DE102011054427A1

DE102011054427A1 - Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements und optisches Element

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Publication number: DE102011054427A1
Application number: DE201110054427
Authority: DE
Inventors: Konstantin Forcht
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Priority date: 2011-10-12
Filing date: 2011-10-12
Publication date: 2013-04-18

Abstract

Zur Bereitstellung von optischen Elementen mit verbesserten Antireflexionseigenschaften wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung vorgeschlagen, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, wobei die poröse Lage aufgebracht wird, indem zwei Materialien gemeinsam aufgebracht werden und anschließend eines der Materialien entfernt wird, so dass sich im nicht entfernten Material Poren ausbilden. Ferner wird ein optisches Element für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich, dessen Antireflexionsbeschichtung ein erstes Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus alternierend im genutzten Wellenlängenbereich höher und niedriger brechenden Materialien auf einem Substrat aufweist und ein zweites, vom Substrat weiter entferntes Teillagensystem aus einer oder mehreren porösen Lagen, wobei die mindestens eine poröse Lage auf einem im Wellenlängenbereich des optischen Elements niedriger brechenden Material basiert.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist. Ferner bezieht sich die Erfindung auf solche optische Elemente.
Zur besseren Ausnutzung von vorhandener Strahlungsintensität durch optische Elemente im beispielsweise ultravioletten, aber auch sichtbaren oder nahinfraroten Wellenlängenbereich werden optische Elementen üblicherweise mit Antireflexionsbeschichtungen versehen. Diese können einlagig oder mehrlagig ausgestaltet sein. Insbesondere bei mehrlagigen Antireflexionsbeschichtungen arbeitet man mit Lagensystemen aus alternierend angeordneten Lagen aus im verwendeten Wellenlängenbereich höher oder niedriger brechenden Materialien. Ein Ansatz besteht darin, über destruktive Interferenz der an Lagengrenzen reflektierten Teilstrahlen die Gesamtreflexion zu reduzieren. Ein anderer Ansatz besteht darin, eine poröse, in der Regel einlagige Antireflexionsbeschichtung vorzusehen, um einen Brechungsindex möglichst nahe dem Brechungsindex des umgebenden Mediums zu erreichen. Solche porösen Lagen werden in der Regel über Sol-Gel-Verfahren hergestellt. Bei den optischen Elementen kann es sich beispielsweise um Linsen, Strahlteiler, Fenster oder Prismen handeln.
Aus der WO 2008/148462 A1 ist bekannt, eine Antireflexionsoberfläche auf einem optischen Element für den ultravioletten Wellenlängenbereich zu schaffen, indem Nanostrukturen in die Substratoberfläche des optischen Elements geätzt werden, wobei auf Ätzmasken verzichtet wird. In weiteren Varianten kann zunächst die Substratoberfläche beschichtet werden und die Nanostruktur in die Beschichtung geätzt werden. Die Nanostruktur führt zu einer Dichtereduzierung des Materials und damit zu einer Verringerung des effektiven Brechungsindex. Besonders bevorzugt wird das Ätzen durch Plasmaätzen oder Ionenstrahlätzen durchgeführt. Als vorteilhaft hat es sich erwiesen, in passender Gasatmosphäre ein plasmagestütztes anisotropes Ätzen durchzuführen.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine weitere Möglichkeit der Herstellung eines optischen Elements für den ultravioletten Wellenlängenbereich mit Antireflexionsbeschichtung, insbesondere mit mindestens einer porösen Lage bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, wobei die poröse Lage aufgebracht wird, indem zwei anorganische Materialien gemeinsam aufgebracht werden und anschließend eines der Materialien entfernt wird, so dass sich im nicht entfernten Material Poren ausbilden.
Es hat sich herausgestellt, dass durch das gemeinsame Aufbringen von zwei anorganischen Materialien, die sich unterschiedlich gut entfernen lassen, zur Bildung einer porösen Lage durch Wahl des Verhältnisses beider Materialien zueinander der Porenanteil und damit der resultierende Brechungsindex dieser Lage bei relativ geringem Aufwand recht gut steuern lässt. Von großem Vorteil ist, dass sich überraschenderweise unmittelbar poröse anorganische Lagen herstellen lassen und ganz auf organische Materialien verzichtet werden kann. Insbesondere bei kürzerwelliger ultravioletter Strahlung und bei höheren Strahlungsintensitäten im ultravioletten Wellenlängenbereich können keine organischen Materialien auf optischen Elementen eingesetzt werden, da sie insbesondere ultraviolette Strahlung stark absorbieren und nicht langzeitstabil sind.
Das Aufbringen der beiden Materialien kann dabei über beliebige Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD-Verfahren) oder der physikalischen Gasphasenabscheidung (PVD-Verfahren) oder deren Kombinationen in üblicher, dem Fachmann bekannter Weise stattfinden. Bei dem anschließenden Entfernen des einen Materials bilden sich in dem nicht entfernten Material kleine bis kleinste Hohlräume aus, so dass die resultierende Lage aus nicht entferntem Material porös ist und bei gleicher Wellenlänge einen niedrigeren Brechungsindex aufweist, als wenn es nicht porös wäre. Bedingt durch das gemeinsame Aufbringen der zwei Materialien sind die Poren in der resultierenden porösen Lage gleichmäßiger verteilt als beispielsweise die über Plasmaätzen eingebrachten Nanostrukturen, die oft eine eher säulenartige Struktur aufweisen und im Gegensatz zu den nach dem hier vorgeschlagenen Verfahren hergestellten porösen Lagen sehr empfindlich sind, so dass sie sich beispielsweise nicht durch Abwischen reinigen lassen.
Es sei darauf hingewiesen, dass hier und im Folgenden zwar von zwei aufgebrachten Materialien die Rede ist, dies aber nicht als exakt zwei Materialien zu verstehen ist. Je nach Materialwahl für die resultierende poröse Lage, beispielsweise wenn es sich um keine reine Substanz, sondern um eine Verbindung handelt, kann es von Vorteil sein, wenn diese Verbindung erst durch Aufbringen der dafür notwendigen Einzelkomponenten gebildet wird. Ebenso kann dies für das zu entfernende Material gelten, insbesondere wenn bestimmte Verbindungen oder Mischungen sich besonderes gut entfernen lassen.
In bevorzugten Ausführungsformen werden als Antireflexionsbeschichtung mindestens zwei Lagen auf ein Substrat aufgebracht und wird die vom Substrat am weitesten entfernte Lage als poröse Lage aufgebracht, wobei als nicht zu entfernendes Material ein im Wellenlängenbereich des optischen Elements, d.h. im Wellenlängenbereich, für den das optische Element ausgelegt ist, niedrigbrechendes Material aufgebracht wird. Somit lässt sich eine herkömmliche ein- oder mehrlagige Antireflexionsbeschichtung aus nicht porösem Material in ihrer Antireflexionswirkung durch das Vorsehen mindestens einer porösen Lage an der Grenzfläche zum umgebenden Medium hin weiter verbessern, da die mindestens eine poröse Lage einen besonders niedrigen Brechungsindex aufweist und dadurch eine besonders effektive Antireflexionswirkung durch destruktive Interferenz oder durch einen graduellen Übergang des Brechungsindexes vom Substrat über die herkömmliche Antireflexionsbeschichtung zum umgebenden Medium, d.h. z.B. Vakuum oder Luft erlaubt.
Vorteilhafterweise werden die zwei anorganischen Materialien simultan oder als alternierende dünne Lagen aufgebracht. Beim simultanen Aufbringen werden beide Materialien gleichzeitig aufgebracht, insbesondere durch CVD- und/oder PVD-Verfahren aufgedampft, so dass sich eine Mischlage aus beiden Materialien ausbildet. Alternativ hat es sich bewährt, die beiden Materialien als alternierende dünne Lagen aufzubringen, insbesondere sie durch CVD- und/oder PVD-Verfahren aufzudampfen, wobei die Lagen so dünn sein sollten, dass sich durch Interdiffusion an den Grenzflächen ebenfalls eine Mischlage aus beiden Materialien ausbildet.
Bevorzugt wird das zu entfernende Material chemisch oder chemisch-physikalisch entfernt. Bei chemischen Verfahren werden insbesondere nasschemische Verfahren bevorzugt, beispielsweise die Verwendung von Wasser als Lösungsmittel. Dadurch wird der Aufwand beim Entfernen des einen Materials besonders gering gehalten. Beim Einsatz von nasschemischen Entfernungsverfahren werden vorteilhafterweise die beiden Materialien insbesondere danach ausgesucht, dass sie unterschiedliche Löslichkeiten aufweisen. Bei chemisch-physikalischen Verfahren werden insbesondere Trockenätzverfahren, beispielsweise reaktives Ionenätzen oder Plasmaätzen eingesetzt. Beim Einsatz von Trockenätzverfahren werden vorteilhafterweise die beiden Materialien insbesondere danach ausgesucht, dass sie unterschiedliche Ätzraten für das gewählte Trockenätzverfahren aufweisen. Besonders vorteilhaft ist außerdem, die beiden Materialien auch danach auszuwählen, dass beide einen eher niedrigeren Brechungsindex in dem Wellenlängenbereich aufweisen, in dem das optische Element eingesetzt werden soll. Dies hat sich insbesondere bei porösen Lagen bewährt, bei dem das eine Material gezielt oder aus verfahrenstechnischen Gründen nicht vollständig entfernt ist.
In einem weiteren Aspekt wird diese Aufgabe durch ein optisches Element für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, gelöst werden, das nach dem beschriebenen Verfahren hergestellt ist.
Insbesondere kann durch u.a. dieses Verfahren ein optisches Element für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich hergestellt werden, dessen Antireflexionsbeschichtung ein erstes Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus alternierend im Wellenlängenbereich des optischen Elements höher und niedriger brechenden Materialien auf einem Substrat aufweist und ein zweites, vom Substrat weiter entferntes Teillagensystem aus einer oder mehreren porösen Lagen, wobei die mindestens eine poröse Lage auf einem im Wellenlängenbereich des optischen Elements niedriger brechenden Material basiert.
Bei dem ersten Teillagensystem handelt es sich um eine herkömmliche Antireflexionsbeschichtung ohne poröse Lagen, die mittels herkömmlicher Beschichtungsverfahren hergestellt werden. Darüber wird das zweite Teillagensystem aus mindestens einer porösen Lage aufgebracht, damit die Differenz zwischen resultierendem Brechungsindex des ersten Teillagensystems und Brechungsindex des umgebenden Medium im Wellenlängenbereich des optischen Elements reduziert wird, was die Reflexion an der Grenzfläche zum umgebenden Medium zusätzlich reduziert. Somit lässt sich eine herkömmliche ein- oder mehrlagige Antireflexionsbeschichtung aus nicht porösem Material in ihrer Antireflexionswirkung durch das Vorsehen mindestens einer porösen Lagen an der Grenzfläche zum umgebenden Medium hin weiter verbessern, da die mindestens eine poröse Lage einen besonders niedrigen Brechungsindex aufweist und dadurch einen graduellen Übergang des Brechungsindex des Substrats über den resultierenden Brechungsindex der herkömmlichen ein- oder mehrlagigen Antireflexionsbeschichtung zum Brechungsindex des umgebenden Mediums erlaubt.
Bevorzugt weist das zweite Lagensystem zwei oder mehr poröse Lagen auf, wobei der Brechungsindex der dem Substrat am nächsten angeordnete porösen Lagen am höchsten aller porösen Lagen ist und der Brechungsindex jeder weiteren porösen Lagen kontinuierlich geringer ist. Dadurch kann ein stetig abnehmender Brechungsindexgradient zum umgebenden Medium hin möglichst gut angenähert, was sich positiv auf die Unterdrückung der Reflexion an der Grenzfläche vom optischen Element zum umgebenden Medium auswirkt.
Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn die optische Dicke des zweiten Teillagensystems kleiner als die Hälfte der Wellenlänge ist, für die das optische Element ausgelegt ist. Dadurch kann vermieden werden, dass das zweite Teillagensystem eventuell zu erhöhter Absorption führt, die wie eine zu hohe Reflexion die erwünscht hohe Transmission beeinträchtigen könnte.
Bevorzugt sind die Brechungsindizes der Lagen des zweiten Teillagensystems kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des ersten Teillagensystems. Dies hat sich insbesondere bei umgebenden Medien wie Vakuum oder Luft, bei denen der Brechungsindex nahe 1 liegt, bewährt, da normale anorganische Materiallagen ohne Poren in den Wellenlängenbereichen des optischen Elements, insbesondere wenn dieser im Ultravioletten liegt, einen Brechungsindex von deutlich größer 1 aufweisen. Auf diese Weise kann besonders gut ein gradueller Übergang des Brechungsindex zum umgebenden Medium angenähert werden.
In bevorzugten Ausführungsformen weist das erste Teillagensystem nicht mehr als eine Lage auf, deren Brechungsindex im Wellenlängenbereich des optischen Elements größer als das 1,25-fache des Brechungsindexes des Substrats ist. Bei optischen Elementen, die für Wellenlängen kleiner ca. 250 nm ausgelegt sind, weist das erste Teillagensystem bevorzugt nicht mehr als eine Lage auf, deren Brechungsindex im Wellenlängenbereich des optischen Elements größer als der Brechungsindex des Substrats ist. Dadurch können besonders breitbandige Antireflexionsbeschichtungen erhalten werden, die auch über große Einfallswinkelintervalle breitbandig sind, sowie schmalbandige Antireflexionsbeschichtungen, die auch bei sehr großen Einfallswinkeln noch ihre Wirkung behalten.
Vorteilhafterweise weist das erste Teillagensystem als höher brechendes Material eines oder mehrere der Gruppe Lanthanfluorid, Gadoliniumfluorid, Neodymfluorid, Ytterbiumfluorid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Nioboxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Lanthanoxid, Tantaloxid auf und als niedriger brechendes Material eines oder mehrere der Gruppe Aluminiumfluorid, Chiolith, Cryolith, Natriumfluorid, Magnesiumfluorid, Lithiumfluorid, Siliziumdioxid, Yttriumfluorid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid. Basierend auf diesen Materialien lassen sich Antireflexionsbeschichtungen mit besonders guter Reflexionsunterdrückung erhalten.
Vorteilhafterweise weist das optische Element bzw. das zweite Teillagensystem als Material der einen oder mehreren porösen Lagen Magnesiumfluorid und/oder Siliziumdioxid auf. Magnesiumfluorid und Siliziumdioxid weisen nicht nur im ultravioletten, sichtbaren und nahinfraroten Wellenlängenbereich, insbesondere zwischen 180 nm und 800 nm besonders niedrige Brechungsindizes auf, sondern lassen sich sowohl beim Aufbringen als auch beim Entfernen besonders einfach handhaben.
Die vorliegende Erfindung soll unter Bezugnahme auf ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Dazu zeigen
1 bis 4 Flussdiagramme zu vier verschiedenen Ausführungsbeispielen zum hier vorgeschlagenen Verfahren zur Herstellung von optischen Elementen für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweisen;
5a, b ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel eines optischen Elementes;
6a–e die Reflexion in Prozent bei 193 nm in Abhängigkeit vom Einfallswinkel für s-polarisierte Strahlung, p-polarisierte Strahlung und unpolarisierte Strahlung bei verschiedenen Ausführungsformen eines optischen Elementes;
7a–e die Reflexion für unpolarisierte Strahlung im Wellenbereich von 200 bis 400 nm für verschiedene Einfallswinkel bei verschiedenen Ausführungsformen eines optischen Elementes;
8a–f die Reflexion für unpolarisierte Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 380 nm und 750 nm für verschiedene Einfallswinkel bei unterschiedlichen Ausführungen des optischen Elementes;
9a–e die Reflexion für unpolarisierte Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 750 nm und 1400 nm für verschiedene Einfallswinkel bei unterschiedlichen Ausführungen eines optischen Elementes; und
10a–e die Reflexion für unpolarisierte Strahlung im Wellenlängenbereich zwischen 250 nm und 500 nm für unterschiedliche Einfallswinkel bei verschiedenen Ausführungsformen eines optischen Elementes.
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von optischen Elementen für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 101 wurde mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren ein erstes Teillagensystem aufgebracht, das bereits reflexionsunterdrückende Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Schritt 103 wurden bei Temperaturen von ca. 250° C und einem Druck von 1·10^–6 mbar bis 5·10^–4 mbar Magnesiumfluorid und Siliziumdioxid gleichzeitig auf die Oberfläche des ersten Teillagensystems aufgedampft. Als Mischungsverhältnis wurde ein Verhältnis der Aufdampfraten eingestellt, bei dem auf einen Teil Magnesiumfluorid 0,25 bis 1,0 Teile Siliziumdioxid kamen. Somit wurde eine MgF2/SiO2-Mischschicht mit einem SiO2-Gehalt von etwa 20 Vol.-% bis 50 Vol.-% erzeugt. Der Gehalt des einen oder anderen der Mischschicht kann über GX = R2/(R1 + R2) abgeschätzt werden, wobei GX der Volumenanteil an Material X mit X gleich 1 oder 2 ist und R1 und R2 die Aufdampfraten jeweils der Materialien 1 und 2 sind.
In einem anschließenden Schritt 105 wurde der in der entstandenen Mischschicht enthaltene Siliziumdioxidanteil durch ein Trockenätzverfahren herausgelöst, so dass sich eine poröse Magnesiumfluoridlage ausbildete. Bevorzugt benutzt man ein isotropes Ätzverfahren. Bewährt hat sich beispielsweise Plasmaätzen mit Tetrafluormethan als Ätzgas. Eine so hergestellte Magnesiumfluoridlage mit einem Porenanteil von 20 Vol.-% weist beispielsweise bei einer Wellenlänge von 266 nm einen Brechungsindex von ca. 1,32 auf. Der Porenanteil lässt sich durch einen höheren Siliziumdioxidanteil in der Mischschicht bzw. bei bereits höherem Siliziumdioxidanteil durch eine vollständigere Entfernung des Siliziumdioxids aus dem Magnesiumfluoridmatrix erhöhen und damit der Brechungsindex weiter reduzieren.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von optischen Elementen für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 201 wurde ebenfalls mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren ein erstes Teillagensystem aufgebracht, das bereits reflexionsunterdrückende Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Schritt 203 wurden bei Temperaturen von ca. 250° C und einem Druck von 1·10^–6 mbar bis 5·10^–4 mbar Natriumfluorid und Siliziumdioxid gleichzeitig auf die Oberfläche des ersten Teillagensystems aufgedampft. Als Mischungsverhältnis wurde ein Verhältnis der Aufdampfraten eingestellt, bei dem auf einen Teil Siliziumdioxid 0,4 bis 1,5 Teile Natriumfluorid kamen. Somit wurde eine SiO2/NaF-Mischschicht mit einem NaF-Gehalt von etwa 29 Vol.-% bis 60 Vol.-% erzeugt.
In einem anschließenden Schritt 205 wurde aus der entstandenen Mischschicht der Natriumfluoridanteil nasschemisch herausgelöst. Als Lösungsmittel hat sich Wasser bewährt. Die Lösungsrate kann durch eine Erwärmung des Lösungsmittels erhöht werden. Positiv hat sich auch ausgewirkt, kontinuierlich reines Lösungsmittel, beispielsweise vollentsalztes Wasser zuzuführen, um eine Sättigung des Lösungsmittels mit dem herauszulösenden Material zu vermeiden. Eine so hergestellte poröse Siliziumdioxidlage mit einem Porenanteil von 36 Vol.-% weist bei 266 nm einen Brechungsindex von 1,32 auf. Der Brechungsindex lässt sich über den Porenanteil beeinflussen. Dazu können der Natriumfluoridanteil und/oder der Grad der Entfernung des Natriumfluoridanteils variiert werden.
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von optischen Elementen für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 301 wurde mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren ein erstes Teillagensystem aufgebracht, das bereits reflexionsunterdrückende Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Schritt 303 wurden bei Temperaturen von ca. 250° C und einem Druck von 1·10^–6 mbar bis 5·10^–4 mbar Magnesiumfluorid und Siliziumdioxid alternierend als dünne Einzellagen aufgedampft. Das Verhältnis der Einzellagendicken von Magnesiumfluorid zu Siliziumdioxid betrug 1:0,25 bis 1:1. Die Einzellagendicken wurde dabei so gewählt, dass sie in der Größenordnung der Rautiefe der jeweiligen Grenzflächen lagen. Typischerweise liegen sie im Subnanometerbereich. Dadurch wird eine hinreichende Durchmischung der Einzellagenabfolge zu einer Mischschicht erreicht. Im vorliegenden Beispiel wurde die Dicke der Magnesiumfluoridlagen als etwa 0,5 nm und die der Siliziumdioxidlagen entsprechend dünner eingestellt.
In einem anschließenden Schritt 305 wurde der in der entstandenen Mischschicht enthaltene Siliziumdioxidanteil durch ein Trockenätzverfahren herausgelöst, so dass sich eine poröse Magnesiumfluoridlage ausbildete. Bevorzugt benutzt man ein isotropes Ätzverfahren. Bewährt hat sich beispielsweise Plasmaätzen mit Tetrafluormethan als Ätzgas. Eine so hergestellte Magnesiumfluoridlage mit einem Porenanteil von 20 Vol.-% weist beispielsweise bei einer Wellenlänge von 266 nm einen Brechungsindex von ca. 1,32 auf. Der Porenanteil lässt sich durch einen höheren Siliziumdioxidanteil in der Mischschicht bzw. bei bereits höherem Siliziumdioxidanteil durch eine vollständigere Entfernung des Siliziumdioxids aus dem Magnesiumfluoridmatrix erhöhen und damit der Brechungsindex weiter reduzieren.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung von optischen Elementen für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 401 wurde mit herkömmlichen Beschichtungsverfahren ein erstes Teillagensystem aufgebracht, das bereits reflexionsunterdrückende Eigenschaften aufweist. In einem weiteren Schritt 403 wurden bei Temperaturen von ca. 250° C und einem Druck von 1·10^–6 mbar bis 5·10^–4 mbar Natriumfluorid und Siliziumdioxid alternierend als dünne Einzellagen aufgedampft. Das Verhältnis der Einzellagendicken von Siliziumdioxid zu Natriumfluorid betrug 1:0,4 bis 1:1,5. Die Einzellagendicken wurden dabei so gewählt, dass sie in der Größenordnung der Rautiefe der jeweiligen Grenzflächen lagen. Typischerweise liegen sie im Subnanometerbereich. Dadurch wird eine hinreichende Durchmischung der Einzellagenabfolge zu einer Mischschicht erreicht. Im vorliegenden Beispiel wurde die Dicke der Siliziumdioxidlagen als etwa 0,5nm und die der Natriumfluoridlagen entsprechend dünner eingestellt.
In einem anschließenden Schritt 405 wurde aus der entstandenen Mischschicht der Natriumfluoridanteil nasschemisch herausgelöst. Als Lösungsmittel hat sich Wasser bewährt. Die Lösungsrate kann durch eine Erwärmung des Lösungsmittels erhöht werden. Positiv hat sich auch ausgewirkt, kontinuierlich reines Lösungsmittel, beispielsweise vollentsalztes Wasser zuzuführen, um eine Sättigung des Lösungsmittels mit dem herauszulösenden Material zu vermeiden. Eine so hergestellte poröse Siliziumdioxidlage mit einem Porenanteil von 36 Vol.-% weist bei 266 nm einen Brechungsindex von 1,32 auf. Der Brechungsindex lässt sich über den Porenanteil beeinflussen. Dazu können der Natriumfluoridanteil und/oder der Grad der Entfernung des Natriumfluoridanteils variiert werden.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Wahl der anorganischen Materialien Magnesiumfluorid und Siliziumdioxid bzw. Siliziumdioxid und Natriumfluorid nur beispielhaft ist. Als nicht zu entfernendes Matrixmaterial ist jegliches anorganisches Material geeignet, dass mit seinem Brechungsindex im Wellenlängenbereich des optischen Elements zwischen dem Brechungsindex des optischen Elements ohne poröse Schicht und dem Brechungsindex des das optische Element im Einsatz umgebenden Medium im verwendeten Wellenlängenbereich liegt. Als zu entfernendes anorganisches Material ist jegliches Material geeignet, dass nasschemisch oder in einem Trockenätzprozess eine höhere Entfernungsrate als das nicht zu entfernende Material aufweist.
Mit den zuvor in Verbindung mit den 1 bis 4 beschriebenen Verfahren können optische Elemente hergestellt werden, bei denen unmittelbar auf dem Substrat eine oder mehrere poröse Schichten aufgebracht werden, optional auch in Verbindung mit nichtporösen Schichten. In besonders bevorzugten Ausführungsformen können optische Elemente wie in den 5a und b dargestellt hergestellt werden. Zu deren Herstellung kann auch auf herkömmliche Verfahren zur Herstellung von porösen Schichten zurückgegriffen werden.
Die in den 5a und b dargestellten optischen Elemente 5 haben gemeinsam, dass auf ein Substrat 50 ein Teillagensystem 52 einer Antireflexionsbeschichtung 51 aus nichtporösen Lagen 54, 55 aufgebracht ist, deren Materialien und Lagendicken danach ausgewählt sind, dass eine möglichst geringe Reflexion an der entsprechenden Oberfläche des optischen Elementes verursacht wird. Insbesondere wechseln sich höher und niedriger brechende Lagen 54, 55 ab. Dabei können je nach Ausführungsvariante die dem Substrat nächstgelegene Lage wie auch die vom Substrat am weitesten entfernte Lage niedrig oder höherbrechend sein. Im hier dargestellten Beispiel ist eine gerade Anzahl nichtporöser Lagen 54, 55 dargestellt. In anderen Varianten kann deren Anzahl auch ungerade sein. Außerdem kann das nichtporöse Teillagensystem 52 auch Lagen aus nicht nur zwei, sondern drei, vier, fünf oder mehr Materialien aufweisen.
Es sei darauf hingewiesen, dass in den 5a und b jeweils nur eine Oberfläche des optischen Elementes 5 dargestellt ist. Ist das optische Element 5 beispielsweise als Linse ausgebildet, sind zwei gegenüberliegende Oberflächen mit einer hier beschriebenen Antireflexionsbeschichtung 51 versehen. Bei Prismen und Strahlteilern können beispielsweise drei Oberflächen mit einer hier beschriebenen Antireflexionsbeschichtung 51 versehen sein.
Das optische Element 5 aus 5a weist auf der vom Substrat 50 entfernten Seite des Teillagensystems 52 eine poröse Lage 56 auf. Das in 5b dargestellt Beispiel eines optischen Elementes 5 weist auf der vom Substrat 50 entfernten Seite des Teillagensystems 52 drei poröse Lagen 56a–c auf. In weiteren Abwandlungen kann es sich auch um zwei, vier, fünf, sechs oder mehr poröse Lagen handeln. Wie im Folgenden auch an Hand von konkreten Beispielen dargestellt, kann durch das poröse Teillagensystem 53 aus einer oder mehreren porösen Lagen auf den herkömmlichen, nichtporösen Teillagensystem 52 erreicht werden, dass nicht nur die Reflexion insgesamt für gewünschte Wellenlängenbereiche und/oder Einfallswinkel sinkt. Auch die Aufspaltung in s-polarisierte und p-polarisierte Strahlung wird deutlich geringer, d.h. die Reflexion hängt weniger vom Polarisationszustand der Strahlung ab als bei optischen Elementen mit herkömmlicher Antireflexionsbeschichtung ohne Kombination aus nichtporösem und porösem Teillagensystem. Dies wirkt sich insbesondere bei optischen Elementen, die im Rahmen der Mikrolithographie eingesetzt werden, positiv auf die Abbildungseigenschaften und damit die Genauigkeit der Übertragung des Musters von einer Maske auf ein zu belichtendes Objekt wie etwa einen Halbleiterwafer aus.
Das Teillagensystem 51 aus herkömmlichen, d.h. nichtporösen Lagen 54, 55 ist aus Materialien aufgebaut, die im Wellenlängenbereich des jeweiligen optischen Element, beispielsweise im ultravioletten, sichtbaren, nahinfraroten Wellenlängen oder im Übergangsbereich zwischen ultravioletter und sichtbarer Strahlung höher oder niedriger brechend sind. Die Lagen 54, 55 sind alternierend angeordnet, um eine destruktive Interferenz der an den einzelnen Lagengrenzen reflektierten Teilstrahlen zu erreichen und dadurch die Reflexion möglichst niedrig zu halten. Die mindestens eine poröse Lage 56, 56a–c ist hingegen aus einem Material, das in dem jeweiligen Wellenlängenbereich niedriger brechend ist. Als höher brechende Materialien für die unterschiedlichen Wellenlängenbereiche sind insbesondere Lanthanfluorid, Gadoliniumfluorid, Neodymfluorid, Ytterbiumfluorid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Nioboxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Lanthanoxid und Tantaloxid geeignet. Als niedriger brechendes Material in den genannten Wellenlängenbereichen sind beispielsweise Aluminiumfluorid, Chiolith, Cryolith, Natriumfluorid, Magnesiumfluorid, Lithiumfluorid, Siliziumdioxid, Yttriumfluorid, Kalziumfluorid und Bariumfluorid geeignet.
Bei der in 5b dargestellten Ausführungsform, die mehrere poröse Lagen 56a–c aufweist, sind die porösen Lagen 56a–c derart angeordnet, dass der Brechungsindex im jeweiligen Wellenlängenbereich bei der dem Substrat 50 am nächsten gelegenen porösen Lage 56a am höchsten ist und bei der vom Substrat 50 am weitesten entfernten Lage 56c am niedrigsten ist und dazwischen kontinuierlich von Lage zu Lage abnimmt. Dabei ist insgesamt die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus nur porösen Lagen kleiner als die Hälfte der Wellenlänge, für die das jeweilige optische Element ausgelegt ist, d.h bei optischen Elementen, die für Wellenlängenbereiche ausgelegt sind, die im wesentlichen mittlere Wellenlänge. Bevorzugt sind außerdem die Brechungsindizes der porösen Lagen kleiner als die Brechungsindizes der nichtporösen Lagen. Als Material für die eine oder mehreren Lagen des porösen Teillagensystems sind Magnesiumfluorid und/oder Siliziumdioxid bevorzugt. Denkbar sind aber auch andere Materialien wie beispielsweise Yttriumfluorid.
Es sei darauf hingewiesen, dass in speziellen Anwendungsfällen auf der vom Substrat am weitesten entfernten porösen Lage noch eine Schutzschicht aufgebracht sein kann, um insbesondere das poröse Teillagensystem der Antireflexionsbeschichtung vor mechanischen Einwirkungen zu schützen. Material und Dicke dieser Schutzschicht werden insbesondere danach ausgewählt, dass sie die optischen Eigenschaften des optischen Elementes nicht merklich negativ beeinflussen. Mögliche Materialien sind beispielsweise nicht poröses Siliziumdioxid oder Magnesiumfluorid.
Optische Elemente für eine Wellenlänge von 193 nm

Der positive Einfluss von porösen Lagen an der Grenzfläche eines optischen Elements zum umgebenden Medium soll anhand der folgenden Figuren erläutert werden. In den 6a–e sind dazu Beispiele für optische Elemente mit Antireflexionsbeschichtung dargstellt, die für eine Wellenlänge von 193 nm optimiert sind und beispielweise in der Mikrolithographie bei 193 nm eingesetzt werden können. Dabei handelt es sich bei dem in 6a dargstellten Beispiel um eine Antireflexionsbeschichtung, die vorbekannt ist. Sie beruht auf der Lehre der US 6,825,976 B2 , auf deren Inhalt vollumfänglich Bezug genommen wird. Auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas sind alternierende Lage aus Lanthanfluorid und Magnesiumfluorid gemäß Tabelle 1 aufgebracht, wobei mit 1 die dem Substrat am nächsten gelegene Lage und mit Nr. 6 die vom Substrat am weitesten entfernten gelegene Lage bezeichnet sind.

Tabelle 1
Nr.	Material	Brechungsindex bei 193 nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	LaF₃	1.68	52.6	88.3
2	MgF₂	1.45	7.8	11.4
3	LaF₃	1.68	11.0	18.4
4	MgF₂	1.45	29.2	42.3
5	LaF₃	1.68	25.0	42.0
6	MgF₂	1.45	40.8	59.3

Die Reflexion an diesem optischen Element gemäß dem Stand der Technik ist für eine Wellenlänge von 193 nm über einen Einfallswinkel zwischen 0° und 60° zur Flächennormalen der entsprechenden Oberfläche des optischen Elementes dargestellt und zwar für s-polarisierte Strahlung (Rs), für p-polarisierte Strahlung (Rp) sowie für unpolarisierte Strahlung (Ra). Bei Einfallswinkeln bis ca. 10° ist der Unterschied zwischen s-polarisierter, p-polarisierte und unpolarisierte Strahlung unwesentlich und die Reflexion liegt für alle drei Strahlungsarten leicht unter 0,4%. Bei Einfallswinkeln ab ca. 10° bis 15° nimmt der Unterschied zwischen der Reflexion für s-polarisierte Strahlung, unpolarisierte Strahlung und p-polarisierte Strahlung stark zu, wobei insbesondere die Reflexion für s-polarisierte Strahlung bereits ab einem Einfallswinkel von 35° über einem 1% liegt und für unpolarisierte Strahlung ab einem Einfallswinkel von 45° über 1% ansteigt, während die Reflexion für p-polarisierte Strahlung auf fast Null im Bereich zwischen 40° und 45° absinkt und erst ab ca. 58° eine Reflexion von 1% erreicht.
Im Gegensatz dazu sind in den 6b–e die Reflexion bei einer Wellenlänge von 193 nm für s-polarisierte Strahlung, p-polarisierte Strahlung und unpolarisierte Strahlung über Einfallswinkel zwischen 0° bis 60° aufgetragen für optische Elemente, die wie hier vorgeschlagen, anschließend an ein Teillagensystem aus nichtporösen Lagen mindestens eine poröse Lage an der Grenzfläche des optischen Elements zum umgebenden Medium aufweisen.

Das optische Element, dessen Reflexion in 6b dargestellt ist, weist eine Antireflexionsbeschichtung auf, die gemäß Tabelle 2 auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas aufgebracht ist, das bei einer Wellenlänge von 193 nm einen Brechungsindex von 1,5608 aufweist. Als Substratmaterial kann beispielsweise auch Kalziumfluorid verwendet werden, das bei 193 nm einen Brechungsindex von 1,5018 aufweist.

Tabelle 2
Nr.	Material	Brechungsindex bei 193nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	MgF₂	1.45	9.0	13.1
2	LaF₃	1.68	10.0	16.8
3	MgF₂	1.45	56.2	81.5
4	LaF₃	1.68	6.5	10.9
5	MgF₂	1.45	29.0	42.0
6	LaF₃	1.68	14.2	23.9
7	MgF₂ + 50% Poren	1.22	52.5	63.9

Auf einem Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus den Materialien Magnesiumfluorid und Lanthanfluorid wie im Vergleichsbeispiel ist eine zum umgebenden Medium hin abschließende Lage aus porösem Magnesiumfluorid aufgebracht, die einen Porengehalt von 50 Vol.-% aufweist. Die poröse Magnesiumfluoridlage wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Verglichen mit der Reflexion des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Elementes (siehe 6a) weist das optische Element gemäß Tabelle 2 (siehe 6b) eine deutlich niedrigere Reflexion auf, nämlich von deutlich unter 0,2% bei Einfallswinkeln bis 50°. Außerdem ist die Aufspaltung der Reflexion je nach Polarisationszustand der Strahlung deutlich geringer als bei dem optischen Element gemäß dem Stand der Technik.

Dieser Effekt lässt sich auch für die anderen optischen Elemente mit zusätzlicher poröser Schicht beobachten, die gemäß Tabelle 3 (6c), Tabelle 4 (6d) oder Tabelle 5 (6e) eine Antireflexionsbeschichtung auf einem Substrat aus im vorliegenden Beispiel synthetischem Quarzglas aufweisen und deren Reflexion in Abhängigkeit vom Einfallswinkel jeweils in den 6c, 6d bzw. 6e dargestellt sind.

Tabelle 3
Nr.	Material	Brechungsindex bei 193nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	MgF₂	1.45	9.0	13.1
2	LaF₃	1.68	10.0	16.8
3	MgF₂	1.45	56.2	81.5
4	LaF₃	1.68	6.5	10.9
5	MgF₂	1.45	29.0	42.0
6	LaF₃	1.68	14.2	23.9
7	SiO₂ + 60% Poren	1.22	52.5	63.9

Tabelle 4
Nr.	Material	Brechungsindex bei 193nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	MgF₂	1.45	9.0	13.1
2	LaF₃	1.68	11.4	19.1
3	MgF₂	1.45	44.3	64.2
4	LaF₃	1.68	6.5	10.9
5	MgF₂	1.45	33.3	48.3
6	LaF₃	1.68	12.0	20.1
7	MgF₂	1.45	5.0	7.3
8	MgF₂ + 20% Poren	1.36	5.0	6.8
9	MgF₂ + 30% Poren	1.31	7.0	9.2
10	MgF₂ + 40% Poren	1.26	10.0	12.6
11	MgF₂ + 50% Poren	1.22	33.4	40.7

Tabelle 5
Nr.	Material	Brechungsindex bei 193nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	MgF₂	1.45	10.0	14.5
2	LaF₃	1.68	16.0	26.8
3	MgF₂	1.45	37.3	54.1
4	LaF₃	1.68	8.1	13.6
5	MgF₂	1.45	33.1	48.1
6	LaF₃	1.68	10.0	16.8
7	SiO₂	1.57	8.0	12.6
8	SiO₂ + 20% Poren	1.45	5.0	7.3
9	SiO₂ + 30% Poren	1.39	6.0	8.4
10	SiO₂ + 40% Poren	1.33	8.0	10.7
11	SiO₂ + 50% Poren	1.27	10.0	12.7
12	SiO₂ + 60% Poren	1.22	30.6	37.3

Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 3 weist eine poröse Schicht aus Siliziumdioxid mit einem Porengehalt von 60 Vol.-% auf. Auch die poröse Siliziumdioxidschicht wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 4 weist vier poröse Lagen aus Magnesiumfluorid auf, wobei die dem Substrat am nächsten gelegene poröse Lage den geringsten Porengehalt, nämlich von 20 Vol.-%, und damit auch den höchsten Brechungsindex der porösen Lagen aufweist, während die vom Substrat am weitesten entfernte Lage den höchsten Porengehalt, nämlich 50 Vol.-%, und damit den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Zwischen diesen beiden porösen Lagen weisen die dazwischen liegenden Lagen einen ansteigenden Porengehalt bzw. abnehmenden Brechungsindex bei 193 nm auf.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung für 193 nm gemäß Tabelle 5 weist als vom Substrat am weitesten entfernte Lage des Teillagensystems aus nichtporösen Lagen eine Siliziumdioxidlage auf den darunter liegenden alternierenden Magnesiumfluorid- und Lanthanfluoridlagen auf. Daran schließen sich fünf poröse Siliziumdioxidlagen an, wobei der Porengehalt derart 20 von Vol.-% auf 60 Vol.-% zunimmt, dass der Porengehalt bei der am weitesten vom Substrat entfernten Lage am höchsten ist.
Bei allen optischen Elementen gemäß Tabelle 2, Tabelle 3, Tabelle 4 und Tabelle 5 ist die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus porösen Lagen kleiner als die Hälfte der Wellenlänge 193 nm, für die das jeweilige optische Element ausgelegt ist. Außerdem sind die Brechungsindizes der Lagen des porösen Teillagensystems gleich oder kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des Teillagensystems aus nicht porösen Lagen.
Optische Elemente für einen Wellenlängenbereich von 200 nm bis 380 nm
Der Wellenlängenbereich von 200 nm bis 380 nm umfasst im wesentlichen den ultravioletten Wellenlängenbereich, insbesondere die Bereiche der UV-A, UV-B und UV-C Strahlung. Über den Wellenlängenbereich von 200 nm bis 400 nm wurde die Reflexion an optischen Elementen mit unterschiedlichen Antireflexionsbeschichtungen für unpolarisierte Strahlung bei Einfallswinkeln von 0°, 20°, 40° und 50°, gemessen zur Flächennormalen, untersucht.

In 7a ist zunächst als Vergleichsbeispiel die Reflexion eines optischen Elements für den ultravioletten Wellenlängenbereich von 200 nm bis 380 nm dargestellt, das hergestellt wurde, indem auf ein Substrat aus synthetischem Quarzglas eine für diesen Wellenlängenbereich herkömmliche Antireflexionsbeschichtung aus nichtporösen, alternierend angeordneten Lagen aus Magnesiumfluorid und Aluminiumoxid gemäß Tabelle 6 aufgebracht wurde. Synthetisches Quarzglas weist bei einer Wellenlänge von 290 nm einen Brechungsindex von 1,4903 auf. Als Substratmaterial kann beispielsweise auch Kalziumfluorid verwendet werden, das bei 290 nm einen Brechungsindex von 1,4562 aufweist.

Tabelle 6
Nr.	Material	Brechungsindex bei 290nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	MgF₂	1.39	29.4	41.0
2	Al₂O₃	1.64	6.0	9.9
3	MgF₂	1.39	46.8	65.2
4	Al₂O₃	1.64	17.8	29.3
5	MgF₂	1.39	16.5	23.1
6	Al₂O₃	1.64	41.1	67.5
7	MgF₂	1.39	46.2	64.5

Für Einfallswinkel von 0° und 20° liegt die Reflexion im genannten Wellenlängenbereich zwischen ca. 0,5% und ca. 2,5%. Bei einem Einfallswinkel von 40° liegt die Reflexion bereits ab 250 nm über 1,5% und steigt bis auf über 4% zum langwelligen Ende des Wellenlängenbereichs an. Für einen Einfallswinkel von 50° liegt die Reflexion über dem gesamten Wellenlängenbereich von 200nm bis 400 nm über 1,5% und übersteigt bereits ab 350 nm die 4%.

Im Gegensatz dazu ist in den 7b–e die Reflexion für optische Elemente aufgetragen, die wie hier vorgeschlagen, anschließend an ein Teillagensystem aus nichtporösen Lagen mindestens eine poröse Lage an der Grenzfläche des optischen Elements zum umgebenden Medium aufweisen. In 7b ist die Reflexion unpolarisierter Strahlung eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 7 auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas für Einfallswinkel von 0°, 20°, 40° und 50° aufgetragen, in 7c die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 8, in 7d die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 9 und in 7e die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 10.

Tabelle 7
Nr.	Material	Brechungsindex bei 290nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.64	7.4	12.1
2	MgF₂	1.39	16.1	22.5
3	Al₂O₃	1.64	25.0	41.0
4	MgF₂	1.39	7.9	11.0
5	Al₂O₃	1.64	49.4	81.1
6	MgF₂	1.39	21.8	30.4
7	Al₂O₃	1.64	13.4	22.1
8	MgF₂ + 50% Poren	1.19	60.3	71.8

Tabelle 8
Nr.	Material	Brechungsindex bei 290nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.64	9.8	16.2
2	MgF₂	1.39	7.3	10.2
3	Al₂O₃	1.64	7.3	12.0
4	MgF₂	1.39	8.7	12.1
5	Al₂O₃	1.64	28.6	47.0
6	MgF₂	1.39	20.4	28.5
7	Al₂O₃	1.64	17.5	28.8
8	SiO₂ + 50% Poren	1.24	56.9	70.4

Tabelle 9
Nr.	Material	Brechungsindex bei 290nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.64	10.6	17.5
2	MgF₂	1.39	18.2	25.4
3	Al₂O₃	1.64	21.2	34.9
4	MgF₂	1.39	29.8	41.6
5	Al₂O₃	1.64	9.0	14.8
6	MgF₂	1.39	5.0	7.0
7	MgF₂ + 20% Poren	1.31	6.0	7.9
8	MgF₂ + 30% Poren	1.27	8.0	10.2
9	MgF₂ + 40% Poren	1.23	12.0	14.8
10	MgF₂ + 50% Poren	1.19	37.5	44.7

Tabelle 10
Nr.	Material	Brechungsindex bei 290nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.64	11.4	18.7
2	MgF₂	1.39	17.6	24.6
3	Al₂O₃	1.64	22.5	37.0
4	MgF₂	1.39	27.1	37.8
5	Al₂O₃	1.64	7.0	11.5
6	SiO₂	1.49	5.0	7.4
7	SiO₂ + 20% Poren	1.39	5.0	6.9
8	SiO₂ + 30% Poren	1.34	6.0	8.0
9	SiO₂ + 40% Poren	1.29	8.0	10.3
10	SiO₂ + 50% Poren	1.24	10.0	12.4
11	SiO₂ + 60% Poren	1.19	39.5	46.8

Beim optische Element gemäß Tabelle 7 ist auf einem Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus den Materialien Magnesiumfluorid und Aluminiumoxid wie im Vergleichsbeispiel eine zum umgebenden Medium hin abschließende Lage aus porösem Magnesiumfluorid aufgebracht, die einen Porengehalt von 50 Vol.-% aufweist. Die poröse Magnesiumfluoridlage wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Verglichen mit der Reflexion des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Elementes (siehe 7a) weist das optische Element gemäß Tabelle 7 (siehe 7b) eine deutlich niedrigere Reflexion auf, nämlich von deutlich unter 0,2% bei Einfallswinkeln von 0° und 20° über den gesamten Wellenlängenbereich von 200 nm bis 380 nm. Auch für höhere Einfallswinkel von 40° oder 50° bleibt die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich deutlich unter 1% für 40° und 2% für 50°.
Dieser Effekt, dass die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich von 200 nm bis 400 nm auch für große Einfallswinkel deutlich geringer ist als beim in 7a dargestellten Vergleichsbeispiel, lässt sich auch für die anderen optischen Elemente mit zusätzlicher poröser Schicht beobachten, die gemäß Tabelle 8 (7c), Tabelle 9 (7d) oder Tabelle 10 (7e) eine Antireflexionsbeschichtung auf einem Substrat aus im vorliegenden Beispiel synthetischem Quarzglas aufweisen.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 8 weist eine poröse Schicht aus Siliziumdioxid mit einem Porengehalt von 50 Vol.-% auf. Auch die poröse Siliziumdioxidschicht wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 9 weist vier poröse Lagen aus Magnesiumfluorid auf, wobei die dem Substrat am nächsten gelegene poröse Lage den geringsten Porengehalt, nämlich von 20 Vol.-%, und damit auch den höchsten Brechungsindex der porösen Lagen aufweist, während die vom Substrat am weitesten entfernte Lage den höchsten Porengehalt, nämlich 50 Vol.-%, und damit den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Zwischen diesen beiden porösen Lagen weisen die dazwischen liegenden Lagen ansteigenden Porengehalt bzw. abnehmenden Brechungsindex bei der mittleren Wellenlänge von 290 nm auf. Das optische Element gemäß Tabelle 10 weist als vom Substrat am weitesten entfernte Lage des Teillagensystems aus nichtporösen Lagen eine Siliziumdioxidlage auf den darunter liegenden alternierenden Magnesiumfluorid- und Aluminiumoxidlagen auf. Daran schließen sich fünf poröse Siliziumdioxidlagen an, wobei der Porengehalt von 20 Vol.-% bis auf 60 Vol.-% bei der vom Substrat am weitesten entfernten porösen Siliziumdioxidlage zunimmt.
Bei allen optischen Elemente, die gemäß Tabelle 7, Tabelle 8, Tabelle 9 und Tabelle 10 für eine Wellenlänge im ultravioletten Wellenlängenbereich ausgelegt sind, ist die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus porösen Lagen kleiner als die Hälfte der mittleren Wellenlänge 290 nm. Außerdem sind die Brechungsindizes der Lagen des porösen Teillagensystems gleich oder kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des Teillagensystems aus nicht porösen Lagen.
Optische Elemente für einen Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm
Der Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm umfasst im wesentlichen den sichtbaren Wellenlängenbereich. Über den Wellenlängenbereich von 350 nm bis 800 nm wurde die Reflexion an optischen Elementen mit unterschiedlichen Antireflexionsbeschichtungen für unpolarisierte Strahlung bei Einfallswinkeln von 0°, 20°, 40° und 50°, gemessen zur Flächennormalen untersucht.

In 8a ist zunächst als Vergleichsbeispiel die Reflexion eines optischen Elements für den ultravioletten Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm dargestellt, das hergestellt wurde, indem auf ein Substrat aus synthetischem Quarzglas eine für diesen Wellenlängenbereich herkömmliche Antireflexionsbeschichtung aus nichtporösen, alternierend angeordneten Lagen aus Nioboxid und Siliziumdioxid gemäß Tabelle 11 aufgebracht wurde. Synthetisches Quarzglas weist bei einer Wellenlänge von 565 nm einen Brechungsindex von 1,4596 auf. Als Substratmaterial können beispielsweise auch optische Gläser verwendet werden, wie etwa das unter der Bezeichnung BK7 bei der Firma Schott AG erhältliche optische Glas, das bei einer Wellenlänge von 546 nm einen Brechungsindex von 1,5187 aufweist.

Tabelle 11
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Nb₂O₅	2.31	8.0	18.5
2	SiO₂	1.44	65.3	93.8
3	Nb₂O₅	2.31	12.7	29.3
4	SiO₂	1.44	84.7	121.8
5	Nb₂O₅	2.31	8.0	18.5
6	SiO₂	1.44	84.7	121.7
7	Nb₂O₅	2.31	20.1	46.6
8	SiO₂	1.44	27.4	39.3
9	Nb₂O₅	2.31	77.0	178.1
10	SiO₂	1.44	13.1	18.9
11	Nb₂O₅	2.31	24.7	57.1
12	MgF₂	1.37	95.8	131.6

Für Einfallswinkel von 0° und 20° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm im Wesentlichen zwischen unter ca. 0,1% und unter ca. 0,4%. Für Einfallswinkel von 40° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm im Wesentlichen zwischen ca. 0,3% und etwas über ca. 1,0%. Für Einfallswinkel von 50° liegt die Reflexion über dem gesamten Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm im Wesentlichen über 1%.

Im Gegensatz dazu ist in den 8b–e die Reflexion für optische Elemente aufgetragen, die wie hier vorgeschlagen, anschließend an ein Teillagensystem aus nichtporösen Lagen mindestens eine poröse Lage an der Grenzfläche des optischen Elements zum umgebenden Medium aufweisen. In 8b ist die Reflexion unpolarisierter Strahlung eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 12 auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas für Einfallswinkel von 0°, 20°, 40° und 50° aufgetragen, in 8c die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 13, in 8d die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 14 und in 8e die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 15.

Tabelle 12
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Nb₂O₅	2.31	3.5	8.1
2	SiO₂	1.44	63.2	90.9
3	Nb₂O₅	2.31	10.5	24.2
4	SiO₂	1.44	49.5	71.2
5	Nb₂O₅	2.31	3.4	7.9
6	SiO₂	1.44	13.0	18.7
7	Nb₂O₅	2.31	9.5	22.1
8	SiO₂	1.44	82.8	119.1
9	Nb₂O₅	2.31	5.4	12.4
10	MgF₂ + 50% Poren	1.18	124.6	147.3

Tabelle 13
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Nb₂O₅	2.31	5.2	12.0
2	SiO₂	1.44	56.7	81.6
3	Nb₂O₅	2.31	13.6	31.5
4	SiO₂	1.44	25.5	36.6
5	Nb₂O₅	2.31	6.1	14.1
6	SiO₂	1.44	28.5	41.0
7	Nb₂O₅	2.31	18.5	42.9
8	SiO₂	1.44	60.3	86.6
9	Nb₂O₅	2.31	10.4	24.1
10	SiO₂ + 50% Poren	1.22	120.2	146.8

Tabelle 14
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Nb₂O₅	2.31	3.9	9.1
2	SiO₂	1.44	62.4	89.7
3	Nb₂O₅	2.31	11.9	27.5
4	SiO₂	1.44	47.4	68.2
5	Nb₂O₅	2.31	3.1	7.1
6	SiO₂	1.44	10.8	15.6
7	Nb₂O₅	2.31	12.2	28.2
8	SiO₂	1.44	70.6	101.5
9	Nb₂O₅	2.31	5.9	13.6
10	MgF₂	1.37	10.0	13.7
11	MgF₂ + 20% Poren	1.30	12.0	15.6
12	MgF₂ + 30% Poren	1.26	16.0	20.1
13	MgF₂ + 40% Poren	1.22	24.0	29.3
14	MgF₂ + 50% Poren	1.18	73.3	86.7

Tabelle 15
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Nb₂O₅	2.31	4.6	10.6
2	SiO₂	1.44	60.6	87.1
3	Nb₂O₅	2.31	13.4	30.9
4	SiO₂	1.44	41.8	60.1
5	Nb₂O₅	2.31	3.0	6.9
6	SiO₂	1.44	13.4	19.2
7	Nb₂O₅	2.31	14.4	33.2
8	SiO₂	1.44	65.0	93.4
9	Nb₂O₅	2.31	5.8	13.4
10	SiO₂	1.44	8.0	11.5
11	SiO₂ + 20% Poren	1.36	10.0	13.6
12	SiO₂ + 30% Poren	1.32	12.0	15.8
13	SiO₂ + 40% Poren	1.27	16.0	20.3
14	SiO₂ + 50% Poren	1.22	20.0	24.4
15	SiO₂ + 60% Poren	1.18	74.4	87.4

Beim optischen Element gemäß Tabelle 12 ist auf einem Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus den Materialien Nioboxid und Siliziumdioxid wie im Vergleichsbeispiel eine zum umgebenden Medium hin abschließende Lage aus porösem Magnesiumfluorid aufgebracht, die einen Porengehalt von 50 Vol.-% aufweist. Die poröse Magnesiumfluoridlage wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Verglichen mit der Reflexion des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Elementes (siehe 8a) weist das optische Element gemäß Tabelle 12 (siehe 8b) eine deutlich niedrigere Reflexion auf, nämlich von deutlich unter 0,2% bei Einfallswinkeln von 0° und 20° über den gesamten Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm. Auch für höhere Einfallswinkel von 40° oder 50° bleibt die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich deutlich unter 1% für 40° und 2% für 50°.
Dieser Effekt, dass die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich von 380 nm bis 750 nm auch für große Einfallswinkel deutlich geringer ist als beim in 8a dargestellten Vergleichsbeispiel, lässt sich auch für die anderen optischen Elemente mit zusätzlicher poröser Schicht beobachten, die gemäß Tabelle 13 (8c), Tabelle 14 (8d) oder Tabelle 15 (8e) eine Antireflexionsbeschichtung auf einem Substrat aus im vorliegenden Beispiel synthetischem Quarzglas aufweisen.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 13 weist eine poröse Schicht aus Siliziumdioxid mit einem Porengehalt von 50 Vol.-% auf. Auch die poröse Siliziumdioxidschicht wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 14 weist auf einer das nichtporöse Teillagensystem abschließenden nichtporösen Magnesiumfluoridlage vier poröse Lagen aus Magnesiumfluorid auf, wobei die dem Substrat nächst gelegene poröse Lage den geringsten Porengehalt, nämlich von 20 Vol.-%, und damit auch den höchsten Brechungsindex der porösen Lagen aufweist, während die vom Substrat am weitesten entfernte Lage den höchsten Porengehalt, nämlich 50 Vol.-%, und damit den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Zwischen diesen beiden porösen Lagen weisen die dazwischen liegenden Lagen ansteigenden Porengehalt bzw. abnehmenden Brechungsindex bei der mittleren Wellenlänge von 565 nm auf. Das optische Element gemäß Tabelle 15 weist als vom Substrat am weitesten entfernte Lage des Teillagensystems aus nichtporösen Lagen eine Siliziumdioxidlage auf den alternierenden Nioboxid- und Siliziumdioxidlagen auf. Daran schließen sich fünf poröse Siliziumdioxidlagen an, wobei der Porengehalt von 20 Vol.-% auf 60 Vol.-% bei der vom Substrat am weitesten entfernten porösen Siliziumdioxidlage zunimmt.
Bei allen optischen Elemente, die gemäß Tabelle 12, Tabelle 13, Tabelle 14 und Tabelle 15 für den sichtbaren Wellenlängenbereich ausgelegt sind, ist die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus porösen Lagen kleiner als die Hälfte der mittleren Wellenlänge 565 nm. Außerdem sind die Brechungsindizes der Lagen des porösen Teillagensystems kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des Teillagensystems aus nicht porösen Lagen.

In 8f ist die Reflexion für eine weitere Variante eines optischen Elements für den sichtbaren Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung dargestellt, die auf einem nichtporösen Teillagensystem eine poröse Magnesiumfluoridlage mit 50 Vol.-% Poren aufweist (siehe Tabelle 16). Der wesentliche Unterschied zu den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen gemäß Tabelle 12 bis 15 besteht in den Materialien des nichtporösen Teillagensystems. Anstelle von alternierenden Lagen aus Nioboxid und Siliziumdioxid handelt es sich um alternierend angeordnete Lagen aus Siliziumdioxid und Aluminiumoxid, wobei eine dem Substrat fernere Siliziumdioxidlage durch eine Lage aus Nioboxid ersetzt wurde. Bei der Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 16 liegt somit nur eine Lage vor, deren Brechungsindex bei 565 nm größer ist als das 1,25-fache des Brechungsindexes des Substrats aus synthetischem Quarzglas, der bei 565 nm bei 1,4596 liegt. Trotzdem ist der Reflexionsverlauf über den sichtbaren Wellenlängenbereich für die verschiedenen Einfallswinkel ist vergleichbar mit dem Reflexionsverlauf für die anderen Varianten (siehe 8b–e). Dieses Beispiel hat den besonderen Vorteil, dass bis auf eine Lage nur Materialien mit sehr geringer Absorption verwendet werden und somit eine besonders hohe Transmission erhalten werden kann.

Tabelle 16
Nr.	Material	Brechungsindex bei 565nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	SiO₂	1.44	63.0	90.5
2	Al₂O₃	1.63	14.5	23.5
3	SiO₂	1.44	57.3	82.4
4	Al₂O₃	1.63	46.2	75.1
5	SiO₂	1.44	14.8	21.3
6	Al₂O₃	1.63	106.3	172.9
7	SiO₂	1.44	33.7	48.5
8	Al₂O₃	1.63	17.8	29.0
9	SiO₂	1.44	131.1	188.5
10	Al₂O₃	1.63	99.6	162.0
11	Nb₂O₅	2.31	8.5	19.7
12	Al₂O₃	1.63	36.3	59.0
13	SiO₂	1.44	22.6	32.6
14	Al₂O₃	1.63	40.9	66.6
15	MgF₂ + 50% Poren	1.18	115.8	137.0

Optische Elemente für einen Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm
Der Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm umfasst im Wesentlichen den nahinfraroten Wellenlängenbereich. Über den Wellenlängenbereich von 700 nm bis 1500 nm wurde die Reflexion an optischen Elementen mit unterschiedlichen Antireflexionsbeschichtungen für unpolarisierte Strahlung bei Einfallswinkeln von 0°, 20°, 40° und 50°, gemessen zur Flächennormalen untersucht.

In 9a ist zunächst als Vergleichsbeispiel die Reflexion eines optischen Elements für den ultravioletten Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm dargestellt, das hergestellt wurde, indem auf ein Substrat aus synthetischem Quarzglas eine für diesen Wellenlängenbereich herkömmliche Antireflexionsbeschichtung aus nichtporösen, alternierend angeordneten Lagen aus Tantaloxid und Siliziumdioxid gemäß Tabelle 17 aufgebracht wurde. Synthetisches Quarzglas weist bei einer Wellenlänge von 1100 nm einen Brechungsindex von 1,4492 auf. Als Substratmaterial können beispielsweise auch optische Gläser verwendet werden, wie etwa das unter der Bezeichnung LF5 bei der Firma Schott AG erhältliche optische Glas, das bei einer Wellenlänge von 1060 nm einen Brechungsindex von 1,5659 aufweist.

Tabelle 17
Nr.	Material	Brechungsindex bei 1100nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
2	SiO₂	1.45	64.0	92.7
3	Ta₂O₅	2.01	20.1	40.4
4	SiO₂	1.45	43.4	62.9
5	Ta₂O₅	2.01	40.6	81.4
6	SiO₂	1.45	13.3	19.2
7	Ta₂O₅	2.01	89.1	178.7
8	SiO₂	1.45	10.0	14.5
9	Ta₂O₅	2.01	70.8	142.1
10	SiO₂	1.45	26.9	39.0
11	Ta₂O₅	2.01	23.9	48.1
12	MgF₂	1.37	161.1	221.2

Für Einfallswinkel von 0° und 20° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm im Wesentlichen zwischen ca. 0,2% und ca. 0,5%. Für Einfallswinkel von 40° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm über weite Bereiche zwischen ca. 0,6% und ca. 1,0%. Für Einfallswinkel von 50° liegt die Reflexion über dem gesamten Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm über weite Bereiche über 1,5%.

Im Gegensatz dazu ist in den 9b–e die Reflexion für optische Elemente aufgetragen, die wie hier vorgeschlagen, anschließend an ein Teillagensystem aus nichtporösen Lagen mindestens eine poröse Lage an der Grenzfläche des optischen Elements zum umgebenden Medium aufweisen. In 9b ist die Reflexion unpolarisierter Strahlung eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 18 auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas für Einfallswinkel von 0°, 20°, 40° und 50° aufgetragen, in 9c die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 19, in 9d die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 20 und in 9e die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 21.

Tabelle 18
Nr.	Material	Brechungsindex bei 1100nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	SiO₂	1.45	20.0	29.0
2	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
3	SiO₂	1.45	62.0	89.9
4	Ta₂O₅	2.01	19.9	40.0
5	SiO₂	1.45	37.9	54.9
6	Ta₂O₅	2.01	35.1	70.3
7	SiO₂	1.45	21.1	30.5
8	Ta₂O₅	2.01	67.3	135.0
9	SiO₂	1.45	10.0	14.5
10	Ta₂O₅	2.01	70.7	141.9
11	SiO₂	1.45	29.4	42.6
12	Ta₂O₅	2.01	32.7	65.6
13	SiO₂	1.45	84.9	123.0
14	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
15	MgF₂ + 50% Poren	1.18	182.0	215.1

Tabelle 19
Nr.	Material	Brechungsindex bei 1100nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	SiO₂	1.45	10.0	14.5
2	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
3	SiO₂	1.45	59.6	86.3
4	Ta₂O₅	2.01	16.4	32.9
5	SiO₂	1.45	32.2	46.7
6	Ta₂O₅	2.01	26.9	54.0
7	SiO₂	1.45	25.2	36.6
8	Ta₂O₅	2.01	62.0	124.4
9	SiO₂	1.45	10.0	14.5
10	Ta₂O₅	2.01	79.0	158.6
11	SiO₂	1.45	25.4	36.8
12	Ta₂O₅	2.01	39.4	79.0
13	SiO₂	1.45	69.2	100.2
14	Ta₂O₅	2.01	13.2	26.5
15	SiO₂ + 50% Poren	1.22	176.1	214.8

Tabelle 20
Nr.	Material	Brechungsindex bei 1100nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	SiO₂	1.45	20.0	29.0
2	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
3	SiO₂	1.45	63.0	91.3
4	Ta₂O₅	2.01	20.0	40.2
5	SiO₂	1.45	36.7	53.2
6	Ta₂O₅	2.01	32.3	64.8
7	SiO₂	1.45	21.3	30.8
8	Ta₂O₅	2.01	62.6	125.5
9	SiO₂	1.45	10.0	14.5
10	Ta₂O₅	2.01	72.4	145.3
11	SiO₂	1.45	27.3	39.5
12	Ta₂O₅	2.01	35.1	70.5
13	SiO₂	1.45	69.4	100.5
14	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
15	MgF₂	1.37	12.0	16.5
16	MgF₂ + 20% Poren	1.30	16.0	20.7
17	MgF₂ + 30% Poren	1.26	24.0	30.2
18	MgF₂ + 40% Poren	1.22	40.0	48.8
19	MgF₂ + 50% Poren	1.18	107.8	127.3

Tabelle 21
Nr.	Material	Brechungsindex bei 1100nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	SiO₂	1.45	20.0	29.0
2	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
3	SiO2	1.45	63.3	91.7
4	Ta₂O₅	2.01	20.0	40.2
5	SiO₂	1.45	36.1	52.3
6	Ta₂O₅	2.01	31.3	62.8
7	SiO₂	1.45	21.3	30.8
8	Ta₂O₅	2.01	60.1	120.6
9	SiO₂	1.45	10.0	14.5
10	Ta₂O₅	2.01	74.3	149.1
11	SiO₂	1.45	25.9	37.5
12	Ta₂O₅	2.01	35.7	71.7
13	SiO₂	1.45	62.1	90.0
14	Ta₂O₅	2.01	10.0	20.1
15	SiO₂	1.45	10.0	14.5
16	SiO₂ + 20% Poren	1.36	14.0	19.0
17	SiO₂ + 30% Poren	1.31	25.6	33.7
18	SiO₂ + 40% Poren	1.27	20.0	25.3
19	SiO₂ + 50% Poren	1.22	36.0	43.9
20	SiO₂ + 60% Poren	1.17	108.5	127.4

Beim optische Element gemäß Tabelle 18 ist auf einem Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus den Materialien Tantaloxid und Siliziumdioxid wie im Vergleichsbeispiel eine zum umgebenden Medium hin abschließende Lage aus porösem Magnesiumfluorid aufgebracht, die einen Porengehalt von 50 Vol.-% aufweist. Die poröse Magnesiumfluoridlage wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Verglichen mit der Reflexion des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Elementes (siehe 9a) weist das optische Element gemäß Tabelle 18 (siehe 9b) eine deutlich niedrigere Reflexion auf, nämlich von deutlich unter 0,2% bei Einfallswinkeln von 0° und 20° über den gesamten Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm. Auch für höhere Einfallswinkel von 40° oder 50° bleibt die Reflexion über diesen Wellenlängenbereich deutlich unter 1% für 40° und 2% für 50°.
Dieser Effekt, dass die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich von 750 nm bis 1400 nm auch für große Einfallswinkel deutlich geringer ist als beim in 9a dargestellten Vergleichsbeispiel, lässt sich auch für die anderen optischen Elemente mit zusätzlicher poröser Schicht beobachten, die gemäß Tabelle 19 (9c), Tabelle 20 (9d) oder Tabelle 21 (9e) eine Antireflexionsbeschichtung auf einem Substrat aus im vorliegenden Beispiel synthetischem Quarzglas aufweisen.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 19 weist eine poröse Schicht aus Siliziumdioxid mit einem Porengehalt von 50 Vol.-% auf. Auch die poröse Siliziumdioxidschicht wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 20 weist auf einer das nichtporöse Teillagensystem abschließenden nichtporösen Magnesiumfluoridlage vier poröse Lagen aus Magnesiumfluorid auf, wobei die dem Substrat am nächsten gelegene poröse Lage den geringsten Porengehalt, nämlich von 20 Vol.-%, und damit auch den höchsten Brechungsindex der porösen Lagen aufweist, während die vom Substrat am weitesten entfernte Lage den höchsten Porengehalt, nämlich 50 Vol.-%, und damit den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Zwischen diesen beiden porösen Lagen weisen die dazwischen liegenden Lagen ansteigenden Porengehalt bzw. abnehmenden Brechungsindex bei der mittleren Wellenlänge von 1100 nm auf. Das optische Element gemäß Tabelle 21 weist als vom Substrat am weitesten entfernte Lage des Teillagensystems aus nichtporösen Lagen eine Siliziumdioxidlage auf den alternierenden Tantaloxid- und Siliziumdioxidlagen auf. Daran schließen sich fünf poröse Siliziumdioxidlagen an, wobei der Porengehalt von 20 Vol.-% bis auf 60 Vol.-% bei der vom Substrat am weitesten entfernten porösen Siliziumdioxidlage zunimmt.
Bei allen optischen Elemente, die gemäß Tabelle 18, Tabelle 19, Tabelle 20 und Tabelle 21 für eine Wellenlänge im nahinfraroten Wellenlängenbereich ausgelegt sind, ist die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus porösen Lagen kleiner als die Hälfte der mittleren Wellenlänge 1100 nm. Außerdem sind die Brechungsindizes der Lagen des porösen Teillagensystems kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des Teillagensystems aus nicht porösen Lagen.
Optische Elemente für einen Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm Der Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm umfasst im Wesentlichen den ultravioletten und sichtbaren Wellenlängenbereich, wobei die Spektralbereiche UV-C und VIS teilweise und die Spektralbereiche UV-A und UV-B ganz erfasst sind. Über den Wellenlängenbereich von 240 nm bis 550 nm wurde die Reflexion an optischen Elementen mit unterschiedlichen Antireflexionsbeschichtungen für unpolarisierte Strahlung bei Einfallswinkeln von 0°, 20°, 40° und 50°, gemessen zur Flächennormalen untersucht.

In 10a ist zunächst als Vergleichsbeispiel die Reflexion eines optischen Elements für den UV- bis VIS-Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm dargestellt, das hergestellt wurde, indem auf ein Substrat aus synthetischem eine für diesen Wellenlängenbereich herkömmliche Antireflexionsbeschichtung aus nichtporösen, alternierend angeordneten Lagen aus Scandiumoxid und Siliziumdioxid gemäß Tabelle 22 aufgebracht wurde. Synthetisches Quarzglas weist bei einer Wellenlänge von 375 nm einen Brechungsindex von 1,4729 auf. Als Substratmaterial kann beispielsweise auch Kalziumfluorid verwendet werden, das bei 375 nm einen Brechungsindex von 1,4440 aufweist.

Tabelle 22
Nr.	Material	Brechungsindex bei 375nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Sc₂O₃	2.03	9.0	18.3
2	SiO₂	1.45	34.2	49.7
3	Sc₂O₃	2.03	16.5	33.6
4	SiO₂	1.45	38.5	55.8
5	Sc₂O₃	2.03	9.0	18.3
6	SiO₂	1.45	74.1	107.4
7	Sc₂O₃	2.03	10.3	21.0
8	SiO₂	1.45	26.4	38.2
9	Sc₂O₃	2.03	41.4	84.0
10	SiO₂	1.45	9.0	13.1
11	Sc₂O₃	2.03	26.2	53.2
12	MgF₂	1.38	62.3	86.1

Für Einfallswinkel von 0° und 20° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm im Wesentlichen zwischen unter ca. 0,2% und ca. 0,6%. Für Einfallswinkel von 40° schwankt die Reflexion im Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm über weite Bereiche zwischen ca. 0,4% und ca. 1,2%. Für Einfallswinkel von 50° schwankt die Reflexion über dem gesamten Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm über weite Bereiche zwischen ca. 1% und ca. 2%.

Im Gegensatz dazu ist in den 10b–e die Reflexion für optische Elemente aufgetragen, die wie hier vorgeschlagen, anschließend an ein Teillagensystem aus nichtporösen Lagen mindestens eine poröse Lage an der Grenzfläche des optischen Elements zum umgebenden Medium aufweisen. In 10b ist die Reflexion unpolarisierter Strahlung eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 23 auf einem Substrat aus synthetischem Quarzglas für Einfallswinkel von 0°, 20°, 40° und 50° aufgetragen, in 10c die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 24, in 10d die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 25 und in 10e die Reflexion eines optischen Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 26.

Tabelle 23
Nr.	Material	Brechungsindex bei 375nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.63	51.8	84.2
2	Sc₂O₃	2.03	19.4	39.3
3	Al₂O₃	1.63	12.9	21.0
4	Sc₂O₃	2.03	30.0	60.9
5	Al₂O₃	1.63	55.2	89.8
6	MgF₂ + 50% Poren	1.19	74.9	88.9

Tabelle 24
Nr.	Material	Brechungsindex bei 375nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.63	51.8	84.2
2	Sc₂O₃	2.03	19.4	39.3
3	Al₂O₃	1.63	12.9	21.0
4	Sc₂O₃	2.03	30.0	60.9
5	Al₂O₃	1.63	55.2	89.8
6	SiO₂ + 60% Poren	1.18	74.0	87.3

Tabelle 25
Nr.	Material	Brechungsindex bei 375nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.63	54.4	88.5
2	Sc₂O₃	2.03	17.0	34.5
3	Al₂O₃	1.63	17.8	29.0
4	Sc₂O₃	2.03	23.2	47.1
5	Al₂O₃	1.63	53.5	87.1
6	MgF₂	1.38	6.0	8.3
7	MgF₂ + 20% Poren	1.30	7.0	9.1
8	MgF₂ + 30% Poren	1.26	9.0	11.4
9	MgF₂ + 40% Poren	1.23	14.0	17.2
10	MgF₂ + 50% Poren	1.19	45.7	54.2

Tabelle 26
Nr.	Material	Brechungsindex bei 375nm	Dicke [nm]	optische Dicke [nm]
1	Al₂O₃	1.63	54.6	88.8
2	Sc₂O₃	2.03	16.9	34.3
3	Al₂O₃	1.63	18.2	29.5
4	Sc₂O₃	2.03	22.6	46.0
5	Al₂O₃	1.63	50.7	82.6
6	SiO₂	1.47	5.0	7.4
7	SiO₂ + 20% Poren	1.37	5.0	6.9
8	SiO₂ + 30% Poren	1.32	7.0	9.3
9	SiO₂ + 40% Poren	1.28	8.0	10.2
10	SiO₂ + 50% Poren	1.23	12.0	14.7
11	SiO₂ + 60% Poren	1.18	48.9	57.7

Beim optische Element gemäß Tabelle 23 ist auf einem Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus den Materialien Scandiumoxid und Aluminiumoxid eine zum umgebenden Medium hin abschließende Lage aus porösem Magnesiumfluorid aufgebracht, die einen Porengehalt von 50 Vol.-% aufweist. Die poröse Magnesiumfluoridlage wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Verglichen mit der Reflexion des aus dem Stand der Technik bekannten optischen Elementes (siehe 10a) weist das optische Element gemäß Tabelle 23 (siehe 10b) eine deutlich niedrigere Reflexion auf, nämlich von deutlich unter 0,2% bei Einfallswinkeln von 0° und 20° über den gesamten Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm. Auch für höhere Einfallswinkel von 40° oder 50° bleibt die Reflexion über diesen Wellenlängenbereich überwiegend deutlich unter 1% für 40° und unter 2% für 50°.
Dieser Effekt, dass die Reflexion über den gesamten Wellenlängenbereich von 250 nm bis 500 nm auch für große Einfallswinkel deutlich geringer ist als beim in 10a dargestellten Vergleichsbeispiel, lässt sich auch für die anderen optischen Elemente mit zusätzlicher poröser Schicht beobachten, die gemäß Tabelle 24 (10c), Tabelle 25 (10d) oder Tabelle 26 (10e) eine Antireflexionsbeschichtung auf einem Substrat aus im vorliegenden Beispiel synthetischem Quarzglas aufweisen.
Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 24 weist eine poröse Schicht aus Siliziumdioxid mit einem Porengehalt von 60 Vol.-% auf. Auch die poröse Siliziumdioxidschicht wird bevorzugt mittels einem der zuvor beschriebenen Verfahren aufgebracht. Das optische Element mit einer Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 25 weist auf einer das nichtporöse Teillagensystem abschließenden nichtporösen Magnesiumfluoridlage vier poröse Lagen aus Magnesiumfluorid auf, wobei die dem Substrat am nächsten gelegene poröse Lage den geringsten Porengehalt, nämlich von 20 Vol.-%, und damit auch den höchsten Brechungsindex der porösen Lagen aufweist, während die vom Substrat am weitesten entfernte Lage den höchsten Porengehalt, nämlich 50 Vol.-%, und damit den niedrigsten Brechungsindex aufweist. Zwischen diesen beiden porösen Lagen weisen die dazwischen liegenden Lagen ansteigenden Porengehalt bzw. abnehmenden Brechungsindex bei der mittleren Wellenlänge von 375 nm auf. Das optische Element gemäß Tabelle 26 weist als vom Substrat am weitesten entfernte Lage des Teillagensystems aus nichtporösen Lagen eine Siliziumdioxidlage auf den alternierenden Scandiumoxid- und Aluminiumoxidlagen auf. Daran schließen sich fünf poröse Siliziumdioxidlagen an, wobei der Porengehalt von 20 Vol.-% bis auf 60 Vol.-% bei der vom Substrat am weitesten entfernten porösen Siliziumdioxidlage zunimmt.
Bei allen optischen Elemente, die gemäß Tabelle 23, Tabelle 24, Tabelle 25 und Tabelle 26 für eine Wellenlänge im ultravioletten bis sichtbaren Wellenlängenbereich ausgelegt sind, ist die optische Dicke des zweiten Teillagensystems aus porösen Lagen kleiner als die Hälfte der mittleren Wellenlänge 375 nm. Außerdem sind die Brechungsindizes der Lagen des porösen Teillagensystems kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des Teillagensystems aus nicht porösen Lagen. Alle Ausführungsbeispiele gemäß Tabelle 23, Tabelle 24, Tabelle 25 und Tabelle 26 haben eine Gesamtdicke, die mit weniger als 250 nm deutlich unter der Gesamtschichtdicke von 360 nm der herkömmlichen Antireflexionsbeschichtung gemäß Tabelle 22 liegt. Zudem ist bei allen Ausführungsbeispielen gemäß den Tabellen 23 bis 26 der Anteil der Scandiumoxidlagen nur halb so groß wie beim Vergleichsbeispiel gemäß Tabelle 22. Dies hat den Vorteil, Antireflexionsbeschichtungen mit deutlich verminderter Absorption zu erlauben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2008/148462 A1 [0003]
US 6825976 B2 [0045]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines optischen Elements für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, wobei die poröse Lage aufgebracht wird, indem zwei anorganische Materialien gemeinsam aufgebracht werden und anschließend eines der Materialien entfernt wird, so dass sich im nicht entfernten Material Poren ausbilden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Antireflexionsbeschichtung mindestens zwei Lagen auf ein Substrat aufgebracht werden und die vom Substrat am weitesten entfernte Lage als poröse Lage aufgebracht wird, wobei als nicht zu entfernendes Material ein im Wellenlängenbereich des optischen Elements niedrigbrechendes Material aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei anorganischen Materialien simultan oder als alternierende dünne Lagen aufgebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zu entfernende Material chemisch oder chemisch-physikalisch entfernt wird.
Optisches Element für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich mit einer Antireflexionsbeschichtung, die mindestens eine Lage aus porösem Material aufweist, hergestellt nach dem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4.
Optisches Element nach Anspruch 5, dessen Antireflexionsbeschichtung ein erstes Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus alternierend im Wellenlängenbereich des optischen Elements höher und niedriger brechenden Materialien auf einem Substrat aufweist und ein zweites, vom Substrat weiter entferntes Teillagensystem aus einer oder mehreren porösen Lagen, wobei die mindestens eine poröse Lage auf einem im Wellenlängenbereich des optischen Elements niedriger brechenden Material basiert.
Optisches Element für einen Wellenlängenbereich im ultravioletten, sichtbaren und/oder nahinfraroten Wellenlängenbereich, dessen Antireflexionsbeschichtung ein erstes Teillagensystem aus nichtporösen Lagen aus alternierend im Wellenlängenbereich des optischen Elements höher und niedriger brechenden Materialien auf einem Substrat aufweist und ein zweites, vom Substrat weiter entferntes Teillagensystem aus einer oder mehreren porösen Lagen, wobei die mindestens eine poröse Lage auf einem im Wellenlängenbereich des optischen Elements niedriger brechenden Material basiert.
Optisches Element nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Lagensystem zwei oder mehr poröse Lagen aufweist, wobei der Brechungsindex der dem Substrat am nächsten angeordnete porösen Lagen am höchsten aller porösen Lagen ist und der Brechungsindex jeder weiteren porösen Lagen kontinuierlich geringer ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optische Dicke des zweiten Teillagensystems kleiner als die Hälfte der Wellenlänge ist, für die das optische Element ausgelegt ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindizes der Lagen des zweiten Teillagensystems kleiner als die Brechungsindizes der Lagen des ersten Teillagensystems sind.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teillagensystem nicht mehr als eine Lage aufweist, deren Brechungsindex im Wellenlängenbereich des optischen Elements größer als das 1,25-fache des entsprechenden Brechungsindexes des Substrats ist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Teillagensystem als höher brechendes Material eines oder mehrere der Gruppe Lanthanfluorid, Gadoliniumfluorid, Neodymfluorid, Ytterbiumfluorid, Aluminiumoxid, Hafniumoxid, Zirkonoxid, Nioboxid, Yttriumoxid, Scandiumoxid, Ytterbiumoxid, Tantaloxid aufweist und als niedriger brechendes Material eines oder mehrere der Gruppe Aluminiumfluorid, Chiolith, Cryolith, Natriumfluorid, Magnesiumfluorid, Lithiumfluorid, Siliziumdioxid, Yttriumfluorid, Kalziumfluorid, Bariumfluorid aufweist.
Optisches Element nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es als Material der ein oder mehreren porösen Lagen Magnesiumfluorid und/oder Siliziumdioxid aufweist.