WO2021064070A1 - Strukturierung einer oberfläche eines aktiven optischen materials - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche (32) eines aktiven optischen Materials (12), mit den Schritten: Behandeln (S10) der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer (10); Einbringen (S12) einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird. Die Erfindung betrifft weiterhin ein aktives optisches Material (12), mit einer durch das Verfahren strukturierten Oberfläche (32).

Description

Strukturierung einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Strukturieren einer Ober fläche eines aktiven optischen Materials. Die vorliegende Erfindung betrifft wei terhin ein aktives optisches Material mit einer durch das Verfahren strukturierten Oberfläche.

In der Materialbearbeitung sowie in der Messtechnik und in vielen anderen An wendungsbereichen spielen Lasersysteme eine wichtige Rolle. Die Lasermik romaterialbearbeitung kann dabei insbesondere zum Materialabtrag (Ablation), zur Oberflächenfunktionalisierung oder auch zum Polieren von Oberflächen verwendet werden. Beispielsweise können durch interferometrische oder spekt roskopische Verfahren mittels eines Lasersystems Distanzen oder auch Mate rialeigenschaften bestimmt werden. Einerseits werden gepulste Laser verwen det, um möglichst hohe Leistungsspitzen zu erreichen. Andererseits werden kontinuierliche Laserquellen verwendet, um eine hohe mittlere Ausgangsleis- tung zu erreichen. Je nach Anwendung werden unterschiedliche optische Sys teme verwendet.

In solchen Lasersystemen werden aktive optische Materialien eingesetzt, um den Laserstrahl zu erzeugen und Eigenschaften des Lichts bzw. des Laser strahls anzupassen. Regelmäßig verwendete aktive optische Materialien sind dabei Lasermaterialen (z. B. Nd:YAG, Yb:YAG, Nd:YV04, Ti:Saphir), optisch nichtlineare Materialien (z. B. Lithiumtriborat, ß-Bariumborat, BiBO, Lithium- niobat, Lithiumtantalat) sowie Faraday-Materialien bzw. Faraday-Rotatoren (z. B. TGG und andere). Die Reflexions- bzw. Transmissionseigenschaften der Ma terialien sind dabei oft relevant. Zumeist ist eine möglichst hohe Transmission über einen breiten Wellenlängenbereich gewünscht. Weiterhin ist es wün schenswert, möglichst schmutz- und wasserabweisende Oberflächen zu ver wenden. Gerade bei hohen Leistungen können Schmutz- oder Wasserablage rungen zu Materialdefekten führen, beispielsweise wenn Schmutzpartikel er hitzt werden. Zudem kann es zu Leistungsverlusten und zu Ungenauigkeiten bei der Anwendung des Lasersystems kommen.

Diese Materialeigenschaften werden zumeist durch eine Beschichtung erzeugt. Sogenannte Antireflexbeschichtungen (AR-coatings) können dabei aus mehre ren ultradünnen Schichten bestehen, die in etablierten Fertigungsverfahren auf gebracht werden und eine sehr gute Entspiegelungswirkung ermöglichen. Nachteilig an derartigen Mehrschichtsystemen ist, dass die Entspiegelungswir kung oft von der Wellenlänge und vom Einstrahlwinkel des Lichts abhängen. Daher ist eine anwendungsspezifische Beschichtung notwendig. Zudem kann es gerade bei hohen Leistungen zu einer Delamination der Schicht aufgrund thermischer Zyklierung kommen. Die Widerstandsfähigkeit der Oberfläche ge genüber hohen thermischen Leistungen (Laserstrahlung) wird reduziert.

Andere Ansätze im Bereich der passiven optischen Materialien basieren auf ei ner Mikrostrukturierung der Oberfläche. Für eine Maskierung werden hierbei oft Kohlenstoffverbindungen eingesetzt. Da nach der Bearbeitung Maskenreste Zurückbleiben, die bei hohen Leistungen aufgrund von Restabsorption zu Materi aldefekten führen, können solche Ansätze nur bedingt auf den Bereich der ak tiven optischen Materialien übertragen werden. Insbesondere kann es zu Ein schränkungen hinsichtlich der Lebensdauer bzw. hinsichtlich möglicher Ein satzfelder kommen.

Für Siliziumdioxid wird in der WO 2012/032162 A1 ein Verfahren zur Reduzie rung der Grenzflächenreflexion einer Glasoberfläche offenbart. Die Glasoberfläche des optischen Elements wird mit einem Plasmaätzprozess be handelt, ohne dass ein Maskenmaterial auf die Glasoberfläche aufgebracht wird. Bei dem Plasmaätzprozess wird ein Ätzgas verwendet, das eine Fluorver bindung enthält. Mittels des maskenlosen Plasmaätzprozesses wird eine refle xionsmindernde Nanostruktur an der Oberfläche erzeugt. Dieses Verfahren ba siert dabei darauf, dass das Siliziumdioxid der Oberfläche direkt strukturiert wird, sodass eine Übertragung auf andere Materialien, insbesondere aktive op tische Materialien nicht möglich ist. Das in der WO 2012/032162 A1 beschrie bene Verfahren bezieht sich insbesondere auf amorphe Materialien, die im Ge gensatz zu kristallinen aktiven optischen Materialien keine Fernordnung besit zen. Dies bedingt eine wesentliche Änderung der Mechanismen hinter dem Ätz prozess und der Selbstorganisation von Strukturen. Die Fernordnung ist aus schlaggebende Eigenschaft der aktiven optischen Materialien, da sich viele An wendungseigenschaften auf diese beziehen und davon definiert werden. Bei einem selbstkatalytischen Prozess kann nicht sichergestellt werden, dass die Kristallorientierung erhalten bleibt. Somit kann es zu einer Änderung der Mate rialeigenschaften kommen. Ebenso verhält es sich mit dem Einbringen einer amorphen Ätzmaske in Form von Fused Silica.

Die DE 10 2008 002 193A1 betrifft ein optisches Element mit hydrophober Oberfläche und eine Projektionsbelichtungsanlage für die Immersionslithogra phie. Die hydrophobe Oberfläche ist durch Mikrostrukturierung eines unbe schichteten Bereichs des Elementkörpers gebildet. Die Projektionsbelichtungs anlage umfasst ein Projektionsobjektiv, das ein derartiges optisches Element als Abschlusselement zur teilweisen Benetzung mit einer Immersionsflüssigkeit aufweist.

Die US 2019/0109011A1 betrifft die Bildung von superhydrophobischen Ober flächen. Es werden Technologien für Verfahren und Systeme beschrieben, die zum Ätzen von Nanostrukturen in einem Substrat wirksam sind. Die Verfahren können das Abscheiden eines strukturierten Block-Copolymers auf dem Sub strat umfassen. Die Verfahren können das Aufbringen eines Vorläufers auf das strukturierte Block-Copolymer umfassen, um ein infiltriertes Block-Copolymer zu erzeugen. Der Vorläufer kann in die erste Polymerblockdomäne infiltrieren und ein Material erzeugen.

Ausgehend hiervon stellt sich der vorliegenden Erfindung die Aufgabe, einen Ansatz zum Verbessern der Reflexionseigenschaften eines aktiven optischen Materials bereitzustellen. Insbesondere soll die Transmission möglichst breit bandig erhöht werden. Zudem soll eine möglichst wasser- und schmutzabwei sende Oberfläche geschaffen werden.

Zum Lösen dieser Aufgabe betrifft die vorliegende Erfindung in einem ersten Aspekt ein Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche eines aktiven opti- sehen Materials, mit den Schritten:

- Behandeln der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer;

- Einbringen einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei

- ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und - mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird.

In einem weiteren Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung ein aktives optisches Material, mit einer in dem zuvor beschriebenen Verfahren strukturierten Ober fläche. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung werden in den abhängigen Ansprü chen beschrieben. Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angege benen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstel lung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlas- sen. Insbesondere kann das aktive optische Material eine Oberfläche aufweisen, die mit einem Verfahren, wie in einem der abhängigen Ansprüche beschrieben, strukturiert wurde.

Erfindungsgemäß wird eine Oberfläche eines aktiven optischen Materials struk turiert. Das aktive optische Material wird als Substrat in eine Plasmaätzkammer eingebracht und darin in einem Plasmaätzprozess behandelt. In die Plasmaätz kammer wird eine Siliziumverbindung eingebracht. Es wird ein Ätzgas mit einer Fluorverbindung verwendet. Im Plasmaätzprozess kommt es zu einer Maskie rung durch Siliziumdioxid, wodurch eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird (sog. Ätzgras). Die Prozessparameter des Plasmaätzprozesses (angelegte Spannung, Temperatur, Dauer etc.) wer den entsprechend der beabsichtigten Anwendung gewählt. Insbesondere wird der Prozess beendet, wenn die gewünschte Oberflächennanostruktur erreicht ist. Die Prozessparameter hängen dabei von der verwendeten Plasmaätzkam mer ab.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann die Transmission gegenüber un behandelten aktiven optischen Materialien wesentlich verbessert werden. Zu dem kann eine wasser- und schmutzabweisende Oberfläche geschaffen wer den, die eine höhere Lebensdauer bietet, da sich beispielsweise kein Staub als Absorptionskeim anlagern kann. Im Vergleich zu bisherigen Verfahren, bei de nen eine Beschichtung aufgebracht wird, bietet das erfindungsgemäße Verfah ren den Vorteil, dass die gewünschten Transmissionseigenschaften auch bei höheren Leistungen gewährleistet werden können. Es wird vermieden, dass es aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten des Beschichtungsmate rials zu einem Abplatzen der Beschichtung und damit zu Materialdefekten kommt (Delamination aufgrund thermischer Effekte). Eine hohe Lebensdauer des aktiven optischen Materials wird erreicht. Zudem können aufgrund der ver besserten Zerstörschwelle höhere Leistungen verwendet werden, was zu einer höheren Effizienz führt. Im Vergleich zu bisherigen Ansätzen, bei denen Koh lenstoffverbindungen als Maskenmaterial verwendet werden, bietet das erfin dungsgemäße Verfahren den Vorteil, dass keine Kohlenstoffreste Zurückblei ben. Die Haltbarkeit wird verbessert bzw. die Fehleranfälligkeit wird verringert. Die gewünschten optischen Eigenschaften des aktiven optischen Materials kön nen erzeugt werden, ohne dass ungewünschte Fremdstoffe als Rest auf der Oberfläche Zurückbleiben. Zwar kann nicht vermieden werden, dass Fremd stoffe durch den Prozess aufbracht werden, jedoch wird erfindungsgemäß er reicht, dass dies ohne negative Auswirkungen geschieht. Die Verwendung einer Siliziumverbindung bzw. die Verwendung von Siliziumdioxid hat den Vorteil, dass die optischen Eigenschaften des aktiven optischen Materials nicht verän dert werden. Die gewünschte Reflexionsminderung wird erreicht, ohne dass die Eigenschaften des aktiven optischen Materials verändert werden. Durch die re duzierte Absorption kann die Effizienz einer Komponente verbessert werden, da aufgrund höherer erreichbarer Leistungsdichten auch die nichtlinearen Pro zesse begünstigt werden. Die erreichte Reflexionsminderung ist breitbandig bzw. unabhängig von der Wellenlänge des einfallenden Lichts. Die Reflexions minderung ist unabhängig vom Einstrahlwinkel des Lichts bzw. vom Betrach tungswinkel. Hierdurch kann auch beim Einsatz von verkippten Komponenten eine gute Entspiegelung erreicht werden. Weiterhin ergibt sich ein reduzierter Fertigungsaufwand.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das aktive optische Material ein laserak tives Material, ein Faraday Rotator und/oder ein optisch nichtlineares Material. Solche Materialien werden in Lasersystemen eingesetzt. Bei hohen verwende ten Leistungen können herkömmliche Beschichtungsverfahren oder Strukturie rungsverfahren nicht uneingeschränkt verwendet werden, da es aufgrund sub optimaler optischer Eigenschaften zu Leistungsverlusten oder reduzierten Le bensdauern kommt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung enthält das Ätzgas keine Fluorkohlenstoff verbindungen und vorzugsweise keine Kohlenstoffverbindungen. Durch den Verzicht auf Kohlenstoff können Kohlenstoffreste an der Oberfläche vermieden werden. Kohlenstoffreste können insbesondere bei hohen Leistungen Quelle von Materialdefekten sein. Durch die Umgehung des Einbringens von Kohlen stoff wird die Haltbarkeit des aktiven optischen Materials bei verbesserten Ei genschaften hinsichtlich der Transmission verlängert. In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ätzgas Schwefelhexafluorid (SF₆). Die Verwendung von Schwefelhexafluorid bewirkt einen schnellen Plas maätzprozess. Die gewünschte Strukturierung der Oberfläche kann in ver gleichsweise kurzer Zeit erreicht werden. Die Wirtschaftlichkeit wird erhöht.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Ätzgas Tetrafluorsilan (SIF4). Die Siliziumverbindung wird in Form des Tetrafluorsilan in die Plasmaätzkam mer eingebracht. Mit Tetrafluorsilan, insbesondere in einer Gasmischung aus Schwefelhexafluorid und Tetrafluorsilan, kann ein effizienter und schneller Ätz prozess erfolgen. Die Oberfläche des aktiven optischen Materials wird struktu riert, um den gewünschten Effekt zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Siliziumverbindung in Form eines Siliziumdioxid-Opferglases in die Plasmaätzkammer eingebracht. Durch die Verwendung eines Opferglases kann ein kostengünstiges Einbringen der Siliziumverbindung erfolgen. Über die Prozessparameter kann die Menge an Siliziumdioxid (S1O2), das im Prozess verwendet wird, gesteuert werden. Eine einfache Kontrolle der Prozessparameter bzw. eine effiziente Prozess steuerung wird erreicht.

In einer Ausgestaltung wird der Plasmaätzprozess beendet, wenn die Nano- struktur eine Strukturhöhe von 250 nm bis 1 .500 nm, bevorzugt von 500 nm bis 1.000 nm aufweisen. Die Strukturhöhe bedingt den Wellenlängenbereich der verbesserten Transmission des aktiven optische Materials. Die Strukturhöhe muss in der Größenordnung der maximalen Wellenlänge liegen, um eine Refle xionsminderung zu erreichen. Vorzugsweise wird eine Nanostruktur (Nanoclus- ter) mit vergleichsweise hoher Strukturhöhe erzeugt, um eine breitbandige Re flexionsminderung zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das aktive optische Material während des Plasmaätzprozesses gekühlt. Durch das Kühlen des Substrats während des Prozesses kann eine Kontrolle der Mobilität der freien Teile (Moleküle oder Atome) erfolgen. Hierdurch kann eine Steuerung des Plasmaätzprozesses erreicht werden. Der Plasmaätzprozess wird so durchgeführt, dass die ge wünschte Struktur erreicht wird. Durch eine Kühlung können weitere Pro zessparameter beeinflusst werden, um eine für eine bestimmte Anwendung op timierte Struktur zu erreichen.

In einer bevorzugten Ausgestaltung umfasst das Verfahren einen Schritt des Aufbringens von Octafluorcyclobutan (OFCB) und/oder Polymerisationsproduk ten von OFCB, insbesondere plasmapolymerisiertes OFCB (PP-OFCB) auf die Oberfläche des aktiven optischen Materials nach Abschluss des Plasmaätzpro zesses. Durch das Aufbringen einer OFCB-Schicht werden die optischen Ei genschaften nicht bzw. nur in sehr geringem Maß verändert. Die Schmutz- und Wasserabweisung werden verbessert. Die Anwendbarkeit des oberflächen strukturierten aktiven optischen Materials wird weiter verbessert.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Plasmaätzprozess ein kombinierter physikalischer und chemischer Ätzprozess. Vorzugsweise werden im Plasma ätzprozess sowohl physikalische als auch chemische Wirkungen ausgenutzt, um die gewünschte Nanostruktur der Oberfläche zu erzeugen. Unter einem physikalischen Ätzprozess wird dabei ein Beschuss der Oberfläche des Sub strats durch (ionisierte) Teilchen verstanden. Unter einem chemischen Prozess wird ein Herauslösen von Teilchen durch eine chemische Reaktion an der Ober fläche des Substrats verstanden. Durch einen kombinierten physikalischen und chemischen Ätzprozess ergibt sich eine verbesserte Ätzwirkung und ein schnel lerer Vorgang. Die Wirtschaftlichkeit des Verfahrens wird verbessert. Zudem ergibt sich eine verbesserte Steuerbarkeit und Prozesskontrolle, um die Ätzwir kung fein einstellen zu können.

Unter einer Oberfläche eines aktiven optischen Materials wird insbesondere dessen oberste Schicht verstanden. Beispielsweise kann die Oberfläche einen Bereich bis zu einer Tiefe von 1 pm oder 2 gm umfassen. Unter einem Plas maätzprozess wird ein materialabtragendes, plasmaunterstütztes Ätzverfahren verstanden. Das Plasmaätzverfahren kann insbesondere einen chemischen und einen physikalischen Anteil aufweisen. Unter einer Nanostruktur wird insbesondere eine unregelmäßige, selbst organisierende Struktur verstanden. Eine Nanostrukturkann auch als Nanocluster bezeichnet werden und insbeson dere Strukturen in der Größenordnung von einigen Hundert pm aufweisen. Ein aktives optisches Material ist ein Material, das eine Verstärkung, eine Drehung der Polarisation, eine Frequenzumsetzung und/oder eine nichtlineare Pha senänderung des Lichts beim Durchqueren bewirkt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand einiger ausgewählter Ausführungsbei spiele im Zusammenhang mit den beiliegenden Zeichnungen näher beschrie ben und erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine schematische Darstellung einer Plasmaätzkammer zum Durchführen eines Plasmaätzprozesses;

Figur 2 eine schematische Darstellung eines aktiven optischen Materials mit strukturierter Oberfläche;

Figur 3 eine schematische Darstellung der erreichbaren Verbesserung in der Transmission;

Figur 4 eine schematische Darstellung des Einflusses einer OFCB- Beschichtung auf die Transmission; und

Figur 5 eine schematische Darstellung der Verfahrensschritte des erfin dungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren wird eingesetzt, um laseraktive Materialien, Faraday Rotatoren sowie optisch nichtlineare Materialien an ihrer Oberfläche zu strukturieren. Durch die Struktur wird die Transmission breitbandig verbes sert. Zudem wird eine schmutz- und wasserabweisende Oberfläche erzeugt. Mögliche Anwendungen umfassen insbesondere optische Isolatoren, Fre- quenzkonverter, Lasersysteme und optische Verstärker sowie Mikro- und Makro-Laserbearbeitungssysteme. Das Verfahren kann insbesondere in den folgenden Anwendungsbereichen bzw. für die Strukturierung folgender Materialien eingesetzt werden: Laserkristalle (in Laserresonatoren und auch Verstärkern), Frequenzkonverter (optisch nichtlineare Kristalle) z. B. zur Erzeu gung der zweiten Harmonischen, Faraday Rotatoren in optischen Isolatoren und schnelle Schalter (akustooptische oder elektrooptische Kristalle).

In der Fig. 1 ist schematisch eine Plasmaätzkammer 10 dargestellt, in der die Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgeführt werden. Im dargestell ten Beispiel ist ein Parallelplattenreaktor gezeigt. In der Plasmaätzkammer 10 befindet sich das zu strukturierende aktive optische Material 12 auf einem Sub strathalter 14. Zwischen zwei Elektroden 16a, 16b wird mittels eines Frequenz generators 18 ein elektrisches Feld erzeugt, in dem es zu einer Plasmabildung kommt. Das Plasma 20 wird zwischen den Elektroden 16a, 16b erzeugt. Über einen Einlass 22 wird ein inertes Gas 24, insbesondere Sauerstoff, zugeführt. Die reaktiven Ionen 26 im Plasma 20 wirken in einem kombinierten physikali schen und chemischen Ätzprozess auf das aktive optische Material 12 ein und strukturieren dessen Oberfläche. Über einen Auslass 28, der mit einem Ventil 30 verschließbar ist, kann eine zusätzliche Steuerung des Plasmaätzprozesses erfolgen.

Die Plasmaätzkammer 10 ist dabei Teil einer Plasmaanlage, die vorzugsweise nach dem Prinzip einer Elektronen-Zyklotron-Resonanz-Anlage (ECR-Anlage) arbeitet. Die Plasmaätzkammer 10 wird beispielsweise auf einen Druck von 2,8 bis 3,0 ^* 10² Millibar abgepumpt. Über den Frequenzgenerator kann beispiels weise eine Leistung von 1 bis 10 Watt angelegt werden. Mit einem MW- Generator kann weiterhin eine Leistung von 700 bis 800 Watt eingebracht wer den. Die strukturierte Oberfläche kann beispielsweise mit einer BIAS-Spannung zwischen 60 Volt und 150 Volt erzeugt werden. Es versteht sich, dass die ge wählten Prozessparameter dabei abhängig von der Anlage sind. Je nach Ein stellung der Prozessparameter wird zudem eine unterschiedlich strukturierte Oberfläche erreicht.

Das Ätzgas bzw. das Plasma 20 in der Plasmakammer umfasst eine Fluorver bindung, insbesondere Schwefelhexafluorid. Es versteht sich, dass auch eine Verwendung eines Ätzgases möglich ist, das eine andere Fluorverbindung um fasst. Durch die Verwendung von Schwefelhexafluorid werden gute Resultate hinsichtlich der Prozessgeschwindigkeit erzielt. Insbesondere ist es vorteilhaft, dass im Ätzgas keine Fluorkohlenstoffverbindungen Vorkommen. Hierdurch wird erreicht, dass sich kein Kohlenstoff in dem aktiven optischen Material 12 ablagern kann, durch den die optischen Eigenschaften verändert werden wür den oder der bei hohen Leistungen aufgrund eines unterschiedlichen Ausdeh nungskoeffizienten zu Materialdefekten führen könnte.

Erfindungsgemäß wird zusätzlich eine Siliziumverbindung in die Plasmaätz- kammer 10 eingebracht. Die Siliziumverbindung kann dabei beispielsweise in Form eines Opferglases (insb. Siliziumdioxid-Opferglas) eingebracht werden, das als Feststoff in die Ätzkammer eingelegt wird. Ebenfalls ist es möglich, dass das Ätzgas Tetrafluorsilan umfasst, sodass die Siliziumverbindung in Form des Tetrafluorsilan in die Plasmaätzkammer 10 eingebracht wird. In der Plasmaätzkammer 10 ist es zusätzlich vorteilhaft, wenn das Substrat mit tels einer entsprechenden Kühleinrichtung gekühlt wird kann. Hierdurch kann die Mobilität der beteiligten Verbindungen reduziert werden, um die Verteilung der erzeugten Siliziumdioxid-Nanocluster anzupassen.

In der Plasmaätzkammer 10 wird das chemische Trockenätzen durch die Ver- Wendung von Schwefelhexafluorid realisiert. Der Prozess basiert darauf, dass innerhalb des Plasmas 20 in Kombination mit dem zugeführten inerten Gas 24 freie Fluoratome entstehen.

Die freien Fluoratome können mit der zusätzlich eingebrachten Siliziumverbin- düng zu Tetrafluorsilan reagieren. Einerseits kann dabei eine Reaktion mit ei nem Siliziumdioxid-Opferglas erfolgen. Andererseits ist es möglich, dass zu sätzlich Tetrafluorsilan direkt eingebracht wird. Das entstandene oder zusätz lich zugeführte Tetrafluorsilan reagiert in einem katalytischen Prozess innerhalb des Ätzplasmas mit Wasser (H2O) zu Siliziumdioxid. 3 SiF₄ + 2 H₂0 ^ Si0₂ + 2 H₂SiF₆

Das in dieser Reaktion entstehende Siliziumdioxid lagert sich auf der Oberflä che des aktiven optischen Materials 12 an und wirkt insoweit als Maske für den physikalischen Anteil des Ätzprozesses. Diese neu gebildete Nanostruktur (Na- nocluster) legt sich unter anderem auf der Substratoberfläche statistisch verteilt ab. Die Anlagerung erfolgt dabei zufällig, sodass sich eine im Wesentlichen zu fällige Nanostruktur ergibt. Durch die Ablagerung entstehen Unebenheiten auf der durch das chemische Ätzen homogen abgetragenen Oberfläche, die als Maske für den physikalischen Ätzanteil wirken. Das physikalische Ätzen, er- reicht durch die Beschleunigung von Ionen auf die Oberfläche, zeigt eine gerin gere Ätzwirkung an steilen Flanken und Spitzen der ausgebildeten Nanostruk- turen. Hierdurch kann eine Tiefenwirkung erreicht werden. Es ist vorzugsweise kein zweistufiger Passivierungs- und Ätzprozess erforderlich. Der Vorgang er folgt vorzugsweise einstufig innerhalb der Plasmaätzkammer. Das angelagerte Siliziumdioxid wird durch den physikalischen Ätzanteil im Laufe der Zeit wieder entfernt. Je nach gewählten Prozessparametern wird der Strukturierungsprozess beendet, wenn die Oberfläche wieder weitestgehend von Siliziumdioxid befreit ist. In Ausnahmefällen ist es aber auch möglich, dass durch eine bewusste Anlagerung von Siliziumdioxid an der Oberfläche des ak- tiven optischen Materials 12 dessen Eigenschaften angepasst werden. Bei spielsweise können hygroskopische Materialien wie Lithiumtriborat (LBO) oder ß-Bariumborat (BBO) dadurch wasserabweisend gemacht werden, dass eine dünne Siliziumdioxidschicht nach dem Prozess verbleibt und die Oberfläche versiegelt. In der Fig. 2 ist schematisch ein aktives optisches Material 12 mit erfindungs gemäß strukturierter Oberfläche 32 dargestellt. Der Plasmaätzprozess wird be endet, wenn die Strukturhöhe H eine gewünschte Mindesthöhe überschreitet. Insbesondere ist es mit dem erfindungsgemäßen Verfahren möglich, Struktur höhen von 250 pm bis 1.000 gm zu erreichen. Durch derart große Strukturhöhen wird es ermöglicht, dass eine spektral breitbandige Entspiege lungswirkung realisiert werden kann. Die Nanostruktur der Oberfläche 32 ist da bei zufällig.

Auf der linken Seite der Fig. 2 ist schematisch ein aktives optisches Material 12 mit erfindungsgemäß nanostrukturierter Oberfläche 32 dargestellt. Die Struktur höhe h der Nanostruktur kann insbesondere kleiner sein als die Hälfte der Wel lenlänge Kl 2 des Lichts.

Auf der linken Seite der Fig. 2 ist ein Übergang der Brechzahl n beim Durch dringen des aktiven optischen Materials 12 dargestellt. Die vertikale x-Achse ist dabei die Höhenachse des aktiven optischen Materials 12. Die Brechzahl n liegt in der Luft bei einem ersten Wert 34 und ändert sich beim Durchqueren der nanostrukturierten Oberfläche 32 graduell hin zu einem zweiten Wert 36. Der erste Wert kann in der Luft beispielsweise bei 1 liegen. Der zweite Wert 36 kann beispielsweise bei 1,45 liegen. In der Fig. 3 ist schematisch ein Beispiel für die Entspiegelungswirkung, die mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens realisiert werden kann, dargestellt. Auf der horizontalen Achse ist die Wellenlänge l in Nanometern abgetragen. Auf der vertikalen Achse ist die Transmission in Prozent abgetragen. Für ein unbehandeltes aktives optisches Material ergibt sich beispielsweise die unten verlaufende Kennlinie über die verschiedenen Wellenlängen. Für eine mittlere Höhe der erzeugten Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Ma terials von ca. 40 nm ergibt sich die in der Mitte verlaufende Kurve. Für eine mittlere Höhe von ca. 230 nm ergibt sich die oben verlaufende Kurve. Wie dar gestellt kann insoweit eine Transmission von über 98 Prozent erreicht werden, wenn ein aktives optisches Material mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens behandelt wird.

In der Fig. 4 ist auf derselben Skala die Wirkung einer in einem zusätzlichen Verfahrensschritt aufgebrachten Oktafluorcyclobutan-Schicht dargestellt. Die unten verlaufende Kurve zeigt die T ransmission eines unbehandelten Materials. Die beiden oben verlaufenden Kurven zeigen Messergebnisse für eine nano- strukturierte Oberfläche eines aktiven optischen Materials mit zusätzlich aufge brachter OFCB-Schicht und ohne aufgebrachte OFCB-Schicht. Die beiden oben verlaufenden Kurven sind im Wesentlichen deckungsgleich. Die zusätzli- che OFCB-Schicht bewirkt insoweit keine bzw. nur eine minimale Veränderung der Transmission.

In der Fig. 5 ist schematisch der Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt. Das Verfahren umfasst Schritte des Behandelns S10 der Oberflä che des aktiven optischen Materials und des Einbringens S12 einer Siliziumver- bindung in die Plasmaätzkammer. Optional ist ein weiterer Schritt des Aufbrin- gens S14 von OFCB bzw. Polymerisationsprodukten von OFCB auf die Ober fläche des aktiven optischen Materials vorgesehen. Das Verfahren kann insbe sondere in einer Plasmaätzkammer durchgeführt werden.

Die Erfindung wurde anhand der Zeichnungen und der Beschreibung umfas- send beschrieben und erklärt. Die Beschreibung und Erklärung sind als Beispiel und nicht einschränkend zu verstehen. Die Erfindung ist nicht auf die offenbar ten Ausführungsformen beschränkt. Andere Ausführungsformen oder Variatio nen ergeben sich für den Fachmann bei der Verwendung der vorliegenden Er findung sowie bei einer genauen Analyse der Zeichnungen, der Offenbarung und der nachfolgenden Patentansprüche.

In den Patentansprüchen schließen die Wörter „umfassen“ und „mit“ nicht das Vorhandensein weiterer Elemente oder Schritte aus. Der Undefinierte Artikel „ein“ oder „eine“ schließt nicht das Vorhandensein einer Mehrzahl aus. Die bloße Nennung einiger Maßnahmen in mehreren verschiedenen abhängigen Patentansprüchen ist nicht dahingehend zu verstehen, dass eine Kombination dieser Maßnahmen nicht ebenfalls vorteilhaft verwendet werden kann. Bezugs zeichen in den Patentansprüchen sind nicht einschränkend zu verstehen.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Strukturieren einer Oberfläche (32) eines aktiven optischen Materials (12), mit den Schritten: Behandeln (S10) der Oberfläche des aktiven optischen Materials mit einem Plasmaätzprozess in einer Plasmaätzkammer (10);

Einbringen (S12) einer Siliziumverbindung in die Plasmaätzkammer, wobei ein Ätzgas des Plasmaätzprozesses eine Fluorverbindung umfasst; und mittels des Plasmaätzprozesses eine Nanostruktur an der Oberfläche des aktiven optischen Materials erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das aktive optische Material (12) ein laseraktives Material, ein Faraday Rotator und/oder ein optisch nichtlineares Material ist.

3. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas keine Fluorkohlenstoffverbindungen und vorzugsweise keine Kohlenstoffverbindungen enthält.

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas SF₆ umfasst.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Ätzgas

S1F4 umfasst und die Siliziumverbindung in Form des S1F4 in die Plasmaätzkammer (10) eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Silizium verbindung in Form eines Siliziumdioxid-Opferglases in die Plasmaätz kammer (10) eingebracht wird.

7. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Plas- maätzprozess beendet wird, wenn die Nanostruktur eine Strukturhöhe von 250 nm bis 1500 nm, bevorzugt von 500 nm bis 1000 nm, aufweist.

8. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das aktive op tische Material (12) während des Plasmaätzprozesses gekühlt wird.

9. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Schritt des Aufbringens (S14) von Octafluorcyclobutan, OFCB, und/oder Poly merisationsprodukten von OFCB, insbesondere plasmapolymerisiertes OFCB, PP-OFCB, auf die Oberfläche (32) des aktiven optischen Materials (12) nach Abschluss des Plasmaätzprozesses.

10. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Plas- maätzprozess ein kombinierter physikalischer und chemischer Ätzpro zess ist.

11. Aktives optisches Material (12), mit einer durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10 strukturierten Oberfläche (32).