WO2019170523A1 - Verfahren zur herstellung eines mehrschichtoptikelements - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines mehrschichtoptikelements Download PDF

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WO2019170523A1
WO2019170523A1 PCT/EP2019/055044 EP2019055044W WO2019170523A1 WO 2019170523 A1 WO2019170523 A1 WO 2019170523A1 EP 2019055044 W EP2019055044 W EP 2019055044W WO 2019170523 A1 WO2019170523 A1 WO 2019170523A1
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WO
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layer
optical
substrate
refractive index
optical element
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PCT/EP2019/055044
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Inventor
Georg ROSSBACH
Hubert Halbritter
Original Assignee
Osram Opto Semiconductors Gmbh
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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • G02B5/1857—Manufacturing methods using exposure or etching means, e.g. holography, photolithography, exposure to electron or ion beams
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1847—Manufacturing methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/0074—Production of other optical elements not provided for in B29D11/00009- B29D11/0073
    • B29D11/00769—Producing diffraction gratings
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29D—PRODUCING PARTICULAR ARTICLES FROM PLASTICS OR FROM SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE
    • B29D11/00—Producing optical elements, e.g. lenses or prisms
    • B29D11/0073—Optical laminates

Definitions

  • Light beam such as a laser beam are optical
  • DOE diffractive optical element
  • DOEs are mostly epoxy-based and can be made, for example, by multi-stage nanoimprint lithography or by molding a master into epoxy, however, such DOEs may pose problems, for example, with respect to reflow solderability That is, structures can become soft and deform accordingly
  • inorganic materials offer the advantage of being reflow-solderable and temperature-stable, the etching of high-precision, multi-level, high aspect ratio DOE structures is very difficult.
  • At least one object of certain embodiments is to provide a method of making a
  • a plurality of optical layers are applied to a substrate to produce a multi-layer optical element.
  • the multilayer optical element can in particular be designed as a diffractive optical element.
  • Each of the optical layers can form a so-called binary lattice, ie a spatial arrangement of regions with different refractive indices.
  • the finished multi-layer optical element can have a plurality of such optical layers one above the other, in other words a plurality of binary grids arranged one above the other, so that the multi-layer optical element can be configured as a multi-layer DOE.
  • Multilayer optical element as well as the method for
  • a substrate is provided on which a first optical layer is applied. At least a second optical layer is applied to the first optical layer. This is especially preferred
  • Multilayer optical element thus at least two optical layers. Furthermore, at least on the second optical layer a third optical layer is applied so that the
  • Multilayer optical element at least three optical layers
  • optical layers possible.
  • the optical layers can particularly preferably be applied directly to one another as well as directly on the substrate.
  • a first layer is provided for applying the first optical layer
  • Layer can be applied in particular directly on the substrate, so that accordingly also the first
  • Optic layer can be arranged directly on the substrate.
  • the first layer can be patterned by areawise removal of the first material. This may in particular mean that the first material is completely removed from the substrate in regions such that the first material remains only in desired first regions and first intermediate spaces are created between these first regions, in which the substrate is exposed. Furthermore, a thinner residue of the first material may remain in the first spaces. In this case, however, the etching depth can be decisive for the function and quality of the multilayer optical element and it may be necessary to be able to control it very precisely.
  • etching process Structuring by means of an etching process.
  • a dry-chemical etching method such as, for example, reactive ion etching can be used for this purpose.
  • the etching process can in particular using a mask technology
  • the patterning can be carried out in such a way that, in the structuring of a layer such as, for example, the first layer, etching is carried out exactly as far as the underlying layer, that is to say the substrate in the case of the first layer.
  • etching is carried out exactly as far as the underlying layer, that is to say the substrate in the case of the first layer.
  • Structuring also in a common process step, ie in the form of structured application, for example by means of a mask technology done.
  • the first material can already be applied to the substrate during application only on the desired first regions, while the substrate is in first intermediate spaces
  • Refractive index filled This may in particular mean that dielectric second material in the first
  • Interspaces seen from the substrate up to a height is applied, which is at least equal to the height of the first material in the first areas.
  • the second material with a
  • Gaps are applied to the second material such that it protrudes beyond the first material and / or the first material is covered by the second material.
  • part of a part of the second material projecting beyond the first material is removed.
  • the removal can be done for example by etching or thin grinding.
  • all second material that protrudes beyond the first material be removed, so that even with an application of the second material to a greater height compared to the first material, the second material after removal has the same height as the first material.
  • a part of the second material, which protrudes beyond the first material and in particular can also cover the first material remains. Such, beyond the first material protruding part of the second material that remains, a
  • all the first intermediate spaces can be filled by the second material.
  • the resulting continuous and gapless first optical layer thus has first areas with the first material and in between
  • the intermediate layer has a thickness which is less than half and preferably less than one quarter of the wavelength of the light for which the
  • wavelength information refers to
  • At least one second optical layer is provided on the first optical layer
  • Applied optical layer This may in particular mean that a second layer having the first material is applied to the first optical layer. Subsequently, a patterning of the second layer can be effected by removal of the first material in regions, such that the first optical layer is arranged in second intermediate spaces between the second
  • the application and structuring of the second layer can be carried out in a common method step, ie by structured application.
  • Gaps can with the second material like that
  • the second material has at least a same height as the first material.
  • all second spaces can be filled with the second material.
  • At least one third optical layer can be applied to the second optical layer.
  • the substrate may be at least partially after the application of the optical layers
  • the removal can be done by means of thin grinding.
  • the substrate can be thinned or completely removed.
  • a composite of a plurality of multilayer optical elements is produced with the method steps described above.
  • a wafer is provided as the substrate, for example, on which the first and second material corresponding to the optical layers of the plurality of multilayer optical elements are applied in adjacently arranged regions.
  • singulation for example by sawing or laser cutting, the composite can be separated after completion of the optical layers and optionally after an at least partial removal of the substrate into individual multilayer optical elements.
  • the method described here is characterized in that it is a relatively simple, well-scalable process involving any sequence of binary lattices forming optical layers can be applied to each other.
  • binary lattices forming optical layers can be applied to each other.
  • Planarization and a thin grinding of the second material can be.
  • the individual optical layers are therefore particularly preferably formed planar, with buried regions with different refractive indices, formed by the
  • Process steps for producing an optical layer are in this case replicated as described above, so that successively a total of multi-stage diffractive optical element can be produced. To avoid interference, it is advantageous as described above, if the
  • Interlayers with which optical layers can adjoin the respectively directly above arranged optical layer, a thickness of less than a quarter of
  • the substrate comprises or is composed of an inorganic material.
  • a substrate for example, glass or silicon or another
  • the substrate preferably has or is made of a transparent material, in particular transparent in the light intended for the multilayer optical element in use.
  • a transparent material in particular transparent in the light intended for the multilayer optical element in use.
  • one or more of the following materials can be selected for the substrate, in particular for a transparent substrate: glass, sapphire, SiC, GaN, AlN.
  • the first and the second Material may also preferably be an inorganic one
  • the first and / or the second material may comprise or be composed of an oxide, nitride or oxynitride, for example with one or more materials selected from Si, Zr, Al,
  • the first and / or the second material for example, by sputtering, evaporation, for example, electron beam evaporation, or chemical
  • Gas phase deposition can be applied.
  • one or more of the following materials for the first and / or the second material can be selected: Si0 2, SiN x, A1 2 0 3, MgF 2, Zr0 2, Ta 2 0 5, Ti0 2, Nb 2 0 5, GaN, Zno,
  • ITO Indium tin oxide
  • silicon for example, silicon, (Al) GaAs and (Al) GaP, since these actually typical semiconductor materials can be sufficiently transparent in the specified wavelength range , Thanks to the big one
  • Range from about 2.5 to about 3.5 may be the needed
  • Layer thicknesses also be very thin. This can become
  • either the first material or the second material may have a higher refractive index than the other material.
  • the first and the second material may be selected such that the second refractive index is greater than the first refractive index.
  • the substrate can be in Have substantially the same refractive index as the first or second material.
  • the substrate comprises glass, in particular Si-based glass, the first material silicon nitride and the second material silicon dioxide. This can be achieved that the first and the second material a
  • Refractive index difference of about 0.5 at a wavelength of 850 nm, while the substrate and the second material having substantially the same refractive index.
  • Dielectric layers in particular dielectric layers with inorganic dielectric materials, are provided.
  • Etching processes such as by a dry chemical or wet chemical etching process, enable the production of very steep flanks, which can promote the quality of beam shaping of the multilayer optical element. Furthermore, even flatter flanks can be sufficient because with the described
  • the optical layers may be fabricated in conventional CMOS deposition equipment, for which the fabrication of dielectric layers having a thickness greater than 1 ⁇ m is problematic since the multi-layer optical element
  • the optical layers are produced in successive passes and, for example, for an application wavelength range for the multilayer optical element of 850 nm to 1000 nm, the optical layers have a thickness of less than 1 ym.
  • the thickness of the first one is 850 nm at an application wavelength of 850 nm
  • the thickness of intermediate layers formed by the second material is preferably less than 280 nm (interlayer thickness in the range of half wavelength) or even less than 140 nm
  • Multilayer optical element ie a multilayer optical element with three optical layers, would be in this corresponding
  • Embodiment with respect to the optical layers have a corresponding total thickness, which corresponds to the sum of the specified values for the individual layers.
  • the multilayer optical element described here can be any multilayer optical element described here.
  • diffractive optical element for example, several serial binary diffractive optical elements
  • the multilayer optical element described here can have a higher transparency and thus lower optical losses and thus a
  • Figures 1A to 1H process steps of a method for
  • FIG. 2 shows a method step of a method for
  • identical, identical or identically acting elements can each be provided with the same reference numerals.
  • the illustrated elements and their proportions with each other are not to be regarded as true to scale, but individual elements, such as layers, components, components and areas, for better presentation and / or better understanding may be exaggerated.
  • a method for producing a multilayer optical element 100 which is designed as a multistage diffractive optical element, is shown.
  • the multi-layer optical element is for a wavelength application region in the near-infrared
  • Wavelength range ie in a wavelength range of 850 nm to 1000 nm.
  • the materials and dimensions described below are particularly suitable for such a wavelength range.
  • other materials such as described in the general part may be used.
  • the multilayer optical element can also be formed for other application wavelength ranges with the appropriate choice of material and geometry.
  • Step a substrate 10 is provided.
  • Substrate may preferably comprise or be glass, in particular Si-based glass having a refractive index in the range of about 1.5 for light in the near-infrared
  • the substrate 10 is provided and arranged such that, according to the method steps described below, at least two
  • Optics layers can be applied, each of which forms a planar binary DOE.
  • a first layer 11 is applied to the substrate 10.
  • the first layer 11 comprises a dielectric first material 4 and is applied over a large area and unstructured, for example by sputtering, evaporation or chemical vapor deposition.
  • the first material 4 is shown in FIG. 1D
  • Embodiment formed by silicon nitride which has a refractive index of about 2 in the near-infrared wavelength range.
  • the first layer 11 may be shown in FIG.
  • Embodiment preferably have a typical height of about 575 nm. Subsequently, as shown in FIG. 1C, the first layer 11 is removed by partially removing the first one
  • the first material 4 is completely removed from the substrate 10 in preselected regions.
  • first material 4 thus remains in accordance with the desired structure, while first interspaces 13 are created between the first regions 12, in which the substrate 10 is exposed.
  • first material structures are purely exemplary and in terms of geometry, so for example, the shape, size and number, not restrictive to understand.
  • a plurality of first regions may be formed with the first material in a two-dimensional array on the substrate having a preselected regularity or irregularity to produce desired diffraction effects.
  • the first gaps 13 are filled with a dielectric second material 5, as shown in FIG.
  • the second material 5 can be obtained, for example, by sputtering,
  • the second material 5 has, in particular, a second, different from the first refractive index
  • the second material may particularly preferably be formed by silicon dioxide, which has a refractive index of about 1.5 in the near infrared.
  • the first and second materials 4, 5 have a refractive index difference of about 0.5 at a wavelength of about 850 nm, while the
  • Substrate 10 and the second material 5 have substantially the same refractive index.
  • the structuring of the first material 4 takes place by means of an etching process. In particular, this can be a
  • dry chemical etching such as reactive ion etching can be used by, if appropriate using suitable etching masks, very steep edges and thus sharp transitions between the first and second
  • Material can be generated. As indicated in FIG. 1C, the structuring can be carried out in such a way that the first material 4 is etched exactly to the underlying substrate 10. However, it may also be possible that in the patterning of the first layer 11, the substrate 10 is also etched in the interstices 13, so that the substrate 10 then has a smaller thickness in the exposed interstices 13 than in the first regions 12, in which the first material 4 remains.
  • a second material 5 in the illustrated embodiment a material is used which has substantially the same refractive index as the
  • Substrate 10 this results in no negative optical effects, so that the etching in the substrate 10 does not have to be prevented.
  • the etching in the substrate 10 does not have to be prevented.
  • the second material 5 is applied in the first intermediate spaces 13 as seen from the substrate 10 to a height which is at least equal to the height of the first material 4 in the first regions 12. As shown in FIG. 1D, it is also possible for the second material 5 to be applied at a greater height than the first material 4. In this case, by filling up the first intermediate spaces 13, the second material 5 can be applied in such a way that it protrudes beyond the first material 4, so that the first material 4 is particularly preferably, as shown in FIG Material 5 is covered. Projecting second material, that is about a part of the projecting beyond the first material 4 part of the second material 5, can be removed after the application of the second material 5, for example by etching or thin grinding, whereby the substrate 10th
  • remote side of the first optical layer 1 thus formed can be planarized.
  • all second material 5, which protrudes beyond the first material 4 be removed, so that even with an application of the second material 5 to a greater height compared to the first material 4, the second material 5 after removal the same height as the first Material 4 has.
  • a part of the second material 5, which projects beyond the first material 4 and which in particular covers the first material 4 remains.
  • the protruding over the first material 4 part of the second material 5 forms an indicated by the dashed line intermediate layer 6, which is free of the first material 4.
  • the intermediate layer 6 has a thickness of less than a quarter of the
  • the first optical layer 1 produced in this way which forms a planar binary DOE by the buried spatial structure of the first and second materials 4, 5, has at least one second optical layer 2 in analogous method steps, as shown in FIGS. IE to IG
  • a second layer 21 comprising the first material 4 on the first optical layer 1 becomes large-area and continuous applied and then as in the case of the first
  • Optically layer 1 is structured by area-wise removal of the first material 4, so that the first optical layer 1 is exposed in second intermediate spaces 23 between second regions 22 with the first material 4.
  • first optical layer 1 As described for the first optical layer 1 and as indicated in FIG. 1F, it may in particular be possible for the
  • Structuring is etched in the first optical layer 1.
  • the second interspaces 23 are in turn filled with the second material 5 and optionally planarized in such a way that the second material 5 has at least the same height as the first material 4. If the second material 5 is applied in such a way that the second material 5 projects beyond the first material 4, the second material 5 can be used
  • the thickness of the first and second material 4, 5 of the second optical layer 2 may in particular correspond to the thickness of the first and second material 4, 5 of the first optical layer 1.
  • the structural arrangement of the second regions 22 of the second optical layer 2 with the first material 4 may be the same or, as shown, different from the arrangement of the first regions 12 of the first optical layer 1 with the first material 4, depending on the desired optical effect.
  • the substrate 10 can be at least partially removed, so at least thinned, as shown in Figure 1H.
  • the at least partial removal can be done for example by thin grinding.
  • the method for producing the multilayer optical element 100 is based on the production of a multilayer optical element 100 single multilayer optical element described.
  • the preparation can also be in a composite
  • Multilayer optical elements can be produced. For this purpose, instead of a single substrate, a wafer as
  • the first and second material for producing the optical layers according to the desired optical properties of the multilayer optical elements are arranged regions, the first and second material for producing the optical layers according to the desired optical properties of the multilayer optical elements
  • Substrate fabricated multilayer optical elements may be the same or different.
  • a section of a composite 200 of a plurality is purely exemplary
  • the composite 200 may be divided into individual ones according to the method steps described in connection with FIGS. 1A to 1H
  • the multilayer optical element 100 can be produced with more than two optical layers 1, 2.
  • a preferred one is
  • Embodiment of a multi-layer optical element 100 shown which additionally has a third optical layer 3, which is made analogous to the second optical layer 2 on this.
  • Multilayer optical element 100 has intermediate layers 6, which are preferably as thin as possible and particularly preferably absent. In this case, that can
  • Multilayer optical element 100 with regard to the advance
  • Embodiments are combined with each other, even if not all combinations are explicitly described.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtoptikelements (100) angegeben mit den Schritten: A) Bereitstellung eines Substrats (10), B) Aufbringen einer ersten Optikschicht (1) mit den Teilschritten: B1) Aufbringen einer ersten Schicht (11) aufweisend ein dielektrisches erstes Material (4) mit einem ersten Brechungsindex, B2) Strukturierung der ersten Schicht, B3) Auffüllen der ersten Zwischenräume mit einem dielektrischen zweiten Material (5) mit einem zweiten, vom ersten Brechungsindex verschiedenen Brechungsindex, so dass das zweite Material zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material aufweist, C) Aufbringen zumindest einer zweiten Optikschicht (2) mit den Teilschritten: C1) Aufbringen einer zweiten Schicht (21) aufweisend das erste Material, C2) Strukturierung der zweiten Schicht, so dass die erste Optikschicht in zweiten Zwischenräumen zwischen zweiten Bereichen mit dem ersten Material freigelegt wird, C3) Auffüllen der zweiten Zwischenräume mit dem zweiten Material, so dass das zweite Material zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material aufweist.

Description

Beschreibung
VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG EINES MEHRSCHICHTOPTIKELEMENTS
Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines
Mehrschichtoptikelements angegeben .
Diese Patentanmeldung beansprucht die Priorität der deutschen Patentanmeldung 10 2018 104 932.3, deren Offenbarungsgehalt hiermit durch Rückbezug aufgenommen wird.
Beispielsweise zur Formung oder Aufspaltung eines
Lichtstrahls wie etwa eines Laserstrahls sind optische
Elemente in Form von diffraktiven optischen Elementen (DOE: „diffractive optical element") bekannt, die durch Ausnutzung des Prinzips der Beugung an einem optischen Gitter
Interferenzeffekte erzeugen. Es gibt Anwendungen, bei denen DOE-Strukturen auf Basis dielektrischer Schichten vorteilhaft sind. Solche DOEs sind meist Epoxid-basiert und können beispielsweise mittels Nanoprägelithografie („nanoimprint lithography" ) mit mehreren Stufen oder durch Abformung eines Masters in Epoxid hergestellt werden. Jedoch können solche DOEs Probleme beispielsweise in Bezug auf eine Reflow- Lötfähigkeit mit sich bringen. Falls die Strukturen nämlich weich werden und sich entsprechend verformen, kann zum
Beispiel im Zusammenhang mit Lasern die Augensicherheit nicht mehr gegeben sein. Anorganische Materialien bieten zwar den Vorteil, dass sie Reflow-lötfähig und temperaturstabil sind, jedoch ist die Ätzung hochgenauer, mehrstufiger DOE- Strukturen mit hohem Aspektverhältnis sehr schwierig. Zumindest eine Aufgabe von bestimmten Ausführungsformen ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines
Mehrschichtoptikelements anzugeben .
Diese Aufgabe wird durch einen Verfahren gemäß dem
unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte
Ausführungsformen und Weiterbildungen des Verfahrens sind in den abhängigen Ansprüchen gekennzeichnet und gehen weiterhin aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen hervor .
Gemäß zumindest einer Ausführungsform werden zur Herstellung eines Mehrschichtoptikelements mehrere Optikschichten auf einem Substrat aufgebracht. Das Mehrschichtoptikelement kann insbesondere als diffraktives optisches Element ausgebildet sein. Jede der Optikschichten kann ein sogenanntes binäres Gitter bilden, also eine räumliche Anordnung von Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Entsprechend kann das fertiggestellte Mehrschichtoptikelement eine Mehrzahl von solchen Optikschichten übereinander aufweisen, mit anderen Worten also eine Mehrzahl von übereinander angeordneten binären Gittern, so dass das Mehrschichtoptikelement als Mehrschicht-DOE ausgebildet sein kann. Die nachfolgende
Beschreibung bezieht sich gleichermaßen auf das
Mehrschichtoptikelement wie auch auf das Verfahren zur
Herstellung des Mehrschichtoptikelements.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird ein Substrat bereitgestellt, auf dem eine erste Optikschicht aufgebracht wird. Auf der ersten Optikschicht wird zumindest eine zweite Optikschicht aufgebracht. Besonders bevorzugt weist das
Mehrschichtoptikelement somit zumindest zwei Optikschichten auf. Weiterhin kann auf der zweiten Optikschicht zumindest eine dritte Optikschicht aufgebracht werden, sodass das
Mehrschichtoptikelement zumindest drei Optikschichten
aufweisen kann. Darüber hinaus sind auch mehr als drei
Optikschichten möglich. Die Optikschichten können besonders bevorzugt unmittelbar aufeinander sowie unmittelbar auf dem Substrat aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zum Aufbringen der ersten Optikschicht eine erste Schicht aufweisend ein
dielektrisches erstes Material mit einem ersten
Brechungsindex auf dem Substrat aufgebracht. Die erste
Schicht kann insbesondere unmittelbar auf dem Substrat aufgebracht werden, sodass entsprechend auch die erste
Optikschicht unmittelbar auf dem Substrat angeordnet werden kann. Die erste Schicht mit dem dielektrischen ersten
Material kann insbesondere großflächig und unstrukturiert auf dem Substrat aufgebracht werden. Anschließend kann die erste Schicht durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials strukturiert werden. Das kann insbesondere bedeuten, dass das erste Material in Bereichen vom Substrat vollständig entfernt wird, sodass das erste Material nur in gewünschten ersten Bereichen verbleibt und zwischen diesen ersten Bereichen erste Zwischenräume erzeugt werden, in denen das Substrat freigelegt wird. Weiterhin kann auch ein dünnerer Rest des ersten Materials in den ersten Zwischenräumen verbleiben. Hierbei kann die Ätztiefe aber maßgeblich für die Funktion und Qualität des Mehrschichtoptikelements sein und es kann notwendig sein, diese sehr genau kontrollieren zu können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die
Strukturierung mittels eines Ätzverfahrens. Insbesondere kann hierfür ein trockenchemisches Ätzverfahren wie beispielsweise reaktives Ionenätzen verwendet werden. Das Ätzverfahren kann insbesondere unter Verwendung einer Maskentechnologie
durchgeführt werden. Beispielsweise kann die Strukturierung derart durchgeführt werden, dass bei der Strukturierung einer Schicht wie beispielsweise der ersten Schicht genau bis zur darunterliegenden Schicht, im Falle der ersten Schicht also das Substrat, geätzt wird. Alternativ hierzu kann es auch möglich sein, dass bei der Strukturierung einer Schicht wie beispielsweise der ersten Schicht in die darunterliegende Schicht, im Falle der ersten Schicht also in das Substrat, geätzt wird, so dass die darunterliegende Schicht in den freigelegten Zwischenräumen eine geringere Dicke als in den Bereichen aufweist, in denen das erste Material verbleibt.
Alternativ zu einem großflächigen Aufbringen des ersten
Materials und einer anschließenden Strukturierung der so gebildeten ersten Schicht durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials, sodass das Substrat in ersten
Zwischenräumen zwischen ersten Bereichen mit dem ersten
Material freigelegt wird, kann das Aufbringen und die
Strukturierung auch in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, also in Form von strukturiertem Aufbringen, beispielsweise mithilfe einer Maskentechnologie, erfolgen. Hierdurch kann das erste Material bereits beim Aufbringen nur auf den gewünschten ersten Bereichen auf dem Substrat aufgebracht werden, während das Substrat in ersten Zwischenräumen
zwischen diesen ersten Bereichen freibleibt.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform werden die ersten
Zwischenräume mit einem dielektrischen zweiten Material mit einem zweiten, vom ersten Brechungsindex verschiedenen
Brechungsindex aufgefüllt. Das kann insbesondere bedeuten, dass dielektrisches zweites Material in den ersten
Zwischenräumen vom Substrat aus gesehen bis zu einer Höhe aufgebracht wird, die zumindest gleich der Höhe des ersten Materials in den ersten Bereichen ist. Darüber hinaus kann es auch möglich sein, dass das zweite Material mit einer
größeren Höhe als das erste Material aufgebracht wird.
Insbesondere kann durch das Auffüllen der ersten
Zwischenräume das zweite Material derart aufgebracht werden, dass es über das erste Material hinausragt und/oder das erste Material durch das zweite Material bedeckt wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird nach dem Aufbringen des zweiten Materials ein Teil eines über das erste Material hinausragenden Teils des zweiten Materials entfernt. Das Entfernen kann beispielsweise durch Ätzen oder Dünnschleifen erfolgen. Hierbei kann alles zweite Material, das über das erste Material hinausragt, entfernt werden, sodass auch bei einem Aufbringen des zweiten Materials bis zu einer größeren Höhe im Vergleich zum ersten Material das zweite Material nach dem Entfernen dieselbe Höhe wie das erste Material aufweist. Weiterhin kann es auch möglich sein, dass ein Teil des zweiten Materials, der über das erste Material hinausragt und der insbesondere auch das erste Material bedecken kann, verbleibt. Ein solcher, über das erste Material hinausragende Teil des zweiten Materials, der verbleibt, kann eine
Zwischenschicht bilden, die frei vom ersten Material ist.
Insbesondere können durch das zweite Material alle ersten Zwischenräume gefüllt werden. Die hieraus resultierende durchgängige und lückenlose erste Optikschicht weist somit erste Bereiche mit dem ersten Material und dazwischen
angeordnete mit dem zweiten Material verfüllte Zwischenräume auf, die eine zusammenhängende Schicht bilden. Ragt ein Teil des zweiten Materials über das erste Material hinaus und bedeckt dieses insbesondere, kann hierdurch eine Zwischenschicht gebildet werden. Besonders vorteilhaft kann es sein, wenn die Zwischenschicht eine Dicke aufweist, die kleiner als die Hälfte und bevorzugt kleiner als ein Viertel der Wellenlänge des Lichts ist, für das das
Mehrschichtoptikelement verwendet werden soll. Soweit nicht anders erwähnt beziehen sich Angaben zu Wellenlängen in
Verbindung mit einer Schicht oder einem Material hier und im Folgenden auf die entsprechende Wellenlänge in der Schicht oder dem Material.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird auf der ersten Optikschicht zumindest eine zweite Optikschicht mit
Verfahrensschritten analog zum Aufbringen der ersten
Optikschicht aufgebracht. Dies kann insbesondere bedeuten, dass eine zweite Schicht aufweisend das erste Material auf der ersten Optikschicht aufgebracht wird. Anschließend kann eine Strukturierung der zweiten Schicht durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials erfolgen, sodass die erste Optikschicht in zweiten Zwischenräumen zwischen zweiten
Bereichen mit dem ersten Material freigelegt wird. Wie für die erste Optikschicht beschrieben kann es auch möglich sein, dass bei der Strukturierung bis zur oder auch in die
darunterliegende Schicht, also im vorliegenden Fall bis zur oder auch in die erste Optikschicht, geätzt wird. Außerdem können das Aufbringen und die Strukturierung der zweiten Schicht in einem gemeinsamen Verfahrensschritt, also durch strukturiertes Aufbringen, erfolgen. Die zweiten
Zwischenräume können mit dem zweiten Material derart
aufgefüllt werden, sodass das zweite Material zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material aufweist. Insbesondere können alle zweiten Zwischenräume mit dem zweiten Material aufgefüllt werden. Wird das zweite Material derart
aufgebracht, dass das zweite Material über das erste Material hinausragt, kann das zweite Material entsprechend der
vorherigen Beschreibung eine Zwischenschicht bilden oder durch teilweises Entfernen zu einer Zwischenschicht
ausgebildet werden.
Analog zum Aufbringen der zweiten Optikschicht kann in einem weiteren Verfahrensschritt auf der zweiten Optikschicht zumindest eine dritte Optikschicht aufgebracht werden.
Darüber hinaus können auch noch weitere Optikschichten in analogen Verfahrensschritten aufgebracht werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Substrat nach dem Aufbringen der Optikschichten zumindest teilweise
entfernt werden. Beispielsweise kann das Entfernen mittels Dünnschleifen erfolgen. Hierbei kann das Substrat gedünnt oder ganz entfernt werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird mit den vorab beschriebenen Verfahrensschritten ein Verbund einer Mehrzahl von Mehrschichtoptikelementen hergestellt. Mit anderen Worten wird als Substrat beispielsweise ein Wafer bereitgestellt, auf dem in nebeneinander angeordneten Bereichen das erste und zweite Material entsprechend der Optikschichten der Mehrzahl der Mehrschichtoptikelementen aufgebracht werden. Durch eine Vereinzelung, beispielsweise durch Sägen oder Lasertrennen, kann der Verbund nach Fertigstellung der Optikschichten und gegebenenfalls nach einem zumindest teilweisen Entfernen des Substrats in einzelne Mehrschichtoptikelemente getrennt werden .
Das hier beschriebene Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es ein relativ einfacher, gut skalierbarer Prozess ist, bei dem eine beliebige Abfolge von binäre Gitter bildenden Optikschichten aufeinander aufgebracht werden können. Somit werden jeweils "einfache" binäre, also Zwei- Stufen-Optikschichten beziehungsweise diffraktive Zwei- Stufen-Optikelemente bildende Optikschichten hergestellt, bei denen jeweils der letzte Verfahrensschritt eine
Planarisierung und ein Dünnschleifen des zweiten Materials sein kann. Die einzelnen Optikschichten sind also besonders bevorzugt planar ausgebildet, mit vergrabenen Bereichen mit unterschiedlichen Brechungsindizes, gebildet durch die
Bereiche mit dem ersten und zweiten Material. Die
Verfahrensschritte zur Herstellung einer Optikschicht werden hierbei wie vorab beschrieben repliziert, sodass sukzessive ein in Summe mehrstufiges diffraktives optisches Element hergestellt werden kann. Um Interferenzen zu vermeiden, ist es wie oben beschrieben vorteilhaft, wenn die
Zwischenschichten, mit denen Optikschichten an die jeweils unmittelbar darüber angeordnete Optikschicht angrenzen können, eine Dicke von weniger als einem Viertel der
Wellenlänge des für das Mehrschichtoptikelement vorgesehenen Lichts aufweisen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist das Substrat ein anorganisches Material auf oder ist daraus. Als Substrat kann beispielsweise Glas oder Silizium oder ein anderes
anorganisches Material, insbesondere in Form eines Wafers, verwendet werden. Verbleibt das Substrat dauerhaft als Teil des Mehrschichtoptikelements weist das Substrat vorzugsweise ein transparentes Material, insbesondere transparent bei der für das Mehrschichtoptikelement in der Verwendung vorgesehene Licht, auf oder ist daraus. Besonders bevorzugt können eines oder mehrere der folgenden Materialien für das Substrat, insbesondere für ein transparentes Substrat, ausgewählt werden: Glas, Saphir, SiC, GaN, A1N. Das erste und das zweite Material können ebenfalls bevorzugt ein anorganisches
Material aufweisen oder daraus sein. Insbesondere können das erste und/oder das zweite Material ein Oxid, Nitrid oder Oxinitrid aufweisen oder daraus sein, beispielsweise mit einem oder mehreren Materialien ausgewählt aus Si, Zr, Al,
Ga. Weiterhin sind beispielsweise auch Fluoride wie MgF2 und CaF2 möglich. Das erste und/oder das zweite Material können beispielsweise mittels Sputtern, Verdampfen, beispielsweise Elektronenstrahlverdampfung, oder chemischer
Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Besonders bevorzugt können eines oder mehrere der folgenden Materialien für das erste und/oder das zweite Material ausgewählt werden: Si02, SiNx, A1203, MgF2 , Zr02, Ta205, Ti02, Nb205, GaN, ZnO,
Indiumzinnoxid (ITO). Beispielsweise für den Infrarot-Bereich mit Wellenlängen von größer als 850 nm oder sogar größer als 950 nm können weiterhin auch zum Beispiel Silizium, (Al)GaAs und (Al)GaP geeignet sein, da diese eigentlich typischen Halbleitermaterialien im angegebenen Wellenlängenbereich ausreichend transparent sein können. Dank des großen
Brechungsindexes dieser Materialien in einem typischen
Bereich von etwa 2,5 bis etwa 3,5 können die benötigten
Schichtdicken auch sehr dünn sein. Hieraus können sich
Synergien mit bestehenden Halbleiterprozessen ergeben. Die Zuordnung der genannten Materialien zum ersten und zweiten Material kann prinzipiell frei wählbar sein, sofern
sichergestellt wird, dass der Brechungsindex unterschiedlich ist. Somit kann entweder das erste Material oder das zweite Material einen höheren Brechungsindex als das andere Material aufweisen .
Beispielsweise können das erste und das zweite Material derart gewählt sein, dass der zweite Brechungsindex größer als der erste Brechungsindex ist. Das Substrat kann im Wesentlichen denselben Brechungsindex wie das erste oder zweite Material aufweisen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weisen das Substrat Glas, insbesondere Si- basiertes Glas, das erste Material Siliziumnitrid und das zweite Material Siliziumdioxid auf. Hierdurch kann erreicht werden, dass das erste und das zweite Material einen
Brechungsindexunterschied von etwa 0,5 bei einer Wellenlänge von 850 nm aufweisen, während das Substrat und das zweite Material im Wesentlichen denselben Brechungsindex aufweisen.
Dielektrische Schichten, insbesondere dielektrische Schichten mit anorganischen dielektrischen Materialien, sind
prinzipiell Reflow-lötfähig, sodass das hier beschriebene Mehrschichtoptikelement entsprechend Reflow-lötfähig sein kann. Die Strukturierung des ersten Materials durch ein
Ätzverfahren wie beispielsweise durch einen trockenchemischen oder nasschemischen Ätzprozess ermöglicht die Herstellung von sehr steilen Flanken, was die Qualität der Strahlformung des Mehrschichtoptikelements fördern kann. Weiterhin können auch flachere Flanken ausreichen, da mit dem beschriebenen
Verfahren definiert produziert werden kann. Außerdem kann es bei dem hier beschriebenen Verfahren möglich sein, dass keine Ätzstoppschichten verwendet werden müssen, sodass der hier beschriebene Ätzprozess ohne entsprechende Stoppschichten prinzipiell sehr einfach und hoch tolerant sein kann.
Insbesondere können die Optikschichten in üblichen CMOS- Abscheideanlagen hergestellt werden, für die die Herstellung dielektrischer Schichten mit einer Dicke von mehr als 1 ym problematisch ist, da das Mehrschichtoptikelement
beziehungsweise die Optikschichten in aufeinanderfolgenden Durchgängen hergestellt werden und beispielsweise für einen Anwendungswellenlängenbereich für das Mehrschichtoptikelement von 850 nm bis 1000 nm die Optikschichten eine Dicke von weniger als 1 ym aufweisen. Bei einer Anwendungswellenlänge von 850 nm beispielsweise kann es im Falle von Siliziumnitrid für das erste Material und Siliziumdioxid für das zweite Material vorteilhaft sein, wenn die Dicke des ersten
Materials in den Optikschichten jeweils im Bereich von etwa 850 nm oder weniger liegt und beispielsweise einen Wert D = l/ (2+Dh) (mit l: Anregungswellenlänge und Dh :
Brechungsindexunterschied ) aufweist, während die Dicke von durch das zweite Material gebildeten Zwischenschichten bevorzugt kleiner als 280 nm (Zwischenschichtdicke im Bereich der halben Wellenlänge) oder sogar kleiner als 140 nm
(Zwischenschichtdicke im Bereich eines Viertels der
Wellenlänge) ist. Ein bevorzugt dreischichtiges
Mehrschichtoptikelement, also ein Mehrschichtoptikelement mit drei Optikschichten, würde in diesem entsprechenden
Ausführungsbeispiel im Hinblick auf die Optikschichten eine entsprechende Gesamtdicke aufweisen, die der Summe der angegebenen Werte für die einzelnen Schichten entspricht.
Das hier beschriebene Mehrschichtoptikelement kann
zuverlässig herstellbar sein und ein mehrstufiges
diffraktives optisches Element bilden, das beispielsweise mehrere serielle binäre diffraktive optische Elemente
ersetzen kann. Im Vergleich zu solchen seriellen binären dielektrischen Optikelementen kann das hier beschriebene Mehrschichtoptikelement eine höhere Transparenz und damit geringere optische Verluste aufweisen und somit eine
effizientere Strahlformung oder Strahlaufspaltung
ermöglichen. Im Vergleich zur Herstellung von binären
diffraktiven Elementen kann das hier beschriebene
Herstellungsverfahren ähnlich kostengünstig durchführbar sein . Weitere Vorteile, vorteilhafte Ausführungsformen und
Weiterbildungen ergeben sich aus den im Folgenden in
Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Ausführungsbeispielen .
Es zeigen:
Figuren 1A bis 1H Verfahrensschritte eines Verfahrens zur
Herstellung eines Mehrschichtoptikelements gemäß einem Ausführungsbeispiel,
Figur 2 einen Verfahrensschritt eines Verfahrens zur
Herstellung eines Mehrschichtoptikelements gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel und
Figur 3 ein Mehrschichtoptikelement gemäß einem weiteren
Ausführungsbeispiel .
In den Ausführungsbeispielen und Figuren können gleiche, gleichartige oder gleich wirkende Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen sein. Die dargestellten Elemente und deren Größenverhältnisse untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen, vielmehr können einzelne Elemente, wie zum Beispiel Schichten, Bauteile, Bauelemente und Bereiche, zur besseren Darstellbarkeit und/oder zum besseren Verständnis übertrieben groß dargestellt sein.
In Verbindung mit den Figuren 1A bis 1H ist ein Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtoptikelements 100 gezeigt, das als mehrstufiges diffraktives optisches Element ausgebildet ist. Rein beispielhaft ist das Mehrschichtoptikelement für einen Wellenlängenanwendungsbereich im nahinfraroten
Wellenlängenbereich, also in einem Wellenlängenbereich von 850 nm bis 1000 nm, ausgebildet. Die im Folgenden beschriebenen Materialien und Dimensionen sind besonders geeignet für einen solchen Wellenlängenbereich. Alternativ hierzu können auch andere Materialien wie beispielsweise im allgemeinen Teil beschrieben verwendet werden. Weiterhin kann das Mehrschichtoptikelement auch bei entsprechender Material- und Geometriewahl für andere Anwendungswellenlängenbereiche ausgebildet werden.
Wie in Figur 1A gezeigt ist, wird in einem ersten
Verfahrensschritt ein Substrat 10 bereitgestellt. Das
Substrat kann bevorzugt Glas aufweisen oder daraus sein, insbesondere Si-basiertes Glas, das einen Brechungsindex im Bereich von etwa 1,5 für Licht im nahinfraroten
Wellenlängenbereich aufweist. Das Substrat 10 ist dazu vorgesehen und eingerichtet, dass gemäß den im Folgenden beschriebenen Verfahrensschritten zumindest zwei
Optikschichten aufgebracht werden können, von denen jede ein planares binäres DOE bildet.
Zur Herstellung einer ersten Optikschicht 1, die
beispielsweise in Figur ID gezeigt ist, wird hierzu in einem weiteren Verfahrensschritt, wie in Figur 1B gezeigt ist, eine erste Schicht 11 auf dem Substrat 10 aufgebracht. Die erste Schicht 11 weist ein dielektrisches erstes Material 4 auf und wird großflächig und unstrukturiert beispielsweise durch Sputtern, Verdampfen oder chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht. Das erste Material 4 wird im gezeigten
Ausführungsbeispiel durch Siliziumnitrid gebildet, das im nahinfraroten Wellenlängenbereich einen Brechungsindex von etwa 2 aufweist. Die erste Schicht 11 kann im gezeigten
Ausführungsbeispiel bevorzugt eine typische Höhe von etwa 575 nm aufweisen. Anschließend wird die erste Schicht 11, wie in Figur IC gezeigt ist, durch bereichsweises Entfernen des ersten
Materials 4 strukturiert. Hierzu wird das erste Material 4 in vorgewählten Regionen vollständig vom Substrat 10 entfernt.
In ersten Bereichen 12 verbleibt das erste Material 4 somit entsprechend der gewünschten Struktur, während zwischen den ersten Bereichen 12 erste Zwischenräume 13 erzeugt werden, in denen das Substrat 10 freigelegt wird. Die in den
vorliegenden Figuren angedeuteten, durch das erste Material gebildeten Strukturen sind rein beispielhaft und im Hinblick auf die Geometrie, also beispielsweise die Form, Größe und Anzahl, nicht beschränkend zu verstehen. Insbesondere kann eine Vielzahl von ersten Bereichen mit dem ersten Material in einer zweidimensionalen Anordnung auf dem Substrat mit einer vorgewählten Regel- oder Unregelmäßigkeit ausgebildet werden, um gewünschte Beugungseffekte erzeugen zu können.
Nach der Strukturierung der ersten Schicht 11 werden die ersten Zwischenräume 13 mit einem dielektrischen zweiten Material 5 aufgefüllt, wie in Figur ID gezeigt ist. Das zweite Material 5 kann beispielsweise durch Sputtern,
Verdampfen oder chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Das zweite Material 5 weist insbesondere einen zweiten, vom ersten Brechungsindex verschiedenen
Brechungsindex auf. Im gezeigten Ausführungsbeispiel kann das zweite Material besonders bevorzugt durch Siliziumdioxid gebildet werden, das im Nahinfraroten einen Brechungsindex von etwa 1,5 aufweist. Somit weisen das erste und zweite Material 4, 5 einen Brechungsindexunterschied von etwa 0,5 bei einer Wellenlänge von etwa 850 nm auf, während das
Substrat 10 und das zweite Material 5 im Wesentlichen einen gleichen Brechungsindex aufweisen. Die Strukturierung des ersten Materials 4 erfolgt mittels eines Ätzverfahrens. Insbesondere kann hierfür ein
trockenchemisches Ätzverfahren wie beispielsweise reaktives Ionenätzen verwendet werden, durch das, gegebenenfalls unter Verwendung geeigneter Ätzmasken, sehr steile Flanken und damit scharfe Übergänge zwischen dem ersten und zweiten
Material erzeugt werden können. Wie in Figur IC angedeutet ist, kann die Strukturierung derart durchgeführt werden, dass das erste Material 4 genau bis zum darunterliegenden Substrat 10 geätzt wird. Es kann jedoch auch möglich sein, dass bei der Strukturierung der ersten Schicht 11 auch das Substrat 10 in den Zwischenräumen 13 angeätzt wird, so dass das Substrat 10 dann in den freigelegten Zwischenräumen 13 eine geringere Dicke als in den ersten Bereichen 12 aufweist, in denen das erste Material 4 verbleibt. Da als zweites Material 5 im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Material verwendet wird, das im Wesentlichen den gleichen Brechungsindex wie das
Substrat 10 aufweist, entstehen hierdurch keine negativen optischen Effekte, so dass das Ätzen in das Substrat 10 nicht verhindert werden muss. Somit kann beispielsweise auf eine Ätzstoppschicht verzichtet werden.
Das zweite Material 5 wird in den ersten Zwischenräumen 13 vom Substrat 10 aus gesehen bis zu einer Höhe aufgebracht, die zumindest gleich der Höhe des ersten Materials 4 in den ersten Bereichen 12 ist. Wie in Figur ID gezeigt ist, ist es auch möglich, dass das zweite Material 5 mit einer größeren Höhe als das erste Material 4 aufgebracht wird. Hierbei kann durch das Auffüllen der ersten Zwischenräume 13 das zweite Material 5 derart aufgebracht werden, dass es über das erste Material 4 hinausragt, so dass besonders bevorzugt, wie in Figur ID gezeigt ist, das erste Material 4 durch das zweite Material 5 bedeckt wird. Überstehendes zweites Material, also etwa ein Teil des über das erste Material 4 hinausragenden Teils des zweiten Materials 5, kann nach dem Aufbringen des zweiten Materials 5 entfernt werden, beispielsweise durch Ätzen oder Dünnschleifen, wodurch die dem Substrat 10
abgewandte Seite der so gebildeten ersten Optikschicht 1 planarisiert werden kann. Hierbei kann alles zweite Material 5, das über das erste Material 4 hinausragt, entfernt werden, sodass auch bei einem Aufbringen des zweiten Materials 5 bis zu einer größeren Höhe im Vergleich zum ersten Material 4 das zweite Material 5 nach dem Entfernen dieselbe Höhe wie das erste Material 4 aufweist. Wie gezeigt kann es auch möglich sein, dass ein Teil des zweiten Materials 5, der über das erste Material 4 hinausragt und der insbesondere das erste Material 4 bedeckt, verbleibt. Der über das erste Material 4 hinausragende Teil des zweiten Materials 5 bildet eine durch die gestrichelte Linie angedeutete Zwischenschicht 6, die frei vom ersten Material 4 ist. Um bei der späteren
Verwendung Interferenzen aufgrund der Zwischenschicht 6 zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Zwischenschicht 6 eine Dicke von weniger als einem Viertel der
Anwendungswellenlänge aufweist. Im gezeigten
Ausführungsbeispiel kann die Zwischenschicht 6 somit
bevorzugt eine Dicke von weniger als 250 nm aufweisen.
Auf die derart hergestellte erste Optikschicht 1, die durch die vergrabene räumliche Struktur des ersten und zweiten Materials 4, 5 ein planares binäres DOE bildet, wird in analogen Verfahrensschritten, wie in den Figuren IE bis IG gezeigt ist, zumindest eine zweite Optikschicht 2
aufgebracht. Insbesondere wird, wie in Figur IE gezeigt ist, eine zweite Schicht 21 aufweisend das erste Material 4 auf der ersten Optikschicht 1 großflächig und zusammenhängend aufgebracht und anschließend wie im Falle der ersten
Optikschicht 1 durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials 4 strukturiert, sodass die erste Optikschicht 1 in zweiten Zwischenräumen 23 zwischen zweiten Bereichen 22 mit dem ersten Material 4 freigelegt wird. Wie für die erste Optikschicht 1 beschrieben und wie in Figur 1F angedeutet ist, kann es insbesondere möglich sein, dass bei der
Strukturierung in die erste Optikschicht 1 geätzt wird. Die zweiten Zwischenräume 23 werden wiederum mit dem zweiten Material 5 derart aufgefüllt und gegebenenfalls planarisiert, dass das zweite Material 5 zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material 4 aufweist. Wird das zweite Material 5 derart aufgebracht, dass das zweite Material 5 über das erste Material 4 hinausragt, kann das zweite Material 5
entsprechend der vorherigen Beschreibung das erste Material 4 überdecken und so eine der Zwischenschicht 6 entsprechende Schicht bilden. Die Dicke des ersten und zweiten Materials 4, 5 der zweiten Optikschicht 2 kann insbesondere der Dicke des ersten und zweiten Materials 4, 5 der ersten Optikschicht 1 entsprechen. Die strukturelle Anordnung der zweiten Bereiche 22 der zweiten Optikschicht 2 mit dem ersten Material 4 kann je nach gewünschter optischer Wirkung gleich oder, wie gezeigt, unterschiedlich zur Anordnung der ersten Bereiche 12 der ersten Optikschicht 1 mit dem ersten Material 4 sein.
Nach der Fertigstellung der Optikschichten kann das Substrat 10 zumindest teilweise entfernt werden, also zumindest gedünnt werden, wie in Figur 1H gezeigt ist. Das zumindest teilweise Entfernen kann beispielsweise durch Dünnschleifen erfolgen .
In den Figuren 1A bis 1H ist das Verfahren zur Herstellung des Mehrschichtoptikelements 100 anhand der Herstellung eines einzelnen Mehrschichtoptikelements beschrieben. Besonders bevorzugt kann die Herstellung auch in einem Verbund
erfolgen, so dass parallel eine Mehrzahl von
Mehrschichtoptikelementen hergestellt werden kann. Hierzu wird anstelle eines einzelnen Substrats ein Wafer als
Substrat bereitgestellt, auf dem in nebeneinander
angeordneten Bereichen das erste und zweite Material zur Herstellung der Optikschichten entsprechend der gewünschten optischen Eigenschaften der Mehrschichtoptikelemente
aufgebracht werden. Die Strukturen der parallel auf dem
Substrat hergestellten Mehrschichtoptikelemente können gleich oder verschieden sein. In Figur 2 ist ein Ausschnitt eines Verbunds 200 einer Mehrzahl von rein beispielhaft
gleichartigen Mehrschichtoptikelementen 100 gezeigt, deren Struktur der des Mehrschichtoptikelements des vorhergehenden Ausführungsbeispiels entsprechen. Entlang der durch die gestrichelten Linien angedeuteten Vereinzelungsbereiche kann der Verbund 200 nach den in Verbindung mit den Figuren 1A bis 1H beschriebenen Verfahrensschritten in einzelne
Mehrschichtoptikelemente 100 zerteilt werden.
Alternativ zu den vorherigen Ausführungsbeispielen kann das Mehrschichtoptikelement 100 mit mehr als zwei Optikschichten 1, 2 hergestellt werden. In Figur 3 ist ein bevorzugtes
Ausführungsbeispiel für ein Mehrschichtoptikelement 100 gezeigt, das zusätzlich noch eine dritte Optikschicht 3 aufweist, die analog zur zweiten Optikschicht 2 auf dieser hergestellt ist. Das in Figur 3 gezeigte
Mehrschichtoptikelement 100 weist Zwischenschichten 6 auf, die bevorzugt möglichst dünn und besonders bevorzugt nicht vorhanden sind. In diesem Fall kann das
Mehrschichtoptikelement 100 im Hinblick auf die vorab
beschriebenen Materialien drei binäre DOE gebildet durch die drei Optikschichten 1, 2, 3 aufweisen, die von der Substratoberseite aus gesehen auf einer Höhe von 0 nm, 575 nm und 1150 nm angeordnet sind. Alternativ zum
Ausführungsbeispiel der Figur 3 sind auch mehr als drei Optikschichten möglich.
Die in den in Verbindung mit den Figuren beschriebenen
Merkmale und Ausführungsbeispiele können gemäß weiteren
Ausführungsbeispielen miteinander kombiniert werden, auch wenn nicht alle Kombinationen explizit beschrieben sind.
Weiterhin können die in Verbindung mit den Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele alternativ oder zusätzlich weitere Merkmale gemäß der Beschreibung im allgemeinen Teil aufweisen .
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele auf diese beschränkt. Vielmehr umfasst die Erfindung jedes neue Merkmal sowie jede Kombination von Merkmalen, was insbesondere jede Kombination von Merkmalen in den Patentansprüchen beinhaltet, auch wenn dieses Merkmal oder diese Kombination selbst nicht explizit in den
Patentansprüchen oder Ausführungsbeispielen angegeben ist.
Bezugszeichenliste
1, 2, 3 Optikschicht
4 erstes Material
5 zweites Material
6 Zwischenschicht
10 Substrat
11 erste Schicht
12 erster Bereich
13 erster Zwischenraum 21 zweite Schicht
22 zweiter Bereich
23 zweiter Zwischenraum 100 MehrSchichtoptikelement
200 Verbund

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Mehrschichtoptikelements (100) mit den Schritten:
A) Bereitstellung eines Substrats (10),
B) Aufbringen einer ersten Optikschicht (1) mit den
Teilschritten :
Bl) Aufbringen einer ersten Schicht (11) aufweisend ein
dielektrisches erstes Material (4) mit einem ersten Brechungsindex,
B2) Strukturierung der ersten Schicht durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials,
B3) Auffüllen der ersten Zwischenräume mit einem
dielektrischen zweiten Material (5) mit einem zweiten, vom ersten Brechungsindex verschiedenen Brechungsindex, so dass das zweite Material zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material aufweist,
C) Aufbringen zumindest einer zweiten Optikschicht (2) mit den Teilschritten:
CI) Aufbringen einer zweiten Schicht (21) aufweisend das
erste Material,
C2) Strukturierung der zweiten Schicht durch bereichsweises Entfernen des ersten Materials, so dass die erste
Optikschicht in zweiten Zwischenräumen zwischen zweiten Bereichen mit dem ersten Material freigelegt wird,
C3) Auffüllen der zweiten Zwischenräume mit dem zweiten
Material, so dass das zweite Material zumindest eine gleiche Höhe wie das erste Material aufweist.
2. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das erste und/oder zweite Material mittels Sputtern, Verdampfen oder chemischer Gasphasenabscheidung aufgebracht werden.
3. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem die Strukturierung mittels eines Ätzverfahrens erfolgt.
4. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das
Ätzverfahren ein trockenchemisches oder nasschemisches Ätzverfahren ist.
5. Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, bei dem bei der Strukturierung einer Schicht in die jeweilige darunter liegende Schicht geätzt wird.
6. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat im Wesentlichen denselben Brechungsindex wie das erste oder das zweite Material aufweist.
7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der zweite Brechungsindex größer als der erste Brechungsindex ist oder umgekehrt.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat, das erste Material und das zweite Material jeweils ein anorganisches Material aufweisen.
9. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat Glas aufweist.
10. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Material Siliziumnitrid und das zweite Material Siliziumdioxid aufweisen.
11. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das erste Material Siliziumdioxid und das zweite Material Siliziumnitrid aufweisen.
12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das zweite Material bei der Herstellung der ersten
und/oder zweiten Optikschicht mit einer derartigen Höhe aufgebracht wird, dass das zweite Material über das erste Material hinausragt und das erste Material bedeckt wird.
13. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem der über das erste Material hinausragende Teil des zweiten
Materials eine Zwischenschicht (6) bildet, die frei vom ersten Material ist.
14. Verfahren nach einem der beiden vorherigen Ansprüche, bei dem nach dem Aufbringen des zweiten Materials ein Teil eines über das erste Material hinausragenden Teils des zweiten Materials entfernt wird.
15. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das
Entfernen durch Dünnschleifen erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem analog zum Verfahrensschritt C zumindest eine dritte
Optikschicht (3) auf der zweiten Optikschicht aufgebracht wird .
17. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem ein Verbund (200) einer Mehrzahl von
Mehrschichtoptikelementen hergestellt wird, die durch Vereinzelung voneinander getrennt werden.
18. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das Substrat nach dem Aufbringen der Optikschichten zumindest teilweise entfernt wird.
19. Verfahren nach dem vorherigen Anspruch, bei dem das Entfernen mittels Dünnschleifen erfolgt.
PCT/EP2019/055044 2018-03-05 2019-02-28 Verfahren zur herstellung eines mehrschichtoptikelements WO2019170523A1 (de)

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