittieren.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle eine UV-Lichtquelle in Art eines Excimerlasers ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das strahlformende optische Mittel ein Axicon ist.
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