DE102019122451B4

DE102019122451B4 - Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht

Info

Publication number: DE102019122451B4
Application number: DE102019122451.9A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Rickelt; Ulrike Schulz; Jonas Schweinfurth
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2019-08-21
Filing date: 2019-08-21
Publication date: 2022-12-08
Anticipated expiration: 2039-08-22
Also published as: DE102019122451A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht (2A), umfassend die Schritte- A) Abscheiden einer Siliziumoxidschicht (2),- B) Aufbringen einer wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht (3) auf die Siliziumoxidschicht (2), und- C) Erzeugen von Poren in der Siliziumoxidschicht (2) mittels einer Temperaturbehandlung in einem Wasserbad.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht, die sich insbesondere durch einen verminderten Brechungsindex auszeichnet. Die poröse Siliziumoxidschicht kann insbesondere als reflexionsmindernde Schicht oder als Bestandteil einer reflexionsmindernden Schichtenfolge vorgesehen sein.
Zur Entspiegelung von Oberflächen werden üblicherweise reflexionsmindernde Interferenzschichtsysteme verwendet, die mehrere alternierende Schichten aus hochbrechenden und niedrigbrechenden Materialien enthalten. Als Material mit einer besonders niedrigen Brechzahl im sichtbaren Spektralbereich wird häufig MgF₂ mit n = 1,38 eingesetzt. Die reflexionsmindernde Wirkung herkömmlicher dielektrischer Schichtsysteme könnte verbessert werden, wenn Materialien mit geringerer Brechzahl zur Verfügung stehen würden.
In der Druckschrift WO 2015/110546 A1 wird vorgeschlagen, eine anorganische poröses Schicht mit einem Brechungsindex n < 1,38 durch schräges Aufdampfen herzustellen.
Aus der Druckschrift G. B. Alexander, W. M. Heston and R. K. Iler, „THE SOLUBILITY OF AMORPHOUS SILICA IN WATER“, Journal of Physical Chemistry 58 (6), 1954, 453-455, ist bekannt, dass sich Siliziumoxid in Wasser lösen lässt, wobei die Löslichkeit von Siliziumoxid in Wasser insbesondere von der Temperatur und dem pH-Wert des Wasserbads abhängig ist. Die Teilauflösung führt zu einer Porenbildung in dem Siliziumoxid. Allerdings lässt sich der Auflösungsvorgang bisher kaum kontrollieren. Durch Behandlungen in Wasser werden größere Materialmengen aus der Oberfläche zufällig entfernt. Die Schichtdicke verändert sich unkontrolliert und die Schicht wird uneben. Es ist bisher somit keine genaue Einstellung der Schichteigenschaften möglich, die aber für technische Verwendung der Schicht, insbesondere als optische Interferenzschicht, von wesentlicher Bedeutung ist.
In der Druckschrift DE 10 2006 001 078 A1 ist eine Antireflexbeschichtung angegeben, die auf einem Substrat eine dichte Schicht und eine poröse Kieselaerosolgelschicht in dieser Reihenfolge aufweist.
Die Druckschrift JP 2009 168 852 A beschreibt eine Antireflexionsbeschichtung mit sieben Schichten, wobei die siebte Schicht ein poröses Material ist.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung einer porösen Schicht anzugeben, mit dem insbesondere eine poröse Schicht mit vermindertem Brechungsindex herstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht gemäß dem unabhängigen Patentanspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens wird in einem Schritt A) eine Siliziumoxidschicht, insbesondere eine SiO₂-Schicht, abgeschieden. Die Siliziumoxidschicht kann auf ein Substrat, insbesondere auf ein Glassubstrat, oder auf eine bereits auf einem Substrat abgeschiedene Schicht oder Schichtenfolge abgeschieden werden. In einem weiteren Schritt B) des Verfahrens wird eine wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht auf die Siliziumoxidschicht aufgebracht. Die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht weist insbesondere ein von einem Siliziumoxid verschiedenes Material auf, das sich in einem Wasserbad nicht auflöst, aber für Wasser durchlässig ist. In einem nachfolgenden Schritt C) des Verfahrens werden Poren in der Siliziumoxidschicht mittels einer Temperaturbehandlung in einem Wasserbad erzeugt und auf diese Weise die poröse Siliziumoxidschicht hergestellt. Bei der Temperaturbehandlung in dem Wasserbad kann Wasser durch die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht in die darunter liegende Siliziumoxidschicht eindringen und das Siliziumoxid teilweise herauslösen, so dass die Poren entstehen.
Das Verfahren beruht insbesondere auf der Erkenntnis, dass sich der Prozess der Porenbildung in der Siliziumoxidschicht durch das Aufbringen der wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht kontrollieren lässt. Insbesondere wird durch die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht vermieden, dass sich die Siliziumoxidschicht im Waser schnell auflöst und uneben wird. Vorzugsweise ist die Siliziumoxidschicht nach der Temperaturbehandlung im Wasserbad maximal 10% dünner als vor der Behandlung. Weiterhin weist die poröse Siliziumoxidschicht vorzugsweise eine rms-Rauheit von weniger als 20 nm auf.
Die mit dem Verfahren herstellbare poröse Siliziumoxidschicht zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Brechungsindex im Vergleich zu einer nicht porösen Siliziumoxidschicht, insbesondere SiO₂-Schicht, aufgrund der Poren vermindert ist. Die poröse Siliziumoxidschicht kann vorteilhaft mit vergleichsweise geringem Herstellungsaufwand, insbesondere durch ein Beschichtungsverfahren ohne schräges Aufdampfen und ohne einen Ätzprozess hergestellt werden. Die poröse Siliziumoxidschicht kann mit dem Verfahren umweltfreundlich, kostengünstig und schnell hergestellt werden. Die poröse Siliziumoxidschicht zeichnet sich insbesondere durch eine hohe Stabilität gegenüber Laserstrahlung und durch eine hohe Transparenz im UV-Bereich aus. Weiterhin entstehen durch die Poren nur geringen Streuverluste, insbesondere wenn die Poren im Mittel eine Porengröße von weniger als 50 nm aufweisen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wasserbad bei der Temperaturbehandlung eine Temperatur zwischen 70 °C und 100 °C, bevorzugt zwischen 80 °C und 95 °C, auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Löslichkeit von Siliziumoxid in Wasser insbesondere von der Temperatur und dem pH-Wert des Wasserbads abhängig ist. Bei einer Temperaturbehandlung im Wasserbad in diesem Temperaturbereich kann effizient eine Porenbildung in der Siliziumoxidschicht bewirkt werden. Die Dauer der Temperaturbehandlung beträgt vorzugsweise weniger als 10 Minuten, besonders bevorzugt weniger als 4 Minuten. Die Dauer der Temperaturbehandlung kann beispielsweise zwischen 2 min und 10 min betragen.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist das Wasserbad einen pH-Wert zwischen 7 und 10 auf. Ein pH-Wert in diesem Bereich ist vorteilhaft für die Porenbildung in der Siliziumoxidschicht. Der pH-Wert des Wasserbads kann durch einen geeigneten Puffer, beispielsweise einen Natriumhydrogencarbonat-Puffer, gezielt eingestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂ oder Al₂O₃ auf. Diese Materialien lösen sich bei der Temperaturbehandlung im Wasserbad nicht auf, so dass sie eine teildurchlässige Barriere für Wasser bilden, die dafür sorgt, dass sich die Siliziumoxidschicht nicht unmittelbar auflöst. Andererseits können diese Materialien ausreichend von Wasser durchdrungen werden, so dass das durchgelassene Wasser die Porenbildung in der Siliziumoxidschicht bewirkt. Dies ist dann der Fall, wenn die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht eine sehr dünne Schicht ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht eine Dicke zwischen 0,3 nm und 3 nm auf. In diesem Dickenbereich kann bei der Temperaturbehandlung im Wasserbad so viel Wasser die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht durchdringen, dass die gewünschte Porenbildung effektiv erfolgt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die Siliziumoxidschicht vor der Temperaturbehandlung eine Dichte zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ auf. Es hat sich herausgestellt, dass die Eigenschaft der Siliziumoxidschicht, sich unter Ausbildung von Poren in Wasser teilweise aufzulösen, insbesondere von der Dichte der Siliziumoxidschicht abhängt. Siliziumoxidschichten, die nach der Herstellung eine Dichte von weniger als 2,23 g/cm³ aufweisen, lösen sich sehr schnell komplett in Wasser auf, während Siliziumoxidschichten, die nach der Herstellung eine Dichte von mehr als 2,33 g/cm³ aufweisen, kaum oder keine Porenbildung zeigen. Das Ziel einer porösen Siliziumoxidschicht kann besonders gut bei einer Dichte, die nach der Herstellung zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ beträgt, erreicht werden. Die Ausgangsdichte der Siliziumoxidschicht kann durch das Herstellungsverfahren beeinflusst werden. Geeignete Herstellungsverfahren sind insbesondere ionengestütztes Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern und Atomlagenabscheidung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird die Siliziumoxidschicht durch ein ionengestütztes Beschichtungsverfahren, beispielsweise durch ionengestütztes Aufdampfen, abgeschieden. Bei dem ionengestützten Beschichtungsverfahren betragen die Ionenenergien während der Abscheidung der Siliziumoxidschicht vorzugsweise zwischen 80 eV und 120 eV. Die Ionenenergie kann durch eine geeignete Beschleunigungsspannung (BIAS-Spannung) eingestellt werden. Durch die Ionenenergie bei dem ionengestützten Beschichtungsverfahren kann insbesondere die Dichte der abgeschiedenen Siliziumoxidschicht beeinflusst werden. Es hat sich herausgestellt, dass mit einer Ionenenergie im Bereich von 80 eV bis 120 eV Siliziumoxidschichten mit der bevorzugten Dichte zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ hergestellt werden können.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist die poröse Siliziumoxidschicht einen effektiven Brechungsindex neff im Bereich 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 auf, bevorzugt im Bereich 1,11 ≤ neff ≤ 1,30. Der effektive Brechungsindex ist der über die Schicht gemittelte Brechungsindex, der aufgrund der Poren geringer ist als der Brechungsindex des Bulk-Materials, der etwa n = 1,46 beträgt. Die poröse Siliziumoxidschicht wirkt optisch als effektives Medium, dass aufgrund der Beimischung von Luft mit einem Brechungsindex von etwa n = 1 einen sehr niedrigen Brechungsindex aufweisen kann, der mit herkömmlichen Schichten nicht ohne weiteres erzielt werden kann. Der effektive Brechungsindex hängt vom Anteil der Poren in dem Siliziumoxid ab und kann durch den Anteil der Poren gezielt eingestellt werden. Ein geringer effektiver Brechungsindex im Bereich 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 ist vorteilhaft, wenn die poröse Siliziumoxidschicht eine reflexionsmindernde Schicht oder Bestandteil eines reflexionsmindernden Schichtsystems ist.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform wird bei dem Verfahren über der porösen Siliziumoxidschicht mindestens eine weitere poröse Siliziumoxidschicht erzeugt, indem die Schritte A) bis C) mindestens einmal wiederholt werden. Es ist auch möglich, dass die Schritte A) bis C) mehrfach wiederholt werden, um beispielsweise drei oder vier oder noch mehr poröse Siliziumoxidschichten übereinander anzuordnen. Bei dieser Ausführungsform des Verfahrens können insbesondere zwei oder mehr poröse Siliziumoxidschichten übereinander angeordnet werden, die sich in ihrer Porösität und somit in ihren effektiven Brechungsindizes voneinander unterscheiden. Bei einer bevorzugten Variante weist die weitere poröse Siliziumoxidschicht einen geringeren effektiven Brechungsindex auf als die darunterliegende poröse Siliziumoxidschicht. Mit dem Verfahren können insbesondere mehrere übereinander angeordnete poröse Siliziumoxidschichten hergestellt werden, deren effektiver Brechungsindex ausgehend von einem Substrat stufenweise abnimmt. Auf diese Weise kann ein Schichtsystem mit einem Brechungsindexgradienten realisiert werden.
Bei dem Verfahren kann die Siliziumoxidschicht auf ein Substrat oder auf eine auf einem Substrat angeordnete Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht werden. Beispielsweise wird die Siliziumoxidschicht direkt auf ein Substrat aufgebracht und bei dem Verfahren in eine poröse Siliziumoxidschicht umgewandelt. Die poröse Siliziumoxidschicht kann in diesem Fall aufgrund ihres vergleichsweise niedrigen Brechungsindex als reflexionsmindernde Schicht für das Substrat fungieren. Es ist auch möglich, dass zunächst eine Schicht oder eine Schichtenfolge auf das Substrat aufgebracht wird, wobei die poröse Siliziumoxidschicht beispielsweise als Deckschicht auf die Schicht oder Schichtenfolge aufgebracht wird. Beispielsweise wird ein dielektrisches Interferenzschichtsystem aus abwechselnden Schichten mit niedrigerem und höherem Brechungsindex auf das Substrat aufgebracht und nachfolgend die poröse Siliziumoxidschicht als Deckschicht. Das dielektrische Interferenzschichtsystem kann diesem Fall insbesondere eine reflexionsmindernde Schichtenfolge sein, deren reflexionsmindernde Wirkung durch die poröse Siliziumoxidschicht als Deckschicht weiter verbessert werden kann. Bei der Anwendung der porösen Siliziumoxidschicht als reflexionsmindernde Schicht oder Bestandteil einer reflexionsmindernden Schichtenfolge kann vorteilhaft eine breitbandige und im Wesentlichen winkelunabhängige Einspielung erzielt werden.
Weiterhin ist es mit dem Verfahren möglich, Wechselschichtsysteme aus abwechselnden Siliziumoxidschichten höherer Dichte und niedrigerer Dichte herzustellen. Die Siliziumoxidschichten niedrigerer Dichte werden in diesem Fall jeweils durch die Temperaturbehandlung in dem Wasserbad erzeugt. Die Siliziumoxidschichten höherer Dichte können durch ein herkömmliches Beschichtungsverfahren ohne die Temperaturbehandlung gemäß dem hierin beschriebenen Verfahren erzeugt werden. Ein auf diese Weise erzeugtes Wechselschichtsystem kann insgesamt eine reflexionsmindernde Schichtenfolge ausbilden. Ein solches Wechselschichtsystem, das vorzugsweise abgesehen von den dünnen wasserdurchlässigen und wasserunlöslichen Schichten keine anderen Materialien als Siliziumoxid aufweist, zeichnet sich vorteilhaft durch eine hohe Laserstabilität sowie hohe Transparenz im UV-Spektralbereich aus.
Bei einer Variante des Verfahrens kann über der porösen Siliziumoxidschicht eine Schutzschicht aufgebracht werden. Die Schutzschicht ist vorzugsweise eine dichte Siliziumoxidschicht, die nicht im Wasserbad behandelt wird. Alternativ kann als Schutzschicht beispielsweise eine Aluminiumoxidschicht aufgebracht werden. Die Schutzschicht ist vorzugsweise weniger als 20 nm, besonders bevorzugt weniger als 10 nm dick.
Das Substrat ist bei dem Verfahren bevorzugt ein Glas, insbesondere Quarzglas. Das Substrat kann insbesondere ein optisches Element sein, beispielsweise eine Linse. Durch Herstellen der porösen Siliziumoxidschicht oder einer Schichtenfolge mit der porösen Siliziumoxidschicht kann das optische Element insbesondere entspiegelt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit den 1 bis 5 näher erläutert.
Es zeigen:

1A bis 1C eine schematische Darstellung eines Beispiels des Verfahrens anhand von Zwischenschritten,
2 eine grafische Darstellung der Absorption A in Abhängigkeit von der Wellenzahl v bei einem Beispiel der Siliziumoxidschicht,
3 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems,
4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch ein weiteres Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems, und
5 eine grafische Darstellung der Reflexion R in Abhängigkeit von der Wellenlänge A des Schichtsystems bei dem Beispiel der 4.

Gleiche oder gleich wirkende Bestandteile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Die dargestellten Bestandteile sowie die Größenverhältnisse der Bestandteile untereinander sind nicht als maßstabsgerecht anzusehen.
In einem in 1A dargestellten ersten Schritt A) eines Beispiels des Verfahrens ist eine Siliziumoxidschicht 2 auf ein Substrat 1 abgeschieden worden. Die Dicke der Siliziumoxidschicht kann beispielsweise zwischen 40 nm und 350 nm betragen. Das Substrat 1 ist beispielsweise ein Glassubstrat, das insbesondere Quarzglas aufweisen kann. Bei dem Substrat 1 handelt es sich zum Beispiel um ein optisches Element, das mit einer reflexionsmindernden Schicht versehen werden soll. Bei dem dargestellten Beispiel wird die Siliziumoxidschicht 2 direkt auf das Substrat 1 aufgebracht. Alternativ ist es möglich, dass vor dem Aufbringen der Siliziumoxidschicht 2 eine oder mehrere weitere Schichten auf das Substrat 1 aufgebracht werden.
Das Abscheiden der Siliziumoxidschicht 2 erfolgt vorzugsweise durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren wie beispielsweise Aufdampfen, insbesondere ionengestütztes Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfung, Sputtern oder Atomlagenabscheidung (ALD). Die Parameter des Beschichtungsverfahrens werden vorzugsweise derart eingestellt, dass die Siliziumoxidschicht 2 nach der Abscheidung eine Dichte zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ aufweist. Dies kann beispielsweise durch Elektronenstrahlverdampfung bei einem Arbeitsdruck < 2*10^-4 mbar, einer Beschichtungsrate von 0,1 nm/s bis 0,5 nm/s und einer Temperatur zwischen 25 °C und 60 °C erreicht werden. Alternativ kann die Abscheidung der Siliziumoxidschicht 2 beispielsweise durch ionengestütztes Aufdampfen bei einem Arbeitsdruck von 4,1 bis 4,6 * 10^-4 mbar, einer Beschichtungsrate von 0,2 nm/s bis 1 nm/s, einer Temperatur von 25 °C bis 60 °C und Ionenenergien im Bereich von 80 eV bis 120 eV erfolgen.
Es hat sich herausgestellt, dass bei der Anwendung eines ionengestützten Beschichtungsverfahrens zur Herstellung der Siliziumoxidschicht 2 insbesondere die Ionenenergie die Dichte der Siliziumoxidschicht 2 beeinflusst. Bei den Ionen, die während des ionengestützten Beschichtungsverfahrens in Richtung der aufwachsenden Schicht beschleunigt werden, kann es sich beispielsweise um Sauerstoffionen oder um Edelgasionen wie beispielsweise Argonionen handeln. Durch Einstellung der Ionenenergie im Bereich zwischen 80 eV und 120 eV ist es möglich, eine Siliziumoxidschicht mit der für das Verfahren vorteilhaften Dichte zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ herzustellen. Siliziumoxidschichten mit einer Dichte in diesem Bereich weisen als charakteristisches aber nicht hinreichendes Kriterium physisorbiertes Wasser in schon vorhandenen Poren auf. Dies ist in Infrarot-Absorptionsspektren zu erkennen.
Beispielhaft ist in 2 ein Infrarot-Absorptionsspektrum eines Beispiels der Siliziumoxidschicht dargestellt. Das Beispiel der Siliziumoxidschicht weist eine OH-Schwingungsbande im Infrarotbereich mit einem Maximum bei einer Wellenzahl von etwa 3400 cm^-1 bis 3500 cm^-1 auf, die auf physisorbiertes Wasser in den Poren hindeutet. Insbesondere ist diese Schwingungsbande stärker ausgeprägt als bei Schichten mit einer größeren Dichte, die typischerweise keine derartige Schwingungsbande oder eine Schwingungsbande mit einem Maximum bei etwa 3550 cm^-1 bis 3650 cm^-1 aufweisen, die auf chemisorbierte OH-Gruppen hindeutet.
Bezugnehmend auf 1B wird in einem weiteren Schritt des Verfahrens eine dünne wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht 3 auf die Siliziumoxidschicht 2 aufgebracht. Die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht 3 weist vorzugsweise eine Dicke von nur 0,3 nm bis 3 nm auf. Besonders geeignete Materialien für die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht 3 sind Metalloxide wie beispielsweise TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂ oder Al₂O₃. Die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht 3 wird wie die Siliziumoxidschicht 2 durch ein Vakuumbeschichtungsverfahren wie beispielsweise Aufdampfen, Elektronenstrahlverdampfung, Magnetronsputtern oder Atomlagenabscheidung hergestellt. Bevorzugt wird die dünne wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht 3 durch Aufdampfen mit geringer Wachstumsrate von weniger als 0,1 nm/s hergestellt.
Nach dem Aufbringen der dünnen wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht 3 erfolgt eine Temperaturbehandlung des zuvor hergestellten Schichtsystems in einem heißen Wasserbad. Dieser Schritt ist schematisch in 1C dargestellt. Beispielsweise wird das Substrat 1 mit dem Schichtsystem aus der Siliziumoxidschicht 2 und der wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht 3 in das heiße Wasserbad eingetaucht, wobei die Wassertemperatur zwischen 70 °C und 100 °C, bevorzugt zwischen 80 °C und 95 °C, beträgt. Der pH-Wert des Wasserbads beträgt vorzugsweise zwischen 7 und 10 und kann gegebenenfalls durch einen Puffer, zum Beispiel durch einen Natriumhydrogencarbonat-Puffer, eingestellt werden. Bei der Temperaturbehandlung in dem Wasserbad kann Wasser in die Siliziumoxidschicht 2 eindringen und das Siliziumoxid unter Ausbildung von Poren teilweise herauslösen. Auf diese Weise wird eine poröse Siliziumoxidschicht 2A erzeugt. Die Porösität der Siliziumoxidschicht 2A kann insbesondere durch die Dauer der Temperaturbehandlung beeinflusst werden. Vorzugsweise beträgt die Dauer der Temperaturbehandlung etwa 2 Minuten bis 10 Minuten.
Die auf diese Weise hergestellte poröse Siliziumoxidschicht 2A zeichnet sich insbesondere durch eine niedrigen effektiven Brechungsindex aus, für den bevorzugt 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 und besonders bevorzugt 1,11 ≤ neff ≤ 1,30 gilt.
In 3 ist ein Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems dargestellt, bei dem vor dem Aufbringen der porösen Siliziumoxidschicht 2A ein dielektrisches Schichtsystem 4 auf das Substrat 1 aufgebracht wurde, dass insbesondere ein reflexionsminderndes Schichtsystem sein kann. Das dielektrische Schichtsystem 4 weist beispielsweise abwechselnde erste Schichten mit niedrigerem Brechungsindex n₁, insbesondere n₁ < 1,6, und zweite Schichten 42 mit höherem Brechungsindex, insbesondere n₂ > 1,6, auf. Abgesehen von der unter optischen Gesichtspunkten im Wesentlichen vernachlässigbaren dünnen wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht 3 fungiert die poröse Siliziumoxidschicht 2 in diesem Fall als Deckschicht des Schichtsystems. Durch die Deckschicht mit einem besonders niedrigen Brechungsindex kann die reflexionsmindernde Wirkung des dielektrischen Schichtsystems 4 verbessert werden.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens wird ein Schichtsystem hergestellt, dass abwechselnd auf herkömmliche Weise hergestellte Siliziumoxidschichten und poröse Siliziumoxidschichten aufweist. Ein Beispiel eines mit dem Verfahren herstellbaren Schichtsystems ist in 4 dargestellt. Die zur Herstellung der porösen Siliziumoxidschichten 2A verwendeten dünnen wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schichten 3 sind in 4 zur Vereinfachung nicht dargestellt, obwohl sie im fertigen Schichtsystem verbleiben, weil sie aufgrund ihrer geringen Dicke von weniger als 3 nm in optischer Hinsicht im Wesentlichen vernachlässigbar sind. Auf einem Quarzglassubstrat 1 ist eine erste Siliziumoxidschicht 21 angeordnet, die eine Dicke von beispielsweise 177 nm und einen Brechungsindex n = 1,46 (entsprechend dem Bulk-Material) aufweist. Darauf folgt eine erste poröse Siliziumoxidschicht 2A mit einer Dicke von beispielsweise 71 nm und einem effektiven Brechungsindex neff = 1,30. Darüber sind eine zweite Siliziumoxidschicht 22 mit einer Dicke von beispielsweise 10 nm und einem Brechungsindex n = 1,46, eine weitere poröse Siliziumoxidschicht 2B mit einer Dicke von beispielsweise 127 nm und einem effektiven Brechungsindex neff = 1,15 und eine dritte Siliziumoxidschicht 23 mit einer Dicke von beispielsweise 5 nm und einem Brechungsindex n = 1,46 angeordnet. Die oberste Schicht 23 des Schichtsystems bildet eine Schutzschicht aus und ist deshalb eine dichte Siliziumoxidschicht.
Ein solches Wechselschichtsystem aus abwechselnden Siliziumoxidschichten 21, 22, 23 mit herkömmlicher Dichte und porösen Siliziumoxidschichten 2A, 2B ist insbesondere dazu geeignet, eine Entspiegelung über einen weiten Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich zu erzielen. Zur Verdeutlichung ist in 5 die Reflexion R des Schichtsystems gemäß 4 in Abhängigkeit von der Wellenlänge A für Einfallswinkel von 0° und 45° dargestellt. Es zeigt sich, dass die Reflexion R bei diesen Einfallswinkeln im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm im Mittel weniger als 0,5% beträgt.
Die Erfindung ist nicht durch die Beschreibung anhand der Ausführungsbeispiele beschränkt.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer porösen Siliziumoxidschicht (2A), umfassend die Schritte - A) Abscheiden einer Siliziumoxidschicht (2), - B) Aufbringen einer wasserunlöslichen und wasserdurchlässigen Schicht (3) auf die Siliziumoxidschicht (2), und - C) Erzeugen von Poren in der Siliziumoxidschicht (2) mittels einer Temperaturbehandlung in einem Wasserbad.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Wasserbad bei der Temperaturbehandlung eine Temperatur zwischen 70 °C und 100 °C aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wasserbad bei der Temperaturbehandlung einen pH-Wert zwischen 7 und 10 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht (3) TiO₂, Ta₂O₅, HfO₂ oder Al₂O₃ aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wasserunlösliche und wasserdurchlässige Schicht (3) eine Dicke zwischen 0,3 nm und 3 nm aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoxidschicht (2) vor der Temperaturbehandlung eine Dichte zwischen 2,23 g/cm³ und 2,33 g/cm³ aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoxidschicht (2) durch ein ionengestütztes Beschichtungsverfahren mit Ionenenergien zwischen 80 eV und 120 eV abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die poröse Siliziumoxidschicht (2A) einen effektiven Brechungsindex neff im Bereich 1,05 ≤ neff ≤ 1,38 aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei über der porösen Siliziumoxidschicht (2A) mindestens eine weitere poröse Siliziumoxidschicht (2B) erzeugt wird, indem die Schritte A) bis C) mindestens einmal wiederholt werden.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die weitere poröse Siliziumoxidschicht (2B) einen geringeren effektiven Brechungsindex aufweist als die poröse Siliziumoxidschicht (2A).
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Siliziumoxidschicht (2) auf ein Substrat (1) oder auf eine auf einem Substrat (1) angeordnete Schicht oder Schichtenfolge (4) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Substrat (1) ein Glas aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Substrat (1) ein optisches Element ist.